[发明专利]基于光场高阶关联的非局域调制X射线衍射成像装置和方法

说明书

一种基于光场高阶关联的非局域调制X射线衍射成像装置和方法，装置包括X射线源、分束片、待测物体、非局域调制器、X射线面探测器、X射线点探测器和计算机，非局域调制器包括mask调制器和透镜调制器。X射线源发出的光经过分束片，透射光沿光轴方向经过非局域调制器，光强信息被X射线面探测器记录，反射光沿光轴方向通过待测物体，光强信息被X射线点探测器记录。X射线源到两个探测器距离相等。计算机与X射线面探测器和点探测器相连，具有对采集到的光强序列进行关联运算的程序。本发明基于光场高阶关联的非局域调制，能够提高X射线衍射成像恢复图像的图像质量和分辨率。

技术领域

本发明涉及X射线衍射成像，特别是一种基于光场高阶关联的非局域调制 X射线衍射成像装置和方法。

背景技术

现有的X射线傅里叶变换衍射成像方法，只有X射线相干衍射成像(XCDI) 一种，它是采用相干X射线，照射在待测物体上，利用物光场的夫琅禾费衍射 强度分布，得到该物体透过率函数的傅里叶变换强度分布，再采用相位恢复算 法恢复待测物体的振幅和相位信息。这种X射线相干衍射成像技术主要有以下 几个局限：

1)成像光束必须是相干X射线，待测样品尺寸受X射线横向相干尺度的 限制。对第三代同步辐射X射线成像装置而言，最大待测样品尺寸仅为10微米 量级；对于采用X光管的常规小型X射线成像装置，由于其空间相干性较差， 完全无法进行X射线相干衍射成像。

2)成像光束经过物体后必须传输较长的距离(满足夫琅禾费条件)，才能 探测到物体透过率函数的傅里叶变换强度信息。对第四代同步辐射X射线成像 装置而言，虽然能满足光束大面积相干的条件，但待测样品尺寸受夫琅禾费衍 射条件限制，如：采用波长1nm的相干X射线对尺寸1mm的样品进行衍射成 像，所需的探测距离达到1公里。

3)由于X射线具有极高的穿透性，进行X射线相干衍射成像时在探测器 中央对应位置存在高强度透射光，实际成像装置中往往采用beam stop将其吸收， 因此，所得到的衍射强度分布中存在图像的直流和低频成分缺失。

4)探测得到的物体透过率函数的傅里叶变换强度分布，需要进行相位恢复 算法恢复待测物体的振幅和相位。目前广泛运用的算法为HIO算法，该算法不 能保证收敛到全局最优解，且对于初值较为敏感。

针对X射线相干衍射成像中的相位恢复问题，斯坦福大学的Candas等人提 出了一种基于随机编码调制的相位恢复算法(E.J.Candès,et.,al,“Phase retrieval fromcoded diffraction patterns,”Appl.Comput.Harmon.Anal.,vol.39,no.2,pp. 277–299,2015)。该算法能够显著改善相位恢复的恢复图像质量。然而该算法需 要在物体面对光场进行调制，需要非局域调制器与待测物体完全重合，在实际 运用中较难实现。

中国科学院上海光学精密机械研究所的喻虹等人设计了非相干X射线衍射 成像装置(非相干X射线衍射成像装置，201110148476.6)，并于2016年完成了 X射线傅里叶变换关联成像(XFGI)的原理演示实验(H.Yu et al., “Fourier-Transform Ghost Imagingwith Hard X Rays,”Phys.Rev.Lett.,vol.117,no. 11,2016)。该成像方法不需要相干光源就可以得到物体透过率函数的傅里叶变 换强度分布，之后通过相位恢复算法恢复出物体，得到的结果同样受限于相位 恢复算法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的缺陷，提供一种基于非 局域调制的非相干光X射线衍射成像装置和方法，通过在光束自由传播的参考 臂上添加非局域调制器，从而利用新的相位恢复算法得到更好的相位恢复结果。

本发明的技术解决方案如下：