X射線相稱成像發(fā)展綜述

X射線相位襯度成像調(diào)研I.概述:傳統(tǒng)的X射線成像技術(shù)原理是根據(jù)物體對(duì)X射線的吸收衰減特性而成像的。對(duì)于傳統(tǒng)的X射線成像技術(shù)而言，通常要求待測(cè)物體與周圍環(huán)境以及物體中不同吸收部位之間的對(duì)X射線的吸收系數(shù)有比較明顯的差異。因此X射線吸收成像對(duì)由金屬等重物質(zhì)構(gòu)成的物體檢測(cè)時(shí)效果比較顯著，而當(dāng)檢測(cè)以C、H、O等輕元素為主要構(gòu)成的物質(zhì)時(shí)，如生物軟組織樣本，由于它們對(duì)X射線吸收很少，不同生物組織之間吸收系數(shù)差別也小，導(dǎo)致傳統(tǒng)X射線成像對(duì)這些樣本進(jìn)行無損檢測(cè)時(shí)無法提供足夠的襯度，限制了X射線成像在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)以及材料學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。而X射線相位襯度成像正是一項(xiàng)可以改變這一局面的技術(shù)，它通過直接或間接探測(cè)X射線穿過待測(cè)樣品后的相位信息來形成襯度圖像。這種技術(shù)能將可檢測(cè)物質(zhì)的范圍擴(kuò)展到弱吸收的輕元素物質(zhì)，并把X射線成像的空間分辨率提高到微米乃至納米量級(jí)。首先提出相位成像方法的是荷蘭羅寧根大學(xué)的FritsZernike。1953年，他成功地將相位襯度概念引入光學(xué)顯微鏡（可見光波段），清晰地觀測(cè)了軟組織樣品。他也因?yàn)檫@個(gè)方面的突出貢獻(xiàn)被授予了該年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1965年，V.Bonse和M.Hart成功研制出了X射線晶體干涉儀，成為了相襯成像研究的重要基礎(chǔ)。在F.Zernike工作的啟發(fā)下，人們開始著手于X波段相稱成像的研究。但是早起的X光管亮度較低，X射線晶體干涉儀對(duì)于環(huán)境的穩(wěn)定性要求較高，不但拍攝一幅圖像需要很長(zhǎng)的曝光時(shí)間，而且實(shí)現(xiàn)比較困難。所以直到上個(gè)世紀(jì)90年代中期，隨著高亮度、能量可調(diào)、方向性好的同步輻射光源的大力發(fā)展，對(duì)于X射線相稱成像的系統(tǒng)研究才真正開始。1994年，日本的A.Momose實(shí)驗(yàn)小組利用干涉法進(jìn)行了早期的相稱成像實(shí)驗(yàn)，獲得了大量生物切片、活體組織的相稱圖像。1995年，澳大利亞的CSRIO研究中心利用衍射增強(qiáng)法獲得了樹葉、昆蟲的相稱圖像。同時(shí)，A.Snigirev和他的同事提出了單色同軸相位襯度成像模型，并在ESRF成功實(shí)現(xiàn)。1996年，W.S.Wilkins在Nature上發(fā)表了多波長(zhǎng)硬X射線相位襯度成像論文。同年，K.A.Nugent在Phys.Rev.Lett,上發(fā)表了相位提取的理論文章。而在以后的時(shí)間內(nèi)至今，在這一領(lǐng)域有大量的理論、實(shí)驗(yàn)成果不斷涌現(xiàn)。這一切都標(biāo)志著X射線相位成像開始得到廣泛深入研究，并在努力走向?qū)嶋H應(yīng)用。而在我國(guó)，2002年，北京同步輻射中心形貌成像組朱佩平教授為代表的眾多科研小組以北京同步輻射光源為主要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展了大量的工作，在相襯成像理論和實(shí)驗(yàn)上取得了重大進(jìn)展。2005年開始在傳統(tǒng)干涉儀上眾多研究小組利用光柵進(jìn)行了相稱成像實(shí)驗(yàn)并獲得了重要成果。