CN101011253B - 产生投影或断层造影的相位对比照片的焦点-检测器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生投影或断层造影的相位对比照片的X射线设备(1)的焦点-检测器装置(F，D)。按照本发明，相位光栅(G₁)在其栅条(S)之间的栅空(L)内填加其在关键能量区域内的线形衰减系数比栅条高的填料(B)，其中，一方面可以将填料(B)的高度(h_xF，h_xyF)设计成，使得用于测量相位移的能量的X射线产生一个在X射线中的相位移(

)，致使在经过相位光栅(G₁)后穿过栅条(S)的射线(a)与穿过带有填料(B)的栅空(L)的射线b相比具有半个波长(λ/2)的相位移，以及另一方面将填料(B)的高度(h_xF，h_xyF)设计成，使得至少针对用于测量相位移(

)的能量X射线在穿过栅条(S)时和穿过填料(B)时的衰减相同。

Description

产生投影或断层造影的相位对比照片的焦点-检测器装置

技术领域

本发明涉及一种用于产生检查对象的投影或断层造影的相位对比照片的X射线设备的焦点-检测器装置，其具有一个用于产生X射线辐射以及透射检查对象的辐射源、一个在射线途径内安置在检查对象之后的相位光栅和一个分析检测系统，所述相位光栅产生一个在X射线辐射的预定能量区域内X射线的干涉图形，所述分析检测系统分辨位置地针对相位移检测由相位光栅产生的干涉图形。

背景技术

这类用于产生检查对象的投影或断层造影的相位对比照片的焦点-检测器装置通常是已知的。例如，可以参见欧洲专利申请EP1447046A1和未在先公开的带有案卷号102006017290.6、102006015358.8、102006017291.4、102006015356.1以及102006015355.3的德国专利申请。

为了通过电离射线、尤其通过X射线来成像，基本上可以考虑两种在辐射穿过物质时出现的效应，即，通过检查对象的辐射的吸收和相位移。还已知，在射线穿过检查对象时的发生相位移对所穿越物质的厚度和成分方面的微小差别的反应明显比对辐射的吸收强得多。为了进行这种相位对比-射线照相或相位对比-断层造影必须分析由检查对象引起的相位移。在此，与传统的吸收率对比-射线照相及吸收率对比-断层造影类似，不仅可以制成相位移的投影图像，而且可以从多个投影图像中计算出相位移的断层造影表示。

不能直接确定X射线波的相位，而只能通过与基准波的干涉来确定。相对于基准波或者相对于相邻射线的相位移可以通过采用干涉仪的光栅来测定。有关干涉仪的测量方法可以参考前面所引用的文献。在这些方法中，用相干的X射线透射检查对象，随后引导X射线通过一带有与辐射的波长相适配的栅条高度(Steghoehe)的相位光栅，由此产生干涉图形，该干涉图形取决于在检查对象体内产生的相位移。通过后续的分析检测装置对该干涉图形进行测定，由此可以位置分辨地确定相位移。

对此，原则上要注意如下内容：

经过随机过程从实验室X射线源(例如X射线管、次级靶、等离子体源、放射源)以及也从第一至第三代传统的同步加速辐射源发射X射线光子。因此，所发射的X射线辐射本身不具有空间相干性。但是当观察角度足够小时，X射线源的辐射如在空间中相干辐射那样在相位对比射线照相及相位对比断层造影或者任意干涉实验中实现，在所述观察角度下，为观察者、对象、光栅或检测器显现所述辐射源。作为衡量一个外展X射线源的空间或横向相干性的参数列举所谓的空间相干长度L_c：

$L_c=\mathrm{\λ}\frac{a}{s}.---\left(1\right)$

其中，λ是辐射的波长，s是横向的辐射源尺寸，a是辐射源与观察点的距离。有些作者也将上面所定义的数值的一半称为空间相干长度。精确的数值是次要的；重要的是，与从中发出的射线应该相互干涉的空间范围的(横向)尺寸相比，相干长度L_c要大。

在本专利申请的意义上可以将相干辐射理解为这样的辐射，即，该辐射在X射线光学光栅的给定几何形状以及给定间距的情况下导致形成干涉图形。当然，所述空间相干性以及进而空间的相干长度总是通过三个参数(波长、辐射源尺寸以及观察距离)确定。在紧凑表达方式的意义上实际情况是简略到如“相干的X射线辐射”、“相干的X射线辐射源”或“用于产生相干的X射线辐射的点源”等概念上。这些简略是基于，在此所讨论的用途中X射线辐射的波长或能量E一方面通过对检查对象所期望的透射能力以及另一方面通过在实验室X射线源内可利用的频谱来限制。辐射源与观察点之间的距离a在用于无破坏的材料检验或医学诊断中要受到一定的限制。因此，多数情况下辐射源尺寸s是唯一的自由度，即使在此辐射源尺寸与管功率之间的关系是有紧密界限的。

