專利名稱：用于利用不相干的多色x射線源進行定量相襯成像和斷層照相術(shù)的干涉儀的制作方法
用于利用不相干的多色x射線源進行定量相襯成像和斷層照相術(shù)的干涉儀本發(fā)明涉及用于x射線、尤其是硬x射線的干涉儀，用于獲得定量相襯圖4象和測量波前形狀(wavefront shape)。對于硬X射線而言，在傳統(tǒng)射線照相術(shù)中產(chǎn)生對比的吸收橫截面 通常遠小于彈性散射橫截面。彈性散射導(dǎo)致穿過物質(zhì)的波的相移。例 如，如果17. 5 keV的X射線(通常用于乳房X線照相術(shù))穿過50卩m 厚的生物組織薄片，衰減將僅每百中的若干分之幾(a fraction of a percent)，而相移接近于IT。從而，記錄X射線相移的可能性使得充 分提高對比度成為可能，因此使所施加的X射線劑量減少。由于以下 兩個原因，劑量的減少是期望的i)曝露于X射線的患者的健康危害， 和ii )減少曝露時間。在過去數(shù)年，研發(fā)了檢測樣本后面的輻射中的相變異的數(shù)種方法。 這些方法可以被分為干涉測量方法、4吏用分光晶體(analyzer crystal ) 的技術(shù)和自由空間傳播方法。這些方法在所記錄信號的特性、實驗裝 置和在照射輻射(尤其是其空間相干性和單色性)上的需求上存在區(qū) 別。雖然這些方法中的一些能夠?qū)μ囟ǖ膯栴}產(chǎn)生優(yōu)良的結(jié)果，但是 沒有一種方法可以被非常廣泛地使用。尤其是，迄今沒有發(fā)現(xiàn)任何一 種方法可用于醫(yī)學(xué)診斷，這需要多個厘米的大視野、如由實驗室X射 線發(fā)生器所提供的寬帶輻射的有效使用以及相當(dāng)緊湊的設(shè)置。除了醫(yī) 學(xué)應(yīng)用外，任何例如在生物學(xué)或材料科學(xué)中對低對比度的物體的研究 都可能從開發(fā)的相襯中獲利。應(yīng)當(dāng)注意，嵌入相同吸收系數(shù)的基體 (matrix)中的物體在吸收襯度(absorption contrast )方面完全不 可見，而對于相同的樣本，相移會明顯不同。在硬X射線湘位成像中將光柵用作光學(xué)元件有可能克服迄今為止 削減相襯在X射線照相術(shù)和斷層照相術(shù)中更廣泛使用的問題。最近已 經(jīng)研究了用于硬X射線的基于光柵的干涉儀的幾個不同的幾何結(jié)構(gòu)。 下面包含了過去已經(jīng)公開的、授予專利權(quán)的或可獲得的課題和結(jié)果的 列表國際專利申請W0 2004/071298 Al描述了使用三個光柵(兩個相柵和一個振幅光柵)，以使用多色的、不相干的x射線源來獲得相襯圖像。其它公開文獻包含了由使用兩個相柵和布拉格(Bragg)分光晶 體或使用相柵與振幅光柵的、基于光柵的干涉儀獲得的結(jié)果說明?，F(xiàn)有技術(shù)中公知的實驗結(jié)果在同步加速器X射線源處獲得，這種 射線源是非常昂貴的設(shè)備并且僅在獨特的科學(xué)設(shè)備處可得到。在光學(xué)或X射線波長，波的相位不能被直接測量，因此相移到強 度調(diào)制的任何變換必須取決于兩個(或更多個)波的干涉。為了能夠 建設(shè)性地或破壞性地干涉，波需要在時間和空間中具有良好限定的相 位關(guān)系，即足夠的時間(縱向)相干性和空間(橫向)相干性。有關(guān)射線照相術(shù)的發(fā)明的商業(yè)影響將大大取決于X射線管是否適 合作為輻射源或該方法由于所需的相干度是否被限于在同步加速器輻 射設(shè)備上使用。因而，對于理解根據(jù)本發(fā)明的干涉儀裝置的優(yōu)點，完 全理解相關(guān)條件和關(guān)系是必要的。時間相干性與輻射的單色性有關(guān)。對于在中心波長人周圍的帶寬 5入的輻射，縱向相干長度為入7 5入。當(dāng)考慮到源自相同源斑點的兩 條射線束時，這兩條射線束在采取穿過光學(xué)裝置的不同路徑后重合， 如果光程長度的差別小于縱向相干長度，則這些射線束僅具有良好限 定的相位關(guān)系。雖然對于可見激光而言，A2/5入能夠延伸許多米，但 是即使使用晶體單色儀(入/5入《104)，其在硬X射線波長僅為微米 級?？臻g相干性與源的尺寸和距離有關(guān)。當(dāng)考慮到以波長入發(fā)射的、 橫向尺寸為c的固有不相干的和混亂源(例如，燈泡或傳統(tǒng)的X射線 管)時，另外在距該源的距離為1時，只有滿足條件r〈入 1/c時， 位于垂直于光軸的平面中并且隔開距離r的兩個點之間的波前相差被 良好限定。最重要地，只有當(dāng)相干長度近似等于或大于衍射孔或相位 掩模的相關(guān)長度標(biāo)度時，才出現(xiàn)諸如那些用于基于光柵的干涉儀的干 涉效應(yīng)。對于以入-O. 1 nm發(fā)射的具有O. 1 mm的光斑尺寸的X射線管 源，在距源lm的距離處的橫向相干長度同樣僅為一個微米級。本發(fā)明的目的在于提供一種用于相襯X射線圖像的設(shè)備，該設(shè)備 并不依賴于同步加速器X射線源并且只需要少許調(diào)節(jié)光學(xué)裝置的工作。在本發(fā)明中，通過用于X射線、尤其是硬X射線的干涉儀來實現(xiàn) 這個目的，用于獲得定量的相村圖像，該干涉儀包括a) X射線源，優(yōu)選為標(biāo)準(zhǔn)多色的X射線源，b) 衍射光學(xué)元件，優(yōu)選地為透射幾何結(jié)構(gòu)的衍射光學(xué)元件，該 衍射光學(xué)元件作為射束分離器，以及c) 具有在空間上調(diào)制過的檢測靈敏度的位置靈敏檢測器。該調(diào) 制起到用于通過射束分離器形成的干涉圖案的分析器的作用；其可以 被結(jié)合到檢測器中或從檢測器分離。通過在僅使用傳統(tǒng)X射線源而不是同步加速器中并且在僅使用兩 個不同的光柵結(jié)構(gòu)中，這種干涉儀將所有被請求的要求統(tǒng)一起來，在 兩個不同的光柵結(jié)構(gòu)中， 一個光柵用于將已經(jīng)穿過要被研究的物體的X 射線衍射，而另 一 光柵用于遞送在空間上調(diào)制過的檢測靈敏度。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，射束分離器為相柵，即，線光柵或二 維構(gòu)造的光柵，該光柵具有低X射線吸收，而且具有相當(dāng)多的X射線相移，優(yōu)選地具有相移7T或7T的奇數(shù)倍。相柵可以通過深蝕刻到硅中或由聚合物來制成。另外，檢測器靈敏度的調(diào)制可以通過一維或二維光柵結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)， 該光柵結(jié)構(gòu)具有高X射線吸收襯度并且直接位于檢測器前面。