一种大视场的X射线快速成像装置及方法与流程

本发明涉及x射线成像技术领域，尤其涉及一种大视场的x射线快速成像装置及方法。

背景技术：

x射线间接成像探测器具有亚微米至微米尺度的空间分辨能力，目前几乎所有的同步辐射成像线站都装配有该类型的探测器系统。各线站配置的探测器，使用的透镜系统多是商用显微镜头，商用显微镜头的像方视场大多小于等于26mm。对于像方视场为26mm，放大倍数为2x、10x和20x的显微系统来说，能观测到的物方视场大小分别为13mm、2.6mm及1.3mm。在使用高倍物镜时，只能观测到较小的物方视场。为了在高分辨大视场条件下实现对大样品的观测，需要研制具有较大视场的显微镜头、并配备与显微镜头像方视场直径相对应的可见光相机芯片。

目前国内已经可以研制大视场显微镜头，包括与镜头视场对应的高像素数可见光相机。目前较快的相机传输方式有usb3.0、cameralink和coaxpress。其中coaxpress的传输方式最快，单根同轴电缆的传输速度高达6.25gbits/s。如果16bit相机的像素个数为6000×6000，单张图像的大小约为70mb，则在使用coaxpress的情况下，数据传输的理论帧频约为11fps。

现有技术存在以下缺点，一是随着可见光相机像素数目的提高，相机中图像数据的转换时间、数据传输时间、存储时间都会增加，致使相机帧频大大减小，成像速度变慢；二是随着像素数目的增加，帧频会越来越小，浪费了数量不多、用时非常宝贵的同步辐射x射线光源。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种大视场的x射线快速成像装置及方法，用以解决现有x射线成像技术相机频帧小、成像速度慢的问题。

一方面，本发明提供了一种大视场的x射线快速成像装置，该装置包括预处理组件，用于接收携带样品信息的x射线并将其转化为可见光图像；无限共轭光学组件，用于对所述可见光图像发出的光线进行放大，并分光为携带有相同样品信息的第一光线和第二光线；图像采集设备，包括第一探测器和第二探测器，分别用于探测所述第一光线和第二光线的不同部分获得具有部分重叠的第一图像和第二图像；图像处理器，用于对具有部分重叠的所述第一图像和第二图像进行拼接获得大视场图像。

进一步的，所述无限共轭光学组件包括物镜、分光镜、第一管镜和第二管镜；

所述物镜用于将所述可见光图像发出的光线汇聚为平行光，经分光镜分光后分别沿第一光路和第二光路传播，所述第一管镜和第二管镜分别用于聚焦沿第一光路和第二光路传播的平行光以获得携带相同样品信息的第一光线和第二光线。

进一步的，调整分光镜与物镜光轴的夹角为45°，以使所述平行光经分光镜分光后分别沿竖直方向的第一光路和水平方向的第二光路传播。

进一步的，所述分光镜为半反射半透射的分光棱镜，以使获得的第一光线和第二光线携带的样品信息相同。

进一步的，通过下述方式调整图像采集设备获得第一图像和第二图像：

调整第一探测器的位置使第一探测器芯片位于第一管镜的像方焦平面，并使第一探测器芯片的中心偏移第一管镜的光轴右侧预设距离，以采集部分第一光线获得第一图像；

调整第二探测器的位置使第二探测器芯片位于第二管镜的像方焦平面，并使第二探测器芯片的中心偏移第二管镜的光轴下侧预设距离，以采集部分第二光线获得第二图像。

进一步的，根据大视场图像的直径确定所述预设距离，所述预设距离为所述大视场图像直径的四分之一。

进一步的，所述预处理组件包括碳膜、闪烁晶体和铅玻璃；

所述碳膜，用于接收携带样品信息的x射线并屏蔽外界可见光；

所述闪烁晶体，用于吸收携带样品信息的x射线并转化为携带样品信息的可见光图像；

所述铅玻璃，用于吸收未被所述闪烁晶体吸收和转化的携带样品信息的x射线。

进一步的，所述第一探测器芯片和第二探测器芯片的尺寸大于所述大视场图像尺寸的一半，以使探测到的第一图像和第二图像部分重叠。

根据上述技术方案，本发明的有益效果如下：

1、本发明利用分光镜将携带样品信息的可见光图像发出的光线分为两光路，并利用两个探测器分别探测可见光图像的不同部分，再拼接获得大视场图像从而减少单个探测器的像素点数，增大频帧，从而提高了成像速率；

