一种实现板状样品高分辨率大视野cl成像的扫描方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种X-射线计算机分层扫描成像（computed Iaminography)技术，尤 指一种用于对板状样品进行高分辨率、大视野断层成像，属于X射线CT成像检测的实现板 状样品高分辨率大视野CL成像的扫描方法。
【背景技术】
[0002] 计算机断层扫描成像技术（CT-computed tomography)经过半个多世纪的发展，在 医疗、工业、安全检查等领域发挥着重要的作用。由于医用CT的检测对象基本上是人体或 器官，其形态特征和密度信息有特定的规律和范围，且检测精度只需达到医学诊断精度要 求即可，但因为射线对人体有害，目前医用CT主要研究方向之一是如何在保证精度要求的 前提下提高扫描效率，降低病人的辐射剂量。与医用CT相比，工业CT的检测对象非常广 泛，从微米级的集成电路到超过一米的大型工件，从低密度样品到高原子序数的重金属材 料等；除此之外，检测目的包括缺陷探测、尺寸测量、结构检测等各不相同。这就使得不同用 途的工业CT系统所用的射线源、射线探测器和系统结构甚至外形等各有不同。
[0003] 常规锥束CT受扫描视野的限制，一般情况下要求检测样品的大小必须在扫描视 野范围内。如果样品过大，需要适当降低放大比，牺牲图像的分辨率来完成扫描。近年来， 为了解决常规CT大视野扫描成像的问题，公开号为CNlOl 135655A，名称为"锥束CT对大物 体成像的分块扫描重建和空间拼装方法"的中国发明专利申请中，提出了一种对大物体进 行分块扫描，对截断数据进行边界外延填补后局部体积重建，再拼装得到大物体的断层成 像的方法。公开号为CN1643371A，名称为"成像大视野物体的系统和方法"的中国发明专利 申请中，提出了 一种成像装置，通过移动源和探测器的位置实现"多扫描轨道"扫描物体，最 终实现对大于探测器视野的物体进行成像。公开号为，CN101427924A，名称为"分段锥形束 CT图像通过拼接获得完整解剖图像的方法"的中国发明专利申请中提出了一种分段锥形束 扫描，并通过拼接获得完整解剖图像的方法，该方法适用于扫描对象为长圆柱结构的物体。 _镔等在其撰写的《锥束CT超视野成像重建算法综述》论文中，介绍了近年来超视野重建 算法的发展过程和发展现状，其对超视野物体进行了分类：长物体、宽物体和大物体。以上 提出的方法虽然在一定程度上解决了某些长物体和大物体的大视野成像问题，但是对于既 是长物体，也是宽物体，即长宽尺度大、厚度薄的板状大物体，并没有提出解决方案。
[0004] 实际应用中，诸多的平板状物体，如多层印刷电路板、航空航天器上的蜂窝胶接 板、太阳能电池板、板状化石等物体，由于其长宽尺度大，厚度薄的特点，在常规工业CT中 因 X射线可能沿长轴方向无法穿透样品而无法进行断层扫描。X射线计算机分层扫描成 像技术（CL-computed Iaminography)与X射线计算机断层扫描成像技术（CT-computed tomography)相比，其特点在于，X射线在厚度方向穿透物体，有利于检测平板状的物体。图 1是一种CL系统的扫描结构，它的优点是采用非同轴方式扫描，射线沿与板状样品法线成 一定角度的方向穿过，物体与探测器同步运动，旋转扫描得到一系列的数字投影图，这种扫 描方式允许样品放置在距离光源较近的位置获得较大的放大比，和更高的空间分辨率。图3 是另一种CL系统的扫描结构，物体绕转轴旋转的过程中完成数据采集，与图1的方式类似。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是：在CL扫描模式下，应用分块扫描的方式，采集板状 大样品各个子部分的投影数据，利用相应的图像重建算法和图像拼接方式，得到样品的高 分辨率大视野断层扫描图，从而实现对板状大样品的结构、缺陷检测等目的。
[0006] 为解决上述问题，本发明实施例提供一种实现板状样品高分辨率大视野CL成像 的扫描方法，应用于一种CL系统的扫描装置，所述扫描装置包括X射线源，载物台，平板探 测器，转臂，固定架；
[0007] 所述扫描装置设立三维空间坐标系xyz，原点是X射线源，即O点；并设立旋转坐 标系xlyIz 1，原点是X射线源，即〇点，其中：
[0008] 所述平板探测器所在的平面始终与oyl直线垂直，且xl轴与X轴的夹角为Θ， 0°彡Θ < 360° ;yl轴与y轴的夹角为φ, 0- <φ<90° ;旋转坐标系xlylzl与三维 空间坐标系xyz之间的转换关系为：
[0010] 利用所述扫描装置对待测物体进行分块扫描，调整载物台在X、y轴方向的平移运 动，使所述待测物体以z轴为旋转轴做圆周运动，且平板探测器随转臂与所述待测物体做 同步运动，使依次扫描待测物体不同的分块；
[0011] 根据设定的Θ角和φ角情况，在0度到360度范围内旋转转臂，利用所述平板探 测器采集所需角度的分块投影数据，对所采集的投影数据进行拼接重建以得到所述待测物 体的断层图像。
