WO2013160153A1 - Röntgenvorrichtung - Google Patents

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WO2013160153A1
WO2013160153A1 PCT/EP2013/057912 EP2013057912W WO2013160153A1 WO 2013160153 A1 WO2013160153 A1 WO 2013160153A1 EP 2013057912 W EP2013057912 W EP 2013057912W WO 2013160153 A1 WO2013160153 A1 WO 2013160153A1
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ray
grating
prisms
lens
grid
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PCT/EP2013/057912
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English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver PREUSCHE
Gisela Anton
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
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Publication date
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    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
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    • G21K1/065—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diffraction, refraction or reflection, e.g. monochromators using refraction, e.g. Tomie lenses
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    • G21K2207/00—Particular details of imaging devices or methods using ionizing electromagnetic radiation such as X-rays or gamma rays
    • G21K2207/005—Methods and devices obtaining contrast from non-absorbing interaction of the radiation with matter, e.g. phase contrast

Definitions

  • the invention relates to an X-ray device, in particular for phase contrast imaging in the medical field, comprising an X-ray source, a coherence grating, a phase grating and an X-ray detector of a number of pixels arranged in a matrix.
  • the interaction of electromagnetic radiation, that is also of X-radiation, with a medium is described inter alia with the help of the complex refractive index.
  • the real part and the imaginary part of the refractive index depend on the material composition of the medium to which the complex refractive index is assigned. While the imaginary part reflects the phenomenon of the absorption of electromagnetic radiation in a medium, the real part describes the phenomenon of refraction, most commonly known in the field of geometric optics.
  • Both interaction phenomena can in principle be used for an imaging process, for example for medical diagnostics.
  • there are predominantly devices for measuring the material-dependent absorption wherein in so-called X-ray radiography an object to be examined is irradiated with X-radiation and the transmitted intensity is recorded behind the object to be examined.
  • a projection image can be produced, which reproduces a two-dimensional distribution of the absorption properties of the object.
  • a plurality of projection images are recorded, on the basis of which a three-dimensional data set is then calculated, which reflects the spatial distribution of the absorption coefficient. From this, one can deduce the spatial distribution of the material composition of the object.
  • phase contrast radiography and phase contrast tomography are currently being intensively researched and corresponding devices are being developed to an increasing extent.
  • the metrological detection of the phase shift is carried out here usually indirectly by measuring an intensity and an interference condition
  • the metrological structure used for this purpose is typically based on a Talbot-Lau interferometer. Accordingly, it comprises a number of optical and in particular X-ray optical gratings, which are arranged between an X-ray source and an X-ray detector.
  • Such a structure allows the implementation of an interferometric measuring method, as it is known, for example, from Xray phase imaging with a grating interferometer, T. Weitkamp et al. , August 8, 2005 / Vol. 13, No.
  • the starting point of all known measuring devices is the Talbot-Lau interferometer, in which along an optical axis an X-ray source, a coherence grating G 0 , a phase grating Gi, an analysis grating G 2 and an X-ray detector constructed from a multiplicity of pixels are arranged.
  • the coherence grating G 0 serves to ensure sufficient spatial coherence of the X-ray source. Accordingly, in the case of an X-ray source, which can be considered in good approximation as a point source, the coherence grating G 0 can be dispensed with.
  • phase grating or diffraction grating Gi which typically has a uniform striped structure
  • an interference pattern is generated, wherein the period of this interference pattern is typically significantly smaller than the size of the pixels of the X-ray detector, so that the direct detection of the interference pattern with the X-ray detector is not possible.
  • the X-ray detector is preceded by the analysis grating or absorption grating G 2 , with the aid of which the interference pattern can be quasi scanned by spatial-periodic suppression of X-ray radiation, so that this can be displayed with the aid of the pixels of the X-ray detector.
  • the analysis grid G 2 is displaced in a plane perpendicular to the optical axis, and with a uniform striped structure of the phase grating Gi also perpendicular to the strips of the structure, and for different displacement positions intensity measurements are made with the aid of the X-ray detector.
  • a fixed arrangement is provided for the analysis grid G 2 and the sampling of the interference pattern is effected by a shift of the coherence grating G 0 or the diffraction grating Gi.
  • This basic structure can be used for an imaging method, ie for a phase contrast imaging, wherein an object to be examined or a patient, for example between the coherence grating G 0 and / or the X-ray source and the phase grating Gi or between the
  • Phase grating Gi and the analysis grid G 2 is positioned near the phase grating Gi.
  • the object to be examined then requires a location-dependent phase shift of the X-ray radiation which penetrates the object to be examined, as a result of which changes in the interference pattern occur, which are detected metrologically by means of the X-ray detector.
  • a shift then takes place, for example.
  • the phase grating Gi transversely to the optical axis in discrete steps, in each case the intensity at the X-ray detector is measured.
  • the measured values thus acquired are then compared, for example, with sinusoids belonging to different phase shifts. In this way, it is then possible to deduce the phase shift caused by the object to be examined.
  • the object of the invention is to provide an advantageous x-ray device, in particular for phase-contrast imaging.
  • the design of the X-ray device is based on the finding that the phase at locations of high intensity is quite flat, that is, it varies only slightly in a location-dependent manner in areas of high intensity. On the other hand, quite distinct location-dependent phase shifts are visible in those areas where the intensity is low. Based on this knowledge is the fundamental idea, a photorefractive one
  • the X-ray device is designed in particular for the implementation of a phase-contrast imaging method and is preferably intended for use in the medical field. It comprises an X-ray source, a coherence grating, a phase grating and an X-ray detector comprising a number of pixels arranged in the manner of a matrix, and, moreover, the structure of the X-ray device has a lens grid.
  • the structure corresponds in a first approximation to the structure of a Talbot-Lau interferometer of the type mentioned, wherein the analysis grid G 2 has been replaced by the lens grid.
  • the lens grid acts like a regular arrangement of collecting Lenses, each of the converging lenses preferably focuses the X-ray radiation in its sphere of action to exactly 1 pixel of the X-ray detector.
  • a separate collecting lens assigned to the respective pixel is furthermore preferably given for each pixel, whereby the collecting lenses focus on straight pixels and odd pixels alternately row by row and column by column. This can be realized, for example, by superimposing two grids rotated by 90 °.
  • the lens grid has a regular arrangement of columns of one-dimensionally focusing converging lenses, each of the columns of converging lenses preferably focusing X-radiation into its effective area onto exactly one column of pixels of the X-ray detector. Accordingly, for each column of pixels of the matrix-type X-ray detector, a dedicated associated collector lens column is preferably provided.
  • This columnar or strip-shaped structure of the lens grid is preferably used in combination with a strip-shaped phase grating Gi, the strips of the strip-shaped structure of the phase grating Gi being arranged parallel to the collecting lens columns of the lens grid.
  • adjacent collective lens columns are interlocked with each other, so that close to the
  • Center of a converging lens are the edges of the converging lenses of the two adjacent collection lens columns.
  • the structure is preferably designed for obtaining medical differential phase contrast images by means of X-ray radiation with a photon energy in the range from 10 keV to 100 keV.
  • the usable working range of the spectrum is preferably selected such that the upper limit is maximum. times by a factor of 3 from the lower limit.
  • a design on the range 50 keV to 86 keV is provided or, for example, for mammography, a range of 15 keV to 25 keV.
  • a negative influence by chromatic aberration is reduced to an acceptable level.
  • the X-ray device is used in particular for the examination of soft tissue and thus of matter which contains substantially atoms of small atomic number.
  • so-called dark field images can also be generated from the same raw data, that is to say from the same measured data, by means of a device with which phase-contrast images can be measured.
  • the raw data are processed differently, wherein, for example, the measured contrast of the interference pattern positions along the displacement axis are integrated for the phase contrast image, while for the dark image, the local contrast in the interference pattern is visualized directly.
  • an X-ray device presented here is preferably set up in such a way that dark field images as well as phase contrast images can be generated with it, both of which are obtained from the same raw data.
  • the lens grid is expediently arranged between the phase grating and the X-ray detector and preferably has an extent transverse to the optical axis of the structure which approximately corresponds to the extent of the phase grating Gi.
  • the lens grid modifies the radiation field emanating from the phase grating Gi before it reaches the X-ray detector.
  • a focal plane can be assigned to the lens grid, and the X-ray detector is preferably arranged in this focal plane or at a short distance in the direction of phase grid G 1. sets positioned to the focal plane. If the lens grid is thus made up of a regular arrangement of converging lenses, then each convergent lens can be assigned a focal point, more precisely a wavelength-dependent focal point, and the focal points of all convergent lenses are in a good approximation in a plane which is then regarded as a focal plane.
  • This focal plane is oriented perpendicular to the optical axis and, accordingly, aligned parallel to the pixels of the X-ray detector, to the coherence grating and to the phase grating.
  • the structure is preferably designed such that the pixel centers of the X-ray detector coincide with the focus points, so that then an analysis grid G 2 can be dispensed with.
  • an analysis grid G 2 can be dispensed with.
  • this additionally has an analysis grid or absorption grid G 2 , which is positioned between the lens grid and the x-ray detector.
  • this analysis grid is positioned in the focal plane of the lens grid or at a small distance in the direction of the phase grating Gi offset from the focal plane of the lens grid and also aligned parallel to the lens grid.
  • the aspect ratio r is currently limited to approximately 50 in the case of production of reactive ion etching and approximately 100 when using a LIGA process.
  • the height h in turn has an effect on the absorption capacity of the analysis grid G 2 and thus on how well the spatial-periodic blanking of the X-ray genstrahlungsfeldes through the analysis grid G 2 works.
  • the collecting lens columns preferably focus alternately on the grid bars and the columns.
  • the straight collective lens columns thus focus on the grid bars, while the odd collective lens columns focus on the columns in the analysis grid G 2 .
  • an embodiment of the x-ray device in which the lens grid is constructed of prisms, which preferably have a triangular or trapezoidal base, in particular with a symmetrical trapezoidal shape, in which two non-parallel sides include a base angle, and moreover preferably regularly are arranged.
  • prisms as optical elements for the manipulation of X-ray radiation is already known from the art field of X-ray microscopy and accordingly already existing manufacturing processes for the production of corresponding optical elements.
  • each collecting lens of the lens grid is more preferably constructed from a plurality of prisms, wherein the collecting lenses of the lens grid are advantageously constructed identically in each case.
