CN102590912A

CN102590912A - 用于射线摄影的栅格及其修补方法，以及射线成像系统

Info

Publication number: CN102590912A
Application number: CN2011103806637A
Authority: CN
Inventors: 金子泰久
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2012-07-18
Also published as: US20120163535A1; JP5204880B2; JP2012143536A

Abstract

本发明涉及用于射线摄影的栅格及其修补方法，以及射线成像系统。在第二栅格中，沿Y方向延伸的X射线吸收部分和X射线透过部分交替地排列在X方向上。在制造第二栅格之后，在第二栅格中检测有缺陷的部分。沿X和Y方向设定所要切出的矩形区域，以便使其包含该有缺陷的部分。通过切出矩形区域，形成切出区。将小于切出区的微栅格装配在切出区中以使得所述微栅格的两个邻边与所述切出区的两个邻边接触。将留在切出区的轮廓和微栅格之间的空隙用Sn-Pb作为X射线吸收材料填充。

Description

用于射线摄影的栅格及其修补方法,以及射线成像系统

技术领域

本发明涉及一种使用射线如X射线的射线摄影用栅格，一种栅格修补方法，以及一种射线成像系统。

背景技术

当射线，例如，X射线入射到物体上时，由于X射线与物体之间的相互作用，X射线的强度和相位发生变化。此时，已知X射线的相位变化(角度变化)大于强度变化。利用X射线的这些性质，开发并且活跃地研究了X射线相位图像，以使得能够基于由样品引起的X射线的相位变化(角度变化)，获得具有低X射线吸收性的样品的高对比图像(在下文中称作相衬图像)。

存在用于使用塔尔博特(Talbot)效应进行X射线相位成像的已知X射线成像系统，它由两个透射衍射光栅或栅格制成(例如，参看美国专利号7,180,979，对应于日本专利号4445397和应用物理通讯(Applied PhysicsLetters)第81卷，第17号，第3287页，作者C.David等，2002年10月)。在该X射线成像系统中，当从X射线源一侧看时，将第一栅格置于样品后面，并且将第二栅格置于第一栅格下游的塔尔博特距离处。在第二栅格后面，设置X射线图像检测器以检测X射线并且制造图像。第一和第二栅格的每一个具有X射线吸收部分和X射线透过部分，所述部分向一个方向延伸并且交替地排列在与其延伸方向垂直的方向上。塔尔博特距离是指透过第一栅格的X射线通过塔尔博特效应形成第一栅格的自成像之处的距离。通过塔尔博特效应形成的自成像被样品与X射线之间的相互作用所调制。

在以上X射线成像系统中，由第二栅格在第一栅格的自成像上的叠加(强度调制)制造出的多个条纹图像，通过条纹扫描方法检测，以便从归因于样品的条纹图像上的变化检测归因于样品的X射线的相位变化。在条纹扫描方法中，只要第二栅格相对于第一栅格以大约垂直于栅格方向的方向以预定的间距平移移动，X射线图像检测器捕捉图像。相对于平移运动的每一个像素值的强度变化，获得由样品折射的X射线的角度分布。基于该角度分布，获得样品的相衬图像。也可以将使用激光的条纹扫描方法应用至成像系统(例如，参见应用光学(Applied Optics)第37卷，第26期，第6227页，作者Hector Canabal等，1998年9月)。

在第一和第二栅格中，X射线吸收部分与X射线透过部分的排列间距是微小的，即几个微米。因此，微小的制造误差、灰尘的粘附等容易引起栅格的部分变形(栅格缺陷)(例如，参见美国专利号7,924,973，对应于日本专利公开号2009-150875)。然而，美国专利号7,924,973没有描述当栅格缺陷出现时对缺陷进行修补。

另一方面，栅格缺陷的修补在用于全息摄影的全息滤色器的领域中是已知的，虽然它与射线摄影用栅格不同。具体地，当缺陷出现时，将小衍射光栅粘在有缺陷的部分以修补缺陷(参见日本专利公开号9-281442)。根据该栅格修补方法，预先将栅格分割为多个小区域。当缺陷出现在一些小区域中时，将与小区域相同尺寸的衍射光栅粘在有缺陷的小区域上。

