實(shí)驗(yàn)室X射線相襯成像技術(shù)—核心調(diào)制和探測(cè)器件技術(shù)分析（上）
X 射線相襯成像技術(shù)通過(guò)探測(cè) X 射線穿過(guò)物體后相位的改變來(lái)對(duì)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?yàn)檩p元素樣品提供更高的襯度，克服了傳統(tǒng)吸收成像無(wú)法對(duì)弱吸收物體成像的缺點(diǎn)，特別適合用于對(duì)軟組織和輕元素構(gòu)成的樣品進(jìn)行成像，因而在醫(yī)學(xué)、無(wú)損檢測(cè)和材料學(xué)方面有很高的應(yīng)用價(jià)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(xué)組件配置 | 對(duì)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(qiáng)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(fù)色光 |
自由空間傳播/同軸法 | —— | 高空間相干的微焦點(diǎn)光束 |
編碼光闌邊緣照明法 | 中等深寬比的一維/二維微結(jié)構(gòu) | 中等空間相干的小焦點(diǎn)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(qiáng)法都需要用到同步輻射光，大大制約了推廣應(yīng)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(duì)光源的要求相對(duì)不高，是主流的實(shí)驗(yàn)室方法。但是在實(shí)際的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，仍然存在很多挑戰(zhàn)。
結(jié)合目前我們對(duì) X 射線光束調(diào)制部件和探測(cè)器件的認(rèn)知，本文將從以下三個(gè)方面介紹一些提升實(shí)驗(yàn)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(fù)雜度的思路
大面積、中/高深寬比微結(jié)構(gòu)的成本和技術(shù)指標(biāo)權(quán)衡
60-100keV級(jí)高能大視場(chǎng)相襯的技術(shù)路線和器件選擇
1.1
光源利用率提升思路—毛細(xì)管調(diào)制
眾所周知，單位面積的光強(qiáng)和系統(tǒng)距離成反比，所以從系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面來(lái)看，提升光的利用率最簡(jiǎn)單有效的方法就是縮短系統(tǒng)距離。但是很多時(shí)候，由于光柵、像素尺寸、探測(cè)器的結(jié)構(gòu)等硬件因素的制約，縮短系統(tǒng)距離可能是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。而利用光學(xué)組件將光源的發(fā)散光束進(jìn)行聚焦或者準(zhǔn)直，可以有效的提升光通量密度。
實(shí)驗(yàn)條件：
· 源尺寸：300μm
· 管電壓/電流：40KV/60mA
· 毛細(xì)管輸出直徑：5mm
· 像元尺寸：6.5μm x 6.5μm
· 曝光時(shí)間：1s
在以上實(shí)驗(yàn)中，將準(zhǔn)直型多毛細(xì)管用于對(duì)源尺寸為300μm的 X 光管發(fā)散光束進(jìn)行收集，以減小成像視場(chǎng)為代價(jià)，獲得了顯著的光強(qiáng)增益。
使用/不使用毛細(xì)管透鏡時(shí)得到的魚腸（紅色）、魚眼（綠色）和魚鰾（藍(lán)色）
· 吸收像（b&e、h&k、n&q）
· 相位像（c&f、 i&l、 o&r）
· 暗場(chǎng)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(xì)管采集到的圖像，而下面一排則沒有使用毛細(xì)管。可以看到：因?yàn)槭褂昧嗣?xì)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(shí)間，圖像的質(zhì)量明顯要更好。而且，使用了毛細(xì)管后，只是提升了局部的通量密度，并不會(huì)增加整個(gè)樣品的輻射劑量，為“局部精掃”提供了一個(gè)可行的思路。
實(shí)驗(yàn)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(xì)管輸出焦斑：150μm/340μm
· 網(wǎng)格周期：127μm
此實(shí)驗(yàn)中，多毛細(xì)管被用于邊緣照明光路，采用兩種規(guī)格輸出焦斑的毛細(xì)管進(jìn)行聚焦（一種是），用金屬網(wǎng)格作為角度檢波器。雖然毛細(xì)管聚焦后，虛焦點(diǎn)尺寸并沒有實(shí)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?jiān)谟袩o(wú)毛細(xì)管的條件下的實(shí)測(cè)相襯像對(duì)比
無(wú)毛細(xì)管的相襯像（左） 有毛細(xì)管的相襯像(中) 有毛細(xì)管的相襯像(右)
可以看到：在使用了毛細(xì)管后，邊緣增強(qiáng)因子確實(shí)有明顯提升，而圖像噪聲也明顯下降；如果用邊緣增強(qiáng)和噪聲的比值來(lái)量化成像效果，那么有 100% 的提升。
1.2
系統(tǒng)復(fù)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(cè)器，是可以采用單光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)相襯成像的。經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，獲得了吸收像和相襯像的公式。但是，上述理論成立的一個(gè)重要前提就是：光斑的移動(dòng)對(duì)應(yīng)的“探測(cè)器探測(cè)到的光強(qiáng)變化”是線性的，這要求探測(cè)器的像素點(diǎn)擴(kuò)散需要很小，而目前來(lái)說(shuō)，只有光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器能獲得 1 個(gè)像素水平的點(diǎn)擴(kuò)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(cè)器 Sensor 面實(shí)拍
從人面鏡像可以看到：拼接縫已經(jīng)肉眼不可見
張催. Diss. 2018. Tao, Siwei, et al. "Grating-Based X-Ray Phase Contrast Imaging With a Polycapillary Semilens." IEEE Photonics Technology Letters 34.20 (2022): 1104-1107. Pyakurel, Uttam, et al. "Phase and dark‐field imaging with mesh‐based structured illumination and polycapillary optics." Medical Physics 48.11 (2021): 6642-6657. Krejci, F., Jan Jakubek, and Martin Kroupa. "Single grating method for low dose 1-D and 2-D phase contrast X-ray imaging." Journal of Instrumentation 6.01 (2011): C01073. Jakubek, J. "Large area pixel detector WidePIX with full area sensitivity composed of 100." Timepix assemblies with edgeless sensors (2014).
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