CN113795751A - 在基于光栅的相衬成像和暗场成像中的主动光栅位置跟踪 - Google Patents

在基于光栅的相衬成像和暗场成像中的主动光栅位置跟踪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于在X射线差分相衬成像和暗场成像中的主动光栅位置跟踪的系统和方法。通过利用光束来照射位于光栅上的反射区并探测通过反射区反射的光束的反射图案来测量被定位在X射线成像设备中的至少一个光栅的对齐。将反射图案与对应于针对X射线差分相衬成像而优化的对齐的参考图案进行比较，并且在对反射图案与参考图案的比较时控制X射线成像设备。

Description

在基于光栅的相衬成像和暗场成像中的主动光栅位置跟踪
技术领域
本发明涉及用于在X射线差分相衬成像和暗场成像中的主动光栅位置跟踪的系统以及用于在X射线差分相衬成像和暗场成像中的主动光栅位置跟踪的方法。
背景技术
在X射线干涉测量中采用了若干光栅，这些光栅被要求相对于彼此精确对齐。如果目标被放置在赋予了相移和小角度衍射的场中，则这些光栅一起在X射线波前产生出受到干扰的干涉图案。通过将由目标干扰的X射线场的测量结果与没有目标干扰的参考测量结果进行相对比较，除了常规的衰减图像以外，还能够获得可以包含诊断相关信息的相移和衍射图像。微结构X射线光栅相对于彼此的精确定位是在基于光栅的相衬和暗场干涉测量成像中图像质量的关键要求。
如果光栅以旋转或平移的方式围绕或沿着任一轴线发生错误对齐，则干涉图案的对比度会被降低或者完全被抑制，从而降低了图像质量。已经描述了以机械方式减少或者抑制光栅的振动和(例如由热变化引起的)其他移动的努力。例如，已经尝试了与其他系统部件的机械隔离。然而，这种方法无法完全减轻这个问题，并且进一步引入新部件增加了系统的复杂性和成本。
由于这些原因，具有不会遭受上述缺点的困扰的X射线差分相衬成像设备将是有利的。
发明内容
本发明的目的是提供具有提高的成像性能的、用于在X射线差分相衬成像和暗场成像中进行主动光栅位置跟踪的系统。
本发明的目的通过独立权利要求的主题来解决，其中，在从属权利要求中包含了进一步的实施例。
所描述的实施例类似地涉及用于在X射线差分相衬成像和暗场成像中进行主动光栅位置跟踪的系统，以及用于在X射线差分相衬成像和暗场成像中进行主动光栅位置跟踪的方法。从实施例的不同组合中可以产生协同效应，但是可能不再详细描述这些实施例的不同组合。
另外，应当注意，本发明的关于方法的所有实施例可以用所描述的步骤的顺序执行，尽管如此，这并不是该方法的步骤的唯一和必需的顺序。除非在下文中明确提出相反的情况，否则本文提出的方法能够用所公开的步骤的另一顺序执行，而不会脱离相应的方法实施例。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于在X射线差分相衬成像和暗场成像中的主动光栅位置跟踪的系统。所述系统包括被定位在X射线成像设备的X射线源和X射线探测器之间的光栅装置，其中，所述光栅装置包括相位光栅和分析器光栅。所述相位光栅被布置在所述X射线源与所述分析器光栅之间，并且所述分析器光栅被布置在所述相位光栅与所述X射线探测器之间。所述系统还包括用于确定所述光栅装置的光栅中的至少一个光栅的对齐的测量系统。所述测量系统包括光源、反射区和探测设备，所述光源被配置用于生成光束，所述反射区位于所述光栅装置的所述光栅中的至少一个光栅上并且被配置用于反射所述光束，所述探测设备被配置用于探测反射光束的反射图案。所述系统还包括处理单元，所述处理单元被配置用于：将所述反射图案与参考图案进行比较，并且在对所述反射图案与所述参考图案的所述比较时控制所述X射线成像设备。
