CN109085190A - 一种针对板状物的x射线三维ct数据扫描系统及其扫描方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种针对板状物的X射线三维CT数据扫描系统，所述系统包括射线源、射线源运动台、空心转台、样品平台、旋转臂、旋转轴、面阵列探测器和机架，所述机架沿水平方向设置，所述射线源运动台垂直设置于机架的下底面上，所述射线源设置于射线源运动台上，且射线源运动台能够带动射线源进行多轴方向的分别运动。本发明系统的扫描方法包括：基于一轴运动的锥束CL(Computed Laminography)扫描方法；基于二轴运动的锥束多方向有限角扫描方法；以及基于多轴联动的锥束大视野扫描方法。

Description

一种针对板状物的X射线三维CT数据扫描系统及其扫描方法
技术领域
本发明涉及X射线CT(英文全称为“computed tomography”)技术领域，尤其是一种针对板状物的X射线三维CT数据扫描系统及其扫描方法。
背景技术
板状物的X射线三维CT成像(Computed Tomography,CT)在工业无损检测中有着重要的应用需求，例如印刷电路板、电子芯片、电子封装器件等X射线三维CT成像。由于板状物被测样品的外形限制，显微三维CT成像时无法按传统圆轨迹锥束CT方式或螺旋锥束CT方式扫描被测样品。板状物的X射线三维CT成像涉及两个难题：一是根据三维成像需求设计合理的数据扫描系统和扫描方法；二是开发能够抑制伪影的高质量图像重建算法。目前已有多种针对板状物三维CT成像的扫描系统，但这些扫描系统扫描样品时涉及的运动参数较多，产生的运动参数误差较难估计，而运动参数误差会导致重建图像出现几何伪影，降低重建图像的空间分辨率。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种针对板状物的X射线三维CT数据扫描系统及其扫描方法，便于实现板状物的高质量三维CT成像。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种针对板状物的X射线三维CT数据扫描系统，所述系统包括射线源、射线源运动台、空心转台、样品平台、旋转臂、旋转轴、面阵列探测器和机架，所述机架沿水平方向设置，所述射线源运动台垂直设置于机架的下底面上，所述射线源设置于射线源运动台上，且射线源运动台能够带动射线源进行多轴方向的分别运动；
所述空心转台设置于机架的上表面上，该空心转台的上表面上设置样品平台，该样品平台上能够放置待成像样品，且样品平台能够带动待成像样品沿双方向进行平移，所述空心转台能够带动样品平台进行360度旋转；
所述空心转台另一侧的机架上通过旋转轴与旋转臂的底部相连接设置，该旋转臂能够绕旋转轴进行旋转，该旋转轴与机架相连接设置且与样品平台平行设置；所述旋转臂的顶部垂直连接面阵列探测器的一端，该面阵列探测器与射线源相对应设置，所述射线源在检测时能够发出X射线，所述面阵列探测器能够接收到透过样品的X射线且能够将其转换为数字图像。
如上所述的针对板状物的X射线三维CT数据扫描系统的扫描方法，步骤如下：
步骤1：将被测板状物水平放置于样品平台之上；通过两方向平移样品平台，将被测样品的目标区域移至空心转台中心；调节面阵列探测器成像放大比；设置扫描角度总次数N，设置射线源和面阵列探测器工作参数；开启射线源和面阵列探测器；
步骤2：射线源照射被测板状物，面阵列探测器记录接收正比于透过样品X射线流强的数字图像In，与无被测物体时的强度值I0进行负对数运算，运算结果记为投影数据：即其中的n为扫描次数，其初始值为1；
步骤3：n值加1，判断n是否不超过预定的扫描总次数N：
否，则空心转台转动α角度后执行步骤2；
其中，α角度的计算方式为：
是,则执行步骤4；
步骤4：将采集的扫描数据传给计算机，以进行图像重建。
如上所述的针对板状物的X射线三维CT数据扫描系统的扫描方法，步骤如下：
步骤1：将被测板状物水平放置于样品平台之上；旋转面阵列探测器，同时平移样品平台，将样品或样品的待检测部位送至面阵列探测器成像视野的中心位置，记录当前空心转台位置为m，初始值为1；设置射线源和面阵列探测器工作参数，开启射线源和面阵列探测器；
步骤2：射线源照射被测板状物，面阵列探测器接收与X射线的强度成正比的数值图像In，将与无被测样品时的数值图像I0进行负对数运算，运算结果记为投影数据：即其中的n为扫描次数，其初始值为1；
