一種x射線閃爍體成像系統(tǒng)的光場(chǎng)捕捉和后處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種X射線閃爍體成像系統(tǒng)的光場(chǎng)捕捉和后處理方法，包括用于高分辨CT成像系統(tǒng)中投影圖像的捕捉，其特征在于采用了結(jié)合添加微透鏡陣列的圖像傳感器來捕捉X射線閃爍體成像系統(tǒng)中經(jīng)過顯微光學(xué)系統(tǒng)放大的投影圖像，得到閃爍體發(fā)出的光場(chǎng)原始數(shù)據(jù)，即包含了方向和強(qiáng)度信息；還包括了可以處理光場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)的圖像處理軟件，可以重聚焦出閃爍體中的某一個(gè)發(fā)光層面清晰圖像信息。本發(fā)明拓展了原有顯微光學(xué)系統(tǒng)的景深，減少了對(duì)閃爍體厚度的要求，進(jìn)而降低了薄閃爍體加工帶來的一系列困難問題，并且提高了整個(gè)系統(tǒng)的圖像采集效率。
【專利說明】一種X射線閃爍體成像系統(tǒng)的光場(chǎng)捕捉和后處理方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及利用基于微透鏡陣列的光場(chǎng)成像技術(shù)對(duì)X射線閃爍體光學(xué)成像系統(tǒng) 的光場(chǎng)進(jìn)行捕捉，更具體的涉及了光場(chǎng)源數(shù)據(jù)的獲取以及軟件后處理方法。應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楦?分辨或者顯微CT成像中，清晰投影圖像的捕捉。 技術(shù)背景
[0002] X射線顯微成像作為一種新的顯微無損檢測(cè)方法，在近年來被廣泛地研究。在X射 線顯微成像系統(tǒng)中，X射線穿過物體，由高分辨率X射線探測(cè)器接收，該探測(cè)器包由閃爍體 和光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成的轉(zhuǎn)換器和CCD探測(cè)器。在該結(jié)構(gòu)中，閃爍體將X射線光子轉(zhuǎn)化為可見光 光子，產(chǎn)生的可見光圖像由光學(xué)組件聚焦放大，投射到CCD探測(cè)器上。這樣的二級(jí)放大技術(shù) 就減少了對(duì)幾何放大的依賴程度，這就形成了在大工作距離提供亞微米級(jí)分辨率的顯著優(yōu) 點(diǎn)，使得大的樣品同樣也能獲得較高的分辨率。
[0003] 到目前為止，針對(duì)X射線顯微成像的研究主要集中在耦合閃爍體的檢測(cè)器上，即X 射線閃爍體探測(cè)器，目標(biāo)是進(jìn)一步提高閃爍體的分辨率和光子轉(zhuǎn)化率。對(duì)X射線閃爍體探 測(cè)器的研發(fā)，刺激了對(duì)閃爍體材料特性地研究，使X射線成為閃爍體的一種表征方式，為閃 爍體材料的制備和加工提供了有益的參考。
[0004] 在X射線顯微成像系統(tǒng)中，顯微光學(xué)系統(tǒng)主要由顯微物鏡、管鏡和目鏡組成，整個(gè) 光路系統(tǒng)的分辨率主要取決于其中的顯微物鏡。顯微物鏡的分辨率與數(shù)值孔徑（Numeric Aperture，即NA)的關(guān)系有：分辨率=0. 61*入/NA。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的NA較小的時(shí)候，光學(xué)系統(tǒng) 是受衍射限制的，系統(tǒng)景深較大，離焦部分不會(huì)影響到系統(tǒng)成像性能；當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)NA較大 的時(shí)候，系統(tǒng)景深較小，離焦部分會(huì)影響了圖像的質(zhì)量。在顯微光學(xué)系統(tǒng)中，系統(tǒng)放大倍數(shù) 和NA都比較大，當(dāng)閃爍體的厚度比景深范圍要小時(shí)，這樣圖像是清晰的；當(dāng)閃爍體的厚度 大于系統(tǒng)景深時(shí)，離焦部分會(huì)造成圖像的退化，降低系統(tǒng)分辨率。例如，一個(gè)5x/0. 25NA的 顯微物鏡，其景深大小約為：〇? 535*1/0. 251 = 8. 56um，要求把閃爍體的厚度控制在10um 左右，這對(duì)閃爍體的加工技術(shù)要求很高，5微米幾乎已經(jīng)是加工的極限，極易造成碎裂。同 時(shí)，閃爍體的發(fā)光效率和厚度相關(guān)，厚度越薄發(fā)光效率就越低，造成了整個(gè)系統(tǒng)的采集效率 降低。在圖像質(zhì)量方面，閃爍體在制作、加工過程中造成的瑕疵，比如裂紋、突起和氣孔等， 都會(huì)對(duì)最終的圖像質(zhì)量造成較大的影響。
