基于X射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统的调试方法

基于x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统的调试方法
技术领域
1.本发明涉及x射线成像领域，具体涉及一种基于x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统的调试方法。


背景技术：

2.x射线光栅相衬成像不仅能够获得传统x射线吸收成像的信息，还能够从采集到的数据中获得样品的相位和散射信息。低原子序数的样品(尤其是生物样品)因其相移截面比吸收截面大三个数量级左右，导致其相位信息能够提供更好的成像衬度以区分更小的密度差异，并且散射信息对不均匀结构敏感；因此，这三种信息分别从三个不同的角度互为补充地反映样品的结构特征。
3.f.pfeiffer等人于2006年在talbot干涉仪(由微焦点x射线源、分束光栅g1、分析光栅g2和x射线探测器组成)的基础上，把talbot-lau干涉仪引入到x射线相衬成像装置中，使得常规x射线源可以在x射线光栅相衬成像中使用，大大推动了x射线光栅相衬成像的实用性。并且x射线talbot-lau成像系统降低了对光源相干性的要求，使得光栅相衬成像技术不再依赖于微焦点光源和同步辐射光源，向临床医学与工业检测领域迈进一大步。x射线talbot-lau成像系统一般由x射线源、源光栅g0、分束光栅g1、分析光栅g2和x射线探测器组成。
4.然而，在传统的三光栅x射线相衬成像系统中，由于三块光栅是分立的，虽然可以分别调整各个光栅姿态使得三块光栅刻线相互平行，但是该系统中的源光栅挡住了50％以上的x射线，光子利用率低，不利于实际应用。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供了一种基于x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统及其调试方法，以便于快速确定x射线阵列靶光源中靶刻线的精确姿态。
6.根据本发明的第一个方面，提供了一种基于x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统的调试方法，光栅相衬成像系统包括导轨以及依次设置在导轨上的x射线阵列靶光源、分束光栅、分析光栅以及x射线探测器，调试方法包括：
7.将激光发射机构放置在导轨上，并且使得激光发射机构发射竖直光束和水平光束，竖直光束和水平光束的传播方向相同，竖直光束沿着竖直方向分布，水平光束沿着水平方向分布，竖直光束和水平光束的交线为光轴所在的直线，导轨的延伸方向与光轴平行；
8.将x射线阵列靶光源和x射线探测器放置在导轨上，并且使得x射线阵列靶光源的出光口中心与x射线探测器接收平面的目标位置对准；
9.调节所述x射线阵列靶光源和所述x射线探测器的姿态，将x射线阵列靶光源发出的x射线形成的光斑中心与x射线探测器的目标位置对准，其中，光轴与x射线所在的轨迹重合；
10.将分析光栅放置在导轨上，并调节分析光栅，使得竖直光束和水平光束的交线穿
过第一衍射明纹的中心，其中，第一衍射明纹为水平光束和竖直光束照射在分析光栅上产生的；
11.将分束光栅放置在导轨上，并调节分束光栅，使得竖直光束和水平光束的交线穿过第二衍射明纹的中心，其中，第二衍射明纹为水平光束和竖直光束照射在分析光栅上产生的；
12.调节x射线阵列靶光源、分束光栅、分析光栅和x射线探测器的相对位置，使得在x射线探测器上能够观察到莫尔纹图案，莫尔纹图案为x射线经过分束光栅与分析光栅后形成的；
13.同步旋转调节分束光栅和分析光栅，或单独旋转调节x射线源，使得莫尔纹图案与分束光栅的光刻槽方向以及分析光栅的光栅刻槽方向平行，以确保x射线阵列靶光源中靶结构的刻线与分束光栅的刻线和分析光栅的刻线同时平行；
14.单独调节分束光栅和分析光栅使得莫尔纹可见度最高，再沿光轴移动分束光栅，在x射线探测器上得到大致均匀分布的光场，完成光路调试。
15.根据本发明的实施例，调节x射线阵列靶光源和x射线探测器的姿态，将x射线形成的光斑中心与x射线探测器的目标位置对准，包括如下步骤：
16.s21：调整x射线阵列靶光源相对于x射线探测器的方位角度和高度，使得光斑中心与x射线探测器的目标位置重合；
17.s22：沿导轨相对移动x射线探测器和x射线阵列靶光源，随后调整x射线阵列靶光源相对于x射线探测器的方位角度和高度，使得光斑中心与x射线探测器的目标位置重合；
18.s23：重复步骤s22，直到光斑中心一直与x射线探测器的目标位置重合。
19.根据本发明的实施例，将分析光栅放置在导轨上，并调节分析光栅，使得竖直光束和水平光束的交线穿过第一衍射明纹的中心，包括如下步骤：
20.s31：将分析光栅放置在导轨上，沿竖直方向与水平方向分别调节分析光栅，使得光轴穿过分析光栅的目标区域；
21.s32：将分析光栅绕z轴旋转，使得第一衍射明纹保持水平；其中，z轴表征光轴方向；