n.x射線相稱成像主要實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)介:到目前為止，人們已經(jīng)發(fā)展了多種實(shí)現(xiàn)x射線相稱成像的方法，主要可以分為以下五類：1）類Zernike相稱成像法；2）干涉成像3）衍射增強(qiáng)成像4）類同軸相稱成像法；5）光柵相稱成像法。.類Zernike相稱成像法：類Zernike相襯法是應(yīng)用Zernike相稱機(jī)制的一種X射線顯微相襯成像方法。Zernike指出，在普通顯微鏡成像時(shí)，衍射光之所以觀察不到是因?yàn)樗c強(qiáng)本底之間存在n/2的相位差，如果能夠在物體成像的頻域面加上移像板，改變直射光與弱衍射光之間的這種相位正交關(guān)系，同時(shí)適當(dāng)衰減直射光強(qiáng)度，那么這兩項(xiàng)間就會(huì)更直接的疊加發(fā)生干涉，產(chǎn)生可觀測(cè)的強(qiáng)度變化。這種相稱成像光路示意圖如圖1所示。圖1Zernike相襯成像光路示意圖這種方法對(duì)于可見光波段容易實(shí)現(xiàn)，可是對(duì)于X射線，聚焦是一個(gè)大問題。由于各種材料的折射率都近似等于1,一般的光學(xué)折射元件無法用來聚焦X射線。不過，人們發(fā)展了通過波帶片利用X射線衍射特性聚焦X射線的方法，并實(shí)現(xiàn)了基于波帶片的X射線類Zernike顯微相稱方法，其光路示意圖如圖2所示。在基于波帶片的X射線顯微成像系統(tǒng)中，波帶片的作用基本可以理解為光學(xué)透鏡在可見光顯微鏡中的作用。會(huì)聚波帶片用于X射線聚焦和色散補(bǔ)償，通常為了盡可能多的會(huì)聚X射線，一般會(huì)聚波帶片直徑較大為毫米量級(jí)。成像波帶片用作X射線顯微鏡的物鏡進(jìn)行成像或形成微束，為了提高空間分辨率，成像波帶片一般比較小，在百微米量級(jí)。波帶片分辨率主要由其外帶寬度決定，可估算為drn（乙為波帶片外環(huán)寬度）。目前的波帶片分辨率也就可達(dá)幾十nm量級(jí)。但是在儀器理想情況下，理論的分辨極限是由衍射極限決定的，所以隨著光刻技術(shù)的發(fā)展，X射線顯微技術(shù)的分辨率還有進(jìn)一步提升空間。目前，世界各地的科研小組針對(duì)X射線顯微成像開展了很多研究，取得了令人欣喜的結(jié)果。2004年，美國(guó)的C.A.Larabell等人應(yīng)用軟X光水窗波段的波帶片顯微成像系統(tǒng)對(duì)酵母細(xì)胞進(jìn)行了研究，取得了很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2005年，W,Chao等人在ALS上利用波帶片成像系統(tǒng)在軟X光波段實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于15nm的空間分辨率。2008年，P.Pianetta、S.Brennan和J.C.Andrews在SLAC實(shí)現(xiàn)了空間分辨率約50nm的硬X射線波帶片成像。隨后，Y.Chu等人在APS實(shí)現(xiàn)了分辨率高達(dá)40nm的硬X射線波帶片成像。而美國(guó)的Xradia公司已經(jīng)開發(fā)了相應(yīng)的商用產(chǎn)品，其與北京同步輻射實(shí)驗(yàn)室共同開發(fā)研制的新一代真空低溫系統(tǒng)的硬X射線波帶片顯微成像系統(tǒng)分辨率接近30nm。x第戲愜陽舒x第戲愜陽舒令嚏汕小片 針孔圖2X射線顯微光路示意圖基于波帶片的X射線顯微成像技術(shù)將空間分辨率推進(jìn)到幾十納米量級(jí)，對(duì)于生命科學(xué)、材料科學(xué)和表面科學(xué)研究有重要意義。但其利用的是Zernike相稱成像機(jī)制，相比于后面四種方法，其結(jié)果是一個(gè)半定量結(jié)果，未能給出波陣面的完全定量恢復(fù)。對(duì)于適用于這個(gè)體系的定量波陣面恢復(fù)方案和算法還有待進(jìn)一步研究。除了波帶片以外，A.Snigirev等人還提出了利用復(fù)合折射透鏡（CompoundRefractiveLens，CRL）來聚焦X射線的方法（示意圖如圖3所示），并于2003年給出了這種透鏡聚焦的理論解釋，并指出這種透鏡具有可見光透鏡的一些性質(zhì)，且可以聚焦硬X射線。2001年，Y.Kohmura等人將CRL技術(shù)用于相稱成像實(shí)驗(yàn)（光路如圖4所示），并使該系統(tǒng)分辨率達(dá)到^m的亞微米量級(jí)空間分辨率。不過，相比于波帶片方法，CRL技術(shù)顯然還處于進(jìn)一步研發(fā)階段，離實(shí)際應(yīng)用還有一定距離。圖3CRL結(jié)構(gòu)示意圖

