CN117575901B - 基于多层膜劳厄透镜的x射线相衬显微拼接方法及系统 - Google Patents

基于多层膜劳厄透镜的x射线相衬显微拼接方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接方法及系统，系统包括：X射线处理模块限制入射X射线的发射角并进行预聚焦，得到预聚焦X射线；光源聚焦模块对预聚焦X射线实现二维聚焦，得到X射线聚焦光源；探测器模块包括吸收光栅、闪烁体及成像单元，闪烁体位于吸收光栅后方，X射线聚焦光源经吸收光栅叠加，闪烁体转换为可见光波段，在成像单元中形成样品图像及背景图像；图像获取单元获得多幅多模态显微图像，图像拼接单元对不同区域的样品图像及背景图像形成的任意两幅多模态显微图像进行拼接处理，得到拼接显微图像。通过本方法解决了菲涅尔波带片系统成像分辨率低的问题，可以得到高分辨率大视场的显微图像。

Description

基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接方法及系统
技术领域
本发明涉及X射线技术领域，尤其涉及一种基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接方法及系统。
背景技术
X射线成像作为一种可以直接观察物体内部结构的方法被广泛使用，在传统的X射线成像系统中，衬度信息是通过物体成分吸收截面的差异获得，然而由于轻元素的结构问题，衬度图像存在较低，光栅干涉相衬成像方法可以提供包括吸收衬度信息、微分相位衬度信息及暗场衬度信息，提高了对物体的特征信息的获取程度。
随着探测器及同步加速器辐射等光源的不断改进，X射线成像的空间分辨率不断提升，物体的空间分辨率取决于亚纳米波长的X射线的聚焦尺寸，目前，菲涅尔波带片、K-B镜及折射透镜等光学器件能够将X射线聚焦到纳米级量级，然而受制于光学器件固有结构的限制，对X射线的聚焦尺寸很难有进一步的突破，从而限制成像的分辨率。
同时在X射线成像系统中，大视场与高分辨率往往是矛盾的，在放大光学系统中获取的高分辨率图像的视场很小，为获取大视场高分辨率图像，需要采用拼接技术进行图像拼接，现有图像拼接技术仅仅针对吸收图像进行拼接，而没有实现对相位及暗场图像的拼接。
发明内容
本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接方法及系统。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接系统，包括：X射线处理模块、光源聚焦模块、探测器模块及图像处理模块；
X射线处理模块包括处理单元，处理单元对入射X射线进行处理，限制入射X射线的发射角并进行预聚焦，得到预聚焦X射线；
光源聚焦模块包括第一多层膜劳厄透镜、第二多层膜劳厄透镜及阶次级选孔径，其中，第一多层膜劳厄透镜及第二多层膜劳厄透镜对预聚焦X射线进行二维聚焦，得到二维聚焦X射线，阶次级选孔径通过消除二维聚焦X射线中聚焦光束外衍射阶数得到X射线聚焦光源；
探测器模块包括吸收光栅、闪烁体及成像单元，闪烁体位于吸收光栅后且位于泰伯距离位置处，X射线聚焦光源经吸收光栅叠加，经闪烁体转换为可见光波段，进而在成像单元中形成多幅样品图像及多幅背景图像，其中，样品图像包括相同区域的样品图像及不同区域的样品图像，相同区域的样品图像通过移动吸收光栅得到，不同区域的样品图像通过移动样品位置得到；
图像处理模块包括图像获取单元及图像拼接单元，图像获取单元用于获取样品图像及背景图像并形成的多模态显微图像，图像拼接单元用于对不同区域的样品图像及背景图像形成的任意两幅多模态显微图像进行拼接处理，得到拼接显微图像。
作为一种可实施方式，所述第一多层膜劳厄透镜的焦距与第二多层膜劳厄透镜的焦距不同，且所述第一多层膜劳厄透镜与第二多层膜劳厄透镜之间的距离，等于第一多层膜劳厄透镜的焦距与第二多层膜劳厄透镜的焦距之差。
作为一种可实施方式，所述第一多层膜劳厄透镜与第二多层膜劳厄透镜对齐且相互垂直。
作为一种可实施方式，入射X射线的光轴与所述第一多层膜劳厄透镜及第二多层膜劳厄透镜的倾斜角度满足布拉格衍射的角度要求，其中，倾斜角度表示如下：
其中，表示倾斜角度，/>表示沿入射X射线光轴的深度，/>表示入射X射线的波长，/>表示多层膜劳厄透镜焦距。
作为一种可实施方式，所述闪烁体位于吸收光栅后且位于泰伯距离位置处，具体为：
所述X射线聚焦光源经吸收光栅叠加后，形成条纹图像在泰伯距离处达到最大对比度，并放置闪烁体接收经吸收光栅出射的条纹图像，其中，所述泰伯距离表示如下：
