CN102547150B - 一种x射线相机及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种X射线相机及其制造方法，它是由光锥与CCD或CMOS相机耦合而成，光锥的大头依次为针状CsI晶体、防潮膜、铝膜或氮化硅膜；所述光锥是在普通光锥的高折射率芯料套上低折射率皮料的基础上，再套上热物理性能与之匹配的黑料玻璃或铅硅酸盐玻璃套管，按照制造纤维光学面板的前道工艺制作出纤维阵列圆柱体，尔后按照大小头的比例拉制出光锥，其中用铅硅酸盐玻璃套管制作的光锥需氢还原处理；在上述光锥的大头依次制作出针状CsI晶体、防潮膜、铝膜或氮化硅薄膜后，将光锥的小头与所述相机的感光面通过光学胶耦合。由此制作的X射线相机最小像素达5μm、分辨率在30lp/mm以上，MTF好。
Description
技术领域
本发明属于X射线成像技术领域，主要涉及一种高分辨率X射线相机及其制造方法，尤其涉及到光锥耦合CCD或CMOS相机及其制造方法。
背景技术
自从1895年德国物理学家伦琴发现X射线以来，X射线摄影和动态成像在医学及工业影像领域得到广泛的应用。随着CCD和CMOS器件的质量不断攀升和在工业领域的广泛应用，高分辨率、数字化并可实现远程诊断的X射线CCD或CMOS相机为医疗成像和工业无损探测提供了强有力的技术保障，并有可能代替传统X射线成像设备。医疗成像领域把X射线转换成数字影像的设备称为DR(DigitalRadiography)，它是各类数字化X射线摄影技术的总称，包括如图1所示的三大类。其中以碘化铯为转换材料，以光锥(简称FOT)或光学纤维面板(简称光纤面板或FOP)为导光介质，而以CCD或CMOS为信号转换材料的DR系统，近年来发展迅速，即采用光锥为衬底，在其一端制作X射线转换材料，另一端与CCD或CMOS相机直接耦合或者与图像增强的CCD或CMOS(ICCD或ICMOS)相机耦合，以制作高分辨率X射线CCD相机，由于采用了针状结构的碘化铯发光闪烁体，它能有效吸收X射线，并使发光光谱与CCD的响应光谱接近，提高了X射线的利用率，通过物理和技术手段减少了光散射效应，提高了图像的锐利度和清晰度，因而可广泛应用于医疗方面的牙科检查、口腔周视检测、乳腺和肠胃检查以及工业领域的精密构件的无损检测、电子线路或集成电路检测等领域。
日本的滨松光子株式会社，曾在纤维单丝直径为6μm的FOP或FOT上蒸镀针状CsI(Tl)闪烁晶体，尔后制作有机薄膜，以保护该闪烁体不被潮解，其中为了获得更高的分辨率，须以牺牲部分转换效率为代价的FOP+CsI(Tl)转换屏，当CsI(Tl)的厚度为150μm时，其相对输出亮度为105％，获得了22Lp/mm的分辨率，而当CsI(Tl)的厚度为600μm时，其相对输出亮度为180％，分辨率则降到13Lp/mm，表1为其标准产品的相关技术指标。
表1：日本的滨松光子株式会社的几种产品的技术指标
*为一款光锥。
国外其他公司也有类似产品，由于均采用的是普通FOP或FOT，特别是制作光锥时，在大小头之间的细部，由于光在芯料传输过程中，可能在芯皮界面上导致全反射条件的破坏，部分光通过皮料进入相邻单丝，造成串光，由此导致分辨率下降。而且，当CsI(Tl)的厚度增加时，其转换效率也随着增加，发光点分布增加，进入光纤中的方向分布变为更加复杂，由此也导致分辨率下降。