圖4CRL用于相襯成像光路示意圖.干涉成像法：干涉成像法(Interferometry)直接測(cè)量X射線透過樣品的相位變化?(x)?？梢赃@樣簡(jiǎn)單理解干涉成像法，有兩束相干光，它們滿足干涉條件，那么這兩束光重疊的位置會(huì)產(chǎn)生干涉條紋。而如果在這兩束相干光的其中一路光路上存在一個(gè)相位物體，那么由于這路光經(jīng)過相位物體時(shí)相位發(fā)生了改變，它們的干涉條紋會(huì)發(fā)射畸變，這種畸變必然包含了物體引起相位變化的信息。如果人們可以設(shè)計(jì)一個(gè)合理的光路實(shí)現(xiàn)這種干涉，那么也就可以從畸變的干涉圖5A.MomoseX射線干涉儀相襯成像法裝置示意圖上述原理在X射線相襯成像中的實(shí)踐最早是由A.Momose在1995年利用X射線干涉儀完成的，裝置示意圖如圖5所示。他們利用同步輻射光源作為X射線源，X射線干涉儀是利用一整塊完美晶體，從中間切掉兩條，形成三片很薄但基部仍連在一起的LLL結(jié)構(gòu)，這樣的干涉儀能保證很高的準(zhǔn)直度和穩(wěn)定性，獲得較好的干涉條紋。三塊晶體中的第一塊作為分束器(BeamSplitter)用于將經(jīng)過單色儀的X射線分成兩束，一束經(jīng)過樣品，另一束作為參考波，在滿足Bragg條件時(shí)，兩束光強(qiáng)度相同。第二塊晶體(TransmissionMirror)用于將兩束X光重新合束，而在合束前，非參考波的光路上放置樣品，這樣由于非參考波相位變化，兩束光在分析晶體處形成的干涉條紋將發(fā)生畸變。如果沒有第三塊晶體，兩束光合束后得到的干涉條紋周期幾乎為晶體的晶面周期，而一般晶體的周期很小，一般的探測(cè)器根本無法分辨，所以需要在兩束光相交的平面上放置第三塊晶體作為分析晶體（AnalyzerCrystal），從而在分析晶體后形成周期較大的Moire條紋，利于被探測(cè)器探測(cè)。A.Momose利用這種結(jié)構(gòu)的干涉儀獲得了空間分辨率約40^m的相稱像，而后又將這種干涉儀同CT技術(shù)結(jié)合獲得了物體內(nèi)相位分布信息的三維數(shù)據(jù)，成功看到了動(dòng)物細(xì)胞中的癌變組織，并將其成果發(fā)表在了NatureMedicine中。不過利用上述單個(gè)晶體制成的X射線干涉儀確實(shí)保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是一塊晶體尺寸畢竟有限，這就大大限制了干涉儀的大小，同時(shí)限制了探測(cè)的視場(chǎng)范圍。在A.Momose的最初實(shí)驗(yàn)中，只能獲得約3cmX3cm的視場(chǎng)范圍，這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。此后分別于1999年和2002年，A.Momose等人又提出了兩種對(duì)于X射線干涉儀進(jìn)行改進(jìn)以擴(kuò)大視場(chǎng)的研究成果，它們的裝置示意圖分別見圖6、圖7。圖6所示干涉儀由兩個(gè)獨(dú)立晶體構(gòu)成，兩塊晶體之間的線性位移并不影響干涉場(chǎng)。只要每塊晶體的晶向和大小滿足合適的幾何布局就可以產(chǎn)生干涉。但是這種結(jié)構(gòu)需要兩塊晶體的平行度夠高，所以他們采用了計(jì)算機(jī)輔助控制方法控制晶體平行;同時(shí)為了保證晶向足夠一致，兩塊晶體從同一塊晶體切割而來。由于這種結(jié)構(gòu)調(diào)試太困難，他們又給出了圖7所示的另一種方案，中間的一塊晶體兼具分束晶體和分析晶體的作用，另外兩塊晶體作為反射鏡用。