一種實(shí)現(xiàn)板狀樣品高分辨率大視野cl成像的掃描方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種X-射線計(jì)算機(jī)分層掃描成像（computed Iaminography)技術(shù)，尤 指一種用于對板狀樣品進(jìn)行高分辨率、大視野斷層成像，屬于X射線CT成像檢測的實(shí)現(xiàn)板 狀樣品高分辨率大視野CL成像的掃描方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)（CT-computed tomography)經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，在 醫(yī)療、工業(yè)、安全檢查等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。由于醫(yī)用CT的檢測對象基本上是人體或 器官，其形態(tài)特征和密度信息有特定的規(guī)律和范圍，且檢測精度只需達(dá)到醫(yī)學(xué)診斷精度要 求即可，但因?yàn)樯渚€對人體有害，目前醫(yī)用CT主要研究方向之一是如何在保證精度要求的 前提下提高掃描效率，降低病人的輻射劑量。與醫(yī)用CT相比，工業(yè)CT的檢測對象非常廣 泛，從微米級的集成電路到超過一米的大型工件，從低密度樣品到高原子序數(shù)的重金屬材 料等；除此之外，檢測目的包括缺陷探測、尺寸測量、結(jié)構(gòu)檢測等各不相同。這就使得不同用 途的工業(yè)CT系統(tǒng)所用的射線源、射線探測器和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)甚至外形等各有不同。
[0003] 常規(guī)錐束CT受掃描視野的限制，一般情況下要求檢測樣品的大小必須在掃描視 野范圍內(nèi)。如果樣品過大，需要適當(dāng)降低放大比，犧牲圖像的分辨率來完成掃描。近年來， 為了解決常規(guī)CT大視野掃描成像的問題，公開號為CNlOl 135655A，名稱為"錐束CT對大物 體成像的分塊掃描重建和空間拼裝方法"的中國發(fā)明專利申請中，提出了一種對大物體進(jìn) 行分塊掃描，對截?cái)鄶?shù)據(jù)進(jìn)行邊界外延填補(bǔ)后局部體積重建，再拼裝得到大物體的斷層成 像的方法。公開號為CN1643371A，名稱為"成像大視野物體的系統(tǒng)和方法"的中國發(fā)明專利 申請中，提出了 一種成像裝置，通過移動源和探測器的位置實(shí)現(xiàn)"多掃描軌道"掃描物體，最 終實(shí)現(xiàn)對大于探測器視野的物體進(jìn)行成像。公開號為，CN101427924A，名稱為"分段錐形束 CT圖像通過拼接獲得完整解剖圖像的方法"的中國發(fā)明專利申請中提出了一種分段錐形束 掃描，并通過拼接獲得完整解剖圖像的方法，該方法適用于掃描對象為長圓柱結(jié)構(gòu)的物體。 _鑌等在其撰寫的《錐束CT超視野成像重建算法綜述》論文中，介紹了近年來超視野重建 算法的發(fā)展過程和發(fā)展現(xiàn)狀，其對超視野物體進(jìn)行了分類：長物體、寬物體和大物體。以上 提出的方法雖然在一定程度上解決了某些長物體和大物體的大視野成像問題，但是對于既 是長物體，也是寬物體，即長寬尺度大、厚度薄的板狀大物體，并沒有提出解決方案。
[0004] 實(shí)際應(yīng)用中，諸多的平板狀物體，如多層印刷電路板、航空航天器上的蜂窩膠接 板、太陽能電池板、板狀化石等物體，由于其長寬尺度大，厚度薄的特點(diǎn)，在常規(guī)工業(yè)CT中 因 X射線可能沿長軸方向無法穿透樣品而無法進(jìn)行斷層掃描。X射線計(jì)算機(jī)分層掃描成 像技術(shù)（CL-computed Iaminography)與X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)（CT-computed tomography)相比，其特點(diǎn)在于，X射線在厚度方向穿透物體，有利于檢測平板狀的物體。圖 1是一種CL系統(tǒng)的掃描結(jié)構(gòu)，它的優(yōu)點(diǎn)是采用非同軸方式掃描，射線沿與板狀樣品法線成 一定角度的方向穿過，物體與探測器同步運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)掃描得到一系列的數(shù)字投影圖，這種掃 描方式允許樣品放置在距離光源較近的位置獲得較大的放大比，和更高的空間分辨率。圖3 是另一種CL系統(tǒng)的掃描結(jié)構(gòu)，物體繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的過程中完成數(shù)據(jù)采集，與圖1的方式類似。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：在CL掃描模式下，應(yīng)用分塊掃描的方式，采集板狀 大樣品各個子部分的投影數(shù)據(jù)，利用相應(yīng)的圖像重建算法和圖像拼接方式，得到樣品的高 分辨率大視野斷層掃描圖，從而實(shí)現(xiàn)對板狀大樣品的結(jié)構(gòu)、缺陷檢測等目的。
