Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к формированию фазово-контрастного изображения. В частности, изобретение относится к дифракционной решетке для устройства формирования фазово-контрастного изображения, устройству для формирования фазово-контрастного изображения, содержащему такую дифракционную решетку, и способу изготовления дифракционной решетки для устройства формирования фазово-контрастного изображения.
Предпосылки создания изобретения
Для исследования представляющих интерес объектов с помощью электромагнитного излучения можно использовать видимый или невидимый свет или рентгеновское излучение. При формировании рентгеновского дифференциального фазово-контрастного изображения (ДФКИ) визуализируют фазовую информацию когерентного рентгеновского излучения, проходящего через сканируемый объект. В дополнение к классическому формированию изображения в проходящем рентгеновском излучении при формировании дифференциального фазово-контрастного изображения определяют не только поглощающие свойства сканируемого объекта вдоль линии проекции, но также фазовый сдвиг пропускаемого рентгеновского излучения, и тем самым получают различную дополнительную информацию, пригодную к использованию для повышения контраста, выявления состава материала и уменьшения дозы.
Недавно группой в Paul-Scherrer Institute, Villingen, Switzerland была представлена реализация способа дифференциального фазового контраста (см., например, ЕР 1 731 099 А1, ЕР 1 879 020 А1, Pfeiffer et al., Nature Physics 2, 258 (2006).
В то время как недостатком старых дифференциальных и недифференциальных способов формирования фазово-контрастного изображения является потребность в источниках высоко монохроматического и когерентного рентгеновского излучения, указанный выше способ позволяет использовать стандартные источники рентгеновского излучения, то есть рентгеновские трубки, совместно с дополнительной дифракционной решеткой источника, которая может обеспечивать когерентность через небольшие отверстия. После представляющего интерес объекта, изображение которого должно быть получено, помещают фазосдвигающую дифракционную решетку (G1) (работающую как расщепитель луча). Результирующая интерференционная картина (см. фиг.2) содержит требуемую информацию о фазовом сдвиге пучка в относительном положении ее минимумов и максимумов (обычно порядка нескольких микрометров). Поскольку обычный детектор рентгеновского излучения (с типичным разрешением порядка 150 мкм) не способен разрешать такие тонкие структуры, интерференцию дискретизируют анализирующей фазу дифракционной решеткой (также известной под названием «поглощающая дифракционная решетка G2»), которая характеризуется периодической картиной пропускающих и поглощающих полос с периодичностью, подобной периодичности интерференционной картины.
Подобная периодичность создает муаровую картину позади дифракционной решетки с намного более высокой периодичностью, которая может обнаруживаться обычным детектором рентгеновского излучения (см. фиг.3). Для получения дифференциального фазового сдвига анализирующую решетку (поглощающую решетку) G2 необходимо сдвигать в поперечном направлении на доли шага p дифракционной решетки (обычно порядка 1 мкм), этот сдвиг известен как «пошаговое измерение фазы». Фазовый сдвиг можно извлекать из конкретной измеряемой муаровой картины для каждого положения анализирующей решетки. В развитие этого компьютерную томографию фазового сдвига можно выполнять при жестком рентгеновском излучении.
Однако, в частности, в случае конической геометрии пучка сильные фазово-контрастные искажения могут возникать в областях за пределами центра поля зрения.
Краткое изложение изобретения
Желательно иметь систему для формирования изображения, создающую изображения с меньшими фазово-контрастными искажениями.
Изобретение относится к дифракционной решетке для устройства формирования фазово-контрастного изображения, предназначенного для исследования представляющего интерес объекта, устройству для формирования фазово-контрастного изображения, имеющему такую дифракционную решетку, и способу изготовления такой дифракционной решетки. Дополнительные признаки примеров осуществлений изобретения изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Следует отметить, что элементы, которые описываются ниже, например, относящиеся к фазовой дифракционной решетке, также могут быть частью устройства для формирования изображения, и наоборот. Кроме того, все элементы, которые описываются ниже применительно к дифракционной решетке/дифракционным решеткам, находятся в связи с соответствующими этапами способа изготовления дифракционной решетки/дифракционных решеток.
Согласно примеру осуществления изобретения предложена дифракционная решетка для устройства формирования фазово-контрастного изображения, предназначенной для исследования представляющего интерес объекта, при этом дифракционная решетка имеет основную (геометрическую) ось, которая расположена в направлении к источнику излучения, когда дифракционная решетка установлена в устройстве формирования изображения. Дифракционная решетка содержит материал пластины и первую канавку в материале пластины, имеющую глубину в первом направлении, при этом первое направление отличается от геометрической оси, так что первая канавка наклонена относительно основной (геометрической) оси.
Иначе говоря, канавка не просто высверлена, или вытравлена, или образована выемкой в подложке в направлении геометрической оси, а находится под углом наклона относительно геометрической оси. Геометрическая ось обычно перпендикулярна к поверхности подложки.
