荧光增感屏的光学模糊效应研究

　　在X射线成像的接收系统中,通常用到荧光增感屏(下面仅称增感屏)接收入射的携带客体信息的X光。增感屏把X光子转换为可见光,可见光使底片曝光形成客体的图像。荧光增感屏的使用,提高了底片记录图像信息的灵敏度。但是,由于可见光在增感屏中的扩展造成了图像的模糊,使得客体上的一点在底片上显示的是一扩散的斑点,而客体上的一条线成像在底片上则成为一条展宽的带,加上成像系统其它部分的影响,容易引起对客体的误判。对于高能X射线成像的接收系统来说空间分辨率要达到亚毫米量级的要求[1],图像处理工作必须对增感屏引起的模糊有定量认识。

　　模糊问题其实就是成像系统的空间分辨能力,描述成像系统模糊最科学的参数[2]是点扩展函数PSF(Point Spread Function),线扩展函数LSF(Line Spread Function)和调制传递函数MTF(Modulation Transfer Function)。

　　最近一些年,人们对可见光在增感屏(粒子探测领域常称之为闪烁体)中的输运问题表现出持久的兴趣。按照研究方法不同可以把他们分为两组,一组是用解析的方法[3-5],另一组利用蒙特卡罗( MC)随机模拟方法[6-10]。Swank[3]最先用解析的方法研究了增感屏的模糊效应,但是在计算过程中引入了很多近似。巴雷特[4]对增感屏做了透明处理,不考虑可见光在增感屏中的吸收、反射和散射,计算了带有保护层的增感屏的点扩展函数。蒙特卡罗方法以概率统计理论为基础,能够比较逼真地模拟事物的特点和物理实验过程。Radcliffe[8]等人运用MC的方法研究了MeV量级X射线成像中金属-荧光增感屏的成像性能。王义[9]等则使用MC的方法分析了增感屏的图像信息传输效率。Badano[10]通过MC模拟探讨了增感屏材料为CsI:Na的光学模糊和可见光收集效率问题。

　　目前,商业上很多用作增感屏的荧光材料是掺有稀土元素Tb的Gd2O2S。比较著名的有柯达生产的Min-R增感屏。由于Gd2O2S荧光屏是把Gd2O2S颗粒通过胶体粘结在一起的聚集体,可见光在Gd2O2S中的输运过程比较复杂,难以直接用解析的方法去求解。本文将采用MC随机抽样方法,模拟点光源在增感屏表面的扩展现象。

　　1　理论模型

　　一般情况下,由于可见光的波长远小于荧光增感屏的尺寸,关于光子输运的计算就可以在几何光学的基础上进行。光子从光源出发,沿某方向向前传输,可以看作三维空间中的一条射线。为了模拟方便,本文把增感屏简化为平板模型,如图1(a)所示,即增感屏在Z方向有一定厚度,而在X-Y方向无限大。由于本文的研究重点是荧光光子的模糊效应,所以不考虑X光与增感屏的相互作用过程和散射情况。模拟过程中,沿着X和Y方向每0.1 mm记为一个象素,沿着Z方向把增感屏分为十层,从每层的中心随机抽样100000个光子,代表X光子能量沉积转化的可见光光子数。光子在增感屏内传输时各向同性。可见光光子在增感屏中的传播情况如图1(b)所示。