入射X射線經(jīng)中間的晶體分為兩束，兩束分別由兩塊晶體反射回中間晶體，再由中間晶體將兩束光混合在一起。這種結(jié)構(gòu)對(duì)于晶向要求較低，調(diào)試容易些。通過改進(jìn)，他們最終將干涉法的視場(chǎng)范圍提高到了25cmX20cm。圖6分離式X射線晶體干涉儀（1）圖7分離式X射線晶體干涉儀（2）干涉相襯成像法的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度很高，可以探測(cè)樣品內(nèi)部很微小的信息，如晶體受熱形變、晶體內(nèi)部缺陷等。但是它也有明顯的不足，首先，由于X射線的波長(zhǎng)很短，比可見光小約3個(gè)量級(jí)，因此這種方法對(duì)于晶體布局精度及機(jī)械穩(wěn)定性有著比較苛刻的要求。其次，這種方法要求入射光有足夠高的時(shí)間和橫向空間相干性，這樣才能保證得到清晰的干涉條紋。為了滿足時(shí)間相干性的要求，需要使用單色儀得到足夠好的（如能量分辨率為10-4的）準(zhǔn)單色光。而當(dāng)光源空間相干性達(dá)不到要求時(shí)，在光源前放置一個(gè)針孔是有必要的，而這些措施都會(huì)篩選掉不少光子，所以這種方法對(duì)光源亮度有較高的要求，一般多使用同步輻射光源，而這點(diǎn)大大限制了這種方法的廣泛應(yīng)用。同時(shí)，由于實(shí)際參與成像的光子數(shù)有限，該方法曝光時(shí)間較長(zhǎng)，而且這期間一旦光程的波動(dòng)超過成像的波長(zhǎng)，干涉條紋的移動(dòng)就會(huì)超出視野。而且，當(dāng)記錄條紋的時(shí)間超過干涉條紋波動(dòng)的時(shí)間，記錄介質(zhì)上的條紋也會(huì)消失，所以干涉法對(duì)于光源穩(wěn)定性也有很高的要求。為了減小波動(dòng)對(duì)成像的影響，一般會(huì)采用傍軸光，但這會(huì)減小成像的視場(chǎng)。采用這種物光和參考光干涉的方法很難走向?qū)嶋H應(yīng)用。.衍射增強(qiáng)成像法：衍射增強(qiáng)法（DiffractionEnhancedImaging,DEI）根據(jù)完整晶體的X射線衍射理論獲取X射線經(jīng)過樣品相移的一階導(dǎo)數(shù)信息?,。）。衍射增強(qiáng)法最早是在1995年由DavisTJ等人和V.N.Ingal等人分別提出的。這種技術(shù)隨后又由DeanChapman等人做了進(jìn)一步的擴(kuò)展，他們?cè)贜SLS上實(shí)現(xiàn)了DEI系統(tǒng)，并通過信息提取算法得到了表觀吸收?qǐng)D像和一階相位信息圖像（即折射角圖像）。Hirano等人與2003年在PhotonFactory上建立了使用雙晶分析晶體的DEI裝置，其得到的圖像襯度比傳統(tǒng)X射線成像方法提高了20倍。止匕外，AlbertoBravin等人的研究小組以ESRF裝置為基礎(chǔ)平臺(tái)將衍射增強(qiáng)成像法應(yīng)用于高分辨的醫(yī)用CT,同樣基于ESRF裝置還有許多的科研小組進(jìn)行了相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究；國(guó)內(nèi)方面，基于BSRF為平臺(tái)，中科院高能所朱佩平等人以及上海光機(jī)所高鴻奕等人在理論和實(shí)驗(yàn)兩方面均取得了相當(dāng)重要的結(jié)果。清華大學(xué)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，中科院高能所也都有在衍射增強(qiáng)成像的相位重建算法等方面開展一定的研究，并取得了重大進(jìn)展。、圖8衍射增強(qiáng)相襯成像法實(shí)驗(yàn)裝置示意圖圖8給出了衍射增強(qiáng)法的典型實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。衍射增強(qiáng)法的關(guān)鍵是在樣品后放置一塊分析晶體。光源產(chǎn)生的X射線首先經(jīng)過單色儀，選擇出單色X射線，并且要求是準(zhǔn)平行光。然后該X射線經(jīng)過樣品，攜帶了樣品的相位信息照射到分析晶體上，分析晶體通常與單色儀晶體種類相同，且具有一致的衍射面。X射線與樣品主要發(fā)生以下幾種相互作用：吸收，相干散射，非相干散射和折射。其中，樣品對(duì)入射X射線的折射光線攜帶了樣品的結(jié)構(gòu)信息，是人們需要探測(cè)的部分，而大散角的相干散射和非相干散射對(duì)于成像是較強(qiáng)的本底噪聲，