当缺陷出现在射线摄影用栅格中时，抛弃整个栅格减低生产率并且增加成本。因此，适宜的是在缺陷上进行修补并且尽可能久地使用栅格。然而，日本专利公开号9-281442中描述的栅格修补方法以将栅格划分为多个小区域，并且以小区域为基础进行修补。因此，即使将该修补方法应用至射线摄影用栅格，该修补也不能适当地适应缺陷的形状、尺寸和位置。

发明内容

本发明的目标是提供射线摄影用栅格和栅格修补方法，其中有效地修补了栅格的缺陷。

为实现以上和其他目标，根据本发明的射线摄影用栅格包括：沿第一和第二方向切出的矩形切出区(cutout)，以及装配在切出区中的微栅格。微栅格在尺寸上小于切出区，并且将其在留下空隙的情况下装配在切出区中。将空隙用射线吸收材料填充。该射线吸收材料优选为Ag糊料或Sn-Pb、Sn-Pb-Bi和Sn-Pb-Bi-Cd之一的低熔点金属。在另一种情况下，射线吸收材料优选为墨或粘合剂，其中分散有Au、Ag和Pt的一种或多种的X射线吸收性纳米粒子。该栅格可以包括用于支撑射线吸收部分的支撑基板、射线透过部分以及微栅格。

根据本发明的栅格修补方法包括下列步骤：检测栅格中有缺陷的部分；确定所要切出的矩形区域以使得它包含有缺陷的部分，其中矩形区域的两个对边平行于第一方向，并且矩形区域的另两个对边平行于第二方向；切出矩形区域以形成切出区；将微栅格装配在切出区中以使得微栅格的两个邻边与切出区的两个邻边接触，其中微栅格在尺寸上小于切出区；并且将微栅格固定在切出区中。在固定步骤中，将射线吸收材料填充到切出区的轮廓与微栅格之间所余空隙中。

根据本发明的射线成像系统包括用于使从射线源发出的射线通过以制造第一周期性图案图像的第一栅格，以及用于部分遮断第一周期性图案图像以制造第二周期性图案图像的第二栅格。第一和第二栅格中的至少一个是上面描述的栅格。

根据本发明，确定矩形区域以使其包含有缺陷的部分，并将该区域切去。准备小于切出区的轮廓的微栅格。将微栅格装配在切出区中以使得微栅格的两个邻边与切出区的两个邻边接触，并且将微栅格固定在切出区中。从而，有效地修补了有缺陷的部分。当组装射线成像系统时，微栅格可用作用于调整栅格的位置的记号。

附图说明

为了本发明及其益处的更完整的理解，现在参考以下与附图结合进行的说明，其中：

图1是根据第一实施方案的X射线成像系统的示意图；

图2是第二栅格的俯视平面图；

图3是沿图2的线I-I所取的第二栅格的横截面图；

图4是第二栅格的制造过程的说明性视图；

图5是栅格修补方法的说明性视图；

图6是栅格修补方法的说明性视图；并且

图7是显示了用尺调整位置的情况的说明性视图。

具体实施方式

如图1中所示，X射线成像系统10由以下各项构成：X射线源11、第一栅格13、第二栅格14以及X射线图像检测器15。X射线源11具有，例如，旋转阳极型X射线管，以及用于限制X射线的辐射场并且将X射线施加至样品H的准直仪。作为X射线吸收栅格的第一和第二栅格13和14在X射线传播方向即Z方向上与X射线源11相对。第一栅格13设置在离开X射线源11一定距离处以便将样品H放置在它们之间。X射线图像检测15是由例如半导体电路组成的平板检测器(FPD)，并且放置在第二栅格14后面。