22.s33：将分析光栅绕y轴旋转，使得第一衍射明纹的竖直中线与竖直光束重合；其中，y轴表征竖直方向；
23.s34：将分析光栅绕x轴旋转，使得第一衍射明纹的水平中心与水平光束重合；其中，x轴表征水平方向；
24.s35：重复步骤s32～s34，直到分析光栅在导轨上移动时，竖直光束和水平光束的交线始终穿过第一衍射明纹的中心。
25.根据本发明的实施例，将分束光栅放置在导轨上，并调节分束光栅，使得竖直光束和水平光束的交线穿过第二衍射明纹的中心，包括如下步骤：
26.s41：将分束光栅放置在导轨上，沿竖直方向与水平方向分别调节分束光栅，使得光轴穿过分束光栅的目标区域；
27.s42：将分束光栅绕z轴旋转，使得第二衍射明纹保持水平；其中，z轴表征光轴方向；
28.s43：将分束光栅绕y轴旋转，使得第二衍射明纹的竖直中线与竖直光束重合；其
中，y轴表征竖直方向；
29.s44：将分束光栅绕x轴旋转，使得第二衍射明纹的水平中线与水平光束重合；其中，x轴表征水平方向；
30.s45：重复步骤s42～s44，直到分束光栅在导轨上移动时，竖直光束和水平光束的交线始终穿过第二衍射明纹的中心，移出激光发射机构。
31.根据本发明的实施例，调节x射线阵列靶光源、分束光栅、分析光栅和x射线探测器的相对位置，使得在x射线探测器上能够观察到莫尔纹图案，包括：
32.沿光轴移动分束光栅，使得分束光栅的中心与x射线阵列靶光源的靶结构的距离为r；
33.沿光轴移动分析光栅，使得分析光栅的中心与分束光栅的中心的距离为d；
34.沿光轴移动x射线探测器，将x射线探测器靠近分析光栅，以使得在x射线探测器上能够观察到分束光栅与分析光栅形成的莫尔纹图案。
35.根据本发明的实施例，同步旋转调节分束光栅和分析光栅，或单独调节x射线源，使得莫尔纹图案与分束光栅的光栅刻槽以及分析光栅的光栅刻槽方向平行，以确保x射线阵列靶光源中靶结构的刻线与分束光栅的刻线和分析光栅的刻线同时平行，包括如下步骤：
36.s61：同时将分束光栅与分析光栅绕y轴旋转，或单独旋转调节x射线源，使得x射线探测器上观察到的莫尔纹图案的左右周期一致；
37.s62：同时将分束光栅与分析光栅绕x轴旋转，或单独旋转调节x射线源，使得x射线探测器上观察到的莫尔纹图案的上下周期一致；
38.s63：同时将分束光栅与分析光栅绕z轴旋转，或单独旋转调节x射线源，使得x射线探测器上观察到的莫尔纹图案与分束光栅与分析光栅的光栅刻槽方向平行；
39.s64：重复步骤s61～s63，使得x射线探测器上观察到的莫尔纹图案与分束光栅的光栅刻槽方向以及分析光栅的光栅刻槽方向始终平行，即得到x射线阵列靶光源中靶结构的刻线与分束光栅的刻线与分析光栅的刻线平行。
40.根据本发明的实施例，单独调节分束光栅和分析光栅使得莫尔纹可见度最高，再沿光轴移动分束光栅，在x射线探测器上得到大致均匀分布的光场，完成光路调试，包括如下步骤：
41.s71：单独调节分束光栅绕x轴旋转，绕y轴旋转，绕z轴旋转使得莫尔纹获得最高可见度，并固定在该位置；
42.s72：单独调节分析光栅绕x轴旋转，绕y轴旋转，绕z轴旋转使得莫尔纹获得最高可见度，并固定在该位置；
43.s73：沿光轴移动分束光栅，在x射线探测器上得到大致均匀分布的光场，完成光路调试。
44.根据本发明的实施例，将x射线阵列靶光源的出光口与x射线探测器接收平面的中心对准，包括：
45.将x射线阵列靶光源与x射线探测器分别安装在导轨上；
46.利用激光发射机构，沿竖直方向调节x射线阵列靶光源的出光口与x射线探测器接收平面的中心位于同一水平高度。
47.作为本发明的第二个方面，还提供了一种基于x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统的测试方法，包括：
48.将待测样品放置在调试好的x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统中指定的样品位置，利用x射线探测器记录其成像的数据；
49.其中，调试好的x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统包括通过根据上述调试方法调试得到。
50.作为本发明的第三个方面，还提供了一种基于x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统，应用于实现上述调试方法，其特征在于，该系统包括：
51.在导轨上依次设置的x射线阵列靶光源、激光发射机构、分束光栅、分析光栅以及x射线探测器；
52.其中，x射线阵列靶光源的靶刻槽方向、分束光栅的刻槽方向以及分析光栅的刻槽方向平行。
53.根据本发明的实施例，通过引入激光发射机构进行粗调整，并优先将分束光栅与分析光栅刻线调平行，再根据在x射线探测器上采集的莫尔纹图案实现其与x射线阵列靶光源中的靶刻线始终平行，最后再精确调节光栅姿态。该方法利用系统自带的两块光栅与靶结构共同作用形成的莫尔纹图案，巧妙确定了光源内部靶结构的姿态。该调试方法基于x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统内部光学元件，只借助一台发射水平和竖直光束的激光发射机构就可以确定光源内部靶结构的姿态，操作简单，能够快速完成系统高精度调试，使得调节效率和调节精度均有所提高。
