CN112782201A - 一种基于x射线聚焦图像的龙虾眼光学器件标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于X射线聚焦图像的龙虾眼光学器件标定方法，抽样选取龙虾眼光学器件的光轴，在该方向进行试验获得X射线聚焦图像，根据图像信息求解龙虾眼光学器件中参与成像部分的结构特征参数，当选取的光轴足够多时，可以更完整、更真实的反映龙虾眼光学器件的结构特征参数，将其与理论设计值进行对比可以实现对龙虾眼光学器件的标定。本发明能够根据统计特性反映龙虾眼光学器件微通道内部缺陷，解决了传统标定方法因龙虾眼光学器件微通道数量巨大无法逐个进行标定的困境，能够大幅缩短标定工作所需的时间。

Description

一种基于X射线聚焦图像的龙虾眼光学器件标定方法
技术领域
本发明涉及X射线龙虾眼光学器件技术领域，具体而言涉及一种基于X射线聚焦图像的龙虾眼光学器件标定方法。
背景技术
龙虾眼光学器件是大视场X射线望远镜的重要光学元件，其标定的准确性直接关系望远镜系统整体性能的标定。传统望远镜的标定方法是面向具有一个或多个特定光轴的系统，在该光轴方向上对望远镜的光学性能进行标定试验，形成望远镜的标定数据。但对于使用龙虾眼光学器件的望远镜，由于龙虾眼光学器件结构的特殊性，任意过龙虾眼光学器件球心的直线均为其光轴，且各光轴方向上的性能均会影响望远镜的角分辨率和空间定位精度，因此理论上需要对系统所有光轴即龙虾眼光学器件的各个微通道进行标定试验。龙虾眼光学器件的微通道尺寸通常为几十微米，一块尺寸约50×50mm的龙虾眼光学器件就有上百万个微通道，对每个微通道进行标定试验耗费的时间巨大，在工程上是难以接受的。
龙虾眼光学器件采用拉丝和刻蚀的方法制作，其复杂的结构在制作过程中容易存在缺陷，进而对龙虾眼光学器件的光学性能造成影响。龙虾眼光学器件的结构缺陷主要体现在微通道的位置和指向与理论设计值发生偏移。当具有缺陷的微通道参与X射线的反射时，其所成的聚焦图像不再是理想的十字形，焦斑和十字臂的形状都会发生偏差，最终影响龙虾眼光学器件的性能。
现有技术中，对龙虾眼光学器件的标定通常是采用步进扫描进行标定试验，利用插值方法填充扫描点之间的区域。但这种方法由于未覆盖的区域内可能存在结构缺陷，使用插值方法无法反映出未检测到的缺陷，因此标定得到的性能可能与实际不符，最终降低望远镜的空间定位精度和角分辨率。
发明内容
发明目的：为了克服现有方法对龙虾眼光学器件标定的不完善性，本发明提供一种基于X射线聚焦图像的龙虾眼光学器件标定方法，该方法充分考虑龙虾眼光学器件微通道的结构缺陷，利用聚焦图像进行分析，求解出龙虾眼光学器件中参与成像部分的结构特征参数，当选取的光轴足够多时，可以更完整、更真实的反映龙虾眼光学器件的结构特征参数，将其与理论设计值进行对比可以实现对龙虾眼光学器件的标定。本发明能够根据统计特性反映龙虾眼光学器件微通道内部缺陷，解决了传统标定方法因龙虾眼光学器件微通道数量巨大无法逐个进行标定的困境，能够大幅缩短标定工作所需的时间。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于X射线聚焦图像的龙虾眼光学器件标定方法，抽样选取龙虾眼光学器件的光轴，在该方向进行试验获得X射线聚焦图像，根据图像信息求解龙虾眼光学器件中参与成像部分的结构特征参数，抽样选取足够多的光轴获得龙虾眼光学器件整体的结构特征参数，将其与理论设计值进行对比可以实现对龙虾眼光学器件的标定。
进一步的，求解龙虾眼光学器件中参与成像部分的结构特征参数的方法具体包括以下步骤：
(1)将龙虾眼光学器件微通道内壁的结构特征参数化为位置和角度的数学模型；
(2)对模型参数赋予高斯分布，其均值为结构特征的理论设计值，标准差用于表示微通道内壁的缺陷程度；
(3)基于光线追迹方法，模拟当模型具有不同标准差时龙虾眼光学器件的成像情况；
(4)建立模型标准差与模拟图像的能量集中度、峰平比和十字臂宽度之间的关联；
(5)抽样选取光轴进行成像试验，根据图像的能量集中度，初步确定参与成像部分的位置参数和角度参数的标准差分布区间，再根据图像的峰平比，确定位置参数和角度参数的标准差的具体数值及误差，最后利用图像的十字臂宽度验证并确定位置参数和角度参数的标准差，得到参与成像部分的结构特征参数；