第一栅格13设置有多个X射线吸收部分13a和X射线透过部分13b，所述多个X射线吸收部分13a和X射线透过部分13b沿作为垂直于Z方向的平面上的一个方向的Y方向延伸。X射线吸收部分13a和X射线透过部分13b交替地排列在同时垂直于Z和Y方向的X方向上。如第一栅格13所设置的，第二栅格14设置有多个X射线吸收部分14a和X射线透过部分14b，所述多个X射线吸收部分14a和X射线透过部分14b沿Y方向延伸并且交替地排列在X方向上。

在下文中将取第二栅格14作为实例描述栅格的结构。注意，第一栅格13的结构类似于第二栅格14的结构，不同之处在于X射线吸收部分13a在X方向上的宽度和间距，X射线吸收部分13a在Z方向上的厚度等。因此，省略了第一栅格13的详细说明。

如图2和3中所示，第二栅格14设置有栅格层20以及用于支撑栅格层20的支撑基板21，所述栅格层20具有X射线吸收部分14a和X射线透过部分14b。X射线吸收部分14a由具有X射线吸收性的金属，如金(Au)或铂(Pt)制成。X射线透过部分14b由具有X射线透过性的材料，如硅或树脂制成。

在第二栅格14中，将栅格层20沿X和Y方向切出以形成矩形切出区30。制作该切出区30的目的在于移除在栅格层20中出现的有缺陷的部分。切出区30沿Y方向延伸的两个对边位于X射线透过部分14b。将尺寸稍小于切出区30的矩形微栅格31装配在切出区30中。

微栅格31与切出区30的两个邻边接触以使得在微栅格31和切出区30的未接触的边之间留出空隙。将空隙用X射线吸收材料32填充。X射线吸收材料32是具有X射线吸收性的低熔点金属，如Sn-Pb。X射线吸收材料32具有将微栅格31粘在栅格层20上的作用。如果在微栅格31和切出区30的未接触的边之间留有空隙，空隙会散射X射线并且降低图像品质。X射线吸收材料32还具有防止空隙中散射X射线的出现的作用。

类似于栅格层20，微栅格31具有沿一个方向延伸并且在垂直于该延伸方向的方向上交替排列的X射线吸收部分31a和X射线透过部分31b。X射线吸收部分31a由具有X射线吸收性的金属如金或铂制成。X射线透过部分31b由具有X射线透过性的材料如硅或树脂制成。将微栅格31以这样的方式装配在切出区30中：X射线吸收部分31a与栅格20的X射线吸收部分14a以它们在X方向上的宽度和位置对准，并且X射线透过部分31b与X射线透过部分14b以它们在X方向上的宽度和位置对准。

X射线吸收部分14a在X方向上的宽度W₂和排列间距P₂取决于X射线源11与第一栅格13之间的距离，第一和第二栅格13与14之间的距离，第一栅格13的X射线吸收部分13a的排列间距等。例如，宽度W₂为大约2至20μm，并且排列间距P₂与宽度W₂的两倍一样大，即在4至40μm的量级。例如，考虑到从X射线源11发出的X射线锥面光束的渐晕，X射线吸收部分14a的厚度T₂在100μm的量级。在这个实施方案中，例如，第二栅格14具有2.5μm的宽度W₂，5μm的排列间距P₂，以及100μm的厚度T₂。

接下来，将描述X射线成像系统10的操作。当从X射线源11发出的X射线通过样品H时，X射线的相位改变。接着，当X射线透射穿过第一栅格13时，形成包含样品H的透射相位信息的第一周期性图案图像，所述透射相位信息由样品H的折射率和透射光路的长度确定。

第二栅格14部分地遮断第一周期性图案图像，换言之，对第一周期性图案图像施加强度调制以形成第二周期性图案图像。在这个实施方案中，采用条纹扫描方法，将第二栅格14相对于第一栅格13以扫描间距平移移动，所述扫描间距为沿栅格表面关于X射线焦点X方向上栅格间距的等分(例如，五分之一)。每当将第二栅格14平移移动时，X射线源11施加X射线至样品H，并且X射线图像检测器15捕捉第二周期性图案图像。之后，通过从X射线图像检测器15的每个像素计算强度调制信号(表示像素值相对于平移移动的强度变化的波形信号)的相位移动量，获得微分相位图像。微分相位图像对应于由样品H折射的X射线的角度分布。将微分相位图像沿条纹扫描方向积分以获得样品H的相衬图像。

