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同轴和微分相衬成像理论与数值分析研究

刘鑫  
【摘要】: X射线相衬成像是近年来X射线成像发展的一个焦点,这种成像方法弥补了传统X射线成像不能对弱吸收物体成像的不足,在医学、生物学及材料学等领域有着极大的应用潜力。目前已有多种相衬成像方法相继被提出,相衬成像方法大致可分为以下几类:类Zernike方法、干涉相衬、衍射增强、同轴相衬和基于Talbot干涉仪的微分相衬。类Zernike方法对光源的单色性要去较高,同时光学聚焦的器件制作也是一个挑战。但是这类方法的空间分辨率可以达到很高,适合应用于显微成像。干涉的方法对光源相干性、设备的机械稳定性及光学器件的精度要求很高。衍射增强目前只同步辐射源上开展过,适用性差。同其他方法相比,同轴相衬及微分相衬对光源要求低,更具有应用的潜力。 同轴相衬类似于Gabor全息成像原理,在X射线传播的过程中遇到相位物体时,其波前相位发生变化,进一步传播时,这种变化会以强度的形式表现出来,即光强中包含相位信息。这种方法不需要其他的光学器件,系统结构简单,结构紧促,容易实施。对光源的时间相干性要求低,较宽光谱也可以成像。同时放大率的存在降低了对探测器分辨率的要求。对弱吸收物体,低空间频率物体成像强度同其相位分布的二阶微分成正比,某些频率处的强度正比于相位分布。其它情况下对应关系不明确。影响成像的因素有:光源到物体的距离R,物体到成像距离z,成像的波长,光源的焦斑。z影响系统的传递函数,不同的物体空间频率有一个最佳的成像距离。R同z的比值会影响图像的放大率和源的空间相干性,较大的放大率时,光源有较低的空间相干性,要根据成像的要求及探测器的性能来确定R和z值的选择。较短的波长有利于图像的锐度,但会降低衬度。小焦斑的源有利于成像。 基于Talbot干涉仪微分相衬利用周期性的物体自成像形成干涉条纹,相位物体引起条纹的变形,从畸变的条纹中计算出相位的分布。条纹的强度的相位分布同物体相位的一阶微成正比,所以称为微分相衬。对光栅来说,要求有高衍射效率和能形成对比度好的干涉条纹。衍射效率受光栅材料、凹槽厚度、占空比和所使用波长的影响。条纹对比度受光源谱分布、成像距离、光源空间相干性这些因素的影响,对参数的研究给出了它们的参考值。探测器前加上分析光栅降低了对探测器的要求。相位的计算有Fourier变换算法和Phase-Step算法,文中给出了这两种方法具体的计算过程及各自优缺点。


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