其中，表示泰伯距离，/>表示泰伯阶数，/>表示吸收光栅的周期，/>表示X射线聚焦光源的波长。
作为一种可实施方式，所述成像单元包括物镜、反射镜及场镜；
通过切换物镜倍率，调整闪烁体到物镜的距离及吸收光栅到闪烁体的距离，以形成不同视场的图像；
所述反射镜将经闪烁体转换后的可见光反射至场镜，所述场镜扩大成像视场。
作为一种可实施方式，所述多模态显微图像包括吸收图像、相位图像及暗场图像，表示如下：
其中，表示吸收光栅振幅传输函数的第/>个傅里叶系数，/>表示有样品时自成像振幅的第/>个傅里叶系数，/>表示横坐标，/>表示纵坐标，/>表示泰伯距离，/>表示吸收光栅的周期，/>表示入射光波长，/>表示X射线照射样品后产生的折射角，/>表示吸收图像，/>表示相位图像，/>表示暗场图像。
作为一种可实施方式，所述图像拼接单元用于对不同区域的样品图像及背景图像形成的任意两幅多模态显微图像进行拼接处理，包括以下步骤：
重新分配多模态显微图像中的光照分布强度，得到第一多模态显微图像及第二多模态显微图像；
基于傅里叶变换及交叉功率谱计算第一多模态显微图像与第二多模态显微图像之间的重叠区域，所述重叠区域为第一多模态显微图像的第一重叠区域及第二多模态显微图像的第一重叠区域；
计算第一多模态显微图像的第一重叠区域与第二多模态显微图像的第一重叠区域的标准化互信息，直至标准化互信息大于预设阈值，确定第一多模态显微图像与第二多模态显微图像的最佳匹配位置；
基于最佳匹配位置，采用加权混合算法对第一多模态显微图像与第二多模态显微图像进行拼接，得到拼接显微图像。
作为一种可实施方式，所述计算第一多模态显微图像与第二多模态显微图像之间的重叠区域，包括：
所述第一多模态显微图像与第二多模态显微图像具有相对位移量，且第一多模态显微图像与第二多模态显微图像为吸收图像、相位图像及暗场图像中的一种；
对第一多模态显微图像及第二多模态显微图像进行傅里叶变换，计算第一多模态显微图像及第二多模态显微图像的傅里叶互相关结果；
基于所述傅里叶互相关结果，确定第一多模态显微图像的第一重叠区域与第二多模态显微图像的第一重叠区域；
所述吸收图像、相位图像及暗场图像，分别表示如下：
所述傅里叶变换，表示如下：
所述傅里叶互相关结果，表示如下：
其中，表示傅里叶反变换，/>表示复共轭，/>表示第一多模态显微图像与第二多模态显微图像之间的平移量，/>分别表示第一多模态显微图像及第二多模态显微图像的表达式，/>表示傅里叶互相关结果的冲击函数，/>表示吸收图像，/>表示相位图像，/>表示暗场图像。
作为一种可实施方式，所述直至标准化互信息大于预设阈值，确定第一多模态显微图像与第二多模态显微图像的最佳匹配位置，包括：
若标准化互信息大于预设阈值，则第一多模态显微图像的第一重叠区域与第二多模态显微图像的第一重叠区域为最佳匹配位置；
若标准化互信息小于预设阈值，则再次计算第一多模态显微图像的第一重叠区域与第二多模态显微图像的第一重叠区域的傅里叶互相关结果，并得到第一多模态显微图像的第二重叠区域与第二多模态显微图像的第二重叠区域；
计算两个第二重叠区域的标准化互信息，直至标准化互信息大于预设阈值，则第一多模态显微图像的第二重叠区域与第二多模态显微图像的第二重叠区域为最佳匹配位置；
所述标准化互信息，表示如下：
其中，表示第一多模态显微图像的第/>重叠区域，/>表示第二多模态显微图像的第/>重叠区域，/>表示第一多模态显微图像的第/>重叠区域与第二多模态显微图像的第/>重叠区域的标准化互信息，/> ，。
作为一种可实施方式，所述基于最佳匹配位置，采用加权混合算法对第一多模态显微图像与第二多模态显微图像进行拼接，表示如下：
其中，分别表示第一多模态显微图像及第二多模态显微图像的表达式，/>表示拼接显微图像，若第一多模态显微图像与第二多模态显微图像之间的平移量沿横轴方向，/>，若第一多模态显微图像与第二多模态显微图像之间的平移量沿纵轴方向，/>，/>表示重叠区域的点到重叠区域左边缘的距离，/>表示重叠区域的点到重叠区域右边缘的距离，/>表示重叠区域的点到重叠区域上边缘的距离，/>表示重叠区域的点到重叠区域下边缘的距离。
一种基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接方法，基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接系统实现，系统包括X射线处理模块、光源聚焦模块、探测器模块及图像处理模块，方法包括以下步骤：