  • electromagnetic radiation in this case the x-ray radiation
  • the converging lens which in the case of the lenslet converging lenses either by a location-dependent variation of the number of prisms or by a location-dependent different configuration of the prisms, through which the X-radiation passes, is achieved.
  • the structure of a collecting lens column in the longitudinal direction of the collecting lens column preferably remains constant, while the design varies perpendicular thereto and caused by the converging lens column refraction of the X-radiation and thus the deflection of the
  • X-radiation is only perpendicular to the longitudinal direction of the collecting lens column.
  • the lens grid is preferably constructed of prisms in such a way that the prisms of adjacent collective lenses
  • the lens grid is preferably designed such that the trapezoids of adjacent rows are arranged offset from each other half, so that thereby elongated and in particular meandering structures are formed by the trapezoids.
  • the phase grating, the X-ray detector and, if available to the analysis grid, the prisms forming the lens grid are also preferred on egg- ner base plate positioned and in particular integrally formed.
  • the base plate is aligned in the adjustment and not the prisms themselves. The production of a corresponding lens grid is thereby facilitated.
  • the prisms are designed as oblique prisms and are therefore inclined relative to the surface normal of the base plate. This means that at least one lateral surface of the prisms is not aligned parallel to the surface normal of the base plate.
  • the arrangement of the prisms on the base plate preferably in a Y-direction transverse to the surface normal on a periodicity such that the pattern formed by the prisms on the top and the pattern on the bottom of the lens grid is offset by exactly one period.
  • each puncture with the same X position along an X direction perpendicular to the Y direction contains exactly the same amount of prism material regardless of its Y position along the Y direction, so that there is a light wave due to the low refraction in the X-ray Range, only the material variation in the X position is effective.
  • the inclination of the prisms against the surface normal of the base plate is characterized by an inclination angle whose preferred value is between
  • the lateral surfaces of the prisms are designed not parabolically but parabolically according to an embodiment variant.
  • the lens grid is thus formed by parabolic prisms.
  • the lens grid is made up of a number of so-called Clessidra lenses ("hourglass" lenses) .
  • Clessidra lenses hourglass lenses
  • the basic geometric design of such lenses is known per se and is used in the field of X-ray microscopy for focusing the X-ray beam
  • the manufacture of such lenses, also called composite refractive X-ray lenses, is currently being researched and developed at the Düsseldorf Institute of Technology (Institute of Microstructure Technology), but in the case of the lens grid, no single Clessidra lens is used to manipulate the radiation field.
  • the lens grid is preferably provided by a regular array of a plurality of Clessidra lenses, with Clessidra lenses, in particular, being arranged in two orthogonal directions, thus forming the Clessidra lenses of the lens grid on the one hand preferably stacked on top of each other and on the other side strung together laterally.
  • the Clessidra lenses which are stacked one above the other in the x-direction are preferably constructed from oblique prisms inclined in the y-direction and with the aid of the Clessidra lenses a focusing and thus a deflection of the x-ray radiation in the x-direction takes place.
  • the lens grid is formed by two sub-grids, wherein the two sub-grids are preferably formed identically and are preferably shifted to form the lens grid in the x direction against each other.
  • the sublattices are preferably given by a regular arrangement of Clessidra lenses, with the Clessidra lenses preferably also being lined up in two orthogonal directions in each case, that is, on the one hand being lined up on the side and stacked one above the other.
  • Gold or nickel is preferably used as the base material for the lens grid, although gold is advantageously used when X-ray radiation with a photon energy between 50 keV and 100 keV is to be manipulated by means of the lens grid, whereas nickel is preferred for the manipulation of X-ray radiation with a photon energy in the range 15 keV to 50 keV to be manipulated.
  • silicon for a range of 10 keV to 30 keV and photoresist or plastic for a range of 10 keV to 20 keV are particularly useful in reactive ion etching fabrication.
  • FIG. 1 shows a sectional view of an X-ray device with a lens grid
  • FIG. 3 shows a sectional view of an alternative embodiment of the lens grid
  • FIG. 7 is a perspective view of an alternative regular arrangement of prisms with alternative orientation relative to the optical axis
  • FIG. 8 shows a sectional representation of a first embodiment of a prism base
  • FIG. 10 is a sectional view of a third embodiment of the prism base
  • FIG. 11 shows a plan view of a first layout of a lithography mask
  • FIG. 13 is a plan view of a third layout of the lithographic mask
  • FIG. 15 is an enlarged view of the fourth layout of FIG.
  • An X-ray device 2 described below by way of example and shown schematically in FIG. 1 comprises an X-ray source 4, a coherence grating G 0 , a phase grating Gi, a lens grating G L , an analysis grating G 2 and an X-ray detector 6 constructed from a multiplicity of pixels.
  • the structure can be assigned, as in the case of most optical devices, a system axis or optical axis 8, which is arranged in the case of the embodiment in the z direction.
  • the individual optical elements of the X-ray device 2 are in the exemplary embodiment just extant taltet, along this optical axis 8 and each aligned perpendicular to this.
  • the X-ray device 2 is provided for obtaining medical differential phase contrast images and for examining a patient by means of this imaging method, the latter is positioned between the coherence grating G 0 and the phase grating Gi, preferably immediately in front of the phase grating Gi.
  • the metrological detection or rather the determination of the spatial distribution of the phase shift caused by the patient takes place in the case of the x-ray device 2 presented here according to a principle known per se.
  • the coherence grating G 0 has a grating period p 0 and a grating strength or height h 0 and serves to ensure sufficient spatial coherence of the x-ray radiation used for the interferometric measuring method.
  • the coherence grating G 0 is typically positioned at a distance of about 10 cm to the X-ray source 4 and has approximately the dimensions of a postage stamp. Position and distance are chosen so that the coherence grating G 0 according to
  • Set of radiation at least the X-ray detector 6 covers.
  • a point source X-ray source in a good approximation instead of an extended X-ray radiation source 4 and a coherence grating Go.
  • the X-ray source 4 in combination with the downstream coherence grating G 0 acts as the actual radiation source for the interferometric structure.
  • the phase grating d is arranged.
  • This serves as the Talbot-Lau interferometer described above to produce a strip-shaped interference pattern and has for this purpose a strip-shaped structure, wherein the structure strips extend in the y direction.
  • the phase grating d is designed in such a way that, to a good approximation, no absorption takes place in the phase grating Gi, but only by the regular structure of the phase grating Gi rays, e after in which region these impinge on the phase grating Gi, either pass this unaffected or through the Phase grating Gi a phase shift by a quarter wavelength, ie by n / 2 experience.
  • a value of 42 ⁇ was chosen for the height hi of the phase grating Gi a value of 42 ⁇ was chosen.
  • the lens grid G L is positioned. This has a height h L of about 60 ⁇ m and a grating period P L of 1.5 ⁇ m and serves to manipulate the X-ray field emanating from the phase grating Gi.
  • the grating period p L reproduces the periodicity of the interference pattern formed by the phase grating Gi at the position of the lens grating G L , while the periodicity of the structure of the lens grating G L is given by N xp L , where N in the exemplary embodiment according to FIG so that in each case five periods of the interference pattern are focused and imaged alternately on lands and on slits of the analysis grid G 2 .
  • N in the exemplary embodiment according to FIG so that in each case five periods of the interference pattern are focused and imaged alternately on lands and on slits of the analysis grid G 2 .
  • a phase shift by half a wavelength is provided, in which case the value 2.84 ⁇ is selected for the grating period pi.
  • the analysis grid G 2 Again in the z-direction is the analysis grid G 2 , wherein the distance d L2 between the made of gold lens grid G L and also made of gold Analysis grid G 2 is 43.92 ⁇ .
  • the distance d L2 between the made of gold lens grid G L and also made of gold Analysis grid G 2 is 43.92 ⁇ .
  • the distance d L2 between the made of gold lens grid G L and also made of gold Analysis grid G 2 is 43.92 ⁇ .
  • the distance d L2 between the made of gold lens grid G L and also made of gold Analysis grid G 2 is 43.92 ⁇ .
  • the distance d L2 between the made of gold lens grid G L and also made of gold Analysis grid G 2 is 43.92 ⁇ .
  • the grating period p 2 a value of 7.81 ⁇ was chosen.
  • the X-ray detector 6 is arranged.
  • the grid heights are quite uncritical.
  • the grating periods and the distances between the grids must be exactly matched to one another
  • the dimensions of the grids G 1 , G L , G 2 in the x-direction and in the y-direction are substantially the same, but in an alternative embodiment, the extension of the lens grating corresponds to G L in the x-direction and in the y-direction of the extension the X-ray detector 6, that is, the detector surface spanned by the pixels of the X-ray detector 6.
  • the functional principle of the structure and in particular the effect of the lens grid in the X-ray device 2 can be understood on the basis of a simplified consideration on the basis of geometric optics.
  • a point-shaped X-ray source is considered at a gap of the coherence grating G 0 , from which X-radiation is radiated in the direction of the phase grating Gi.
  • the X-ray radiation represented by rays then impinges on the phase grating Gi, in which case a dashed ray undergoes a phase shift and a beam characterized by a solid line passes through the phase grating Gi without any influence.
  • the analysis grid G 2 can be coarser structured than in a Talbot-Lau interferometer according to the prior art, without this significantly changing the resolution or the visibility.
  • a value for the grating period p 2 of about 1.5 to 2 ⁇ would be selected, the value of the grating period p 2 in the case of the embodiment at about 8 ⁇ m.
  • the analysis grid G 2 is positioned.
  • a so-called Clessidra lens 10 As shown in FIG. This is formed by a plurality of prisms, typically with triangular base, which are arranged in the form of an hourglass. The further away from the center of the hourglass shape X-radiation impinges on the Clessidra lens 10, the stronger the deflection of the X-ray radiation due to refraction at the prisms, whereby an effect corresponding to a converging lens is achieved.
  • Such a Clessidra lens 10 forms a possible basis for the design of the lens grid G L , wherein the lens grid G L is composed of two sub-gratings, one of which serves to deflect the beams which have been phase-shifted by the phase grating Gi during the other subgrid serves to deflect those beams which have passed the phase grating Gi unaffected.
