CN114674848A - 基于辐射转换和孔径编码的x射线超快成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于辐射转换和孔径编码的X射线超快成像系统及方法，解决现有超快X射线成像技术存在或通用性较差，或时间分辨在百皮秒量级，或分幅数量有限的问题。系统包括将目标X射线信号耦合成像在半导体芯片模块上的X射线耦合模块、将X射线强度时空分布转换为芯片折射率时空分布的半导体芯片模块、啁啾脉冲光产生模块、将啁啾脉冲光产生模块产生的线性啁啾脉冲光照射至半导体芯片模块及将经半导体芯片模块反射的脉冲光耦合进相位提取模块的啁啾脉冲光耦合模块、相位提取模块、将相位提取模块输出的线性啁啾光强度时空分布信息信号投影于数据采集模块的孔径编码分幅读取模块、数据采集模块及处理数据采集模块输出图像的图像处理模块。

Description

基于辐射转换和孔径编码的X射线超快成像系统及方法

技术领域

本发明属于超快成像领域，具体涉及一种基于辐射转换和孔径编码的X射线超快成像系统及方法。

背景技术

X射线超快成像技术在高能物理等领域应用较为广泛，如激光驱动惯性约束聚变实验中，激光驱动氘氚靶丸，使其内爆压缩并发生聚变，内爆压缩达到最大程度时产生的高温高密度物质为芯部，芯部热斑的对称性影响着聚变效率。由于芯部热斑演化过程在百皮秒量级，自发X射线谱段可到硬X射线，因此，皮秒级时间分辨的X射线超快成像技术对于研究芯部热斑的演化过程来说必不可少，对于提升聚变效率具有重要意义。

传统超快X射线成像技术包括主动泵浦探针法、行波选通分幅技术、固态分幅技术等。主动泵浦探针法使用亚皮秒量级的自由电子激光照射目标，使用目标的超快衍射图样反演目标结构，然而，主动的成像方式限制了其在惯性约束聚变等实验中的应用，无法捕获高温高密度等离子体自发X射线演化过程。行波选通分幅技术的时间分辨在百皮秒量级，无法满足时间尺度短于百皮秒量级的动态事件的捕获。固态分幅技术由劳伦斯利福摩尔国家实验室K.L.Baker等人提出(K.L.Baker,R.E.Stewart,P.T.Steele,S.P.Vernon,W.W.Hsing,andB.A.Remington,“Solid-state framing camera with multiple timeframes,”Appl.Phys.Lett.,vol.103,p.151111,Oct.2013.K.L.Baker,P.T.Steele,R.E.Stewart,S.P.Vernon,W.W.Hsing,and B.A.Remington,“Solid-state framingcameraoperating in interferometric mode,”Rev.Sci.Instrum.,vol.89,no.10,p.10G107,2018.)，采用半导体芯片实现辐射转换，将X射线信号转换到短波红外探针光上，并通过对探针光的多分幅成像，实现时间分辨在5ps的被动超快X射线成像。然而，固态分幅技术中探针光的多分幅成像是通过偏振延时及偏振分光实现的，分幅数量限制在两幅，无法精细化连续冻结目标动态信息。

发明内容

为了解决现有超快X射线成像技术，存在或通用性较差，或时间分辨在百皮秒量级，无法满足时间尺度短于百皮秒量级动态事件的捕获，或分幅数量有限的技术问题，本发明提供了一种基于辐射转换和孔径编码的X射线超快成像系统及方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

第一方面，本发明一种基于辐射转换和孔径编码的X射线超快成像系统，其特殊之处在于：包括X射线耦合模块、半导体芯片模块、啁啾脉冲光产生模块、啁啾脉冲光耦合模块、相位提取模块、孔径编码分幅读取模块、数据采集模块、图像处理模块以及同步控制模块；

所述X射线耦合模块用于将目标的X射线信号耦合成像在半导体芯片模块上；

所述半导体芯片模块用于探测目标的X射线信号，将X射线强度时空分布转换为芯片折射率时空分布；

所述啁啾脉冲光产生模块用于产生线性啁啾脉冲光；

所述啁啾脉冲光耦合模块用于将啁啾脉冲光产生模块产生的线性啁啾脉冲光扩束、准直后，照射至半导体芯片模块，以及用于将经半导体芯片模块反射的携带芯片折射率时空分布的线性啁啾脉冲光耦合进所述相位提取模块；

