一种产生边缘增强图像的螺旋波带片编码成像方法

摘要

本发明涉及一种产生边缘增强图像的螺旋波带片编码成像方法，主要过程分为两步：(1)发光体上各点发射的光线经螺旋波带片在记录介质上形成原发光体的编码图；(2)通过光学仿真方法对编码图进行解码处理，获得原发光体的边缘增强图像。上述方法中，用来做编码孔的螺旋波带片的拓扑荷数p为1、或2、或3、或4、或5等任意自然数；用来做编码孔的螺旋波带片是振幅型或相位型；对原发光体编码图的解码处理是光学仿真方法，或退卷积法，或自相关法。与其它波带片编码成像技术相比，本发明的优势在于：在技术实现难度相当的基础上，获得了原发光体的边缘增强图像，在对边缘信息有着重大需求的短波长辐射或粒子成像领域具有重要的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及波带片编码成像领域，具体涉及一种产生边缘增强图像的螺旋波带片编码成像技术。

背景技术

波带片编码成像技术主要应用于衍射效应可忽略的短波长辐射或粒子(高能X射线、γ射线、α射线、质子、中子等)成像，在天文学、核医学和激光惯性约束聚变研究等领域具有广泛的应用。该技术主要包括两步：首先，基于波带片的点扩散函数建立发光体发射的辐射或粒子的空间分布与编码图像之间的数学对应关系；其次，通过适当的解码算法对编码图进行反演获得原发光体的辐射或粒子图像。

一般而言，波带片编码成像技术中使用的编码孔是菲涅耳波带片，它由等面积的挡光半波带和透光半波带交替排列构成。对采用菲涅耳波带片对发光体编码获得的编码图进行解码，可获得与原发光体具有相同光强分布的图像。随后，中国工程物理研究院激光聚变中心的郑志坚等人发展了基于Gabor波带片的编码成像技术，在获得原发光体图像的基础上，有效地降低了还原图像的背景噪声。然而，采用上述技术获得的还原图像不存在边缘增强特征。

在很多研究领域需要获得物体的边缘信息，这就为相应的边缘增强成像技术的发展提出了需求。螺旋波带片结合了光学希尔伯特变换和菲涅尔波带片聚焦的特点，将其用作成像器件时可获得边缘增强图像。然而，任何波带片的成像都是基于衍射效应的成像，这不同于普通透镜的成像原理(基于折射效应的成像)。因此，波带片成像的焦距f与波长λ密切相关(f＝r₁²/λ，r₁为波带片第一环半径)。这导致波长λ越短，焦距f越长。故当发光体发射的信号是复色光时，不同波长的光成像于不同位置，从而导致相互之间信号的干扰。当波长λ短到衍射效应可忽略时，波带片的聚焦特性消失，无法作为成像器件使用。

发明内容

本发明的目的是为了在短波长辐射(或粒子)成像领域获得边缘增强图像，将螺旋波带片引入波带片编码成像技术，从而建立一种产生边缘增强图像的螺旋波带片编码成像方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种产生边缘增强图像的螺旋波带片编码成像方法，主要过程分为两步：

(1)发光体上各点发射的光线经螺旋波带片在记录介质上形成原发光体的编码图：假设发光体的光强分布为f(x，y)，其中x，y表示发光体光强的横纵坐标，螺旋波带片的透过率函数为其中r，q表示在极坐标下波带片透过率的坐标位置，r₁为螺旋波带片的第一环半径，p为螺旋波带片的拓扑荷数，Sgn[]为阶跃函数，则发光体上各点发射的光线经螺旋波带片编码后在接收屏记录介质上形成的编码图可表示为二者的卷积，即其中，x′，y′表示在接收屏上的横纵坐标；＊表示二者的卷积；s表示发光体到螺旋波带片的距离；l表示螺旋波带片到记录介质的距离；

(2)通过光学仿真方法对编码图进行解码处理，获得原发光体的边缘增强图像：光学仿真方法主要模拟计算以下物理过程：采用波长为的单色平行光垂直照射步骤(1)生成的编码图，则在焦点处获得与原发光体对应的边缘增强图像；该光学仿真方法主要用到傅里叶变换形式下的菲涅耳衍射积分：

