基于光学传递函数的X光高分辨率成像方法技术

本发明专利技术涉及X光成像探测技术领域，公开了基于光学传递函数的X光高分辨率成像方法，包括步骤：S1：利用X光源透过入射小孔照射到待成像的物体上；S2：采用散射介质散射透过物体的X光，散射后的X光透过出射光阑在探测面上形成不均匀的光强分布，X光相机记录光强分布；S3：移动物体，让透过入射小孔的X光轮流照射到物体的各个部分，同时X光相机记录下每个部分被照射时在探测面形成的光强分布；S4：在满足光深条件的散射下，根据光强分布采用光学传递函数的相位描述出衍射极限分辨率的成像，以恢复出物体的图像。本发明专利技术实现了X光的高分辨率成像，可达衍射极限分辨率。

High resolution X-ray imaging method based on optical transfer function

The invention relates to the technical field of X-ray imaging detection, and discloses an X-ray high-resolution imaging method based on the optical transfer function, which comprises the following steps: S1: irradiating the object to be imaged by the X-ray source through the incident hole; S2: scattering the X-ray through the object by the scattering medium, and the scattered X-ray through the outgoing aperture forms an uneven light intensity distribution on the detection surface, and the X-ray camera records the light Intensity distribution; S3: move the object, let the X-ray passing through the incident hole irradiate each part of the object in turn, at the same time, the X-ray camera records the light intensity distribution formed on the detection surface when each part is irradiated; S4: under the scattering meeting the light depth condition, the imaging of diffraction limit resolution is described according to the phase of the optical transfer function according to the light intensity distribution, so as to recover the image of the object. The invention realizes high-resolution imaging of X-ray and can reach diffraction limit resolution.