对小的或点状辐射源的要求导致，可以采用的强度相对较小。因此，为了提高强度还建议，采用一个具有相对大面积的焦点的X射线源以及在焦点与检查对象之间的射线途径中采用一个X射线光学吸收光栅、一个所谓的源光栅。大面积的焦点允许采用更大的以及进而功率更强的X射线源。源光栅的狭窄缝隙或栅空用于保持所有从同一个缝隙中射出的射线所要求的空间相干性。缝隙宽度必须满足从方程(1)得出的对于横向辐射源尺寸s的数值要求。在光子从源光栅的缝隙到缝隙之间在按照：

g₀/g₂＝l/d(2)

适当地使源光栅周期g₀和干涉图形周期g₂以及源光栅G₀与相位光栅G₁之间的距离l和相位光栅G₁与干涉图形之间的距离d相协调时，至少可以实现将驻波场的最大值与最小值在强度方面的正确叠加。

在本专利申请的简略表达方式中与此相关地采用“近似相干辐射”或“近似相干辐射源”的概念。

辐射随时间或纵向的相干性是随X射线辐射或X射线辐射源的单色性出现的。特性线的X射线辐射对于在此所讨论的用途多数具有足够的单色性及随时间的相干长度。连接在前的单色仪或者通过相位光栅的栅条高度选择共振能量也可以从阻滞辐射频谱或同步加速频谱中过滤出足够狭窄的频谱区以及进而满足对在本装置内随时间变化的相干长度的要求。

在这种对干涉图形进行的测量中存在的问题是，需要在相位光栅之后出现尽可能清晰的干涉现象，以便能够以足够的精度测量该干涉现象。但是在采用普通的X射线管时提供宽频谱的X射线辐射，而只是在一个限定的能量范围内的辐射才有助于产生由相位移引起的干涉图形。因此有时出现一种与所要测量的干涉图形相比相对高的背景噪声。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于借助于相位光栅产生投影或断层造影的相位对比照片的焦点-检测器装置，其可以产生尽可能清晰的干涉图形。

发明人认识到，为了达到在一个焦点-检测器装置至少有助于产生尽可能强的干涉图形以及进而产生相位测量的一个尽可能大的信噪比，被干涉的辐射份额的强度大小要尽可能相同。此外还认识到，这种情况在射线穿过相位光栅时是可以准确达到的，为此将已知由大量的周期性地布设的栅条和位于栅条之间的栅空组成的相位光栅设计为：一方面作为用于在穿过栅条和栅空的相邻射线之间产生干涉图形的基本条件产生一个π或λ/2的相突变，但是另一方面又使透射过栅空的辐射强度与透射过栅条的辐射强度尽可能相同。

为此，发明人建议，将相位光栅的栅条高度和位于栅空内的填料设计为，使得不仅出现希望的相突变，而且出现辐射的衰减相同，而与其是穿过栅条或带有填料的栅空无关。

据此，发明人建议，将一种已知的用于产生检查对象的投影或断层造影的相位对比照片的X射线设备的焦点-检测器装置，其组成至少如下：

-用于产生X射线以及透射检查对象的辐射源，

-在射线途径内安置在检查对象之后的相位光栅，该相位光栅产生在X射线的预定能量区域内X射线的干涉图形，

-分析检测系统，该分析检测系统至少分辨位置地检测由相位光栅产生的干涉图形的相位移，

这样地改善，使得其具有如下的特征：

-所述相位光栅在其栅条之间的栅空内应该具有其在关键能量区域内的线形衰减系数比栅条高的填料，

-一方面应该将所述填料在栅空内的高度尺寸设计成，使得用于测量相位移的能量的X射线辐射产生一个在X射线辐射中的相位移，致使在经过相位光栅后穿过栅条的射线与穿过带有填料的栅空的射线相比具有该X射线辐射的半个波长的相位移，

-以及另一方面应该将所述在栅空内的填料的高度尺寸设计成，使得至少在用于测量相位移的能量范围内的X射线辐射在穿过栅条时和穿过填料时的衰减分别相同。

通过相应地进行适合于制造光栅的材料和适合于填充栅空的材料实验并不难于实现这种光栅材料的栅条高度与填料高度的协调。作为替换，自然也存在如下可能性，即，从已知的吸收系数和折射指数中分析推算出栅条和填料的相应高度。

为了使通过栅空和填料的辐射与通过栅条的辐射相比具有π或λ/2的相位差，必须满足如下条件：

δ_Fh_F＝δ_Sh_S+λ/2。(3)