  • each convergent lens focuses by way of example on five directly adjacent beams of the same phase. These five rays symbolically stand for five adjacent stripes of the same intensity of the interference pattern at the height of the position of the lens grid G L.
  • the number N of strips of equal intensity in the interference pattern at the position of the lens grid G L which is imaged by means of a converging lens of the lens grid G L on a focus F, by the structure of the lens grid G L and in particular by the structure of the converging lenses of the lens ters G L determined and given.
  • FIG. 3 the effect of a lens grating G L constructed from individual prisms is shown by way of example in a sectional view, the prisms LP of a subgrid being shown in black and the prisms LP of the other subgrid being shown in a striped manner.
  • Each sublattice is formed by a plurality of celssidra lenses 10, which are lined up or stacked in the x-direction, and the two sub-gratings are shifted by half a dimension of a Clessidra lens 10.
  • N 5 according to FIG. 1
  • N 8 according to FIG.
  • the black prisms LP of the one subgrid cause a refraction of the phase grating Gi senverschobenen rays, each eight immediately adjacent rays of the same phase are focused on a black portion of the analysis grid G 2 , which is designed for example as a web and absorbs the incident X-ray.
  • the other sublattice formed by the striped prisms LP serves to refract the X-rays passing through the phase grating Gi, with eight adjacent rays of the same phase being focused on striped regions of the analysis grating G2, which represent gaps, for example, and pass unhindered through the X-ray radiation can.
  • the use of the analysis grid G 2 is dispensed with and the X-ray detector 6 is positioned at the position of the analysis grid G 2 , the pixel size and / or the pixel pitch corresponding to half the grating period p 2 .
  • the structure then substantially corresponds to the structure according to FIG. 3, the striped and black-represented structural elements of the analysis grid G 2 being replaced in each case by pixels P of the X-ray detector 6.
  • the embodiment variant without analysis grating G 2 is provided in particular for mammography, in which case X-ray radiation with a photon energy between 15 and 25 keV is used.
  • the lens grid G L is not made of gold, but instead of nickel.
  • an X-ray detector 6 is used whose pixels have an extension of between 20 ⁇ m ⁇ 20 ⁇ m and 50 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m.
  • the lens grids G L according to FIG. 1 and FIG. 3 are constructed from identical prisms LP with a triangular base area, which are positioned in a regular arrangement relative to one another and relative to the optical axis 8 of the X-ray device 2.
  • the prisms LP are integrally formed on a base plate 12.
  • This assembly Base plate 12 and molded-on lens prisms LP are produced, for example, in the aforementioned LIGA method and then aligned with the optical axis 8.
  • the prisms LP themselves are aligned relative to one another via the molding on the base plate 12.
  • FIGS. 5 to 7 Three regular arrangements of prisms LP are shown by way of example in FIGS. 5 to 7 and the arrows indicate the orientation of the base plate 12 relative to the optical axis 8 and thus to a good approximation relative to the direction of the rays of the x-ray radiation.
  • FIG. 5 shows a disadvantageous arrangement with too small a field of view
  • FIG. 6 and FIG. 7 show favorable arrangements, as provided for the construction.
  • the prisms are only illustrative and do not give the concrete design of the lens grid again. They merely show the arrangement with regard to the orientation with respect to the optical axis.
  • FIG. 6 shows a vertical prism structure which is then to be positioned obliquely to the optical axis in the structure, while FIG.
  • FIG. 7 shows an oblique, prismatic prism structure, so that the lens grid is arranged perpendicularly to the optical axis in this case.
  • the lens grid G L is produced, for example, by means of the LIGA method, and FIGS. 11 to 15 show various embodiments of masks with the aid of which a lens grid G L presented here can be produced.
  • a gold mask is positioned directly over the example, 100 microns thick photoresist and exposed to X-rays.
  • filling areas for subsequent filling which are provided by holes or trenches, detach from the photoresist. These filling areas are filled with a metal in a subsequent electroplating process step.
  • Photoresist worn here is white and the galvanized metal is shown in black.
  • the prisms LP of the regular arrangements according to FIG. 5 to FIG. 7 have a triangular base area.
  • sharp corners can only be realized to a limited extent; instead, the corners are rather roundish due to the production process and can thus be represented by a circle segment.
  • FIG. 8 shows the resulting round curve at a column boundary or material boundary MG, in the case that, in a layout for a lithographic mask, a base corner, represented by the fine solid line, reaches to the limit of FIG Prismas LP was planned. At the shown 45 ° corner in the layout, however, far more than the radius is approaching this prism limit. If the corner is flattened, it will become increasingly better approximated by the circle segment.
  • FIG. 9 shows a variant in which the material boundary MG can be brought up to the prism boundary by additional height in the y direction.
  • the variant shown in FIG. 10 is designed such that the corner rounding comes to rest on the prism boundary.
  • adjacent round areas can be arranged one above the other and thus affect a smaller area on the horizontal axis, the grid structure being assumed on the vertical axis.
  • lens grids GL can be realized with a structure consisting of cluster lens columns.
  • the columns are aligned in the y direction and the refraction of the X-radiation, ie the deflection of the beams, takes place in the x-direction.
  • the base areas of the prisms LP have different thicknesses or base angles, and the prisms LP of two or three adjacent strips or rows interlock with one another such that elongated meandering structures form in the y direction.
  • the rectangular markings marked with the designations A to D gene show the different steep prisms LP, so the prisms LP with different base angles.
  • the prisms LP of the lens grid G L produced by means of this method are designed as oblique prisms LP with an inclination in the y-direction.
  • the arrangement of the prisms LP on the base plate in the y-direction has a periodicity such that the pattern formed by the prisms LP on the upper side and the pattern on the underside of the lens grid G L is offset by exactly one period p Y ,
  • each puncture with the same x-position along the x-direction perpendicular to the y-direction, regardless of its y-position along the y-direction contains exactly the same amount of prism material, so that only one light wave is due to the low refraction in the x-ray region the material variation in the x-position works.
  • the x positions are indicated by solid or dashed arrows, at which the beams impinge on the lens grid G L according to the simplified illustration of the functional principle according to FIG.
  • the x positions are indicated by solid or dashed arrows, at which the beams impinge on the lens grid G L according to the simplified illustration of the functional principle according to FIG.
  • five immediately adjacent beams of one phase are indicated by solid arrows, while the five adjacent beams of the other phases are symbolized by dotted arrows.
  • nine beams of the same phase are separated by a collecting lens. Column focused on a focus at the height of the column center SM in the x direction.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Röntgenvorrichtung (2), insbesondere für eine Phasenkontrastbildgebung im Medizinbereich, umfassend eine Röntgenstrahlungsquelle (4), ein Kohärenzgitter (Go), ein Phasengitter (G1) und einen Röntgendetektor (6) aus einer Anzahl matrixartig angeordneter Pixel (P), wobei diese ein Linsengitter (GL) aufweist

Description

Beschreibung
Röntgenvorrichtung Die Erfindung betrifft eine Röntgenvorrichtung, insbesondere für eine Phasenkontrastbildgebung im Medizinbereich, umfassend eine Röntgenstrahlungsquelle, ein Kohärenzgitter, ein Phasengitter und einen Röntgendetektor aus einer Anzahl matrixartig angeordneter Pixel .
Die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung, also auch von Röntgenstrahlung, mit einem Medium wird unter anderem mit Hilfe des komplexen Brechungsindexes beschrieben. Realteil und Imaginärteil des Brechungsindexes sind dabei je- weils abhängig von der materiellen Zusammensetzung des Mediums, dem der komplexe Brechungsindex zugeordnet ist. Während der Imaginärteil das Phänomen der Absorption von elektromagnetischer Strahlung in einem Medium wiedergibt, beschreibt der Realteil das meist aus dem Gebiet der geometrischen Optik bekannte Phänomen der Brechung.
Beide Wechselwirkungs-Phänomene lassen sich prinzipiell für ein bildgebendes Verfahren, beispielsweise für die medizinische Diagnostik, nutzen. Derzeit im Einsatz befinden sich je- doch vorwiegend Vorrichtungen zur messtechnischen Erfassung der materialabhängigen Absorption, wobei in der sogenannten Röntgenradiographie ein zu untersuchendes Objekt mit Röntgenstrahlung bestrahlt und die transmittierte Intensität hinter dem zu untersuchenden Objekt aufgezeichnet wird. Anhand die- ser Messung lässt sich ein Projektionsbild anfertigen, welches eine zweidimensionale Verteilung der Absorptionseigenschaften des Objekts wiedergibt. In der Röntgentomographie schließlich werden eine Vielzahl von Projektionsbildern aufgezeichnet, anhand derer dann ein dreidimensionaler Datensatz berechnet wird, der die räumliche Verteilung des Absorptionskoeffizienten wiederspiegelt. Hieraus kann dann auf die räumliche Verteilung der materiellen Zusammensetzung des Objektes geschlossen werden. Weniger verbreitet sind derzeit noch Vorrichtungen zur Erfassung der von einem zu untersuchenden Objekt verursachten Phasenverschiebung, also der Brechung von Röntgenstrahlung, zur Ermittlung der materiellen Zusammensetzung von Objekten. Die entsprechenden Verfahren, Phasenkontrastradiographie und Pha- senkontrasttomographie genannt, werden jedoch derzeit intensiv erforscht und es werden verstärkt entsprechende Vorrichtungen entwickelt.
Die messtechnische Erfassung der Phasenverschiebung erfolgt hierbei in der Regel indirekt durch Messung einer Intensität sowie einer Interferenzbedingung, wobei der hierzu genutzte messtechnische Aufbau typischerweise auf einem Talbot-Lau- Interferometer basiert. Er umfasst dementsprechend eine Anzahl von optischen und insbesondere röntgenoptischen Gittern, die zwischen einer Röntgenstrahlungsquelle und einem Röntgen- detektor angeordnet sind. Ein derartiger Aufbau erlaubt die Umsetzung einer interferometrischen Messmethode, wie sie bei- spielsweise aus „Xray phase imaging with a grating interferometer, T. Weitkamp at al . , 8. August 2005/ Vol. 13, No .
16/OPTICS EXPRESS" hervorgeht.
Weitere Apparaturen für eine Phasenkontrastbildgebung sind unter anderem aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 447
046 AI und den deutschen Patentanmeldungen 10 2006 017 290.6, 10 2006 015 358.8, 10 2006 017 291.4, 10 2006 015 356.1 und 10 2006 015 355.3 bekannt und verschiede Ausgestaltungen von röntgenoptischen Gittern sind beispielsweise in der DE 10 2006 037 281 AI beschrieben.
