CN110455834A - 基于光强传输方程的x射线单次曝光成像装置及方法 - Google Patents

基于光强传输方程的x射线单次曝光成像装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于光强传输方程的X射线单次曝光成像装置及方法，包括X射线源、扩束器、第一三维平移台、被测物体、第一单焦点光子筛聚焦透镜、双焦点光子筛聚焦透镜、第二单焦点光子筛聚焦透镜、第二三维平移台、X射线探测器和计算机，本发明可用于从X射线到太赫兹波段的成像；成像方法单光路操作简单，只需记录单幅强度图，可实时在线快速地实现被测物体相位图像的准确再现，特别适用于动态物体的成像和观测；成像方法对X射线源相干性要求低，X射线源可为相干X射线源和部分相干X射线源；能够快速准确的利用记录的强度图恢复得到物体的相位图像，可以避免多次操作提高成像装置的鲁棒性。

Description

基于光强传输方程的X射线单次曝光成像装置及方法
技术领域
本发明涉及光强传输方程，特别是一种基于光强传输方程相位恢复的X射线单次曝光成像装置及成像方法。
背景技术
相位恢复是光学成像和测量的一个重要技术，该技术以其在显微成像、损伤检测和相位加密等领域的广泛应用前景而备受关注。在对活细胞动态显微成像中，相位恢复技术的相位可视化可以实现有效的无标记成像；在光学元件的损伤或者缺陷检测中，相位恢复技术可以将不同深度位置的损伤结构信息逐层提取出来，为光学元件的修复和替换提供有效的指导；在光学加密中，相位恢复技术可以实现多种光学图像相位加密的方法。相位恢复在各个领域的应用日益增加，对相位恢复方法的研究也日趋重要。
在各种相位恢复方法中，基于光强传输方程的定量相位恢复技术由于其单光路、对照明光要求低等独特的特点，已经成为应用最为广泛的非干涉、非迭代方法之一。1983年，Teague M R[Teague M R.Deterministic phase retrieval:A Green's functionsolution[J].J.Opt.Soc.Am.A，1983，73(11):1434-1441]利用亥姆霍兹方程在傍轴近似条件下首次推导出强度传输方程，得到了光在传播过程中沿着光轴方向强度的变化与垂直于光轴平面上光波的相位之间的定量关系。一般情况下，光强传输方程的相位恢复技术需要在实验过程中对进行多次测量，以采集被测物体在成像平面上离焦面和聚焦面的强度信息，从而重建被测物体的相位信息。多次曝光操作带来了系统振动等误差，重构误差往往随着曝光次数的增加而增加，且限制了实时相位测量的应用。为了突破这一限制，本发明专利提出了一种基于光强传输方程相位恢复的单次曝光成像装置。该装置可以避免多次操作带来的误差，可以抑制空气湍流和系统振动，大大提高成像装置的鲁棒性
X射线是波长介于0.01到范围内的电磁波，在医学成像诊断、X射线结晶学、X射线治疗等领域有着巨大的应用价值。在X射线波段由于材料的强吸收致使其折射系统无法实现聚焦成像。菲涅尔波带片作为一种衍射光学元件，可以实现x射线和极紫外波段的聚集成像。在波带片的基础上，2001年，Kipp L[Kipp L,Skibowski M,Johnson R L,etal.Sharper images by focusing soft X-rays with photon sieves[J].Nature，2001，414(6860):184-188]首次提出光子筛的概念，光子筛相对波带片可以实现更高的分辨率，可用于从软X射线到太赫兹波段。本装置所使用的所有器件均是光子筛器件，因此该装置可作为一种基于光强传输方程相位恢复的X射线单次曝光成像装置。
发明内容
本发明提供一种基于光强传输方程相位恢复的单次曝光成像装置及方法，以实现快速、实时的重构物体的相位信息，该方法通过简单地记录一副强度图像再利用光强传输方程快速重构物体相位分布。该方法能够避免多次操作带来的误差，抑制空气湍流和系统振动，大大提高成像装置的鲁棒性，且该装置所使用的所有器件均是振幅型器件，因此该装置可作为一种基于光强传输方程的X射线单次曝光成像装置。
