相衬x射线成像设备及其相位光栅的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种相衬X射线成像设备中，换言之，用于相衬成像的X射线设备。而 且，本发明涉及一种用于其的相位光栅。特别针对医疗领域中的相衬成像，提供该设备和相 位光栅。
【背景技术】
[0002] 常规通过指定复数折射率描述电磁辐射(一般而言，尤其是X射线辐射)与介质的 交互。折射率的实部和虚部各自取决于该复数折射率与其相关联的介质的材料组成。而虚 部再现介质中的电磁辐射的吸收，折射率的实部描述了材料相关的相位速度，连同电磁辐 射的折射。
[0003] 当前所使用的X射线成像设备通常仅检测待检查对象中的材料相关的辐射吸收， 而由对象传送的X射线辐射的强度以空间分辨的方式进行记录。
[0004] 现今，不太常见的是使用由对象所造成的折射和伴随它用于成像目的的材料相关 的相移。当前正在开发对应的方法和设备。
[0005] Talbot-Lau干涉仪通常用于相移的计量检测，如例如在"x-ray phase imaging with a grating interferometer，T.Weitkamp 等人，2005 年8 月 13 日/第3卷，第 16 期 / OPTICS EXPRESS"中所描述的。
[0006] 在已知的Talbot-Lau干涉仪的情况下，从大量像素的构造的X射线辐射源、相位光 栅(或衍射光栅)&、分析光栅(或吸收光栅)G#PX射线检测器沿着光轴布置。在X射线辐射源 和相位光栅之间往往布置用于确保X射线辐射中的足够的空间相干性的相干光栅Go。如果X 射线辐射源固有地可以已经以足够好的近似被认为是点状，则可以省略相干光栅。
【发明内容】
[0007] 通常，光学部件被称为相位光栅，并且这改变了以空间周期性的方式横向于辐射 传播方向穿透它的辐射束的相位位置，由此，在通过相位光栅之后，辐射在分析光栅上形成 一般来说是条纹状的干涉图样。选择相干光栅的周期长度，使得在每种情况下从相干光栅 的各个列发出的光束的干涉最大值映射在彼此上。
[0008] 距离相位光栅距离di2处布置分析光栅，其与Talbot距离dT(di2 = k · dT，其中，k = 1，2,3，···）的一倍或几倍相对应。在此借助于由相位光栅所生成的干涉图案(如果相位光栅 由平面波照射），相位光栅的结构被映射到分析光栅上。
[0009] 已知相位光栅具有包括光学地相对薄的基本材料(这里是硅）的光栅网的均匀条 纹结构并且在其间具有间隙。在常规相位光栅中，间隙要么是空的（空气填充的）要么填充 有非金属材料(诸如例如，光刻胶）。由于对于X射线辐射，在所有材料中折射率的实部小于 1，所以用于X射线辐射(与用于可见光的不同）的间隙始终构成与光栅网相比较在光学上更 致密的介质。这里使用术语"光学"并且下文也在"X射线光学"的含义之内。因此，它还是指X 射线辐射的波传播。
[0010] 在已知相位光栅的情况下，其间具有间隙的光栅网形成包括要横向于X射线辐射 的入射方向对齐的横向表面中的相邻的光栅条纹，其中，这些光栅条纹中的每个光栅条纹 中的基本材料具有在X射线辐射的入射方向上具有在相邻光栅条纹之间总是不同的恒定厚 度(材料高度h)。在由光栅网形成的光栅条纹中，材料高度具有正值。相反，在由间隙形成的 光栅条纹中，材料高度的值通常为零。
