编码孔径成像技术

王蒙蒙

（杭州师范大学钱江学院，浙江 杭州 310012）

1 引言

在惯性约束聚变实验 (ICF:inertial confinement fusion)中，微米量级、高空间分辨率的X光成像是很重要的诊断手段。靶丸经过激光轰击压缩后密度增加，对X光的吸收也增多，尤其是低能X光，这样难以获得可观测的信号，因此需要对被压缩靶丸吸收少而能逃逸出来的高能X光成像。普通商品化的成像设备此时不能正常成像，必须研制一种专用成像设备。

利用环形编码孔径成像技术制备一种新的X光条件下图像采集装置一一环形编码孔径显微镜 (RAM:ring aperture microscope)的方法。该成像设备采用环形编码孔径作为成像元件，且制作的设备具有X光中显微放大的功能，因此称为环形编码孔径显微镜。环形编码孔径显微镜的研制为惯性约束聚变实验提供一种合适、可靠的图像获取手段，用以诊断聚变时靶丸变化特性。

参照D.Ress等人的工作，作者参与研制了具有高空间分辨率和高时间分辨率的环形编码孔径显微镜和相应的图像处理系统。图1为包括环形编码孔径成像与图像处理整个系统的方框图。

图1 环形编码孔径显微镜系统

2 X光中的编码孔径成像技术

x射线在真空中对物体有很强的穿透力，而且不同的物质对X射线的吸收有很大的差异，因此x射线成像技术无疑为研究和分析物质的内部结构和本质特性提供了强有力的手段。就其应用而言，除了在医疗诊断和工业中内部探伤的成功应用之外，近年来，x射线成像和诊断在惯性约束聚变的过程诊断、高低温等离子体诊断、x光光刻、空间物理研究中的宇宙射线的探测等领域也得到广泛的应用。

然而随着研究的深入，x射线技术，特别是x射线成像技术的进一步发展却遇到了严重的障碍。其主要原因在于:x射线波长很短，通常比可见光短一个数量级，在空气中和介质中易被强烈吸收，因此难以找到适合于不同应用领域的x射线源和相应的探测器。同时，由于适合于制造x射线成像透射元件的材料几乎没有，反射元件的加工也相当困难。目前，绝大多数反射器件和系统也只有在掠入射角的情况下才显示出可用的反射率。因此，设计和制造一套实用的掠入射x射线成像系统是一件相当困难的事情，其难度要比相应的可见光系统大数倍。x光的短波长要求反射镜的表面粗糙度为亚纳米数量级，加工难度之大是可以想象的。由于x射线在空气中被强烈地吸收，因此，x光设备只能在真空中或在大气层以外的空间中工作，这无疑也限制了x光技术应用领域的拓宽。

在x光波段，主要的成像方法可大致分为两类:一类是透射式成像，以针孔成像和编码孔径成像为代表:另一类是反射式成像，以各种掠入射x射线显微镜和望远镜系统为代表。最近十几年来，由于x射线多层膜技术的日臻成熟，正入射x射线成像系统已开始从实验室走向实用化。

单针孔成像是最简单的透射式成像方式，它是在不透过X射线的金属或非金属膜片上扎一个小孔而成。单针孔成像的分辨率为△=d(1+1/m)。式中d为针孔直径，M为放大率，针孔直径通常为微米级。由此可见，单针孔成像的特点是分辨率高，结构简单，造价低。但其缺点也是显而易见的，它的低集光效率和低信噪比使它的应用受到很大限制。因为辐射强度小到一定程度就难以成像。

为了克服单针孔成像的缺点，孔径编码成像技术被引用到X光透射成像系统中。最初研究孔径编码的动机多半是由于孔径编码成像可以显著地增加光的几何收集效率。针孔的集光效率k劝约为10，而孔径编码成像则可提高到它的100倍或更高。这意味着曝光时间减少同样的倍数而不引起信噪比((SNR:signal-noise ratio)的损失;或曝光时间保持相同，而信噪比为收集效率增益的平方根倍。编码后的图像必须经过光学方法或数字图像处理的方法进行解码，才能准确地再现原来的目标信息，这不可避免地增加了系统的复杂性和价格。迄今为止出现的编码孔径主要有菲涅尔带板、多针孔编码板和环形孔径。

菲涅尔带板的集光效率要比单针孔高得多，也具有较高的分辨率。它的缺点是各环带间隔不均匀，越往外环带宽度越窄，可窄至l,μm以下。显然，由于膜层制作的锥形效应，加工制作这样窄的膜层十分困难。即使能做，膜层厚度也受到严重限制。而薄的膜层是经受不住强x光的轰击的。另外它还会产生鹰像，大大降低了信噪比，这些都使它的应用范围受到限制。

所谓的多针孔通常是按一定的编码形式排列的，目前主要有随机阵列、非冗余阵列(NRA)、均匀冗余阵列田RA)等几种。均匀冗余阵列是目前经常采用的方式。它的主要特点是:在保留了单针孔高分辨率的前提下，集光效率有了数量级的增加，可在弱的X射线下获得目标的图像;同时信噪比也大为提高，多针孔在理论上的信噪比为单针孔的(N/2)1/2倍，其中N为针孔数目，N一般为1000-10000。可见信噪比的提高是十分可观的。此外，还可得到层析图像，即获得目标的深度信息。多针孔成像是一种二步成像过程，首先利用多针孔相机来收集目标的尽可能多的信息，然后利用图像处理和重构技术获得目标的图像。这种二步成像过程增加了问题的复杂性，以此来换取高的信噪比和高的集光效率，这是单针孔成象无法比拟的。

几乎和多针孔成像技术发展的同时，为了减轻菲涅尔带板加工难度所带来的压力，同时又能获得高信噪比和高分辨率的图像，J.Brunol等人发展了环形编码孔径成像技术，并首先在等离子体诊断方面获得应用;此外，D.Ress等人对环形编码孔径显微镜(RAM)作了进一步研究和发展，先后于90年代初研制成功了几种具有高的空间分辨率的环形编码孔径显微镜，分辨率达到3-5?m。随后，D.Ress等人又把微通道板和控制门电路运用到环形编码显微镜中，实现了80ps超高速快门开关。这样，可以在获得较高的空间分辨率的同时，得到高的时间分辨率，他们运用该显微镜在ICF的瞬态过程中获得8-10幅时间顺序图像。

结束语

环形孔径编码成像的优越性是显而易见的。首先，由于只有一个环孔，因此它的制作工艺要比菲涅尔带板简单:其次，它在保持高分辨率同时，还具有高的信噪比(通常比单针孔高出巧倍以上)和高的集光效率:第三，由于膜层可以做得较厚，可以在强X射线下使用，使用的X射线波长可短到0.1 nm，如果金膜厚度再提高，使用的X光波长还可以缩短。

[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光成像中的孔径编码技术，惯性约束聚变靶物理实验、诊断与制靶学术研讨会论文集，1998 163-173