CN112198176B - 基于光场高阶空间关联的单次曝光x射线衍射成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光场高阶空间关联的单次曝光X射线衍射成像装置及方法，装置包括X射线源、分束装置、参考臂光阑，待测物体、X射线面阵探测器和计算机。X射线源发出的光经过分束装置，分为参考光与探测光，参考光沿参考臂光轴方向经过参考臂光阑，光强空间分布被X射线参考臂面阵探测器记录，探测光沿探测臂光轴方向通过待测物体，光强空间分布被X射线探测臂面阵探测器记录。计算机与X射线面阵探测器相连，具有对采集到的光强空间分布进行空间关联运算的程序。本发明基于光场的高阶空间关联特性，其数据采集和处理过程不同于传统的时间序列关联成像计算方法，应用于X射线关联成像中，能极大的提高图像质量和成像速度，并减少样品辐射损伤。

Description

基于光场高阶空间关联的单次曝光X射线衍射成像装置及 方法

技术领域：

本发明是关于一种基于光场高阶空间关联的单次曝光X射线衍射成像装置及方法，它可以运用于X射线强度关联衍射成像技术领域。

背景技术：

X射线强度关联衍射成像技术是一种利用光场高阶关联的衍射成像技术。该成像技术在理论上不需要相干光源就可以得到物体透过率函数的傅里叶变换强度分布，之后通过相位恢复算法恢复出物体的实空间分布信息。由于其对光源相干性要求较低，有望使用小型化实验室光源实现高分辨显微成像。

中国科学院上海光学精密机械研究所的喻虹等人设计了非相干X射线衍射成像装置(非相干X射线衍射成像装置，201110148476.6)，并于2016年完成了X射线傅里叶变换关联成像(XFGI)的原理演示实验(H.Yu et al.,“Fourier-Transform Ghost Imaging withHard X Rays,”Phys.Rev.Lett.,vol.117,no.11,2016)，验证了该成像技术的有效性。这种X射线衍射成像技术采集的数据为时间序列，主要存在以下几个局限：

1)在理论上，关联成像的结果是通过计算系综平均得到的，需要无限多的时间序列才能够得到结果。在实际中，往往是有限次的测量，通过压缩感知等算法得到一个较为满意的结果，其时间测量次数通常为几百至数千次。较多的时间测量次数带来的必然是成像时间的延长，特别的在X光成像领域中，较长的成像时间通常是难以接受的。

2)传统强度关联衍射成像技术中，在探测臂通常是采样点探测器，相比与面阵探测器，点探测器只能够记录一个空间点的光强数据。而探测臂光强在空间中具有一定的分布，仅记录一点的光强数据无疑造成了光通量的浪费，未被探测器记录下来的光强数据依然携带物体信息，对物体实空间分布的重构具有一定的帮助。

2019年，中国科学院上海光学精密机械研究所的刘震涛等人提出了二阶空间自关联的成像方法(Z.Liu et al.,“Lensless Wiener-Khinchin telescope based on high-order spatial autocorrelation of thermal light,”Chinese optics letters,vol.17,no.9,2019)，该成像方法使用非相干光照明，在待测物体后面放置空间随机相位屏对光路进行调制，通过计算探测器上记录下的光强分布，通过空间关联算法能够获得物体的空间分布信息。然而这种成像方法主要局限性在于无法获得物体的相位信息，只能够获得待测物体的振幅信息。而在X光成像中，由于X光波长短，相位信息往往更加重要。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的缺陷，提供一种基于光场高阶空间关联的单次曝光X射线衍射成像装置及方法，在探测臂光路使用面阵探测器接受光强分布，通过计算参考臂与探测臂光强分布的空间关联得到物体的傅里叶衍射谱，本发明的技术解决方案如下：

一种基于光场高阶空间关联的单次曝光X射线衍射成像装置及方法，特征在于其构成包括X射线源、分束装置、参考臂光阑，待测物体、X射线面阵探测器和计算机。

所述的X射线源发出的光经过分束装置分为参考光与探测光，参考光沿参考臂光轴方向经过参考臂光阑，其光强空间分布被X射线参考臂面阵探测器所接受，探测光沿探测臂光轴方向经过待测物体，其光强空间分布被X射线探测臂面阵探测器所接受；参考臂光阑与待测物体距离X射线源的距离相等；X射线参考臂面阵探测器与X射线探测臂面阵探测器距离X射线源的距离相等；所述的计算机与两个X射线面阵探测器相连，具有对采集到的光强空间分布进行关联运算的程序。

