編碼孔徑成像技術(shù)

王蒙蒙

（杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院，浙江 杭州 310012）

1 引言

在慣性約束聚變實驗 (ICF:inertial confinement fusion)中，微米量級、高空間分辨率的X光成像是很重要的診斷手段。靶丸經(jīng)過激光轟擊壓縮后密度增加，對X光的吸收也增多，尤其是低能X光，這樣難以獲得可觀測的信號，因此需要對被壓縮靶丸吸收少而能逃逸出來的高能X光成像。普通商品化的成像設(shè)備此時不能正常成像，必須研制一種專用成像設(shè)備。

利用環(huán)形編碼孔徑成像技術(shù)制備一種新的X光條件下圖像采集裝置一一環(huán)形編碼孔徑顯微鏡 (RAM:ring aperture microscope)的方法。該成像設(shè)備采用環(huán)形編碼孔徑作為成像元件，且制作的設(shè)備具有X光中顯微放大的功能，因此稱為環(huán)形編碼孔徑顯微鏡。環(huán)形編碼孔徑顯微鏡的研制為慣性約束聚變實驗提供一種合適、可靠的圖像獲取手段，用以診斷聚變時靶丸變化特性。

參照D.Ress等人的工作，作者參與研制了具有高空間分辨率和高時間分辨率的環(huán)形編碼孔徑顯微鏡和相應(yīng)的圖像處理系統(tǒng)。圖1為包括環(huán)形編碼孔徑成像與圖像處理整個系統(tǒng)的方框圖。

圖1 環(huán)形編碼孔徑顯微鏡系統(tǒng)

2 X光中的編碼孔徑成像技術(shù)

x射線在真空中對物體有很強(qiáng)的穿透力，而且不同的物質(zhì)對X射線的吸收有很大的差異，因此x射線成像技術(shù)無疑為研究和分析物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和本質(zhì)特性提供了強(qiáng)有力的手段。就其應(yīng)用而言，除了在醫(yī)療診斷和工業(yè)中內(nèi)部探傷的成功應(yīng)用之外，近年來，x射線成像和診斷在慣性約束聚變的過程診斷、高低溫等離子體診斷、x光光刻、空間物理研究中的宇宙射線的探測等領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用。

然而隨著研究的深入，x射線技術(shù)，特別是x射線成像技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展卻遇到了嚴(yán)重的障礙。其主要原因在于:x射線波長很短，通常比可見光短一個數(shù)量級，在空氣中和介質(zhì)中易被強(qiáng)烈吸收，因此難以找到適合于不同應(yīng)用領(lǐng)域的x射線源和相應(yīng)的探測器。同時，由于適合于制造x射線成像透射元件的材料幾乎沒有，反射元件的加工也相當(dāng)困難。目前，絕大多數(shù)反射器件和系統(tǒng)也只有在掠入射角的情況下才顯示出可用的反射率。因此，設(shè)計和制造一套實用的掠入射x射線成像系統(tǒng)是一件相當(dāng)困難的事情，其難度要比相應(yīng)的可見光系統(tǒng)大數(shù)倍。x光的短波長要求反射鏡的表面粗糙度為亞納米數(shù)量級，加工難度之大是可以想象的。由于x射線在空氣中被強(qiáng)烈地吸收，因此，x光設(shè)備只能在真空中或在大氣層以外的空間中工作，這無疑也限制了x光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬。

在x光波段，主要的成像方法可大致分為兩類:一類是透射式成像，以針孔成像和編碼孔徑成像為代表:另一類是反射式成像，以各種掠入射x射線顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)為代表。最近十幾年來，由于x射線多層膜技術(shù)的日臻成熟，正入射x射線成像系統(tǒng)已開始從實驗室走向?qū)嵱没?/p>

單針孔成像是最簡單的透射式成像方式，它是在不透過X射線的金屬或非金屬膜片上扎一個小孔而成。單針孔成像的分辨率為△=d(1+1/m)。式中d為針孔直徑，M為放大率，針孔直徑通常為微米級。由此可見，單針孔成像的特點是分辨率高，結(jié)構(gòu)簡單，造價低。但其缺點也是顯而易見的，它的低集光效率和低信噪比使它的應(yīng)用受到很大限制。因為輻射強(qiáng)度小到一定程度就難以成像。