步骤3：n值加1，判断n是否不超过预定的扫描总次数N：
是，则旋转面阵列探测器，并平移射线源或样品平台，以保持被测物体在所述面阵列探测器的探测视野内，然后返回步骤2；
否，则判断m是否达到预定的次数M：
其中，所述预定的次数M表示的是样品在不同姿态下的有限角扫描次数，最小为1；
是，则执行步骤4；
否，则驱动空心转台进行旋转180/M度，m值加1，并重置n的值为1，返回执行步骤2；
步骤4：根据采集的扫描数据，进行图像重建。
而且，所述预定的次数M能够根据样品的水平结构特征的复杂程度确定，若其水平结构横平竖直为主，则扫描2次，若结构复杂则扫描3或4次。
如上所述的针对板状物的X射线三维CT数据扫描系统的扫描方法，步骤如下：
步骤1：根据样品的成像区域需求和CL扫描成像视野范围，确定总的扫描次数M，M的计算方法以及扫描路径如下：
M＝Mh×Mw，其中Mh表示大视野区域的与CL扫描在垂直方向上的范围比值后的向上取整，其中Mw表示大视野区域的与CL扫描在水平方向上的视野的比值的向上取整；按照从左至右，从上至下的路径逐次进行CL扫描，并以m记录局部扫描次数；
步骤2：根据路径规划，平移样品平台，切换样品的扫描成像区域；
步骤3：使用CL扫描的方法，实现局部扫描，m加1；
步骤4：判断m是否达到M：
是，则结束扫描，进入步骤5；
否，则转入步骤2；
步骤5：根据采集的扫描数据，进行图像重建；
其中，所述CL扫描的步骤如下：
⑴设置扫描角度总次数N，设置射线源和面阵列探测器工作参数；开启射线源和面阵列探测器；
⑵射线源照射被测板状物，面阵列探测器记录接收正比于透过样品X射线流强的数字图像In，与无被测物体时的强度值I0进行负对数运算，运算结果记为投影数据：即其中的n为扫描次数，其初始值为1；
(3)n值加1，判断n是否不超过预定的扫描总次数N：
否，则空心转台转动α角度后执行步骤⑵；
其中，α角度的计算方式为：
是,则执行步骤⑷；
⑷将采集的扫描数据传给计算机，以进行图像重建。
本发明取得的优点和积极效果为：
1、本发明系统设置了可绕垂直方向进行旋转的空心转台，同时还设置了可以在水平方向上进行平移的样品平台，以及设置了射线源运动和探测器转动装置，可以根据成像需求以多种扫描方法实现板状物CT成像。
2、本发明系统可以在一轴机械运动的情况下，实现板状物的CT扫描成像(即CL扫描成像)，减少了扫描时的机械自由度，有利于运动误差参数估计，进行CT成像几何伪影校正。
3、本发明系统利用探测器转动和射线源移动的二轴机械运动扫描方法，对板状物样品实现多方向的锥束有限角扫描，从而有效提升板状物CT成像的空间分辨率，降低重建图像的硬化伪影。
4、本发明系统可以通过多轴机械联动，切换样品扫描成像区域，实现板状物的高分辨、大视野扫描成像。
附图说明
图1为本发明数据扫描系统的结构连接示意图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进一步说明；下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
本发明中所使用的器件，如无特殊规定，均为本领域内常用的器件；本发明中所使用的方法，如无特殊规定，均为本领域内常用的方法。
一种针对板状物的X射线三维CT数据扫描系统，如图1所示，所述系统包括射线源1、射线源运动台2、空心转台3、样品平台4、旋转臂5、旋转轴6、面阵列探测器7和机架8，所述机架沿水平方向设置，所述射线源运动台垂直设置于机架的下底面上，所述射线源设置于射线源运动台上，且射线源运动台能够带动射线源进行多轴方向的分别运动；
所述空心转台设置于机架的上表面上，该空心转台的上表面上设置样品平台，该样品平台上能够放置待成像样品，且样品平台能够带动待成像样品沿双方向进行平移，所述空心转台能够带动样品平台进行360度旋转；
所述空心转台另一侧的机架上通过旋转轴与旋转臂的底部相连接设置，该旋转臂能够绕旋转轴进行旋转，该旋转轴与机架相连接设置且与样品平台平行设置；所述旋转臂的顶部垂直连接面阵列探测器的一端，该面阵列探测器与射线源相对应设置，所述射线源在检测时能够发出X射线，所述面阵列探测器能够接收到透过样品的X射线且能够将其转换为数字图像。
如上所述的针对板状物的X射线三维CT数据扫描系统的扫描方法，也可称为CL扫描方式，步骤如下：