在此，δ_F或δ_S表示填料或栅条材料的折射指数的实际消减量，h_F或h_S表示填料或栅条的高度，以及λ表示所考虑的X射线辐射的波长。

为了使通过栅空和填料的射线与通过栅条的射线相比具有相同的衰减，必须满足如下条件：

μ_Fh_F＝μ_Sh_S。(4)

在此，μ_F或μ_S表示填料或栅条材料的吸收系数，h_F或h_S表示填料或栅条的高度。在此，还要严格地考虑吸收系数的能量关系。

另外，为了简化制造光栅发明人建议，所述相位光栅由多个直接相继地布设的子光栅组成。由此，多数情况下对应于所采用的子光栅的数量而减小栅条高度，由此还可以采用简单的工序。

如果采用多个直接相继地布设的子光栅，则另外有利的是，将所述在栅空内的填料的高度尺寸设计成，使得用于测量相位移的能量的X射线辐射产生一个在X射线辐射中的λ/2的相位移，以及在经过每个子光栅之后，至少对用于测量相位移的能量的射线而言穿过栅条时和穿过在栅空内的填料时X射线辐射的衰减是相同的，这分别适用于所述每个子光栅。

为了进一步简化制造在另一种的优选的实施方式中建议，

-至少所述子光栅中的一个具有按照栅条高度的填料，

-至少所述子光栅中的一个在栅空内不带有填料，以及

-一方面，将所有子光栅的相叠布设的栅空内总体填料的高度总地设计为，使得用于测量相位移的能量的X射线辐射产生一个在X射线辐射中的λ/2的相位移，

-而另一方面，将所有子光栅的栅空内填料的高度设计为，在经过所有子光栅之后，穿过沿射线方向相继布设的全部栅条的射线与穿过沿射线方向相继布设的带有及不带有填料的全部栅空的射线相比经历相同的强度损失。

由此，可以例如制造具有这样的栅条高度的子光栅，该栅条高度等于填料处的预期总高度以及还可以简便地将填料填装到该光栅上，而在已填充的子光栅之前和/或之后的一个或多个子光栅可以只由光栅材料构成。也就是说，不再需要用填料以与栅条高度不同的确定高度均匀地填充一个光栅。

发明人还认识到，通过采用多个平面的子光栅可以降低在具有小栅空或栅条宽度的高栅条处出现遮蔽扇形或锥形辐射的问题，为此沿射线方向相继布设的子光栅具有不同的光栅周期，其中，所述光栅周期的周期间距从至少一个子光栅到至少一个后续的子光栅这样增大以及所述子光栅相互之间这样定向地布设，即，使得射束的射线基本上或者只穿过栅空或者只穿过栅条。这样的话，在栅条垂直地布设在平面光栅上的情况下可以达到在沿径向定向的栅条处一种阶梯形近似结构。以这种方式光栅近似于具有各自垂直栅条的一组单个的平面子光栅，这些子光栅的栅条全部沿径向定向。

在此所述光栅(指源光栅、相位光栅、相位光栅的子光栅或分析光栅)中至少一个或所有光栅设计为平面的，或者所述光栅中至少一个或所有光栅围绕着辐射源在至少一个平面内弯曲。

如果所述光栅中至少一个具有沿辐射方向定向的栅条和栅空，则也是有利的。

按照本发明的焦点-检测器装置例如可以应用在用于产生投影的相位对比照片的X射线系统中、应用在用于产生投影或断层造影的相位对比照片的X射线C形弓架系统中、以及应用在用于产生断层造影的相位对比照片的X射线计算机断层造影系统中。

附图说明

下面借助于在附图中示出的优选实施方式对本发明予以详细阐述，其中只描述对于理解本发明所需要的特征。在此，采用了下述附图标记：1：计算机断层造影系统；2：第一X射线管；3：第一检测器；4：第二X射线管；5：第二检测器；6：机架外壳；7：患者；8：患者卧榻；9：系统轴；10：控制和计算单元；11：存储器；A：光栅的材料；a：穿过光栅材料A后的X射线；B：栅空内的填料；b：穿过栅空和其中填料B后的X射线；d：相位光栅G₁与分析光栅G₂的间距；D₁：检测器；E_i：第i个检测器元件；F₁：焦点；G₁：相位光栅；G₂：分析光栅；G₁₁、G₁₂、G₁₃：子光栅；h_1S、h_1F、h_11F、h_12F、h_13F、h_11S、h_12S、h_13S：栅条的高度；I(E_i(x_G))：在光栅偏移x_G时在检测器元件Ei上测得的强度；L_c：相干长度；L：栅空；Prg_n：程序；S：栅条；S₁：X射线；x_G：分析光栅或检测带的偏移量；x、z：笛卡儿坐标；