本发明的技术解决方案
一种基于光强传输方程的X射线单次曝光成像装置，其特点在于,包括X射线源、扩束器、供被测物体放置的第一三维平移台、第一单焦点光子筛聚焦透镜、双焦点光子筛聚焦透镜、第二单焦点光子筛聚焦透镜、第二三维平移台、计算机，以及固定在所述的第二三维平移台上的X射线探测器；
所述的X射线源发出的光脉冲经过所述的扩束器进行扩束，扩束后的光束作为入射光束，该入射光束能够覆盖被测物体；
所述的入射光束入射到所述的被测物体，经该被测物体透射后，依次经过所述的第一单焦点光子筛聚焦透镜、双焦点光子筛聚焦透镜和第二单焦点光子筛聚焦透镜到达所述的X射线探测器；
所述的第一单焦点光子筛聚焦透镜、双焦点光子筛聚焦透镜和第二单焦点光子筛聚焦透镜构成4f系统，且所述的双焦点光子筛聚焦透镜放置在该4f系统的频谱面上；
所述的4f系统具有两个像面IP1和IP2，两像面的距离为△z大于0；
所述的被测物体放置于所述的4f系统的物面上，所述的X射线探测器位于所述的4f系统的像面IP1或IP2后方光路上；
所述的X射线探测器的输出端与所述的计算机的输入端连接；
所述的计算机具有相应数据记录采集与处理软件，用来记录强度图与数据处理。
所述的X射线源为相干X射线源和部分相干X射线源。
利用所述的基于光强传输方程的X射线单次曝光成像装置进行成像的方法，其特点在于该方法包括下列步骤：
1)将被测物体固定在所述的第一三维平移台上，将所述的X射线探测器固定在所述的第二三维平移台上；
开启所述的X射线源，该X射线源发出的光脉冲经所述的扩束器扩束后入射到所述的被测物体；
移动所述的第一三维平移台和第二三维平移台，使所述的X射线探测器上出现该被测物体的强度图，该强度图具有两个不重合的衍射图和像面图；
由所述的X射线探测器记录所述的强度图；
2)从所述的强度图中分别提取一个衍射强度区域和一个像面强度区域，表示为I(x，y)和I0(x，y),其中，(x，y)为记录面的空间坐标分布；
3)强度传输方程的数学表达式为：
其中，Δz为所述4f系统两像面的间距，k为波数，可表示为k＝2π/λ(λ为X射线源的平均波长)，是梯度算子，·表示点积，z为X射线源的传播方向。
4)根据强度传输方程，计算所述的被测物体的相位分布公式如下：
其中，和分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换，kx和ky是空间频率。
与现有技术相比，本发明的技术效果：
1)结构简单，体积小，单光路，操作简单，对环境要求较低,对X射线源相干性要求低。
2)成像方法操作简单，只需要记录单幅强度图，可实时在线快速地得到被测物体的相位分布，特别适用于动态物体的成像和观测。
3)由于采用元件均为振幅型元件，本装置可实现从X射线到太赫兹波段的成像。
4)具有光强传输方程相位恢复和单次曝光成像的优点，即能够快速准确的利用记录的强度图恢复得到物体的相位图像，也可以避免多次操作提高成像装置的鲁棒性。
附图说明
图1为本发明基于光强传输方程的X射线单次曝光成像装置的结构示意图；
图2为本发明的单焦点光子筛聚焦透镜的结构示意图；
图3为本发明的双焦点光子筛聚焦透镜的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1为本发明基于光强传输方程的X射线单次曝光成像装置，包括X射线源1、扩束器2、供被测物体4放置的第一三维平移台3、第一单焦点光子筛聚焦透镜5、双焦点光子筛聚焦透镜6、第二单焦点光子筛聚焦透镜7、第二三维平移台8、计算机10，以及固定在该第二三维平移台8上的X射线探测器9；
所述的X射线源1发出的光脉冲经过所述的扩束器2进行扩束，扩束后的光束作为入射光束，该入射光束能够覆盖被测物体4；
所述的入射光束入射到所述的被测物体4，经该被测物体4透射后，依次经过所述的第一单焦点光子筛聚焦透镜5、双焦点光子筛聚焦透镜6和第二单焦点光子筛聚焦透镜7到达所述的X射线探测器9；
