微型计算机断层扫描（micro-CT）由于其三维和非破坏性的高分辨率表征能力，已成为材料科学[1]、[2]、[3]、生物科学[4]、[5]、[6]、能源研究[7]、[8]和工业设计[10]中不可或缺的研究工具。传统的micro-CT系统通过旋转扫描[11]、[12]、[13]获取投影数据，我们在本文中将这些系统统称为RCT系统。传统micro-CT系统的采样密度受到探测器像素物理特性的限制。具体来说，探测器单元的有效感光区域与采样间隔存在固有的不匹配——这种不匹配直接导致系统无法满足香农采样定理的核心要求，成为限制成像性能的关键瓶颈。这一瓶颈不仅严重限制了micro-CT实现高分辨率成像能力，还在复合材料研究领域带来了实际应用挑战：在分析复合材料内部结构时，难以准确表征决定材料机械性能和服务寿命的关键微观缺陷（例如，纤维裂纹、界面空洞）。这种缺乏表征能力进一步阻碍了对“复合材料微观结构-宏观性能”相关机制的深入分析，最终限制了复合材料性能的最优设计和工程应用的创新[14]、[15]。
研究人员提出了多种技术方法来解决micro-CT采样密度不足的问题，例如通过系统偏移策略来提高采样密度。这些偏移方法包括探测器移动[16]、[17]、[18]、样品亚像素位移[19]和X射线源平移[20]、[21]。然而，这些技术需要高精度的运动控制，要求具有极高定位精度和高重复性的微位移平台。关键的是，位移过程必须保持无振动操作，这不可避免地增加了系统的复杂性和实施成本[22]。此外，基于X射线源平移的方法在高几何放大条件下需要超过10,000次投影采样[23]，大大降低了数据处理效率。
与机械偏移解决方案相比，电子束偏转飞行焦点（FFS）技术在处理采样不足问题方面表现出明显优势。通过电磁场动态控制X射线源焦点位置，FFS可以在不进行机械结构修改的情况下提高采样频率，为克服传统micro-CT系统的分辨率限制提供了一种新方法。
电子束偏转技术最初被集成到医用CT管中，成功开发出了Straton管[24]。随后应用于多层螺旋CT，该管通过控制电子束在阳极靶上的轰击位置实现了Z方向FFS扫描，有效抑制了螺旋CT中的混叠伪影，同时提高了Z方向成像分辨率[25]。近年来，基于高速电子束扫描的3D CT成像系统的发展显著增强了瞬态过程检测能力，能够捕捉毫秒级的瞬态运动现象[26]、[27]。在临床应用中，FFS技术已被证实能够显著提高数字乳腺断层合成中的各向同性分辨率和检测效率，特别是提高了小病变成像的清晰度。这一进步为早期乳腺癌筛查提供了更可靠的解决方案[28]、[29]。在研究层面，不仅在探索应用场景方面取得了实质性进展，还在开发FFS的重建算法方面取得了进展。关于焦点扫描的基本几何研究[30]导致了扇形束近似重排算法[31]的提出，为这项技术奠定了理论基础。为了进一步推进FFS在医用CT中的应用，研究人员为低剂量条件开发了专用的迭代重建框架[32]。特别值得注意的是，哈佛医学院最近将FFS技术与双源CT（DS-CT）结合，开发出了双源动态焦点扫描CT（DS-DFFS CT）[33]。通过精确的几何建模，研究人员提出了基于联合估计原生几何（JENG）的重建算法，成功实现了图像分辨率的提高和伪影的抑制。
值得注意的是，尽管FFS技术在医用CT研究中得到了广泛研究，但由于两种系统在成像几何和分辨率要求上的显著差异，其在micro-CT系统中的应用仍然有限。为了满足人类成像的需求，医用CT采用了大视野（FOV）和低几何放大率的设计，其中焦点的小幅变形不会被显著放大，其对成像质量的影响可以忽略不计。相比之下，micro-CT需要通过高几何放大率实现高分辨率，任何微小的焦点变形都会直接导致重建图像的模糊，因此对焦点稳定性提出了极高的要求。其次，医用CT用于区分人体解剖结构（例如器官、骨骼），其空间分辨率目标为0.5–1毫米，焦点尺寸在毫米级别。相比之下，micro-CT旨在分辨材料微缺陷、生物微血管和其他微结构，其分辨率目标低于10微米，焦点尺寸在微米级别。它对轴外偏转引起的失真更为敏感，即使是微小的变形也会导致分辨率的显著变化。此外，医用CT的焦点采用静态大尺寸设计，其核心目标是最大化X射线通量以实现快速扫描。其尺寸远大于偏转引起的变形，因此自然能够容忍变形。相比之下，micro-CT的焦点尺寸较小，对变形非常敏感，需要主动控制来抵消影响。总之，micro-CT系统需要集成动态焦点系统与实时反馈控制策略，以减轻电子束偏转引起的焦点变形。
最近的进展[34]、[35]通过开发具有高精度空间定位控制的电子束扫描架构解决了这些挑战。首先，一种具有优越线性特性的磁偏转装置生成了高度线性的偏转场，实现了小于1微米的空间精度的电子束定位控制。其次，实现了电子束动态聚焦系统，有效减轻了束偏转引起的焦点变形。这些技术被成功集成到开放式微焦点X射线源中，构建了一种新型的电子束扫描阵列微焦点X射线源（EBS-XS）。EBS-XS使得在micro-CT系统中实现FFS扫描成为可能。
本研究基于电子束扫描阵列微焦点X射线源（EBS-micro-CT）构建了一个高分辨率micro-CT系统。突破了传统单焦点CT系统的限制，EBS-micro-CT能够在固定投影角度下动态调节焦点位置，获取多焦点投影数据。通过对采样不足的投影数据进行频域分析，本研究发现了一个基本机制：焦点偏移通过相位干涉效应调节混叠光谱的幅度。精确控制焦点偏移距离改变了投影数据中混叠成分和高频信息之间的相位干涉强度，从而在不同焦点位置产生独特的高频特征。利用这一机制，在EBS-micro-CT扫描过程中可以对投影数据中的高频成分进行互补重建，最终提高重建图像的空间分辨率。数值模拟和物理实验验证了这种独特的相位干涉调制机制，并确认了EBS-micro-CT在提高空间分辨率方面的有效性。
本文的结构如下：第2节详细介绍了EBS-micro-CT系统、其成像几何结构、重建算法以及由焦点偏移引起的相位干涉调制机制。第3节介绍了实验方法和结果。第4节和第5节分别提供了讨论和结论。