在检测器元件Ex上的正弦形强度变化曲线的相位；

在检测器元件E_i与E_j之间的相对相位移；λ：波长。附图中：

图1以纵剖视图表示具有相位光栅、分析光栅及用于表示对平行射线几何形状的干涉现象的检测器的焦点-检测器系统的原理图；

图2表示在相对移动光栅时在所选择的检测器元件上的强度变化曲线；

图3表示在栅空内无填料的相位光栅的纵剖视图；

图4表示按照本发明在栅条之间的栅空内带有填料的相位光栅；

图5表示按照本发明由三个分别在栅空内带有填料的子光栅组成的相位光栅；

图6表示按照本发明的由两个子光栅组成相位光栅，其中一个光栅具有完全填满填料的栅空以及另一个光栅在栅空内没有填料、但是栅条更高；

图7表示按照本发明由三个平面子光栅组成的相位光栅，其中一个光栅在栅空内带有填料以及另两个光栅在栅空内没有填料，这些光栅的栅空和栅条相互沿径向定向；

图8表示按照本发明由两个弯曲的子光栅组成的相位光栅，其中一个光栅在栅空内带有平齐填满的填料而另一个光栅不带有填料，这两个光栅的栅空和栅条相互以及本身分别沿径向定向；

图9表示按照本发明由两个平面的子光栅组成的相位光栅，其中一个光栅在栅空内带有平齐填满的填料以及另一个光栅不带有填料，这两个光栅的栅空和栅条本身分别沿径向定向；

图10以三维视图表示具有本发明焦点-检测器系统的X射线计算机断层造影系统。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，首先利用图1和2描述相位对比测量的基本原理。为此作如下基本说明：所有附图并不是标准性视图，而是要列举基本的结构及所阐述的效应。横轴相对于纵轴(光轴)延伸。由此角度是夸大示出的。虽然在干涉图形最大时、亦即以塔尔波特距离(Talbotabstand)定位所述分析光栅正是采用所述方法的目的，但是尤其可能出于教学的原因在空间上要相互分离开一些描绘出干涉图形与分析光栅。因此参数d和r₂不仅涉及干涉图形，而且涉及分析光栅。

图1表示出来自焦点的相干辐射或者来自源光栅的近似相干的辐射，这些射线穿过样品P，其中，在穿过样品P之后出现相位移。基于在测量相位移时反映相位对象的折射指数的局部梯度的事实，也可以精确地将其称之为微分相位对比成像。

在此，在穿过光栅G₁时以所谓的塔尔波特距离形成一个干涉图形，该干涉图形借助于光栅G₂在随后的检测器D₁以及其检测器元件上导致各检测器元件不同的辐射强度。在图1中通过灰色阴影表示出干涉图形。例如可以观察到检测器元件E_i所测得的强度与分析光栅的相对位置x_G的关系以及强度I_ph作为相对位置x_G的函数，由此获得一种在图2中示出的对应于每个检测器元件E_i、E_j的强度I(E_i(x_G))、I(E_j(x_G))的正弦形变化曲线。从这些函数中对于每个检测器元件E_i、E_j可以确定相位

比较相邻像素的相位

得出相互间的相对相位移

以此方式可以确定小于2π的相对相位移。如果一个对象的相位移大于2π，则需要从一个区域内呈现一个小的相位移，将直至对象的搜索位置的不同相位移集成到所搜索的区域内。从如此确定的相位移中建立一个投影的像素图像或者通过相应的再现方法也可以建立立体图像。

也就是说，该方法采用了一种起衍射光栅作用以及将射线划分成+1和-1序数(Ordnung)射线的相位光栅。

这样一种相位光栅可以通过将长方形结构蚀刻到一个硅晶片中来制成。标准技术是干蚀刻，在干蚀刻中通常在具有2-4μm周期的1-2μm栅条宽度下制出20-50μm的结构高度。如在图3中所表示的那样，将栅条高度选择为，使得通过以“a”标注的位置的X射线与通过以“b”标注的位置的X射线在相位移方面达到一个π或λ/2的差值。假如通过位置“a”处的X射线与通过位置“b”处的X射线具有相同的强度以及精确地制造出光栅的其它几何方面的特征，则零序数的衍射消失。但是因为X射线通过所述结构所经过的行程长度在位置“a”处与在位置“b”处相比略微更长，所以通过位置“b”处的X射线具有略微更高的强度以及零序数的衍射不会消失，即便在光栅制造精确的情况下也是这样。