Ausgangspunkt aller bekannten Messvorrichtungen bildet, wie zuvor erwähnt, das Talbot-Lau-Interferometer , bei dem entlang einer optischen Achse eine Röntgenstrahlungsquelle, ein Kohä- renzgitter G0, ein Phasengitter Gi, ein Analysegitter G2 und ein aus einer Vielzahl von Pixeln aufgebauter Röntgendetektor angeordnet sind. Das Kohärenzgitter G0 dient dabei zur Sicherstellung einer ausreichenden räumlichen Kohärenz der Röntgenstrahlungsquelle. Dementsprechend kann im Falle einer Röntgenstrahlungsquelle, die in guter Näherung als Punktquelle betrachtet werden kann, auf das Kohärenzgitter G0 verzichtet werden. Mit Hilfe des Phasengitters oder auch Beugungs- gitters Gi, welches typischerweise eine gleichmäßige gestreifte Struktur aufweist, wird ein Interferenzmuster erzeugt, wobei die Periode dieses Interferenzmusters typischerweise deutlich kleiner ist als die Größe der Pixel des Röntgendetektors, so dass die direkte Erfassung des Interferenz- musters mit dem Röntgendetektor nicht möglich ist. Stattdessen ist dem Röntgendetektor das Analysegitter oder Absorptionsgitter G2 vorgeschaltet, mit dessen Hilfe das Interferenzmuster durch eine räumlich-periodische Ausblendung von Röntgenstrahlung quasi abgetastet werden kann, so dass dieses mit Hilfe der Pixel des Röntgendetektors darstellbar ist. Hierzu wird das Analysegitter G2 in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse, und bei gleichmäßiger gestreifter Struktur des Phasengitters Gi auch senkrecht zu den Streifen der Struktur, verschoben und für verschiedene Verschiebepositionen werden Intensitätsmessungen mit Hilfe des Röntgendetektors vorgenommen. Alternativ ist für das Analysegitter G2 eine feststehende Anordnung vorgesehen und die Abtastung des Interferenzmusters erfolgt durch eine Verschiebung des Kohärenzgitters G0 oder des Beugungsgitters Gi .
Dieser prinzipielle Aufbau lässt sich für ein bildgebendes Verfahren, also für eine Phasenkontrastbildgebung, nutzen, wobei ein zu untersuchendes Objekt oder ein Patient zum Beispiel zwischen dem Kohärenzgitter G0 und/oder der Röntgen- Strahlungsquelle und dem Phasengitter Gi oder zwischen dem
Phasengitter Gi und dem Analysegitter G2 nahe dem Phasengitter Gi positioniert wird. Das zu untersuchende Objekt bedingt dann eine ortsabhängige Phasenverschiebung der Röntgenstrahlung, die das zu untersuchende Objekt durchdringt, wodurch Veränderungen im Interferenzmuster entstehen, welches mittels des Röntgendetektors messtechnisch erfasst werden. Zur Ermittlung der durch das zu untersuchende Objekt verursachten Phasenverschiebung erfolgt dann eine Verschiebung beispiels- weise des Phasengitters Gi quer zur optischen Achse in diskreten Schritten, wobei jeweils die Intensität am Röntgende- tektor gemessen wird. Die so erfassten Messwerte werden dann beispielsweise mit zu unterschiedlichen Phasenverschiebungen gehörigen Sinuskurven verglichen. Auf diese Weise kann dann auf die durch das zu untersuchende Objekt hervorgerufene Phasenverschiebung zurückgeschlossen werden.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte Röntgenvorrichtung insbesondere für eine Phasenkontrastbildgebung anzugeben .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Röntgenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die rückbezo- genen Ansprüche beinhalten teilweise vorteilhafte und teilweise für sich selbst erfinderische Weiterbildungen dieser Erfindung .
Dabei liegt dem Aufbau der Röntgenvorrichtung die Erkenntnis zugrunde, dass die Phase an Stellen hoher Intensität recht flach ausfällt, also in Bereichen mit hoher Intensität nur geringfügig ortsabhängig variiert. Hingegen sind recht deutliche ortsabhängige Phasenverschiebungen in den Bereichen sichtbar, in denen die Intensität niedrig ist. Auf dieser Er- kenntnis basiert die grundlegende Idee, ein lichtbrechendes
Linsensystem in den Aufbau zu integrieren.
Die Röntgenvorrichtung ist insbesondere für die Umsetzung eines Phasenkontrast-Bildgebungsverfahrens ausgebildet und be- vorzugt für den Einsatz im Medizinbereich vorgesehen. Sie um- fasst eine Röntgenstrahlungsquelle, ein Kohärenzgitter, ein Phasengitter sowie einen Röntgendetektor aus einer Anzahl matrixartig angeordneter Pixel und zudem weist der Aufbau der Röntgenvorrichtung ein Linsengitter auf. Der Aufbau ent- spricht dabei in erster Näherung dem Aufbau eines Talbot-Lau- Interferometers der eingangs genannten Art, wobei das Analysegitter G2 durch das Linsengitter ersetzt wurde. Das Linsengitter wirkt dabei wie eine regelmäßige Anordnung von Sammel- linsen, wobei jede der Sammellinsen bevorzugt die Röntgenstrahlung in ihrem Wirkungsbereich auf genau 1 Pixel des Röntgendetektors fokussiert. Unter Annahme einer einerseits zeilenweisen und andererseits spaltenweisen Durchnummerierung der Pixel des Röntgendetektors ist weiter bevorzugt für jedes Pixel eine eigene und dem jeweiligen Pixel zugeordnete Sammellinse gegeben, wobei die Sammellinsen zeilenweise einerseits und spaltenweise andererseits abwechselnd auf gerade Pixel und ungerade Pixel fokussieren. Dies kann beispielswei- se durch Übereinanderlegung von zwei um 90° gedrehter Gitter realisiert werden.
Alternativ weist das Linsengitter eine regelmäßige Anordnung von Spalten von eindimensional fokussierenden Sammellinsen auf, wobei jede der Spalten von Sammellinsen bevorzugt Röntgenstrahlung in ihren Wirkungsbereich auf genau eine Spalte von Pixeln des Röntgendetektors fokussiert. Dementsprechend ist bevorzugt für jede Spalte von Pixeln des matrixartigen Röntgendetektors eine eigene zugeordnete Sammellinsen-Spalte gegeben.
Dieser spaltenförmige oder streifenförmige Aufbau des Linsengitters wird bevorzugt in Kombination mit einem streifenförmig aufgebauten Phasengitter Gi eingesetzt, wobei die Strei- fen der streifenförmigen Struktur des Phasengitters Gi parallel zu den Sammellinsen-Spalten des Linsengitters angeordnet sind .
In vorteilhafter Weiterbildung sind benachbarte Sammellinsen- Spalten jeweils ineinander verzahnt, so dass sich nahe der
Mitte einer Sammellinse die Ränder der Sammellinsen der beiden benachbarten Sammellinsen-Spalten befinden.
Der Aufbau ist dabei vorzugsweise für die Gewinnung medizini- scher differentieller Phasenkontrastbilder mittels Röntgenstrahlung mit einer Photonenenergie im Bereich 10 keV bis 100 keV ausgelegt. Dabei ist der nutzbare Arbeitsbereich des Spektrums bevorzugt derart gewählt, dass die Obergrenze maxi- mal um einen Faktor 3 von der Untergrenze beabstandet ist. So ist beispielsweise eine Auslegung auf den Bereich 50 keV bis 86 keV vorgesehen oder aber, beispielsweise für die Mammografie, ein Bereich von 15 keV bis 25 keV. Mithilfe dieser Beschränkung wird ein negativer Einfluss durch chromatische Aberration auf ein akzeptables Maß reduziert. Bevorzugt dient die Röntgenvorrichtung insbesondere zur Untersuchung von Weichgewebe und somit von Materie, die im Wesentlichen Atome kleiner Ordnungszahl enthält.
Zudem ist es bekannt, dass mit eder Vorrichtung, mit der Phasenkontrastbilder gemessen werden können, auch sogenannte Dunkelfeldbilder aus denselben Rohdaten, also aus denselben Messdaten, generiert werden können. Hierzu werden die Rohda- ten unterschiedlich aufbereitet, wobei beispielsweise für das Phasenkontrastbild die gemessenen Abweichungen der Interferenzmuster-Positionen entlang der Verschiebeachse integriert werden, während für das Dunkelbild der lokale Kontrast im Interferenzmuster direkt visualisiert wird. Diese beiden Mög- lichkeiten der Visualisierung sind beide mit der hier vorgeschlagenen Konstruktion vereinbar und bleiben beide unverändert möglich. Dementsprechend ist eine hier vorgestellte Röntgenvorrichtung bevorzugt derart eingerichtet, dass mit dieser sowohl Dunkelfeldbilder als auch Phasenkontrastbilder generierbar sind, wobei beide aus denselben Rohdaten gewonnen werden .
Zweckdienlicherweise ist das Linsengitter zwischen dem Phasengitter und dem Röntgendetektor angeordnet und weist bevor- zugt quer zur optischen Achse des Aufbaus eine Ausdehnung auf, die in etwa der Ausdehnung des Phasengitters Gi entspricht. Somit modifiziert das Linsengitter das vom Phasengitter Gi ausgehende Strahlungsfeld, bevor dieses den Röntgendetektor erreicht.
Weiter lässt sich dem Linsengitter eine Fokusebene zuordnen und der Röntgendetektor wird bevorzugt in dieser Fokusebene oder mit geringem Abstand in Richtung Phasengitter Gi ver- setzt zur Fokusebene positioniert. Ist das Linsengitter also aus einer regelmäßigen Anordnung von Sammellinsen aufgebaut, so lässt sich jeder Sammellinse ein Fokuspunkt, genauer ein wellenlängenabhängiger Fokuspunkt, zuordnen und die Fokus- punkte aller Sammellinsen liegen in guter Näherung in einer Ebene, die dann als Fokusebene betrachtet wird. Diese Fokusebene ist senkrecht zur optischen Achse ausgerichtet und dementsprechend parallel zu den Pixeln des Röntgendetektors , zum Kohärenzgitter und zum Phasengitter ausgerichtet. Zudem ist der Aufbau bevorzugt derart gestaltet, dass die Pixel-Mitten des Röntgendetektors mit den Fokuspunkten zusammenfallen, sodass dann auf ein Analysegitter G2 verzichtet werden kann. Hierdurch lässt sich beispielsweise die Röntgendosis , der ein Patient bei einer Untersuchung ausgesetzt ist, nahezu halbie- ren.
