实验室X射线相衬成像技术—核心调制和探测器件技术分析（上）
X 射线相衬成像技术通过探测 X 射线穿过物体后相位的改变来对物体成像。与传统的 X 射线吸收成像相比，X 射线相位衬度成像能够为轻元素样品提供更高的衬度，克服了传统吸收成像无法对弱吸收物体成像的缺点，特别适合用于对软组织和轻元素构成的样品进行成像，因而在医学、无损检测和材料学方面有很高的应用价值。
5种主流X射线相衬成像方法概览
不同 X 射线相衬成像法的配置要求
成像方法 | 光学组件配置 | 对光源的要求 |
晶体干涉法 | 晶体单色器 | 高度平行的同步辐射单色光 |
晶体衍射增强法 | 晶体单色器 | 高度平行的同步辐射单色光 |
光栅泰伯干涉法 | 高深宽比光栅 | 传统的X光管复色光 |
自由空间传播/同轴法 | —— | 高空间相干的微焦点光束 |
编码光阑边缘照明法 | 中等深宽比的一维/二维微结构 | 中等空间相干的小焦点光束 |
以上可以看出，在这五种方法中，晶体干涉和晶体衍射增强法都需要用到同步辐射光，大大制约了推广应用。而光栅泰伯干涉法、同轴法、编码光阑边缘照明法这三种方法对光源的要求相对不高，是主流的实验室方法。但是在实际的实现过程中，仍然存在很多挑战。
结合目前我们对 X 射线光束调制部件和探测器件的认知，本文将从以下三个方面介绍一些提升实验室 X 射线相衬成像效果的具体策略：
提升光源的有效利用率和降低系统复杂度的思路
大面积、中/高深宽比微结构的成本和技术指标权衡
60-100keV级高能大视场相衬的技术路线和器件选择
1.1
光源利用率提升思路—毛细管调制
众所周知，单位面积的光强和系统距离成反比，所以从系统设计层面来看，提升光的利用率最简单有效的方法就是缩短系统距离。但是很多时候，由于光栅、像素尺寸、探测器的结构等硬件因素的制约，缩短系统距离可能是无法实现的。而利用光学组件将光源的发散光束进行聚焦或者准直，可以有效的提升光通量密度。
实验条件：
· 源尺寸：300μm
· 管电压/电流：40KV/60mA
· 毛细管输出直径：5mm
· 像元尺寸：6.5μm x 6.5μm
· 曝光时间：1s
在以上实验中，将准直型多毛细管用于对源尺寸为300μm的 X 光管发散光束进行收集，以减小成像视场为代价，获得了显著的光强增益。
使用/不使用毛细管透镜时得到的鱼肠（红色）、鱼眼（绿色）和鱼鳔（蓝色）
· 吸收像（b&e、h&k、n&q）
· 相位像（c&f、 i&l、 o&r）
· 暗场像（d&g、j&m、p&s）
上面一排的数据（b、c、d、h、i、j、n、o、p）都是使用了毛细管采集到的图像，而下面一排则没有使用毛细管。可以看到：因为使用了毛细管，光通量密度提升了 4 倍，所以信噪比有了明显提升，同样是 1s 的曝光时间，图像的质量明显要更好。而且，使用了毛细管后，只是提升了局部的通量密度，并不会增加整个样品的辐射剂量，为“局部精扫”提供了一个可行的思路。
实验条件：
· 源尺寸：150μm
· 管电压/电流：30-42KV
· 曝光条件：1.6-96mAs
· 像元尺寸：22μm x 22μm
·毛细管输出焦斑：150μm/340μm
· 网格周期：127μm
此实验中，多毛细管被用于边缘照明光路，采用两种规格输出焦斑的毛细管进行聚焦（一种是），用金属网格作为角度检波器。虽然毛细管聚焦后，虚焦点尺寸并没有实质性的缩小，但是大大降低了光束的发散角，提升了光通量密度。
一根尼龙在有无毛细管的条件下的实测相衬像对比
无毛细管的相衬像（左） 有毛细管的相衬像(中) 有毛细管的相衬像(右)
可以看到：在使用了毛细管后，边缘增强因子确实有明显提升，而图像噪声也明显下降；如果用边缘增强和噪声的比值来量化成像效果，那么有 100% 的提升。
1.2
系统复杂度降低思路—单光栅/掩模法相衬
1D 单光栅法光路示意图 小角近似：d=α*L
吸收像：
相位梯度像:
以上研究中发现：只要配置合适的光栅和探测器，是可以采用单光栅来实现相衬成像的。经过推导，获得了吸收像和相衬像的公式。但是，上述理论成立的一个重要前提就是：光斑的移动对应的“探测器探测到的光强变化”是线性的，这要求探测器的像素点扩散需要很小，而目前来说，只有光子计数型探测器能获得 1 个像素水平的点扩散。
（a）大黄蜂头部骨干的吸收和（b）相位梯度图像（c）老鼠腿的吸收和（d）相位梯度图像
拼接后的探测器 Sensor 面实拍
从人面镜像可以看到：拼接缝已经肉眼不可见
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