在相位光栅之后的波场中已衍射的射线相互干涉，形成一个驻波场。在相位光栅之前或之后的对象影响局部的相位移，使波面变形以及使驻波场的波幅、相位和偏移量改变。因此，在应用提供有关驻波场的信息(例如驻波场的波幅、相位和偏移量)的测量的情况下可以计算出基于在相位光栅之前或之后的对象对局部相位移的影响。为了以必要的分辨率扫描所述波场，大多将一个分析光栅步进式地在波场上移动，同时各检测器元件同步地监测强度。

因此，对于空间内的每条射线通过利用分别错开设置的分析光栅至少进行的三次测量来确定每条射线的相位移，从中或者能够在进行投影的X射线拍摄时直接计算出投影照片的像素值，或者能够在进行计算机断层造影检查时生成其像素值对应于相位移的投影，使得从中可以借助于本身公知的再现方法计算出，所测量的相位移的那些份额属于检查对象体内的那些体积单元。因此，从中计算出可以反映所检查的对象对于X射线的相位移方面的影响的断层图像或体积数据。由于检查对象在厚度及组成方面的微小差别已经对相位移施加了强烈的影响，因此可以对本身相对类似的材料、尤其软组织描述出极其详细及对比强烈的体积数据。

这种借助于多次移位的分析光栅以及对在分析光栅之后的检测器元件上的辐射强度的测量对穿过检查对象的X射线相位移的进行检测的方案导致，必须对每条X射线在分别移动分析光栅的条件下实施至少三次测量。

原则上还存在下述可能性，即，取消此类分析光栅以及代之以采用具有足够高位置分辨率的检测器，其中，在这种情况下在测量时出现更小的剂量损失以及通过进行唯一一次测量就可以确定所观察射线内的相位移。

在采用如图3所示的已知光栅时，驻波场的正弦形强度变化的波幅不是最大的以及存在或提高了正弦形强度变化的最小强度与零强度的偏移量。

按照图3所示的光栅所存在的问题是，穿过栅条的射线和穿过栅空的射线在光栅后面具有不同的强度，致使不能最佳地形成所期望和待测量的干涉图形。

由此可能更不利地测量干涉最大值的位置：

通过检测器在振幅光栅的不同位置上测量分辨位置的强度分布。从多个这样的图像中确定通过由于样品所引起的相对相位移而造成的干涉图形的移动。如上所述，这例如可以通过使振幅光栅垂直于光栅刻线移动来实现，同时在光栅位置移动时拍摄图像。在此，如果要根据光栅位置考虑同一个检测器像素的强度的话，则可以观察到正弦形强度变化曲线。从该强度变化曲线的位置则可以确定驻波场的一个或多个干涉最大值的位置，可以从中再确定通过样品引起的相对相位移。

为了确定驻波场的一个或多个干涉最大值的位置，根据光栅位置描绘检测器像素的灰度值，检测器像素的灰度值会受到测量误差、如噪声的影响。由此，对驻波场的位置测量造成不利影响。

驻波场的正弦形强度调制的波幅与测量误差的比值越大，则上述测量工作的情况就越好。

以下将由于统计测量误差所引起的实际测量的灰度值围绕其预期值的偏差预期值(标准偏差)称为噪声σ。另外在该噪声由量子噪声(量子噪声与所选择光子的数量的预期值的方根成正比)组成的合理假设的条件下，所述噪声σ随着该数量或随着像素的灰度值的预期值增大。

如果在前面所描述的测量中提高测量时间或辐射源强度，则通过检测器像素计数的光子的数量也提高了。所属的量子噪声随着该光子数量的方根增大。同时驻波场的正弦形强度调制的波幅与该光子数量成正比地增大，由此最终提高驻波场的正弦形强度调制的波幅与测量误差之间的比例以及上文所描述的测量更好地起作用。

但是，如果通过采用一种已知的如图3所示的光栅产生一个正弦形强度变化的最小强度与零强度的偏移，或者增大该偏移量以及同时使驻波场的正弦形强度调制的波幅不增大，则可能更不利于测量干涉最大值的位置。所述偏移不包含信息，但是增大了噪声。

也就是说，理想方式是干涉图形应该是尽可能高的波幅以及正弦形强度变化的最小强度与零强度的偏移应该尽可能小。

这只表示出检测器对偏移量或对信噪比的贡献。但是，在此主要涉及相位光栅以及利用分析光栅的扫描所贡献的偏移量或背景。分析光栅的栅空不可任意狭窄；栅条宽度与栅空宽度的通常比值为50∶50。因此，这样一种分析光栅使所测量的强度沿干涉图形的某一宽度均匀化。一个具有栅条宽度与栅空宽度之比为90∶10的分析光栅能够显著更精细地扫描干涉图形，但是要承担扫描数量及测量时间的费用。通过光栅栅条的射线的剩余透射量还对信噪比有不利的影响。出于该原因为了达到一个高的信噪比需要一种在栅条内具有尽可能高吸收率以及在栅空内具有尽可能小吸收率的分析光栅。