Следует отметить, что канавку необязательно высверливать или вытравливать в подложке, а она может быть «выращена» на подложке путем выращивания на подложке стенок канавки. Одна возможность может заключаться в использовании этапа предварительного изготовления, на котором временный слой материала наносят на подложку, в котором вырезают щели для последующего образования стенок (например, с помощью электронно-лучевой литографии, за которой следует соответствующий этап травления). Затем на следующем этапе на подложке можно вырастить стенки канавок, например, распылением. При необходимости на третьем этапе оставшийся временный слой может быть удален.
Следует также отметить, что дифракционная решетка характеризуется как структура с канавками, а канавки могут быть заполнены воздухом в случае фазовой дифракционной решетки или поглощающим материалом в случае поглощающей дифракционной решетки.
В случае, когда дифракционная решетка является сегментированной или двумерной структурой, геометрическая ось представляет собой геометрическую ось индивидуального сегмента.
Таким образом, выращивание слоев является альтернативой травлению, хотя при этом может потребоваться больше времени на изготовление по сравнению с травлением кремния. Способы, аналогичные трехмерной печати или лазерному спеканию пластика/металла, также возможны даже при размере элемента меньше чем 50 мкм. Возможность спекания таких небольших структур обеспечивается мелкозернистым порошком.
Согласно другому примеру осуществления изобретения дифракционная решетка содержит вторую канавку в материале пластины. Первая канавка наклонена под первым углом относительно геометрической оси, а вторая канавка наклонена под вторым углом относительно геометрической оси. Первый угол меньше, чем второй угол.
Согласно еще одному примеру осуществления изобретения образована последовательность канавок, при этом каждая канавка из последовательности канавок наклонена под соответствующим углом относительно (возможно, сегментированной) геометрической оси, при этом соответствующий угол возрастает от канавки к канавке.
Иначе говоря, если перемещаться от канавки к канавке, то можно видеть, что каждая следующая канавка наклонена несколько больше, чем канавка перед ней. Например, если первая канавка наклонена под углом -20° относительно геометрической оси (которая указывает на источник электромагнитного излучения, когда дифракционная решетка введена в установку формирования изображения), то следующая канавка наклонена только под углом -19,9999°, следующая канавка - под углом -19,9998° и так далее. Средняя канавка не наклонена, а канавка, следующая за средней канавкой, наклонена под углом 0,0001° и так далее, при этом последняя канавка наклонена под углом +20°.
При одной дифракционной решетке с расстоянием 1 мкм от канавки до канавки, расстоянии около 1 м от источника до дифракционной решетки/детектора и размере детектора около 30 см, изменение углового наклона от канавки к канавке будет очень небольшим, в диапазоне от 0,0001° до 0,001° в расчете на канавку, так что достигаются очень точная юстировка и корректировка от структуры к структуре.
Этим можно обеспечить работу установки для формирования изображения с фокусированной геометрией.
Согласно еще одному примеру осуществления изобретения канавки представляют собой линейные канавки, которые расположены, например, параллельно друг другу в плоскости, перпендикулярной к геометрической оси.
Иначе говоря, если смотреть вдоль геометрической оси дифракционной решетки, то можно видеть, что каждая канавка продолжается прямолинейно вдоль плоскости, перпендикулярной геометрической оси и расположена параллельно другим канавкам (хотя большая часть канавок наклонена относительно направления геометрической оси).
Согласно еще одному примеру осуществления изобретения геометрическая ось дифракционной решетки перпендикулярна к поверхности дифракционной решетки.
Согласно еще одному примеру осуществления изобретения предложено устройство для формирования фазово-контрастного изображения, предназначенное для исследования представляющего интерес объекта. Устройство содержит источник для испускания пучка излучения, детектор для обнаружения излучения и фазовую дифракционную решетку, расположенную между источником и детектором. Детектор выполнен с возможностью обнаружения излучения после того, как оно прошло через представляющий интерес объект и фазовую дифракционную решетку (G1). Кроме того, фазовая дифракционная решетка имеет фокусированную геометрию.
Согласно еще одному примеру осуществления изобретения устройство для формирования изображения имеет коническую геометрию пучка, аналогичную геометриям, например, в рентгеновском устройстве с С-дугой или компьютерных томографических системах.
Согласно еще одному примеру осуществления изобретения устройство для формирования изображения выполнено в виде устройства формирования изображения на основе интерферометрии Тальбота.
Согласно еще одному примеру осуществлению изобретения устройство для формирования изображения имеет оптическую ось, указывающую от источника к детектору, при этом дифракционная решетка имеет основную (геометрическую) ось, которая расположена в направлении оптической оси, когда дифракционная решетка установлена в устройстве для формирования изображения. Фазовая дифракционная решетка устройства для формирования фазово-контрастного изображения является одной из дифракционных решеток, которые были описаны выше и будут описываться более подробно в дальнейшем.