所述的第一单焦点光子筛聚焦透镜5、双焦点光子筛聚焦透镜6和第二单焦点光子筛聚焦透镜7构成4f系统，且所述的双焦点光子筛聚焦透镜6放置在该4f系统的频谱面上；
所述的4f系统具有两个像面IP1和IP2，两像面的距离为△z大于0；
所述的被测物体4放置于所述的4f系统的物面上，所述的X射线探测器9位于所述的4f系统的像面IP1或IP2后方光路上；
所述的X射线探测器9的输出端与所述的计算机10的输入端连接；
所述的计算机10具有相应数据记录采集与处理软件，用来记录强度图与数据处理。
所述的X射线源1为相干X射线源和部分相干X射线源。
利用所述的基于光强传输方程的X射线单次曝光成像装置进行成像的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
1)将被测物体4固定在所述的第一三维平移台3上，将所述的X射线探测器9固定在所述的第二三维平移台8上；
开启所述的X射线源1，该X射线源1发出的光脉冲经所述的扩束器2扩束后入射到所述的被测物体4；
移动所述的第一三维平移台3和第二三维平移台8，使所述的X射线探测器9上出现该被测物体4的强度图，该强度图具有两个不重合的衍射图和像面图；
由所述的X射线探测器9记录所述的强度图；
2)从所述的强度图中分别提取一个衍射强度区域和一个像面强度区域，表示为I(x，y)和I0(x，y),其中，(x，y)为记录面的空间坐标分布；
3)强度传输方程的数学表达式为：
其中，Δz为所述4f系统两像面的间距，k为波数，可表示为k＝2π/λ(λ为X射线源1的平均波长)，是梯度算子，·表示点积，z为X射线源1的传播方向。
4)计算所述的被测物体4的相位分布公式如下：
其中，和分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换，kx和ky是空间频率。
实施例：
第一单焦点光子筛聚焦透镜5(如图2所示)和第二单焦点光子筛聚焦透镜7(如图2所示)的焦距均为30.00mm，双焦点光子筛聚焦透镜6(如图3所示)的焦距为105.90mm和94.72mm。具体实现基于光强传输方程的X射线单次曝光成像装置：如图1所示，包括X射线源1、扩束器2、供被测物体4放置的第一三维平移台3、第一单焦点光子筛聚焦透镜5、双焦点光子筛聚焦透镜6、第二单焦点光子筛聚焦透镜7、第二三维平移台8、计算机10，以及固定在该第二三维平移台8上的X射线探测器9；
所述的X射线源1发出的光脉冲经过所述的扩束器2进行扩束，扩束后的光束作为入射光束，该入射光束能够覆盖被测物体4；
所述的入射光束入射到所述的被测物体4，经该被测物体4透射后，依次经过所述的第一单焦点光子筛聚焦透镜5、双焦点光子筛聚焦透镜6和第二单焦点光子筛聚焦透镜7到达所述的X射线探测器9；
所述的第一单焦点光子筛聚焦透镜5、双焦点光子筛聚焦透镜6和第二单焦点光子筛聚焦透镜7构成4f系统，且所述的双焦点光子筛聚焦透镜6放置在该4f系统的频谱面上；
所述的4f系统具有两个像面IP1和IP2，两像面的间距△z大于0；
所述的被测物体4放置于所述的4f系统的物面上，所述的X射线探测器9位于所述的4f系统的像面IP1或IP2后方光路上；
所述的X射线探测器9的输出端与所述的计算机10的输入端连接；
所述的计算机10具有相应数据记录采集与处理软件，用来记录强度图与数据处理。
所述的X射线源1为相干X射线源和部分相干X射线源。
利用所述的基于光强传输方程的X射线单次曝光成像装置进行成像的方法，该方法包括下列步骤：
1)将被测物体4固定在所述的第一三维平移台3上，将所述的X射线探测器9固定在所述的第二三维平移台8上；
开启所述的X射线源1，该X射线源1发出的光脉冲经所述的扩束器2扩束后入射到所述的被测物体4；
移动所述的第一三维平移台3和第二三维平移台8，使所述的X射线探测器(9)上出现该被测物体4的强度图，该强度图具有两个不重合的衍射图和像面图；
由所述的X射线探测器9记录所述的强度图；