该系统包括例如两个或三个光栅，这两个或三个光栅被定位在X射线成像设备的X射线源和X射线探测器之间。如果已知位置及其变化，则可以设计对这两个或三个光栅的效果的校正以提高图像质量。源光栅可以是任选的，使得在经准直的X射线源的情况下，只能采用两个光栅。由于高图像质量需要光栅的精确对齐，因此该系统被配置用于精确地测量光栅中的至少一个光栅的对齐。该系统可以探测光栅从最优的位置和取向的偏离。为此目的，该系统包括测量系统，该测量系统具有对位于光栅上的反射区进行照射的光源。测量系统的光探测器能够探测反射光束。处理单元被配置为将在操作期间从源光栅、相位光栅和分析器光栅的相应的光栅反射的光的探测结果与预定参考图案进行比较，以便确定相应的光栅的对齐是否在规定内。如果光栅的对齐在规定内，则处理单元可以触发X射线成像设备以采集图像。作为X射线差分相衬成像的补充方案或替代方案，用于主动光栅位置跟踪的系统还可以采用X射线暗场成像。
在本发明的实施例中，所述光束是激光束。
激光束能够被精确地聚焦并提供相干光。测量系统可以包括激光源和激光探测器。还可以使用宽范围的电磁频谱的光或激光。除了可见光以外，测量系统还能够使用红外光、紫外线或任何其他种类的相干或非相干的电磁辐射。
在本发明的实施例中，由探测设备探测的反射图案对应于探测设备上的位置。
在本发明的这个实施例中，由于光栅上的反射区相对于光栅的正常的位置和取向的移位或倾斜而造成的光栅的错误对齐能够导致光探测器上的反射图案位置、取向或形状发生变化。因此，通过探测反射光束的位置、取向或形状，处理单元能够导出源光栅、相位光栅和分析器光栅的相应的光栅的平移位置和/或旋转取向的变化。
在本发明的实施例中，由探测设备探测的反射图案对应于由相应的光栅衍射的所述光束的衍射图案。
反射光束的反射区也能够被配置用于对光束的衍射。由于光栅上的微结构图案也衍射光，因此也能够监测衍射图案的取向以确定对齐。
因此，在反射之后，光束不一定是聚焦光束，但是能够包括关于衍射光束的反射区的信息。
在本发明的实施例中，所述反射图案的取向用于确定所述光栅的对齐。
探测通过反射区反射的光束的反射图案的取向能够提供关于光栅的对齐的进一步信息。例如，在本发明的这个实施例中，如果采用在光栅处的干涉，则能够探测光栅围绕垂直于反射区的轴线的旋转。
在本发明的实施例中，所述光栅的所述对齐对应于所述光栅的所述位置和所述取向。
光栅的对齐由其在空间中的位置和取向来定义。通过仅确定从精确定义的位置和取向的偏离来以差分方式执行对对齐的测量。在本发明的这个实施例中，可能只需要知晓一个光栅相对于另一个光栅的对齐。
在本发明的实施例中，所述参考图案是利用处于针对X射线差分相衬成像而优化的对齐状态的所述光栅来采集的。
能够采集通过反射区反射并照射光探测器的光束的参考图案。该参考图案是利用处于对齐状态的光栅获取的。因此，通过将反射图案与该参考图案进行比较，能够探测和估计相应的光栅从对齐状态的偏离。
在本发明的实施例中，光栅上的所述反射区是所述光栅的光栅结构的至少部分。
在本发明的这个实施例中，反射区能够是光栅的光栅结构的部分。因此，光栅结构能够用于实现反射光束的衍射图案或干涉图案。
在本发明的实施例中，相应的光栅上的反射区是相应的光栅的光栅结构的部分。
额外地或替代地，也能够提供与光栅结构分开的预定反射区。在本发明的这个实施例中，替代的或额外的反射区位于相应的光栅的光栅区旁边。这提供了提供具有针对光束的反射而优化的特定表面结构的反射区的可能性。
在本发明的实施例中，所述相应的光栅上的所述反射区被抛光。
能够抛光相应的光栅上的反射区以增强反射率和/或用于提供聚焦光斑作为由探测器探测的反射图案。
在本发明的实施例中，所述相应的光栅上的所述反射区包括被配置用于利用处于对齐状态的所述相应的光栅来增强所述反射光束从所述反射光束的方向的偏离。
反射区能够包括表面结构，该表面结构增强光束的偏转。例如，能够使用三角形表面或凸面。在本发明的这个实施例中，将光栅的位置的变化引起光束在反射区上的移位。移动非平面表面会引起非平面表面的反射光束的方向发生变化。因此，增强了光束从其正常位置的偏离，并且还可以探测光栅平行于其表面的移位。