所述相位提取模块用于将线性啁啾脉冲光携带的芯片折射率时空分布提取为线性啁啾光强度时空分布信息；

所述孔径编码分幅读取模块用于将相位提取模块输出的线性啁啾光强度时空分布信号色散、编码、色散补偿并投影于数据采集模块，其包括沿光束传输方向依次设置的第一凸透镜、第一色散元件、第二凸透镜、孔径编码版、第三凸透镜、第二色散元件和第四凸透镜，；

所述数据采集模块用于在单次曝光内采集编码孔径分幅读取模块输出的图像，并传输给图像处理模块；

所述图像处理模块用于处理数据采集模块输出的图像，利用多分幅图像重建算法重建线性啁啾光携带的不同时刻信号的多分幅图像，并使用X射线信号反演算法反演出目标的时变X射线信号多分幅图像；

所述同步控制模块用于目标、啁啾脉冲光产生模块和数据采集模块之间的皮秒级同步。

进一步地，所述啁啾脉冲光耦合模块为分束镜；

所述分束镜对啁啾脉冲光产生模块产生的线性啁啾脉冲光反射，对经半导体芯片模块反射的携带芯片折射率时空分布的线性啁啾脉冲光透射。

进一步地，所述分束镜与啁啾脉冲光产生模块之间设置有光纤，光纤的一端与啁啾脉冲光产生模块相连，另一端与分束镜耦合。

进一步地，所述分束镜与啁啾脉冲光产生模块之间设置有反射镜。

进一步地，所述半导体芯片模块响应时间在皮秒量级；

所述线性啁啾脉冲光的脉宽为纳秒到皮秒量级，中心波长在700nm～850nm。

第二方面，本发明还提供了一种基于辐射转换和孔径编码的X射线超快成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)X射线耦合模块将目标的X射线信号耦合成像在半导体芯片模块上，同时目标发射一个触发信号给同步控制模块，同步控制模块根据触发信号发射第一控制信号和第二控制信号；

2)半导体芯片模块将X射线强度时空分布转换为芯片折射率时空分布；

3)啁啾脉冲光产生模块接收同步控制模块发出的第一控制信号，产生脉宽在纳秒到皮秒量级，中心波长在700nm～850nm的线性啁啾脉冲光，然后线性啁啾脉冲光经啁啾脉冲光耦合模块扩束、准直后，照射至半导体芯片模块，并由半导体芯片模块反射，经啁啾脉冲光耦合模块后进入相位提取模块；

4)相位提取模块将线性啁啾脉冲光携带的芯片折射率时空分布提取为线性啁啾光强度时空分布信息；

5)线性啁啾光强度时空分布信息进入孔径编码分幅读取模块，经第一凸透镜透射后，由第一色散元件色散，色散后的信号经第二凸透镜耦合成像于孔径编码版，编码后的信号经第三凸透镜透射后，由第二色散元件进行色散补偿，色散补偿后的信号经第四凸透镜耦合成像于数据采集模块；

6)数据采集模块接收同步控制模块发出的第二控制信号，在单次曝光内，采集孔径编码分幅读取模块输出的信号，并将采集到的数据传输到图像处理模块，使用多分幅图像重建算法重建线性啁啾光携带的不同时刻信号的多分幅图像，并使用X射线信号反演算法反演目标的时变X射线信号多分幅图像。

进一步地，步骤6)中，所述多分幅图像重建算法为压缩感知算法或深度学习算法。

进一步地，步骤6)中，所述X射线信号反演算法使用X射线强度-半导体芯片折射率变化量-啁啾脉冲光相位变化量-相位提取系统强度变化量-图像强度变化量之间的对应关系进行反演。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明成像系统及方法采用半导体芯片实现X射线时变信号到短波红外啁啾脉冲探针光信号的辐射转换，并对啁啾脉冲探针光进行孔径编码式分幅读取，基于压缩感知理论，在保障皮秒级时间分辨率的情况下，重建的分幅数量可提升到百幅量级，且对探测器有效探测面积要求低，具有高空间分辨率、大视场的优点，有望实现复杂动态现象的连续精细化X射线成像。

