CN1475878A - 重构x射线全息图的共焦扫描装置 - Google Patents

Abstract

一种重构X射线全息图的共焦扫描装置，其特征在于它由He－Ne激光器、扩束望远镜、X射线全息图、两透镜、光阑、检测器和计算机组成，该He－Ne激光器输出的相干光，经扩束望远镜后，照明X射线全息图，将全息图中储存的信息重构出来，产生一个衍射光场，调整前透镜，让其前焦点在衍射场中左右前后逐点扫描，后透镜将前透镜取得的数据经光阑滤波以后，送入到检测器中，再经计算机重构。

Description

重构X射线全息图的共焦扫描装置

技术领域：

本发明涉及X射线全息，是一种X射线全息图的重构装置，特别是一种X射线全息图的共焦扫描纵向高分辨率三维重构装置，既利用了X射线全息的穿透性以及横向分辨率高的特性，又吸取了共焦扫描纵向分辨率高的优势，大大提高了重现像的总体分辨率。

背景技术：

为了观察显微物体的三维结构，人们发展了各种成像技术，特别是在X射线波段，利用X射线对物体的穿透能力，发展了X射线全息术和X射线显微层析术。衡量这些成像方法性能的一个重要参数是它们的分辨率，包括横向分辨率和纵向分辨率。

X射线全息成像，可以精确地获得物体的再现波前。从理论上讲可以得到三维重构像，然而在目前的技术条件下，由于同步辐射的相干性较差，加上X射线的散射因子很小，记录下的X射线全息图孔径较小，因而重构时，纵向分辨率低，难以获得清晰的三维图形，这点已被许多实验证实了(参见在先技术：陈建文、徐至展、朱佩平、王之江，“X射线全息术”，物理学进展，1995年，第15卷，第2期，125-147)。

层析技术是在70年代初期发展起来的一种三维成像技术，它通过投影方式得到物体内部不同部分的信息。由于沿着投影方向，各个部分的影像重叠，因此是通过物体旋转一定角度后再投影来解决的。从投影数据还原三维结构需要进行大量的数值计算，因此，这一技术从一开始就与计算机紧密结合，被称为计算机层析成像技术，简称CT，这一成像技术已经商业化。X射线CT成像分辨率受X射线束直径、X射线散射、X射线光子起伏和探测器的误差等因素制约。到20世纪90年代，I.McNulty等人将扫描透射X射线显微方法与CT技术相结合，从而开始了高分辨率的显微CT研究。

然而，微CT分辨率受两个相互矛盾的因素制约：一方面，由于X射线的波动性，穿过物体后要发生衍射，结果使投影的阴影区的界线变得模糊，因此希望物体能尽量贴近记录介质，减小衍射效应；另一方面，进行CT成像时，样品需要旋转，这样又必须和记录介质保持一定的距离，显然与前者矛盾，阻碍了微CT分辨率的提高。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于克服上述已有技术的不足，提供一种重构X射线全息图的共焦扫描装置，提高重现像的总体分辨率。

本发明的基本思想是，采用共焦扫描装置来重构X射线全息图。共焦扫描三维成像的最大特点是纵向分辨能力很高，而横向分辨率低，将这种成像技术与X射线全息相结合，以获得高分辨率的三维空间图像。

所谓共焦扫描就是物镜和目镜共用一个焦点，且同在样品的探测点上，焦点相对样品做二维扫描运动，通常用计算机控制样品移动来实现。物镜将点光源聚焦形成锐的亮斑，照明样品，再由收集镜成像，在像平面上用小孔滤去非焦点杂散光，从而获得点像强度的数据，通过扫描将每个点像数据按照位置和同步关系逐点存储到计算机，然后以点的形式构成样品的完整图像。

共焦扫描的样品上只有焦点附近的光强最强，成像到探测器上的光强也最强，不在焦点处的物点，在点探测器上的光斑较大，用像面小孔滤去焦点以外的杂散光，可大大提高图像的信噪比，从而提高图像的分辨率。横向分辨率的提高与光阑的大小有关，一般可达微米以下；纵向分辨率则与成像系统的焦深密切相关，通常达到几十纳米。

本发明的具体技术解决方案如下：

一种重构X射线全息图的共焦扫描装置，其特征在于它由He-Ne激光器、扩束望远镜、X射线全息图、两透镜、光阑、检测器和计算机组成，该He-Ne激光器输出的相干光，经扩束望远镜后，照明X射线全息图，将全息图中储存的信息重构出来，产生一个衍射光场，调整前一透镜，让其前焦点在衍射场中左右前后逐点扫描，后一透镜将前透镜取得的数据经光阑滤波以后，送入到检测器中，再经计算机重构。