所述的X射线面阵探测器包括X射线参考臂面阵探测器和X射线探测臂面阵探测器。

所述的X射线源是真实热X射线源，或赝热X射线源。

所诉的参考臂光阑的通光口径大于等于待测物体的视场大小。

利用上述基于光场高阶空间关联的单次曝光X射线衍射成像装置及方法，其特征在于该成像方法包括以下步骤：

<1>调节X射线源、分束装置、X射线参考臂面阵探测器、X射线探测臂面阵探测器同轴，且两个探测器距离X射线源的距离相等，距离为d；

<2>将参考臂光阑放入参考光路中，其距X射线参考臂面阵探测器距离为d₂，调节其与光路同轴；

<3>将待测物体放入探测光路中，其距X射线探测臂面阵探测器距离为d₂，调节其与光路同轴；

<4>在X射线源的一个相干时间内，X射线参考臂面阵探测器和X射线探测臂面阵探测器曝光一次，获得参考臂光强分布图像和探测臂光强分布图像，分别为I_r(x,y)和I_t(x,y)，其中x,y为X射线面阵探测器的空间坐标；

<5>对参考臂光强分布图像和探测臂光强分布图像进行光场高阶空间关联运算，其具体方法是：

①计算参考臂光强分布图像I_r(x,y)和探测臂光强分布图像I_t(x,y)的空间关联函数G(Δx,Δy)：

G(Δx,Δy)＝∫∫I_r(x,y)I_t(x+Δx,y+Δy)dxdy.

通过傅里叶变换，空间关联函数可以通过下式计算：

其中

和

分别表示的是傅里叶变换操作与逆傅里叶变换操作，计算公式分别如下：

实际计算机计算中，采用快速傅里叶变换(FFT)算法进行计算。*表示共轭操作。

②对空间关联函数G(Δx,Δy)进行归一化，归一化常数C为参考臂光强求和与探测臂光强求和的乘积，计算式如下：

C＝∫∫I_r(x,y)dxdy×∫∫I_t(x,y)dxdy.

归一化后的空间关联函数g(Δx,Δy)为：

归一化的空间关联函数与待测物体复透过率函数t(x_o,y_o)的傅里叶变换的模的平方成正比：

<6>利用<5>中得到的待测物体的傅里叶信息，通过相位恢复得到待测物体的实空间分布信息。

本发明的技术效果如下：

本发明在X射线强度关联衍射成像技术中的探测臂使用面阵探测器代替传统的点探测器，其数据采集和处理过程不同于传统的时间序列关联成像计算方法，采用空间采样替代时间采样，应用于X射线关联成像中，能极大的提高图像质量和成像速度，并减少样品辐射损伤。

附图说明：

图1是本发明一种基于光场高阶空间关联的单次曝光X射线衍射成像装置的实施例结构示意图，图中：

1：X射线源，2：分束装置，3：参考臂光阑，4：待测物体，501:X射线参考臂面阵探测器，502：X射线探测臂面探测，6：计算机。

图2是本发明一种基于光场高阶空间关联的单次曝光X射线衍射成像装置及方法的实施例X射线参考臂面阵探测器记录下的光强空间分布。

图3是本发明一种基于光场高阶空间关联的单次曝光X射线衍射成像装置及方法的实施例X射线探测臂面阵探测器记录下的光强空间分布。

具体实施方式：

本发明基于光场高阶空间关联的单次曝光X射线衍射成像装置及方法，如图1所示，构成包括X射线源1、分束装置2、参考臂光阑3，待测物体4、X射线面阵探测器5和计算机6。X射线源1、分束装置2、参考臂光阑3，待测物体4、X射线面阵探测器5处于同一高度。X射线源1发出的光经过分束装置2，分为参考光与探测光，参考光沿参考臂光轴方向经过参考臂光阑3，光强空间分布被X射线参考臂面测器501记录，探测光沿探测臂光轴方向通过待测物体4，光强空间分布被X射线探测臂面阵探测器502记录。计算机6与两个X射线面阵探测器相连，具有对采集到的光强空间分布进行关联运算的程序，利用空间采样替代时间采样，能够在单次曝光的情况下进行成像。

利用本实施例的基于光场高阶空间关联的单次曝光X射线衍射成像装置及方法，其特征在于该成像方法包括以下步骤：

<1>调节X射线源1、分束装置2、X射线参考臂面阵探测器501、X射线探测臂面阵探测器502同轴，且两个探测器距离X射线源1的距离相等，距离为d；

在本实施例中两个探测器5距离X射线源1的距离d为40厘米；

<2>将参考臂光阑3放入参考光路中，其距X射线参考臂面阵探测器501距离为d₂，调节其与光路同轴；

在本实施例中，参考臂光阑3距离X射线参考臂面阵探测器501距离d₂为30厘米；

<3>将待测物体4放入探测光路中，其距X射线探测臂面阵探测器502距离为d₂，调节其与光路同轴

在本实施例中，待测物体4距离X射线探测臂面阵探测器502距离d₂为30厘米；

<4>在X射线源的一个相干时间内，X射线参考臂面阵探测器和X射线探测臂面阵探测器曝光一次，获得参考臂光强分布图像和探测臂光强分布图像，分别为I_r和I_t。

在本实施例中，X射线源1为赝热光源，相干时间T₀为40秒。X射线参考臂面阵探测器501的曝光时间T_r为10秒，X射线探测臂面阵探测器502的曝光时间T_t为30秒，满足强度关联成像的相干探测条件，T_r＜T₀，T_t＜T₀；

在本实施例中，X射线面阵探测器的维度大小为512×512，参考臂光强分布见图2，探测臂光强分布见图3。

<5>对参考臂光强分布图像和探测臂光强分布图像进行光场高阶空间关联运算，其具体方法是：

①计算参考臂光强分布图像I_r(x,y)和探测臂光强分布图像I_t(x,y)的空间关联函数G(Δx,Δy)：

G(Δx,Δy)＝∫∫I_r(x,y)I_t(x+Δx,y+Δy)dxdy.

