CN113203757B - 一种全光x射线显微成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种全光X射线显微成像系统，包括：X射线发生器，还包括分束器，所述分束器用于将X射线发生器发出的X射线束分成独立的锥形X射线光束，并且在其后的焦点处汇聚，该汇聚处为焦斑所在位置；在所述焦斑处放置有样品；所述分束器利用制作多毛细管X光透镜的制作方式制作而成；该分束器的相邻子管采用厚壁玻璃管拉制而成；且所述子管外径大于所述焦斑尺寸。本发明提供的系统所采用的分束器，由于其有足够的厚度，从而能保证其后出射的光束分开，从而是最终形成的投影图像没有重影、系统成像效率高；系统结构简单，成本低，便于推广使用。

Description

一种全光X射线显微成像系统
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种全光X射线显微成像系统。
背景技术
高时间和空间分辨的X射线成像技术对于化学、物理、生物、能源、新材料、环境等相关研究领域都具有重要的意义，是X射线成像研究的热点和难点。目前用于获取样品三维成像的技术主要是CT成像技术或者有限角度CT成像技术，但是需要逐个角度的获得样品的投影，难以实现一次曝光就能获得样品不同角度的投影。2020年，P.Korecki团队结合全光相机和多毛细管X光透镜特点提出的全光X射线显微镜(PlenopticX-ray microscopy)可以实现一次曝光在十几度的立体角范围内获得样品一百至上千个投影，结合高功率光源可以实现对样品的高时空分辨的成像。
如图1所示，为Korecki.P团队所提出全光X射线成像系统示意图，该系统的主要作用是把X射线发生器1发出的X射线束经过分束器转换成诸多独立的X射线束，并且会聚于一点(即样品5所在的焦斑处)，此点空间为后多毛细管X光透镜4焦点，也是样品成像区域，将样品置于此区域，经过一次曝光，就可以获得样品多个空间角度的投影像。其中，所述分束器由前多毛细管X光透镜2、后多毛细管X光透镜4和一个多孔遮光器3组成。其中前多毛细管X光透镜2用于将实验室光源所发出的X射线光束转变成准平行X射线光束，多孔遮光器3用于将准平行X射线束转变成多个X射线细束，后多毛细管X光透镜4用于接收多孔遮光器3出射的X射线细束，并将X射线细束经过传输和压缩后出射，后多毛细管X光透镜4的每个出射X射线束的微孔等效于微焦斑X射线光源，其出射的细窄锥形X射线束照射至样品3，从而在后端成像探测器6形成其投影像。
但是，由于多孔遮光器3的微孔无法与后多毛细管X光透镜4的微孔一一准直，从而会导致其后样品投影像重叠。这不仅降低成像系统效率，也会导致图像重建过程更加复杂。
而且，该现有的系统其分束器的光学器件较多，因而光路调节困难，且需要复杂的光路调节系统，难以广泛推广。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种成像效率高、样品投影像无重叠的全光X射线显微成像系统。
一种全光X射线显微成像系统，包括：X射线发生器，还包括分束器，所述分束器用于将X射线发生器发出的X射线束分成独立的锥形X射线光束，并且在其后的焦点处汇聚，该汇聚处为焦斑所在位置；在所述焦斑处放置有样品；
所述分束器利用制作多毛细管X光透镜的制作方式制作而成；该分束器的相邻子管采用厚壁玻璃管拉制而成；且所述子管外径大于所述焦斑尺寸。
进一步地，如上所述的全光X射线显微成像系统，所述分束器子管内径1微米、焦斑尺寸为30微米。
进一步地，如上所述的全光X射线显微成像系统，包括成像探测器，所述成像探测器位于分束器产生的焦斑之后，用于记录分束器所产生各个光束远场端的光斑形状。