对入射X射线进行处理，限制入射X射线的发射角并进行预聚焦，得到预聚焦X射线；
通过第一多层膜劳厄透镜及第二多层膜劳厄透镜对预聚焦X射线进行二维聚焦，得到二维聚焦X射线，阶次级选孔径通过消除二维聚焦X射线中聚焦光束外衍射阶数得到X射线聚焦光源；
闪烁体位于吸收光栅后且位于泰伯距离位置处，X射线聚焦光源经吸收光栅叠加，经闪烁体转换为可见光波段，进而在成像单元中形成多幅样品图像及多幅背景图像，其中，样品图像包括相同区域的样品图像及不同区域的样品图像，相同区域的样品图像通过移动吸收光栅得到，不同区域的样品图像通过移动样品位置得到；
获取样品图像及背景图像并形成的多模态显微图像，对不同区域的样品图像及背景图像形成的任意两幅多模态显微图像进行拼接处理，得到拼接显微图像。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如下所述的方法：
对入射X射线进行处理，限制入射X射线的发射角并进行预聚焦，得到预聚焦X射线；
通过第一多层膜劳厄透镜及第二多层膜劳厄透镜对预聚焦X射线进行二维聚焦，得到二维聚焦X射线，阶次级选孔径通过消除二维聚焦X射线中聚焦光束外衍射阶数得到X射线聚焦光源；
闪烁体位于吸收光栅后且位于泰伯距离位置处，X射线聚焦光源经吸收光栅叠加，经闪烁体转换为可见光波段，进而在成像单元中形成多幅样品图像及多幅背景图像，其中，样品图像包括相同区域的样品图像及不同区域的样品图像，相同区域的样品图像通过移动吸收光栅得到，不同区域的样品图像通过移动样品位置得到；
获取样品图像及背景图像并形成的多模态显微图像，对不同区域的样品图像及背景图像形成的任意两幅多模态显微图像进行拼接处理，得到拼接显微图像。
一种基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如如下所述的方法：
对入射X射线进行处理，限制入射X射线的发射角并进行预聚焦，得到预聚焦X射线；
通过第一多层膜劳厄透镜及第二多层膜劳厄透镜对预聚焦X射线进行二维聚焦，得到二维聚焦X射线，阶次级选孔径通过消除二维聚焦X射线中聚焦光束外衍射阶数得到X射线聚焦光源；
闪烁体位于吸收光栅后且位于泰伯距离位置处，X射线聚焦光源经吸收光栅叠加，经闪烁体转换为可见光波段，进而在成像单元中形成多幅样品图像及多幅背景图像，其中，样品图像包括相同区域的样品图像及不同区域的样品图像，相同区域的样品图像通过移动吸收光栅得到，不同区域的样品图像通过移动样品位置得到；
获取样品图像及背景图像并形成的多模态显微图像，对不同区域的样品图像及背景图像形成的任意两幅多模态显微图像进行拼接处理，得到拼接显微图像。
本发明由于采用了以上的技术方案，具有显著的技术效果：
通过本发明的方法，使用互相垂直的两个多层膜劳厄透镜实现对入射的X射线进行纳米级聚焦，得到更小的光斑尺寸，通过信号调制及物镜进行二级放大，得到样品的吸收图像、相位图像及暗场图像，采用图像拼接算法，得到高分辨率的大视场显微图像。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明系统的整体示意图；
图2是本发明系统的结构示意图；
图3是本发明方法的流程示意图；
图4是本发明方法拼接的结果示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1：
一种基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接系统，如图1所示，包括：X射线处理模块100、光源聚焦模块200、探测器模块300及图像处理模块400；
X射线处理模块100包括处理单元，处理单元对入射X射线进行处理，限制入射X射线的发射角并进行预聚焦，得到预聚焦X射线；
光源聚焦模块200包括第一多层膜劳厄透镜、第二多层膜劳厄透镜及阶次级选孔径，其中，第一多层膜劳厄透镜及第二多层膜劳厄透镜对预聚焦X射线进行二维聚焦，得到二维聚焦X射线，阶次级选孔径通过消除二维聚焦X射线中聚焦光束外衍射阶数得到X射线聚焦光源；
探测器模块300包括吸收光栅、闪烁体及成像单元，闪烁体位于吸收光栅后且位于泰伯距离位置处，X射线聚焦光源经吸收光栅叠加，经闪烁体转换为可见光波段，进而在成像单元中形成多幅样品图像及多幅背景图像，其中，样品图像包括相同区域的样品图像及不同区域的样品图像，相同区域的样品图像通过移动吸收光栅得到，不同区域的样品图像通过移动样品位置得到；
