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一种x射线显微成像本底缺陷图像修正采样系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种X射线显微成像本底缺陷图像修正采样系统，包括射线源、样品台、探测器，所述射线源发射出的X射线穿透所述待测样品后投射至所述高分辨率探测器上，完成一幅投影图像的采集；通过一定角度范围内的系列采样，并通过与扫描模式相对应的成像算法即可获取三维立体图像；该本底缺陷图像修正方法可以分别通过三种不同的抖动系统来实现图像抖动采集。本X射线显微成像本底缺陷图像修正采样系统可根据实际需要实现成像器件本底缺陷的标定，以及成像器件本底缺陷图像与样品内部真实图像之间的区分，并消除本底缺陷引起的图像重建伪像，获得真实的、高质量的样品内部图像信息。
【专利说明】一种X射线显微成像本底缺陷图像修正采样系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及显微CT扫描成像【技术领域】，尤其是涉及一种X射线显微成像本底缺陷图像修正方法和采样系统。
【背景技术】
[0002]X射线显微镜可以在不破坏样品的情况下，对被测样品内部信息进行超高分辨的成像。X射线显微镜关键成像器件包括:x射线源、高分辨的探测器(主要包括:物镜、闪烁体、CCD等)和旋转台，其成像原理是:射线源发射出的X射线穿透待测样品后投射至探测器上，获取不同角度的透视投影图像，结合计算机三维数字成像技术，构建出待测物体的三维立体图像，清晰准确直观地展现被检测物体内部结构特征。
[0003]探测器是X射线显微镜成像的核心器件，直接影响着X射线显微镜的成像质量。探测器的同一个探测单元在不同角度下的信息在重建过程中将转变为以旋转中心为圆心的一族切线，而某个探测单元的异常都将在重建图像中引起伪影。高分辨X射线显微镜投影图像采集过程中，穿透样品的X射线至探测器并完成投影图像采集的过程中需要经过探测器的多个光学成像器件(物镜、闪烁体、CCD)，致使光学器件引起的缺陷信息与样品的投影信息同时被CCD采集，导致X射线投影图像出现不同形状的伪影和形变。进一步地，直接利用包含本底缺陷的样品投影信息进行图像重构，即将本底缺陷图像看作有效信息进行重构，导致被测样品内部重构的失真，影响样品成像与重构的真实性。
[0004]目前，光学器件在加工制作过程中会难免产生一定的加工缺陷，如晶体生长以及封装过程中会出现裂缝、气泡、云层等缺陷等，但通过硬件精密加工技术仍无法消除成像本底缺陷。在ICT系统中主要采用的减轻探测器本底缺陷的方法主要为:一、基于特征识别的修复方法；二、基于样条曲线拟合的修复方法；三、基于纹理合成的修复方法。由于ICT系统中的探测器与高分辨X射线显微镜中的探测不同，ICT中的本底校正方法无法直接应用于X射线显微镜中。
[0005]通过调研，并未见过与本发明申请的本底缺陷校正相似的技术应用于高分辨X射线显微镜中。

【发明内容】

[0006]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，提出一种X射线显微成像本底缺陷图像修正方法和采样系统，在X射线显微镜中，可分别使用镜头抖动系统、样品抖动系统及探测器抖动系统将样品信息与光学器件引起的缺陷信息进行标记，同时，将其引入到重建方法中将能够有效抑制本底缺陷对重建图像的影响。
[0007]本发明实现目的的技术方案是:
[0008]一种X射线显微成像本底缺陷图像修正采样系统，包括用于发射X射线的射线源、用于承载待测样品的样品台及用于成像的探测器，样品台安装有样品抖动系统，其特征在于:所述探测器和所述射线源在纵向上位于所述样品台的两侧，所述射线源发射出的X射线穿透所述待测样品后投射至所述探测器上，完成一幅投影图像的采集，通过在一定角度范围内的系列采样，并利用相应的重建算法即可获取三维立体图像。
