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X射线鬼成像（X-ray ghost imaging, XGI）是一种非局域成像方法，因其具备低剂量成像的潜力，是现在的研究热点。该方法顺利获得两束独立X光的强度关联重构样品结构：强度分布随机涨落的热（赝）光场分为两束，一束为“参考光”，另一束为与样品发生相互作用后进行积分探测的“信号光”。XGI在物光路中采用高灵敏桶探测器，可最大限度减少目标物体受到的剂量。尽管参考光路的高分辨数据采集需要大曝光量，但这部分辐射不会影响到样品。

传统放射成像只需对样本单次曝光，而鬼成像需要在调制光场下对物光路进行多次采样以完成图像重建。因此，XGI的光子计数（即累积曝光量）等于单次测量曝光量与测量次数的乘积。要实现百万像素级X射线鬼成像，传统鬼成像方法需要的测量次数十分庞大，很难将XGI的低剂量成像潜力变为现实。

据此，中国科研实验室上海高等研究院上海光源科学中心（以下简称“上海光源”）研究团队提出了一种百万像素极低照度X射线鬼成像方法（Ultra-low-light megapixel X-ray ghost imaging, UMXGI），以突破这一瓶颈问题。相较已有方法，UMXGI的独特优势来源于一下三项核心要素的有机协同：1）优化分束与信号采集。采用大光斑、高均匀度、强关联特性的X射线晶体分束方案，该光路结构可同步完成物臂与参考臂的信号采集，将弱衍射光束用于物臂探测，强透射光束用于参考臂探测。2）定制化探测器布局。为两路光分别匹配专用探测器：低光强物臂搭配低分辨率、高灵敏度光纤耦合探测器，高光强参考臂搭配高空间分辨透镜耦合探测器。3）高效成像机制。利用上海光源X射线成像组提出的合成孔径成像机制，仅需极少量的测量次数即可实现百万像素级关联成像。该项研究充分利用XGI关联成像的固有物理优势，探索实现极低照度X射线影像的可行性。

研究结果表明，UMXGI具备优异的光子利用效率，能够在极低光子计数条件下实现高质量成像。基于上海光源的实验研究首次验证了，X射线鬼成像可以用比传统成像低两个量级的光子数，实现同等成像质量。这就意味着，UMXGI为超低辐射剂量X射线影像开辟了一条全新的途径，在生物医学、材料科学等领域具有重要应用前景。此外，将UMXGI与更高探测效率的光子计数探测器结合使用，可进一步放大其低剂量成像优势。

图1  UMXGI实验装置 (左)，与传统方法比对(右，衬噪比 vs光子数)。

相关研究成果以“Ultra-low-light megapixel X-ray ghost imaging”为题发表在美国光学学会会刊Optica (http://doi.org/10.1364/OPTICA.598975)。论文工作由上海光源研究团队完成，论文第一作者为赵昌哲助理研究员，通讯作者为肖体乔研究员，李中亮正高级工程师为共同通讯作者。本研究得到国家重点研发计划（2022YFA1603601, 2021YFF0601203, 2021YFA1600703）及国家自然科学基金项目（12205361）的资助。

图2  上海光源UMXGI研究团队