Согласно еще одному примеру осуществления изобретения устройство для формирования изображения содержит вторую дифракционную решетку, которая представляет собой поглощающую дифракционную решетку (G2), расположенную перед детектором и после первой дифракционной решетки G1. Вторая дифракционная решетка также имеет фокусированную геометрию. В частности, вторая дифракционная решетка G2 может иметь такие же элементы, как и описанные выше и описываемые в дальнейшем дифракционные решетки.
Согласно еще одному примеру осуществления изобретения устройство для формирования изображения дополнительно содержит третью дифракционную решетку, которая представляет собой поглощающую дифракционную решетку (G0), имеющую трапециевидную геометрию и положение между источником и фазовой дифракционной решеткой, и которая делает возможным, по меньшей мере частично, когерентное освещение фазовой дифракционной решетки.
Следует отметить, что описываемые дифракционные решетки могут быть одномерными дифракционными решетками или также двумерными дифракционными решетками.
Согласно еще одному примеру осуществления изобретения устройство для формирования изображения дополнительно содержит привод, такой как пьезоэлектрический привод или шаговый двигатель, при этом пучок излучения, испускаемый источником, имеет оптическую ось и при этом шаговый двигатель выполнен с возможностью перемещения по меньшей мере одной из дифракционных решеток G0, G1 или G2 перпендикулярно к оптической оси пучка излучения, испускаемого источником, и/или изменения эффективной глубины канавки для падающего пучка излучения путем наклонения дифракционной решетки на определенный угол, например, для адаптации длины пропускания дифракционной решетки к зависящему от энергии фазовому сдвигу.
Устройство для формирования изображения может содержать электродвигатель или привод, выполненный с возможностью поворота фазовой дифракционной решетки G1 и/или поглощающей дифракционной решетки G2. Кроме того, могут быть предусмотрены два электродвигателя или привода, каждый для одной дифракционной решетки или даже два для каждой дифракционной решетки, чтобы управлять угловым наклоном в двух направлениях.
Таким образом, даже во время измерения можно регулировать угол α (который является углом между нормалью к дифракционной решетке и излучением, испускаемым из источника).
Согласно еще одному примеру осуществления изобретения источник представляет собой источник рентгеновского излучения, при этом устройство применено в качестве рентгеновского устройства формирования дифференциального фазово-контрастного изображения.
Согласно еще одному примеру осуществления изобретения устройство для формирования изображения применено в качестве оптического устройства формирования изображения, при этом источник представляет собой источник света. В этом случае излучение, используемое для зондирования представляющего интерес объекта, представляет собой пучок оптического излучения с длиной волны, например, в диапазоне от 400 нм до 1400 нм.
Согласно еще одному примеру осуществления изобретения предложен способ изготовления описанной выше и описываемой в дальнейшем дифракционной решетки для устройства формирования фазово-контрастного изображения, предназначенного для исследования представляющего интерес объекта. Способ содержит этапы формирования лазерным пучком рисунка первой канавки или структуры канавки в материале пластины и оптимизации геометрии/окончательной обработки путем сглаживания поверхностей травлением сформированного рисунка первой канавки, при этом первая канавка имеет глубину в первом направлении и при этом первое направление отличается от геометрической оси, так что первая канавка наклонена под первым углом относительно геометрической оси.
Кроме того, способ может содержать дополнительные этапы формирования рисунка дополнительных канавок, которые все наклонены относительно геометрической оси. Каждая канавка может быть наклонена несколько больше при перемещении от канавки к канавке. Таким образом, можно создавать, например, двумерные или круговые структуры.
Кроме того, способ может содержать дополнительный этап заполнения по меньшей мере первой канавки (например, всех канавок) поглощающим материалом. Как уже отмечалось, при использовании прямоугольно структурированных дифракционных решеток на характеристики рентгеновского дифференциального фазово-контрастного изображения, формируемого интерферометром Тальбота, может влиять сильное ухудшение фазового контраста в областях за пределами центра поля обзора. Такое сильное ухудшение фазового контраста может всегда происходить в случае не фокусированных дифракционных решеток G0, G1 и G2, поскольку прямоугольные структуры создают трапециевидный профиль при проецировании под конкретным углом к оптической оси.
Из краткого изложения изобретения можно видеть, что предложен поддерживаемый лазером способ в сочетании со специализированным процессом травления, предназначенный для создания таких фокусированных структур дифракционных решеток. Хотя процесс травления является изотропным процессом, необходимо выполнять канавки в кремнии в предпочтительном направлении. Можно просверливать отверстия в кремнии и, кроме того, структурировать участки способами лазерного пучка или пучка другого электромагнитного излучения. Однако поверхностная структура просверленного лазером отверстия может не быть столь идеальной, какая требуется для дифракционных решеток. Предложенный способ является сочетанием по меньшей мере двух этапов, на которых:
1. На кремниевой пластине формируют рисунок канавок вдоль направления линий дифракционной решетки, но с несколько возрастающим углом от канавки к канавке. Этим задают приближенное направление фокусировки всей структуры. Во время процесса формирования рисунка канавок лазер следует фокусировать на различные глубины в кремний и кроме того, форму пучка следует адаптировать, чтобы получать почти прямую линию профиля на боковой поверхности канавки.