這種分 析柵可以用作防散射濾線柵(anti-scatter grid)，或者防散射濾線 柵可以被用作分析柵。吸收光柵可以通過將重金屬沉積到低吸收結(jié)構(gòu)的間隙中來制成。檢測器靈敏度調(diào)制的周期p2最好被選為使其通過關(guān)系A(chǔ)-^V""7"2而與射束分離光柵的周期Pt和入射波前的半徑1，其中d 為射束分離器與分析器之間的距離。優(yōu)選地，射束分離器與分析器之 間的距離被選為奇數(shù)的分?jǐn)?shù)塔爾博特(Talbot)距離，該距離由等式《一-7r^-yr^7^給出，其中n-i，3，5，…。此外，射束分離光柵的相移和射束分離器與分析器之間的距離適應(yīng)于光子能，該光子能對 應(yīng)于用作源的x射線發(fā)生器的發(fā)射譜線。為了能夠觀察任何期望周期的莫爾條紋，或?qū)⒛獱枟l紋最小化或完全抑制，可以包括機構(gòu)來相對于分析器改變圍繞射束分離器的光軸的角定向。為了增加側(cè)面空間分辨率和將在關(guān)于x射線相移的信息從x射線 吸收的信息中分離的目的，可以通過側(cè)面橫向移動輻射源和/或位于輻 射源前面的孔、和/或射束分離器、和/或分析器，和/或通過相對于x射線源傾斜干涉儀來實現(xiàn)一維或二維的相位階躍(phase stepping) 掃描。為了保證快速數(shù)據(jù)采集，檢測器可以被設(shè)計成在兩個維度中對位 置靈敏，由此射束分離器和分析器的側(cè)面尺寸覆蓋了檢測器的活動區(qū) (active area)的重要部分?？商鎿Q地，為了使生產(chǎn)成本降低和在干涉圖中減輕散射偽像，準(zhǔn) 直儀可以被放置在源與射束分離器之間，該準(zhǔn)直儀將照射X射線的空 間范圍限制為扇形射束；可以包括線陣列檢測器和機構(gòu)，其允許相對于設(shè)備的其余部分垂直于扇形的張開角來線性掃描樣本。在前面兩段中所述的配置中，通過使用單個物理源或虛擬源的一 維或二維陣列而不是使用單個線或點源，增加了通量，并且因而減少 了數(shù)據(jù)采集時間，該物理源或虛擬源可以互不相干，并且其側(cè)面間隔p。優(yōu)選地通過P。-^x+給出。這種源陣列可以通過具有線狀或點狀開口的孔眼掩模產(chǎn)生?？商鎿Q地，源陣列通過電子光學(xué)產(chǎn)生，該電子光學(xué) 在X射線源的陽極上產(chǎn)生電子線或點聚焦陣列。這也就是通過使用電 子光學(xué)產(chǎn)生源陣列來實現(xiàn)，該電子光學(xué)跨越X射線源的陽極表面掃描 單個線或點聚焦，或者將線或點陣列投影到陽極表面上。可替換地或 附加地，源陣列可以通過使用包括陽極的X射線源來產(chǎn)生，該陽極由不同的材料根據(jù)地形或以鑲嵌方式組裝地被構(gòu)造。同樣，為了改善干涉儀的掃描屬性，可以包括用于將樣本相對于 剩余部件旋轉(zhuǎn)的裝置，以便為斷層照相掃描執(zhí)行數(shù)據(jù)收集。在優(yōu)選的實施例中，可以通過針對相位階躍掃描數(shù)據(jù)執(zhí)行分析過 程來執(zhí)行掃描技術(shù)，該分析過程包括以下步驟針對檢測器的每個元 件計算傅立葉變換或計算在元件中測量的強度曲線的至少一個傅立葉 分量，并且然后將一個或多個傅立葉分量的相位保留作為用于將來處 理的信號。可替換地，可以針對相位階躍掃描數(shù)據(jù)執(zhí)行分析過程，該分析過 程包括以下步驟針對檢測器的每個元件將在元件中測量的強度曲線 擬合到在沒有所研究的射束變形的情況下分開模擬或測量的強度曲 線，其中至少一個擬合參數(shù)是曲線沿著掃描位置軸的移位。本發(fā)明的另外的有利特征可以由其余的從屬權(quán)利要求導(dǎo)出。下面參考附圖描述了本發(fā)明的優(yōu)選實例和實施例。

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的雙光柵干涉儀的示意圖；圖2示出使用圖1的干涉儀的線性相柵的塔爾博特自成像和莫爾 條紋形成的示意圖；圖3示出莫爾干涉測量法的示意圖；圖4示出與根據(jù)圖1的干涉儀一起使用的相位階躍技術(shù)的原理的 示意圖；圖5示出利用相位階躍干涉測量法獲得的斷層照相圖像；圖6示出針對根據(jù)圖1的雙光柵干涉儀獲得相位階躍移動的四個不同選項的示意圖；圖7示出錐面射束問題和針對它的多個解決方案的示意圖；圖8示出在掃描X射線成像系統(tǒng)中實施的雙光柵干涉儀的示意圖，由此示出了光柵劃線(grating line)相對扇形射束的兩個可能的定向；圖9示出包含鋁和塑料球的測試樣本的X射線圖像； 圖IO示出具有線源陣列的光柵干涉儀的示意圖； 圖11示出具有源光柵的光柵干涉儀的示意圖；以及 圖12示出包含鋁和塑料球的測試樣本的X射線圖像，這些X射線 圖像利用來自標(biāo)準(zhǔn)實驗室X射線源的多色輻射記錄。本發(fā)明基于如圖l所示的雙光柵干涉儀。該干涉儀包括下列部件 X射線源XS (例如，通常電子能量在10-100 keV的范圍中的靜止或 旋轉(zhuǎn)陽極，或任何其它X射線源)，可選集合的合適的濾波器F、物體 0、射束分離相柵G1、分析器振幅光柵G2以及在空間上分解的X射線 檢測器D。源XS至少在垂直于光軸A的一個方向提供某個程度的空間 相干性。如果源為X射線管，那么陽極材料應(yīng)當(dāng)被選為在適合特定應(yīng) 用的能量范圍中具有合適的譜線。對于乳房X線照相術(shù)，這些材料可 以是Nb、 Mo、 Rh、 Pd、 Ag，這些材料具有在15-25 keV范圍中的K 發(fā)射語線。對于具有更薄或更少吸收樣本的其它應(yīng)用(例如臺式斷層 照相裝置(desktop tomography setup))，負(fù)fe量可以在5 — 10 keV 范圍中(例如，Cu陽極)。源XS的光譜可以被過濾來減小源的帶寬。 下面將更具體地限定相干要求。對于圖像形成過程，周期為p,的射束分離光柵Gl應(yīng)當(dāng)被構(gòu)造成使 其將入射射束首先分成兩個第一衍射級。對此的條件是，光柵劃線具有較少吸收并且將穿過光柵劃線的輻射的相位移位奇數(shù)倍的n，而且相移結(jié)構(gòu)的寬度接近于光柵周期的一半，也就是說，光柵具有接近于0. 5的占空因數(shù)。由于照射的硬X射線的波長在10"…10-um級，并且 因此遠小于光柵柵距(10—5...10_6m)，兩條衍射射束之間的角度小得使 得這兩條射束幾乎完全重疊。在射束分離光柵G1的重疊區(qū)域下游，衍 射射束進行干涉并且在G1的下游的距離d處垂直于光軸A的平面中形 成線性周期條紋圖案。對于球形入射波，即對于來自距離1處的源的 輻射，干涉圖案的周期等于如果(1<<1，這是通常的情況，干涉條紋的周期約為Gl的周期的一半。 