虚假分辨率现象

2023年6月5日 | 安德烈亚斯·德雷施、吉娜·瑙约卡特

偶然间,我们最近与客户共同遇到了一种以前未曾关注过的现象。一张表面上分辨率极高的X射线图像最终被证明是虚假的。仿真模型揭开了这个谜团。

我们的客户向我们展示了一张线宽为 0.4 µm 的 JIMA 分辨率结构的 X 射线图像。

JIMA分辨率结构是用于检查包括在用微焦点 X射线源在内的图像链分辨率的最知名图像质量指标(IQI)之一。在相应的微焦点 应用中,当焦斑的半高全峰宽度*小于0.7 µm时,会采用0.4 µm的最小分段。 该结构由六条各0.4 µm的线**、七个0.4 µm的间隔以及一个较宽的边框组成。

 

这张看似分辨率很高的X射线图像,其结构轮廓却出人意料地模糊,这让我们感到困惑。

Jima-fig_1
JIMA图表

 

 

 

这促使我们进行了一些实验。为了进行比较,我们对相应JIMA测试试样的三种不同结构进行了扫描,并分别绘制了每种结构中标记区域的轮廓图。

在0.7 µm波长下,我们获得了以所选焦斑为中心的解析图像,其中谱线结构清晰可见,且谱线轮廓显示出六条谱线。

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在 0.6 µm 波长下,这六条谱线也都得到了成像,尽管噪声已经明显增大。

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即使在0.4 µm的分辨率下,通过后续图像处理(提高对比度,但这也会增加噪声),我们仍能获得一张分辨清晰的图像,剖面图中的所有线条也清晰可见。

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但我们的输入图像中,轮廓线只有五条,而不是六条。由于图像信息发生重叠,且显示的结构存在失真,因此必须将其视为未解析的。

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我们利用仿真软件,通过模拟一个直径为1.7 µm、亮度均匀的圆形焦斑,重现了这一现象,并得到了相同的结果。

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我们现在关注的是,不同焦斑尺寸(此处均以均匀亮度的圆形圆盘直径表示)在0.4 µm结构下的表现,并重点考察识别出的谱线数量。以0.1 µm为步长,一切运行顺利,直至1.0 µm。

0.1 µm 焦斑——6 条线:

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0.6 µm 焦斑——6 条线:

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0.8 µm 焦斑——6 条线:

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1.0 µm 焦斑——6 条线:

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1.1 µm 焦斑——完全看不到任何单线!

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1.2 µm焦斑——仅可见 5 条线!

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从焦斑处的1.7 µm开始,向1.8 µm方向延伸5行,直至信号微弱:

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Jima-fig_25

在1.9 µm的焦斑处,同样也看不见任何条纹了:

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在 2.0 µm 处仅出现 4 条(微弱)谱线,

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这些在2.1 µm波长下显得非常清晰:

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Jima-fig_31

我们能够重现这一过程,直到在2.8 µm处仅能看到三条谱线,

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随后情况又变得清晰起来。提醒一下:JIMA结构包含6行!所有其他表示方式都不符合实际情况。

 

因此,这一现象显然取决于所用焦斑的形状和大小,并且可以通过模拟模型进行数值再现。

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观察带有模拟焦斑的图像的调制传递函数(MTF)时,可以看到曲线在若干空间频率处达到零线,这些频率对应于分辨率条纹的不同线宽,即图像在这些频率下将完全不显示对比度。 两个此类点之间的区域对应于可见线条数量的减少。只有在低于选定阈值的第一个(!)区间内,相应的结构尺寸才能被视为已被分辨。一个基于人眼感知能力的常用阈值是10%。

通过此次模拟,我们旨在说明:测试样品的图像即使看似分辨率足够高,也不一定能如实呈现其实际结构。在使用不同的JIMA测试样品时,强烈建议核实结构中所有线条是否确实存在。Comet Yxlon在其CT系统中提供了一款集成于Geminy 的操作系统辅助软件,该软件可防止误判,并始终确保实际能达到的分辨率!您可以在下方查看一份分辨率测试报告的示例。欢迎随时联系我们。

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* 目前,该尺寸范围内的焦斑尺寸测定尚未实现标准化。作为NanoXSpot资助项目的一部分,在Comet Yxlon的参与下,进一步开发了两种方法,并提议将其纳入标准化流程。

** 公称值。在 23°C 条件下,公差为 ±10%。随附的证书中载明了最终验收时测得的实际尺寸。

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