[0009]而且，所述探测器上安装有一镜头抖动系统，该镜头抖动系统与成像零部件相连，实现成像过程中对镜头的抖动。
[0010]而且，所述镜头抖动系统包括抖动导向机构、压电陶瓷、固定、遮光板、预紧弹簧，其中所述抖动导向机构内部设计加工为一个柔性铰链位移机构；
[0011]所述压电陶瓷安装在所述抖动导向机构内部，当所述压电陶瓷通电时膨胀，对抖动导向机构产生一个推力，使所述抖动导向机构产生弹性变形；
[0012]所述固定螺钉用于固定所述压电陶瓷，将所述压电陶瓷固定在所述抖动导向机构内；
[0013]所述遮光板安装在抖动导向机构上，防止可见光通过柔性铰链切缝进入物镜光学系统箱体内；
[0014]所述预紧弹簧安装在所述抖动导向机构内部，当所述压电陶瓷断电时，预紧弹簧可产生一个反向推力，将移动导向机构复位。
[0015]而且，所述样品台安装有样品抖动系统，该样品抖动系统提供纵向、横向及上下方向三个自由度的平动。
[0016]而且，所述探测器上安装在一探测器抖动系统，该探测器抖动系统即控制探测器的横向移动，在本底缺陷修正过程中完成光学器件的抖动。
[0017]而且，所述探测器抖动系统的底座安装在电机驱动的导轨直线平台上，或者安装在压电陶瓷驱动的柔性铰链机构平台上。
[0018]本发明的优点和积极效果是:
[0019]1、本发明通过对镜头抖动系统进行控制，可根据需要在图像采集过程中实现镜头抖动，样品抖动系统可实现样品抖动，探测器抖动系统可实现探测器抖动；在图像米集时，可采用用镜头抖动系统或样品抖动系统或探测器抖动系统实现图像抖动，完成本底缺陷的识别和修正，即将抖动前后采集的图像进行对比与数学算法处理，对光学器件的本底缺陷进行标定，并在重建算法中加入抖动和标定该信息，减轻缺陷图像对样品信息的干扰，从而更好地获取待测样品的内部结构特征、密度、有无缺陷以及缺陷的大小和位置等信息，获得真实的待测样品的特性以满足不同的使用要求。2、本发明可实现光学系统本底缺陷的标定和修正，获得更加真实的样品成像，结合计算机三维数字成像重构技术，以图像的形式清晰准确直观的展现被测样品内部结构特征、有无缺陷等信息，可在样品无损状态下观测样品的内部结构，了解样品的特性，可广泛应用于岩芯和化石扫描、电子元件及其它器件检测、以及生物植物显微成像等领域。
【专利附图】

【附图说明】
[0020]图1是本发明的立体结构连接示意图；
[0021]图2是图1的样品抖动系统、样品台和样品的立体结构简图；
[0022]图3是本发明的柔性铰链镜头抖动系统原理图；
[0023]图4是本发明的柔性铰链探测器抖动系统统原理图；
[0024]图5是本发明的镜头抖动系统结构简图；[0025]图6是图5的剖面结构示意图；
[0026]图7是本发明的抖动导向机构(去掉遮光板)的结构示意图；
[0027]图8是图7的剖面结构示意图；
[0028]图9是图7的A部的柔性铰链结构局部放大示意图；
[0029]图10是本发明的滑轨的探测器抖动系统和探测器的立体结构示意图；
[0030]图11是本发明本底缺陷引起的CT图像；
[0031]图12是本发明所获得的样品CT图像。
【具体实施方式】
[0032]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0033]下面参考图1-图10描述本发明实施例的X射线显微成像本底缺陷图像修正采样系统，本系统可用于材料科学、地质/石油、半导体/微电子、生物/植物等样品的成像和检测。