[0006] 為解決上述問題，本發(fā)明實(shí)施例提供一種實(shí)現(xiàn)板狀樣品高分辨率大視野CL成像 的掃描方法，應(yīng)用于一種CL系統(tǒng)的掃描裝置，所述掃描裝置包括X射線源，載物臺，平板探 測器，轉(zhuǎn)臂，固定架；
[0007] 所述掃描裝置設(shè)立三維空間坐標(biāo)系xyz，原點(diǎn)是X射線源，即O點(diǎn)；并設(shè)立旋轉(zhuǎn)坐 標(biāo)系xlyIz 1，原點(diǎn)是X射線源，即〇點(diǎn)，其中：
[0008] 所述平板探測器所在的平面始終與oyl直線垂直，且xl軸與X軸的夾角為Θ， 0°彡Θ < 360° ;yl軸與y軸的夾角為φ, 0- <φ<90° ;旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系xlylzl與三維 空間坐標(biāo)系xyz之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
[0010] 利用所述掃描裝置對待測物體進(jìn)行分塊掃描，調(diào)整載物臺在X、y軸方向的平移運(yùn) 動，使所述待測物體以z軸為旋轉(zhuǎn)軸做圓周運(yùn)動，且平板探測器隨轉(zhuǎn)臂與所述待測物體做 同步運(yùn)動，使依次掃描待測物體不同的分塊；
[0011] 根據(jù)設(shè)定的Θ角和φ角情況，在0度到360度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臂，利用所述平板探 測器采集所需角度的分塊投影數(shù)據(jù)，對所采集的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接重建以得到所述待測物 體的斷層圖像。
[0012] 根據(jù)上述構(gòu)思，將所述待測物體分為多個正方形或六邊形進(jìn)行分塊掃描，得到所 述待測物體各個分塊的投影數(shù)據(jù)，對這些投影數(shù)據(jù)進(jìn)行斷層重建、圖像拼接，最終得到所述 待測物體的高分辨率大視野斷層圖像。
[0013] 根據(jù)上述構(gòu)思，所述平板探測器采集所需角度的分塊投影數(shù)據(jù)時，采取步進(jìn)運(yùn)動 的方式，分別采集各個分塊子視野在不同旋轉(zhuǎn)角度下的投影數(shù)據(jù)，并存儲。
[0014] 根據(jù)上述構(gòu)思，所述平板探測器采集所需角度的分塊投影數(shù)據(jù)時，可以根據(jù)低放 大比條件下的投影數(shù)據(jù)選擇分塊掃描方式和規(guī)格。
[0015] 根據(jù)上述構(gòu)思，在所述斷層圖像拼接重建步驟，利用FDK重建算法或迭代重建算 法，重建各個子視野的斷層圖像；
[0016] 根據(jù)上述構(gòu)思，具體操作步驟包括:Α輸入系統(tǒng)初始參數(shù)；B選擇圖像拼接方式；C 計(jì)算運(yùn)動軌跡；D數(shù)據(jù)采集；E圖像拼接。
[0017] 根據(jù)上述構(gòu)思，所述在載物臺空間三維方向上做平移運(yùn)動，具體包括：所述載物臺 利用Z軸方向的運(yùn)動調(diào)整待測物體的放大比，并利用x、y軸方向的運(yùn)動進(jìn)行分塊掃描，通過 插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)圓形軌道運(yùn)動或其他運(yùn)動方式，以實(shí)現(xiàn)對所述待測物體的分塊掃描投影。
[0018] 根據(jù)上述構(gòu)思，所述平板探測器的平面始終與所述X射線源在所述平板探測器的 中心射束相垂直，且所述平板探測器與所述載物臺的運(yùn)動保持同步。
[0019] 本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)大面積板狀樣品的斷層成像，采用在高放大比條件下對板狀樣品 分塊掃描采集投影數(shù)據(jù)，利用正方形"田字格"或六邊形"蜂窩狀"方式進(jìn)行圖像拼接的方 法，最終得到板狀樣品的高分辨率大視野斷層圖像。
【附圖說明】
[0020] 圖1是一種CL系統(tǒng)的掃描裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ] 圖2是一種CL系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)TK意圖；
