編碼孔徑成像技術

王蒙蒙

（杭州師范大學錢江學院，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備此時不能正常成像，必須研制一種專用成像設備。

利用環形編碼孔徑成像技術制備一種新的X光條件下圖像采集裝置一一環形編碼孔徑顯微鏡 (RAM:ring aperture microscope)的方法。該成像設備采用環形編碼孔徑作為成像元件，且制作的設備具有X光中顯微放大的功能，因此稱為環形編碼孔徑顯微鏡。環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形編碼孔徑顯微鏡和相應的圖像處理系統。圖1為包括環形編碼孔徑成像與圖像處理整個系統的方框圖。

圖1 環形編碼孔徑顯微鏡系統

2 X光中的編碼孔徑成像技術

x射線在真空中對物體有很強的穿透力，而且不同的物質對X射線的吸收有很大的差異，因此x射線成像技術無疑為研究和分析物質的內部結構和本質特性提供了強有力的手段。就其應用而言，除了在醫療診斷和工業中內部探傷的成功應用之外，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域也得到廣泛的應用。

然而隨著研究的深入，x射線技術，特別是x射線成像技術的進一步發展卻遇到了嚴重的障礙。其主要原因在于:x射線波長很短，通常比可見光短一個數量級，在空氣中和介質中易被強烈吸收，因此難以找到適合于不同應用領域的x射線源和相應的探測器。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困難。目前，絕大多數反射器件和系統也只有在掠入射角的情況下才顯示出可用的反射率。因此，設計和制造一套實用的掠入射x射線成像系統是一件相當困難的事情，其難度要比相應的可見光系統大數倍。x光的短波長要求反射鏡的表面粗糙度為亞納米數量級，加工難度之大是可以想象的。由于x射線在空氣中被強烈地吸收，因此，x光設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光技術應用領域的拓寬。

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射線顯微鏡和望遠鏡系統為代表。最近十幾年來，由于x射線多層膜技術的日臻成熟，正入射x射線成像系統已開始從實驗室走向實用化。

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，結構簡單，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用受到很大限制。因為輻射強度小到一定程度就難以成像。

為了克服單針孔成像的缺點，孔徑編碼成像技術被引用到X光透射成像系統中。最初研究孔徑編碼的動機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過光學方法或數字圖像處理的方法進行解碼，才能準確地再現原來的目標信息，這不可避免地增加了系統的復雜性和價格。迄今為止出現的編碼孔徑主要有菲涅爾帶板、多針孔編碼板和環形孔徑。

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。它的缺點是各環帶間隔不均勻，越往外環帶寬度越窄，可窄至l,μm以下。顯然，由于膜層制作的錐形效應，加工制作這樣窄的膜層十分困難。即使能做，膜層厚度也受到嚴重限制。而薄的膜層是經受不住強x光的轟擊的。另外它還會產生鷹像，大大降低了信噪比，這些都使它的應用范圍受到限制。

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，集光效率有了數量級的增加，可在弱的X射線下獲得目標的圖像;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為針孔數目，N一般為1000-10000。可見信噪比的提高是十分可觀的。此外，還可得到層析圖像，即獲得目標的深度信息。多針孔成像是一種二步成像過程，首先利用多針孔相機來收集目標的盡可能多的信息，然后利用圖像處理和重構技術獲得目標的圖像。這種二步成像過程增加了問題的復雜性，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發展的同時，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等人發展了環形編碼孔徑成像技術，并首先在等離子體診斷方面獲得應用;此外，D.Ress等人對環形編碼孔徑顯微鏡(RAM)作了進一步研究和發展，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形編碼孔徑顯微鏡，分辨率達到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形編碼顯微鏡中，實現了80ps超高速快門開關。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的瞬態過程中獲得8-10幅時間順序圖像。

結束語

環形孔徑編碼成像的優越性是顯而易見的。首先，由于只有一個環孔，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，慣性約束聚變靶物理實驗、診斷與制靶學術研討會論文集，1998 163-173