CN105319225B - 一种实现板状样品高分辨率大视野cl成像的扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种实现板状样品高分辨率大视野CL成像的扫描方法。本方法包括步骤：输入参数，调整并确认拼接子图像的数目及方式，数据采集过程，数据拼接，输出结果等。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，最终得到大面积板状样品的高分辨率大视野断层图像。

Description

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

本发明涉及一种X-射线计算机分层扫描成像(computed laminography)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

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***所用的射线源、射线探测器和***结构甚至外形等各有不同。

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CN101135655A，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***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。闫镔等在其撰写的《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。

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 laminography)与X射线计算机断层扫描成像技术(CT-computedtomography)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***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***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

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。

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***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；

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x1y1z1，原点是X射线源，即o点，其中：

所述平板探测器所在的平面始终与oy1直线垂直，且x1轴与x轴的夹角为θ，0°≤θ＜360°；y1轴与y轴的夹角为 旋转坐标系x1y1z1与三维空间坐标系xyz之间的转换关系为：

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；

根据设定的θ角和角情况，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。

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。

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。

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。

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；

根据上述构思，具体操作步骤包括：A输入***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。

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。

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。

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

图1是一种CL***的扫描装置结构示意图；

图2是一种CL***的坐标***示意图；

图3是另一种CL***的扫描装置结构示意图；

图4是本发明实施例中两种分块拼接方式的示意图；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

图12为三叶桨形的样品的结构示意图；

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；

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；

图15模拟芯片样品结构示意图；

图16以现有扫描方式得到的模拟芯片断层成像结果；

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

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。

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。

所述方法基于图1所示的***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***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***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。

现有的锥束CL***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2中O₂点为参考点定位各个子视野的具***置。

正方形“田字格”拼接方式，根据样品的长宽尺度及形状特征，选择由I*J个子视野对样品进行拼接扫描，即I行、J列的小正方形拼接为长方形大视野，其中子视野的大小为r*r。如图5中a、b所示分别为I＝2、J＝2,I＝2、J＝3,等几种拼接方式举例。由于“田字格”拼接在逻辑上的点阵模型，使得其子视野的定位非常简便。具体的子视野定位方式，分为如图6所示的两种情况。图6中a，O₂点位于子视野的中心位置，则第i行j列的子视野中心位置用向量Γ_ij＝(r*(i-1)，r*(j-1))表示。同理，图6中b所示，O₂点位于子视野交点位置，则第i行j列的子视野中心位置用向量Γ_ij＝(r*(i-0.5)，r*(j-0.5))表示。当扫描第i行j列的子视野时，只要将载物台按照向量-Γ_ij移动后即可。

六边形“蜂窝状”拼接方式，由于“蜂窝状”结构行列之间是一种错位关系，这使得其图像拼接方式比“田字格”稍复杂。每个六边形具有6邻域，例如在图7中a图，就是左，右，上偏左，上偏右，下偏左，下偏右；b图中是上，下，上偏左，上偏右，下偏左，下偏右。当然，当蜂窝状旋转角度任意时，拼接后的形状也随之有相应角度的旋转，然而这种旋转可以通过调节样品的放置角度而避免，因此本发明实施例只讨论图7中a图所示的六边形角度下的图像拼接方式。仍然用行列值定位拼接时各个子视野的位置，只不过与正方形拼接不同，由于行列之间的错位关系，本发明实施例统一按照图8所示的方式进行行列定位。因O₂点的位置不同，子视野的定位坐标也不同，O₂点的位置分为图9中a、b、c所示的三种情况(六边形边长值为a)：

第一种情况，O₂点位于第一个子视野的中心位置。此时第i行j列的子视野中心位置的向量坐标值

第二种情况，O₂点位于第一个子视野的右下角顶点处。此时第i行j列的子视野中心位置的向量坐标值

第三种情况，O₂点位于第一个子视野的右上角顶点处。此时第i行j列的子视野中心位置的向量坐标值

在实际应用中，可以根据样品的尺寸和形状，选择相应的子视野拼接方式。选定需要采集投影数据的子视野之后，其相应的定位坐标值输入控制***。则***按照既定的位置分别扫描各个子视野，完成数据采集工作。

具体来说，所述的扫描方式及拼接方法主要包括以下步骤(图11所示)：

A输入参数。参考图2的***坐标系，输入***的几何参数，包括探测器的有效面积N*N、射线源到探测器的距离OD、射线源到中心射束穿过载物台所处位置的距离OO₂、倾斜扫描角度等；样品参数，包括样品长度、宽度、厚度等。根据输入参数及样品检测目的，估算检测结构、缺陷所需的放大比调整h和满足所需放大比要求。

B选择图像拼接方式。将样品放置于载物台上，调整即平板探测器位于转臂顶部，调整放大比，得到样品在低放大比条件下的透视图像，通过轮廓提取了解样品的大小、位置及基本形状。调整样品的放置位置及角度，选择最优的图像拼接方式，确定好所有F个子视野的位置Γ_{ij_f}，f＝1、2...F。

