微焦点X射线源相衬成像研究

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X射线是一种电磁波，具有振幅和相位两个要素，当X射线与物体相互作用的时候，振幅和相位都会发生变化。传统的X射线成像是基于振幅变化的吸收衰减成像，而相衬成像是基于相位变化的边缘增强成像。由于物质原子序数越大对于X射线的吸收越强，因此传统的X射线成像对于原子序数较大的物质成像分辨率较好，而对于原子序数较小的轻物质成像分辨率较差。但是对于轻元素物质，X射线产生的相位变化比振幅变化大三个数量级，因此采用X射线相衬成像可以对轻元素物质实现较好分辨率的成像。从X射线相衬成像理论提出至今，关于X射线相衬成像的技术有很多，其中采用同轴法的相衬成像方法因为成像装置简单，成像光路在普通实验室就能搭建，具有很强的实用前景。本文针对X射线同轴法相衬成像在理想平行光源和点光源两种条件下就相衬成像及相位恢复做了深入的研究。从光学角度利用菲涅尔基尔霍夫衍射以及平面角谱理论解释并推导了X射线同轴法相衬成像的基本模型。在此基础上又介绍了几种相位恢复算法：迭代角谱法IASA、衬度传递函数法CTF以及强度传输方程法TIE，并对CTF和TIE相位恢复给出了详细的推导过程。用MATLAB工具对理想平行光源条件下对纯相位样品的X射线相衬成像进行了模拟，通过改变成像距离看到了明显的边缘增强效应，证明了相衬成像与相位的二阶导数成正比的关系。对于相位恢复问题，分别从直观角度和定量分析角度研究了成像位置的选择对相位恢复质量的影响，发现对于TIE算法，成像距离越近相位恢复质量越好，在较远处的相位恢复较差；对于IASA算法，成像距离越远相位恢复质量越好；把TIE算法恢复出来的相位作为IASA算法的初始值，发现在成像距离较远处改善了TIE算法的相位恢复质量。推导并研究了含有两个成像面的CTF算法，研究发现，CTF算法在两个成像面之间距离小于2σ2/λ时，在整个成像区的相位恢复质量都比较好，当两个成像面之间距离大于2σ2/λ时，相位恢复质量很差，且波动变化。同样把CTF算法获得的相位作为IASA算法初始值，发现在小于2σ2/λ时，相位恢复质量无明显变化，大于2σ2/λ时相位明显改善。研究了微焦点相衬成像以及相位恢复的情况，详细推导了点光源条件下的相衬成像模型，在此基础上，通过模拟研究发现像素越小、成像距离越远以及放大倍数较小的情况下相衬成像质量越好，还模拟了采用TIE法相位恢复的情况，发现点光源到成像物体的距离越小相位恢复质量越好，且距离的变化比放大倍数的变化对相位恢复影响更大。用实验的方式验证了成像距离对于相衬质量的影响，即成像距离越远相衬成像的边缘增强现象越明显同时利用TIE算法实现了相位的恢复，通过比较是否考虑吸收的影响，发现对于弱吸收物体，可以把在放大倍数不变的情况下改变成像距离获得吸收像作为物面光强，从而可以完整的恢复出成像物体的相位信息。

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作者
仲凯;
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作者单位

东南大学;

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授予单位东南大学;
学科光学工程
授予学位硕士
导师姓名张晓兵,司曙光;
年度 2018
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类粒子探测技术、辐射探测技术与核仪器仪表;计算技术、计算机技术;
关键词
微焦点; 射线源;

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