在实际工作中，当要求由上述转换屏与CCD或CMOS相机直接耦合后，如要求获得较高的分辨率，就得以牺牲其转换效率为代价，往往在光锥的小端耦合增强的CCD或CMOS(即ICCD或ICMOS)，如用于印刷电路板的激光打孔机的检测，这样，导致制造成本增加，反映成像综合质量的传递函数(MTF)下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述X射线相机不能同时获得高分辨率和高转换效率的实际情况，本发明提供一种改进型光锥及其制造方法，并蒸镀较厚的针状结构的CsI(Tl)闪烁晶体，解决了纤维单丝之间的串光。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种X射线相机，由光锥与CCD或CMOS相机耦合而成，光锥的另一端依次镀有针状CsI晶体、防潮膜、铝膜或氮化硅膜，所述光锥的每一根微细玻璃纤维是在通常的由高折射率芯玻璃棒和低折射率皮玻璃管拉制后形成的基础上，外边缘都包有黑色玻璃皮料，包皮的厚度是纤维直径的1/8～1/5；为了保证由此制作的X射线相机在不同入射的X射线能量下具有比较高的转换效率，可根据探测X射线的能量范围，确定CsI(Tl)闪烁晶体的厚度。如当其能量范围在20Kev～140Kev之间，则针状结构的CsI(Tl)闪烁晶体厚度宜控制在150～1000μm范围内，当X射线能量范围在40～90Kev之，则其厚度可控制在300～600μm之间。
用于制造上述X射线相机的技术方案是，采用如下步骤来实现的，即：
(1)将制作纤维光学面板用的高折射率芯玻璃棒套在低折射率皮玻璃管中，再将套好的玻璃管棒套在外包皮玻璃管中，所述外包皮玻璃管是膨胀系数和其它热物理性能与所述高折射率芯玻璃棒和低折射率皮玻璃管相匹配的在可见光区透过率≤1％的黑色玻璃，所述高折射率芯玻璃棒、低折射率皮玻璃管和外包皮玻璃管之间的间隙≤0.4mm，所述高折射率芯玻璃棒、低折射率皮玻璃管和外包皮玻璃管的尺寸按最终成品的要求，事先根据计算或工艺经验设计好。按照制作纤维光学面板的工艺，即经过拉单丝、在六角模内排单丝和插黑丝构成复丝棒、拉复丝、排复丝、拉二次复丝、排屏、压屏、切片、滚圆等工艺，制作出纤维阵列圆柱体；
(2)按照预定的大小头比例，拉制出光锥；
(3)将小头加工到需要耦合的CCD或CMOS相机芯片感光面大小相同的尺寸，并将大小头研磨、抛光；
(4)将上述加工好的光锥，置于真空镀膜机中，按照蒸镀针状CsI晶体的工艺镀膜，即蒸镀CsI晶体，并监控膜层厚度，当厚度达到规定要求后，停止镀膜，取出；
(5)按照电子元器件制作防潮膜的工艺，在上述已镀的CsI晶体上制作防潮膜，注意保护小头，确保小头不被蒸镀到这种防潮膜；
(6)采用磁控溅射工艺，在防潮膜上蒸镀铝膜或氮化硅膜，膜厚：90nm～500nm；
(7)在超净间内揭开CCD或CMOS相机芯片上的玻璃窗口，并在上述光锥小头端面涂上光学耦合胶，按照光锥与CCD的耦合工艺，将上述光锥耦合到上述芯片的感光面上，固化后，用结构胶进一步粘牢，完成制造全过程。
将所述步骤(1)中的外包皮玻璃管换成同种尺寸的铅硅酸盐玻璃管，所述铅硅酸盐玻璃管的膨胀系数和其它热物理性能与所述高折射率芯玻璃棒和低折射率皮玻璃管相匹配，按照上述步骤(1)～(3)完成后，采用能够黑化到透过率≤1％的氢还原工艺，将所述加工好的光锥烧黑，尔后执行步骤(4)～(7)的相应步骤。
如采用中铅或高铅硅酸盐玻璃管替代上述作为外包皮的铅硅酸盐玻璃管，所述中铅或高铅硅酸盐玻璃管的膨胀系数和其它热物理性能也必须与所述高折射率芯玻璃棒和低折射率皮玻璃管相匹配，按照上述步骤(1)～(3)完成后，采用能够黑化到透过率≤1％的氢还原工艺，将所述特制的光锥烧黑，尔后执行步骤(4)～(7)的相应步骤。