C计算运动轨迹。以图1所示的实施例为例，要完成图像拼接所需的子视野投影数据的采集，需要载物台与探测器同步进行运动。如采集第f个子视野的投影数据时，需要将载物台移动-Γ_{ij_f}，使得子视野的中心位置与O₂点重合。载物台和探测器同步进行运动，其中载物台以当前位置为起点，做圆周运动：探测器与载物台做同步运动：

D数据采集。采取步进运动的方式，分别采集各个子视野f＝1、2…F，不同旋转角度下的投影数据，并存储。

E断层图像重建。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，为了降低吉布斯效应对拼接结果的影响，在重建时，需要对投影数据做余弦数据延拓。

F图像拼接，根据分块扫描方式，按照既定的“田字格”或“蜂窝状”子视野的几何位置，完成图像拼接，得到样品的大视野断层图。

具体实施例1：模拟芯片焊接在基板上，检测焊接气泡的模体。

根据表2的参数，设计图15中a正视图、b侧视图所反映的模体，模拟芯片焊接在基板上、焊接层有气泡的样品。其中长方体1代表基板，长方体2、3代表芯片，长方体4、5代表焊接层，圆柱代表焊接层中的气泡。

表2

在低放大比条件下，对整个样品进行断层成像，结果如图16所示，可见样品中的气泡较模糊。在高放大比条件下，对样品进行2*4的分块扫描，“正方形”拼接，结果如图17所示，可见气泡成像边界清晰，不会造成缺陷误判。证明本方法可以实现大样品的高分辨率成像。

具体实施例2：模拟三叶桨形的样品，进行“蜂窝状”拼接

根据表1的参数，设计图12所示的“三叶桨”形的模体。该模体由圆柱和椭球组成。其中椭球1、2、3构成三叶桨样品的各个主要部分，球4、5、6代表样品中存在的气泡等缺陷，7、8代表样品中存在的裂缝等缺陷。

表1

在低放大比条件下，对样品整体进行成像，得到样品的断层图。取中间层断层图像(图13a)观察，可见在低放大比条件下，虽然可以对整个样品进行断层成像，但是样品中的缺陷不能清晰的显示出来。取一行数据显示(图13b)，可见缺陷部分对比度较小，很难分辨。提高放大比，对样品进行分块扫描，“蜂窝状”拼接，得到的结果如图14所示。缺陷清晰可见。

本发明技术与以往技术相比的有益效果如下：

1、本发明针对长宽尺度大、厚度薄的板状大样品进行断层图像重建，以往的大视野图像重建主要针对的是三维尺度近似的大样品，或者一维尺度大，如长柱状样品进行图像重建。

2、本发明可以通过图像拼接的方式同时实现大视野、高分辨率条件下对样品进行断层成像。以往技术在视野大时，放大比相对要降低，导致大样品成像的分辨率较低。

3、本发明利用“田字格”或“蜂窝状”子视野进行拼接实现大视野成像，图像拼接方式可以针对样品的长宽尺度、形态特征等灵活多变，对射线的利用率高。

虽然已参照典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一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***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、转臂以及固定架，所述扫描装置以非同轴方式扫描，X射线源的射线沿与板状样品法线成一定角度的方向穿过；

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x1y1z1，原点是X射线源，即o点，其中：

所述平板探测器所在的平面始终与oy1直线垂直，且x1轴与x轴的夹角为θ，0°≤θ＜360°；y1轴与y轴的夹角为旋转坐标系x1y1z1与三维空间坐标系xyz之间的转换关系为：

利用所述扫描装置对板状样品进行分块扫描，调整载物台在x、y轴方向的平移运动，使所述板状样品以z轴为旋转轴做圆周运动，所述载物台在空间三维方向上做平移运动，且平板探测器随转臂与所述板状样品做同步运动，使依次扫描板状样品不同的分块，多个分块呈蜂窝状；

根据设定的θ角和角情况，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板状样品的断层图像；

将所述板状样品分为多个六边形进行分块扫描，得到所述板状样品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，最终得到所述板状样品的高分辨率大视野断层图像。

2.根据权利要求1所述的CL成像的扫描方法，其特征在于，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。

3.根据权利要求2所述的CL成像的扫描方法，其特征在于，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。

4.根据权利要求1所述的CL成像的扫描方法，其特征在于，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。

5.根据权利要求1至4任一项所述的CL成像的扫描方法，其特征在于，具体操作步骤包括：A输入***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。

6.根据权利要求1所述的CL成像的扫描方法，其特征在于，所述载物台在空间三维方向上做平移运动，具体包括：

所述载物台利用z轴方向的运动调整板状样品的放大比，并利用x、y轴方向的运动实现插补的圆形轨道运动，完成对所述板状样品的分块扫描投影。

7.根据权利要求1所述的CL成像的扫描方法，其特征在于，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。