在本发明的实施例中，所述反射区包括第一子区和第二子区，所述第一子区具有第一结构，所述第二子区具有与所述第一结构不同的第二结构，其中，所述第一子区被配置用于利用所述光栅的平移位置的变化来实现所述反射光束的偏离，并且其中，所述第二子区被配置用于利用所述光栅的旋转取向的变化来实现所述反射光束的偏离。
使用具有不同表面结构的两个或更多个单独的子区使得能够更精确地探测光栅的位移和倾斜。在该实施例中，例如，一个平面表面能够用于探测光栅的旋转，而第二非平面结构化表面能够用于探测光栅的平移。然而，取决于平移的方向和旋转的轴线，也能够促进不同的设置。应当注意，第一子区和第二子区能够被布置为彼此靠近。然而，第一子区和第二子区也能够彼此分开。在这种情况下，反射区可以被分成彼此分开的两个区段。第一子区和第二子区也可以被布置在交错的几何形状(例如，具有与第一子区相对应的“白色”场和具有与第二子区相对应的“黑色”场的棋盘)中。该交错结构不限于棋盘结构，而是也可以包括其他子区布置。
在本发明的实施例中，在位于所述光栅上的所述反射区与所述探测设备之间的距离被配置用于增强所述反射图案从所述探测设备上的所述参考图案的偏离。
通过选取光探测器的适当距离，能够使用放大效果来测量从对齐偏离的非常小的偏离，因为从反射区到光探测器的较长光路将引起光探测器上的反射图案从其正常位置的偏离增强。激光系统的灵敏度取决于从光栅到光学探测器的距离的长度。为了实现合理紧凑的系统，能够使用标准光学方法来实际上增加路径长度，例如通过使用反射镜和分散透镜或元件来实现这一点。
在本发明的实施例中，所述系统被配置用于：探测从所述光栅的优化对齐的偏离，并且触发所述X射线成像设备以采集在预期的较低偏离的相位中的X射线图像。
能够连续地或以脉冲模式执行通过将反射图案与参考图案进行比较而进行的光栅对齐测量。高频率的测量结果或连续采集的测量结果允许探测光栅的振动，并且能够通过限制或者触发成像暴露于在此期间光栅对齐处于规定内的时间点来减轻振动效应。也能够在非完美对齐期间利用X射线成像设备来采集图像，并且利用光栅的振动幅度和频率的知识来校正所采集的数据。
根据本发明的另一方面，提供了一种具有在X射线差分相衬成像和暗场成像中的主动光栅位置跟踪的X射线成像设备，所述设备包括(a)X射线源；(b)X射线探测器；(c)光栅装置，其被定位在所述X射线源与所述X射线探测器之间，其中，所述光栅装置包括相位光栅和分析器光栅，其中，所述相位光栅被布置在所述X射线源与所述分析器光栅之间，并且所述分析器光栅被布置在所述相位光栅与所述X射线探测器之间；(d)测量系统，其用于确定所述光栅装置的光栅中的至少一个光栅的对齐，其中，所述测量系统包括：光源、反射区和探测设备，所述光源被配置用于生成光束，所述反射区位于所述光栅装置的所述光栅中的至少一个光栅上并且被配置用于反射所述光束，所述探测设备被配置用于探测反射光束的反射图案；以及(e)处理单元，其被配置用于：将所述反射图案与参考图案进行比较，并且在对所述反射图案与所述参考图案的所述比较时控制所述X射线成像设备。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于在X射线差分相衬成像和暗场成像中的主动光栅位置跟踪的方法。所述方法包括以下步骤：利用光束来照射反射区，所述反射区在要被定位在X射线成像设备的X射线源和X射线探测器之间的光栅装置的光栅上；并且探测由所述反射区反射的所述光束的反射图案。另外，所述方法还包括以下步骤：通过将所述反射图案与参考图案进行比较来确定所述光栅的对齐；并且在对所述反射图案与所述参考图案的所述比较时控制所述X射线成像设备。
用于在X射线差分相衬成像中的主动光栅位置跟踪的方法包括四个步骤。在第一步骤中，利用光源来照射光栅上的反射区。在第二步骤中，探测通过反射区反射的光束的反射图案。在第三步骤中，探测通过将反射图案与参考图案进行比较而对光栅的对齐。并且在第四步骤中，在对反射图案与参考图案的比较时控制X射线成像设备。
因此，上述方面的任何方面所提供的益处同样适用于所有其他方面，反之亦然。