Форму пучка адаптируют путем выполнения зависящей от адаптивного положения фокусировки оптической линзовой системы лазера для получения заданного профиля пучка (фокусировки на определенную глубину в материал при заданной ширине пучка).
2. Этапом последующей обработки является этап травления для очистки и сглаживания поверхностей и для оптимизации структуры дифракционной решетки.
В зависимости от геометрии, совмещения кремниевой пластины (кристаллической структуры) со структурами канавок и также в зависимости от профиля и геометрии канавок можно использовать, например, жидкостное или глубокое реактивное ионное травление (аналогичное известному процессу Bosch).
Это сочетание этапов анизотропной и изотропной обработки позволяет осуществлять заданное структурирование материала пластины, чтобы создавать фокусированные структуры для предполагаемых систем формирования фазово-контрастного изображения.
Следует также отметить, что дифракционные решетки G0, G1, G2 можно изготавливать с помощью электронно-лучевой литографии вместо формирования лазерным пучком рисунка структур канавок в материале пластины.
Например, электронный пучок можно использовать для удаления или экспонирования определенных областей подложки или слоя фоторезиста на ней. Чтобы сформировать рисунок канавок с требуемыми переменными углами α наклона, подложку можно устанавливать на позиционирующее устройство, которое выполнено с возможностью не только линейного позиционирования подложки в трех измерениях, но также и поворота подложки, вследствие чего можно обеспечивать различные углы между падающим электронным пучком и поверхностью подложки. Для обеспечения такого позиционирования подложки с высокой точностью можно использовать поворотные устройства и линейные позиционирующие устройства на основе технологии так называемой «скачкообразной подачи». Такие нанопозиционирующие устройства можно получить, например, от компании Attocube systems AG.
После электронно-лучевой литографии и после удаления экспонированного фоторезиста можно выполнить этап распыления, чтобы вырастить наклонные канавки на подложке.
После этапа отслаивания слоя фоторезиста поверхности выращенной структуры канавок можно сглаживать, например, с помощью соответствующего этапа травления.
Еще одна сущность изобретения заключается в том, что такие дифракционные решетки с наклонными канавками используют для формирования фазово-контрастного изображения, например для формирования рентгеновского дифференциального фазово-контрастного изображения. Для дальнейшего повышения качества изображения первая поглощающая дифракционная решетка G0 может иметь трапециевидную геометрию (симметричную или даже асимметричную).
Одно преимущество от наклонения дифракционных решеток системы для формирования изображения управляемым способом в пучке заключается в том, что могут быть получены более эффективные расчетные энергии при одном и том же физическом отношении размеров канавки, а система может быть настроена на специальные параметры энергии без модификации геометрии дифракционной решетки.
Эти и другие аспекты изобретения станут очевидными и могут быть выявлены при обращении к осуществлениям, описываемым ниже.
Примеры осуществлений изобретения будут описаны ниже с обращением к приведенным ниже чертежам.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
фиг.1А - вид устройства формирования дифференциального фазово-частотного изображения, используемого в устройстве для формирования изображения согласно изобретению;
фиг.1В - сечение устройства, изображенного на фиг.1А;
фиг.1С - сечения дифракционных решеток G0, G1 и G2 с прямоугольной ненаклонной геометрией;
фиг.2 - вид интерференционной картины, создаваемой между G1 и G2;
фиг.3 - иллюстрация обнаружения дифференциального фазового контраста путем сдвига поглощающей решетки G2;
фиг.4 - вид части дифракционной решетки с ненаклонными канавками;
фиг.5 - вид структуры для устройства формирования изображения согласно примеру осуществления изобретения;
фиг.6 - еще одно сечение дифракционной решетки с параллельными канавками;
фиг.7 - сечение дифракционной решетки с канавками, имеющими различные углы наклона, согласно примеру осуществления изобретения;
фиг.8 - сечение дифракционной решетки из фиг.7, подвергнутой последующей обработке;
фиг.9 - сечение поглощающей дифракционной решетки G0 с трапециевидной геометрией;
фиг.10 - перспективный вид дифракционной решетки в случае излучения, падающего в нормальном направлении;
фиг.11 - вид дифракционной решетки из фиг.10 в случае излучения, падающего под углом α относительно нормального направления;
фиг.12А - вид еще одной структуры для устройства формирования изображения согласно примеру осуществления изобретения;
фиг.12В - вид структуры для устройства формирования изображения согласно еще одному примеру осуществления настоящего изобретения;
фиг.12С - вид устройства с фазовой дифракционной решеткой и поглощающей дифракционной решеткой для устройства формирования изображения согласно еще одному примеру осуществления изобретения; и
фиг.13 - блок-схема последовательности действий способа согласно примеру осуществления изобретения.
Подробное описание осуществлений
Виды на чертежах являются схематичными и выполнены не в масштабе. На различных чертежах подобным или идентичным элементам приданы одинаковые позиции.