进一步的，步骤(4)中，能量集中度的计算方法为：过图像强度的重心位置作±45度斜角的直线A、B，对直线A、B上的强度分布信息进行平滑处理后统计强度大于峰值强度20％的像素数量，定义为±45度斜角方向上的能量集中度；将聚焦图像二维分布的强度信息分别投影到图像水平和竖直方向的直线X、Y上，对其进行平滑处理后统计强度大于峰值强度20％的像素数量，定义为水平投影方向和竖直投影方向上的能量集中度。
进一步的，步骤(4)中，聚焦峰平比的计算方法为：将聚焦图像二维分布的强度信息分别投影到图像水平和竖直方向的直线X、Y上，对其进行平滑处理后取最大值和平均值，定义其比值为水平投影方向和竖直投影方向上的峰平比。
进一步的，步骤(4)中，十字臂宽度的计算方法为：取水平方向距离图像重心100-150个像素范围内的图像，将其投影到直线Y上，过滤背景噪声后得到强度分布曲线，定义曲线宽度为水平方向上的十字臂宽度。
进一步的，获得龙虾眼光学器件整体的结构特征参数的具体方法为：根据光轴方向上参与成像部分的有效面积占总有效面积比例，确定该部分的结构特征参数在该光轴方向上的置信度，抽样选取足够多的光轴后得到该部分在不同光轴方向上的置信度，综合所有置信度得到该部分的结构特征参数，将所有参与成像部分的结构特征参数拼接即得到龙虾眼光学器件整体的结构特征参数。
本发明的基于X射线聚焦图像的龙虾眼光学器件标定方法，具有以下优势：
(1)本发明针对龙虾眼光学器件微通道数量巨大无法逐个进行标定试验的困境，提出利用聚焦图像信息得到龙虾眼光学器件结构特征参数，将其与理论设计值进行比对，实现对龙虾眼光学器件的标定，极大地缩短了龙虾眼光学器件标定工作所需的时间；
(2)本发明在建立龙虾眼光学器件结构特征数学模型时，对微通道内每个侧壁分别建立其空间位置和角度的模型，利用侧壁在空间位置和角度上的高斯分布误差来反映微通道的结构缺陷，充分考虑龙虾眼光学器件结构缺陷对光学性能的影响，提高了对龙虾眼光学器件标定的准确性；
(3)本发明充分利用了聚焦图像的强度分布信息，尤其是龙虾眼光学特有的十字形点扩散函数，从多角度对聚焦图像进行分析，实现了对龙虾眼光学器件结构特征本征信息的标定；
(4)本发明获得的龙虾眼光学器件结构特征数学模型参数，可以与龙虾眼光学器件的热变形模型及其他对结构特征有影响的模型结合，动态地对龙虾眼光学器件及使用龙虾眼光学器件的望远镜进行标定，保证了标定结果的准确性。
附图说明
图1为本发明基于X射线聚焦图像的龙虾眼光学器件标定方法的流程图；
图2为本发明中龙虾眼光学器件微通道结构缺陷示意图，其中图(a)为正常的龙虾眼光学器件微通道结构，图(b)为微通道侧壁位置存在缺陷时的结构，图(c)为微通道侧壁角度存在缺陷时的结构；
图3为本发明中能量集中度结果示意图，其中图(a)为+45度斜角方向能量集中度结果示意图，图(b)为-45度斜角方向能量集中度结果示意图，图(c)为水平投影方向能量集中度结果示意图，图(d)为竖直投影方向能量集中度结果示意图；
图4为本发明中峰平比结果示意图，其中图(a)为水平投影方向峰平比结果示意图，图(b)为竖直投影方向峰平比结果示意图；
图5为本发明中水平方向十字臂宽度结果示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式作详细说明，本实施方式在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施方式。
本发明的具体实施例公开了一种基于X射线聚焦图像的龙虾眼光学器件标定方法，该方法针对龙虾眼光学器件无特定光轴的特性，突破了因龙虾眼光学器件微通道数量巨大无法逐个进行标定的困境，缩短了龙虾眼光学器件标定工作所需的时间，同时充分考虑了龙虾眼光学器件微通道的结构缺陷，提高了对龙虾眼光学器件标定的准确性。
如图1所示，一种基于X射线聚焦图像的龙虾眼光学器件标定方法，具体实施步骤如下：
(1)建立数学模型，将龙虾眼光学器件微通道4个内侧壁的结构特征参数化为8个m×n维的数组，4个数组为内侧壁在空间中的位置参数，4个数组为内侧壁的角度参数；