在一个要点中，本发明涉及用于在X射线差分相衬成像和暗场成像中的主动光栅位置跟踪的系统和方法。通过利用光束来照射位于光栅上的反射区并探测通过反射区反射的光束的反射图案来测量被定位在X射线成像设备中的至少一个光栅的对齐。将反射图案与对应于针对X射线差分相衬成像而优化的对齐的参考图案进行比较，并且在对反射图案与参考图案的比较时控制X射线成像设备。
参考下文描述的示例性实施例，以上方面和实施例将变得显而易见并且得到阐明。下面将参考以下附图来描述本发明的示例性实施例。
附图说明
图1示出了根据本发明的示例性实施例的用于在X射线差分相衬成像中的主动光栅位置跟踪的系统的示意性设置。
图2示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于在X射线差分相衬成像中的主动光栅位置跟踪的系统的示意性设置。
图3示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于在X射线差分相衬成像中的主动光栅位置跟踪的方法的框图。
附图标记列表
100 用于主动光栅位置跟踪的系统
110 X射线成像设备
120 X射线源
130 X射线探测器
140 光栅装置
141 源光栅
142 相位光栅
143 分析器光栅
150 测量系统
151 光源
152 反射区
153 探测设备
160 处理单位
170 目标
具体实施方式
图1示出了根据本发明的示例性实施例的用于在X射线差分相衬成像中的主动光栅位置跟踪的系统100的示意性设置。示出了X射线成像设备110的X射线源120和X射线探测器130。光栅装置140被定位在X射线源120与X射线探测器130之间。光栅装置140包括源光栅141、相位光栅142和分析器光栅143，它们以这个顺序从X射线源120到X射线探测器130进行布置。要研究的目标能够被放置在源光栅141与相位光栅142之间。包括光源151、反射区152和光探测器153的测量系统150用于测量光栅中的至少一个光栅的对齐。在图1中，测量系统150被配置为测量相位光栅142的对齐。对齐的特征在于相应的光栅相对于其他光栅或者相对于X射线成像设备110的位置和取向。来自光源151的光束被引导到反射区152上。反射区152位于光栅处，并且能够例如要么直接在光栅本身的光栅结构上，要么能够是在光栅上的光栅结构旁边的专用区。反射区152还能够包括适当的表面结构。该表面结构能够例如针对经优化的镜面反射而被抛光，或者能够被配置用于实现从反射表面152反射的光束的干涉图案或衍射图案。当光栅相对于其正常或对齐位置倾斜或移位时，也可以对反射区152的表面进行整形以使得反射光束的方向从其正常方向的偏离。光探测器153探测从反射区152反射的光。该探测器可以对撞击在光探测器153的表面上的光束位置或光束图案是敏感的。通过探测光探测器153上的光束的这种反射图案并将其与利用处于对齐状态的光栅采集的参考图案进行比较，能够测量该光栅从其对齐的位置和取向的偏离。
反射区可以包括第一子区，该第一子区可以允许在平移移动时探测该平移移动。这能够例如通过球形或其他3D结构化反射表面来实现。反射区可以包括第二子区，该第二子区可以允许在旋转移动时探测该旋转移动。这能够例如通过平面反射表面来实现。
处理单元160(在图1中未示出)被配置用于执行这种比较并根据反射图案与参考图案的比较来控制X射线成像设备110。例如，如果反射图案在规定内并且与参考图案的偏离小于预定极限，则处理单元能够触发X射线成像单元以采集图像。处理单元可以进行图像识别和计算(特别是在使用交错的第一子区和第二子区的情况下)以计算平移偏离和旋转偏离。可以根据反射图案来计算相应的偏离量。