[0022] 圖3是另一種CL系統(tǒng)的掃描裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中兩種分塊拼接方式的示意圖；
[0024] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例中田字格拼接方式的實(shí)施步驟示意圖；
[0025] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例中田字格拼接方式的平移運(yùn)動示意圖；
[0026] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例中蜂窩狀拼接方式的兩種情形示意圖；
[0027] 圖8是本發(fā)明實(shí)施例中蜂窩狀拼接方式的實(shí)施步驟示意圖；
[0028] 圖9是本發(fā)明實(shí)施例中蜂窩狀拼接方式的平移運(yùn)動示意圖；
[0029] 圖10是本發(fā)明實(shí)施例中蜂窩狀和田字格分塊與子視野的對比示意圖；
[0030] 圖11本發(fā)明實(shí)施例中掃描方式及拼接方法具體操作步驟示意圖；
[0031] 圖12為三葉槳形的樣品的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖13在低放大比條件下，對樣品整體進(jìn)行成像的結(jié)果，其中a取中間層斷層圖像； b取一行數(shù)據(jù)顯示；
[0033] 圖14以本發(fā)明實(shí)施例中分塊掃描、蜂窩狀拼接方式得到的結(jié)果；
[0034] 圖15 t旲擬芯片樣品結(jié)構(gòu)TJK意圖；
[0035] 圖16以現(xiàn)有掃描方式得到的模擬芯片斷層成像結(jié)果；
[0036] 圖17以本發(fā)明分塊拼接掃描方式得到的模擬芯片斷層成像結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 體現(xiàn)本發(fā)明特征與優(yōu)點(diǎn)的典型實(shí)施例將在以下的說明中詳細(xì)敘述。應(yīng)理解的是本 發(fā)明能夠在不同的實(shí)施例上具有各種的變化，其皆不脫離本發(fā)明的范圍，且其中的說明及 圖示在本質(zhì)上是當(dāng)作說明之用，而非用以限制本發(fā)明。
[0038] 本發(fā)明提出了一種針對板狀大樣品進(jìn)行圖像拼接掃描的數(shù)據(jù)采集方法，根據(jù)樣品 的幾何參數(shù)及特征信息等，選擇正方形"田字格"或六邊形"蜂窩狀"分塊掃描，得到物體各 個部分的投影數(shù)據(jù)，對投影數(shù)據(jù)進(jìn)行斷層重建、圖像拼接，最終得到板狀大樣品的高分辨率 大視野斷層圖像。正方形"田字格"的拼接方式簡單方便，對于拼接子視野數(shù)目不多時，可 以選擇"田字格"拼接方法。"蜂窩狀"拼接方式靈活多變，并且對子視野的斷層圖像利用率 比"田字格"拼接高30% (圖10所示），用于對不規(guī)則形狀樣品或需要拼接的子視野數(shù)目 較多時，優(yōu)于"田字格"拼接方式。
[0039] 所述方法基于圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，或其它一切能夠完成本發(fā)明所述的子視野拼 接方式所需的運(yùn)動掃描軌跡的系統(tǒng)平臺上，實(shí)現(xiàn)載物臺與探測器按照一定的運(yùn)動軌跡運(yùn) 動，完成數(shù)據(jù)采集工作。圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括X射線源1，載物臺2,平板探測器3,轉(zhuǎn)臂 4,固定架5。其中X射線源位于裝置的最底端，用于向上發(fā)射錐束X射線；載物臺設(shè)置在X 射線源的上方，在空間三維方向上做平移運(yùn)動；載物臺的正上方設(shè)置有固定架，固定架與轉(zhuǎn) 臂相連，用于固定轉(zhuǎn)臂，并使轉(zhuǎn)臂做圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，形成圍繞載物臺的半球面；轉(zhuǎn)臂上設(shè)置 有導(dǎo)軌，平板探測器位于該導(dǎo)軌上，利用該導(dǎo)軌在轉(zhuǎn)臂上滑動。
[0040] 現(xiàn)有的錐束CL系統(tǒng)在板狀樣品大小在掃描視野范圍內(nèi)時，才能夠得到完整的斷 層圖像，但是對于樣品超出視野范圍的"板狀大樣品"，無法得到完整的樣品斷層信息。因此 本發(fā)明提出利用圖像拼接的方式實(shí)現(xiàn)大樣品的高分辨率圖像斷層重建。主要的圖像拼接方 法包括正方形"田字格"拼接，如圖4a所示，或?yàn)榱呅?蜂窩狀"拼接兩種方式，如圖4b所 示。圖像拼接需要通過移動載物臺的位置，分別掃描各個子視野得到投影數(shù)據(jù)，由圖