附图说明
54.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
55.图1示意性示出了根据本发明实施例的基于x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统的调试方法的流程图；
56.图2示意性示出了根据本发明实施例的基于x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统的示意图；
57.图3示意性示出了根据本发明实施例的基于x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统的光路原理图；
58.图4示意性示出了根据本发明实施例的单一光栅绕z轴旋转时，激光与衍射条纹的示意图；
59.图5示意性示出了根据本发明实施例的单一光栅绕y轴旋转时，激光与衍射条纹的示意图；
60.图6示意性示出了根据本发明实施例的光单一光栅绕x轴旋转时，激光与衍射条纹的示意图；
61.图7示意性示出了根据本发明实施例的双光栅同时绕y轴旋转时的莫尔纹示意图；
62.图8示意性示出了根据本发明实施例的双光栅同时绕x轴旋转时的莫尔纹示意图；
63.图9示意性示出了根据本发明实施例的双光栅同时绕z轴旋转时的莫尔纹示意图。
具体实施方式
64.以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
65.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
66.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
67.在使用类似于“a、b和c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b和c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。
68.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
69.为了增强传统的三光栅x射线相衬成像系统的实用性，将x射线阵列靶光源引入到talbot-lau光栅干涉仪中，即将常规x射线源和源光栅g0整合为一体，从而免除了大高宽比g0光栅，有效提高了光子利用效率和成像视场，进一步推进x射线光栅相衬成像实用化。
70.在x射线光栅相衬成像系统中，光栅的姿态与成像性能密切相关，因此调整各光栅的姿态尤为重要。采用x射线阵列靶光源的相衬成像系统，由于靶结构在x射线源内部，将无法确定靶刻线的精确姿态，且光轴确定后通常不再调节光源，大大增加了调节两块光栅使其刻线与x射线阵列靶结构平行的难度。
71.基于此，本方案通过提出了一种利用激光发射机构进行粗调整，并依据x射线探测器采集到的莫尔纹图案，联动双光栅控制其双光栅的刻槽结构与靶结构的刻槽方向始终平行，最终确定靶刻线的精确姿态的方法。
72.图1示意性示出了根据本发明实施例的基于x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统的调试方法的流程图。
73.如图1所示，该光栅相衬成像系统包括导轨以及依次设置在导轨上的x射线阵列靶光源、分束光栅(即g1分束光栅)、分析光栅(即g2分析光栅)以及x射线探测器。该调试方法可以包括步骤s110～步骤s180。
74.在操作s110，将激光发射机构放置在导轨上，并且使得激光发射发射竖直光束和水平光束，竖直光束和水平光束的传播方向相同，竖直光束沿着竖直方向分布，水平光束沿着水平方向分布，竖直光束和水平光束的交线为光轴所在的直线，导轨的延伸方向与光轴平行。
75.在操作s120，将x射线阵列靶光源和x射线探测器放置在导轨上，并且使得x射线阵列靶光源的出光口中心与x射线探测器接收平面的目标位置对准。
76.根据本发明的实施例，操作s120可以包括如下步骤：
77.将x射线阵列靶光源与x射线探测器分别安装在导轨上；
78.利用发射水平光束和竖直光束的激光发射机构，沿竖直方向调节x射线阵列靶光源的出光口与x射线探测器接收平面的中心位于同一水平高度。
79.在操作s130，调节x射线阵列靶光源和x射线探测器的姿态，将x射线阵列靶光源发出的x射线形成的光斑中心与x射线探测器的目标位置对准，光轴与x射线所在的轨迹重合。
80.根据本发明的实施例，打开x射线阵列靶光源与x射线探测器，通过x射线探测器观察x射线阵列靶光源出射x射线形成的光斑，操作s130可以包括如下步骤：
81.s21：调整x射线阵列靶光源相对于x射线探测器的方位角度和高度，使得光斑中心与x射线探测器的目标位置重合；其中，目标位置优选地为x射线探测器的中心位置；
