圖1.水和骨頭在不同能量下的吸收截面與相移截面對比

為了捕獲X射線的相位信息，往往需要添加專門的光學(xué)元件，以便將相移信息轉(zhuǎn)換為探測器上的強(qiáng)度信息。使用光柵干涉儀是一個例子，但對于商業(yè)化的微米CT，一個更直接的實驗方式是通過簡單的X射線自由空間傳播來產(chǎn)生相位襯度。利用自由空間傳播，可以使X射線波前的相位變化（經(jīng)過樣品）在探測器上以強(qiáng)度波動的形式可見，如圖2。雖然不需要額外的光學(xué)器件，但為了達(dá)到好的成像效果，需要足夠大的橫向空間相干長度（即光源的光斑尺寸要足夠小）以及高分辨率探測器。

圖2.基于自由空間傳播的相襯成像方法

在目前商用的X射線成像探測器中，對于能量高于20 keV的X射線，既要實現(xiàn)高空間分辨率又要有高的探測效率是困難的，而這些性能的兼顧又是基于自由空間傳播的相襯成像所迫切需要的。迄今為止報道的混合光子計數(shù)型X射線探測器可以使用高原子序數(shù)的傳感器材料，對硬X射線具有足夠高的探測效率（如CdTe，CZT等），但由于讀出芯片設(shè)計復(fù)雜，且需要像素級的電荷靈敏放大器，從而導(dǎo)致該類型探測器具有較大的像素尺寸（通常大于50μm）?；陂W爍體的間接轉(zhuǎn)換X射線探測器，可以使用小像素CMOS有源像素傳感器（APS）和放大光學(xué)元件來分辨精細(xì)特征，但對于大于20 keV的能量來說成像效果不是最佳的。通常閃爍體需要足夠薄，保證落在物鏡的景深內(nèi)，才能獲得最佳的空間分辨率。與半導(dǎo)體傳感器相比，較厚的閃爍體可以提供相同或更好的吸收效率，但會導(dǎo)致內(nèi)部光學(xué)散射增加，從而降低空間分辨率。因此，在吸收效率和閃爍體的空間分辨率之間存在權(quán)衡。

非晶硒(a- Se)是一種成熟的大面積熱蒸發(fā)的光導(dǎo)體，已廣泛用于平板X射線成像儀（a-Se/TFT）。非晶硒易于加工成大面積的均勻厚層，具有低漏電流和高電荷收集效率，中等原子序數(shù)（Z=34）足以適用于硬X射線成像。最重要的是X射線在非晶硒中被吸收后產(chǎn)生的電荷擴(kuò)散小，非晶硒具有非常高的本征空間分辨率，如下圖3所示。但TFT像素尺寸大，噪聲水平較高，因此研究人員想到了用非晶硒耦合CMOS讀出器件。

在過去十幾年中，滑鐵盧大學(xué)的科學(xué)家利用聚酰亞胺緩沖層突破了a-Se與CMOS結(jié)合的技術(shù)難題，解決了a-Se/CMOS的界面應(yīng)變和硒結(jié)晶等問題。這里的CMOS讀出器件采用電荷積分模式的工作方式，相較于光子計數(shù)模式的讀出器件，降低了制造成本且可以實現(xiàn)小的像素尺寸。

圖3. a-Se/CMOS探測器的量子效率；X射線在非晶硒中產(chǎn)生的電荷擴(kuò)散區(qū)域（右）

KA Imaging公司的技術(shù)團(tuán)隊源于滑鐵盧大學(xué)，基于a-Se/CMOS技術(shù)開發(fā)了一款1600萬像素的直接探測型高空間分辨率X射線探測器—BrillianceSe^TM，詳見下圖4。該探測器利用3T APS設(shè)計8μm像素尺寸的CMOS芯片與100μm厚的非晶硒混合。

圖4. BrillianceSeTM探測器與性能參數(shù)

探測器在阿貢國家實驗室先進(jìn)光源1-BM-B beamline使用單色的21keV、63keV做了詳細(xì)的性能測試，包擴(kuò)線性度、響應(yīng)度、MTF、空間分辨能力等等，部分結(jié)果如下圖5，圖6。

圖5. 在1-BM-B beamline 63keV單色光下用斜邊法測試MTF，其中PSF僅有1.1 pixel size

圖6. 在1-BM-B beamline 21keV單色光下用分辨率測試卡測試分辨率能力

BrillianceSe^TM對于高能X射線的高探測效率及高分辨率，完美符合了自由空間傳播相襯成像的相機(jī)需求。KA Imaging公司利用微焦點(diǎn)光源和BrillianceSe^TM搭建了桌面式相襯微米CT—inCiTe^TM，如圖7所示。除了能進(jìn)行實現(xiàn)傳統(tǒng)的微米CT，inCiTe^TM還帶有相襯成像的邊緣襯度增強(qiáng)效果，非常適合用于農(nóng)業(yè)、地質(zhì)學(xué)、生物、無損檢測、電子器件等領(lǐng)域。

圖7. 桌面式相襯微米CT—inCiTe^TM

inCiTe^TM結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單，提供一個直觀的圖形用戶界面，無論是新手還是專家用戶都能快速上手。不需要任何樣品制備，如造影劑，染色，樣品減薄等。CT系統(tǒng)能快速自動初始化，且?guī)в袠悠肺恢米詣有?zhǔn)和相機(jī)校準(zhǔn)功能。用戶首次上電不到20分鐘即可掃描樣品。掃描系統(tǒng)支持最大10倍的幾何放大倍率，即0.8μm的有效像素尺寸，真實分辨率可達(dá)1μm左右。下圖8-11分別展示了inCiTe^TM的幾個測試結(jié)果，包括凱夫拉復(fù)合纖維、光纖、薄膜中的氣泡、藥品、植物種子、腎結(jié)石。

圖8. 凱夫拉復(fù)合材料樣品的相襯圖像，在左上圖看到單個纖維，在右上圖看到纖維分層，下圖為3D渲染效果圖

圖9. 光纖檢測（左），可以看見光纖的相襯邊緣增強(qiáng)；聚酯薄膜中的氣泡檢測（右），也可以看見氣泡邊緣的相襯邊緣增強(qiáng)

圖10. 埃索美拉唑樣品檢測，由于相襯增強(qiáng)，藥粉顆粒的邊緣清晰可見

圖11. 甜椒種子檢測，左圖為不含相襯信息的圖像，右圖是含相襯信息的圖像

圖12. 腎結(jié)石的微觀結(jié)構(gòu)特征檢測，左圖為實例切片，中圖為3D渲染效果圖，右圖為腎結(jié)石照片