通过傅里叶变换，空间关联函数可以通过下式计算：

其中

和

分别表示的是傅里叶变换操作与逆傅里叶变换操作，计算公式分别如下：

实际计算机计算中，采用快速傅里叶变换(FFT)算法进行计算。*表示共轭操作。

②对空间关联函数G(Δx,Δy)进行归一化，归一化常数C为参考臂光强求和与探测臂光强求和的乘积，计算式如下：

C＝∫∫I_r(x,y)dxdy×∫∫I_t(x,y)dxdy.

归一化后的空间关联函数g(Δx,Δy)为：

归一化的空间关联函数与待测物体复透过率函数t(x_o,y_o)的傅里叶变换的模的平方成正比：

<6>利用<5>中得到的待测物体4的傅里叶信息，通过相位恢复得到待测物体4的实空间分布信息。

综上所述，本发明基于光场高阶空间关联的单次曝光X射线衍射成像装置及方法，在X射线强度关联衍射成像技术中的探测臂使用面阵探测器代替传统的点探测器，其数据采集和处理过程不同于传统的时间序列关联成像计算方法，采用空间采样替代时间采样，应用于X射线关联成像中，能极大的提高图像质量和成像速度，并减少样品辐射损伤。

Claims (1)

1.一种基于光场高阶空间关联的单次曝光X射线衍射成像方法，其特征在于，该成像方法是利用基于光场高阶空间关联的单次曝光X射线衍射成像装置实现的，该成像装置包括X射线源(1)、分束装置(2)、参考臂光阑(3)，X射线面阵探测器(5)和计算机(6)；所述的X射线面阵探测器(5)包括X射线参考臂面阵探测器(501)和X射线探测臂面阵探测器记录(502)；

所述的X射线源(1)发出的光经过分束装置(2)分为参考光与探测光，参考光沿参考臂光轴方向经过参考臂光阑(3)，其光强空间分布被X射线参考臂面阵探测器(501)所接受，探测光沿探测臂光轴方向经过待测物体(4)，其光强空间分布被X射线探测臂面阵探测器(502)所接受；参考臂光阑(3)与待测物体(4)距离X射线源(1)的距离相等；X射线参考臂面阵探测器(501)与X射线探测臂面阵探测器(502)距离X射线源(1)的距离相等；

所述的计算机(6)分别与X射线参考臂面阵探测器(501)、X射线探测臂面阵探测器(502)相连，具有对采集到的光强空间分布进行关联运算的程序；

该成像方法包括以下步骤：

<1>调节X射线源(1)、分束装置(2)、X射线参考臂面阵探测器(501)、X射线探测臂面阵探测器(502)处于同一高度，且两个探测器距离X射线源(1)的距离相等，距离为d；

<2>将参考臂光阑(3)放入参考光路中，其距X射线参考臂面阵探测器(501)距离为d₂，调节其与光路同轴；

<3>将待测物体(4)放入探测光路中，其距X射线探测臂面阵探测器(502)距离为d₂，调节其与光路同轴；

<4>在X射线源(1)的一个相干时间内，X射线参考臂面阵探测器(501)和X射线探测臂面阵探测器(502)曝光一次，获得参考臂光强分布图像和探测臂光强分布图像，分别为I_r(x,y)和I_t(x,y)，其中x,y为X射线面阵探测器的空间坐标；

<5>对参考臂光强分布图像和探测臂光强分布图像进行光场高阶空间关联运算，具体方法是：

①计算参考臂光强分布图像I_r(x,y)和探测臂光强分布图像I_t(x,y)的空间关联函数G(Δx,Δy)：

G(Δx,Δy)＝∫∫I_r(x,y)I_t(x+Δx,y+Δy)dxdy

通过傅里叶变换，空间关联函数可以通过下式计算：

其中

和

分别表示的是傅里叶变换操作与逆傅里叶变换操作；

②对空间关联函数G(Δx,Δy)进行归一化，归一化常数C为参考臂光强求和与探测臂光强求和的乘积，计算式如下：

C＝∫∫I_r(x,y)dxdy×∫∫I_t(x,y)dxdy

归一化后的空间关联函数g(Δx,Δy)为：

归一化的空间关联函数与待测物体复透过率函数t(x_o,y_o)的傅里叶变换的模的平方成正比：

<6>利用<5>中得到的待测物体的傅里叶信息，通过相位恢复得到待测物体的实空间分布信息。

Images