[0005] 本發(fā)明提出了將光場(chǎng)成像技術(shù)應(yīng)用到X射線閃爍體成像系統(tǒng)中，拓展光學(xué)系統(tǒng)的 景深，減少系統(tǒng)對(duì)閃爍體厚度的要求，從而降低閃爍體加工帶來的困難，達(dá)到預(yù)期的圖像質(zhì) 量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明公開了一種X射線閃爍體成像系統(tǒng)的光場(chǎng)捕捉和后處理方法，包括用于高 分辨CT成像系統(tǒng)中投影圖像的捕捉，拓展了原有顯微光學(xué)系統(tǒng)的景深，減少了對(duì)閃爍體厚 度的要求，進(jìn)而降低了薄閃爍體加工帶來的一系列困難問題，并且提高了整個(gè)系統(tǒng)的圖像 采集效率。還包括了可以處理光場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)的圖像處理軟件，可以重聚焦出閃爍體中的每 個(gè)發(fā)光層面清晰圖像信息。
[0007] 優(yōu)選的，每個(gè)顯微物鏡系統(tǒng)包括物鏡、閃爍體和基底這三部分，其中閃爍體和基底 粘合在一起，顯微物鏡通過螺紋和前面的閃爍體連接在一起。
[0008] 優(yōu)選的，基底的折射系數(shù)同時(shí)與顯微物鏡和閃爍體材料相匹配，為了增加數(shù)值孔 徑盡量選擇折射率較大的基底。
[0009] 優(yōu)選的，閃爍體材料采用發(fā)光效率、分辨率較高的材料。
[0010] 優(yōu)選的，采用了結(jié)合微透鏡陣列的圖像傳感器來替代原有的普通圖像傳感器，放 置在顯微光學(xué)系統(tǒng)的中間成像面位置，捕捉X射線閃爍體成像系統(tǒng)中經(jīng)過顯微光學(xué)系統(tǒng)放 大的投影圖像，得到閃爍體發(fā)出的光場(chǎng)原始數(shù)據(jù)，即包含了方向和強(qiáng)度信息。優(yōu)選的，微透 鏡陣列平面需要放置于顯微物鏡成像的中間像平面上，如果該平面位于管徑的內(nèi)部，需要 用轉(zhuǎn)接鏡將圖像面導(dǎo)出到微透鏡表面。
[0011] 優(yōu)選的，采用的微透鏡陣列類型為正交或者六邊形分布，每個(gè)微透鏡形狀可以是 圓形也可以是方形，微透鏡陣列平行放置于圖像傳感器靶面前一倍微透鏡焦距處，每個(gè)微 透鏡下覆蓋若干個(gè)圖像傳感器像元。
[0012] 優(yōu)選的，微透鏡陣列的單個(gè)透鏡直徑比較小的情況下，相應(yīng)的焦距比較小，普通的 圖像傳感器表面都有保護(hù)玻璃覆蓋，厚度很小，因此需要去除表面保護(hù)玻璃，并將微透鏡放 置在靶面位置以上一倍微透鏡焦距處。
[0013] 優(yōu)選的，圖像傳感器靶面像素排列為正交分布，微透鏡陣列表面也為正交或者六 邊形分布，因此安裝時(shí)需要減少兩個(gè)平面之間的旋轉(zhuǎn)誤差，否則會(huì)對(duì)圖像后處理的效果造 成影響。
[0014] 優(yōu)選的，如果微透鏡陣列與成像探測(cè)器的物理距離不能滿足高斯成像要求，會(huì)導(dǎo) 致光場(chǎng)方向信息的混疊和成像目標(biāo)空間分布的混疊，降低光場(chǎng)相機(jī)的空間分辨率和對(duì)焦準(zhǔn) 確度。
[0015] 優(yōu)選的，假設(shè)主透鏡的光瞳直徑為D，焦距為F，微透鏡的直徑為d，焦距為f。光場(chǎng) 成像中最需要關(guān)注的就是主透鏡的F數(shù)（鏡頭焦距與透鏡孔徑的比值）和微透鏡相匹配：
[0016] (F+f)/D = f/d
[0017] 由于微透鏡的焦距相對(duì)于主透鏡的焦距無窮小，所以以上公式滿足：F/D = f/d。 如果主透鏡的F數(shù)增大，那么每個(gè)微透鏡覆蓋的圖像就會(huì)變小，很多像元沒有光線到達(dá)，浪 費(fèi)了探測(cè)器的分辨率。相反，如果主透鏡的F數(shù)減小，微透鏡下覆蓋的圖像大小會(huì)超過微透 鏡大小，相鄰兩個(gè)透鏡下圖像會(huì)產(chǎn)生重疊部分，這樣是不利于圖像后處理的。
[0018] 對(duì)于顯微光學(xué)系統(tǒng)，微透鏡的NA必須和顯微物鏡的像方數(shù)值孔徑匹配，物鏡的F 數(shù)滿足以下公式：

【權(quán)利要求】