2、本发明成像系统及方法可实现时间分辨在皮秒量级，分幅数量在百幅量级的超快X射线成像。

附图说明

图1是本发明基于辐射转换和孔径编码的X射线超快成像系统的原理结构示意图；

图2是本发明实施例中孔径编码分幅读取模块的工作原理图；

其中，附图标记如下：

101-目标，102-X射线耦合模块，103-半导体芯片模块，104-啁啾脉冲光产生模块，105-啁啾脉冲光耦合模块，106-反射镜，108-相位提取模块，109-孔径编码分幅读取模块，110-第一凸透镜，111-第一色散元件，112-第二凸透镜，113-孔径编码版，114-第三凸透镜，115-第二色散元件，116-第四凸透镜，117-数据采集模块，118-图像处理模块，119-同步控制模块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1所示，本发明一种基于辐射转换和孔径编码的X射线超快成像系统，其特征在于：包括X射线耦合模块102、半导体芯片模块103、啁啾脉冲光产生模块104、啁啾脉冲光耦合模块105、相位提取模块108、孔径编码分幅读取模块109、数据采集模块117、图像处理模块118以及同步控制模块119。

X射线耦合模块102用于将目标101的X射线信号耦合成像在半导体芯片模块103上。

半导体芯片模块103用于探测目标101的X射线信号，将X射线强度时空分布转换为芯片折射率时空分布；半导体芯片模块103响应时间在皮秒量级。

啁啾脉冲光产生模块104用于产生脉宽在纳秒到皮秒量级，中心波长在700nm～850nm的线性啁啾脉冲光。

啁啾脉冲光耦合模块105用于将啁啾脉冲光产生模块104产生的线性啁啾脉冲光扩束、准直后，照射至半导体芯片模块103，以及用于将经半导体芯片模块103反射的携带芯片折射率时空分布的线性啁啾脉冲光耦合进相位提取模块108。

相位提取模块108用于将线性啁啾脉冲光携带的芯片折射率时空分布提取为线性啁啾光强度时空分布信息。

孔径编码分幅读取模块109用于将相位提取模块108输出的线性啁啾光强度时空分布信息色散、编码、色散补偿并投影于数据采集模块117，孔径编码分幅读取模块109包括沿光束传输方向依次设置的第一凸透镜110、第一色散元件111、第二凸透镜112、孔径编码版113、第三凸透镜114、第二色散元件115和第四凸透镜116。

数据采集模块117用于在单次曝光内采集编码孔径分幅读取模块输出的图像，并传输给图像处理模块118。

图像处理模块118用于处理数据采集模块117输出的图像，使用多分幅图像重建算法重建线性啁啾光携带的不同时刻信号的多分幅图像，并使用X射线信号反演算法反演出目标101的时变X射线信号多分幅图像。其中，其中，多分幅图像重建算法为压缩感知算法、深度学习算法等；X射线信号反演算法使用X射线强度-半导体芯片折射率变化量-啁啾脉冲光相位变化量-相位提取系统强度变化量-图像强度变化量之间的对应关系进行反演。

同步控制模块119用于目标101、啁啾脉冲光产生模块104和数据采集模块117之间的皮秒级同步。

本实施例啁啾脉冲光耦合模块105为分束镜，分束镜对啁啾脉冲光产生模块104产生的线性啁啾脉冲光反射至半导体芯片模块103，对经半导体芯片模块103反射的携带芯片折射率时空分布的线性啁啾脉冲光透射耦合至相位提取模块108。本实施例啁啾脉冲光耦合模块105在分束镜与啁啾脉冲光产生模块104之间设置有反射镜106，用于对啁啾脉冲光产生模块104产生的线性啁啾脉冲光进行折转，以实现系统的小型化；在其他实施例中分束镜与啁啾脉冲光产生模块104之间设置有光纤，光纤的入射端与啁啾脉冲光产生模块104相连，出口端朝向分束镜，光纤出口端出射的光束入射分束镜，并经分束镜发射至半导体芯片模块103。

基于上述X射线超快成像系统，本实施例提供了一种基于辐射转换和孔径编码的X射线超快成像方法，包括以下步骤：

1)X射线耦合模块102将目标101的X射线信号耦合成像在半导体芯片模块103上，同时目标101的X射线发生装置发射一个触发信号给同步控制模块119，同步控制模块119根据触发信号进行时钟延迟并向啁啾脉冲光产生模块104发射第一控制信号以及向数据采集模块117发射第二控制信号，以实现目标101、啁啾脉冲光产生模块104和数据采集模块117之间的同步；