步骤1：将被测板状物水平放置于样品平台之上；通过两方向平移样品平台，将被测样品的目标区域移至空心转台中心；调节面阵列探测器成像放大比；设置扫描角度总次数N，设置射线源和面阵列探测器工作参数；开启射线源和面阵列探测器；
步骤2：射线源照射被测板状物，面阵列探测器记录接收正比于透过样品X射线流强的数字图像In，与无被测物体时的强度值I0进行负对数运算，运算结果记为投影数据：即其中的n为扫描次数，其初始值为1；
步骤3：n值加1，判断n是否不超过预定的扫描总次数N：
否，则空心转台转动α角度后执行步骤2；
其中，α角度的计算方式为：
是,则执行步骤4；
步骤4：将采集的扫描数据传给计算机，以进行图像重建。
如上所述的针对板状物的X射线三维CT数据扫描系统的扫描方法，也可称为锥束多方向有限角扫描方法，步骤如下：
步骤1：将被测板状物水平放置于样品平台之上；旋转面阵列探测器，同时平移样品平台，将样品或样品的待检测部位送至面阵列探测器成像视野的中心位置，记录当前空心转台位置为m，初始值为1；设置射线源和面阵列探测器工作参数，开启射线源和面阵列探测器；
步骤2：射线源照射被测板状物，面阵列探测器接收与X射线的强度成正比的数值图像In，将与无被测样品时的数值图像I0进行负对数运算，运算结果记为投影数据：即其中的n为扫描次数，其初始值为1；
步骤3：n值加1，判断n是否不超过预定的扫描总次数N：
是，则旋转面阵列探测器，并平移射线源或样品台，以保持被测物体在所述面阵列探测器的探测视野内，然后返回步骤2；
否，则判断m是否达到预定的次数M：
其中，所述预定的次数M表示的是样品在不同姿态下的有限角扫描次数，最小为1，通常选2～4，可根据样品的水平结构特征的复杂程度确定，若其水平结构横平竖直为主，则扫描2次，若结构复杂则扫描3或4次。
是，则执行步骤4；
否，则驱动空心转台进行旋转180/M度，m值加1，并重置n的值为1，返回执行步骤2；
步骤4：根据采集的扫描数据，进行图像重建。
如上所述的针对板状物的X射线三维CT数据扫描系统的扫描方法，也可称为大视野扫描成像方法，步骤如下：
步骤1：根据样品的成像区域需求和一轴运动模式的CL扫描成像视野范围，确定总的扫描次数M，M的计算方法以及扫描路径如下：
M＝Mh×Mw，其中Mh表示大视野区域的与CL扫描在垂直方向上的范围比值后的向上取整，其中Mw表示大视野区域的与CL扫描在水平方向上的视野的比值的向上取整；按照从左至右，从上至下的路径逐次进行CL扫描，并以m记录局部扫描次数；
步骤2：根据路径规划，平移样品平台，切换样品的扫描成像区域；
步骤3：使用前述CL扫描的方法，实现局部扫描，m加1；
步骤4：判断m是否达到M：
是，则结束扫描，进入步骤5；
否，则转入步骤2；
步骤5：根据扫描得到的数据，使用迭代方法进行图像重建；
其中，所述CL扫描的步骤如下：
⑴设置扫描角度总次数N，设置射线源和面阵列探测器工作参数；开启射线源和面阵列探测器；
⑵射线源照射被测板状物，面阵列探测器记录接收正比于透过样品X射线流强的数字图像In，与无被测物体时的强度值I0进行负对数运算，运算结果记为投影数据：即其中的n为扫描次数，其初始值为1；
(3)n值加1，判断n是否不超过预定的扫描总次数N：
否，则空心转台转动α角度后执行步骤⑵；
其中，α角度的计算方式为：
是,则执行步骤⑷；
⑷将采集的扫描数据传给计算机，以进行图像重建。
本发明系统可以使用三种扫描方法对板状物样品进行三维CT成像，其中基于一轴机械和两轴机械运动，分别实现CL扫描和多方向有限角扫描，减少了机械轴自由度，增加了扫描成像数据范围，从而可以提高成像质量；此外，本系统还可利用多轴机械联动，实现大视野的板状物成像；本系统只使用一轴或者两轴机械运动即可实现板状物CT成像，能够减少系统自由度，降低运动参数误差估计难度。此外，对于二轴扫描模式，由于可以不同方向扫描被测物，从而能够减少图像硬化伪影，提高重建图像的质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种针对板状物的X射线三维CT数据扫描系统，其特征在于：所述系统包括射线源、射线源运动台、空心转台、样品平台、旋转臂、旋转轴、面阵列探测器和机架，所述机架沿水平方向设置，所述射线源运动台垂直设置于机架的下底面上，所述射线源设置于射线源运动台上，且射线源运动台能够带动射线源进行多轴方向的分别运动；