На фиг.1А показано измерительное устройство, предназначенное для формирования дифференциального фазово-контрастного изображения (ДФКИ) (устройство формирования ДФКИ). Устройство для формирования изображения содержит источник электромагнитного излучения, например источник рентгеновского излучения или оптический источник, символически представленный фокальным пятном 401. После источника расположена поглощающая дифракционная решетка 300 (G0), или дифракционная решетка источника, предназначенная для придания пространственной когерентности пучку. Используемый источник рентгеновского некогерентного излучения символически представлен фокальным пятном 401. Пучок излучения, испускаемый источником, имеет оптическую ось 404. Сначала пучок проходит через поглощающую дифракционную решетку 300. Далее пучок проходит через представляющий интерес объект 403 и затем через фазовую дифракционную решетку 100 (G1). После этого пучок проходит через вторую поглощающую дифракционную решетку 200 (G2), которая расположена перед детектором 402 изображения.
Фазовая дифракционная решетка 100 выполнена с возможностью образования интерференционной картины между G1 и G2.
На фиг.1В показано сечение устройства формирования изображения из фиг.1А. Дифракционная решетка 100 имеет первый шаг p0, фазовая дифракционная решетка 100 имеет второй шаг p1 и вторая поглощающая дифракционная решетка 200 имеет третий шаг p2. Расстояние между дифракционными решетками 300, 100 равно l и расстояние между дифракционными решетками 100 и 200 равно d, и оно соответствует расстоянию Тальбота.
На фиг.1С показаны сечения трех дифракционных решеток 300, 100, 200. Как можно видеть из фиг.1С, дифракционные решетки заполнены золотом (Au). При этом фазовая дифракционная решетка 100 (в середине) имеет канавки, которые вытравлены в кремниевой (Si) подложке, но не заполнены.
На фиг.2 показана интерференционная картина, образующаяся между G1 и G2, демонстрирующая эффект «самоотображения» решетки (эффект Тальбота) на характеристических расстояниях d1, d2 и d3. Относительное положение минимумов и максимумов зависит от фазового сдвига волнового фронта, падающего на G1. В устройствах, используемых в настоящее время для формирования дифференциального фазово-контрастного изображения, d1 обычно составляет порядка нескольких сантиметров.
На фиг.3 показано обнаружение «дифференциального фазового контраста» путем сдвига поглощающей решетки G2 в направлении x, перпендикулярном к оптической оси и перпендикулярном к ориентации линий дифракционной решетки в сечении, перпендикулярных к оптической оси. Разность фаз волнового фронта в двух положениях «1» и «2» можно получать на основании фазового сдвига φ2-φ1 измеряемой муаровой картины, в данном случае для четырех выбранных положений от x1 до x4.
Одна из основных проблем, возникающих при реализации системы для формирования изображения организма человека, заключается в конической геометрии пучка, которая необходима для формирования изображения более крупных объектов, как, например, при маммографии или в неврологии. В случае не фокусированных дифракционных решеток обычно наблюдается сильное ухудшение фазового контраста в областях за пределами центральной части поля обзора, поскольку прямоугольная структура создает трапециевидный профиль при проецировании под конкретным углом к оптической оси. Для адаптации к конической геометрии пучка может возникнуть необходимость иметь для дифракционных решеток G0, G1 и G2 фокусированные структуры с канавками.
Способы жидкостного травления (например, с помощью нагретых растворов гидроксида калия (KOH), которые можно использовать для кристаллографического травления кремния) или глубокое реактивное ионное травление (ГРИТ) можно использовать для вытравливания канавок с большим отношением размеров в кремниевой пластине. Регулярная структура с заданным шагом является критическим параметром. Поскольку требования к отношению размеров при травлении, а затем к заполнению поглощающим материалом, являются очень строгими, дифракционные решетки обычно выполняют с параллельной структурой (см. фиг.4).
В соответствии с изобретением структурирование дифракционной решетки приводит к фокусированной геометрии дифракционной решетки. Хотя процесс травления является изотропным процессом, может возникать необходимость выполнять канавки в кремнии в предпочтительном направлении.
Можно сверлить отверстия в кремнии и также структурировать участки лазером. Однако поверхностная структура просверленного лазером отверстия не может быть настолько идеальной, насколько это необходимо для дифракционных решеток.
Поэтому выполняют два следующих этапа:
1. На кремниевой пластине формируют рисунок канавок вдоль направления линий дифракционной решетки, но с несколько возрастающим углом от канавки к канавке. Этим задают приближенное направление фокусировки всей структуры. Во время процесса формирования рисунка канавок лазер (или другой подходящий источник электромагнитного излучения) следует фокусировать на различные глубины в кремний и кроме того, форму пучка следует адаптировать, чтобы получать прямую линию профиля на боковой поверхности канавки.
2. Этапом последующей обработки является этап травления для очистки и сглаживания поверхностей и для оптимизации структуры дифракционной решетки.
На последующих фигурах показаны геометрии дифракционной решетки и измерительного устройства.
На фиг.5 показано измерительное устройство для установки формирования изображения согласно примеру осуществления изобретения.