Einer Ausführungsvariante der Röntgenvorrichtung entsprechend weist diese zusätzlich ein Analysegitter oder Absorptionsgitter G2 auf, welches zwischen dem Linsengitter und dem Rönt- gendetektor positioniert ist. Bevorzugt ist dieses Analysegitter in der Fokusebene des Linsengitters oder mit geringem Abstand in Richtung Phasengitter Gi versetzt zur Fokusebene des Linsengitters positioniert und zudem parallel zum Linsengitter ausgerichtet. Dieser Aufbau lehnt sich an das eingangs beschriebene Talbot-Lau-Interferometer an, allerdings erlaubt der zusätzliche Einsatz des Linsengitters eine Vergröberung, also eine gröbere Ausbildung, der Struktur des Analysegitters G2 und dementsprechend eine größere Gitterperiode p2. Durch die größere Gitterperiode p2 ist auch die fertigungstechnisch erreichbare Höhe h2 des Analysegitters G2, also die Ausdehnung in Richtung der optischen Achse, größer, da diese vor allem durch das bei der Produktion erreichbare Aspektverhältnis r = h/(p/2) beschränkt ist. Das Aspektverhältnis r ist dabei derzeit auf ungefähr 50 bei einer Herstellung mit- tel reaktivem Ionenätzen und etwa 100 bei Nutzung eines LIGA- Verfahrens limitiert. Die Höhe h wiederum wirkt sich auf das Absorptionsvermögen des Analysegitters G2 aus und somit darauf, wie gut die räumlich-periodische Ausblendung des Rönt- genstrahlungsfeldes durch das Analysegitter G2 funktioniert. Dies wirkt sich direkt auf die sogenannte Sichtbarkeit und somit auch auf die erreichbare Bildqualität bei der Phasen- kontrastbildgebung aus . Durch die Vergröberung der Struktur des Analysegitters G2 lässt sich sehr viel einfacher eine ausreichende Höhe h realisieren und somit eine bessere Sichtbarkeit erreichen. Dies ist insbesondere deswegen von Vorteil, da die benötigte Röntgendosis für eine vorgegebene Bildqualität umgekehrt proportional zum Quadrat der Sichtbar- keit ist. Dementsprechend ist die Sichtbarkeit für die benötigte Röntgendosis wichtiger als die Absorption durch die Gitteraufbauten .
Kommen sowohl ein Analysegitter mit streifenförmiger Struktur aus Gitterstegen und Spalten als auch das Linsengitter mit Sammellinsen-Spalten zum Einsatz, so fokussieren die Sammellinsen-Spalten bevorzugt alternierend auf die Gitterstege und die Spalten. Bei einer einfachen fortlaufenden Durchnum- merierung der Sammellinsen-Spalten fokussieren somit die geraden Sammellinsen-Spalten auf die Gitterstege, während die ungeraden Sammellinsen-Spalten auf die Spalten im Analysegitter G2 fokussieren.
Bevorzugt wird des Weiteren eine Ausgestaltung der Röntgen- Vorrichtung, bei der das Linsengitter aus Prismen aufgebaut ist, die vorzugsweise eine dreieckige oder trapezförmige Grundfläche aufweisen, insbesondere mit einer symmetrischen Trapezform, bei der zwei nicht parallele Seiten einen Basiswinkel einschließen, und darüber hinaus bevorzugt regelmäßig angeordnet sind. Die Nutzung von Prismen als optische Elemente zur Manipulation von Röntgenstrahlung ist bereits aus dem Technikfeld der Röntgenmikroskopie bekannt und dementsprechend existieren bereits Fertigungsverfahren zur Fertigung entsprechender optischer Elemente. Einige dieser Fertigungs- verfahren, wie beispielsweise das sogenannte reaktive Ionenätzen oder das sogenannte LIGA-Verfahren (LIGA: Lithographie, Galvanik und Abformung) , sind prinzipiell geeignet um ein hier vorgeschlagenes Linsengitter zu fertigen, auch wenn hierzu einige Anpassungen vorzunehmen sind. Ein eigenes Herstellungsverfahren muss jedoch vorteilhafterweise nicht entwickelt werden. Dabei ist weiter bevorzugt jede Sammellinse des Linsengitters aus mehreren Prismen aufgebaut, wobei die Sammellinsen des Linsengitters vorteilhafterweise jeweils identisch aufgebaut sind. Wie bei jeder Sammellinse soll dabei elektromagnetische Strahlung, hier die Röntgenstrahlung, in Abhängigkeit der Auftreffposition auf der Sammellinse unterschiedlich stark abgelenkt werden, was im Falle der Sammellinsen des Linsengitters entweder durch eine ortsabhängige Variation der Anzahl an Prismen oder durch eine ortsabhängige unterschiedliche Ausgestaltung der Prismen, durch die die Röntgenstrahlung hindurchtritt, erreicht wird. Dabei ist im Falle des spaltenartigen Aufbaus des Linsengitters der Aufbau einer Sammellinsen-Spalte in Längsrichtung der Sammellinsen-Spalte bevorzugt gleichbleibend, während die Gestaltung senkrecht dazu variiert und die durch die Sammellinsen-Spalte hervorgerufene Brechung der Röntgenstrahlung und somit die Ablenkung der
Röntgenstrahlung erfolgt lediglich senkrecht zur Längsrichtung der Sammellinsen-Spalte.
Zudem bevorzugt ist das Linsengitter derart aus Prismen auf- gebaut, dass sich die Prismen benachbarter Sammellinsen-
Spalten an den Spaltengrenzen an der Breitenbasis der Trapeze berühren. Außerdem ist das Linsengitter bevorzugt derart gestaltet, dass die Trapeze benachbarter Reihen halb versetzt zueinander angeordnet sind, sodass hierdurch langgezogene und insbesondere meanderförmige Strukturen durch die Trapeze gebildet werden.
Um eine möglichst einfache Justage des Linsengitters, also insbesondere eine Ausrichtung des Linsengitters relativ zur optischen Achse der Röntgenvorrichtung und damit zum Kohärenzgitter, zum Phasengitter, zum Röntgendetektor und soweit vorhanden zum Analysegitter , zu ermöglichen, sind die Prismen, die das Linsengitter bilden, außerdem bevorzugt auf ei- ner Grundplatte positioniert und insbesondere angeformt. Somit wird bei der Justage lediglich die Grundplatte ausgerichtet und nicht die Prismen selbst. Auch die Fertigung eines entsprechenden Linsengitters wird hierdurch erleichtert.
Von Vorteil ist es des Weiteren, wenn die Prismen als schiefe Prismen ausgebildet sind und dementsprechend relativ zur Oberflächennormalen der Grundplatte geneigt sind. Das heißt, dass zumindest eine Mantelfläche der Prismen nicht parallel zur Oberflächennormalen der Grundplatte ausgerichtet ist. Dabei weist die Anordnung der Prismen auf der Grundplatte bevorzugt in einer Y-Richtung quer zur Oberflächennormalen eine Periodizität derart auf, dass das durch die Prismen gebildete Muster auf der Oberseite und das Muster auf der Unterseite des Linsengitters genau um eine Periode versetzt ist. Dadurch enthält eder Durchstich mit gleicher X-Position entlang einer X-Richtung senkrecht zur Y-Richtung unabhängig von seiner Y-Position entlang der Y-Richtung exakt dieselbe Menge an Prismen-Material, sodass auf eine Lichtwelle wegen der gerin- gen Brechung im Röntgen-Bereich nur die Material-Variation in der X-Position wirkt. Für das Licht sieht es dann quasi so aus, als ob innerhalb der Breite der Prismen in X-Richtung die Materialhöhe beispielsweise von 0 auf 100 % der Gitterhöhe steigt, also beispielsweise eine Steigung 50:1=89° für ei- ne X-Breite von einem μπι und einer Materialhöhe von 50 um aufweist .
In vorteilhafter Weiterbildung ist die Neigung der Prismen gegen die Oberflächennormale der Grundplatte durch einen Nei- gungswinkel charakterisiert, dessen bevorzugter Wert zwischen
2° und 30° und insbesondere zwischen 5° und 15° beträgt. Diese Ausgestaltungsvariante hat sich in Simulationen als vorteilhaft erwiesen. Die Mantelflächen der Prismen sind zudem einer Ausführungsva- riante entsprechend nicht eben sondern parabolisch gestaltet. In diesem Fall wird das Linsengitter also durch parabolische Prismen gebildet. Gemäß einer Ausgestaltungsvariante der Röntgenvorrichtung ist das Linsengitter aus einer Anzahl von sogenannten Clessidra- Linsen („ Sanduhr" -Linsen) aufgebaut. Die grundlegende geomet- rische Gestaltung derartiger Linsen ist an sich bekannt und wird im Fachbereich Röntgenmikroskopie zur Fokussierung des Röntgenstrahls eingesetzt. Entsprechende Fertigungsverfahren zur Herstellung derartiger Linsen, auch zusammengesetzte refraktive Röntgenlinsen genannt, werden derzeit unter ande- rem am Karlsruher Institut für Technologie (Institut für Mik- rostrukturtechnik) erforscht und weiterentwickelt. Im Falle des Linsengitters wird jedoch keine einzelne Clessidra-Linse zur Manipulation des Strahlungsfeldes genutzt. Stattdessen ist das Linsengitter bevorzugt durch eine regelmäßige Anord- nung einer Vielzahl von Clessidra-Linsen gegeben, wobei insbesondere Clessidra-Linsen in zwei orthogonale Richtungen jeweils aneinander gereiht sind. Die Clessidra-Linsen des Linsengitters sind somit bevorzugt einerseits übereinander gestapelt und andererseits seitlich aneinander gereiht.
