[发明专利]基于光场高阶空间关联的单次曝光X射线衍射成像装置及方法

说明书

一种基于光场高阶空间关联的单次曝光X射线衍射成像装置及方法，装置包括X射线源、分束装置、参考臂光阑，待测物体、X射线面阵探测器和计算机。X射线源发出的光经过分束装置，分为参考光与探测光，参考光沿参考臂光轴方向经过参考臂光阑，光强空间分布被X射线参考臂面阵探测器记录，探测光沿探测臂光轴方向通过待测物体，光强空间分布被X射线探测臂面阵探测器记录。计算机与X射线面阵探测器相连，具有对采集到的光强空间分布进行空间关联运算的程序。本发明基于光场的高阶空间关联特性，其数据采集和处理过程不同于传统的时间序列关联成像计算方法，应用于X射线关联成像中，能极大的提高图像质量和成像速度，并减少样品辐射损伤。

技术领域：

本发明是关于一种基于光场高阶空间关联的单次曝光X射线衍射成像装置及方法，它可以运用于X射线强度关联衍射成像技术领域。

背景技术：

X射线强度关联衍射成像技术是一种利用光场高阶关联的衍射成像技术。该成像技术在理论上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的实空间分布信息。由于其对光源相干性要求较低，有望使用小型化实验室光源实现高分辨显微成像。

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 Imaging withHard X Rays,”Phys.Rev.Lett.,vol.117,no.11,2016)，验证了该成像技术的有效性。这种X射线衍射成像技术采集的数据为时间序列，主要存在以下几个局限：

1)在理论上，关联成像的结果是通过计算系综平均得到的，需要无限多的时间序列才能够得到结果。在实际中，往往是有限次的测量，通过压缩感知等算法得到一个较为满意的结果，其时间测量次数通常为几百至数千次。较多的时间测量次数带来的必然是成像时间的延长，特别的在X光成像领域中，较长的成像时间通常是难以接受的。

2)传统强度关联衍射成像技术中，在探测臂通常是采样点探测器，相比与面阵探测器，点探测器只能够记录一个空间点的光强数据。而探测臂光强在空间中具有一定的分布，仅记录一点的光强数据无疑造成了光通量的浪费，未被探测器记录下来的光强数据依然携带物体信息，对物体实空间分布的重构具有一定的帮助。

2019年，中国科学院上海光学精密机械研究所的刘震涛等人提出了二阶空间自关联的成像方法(Z.Liu et al.,“Lensless Wiener-Khinchin telescope based on high-order spatial autocorrelation of thermal light,”Chinese optics letters,vol.17,no.9,2019)，该成像方法使用非相干光照明，在待测物体后面放置空间随机相位屏对光路进行调制，通过计算探测器上记录下的光强分布，通过空间关联算法能够获得物体的空间分布信息。然而这种成像方法主要局限性在于无法获得物体的相位信息，只能够获得待测物体的振幅信息。而在X光成像中，由于X光波长短，相位信息往往更加重要。

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，提供一种基于光场高阶空间关联的单次曝光X射线衍射成像装置及方法，在探测臂光路使用面阵探测器接受光强分布，通过计算参考臂与探测臂光强分布的空间关联得到物体的傅里叶衍射谱，本发明的技术解决方案如下：

一种基于光场高阶空间关联的单次曝光X射线衍射成像装置及方法，特征在于其构成包括X射线源、分束装置、参考臂光阑，待测物体、X射线面阵探测器和计算机。