82.s22：沿导轨相对移动x射线探测器和x射线阵列靶光源，随后调整x射线阵列靶光源相对于x射线探测器的方位角度和高度，使得光斑中心与x射线探测器的目标位置重合；
83.s23：重复步骤s22，直到光斑中心一直与x射线探测器的目标位置重合，换言之，当x射线阵列靶光源与x射线探测器在导轨上相对移动时，光斑中心一直与探测器中心重合，即调整完成。
84.在操作s140，将分析光栅放置在导轨上，并调节分析光栅，使得竖直光束和水平光束的交线穿过第一衍射明纹的中心，其中，第一衍射明纹为水平光束和竖直光束照射在分析光栅上产生的。
85.根据本发明的实施例，激光发射机构的中心为水平光束和竖直光束的延长线的交点位置。
86.可以将一台发射水平光束和竖直光束的激光发射机构(例如可以为激光水准仪)放置在x射线探测器和x射线阵列靶光源之间，使得其发出的竖直光束与水平光束同时穿过x射线探测器的目标位置，并且垂直光束平行于导轨；也可以利用两台发射水平光束和竖直光束的激光发射机构，并置于x射线探测器和x射线阵列靶光源限定的距离之外的光轴上，使得两台发射水平光束和竖直光束的激光发射机构分别定位光轴的水平位置和竖直高度。
87.根据本发明的实施例，当激光发射机构照射光栅时会产生衍射，可观察到多个衍射条纹，其中0级明纹与
±
1级明纹最亮，操作s140可以包括如下步骤：
88.s31：将分析光栅放置在导轨上，沿竖直方向与水平方向分别调节所述分析光栅，使得光轴穿过分析光栅的目标区域；
89.s32：将分析光栅绕z轴旋转，使得第一衍射明纹保持水平；其中，z轴表征光轴方向；
90.s33：将分析光栅绕y轴旋转，使得第一衍射明纹的竖直中线与竖直光束重合；其中，y轴表征竖直方向；
91.s34：将分析光栅绕x轴旋转，使得第一衍射明纹的水平中线与水平光束重合；其中，x轴表征水平方向；
92.s35：重复步骤s32～s34，直到分析光栅在导轨上移动时，竖直光束和水平光束的交线始终穿过第一衍射明纹的中心，即完成调整。
93.在操作s150，将分束光栅放置在导轨上，并调节分束光栅，使得竖直光束和水平光束的交线穿过第二衍射明纹的中心，其中，第二衍射明纹为水平光束和竖直光束照射在分
束光栅上产生的。
94.根据本发明的实施例，操作s150可以包括如下步骤：
95.s41：将分束光栅放置在导轨上，沿竖直方向与水平方向分别调节分束光栅，使得光轴穿过分束光栅的目标区域；
96.s42：将分束光栅绕z轴旋转，使得第二衍射明纹保持水平；其中，z轴表征光轴方向；
97.s43：将分束光栅绕y轴旋转，使得第二衍射明纹的竖直中线与竖直光束重合；其中，y轴表征竖直方向；
98.s44：将分束光栅绕x轴旋转，使得第二衍射明纹的水平中线与水平光束重合；其中，x轴表征水平方向；
99.s45：重复步骤s42～s44，直到分束光栅在导轨上移动时，竖直光束和水平光束的交线始终穿过所述第二衍射明纹的中心，即调整完成，之后将激光发射机构移出导轨。
100.在操作s160，调节x射线阵列靶光源、分束光栅、分析光栅和x射线探测器的相对位置，使得在x射线探测器上能够观察到莫尔纹图案，莫尔纹图案为x射线经过分束光栅与分析光栅后形成的。
101.根据本发明的实施例，操作s160可以包括如下步骤：
102.沿光轴移动分束光栅，使得分束光栅的中心与x射线阵列靶光源的靶结构的距离r为12.3cm；
103.沿光轴移动分析光栅，使得分析光栅的中心与g1分束光栅的中心的距离d为67.9cm；
104.沿光轴移动所述x射线探测器，使得x射线探测器靠近分析光栅，以使得在x射线探测器上能够观察到分束光栅与分析光栅形成的莫尔纹图案。
105.根据本发明的实施例，r和d的计算方式如下。
106.根据系统设计，预设talbot阶次n＝1，分束光栅为π相位光栅，分束光栅周期与自成像周期的比值η＝2，照射光波波长λ＝0.031nm，分束光栅周期p1＝5.08μm，分析光栅周期p2＝16.6μm，通过公式(1)-(2)计算得到分束光栅的中心与x射线阵列靶光源靶结构的距离r＝12.3cm，分束光栅的中心与分析光栅中心的距离d＝67.9cm，其中公式(1)-(2)表示如下：
[0107][0108][0109]
在操作s170，同步旋转调节分束光栅和分析光栅，或单独旋转调节x射线源，使得莫尔纹图案与分束光栅的光栅刻槽以及分析光栅的光栅刻槽方向平行，以确保得x射线阵列靶光源中靶结构的刻线与分束光栅的刻线以及分析光栅的刻线同时平行。
[0110]
根据本发明的实施例，操作s170可以包括如下步骤：
[0111]
s61：同时将分束光栅与分析光栅绕y轴旋转，或单独旋转调节x射线源，使得x射线探测器上观察到的莫尔纹图案的左右周期一致；其中，左右周期一致值得是莫尔纹图案的条纹宽度相同。
[0112]
s62：同时将分束光栅与分析光栅绕x轴旋转，或单独旋转调节x射线源，使得x射线探测器上观察到的莫尔纹图案的上下周期一致，得到具有周期性排布的莫尔纹图案；
[0113]
