CN111189859A - 基于曲率传感技术的x射线单次曝光成像装置及方法 - Google Patents

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CN111189859A CN202010026096.4A CN202010026096A CN111189859A CN 111189859 A CN111189859 A CN 111189859A CN 202010026096 A CN202010026096 A CN 202010026096A CN 111189859 A CN111189859 A CN 111189859A
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Abstract

一种基于曲率传感技术的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、聚焦透镜Ⅰ、三焦点聚焦透镜、聚焦透镜Ⅱ、第二三维平移台、探测器和计算机，本发明可用于X射线波段的成像；成像装置简洁易操作，对X射线源相干性要求低，只需记录单幅强度图，可以避免多次操作提高成像装置的鲁棒性；成像方法可实时快速地实现被测物体复振幅图像的准确再现，特别适用于生物样品和动态物体的成像和检测。

Description

基于曲率传感技术的X射线单次曝光成像装置及方法
技术领域
本发明涉及波前曲率传感，特别是一种基于曲率传感技术的X射线单次曝光成像装置及成像方法。
背景技术
曲率传感技术是相位恢复和波前测量方法中的一个重要技术，该技术在自适应光学和波前测量等方面有着广泛的应用前景。在自适应光学系统中，波前曲率传感技术的相位分布可视化配合一组可变形反射镜补偿相差可以达到光学系统自适应调整的效果；在波前测量中，波前曲率传感技术可以用于测量人眼第一光学表面动态和静态相貌。曲率传感技术在各个领域的应用日益增加，对曲率传感技术的研究也日趋重要。
1988年提出的曲率传感思想是根据菲尼耳衍射理论，用两个离焦面代替传输途径上的两个物平面，在小几何尺寸内实现了远距离物平面上的波前测量。一般情况下，曲率传感的波前测量技术需要在实验过程中对光强进行多次测量，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波前信息。多次曝光操作带来了系统振动、空气湍流等误差，重构误差往往随着曝光次数的增加而增加，且限制了实时波前测量的应用。为了突破这一限制，本发明专利提出了一种基于曲率传感技术的单次曝光成像装置及方法。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
Figure BDA0002362525150000011
范围内的电磁波，在医学诊断、结构分析、无损检测等方面有着巨大的应用价值。在X射线波段，由于X射线对材料的强吸收致使该波段缺乏有效的折射光学元件用于聚焦成像，而菲涅尔波带片作为一种衍射光学元件，可以实现X射线波段的聚集成像。在波带片的基础上，2001年光子筛概念由德国科学家首次提出，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。在光子筛概念提出的基础上，我们提出了三维阵列聚焦特性的光子筛结构，该元件能够产生三维阵列焦点：m×n×p，其中,p代表焦平面个数，m×n代表某个焦平面上阵列焦点的数目。本装置所使用的所有元件均为振幅型元件，且具体实施例中使用了具有三维阵列聚焦特性元件——三焦点光子筛聚焦透镜和三焦点波带片聚焦透镜，因此该装置可作为一种基于曲率传感技术的X射线单次曝光成像装置。
发明内容
本发明提供一种基于曲率传感技术的X射线单次曝光成像装置及方法，以实现快速、实时、在线地重构被测物体的波前信息，该方法通过简单地记录一副强度图像再利用曲率传感技术快速重构被测物体复振幅分布。该方法能够避免多次测量操作带来的误差，能够有效抑制系统振动和空气湍流，大大提高成像装置的鲁棒性；并且该装置所使用的元件均为振幅型元件，因此该装置可作为一种基于曲率传感技术的X射线单次曝光成像装置。
本发明的技术解决方案
一种基于曲率传感技术的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、聚焦透镜Ⅰ、三焦点聚焦透镜、聚焦透镜Ⅱ、探测器、供该探测器放置的第二三维平移台和计算机；
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；
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，依次经过所述的聚焦透镜Ⅰ、三焦点聚焦透镜和聚焦透镜Ⅱ到达所述的探测器；
所述的聚焦透镜Ⅰ、三焦点聚焦透镜和聚焦透镜Ⅱ构成一个4f系统，且所述的三焦点聚焦透镜位于该4f系统的频谱面上，所述的4f系统具有三个像面，沿入射光束方向依次为第一像面IP1、第二像面IP2和第三像面IP3，第一像面IP1和第二像面IP2之间的距离与第二像面IP2和第三像面IP3之间的距离均为△z，且Δz＞0；
所述的被测物体放置于所述的4f系统的物面上，所述的探测器位于所述的4f系统的像面IP2上；
所述的探测器的输出端与所述的计算机的输入端连接。
所述的扩束器、聚焦透镜I、三焦点聚焦透镜、聚焦透镜II和探测器与所述的X射线源匹配。
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。
利用所述的基于曲率传感技术的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)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；
移动第一三维平移台和第二三维平移台，使所述的探测器上出现该被测物体的强度图，该强度图中包含不重叠的两个衍射强度区域I1(x，y)，I2(x，y)和一个像面强度区域I0(x，y)，(x，y)为记录面的空间坐标分布；
2)计算机接收探测器输出的强度图，并计算曲率波前传感信号S(x，y)，公式如下：
Figure BDA0002362525150000031
式中，z为X射线源的传播方向；
3)计算被测物体的相位分布
Figure BDA0002362525150000032
公式如下：
Figure BDA0002362525150000033
其中，
Figure BDA0002362525150000034
和
Figure BDA0002362525150000035
分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换，kx和ky是空间频率；
4)计算被测物体的复振幅分布U(x，y)，公式如下：
Figure BDA0002362525150000036
与现有技术相比，本发明的技术效果：
1)成像装置简洁，体积小，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复振幅分布，特别适用于生物样品和动态物体的成像和检测。
3)由于采用的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)具有曲率传感技术和单次曝光成像的优点，即能够快速准确地利用记录的强度图恢复得到物体的复振幅图像，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为本发明基于曲率传感技术的X射线单次曝光成像装置的结构示意图；
图2为本发明的三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为本发明基于曲率传感技术的X射线单次曝光成像装置，包括X射线源1、X射线扩束器2、供被测物体4放置的第一三维平移台3、X射线聚焦透镜Ⅰ5、X射线三焦点聚焦透镜6、X射线聚焦透镜Ⅱ7、X射线探测器9、供该X射线探测器9放置的第二三维平移台8和计算机10；
所述的X射线源1发出的光脉冲经过所述的X射线扩束器2进行扩束，扩束后的光束作为入射光束；
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X射线聚焦透镜Ⅰ5、X射线三焦点聚焦透镜6和X射线聚焦透镜Ⅱ7到达所述的X射线探测器9；
所述的X射线聚焦透镜I5、X射线三焦点聚焦透镜6和X射线聚焦透镜II7构成一个4f系统，且所述的X射线三焦点聚焦透镜6位于该4f系统的频谱面上，所述的4f系统具有三个像面，沿入射光束方向依次为第一像面IP1、第二像面IP2和第三像面IP3，第一像面IP1和第二像面IP2之间的距离与第二像面IP2和第三像面IP3之间的距离均为Δz，且Δz＞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IP2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X射线三焦点聚焦透镜6可以采用三焦点光子筛聚焦透镜(如图2所示)或三焦点波带片聚焦透镜。
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。
利用所述的基于曲率传感技术的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)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X射线扩束器2扩束后入射到所述的被测物体4；
移动第一三维平移台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，该强度图中包含不重叠的两个衍射强度区域I1(x，y)，I2(x，y)和一个像面强度区域I0(x，y)，(x，y)为记录面的空间坐标分布；
2)计算机10接收X射线探测器9输出的强度图，并计算曲率波前传感信号S(x，y)，公式如下：
Figure BDA0002362525150000051
式中，z为X射线源1的传播方向；
3)计算被测物体4的相位分布
Figure BDA0002362525150000052
公式如下：
Figure BDA0002362525150000053
其中，
Figure BDA0002362525150000061
和
Figure BDA0002362525150000062
分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换，kx和ky是空间频率；
4)计算被测物体(4)的复振幅分布U(x,y)，公式如下：
Figure BDA0002362525150000063
实验表明，本发明可实现X射线波段的成像；本发明具有曲率传感技术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复振幅图像，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 (4)