В направлении оптической оси дифракционная решетка 300 (G0) источника расположена после источника 401 рентгеновского излучения. Затем пучок проходит через представляющий интерес объект 403. Вслед за этим пучок проходит через фазовую дифракционную решетку 100 (G1) с последующим прохождением через поглощающую дифракционную решетку 200 (G2) до того, как он обнаруживается.
На фиг.6 показано сечение дифракционной решетки с параллельными канавками. Угол между оптической осью 404 (идентичной геометрической оси) и канавками составляет 0°. Иначе говоря, канавки представляют собой ненаклонные канавки.
На фиг.7 показано сечение (не в масштабе) расположенных под различными углами канавок, которые были образованы лазерным пучком (фокусируемым на глубину и отклоняемым), и находящихся в материале 701 пластины. Каждая из канавок с 101 по 113 имеет отличающийся угол наклона относительно оптической или геометрической оси 404.
Как можно видеть из фиг.7, лазерный пучок имеет угол падения, соответствующий углу наклона каждой канавки. Однако после формирования рисунка лазерным пучком стенки канавок могут не быть достаточно гладкими для получения оптимального качества изображения.
На фиг.8 показано сечение дифракционной решетки 100, 200, изображенной на фиг.7, прошедшей последующую обработку на соответствующем этапе травления. Теперь стенки канавок с 101 по 113 являются гладкими.
Еще одно продолжение способа структурирования приводит к получению фокусированной и трапециевидной конструкции дифракционной решетки 300 (G0). В дополнение к фокусированной конструкции трапециевидная форма каждой из канавок 901-908 позволяет пучкам рентгеновского излучения или другого электромагнитного излучения проходить с более широким угловым распределением, то есть выход такой дифракционной решетки G0 возрастает.
Это можно делать способом глубокого реактивного ионного травления (ГРИТ) при уменьшении значения параметра травления, относящегося к этапу изоляции в процессе “Bosch” (плазменного травления кремния). Таким способом можно получать канавки с более сжатой (или расширенной) геометрией. Это изображено на фиг.9.
Препятствием для формирования рентгеновских дифференциальных фазово-контрастных изображений при более высоких энергиях рентгеновского излучения является необходимость изготовления фазовых дифракционных решеток и поглощающих дифракционных решеток с большим отношением размеров. При поддержании расстояния между двумя дифракционными решетками постоянным отношение R размеров фазовой дифракционной решетки возрастает как Е3/2, где Е является энергией рентгеновского излучения. Предел отношения R размеров дифракционных решеток, изготавливаемых из кремния в соответствии с современным техническим уровнем, составляет в настоящее от 15 до 20, при этом зависит от многих факторов, таких как шаг (в области нескольких микрометров), шероховатость поверхности и т.д. Поэтому диапазон используемых энергий в методе дифференциального фазового контраста в настоящее время ограничен пределом от около 30 до около 40 кэВ.
Иначе говоря, глубина канавки пропорциональна Е при постоянном фазовом сдвиге π и глубина изменяется как 
в соответствии с условием Тальбота.
Ниже раскрывается простой и эффективный способ преодоления изложенных выше ограничений, позволяющий применять более высокие энергии рентгеновского излучения без необходимости перехода к дифракционным решеткам с большими физическими отношениями размеров (с помощью адаптированных к энергии решеток).
В частности, фазовую дифракционную решетку можно адаптивно наклонять в соответствии с выбираемой средней энергией спектра рентгеновского излучения.
В соответствии с обычной концепцией дифференциального фазового контраста фотоны рентгеновского излучения падают перпендикулярно к поверхности дифракционной решетки. Основная идея в соответствии с изложенным выше и описываемым ниже изобретением заключается в выравнивания нормали к дифракционной решетке при заданном угле относительно поступающего рентгеновского излучения путем поворота дифракционных решеток вокруг оси, перпендикулярной к направлению поступающего рентгеновского излучения и направлению, определяемому линиями дифракционных решеток. Этого можно достигать путем поворота дифракционных решеток или, как изображено на фиг.12с, путем наклонения дифракционных решеток относительно поверхности подложки и, следовательно, относительно геометрической оси.
Как можно видеть из фиг.10, эффективное отношение RF размеров связано с физическим отношением R размеров посредством RF=R/cosα, где α (1003) является углом между падающими лучами 1002 и нормалью 1001 к дифракционной решетке (см. фиг.11). Дифракционная решетка обозначена позицией 1000.
Иначе говоря, эффективное отношение RF размеров в случае из фиг.11 больше на множитель 1/cosα по сравнению со случаем, изображенным на фиг.10, где падающий пучок является параллельным нормали 1001 к поверхности.
Поскольку фазовая дифракционная решетка и поглощающая дифракционная решетка являются частью интерферометра Тальбота, обе решетки должны быть наклонены относительно падающего рентгеновского излучения, при этом они должны оставаться параллельными относительно друг друга. Кроме того, при небольших углах α может быть осуществимым удержание детектора параллельным дифракционным решеткам (см. фиг.12а).