图2示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于在X射线差分相衬成像中的主动光栅位置跟踪的系统100的示意性设置。光栅装置140与测量系统150相通信，因为测量系统150测量光栅装置140的光栅的位置和取向，并且测量系统150的反射区152位于光栅装置140的光栅上。处理单元160与测量系统相通信，因为测量系统可以控制光源151并且读出光探测器153的信号。另外，处理单元160可以通过触发X射线源120和/或X射线探测器130来控制X射线成像设备110以采集图像。X射线成像设备110不一定是用于在X射线差分相衬成像中的主动光栅位置跟踪的系统100的部分，因此以虚线示出。
处理单元160还可以包括在评价先前的偏离时进行预测，以便例如确定振动频率。基于该预测，处理单元可以例如在低运动梯度的时段中(即，在振动的最大幅度或最小幅度期间，其中的运动梯度低于在过零时段期间的运动梯度)激活X射线源。在处理单元160还实时地确定平移偏离或旋转偏离的量或数量的情况下，处理单元可以提供补偿信息，借助于该补偿信息，能够将探测到的X射线图像与补偿因数进行相关以实时提供图像校正。
图3示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于在X射线差分相衬成像中的主动光栅位置跟踪的方法的框图。在第一步骤S1中，通过光源151来照射光栅上的反射区152。在第二步骤S2中，探测由反射区152反射并撞击到光探测器153上的光束的反射图案。在第三步骤S3中，通过将反射图案与在光栅的对齐状态下采集的参考图案进行比较来确定光栅的对齐。在第四步骤S4中，在对反射图案与参考图案的比较时控制X射线成像设备110。
虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示例性的，而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。虽然某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种用于在X射线差分相衬成像和暗场成像中的主动光栅位置跟踪的系统(100)，所述系统包括：
(a)光栅装置(140)，其被定位在X射线成像设备(110)的X射线源(120)和X射线探测器(130)之间；其中，所述光栅装置(140)包括：
(a-i)相位光栅(142)，以及
(a-ii)分析器光栅(143)，
其中，所述相位光栅(142)被布置在所述X射线源(120)与所述分析器光栅(143)之间，并且所述分析器光栅(143)被布置在所述相位光栅(142)与所述X射线探测器(130)之间；
(b)测量系统(150)，其用于确定所述光栅装置(140)的光栅中的至少一个光栅的对齐；
其中，所述测量系统(150)包括：
(b-i)光源(151)，其被配置用于生成光束；
(b-ii)反射区(152)，其位于所述光栅装置(140)的所述光栅中的至少一个光栅上并且被配置用于反射所述光束；以及
(b-iii)探测设备(153)，其被配置用于探测反射光束的反射图案；以及
(c)处理单元(160)，其被配置用于：将所述反射图案与参考图案进行比较，并且在对所述反射图案与所述参考图案的所述比较时控制所述X射线成像设备(110)。
2.根据权利要求1所述的系统(100)，
其中，所述光栅装置(140)还包括源光栅(141)，并且
其中，所述源光栅(141)被布置在所述X射线源(120)与所述相位光栅(142)之间。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(100)，
其中，所述光束是激光束。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(100)，
其中，要由所述探测设备(153)探测的所述反射图案对应于所述探测设备(153)上的位置和/或由所述反射区(152)所位于的相应的光栅(141、142、143)衍射的所述光束的衍射图案。
5.根据权利要求4所述的系统(100)，
其中，所述反射图案的取向用于确定所述光栅的对齐。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(100)，