使成像的襯度和空間分辨率下降。而衍射增強(qiáng)法中的分析晶體恰恰能濾去這些不利用成像質(zhì)量的散射本底，這一步實(shí)現(xiàn)的主要依據(jù)就是晶體的搖擺曲級(jí)RockingCurve）。圖9是一典型雙晶體系統(tǒng)搖擺曲線示意圖。搖擺曲線反映了衍射光與入射光之間相對(duì)強(qiáng)度（縱坐標(biāo)）與入射光入射角偏離Bragg角程度（橫坐標(biāo)）的關(guān)系。當(dāng)X光入射角為Bragg角時(shí)衍射光最強(qiáng)，當(dāng)入射角逐漸偏離Bragg角時(shí)，衍射光強(qiáng)度逐漸減弱，當(dāng)衍射光強(qiáng)度從最大下降到一半時(shí)，稱之為半高峰。一條搖擺曲線有兩個(gè)半高峰，左半高峰L和右半高峰H，兩個(gè)半高峰之間的寬度稱為達(dá)爾文寬度（Darwinwidth），達(dá)爾文寬度與晶體種類、衍射面及入射的X射線能量有關(guān)，一般為10-6rad量級(jí)。通常情況下，樣品對(duì)X射線的折射使其傳播方向偏轉(zhuǎn)的角度在10-6?10-7rad量級(jí)，構(gòu)成背景的散射光散角在10-3rad量級(jí)，而分析晶體的接收角在10-6rad量級(jí)，所以分析晶體衍射的只是被樣品折射的X射線，而散射背景幾乎全部被排除在分析晶體接收角以外。這是衍射增強(qiáng)法可以獲得高信噪比圖像的主要原因。OSA?suw￡OSA?suw￡圖9雙晶體系統(tǒng)搖擺曲線示意圖當(dāng)單色晶體和分析晶體的相對(duì)位置確定之后，若它們之間不放置樣品，入射分析晶體的單色平行光對(duì)于分析晶體有確定的入射角度，此時(shí)分析晶體衍射的光線具有一個(gè)固定的相對(duì)強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)于搖擺曲線上一個(gè)確定的點(diǎn)（例如左半峰、右半峰或曲線頂點(diǎn)）。而在單色晶體和分析晶體之間放置樣品后，通過樣品的X射線因?yàn)闃悠返恼凵湫?yīng)而與原來入射分析晶體的入射角產(chǎn)生一定偏差，衍射光線的相對(duì)強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，利用這個(gè)強(qiáng)度變化，人們可以反推出樣品不同位置對(duì)于X射線的相移信息，進(jìn)而知曉樣品的結(jié)構(gòu)信息。例如，在晶體系統(tǒng)搖擺曲線的左半峰L（低角邊）和右半峰H（高角邊）處分別進(jìn)行成像，放置樣品后測(cè)得的衍射光強(qiáng)度IL、IH分別為仁/（%+叱）“［RQ）+dX組］⑴

j=f（%+叱）"M（%）+dx組］⑵其中r（e）為搖擺曲線e處縱坐標(biāo)值，％和%分別為左右半峰位置。對(duì)于確定的晶體布局，式中r（e）、e2和eH，以及dr/de|%和dr/de|eH都是可知的，而是il、ih是測(cè)量值，故由以上兩式可以求出樣品對(duì)于x射線折射造成的x射線對(duì)分析晶體入射角的變化量AeZ。而經(jīng)過樣品任一點(diǎn)的x射線的AeZ由樣品在該處對(duì)x射線相移的一階導(dǎo)數(shù)決定：△%=1V8（3）zk所以衍射增強(qiáng)成像直接測(cè)量的是樣品各位置對(duì)于X射線相移的一階導(dǎo)數(shù)信息。