将制造微通道板的皮玻璃代换上述的的铅硅酸盐玻璃，制作出玻璃管作为外包皮管，事先找到氢还原处理工艺，使其透过率≤1％，在满足膨胀系数和其它热物理性能与所述高折射率芯玻璃棒和低折射率皮玻璃管相匹配的条件下，或者说，与所述中铅或高铅硅酸盐玻璃的膨胀系数和其它热物理性能相同的条件下，也可采取上述工艺制作本相机所要求的光锥。
用上述氢还原工艺，将作为外包皮玻璃管的铅硅酸盐玻璃管，也包括中铅或高铅硅酸盐玻璃管或微通道板皮玻璃管，可以考虑分别在步骤(1)的不同阶段，按照事先确定的还原处理工艺，即使得该玻璃的透过率≤1％的工艺，选择在拉丝前先把该玻璃管烧黑，或对拉制好的单丝、或对复丝按照上述氢还原工艺进行烧黑处理，尔后执行后序的工艺步骤，而在步骤(3)到步骤(4)之间，不再进行氢还原处理，直至完成工艺的全过程。
上述工艺可以保证所作的玻璃纤维单丝达5μm，而针状CsI晶体也可以做到5μm的单元，由此可以获得5μm的像素，加上一定的黑色外包皮，考虑到其它因素，由这种光锥构成的X射线相机的分辨率至少能够做到30lp/mm。
本发明的整体技术效果体现在以下几个方面：(1)由于采用了改进工艺制作的光锥，其在输入端面上，单丝之间被黑色玻璃隔断，挡住了来自周围针状CsI(Tl)闪烁晶体的串光；(2)在光锥的整过传输的路径上，由于黑色玻璃吸收了来自周边单丝可能透射的杂散光，进一步提高了分辨率，改善了成像系统的调制传递函数(MTF)；(3)上述两因素的共同作用，加上配合不同X射线能量下优化针状结构的CsI(Tl)闪烁晶体的厚度，可以实现在较高的转换效率之下，获得更好的分辨率和MTF，使得在一般情况下上述两个重要指标不能兼得的现状得到较好的改善。
附图说明
图1是X射线数字景象设备的分类及其成像机理和过程；
图2是本发明所作的X射线相机的结构原理图；
图3是常规光锥单丝排列的放大图(局部)；
图4是本发明光锥单丝排列的放大图(局部)。
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。
本发明所公开的一种X射线相机，如图2所示，由光锥1与CCD或CMOS相机3耦合而成，即将光锥的小头通过光学耦合胶与CCD或CMOS芯片上的光敏面2粘合而成，光锥的另一端依次镀有针状CsI晶体4、防潮膜5、铝膜或氮化硅膜6，所述光锥1是在普通光锥所采用的由高折射率芯玻璃棒和低折射率皮玻璃管拉制后形成的微细玻璃纤维阵列的基础上，在拉单丝前就再套上黑色玻璃皮料管或经后道工艺处理后能变黑的玻璃材料做成的玻璃管，为了便于描述，在此称为外包皮玻璃管。普通光锥的材料和工艺属于现有技术，本领域的技术人员知道该如何设计材料的成分和尺寸以及合适的工艺，先制作纤维光学面板，再根据要求，在光锥机上拉制出光锥，为了减少光在芯料7和皮料8之间的光泄露，或者说是串光，工艺上在排单丝的过程中，往往在单丝之间的缝隙内插黑丝，这些黑丝经后道工艺如拉复丝处理后，相互融合在一起，如图3所示的黑色区域10，从图3可以看出，与一个单丝相切的周边六个单丝在切点附近黑色玻璃所覆盖的比例比较少，光在传输过程中，由此串光的机会增加，为此，本发明充分考虑到拉制光锥后，特别是大小头比例较高的情况(如5:1或者以上)光在传输过程中，全反射被破坏的情况增加，在单丝之间串光的机会增加，再加上传输由端面经闪烁体即本发明所采用的针状CsI晶体4转换过来的光，串光更为厉害，事实上，6μm丝径的FOP传输荧光屏的光，分辨率达90lp/mm以上，日本的滨松光子株式会社采用150μm的CsI(Tl)也才做到22lp/mmCsI(Tl)，而在大小头比例为3:1的光锥上，做到10lp/mm，比同种情况下的FOP要低3lp/mm，见表1。