其中，所述光栅的所述对齐对应于所述光栅的所述位置和所述取向。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(100)，
其中，所述参考图案是利用处于针对X射线差分相衬成像而优化的对齐状态的所述光栅来采集的。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(100)，
其中，相应的光栅(141、142、143)上的所述反射区(152)是所述相应的光栅(141、142、143)的光栅结构的至少部分。
9.根据权利要求1至7中的任一项所述的系统(100)，
其中，所述光栅上的所述反射区(152)与所述相应的光栅(141、142、143)的光栅结构是分开的，并且特别地，其中，所述光栅上的所述反射区(152)被抛光。
10.根据权利要求8所述的系统(100)，
其中，所述光栅上的所述反射区(152)包括被配置用于利用处于对齐状态的所述光栅来增强所述反射光束从所述反射光束的方向的偏离。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(100)，
其中，所述反射区(152)包括第一子区和第二子区，
其中，第一子区具有第一结构，并且所述第二子区具有与所述第一结构不同的第二结构，
其中，所述第一子区被配置用于利用所述相应的光栅(141、142、143)的平移位置的变化来实现所述反射光束的偏离，并且
其中，所述第二子区被配置用于利用所述相应的光栅(141、142、143)的旋转取向的变化来实现所述反射光束的偏离。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(100)，
其中，位于所述相应的光栅(141、142、143)上的所述反射区(152)与所述探测设备(153)之间的距离被配置用于增强所述反射图案从所述探测设备(153)上的所述参考图案的偏离。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(100)，
其中，所述系统(100)被配置用于：探测从所述光栅的优化对齐的偏离，并且触发所述X射线成像设备(110)以采集在预期的较低偏离的相位中的X射线图像。
14.一种具有在X射线差分相衬成像和暗场成像中的主动光栅位置跟踪的X射线成像设备(100)，所述设备包括：
(a)X射线源(120)，
(b)X射线探测器(130)，
(c)根据前述权利要求中的任一项所述的具有光栅装置(140)的系统，所述光栅装置被定位在所述X射线源(120)与所述X射线探测器(130)之间，其中，所述相位光栅(142)被布置在所述X射线源(120)与所述分析器光栅(143)之间，并且所述分析器光栅(143)被布置在所述相位光栅(142)与所述X射线探测器(130)之间；
其中，所述测量系统(150)被配置用于确定所述光栅装置(140)的光栅中的至少一个光栅相对于所述X射线源(120)、所述X射线探测器(130)和所述光栅装置(140)的光栅中的至少一项的对齐，
其中，所述处理单元(160)被配置用于：将所述反射图案与参考图案进行比较，并且在对所述反射图案与所述参考图案的所述比较时控制所述X射线成像设备(110)。
15.一种用于在X射线差分相衬成像和暗场成像中的主动光栅位置跟踪的方法，所述方法包括以下步骤：
利用光束来照射反射区(152)(S1)，所述反射区在要被定位在X射线成像设备(110)的X射线源(120)和X射线探测器(130)之间的光栅装置的光栅上；
探测由所述反射区(152)反射的所述光束的反射图案(S2)；
通过将所述反射图案与参考图案进行比较来确定所述光栅的对齐(S3)；并且
在对所述反射图案与所述参考图案的所述比较时控制所述X射线成像设备(110)(S4)。
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