這些條紋的周期和側(cè)面位置都不取決于所用輻射的波長。入射波前的 擾動(諸如那些由處于射束中的相位物體上的折射引起的擾動)導(dǎo)致 條紋的局部位移。操作在此描述的基于光柵的干涉儀的基本思想是檢 測條紋的位置和根據(jù)這些位置確定波前的形狀。然而，由于相柵的周 期(并且因此是干涉條紋的間距)不超過幾微米，置于檢測平面中的 面檢測器通常將不具有足夠的分辨率去分辯該條紋，更不用說這些條 紋的最大值的確切位置。因此，具有吸收譜線和與條紋相同的周期p2 和定向的分析柵G2被置于檢測平面中，緊接在檢測器之前。吸收譜線 的透射應(yīng)當(dāng)盡可能低，并且吸收譜線的寬度應(yīng)當(dāng)接近它們之間的間隙 的寬度(占空因數(shù)接近0. 5)，以得到最優(yōu)性能。這種分析柵G2起到 用于檢測器D的透射掩模的作用并且將局部的條紋位置轉(zhuǎn)換成信號強 度變量。所檢測到的強度信號包含關(guān)于由物體0引起的相移的定量信 息。至少可以采用三種方法來提取這個相位信息1)最簡單的方法當(dāng)分析柵G2被置于空裝置(意指沒有樣本的 情況)的干涉條紋圖案中時，其中該分析柵G2具有與光柵劃線和干涉 條紋完全相同的定向和周期，那么透射強度的透射取決于條紋和光柵 劃線在垂直于光柵劃線的方向上的相對位置。在當(dāng)干涉條紋的最大值 與吸收光柵劃線重合的情況下，透射強度達到最小，反之，當(dāng)干涉條 紋的最大值與吸收譜線之間的透射間隙重合時，透射強度達到最大。 如果該位置被選擇成使得透射強度處于這些極值之間，并且理想地接 近最大與最小透射之間的平均值，那么干涉條紋的局部變形將導(dǎo)致局 部透射的變化，該變化與條紋變形成比例。在光柵的上游引入的相位物體將導(dǎo)致透射波前的變形，這又將導(dǎo)致干涉條紋圖案的變形。可以證明地是，這種變形與由物體o引起的相移的導(dǎo)數(shù)成比例。所記錄的圖像因此是微分相村圖像。如需要，相襯圖像可以通過將微分相村圖像在垂直于光柵劃線的方向上積分獲得.上述方法的缺點是i)所記 錄的圖像包含可能的吸收襯度和來自物體0內(nèi)部的邊緣的衍射的襯度。 根據(jù)(微分)相襯成分(contribution)難以區(qū)分這兩者。ii)該方法要求干涉圖案相當(dāng)于分析柵劃線在整個視野中的精確對準(zhǔn)。這尤其 是對于大視野而言難以獲得，并且即使當(dāng)干涉條紋或光柵劃線由于裝 置的機械缺陷或光柵的制作缺陷而變形時也是不可能實現(xiàn)的。2)莫爾干涉測量法在這種模式下，射束分離光柵Gl和分析柵 G2不與其完全彼此平行的譜線對準(zhǔn)，而是根據(jù)考慮，兩個光柵相對于 彼此圍繞光軸具有小旋轉(zhuǎn)角ot。這導(dǎo)致了如圖2所示的一組莫爾條紋。 對于入射平面波(圖2a)，莫爾條紋具有間距Pm = p2 / a (2)并且垂直于兩個光柵的譜線(圖2b)。對于仍為平面的斜波，條紋相 對于平行于光軸的平面波移位(圖2c， d)。對于收斂或發(fā)散波(圖 2e)，莫爾條紋是傾斜的(圖2f)。根據(jù)莫爾條紋最大值的局部位置 或根據(jù)局部莫爾條紋的傾斜，可以相對筒單地獲得波前相位分布的導(dǎo) 數(shù)。側(cè)面莫爾條紋位移Ay和波前相位①之間的關(guān)系為標(biāo)準(zhǔn)的條紋分析方法和軟件可以用于獲得莫爾條紋位置Ay。圖3示出 了實驗數(shù)據(jù)和初步分析的例子。通過在空間分辨率和靈敏度之間權(quán)衡 來選擇兩個光柵的傾斜角oc。在垂直于莫爾條紋的方向的空間分辨率 不能優(yōu)于一個莫爾條紋周期p 。由于&隨a的增加而減小(等式2)， 所以更大的傾斜意味著更好的空間分辨率。但是等式3表明，靈敏度 隨傾斜的增加而減少，即對于給定的相位梯度，a越大則莫爾條紋的 移位越少。干涉儀的波紋操作的主要優(yōu)勢在于，可以從單個圖像獲得 純相位信息，而不帶有任何不需要的吸收襯度。主要缺點在于，在平 行于光柵劃線的方向(垂直于莫爾條紋)的分辨率是小于檢測器像素 尺寸的至少一個數(shù)量級。3)相位階躍避免上述方法的缺點的第三種方法如下為了將相位信息與對信號的其它成分(諸如樣本中的吸收率、不均勻照明或者 光柵的缺陷)中分離出來，在可見光干涉測量法中使用的相位階躍方法適用于這種設(shè)置。在圖4中示出光柵之一沿著垂直于光柵劃線的 橫向方向在光柵的一個周期上被掃描，并且對于掃描的每個點取圖像(圖4a到d)。檢測器平面中的每個像素(x， y)中的強度信號I (x， y)根據(jù)^振蕩(圖4e)。每個像素中的強度振蕩的相位d) (x, y)(圖4f )通過下面的等式與波前相位分布(J) (x， y)相關(guān)嘛力=^，. (4)d)不包含其它成分，尤其是不包含吸收襯度。物體的相位分布由此可以通過簡單的一維積分從d) (x, y)重新獲得，如圖4g所示。在其中 撞擊到物體0上的波前已經(jīng)顯示某種變形的通常情況下，應(yīng)當(dāng)通過將 物體0從射束中去除并且隨后被減去來測量背景相位分布d) back( X， y )。 甚至在相位值的范圍大大超出2tt的情況中，諸如在圖4g的實例中， 相位展開通常不是必需的，因為只要樣本中的相位梯度不是太陡，所 測量的量(J)(實質(zhì)上為d)的第一導(dǎo)數(shù)(等式4))將不會超過7t。通過相位階躍掃描獲得的信息中含有的其它量(每個像素在整個 振蕩上的平均信號a(x， y)(圖4h))與透射X射線照相術(shù)信號是 相同的，如其在沒有干涉儀的X射線照相術(shù)中被測量的那樣。該量包 含投影吸收系數(shù)，并且取決于實驗幾何結(jié)構(gòu)和檢測器分辨率，該量包 含邊緣增強的菲涅耳(Fresnel)衍射村度。因此，單個相位階躍掃描 產(chǎn)生相位和吸收圖像。檢測系統(tǒng)的整個分辨率可以被用于這兩種圖像。 主要的缺點在于以下事實，即必須捕獲數(shù)幅圖像來獲得相位圖像。然 而，這并不是必需意味著必須增加所施加的X射線劑量或曝露時間。圖5示出了通過相位階躍獲得的處理過的X射線照片a(x， y)和 d) (x， y)、積分的相移c!) (X， y)以及吸收和相位信號的重建的X 射線斷層照片和樣本(小蜘蛛)的斷層照相重建折射率的三維再現(xiàn)。邊 緣增強的吸收圖像a (x， y)示出了針對投影(圖5a)和斷層照片(圖 5d)的細節(jié)的強烈對比。但是損失了相位分布的低空間頻率，使得圖 像分割(即，將每個像素或體素分配給樣本的組成材料之一)是不容 易實現(xiàn)的。相位斷層照片(圖5f)展現(xiàn)了清楚的優(yōu)點其像素值是樣 本中的折射率5的縮減的直接量度，并且因此可直接實現(xiàn)定量分析。此外，圖5a和d中的邊緣增強的成行(inline)菲涅耳衍射襯度在較 低分辨率的檢測器上不能觀察到，但是，干涉測量法的相村不受這個 限制。