为了解决该问题，下面表示出光栅构造的不同方案，这些方面可以单独或相互组合应用。

按照本发明的基本思想在图4中首先表示出解决所述问题的一种简单的技术方案。在此可以看到相位光栅G₁，该相位光栅例如由一个硅晶片蚀刻而成以及栅条具有确定的高度。相位光栅要针对其对特定的X射线能量E的影响作用来设计。在相位光栅G₁的栅空L内填加具有高线形衰减系数的填料。栅条和填料的高度h_1S和h_1F根据分别采用的光栅材料A和填料B这样选择，即，至少在能量范围E内射线a的X射线辐射吸收与射线b的吸收是协调一致的，即相同的。但是同时还要注意到，射线a与射线b直接在栅条端部的高度上的相位移在有关射线的方向上移动π或λ/2。

在实践中这种情况例如是这样完成的，即，将填料B溅射(gesputtert)到光栅上，以及随后再通过化学-机械的方法对光栅的表面、亦即栅条端部进行抛光。

因为栅条与栅空的高/宽比、亦即所谓的形态比非常大以及因此制造费事，所以按照本发明还建议，采用多个相继布设的衍射光栅代替一个唯一的衍射光栅。为此在图5中表示出了一个示例。在此，表示出三个相继布设的在栅条与栅空方面相互对准定向的光栅G₁₁、G₁₂、G₁₃，其栅条高度以及还有其填料高度分别只是所要求高度的三分之一。通过所示布设结构各光栅的作用叠加，使得其结果相当于按照图4的一个唯一的光栅。

图6表示出这种设计的另一种不同的具有两个叠加布设的光栅G₁₁和G₁₂的方案，其中在此可以特别观察到，其中一个光栅、在此是光栅G₁₁具有的栅条高度h_11S对应于填料高度h_11F。所需要的另外栅条高度h_12S通过第二光栅G₁₂达到，但是该光栅不带有填料。该方案在制造技术上明显更简单以及还比栅空内填装确定高度的填料情况更精确，而达到的目的相同。

需要指出的是，只要保持在栅条与栅空的区域内相同吸收的基本原理，在不脱离本发明范围的情况下，可以实现将具有不同栅条高度的在栅空内填满、部分填充或不填充填料的光栅进行多种不同的组合设计。此外，需要指出的是，在所表示出的示例中，光栅的所有栅条沿同一方向定向，但是也可以容易地沿相反方向定向或者实现不同定向的组合。

对于应该采用本发明的相位光栅与强烈发散的辐射、亦即锥形或扇形射束形状的情况，发明人作为在采用多个子光栅时的附加改善手段建议对于各子光栅采用不同的周期，由此确保，成扇形发散的射线或者只穿过栅条或者只穿过栅空。在图7中可以看到一种这样的示例。在此，表示出在采用扇形射束时具有沿射线方向周期长度增大的三个光栅G₁₁、G₁₂和G₁₃，其中，只是沿射线方向在最后的光栅G₁₁的平齐填满的栅空内是具有高线性衰减系数的填料。在此，周期长度的增加相当于射线以各自相对于焦点F₁的距离扇形展开量。由此确保，标注“a”的射线只穿过栅条S，而标注“b”的射线只穿过栅空L以及可能穿过位于那里的填料B。

需要指出的是，可以在采用光栅上的相应的标记来实现对光栅相互(预先)定向。

对光栅的精调整也可以分段地进行。为此采用一个第一光栅。因为该光栅对于一个光学结构而言过薄，因此所导致驻波场显现效果只能较差，但是尽管如此还是存在的。可以借助于驻波场对光栅进行定向：

1.沿结构的光轴确定光栅位置的定向：相位光栅和分析光栅的周期是相互关联的，在圆锥形射线束形状时近似地具有下列关系：

$g_2=\frac{1}{2}\frac{r_1+d}{r_1}{g}_1---\left(5\right)$

其中，d为光栅之间的距离，r₁为辐射源与第一光栅之间的距离，g₂为分析光栅G₂的周期(其与驻波场的横向周期相同)，g₁为相位光栅G₁的周期。

如果不能保持该条件，则在定位在分析光栅之后的检测器上不能产生干涉图形，而是产生一种由平行于栅条的阴影投射线组成的所谓栅距波纹图形(Teilungsmoirémuster)。这种情况例如出现在当沿光轴的光栅相对于所规定的位置移动时。通过移动相位光栅使这样的图像消失，则可以将光栅定向在沿光轴的位置中。