图像处理模块400包括图像获取单元及图像拼接单元，图像获取单元用于获取样品图像及背景图像并形成的多模态显微图像，图像拼接单元用于对不同区域的样品图像及背景图像形成的任意两幅多模态显微图像进行拼接处理，得到拼接显微图像。
在一个实施例中，如图2所示，给出一种具体的基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接系统，包括第一光学狭缝1、复合折射透镜2、第二光学狭缝3、楔形多层膜劳厄透镜4、阶次级选孔径5、样品6、吸收光栅7、闪烁体8、高倍物镜9、反射镜10、场镜11及CMOS相机12，依据此实施例，可以理解为：第一光学狭缝1、复合折射透镜2、第二光学狭缝3为X射线处理模块100，楔形多层膜劳厄透镜4和阶次级选孔径5为光源聚焦模块200，吸收光栅7、闪烁体8、高倍物镜9、反射镜10及场镜11形成探测器模块300，CMOS相机12及图像拼接单元为图像处理模块400，图像拼接单元可以理解为有任何算力的运算单元或者处理器等，只要能实现对不同区域的样品图像及背景图像形成的任意两幅多模态显微图像进行拼接处理，得到拼接显微图像都可以作为图像拼接单元。
本实施例中使用的X射线源是同步辐射线站发射的同步辐射源，通过第一光学狭缝1限制同步辐射线站发射的X射线的发散角，经过复合折射透镜2对X射线进行预聚焦，通过预聚焦达到提高光子通量的目的，第二光学狭缝3用于将照明截断，达到使得X射线刚好完全照射到多层膜劳厄透镜区域的目的。
目前，对于平面和倾斜的多层膜劳厄透镜，高聚焦效率和小焦点无法同时实现，只有部分区域才能满足入射光束的布拉格条件，因此，为了使入射光束与多层膜劳厄透镜中每层膜的倾斜角度均满足布拉格衍射的角度要求，即整个多层膜劳厄透镜满足布拉格条件，同时考虑到工艺制备难度，在本实施例中，选择了楔形多层膜劳厄透镜作为聚焦元件，更确切的来讲，在本实施例中其实采用的部分多层膜劳厄透镜，即完整多层膜劳厄透镜的一侧，采用部分多层膜劳厄透镜的优点在于：不仅使工作距离更长，不受二阶衍射光束的限制；还能使得切趾效应消失，增加了入射的光子通量。其中，楔形多层膜劳厄透镜中每一层相对于光轴的倾斜角满足以下关系式：
其中，表示倾斜角度，/>表示沿X射线光轴的深度，/>表示入射光波长，/>表示多层膜劳厄透镜焦距。
本实施例中，参见附图2所示，楔形多层膜劳厄透镜4包括第一多层膜劳厄透镜及第二多层膜劳厄透镜，其中，第一多层膜劳厄透镜与第二多层膜劳厄透镜具有不同的焦距，在使用过程中，为了在同一焦平面上获得相同的焦点，因此需要将第一多层膜劳厄透镜与第二多层膜劳厄透镜完全对齐、垂直且具有相同的焦平面，以实现对光源的二维聚焦。楔形多层膜劳厄透镜4中的每一层膜单独满足布拉格条件，并且第一多层膜劳厄透镜与第二多层膜劳厄透镜之间的间隔等于第一多层膜劳厄透镜与第二多层膜劳厄透镜的焦距之差。两个相互垂直的多层膜劳厄透镜可以产生点聚焦，实现对入射X射线进行纳米级聚焦，以实现更小的光斑尺寸。如果将第一多层膜劳厄透镜发射的衍射波的不同衍射级数表示为0，±1，±2，...，则两个连续多层膜劳厄透镜衍射的波可以用指数表示，其中，/>是水平聚焦多层膜劳厄透镜的指数，/>是垂直聚焦多层膜劳厄透镜的指数。/>波为直接透射光束，为通过两个互相垂直的多层膜劳厄透镜截面衍射成二维焦点的波，/>为形成垂直聚焦线的波，/>为形成水平聚焦线的波，作为一种衍射光学元件，多层膜劳厄透镜的出射平面存在多个不同衍射级次的光束，本发明使用的阶次级选孔径5放置在/>焦点周围，以阻挡除聚焦光束以外的所有衍射阶数的光。
经聚焦后的X射线照射待测样品6，到达吸收光栅7，由于待测样品6与吸收光栅7距离较近，吸收光栅7与待测样品6相叠加形成对比度增强的调制信号，将在吸收光栅7后方的固定距离处形成泰伯自成像效应，闪烁体8应放置在该固定距离处接收泰伯自成像效应，该固定距离称为泰伯距离，表示如下：
其中，表示泰伯距离，/>表示泰伯阶数，/>表示吸收光栅的周期，/>表示入射光波长。
通过闪烁体8将X射线转换成可见光波段，经光学物镜9收集并进行二级放大，为避免X射线对CMOS相机12造成辐射损伤，须将可见光传播到反射镜10处产生90°的反射，而X射线则会穿过反射镜，从而实现可见光与透射X射线分离，X射线由场镜11收集后，最后成像至CMOS相机12中。