2)半导体芯片模块103将X射线强度时空分布转换为芯片折射率时空分布；

3)啁啾脉冲光产生模块104接收同步控制模块119发出的第一控制信号，产生脉宽在纳秒到皮秒量级，中心波长在700nm～850nm的线性啁啾脉冲光，然后线性啁啾脉冲光经啁啾脉冲光耦合模块105扩束、准直后，照射至半导体芯片模块103，并由半导体芯片模块103反射，再经啁啾脉冲光耦合模块105后进入相位提取模块108；

4)相位提取模块108将线性啁啾脉冲光携带的芯片折射率时空分布提取为线性啁啾光强度时空分布信息；

5)线性啁啾光强度时空分布信息进入孔径编码分幅读取模块109，经第一凸透镜110透射后，由第一色散元件111色散，色散后的信号经第二凸透镜112耦合成像于孔径编码版113，由孔径编码版113编码后的信号经第三凸透镜114透射后，再由第二色散元件115进行色散补偿，色散补偿后的信号经第四凸透镜116耦合成像于数据采集模块117；

6)数据采集模块117接收同步控制模块119发出的第二控制信号，在单次曝光内，采集孔径编码分幅读取模块109输出的信号，并将采集到的数据传输到图像处理模块118，使用多分幅图像重建算法重建线性啁啾光携带的不同时刻信号的多分幅图像，并使用X射线信号反演算法反演目标101的时变X射线信号多分幅图像。

其中，步骤5)中，孔径编码分幅读取模块109工作原理如图2所示。第一色散元件111对线性啁啾光进行色散；色散后的线性啁啾光会被成像于孔径编码版113，由于不同波长信息成像于孔径编码版113的不同空间位置，因此，不同波长的像被不同的空间图案调制；调制后的线性啁啾光信号经过第二色散元件115进行色散补偿，将不同波长像的空间位置恢复到初始状态；最终由数据采集模块117捕获二维时空积分图像，进行三维数据集的重建(x-y-λ)。由于线性啁啾光不同波长λ₁，…，λ_N处携带的强度分布信息，分别对应于t₁，…，t_N时刻目标101的瞬时信息，因此，光谱维度的N张重建图像将用于反演目标101的N张超快图像。

步骤6)中，多分幅图像重建算法为压缩感知算法或深度学习算法等；X射线信号反演算法使用X射线强度-半导体芯片折射率变化量-啁啾脉冲光相位变化量-相位提取系统强度变化量-图像强度变化量之间的对应关系进行反演。

本实施例采用半导体芯片实现X射线时变信号到短波红外啁啾脉冲探针光信号的辐射转换，并对啁啾脉冲探针光进行孔径编码式分幅读取，基于压缩感知理论，在保障皮秒级时间分辨率的情况下，重建的分幅数量可提升到百幅量级，且对探测器有效探测面积要求低，具有高空间分辨率、大视场的优点，有望实现复杂动态现象的连续精细化X射线成像。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (8)

1.一种基于辐射转换和孔径编码的X射线超快成像系统，其特征在于：包括X射线耦合模块(102)、半导体芯片模块(103)、啁啾脉冲光产生模块(104)、啁啾脉冲光耦合模块(105)、相位提取模块(108)、孔径编码分幅读取模块(109)、数据采集模块(117)、图像处理模块(118)以及同步控制模块(119)；

所述X射线耦合模块(102)用于将目标(101)的X射线信号耦合成像在半导体芯片模块(103)上；

所述半导体芯片模块(103)用于探测目标(101)的X射线信号，将X射线强度时空分布转换为芯片折射率时空分布；

所述啁啾脉冲光产生模块(104)用于产生线性啁啾脉冲光；

所述啁啾脉冲光耦合模块(105)用于将啁啾脉冲光产生模块(104)产生的线性啁啾脉冲光扩束、准直后，照射至半导体芯片模块(103)，以及用于将经半导体芯片模块(103)反射的携带芯片折射率时空分布的线性啁啾脉冲光耦合进所述相位提取模块(108)；

所述相位提取模块(108)用于将线性啁啾脉冲光携带的芯片折射率时空分布提取为线性啁啾光强度时空分布信息；

所述孔径编码分幅读取模块(109)用于将相位提取模块(108)输出的线性啁啾光强度时空分布信号色散、编码、色散补偿并投影于数据采集模块(117)，其包括沿光束传输方向依次设置的第一凸透镜(110)、第一色散元件(111)、第二凸透镜(112)、孔径编码版(113)、第三凸透镜(114)、第二色散元件(115)和第四凸透镜(116)，；