2、本发明采用大口径物镜可以探测大尺寸样品，并且频帧快、成像速率大，用时减少，提高了同步辐射x射线光源的利用效率；

3、本系统设计光路结构简单，对图像的不同位置分别实时采集，在保证图像高速传输的前提下可以获得大视场图像。

4、本系统设计光路适用性广，可以广泛应用于大视场、高像素数、快帧频成像的x射线间接成像探测器中。

另一方面，本发明提供了一种大视场的x射线快速成像的方法，该方法包括以下步骤：

根据接收的携带样品信息的x射线获取携带样品信息的可见光图像；

放大携带样品信息的可见光图像发出的光线，并分光为携带有相同样品信息的第一光线和第二光线；

利用第一探测器和第二探测器，分别探测所述第一光线和第二光线的不同部分获得具有部分重叠的第一图像和第二图像；

将具有部分重叠的所述第一图像和第二图像进行拼接获得大视场图像。

进一步的，利用半反射半透射的分光棱镜将放大后所述携带样品信息的可见光图像发出的光线分光获得携带有相同样品信息的第一光线和第二光线，并分别沿竖直方向第一光路和水平方向第二光路传播。

由于本发明中的大视场的x射线快速成像的方法与上述大视场的x射线快速成像的装置原理相同，所以本方法也具有与上述装置相应的技术效果。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为大视场的x射线快速成像的装置示意图；

图2为本发明实施例大视场的x射线快速成像的方法流程图。

附图标记：

1-携带样品信息的x射线；2-碳膜；3-闪烁晶体；4-铅玻璃；5-物镜；6-分光镜；7-1-第一管镜；7-2第二管镜；8-1-第一相机；8-2-第二相机；9-1-第一相机芯片；9-2-第二相机芯片。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

装置实施例

高像素数指图像的像素数目可以达到千万量级以上水平；高帧频是指图像在像素数足够多、图像信噪比比较高的情况下，探测器具有较高的成像速度。

本发明的一个具体实施例，公开了一种大视场的x射线快速成像的装置，如图1所示。该装置包括预处理组件，用于接收携带样品信息的x射线并将其转化为可见光图像；无限共轭光学组件，用于对所述可见光图像发出的光线进行放大，并分光为携带有相同样品信息的第一光线和第二光线；图像采集设备，包括第一探测器和第二探测器，分别用于探测所述第一光线和第二光线的不同部分获得具有部分重叠的第一图像和第二图像；图像处理器，用于对具有部分重叠的所述第一图像和第二图像进行拼接获得大视场图像。

其中，所述部分重叠的第一图像和第二图像是指其分别携带的样品信息有部分是一样的，并且所述第一图像和第二图像拼接后能够获得的大视场图像所携带的样品信息与可见光图像所携带的样品信息相同。

本装置通过设计光路，并采用两个探测器探测可见光图像的不同部分，相比于采用单个探测器，本装置所选用的探测器芯片尺寸减少了一倍，意味每个探测器的像素数目减少了一倍，这样可以提高每个探测器传输、写入图像处理器的速度，并降低探测器的缓存内存及数据传输线的传输速度，从而将x射线成像速率提升至少一倍以上。

优选的，所述无限共轭光学组件包括物镜、分光镜、第一管镜和第二管镜；

所述物镜用于将所述可见光图像发出的光线汇聚为平行光，经分光镜分光后分别沿第一光路和第二光路传播，所述第一管镜和第二管镜分别用于聚焦沿第一光路和第二光路传播的平行光获得携带相同样品信息的第一光线和第二光线，所述第一光线和第二光线携带的样品信息与可见光携带的样品信息相同。

具体的，调整分光镜与物镜光轴的夹角为45°，以使所述平行光经分光镜分光后分别沿竖直方向的第一光路和水平方向的第二光路传播。

优选的，所述分光镜为半反射半透射的分光棱镜，以使获得的第一光线和第二光线携带的样品信息相同。

为了使第一探测器和第二探测器分别采集第一光线和第二光线的不同部分，需对第一探测器和第二探测器芯片的位置进行调整，具体通过下述方式调整获得第一图像和第二图像：

调整第一探测器的位置使第一探测器芯片位于第一管镜的像方焦平面，并使第一探测器芯片的中心偏移第一管镜的光轴右侧预设距离，以采集部分第一光线获得第一图像，如图1所示，即采集b点下半部分的图像；

