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X射线相位衬度成像相关光学问题研究

作　者: 陈博
导　师: 明海；吴自玉；朱佩平
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 光学
关键词: X射线相位衬度成像光栅剪切成像 Talbot效应位移曲线计算机断层全息(CT)
分类号: O434.1
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

X射线相位衬度成像是近十多年来发展起来的一种新的成像方法。基于X射线通过轻元素物质获得的相位改变是光强改变的一千倍到十万倍的原理，X射线相位衬度能以比传统吸收成像高得多灵敏度观察轻元素样品的内部结构。这种成像方法可以广泛应用于生物、医学、材料科学等众多研究领域，为科学研究、疾病诊断、材料合成等提供强有力的表征手段。因此，X射线相位衬度成像及其CT技术的研究具有前瞻性和开拓性，并具有重要的研究价值和意义本论文系统综述了X射线相位衬度成像的发展和成像原理，基于北京同步辐射光源，通过成像实验、理论分析和计算机模拟，在同轴相位衬度成像、衍射增强成像和光栅剪切成像等方面做了一些研究，主要的创新工作有以下几个方面：1．对基于光栅干涉仪的相位衬度成像原理和方法进行了系统的研究。利用Fresnel公式的Fourier变换对光栅成像进行分析，给出了分数Talbot效应的一个简单的数学描述。首次推导出分析光栅位移曲线的数学表达式和光栅剪切成像方程。在此基础上，简化了目前国际上流行的光栅剪切成像方法，将至少需要五次曝光的折射角提取方法减少到两次。本论文提出的方法不但简化了光栅剪切成像实验的操作步骤，缩短了曝光时间，减少样品受到的辐照剂量，而且使图像的后处理更简便易行。2．将光栅剪切成像的研究成果创造性地应用于计算机断层成像，结合北京同步辐射成像组提出的旋转不变条件，基于光栅剪切成像方法推导出五个CT重建算法公式，只需要一套360度的投影数据，就能够重构折射率，折射率的梯度，折射率的偏导数和吸收系数等五个物理量。可以预期，本论文提出的光栅剪切相位衬度CT方法，将在未来的科学研究领域具有广阔的应用前景。3．基于衍射成像方法发展了信息分离算法的计算程序包，利用在北京同步辐射光源上建立的一整套实验方法，从老鼠爪子等生物样品的投影成像实验数据中成功地分离出吸收、散射消光、散射宽度和折射角等四种信息像。同时将信息分离实验方法应用于晶体微小形变的测量之中，这一工作构成测量晶体微小形变专利的一部分。4．由于小周期的厚光栅加工难度很大，本论文提出了一种新型的多层光栅结构，这种结构是利用多块大周期的光栅叠加而成，从而有望降低加工难度，使基于光栅干涉仪的相位衬度成像更加趋于实用化。5．对于空间相干长度很小的非相干光源的同轴成像进行了理论和实验研究，分析了影响分辨率的因素，给出了提高分辨率的一些可能的方法。计算机模拟和实验结果证明了理论可靠性。一般认为同轴相位衬度成像需要相干性很好的光源才能够得到比较的结果。经过分析，我们发现，一般生物样品对于X射线的相位改变都很小，因此，可以用简单的算法把光源对于成像结果的影响降低，从而提高成像的对比度和分辨率。

全文目录

中文摘要  5-7
英文摘要  7-9
本论文常用符号对照表  9-17
第一章绪论  17-29
  §1.1 X射线成像的发展和研究现状  17-19
  §1.2 X射线相位衬度的主要方法简介  19-27
    §1.2.1 干涉法成像  20-23
    §1.2.2 相位传播成像  23-24
    §1.2.3 衍射增强成像  24-25
    §1.2.4 波带片成像  25-27
  §1.3 本文的研究内容和意义  27-29
第二章 X射线成像的光学基础  29-45
  §2.1 波动方程  29-30
  §2.2 标量衍射理论  30-35
    §2.2.1 Fresnel公式的简化推导  30-32
    §2.2.2 Fresnel公式的严格推导  32-34
    §2.2.3 Fraunhofer近似  34-35
  §2.3 光源的相干性  35-39
    §2.3.1 时间相干性问题  35-37
    §2.3.2 空间相干性问题  37-39
  §2.4 Zernike相位衬度成像原理  39-40
  §2.5 X射线光学基础  40-43
  §2.6 同步辐射简介  43-44
  §2.7 总结  44-45
第三章衍射增强成像中的信息分离  45-61
  §3.1 衍射增强的基本原理实验  45-52
    §3.1.1 摇摆曲线概念和形成机制  45-48
    §3.1.2 衍射增强成像分析  48-50
    §3.1.3 吸收、消光、折射和散射角宽信息  50-52
  §3.2 信息分离算法  52-53
  §3.3 算法实现  53-55
  §3.4 信息分离实验结果和讨论  55-60
    §3.4.1 生物样品实验  55-57
    §3.4.2 测量晶体形变  57-60
  §3.5 本章结论  60-61
第四章光栅剪切相位衬度成像  61-87
  §4.1 光栅的自成像效应  61-69
  §4.2 光栅成像相位衬度成像简介  69-71
  §4.3 X射线光栅剪切相位衬度成像原理  71-80
    §4.3.1 理论分析  71-74
    §4.3.2 相干照明条件下的位移曲线  74-76
    §4.3.3 部分相干光照明时的情况  76-79
    §4.3.4 位移曲线与摇摆曲线的比较  79-80
  §4.4 光栅剪切相位衬度成像方程的建立和信息提取  80-82
  §4.5 影响分辨率的因素  82-84
    §4.5.1 光源的尺寸  82
    §4.5.2 光源的谱宽度  82-84
  §4.6 光栅参数  84
  §4.7 多层光栅结构  84-86
  §4.8 结论  86-87
第五章相位衬度CT  87-97
  §5.1 CT基本原理  87-92
    §5.1.1 投影和反投影  87-89
    §5.1.2 中心切片定理  89-90
    §5.1.3 滤波反投影算法(FBP)  90-92
  §5.2 光栅剪切相位衬度CT  92-95
  §5.3 总结  95-97
第六章同轴相位衬度成像  97-115
  §6.1 同轴相位衬度成像理论  97-100
  §6.2 图像增强算法以及实验  100-106
    §6.2.1 算法简介  100-101
    §6.2.2 计算机模拟  101-103
    §6.2.3 实验结果  103-106
  §6.3 相位衬度和密度的关系  106-108
  §6.4 影响衬度的因素  108-113
    §6.4.1 光源的性质与分辨率的关系  109-112
    §6.4.2 距离对于衬度和分辨率的影响  112-113
  §6.5 结论  113-115
第七章总结以及展望  115-117
参考文献  117-127
攻读博士期间发表的论文目录  127-129
致谢  129-130

X射线相位衬度成像相关光学问题研究

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