所述数据采集模块(117)用于在单次曝光内采集编码孔径分幅读取模块输出的图像，并传输给图像处理模块(118)；

所述图像处理模块(118)用于处理数据采集模块(117)输出的图像，利用多分幅图像重建算法重建线性啁啾光携带的不同时刻信号的多分幅图像，并使用X射线信号反演算法反演出目标(101)的时变X射线信号多分幅图像；

所述同步控制模块(119)用于目标(101)、啁啾脉冲光产生模块(104)和数据采集模块(117)之间的皮秒级同步。

2.根据权利要求1所述基于辐射转换和孔径编码的X射线超快成像系统，其特征在于：所述啁啾脉冲光耦合模块(105)为分束镜；

所述分束镜对啁啾脉冲光产生模块(104)产生的线性啁啾脉冲光反射，对经半导体芯片模块(103)反射的携带芯片折射率时空分布的线性啁啾脉冲光透射。

3.根据权利要求2所述基于辐射转换和孔径编码的X射线超快成像系统，其特征在于：所述分束镜与啁啾脉冲光产生模块(104)之间设置有光纤，光纤的一端与啁啾脉冲光产生模块(104)相连，另一端与分束镜耦合。

4.根据权利要求2所述基于辐射转换和孔径编码的X射线超快成像系统，其特征在于：所述分束镜与啁啾脉冲光产生模块(104)之间设置有反射镜(106)。

5.根据权利要求1至4任一所述基于辐射转换和孔径编码的X射线超快成像系统，其特征在于：所述半导体芯片模块(103)响应时间在皮秒量级；

所述线性啁啾脉冲光的脉宽为纳秒到皮秒量级，中心波长在700nm～850nm。

6.一种基于辐射转换和孔径编码的X射线超快成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)X射线耦合模块(102)将目标(101)的X射线信号耦合成像在半导体芯片模块(103)上，同时目标(101)发射一个触发信号给同步控制模块(119)，同步控制模块(119)根据触发信号发射第一控制信号和第二控制信号；

2)半导体芯片模块(103)将X射线强度时空分布转换为芯片折射率时空分布；

3)啁啾脉冲光产生模块(104)接收同步控制模块(119)发出的第一控制信号，产生脉宽在纳秒到皮秒量级，中心波长在700nm～850nm的线性啁啾脉冲光，然后线性啁啾脉冲光经啁啾脉冲光耦合模块(105)扩束、准直后，照射至半导体芯片模块(103)，并由半导体芯片模块(103)反射，经啁啾脉冲光耦合模块(105)后进入相位提取模块(108)；

4)相位提取模块(108)将线性啁啾脉冲光携带的芯片折射率时空分布提取为线性啁啾光强度时空分布信息；

5)线性啁啾光强度时空分布信息进入孔径编码分幅读取模块(109)，经第一凸透镜(110)透射后，由第一色散元件(111)色散，色散后的信号经第二凸透镜(112)耦合成像于孔径编码版(113)，编码后的信号经第三凸透镜(114)透射后，由第二色散元件(115)进行色散补偿，色散补偿后的信号经第四凸透镜(116)耦合成像于数据采集模块(117)；

6)数据采集模块(117)接收同步控制模块(119)发出的第二控制信号，在单次曝光内，采集孔径编码分幅读取模块(109)输出的信号，并将采集到的数据传输到图像处理模块(118)，使用多分幅图像重建算法重建线性啁啾光携带的不同时刻信号的多分幅图像，并使用X射线信号反演算法反演目标(101)的时变X射线信号多分幅图像。

7.根据权利要求6所述基于辐射转换和孔径编码的X射线超快成像方法，其特征在于，步骤6)中，所述多分幅图像重建算法为压缩感知算法或深度学习算法。

8.根据权利要求6或7所述基于辐射转换和孔径编码的X射线超快成像方法，其特征在于，步骤6)中，所述X射线信号反演算法采用X射线强度-半导体芯片折射率变化量-啁啾脉冲光相位变化量-相位提取系统强度变化量-图像强度变化量之间的对应关系进行反演。

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