[0011] -般来说，常规使用的相位光栅是其中所有光栅网具有相同的(第一)材料高度并 且其中所有间隙具有相同的（第二)材料高度(特别地，h = 0)的二元(两级)光栅。用这种类 型的光栅，入射的X射线辐射的相位位置受到变化的材料高度影响，使得在穿过相位光栅 (除过渡效果之外）之后，X射线辐射被划分为每个的相位位置相同但彼此之间不同的恰好 两个部分射束。一般来说，常规使用的相位光栅在两个部分射束之间产生相位偏差，并且与 此相对应是波长的一半或四分之一。首先提及的类型的相位光栅也被称为31光栅，最后提及 的类型的相位光栅也称为V2光栅。
[0012] 借助于X射线检测器检测干涉图案的强度分布。然而，由相位光栅引起的干涉图案 的周期通常比X射线检测器的像素的大小小得多，所以使用X射线检测器直接检测干涉图案 通常是不可能的。因此，为了仍然能够测量干涉图案，X射线检测器通常连接在分析光栅上 游，在其帮助下，干涉图案可以通过X射线辐射的空间周期掩蔽进行采样。出于这个目的，分 析光栅在垂直于干涉图案的光轴和结构的平面中移位。相干光栅或相位光栅也可以移位， 而不是分析光栅。
[0013] 对于相衬成像，待检查对象位于一方面的X射线辐射源(和任选存在的相干光栅） 与另一方面的相位光栅之间。作为这种情况的备选，对象还可以位于相位光栅和分析光栅 之间。在这两种情况下，对象引起其可测量地改变由相位光栅所生成的干涉图案的X射线辐 射的位置相关的变化相移。借助于X射线检测器以上文所描述的方式检测到所改变的干涉 图案。然后，从所测量的干涉图案的强度分布来回算位置相关的相移。
[0014] 图像信息要么直接从相位获得，要么可替代地，图像信息还可以从密度（即，集成 相位)或角度散射(暗场)来确定。更进一步地，相衬图像有时相对于同时获得的吸收衬度图 像偏移，以便减少图像噪声。
[0015] 相衬X射线成像的所要求的优点在于，一般来说，软组织(特别地，组织、水和体脂 肪）中的结构在相衬中比在吸收衬度中彼此更强烈明显。
[0016] 然而，由于需要光栅，Talbot-Lau干涉仪一一取决于光栅的吸收行为一一要么引 起相对较强的强度损失(并且因此，需要高X射线剂量)要么引起干涉图案的相对较差的能 见度(并且因此，相衬扫描的差分辨率）。更进一步地，由于光栅，所以Talbot-Lau干涉仪的 色选择性通常比较强。光栅通常仅在其中配置了相应的光栅的特定设计波长周围的窄波长 范围内运作良好。带有偏离波长(和量子能量)的X射线辐射的部分常常不能用于成像或者 降低图像质量。
[0017] 对常规相位光栅的光学特性的优化有严格的限制，在于往往不能产生复杂的光栅 结构，或者至少没有合理消耗。
[0018] 本发明基于改善相衬X射线成像的目的。
[0019] 关于相衬X射线成像设备的相位光栅，该目的通过权利要求1的特征根据本发明来 实现。关于相衬X射线成像设备，该目的通过权利要求8的特征根据本发明来实现。本发明的 有利的实施例和发展以及本身具有发明性的部分那些在从属权利要求和以下的描述中进 行呈现。
[0020]本发明的相位光栅的横向表面由X轴和与其垂直的y轴跨越，并且相对于放射入射 方向，要基本上（即，恰好或至少大约)横向对齐。所提供的辐射入射方向限定了在相位光栅 的所设想的安装位置中所取向（特别地，平行于所取向的X射线成像设备的光轴）的相位光 栅的z轴。在此，可以基本上在任何所需的z位置（即，沿着z轴的位置)处的相位光栅占据的 空间体积内定义横向表面(作为数学上抽象的结构）。下文仅通过示例假设横向表面由相位 光栅的"引导"端表面形成，经由该横向表面，福射穿过相位光栅。
[0021 ] 上文所介绍的轴跨越Cartesian坐标系。由x、y和z轴的取向（箭头方向）所限定的 方向下文分别被称为(正)x、y和z方向。在每种情况下，相反的方向分别被称为（负）x、y和z 方向。x、y和z轴上的位置分别被称为x、y和z位置。