(2)对模型参数赋予高斯分布，其均值为结构特征理论设计值，位置参数数组的标准差用于表示微通道内壁位置偏移的缺陷程度，如图2(b)所示，角度参数数组的标准差用于表示微通道内壁角度偏移的缺陷程度，如图2(c)所示；
(3)基于光线追迹方法，模拟当模型具有不同标准差时龙虾眼光学器件的成像情况；
(4)建立模型参数标准差与模拟图像的能量集中度、峰平比和十字臂宽度之间的关联。能量集中度、峰平比和十字臂宽度的具体计算方法如下：
能量集中度：过图像强度的重心位置作±45度斜角的直线A、B，对直线A、B上的强度分布信息进行平滑处理后统计强度大于峰值强度20％的像素数量，定义为±45度斜角方向上的能量集中度，如图3(a)、(b)所示；将图像二维分布的强度信息分别投影到图像水平和竖直方向的直线X、Y上，对其进行平滑处理后统计强度大于峰值强度20％的像素数量，定义为水平投影方向和竖直投影方向上的能量集中度，如图3(c)、(d)所示；。
峰平比：将图像二维分布的强度信息分别投影到图像水平和竖直方向的直线X、Y上，对其进行平滑处理后取最大值和平均值，定义其比值为水平投影方向和竖直投影方向上的峰平比，如图4(a)、(b)所示。
十字臂宽度：取水平方向距离图像重心100-150个像素范围内的图像，将其投影到直线Y上，过滤背景噪声后得到强度分布曲线，定义曲线宽度为水平方向上的十字臂宽度，如图5所示。
(5)抽样选取光轴进行成像试验，根据试验得到图像的能量集中度，初步确定参与成像部分的位置参数和角度参数的标准差分布区间，再根据试验得到图像的峰平比，确定位置参数和角度参数的标准差的具体数值及误差，最后利用试验得到图像的十字臂宽度验证并确定位置参数和角度参数的标准差，得到龙虾眼光学器件参与成像部分的结构特征参数；
(6)根据光轴方向上参与成像部分的有效面积占总有效面积比例，确定该部分的结构特征参数在该光轴方向上的置信度，抽样选取足够多的光轴后得到该部分在不同光轴方向上的置信度，综合所有置信度得到该部分的结构特征参数，将所有参与成像部分的结构特征参数拼接即得到龙虾眼光学器件整体的结构特征参数；
(7)将得到的龙虾眼光学器件结构特征参数与理论设计值进行对比，实现对龙虾眼光学器件的标定。
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例
对于某龙虾眼光学器件，其主光轴方向所成图像的能量集中度、峰平比和十字臂宽度分别如图3、4、5所示。为实现对该龙虾眼光学器件的标定，首先建立其数学模型并模拟成像，得到模型参数与模拟图像的能量集中度、峰平比和十字臂之间的关联。表1为当数学模型具有不同标准差时的图像+45度方向能量集中度，对表1进行分析可得，能量集中度主要受位置参数的标准差影响，因此可以根据图像±45度方向能量集中度初步确定数学模型中的位置参数。
表1图像+45度方向能量集中度与数学模型参数关系
Figure BDA0002915832490000071
表2为当数学模型具有不同标准差时的图像水平投影方向的能量集中度，对表2进行分析可得，投影方向的能量集中度可以表示为：
能量集中度≈K×A(i)×B(j)
其中，K为一常数，对于本龙虾眼光学器件K＝8，i为位置参数标准差，值为0.01到0.09，对应的A(i)分别为1、1.3、1.5、1.8、2、2.5、2.8、3.3、3.5，j为角度参数标准差，对应的B(j)分别为1、1.3、1.6、1.9、2.4、2.8、3.3、3.7、4.2。因此可以根据图像水平投影方向和竖直投影方向能量集中度初步确定数学模型中的角度参数。
表2图像投影方向能量集中度与数学模型参数关系
Figure BDA0002915832490000081
需要说明的是，对于该龙虾眼光学器件的规律常数及系数并不一定适用于其他的龙虾眼光学器件，需要根据龙虾眼光学器件的结构特征包括微通道宽度和长度、内壁厚度及球面曲率半径等参数进行模拟分析，但总可以得到相同的规律。
表3为当数学模型具有不同标准差时的图像水平投影方向的峰平比，对表3进行分析可得，投影方向的峰平比可以表示为：
Figure BDA0002915832490000091
其中，R(i,j)为投影方向峰平比，R(i±0.01)为仅有位置参数有标准差时的峰平比范围，R(j±0.01)为仅有角度参数有标准差时的峰平比范围。因此可以根据图像水平投影方向和竖直投影方向的峰平比确定位置参数和角度参数的标准差具体数值及误差。