Zudem bevorzugt sind die in x-Richtung übereinander gestapelten Clessidra-Linsen aus schiefen, in y-Richtung geneigten Prismen aufgebaut und mit Hilfe der Clessidra-Linsen erfolgt eine Fokussierung und damit eine Ablenkung der Röntgenstrah- lung in x-Richtung.
In vorteilhafter Weiterbildung wird das Linsengitter durch zwei Untergitter gebildet, wobei die beiden Untergitter bevorzugt identisch ausgebildet sind und zur Ausbildung des Linsengitters vorzugsweise in x-Richtung gegeneinander verschoben sind. Die Untergitter sind dabei bevorzugt durch eine regelmäßige Anordnung von Clessidra-Linsen gegeben, wobei auch hier bevorzugt die Clessidra-Linsen in zwei orthogonalen Richtungen jeweils aneinander gereiht sind, also einerseits seitlich aneinander gereiht sind und zudem übereinander gestapelt sind. Als Basismaterial für das Linsengitter kommt, auch je nach Fertigungsverfahren, bevorzugt Gold oder Nickel zum Einsatz, wobei Gold vorteilhafterweise zum Einsatz kommt, wenn Röntgenstrahlung mit einer Photonenenergie zwischen 50 keV und 100 keV mittels des Linsengitters manipuliert werden soll, wohingegen Nickel bevorzugt zur Manipulation von Röntgenstrahlung mit einer Photonenenergie im Bereich 15 keV bis 50 keV manipuliert werden soll. Weiter sind Silizium für einen Bereich von 10 keV bis 30 keV und Photolack oder Kunststoff für einen Bereich von 10 keV bis 20 keV insbesondere bei einer Herstellung mittels reaktivem Ionenätzen zweckmäßig.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 in einer Schnittdarstellung eine Röntgenvorrichtung mit einem Linsengitter,
FIG 2 in einer Schnittdarstellung eine Clessidra-Linse ,
FIG 3 in einer Schnittdarstellung eine alternative Aus gestaltung des Linsengitters,
FIG 4 in einer in einer perspektivischen Ansicht ein op tisches Gitter,
FIG 5 in einer perspektivischen Ansicht eine regelmäßige
Anordnung von Prismen mit angedeuteter Ausrichtung relativ zu einer optischen Achse,
FIG 6 in einer perspektivischen Ansicht die regelmäßige
Anordnung von Prismen mit alternativer Ausrichtung relativ zur optischen Achse, FIG 7 in einer in einer perspektivischen Ansicht eine alternative regelmäßige Anordnung von Prismen mit alternativer Ausrichtung relativ zur optischen Achse, FIG 8 m einer Schnittdarstellung eine erste Ausgestaltung einer Prismen-Grundfläche,
FIG 9 in einer Schnittdarstellung eine zweite Ausgestaltung der Prismen-Grundfläche,
FIG 10 in einer Schnittdarstellung eine dritte Ausgestaltung der Prismen-Grundfläche,
FIG 11 in einer Aufsicht ein erstes Layout einer Lithographie-Maske,
FIG 12 in einer Aufsicht ein zweites Layout der Lithographie-Maske,
FIG 13 in einer Aufsicht ein drittes Layout der Lithographie-Maske,
FIG 14 in einer Aufsicht ein viertes Layout der Lithographie-Maske und
FIG 15 in einer vergrößerten Ansicht das vierte Layout der
Lithographie-Maske .
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Eine nachfolgend exemplarisch beschriebene und in FIG 1 schematisch dargestellte Röntgenvorrichtung 2 umfasst eine Röntgenquelle 4, ein Kohärenzgitter G0, ein Phasengitter Gi, ein Linsengitter GL, ein Analysegitter G2 sowie einen aus einer Vielzahl von Pixeln aufgebauten Röntgendetektor 6.
Dem Aufbau lässt sich dabei, wie im Falle der meisten optischen Vorrichtungen, eine Systemachse oder optische Achse 8 zuordnen, welche im Falle des Ausführungsbeispiels in z- Richtung angeordnet ist. Die einzelnen optischen Elemente der Röntgenvorrichtung 2 sind im Ausführungsbeispiel eben ausges- taltet, entlang dieser optischen Achse 8 angeordnet und jeweils senkrecht zu dieser ausgerichtet.
Die Röntgenvorrichtung 2 ist hierbei zur Gewinnung medizini- scher differentieller Phasenkontrastbilder vorgesehen und zur Untersuchung eines Patienten mittels dieses Bildgebungsver- fahrens wird dieser zwischen dem Kohärenzgitter G0 und dem Phasengitter Gi, bevorzugt unmittelbar vor dem Phasengitter Gi, positioniert. Die messtechnische Erfassung oder vielmehr die Ermittlung der durch den Patienten verursachten räumlichen Verteilung der Phasenverschiebung erfolgt bei der hier vorgestellten Röntgenvorrichtung 2 nach an sich bekanntem Prinzip . Das Kohärenzgitter G0 weist eine Gitterperiode p0 und eine Gitterstärke oder Höhe h0 auf und dient zur Sicherstellung einer ausreichenden räumlichen Kohärenz der für die interfe- rometrische Messmethode genutzten Röntgenstrahlung. Das Kohärenzgitter G0 ist dabei typischerweise in einem Abstand von etwa 10 cm zur Röntgenquelle 4 positioniert und weist in etwa die Abmessungen einer Briefmarke auf. Position und Abstand sind dabei so gewählt, dass das Kohärenzgitter G0 gemäß
Strahlensatz zumindest den Röntgendetektor 6 abdeckt. Alternativ ist es vorgesehen, anstelle einer ausgedehnten Röntgen- Strahlungsquelle 4 und eines Kohärenzgitters Go eine in guter Näherung punktförmige Röntgenstrahlungsquelle einzusetzen. Das heißt, dass im Falle der Nutzung der ausgedehnten Röntgenstrahlungsquelle 4 die Röntgenstrahlungsquelle 4 in Kombination mit dem nachgeschalteten Kohärenzgitter G0 für den in- terferometrischen Aufbau als eigentliche Strahlungsquelle wirkt. Dabei generiert die Röntgenstrahlungsquelle 4 Röntgenstrahlung mit einer Photonenenergie bis etwa 100 keV und für das aus Gold (Au, Z=79) bestehende Kohärenzgitter G0 wurde eine Höhe h0 von 1000 um und eine Gitterperiode po von 26,83 um gewählt.
In einem Abstand d0i von 1000 mm in z-Richtung versetzt zum Kohärenzgitter G0 ist das Phasengitter d angeordnet. Dieses dient wie beim eingangs beschriebenen Talbot-Lau- Interferometer zur Erzeugung eines streifenförmigen Interferenzmusters und weist hierzu eine streifenförmige Struktur auf, wobei die Struktur-Streifen in y-Richtung verlaufen. Das Phasengitter d ist dabei derart ausgestaltet, dass in guter Näherung keine Absorption im Phasengitter Gi erfolgt, sondern lediglich durch die regelmäßige Struktur des Phasengitters Gi Strahlen, e nachdem in welchem Bereich diese auf das Phasengitter Gi auftreffen, entweder dieses unbeeinflusst passieren oder aber durch das Phasengitter Gi eine Phasenverschiebung um eine Viertel Wellenlänge, also um n/2, erfahren. Für die Höhe hi des Phasengitters Gi wurde ein Wert von 42 μπι gewählt. Der Wert der Gitterperiode pi des aus Silizium (SI, Z=14) gefertigten Phasengitters Gi beträgt in diesem Ausfüh- rungsbeispiel 1,42 μπι.
In einem Abstand diL von 55,91 mm versetzt zum Phasengitter Gi ist das Linsengitter GL positioniert. Dieses weist eine Höhe hL von etwa 60 um und eine Gitterperiode pL von 1,5 um auf und dient zur Manipulation des vom Phasengitter Gi ausgehenden Röntgenstrahlungsfeldes. Dabei gibt die Gitterperiode pL die Periodizität des durch das Phasengitter Gi gebildete Interferenzmuster an der Position des Linsengitters GL wieder, während die Periodizität der Struktur des Linsengitters GL durch N x pL gegeben ist, wobei N im Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1 einen Wert 5 aufweist, so dass jeweils fünf Perioden des Interferenzmusters abwechselnd auf Stege und auf Schlitze des Analysegitters G2 fokussiert und abgebildet werden. Mit Hilfe des Phasengitters Gi wird in hier vorliegendem Fall eine Phasenverschiebung um n/2, also ein Viertel der
Wellenlänge bei einer Photonenenergie von 65 keV, hervorgerufen. Alternativ ist auch eine Phasenverschiebung um eine Halbe Wellenlänge vorgesehen, wobei in diesem Fall für die Gitterperiode pi der Wert 2,84 μπι gewählt wird.
Wiederum in z-Richtung versetzt befindet sich das Analysegitter G2 , wobei der Abstand dL2 zwischen dem aus Gold gefertigten Linsengitter GL und dem ebenfalls aus Gold gefertigten Analysegitter G2 43,92 μπι beträgt. Für die Höhe h2 wurde ein Wert von 400 μιη und für die Gitterperiode p2 ein Wert von 7,81 μιη gewählt. Hinter dem Analysegitter G2, welches eine streifenförmige Struktur aus Stegen und Spalten aufweist, ist schließlich der Röntgendetektor 6 angeordnet. Die Gitterhöhen sind dabei recht unkritisch. Die Gitterperioden und die Abstände zwischen den Gittern hingegen müssen exakt aufeinander abgestimmt sein, da sonst durch den Aufbau die benötigte Strahlendosis sogar erhöht wird. Zudem sind Moire-Effekte zwischen dem Linsengitter GL und dem Analysegitter G2 bzw. dem Röntgendetektor 6 zu vermeiden, während entsprechende Effekte zwischen dem Phasengitter Gi und dem Linsengitter GL weniger problematisch sind. Das heißt, dass insbesondere die Abstände d0i, diL, di2 und die Gitterperioden pL und p2 sehr exakt vorgegeben und aufeinander abgestimmt werden müssen.
Die Ausdehnungen der Gitter Gi, GL, G2 in x-Richtung und in y- Richtung sind im Wesentlichen gleich, in einer alternativen Ausgestaltung allerdings entspricht die Ausdehnung des Lin- sengitters GL in x-Richtung und in y-Richtung der Ausdehnung des Röntgendetektors 6, also der von den Pixeln des Röntgen- detektors 6 aufgespannten Detektorfläche.