由圖9可見，晶體布局處于搖擺曲線的半高位置時(shí)，此處曲線陡峭的斜坡使小的偏離角產(chǎn)生了較大的的強(qiáng)度反差，起到了“襯度放大器”的作用，使得這種成像方法對(duì)于樣品不同位置的微小折射率變化十分敏感，這也是所謂“衍射增強(qiáng)”名稱的含義。衍射增強(qiáng)成像具有高信噪比的突出優(yōu)點(diǎn)，并且經(jīng)過E.Pagot與O.Oltulu等人對(duì)基于衍射增強(qiáng)成像技術(shù)的定量相位重建的進(jìn)一步研究，他們提出了在搖擺曲線的一系列位置采集圖像，通過對(duì)應(yīng)的信息分離算法，利用衍射增強(qiáng)技術(shù)共可以獲得關(guān)于樣品的4種圖像：吸收襯度圖、散射襯度圖、折射襯度圖和消光襯度圖，豐富了可獲得樣品的信息。但是衍射增強(qiáng)方法仍然有明顯的缺點(diǎn)。首先，由于對(duì)于X射線的單色性和平行度有較高要求，目前這種方法仍只能用同步輻射源實(shí)現(xiàn)。其次，單色儀和分析晶體要以極高的精度對(duì)準(zhǔn)，所以對(duì)于系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定度要求都比較高，光路調(diào)節(jié)也并不容易。還有，由于晶體的使用，一次成像視場(chǎng)有限，且對(duì)于大物體只能掃描，曝光時(shí)間長(zhǎng)。以上這些都限制了這種方法推廣到日常的應(yīng)用中。.類同軸相稱成像法：圖10去掉DEI方法中分析晶體的類同軸全息相襯法裝置示意圖類同軸相稱成像法又稱（In-linePhaseContrastImaging）又稱類同軸全息相襯成像法或是菲涅爾衍射相稱成像法。1995年，A,Snigirec和I.Snigirevad等人就進(jìn)行了類同軸相稱成像法的嘗試，他們將DEI方法中的分析晶體去掉，同樣得到了相位樣品的清晰圖像，實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示。這種方法的原理類似Gabor在可見光波段提出的類同軸全息方法（in-lineholography),只不過這時(shí)他們?nèi)圆捎玫氖峭捷椛湓?，并且保留了晶體單色儀。真正使這種方法得到推廣的是在1996年S.Wilkins等人的研究成果，他們利用非單色微焦點(diǎn)X光源實(shí)現(xiàn)了類同軸X射線相稱成像，并且通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，2002年發(fā)表的成果指出他們的裝置空間分辨率達(dá)到了〃mS.Wilkins等人的成果表明這種相稱成像方法的應(yīng)用可以不再依賴昂貴的同步輻射光源，而且光路十分簡(jiǎn)單，可以在普通的實(shí)驗(yàn)室中開展研究與應(yīng)用。在接下來的時(shí)間內(nèi)，許多人投入到了類同軸相襯成像方法的研究中來，使得類同軸相襯成像的理論模型完善、實(shí)驗(yàn)研究等方面都取得了重大進(jìn)展。國(guó)內(nèi)中科院物理研究所的高大超較早的開展了微焦斑類同軸全息實(shí)驗(yàn)；中科院上海應(yīng)用物理所的陳敏、肖體橋和劉麗想等人，清華大學(xué)的朱迪等人近幾年也有相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。上海光機(jī)所的韓申申、程靜等人在部分相干光成像方面做了不少工作，利用類同軸全息理論獲得了優(yōu)于傳統(tǒng)吸收成像的相襯圖像。圖11類同軸相襯成像光路示意圖圖12利用BNLATF湯姆遜散射X射線源進(jìn)行的類同軸相襯成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果類同軸相襯成像的裝置十分簡(jiǎn)單，如圖11所示，除了光源、樣品、探測(cè)器外并不需要任何晶體。入射X射線為橫向相干的平面波或球面波，入射X射線經(jīng)過樣品，由于樣品的折射作用波陣面發(fā)生畸變，不同位置的畸變反映了樣品該位置對(duì)于X射線相移的信息。對(duì)于硬X射線照射如生物軟組織等輕質(zhì)樣本時(shí)，樣本對(duì)于X射線的吸收十分微弱，可以近似忽略吸收效應(yīng)，認(rèn)為X射線通過樣本只有波陣面的畸變而沒有強(qiáng)度的衰減。