接下来，将参考图4至6描述第二栅格14的制造方法。注意，因为以与第二栅格14的制造方法类似的方法制造第一栅格13，所以将不描述第一栅格13的制造方法。

在图4(A)中，硅基板40接合至支撑基板21。支撑基板21由导电材料如铝或铬制成。优选的是支撑基板21与硅基板40之间热膨胀系数的区别小，并且支撑基板21可以由科瓦合金(Kovar)、因瓦合金(Invar)，等制成。为了接合支撑基板21与硅基板40，可利用通过施加热和压力进行扩散接合，通过将表面在高真空中活化进行冷接合等。

在图4(B)中，在硅基板40的上表面上形成抗蚀剂层41。抗蚀剂层41的形成步骤包括通过一种涂布方法如旋涂在硅基板40上涂布液体抗蚀剂的步骤，以及用于从所涂布的液体抗蚀剂中蒸发有机溶剂的预烘焙步骤。

在图4(C)中，将光如紫外线透过具有间距P₂的条纹图案曝光掩模施加至抗蚀剂层41。接下来，在图4(D)中，通过显影处理将曝光部分上的抗蚀剂层41移除。从而，在硅基板40上形成条纹图案蚀刻掩模43，所述条纹图案蚀刻掩模43具有在Y方向上延伸并且排列在X方向上的多条线的图案。注意，在这个实施方案中抗蚀剂层41是正型抗蚀剂，但也可以改为使用负型抗蚀剂。

在图4(E)中，通过使用蚀刻掩模43的干法刻蚀在硅基板40中形成在Y方向延伸并且排列在X方向上的多个槽44。在该步骤中，使用所谓的Bosch工艺作为用于深度干法刻蚀以形成带有高纵横比的槽44的方法。代替Bosch工艺，可以使用低温工艺(cryo process)作为用于干法刻蚀的方法。

在图4(F)中，使用支撑基板21作为种子层进行电镀，如此将槽44用X射线吸收材料45如金(Au)填充。在该电镀步骤中，将由支撑基板21与硅基板40组成的接合基板浸没在电镀液中作为负极，并且将其他电极(正极)置于与接合基板相对的位置。在那之后，当电流在支撑基板21与正极之间流过时，电镀液中含有的金属离子沉积在带图案的基板上，如此用X射线吸收材料45填充槽44。

在图4(G)中，通过灰化等将蚀刻掩模43从硅基板40移除。X射线吸收材料45组成X射线吸收部分14a，并且硅基板40组成X射线透过部分14b。通过以上工艺完成了第二栅格14，但是由于刻蚀或电镀中的失误、灰尘的粘附等有时在第二栅格14中出现栅格缺陷。

接下来，将描述用于修补第二栅格14中出现的缺陷的方法。首先，在以上制造工艺之后，外观检查设备(未显示)取得第二栅格14的图像。通过处理该图像，如图5(A)中所示发现了有缺陷的部分50。例如，当由于硅基板40的刻蚀差而出现空穴，并且通过电镀步骤将空穴用X射线吸收材料45填充时，具有X射线吸收性的有缺陷的部分50形成。

在图5(B)中，确定由平行于X和Y方向的边组成的矩形区域51以使其包含有缺陷的部分50。区域51沿Y方向的两个对边位于X射线透过部分14b中。注意，如果发现多个有缺陷的部分50，则以一个有缺陷的部分50为基础确定区域51。之后，如图5(C)中所示，将栅格层20通过激光等沿区域51的轮廓切下，如此形成上面描述的切出区30。

