實驗室X射線相襯成像技術—核心調(diào)制和探測器件技術分析（上）
X 射線相襯成像技術通過探測 X 射線穿過物體后相位的改變來對物體成像。與傳統(tǒng)的 X 射線吸收成像相比，X 射線相位襯度成像能夠為輕元素樣品提供更高的襯度，克服了傳統(tǒng)吸收成像無法對弱吸收物體成像的缺點，特別適合用于對軟組織和輕元素構成的樣品進行成像，因而在醫(yī)學、無損檢測和材料學方面有很高的應用價值。
5種主流X射線相襯成像方法概覽
不同 X 射線相襯成像法的配置要求
成像方法 | 光學組件配置 | 對光源的要求 |
晶體干涉法 | 晶體單色器 | 高度平行的同步輻射單色光 |
晶體衍射增強法 | 晶體單色器 | 高度平行的同步輻射單色光 |
光柵泰伯干涉法 | 高深寬比光柵 | 傳統(tǒng)的X光管復色光 |
自由空間傳播/同軸法 | —— | 高空間相干的微焦點光束 |
編碼光闌邊緣照明法 | 中等深寬比的一維/二維微結構 | 中等空間相干的小焦點光束 |
以上可以看出，在這五種方法中，晶體干涉和晶體衍射增強法都需要用到同步輻射光，大大制約了推廣應用。而光柵泰伯干涉法、同軸法、編碼光闌邊緣照明法這三種方法對光源的要求相對不高，是主流的實驗室方法。但是在實際的實現(xiàn)過程中，仍然存在很多挑戰(zhàn)。
結合目前我們對 X 射線光束調(diào)制部件和探測器件的認知，本文將從以下三個方面介紹一些提升實驗室 X 射線相襯成像效果的具體策略：
提升光源的有效利用率和降低系統(tǒng)復雜度的思路
大面積、中/高深寬比微結構的成本和技術指標權衡
60-100keV級高能大視場相襯的技術路線和器件選擇
1.1
光源利用率提升思路—毛細管調(diào)制
眾所周知，單位面積的光強和系統(tǒng)距離成反比，所以從系統(tǒng)設計層面來看，提升光的利用率最簡單有效的方法就是縮短系統(tǒng)距離。但是很多時候，由于光柵、像素尺寸、探測器的結構等硬件因素的制約，縮短系統(tǒng)距離可能是無法實現(xiàn)的。而利用光學組件將光源的發(fā)散光束進行聚焦或者準直，可以有效的提升光通量密度。
實驗條件：
· 源尺寸：300μm
· 管電壓/電流：40KV/60mA
· 毛細管輸出直徑：5mm
· 像元尺寸：6.5μm x 6.5μm
· 曝光時間：1s
在以上實驗中，將準直型多毛細管用于對源尺寸為300μm的 X 光管發(fā)散光束進行收集，以減小成像視場為代價，獲得了顯著的光強增益。
使用/不使用毛細管透鏡時得到的魚腸（紅色）、魚眼（綠色）和魚鰾（藍色）
· 吸收像（b&e、h&k、n&q）
· 相位像（c&f、 i&l、 o&r）
· 暗場像（d&g、j&m、p&s）
上面一排的數(shù)據(jù)（b、c、d、h、i、j、n、o、p）都是使用了毛細管采集到的圖像，而下面一排則沒有使用毛細管。可以看到：因為使用了毛細管，光通量密度提升了 4 倍，所以信噪比有了明顯提升，同樣是 1s 的曝光時間，圖像的質(zhì)量明顯要更好。而且，使用了毛細管后，只是提升了局部的通量密度，并不會增加整個樣品的輻射劑量，為“局部精掃”提供了一個可行的思路。
實驗條件：
· 源尺寸：150μm
· 管電壓/電流：30-42KV
· 曝光條件：1.6-96mAs
· 像元尺寸：22μm x 22μm
·毛細管輸出焦斑：150μm/340μm
· 網(wǎng)格周期：127μm
此實驗中，多毛細管被用于邊緣照明光路，采用兩種規(guī)格輸出焦斑的毛細管進行聚焦（一種是），用金屬網(wǎng)格作為角度檢波器。雖然毛細管聚焦后，虛焦點尺寸并沒有實質(zhì)性的縮小，但是大大降低了光束的發(fā)散角，提升了光通量密度。
一根尼龍在有無毛細管的條件下的實測相襯像對比
無毛細管的相襯像（左） 有毛細管的相襯像(中) 有毛細管的相襯像(右)
可以看到：在使用了毛細管后，邊緣增強因子確實有明顯提升，而圖像噪聲也明顯下降；如果用邊緣增強和噪聲的比值來量化成像效果，那么有 100% 的提升。
1.2
系統(tǒng)復雜度降低思路—單光柵/掩模法相襯
1D 單光柵法光路示意圖 小角近似：d=α*L
吸收像：
相位梯度像:
以上研究中發(fā)現(xiàn)：只要配置合適的光柵和探測器，是可以采用單光柵來實現(xiàn)相襯成像的。經(jīng)過推導，獲得了吸收像和相襯像的公式。但是，上述理論成立的一個重要前提就是：光斑的移動對應的“探測器探測到的光強變化”是線性的，這要求探測器的像素點擴散需要很小，而目前來說，只有光子計數(shù)型探測器能獲得 1 個像素水平的點擴散。
（a）大黃蜂頭部骨干的吸收和（b）相位梯度圖像（c）老鼠腿的吸收和（d）相位梯度圖像
拼接后的探測器 Sensor 面實拍
從人面鏡像可以看到：拼接縫已經(jīng)肉眼不可見
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