基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接系统恢复多模态显微图像的原理如下：待测样品和吸收光栅所叠加得到的信号称为调制信号，探测器所得图像为原始图像，在吸收光栅处放置高精度电控位移台，利用相位步进法，通过横向位移吸收光栅N次（N大于等于3），拍摄不少于3幅移动吸收光栅所得的样品图像，去除待测样品，拍摄得到不含待测样品的背景图像，对比样品图像与背景图像的信号变化量，得到多模态显微图像，包括吸收图像、微分相位图像及暗场图像，对微分相位图像沿一定方向积分可得到相位图像，吸收图像展示了X射线穿过物体后强度变化的厚度信息，微分相位图像则反映了X射线穿过物体时的折射信息，而暗场图像则呈现了X射线穿过物体时的散射信息，多模态显微成像方法可以提供更丰富和全面的样品内部结构信息，其中，吸收图像、相位图像及暗场图像表示如下：
其中，表示吸收光栅振幅传输函数的第/>个傅里叶系数，/>表示有样品时自成像振幅的第/>个傅里叶系数，/>表示横坐标，/>表示纵坐标，/>表示泰伯距离，/>表示吸收光栅的周期，/>表示入射光波长，/>表示X射线照射样品后产生的折射角，/>表示吸收图像，/>表示相位图像，/>表示暗场图像。
在一个实施例中，所述图像拼接单元用于对不同区域的样品图像及背景图像形成的任意两幅多模态显微图像进行拼接处理，包括以下步骤：
重新分配多模态显微图像中的光照分布强度，得到第一多模态显微图像及第二多模态显微图像；
基于傅里叶变换及交叉功率谱计算第一多模态显微图像与第二多模态显微图像之间的重叠区域，所述重叠区域为第一多模态显微图像的第一重叠区域及第二多模态显微图像的第一重叠区域；
计算第一多模态显微图像的第一重叠区域与第二多模态显微图像的第一重叠区域的标准化互信息，直至标准化互信息大于预设阈值，确定第一多模态显微图像与第二多模态显微图像的最佳匹配位置；
基于最佳匹配位置，采用加权混合算法对第一多模态显微图像与第二多模态显微图像进行拼接，得到拼接显微图像。
在实际操作过程中，将样品放置在高精度电控位移台上，通过移动样品位置得到不同区域的多幅多模态显微图像，将重构所得多张吸收图像、相位图像及暗场图像使用拼接算法进行拼接，获得吸收图像、相位图像及暗场图像的拼接显微图像。
在通过位移样品得到不同区域的多模态显微图像时，为了获得最佳效果，相邻两次拍摄图像时，移动样品的最佳距离应使所得图像的重叠区域占单张图像的10%~20%，若重叠区域过小，会降低识别重叠区域步骤的精确性；若重叠区域过大，会导致计算耗时增加，因此，选择合适的重叠区域大小对平衡计算效率及准确性至关重要。
在图像获取过程中，即使使用高功率光源，也可能产生严重的渐晕问题，即图像的角落相对于中心部分较暗，不均匀照明对图像重叠区域匹配的精度会造成较大影响，因此需要进行补偿，本实施例中采用具有平坦包络的直方图均衡化方法，在整个原始图像中重新分布强度，确保每幅图像的灰度值范围相同，有助于消除原始图像中的不均匀光照，提高匹配重叠区域的准确性。本实施例中使用相位相关方法来估计两幅多模态显微图像之间的重叠区域，相位相关方法是一种快速的图像配准方法，结合傅里叶变换和交叉功率谱实现估计具有重叠区域的两幅图像之间的相对平移，从多模态显微图像中获取第一多模态显微图像及第二多模态显微图像/>，假设第二多模态显微图像与第一多模态显微图像沿横轴的相对位移量/>，且第一多模态显微图像与第二多模态显微图像同时为吸收图像或相位图像或暗场图像，表示如下：
对第一多模态显微图像及第二多模态显微图像进行傅里叶变换，表示如下：
计算第一多模态显微图像及第二多模态显微图像的傅里叶互相关结果，表示如下：
其中，表示傅里叶反变换，/>表示复共轭，/>表示第一多模态显微图像与第二多模态显微图像之间的平移量，/>分别表示第一多模态显微图像及第二多模态显微图像的表达式，/>表示傅里叶互相关结果的冲击函数，/>表示吸收图像，/>表示相位图像，/>表示暗场图像。
在一个实施例中，所述直至标准化互信息大于预设阈值，确定第一多模态显微图像与第二多模态显微图像的最佳匹配位置，包括：
若标准化互信息大于预设阈值，则第一多模态显微图像的第一重叠区域与第二多模态显微图像的第一重叠区域为最佳匹配位置；
若标准化互信息小于预设阈值，则再次计算第一多模态显微图像的第一重叠区域与第二多模态显微图像的第一重叠区域的傅里叶互相关结果，并得到第一多模态显微图像的第二重叠区域与第二多模态显微图像的第二重叠区域；
计算两个第二重叠区域的标准化互信息，直至标准化互信息大于预设阈值，则第一多模态显微图像的第二重叠区域与第二多模态显微图像的第二重叠区域为最佳匹配位置。