[0022]与常规相位光栅类似，本发明的相位光栅还具有由光学上相对薄的基本材料组成 的大量光栅网，其中，这些光栅网由光学上致密的间隙分离。本身同样地，在常规相位光栅 的情况下，光栅网以这样的方式体现:它们将横向表面细分成细长光栅条纹，该细长光栅条 纹彼此并排平行排列并且在每种情况下在整个横向表面沿y方向延伸。这些光栅条纹特征 在于每个光栅条纹中的相位光栅沿着z轴（因此，沿X射线辐射的入射方向）具有均质的（BP， 处处相同）基本材料总厚度，尽管这是在相邻光栅条纹之间总是不同。如已经在引言中所建 立的，基本材料沿着z轴在横向表面的特定点上呈现的总厚度还被称为"材料高度"。材料高 度标识横向表面的所关联的点处的光栅的光路长度。
[0023]然而，与常规相位光栅相反，在本发明的相位光栅中，在横向表面内由光栅网和间 隙分别占据的表面区域与光栅条纹不一致。换言之，一方面在光栅条纹之间不存在一对一 的关联，另一方面，存在光栅网或间隙。相反，在横向表面内，光栅网中的至少一个在多个光 栅条纹上方延伸。
[0024] 因为光栅网由于所要维持的间隙必须至少大致平行行进，所以跨越光栅条纹的特 性强制延伸到所有光栅网（除了边界效应之外，即，由于它们的边缘位置可以仅在一个光栅 条纹上延伸的横向表面的边缘处的任何光栅网）。特别优选地，所有光栅网有规律地在大量 光栅条纹(特别地，在所有光栅条纹)上方延伸，再次除边界效应之外。
[0025] 如所已知的，设计相位光栅的光栅网从而跨越光栅条纹的想法使得能够在横向表 面上方构造具有材料高度的复杂空间分布的光栅结构，并且这可能不以常规设计或最好用 高消耗来产生。光栅网的跨越光栅条纹的布局意味着与在常规相位光栅的情况下不同，本 发明的相位光栅的光栅条纹是一般来说不直接由相位光栅的物理结构映射的数学上抽象 的结构。相反，光栅条纹仅由光栅高度的上述空间分布和与其连接的相位光栅的光学特性 来限定。在本发明的光栅的简单实施例中，光栅条纹优选具有沿X方向均质的（即，对于所有 光栅条纹是相同的）宽度。然而，在本发明的背景内，光栅条纹还可以具有不同的宽度。如以 下所示的，相位光栅的这些实施例甚至在某些条件下是特别有利的。
[0026] 光栅网优选由金、镍或硅形成。间隙任选由（空气或液体填充的）空隙或通过由光 学上相对致密的固体(即，对于X射线辐射，折射率的实部相对较大的固体)制成的（例如，光 刻胶制成的）中间网来形成。
[0027] 优选地，相位光栅在光刻生产工艺(尤其是所谓的LIGA(光刻电镀成型）工艺）中或 借助于反应离子刻蚀来产生。
[0028] 用于生产相位光栅的一个限制因素是由生产过程限制的长宽比，其在沿z方向的 给定的光栅高度的情况下，由要在光栅网侧壁之间维持的最小距离（即，通过光栅网的最小 厚度和间隙的最小厚度)确定。
[0029] 在本发明的有利的实施例中，光栅网被设计成使得它们以多个光栅条纹的对角线 优选方向（即，以与y轴的角度超过0°且低于90°)在横向表面内行进。该优选方向由在多个 光栅条纹上进行平均的横向表面内的光栅网的取向形成。局部地，即，在单个光栅条纹内， 光栅网还可以平行于X轴或y轴行进。特别地，相对于其优选方向在横向表面上方对角线行 进的光栅网可以以被取向以便交替平行于X轴或y轴的段的分层方式来构成。
[0030] 如所已知的，光栅条纹的给定光栅高度和给定衍射特点的光栅网的上述对角线布 局意味着可以在光栅网的侧壁之间（在光栅网内和相邻光栅网之间两者)维持特别大的最 小距离。这反过来又使得能够产生沿Z方向具有特别大的光栅高度或光栅条纹的宽度特别 低的相位光栅。这种相位光栅使得能够实现具有特别短的安装长度和特别高的灵敏度的相 衬X射线成像设备。