进一步地，如上所述的全光X射线显微成像系统，包括控制分析终端，该控制分析终端与所述成像探测器连接，用于接收、存储和分析成像探测器产生的样品图像信息，以进行样品三维图像重建。
进一步地，如上所述的全光X射线显微成像系统，在所述分束器以及样品所在位置均安装有位移平台。
进一步地，如上所述的全光X射线显微成像系统，所述位移平台为多个步进电机加旋转平台所组成的五维调节架。
进一步地，如上所述的全光X射线显微成像系统，所述成像探测器为电荷耦合阵列探测器。
进一步地，如上所述的全光X射线显微成像系统，所述X射线发生器的光源为点光源、同步辐射光源、或者为自由电子激光光源。
有益效果：
1、本发明提供的系统所采用的分束器，由于其有足够的厚度，从而能保证其后出射的光束分开，从而是最终形成的投影图像没有重影、系统成像效率高；
2、系统结构简单，成本低，便于推广使用；
3、投影图像无重影，因此无需剔除，图像重建更加简单。
附图说明
图1为现有技术的全光X射线成像系统结构示意图；
图2为本发明全光X射线成像系统结构示意图；
图3为本发明整体分束器的外形结构图；
图4为现有技术中多毛细管X光透镜的截面图；
图5为本发明分束器截面图；
附图标记：
1-X射线发生器；2-前多毛细管X光透镜；3-多孔遮光器；4-后多毛细管X光透镜；5-样品；6-成像探测器；7-控制分析终端；8-分束器；9-位移平台。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明关键成像器件为分束器，其主要作用是把X光源发出的X射线束转换成诸多独立的X射线束，并且会聚于一点，此点空间为样品成像区域，将样品置于此区域，经过一次曝光，可以获得样品多个空间角度的投影像。
如图2所示，本发明提供的系统，包括：X射线发生器1、分束器8、成像探测器6、控制分析终端7。
所述X射线发生器1用于产生X射线束。所述分束器8用于将X射线发生器1发出的X射线束分成独立的锥形X射线光束，并且在其后的焦点处汇聚，该汇聚处为焦斑所在位置；样品5置于所述焦斑处；
所述成像探测器6，位于分束器8产生的焦斑之后，用于记录分束器8所产生各个光束远场端的光斑形状，与控制分析终端7相连接；
所述控制分析终端7，与成像探测器6连接，用于接收、存储和分析成像探测器6产生的样品图像信息，以进行样品三维图像重建。
所述分束器8以及样品5所在位置均安装有位移平台9；所述分束器8所在位置安装的位移平台用于使分束器8的光路准直，从而更好地利用X射线发生器1所产生的X射线束；所述样品5所在位置的位移平台9用于调节样品5的位置，使样品5置于合适的位置以使样品成像。
所述分束器8为多毛细管X射线聚焦透镜，该透镜的子管外径大于所述焦斑尺寸。
具体地，本发明所采用的分束器与常规多毛细管X光透镜区别如图4和图5所示。常规的多毛细管X光透镜为了增加X射线束的传输效率，一般尽量采用薄壁的玻璃管拉制。采用薄壁玻璃管可以提高透镜的占空比，增加透镜的传输效率，进而提升了透镜的性能。但是由于多毛细管X光透镜子管管壁比较薄，因此相邻子管出射X射线光束会相互重叠，因此无法直接用于全光X射线成像系统。为了将多毛细管X光透镜子管间出射X射线光束分开，Korecki.P采用中间插入多孔遮光器的方式解决此问题。本发明为了将子管间X射线光束分开，采用图5所示截面的分束器，即：采用厚壁的玻璃管利用多毛细管X光透镜的制作方式制作分束器。由于分束器相邻子管采用厚壁玻璃管拉制，因此增大了两通道间间距，其所出射X射线束无需多孔遮光器也能够分开。而对比子管的厚度，需要保证子管的直径D大于焦斑尺寸。
进一步地，所述X射线发生器1可以为产生发散X射线束的常规实验室光源，也可以为产生平行X射线束的光源。
具体地，如图3所示fi为前焦点，Fi为前焦距，Di入口端直径，Dmax为分束器外形直径极大值处，L为长度，Do为出口端直径，Fo后焦距，fo后焦点。