當(dāng)干涉測量法被提高到大視野時，這是至關(guān)重要的，因為有限 數(shù)目的像素將固有地限制空間分辨率。應(yīng)當(dāng)提及的是，執(zhí)行相位階躍有幾種可能性最顯而易見的是根 據(jù)圖6a移動光柵Gl或根據(jù)圖6b移動光柵G2。缺點在于，移動必須以 亞微米精確度完成，并且尤其是當(dāng)使用大光柵來提供大視野時，兩個 光柵的譜線的精確平行的定向被丟失。作為替換方案，也可能將光柵 Gl和光柵G2 —起圍繞沿著光柵劃線方向定向的軸旋轉(zhuǎn)角oc,如圖6c 所示的那樣。這再次允許將光柵Gl和G2相對彼此保持在對準(zhǔn)位置， 或者甚至將這兩個光柵機械固定在一起。最有利的可能性是在垂直于 光軸和光柵劃線的方向上移動源，如圖6d所示。由于這種移動更粗略 并且必須以如與最初的兩個解決方案a和b相比小1/d倍的精確度執(zhí) 行，所述這更容易實現(xiàn)。同樣，允許將光柵Gl和G2保持在對準(zhǔn)位置 并且將它們機械地固定，使得在相位階躍移動期間不能丟失這種對準(zhǔn)。源可以機械地移動或通過將X射線源的電子束偏轉(zhuǎn)來移動撞擊陽 極的電子位置而移動。在X射線管的普通幾何結(jié)構(gòu)的情況下，其中X 射線在淺角下從陽極表面被提取，源點的移動沿著光軸也具有較大的 分量。在此，僅僅垂直于光軸的分量具有相位階躍效應(yīng)。射束在陽極 表面上的總偏轉(zhuǎn)在這種情況下較大，從而降低了對電子束移動的精確 度的要求。如上所述和如圖4所示，相位階躍掃描對于檢測器中的每個像素 產(chǎn)生一系列強度值，由這些強度值可以提取不同的量，尤其是提取每 個像素中的強度振蕩的相位c!)(其涉及通過等式(2)導(dǎo)出波前相位(b ) 和在振蕩期間的平均強度a(其主要對應(yīng)非干涉測量的X射線圖像)。 在下文中，討論在一個相位階躍掃描中需要多少個相位梯級(step)， 以及如何分析相位階躍掃描來提取(J)。相位階躍掃描的范圍應(yīng)當(dāng)(至少)覆蓋一個振蕩周期。在傳統(tǒng)的 相位階躍干涉測量法(即利用可見光)中，光學(xué)分量通常被設(shè)計成使 得對比曲線(例如如圖4e所示)為正弦形的。在這種情況下，在掃描 中取三個點是足夠的。然后，振蕩相位d)的切線可以僅通過獲得信號 差的比率容易地被計算。X射線干涉儀中的情況與常規(guī)情況的區(qū)別在于對比曲線的形狀不 是正弦形的。(對于箱形光柵(box-profile grating)和完全相干的 照明的理想情況來說，對比曲線例如為三角形。)處理這個問題有至 少兩種方式1. 在每個振蕩周期以較多數(shù)目的點執(zhí)行相位階躍掃描。為了針對 每個像素分析相位階躍掃描信號，可以計算其傅立葉變換。傅立葉變 換的第一分量的相位表示振蕩相位d)(巻入幅度7T的半開區(qū)間)。對 于這種類型的分析，相位階躍掃描中的點的最小數(shù)目應(yīng)當(dāng)是不可忽略 的強度的最高傅立葉分量的數(shù)目加上2。2. 在沒有任何樣本的校準(zhǔn)測量中，通過采取具有非常精細的梯級 的相位階躍掃描來測量(每個像素中的)對比曲線。在樣本的成像中， 相位階躍掃描可以利用掃描中的數(shù)個點來執(zhí)行，并且通過使用校準(zhǔn)對 比曲線(例如利用擬合過程)來確定相位cp。當(dāng)比較這兩種方法時，應(yīng)當(dāng)注意，第一種方法具有每次相位階躍掃描 的更多必需點的缺點，但是優(yōu)點在于，較高的傅立葉分量可能被用于 提取附加信息。兩個光柵之間的距離d可以被自由選擇，雖然存在對比最佳的d 值和對比最小的其它d值(參見如下)。如可以從等式(2)看出的那 樣，方法的靈敏度隨著d線性增加。當(dāng)物體與檢測器之間的距離增加 時，選擇較大的d可以導(dǎo)致由于半影模糊引起的空間分辨率的損失。 而且，要求較高程度的側(cè)面相干(參見如下)。當(dāng)選擇光柵間(inter-grating)距離d時，干涉條紋的對比度才艮 據(jù)d周期性變化。對于平面入射波和節(jié)距為p:的純相柵，該相柵的譜 線將相位移位7T，對比度對于奇數(shù)倍的d-p,7(8入)最強，并且在偶數(shù) 倍的d-Pi7(8X)處為零(涉及塔爾博特自成像效應(yīng)的現(xiàn)象)。在下文 中，將任何距離d^np,7(8TO稱為"第n個分?jǐn)?shù)塔爾博特距離"，并 且將距相柵的距離為dn的平面稱為"第n個分?jǐn)?shù)塔爾博特平面"。d 應(yīng)當(dāng)被設(shè)定成給出最大對比度的值，即奇數(shù)的分?jǐn)?shù)塔爾博特距離 (n-l，3，5，…)。對于球形入射波，而不是平面波，上面對于分?jǐn)?shù)塔 爾博特距離的表達式必須被修改成其中l(wèi)是源與Gl之間的距離。對于l〉Xln,，夂與dn,sph之間的差較小。如已經(jīng)提及的那樣，這些條紋的周期和側(cè)面位置都不取決于所用 輻射的波長。就某種意義來說，所述的設(shè)置是無色的，從而考慮到使用來自X射線管的寬帶輻射，而不需要單色儀，該單色儀會僅去掉所用輻射的一小部分并且會因此沒有光子效率。然而，所提出的設(shè)置的兩個方面都取決于光子能量。首先，由于光柵材料的色散，光柵G1的譜線的相移取決于光子能量。引起相移等于7T的奇數(shù)倍的條件并不嚴(yán)格，并且在設(shè)計能量周圍±10%的量級的某個能量帶內(nèi)的輻射可以被接受。從丌的偏移僅影響對比度(但其并 沒有定量地改變干涉圖案)。其次，塔爾博特平面的位置取決于光子能量。但是同樣，光柵G2必須被置于塔爾博特平面的條件也不是非常 嚴(yán)格，從而允許使用處于第一塔爾博特平面中的光柵G2的±10%的量 級的某個能量帶內(nèi)的輻射。這種條件對于較高的光柵距離變得更嚴(yán)格。 應(yīng)當(dāng)提及的是，物體的折射率同樣取決于所用的光子能量。然而， 在被包含在樣本中的元素在所用的光子能量帶的范圍內(nèi)不具有吸收邊 緣的條件下，重建的相位投影和斷層照片仍然是定量的。在這種情況 下，樣本的所有部分具有相同的色散關(guān)系，即，折射率的實部隨E—2變化。前面部分的考慮表明，由光柵G2的結(jié)構(gòu)引起的相移應(yīng)當(dāng)接近于7T 的奇數(shù)倍，并且光柵Gl與光柵G2之間的距離應(yīng)當(dāng)接近于奇數(shù)的分?jǐn)?shù) 塔爾博特距離dn,sph。相移和分?jǐn)?shù)塔爾博特距離都取決于所用的輻射的 波長。因此，重要的是，光柵結(jié)構(gòu)和在光柵Gl與光柵G2之間所選的 距離彼此匹配，這意味著實現(xiàn)相同波長的條件。而且，如果該波長與 所用的X射線源的陽極材料的發(fā)射譜線重合，則是有用的。