[发明专利]基于光学传递函数的X光高分辨率成像方法

说明书

本发明涉及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。本发明实现了X光的高分辨率成像，可达衍射极限分辨率。

技术领域

本发明涉及X光成像探测技术领域，特别是基于光学传递函数的X光高分辨率成像方法。

背景技术

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-contrast X-ray imaging^[2]、Ptychography imaging^[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。