探測(cè)器垂直于X射線入射方向放置在樣品后距樣本一段合適的距離處，在經(jīng)過這段距離的傳播后，經(jīng)過樣本發(fā)生畸變的波面將和未發(fā)生畸變的波面在探測(cè)器平面上重疊而發(fā)生干涉，產(chǎn)生干涉圖樣，這樣就將X射線透過樣本產(chǎn)生的相移信息轉(zhuǎn)變成調(diào)制后的強(qiáng)度信息顯示出來了。根據(jù)相關(guān)的理論研究成果，類同軸相稱成像相面上的強(qiáng)度分布與相位改變量的空間二次導(dǎo)數(shù)▽2成正比，所這種成像方法對(duì)于樣品中不同相位成分的邊緣分界面具有顯著的‘邊緣增強(qiáng)效應(yīng)”。圖12給出了M.Carpinelli等人利用BNLATF的湯姆遜散射X射線源進(jìn)行的對(duì)于昆蟲樣本的類同軸相稱成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在圖中可以清晰的看到邊緣增強(qiáng)的效果。X射線類同軸相襯成像成立的關(guān)鍵是光源具有足夠的空間相干性和選擇合適的光源-樣品距離、樣品-探測(cè)器距離。類同軸相稱成像的突出優(yōu)勢(shì)在于裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要透鏡、晶體等元件。同時(shí)，雖然新的理論研究證明光源的單色性對(duì)于成像并非毫無影響，但是對(duì)于光源單色性的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于干涉法和衍射增強(qiáng)法，只要空間相干性足夠好即可，可以利用微焦點(diǎn)源實(shí)現(xiàn)，擺脫了對(duì)于同步輻射源的依賴，使該方法具有廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)、生物工程學(xué)等多種領(lǐng)域的巨大潛力。而這種方法的缺點(diǎn)是受實(shí)驗(yàn)條件、背景噪聲的影響信噪比較差；而且多種理論研究結(jié)果表明光源的橫向相干性（光源尺寸）始終是影響該方法橫向分辨力的主要因素，所以這種技術(shù)的空間分辨力提升很大程度上要受光源水平的限制。.光柵相襯成像法：光柵相稱成像技術(shù)（GratingbasedDifferentialPhase-ContrastImaging）也可以看成是一種干涉儀成像技術(shù)，不過隨著光柵加工技術(shù)的日益成熟，光柵相稱成像法已經(jīng)逐步發(fā)展成為了一門獨(dú)立完整的成像方法。光柵式具有周期性結(jié)構(gòu)的光學(xué)衍射屏，可以分為兩大類：使入射光的光強(qiáng)透過率周期性變化的振幅光柵（或稱吸收光柵）和對(duì)入射光造成周期性相移但是不改變強(qiáng)度的相位光柵。2002年，C.David等人在ESRF上利用Talbot干涉儀和一個(gè)分析晶體首次實(shí)現(xiàn)了硬X射線光柵相稱成像，其裝置示意圖如圖13所示。入射X射線經(jīng)過光柵干涉儀的第一塊相位光柵（其作用類似前面干涉成像法中的分束晶體）后，第一塊光柵會(huì)出現(xiàn)自成像的Talbot效應(yīng)，在其Talbot像位置處放置一塊振幅光柵作為分析光柵（作用類似干涉成像法中的分析晶體），在這里振幅光柵周期是相位光柵周期的兩倍，利用分析光柵的周期結(jié)構(gòu)與相位光柵自成像的周期性共同作用，在分析光柵后產(chǎn)生Moire條紋，該條紋經(jīng)過分析光柵后的晶體衍射給探測(cè)器用于測(cè)量。而當(dāng)把樣品放置在相位光柵前時(shí)，樣品對(duì)X射線的折射效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致入射到相位光柵的X射線波面發(fā)生畸變。折射角正比于樣品導(dǎo)致的X射線相位移動(dòng)的梯度，樣品結(jié)構(gòu)信息反映在不同位置對(duì)X射線相移的