如上所述， 與其它干涉測量方法相比，可接受的帶寬較寬。特別是，帶寬寬到足 以接受一系列的發(fā)射譜線(例如，以8.048、 8. 028和8. 905 keV光子 能量發(fā)射的Cu,， Cu-K(2和Cu-M普線，或以17.479、 17. 374和19. 608 keV 光子能量發(fā)射的Mo-恥，恥-K(2和Mo-"譜線，或以22. 163、 21. 990和24. 942 keV光子能量發(fā)射的Ag-Kd， Ag-K(2和Ag-Ks譜線)。所述的設(shè)置要求僅在垂直于光軸A和垂直于光柵劃線的方向上的 空間相干。在該方向上，最小所需相干長度t為(6)Pl 。如果光柵G2被置于第一折射塔爾博特平面，那么t=Pl/2。對于在數(shù)個微米范圍中的光柵周期，t因此為一個微米級。如前所述，以波長入=0.1 nm發(fā)射的并且被放置在距射束分離光柵Gl的距離1 = 1 m的源的 尺寸應(yīng)當(dāng)沿著垂直于光柵劃線的方向小于0.1 mm。較小源的使用將增 加空間相干，從而導(dǎo)致相襯的改善。由于在沿著光柵劃線的方向上的 相干性方面沒有限制，所有線源可以被使用.在醫(yī)學(xué)X射線成像中，其中厚度為多個厘米的樣本被觀察，X射線 在樣本中的散射在檢測器上生成擴散背景強度，這種強度降低了所獲 得的對比度和圖像質(zhì)量。因此，通常被稱為防散射濾線柵的校準(zhǔn)吸收 體(collimating absorber)陣列被安裝在檢測器前面，以阻塞已被 偏轉(zhuǎn)相當(dāng)大的角的輻射。這種柵格可以是二維陣列的吸收結(jié)構(gòu)或者是 一維陣列。在此所述的光柵干涉儀裝置中，光柵G2包括5至10微米 厚(取決于所用的光子能量)的結(jié)構(gòu)，以提供足夠的X射線吸收，并 且這些結(jié)構(gòu)同時具有一個微米級的寬度。因此，這些結(jié)構(gòu)的長寬比通 常遠大于一。光柵G2因此可以起到防散射濾線柵的作用。同樣，原則 上，X射線成像系統(tǒng)的防散射濾線柵可以被用作基于光柵的干涉儀中的 分析器，雖然這會要求防散射濾線柵的周期小于通?？捎孟到y(tǒng)的周期。在要求多個厘米的視野的多個X射線成像應(yīng)用中(諸如在醫(yī)學(xué)診 斷中)，X射線束的發(fā)散角是相當(dāng)大的，因為源不能被放置在距離檢測 器太遠的距離處。由于干涉儀中的光柵結(jié)構(gòu)(尤其是光柵G2)的高長 寬比，在靠近視野的邊緣的某些區(qū)域中的射束可以在非常大的角度下 通過光柵。僅僅圖1的下面部分的繪圖中的有角度分量具有這種效應(yīng)。 為了完全避免這個問題，光柵結(jié)構(gòu)必須如圖7a到d所示的那樣被彎曲 或成曲線，或者必須應(yīng)用具有適當(dāng)定向的光柵的掃描方案。為了處理 遠離射束錐或扇形的中心的射線將被如圖7a)所示的、平深光柵(flat deepgrating)的譜線阻隔的問題，可以應(yīng)用不同的解決方案。圖7b ) 示出了通過將彎曲平面襯底上的光柵劃線的方案。圖7c)示意性示出 了將光柵劃線放置在彎曲的表面上。最后，圖7d)示出了近似彎曲的 幾何結(jié)構(gòu)的平面光柵的各段的方式。除了全域(full-field)射線照相系統(tǒng)以外，在該系統(tǒng)中使用二 維X射線檢測器來獲得樣本的投影圖像，掃描系統(tǒng)也可用于醫(yī)學(xué)X射 線成像。如圖8所示，位于源XS與樣本O之間的狹縫S產(chǎn)生扇形射束， 并且可以使用一維線檢測器Dm該一維線檢測器D,的元件對準(zhǔn)該扇形。通過掃描穿過扇形射束的樣本，或通過掃描跨越樣本的射束并將線檢測器Dt與射束一起移動來獲得樣本O的二維投影。檢測器D,在掃描期間在不同的位置被讀取并且逐條線地產(chǎn)生二維圖像。雖然機械裝置更復(fù)雜，但是掃描方案與二維裝置相比具有一些重要的優(yōu)點i)抑制了漫散射而不需防散射濾線柵，因為狹縫S(與源斑點的有限尺寸一起)充當(dāng)準(zhǔn)直儀，ii)與二維檢測器相比， 一維檢測器具有較低的成本和較高的檢測效率。如圖8所示，基于光柵的相襯也可被用于掃描方案。優(yōu)點在于，與磁全場成像方案相比，只在較小面積上要求光柵，這將明顯降低成本。光柵劃線相對于扇形射束的兩個可能的定向被示出，即光柵結(jié)構(gòu)沿著狹縫方向(上)或光柵劃線垂直于狹縫方向(下)。在圖8的上面部分所示的布局的優(yōu)點在于，其避免了錐形射束的問題(參見上面部分)。圖9示出了含有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA,直徑為1. 5 mm)和鋁(直徑為1. 0咖)的測試樣本的X射線圖像。圖像使用標(biāo)準(zhǔn)的、密封 的X射線管源來記錄，該X射線管源具有以40keV的電子能量和25 mA 的陽極電流在行聚焦模式(8 mm x 0.04 mm)下工作的Mo陽極，該X 射線管源被置于距離射束分離相柵Gl為1 = 1.7 m的距離處。對于 Mo-K〈發(fā)射譜線，沿著較小源尺寸(c = 0. 04 mm)的相干長度在Gl的 位置處為t-入 l/c〕3 ym。兩個光柵Gl和G2具有p產(chǎn)3.94pm和 p2=2. 0lim的周期。這兩個光柵的間距為第一分?jǐn)?shù)塔爾i特距離d，28. 4 mm。除了支撐光柵的500 pm厚的硅襯底之外，沒有其它濾波器被插入 X射線束中。這意味著，整個Mo K發(fā)射系列和大部分韌致輻射光譜貢 獻于圖像形成。檢測器是具有約30jLim的有效像素尺寸的光纖耦合的 CCD (Photonic Science />司制造的"Hystar"型號)。數(shù)據(jù)通過在 一個振蕩周期上具有17個梯級的相位階躍來捕獲，其中針對每個CCD 幀的曝露時間為50s。在傳統(tǒng)的振幅對比圖像中，鋁球清晰可見(圖9a)。塑料球的吸 收系數(shù)比鋁的吸收系數(shù)低約20倍。在相位梯度和集成相位(integrated-phase)圖像(圖9b、 c)中，塑料球的對比度顯著增 加。由于上述的空間相干的要求，源的幾何結(jié)構(gòu)的選擇被限于位于距 樣本距離遠的相對窄的線源。這導(dǎo)致了低X射線通量密度，并因而導(dǎo) 致了長的膝露時間。下面的部分描述了可以以較高的通量密度記錄相 襯圖像的裝置。在圖10中示出了所提出的設(shè)計的示意性設(shè)置。與前面描述的、圖1中所示的干涉儀的區(qū)別是由N個線源的陣列組成的X射 線源。線源沿著光柵劃線定向，并且每條源線的寬度被選擇得足夠窄， 以在垂直于光柵劃線的方向上提供足夠的空間相干。因而，每個線源 固有相干，而譜線可以互不相干.相鄰源線的間距(即源陣列的周期 p。)