此实施例中的标准化互信息是衡量两个变量之间的依赖程度，若两个变量是独立的，则标准化互信息为0，若两个变量具有很强的相关性，那么标准化互信息就很大，计算第一多模态显微图像的第一重叠区域与第二多模态显微图像的第一重叠区域的标准化互信息，以此判断相位相关方法得到的两个重叠区域的相关性，标准化互信息表示如下：
其中，表示第一多模态显微图像的第/>重叠区域，/>表示第二多模态显微图像的第/>重叠区域，/>表示第一多模态显微图像的第/>重叠区域与第二多模态显微图像的第/>重叠区域的标准化互信息，/> ，。
本实施例中设置第一阈值为0.9，当第一重叠区域的标准化互信息大于第一阈值，则两个重叠区域强相关，重叠区域大部分匹配，此时则对应的第一重叠区域为最佳重叠区域；若第一重叠区域的标准化互信息小于第一阈值，则两个重叠区域不匹配，需进一步计算第一多模态显微图像的第一重叠区域与第二多模态显微图像的第一重叠区域的傅里叶互相关结果，确定相对应的第二重叠区域，计算两个第二重叠区域的标准化互信息，不断迭代，直至标准化互信息大于预设阈值，确定第一多模态显微图像与第二多模态显微图像的最佳匹配位置；
确定最佳匹配位置之后，采用加权混合算法对第一多模态显微图像与第二多模态显微图像进行拼接，表示如下：
其中，分别表示第一多模态显微图像及第二多模态显微图像的表达式，/>表示拼接显微图像，若第一多模态显微图像与第二多模态显微图像之间的平移量沿横轴方向，/>，若第一多模态显微图像与第二多模态显微图像之间的平移量沿纵轴方向，/>，/>表示重叠区域的点到重叠区域左边缘的距离，/>表示重叠区域的点到重叠区域右边缘的距离，/>表示重叠区域的点到重叠区域上边缘的距离，/>表示重叠区域的点到重叠区域下边缘的距离，最终结果可以参照附图4所示。
通过本方法所得拼接显微图像，通过获取多张多模态显微图像进行拼接，扩大了现有图像的视场，同时基于多层膜劳厄透镜的光源聚焦，提高了多模态显微图像的分辨率，克服了现有技术中大视场与高分辨率相矛盾的问题。
实施例2：
一种基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接方法，如图3所示，基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接系统实现，系统包括X射线处理模块、光源聚焦模块、探测器模块及图像处理模块，方法包括以下步骤：
S100、对入射X射线进行处理，限制入射X射线的发射角并进行预聚焦，得到预聚焦X射线；
S200、通过第一多层膜劳厄透镜及第二多层膜劳厄透镜对预聚焦X射线进行二维聚焦，得到二维聚焦X射线，阶次级选孔径通过消除二维聚焦X射线中聚焦光束外衍射阶数得到X射线聚焦光源；
S300、闪烁体位于吸收光栅后且位于泰伯距离位置处，X射线聚焦光源经吸收光栅叠加，经闪烁体转换为可见光波段，进而在成像单元中形成多幅样品图像及多幅背景图像，其中，样品图像包括相同区域的样品图像及不同区域的样品图像，相同区域的样品图像通过移动吸收光栅得到，不同区域的样品图像通过移动样品位置得到；
S400、获取样品图像及背景图像并形成的多模态显微图像，对不同区域的样品图像及背景图像形成的任意两幅多模态显微图像进行拼接处理，得到拼接显微图像。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出的各种变化和变型，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
需要说明的是：
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (11)

1.一种基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接系统，其特征在于，包括：X射线处理模块、光源聚焦模块、探测器模块及图像处理模块；
X射线处理模块包括处理单元，处理单元对入射X射线进行处理，限制入射X射线的发射角并进行预聚焦，得到预聚焦X射线；
光源聚焦模块包括第一多层膜劳厄透镜、第二多层膜劳厄透镜及阶次级选孔径，其中，第一多层膜劳厄透镜及第二多层膜劳厄透镜对预聚焦X射线进行二维聚焦，得到二维聚焦X射线，阶次级选孔径通过消除二维聚焦X射线中聚焦光束外衍射阶数得到X射线聚焦光源；
探测器模块包括吸收光栅、闪烁体及成像单元，闪烁体位于吸收光栅后且位于泰伯距离位置处，X射线聚焦光源经吸收光栅叠加，经闪烁体转换为可见光波段，进而在成像单元中形成多幅样品图像及多幅背景图像，其中，样品图像包括相同区域的样品图像及不同区域的样品图像，相同区域的样品图像通过移动吸收光栅得到，不同区域的样品图像通过移动样品位置得到；