在图6(A)中，如上所述，准备微栅格31并且将其装配在切出区30中，以使得微栅格31的两个邻边与切出区30的两个邻边接触。此时，在微栅格31与切出区30之间留下了空隙52。因而，将X射线吸收材料32如熔融状态的Sn-Pb填入空隙52中。当X射线吸收材料32凝固时，微栅格31粘着至栅格层20。现在有缺陷的部分50的修补过程完成。

所要切出的区域51可以总是具有相同的形状和尺寸，或者可以具有根据有缺陷的部分50的形状和尺寸变化的形状和尺寸。然而，如果区域51具有自由变化的形状和尺寸，则每当区域51的形状和尺寸改变，微栅格31就必须根据在第二栅格14中形成的区域51的形状和尺寸重新制造，并且导致沉重的负担。出于这个原因，优选的是准备具有合理形状和尺寸的多种类型的模板区域。在这种情况下，预先准备对应于多种类型的模板区域51的多种类型的微栅格31。当在第二栅格14中确定了要切出的区域51时，选择与区域51的类型对应的微栅格31的类型。

根据另一种栅格修补方法，其中将有缺陷的部分50沿其轮廓切出并且根据该轮廓制作微栅格，以将微栅格接合在有缺陷的部分50的切出区中，形成任意形状的切出区和微栅格需要很多时间和努力，并且带来低效率。另一方面，根据本实施方案，确定所要切出的矩形区域51以便包含有缺陷的部分50，并且形成切出区30。根据切出区30的形状和尺寸从多种类型选择微栅格31。因此，可以以快速并且有效率的方式修补有缺陷的部分50。

在组装X射线成像系统10中，第二栅格14的微栅格31可用作用于调节第二栅格14的位置的记号。更具体地，预先记下微栅格31在第二栅格14中的位置。当调节第二栅格14的位置时，如图7中所示，使用置于第二栅格14周围的尺60测量微栅格31的位置，以检测第二栅格14的位置偏移。为测量微栅格31的位置，例如，用可见光相机取得第二栅格14和尺60的图像。从该图像，检测X射线吸收材料32相对于尺60的位置以确定微栅格31的位置。相同的内容也适用于第一栅格13，所以省略了对它的说明。

在以上实施方案中，矩形区域51沿Y方向的两个对边位于X射线透过部分14b中，但是也可以改为位于X射线吸收部分14a中。此外，两个对边的一个可以位于X射线透过部分14b中，并且另一个可以位于X射线吸收部分14a中。

在以上实施方案中，通过举例的方式使用Sn-Pb作为X射线吸收材料32，但是也可以改为使用Ag糊料或低熔点金属如Sn-Pb-Bi或Sn-Pb-Bi-Cd。同样，X射线吸收材料32可以是其中分散有Au、Ag和Pt的一种或多种的纳米粒子的墨、粘合剂等。

在以上实施方案中，选取第一和第二栅格13和14作为实例解释了本发明。然而，本发明可以应用于如对应于国际公开号WO 2006/131235的美国专利号7,889,838中公开的设置在X射线源11的输出侧的源栅格(多狭缝)。

在以上实施方案中，第一和第二栅格13和14线性地投射已经透过它们的X射线透过部分13b和14b的X射线，但是本发明不限于该结构。X射线透过部分可以衍射X射线，并且产生所谓的塔尔博特效应(参看对应于日本专利号4445397的美国专利号7,180,979)。在这种情况下，必须将第一和第二栅格13与14之间的距离设定为塔尔博特距离。同样，第一栅格13可以是相位栅格，而不是吸收栅格。第一栅格13在第二栅格14的位置处形成通过塔尔博特效应制造的自成像。

在以上实施方案中，通过随着改变第一和第二栅格13与14之间的相对位置多次捕捉图像来制作相衬图像。然而，可以通过使用处于固定位置的第一和第二栅格13和14捕捉单一图像制作相衬图像。例如，根据对应于国际公开号WO 2010/050483的美国专利号7,009,797中公开的X射线成像系统，X射线图像检测器检测通过第一和第二栅格产生的莫阿条纹。将所检测到的莫阿条纹的强度分布进行傅里叶变换以获得空间频谱。将对应于载波频率的谱从空间频谱分离，并且对所分离的谱进行傅里叶逆变换以获得微分相位图像。本发明的栅格可应用于这种类型的X射线成像系统。