Однако при больших углах детекторы 402 можно поддерживать перпендикулярными к оптической или геометрической оси 404 системы (к направлению распространения рентгеновского излучения). См., например, фиг.12В. В этом случае может быть необходимо вводить поправку на различные длины распространения до и после пары дифракционных решеток 100, 200, фазовой/поглощающей.
Как можно видеть из фиг.12С, обе дифракционные решетки 100, 200 и детектор 402 расположены перпендикулярно к поступающему рентгеновскому излучению 404. Однако дифракционные решетки 100, 200 имеют канавки 101, 102, 103, 104 и т.д., которые наклонены относительно оптической оси 404, так что стенки канавок не находятся в одной плоскости с оптической осью 404. Позициями 1202, 1203 показаны две стенки канавок, которые могут быть выращены на подложке 1201. Как вариант канавки могут быть вытравлены описанным выше способом травления.
В осуществлении из фиг.12С уменьшено расстояние между фазовой и поглощающей дифракционными решетками 100, 200, и это позволяет располагать детектор 402 сразу после поглощающей дифракционной решетки 200 (G2).
На фиг.13 показана блок-схема последовательности действий в примере осуществления изобретения. На этапе 1301 канавки предварительно создают или «формируют рисунок» канавок с помощью управляемого лазерного пучка или пучка другого излучения. На этапе 1302 канавки подвергают последующей обработке травлением, чтобы сгладить поверхности.
Настоящее изобретение применимо к системам формирования изображения, которые основаны на дифракционном интерферометре, типа раскрытого в Pfeiffer et al., Nature Physics 2, 258 (2006).
В частности, изобретение может найти применение во всех средствах, относящихся к формированию дифференциального фазово-контрастного изображения, то есть в стационарных геометриях пропускания (например, маммографии, рентгеноскопии и т.д.), а также в компьютерной томографии и связанных с ней способах формирования рентгеновского изображения при вращательном движении.
Следует отметить, что термин «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а неопределенные артикли не исключают множества. Кроме того, элементы, описанные в связи с различными осуществлениями, можно сочетать.
Следует также отметить, что позиции в формуле изобретения не должны толковаться как ограничивающие объем формулы изобретения.
Перечень позиций
100 - Фазовая дифракционная решетка G1
200 - Поглощающая дифракционная решетка G2
300 - Поглощающая дифракционная решетка G0
101-113 - Наклонные канавки
401 - Источник или фокальное пятно пучка излучения
402 - Детектор
403 - Представляющий интерес объект
404 - Оптическая ось
901-908 - Трапециевидные канавки
1000 - Дифракционная решетка
1001 - Нормаль к поверхности
1002 - Падающий пучок
1003 - Угол α
1201 - Подложка
1202, 1203 - Канавки
1301, 1302 - Этапы способа.
Настоящее изобретение относится к формированию фазово-контрастного изображения, которым визуализируют фазовую информацию когерентного излучения, проходящего через сканируемый объект. Указанное изображение формируется при помощи фокусирующей дифракционной решётки, канавки которой имеют гладкие стенки и наклонены по отношению друг к другу. Для создания указанных канавок фокусирующих дифракционных решеток используют электромагнитное излучение лазера, которое направляется под углом к поверхности обрабатываемой решётки. После обработки лазером канавки подвергаются травлению для сглаживания их поверхностей. Технический результат - уменьшение образование трапециевидного профиля при проецировании под конкретным углом к оптической оси. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 17 ил.
1. Способ изготовления дифракционной решетки (100) для устройства формирования фазово-контрастного изображения, предназначенного для исследования представляющего интерес объекта, при этом дифракционная решетка (100) имеет геометрическую ось, которая расположена в направлении к источнику излучения, когда дифракционная решетка установлена в указанном устройстве формирования изображения, при этом способ содержит этапы, на которых:
пучком электромагнитного излучения формируют рисунок по меньшей мере первой канавки (101) в материале пластины;
сглаживают поверхности сформированного рисунка первой канавки с помощью технологии травления;
при этом первая канавка (101) имеет глубину в первом направлении;
при этом первое направление отличается от геометрической оси, так что первая канавка (101) наклонена под первым углом относительно геометрической оси.
2. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором:
заполняют по меньшей мере первую канавку (101) поглощающим материалом.
3. Способ по п.1 или 2, дополнительно содержащий этап формирования рисунка последовательности канавок (101-113) посредством пучка электромагнитного излучения,
при этом каждая канавка из последовательности канавок наклонена под соответствующим углом относительно геометрической оси, и
соответствующий угол возрастает от канавки к канавке.
4. Способ по п. 1, в котором первая канавка представляет собой по меньшей мере одно из линейной канавки, трапециевидной канавки и асимметричной канавки с фокусированной геометрией.