【技术实现步骤摘要】
基于光学传递函数的X光高分辨率成像方法
本专利技术涉及X光成像探测
，特别是基于光学传递函数的X光高分辨率成像方法。
技术介绍
由于X光有较强的穿透性和荧光效应，X光成像被广泛应用于医学与生物影像、工业监控与探伤、材料科学及艺术品检测等诸多领域。X光的波长远小于可见光，理论上其成像系统的衍射分辨率可以远高于可见光的成像系统(一个成像系统的衍射极限分辨率定义为λ×z/D，其中，λ为X光的波长；z是物体到探测器的距离；D为成像系统的孔径)。通常X光的衍射分辨率可以达到纳米量级。譬如，使用波长为0.1纳米的X光，物体到探测面的距离为1米，成像系统的孔径为1毫米，其理论的衍射极限分辨率为100纳米(实际测量中由于测量误差的存在，分辨率通常会比这个理论值差，一般不差出一个量级都属于高分辨率)。但是，由于制作X光光学器件对现有的工艺与技术水平是个巨大的挑战，并且相干的X光源及其昂贵且难于获取，因此要让X光成像分辨率超越可见光的分辨率，甚至达到其衍射极限的分辨率却存在着很大的困难。目前工业和医疗上的X光成像的分辨率大多决定于光源的光束尺寸，一般在毫米甚至厘米量级，远远差于衍射极限分辨率，无法发挥出X光波长短因此衍射分辨率小的优势。首先，由于大部分能透射X光的介质对X光的折射率都在1附近[1]，使得X光在穿透介质时几乎只有被吸收和直接透射二种情况，而很难被改变出射方向，所以对X光来说，很难制作类似于可见光中使用的普通透镜来实现聚焦及成像。在需要高分辨率的应用场景中，譬如：显微镜系统，会聚X光是决定分辨率的关键因素。目前用来会聚X光的光学器材主要有以下几种：1、掠射角反射镜：基于X射线在非常倾斜的掠射角下会产生全反射，沃尔特(Wolter)在上世纪五十年代提出使用两个同轴共焦的圆锥曲面镜来构成X射线的成像。这种系统适用于几近平行入射的X光，对镜片制作精密度以及表面镀膜的工艺要求高，造价高昂，目前主要应用在天文观测的空间X射线望远镜上。2、X光菲涅尔波带片与光子筛：X光菲涅尔波带片是目前应用在X光显微镜系统中的常见方法，其由一系列镂空和不透明的同心圆环组成，波带片最外环的宽度决定了其分辨率。一般直径在毫米或亚毫米级别，最外环宽度在微米或亚微米级别。光子筛是用微孔环带阵列替代菲涅尔波带片中的环带。这二种方法需使用支撑结构，对制作工艺要求苛刻。3、毛细管聚焦：毛细管聚焦X射线束在上世纪80年代被实际应用，它可使X光源形成的光斑面积缩小几到几十倍，一般被用在成像系统的发射或接收端。但是毛细管的外形曲线需要精确控制，还需要诸如超景深显微镜等设备进行精确测量，而且一般要跟同步辐射源一起使用，因此难于在一般的工业和医疗上得到普及。以上这些用于X光的“透镜”不仅工艺复杂价格昂贵，而且其大小通常只有毫米甚至厘米级别，导致其实际的成像的角分辨率不高。因此，在实际应用中，诸如医学与工业上，往往采用在物体后探测透射出的X光的方法，而没有使用聚焦系统，其成像分辨率在毫米甚至厘米级别。另外几种无透镜的成像方式(包括phase-contrastX-rayimaging[2]、Ptychographyimaging[3]等)采用了相干衍射的机理，可以获得可达衍射极限的高分辨率，但是其要求使用相干性很高的同步辐射源。这种光源极其昂贵，因此，这种技术难于得到普及应用。近几年，采用鬼成像和鬼衍射的X光成像方法[4]，理论上可以获得衍射极限的分辨率，但是其需要瞬时空间相关的X光。实施上需要相干X光源，或者超快响应得X光阵列探测器，这都是昂贵且难于普及的设备和技术。根据现有的文献，目前这类成像方法的实验均采用同步辐射源[5]。总而言之，在实验室、医疗和工业上所广泛使用的光源均为非相干光源，由于聚焦系统和成像透镜系统昂贵的缘故，通常都是直接进行投射成像，其成像分辨率在毫米甚至厘米级别，与衍射极限分辨率已经没有实质性的关联，没有利用上X光波长短的优势。因此，运用非相干光源达到高分辨率甚至达到衍射极限分辨率的成像依然是一片空白。本专利技术专利提出一种基于光学传递函数的X光高分辨率成像方法，其优势是可使用非相干X光源实现高分辨率成像，其理论分辨率为衍射极限分辨率。当然，这一成像方法同样适用于相干X光源。并且，实验装置简单低廉，实施方法简单高效。本专利技术填补了这一领域的空白。[1]Spiller,E."X-RayOptics".EncyclopediaofOpticalEngineering.Taylor&Francis.(2003).doi:10.1081/E-EOE-120009497.[2]Zernike,F.(1942)."Phasecontrast,anewmethodforthemicroscopicobservationoftransparentobjects".Physica.9(7):686–698(1942).[3]ChapmanHN."Microscopy:AnewphaseforX-rayimaging".Nature.467(7314):409–10.(September2010)[4]Cheng,Jing,andShenshengHan.“IncoherentCoincidenceImagingandItsApplicabilityinX-RayDiffraction.”PhysicalReviewLetters92,no.9(March4,2004).[5]YuH,LuR,HanS,etal.Fourier-TransformGhostImagingwithHardXRays[J].PhysicalReviewLetters,117(11):113901(2016).
技术实现思路
本专利技术提出基于光学传递函数的X光高分辨率成像方法，解决现有X光成像技术中无法使用非相干X光源实现高分辨率甚至达到衍射极限分辨率成像的问题。本专利技术的一种基于光学传递函数的X光高分辨率成像方法，包括步骤：S1：利用X光源透过入射小孔照射到待成像的物体上；S2：采用散射介质散射透过所述物体的X光，散射后的X光透过出射光阑在X光相机的探测平面上形成不均匀的光强分布，X光相机记录所述光强分布；S3：移动物体，让透过入射小孔的X光轮流照射到物体的各个部分，同时X光相机记录下每个部分被照射时在探测面形成的光强分布；S4：在满足光深条件的散射下，根据所述光强分布采用光学传递函数的相位描述出衍射极限分辨率的成像，以恢复出物体的图像。其中，所述步骤S4包括：用O(x,y)描述物体，其傅里叶变换在空间频谱域写为其中(x,y)为空间位置坐标，(u,v)为傅里叶空间的坐标；用I(x,y)描述X光相机记录到的光强分布，其傅里叶变换在空间频谱域写为成像系统的点扩散函数写为S(x,y)，其傅里叶变换成的空间频谱称为光学传递函数，记为其中和具有如下关系：上述公式可写为：其中i表示虚数单位，ΦS(u,v)为光学传递函数的相位，定义且证明了为物体衍射极限分辨率的像的空间频谱，当光学传递函数的相位确定后，物体衍射极限分辨率的成像可通过如下解析公式求得：其中代表反傅里叶变换。其中，所述光学传递函数的相位通过实验标定。其中，所述光学传递函数的相位ΦS(u,v)由单帧光强分布I(x,y)通过相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光学传递函数的X光高分辨率成像方法，其特征在于，包括步骤：S1：利用X光源透过入射小孔照射到待成像的物体上；S2：采用散射介质散射透过所述物体的X光，散射后的X光透过出射光阑在X光相机的探测平面上形成不均匀的光强分布，X光相机记录所述光强分布；S3：移动物体，让透过入射小孔的X光轮流照射到物体的各个部分，同时X光相机记录下每个部分被照射时在探测面形成的光强分布；S4：在满足光深条件的散射下，根据所述光强分布采用光学传递函数的相位描述出衍射极限分辨率的成像，以恢复出物体的图像。

