新型显微计算机层析成像系统几何误差分析与实验研究

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众所周知,X射线计算机断层成像技术(X-ray Computed Tomography,X-CT或CT)自上世纪发明以来,其在医疗、工业等领域的应用日益广泛,技术发展也日趋成熟。然而,因受制于其几何结构以及扫描方式的限制,CT系统对于大尺寸板状结构物体的无损检测,难以获得或提供高精度、高对比度的断层图像。针对这一类无损检测对象,采用倾斜扫描方式的X射线计算机层析成像技术(Computed Laminography,X-CL或CL)将开始日益发挥其独特的作用。由于其特别的扫描方式,使得CL技术能从板状物体的长度或厚度方向进行扫描成像,从而获得物体内部结构信息。另一方面,针对这种有限角的扫描情况,CL的成像质量和精度要明显高于CT。正是因为CL具备了这些特点,使得CL技术在印刷电路板(PCB)、古生物化石、芯片等方面有着广阔的应用前景。本论文选题依托于科技部国家重大科学仪器设备研发计划“X射线三维分层成像仪”项目的子课题“X射线三维分层成像仪整机研发”,开展了基于一种新型显微CL(Micro-CL)系统研究工作。相比于常规的CL系统,Micro-CL系统的几何结构更加复杂,因此其误差的校准也更为困难。本论文的主要内容便是对新型Micro-CL系统的几何误差进行了具体研究,通过模拟与实验,研究分析了各种几何误差对新型Micro-CL系统成像质量的影响,以便能够指导实际系统的几何误差校准工作。本论文首先对于射线成像系统的几何误差的产生原理以及误差分类进行了详细的介绍和分析。然后详细介绍了Micro-CL的基本组成器件以及几何结构,并讨论了该成像系统在实际应用中可能会产生的几何误差种类。在数学建模部分,本论文把Micro-CL系统坐标化,针对每一个部件来具体分析其几何误差的存在形式以及表达方式。Micro-CL复杂的几何结构以及多自由度的系统,使得其不同部位的几何误差都存在一定关联,对于单一误差的分析往往需要考虑全局的影响,这也是本研究的一大难点。在模拟实验中,本论文首先将系统的几何误差进行分类,然后在系统放大比相同和不同的情况下进行误差模拟。对于重建结果的处理,本论文利用差值图和灰度值曲线来直观地观察误差的影响,同时引入归一化距离判据和结构相似度来定量分析几何误差的作用范围。除了模拟研究了Micro-CL系统最常用的同步圆轨迹旋转扫描方式外,论文还对物体旋转模式和平移扫描模式的几何误差,开展了模拟实验,进而研究分析了其可能带来或造成对于成像质量的影响。
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