s63：同时将分束光栅与分析光栅绕z轴旋转，或单独旋转调节x射线源，使得x射线探测器上观察到的莫尔纹图案与分束光栅与分析光栅的光栅刻槽方向平行；
[0114]
s64：重复步骤s61～s63，使得x射线探测器上观察到的莫尔纹图案与分束光栅的光栅刻槽的方向与分析光栅的光栅刻槽方向始终平行，即得到x射线阵列靶光源中靶结构的刻线与分束光栅的刻线以及分析光栅的刻线平行。
[0115]
在操作s180，单独调节分束光栅和分析光栅使得莫尔纹可见度最高，再沿光轴移动分束光栅，在x射线探测器上得到大致均匀分布的光场，完成光路调试。
[0116]
根据本发明的实施例，操作s180可以包括如下步骤：
[0117]
s71：单独调节分束光栅绕x轴旋转，绕y轴旋转，绕z轴旋转使得莫尔纹获得最高可见度，并固定在该位置；
[0118]
s72：单独调节分析光栅绕x轴旋转，绕y轴旋转，绕z轴旋转使得莫尔纹获得最高可见度，并固定在该位置；
[0119]
s73：沿光轴移动所述分束光栅，在x射线探测器上得到大致均匀分布的光场，完成光路调试。
[0120]
根据本发明的实施例，通过引入激光发射机构，并优先将分束光栅与分析光栅刻线调平行，再根据在x射线探测器上采集的莫尔纹图案实现其与x射线阵列靶光源中的靶刻线始终平行，最后再精确调节光栅姿态。该方法利用系统自带的两块光栅与靶结构共同作用形成的莫尔纹图案，巧妙确定了光源内部靶结构的姿态。该调试方法基于光栅干涉仪系统内部光学元件，只借助一台激光发射机构就可以确定光源内部靶结构的姿态，操作简单，能够快速完成系统高精度调试，使得调节效率和调节精度均有所提高。
[0121]
根据本发明的实施例，将待测样品放置在调试好的x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统中指定的样品位置，利用x射线探测器记录其成像的数据；
[0122]
其中，调试好的x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统包括通过根据上述任一项所述的调试方法调试得到。
[0123]
图2示意性示出了根据本发明实施例的基于x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统的示意图。
[0124]
如图2所示，该光栅相衬成像系统沿光轴方向依次包括x射线阵列靶光源、激光发射机构、g1分束光栅、g2分析光栅以及x射线探测器，其中，各个元件均有对应的调节元件，图中未标出。
[0125]
根据本发明的实施例，x射线阵列靶光源的靶刻槽方向、g1分束光栅的刻槽方向以及g2分析光栅的刻槽方向相同；x射线阵列靶光源的靶结构、g1分束光栅以及g2分析光栅的周期可以相同，也可以不相同，取决于实际的系统设计。
[0126]
根据本发明的实施例，x射线阵列靶光源、g1分束光栅以及g2分析光栅可以为一维光栅，也可以为二维光栅等，也取决于实际的系统设计；激光发射机构的波长也取决于实际的系统设计，优选地，采用1阶talbot阶次时，激光发射机构的波长例如可以为515nm。
[0127]
根据本发明的实施例，以系统能量为40kev，采用1阶talbot阶次，可以得到靶结构、g1分束光栅和g2分析光栅的周期分别为3μm、5.08μm和16.6μm，系统总长为80.2cm。根据
采用talbot阶次不同，可以得到不同的靶结构、g1分束光栅和g2分析光栅的周期。该调试方法适用于不同talbot阶次构成的光栅相衬成像系统。
[0128]
图3示意性示出了根据本发明实施例的基于x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统的光路原理图。
[0129]
如图3所示，打开x射线阵列靶光源与x射线探测器，可以观察到由x射线阵列靶光源出射的光斑，依次经过x射线阵列靶光源、g1分束光栅、g2分析光栅到达x射线探测器。通过引入激光发射机构进行调试光路，同时依据x射线探测器采集到的莫尔纹图案，联动双光栅控制其双光栅的刻槽结构与靶结构的刻槽方向始终平行，最终确定靶刻线的精确姿态。
[0130]
图4示意性示出了根据本发明实施例的单一光栅绕z轴旋转时，激光与衍射条纹的示意图。
[0131]
如图4所示，通过调节单一光栅绕z轴(即光轴)旋转可在墙面上观察到激光束与衍射明纹的变化呈阶梯状。具体地，图4中的(a)图表示将单一光栅绕z轴(即光轴)逆时针旋转时出现的偏轴情况1，此时，从-1级衍射明纹到+1衍射明纹之间存在负倾角；图4中的(b)图表示将单一光栅绕z轴(即光轴)，并沿光轴方向旋转时出现的共轴情况，此时对应为所有衍射明纹保持水平；图4中的(c)图表示将单一光栅绕z轴(即光轴)顺时针旋转时出现的偏轴情况2，此时，从-1级衍射明纹到+1衍射明纹之间存在正倾角；需要说明的是，正负倾角可以相等，也可以不相等；此处不作限定，具体与实际的衍射明纹图案相关。
[0132]
图5示意性示出了根据本发明实施例的单一光栅绕y轴旋转时，激光与衍射条纹的示意图。
[0133]