整体分束器是一种特别设计的多毛细管X光会聚透镜，其外形曲线为二次曲线，当透镜出入口端分别位于Dmax所在截面两端时，此分束器可以用于实验室X光源，将接受实验室X光源所发出的发散X射线并将其转换为独立X射线光束出射；当入口端位于Dmax所在截面时，此分束器可用于接收可产生平行X射线束的光源(如同步辐射光源，自由电子激光光源等)，并将接收到的平行X射线束转换为为独立X射线光束出射；因此，可以通过改变其外形参数，该分束器可适用于多种X射线光源来搭建全光X射显微成像系统。
所述位移平台9为多个步进电机加旋转平台所组成的五维调节架，采用位移平台9可以实现分束器8的光路准直调节、以及使样品5精准的置于成像区域；
所述成像探测器6为电荷耦合阵列探测器(Charge Coupled Devices,CCD)，探测器获取由分束器8所产生各个独立锥形光束对于置于焦斑处样品的投影成像信息；
所述控制分析终端7为计算机，连接所述位移平台9和成像探测器6，用于控制样和分束器的位置、以及对成像探测器6形成的投影图像进行存储和分析。
实施例：
X射线发生器1可选实验室点焦斑X光管和分束器8结合，光管焦点置于分束器的前焦斑处，分束器8将接收到的X光管发出的散射X射线束转换成各自独立的细窄锥形束，并且锥形束会聚于分束器8其后焦点处。X射线发生器1为旋转阳极钼靶光源，焦斑直径300微米，功率3千瓦，分束器8的子管内径1微米，外径30微米，分束器8工作距离15毫米，焦斑尺寸30微米。将样品5通过精密位移平台9调节置于分束器8焦斑处，成像探测器5置于其后，样品3各个角度投影像可以通过成像探测器5获得。成像探测器6可以置于样品5后的750mm处，以获得样品5的50倍的放大成像。然后通过所述控制分析终端7计算，从而重建出样品的三维成像。
本发明提供的系统，通过一次曝光便可以获得样品的三维像，而且三维像没有重影。因此，本发明提供的系统结合高强度X光源有望实现样品的高时空分辨成像，是化学、物理、生物、能源、材料、环境等科学领域中所需独一无二的研究工具，对于相关领域科研工作者探索未知世界、发现新科学规律具有重要意义。
此外，通过更改分束器8的外形参数可以与产生平行管束的光源，如同步辐射光源，自由电子激光光源等结合，搭建全光X射线显微成像系统。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种全光X射线显微成像系统，包括：X射线发生器(1)，其特征在于，还包括分束器(8)，所述分束器(8)用于将X射线发生器(1)发出的X射线束分成独立的锥形X射线光束、并且在其后的焦点处汇聚，该汇聚处为焦斑所在位置；在所述焦斑处放置有样品(5)；
所述分束器(8)利用制作多毛细管X光透镜的制作方式制作而成；该分束器(8)的相邻子管采用厚壁玻璃管拉制而成；且所述子管外径大于所述焦斑尺寸；
所述分束器(8)子管内径1微米、焦斑尺寸为30微米；
包括成像探测器(6)，所述成像探测器(6)位于分束器(8)产生的焦斑之后，用于记录分束器(8)所产生各个光束远场端的光斑形状；
包括控制分析终端(7)，该控制分析终端(7)与所述成像探测器(6)连接，用于接收、存储和分析成像探测器(6)产生的样品图像信息，以进行样品三维图像重建。
2.根据权利要求1所述的全光X射线显微成像系统，其特征在于，在所述分束器(8)以及样品(5)所在位置均安装有位移平台(9)。
3.根据权利要求2所述的全光X射线显微成像系统，其特征在于，所述位移平台(9)为多个步进电机加旋转平台所组成的五维调节架。
4.根据权利要求1所述的全光X射线显微成像系统，其特征在于，所述成像探测器(6)为电荷耦合阵列探测器。
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