所说的He-Ne激光器是一台输出功率为1～5mW的波长为6328nm的相干光源。

所说的扩束望远镜是一台将He-Ne激光器输出光束扩束100倍的光学系统。

所说的X射线全息图，它是一张采用X射线作为束源，以干涉的方法记录了三维显微物体信息的全息图。

所说的两透镜是一组消像差透镜。

所说的光阑是一个直径为1微米的光阑。

所说的检测器是一台电荷耦合器CCD，用来记录X射线全息图的再现光场，输入到计算机中去复原显微物体的三维结构。

本发明与在先技术相比：

本发明采用共焦扫描显微成像装置重构X射线全息图，与通常的重构法相比，共焦扫描重构能以更简单、直接的方法获得更高的图像分辨率。这种方法不仅适用于X射线全息，对于中子、原子、电子甚至γ射线全息都适用。共焦扫描法为某些不可见的动态和瞬间过程的研究提供了有效途径，可以先将观测对象用X射线拍摄下来，事后再逐点逐层进行扫描分析。

附图说明：

图1为本发明重构X射线全息图的共焦扫描装置最佳实施例简图。

具体实施方式：

图1是本发明的重构X射线全息图的共焦扫描装置最佳实施例简图，由图可见，本发明的重构X射线全息图的共焦扫描装置由八部分组成：He-Ne激光器1，扩束望远镜2，X射线全息图3，透镜4、5，光阑6，检测器7和计算机8。

所说的He-Ne激光器1是一台输出功率为1～5mW的波长为6328nm的相干光源，用它来照明X射线全息图。

所说的扩束望远镜2是一台将He-Ne激光器1输出光束扩束100倍的光学系统。

所说的X射线全息图3，它是一张采用X射线作为束源，以干涉的方法记录了三维显微物体信息的全息图，用相干光重构全息图，便可获得原物体的三维结构。

所说的透镜4、5是一组消像差透镜，它是用来将全息图重构的衍射场中的各点光场，送入到检测器7中去。

所说的光阑6是一个直径为1微米的光阑，它用来滤去非焦点的杂散光。

所说的检测器7是一台电荷耦合器CCD，是用来记录X射线全息图的再现光场，输入到计算机8中去复原显微物体的三维结构。

He-Ne激光器1输出的相干光，经扩束望远镜2后，照明全息图3，将全息图3中储存的信息重构出来，产生一个衍射光场，调整透镜组4，让其前焦点在衍射场中左右前后逐点扫描，透镜5将透镜4取得的数据经光阑6滤波以后，送入到检测器7中，再经计算机重构。

He-Ne激光器1输出功率为1mW，单横模运转，输出光束经扩束望远镜2放大到Φ100mm以后，照明已拍摄好的X射线全息图3上。全息图是用光刻胶PMMA记录，经光学显微镜读出的，全息图上被照明以后产生一衍射光场，调整透镜4，让其焦点在光场中从左到右，然后从上到下逐点扫描，扫描步长0.1μm，透镜5将这一信息经直径为1μm的光阑6聚焦到CCD接收器7上，送入计算机8中进行重构。

这种重构技术只需一次拍摄，就可获取样品的三维信息，使样品所受的X射线辐照量大大减少，这对生物样品有着极其重要的意义；

共焦扫描法为某些不可见的动态和瞬间过程的研究提供了有效途径，可以先将观测对象用X射线拍摄下来，事后再逐点逐层进行扫描分析。

尽管这种记录波长和重现波长之间较大的差异会形成像差，选择适当的工作参数便可以将这种像差减小到忽略不计(参见在先技术：J.W.Chen，Z.Z.Xu，T.Q.Xiao，P.P.Zhu，L.G.Kou，Z.J.Wang，“Aberration analysis and elimination in imagereconstruction from X-ray holograms”，Optics & Laser Technology，1995，Vol1.27，No.6，pp.369-373.)。

Claims (7)

1、一种重构X射线全息图的共焦扫描装置，其特征在于它由He-Ne激光器(1)、扩束望远镜(2)、X射线全息图(3)、透镜(4、5)、光阑(6)、检测器(7)和计算机(8)组成，该He-Ne激光器(1)输出的相干光，经扩束望远镜(2)后，照明X射线全息图(3)，将全息图(3)中储存的信息重构出来，产生一个衍射光场，调整透镜组(4)，让其前焦点在衍射场中左右前后逐点扫描，透镜(5)将透镜(4)取得的数据经光阑(6)滤波以后，送入到检测器(7)中，再经计算机(8)重构。

2、根据权利要求1所述的重构X射线全息图的共焦扫描装置，其特征在于所说的He-Ne激光器(1)是一台输出功率为1～5mW的波长为6328nm的相干光源。

3、根据权利要求1所述的重构X射线全息图的共焦扫描装置，其特征在于所说的扩束望远镜(2)是一台将He-Ne激光器(1)输出光束扩束100倍的光学系统。

4、根据权利要求1所述的重构X射线全息图的共焦扫描装置，其特征在于所说的X射线全息图(3)，它是一张采用X射线作为束源，以干涉的方法记录了三维显微物体信息的全息图。

5、根据权利要求1所述的重构X射线全息图的共焦扫描装置，其特征在于所说的透镜(4、5)是一组消像差透镜。

6、根据权利要求1所述的重构X射线全息图的共焦扫描装置，其特征在于所说的光阑(6)是一个直径为1微米的光阑。

7、根据权利要求1所述的重构X射线全息图的共焦扫描装置，其特征在于所说的检测器(7)是一台电荷耦合器CCD，用来记录X射线全息图的再现光场，输入到计算机(8)中去复原显微物体的三维结构。