图5中的单一光栅为分析光栅或者分束光栅，如图5所示，通过调节单一光栅绕y轴旋转可在竖直墙面上观察到衍射明纹沿着水平方向(即x轴)平移。具体地，图5中的(a)图表示将单一光栅绕y轴逆时针旋转时出现的偏轴情况1，此时，-1级衍射明纹与+1衍射明纹关于激光束不对称，且0级明纹关于激光束也不对称，更具体地，-1级衍射明纹与激光束之间的距离大于+1衍射明纹与激光束之间的距离；图5中的(b)图表示将单一光栅绕y轴，并沿y轴方向旋转时出现的共轴情况，此时对应为0级衍射明纹与激光发射机构的中心重合，即所有衍射明纹保持水平且-1级衍射明纹与+1衍射明纹关于激光束对称，以及0级明纹与激光束中心对称；图5中的(c)图表示将单一光栅绕y轴顺时针旋转时出现的偏轴情况2，此时，-1级衍射明纹与+1衍射明纹关于激光束不对称，且0级明纹关于激光束也不对称，更具体地，-1级衍射明纹与激光束之间的距离小于+1衍射明纹与激光束之间的距离；需要说明的是，偏轴情况1与偏轴情况2中的距离之间可以相等，可以不相等；此处不作限定，具体与实际的衍射明纹图案相关。
[0134]
图6示意性示出了根据本发明实施例的光单一光栅绕x轴旋转时，激光与衍射条纹的示意图。
[0135]
图6中的单一光栅为分析光栅或者分束光栅。如图6所示，通过调节单一光栅绕x轴旋转可在竖直墙面上观察到衍射明纹沿着竖直方向(即y轴)平移。且所有衍射明纹保持水平且-1级衍射明纹与+1衍射明纹关于激光束对称，以及0级明纹与激光束中心对称。具体地，图6中的(a)图表示将单一光栅绕x轴逆时针旋转时出现的偏轴情况1，此时，衍射明纹在竖直方向上高于激光发射机构的水平光线的中心；图6中的(b)图表示将单一光栅绕x轴，并沿x轴方向旋转时出现的共轴情况，此时对应为衍射明纹的水平中心与激光发射机构的水
平光线的中心重合；图6中的(c)图表示将单一光栅绕x轴顺时针旋转时出现的偏轴情况2，此时，衍射明纹在竖直方向上低于激光发射机构的水平光线的中心；需要说明的是，偏轴情况1与偏轴情况2中的衍射明纹与激光发射机构的水平光线的中心距离可以相等，也可以不相等；此处不作限定，具体与实际的衍射明纹图案相关。
[0136]
图7示意性示出了根据本发明实施例的双光栅同时绕y轴旋转时的莫尔纹示意图。
[0137]
如图7所示，图7中的(a)图表示将双光栅同时绕y轴逆时针旋转时出现的偏轴情况1，图7中的(b)图表示将双光栅同时绕y轴，并沿y轴方向旋转时出现的共轴情况；图7中的(c)图表示将双光栅同时绕y轴顺时针旋转时出现的偏轴情况2。通过同时调节g1分束光栅与g2分析光栅绕y轴旋转，在x射线探测器上可以观察到莫尔纹图案的左右周期不一致，其共轴情况对应莫尔纹图案的左右周期一致。
[0138]
图8示意性示出了根据本发明实施例的双光栅同时绕x轴旋转时的莫尔纹示意图。
[0139]
图8中的双光栅为g1分束光栅与g2分析光栅。如图8所示，同时调节g1分束光栅与g2分析光栅绕x轴旋转，在x射线探测器上可以观察到莫尔纹图案的上下周期不一致。具体地，图8中的(a)图表示将双光栅同时绕x轴逆时针旋转时出现的偏轴情况1，此时，莫尔纹图案显示为倒梯形；图8中的(b)图表示将双光栅同时绕x轴，并沿x轴方向旋转时出现的共轴情况，其共轴情况对应莫尔纹图案的上下周期一致；图8中的(c)图表示将双光栅同时绕x轴顺时针旋转时出现的偏轴情况2，此时，莫尔纹图案显示为正梯形；需要说明的是，正梯形和倒梯形的正负倾角可以相同，也可以不相同，具体与实际的莫尔纹图案相关。
[0140]
图9示意性示出了根据本发明实施例的双光栅同时绕z轴旋转时的莫尔纹示意图。
[0141]
如图9所示，同时调节g1分束光栅与g2分析光栅绕z轴旋转，相对于双光栅的竖直刻槽，在x射线探测器上可以观察到莫尔纹图案存在倾斜现象。具体地，图9中的(a)图表示将双光栅同时绕z轴逆时针旋转时出现的偏轴情况1，此时，莫尔纹图案存在正倾角；图9中的(b)图表示将双光栅同时绕z轴，并沿z轴方向旋转时出现的共轴情况，其共轴情况对应莫尔纹图案与双光栅的刻槽方向平行；图9中的(c)图表示将双光栅同时绕z轴顺时针旋转时出现的偏轴情况2，此时，莫尔纹图案存在负倾角；需要说明的是，此处的正负倾角可以相同，也可以不相同，具体与实际的莫尔纹图案相关。
[0142]
需要说明的是，本方案针对单一光栅与双光栅的旋转角度不作限定，具体调节根据衍射条纹图案以及莫尔纹图案确定。
[0143]
根据本发明的实施例，本方案旨在以x射线探测器采集到的莫尔纹图案为导向，反复调整对应的各个元件，从而使得x射线阵列靶光源的靶刻槽方向最终与g1分束光栅以及g2分析光栅的刻槽方向始终平行，该调试方法操作简单，易于调节，且所需调整元件少，因此可以快速完成系统高精度调试。
[0144]
根据本发明的实施例，还提供了一种基于x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统的测试方法，包括：
[0145]
将待测样品放置在调试好的x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统中指定的样品位置，利用x射线探测器记录其成像的数据；