Das Funktionsprinzip des Aufbaus und insbesondere die Wirkung des Linsengitters in der Röntgenvorrichtung 2 lässt sich anhand einer vereinfachten Betrachtung unter Zugrundelegung von geometrischer Optik nachvollziehen. Betrachtet wird hierbei eine punktförmige Röntgenstrahlungsquelle an einem Spalt des Kohärenzgitters G0, von der Röntgenstrahlung in Richtung des Phasengitters Gi abgestrahlt wird. Die durch Strahlen dargestellte Röntgenstrahlung trifft dann auf das Phasengitter Gi auf, wobei im Wechsel ein gestrichelt dargestellter Strahl eine Phasenverschiebung erfährt und ein durch eine durchgezogenen Linie gekennzeichneter Strahl ohne Beeinflussung das Phasengitter Gi passiert. Genauer betrachtet findet zwischen dem Phasengitter Gi und dem Linsengitter GL Nahfeld- Interferenz statt und es bildet sich ein Streifenmuster am Linsengitter GL gemäß dem Talbot-Effekt aus. Gemäß der vereinfach- ten Betrachtungsweise dagegen werden geradlinige Strahlen vom Kohärenzgitter Go durch das Phasengitter Gi bis zum Linsengitter GL angenommen, um den Aufbau leichter beschreiben zu können. Im Falle maximalen Kontrastes könnten beispielsweise die durch das Phasengitter Gi unbeeinflussten Strahlen
(durchgezogene Linien) maximale Intensität und die durch das Phasengitter Gi in der Phase beeinflussten Strahlen (gestrichelte Linien) minimale Intensität transportieren. Nachfolgend treffen die Strahlen auf das Linsengitter GL, wo quasi eine Separation der Strahlen erfolgt. Dabei werden in x-Richtung alternierend je fünf unmittelbar benachbarte Strahlen, die durch das Phasengitter Gi eine Phasenverschiebung erfahren haben, auf einen Röntgenstrahlung absorbieren- den Abschnitt, also einen Steg F2 , des Analysegitters G2 gelenkt und je fünf unmittelbar benachbarte Strahlen, die das Phasengitter Gi unbeeinflusst passiert haben, werden durch das Linsengitter GL derart abgelenkt, dass diese auf einen nicht absorbierenden Abschnitt, also einen Spalt Fl, des Ana- lysegitters G2 fallen. Alternativ zur Fokussierung von fünf benachbarten Strahlen gleicher Phase auf einen Fokus F ist es vorgesehen, eine andere Anzahl N von benachbarten Strahlen gleicher Phase auf einen Fokus F zu fokussieren, wobei eine ungerade Anzahl bevorzugt wird. Aufgrund dieser separierenden Wirkung des Linsengitters GL lässt sich das Analysegitter G2 gröber strukturieren als bei einem Talbot-Lau- Interferometer nach dem Stand der Technik, ohne dass sich hierdurch das Auflösevermögen oder die Sichtbarkeit signifikant verändern. Während also bei einem Talbot-Lau-Interferometer nach dem Stand der Technik bei einem vergleichbaren Aufbau, allerdings ohne Linsengitter GL, ein Wert für die Gitterperiode p2 von etwa 1,5 bis 2 μιη gewählt werden würde, liegt der Wert der Gitterperiode p2 im Falle des Ausführungsbeispiels bei etwa 8 um.
Betrachtet man die Wirkung des Linsengitters GL auf fünf unmittelbar benachbarte Strahlen gleicher Phase, dann entspricht diese der Wirkung einer Sammellinse, in deren Fokus F das Analysegitter G2 positioniert ist. Zur Fokussierung von Röntgenstrahlung ist es bekannt, eine sogenannte Clessidra- Linse 10 einzusetzen, wie sie in FIG 2 dargestellt ist. Diese wird durch mehrere Prismen, typischerweise mit dreieckiger Grundfläche, gebildet, die in Form einer Sanduhr angeordnet sind. Je weiter entfernt von der Mitte der Sanduhr-Form Röntgenstrahlung auf die Clessidra-Linse 10 auftrifft, desto stärker ist die Ablenkung der Röntgenstrahlung aufgrund von Brechung an den Prismen, wodurch eine Wirkung entsprechend einer Sammellinse erzielt wird.
Eine solche Clessidra-Linse 10 bildet eine mögliche Basis für die Gestaltung des Linsengitters GL, wobei das Linsengitter GL aus zwei Untergittern aufgebaut ist, von denen das eine zur Ablenkung der Strahlen dient, die durch das Phasengitter Gi eine Phasenverschiebung erfahren haben, während das andere Untergitter zur Ablenkung derjenigen Strahlen dient, die das Phasengitter Gi unbeeinflusst passiert haben. Im Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1 fokussiert jede Sammellinse exemplarisch fünf unmittelbar benachbarte Strahlen gleicher Phase. Diese fünf Strahlen stehen dabei symbolisch für fünf benachbarte Streifen gleicher Intensität des Interferenzmusters auf der Höhe der Position des Linsengitters GL. Die Anzahl N an Streifen gleicher Intensität im Interferenzmuster an der Position des Linsengitters GL, die mittels einer Sammellinse des Linsengitters GL auf einen Fokus F abgebildet wird, wird durch den Aufbau des Linsengitters GL und insbesondere durch den Aufbau der Sammellinsen des Linsengit- ters GL bestimmt und vorgegeben.
Werden weitere Spalte des Kohärenzgitters G0 mitberücksichtigt, so zeigt sich, dass deren Strahlen zu einer Ver- schmierung der Abbildung auf der Höhe des Analysegitters G2 beitragen. Das heißt, dass die Strahlen nicht mehr in einem Fokuspunkt F zusammenfallen, sondern in x-Richtung leicht versetzt zueinander auf dem jeweiligen Steg bzw. dem jeweiligen Spalt des Analysegitters G2 auftreffen, wie dies beim Spalt F3 angedeutet ist. Dieser Effekt verstärkt sich umso mehr, je mehr benachbarte Spalte am Kohärenzgitter Go geöffnet sind und dementsprechend Röntgenstrahlung in Richtung des Phasengitters Gi aussenden. Da durch die Anzahl jedoch auch die für eine Untersuchung stehende Intensität an Röntgenstrahlung vorgegeben wird, muss hier ein geeigneter Kompro- miss für die Anzahl an genutzten Spalten am Kohärenzgitter Go gewählt werden. In einem Abstand, der einem ganzzeiligen Vielfachen der Gitterperiode po des Kohärenzgitters Go ent- spricht, lassen sich jedoch wiederum weitere Spalte am Kohärenzgitter G0 öffnen, ohne dass sich die Abbildung auf der Höhe des Analysegitters G2 verschlechtert, also ohne dass die Foki verschmieren. Das heißt, dass eine zweite Kohärenzbedingung für die räumliche Kohärenz der Lichtquelle aus Röntgen- Strahlungsquelle 4 und Kohärenzgitter G0 gegeben ist.
In FIG 3 ist beispielhaft die Wirkung eines aus Einzelprismen aufgebauten Linsengitters GL in einer Schnittdarstellung gezeigt, wobei die Prismen LP eines Untergitters schwarz und die Prismen LP des anderen Untergitters gestreift dargestellt sind. Jedes Untergitter wird durch eine Vielzahl von Cles- sidra-Linsen 10 gebildet, die in x-Richtung aneinander gereiht oder übereinander gestapelt sind, und die beiden Untergitter sind um eine halbe Ausdehnung einer Clessidra-Linse 10 verschoben. Bei ungeradem Faktor N, wie beispielsweise N=5 gemäß FIG 1, passen sie dann perfekt ineinander, wohingegen bei geradem Faktor N, wie beispielsweise N=8 gemäß FIG 3, müssen sie zusätzlich um eine halbe Gitterperiode pL verschoben werden, um ineinander zu passen. Dabei bewirkt die Ver- Schiebung der Untergitter gegeneinander, dass das jeweilige Untergitter lediglich auf die Strahlen, die das Phasengitter Gi mit gleicher Phase passiert haben, wirkt und so wird auch erreicht, dass die Strahlen unterschiedlicher Phase auf unterschiedliche Bereiche des Analysegitters G2 fokussiert wer- den .
So bewirken die schwarz dargestellten Prismen LP des einen Untergitters eine Brechung der durch das Phasengitter Gi pha- senverschobenen Strahlen, wobei je acht unmittelbar benachbarte Strahlen gleicher Phase auf einen schwarz dargestellten Abschnitt des Analysegitters G2 fokussiert werden, der beispielsweise als Steg ausgeführt ist und die auftreffende Röntgenstrahlung absorbiert. Das andere durch die gestreiften Prismen LP gebildete Untergitter hingegen dient zur Brechung der unbeeinflusst durch das Phasengitter Gi hindurchtretenden Röntgenstrahlen, wobei je acht benachbarte Strahlen gleicher Phase auf gestreifte Bereiche des Analysegitters G2 fokus- siert werden, die beispielsweise Spalte darstellen und durch die Röntgenstrahlung ungehindert hindurchtreten kann. Bei beiden Untergittern sind dabei zwei benachbarte Foki um eine halbe Gitterperiode p2 des Analysegitters G2 beabstandet. Einer alternativen Ausgestaltungsvariante entsprechend wird auf den Einsatz des Analysegitters G2 verzichtet und an der Position des Analysegitters G2 wird der Röntgendetektor 6 positioniert, wobei die Pixelgröße und/oder der Pixelabstand der halben Gitterperiode p2 entspricht. Der Aufbau entspricht dann im Wesentlichen dem Aufbau gemäß FIG 3, wobei die gestreiften und schwarz dargestellten Strukturelemente des Analysegitters G2 jeweils durch Pixel P des Röntgendetektors 6 ersetzt wurden. Die Ausführungsvariante ohne Analysegitter G2 ist insbesondere für die Mammographie vorgesehen, wobei in diesem Fall Röntgenstrahlung mit einer Photonenenergie zwischen 15 und 25 keV zum Einsatz kommt. Auch ist in diesem Fall das Linsengitter GL nicht aus Gold gefertigt, sondern stattdessen aus Nickel. Zudem wird ein Röntgendetektor 6 eingesetzt, dessen Pixel eine Ausdehnung zwischen 20 um x 20 um und 50 um x 50 um haben .