2.平行地定向所述光栅刻线：

如果分析光栅的光栅刻线不平行于驻波场(以及进而不平行于射线分配光栅的光栅刻线)，则在定位在分析光栅之后的检测器上不能产生干涉图形，而是产生一种由垂直于栅条的阴影投射线组成的所谓旋转波纹图形(Verdrehnungsmoirémuster)。通过旋转相位光栅使这样的图形消失，则可以将光栅刻线平行地定向。

在实践中可能会出现旋转波纹图形与栅距波纹图形叠加的情况。这对针对角度和距离的光栅的定向原则上没有任何改变。首先可以通过将光栅旋转到直至观察到在检测器上仅仅出现栅距波纹(亦即带有平行于光栅刻线的阴影投射线的波纹图形)为止，来达到使光栅刻线平行地定向。然后如上所述校正光栅之间的距离。另外，也可以首先通过将光栅移动到直至观察到在检测器上仅仅出现旋转波纹(亦即带有垂直于光栅刻线的阴影投射线的波纹图像)为止，来达到使光栅位置沿光轴定向。然后如上所述校正光栅的旋转。

如果对正确定向的光栅添加一个非正确定向的光栅，则会破坏驻波场。那么以与上面所描述的方式相同的方式形成波纹图像。所添加的相位光栅以与上述相同的方式定向。以相同的方式可以添加其他的光栅。

图8表示出由两个子光栅G₁₁和G₁₂构成的相位光栅的另一种设计方案，其中，在此子光栅G₁₁具有空的栅空而子光栅G₁₂在栅空中带有平齐填满的填料。这两个子光栅在此同心地围绕着焦点F₁弯曲，由此使得各子光栅的栅条S也沿径向朝焦点定向，致使不会发生在栅条S上出现遮挡射线的现象。

在图9中表示出了栅条定向的另一种不同方案。在此，采用平面子光栅子光栅G₁₁和G₁₂，但是子光栅的栅条S沿径向朝焦点F₁定向。

在图10中也示例性及代表性地对于其他X射线系统、尤其用于产生投影相位对比照片的X射线系统以及对于C形弓架装置表示出了具有本发明焦点-检测器系统的以及用于实施本发明方法的完整的计算机断层造影系统。该图10示出了计算机断层造影系统1，其具有带有安置在机架外壳6内的一个未详细示出的机架上的、X射线管2和相对置的检测器3的第一焦点-检测器系统。在该第一焦点-检测器系统2、3的射线途径中安置了一个按照本发明的X射线光学光栅系统，使得可以在第一焦点-检测器系统的射线途径中移动位于可沿光轴9运动的患者卧榻上的患者7以及在那里对其进行扫描。通过控制和计算单元10实施对X射线计算机断层造影系统的控制，在该控制和计算单元10中在存储器11内存储程序Prg₁至Prg_n，这些程序用于实施前面所描述的按照本发明的方法以及从所测量的与射线有关的相位移中重建相应的断层造影图像。

可选择地，作为一个唯一的焦点-检测器系统替代方案，也可以在机架外壳内安置一个第二焦点-检测器系统。该第二焦点-检测器系统在图中通过虚线示出的X射线管4和检测器5表示。

还需要补充说明的是，通过所示出的焦点-检测器系统不仅可以测量X射线辐射的相位移，而且此外这样的焦点-检测器系统还适用于传统测量对射线的吸收以及用于重建相应吸收照片。必要时也可以形成组合的吸收对比照片和相位对比照片。

另外要指出的是，在该专利申请中所示出的医学计算机断层造影系统仅仅是本发明应用方案的一个示例。同样地，在不脱离本申请范围的情况下，本发明可以跟各种系统相结合地用于检查生物或无机样品。本发明尤其可应用在用于材料分析的系统上。

不言而喻，在不脱离本发明范围的情况下，本发明的上述特征不仅可以用于所分别列举的组合中，而且也适用于其他组合或单独场合。

Claims (14)