[0012] 根据上述构思，将所述待测物体分为多个正方形或六边形进行分块扫描，得到所 述待测物体各个分块的投影数据，对这些投影数据进行断层重建、图像拼接，最终得到所述 待测物体的高分辨率大视野断层图像。
[0013] 根据上述构思，所述平板探测器采集所需角度的分块投影数据时，采取步进运动 的方式，分别采集各个分块子视野在不同旋转角度下的投影数据，并存储。
[0014] 根据上述构思，所述平板探测器采集所需角度的分块投影数据时，可以根据低放 大比条件下的投影数据选择分块扫描方式和规格。
[0015] 根据上述构思，在所述断层图像拼接重建步骤，利用FDK重建算法或迭代重建算 法，重建各个子视野的断层图像；
[0016] 根据上述构思，具体操作步骤包括:Α输入系统初始参数；B选择图像拼接方式；C 计算运动轨迹；D数据采集；E图像拼接。
[0017] 根据上述构思，所述在载物台空间三维方向上做平移运动，具体包括：所述载物台 利用Z轴方向的运动调整待测物体的放大比，并利用x、y轴方向的运动进行分块扫描，通过 插补实现圆形轨道运动或其他运动方式，以实现对所述待测物体的分块扫描投影。
[0018] 根据上述构思，所述平板探测器的平面始终与所述X射线源在所述平板探测器的 中心射束相垂直，且所述平板探测器与所述载物台的运动保持同步。
[0019] 本发明可以实现大面积板状样品的断层成像，采用在高放大比条件下对板状样品 分块扫描采集投影数据，利用正方形"田字格"或六边形"蜂窝状"方式进行图像拼接的方 法，最终得到板状样品的高分辨率大视野断层图像。
【附图说明】
[0020] 图1是一种CL系统的扫描装置结构示意图；
[0021 ] 图2是一种CL系统的坐标系统TK意图；
[0022] 图3是另一种CL系统的扫描装置结构示意图；
[0023] 图4是本发明实施例中两种分块拼接方式的示意图；
[0024] 图5是本发明实施例中田字格拼接方式的实施步骤示意图；
[0025] 图6是本发明实施例中田字格拼接方式的平移运动示意图；
[0026] 图7是本发明实施例中蜂窝状拼接方式的两种情形示意图；
[0027] 图8是本发明实施例中蜂窝状拼接方式的实施步骤示意图；
[0028] 图9是本发明实施例中蜂窝状拼接方式的平移运动示意图；
[0029] 图10是本发明实施例中蜂窝状和田字格分块与子视野的对比示意图；
[0030] 图11本发明实施例中扫描方式及拼接方法具体操作步骤示意图；
[0031] 图12为三叶桨形的样品的结构示意图；
[0032] 图13在低放大比条件下，对样品整体进行成像的结果，其中a取中间层断层图像； b取一行数据显示；
[0033] 图14以本发明实施例中分块扫描、蜂窝状拼接方式得到的结果；
[0034] 图15 t旲拟芯片样品结构TJK意图；
[0035] 图16以现有扫描方式得到的模拟芯片断层成像结果；
[0036] 图17以本发明分块拼接扫描方式得到的模拟芯片断层成像结果。
【具体实施方式】
[0037] 体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本 发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及 图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
[0038] 本发明提出了一种针对板状大样品进行图像拼接扫描的数据采集方法，根据样品 的几何参数及特征信息等，选择正方形"田字格"或六边形"蜂窝状"分块扫描，得到物体各 个部分的投影数据，对投影数据进行断层重建、图像拼接，最终得到板状大样品的高分辨率 大视野断层图像。正方形"田字格"的拼接方式简单方便，对于拼接子视野数目不多时，可 以选择"田字格"拼接方法。"蜂窝状"拼接方式灵活多变，并且对子视野的断层图像利用率 比"田字格"拼接高30% (图10所示），用于对不规则形状样品或需要拼接的子视野数目 较多时，优于"田字格"拼接方式。
[0039] 所述方法基于图1所示的系统结构，或其它一切能够完成本发明所述的子视野拼 接方式所需的运动扫描轨迹的系统平台上，实现载物台与探测器按照一定的运动轨迹运 动，完成数据采集工作。图1所示的系统结构包括X射线源1，载物台2,平板探测器3,转臂 4,固定架5。其中X射线源位于装置的最底端，用于向上发射锥束X射线；载物台设置在X 射线源的上方，在空间三维方向上做平移运动；载物台的正上方设置有固定架，固定架与转 臂相连，用于固定转臂，并使转臂做圆周旋转运动，形成围绕载物台的半球面；转臂上设置 有导轨，平板探测器位于该导轨上，利用该导轨在转臂上滑动。
[0040] 现有的锥束CL系统在板状样品大小在扫描视野范围内时，才能够得到完整的断 层图像，但是对于样品超出视野范围的"板状大样品"，无法得到完整的样品断层信息。因此 本发明提出利用图像拼接的方式实现大样品的高分辨率图像断层重建。主要的图像拼接方 法包括正方形"田字格"拼接，如图4a所示，或为六边形"蜂窝状"拼接两种方式，如图4b所 示。图像拼接需要通过移动载物台的位置，分别扫描各个子视野得到投影数据，由图