1. 一種X射線閃爍體成像系統(tǒng)的光場(chǎng)捕捉方法，其特征在于采用結(jié)合微透鏡陣列的圖 像傳感器來捕捉X射線閃爍體成像系統(tǒng)中經(jīng)過顯微光學(xué)系統(tǒng)放大的投影圖像，得到包含了 方向和強(qiáng)度信息的光場(chǎng)圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種X射線閃爍體成像系統(tǒng)的光場(chǎng)捕捉方法，其特征在于使 用的閃爍體將X射線光子轉(zhuǎn)化為可見光光子，X射線經(jīng)過物體衰減后的圖像，經(jīng)過閃爍體轉(zhuǎn) 化為可見光圖像，閃爍體成為一個(gè)圖像光源。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種X射線閃爍體成像系統(tǒng)的光場(chǎng)捕捉方法，其特征在于所 述顯微光學(xué)系統(tǒng)起到圖像放大的作用，聚焦在閃爍體中某個(gè)層面，將圖像放大，并投射到結(jié) 合了微透鏡陣列的圖像傳感器上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種X射線閃爍體成像系統(tǒng)的光場(chǎng)捕捉方法，其特征在于所 述的結(jié)合了微透鏡陣列的圖像傳感器將聚焦的圖像重新散焦，投射到圖像傳感器上，微透 鏡陣列的位置位于顯微光學(xué)系統(tǒng)的一次成像面上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種X射線閃爍體成像系統(tǒng)的光場(chǎng)捕捉方法，其中所述微透 鏡的圖像傳感器中圖像傳感器祀面(可見光CCD)位于微透鏡的焦距上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種X射線閃爍體成像系統(tǒng)的光場(chǎng)捕捉方法，其還包括重聚 焦出閃爍體中的某一個(gè)發(fā)光層面清晰圖像信息。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種X射線閃爍體成像系統(tǒng)的光場(chǎng)捕捉方法，其特征在于所 述顯微光學(xué)系統(tǒng)光瞳經(jīng)過單個(gè)微透鏡所成的像正好覆蓋在CCD的若干個(gè)像素點(diǎn)上，為達(dá)到 最大的角分辨率，需要保證顯微光學(xué)系統(tǒng)的像方F數(shù)和微透鏡陣列的F數(shù)一致，否則會(huì)造成 光場(chǎng)方向信息和成像目標(biāo)空間分布的混疊。
8. -種X射線閃爍體成像系統(tǒng)的光場(chǎng)后處理方法，拓展了顯微光學(xué)放大系統(tǒng)的景深， 降低對(duì)閃爍體厚度的要求。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種X射線閃爍體成像系統(tǒng)的光場(chǎng)后處理方法，其特征在于 所述原始圖像去噪聲，首先要去除CCD自身帶來的暗電流噪聲，其次是去除圖像傳感器表 面雜志帶來的噪聲點(diǎn)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種X射線閃爍體成像系統(tǒng)的光場(chǎng)后處理方法，其特征在于 所述圖像校正，包含微透鏡陣列和圖像傳感器安裝是的旋轉(zhuǎn)誤差校正、傾角校正和平面間 禪合誤差校正。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種X射線閃爍體成像系統(tǒng)的光場(chǎng)后處理方法，其特征在于 所述的子孔徑圖像獲取包括：六邊形網(wǎng)格到正交網(wǎng)格轉(zhuǎn)換，對(duì)應(yīng)于主鏡頭的不同位置的帶 有視差的圖像獲取。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種X射線閃爍體成像系統(tǒng)的光場(chǎng)后處理方法，其特征在于 所述的數(shù)字重聚焦，是采用光場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景重新選擇聚焦點(diǎn)，用數(shù)字重聚焦方法 重構(gòu)出對(duì)焦于不同層面的圖像，即閃爍體中某層發(fā)出的圖像信息。
【文檔編號(hào)】G03B42/02GK104469183SQ201410721004
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】羅守華, 王小龍, 李光, 顧寧 申請(qǐng)人:東南大學(xué)