API в ПО OpticStudio Zemax для моделирования рентгеновских интерфорометров
Обычно рентгеновская визуализация ограничивается детектированием поглощения или ослабления света объектом. Поскольку многие материалы имеют одинаковые коэффициенты поглощения, их трудно отличать. Более того, когда разрешение ограничено большим размером пикселей, как это часто бывает у медицинских или досмотровых сканеров, также трудно различать, например, жидкости и порошки. Однако современные достижения позволили создать простые версии рентгеновских систем визуализации на основе интерферометров. Эти системы, называемые интерферометрами Тальбота-Лау, не только формируют традиционные изображения затухания, но также создают изображения дифференциального фазового контраста и рассеяния (или так называемые изображения в темном поле). Эти дополнительные возможности визуализации позволяют лучше отличать материалы с разным химическим составом и микроструктурами.
На сегодняшний день моделирование рентгеновских интерферометров Тальбота-Лау обусловлено методами физической оптики, что вносит ограничения на размер и сложность объектов. Инженеры из Стэнфордского университета недавно показали, что для преодоления этого ограничения можно использовать непоследовательную трассировку лучей в ПО Opticstudio от Zemax. Выше приведены смоделированные рентгеновские изображения тюбика зубной пасты из оргстекла, баллончика с кремом для бритья и складного ножа из нержавеющей стали. Изображение (а) представляет собой стандартное изображение затухания рентгеновских лучей. На изображение (b) показан дифференциально фазовый контраст, а (c) – изображение в темном поле. Для тюбика с зубной пастой реализовано многочисленное рассеяние лучей, чтобы выделить его в режиме темного поля; это может представлять собой, например, рассеяние от зернистой пасты.
Для того, чтобы смоделировать свой рентгеновский интерферометр с использованием информации о трассировке лучей, ученые из Стэнфорда объединили возможности программы Matlab и интерфейс прикладного программирования (API) OpticStudio от Zemax. API - это инструмент объектно-ориентированного программирования, который позволяет практически любой программе полностью контролировать работу OpticStudio. Совмещая работу программы для трассировки лучей с математическим инструментом, можно решать новый круг вопросов.
Интерферометр Тальбота-Лау использует три дифракционные решетки. Решетка G0 преобразует круговой источник в массив квазилинейных источников с определенной пространственной частотой. Решетка G2, имеющая период, равный периоду интерференционной картины, используется в качестве анализатора сигнала, поскольку пиксели детектора слишком велики для непосредственного обнаружения интерференционных полос. Решетка G1 используется для генерации двух интерференционных лучей; дифракционные порядки +1 и -1 выходят из решетки под немного разными углами и интерферируют в плоскости детектора.
При отсутствии объектов в плоскости G2 формируется эталонная интерферограмма. Когда один или несколько объектов попадают в ход луча, интерферограмма искажается. Ход двух лучей - опорного и объектного, можно проследить для прогнозирования локального изменения интерферограммы в том пространственном месте, где объектный луч пересекает детектор. Во-первых, среднее количество интерференционных полос в окрестности объектного луча может уменьшиться, если интенсивность объектного луча по сравнению с опорным лучом уменьшается из-за затухания. Кроме того, величина отклонения луча из-за отражения дает локальный фазовый сдвиг полосы. Прослеживая множество лучей от источника, можно определить изменение всей интерферограммы. Рассеянный свет, который представляет собой случайное отклонение от хода лучей, может вызвать комбинацию фазовых сдвигов для любого заданного пикселя, на который попадают рассеянные лучи. Это, в свою очередь, снижает контраст возникающих интерференционных полос, что приводит к возникновению сигнала темного поля. Таким образом, отслеживая достаточно большое количество лучей, можно построить высококачественные изображения реалистичных объектов для всех трех режимов визуализации.
Используемая оптическая модель (схематически изображенная ниже) была реализована в непоследовательном режиме трассировки лучей, также использовались инструменты ПО OpticStudio от Zemax, такие как импорт САПР, поверхностное рассеяние и объемное рассеяние. Matlab использовался для управления моделью, включения и выключения объектов, запуска трассировки лучей, сохранения лучей, выполнения пользовательской сортировки, анализа лучей и восстановления окончательных изображений.
Этот новый подход к моделированию интерферометра Тальбота-Лау может помочь создать новое поколение медицинских сканеров и досмотровых сканеров с улучшенной производительностью и расширенными возможностями.
Компания АЗИМУТ ФОТОНИКС является официальным дистрибьютором ПО Zemax в России. По всем вопросам, касающимся покупки лицензии и технической поддержки, пожалуйста, обращайтесь к нашим менеджерам.