5. Дифракционная решетка для устройства формирования фазово-контрастного изображения, предназначенного для исследования представляющего интерес объекта, при этом дифракционная решетка (100) имеет геометрическую ось, которая расположена в направлении к источнику излучения, когда дифракционная решетка (100) установлена в устройстве формирования изображения, при этом дифракционная решетка (100) изготовлена способом по п.1 или 2 и содержит:
материал (701) пластины;
первую канавку (101) в материале (701) пластины и имеющую глубину в первом направлении, при этом первое направление отличается от геометрической оси, так что первая канавка (101) наклонена относительно геометрической оси;
вторую канавку (102) в материале (701) пластины;
в которой первая канавка (101) наклонена под первым углом относительно геометрической оси;
в которой вторая канавка (102) наклонена под вторым углом относительно геометрической оси;
в которой первый угол меньше, чем второй угол, и
причем стенки первой и второй канавок являются гладкими.
6. Дифракционная решетка по п.5, дополнительно содержащая:
последовательность канавок (101-113),
в которой каждая канавка из последовательности канавок наклонена под соответствующим углом относительно геометрической оси, и
в которой соответствующий угол возрастает от канавки к канавке.
7. Дифракционная решетка по одному из пп.5 и 6, в которой дифракционная решетка (100) делает возможной работу устройства для формирования изображения с фокусированной геометрией.
8. Дифракционная решетка по одному из пп.5 и 6, в которой канавки представляют собой по меньшей мере канавки из числа линейных канавок, трапециевидных канавок и асимметричных канавок с фокусированной геометрией.
9. Дифракционная решетка по одному из пп.5 и 6, в которой геометрическая ось дифракционной решетки (100) перпендикулярна к поверхности дифракционной решетки (100).
10. Устройство для формирования фазово-контрастного изображения, предназначенное для исследования представляющего интерес объекта, при этом устройство (400) содержит:
источник (401) для испускания пучка излучения;
детектор (402);
дифракционную решетку (100, 200), расположенную между источником (401) и детектором (402);
в котором детектор (402) выполнен с возможностью обнаружения излучения после того, как оно прошло через представляющий интерес объект (403) и дифракционную решетку (100, 200);
в котором дифракционная решетка (100, 200) имеет фокусированную геометрию;
в котором дифракционная решетка (100, 200) имеет геометрическую ось, которая расположена в направлении к источнику излучения, когда дифракционная решетка установлена в указанном устройстве для формирования изображения, в котором дифракционная решетка изготовлена способом по одному из пп.1-4 и содержит:
материал (701) пластины;
первую канавку (101) в материале (701) пластины и имеющую глубину в первом направлении, при этом первое направление отличается от геометрической оси, так что первая канавка (101) наклонена относительно геометрической оси;
вторую канавку (102) в материале (701) пластины;
в котором первая канавка (101) наклонена под первым углом относительно геометрической оси;
в котором вторая канавка (102) наклонена под вторым углом относительно геометрической оси;
в котором первый угол меньше, чем второй угол, и
стенки первой и второй канавок являются гладкими.
11. Устройство для формирования изображения по п.10, дополнительно содержащее:
последовательность канавок (101-113),
в котором каждая канавка из последовательности канавок наклонена под соответствующим углом относительно геометрической оси, и
в котором соответствующий угол возрастает от канавки к канавке.
12. Устройство для формирования изображения по одному из пп.10 и 11, дополнительно содержащее:
вторую дифракционную решетку (200), которая представляет собой поглощающую дифракционную решетку (G2), расположенную перед детектором (402);
в котором вторая дифракционная решетка (200) также имеет фокусированную геометрию, адаптированную к положению дифракционной решетки.
13 Устройство для формирования изображения по одному из пп.10 и 11, дополнительно содержащее:
третью дифракционную решетку (300), которая представляет собой поглощающую решетку (G0), имеющую трапециевидную геометрию и расположенную между источником (400) и фазовой дифракционной решеткой (100), и которая делает возможным, по меньшей мере частично, когерентное освещение фазовой дифракционной решетки (100).
14. Устройство для формирования изображения по одному из пп.10 и 11, дополнительно содержащее:
по меньшей мере один привод или шаговый двигатель (408);
в котором пучок излучения, испускаемый источником, имеет оптическую ось (404);
в котором привод или шаговый двигатель выполнен с возможностью по меньшей мере одного из перемещения по меньшей мере одной из фазовой дифракционной решетки (100) и второй дифракционной решетки (200) перпендикулярно к оптической оси пучка излучения, испускаемого источником, и изменения эффективной глубины канавок для падающего пучка излучения путем наклонения дифракционной решетки на заданный угол.
15. Устройство для формирования изображения по одному из пп.10 и 11,
в котором источник (101) представляет собой источник рентгеновского излучения; и
где устройство выполнено с возможностью функционирования в качестве устройства формирования дифференциального фазово-контрастного изображения на основе рентгеновского излучения.
| US 0005116461 A1 26.05.1992 | |||
| Колосоуборка | 1923 |
|
SU2009A1 |
| JP 2009037023 A 19.02.2009 | |||
| WO 2007057500 A1 24.05.2007 | |||
