X光编码孔径成像理论及实验研究

论文摘要

由于X射线在传播过程中被介质强烈地吸收,因此常规的成像方法不适合于X射线成像。这使得编码孔径成像技术成为X射线成像的主要方法之一。 在X射线的编码孔径成像中,X射线穿过按一定规律分布的小孔径而在接收面上所形成的图像,通常认为是以投影方式形成的。实际上X射线在通过小孔时,也是要衍射的。只不过由于X射线波长短,而忽略了衍射的影响。不同物点产生的图像因相互错开、叠加而在接收平面上形成了肉眼不易分辨的二维分布信号。为了得到目标真实的空间分布,需要对接收平面得到的编码图像进行必要的解码处理,即需要有图像恢复和重建的后续处理过程。 在惯性约束聚变(ICF:Inertial Confinement Fusion)研究中,X光的空间分布携带着大量的物理信息,通过对其进行空间分布的测量,可以获得各种等离子体产生的空间分布的数据,这些数据都是内爆物理过程研究中必不可少的,因此高空间分辨的X光编码成像是ICF研究的重要手段之一。 本文致力于研究编码孔径成像技术,及其在ICF实验研究中的应用。对编码孔径成像技术的理论问题进行了较为全面的探讨。研究了编码孔径成像的重建技术,给出了二维目标编码成像的重建方法。对不同形状孔径进行编码解码处理,选择出最佳的孔径形状。 基于标量衍射理论,考虑衍射效应的条件下,从理论上推导了编码孔径点扩散函数的公式,并对环形编码孔径进行了详细的讨论。与课题组成员一起制备了环形编码孔径显微镜,结合其他成像设施,在中国工程物理研究院激光等离子体重点实验室进行实验,用考虑衍射效应的点扩散函数对ICF图像进行重构,得到了解码图像。 在编码孔径成像理论的基础上,一方面采用数字图像处理技术来重构编码图像,另一方面采用相干光学图像处理技术对编码孔径得到的重叠像进行重构,制作了复数滤波器,得到了重构图像。进一步验证了编码孔径成像和图像重构的正确性。为今后这方面的工作开展打下良好基础。

论文目录

• 1.绪论
• 1.1 惯性约束聚变研究的意义及其发展
• 1.2 X光编码孔径成像技术的发展
• 1.3 X光编码孔径成像的国内外研究现状
• 1.4 论文的选题背景和本文所作的主要工作
• 1.4.1 论文的选题背景
• 1.4.2 本文所作的主要工作
• 参考文献
• 2.编码孔径成像方法及编码孔径形状的选择
• 2.1 引言
• 2.2 编码孔径介绍
• 2.2.1 单针孔成像
• 2.2.2 针孔阵列
• 2.2.3 Fesnel波带片
• 2.2.4 环孔编码成像
• 2.3 编码孔径成像的图像重构
• 2.3.1 二维目标编码图重建的线性退卷积方法
• 2.3.2 二维目标编码图重建的非线性退卷积方法
• 2.3.3 二维目标编码图重建的相关方法
• 2.4 编码孔径形状的选择
• 2.5 小结
• 参考文献
• 3.编码孔径成像中的点扩散函数
• 3.1 引言
• 3.2 点扩散函数的概念
• 3.3 点扩散函数在光学系统成像过程中的作用
• 3.4 编码孔径成像中点扩散函数的计算
• 3.4.1 直接投影法点扩散函数公式的推导
• 3.4.2 针孔照相法测量系统的点扩散函数
• 3.4.3 考虑衍射效应的点扩散函数公式的推导
• 3.5 光学传递函数
• 3.5.1 不变线性系统及其传递函数
• 3.5.2 光学传递函数的计算
• 3.6 编码孔径成像技术中光学传递函数的应用
• 3.7 小结
• 参考文献
• 4.环形编码孔径成像及处理
• 4.1 引言
• 4.2 环形编码孔径的成像特性
• 4.3 环形编码孔径显微镜的制备
• 4.4 环形编码孔径的可见光模拟成像实验
• 4.5 惯性约束聚变中的X光实验
• 4.6 小结
• 参考文献
• 5.环形编码孔径成像的光学重构
• 5.1 引言
• 5.2 衍射及傅里叶光学的基础
• 5.2.1 基本衍射理论
• 5.2.2 光学傅里叶变换
• 5.3 傅里叶变换全息图
• 5.3.1 傅里叶变换全息图的记录
• 5.3.2 傅里叶变换全息图的再现
• 5.4 滤波器的概念及作用原理
• 5.4.1 匹配滤波器
• 5.4.2 逆滤波器
• 5.4.3 相关滤波器
• 5.5 全息照相的衍射效率及噪声
• 5.6 环形编码孔径成像的光学重构
• 5.7 小结
• 参考文献
• 6.结束语与未来工作展望
• 6.1 总结
• 6.1.1 论文主要研究工作的总结
• 6.1.2 论文创新点
• 6.2 下一步工作展望
• 作者在攻读博士学位期间已发表和待发表的学术论文情况
• 致谢