调整第二探测器的位置使第二探测器芯片位于第二管镜的像方焦平面，并使第二探测器芯片的中心偏移第二管镜的光轴下侧预设距离，以采集部分第二光线获得第二图像，即采集b点上半部分的图像。

其中，a1、b1、c1和a2、b2、c2分别为可见光图像中发光点a、b、c在第一探测器和第二探测器中的成像位置。

优选的，根据大视场图像的直径确定所述预设距离，所述预设距离为所述大视场图像直径的四分之一，以使第一探测器和第二探测器探测得到的第一图像和第二图像部分重叠，并使第一图像和第二图像拼接后可获得完整的携带样品信息的大视场图像。

其中，大视场图像直径由所述物镜的物方视场的直径以及所述物镜和管镜的放大倍数确定，具体公式如下：

其中，d为物镜的物方视场的直径，f1为物镜的焦距、f2为第一管镜和第二管镜的焦距。

本领域技术人员能够理解的是，利用现有的拼接技术即可实现将具有部分重叠的第一图像和第二图像通过图像配准和融合获得完整的携带样品信息的大视场图像，此处不具体展开。

携带样品信息的x射线指同步辐射x射线装置产生x射线照射样品后的x射线。

样品可以是生物样品或者材料样品。

样品信息包括样品的吸收信息和相位信息。

为了获得携带样品信息的可见光图像，所述预处理组件包括碳膜、闪烁晶体和铅玻璃；

所述碳膜，用于接收携带样品信息的x射线并屏蔽外界可见光；

所述闪烁晶体，用于吸收携带样品信息的x射线并转化为携带样品信息的可见光图像；闪烁晶体具体可以为ggg:tb晶体、yag:ce晶体,或luag:ce晶体。

所述铅玻璃，用于吸收未被所述闪烁晶体吸收和转化的携带样品信息的x射线，以减少x射线对物镜的辐射损伤。

优选的，所述第一探测器芯片和第二探测器芯片的尺寸大于所述大视场图像尺寸的一半，以使探测到的第一图像和第二图像部分重叠。

本实施例提供的一种大视场的x射线快速成像装置，与现有技术相比，首先，通过光路设计利用分光镜将携带样品信息的可见光图像发出的光线分为两光路，并利用两个探测器分别探测可见光图像的不同部分，再拼接获得大视场图像从而减少单个探测器的像素点数，增大频帧，从而提高了成像速率；其次，采用大口径物镜可以探测大尺寸样品，并且频帧快、成像速率大，用时减少，有效利用了宝贵的同步辐射x射线光源时机，此外，本装置设计光路简单，对图像的不同位置分别实时采集，在保证图像高速传输的前提下可以获得大视场图像，设计光路适用性广，可以广泛应用于大视场、高像素数、快帧频成像的x射线间接成像探测器中。

方法实施例

本发明的另一个具体实施例，具体公开了一种大视场的x射线快速成像的方法，该方法基于系统实施例中任一x射线快速成像的装置实现，包括以下步骤：

根据接收的携带样品信息的x射线获取携带样品信息的可见光图像；

放大携带样品信息的可见光图像发出的光线，并分光为携带有相同样品信息的第一光线和第二光线；

利用第一探测器和第二探测器，分别探测所述第一光线和第二光线的不同部分获得具有部分重叠的第一图像和第二图像；

将具有部分重叠的所述第一图像和第二图像进行拼接获得大视场图像。

优选的，利用半反射半透射的分光棱镜将放大后所述携带样品信息的可见光图像发出的光线分光以获得携带有相同样品信息的第一光线和第二光线，并分别沿竖直方向第一光路和水平方向第二光路传播。

本实施例提供的一种大视场的x射线快速成像方法，与现有技术相比，首先，通过光路设计利用分光镜将携带样品信息的可见光图像发出的光线分为两光路，并利用两个探测器分别探测可见光图像的不同部分，再拼接获得大视场图像从而减少单个探测器的像素点数，增大频帧，从而提高了成像速率；其次，采用大口径物镜可以探测大尺寸样品，并且频帧大、成像速率大，用时减少，有效利用了宝贵的同步辐射x射线光源时机；此外，本装置设计光路简单，对图像的不同位置分别实时采集，在保证图像高速传输的前提下可以获得大视场图像，设计光路适用性广，可以广泛应用于大视场、高像素数、快帧频成像的x射线间接成像探测器中。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。