本发明所公开的光锥就是针对上述缺陷而提出的，如图4所示，通过在拉单丝之前，套上玻璃管，作为外包皮管，经过类似光纤面板的前道工艺处理后，获得如图4所示的黑色环形区9，当然排单丝时依然要插黑丝，形成更大面积的光吸收区或所谓的黑色区域10，为了保证更好的MTF，最终产品中，外包皮的黑色玻璃的厚度与微细玻璃纤维直径的比例列在表2中。从表中可以看出，两者的比例在1/8～1/5之间。
表2：选取的黑色玻璃包皮厚度、微细玻璃纤维直径以及它们的比例
| 微细玻璃纤维直径/μm | 5 | 6 | 8 | 10 | 12 | 15 | 20 |
| 黑玻璃包皮厚度/μm | 1 | 1.2 | 1.3 | 1.5 | 2.0 | 2.1 | 2.5 |
| 皮与单丝的比例 | 1/5 | 1/5 | 13/80 | 3/20 | 1/6 | 7/50 | 1/8 |
由于本发明所采用的光锥采用上述结构，从一定程度上解决了分辨率的问题，在确保分辨率的情况下，可以尽可能提高X射线的转换效率，在蒸镀针状CsI晶体的同时，适当惨杂TlI，为本领域技术人员的常规知识，在此不过多描述，而发明中所提及的所有蒸镀CsI及其工艺，蒸镀CsI闪烁晶体，包括前面的修饰语“针状”等，在没有特指的情况下，实际上就是该常规工艺。对于给定能量的X射线，在一定厚度范围内，其转换效率随闪烁体的厚度增加而增加，事实上，CsI晶体也是闪烁体中的一种。为了实现本发明的实际效果，当X射线能量范围在20Kev～140Kev之间，则针状结构的CsI(Tl)闪烁晶体厚度宜控制在150～1000μm范围内，能够达到比较好的转换效率，而当X射线能量范围在40～90Kev之间时，则其厚度可控制在300～600μm之间，效果最好。
就采用黑色玻璃管做FOP或FOT的皮芯料的外套管，其制造工艺包括如下步骤：(1)选取在可见光区透过率≤1％的黑色玻璃制作出玻璃管，作为外包皮玻璃管，其透过率指标按照光学玻璃透光率测试标准来测试；其次为实现本发明，上述黑色玻璃的膨胀系数必须与构成单丝的皮和芯玻璃相匹配，这种匹配主要是指在加工的各温度范围内，两者膨胀系数之差应该在一定范围内，这是本领域技术人员的常识，即确保在升降温过程中，应力通过退火工艺消除到最小，其它热物理性能包括玻璃的软化点和转变点，其匹配的原则也是本领域的常规知识，在此不作过多描述。作为一个特例，选取的黑色玻璃，可以是纤维面板单丝之间所插的黑丝的原玻璃，只是把拉黑丝前的玻璃棒改作玻璃管即可。玻璃管的内外径、长度以及表观和内在质量要求，类似于微通道板工艺中采用的皮玻璃管，通过拉丝缩小的比例大致可以推算拉丝前该皮玻璃管的内外径。例如制作5μm丝径的FOP，当外包皮黑色玻璃(也称吸收玻璃)在该丝径的包皮层厚度为1μm，则其内径大致在29～30mm，外径在34～36mm，高折射芯玻璃棒和低折射皮玻璃管的选取、尺寸要求以及表观和内在质量要求为本行业技术人员所熟知，在此不作展开说明。将上述一种玻璃棒(即高折射率芯玻璃棒)、两套玻璃管(即低膨胀系数的皮料和黑色玻璃皮料)按照间隙在0.4mm以下的要求选好后，依照制作纤维光学面板工艺，即经过拉单丝、在六角模内排单丝和在单丝之间的缝隙内插黑丝构成复丝棒、拉复丝、排复丝、拉二次复丝、排屏、压屏、切片、滚圆等工艺，制作出纤维阵列圆柱体；