Die Linsengitter GL gemäß FIG 1 und FIG 3 sind aus identischen Prismen LP mit dreieckiger Grundfläche aufgebaut, die in regelmäßiger Anordnung relativ zueinander und relativ zur optischen Achse 8 der Röntgenvorrichtung 2 positioniert sind. Zugunsten einer einfacheren Fertigung und einer einfacheren Justage, also Ausrichtung zur optischen Achse 8, sind die Prismen LP an einer Grundplatte 12 angeformt. Diese Baugruppe aus Grundplatte 12 und angeformten Linsenprismen LP wird beispielsweise im eingangs genannten LIGA-Verfahren hergestellt und dann zur optischen Achse 8 ausgerichtet. Die Prismen LP selbst sind dagegen relativ zueinander über die Anformung an der Grundplatte 12 ausgerichtet.
In den FIG 5 bis FIG 7 sind beispielhaft drei regelmäßige Anordnungen von Prismen LP dargestellt und durch die Pfeile ist die Orientierung der Grundplatte 12 relativ zur optischen Achse 8 und damit in guter Näherung relativ zur Richtung der Strahlen der Röntgenstrahlung angedeutet. Dabei zeigt FIG 5 eine unvorteilhafte Anordnung mit zu kleinem Gesichtsfeld (Field of View) , während FIG 6 und FIG 7 günstige Anordnungen zeigen, wie sie für den Aufbau vorgesehen sind. Die Prismen sind dabei nur illustrativ und geben die konkrete Ausgestaltung des Linsengitters noch nicht wieder. Sie zeigen lediglich die Anordnung hinsichtlich der Orientierung bezüglich der optischen Achse. FIG 6 zeigt dabei eine senkrechte Prismenstruktur, die dann schräg zur optischen Achse im Aufbau zu positionieren ist, während FIG 7 eine schiefe, schief gefertigte, Prismenstruktur zeigt, so dass das Linsengitter in diesem Fall senkrecht zur optischen Achse im Aufbau angeordnet wird. Die Herstellung des Linsengitters GL erfolgt wie zuvor erwähnt beispielsweise mittels des LIGA-Verfahrens und in den FIG 11 bis FIG 15 sind verschiedene Ausführungen von Masken dargestellt, mit deren Hilfe ein hier vorgestelltes Linsengitter GL herstellbar ist.
Bei dem Verfahren wird eine Goldmaske direkt über den beispielsweise 100 um dicken Photolack positioniert und mit Röntgenstrahlung belichtet. Hierdurch lösen sich aus dem Photolack Füllbereiche für eine spätere Auffüllung heraus, die durch Löcher oder Gräben gegeben sind. Diese Füllbereiche werden in einem nachfolgenden Galvanik-Prozessschritt mit einem Metall aufgefüllt. Der zu Beginn des LIGA-Prozesses auf- getragene Fotolack ist hierbei weiß und das galvanisierte Metall ist schwarz dargestellt.
Die Prismen LP der regelmäßigen Anordnungen gemäß FIG 5 bis FIG 7 weisen eine dreieckige Grundfläche auf. Allerdings lassen sich je nach Herstellungsprozess scharfe Ecken nur bedingt realisieren, stattdessen werden die Ecken herstellungs- prozessbedingt eher rundlich ausgebildet und lassen sich somit durch einen Kreisabschnitt darstellen. FIG 8 zeigt den resultierenden, also nach Fertigung vorliegenden, runden Verlauf an einer Spaltengrenze oder Materialgrenze MG, für den Fall, dass in einem Layout für eine Lithografie-Maske eine Grundflächen-Ecke, dargestellt durch die feine durchgezogene Linie, bis an die Grenze des Prismas LP geplant wurde. Bei der gezeigten 45°-Ecke im Layout kommt man dennoch weit mehr als der Radius nahelegt an diese Prismengrenze heran. Wird die Ecke flacher ausgelegt, so wird sie zunehmend besser durch das Kreissegment angenähert. FIG 9 zeigt eine Variante, bei der durch zusätzliche Höhe in y-Richtung die Material- grenze MG bis an die Prismengrenze gebracht werden kann. Die in FIG 10 gezeigte Variante ist so gestaltet, dass die Ecken- Verrundung auf der Prismen-Grenze zu liegen kommt. So lassen sich benachbarte runde Bereiche übereinander anordnen und betreffen damit einen kleineren Bereich auf der horizontalen Achse, wobei die Gitterstruktur auf der vertikalen Achse angenommen wurde .
Mittels der in FIG 11 bis FIG 15 dargestellten Lithografie- Masken lassen sich Linsengitter GL mit einem Aufbau aus Sam- mellinsen-Spalten realisieren. Die Spalten sind dabei in y- Richtung ausgerichtet und die Brechung der Röntgenstrahlung, also die Ablenkung der Strahlen, erfolgt in x-Richtung. Je nach x-Position weisen die Grundflächen der Prismen LP unterschiedliche Stärken oder Basiswinkel auf und die Prismen LP jeweils zweier oder dreier benachbarter Streifen oder Zeilen greifen derart ineinander, dass sich in y-Richtung langgestreckte mäanderförmige Strukturen bilden. Die mit den Bezeichnungen A bis D gekennzeichneten rechteckigen Markierun- gen zeigen die unterschiedlich steilen Prismen LP, also die Prismen LP mit unterschiedlichen Basiswinkeln. Des Weiteren ist für die Herstellung eine schräge Belichtung vorgesehen, so dass die Prismen LP des mittels dieses Verfahrens gefer- tigten Linsengitters GL als schiefe Prismen LP ausgebildet sind mit einer Neigung in y-Richtung. Dabei weist die Anordnung der Prismen LP auf der Grundplatte in γ-Richtung eine Periodizität derart auf, dass das durch die Prismen LP gebildete Muster auf der Oberseite und das Muster auf der Unter- seite des Linsengitters GL genau um eine Periode pY versetzt ist. Dadurch enthält eder Durchstich mit gleicher x-Position entlang der x-Richtung senkrecht zur y-Richtung unabhängig von seiner y-Position entlang der y-Richtung exakt dieselbe Menge an Prismen-Material, so dass auf eine Lichtwelle wegen der geringen Brechung im Röntgenbereich nur die Materialvariation in der x-Position wirkt. Die Röntgenstrahlung sieht dabei quasi beim Durchtritt in z-Richtung senkrecht zur x- Richtung und senkrecht zur y-Richtung durch das Linsengitter GL, was bei einer Betrachtung der Lithografie-Maske in y- Richtung zu erkennen ist, nämlich dass die Änderung der effektiven Wegstrecke durch Prismenmaterial bei steileren Prismen A bei Variation der x-Position stärker ausfällt, als bei weniger steilen Prismen D oder bei flachen Prismen B. Dabei werden die Prismen LP innerhalb einer Sammellinsen-Spalte mit zunehmendem Abstand in x-Richtung von einer Spaltenmitte SM zunehmend steiler und dementsprechend wird Röntgenstrahlung stärker in Richtung Spaltenmitte SM gebrochen oder abgelenkt. Am unteren Rand der Lithografie-Masken in FIG 11 bis FIG 13 sind durch durchgezogene bzw. gestrichelte Pfeile die x- Positionen angedeutet, an denen die Strahlen gemäß der vereinfachten Darlegung des Funktionsprinzips gemäß FIG 1 mit N=5 auf das Linsengitter GL auftreffen . Dabei werden in FIG 11 und FIG 12 je fünf unmittelbar benachbarte Strahlen der einen Phase durch durchgezogene Pfeile angedeutet, während die fünf benachbarten Strahlen der anderen Phasen durch gepunktete Pfeile symbolisiert sind. In FIG 13 hingegen werden jeweils neun Strahlen gleicher Phase durch eine Sammellinsen- Spalte auf einen Fokus auf der Höhe der Spaltenmitte SM in x- Richtung fokussiert.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Aus- führungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Röntgenvorrichtung (2), insbesondere für eine Phasenkon- trastbildgebung im Medizinbereich, umfassend eine Röntgen- Strahlungsquelle (4), ein Kohärenzgitter (G0) , ein Phasengitter (Gi) und einen Röntgendetektor (6) aus einer Anzahl matrixartig angeordneter Pixel (P),
dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Linsengitter (GL) aufweist .
2. Röntgenvorrichtung (2) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Linsengitter (GL) zwischen dem Phasengitter (Gi) und dem Röntgendetektor (6) angeordnet ist .
3. Röntgenvorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass dem Linsengitter (GL) eine Fokusebene (F) zugeordnet ist und dass der Röntgendetektor (6) in der Fokusebene (F) positioniert ist.
4. Röntgenvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Absorptionsgitter (G2) aufweist, welches zwischen dem Linsengitter (GL) und dem Röntgendetektor (6) positioniert ist.
5. Röntgenvorrichtung (2) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass dem Linsengitter (GL) eine Fokusebene (F) zugeordnet ist und dass das Absorptionsgitter (G2) in der Fokusebene (F) positioniert ist.
6. Röntgenvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsengitter (GL) aus Prismen (LP) aufgebaut ist.
7. Röntgenvorrichtung (2) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Prismen (LP) eine dreieckige oder eine trapezförmige Grundfläche aufweisen.
8. Röntgenvorrichtung (2) nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Prismen (LP) regelmäßig angeordnet sind.
9. Röntgenvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismen (LP) an einer Grundplatte (12) angeformt sind.
10. Röntgenvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismen (LP) als schiefe
Prismen (LP) ausgebildet sind.
11. Röntgenvorrichtung (2) nach Anspruch 9 und 10,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Mantelfläche der Prismen (LP) mit einem Neigungswinkel zwischen 5° und 15° gegen die Oberflächennormale der Grundplatte (12) geneigt ist .
12. Röntgenvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die regelmäßige Anordnung von
Prismen (LP) Prismen (LP) mit unterschiedlicher Grundfläche aufweist .
13. Röntgenvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mehrere Prismen (LP) so ineinander greifen, dass hierdurch langgezogene meander- förmige Strukturen ausgebildet werden.
14. Röntgenvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsengitter (GL) aus einer Anzahl von Clessidra-Linsen (10) aufgebaut ist.
15. Röntgenvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Basismaterial für das Lin- sengitter (GL) Gold, Nickel oder Silizium zum Einsatz kommt.
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