[0146]
其中，调试好的x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统包括通过根据上述的调试方法调试得到。
[0147]
根据本发明的实施例，还提供了一种基于x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统，
应用于实现如上的方法，该系统包括：
[0148]
在导轨上依次设置的x射线阵列靶光源、激光发射机构、分束光栅、分析光栅以及x射线探测器；
[0149]
其中，x射线阵列靶光源的靶刻槽方向、分束光栅的刻槽方向以及分析光栅的刻槽方向平行。
[0150]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统的调试方法，所述光栅相衬成像系统包括导轨以及依次设置在所述导轨上的x射线阵列靶光源、分束光栅、分析光栅以及x射线探测器，所述调试方法包括：将激光发射机构放置在所述导轨上，并且使得所述激光发射机构发射竖直光束和水平光束，所述竖直光束和所述水平光束的传播方向相同，所述竖直光束沿着竖直方向分布，所述水平光束沿着水平方向分布，所述竖直光束和所述水平光束的交线为光轴所在的直线，所述导轨的延伸方向与所述光轴平行；将所述x射线阵列靶光源和所述x射线探测器放置在所述导轨上，并且使得所述x射线阵列靶光源的出光口中心与所述x射线探测器接收平面的目标位置对准；调节所述x射线阵列靶光源和所述x射线探测器的姿态，将所述x射线阵列靶光源发出的x射线形成的光斑中心与所述x射线探测器的目标位置对准，其中，所述光轴与所述x射线所在的轨迹重合；将所述分析光栅放置在所述导轨上，并调节所述分析光栅，使得所述竖直光束和所述水平光束的交线穿过所述第一衍射明纹的中心，其中，所述第一衍射明纹为所述水平光束和所述竖直光束照射在所述分析光栅上产生的；将所述分束光栅放置在所述导轨上，并调节所述分束光栅，使得所述竖直光束和所述水平光束的交线穿过所述第二衍射明纹的中心，其中，所述第二衍射明纹为所述水平光束和所述竖直光束照射在所述分束光栅上产生的；调节所述x射线阵列靶光源、所述分束光栅、所述分析光栅和所述x射线探测器的相对位置，使得在所述x射线探测器上能够观察到莫尔纹图案，所述莫尔纹图案为所述x射线经过所述分束光栅与所述分析光栅后形成的；同步旋转调节所述分束光栅和所述分析光栅，或单独旋转调节所述x射线源，使得所述莫尔纹图案与所述分束光栅的光栅刻槽方向以及所述分析光栅的光栅刻槽方向平行，以确保所述x射线阵列靶光源中靶结构的刻线与所述分束光栅的刻线和所述分析光栅的刻线同时平行；单独调节所述分束光栅和所述分析光栅使得莫尔纹可见度最高，再沿光轴移动所述分束光栅，在所述x射线探测器上得到大致均匀分布的光场，完成光路调试。2.根据权利要求1所述的调试方法，其特征在于，调节所述x射线阵列靶光源和所述x射线探测器的姿态，将所述x射线形成的光斑中心与所述x射线探测器的目标位置对准，包括如下步骤：s21：调整所述x射线阵列靶光源相对于所述x射线探测器的方位角度和高度，使得所述光斑中心与所述x射线探测器的目标位置重合；s22：沿所述导轨相对移动所述x射线探测器和所述x射线阵列靶光源，随后调整所述x射线阵列靶光源相对于所述x射线探测器的方位角度和高度，使得所述光斑中心与所述x射线探测器的目标位置重合；s23：重复步骤s22，直到所述光斑中心一直与所述x射线探测器的目标位置重合。3.根据权利要求1所述的调试方法，其特征在于，将所述分析光栅放置在所述导轨上，并调节所述分析光栅，使得所述竖直光束和所述水平光束的交线穿过所述第一衍射明纹的中心，包括如下步骤：
s31：将所述分析光栅放置在所述导轨上，沿竖直方向与水平方向分别调节所述分析光栅，使得所述光轴穿过所述分析光栅的目标区域；s32：将所述分析光栅绕z轴旋转，使得所述第一衍射明纹保持水平；其中，所述z轴表征光轴方向；s33：将所述分析光栅绕y轴旋转，使得所述第一衍射明纹的竖直中线与所述竖直光束重合；其中，所述y轴表征竖直方向；s34：将所述分析光栅绕x轴旋转，使得所述第一衍射明纹的水平中线与所述水平光束重合；其中，所述x轴表征水平方向；s35：重复步骤s32～s34，直到所述分析光栅在所述导轨上移动时，所述竖直光束和所述水平光束的交线始终穿过所述第一衍射明纹的中心。4.根据权利要求1所述的调试方法，其特征在于，将所述分束光栅放置在所述导轨上，并调节所述分束光栅，使得所述竖直光束和水平光束的交线穿过所述第二衍射明纹的中心，包括如下步骤：s41：将所述分束光栅放置在所述导轨上，沿竖直方向与水平方向分别调节所述分束光栅，使得所述光轴穿过所述分束光栅的目标区域；s42：将所述分束光栅绕z轴旋转，使得所述第二衍射明纹保持水平；其中，所述z轴表征光轴方向；s43：将所述分束光栅绕y轴旋转，使得所述第二衍射明纹的竖直中线与所述竖直光束重合；其中，所述y轴表征竖直方向；s44：将所述分束光栅绕x轴旋转，使得所述第二衍射明纹的水平中线与所述水平光束重合；其中，所述x轴表征水平方向；s45：重复步骤s42～s44，直到所述分束光栅在所述导轨上移动时，所述竖直光束和所述水平光束的交线始终穿过所述第二衍射明纹的中心，移出所述激光发射机构。