图像处理模块包括图像获取单元及图像拼接单元，图像获取单元用于获取样品图像及背景图像并形成的多模态显微图像，图像拼接单元用于对不同区域的样品图像及背景图像形成的任意两幅多模态显微图像进行拼接处理，得到拼接显微图像；
其中，所述第一多层膜劳厄透镜的焦距与第二多层膜劳厄透镜的焦距不同，且所述第一多层膜劳厄透镜与第二多层膜劳厄透镜之间的距离，等于第一多层膜劳厄透镜的焦距与第二多层膜劳厄透镜的焦距之差；所述第一多层膜劳厄透镜与第二多层膜劳厄透镜对齐且相互垂直；
其中，所述图像拼接单元用于对不同区域的样品图像及背景图像形成的任意两幅多模态显微图像进行拼接处理，包括以下步骤：
重新分配多模态显微图像中的光照分布强度，得到第一多模态显微图像及第二多模态显微图像；
基于傅里叶变换及交叉功率谱计算第一多模态显微图像与第二多模态显微图像之间的重叠区域，所述重叠区域为第一多模态显微图像的第一重叠区域及第二多模态显微图像的第一重叠区域；
计算第一多模态显微图像的第一重叠区域与第二多模态显微图像的第一重叠区域的标准化互信息，直至标准化互信息大于预设阈值，确定第一多模态显微图像与第二多模态显微图像的最佳匹配位置；
基于最佳匹配位置，采用加权混合算法对第一多模态显微图像与第二多模态显微图像进行拼接，得到拼接显微图像。
2.根据权利要求1所述的基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接系统，其特征在于，入射X射线的光轴与所述第一多层膜劳厄透镜及第二多层膜劳厄透镜的倾斜角度满足布拉格衍射的角度要求，其中，倾斜角度表示如下：
其中，表示倾斜角度，/>表示沿入射X射线光轴的深度，/>表示入射X射线的波长，/>表示多层膜劳厄透镜焦距，/>表示垂直聚焦多层膜劳厄透镜的指数。
3.根据权利要求1所述的基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接系统，其特征在于，所述闪烁体位于吸收光栅后且位于泰伯距离位置处，具体为：
所述X射线聚焦光源经吸收光栅叠加后，形成条纹图像在泰伯距离处达到最大对比度，并放置闪烁体接收经吸收光栅出射的条纹图像，其中，所述泰伯距离表示如下：
其中，表示泰伯距离，/>表示泰伯阶数，/>表示吸收光栅的周期，/>表示X射线聚焦光源的波长。
4.根据权利要求1所述的基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接系统，其特征在于，所述成像单元包括物镜、反射镜及场镜；
通过切换物镜倍率，调整闪烁体到物镜的距离及吸收光栅到闪烁体的距离，以形成不同视场的图像；
所述反射镜将经闪烁体转换后的可见光反射至场镜，所述场镜扩大成像视场。
5.根据权利要求1所述的基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接系统，其特征在于，所述多模态显微图像包括吸收图像、相位图像及暗场图像，表示如下：
其中，表示吸收光栅振幅传输函数的第/>个傅里叶系数，/>表示有样品时自成像振幅的第/>个傅里叶系数，/>表示横坐标，/>表示纵坐标，/>表示泰伯距离，/>表示吸收光栅的周期，/>表示入射光波长，/>表示X射线照射样品后产生的折射角，/>表示吸收图像，/>表示相位图像，/>表示暗场图像。
6.根据权利要求1所述的基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接系统，其特征在于，所述计算第一多模态显微图像与第二多模态显微图像之间的重叠区域，包括：
所述第一多模态显微图像与第二多模态显微图像具有相对位移量，且第一多模态显微图像与第二多模态显微图像为吸收图像、相位图像及暗场图像中的一种；
对第一多模态显微图像及第二多模态显微图像进行傅里叶变换，计算第一多模态显微图像及第二多模态显微图像的傅里叶互相关结果；
基于所述傅里叶互相关结果，确定第一多模态显微图像的第一重叠区域与第二多模态显微图像的第一重叠区域；
所述吸收图像、相位图像及暗场图像，分别表示如下：
所述傅里叶变换，表示如下：
所述傅里叶互相关结果，表示如下：
其中，表示傅里叶反变换，/>表示复共轭，/>表示第一多模态显微图像与第二多模态显微图像之间的平移量，/>分别表示第一多模态显微图像及第二多模态显微图像的表达式，/>表示傅里叶互相关结果的冲击函数，/>表示吸收图像，/>表示相位图像，/>表示暗场图像。