[0034]一种X射线显微成像本底缺陷图像修正采样系统，包括射线源1、样品台2、样品抖动系统3、样品7、镜头抖动系统4、高分辨率探测器5和探测器抖动系统6，高分辨率探测器和射线源在纵向上位于样品台的两侧，这里需要说明的是，本发明中所述的“纵向”即指成像方向。在下面的描述中，如果没有特殊说明，纵向即代表成像方向。具体地，如图1所示，高分辨率探测器在成像方向上位于样品台的右侧，射线源在成像方向上位于样品台的左侧。这里，高分辨率探测器用于高分辨率图像采集，满足样品的成像需求，射线源用于发射X射线，样品台用于安装样品抖动系统，样品抖动系统用于承载待测样品，并对承载的待测样品进行精确定位和完成抖动。射线源发射出的X射线穿透所述待测样品后投射至所述探测器上，完成一幅投影图像的采集，通过在360度一定角度范围内的常规系列均匀采样，并利用相应的常规成像算法即可获取三维立体图像。
[0035]样品抖动系统的具体结构如图2所示，样品抖动系统包括转台13、横向移动导轨
8、横向移动平台9、纵向移动平台11、纵向移动导轨12及上下移动平台10，在样品台上安装转台，该转台上平面安装两道平行的横向移动导轨，在该横向移动导轨上导向安装横向移动平台，横向移动平台只能沿着横向移动导轨横向移动。在横向移动平台的上平面平行安装有两道纵向移动导轨，在纵向移动导轨上导向运行有纵向移动平台，纵向移动平台只能沿着横向移动平台上的纵向移动导轨导向运行；在纵向移动平台中轴部位竖直安装有一上下移动平台，上下移动平台的上端安装有样品，并可带动样品上、下移动。
[0036]镜头抖动系统安装在高分辨率探测器的纵向成像方向，高分辨率探测器安装在探测器抖动系统的上平面上。镜头抖动系统原理图如图3所示，将闪烁片、物镜等光学器件安装在镜头抖动系统上，即可带动镜头、闪烁片等光学器件在图像采集过程中完成抖动。图4所示为探测器抖动系统统原理图，将探测器等成像元器件安装在抖动机构上，抖动机构可带动探测器完成抖动。
[0037]图5、6所示为镜头抖动系统的结构图，镜头抖动系统为基于柔性铰链机构的抖动系统，包括抖动导向机构14、遮光板15、预载螺钉16、压电陶瓷19和预紧弹簧17，抖动导向机构安装在高分标率探测器前面的成像面上，在抖动导向机构中心部位即在遮光板内的突起部分安装被抖动成像光学组件(包括:物镜、闪烁片等光学成像器件)，遮光板安装在抖动导向机构外部，防止可见光通过柔性铰链切缝进入物镜光学系统箱体内；在抖动导向机构内且径向相对分别安装有一压电陶瓷与一预紧弹簧，压电陶瓷与预紧弹簧的一端与抖动导向机构接触，压电陶瓷与预紧弹簧的另一端均采用预载螺钉固定。
[0038]镜头抖动系统的工作原理是:镜头抖动系统的抖动运动是通过控制施加在压电陶瓷驱动器的的电压来实现的，压电陶瓷通电后受电场作用会产生膨胀，而压电陶瓷一端被固定螺钉固定，压电陶瓷只能沿另一端向固定方向膨胀变形，推动抖动导向机构产生变形，抖动导向机构带动物镜与闪烁片等光学器件在横向方向产生轻微位移变化；改变压电陶瓷的电压，如降低电压，压电陶瓷收缩，抖动导向机构靠预紧弹簧提供的弹性预紧力恢复变形，抖动导向机构复位。
[0039]探测器抖动系统如图10所示，包括探测器平台底座20和探测移动平台19。探测器移动平台与探测器底座配合，探测器移动平台只能沿着横向方向移动，探测器平台上方安装高分辨率探测器。探测器抖动系统的平台底座可安装在电机驱动的导轨直线平台上，或者安装在压电陶瓷驱动的柔性铰链机构平台上。
[0040]当需要进行本底缺陷图像确定时，可采用以下方法之一:
[0041]单独控制样品抖动系统，沿横向方向轻微移动，带动样品横向轻微移动，然后采集图像；当图像采集完毕后，再控制样品抖动系统复位，完成抖动；
[0042]单独控制镜头抖动系统，首先将压电陶瓷断电，进行样品的扫描，完成图像采集；然后将压电陶瓷通电，压电陶瓷通电后受电场作用会产生膨胀，而压电陶瓷一端被固定螺钉固定，压电陶瓷只能沿另一端向固定方向膨胀变形，推动抖动导向机构产生变形，抖动导向机构带动物镜与闪烁片等光学器件在横向方向产生轻微位移变化，此时再次进行图像采集；当图像采集完后，将压电陶瓷断电，抖动导向机构靠预紧弹簧提供的弹性预紧力恢复变形，抖动导向机构复位，完成一次抖动过程。