2)从所述的强度图中分别提取一个衍射强度区域和一个像面强度区域，分别表示为I(x，y)和I0(x，y)，其中,(x，y)为记录面的空间坐标分布；
3)强度传输方程的数学表达式为：
其中，Δz为所述4f系统两像面的距离，k为波数，可表示为k＝2π/λ(λ为X射线源1的平均波长)，是梯度算子，·表示点积，z为X射线源1的传播方向。
4)根据强度传输方程，计算所述的被测物体4的相位分布公式如下：
其中，和分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换，kx和ky是空间频率。
实验表明，本发明使用的元件均为振幅型元件，可实现从X射线到太赫兹波段的成像；本发明具有光强传输方程相位恢复和单次曝光成像的优点，即能够快速准确的利用记录的强度图恢复得到物体的相位图像，也可以避免多次操作提高成像装置的鲁棒性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施案例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于光强传输方程的X射线单次曝光成像装置，其特征在于,包括X射线源(1)、扩束器(2)、供被测物体(4)放置的第一三维平移台(3)、第一单焦点光子筛聚焦透镜(5)、双焦点光子筛聚焦透镜(6)、第二单焦点光子筛聚焦透镜(7)、第二三维平移台(8)、计算机(10)，以及固定在所述的第二三维平移台(8)上的X射线探测器(9)；
所述的X射线源(1)发出的光脉冲经过所述的扩束器(2)进行扩束，扩束后的光束作为入射光束，该入射光束能够覆盖被测物体(4)；
所述的入射光束入射到所述的被测物体(4)，经该被测物体(4)透射后，依次经过所述的第一单焦点光子筛聚焦透镜(5)、双焦点光子筛聚焦透镜(6)和第二单焦点光子筛聚焦透镜(7)到达所述的X射线探测器(9)；
所述的第一单焦点光子筛聚焦透镜(5)、双焦点光子筛聚焦透镜(6)和第二单焦点光子筛聚焦透镜(7)构成4f系统，且所述的双焦点光子筛聚焦透镜(6)放置在该4f系统的频谱面上；
所述的4f系统具有两个像面IP1和IP2，两像面的间距△z大于0；
所述的被测物体(4)放置于所述的4f系统的物面上，所述的X射线探测器(9)位于所述的4f系统的像面IP1或IP2后方光路上；
所述的X射线探测器(9)的输出端与所述的计算机(10)的输入端连接；
所述的计算机(10)具有相应数据记录采集与处理软件，用来记录强度图与数据处理。
2.根据权利要求1所述的基于光强传输方程的X射线单次曝光成像装置，其特征在于，所述的X射线源(1)为相干X射线源和部分相干X射线源。
3.利用权利要求1所述的基于光强传输方程的X射线单次曝光成像装置进行成像的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
1)将被测物体(4)固定在所述的第一三维平移台(3)上，将所述的X射线探测器(9)固定在所述的第二三维平移台(8)上；
开启所述的X射线源(1)，该X射线源(1)发出的光脉冲经所述的扩束器(2)扩束后入射到所述的被测物体(4)；
移动所述的第一三维平移台(3)和第二三维平移台(8)，使所述的X射线探测器(9)上出现该被测物体(4)的强度图，该强度图具有两个不重合的衍射图和像面图；
由所述的X射线探测器(9)记录所述的强度图；
2)从所述的强度图中分别提取一个衍射强度区域和一个像面强度区域，表示为I(x，y)和I0(x，y)，其中，(x，y)为记录面的空间坐标分布；
3)计算被测物体(4)的相位分布即成像，公式如下：
其中，和分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换，kx和ky是空间频率，k为X射线源(1)的波数，可表示为k＝2π/λ(λ为X射线源(1)的平均波长)，z为X射线源(1)的传播方向。
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