其中，j为虚数单位；F{}表示对目标函数的傅里叶变换；x₀，y₀为编码图平面的横纵坐标；x，y为焦点平面的横纵坐标；z为焦点平面到编码图平面的距离；为波矢；为入射光的波长；实际计算中取其中f为波带片的焦距；U(x₀，y₀)＝h(x′，y′)为步骤(1)所得的编码图光强分布。

进一步地，上述方法中，用来做编码孔的螺旋波带片的拓扑荷数p为1、或2、或3、或4、或5等任意自然数。

进一步地，上述方法中，用来做编码孔的螺旋波带片是振幅型或相位型。

进一步地，上述方法中，对原发光体编码图的解码处理是光学仿真方法，或退卷积法，或自相关法。

本发明的有益效果在于：与其它波带片编码成像技术相比，本发明的优势在于：在技术实现难度相当的基础上，获得了原发光体的边缘增强图像，在对边缘信息有着重大需求的短波长辐射或粒子成像领域具有重要的应用前景。

附图说明

图1为本发明所述螺旋波带片编码成像技术的工作原理示意图。

图2为实施例中高能X射线光源的光强分布图。

图3为拓扑荷数p＝3的螺旋波带片结构示意图。

图4为采用本发明所述的螺旋波带片编码成像技术对等腰三角形发光体进行编码而获得的编码图。

图5为采用光学仿真方法对编码图进行解码处理获得的边缘增强图像。

图6为在相同参数条件下采用菲涅耳波带片编码成像技术获得的发光体还原图像。

图7为在相同参数条件下采用Gabor波带片编码成像技术获得的发光体还原图像。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。其次，本发明结合示意图进行详细描述，示意图仅作示例用，其在此不应限制本发明保护的范围。

正如背景技术部分所述，菲涅耳波带片编码成像技术和Gabor波带片编码成像技术无法获得边缘增强图像，限制了其在对边缘信息有着重大需求的短波长辐射或粒子成像领域的应用。本发明实施例对该问题进行了阐述。

实施例

本实施例公开一套产生边缘增强图像的螺旋波带片编码成像装置，其工作原理参考图1。该系统主要由高能X射线光源(或发光体)、螺旋波带片和记录介质构成。下面，我们采用数值模拟方法计算通过该装置获得的高能X射线光源边缘增强图像。

图1所示为本发明所述的螺旋波带片编码成像技术的工作原理示意图。该技术主要包括两步：首先，高能X射线光源(或发光体)上各点发射的光线经螺旋波带片在记录介质上形成编码图；其次，通过光学仿真方法对编码图进行解码处理，获得原发光体的边缘增强图像。

在数值模拟计算中，假设高能X射线光源满足图2所示的光强分布，白色为发光部分，黑色为不发光部分，即光源形状为等腰三角形，底边尺寸为200μm。这里，采用拓扑荷数p＝3螺旋波带片作为编码孔对光源进行编码，其结构如图3所示，白色为透光部分，黑色为不透光部分。螺旋波带片的第一环半径r₁为50μm，所取环数为100。经过螺旋波带片的编码后，可通过记录介质(如X射线CCD等)获得在接收屏上的光强分布，即编码图，如图4所示。

然后，采用光学仿真方法对该编码图进行解码处理，最终获得原发光体的边缘增强图像。光学仿真计算中，假设波长为5nm的单色平行光垂直照射到透过率函数如图4所示的编码图上，采用傅里叶变换形式的菲涅耳衍射积分方法计算在焦点(z＝f＝500mm)处的衍射光强分布，即可获得与高能X射线光源对应的边缘增强图像，如图5所示。

为了与菲涅耳波带片编码成像技术和Gabor波带片编码成像技术进行对比，本实施例也计算了在相同参数条件下菲涅耳波带片编码成像技术和Gabor波带片编码成像技术获得的高能X射线光源解码图像，如图6和图7所示。从图6和图7可知，菲涅耳波带片编码成像技术和Gabor波带片编码成像技术无法获得边缘增强图像。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。