被選成使得沿著垂直于光柵劃線的方向通過兩個相鄰虛擬線源產(chǎn)生 的干涉圖案的移位恰好為p2。針對以下等式滿足這個條件A)"2X+. (7)源陣列、射束分離光柵和分析柵的周期p。、 Pi和P2之間的關(guān)系是另一有用的關(guān)系是，對于在第n個分?jǐn)?shù)塔爾博特距離的操作，源陣列 與射束分離光柵之間的距離1為該裝置也為是p。的整數(shù)倍的源陣列周期工作。源陣列的尺寸c可以遠 大于單獨線源的寬度s。源陣列的占空因數(shù)DC-s/ p。確定了在垂直于 干涉儀光柵劃線的方向上的橫向相干的程度。所有N個虛擬線源的干 涉圖案不相干地疊加(因為虛擬線源互不相干)，但是可保留對比度。 因此，與單個線源相比，通量密度增加了 N倍。還有用的是，應(yīng) 當(dāng)注意，根據(jù)等式(6)的相干要求，該設(shè)置導(dǎo)致了去耦由于半影模糊 引起的分辨率限制5pen-cd/l，其(與t-入1/s —起)成為s<lPl/(4d)。 對于波前的情況，其中P2-p72，由等式(7)可以顯而易見，這導(dǎo)致 了 DC-0.5的最大占空因數(shù)，超過該占空因數(shù)，對比度將受空間相干 的限制。上述源陣列可以以各種方式獲得1 ) 可以在陽極表面上產(chǎn)生電子行聚焦陣列。2) 可以使用陽極表面，根據(jù)地形構(gòu)造該陽極表面，或該陽極表 面由不同材料的區(qū)域組成。3) 也可能產(chǎn)生單個行聚焦或點聚焦，其跨越陽極表面被掃描，2;i A*十p2 ，當(dāng)求解P。時，這尤其有用18以產(chǎn)生(在時間上平均的)行陣列。與在相同平面上保留單個斑點相 比，這種方案的一個優(yōu)點在于，由于提高了熱耗散，可以存放更多的 能量，而不會損壞陽極。另一優(yōu)點在于，源陣列的周期可以通過電子射束偏轉(zhuǎn)被調(diào)諧，以針對不同的1/d值匹配等式(7)。而且，射束偏 轉(zhuǎn)可用于使源陣列跨越陽極移位，以執(zhí)行相位階躍。4 ) 最簡單的方法是在大X射線源前面放置狹縫陣列(即振幅光 柵)，以產(chǎn)生虛擬線源陣列。在圖11中示出了這種設(shè)置的示意圖。在 這里，源光柵的開放部分(open fraction)或占空因數(shù)DC確定了空 間相干的程度。對于較小的DC值，相位圖像的對比度通過通量密度的 減少來提高。例如，計算典型的參數(shù)集對于入=0. 1 nm的波長、Pl— ym的周期并針對Gl與G2之間的距離選擇第一分?jǐn)?shù)塔爾博特距離，獲 得dn〕Pi7(8X)-20mm。對于源與射束分離光柵Gl之間的距離1=1 m， 獲得p2=2. 04 Mm和p。=102 Mm。如果源的尺寸為1 nun x 1 mm,狹縫陣 列產(chǎn)生約N=10個虛擬線源，這導(dǎo)致了通量密度比具有單個的、未構(gòu) 造的0. 1 x 1 mm的線源的設(shè)置高10倍'在前面的具有單個源的兩個光柵干涉儀的上下文的部分中所述的 考慮對于具有陣列源的設(shè)置也有效。通過移動源來執(zhí)行相位階躍掃描 的可能性必須在如下情況下才能被概括是整個陣列的源應(yīng)當(dāng)為了相 位階躍被移動。當(dāng)狹縫陣列被用于產(chǎn)生源陣列時，狹縫陣列孔應(yīng)當(dāng)與 源一起移動，或者它甚至可以被單獨移動，而源保持固定于空間的。圖12示出了在與圖9中所示的條件(也就是利用實驗室X射線源) 相同的條件下獲得的圖像。重要的區(qū)別在于，這次使用了大小為0.8 mm x0.4 mm的源，這極其大，以針對干涉測量相襯提供橫向相干。通過 安裝周期為P。-127Mm和占空因數(shù)近似為DC=0.25的另外的源光柵， 產(chǎn)生具有足夠橫向相干的虛擬線源陣列。在這個部分，詳細列出了特別適于相襯X射線成像的配置。這些 配置針對兩個不同的應(yīng)用來設(shè)計桌面微型斷層掃描術(shù)和乳房X線照 相術(shù)。后者可以用全域裝置或掃描裝置實現(xiàn)。一種用于相襯桌面斷層照相術(shù)系統(tǒng)的基于光柵的干涉儀由下列部 件組成 發(fā)射譜線在5到10 keV范圍中的旋轉(zhuǎn)陽極或密封管類型的X射 線源。合適的陽極材料包4舌Ti、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu和Ge。在這個實例中，設(shè)計波長被選為入=0.154 mn，其在8.0 kev的能量 處對應(yīng)于Cu-Ka發(fā)射譜線?？梢砸杂行Х绞酵瑫r使用兩條K。譜線(在 入=0. 1540 nm的Cu Kal，在入=0. 1544 nm的Cu Ka2)。
二維數(shù)字X射線檢測器，其被置于距離源0.3-1.5 m(通常為 0.8 m)的距離處。檢測器的像素數(shù)目應(yīng)當(dāng)在500 x 500到4000 x 4000 之間，通常為2000 x 2000。檢測器的視野應(yīng)當(dāng)在5到30 mm之間，通 常為10 mm。因而，檢測器的像素尺寸通常為5ymx5pm。 檢測器的中心和源的中心限定了光軸。光軸可以采用任何方向， 但是水平軸是最有利的。-具有垂直于光軸的旋轉(zhuǎn)軸的可旋轉(zhuǎn)樣本固定器被放置在源與檢 測器之間，使得樣本可以被安裝成其重心靠近光軸。樣本與源之間的 距離被稱為a，樣本與檢測器之間的距離被稱為b。 相柵和吸收光柵被直接放置在檢測器前面。分析柵的周期P2應(yīng) 當(dāng)被選為小于檢測器像素尺寸，使得檢測器的空間分辨率可以被完全 使用。對于5Mm的像素尺寸，節(jié)距P2因此應(yīng)當(dāng)是小于3或4pm,通常 為P2-lpm。在這種情況下，并且人=0. 154 nm和1 = 0. 8 m，對于在 笫一分?jǐn)?shù)塔爾博特距離(即在光柵間距離d=3. 23 mm(等式5))中 的操作，相柵的周期應(yīng)當(dāng)是P^ 1. 992 ym (等式8和10)。如果硅被 用作射束分離光柵的材料，那么要求10.2Mm的光柵深度，以獲得Ti 的相移。10. 2 Mm的Si的強度透射為86.6%,使得具有該厚度和0.5 的占空因數(shù)的Si光柵的透射為93. 3%。如果聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 被用作射束分離光柵的材料，那么理想的光柵深度為l8. 7ym。這種光 柵的強度透射是99. 3%(對于0. 5的占空因數(shù))。使用其它聚合物可以 得到類似的數(shù)字。對于吸收光柵，如果金被作用該材料，6ym的厚度 會保證大于90%的吸收，而12pm的厚度會導(dǎo)致光柵劃線中的大于99 %的吸收。-排成陣列的源，例如通過狹縫陣列孔在技術(shù)上實現(xiàn)。