(2)按照预定的大小头比例，如3:1,拉制出光锥；
(3)将小头加工到需要耦合的CCD或CMOS相机芯片感光面大小相同的尺寸(如1/2″CCD，小头加工成6.4×4.8mm),并将大小头研磨、抛光；(4)将上述加工好的光锥，置于真空镀膜机中，按照蒸镀针状CsI晶体的工艺镀膜，即蒸镀CsI晶体，并监控膜层厚度，当厚度达到规定要求后，停止镀膜，取出；
(5)按照电子元器件制作防潮膜的工艺，在上述已镀的CsI晶体上制作防潮膜，注意保护小头，确保小头不被蒸镀到这种防潮膜。如采用比较成熟的真空气相沉积技术制作聚对二甲苯薄膜，作为防潮膜；
(6)采用常规的磁控溅射工艺，在防潮膜上蒸镀铝膜或氮化硅膜，膜厚控制在：90nm～500nm；
(7)在超净间内的超净工作台上，揭开CCD或CMOS相机芯片上的玻璃窗口，并在上述光锥小头的端面涂上光学耦合胶(如采用四川晨光化工研究院生产的GHJ-01(Z)型环氧光学胶)，按照光锥与CCD的耦合工艺(现有技术)，将上述光锥耦合到上述芯片的感光面上，固化后，用结构胶进一步粘牢，完成制造全过程。
至于用铅硅酸盐玻璃管作为外包皮管替代上述黑色玻璃管，该玻璃的膨胀系数和其它热物理性能也必须与所述高折射率芯玻璃棒和低折射率皮玻璃管相匹配，按照上述步骤(1)～(3)完成后，采用能够黑化到透过率≤1％的氢还原工艺，将所述加工好的光锥烧黑，而后执行步骤(4)～(7)的相应步骤。
如采用中铅或高铅硅酸盐玻璃管替代上述作为外包皮的铅硅酸盐玻璃管，该玻璃的膨胀系数和其它热物理性能也必须与所述高折射率芯玻璃棒和低折射率皮玻璃管相匹配，按照上述步骤(1)～(3)完成后，采用能够黑化到透过率≤1％的氢还原工艺，将所述加工好的光锥烧黑，尔后执行步骤(4)～(7)的相应步骤。注意所谓的中铅玻璃和高铅玻璃，是玻璃行业的通用名称，系指玻璃中铅含量在相应范围内的玻璃，当然，制造微通道板的皮玻璃均含有一定量的氧化铅和氧化铋，两者在高温氢还原中均能变成黑色，而且透过率极低，也能满足要求，只是价格高些，只要所选择的玻璃管满足上述膨胀系数和其它热物理性能匹配的要求，也可采取上述工艺制作本相机所要求的光锥。氢还原工艺属于微通道板技术领域的通用技术，在此不作详细说明。
用上述氢还原工艺，将作为外包皮玻璃管的铅硅酸盐玻璃管也包括中铅或高铅硅酸盐玻璃管或微通道板皮玻璃管，可以考虑分别在步骤(1)的不同阶段，按照事先确定的还原处理工艺，即使得该玻璃的透过率≤1％的工艺，选择在拉丝前先把该玻璃管烧黑，或对拉制好的单丝、或对复丝按照上述氢还原工艺进行烧黑处理，尔后执行后序的工艺步骤，而在步骤(3)到步骤(4)之间，不再进行氢还原处理，直至完成工艺的全过程。
本发明没有涉及X射相机的具体尺寸和光锥的尺寸，但公开的是制造该产品的核心技术，本领域的一般技术人员通过对本发明的理解，仅在尺寸等方面进行改动，均没有超出本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种X射线相机，由光锥与CCD或CMOS相机耦合而成，光锥的另一端依次镀有针状CsI晶体、防潮膜、铝膜或氮化硅膜，所述光锥是由高折射率芯玻璃棒和低折射率皮玻璃管拉制后形成的微细玻璃纤维构成的阵列，其特征在于：所述光锥的每一根微细玻璃纤维的外边缘都包有黑色玻璃皮料，包皮的厚度是微细玻璃纤维直径的1/8～1/5。
2.根据权利要求1所述的X射线相机，其特征在于：所述针状CsI晶体厚度为150～1000μm。
