高能X光闪光照相中CCD相机的MTF

    引　言

　　闪光照相是利用X射线的强穿透能力以及它与物质相互作用的性质,根据成像平面上X射线能量空间分布,确定客体的几何性质和物理性质,从而对客体及其内部结构进行定量测量和分析。接收系统是闪光照相系统中极其重要的组成部分。在高能X光闪光照相中,接收系统主要有底片接收和CCD接收两种方式。底片接收技术具有简单、易防护及成本低等优点,在以往的研究中被各国广泛采用。随着闪光照相研究的深入,给照相能力提出了更高的要求,底片接收灵敏度低等缺点逐渐显露出来。20世纪80年代,CCD接收技术作为一项新兴的接收技术开始出现在高能X光闪光照相技术中,运用CCD作为接收器件的高能X光闪光照相系统具有灵敏度高、动态范围大、线性度好以及图像获得的实时性等优点,是当今高能X光闪光照相系统应用及研究的主要方向[1,2]。

    对于高能X光闪光照相光电接收系统,CCD是关键器件之一,其空间分辨能力对整个光电接收系统的空间分辨能力会造成一定影响。对于CCD相机的空间分辨率特性,通常用MTF来表征。影响CCD的MTF的来源主要包括CCD器件的性能参数和外界环境。其中,CCD器件性能参数包括:CCD像元尺寸、光电子量子效率、半导体的暗电流、系统读出噪声等。外界环境则主要是高能X光闪光照相环境。在X光辐射照相中,直线感应加速器(LIA)的高能强电子流打在靶上引起的轫致辐射产生高能X光,高能X光多种材料相互作用产生的强康普顿散射光子与CCD器件作用,造成的弗伦克尔缺陷可以作为载流子产生中心,使暗电流增加。再者,加速器工作在高电压大电流状态,加速器大厅内存在很强的电磁辐射。高能X光和强电磁辐射都可能给CCD接收系统得到的图像带来大量的白斑噪声。充分考虑以上因素,对高能X光闪光照相环境中CCD器件的MTF进行分析,比较准确地研究CCD器件的MTF及其对整个光电接收系统的影响情况。

    1　CCD器件MTF的计算模型

    为研究CCD相机调制传递函数(MTF),产生一个光强按正弦规律变化的波形图像,如式(1)所示。

S=Aõ[1 + cos(2Pfx+<0)] (1)

　　其中,A为信号幅度,单位为光电子数/mm2或光电子数/像素(e/mm2或e/pixel);f为空间频率,单位为lp/mm;X为空间坐标,单位为mm;<0为输入波形的初相位。

    在理想情况下,不考虑输入波形初相位的影响,一维图像输入一维线阵CCD,输入图像的光强沿着CCD光敏元排列方向变化。MTF的计算模型如图1所示。

    做积分计算,在第n个CCD光敏元上产生的光电子数Mn如式(2)所示。