在這種情 況下，狹縫陣列周期應(yīng)當(dāng)為p。= 0.248 mm (由等式10獲得)，給出以 下條件，即半影模糊不應(yīng)超過像素尺寸，則陣列的(在垂直于狹縫的 方向上的)最大尺寸0=1.24 mm，給出相干要求，則每個狹縫的最大 間隙尺寸為0. 124 mm (即DC = 0. 5 )。一種用于相襯全域數(shù)字乳房X線照相術(shù)(FFDM)系統(tǒng)的基于光柵的干涉儀可以包括下列部件.具有發(fā)射譜線在15-25 keV區(qū)域中的陽極的、旋轉(zhuǎn)陽極或密封 管類型的X射線源。陽極材料可以是Nb、 Mo、 Rh、 Pd或Ag。在該實例 中，選擇設(shè)計波長入=0. 056 nm，其對應(yīng)于在22 keV能量的Ag-K〈發(fā)射 (在入=0. 0559 nm的Ag Kal，在入=0. 0564 nm的Ag Ka2)。整個設(shè) 備的設(shè)計可以基于常用的(吸收襯度)FFDM系統(tǒng)，源陣列、射束分離 器和分析器作為新的、不同的元件。.Pd或Rh或X射線吸收邊緣在23 - 30 keV能量范圍中的另一材 料并且厚度為20到100ym之間(通常為50Mm)的濾波器可被用于抑 制光譜的不期望部分?！鐾ǔＳ糜谌榉縓線照相術(shù)篩選系統(tǒng)的、具有壓縮葉片的機架包 括二維數(shù)字平面平板X射線檢測器，其被放置在距離源0.5-1.0 m的 距離處(正好在機架的下面(即，下游))。在這里，采用1.0 m的 距離。檢測器的視野應(yīng)當(dāng)不再遠小于(200 mm) 2，優(yōu)選地約為240 x 300 mm2 (即，在傳統(tǒng)的乳房X線照相中的通常使用的最大膠巻暗盒的 尺寸)。檢測器的像素尺寸在每維中通常為50到100nm之間，使得 檢測器具有(2500 ) 2到(5000 ) 2之間的像素。(這些是FFDM的大多 數(shù)可在市場上獲得的檢測器的特征。)在這里，假設(shè)70Mm的像素尺 寸。-針對光柵周期、源陣列尺寸和距離的參數(shù)的合適集合為p2=3 jum (分析柵的周期)，pt = 8. 4 jam (相柵的周期)，p。=26.6pm (虛 擬線源的間距)。在源陣列與相柵之間的距離1 = 1.0 m的情況下，第 一分?jǐn)?shù)塔爾博特距離為d,74.8mm。利用這些參數(shù)，源陣列的總尺寸 應(yīng)當(dāng)不超過O. 4mm，即虛擬線源的最大數(shù)目為15。對于相柵，如果鎳 被用作材料，則實現(xiàn)7T的相移所要求的厚度是7. 7pm,從而導(dǎo)致(對 于0. 5的占空因數(shù)的)92. 6%的平均強度透射。(如果由金制成的)分 析柵應(yīng)當(dāng)具有20ym的最小厚度，這在光柵劃線中產(chǎn)生90%的吸收。在(可能基于現(xiàn)有的非干涉測量狹縫掃描系統(tǒng)的)狹縫掃描乳房X 線照相裝置中，源的材料、距離和光柵周期可以被選擇成與上面的FFDM 實例相似或相同。下面的項目相對于FFDM裝置是不同的或是附加的-由強吸收材料制成的第一準(zhǔn)直儀(一個狹縫或狹縫序列)應(yīng)當(dāng) 被安裝在源與物體位置之間。該準(zhǔn)直儀與排成陣列的虛擬源的斑點一 起限定了扇形射束。 由強吸收材料制成的第二準(zhǔn)直儀狹縫應(yīng)當(dāng)正好被安裝在干涉儀 光柵上(即，在其上游)。 檢測器可以是線陣列檢測器，例如直接檢測檢測器。檢測器元件應(yīng)當(dāng)具有非正方形的形狀，沿著檢測器元件的線具有25到100Mm 之間的尺寸(對應(yīng)于所期望的分辨率)并且在其它維具有若干毫米(對 應(yīng)于準(zhǔn)直儀狹縫的寬度). 準(zhǔn)直儀狹縫、干涉儀光柵和檢測器應(yīng)當(dāng)彼此平行。干涉儀光柵 的譜線應(yīng)當(dāng)平行于扇形開放平面。 準(zhǔn)直儀和檢測器可以圍繞源陣列(垂直于扇形開放平面)在大 得足以覆蓋在FFDM裝置中提及的一維視野的角度范圍上旋轉(zhuǎn)。為了捕 獲乳房X線照片，這些部件將被一起掃描。所有上面的考慮可以被應(yīng)用于類似所呈現(xiàn)的干涉儀的干涉儀，區(qū) 別僅在于射束分離光柵G1不是相柵，而是吸收光柵，即它們的諳線強 烈吸收X射線。使用吸收光柵作為射束分離器與使用相柵相比是不利 的，因為完美的吸收光柵(完全不透明的語線，占空因數(shù)正好為0.5) 僅將20%的入射強度輸送到負(fù)和正第一級次，并且剩下的50%的一半 進入零級次或射束的非衍射部分，從而有助于在物體或患者中沉積的 背景信號和/或輻射劑量。相柵具有4倍多的效率。但是，對于可以容 忍這些缺點和/或不可使用相柵的許多應(yīng)用，將吸收光柵用作射束分離 器是有意義的。在這種情況下，對于上述的干涉儀設(shè)計的所有考慮利用下面的修 改而保持有效G1和G2的周期之間的關(guān)系不同。等式l (部分3.1)變成 對比度最佳的塔爾博特距離對于平面照射波為cV = nPl2 /入，并且對于球形波為<formula>formula see original document page 22</formula> _z-^ ""V"，其代替了等式(5)。P。、P!和P2之間的關(guān)系(等式8)變成<formula>formula see original document page 22</formula>
權(quán)利要求
1.一種用于獲得定量相襯圖像的X射線、尤其是硬X射線干涉儀，其包括a)X射線源(XS)，優(yōu)選為標(biāo)準(zhǔn)多色X射線源，b)不同于布拉格晶體的衍射光學(xué)元件(G1)，優(yōu)選為透射幾何結(jié)構(gòu)的衍射光學(xué)元件(G1)，該衍射光學(xué)元件(G1)在下文被稱為射束分離器，以及c)具有在空間上調(diào)制過的檢測靈敏度的位置靈敏檢測器(D)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的干涉儀，其中，射束分離器為線光柵或 二維構(gòu)造的光柵(G1)，優(yōu)選為相柵；即具有低X射線吸收、但是具有相當(dāng)大的X射線相移的光柵，相移優(yōu)選為TT或丌的奇數(shù)倍。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的干涉儀，其中，充當(dāng)射束分離器的相 柵通過深蝕刻到硅中或由聚合物制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的干涉儀，其中，分析器為具有高X射線吸 收襯度的一維或二維光柵結(jié)構(gòu)(G2)，該光柵結(jié)構(gòu)被放置在靠近檢測 器(D、 的前面；優(yōu)選地，該光柵結(jié)構(gòu)用作防散射濾線柵，或防散 射濾線柵被用作調(diào)制掩模。