5.根据权利要求1所述的调试方法，其特征在于，所述调节所述x射线阵列靶光源、所述分束光栅、所述分析光栅和所述x射线探测器的相对位置，使得在所述x射线探测器上能够观察到莫尔纹图案，包括：沿所述光轴移动所述分束光栅，使得所述分束光栅的中心与所述x射线阵列靶光源的靶结构的距离为r；沿所述光轴移动所述分析光栅，使得所述分析光栅的中心与所述分束光栅的中心的距离为d；沿所述光轴移动所述x射线探测器，将所述x射线探测器靠近所述分析光栅，以使得在所述x射线探测器上能够观察到所述分束光栅与所述分析光栅形成的莫尔纹图案。6.根据权利要求1所述的调试方法，其特征在于，所述同步旋转调节所述分束光栅和所述分析光栅，或单独旋转调节所述x射线源，使得所述莫尔纹图案与所述分束光栅的光栅刻槽以及所述分析光栅的光栅刻槽方向平行，以确保得所述x射线阵列靶光源中靶结构的刻线与所述分束光栅的刻线和所述分析光栅的刻线同时平行，包括如下步骤：s61：同时将所述分束光栅与所述分析光栅绕y轴旋转，或单独旋转调节所述x射线源，使得所述x射线探测器上观察到的所述莫尔纹图案的左右周期一致；s62：同时将所述分束光栅与所述分析光栅绕x轴旋转，或单独旋转调节所述x射线源，
使得所述x射线探测器上观察到的所述莫尔纹图案的上下周期一致；s63：同时将所述分束光栅与所述分析光栅绕z轴旋转，或单独旋转调节所述x射线源，使得所述x射线探测器上观察到的所述莫尔纹图案与所述分束光栅与所述分析光栅的光栅刻槽方向平行；s64：重复步骤s61～s63，使得所述x射线探测器上观察到的所述莫尔纹图案与所述分束光栅的光栅刻槽方向以及所述分析光栅的光栅刻槽方向始终平行，即得到所述x射线阵列靶光源中靶结构的刻线与所述分束光栅的刻线和所述分析光栅的刻线同时平行。7.根据权利要求1所述的调试方法，其特征在于，所述单独调节所述分束光栅和所述分析光栅使得莫尔纹可见度最高，再沿所述光轴移动所述分束光栅，在所述x射线探测器上得到大致均匀分布的光场，完成光路调试，包括如下步骤：s71：单独调节所述分束光栅绕x轴旋转，绕y轴旋转，绕z轴旋转使得莫尔纹获得最高可见度，并固定在该位置；s72：单独调节所述分析光栅绕x轴旋转，绕y轴旋转，绕z轴旋转使得莫尔纹获得最高可见度，并固定在该位置；s73：沿所述光轴移动所述分束光栅，在所述x射线探测器上得到大致均匀分布的光场，完成光路调试。8.根据权利要求1所述的调试方法，其特征在于，所述将所述x射线阵列靶光源的出光口中心与所述x射线探测器接收平面的目标位置对准，包括：将所述x射线阵列靶光源与所述x射线探测器分别安装在所述导轨上；利用激光发射机构，沿竖直方向调节所述x射线阵列靶光源的出光口中心与所述x射线探测器接收平面的目标位置位于同一水平高度。9.一种基于x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统的测试方法，包括：将待测样品放置在调试好的x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统中指定的样品位置，利用所述x射线探测器记录其成像的数据；其中，所述调试好的x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统包括通过根据权利要求1～8中任一项所述的调试方法调试得到。10.一种基于x射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统，应用于实现如权利要求1～8中任一项所述的方法，其特征在于，该系统包括：在导轨上依次设置的x射线阵列靶光源、分束光栅、分析光栅以及x射线探测器；其中，所述x射线阵列靶光源的靶刻槽方向、所述分束光栅的刻槽方向以及所述分析光栅的刻槽方向平行。

技术总结
一种基于X射线阵列靶光源的光栅相衬成像系统的调试方法，该方法包括：将激光发射机构放置在导轨上，使得激光发射机构发射竖直光束和水平光束；将X射线阵列靶光源和X射线探测器放置在导轨上；将X射线形成的光斑中心与X射线探测器的目标位置对准；调节分析光栅，使得竖直光束和水平光束的交线穿过第一衍射明纹的中心；调节分束光栅，使得竖直光束和水平光束的交线穿过第二衍射明纹的中心；调节X射线阵列靶光源、分束光栅、分析光栅和X射线探测器的相对位置获得莫尔纹；同步旋转调节分束光栅和分析光栅使莫尔纹竖直；单独调节分束光栅和分析光栅使莫尔纹可见度最高，沿光轴移动分束光栅，在X射线探测器上得到大致均匀分布的光场。在X射线探测器上得到大致均匀分布的光场。在X射线探测器上得到大致均匀分布的光场。


技术研发人员：林绮思 吴朝 熊瑛 关勇 刘刚 田扬超
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/8/14