在以上实施方案中，将样品H放置在X射线源11和第一栅格13之间，但是也可以改为放置在第一与第二栅格13和14之间。在这种情况下，以类似的方式制作相衬图像。

以上描述的实施方案可用于，但是不仅用于，医疗诊断用射线成像系统，而且也可用于其他类型的用于工业用途、无损探伤等的射线成像系统。本发明也可用于射线摄影中用于移除散射光的栅格。此外，在本发明中，可以使用γ射线作为射线代替X射线。

虽然已经参照附图通过优选实施方案的方式充分地描述了本发明，但是对于本领域技术人员，多种变化和更改将是显而易见的。因此，除非这些变化和更改脱离了本发明的范围，否则应将它们理解为包括在其中。

Claims

1.一种射线摄影用栅格，所述射线摄影用栅格具有射线吸收部分和射线透过部分，所述射线吸收部分和所述射线透过部分沿第一方向延伸，并且在垂直于所述第一方向的第二方向上交替地排列，所述栅格包括：

矩形切出区，所述矩形切出区是沿所述第一和第二方向切出的；以及

微栅格，所述微栅格装配在所述切出区中。

2.根据权利要求1所述的栅格，

其中所述微栅格在尺寸上小于所述切出区，并且在留出空隙的情况下装配在所述切出区中；并且

其中所述空隙用射线吸收材料填充。

3.根据权利要求2所述的栅格，其中所述射线吸收材料是Ag糊料或Sn-Pb、Sn-Pb-Bi和Sn-Pb-Bi-Cd之一的低熔点金属。

4.根据权利要求2所述的栅格，其中所述射线吸收材料是墨或粘合剂，所述墨或粘合剂中分散有Au、Ag和Pt的一种或多种的X射线吸收性纳米粒子。

5.根据权利要求1所述的栅格，所述栅格还包括：

用于支撑所述射线吸收部分、所述射线透过部分和所述微栅格的支撑基板。

6.一种用于修补栅格的方法，所述栅格具有射线吸收部分和射线透过部分，所述射线吸收部分和所述射线透过部分沿第一方向延伸并且在垂直于所述第一方向的第二方向上交替地排列，所述方法包括以下步骤：

检测所述栅格中有缺陷的部分；

确定所要切出的矩形区域以使其包含所述有缺陷的部分，所述矩形区域的两个对边平行于所述第一方向，所述矩形区域的另两个对边平行于所述第二方向；

将所述矩形区域切出以形成切出区；

将微栅格装配在所述切出区中，以使得所述微栅格的两个邻边与所述切出区的两个邻边接触，所述微栅格在尺寸上小于所述切出区；以及

将所述微栅格固定在所述切出区中。

7.根据权利要求6所述的方法，其中在固定步骤中，将射线吸收材料填充到所述切出区的轮廓与所述微栅格之间留下的空隙中。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述射线吸收材料是Ag糊料或Sn-Pb、Sn-Pb-Bi和Sn-Pb-Bi-Cd之一的低熔点金属。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述射线吸收材料是墨或粘合剂，所述墨或粘合剂中分散有Au、Ag和Pt的一种或多种的X射线吸收性纳米粒子。

10.一种射线成像系统，所述射线成像系统包括：

第一栅格，所述第一栅格用于使从射线源发出的射线通过以产生第一周期性图案图像；以及

第二栅格，所述第二栅格用于部分地遮断所述第一周期性图案图像以产生第二周期性图案图像；

其中，所述第一和第二栅格的至少一个具有射线吸收部分和射线透过部分，所述射线吸收部分和射线透过部分以第一方向延伸并且在垂直于所述第一方向的第二方向上交替排列，并且所述第一和第二栅格的至少一个包括：

微栅格，所述微栅格装配在在所述切出区中。