[0043]单独控制探测器抖动系统，沿横向方向轻微移动，带动探测器横向移动，然后采集图像，当图像采集完毕后，再控制探测器抖动系统复位，完成抖动。
[0044]将上述任意抖动方式下的参数信息引入到图像重建中，均可以避免缺陷信息在确定位置的累积，因此可以获得较为完整真实的样品内部结构图像。参见图11分别为本底缺陷引起的CT图像，图12为本发明方法所获得的样品CT图像。
[0045]如图7、图8所示，抖动导向机构被遮光板所遮盖的前端面被加工出一个凹槽18，该凹槽的作用是避免抖动导向机构运动部分与遮光板之间接触而发生摩擦，抖动导向机构前端用以安装光学器件，抖动导向机构两个侧面各加工出一个圆形盲孔，用以安装压电陶瓷和预紧弹簧，盲孔最外端设计有螺纹，用以安装预载螺钉。如图9所示，由此抖动导向机构内部被加工成一个柔性铰链机构，在外力作用下，抖动导向机构可产生一定的弹性变形，带动物镜等光学器件产生抖动，完成本底缺陷的识别。柔性铰链机构可以有多种形式，只要能够保证基本功能需求即可,基本功能需求为:1)确保运动为平移运动,约束转动；2)运动定位有足够高的重复性精度；3)较高的系统刚度和承载能力，确保系统的稳定性。图示柔性铰链机构设计具有典型的代表性。
【权利要求】
1.一种X射线显微成像本底缺陷图像修正采样系统，包括用于发射X射线的射线源、用于承载待测样品的样品台及用于成像的探测器，样品台安装有样品抖动系统，其特征在于:所述探测器和所述射线源在纵向上位于所述样品台的两侧，所述射线源发射出的X射线穿透所述待测样品后投射至所述探测器上，完成一幅投影图像的采集，通过在一定角度范围内的系列采样，并利用相应的重建算法即可获取三维立体图像。
2.根据权利要求1所述的X射线显微成像本底缺陷图像修正采样系统，其特征在于:所述探测器上安装有一镜头抖动系统，该镜头抖动系统与成像零部件相连，实现成像过程中对镜头的抖动。
3.根据权利要求2所述的X射线显微成像本底缺陷图像修正采样系统，其特征在于:所述镜头抖动系统包括抖动导向机构、压电陶瓷、固定、遮光板、预紧弹簧，其中所述抖动导向机构内部设计加工为一个柔性铰链位移机构； 所述压电陶瓷安装在所述抖动导向机构内部，当所述压电陶瓷通电时膨胀，对抖动导向机构产生一个推力，使所述抖动导向机构产生弹性变形； 所述固定螺钉用于固定所述压电陶瓷，将所述压电陶瓷固定在所述抖动导向机构内； 所述遮光板安装在抖动导向机构上，防止可见光通过柔性铰链切缝进入物镜光学系统箱体内； 所述预紧弹簧安装在所述抖动导向机构内部，当所述压电陶瓷断电时，预紧弹簧可产生一个反向推力，将移动导向机构复位。
4.根据权利要求1所述的X射线显微成像本底缺陷图像修正采样系统，其特征在于:所述样品台安装有样品抖动系统，该样品抖动系统提供纵向、横向及上下方向三个自由度的平动。
5.根据权利要求1所述的X射线显微成像本底缺陷图像修正采样系统，其特征在于:所述探测器上安装在一探测器抖动系统，该探测器抖动系统即控制探测器的横向移动，在本底缺陷修正过程中完成光学器件的抖动。
6.根据权利要求5所述的X射线显微成像本底缺陷图像修正采样系统，其特征在于:所述探测器抖动系统的底座安装在电机驱动的导轨直线平台上，或者安装在压电陶瓷驱动的柔性铰链机构平台上。
【文档编号】G01N23/04GK103901060SQ201410147120
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月14日 优先权日:2014年4月14日
【发明者】须颖 申请人:天津三英精密仪器有限公司