7.根据权利要求1所述的基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接系统，其特征在于，所述直至标准化互信息大于预设阈值，确定第一多模态显微图像与第二多模态显微图像的最佳匹配位置，包括：
若标准化互信息大于预设阈值，则第一多模态显微图像的第一重叠区域与第二多模态显微图像的第一重叠区域为最佳匹配位置；
若标准化互信息小于预设阈值，则再次计算第一多模态显微图像的第一重叠区域与第二多模态显微图像的第一重叠区域的傅里叶互相关结果，并得到第一多模态显微图像的第二重叠区域与第二多模态显微图像的第二重叠区域；
计算两个第二重叠区域的标准化互信息，直至标准化互信息大于预设阈值，则第一多模态显微图像的第二重叠区域与第二多模态显微图像的第二重叠区域为最佳匹配位置；
所述标准化互信息，表示如下：
其中，表示第一多模态显微图像的第/>重叠区域，/>表示第二多模态显微图像的第/>重叠区域，/>表示第一多模态显微图像的第/>重叠区域与第二多模态显微图像的第/>重叠区域的标准化互信息，/> ，。
8.根据权利要求1所述基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接系统，其特征在于，所述基于最佳匹配位置，采用加权混合算法对第一多模态显微图像与第二多模态显微图像进行拼接，表示如下：
其中，分别表示第一多模态显微图像及第二多模态显微图像的表达式，表示拼接显微图像，若第一多模态显微图像与第二多模态显微图像之间的平移量沿横轴方向，/>，若第一多模态显微图像与第二多模态显微图像之间的平移量沿纵轴方向，/>，/>表示重叠区域的点到重叠区域左边缘的距离，/>表示重叠区域的点到重叠区域右边缘的距离，/>表示重叠区域的点到重叠区域上边缘的距离，/>表示重叠区域的点到重叠区域下边缘的距离。
9.一种基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接方法，基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接系统实现，系统包括X射线处理模块、光源聚焦模块、探测器模块及图像处理模块，其特征在于，方法包括以下步骤：
对入射X射线进行处理，限制入射X射线的发射角并进行预聚焦，得到预聚焦X射线；
通过第一多层膜劳厄透镜及第二多层膜劳厄透镜对预聚焦X射线进行二维聚焦，得到二维聚焦X射线，阶次级选孔径通过消除二维聚焦X射线中聚焦光束外衍射阶数得到X射线聚焦光源；
闪烁体位于吸收光栅后且位于泰伯距离位置处，X射线聚焦光源经吸收光栅叠加，经闪烁体转换为可见光波段，进而在成像单元中形成多幅样品图像及多幅背景图像，其中，样品图像包括相同区域的样品图像及不同区域的样品图像，相同区域的样品图像通过移动吸收光栅得到，不同区域的样品图像通过移动样品位置得到；
获取样品图像及背景图像并形成的多模态显微图像，对不同区域的样品图像及背景图像形成的任意两幅多模态显微图像进行拼接处理，得到拼接显微图像；
其中，所述第一多层膜劳厄透镜的焦距与第二多层膜劳厄透镜的焦距不同，且所述第一多层膜劳厄透镜与第二多层膜劳厄透镜之间的距离，等于第一多层膜劳厄透镜的焦距与第二多层膜劳厄透镜的焦距之差；所述第一多层膜劳厄透镜与第二多层膜劳厄透镜对齐且相互垂直；
其中，图像拼接单元用于对不同区域的样品图像及背景图像形成的任意两幅多模态显微图像进行拼接处理，包括以下步骤：
重新分配多模态显微图像中的光照分布强度，得到第一多模态显微图像及第二多模态显微图像；
基于傅里叶变换及交叉功率谱计算第一多模态显微图像与第二多模态显微图像之间的重叠区域，所述重叠区域为第一多模态显微图像的第一重叠区域及第二多模态显微图像的第一重叠区域；
计算第一多模态显微图像的第一重叠区域与第二多模态显微图像的第一重叠区域的标准化互信息，直至标准化互信息大于预设阈值，确定第一多模态显微图像与第二多模态显微图像的最佳匹配位置；
基于最佳匹配位置，采用加权混合算法对第一多模态显微图像与第二多模态显微图像进行拼接，得到拼接显微图像。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求9所述的方法。
11.一种基于多层膜劳厄透镜的X射线相衬显微拼接装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求9所述的方法。
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