表3图像投影方向峰平比与数学模型参数关系
Figure BDA0002915832490000092
表4为数学模型具有不同标准差的图像十字臂宽度，通过前述步骤确定了数学模型位置参数和角度参数的标准差具体数值及误差后，将其代入到表4中进行分析比对，进一步验证并确定位置参数和角度参数的标准差，得到龙虾眼光学器件在该光轴方向上参与成像部分的结构特征参数。
表4十字臂宽度与数学模型参数关系
Figure BDA0002915832490000101
根据图3、4、5可得，所成图像在±45度方向的能量集中度为15\15，在投影方向的能量集中度为45\44，峰平比为25.5\25.6，十字臂宽度为14，根据上述表1、2、3、4计算得到参与成像部分的位置参数标准差约为0.05～0.06，角度参数的标准差约为0.05～0.06，此为龙虾眼光学器件实际的结构特征参数与理论设计值之间的差异，从而实现对该光轴方向上龙虾眼光学器件的标定。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种基于X射线聚焦图像的龙虾眼光学器件标定方法，其特征在于标定方法如下：
抽样选取龙虾眼光学器件的光轴，在该方向进行试验获得X射线聚焦图像，根据图像信息求解龙虾眼光学器件中参与成像部分的结构特征参数，抽样选取足够多的光轴获得龙虾眼光学器件整体的结构特征参数，将其与理论设计值进行对比可以实现对龙虾眼光学器件的标定。
2.根据权利要求1所述的一种基于X射线聚焦图像的龙虾眼光学器件标定方法，其特征在于：所述的求解龙虾眼光学器件中参与成像部分的结构特征参数的方法具体包括如下步骤：
步骤一、将龙虾眼光学器件微通道内壁的结构特征参数化为位置和角度的数学模型；
步骤二、对模型参数赋予高斯分布，其均值为结构特征的理论设计值，标准差用于表示微通道内壁的缺陷程度；
步骤三、基于光线追迹方法，模拟当模型具有不同标准差时龙虾眼光学器件的成像情况；
步骤四、建立模型标准差与模拟图像的能量集中度、峰平比和十字臂宽度之间的关联；
步骤五、抽样选取光轴进行成像试验，根据图像的能量集中度，初步确定参与成像部分的位置参数和角度参数的标准差分布区间，再根据图像的峰平比，确定位置参数和角度参数的标准差的具体数值及误差，最后利用图像的十字臂宽度验证并确定位置参数和角度参数的标准差，得到参与成像部分的结构特征参数。
3.根据权利要求2所述的一种基于X射线聚焦图像的龙虾眼光学器件标定方法，其特征在于：步骤四中所述的能量集中度的计算方法为：过图像强度的重心位置作±45度斜角的直线A、B，对直线A、B上的强度分布信息进行平滑处理后统计强度大于峰值强度20％的像素数量，定义为±45度斜角方向上的能量集中度；将聚焦图像二维分布的强度信息分别投影到图像水平方向和竖直方向的直线X、Y上，对其进行平滑处理后统计强度大于峰值强度20％的像素数量，定义为水平投影方向和竖直投影方向上的能量集中度。
4.根据权利要求2所述的一种基于X射线聚焦图像的龙虾眼光学器件标定方法，其特征在于：步骤四中所述的峰平比的计算方法为：将聚焦图像二维分布的强度信息分别投影到图像水平和竖直方向的直线X、Y上，对其进行平滑处理后取最大值和平均值，定义其比值为水平投影方向和竖直投影方向上的峰平比。
5.根据权利要求2所述的一种基于X射线聚焦图像的龙虾眼光学器件标定方法，其特征在于：步骤四中所述的十字臂宽度的计算方法为：取水平方向距离图像重心100-150个像素范围内的图像，将其投影到直线Y上，过滤背景噪声后得到强度分布曲线，定义曲线宽度为水平方向上的十字臂宽度。
6.根据权利要求1所述的一种基于X射线聚焦图像的龙虾眼光学器件标定方法，其特征在于：所述的获得龙虾眼光学器件整体的结构特征参数的具体方法为：根据光轴方向上参与成像部分的有效面积占总有效面积比例，确定该部分的结构特征参数在该光轴方向上的置信度，抽样选取足够多的光轴后得到该部分在不同光轴方向上的置信度，综合所有置信度得到该部分的结构特征参数，将所有参与成像部分的结构特征参数拼接即得到龙虾眼光学器件整体的结构特征参数。
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