為了克服單針孔成像的缺點，孔徑編碼成像技術(shù)被引用到X光透射成像系統(tǒng)中。最初研究孔徑編碼的動機(jī)多半是由于孔徑編碼成像可以顯著地增加光的幾何收集效率。針孔的集光效率k勸約為10，而孔徑編碼成像則可提高到它的100倍或更高。這意味著曝光時間減少同樣的倍數(shù)而不引起信噪比((SNR:signal-noise ratio)的損失;或曝光時間保持相同，而信噪比為收集效率增益的平方根倍。編碼后的圖像必須經(jīng)過光學(xué)方法或數(shù)字圖像處理的方法進(jìn)行解碼，才能準(zhǔn)確地再現(xiàn)原來的目標(biāo)信息，這不可避免地增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和價格。迄今為止出現(xiàn)的編碼孔徑主要有菲涅爾帶板、多針孔編碼板和環(huán)形孔徑。

菲涅爾帶板的集光效率要比單針孔高得多，也具有較高的分辨率。它的缺點是各環(huán)帶間隔不均勻，越往外環(huán)帶寬度越窄，可窄至l,μm以下。顯然，由于膜層制作的錐形效應(yīng)，加工制作這樣窄的膜層十分困難。即使能做，膜層厚度也受到嚴(yán)重限制。而薄的膜層是經(jīng)受不住強(qiáng)x光的轟擊的。另外它還會產(chǎn)生鷹像，大大降低了信噪比，這些都使它的應(yīng)用范圍受到限制。

所謂的多針孔通常是按一定的編碼形式排列的，目前主要有隨機(jī)陣列、非冗余陣列(NRA)、均勻冗余陣列田RA)等幾種。均勻冗余陣列是目前經(jīng)常采用的方式。它的主要特點是:在保留了單針孔高分辨率的前提下，集光效率有了數(shù)量級的增加，可在弱的X射線下獲得目標(biāo)的圖像;同時信噪比也大為提高，多針孔在理論上的信噪比為單針孔的(N/2)1/2倍，其中N為針孔數(shù)目，N一般為1000-10000?？梢娦旁氡鹊奶岣呤鞘挚捎^的。此外，還可得到層析圖像，即獲得目標(biāo)的深度信息。多針孔成像是一種二步成像過程，首先利用多針孔相機(jī)來收集目標(biāo)的盡可能多的信息，然后利用圖像處理和重構(gòu)技術(shù)獲得目標(biāo)的圖像。這種二步成像過程增加了問題的復(fù)雜性，以此來換取高的信噪比和高的集光效率，這是單針孔成象無法比擬的。

幾乎和多針孔成像技術(shù)發(fā)展的同時，為了減輕菲涅爾帶板加工難度所帶來的壓力，同時又能獲得高信噪比和高分辨率的圖像，J.Brunol等人發(fā)展了環(huán)形編碼孔徑成像技術(shù)，并首先在等離子體診斷方面獲得應(yīng)用;此外，D.Ress等人對環(huán)形編碼孔徑顯微鏡(RAM)作了進(jìn)一步研究和發(fā)展，先后于90年代初研制成功了幾種具有高的空間分辨率的環(huán)形編碼孔徑顯微鏡，分辨率達(dá)到3-5?m。隨后，D.Ress等人又把微通道板和控制門電路運用到環(huán)形編碼顯微鏡中，實現(xiàn)了80ps超高速快門開關(guān)。這樣，可以在獲得較高的空間分辨率的同時，得到高的時間分辨率，他們運用該顯微鏡在ICF的瞬態(tài)過程中獲得8-10幅時間順序圖像。

結(jié)束語

環(huán)形孔徑編碼成像的優(yōu)越性是顯而易見的。首先，由于只有一個環(huán)孔，因此它的制作工藝要比菲涅爾帶板簡單:其次，它在保持高分辨率同時，還具有高的信噪比(通常比單針孔高出巧倍以上)和高的集光效率:第三，由于膜層可以做得較厚，可以在強(qiáng)X射線下使用，使用的X射線波長可短到0.1 nm，如果金膜厚度再提高，使用的X光波長還可以縮短。

[1]D.Ress,P.M.Bell,D.K.Bradley,A time-resolved x-ray coded aperture microscope for inertial confinement fusion applications,Rev.Sci.Instrum.,1993,64(6):1404-1406

[2]胡家升，X光成像中的孔徑編碼技術(shù)，慣性約束聚變靶物理實驗、診斷與制靶學(xué)術(shù)研討會論文集，1998 163-173