【技术特征摘要】
1.一种基于光学传递函数的X光高分辨率成像方法，其特征在于，包括步骤：S1：利用X光源透过入射小孔照射到待成像的物体上；S2：采用散射介质散射透过所述物体的X光，散射后的X光透过出射光阑在X光相机的探测平面上形成不均匀的光强分布，X光相机记录所述光强分布；S3：移动物体，让透过入射小孔的X光轮流照射到物体的各个部分，同时X光相机记录下每个部分被照射时在探测面形成的光强分布；S4：在满足光深条件的散射下，根据所述光强分布采用光学传递函数的相位描述出衍射极限分辨率的成像，以恢复出物体的图像。2.如权利要求1所述的基于光学传递函数的X光高分辨率成像方法，其特征在于，所述步骤S4包括：用O(x,y)描述物体，其傅里叶变换在空间频谱域写为其中(x,y)为空间位置坐标，(u,v)为傅里叶空间的坐标；用I(x,y)描述X光相机记录到的光强分布，其傅里叶变换在空间频谱域写为成像系统的点扩散函数写为S(x,y)，其傅里叶变换成的空间频谱称为光学传递函数，记为其中和具有如下关系：上述公式可写为：其中i表示虚数单位，ΦS(u,v)为光学传递函数的相位，定义且证明了为物体衍射极限分辨率的像的空间频谱，当光学传递函数的相位确定后，物体衍射极限分辨率的成像可通过如下解析公式求得：其中代表反傅里叶变换。3.如权利要求2所述的基于光学传递函数的X光高分辨率成像方法，其特征在于，所述光学传递函数的相位通过实验标定。4.如权利要求2所述的基于光学传递函数的X光高分辨率成像方法，其特征在于，所述光学传递函数的相位ΦS(u,v)由单帧光强分布I(x,y)通过相位恢复算法进行计算得到，运用相...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁园，陈辉，
申请(专利权)人：成都仲伯科技有限公司，袁园，陈辉，
类型：发明
国别省市：四川,51