3.根据权利要求1所述的X射线相机，其特征在于：所述针状CsI晶体厚度为300～600μm。
4.一种制造权利要求1所述的X射线相机的方法，包括如下步骤：
(1)将制作纤维光学面板用的高折射率芯玻璃棒套在低折射率皮玻璃管中，再将套好的玻璃管棒套在外包皮玻璃管中，所述外包皮玻璃管是膨胀系数和其它热物理性能与所述高折射率芯玻璃棒和低折射率皮玻璃管相匹配的在可见光区透过率≤1％的黑色玻璃，所述套好的玻璃管棒和外包皮玻璃管之间的间隙≤0.4mm，所述的高折射率芯玻璃棒、低折射率皮玻璃管和外包皮玻璃管的尺寸按最终成品的要求，事先根据计算或工艺经验设计好，按照制作纤维光学面板的工艺，即经过拉单丝、在六角模内排单丝和插黑丝构成复丝棒、拉复丝、排复丝、拉二次复丝、排屏、压屏、切片、滚圆工艺，制作出纤维阵列圆柱体；
(2)按照预定的大小头比例，拉制出光锥；
(3)将小头加工到需要耦合的CCD或CMOS相机芯片感光面大小相同的尺寸，并将大小头研磨、抛光；
(4)将上述加工好的光锥，置于真空镀膜机中，按照蒸镀针状CsI晶体的工艺镀膜，并监控膜层厚度，当厚度达到规定要求后，停止镀膜，取出；
(5)按照电子元器件制作防潮膜的工艺，在步骤(4)已蒸镀的CsI晶体上制作防潮膜，注意保护小头，确保小头不被蒸镀到防潮膜；
(6)采用磁控溅射工艺，在防潮膜上蒸镀铝膜或氮化硅膜，所述铝膜或氮化硅膜的膜厚：90nm～500nm；
(7)在超净间内揭开CCD或CMOS相机芯片上的玻璃窗口，并在上述光锥小头端面涂上光学耦合胶，按照光锥与CCD的耦合工艺，将上述光锥耦合到上述芯片的感光面上，固化后，用结构胶进一步粘牢，完成制造全过程。
5.根据权利要求4所述的制造X射线相机的方法，其特征在于：将所述步骤(1)中的外包皮玻璃管换成同种尺寸的铅硅酸盐玻璃管，所述铅硅酸盐玻璃管的膨胀系数和其它热物理性能与所述高折射率芯玻璃棒和低折射率皮玻璃管相匹配，按照上述步骤(1)～(3)完成后，采用能够黑化到透过率≤1％的氢还原工艺，将所述加工好的光锥烧黑，尔后执行步骤(4)～(7)的相应步骤。
6.根据权利要求5所述的制造X射线相机的方法，其特征在于：将所述铅硅酸盐玻璃管换成在膨胀系数和其它热物理性能相同的中铅或高铅硅酸盐玻璃管，按照上述步骤(1)～(3)完成后，采用能够黑化到透过率≤1％的氢还原工艺，将所述加工好的光锥烧黑，尔后执行步骤(4)～(7)的相应步骤。
7.根据权利要求5所述的制造X射线相机的方法，其特征在于：将所述铅硅酸盐玻璃管换成在膨胀系数和其它热物理性能相同的微通道皮玻璃管，按照上述步骤(1)～(3)完成后，采用能够黑化到透过率≤1％的氢还原工艺，将所述加工好的光锥烧黑，尔后执行步骤(4)～(7)的相应步骤。
8.根据权利要求5至7中任何一项所述的制造X射线相机的方法，其特征在于：在执行步骤(1)之前，采用能够黑化到透过率≤1％的氢还原工艺，将所述外包皮玻璃管烧黑，随后完成步骤(1)～(7)的全过程。
9.根据权利要求5至7中任何一项所述的制造X射线相机的方法，其特征在于：在执行步骤(1)中，采用能够黑化到透过率≤1％的氢还原工艺，将所述单丝烧黑，随后执行后序的工艺步骤。
10.根据权利要求5至7中任何一项所述的制造X射线相机的方法，其特征在于：在执行步骤(1)中，采用能够黑化到透过率≤1％的氢还原工艺，将所述复丝烧黑，随后执行后序的工艺步骤。
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