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的干涉儀，其中，分析柵(G2)通過將 重金屬沉積到低吸收結(jié)構(gòu)的間隙中來制成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的干涉儀，其中，分析器的周期和射束分離器的周期通過關(guān)系A(chǔ) =4^，'，與入射波前的曲率半徑相配，其中P,是射束分離器的周期；P2是分析器的周期；d是射束分離器(Gl)與 分析器(G2)之間的距離；而1是X射線源(XS)與射束分離器(Gl) 之間的JE巨離。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的干涉儀，其中，射束分離器與分析器 之間的距離被選為奇數(shù)的分?jǐn)?shù)塔爾博特距離，該奇數(shù)的分?jǐn)?shù)塔爾博特距離由=yr^=/— .A2/(8;i〉給出，其中n-1,3,5，...。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或7所述的干涉儀，其中，射束分離光柵的 相移和射束分離光柵與分析器之間的距離適應(yīng)于光子能量，該光子能量對應(yīng)于被用作源的x射線發(fā)生器的發(fā)射譜線。
9. 根據(jù)權(quán)利要求i所述的干涉儀，其中，機構(gòu)被包括來圍繞光軸 改變射束分離器相對于分析器的角定向，使得所期望的周期的莫爾條紋被觀察到，或者莫爾條紋被最小化或被完全抑制。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的干涉儀，其中， 一維或二維相位階躍掃描通過側(cè)面橫向移動輻射源或位于輻射源前面的孔、射束分離器、或者分析器或通過相對于x射線源傾斜干涉儀來實現(xiàn)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的干涉儀，其中，機構(gòu)被包括來將要被研究的樣本(0)放置在源(XS)與射束分離器(Gl)之間或者在射束分 離器(Gl)與分析器(D, D,)之間。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的干涉儀，其中，檢測器(D)在兩個維 度中對位置靈敏，并且射束分離器(Gl)和分析器(G2)的側(cè)面尺寸 覆蓋檢測器(D)的活動區(qū)的重要部分。
13. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的干涉儀，其中，放置在源與射束分離器 之間的準(zhǔn)直儀將照射X射線的空間范圍限制為扇形射束，線陣列檢測器 被使用，并且機構(gòu)被包括，該機構(gòu)允許相對于設(shè)備的其余部分垂直于扇形的張開角而線性掃描樣本。
14. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的干涉儀，其中，X射線源包括單獨的物 理源或虛擬源的一維和二維陣列，所述物理源或虛擬源可以互不相干并且其側(cè)面分隔p。優(yōu)選地通過A)-^xf或其整數(shù)倍給出。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的干涉儀，其中，源陣列通過具有線狀 或點狀開口的孔眼掩模(S)產(chǎn)生。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的干涉儀，其中，源陣列通過電子光學(xué) 裝置產(chǎn)生，該電子光學(xué)裝置在X射線源的陽極上產(chǎn)生電子線或點聚焦陣 列。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的干涉儀，其中，源陣列通過電子光學(xué) 裝置產(chǎn)生，該電子光學(xué)裝置跨越X射線源的陽極表面掃描單個線或點聚 焦。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的干涉儀，其中，源陣列通過使用包括 陽極的X射線源來產(chǎn)生，該陽極由不同的材料根據(jù)地形或以鑲嵌方式組 裝地被構(gòu)造。
19. 根據(jù)權(quán)利要求l或ll所述的干涉儀，包括用于將樣本相對于剩 余的部件旋轉(zhuǎn)以便為斷層照相掃描執(zhí)行數(shù)據(jù)收集的裝置。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1或10所述的干涉儀，其中，針對相位階躍掃描 數(shù)據(jù)執(zhí)行分析過程，該分析過程包括以下步驟針對檢測器的每個元件計算傅立葉變換或在元件中測量的強度曲線的至少一個傅立葉分 量，并且然后將一個或多個傅立葉分量的相位保留作為用于將來處理 的信號。
21. 根據(jù)權(quán)利要求1或10所述的干涉儀，其中，針對相位階躍掃描 數(shù)據(jù)執(zhí)行分析過程，該分析過程包括以下步驟針對檢測器的每個元 件將在元件中測量的強度曲線擬合到在沒有所研究的射束變形的情況 下分開被模擬或測量的強度曲線，其中至少一個擬合參數(shù)是曲線沿著 掃描的位置軸的移位。
22. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一權(quán)利要求所述的干涉儀，其中，射 束分離器是吸收光柵。
全文摘要
公開了一種X射線干涉儀裝置，其僅包括一個相柵(G1)和一個振幅光柵(G2)。這種干涉儀可以被用于利用標(biāo)準(zhǔn)X射線管獲得相襯圖像。另外，新型干涉儀可以使用由單獨的子源的陣列組成的源。每個子源單獨相干但是與其他子源互不相干。子源陣列可以通過將狹縫陣列、即附加的振幅光柵(GO)靠近源放置來產(chǎn)生。這種裝置使得將這種類型的干涉儀與不提供空間或時間相干的源一起使用成為可能。因此，該裝置可以和被置于檢測器的較短距離處的較大源一起使用，從而導(dǎo)致較高的通量密度和因此較短的曝露時間。這對于要求在多個(數(shù)百個)視角下捕獲物體圖像的斷層照相術(shù)特別重要。
文檔編號G01N23/04GK101257851SQ200680029434
公開日2008年9月3日 申請日期2006年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月6日
發(fā)明者C·戴維, F·普費弗, T·韋特坎普 申請人:保羅·謝勒學(xué)院