1.一种用于产生检查对象(7，P)的投影或断层造影的相位对比照片的X射线设备(1)的焦点-检测器装置(F，D)，其组成至少如下：

1.1.用于产生X射线辐射以及透射检查对象(7，P)的辐射源(2)，

1.2.在射线途径内安置在检查对象(7，P)之后的相位光栅(G1)，该相位光栅产生一个在X射线辐射的预定能量区域(E)内X射线辐射的干涉图形，和

1.3.分析检测系统，该分析检测系统至少分辨位置地针对相位移检测由相位光栅(G₁)产生的干涉图形，

其特征在于，

1.4.所述相位光栅(G₁)在其栅条(S)之间的栅空(L)内填加在关键能量区域内的线形衰减系数比栅条高的填料(B)，另外，

1.5.一方面将所述填料(B)的高度(h_xF，h_xyF)尺寸设计成，使得用于测量相位移的能量及波长(λ)的X射线辐射产生一个在X射线辐射中的相位移(

)，致使在经过相位光栅(G₁)后穿过栅条(S)的射线(a)与穿过带有填料(B)的栅空(L)的射线(b)相比具有半个波长(λ/2)的相位移，

1.6.以及另一方面将所述填料(B)的高度(h_xF，h_xyF)尺寸设计成，使得至少针对用于测量相位移()的能量X射线辐射在穿过栅条(S)时和穿过填料(B)时的衰减相同。

2.按照权利要求1所述的焦点-检测器装置，其特征在于，所述相位光栅(G₁)由多个直接相继地布设的子光栅(G₁₁，G₁₂，G₁₃)组成。

3.按照权利要求2所述的焦点-检测器装置，其特征在于，将所述在栅空(L)内的填料(B)的高度尺寸设计成，使得用于测量相位移的能量的X射线辐射产生一个在X射线辐射中半个波长(λ/2)的相位移，这分别适用于每个所述子光栅(G₁₁，G₁₂，G₁₃)。

4.按照权利要求3所述的焦点-检测器装置，其特征在于，

4.1.至少所述子光栅(G₁₁、G₁₂、G₁₃)中的一个带有具有所述栅条(S)高度的填料(B)，

4.2.至少所述子光栅(G₁₁，G₁₂，G₁₃)中的一个在栅空(L)内不带有填料(B)，以及

4.3.一方面所有子光栅(G_xy)的相叠布设的栅空(L)内总体填料(B)的高度(h_xF，h_xyF)总地设计为，使得用于测量相位移的能量的X射线辐射产生一个在X射线辐射中半个波长(λ/2)的相位移，

4.4.而另一方面在经过所有子光栅(G₁₁，G₁₂，G₁₃)之后，穿过沿射线方向相继布设的全部栅条(S)的射线(a)与穿过沿射线方向相继布设的带有及不带有填料(B)的全部栅空(L)的射线(b)相比经历相同的强度损失。

5.按照权利要求2所述的焦点-检测器装置，其特征在于，

5.1.所采用的X射线辐射具有一种扇形或锥形的射束发散形状，

5.2.沿射线方向相继布设的子光栅(G₁₁，G₁₂，G₁₃)具有不同的光栅周期(g₁₁，g₁₂，g₁₃)，其中

5.3.所述光栅周期(g₁₁，g₁₂，g₁₃)的周期间距从至少一个子光栅(G₁₁)到至少一个后续的子光栅(G₁₂)这样增大以及所述子光栅(G₁₁，G₁₂，G₁₃)相互之间这样定向地布设，即，使得射束的射线或者只穿过栅空(L)或者只穿过栅条(S)。

6.按照权利要求1至5中任一项所述的焦点-检测器装置，其特征在于，所述光栅(G_x，G_xy)中至少一个设计为平面的。

7.按照权利要求1至5中任一项所述的焦点-检测器装置，其特征在于，所有光栅(G_x，G_xy)设计为平面的。

8.按照权利要求1至5中任一项所述的焦点-检测器装置，其特征在于，所述光栅(G_x，G_xy)中至少一个围绕着辐射源在至少一个平面内弯曲。

9.按照权利要求1至5中任一项所述的焦点-检测器装置，其特征在于，所有光栅(G_x，G_xy)围绕着辐射源在至少一个平面内弯曲。

10.按照权利要求1至5中任一项所述的焦点-检测器装置，其特征在于，所述光栅(G_x，G_xy)中至少一个具有沿射线方向定向的栅条(S)和栅空(L)。

11.按照权利要求1至5中任一项所述的焦点-检测器装置，其特征在于，所有光栅(G_x，G_xy)具有沿射线方向定向的栅条(S)和栅空(L)。

12.一种用于产生投影的相位对比照片的X射线系统，其特征在于，所述X射线系统具有按照上述权利要求1至11中任一项所述的焦点-检测器装置(F，D)。

13.一种用于产生投影或断层造影的相位对比照片的X射线C形弓架系统，其特征在于，所述X射线C形弓架系统具有按照上述权利要求1至11中任一项所述的焦点-检测器装置(F，D)。

14.一种用于产生断层造影的相位对比照片的X射线计算机断层造影系统，其特征在于，所述X射线计算机断层造影系统具有按照上述权利要求1至11中任一项所述的焦点-检测器装置(F，D)。

Images