所述空心转台设置于机架的上表面上，该空心转台的上表面上设置样品平台，该样品平台上能够放置待成像样品，且样品平台能够带动待成像样品沿双方向进行平移，所述空心转台能够带动样品平台进行360度旋转；
所述空心转台另一侧的机架上通过旋转轴与旋转臂的底部相连接设置，该旋转臂能够绕旋转轴进行旋转，该旋转轴与机架相连接设置且与样品平台平行设置；所述旋转臂的顶部垂直连接面阵列探测器的一端，该面阵列探测器与射线源相对应设置，所述射线源在检测时能够发出X射线，所述面阵列探测器能够接收到透过样品的X射线且能够将其转换为数字图像。
2.如权利要求1所述的针对板状物的X射线三维CT数据扫描系统的扫描方法，其特征在于：步骤如下：
步骤1：将被测板状物水平放置于样品平台之上；通过两方向平移样品平台，将被测样品的目标区域移至空心转台中心；调节面阵列探测器成像放大比；设置扫描角度总次数N，设置射线源和面阵列探测器工作参数；开启射线源和面阵列探测器；
步骤2：射线源照射被测板状物，面阵列探测器记录接收正比于透过样品X射线流强的数字图像In，与无被测物体时的强度值I0进行负对数运算，运算结果记为投影数据：即其中的n为扫描次数，其初始值为1；
步骤3：n值加1，判断n是否不超过预定的扫描总次数N：
否，则空心转台转动α角度后执行步骤2；
其中，α角度的计算方式为：
是,则执行步骤4；
步骤4：将采集的扫描数据传给计算机，以进行图像重建。
3.如权利要求1所述的针对板状物的X射线三维CT数据扫描系统的扫描方法，其特征在于：步骤如下：
步骤1：将被测板状物水平放置于样品平台之上；旋转面阵列探测器，同时平移样品平台，将样品或样品的待检测部位送至面阵列探测器成像视野的中心位置，记录当前空心转台位置为m，初始值为1；设置射线源和面阵列探测器工作参数，开启射线源和面阵列探测器；
步骤2：射线源照射被测板状物，面阵列探测器接收与X射线的强度成正比的数值图像In，将与无被测样品时的数值图像I0进行负对数运算，运算结果记为投影数据：即其中的n为扫描次数，其初始值为1；
步骤3：n值加1，判断n是否不超过预定的扫描总次数N：
是，则旋转面阵列探测器，并平移射线源或样品平台，以保持被测物体在所述面阵列探测器的探测视野内，然后返回步骤2；
否，则判断m是否达到预定的次数M：
其中，所述预定的次数M表示的是样品在不同姿态下的有限角扫描次数，最小为1；
是，则执行步骤4；
否，则驱动空心转台进行旋转180/M度，m值加1，并重置n的值为1，返回执行步骤2；
步骤4：根据采集的扫描数据，进行图像重建。
4.根据权利要求3所述的针对板状物的X射线三维CT数据扫描系统的扫描方法，其特征在于：所述预定的次数M能够根据样品的水平结构特征的复杂程度确定，若其水平结构横平竖直为主，则扫描2次，若结构复杂则扫描3或4次。
5.如权利要求1所述的针对板状物的X射线三维CT数据扫描系统的扫描方法，其特征在于：步骤如下：
步骤1：根据样品的成像区域需求和CL扫描成像视野范围，确定总的扫描次数M，M的计算方法以及扫描路径如下：
M＝Mh×Mw，其中Mh表示大视野区域的与CL扫描在垂直方向上的范围比值后的向上取整，其中Mw表示大视野区域的与CL扫描在水平方向上的视野的比值的向上取整；按照从左至右，从上至下的路径逐次进行CL扫描，并以m记录局部扫描次数；
步骤2：根据路径规划，平移样品平台，切换样品的扫描成像区域；
步骤3：使用CL扫描的方法，实现局部扫描，m加1；
步骤4：判断m是否达到M：
是，则结束扫描，进入步骤5；
否，则转入步骤2；
步骤5：根据采集的扫描数据，进行图像重建；
其中，所述CL扫描的步骤如下：
⑴设置扫描角度总次数N，设置射线源和面阵列探测器工作参数；开启射线源和面阵列探测器；
⑵射线源照射被测板状物，面阵列探测器记录接收正比于透过样品X射线流强的数字图像In，与无被测物体时的强度值I0进行负对数运算，运算结果记为投影数据：即其中的n为扫描次数，其初始值为1；
(3)n值加1，判断n是否不超过预定的扫描总次数N：
否，则空心转台转动α角度后执行步骤⑵；
其中，α角度的计算方式为：
是,则执行步骤⑷；
⑷将采集的扫描数据传给计算机，以进行图像重建。
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