1.一种基于曲率传感技术的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)、聚焦透镜Ⅰ(5)、三焦点聚焦透镜(6)、聚焦透镜Ⅱ(7)、探测器(9)、供该探测器(9)放置的第二三维平移台(8)和计算机(10)；
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；
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，依次经过所述的聚焦透镜Ⅰ(5)、三焦点聚焦透镜(6)和聚焦透镜Ⅱ(7)到达所述的探测器(9)；
所述的聚焦透镜Ⅰ(5)、三焦点聚焦透镜(6)和聚焦透镜Ⅱ(7)构成一个4f系统，且所述的三焦点聚焦透镜(6)位于该4f系统的频谱面上，所述的4f系统具有三个像面，沿入射光束方向依次为第一像面IP1、第二像面IP2和第三像面IP3，第一像面IP1和第二像面IP2之间的距离与第二像面IP2和第三像面IP3之间的距离均为△z，且△z＞0；
所述的被测物体(4)放置于所述的4f系统的物面上，所述的探测器(9)位于所述的4f系统的第二像面IP2上；
所述的探测器(9)的输出端与所述的计算机(10)的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的基于曲率传感技术的X射线单次曝光成像装置，其特征在于,所述的扩束器(2)、聚焦透镜Ⅰ(5)、三焦点聚焦透镜(6)、聚焦透镜Ⅱ(7)和探测器(9)与所述的X射线源(1)匹配。
3.根据权利要求1所述的基于曲率传感技术的X射线单次曝光成像装置，其特征在于,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。
4.利用权利要求1-3任一所述的基于曲率传感技术的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)开启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)；
移动第一三维平移台(3)和第二三维平移台(8)，使所述的探测器(9)上出现该被测物体(4)的强度图，该强度图中包含不重叠的两个衍射强度区域I1(x,y)，I2(x,y)和一个像面强度区域I0(x,y)，(x,y)为记录面的空间坐标分布；
2)计算机(10)接收探测器(9)输出的强度图，并计算曲率波前传感信号S(x,y)，公式如下：
Figure FDA0002362525140000021
式中，z为X射线源(1)的传播方向；
3)计算被测物体(4)的相位分布
Figure FDA0002362525140000022
公式如下：
Figure FDA0002362525140000023
其中，
Figure FDA0002362525140000024
和
Figure FDA0002362525140000025
分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换，kx和ky是空间频率；
4)计算被测物体(4)的复振幅分布U(x,y)，即成像，公式如下：
Figure FDA0002362525140000026
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