JP2003116829A - X線反射型断層画像測定方法及びその装置 - Google Patents
X線反射型断層画像測定方法及びその装置Info
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Abstract
ことができるX線反射型断層画像測定方法及びその装置
を提供する。 【解決手段】 干渉光学系は、X線源1と、3つのSi
ブロックを有するSi干渉計3と、試料4とを備え、X線
源1からのX線2は、数mm程度の幅を持ちビーム状にS
i干渉計3へ入射し、第1のSiブロックB1にブラッグ
角θBで入射し、このとき第1のSiブロックB1のすべ
てのビーム入射領域で透過波(0次回折波)と1次回折
波が発生し、前記透過波は直進して試料4に入射し、試
料4内では大部分は透過するが、試料4内での3次元屈折
率分布によって、伝播路に伴い微弱な散乱光が3次元的
に発生し、これらが信号光となる。また、第1のSiブ
ロックB1での一次回折波は、第2のSiフ゛ロックB2でブラッグ
回折により第3のSiフ゛ロックB3に向かい、この第3のSiフ゛ロック
B3では再度1次回折波となり、これが参照光となり、前
記信号光と参照光との干渉は、該信号光と参照光がそれ
ぞれ、ブラッグ条件を満たし、両者の光路差が、光源の
コヒーレンス長以内にある。
Description
過性とナノオーダーのコヒーレンス長を用いて、3次元
物体に対して数センチから数十センチの深さ範囲をナノ
オーダーの空間分解能で試料(サンプル)を断層画像化
するX線反射型断層画像測定方法及びその装置に関する
ものである。
(OCT)では、光源の波長が0.7μm−1.6μm
の近赤外領域であり、高価で複雑なモードロックフェム
ト秒レーザを用いて、約1μmの空間分解能が実現され
ている。しかし、それ以上の高い空間分解能は、光源の
さらなるスペクトル幅の拡大化と、それに伴う分散補償
の問題から困難である。また、測定領域は、生体による
光波の吸収と散乱により数ミリ程度が限界である。
的に十分なものではなく、問題を解決すべく新しい方法
が必要である(参照文献〔5〕:September
1,1999/Vol.24,No.17/OPTIC
S LETTERS 1221〜1223、参照文献
〔6〕:計測と制御 第39巻、第4号 2000年4
月号 pp.259〜266)。また、X線を用いた透
過型の位相コントラストイメージングは、参照文献
〔3〕:光学 29巻 5号(2000)pp.287
(17)〜294(24)に記述してあるように既に報
告されている。
たX線を用いた透過型の位相コントラストイメージング
は、ナノオーダー3次元分解能化、高感度化のためのヘ
テロダイン検出、複雑な逆問題を必要としない方法など
には触れていない。
い、しかも簡素化と高感度化を図ることができるX線反
射型断層画像測定方法及びその装置を提供することを目
的とする。
成するために、 〔1〕X線反射型断層画像測定方法において、X線源、
結像光学素子・位相変調素子を含む干渉光学系と、2次
元画像測定系とを有し、試料からの散乱X線を信号光
波、干渉光学系で生ずる位相変調された光波を参照光波
としたとき、これら2つの光波のヘテロダインビート信
号から得られる散乱X線の2次元強度情報を用いて、前
記試料の断層画像を測定することを特徴とする。
て、X線源、結像光学素子・位相変調素子を含む干渉光
学系と、2次元画像測定系とを備え、試料からの散乱X
線を信号光波、干渉光学系で生ずる位相変調された光波
を参照光波としたとき、2つの光波のヘテロダインビー
ト信号から得られる散乱X線の2次元強度情報を用いて
断層画像を測定することを特徴とする。
像測定装置において、前記干渉光学系は、X線源1と、
3つのSiブロックを有するSi干渉計3と、試料4と
を備え、X線源1からのX線2は、数mm程度の幅を持
ちビーム状にSi干渉計3へ入射し、第1のSiブロッ
クB1にブラッグ角θBで入射し、このとき第1のSi
ブロックB1のすべてのビーム入射領域で透過波(0次
回折波)と1次回折波が発生し、前記透過波は直進して
試料4に入射し、この試料4内では大部分は透過し、こ
の試料4内での3次元屈折率分布によって、伝播路に伴
い微弱な散乱光が3次元的に発生し、これらが信号光と
なり、第1のSiブロックB1での一次回折波は、第2
のSiブロックB2でブラッグ回折により第3のSiブ
ロックB3に向かい、この第3のSiブロックB3では
再度1次回折波となり、これが参照光となり、前記信号
光と参照光との干渉は、この信号光と参照光がそれぞ
れ、ブラッグ条件を満たし、両者の光路差が、光源のコ
ヒーレンス長以内にあることを特徴とする。
て詳細に説明する。
調素子を含む干渉光学系、2次元画像測定系において、
試料からの散乱X線を信号光波、干渉光学系で生ずる位
相変調された光波を参照光波としたとき、2つの光波の
ヘテロダインビート信号から得られる散乱X線の2次元
強度情報を用いて断層画像を測定することを特徴とす
る。
学系と奥行き方向分解能、〔C〕X線断層画像測定装
置、〔D〕生体内からの後方散乱光の発生と検出につい
て順次説明する。
下の場合に限られ、可視光に対するミラーのようなもの
は実現が困難である。そこで、ブラッグ反射が有効とな
る。ブラッグ反射を用いると結晶軸の選択によって、回
折角を大きくすることが可能となる(参照文献〔1〕:
X線結像光学,波岡武、山下広順 共編、培風館、p
p.7−16,pp.69−73)。
説明図である。
に説明する。
ラッグ角(入射角)、格子間隔d、回折角2θ、ミラー
指数(hkl)、単位格子の稜の長さをaとすると、次
式が成り立つ(参照文献〔2〕:新版 X線回折要論
松村源太郎 訳 株式会社アグネ pp.79−8
4)。
543nm)に対して、X線管からのCu−Kα線(波
長0.154nm)を仮定するとブラッグ角は57°と
なる。
械研磨、化学研磨をして作成され、図2に示すように、
第1のブロックB1,第2のブロックB2,第3のブロ
ックB3の3つのブロックから構成される。
で、各ブロック間において原子オーダーの精度で散乱格
子が一致しており、各ブロックからの回折波でも連続し
てブラッグ回折が生じる。
2のブロックB2の幅W2 は1mm、その厚さD2 は1
00nmであり、厚さD2 が薄いのは奥行き方向の分解
能を向上させるためである。
D0 は15mm、基台B0の底面から各ブロックB1,
B2,B3の頂上の高さHは13mm、第1、第3ブロ
ックB1,B3の幅W1 ,W3 は10mm、その厚さD
1 ,D3 は1mmである。
B3を機械研磨、化学研磨で仕上げ、第2のブロックB
2を厚い状態に残して、スペースの部分を高分子材料な
どで埋めて第2のブロックB2のみをエッチングで薄く
するなどの方法が考えられる。
する。
向分解能の説明図である。
3は上記したブロックB1、B2、B3を有するSi干
渉計、4は試料である。
を持ちビーム状にSi干渉計3へ入射し、第1のブロッ
クB1にブラッグ角θBで入射する。このとき第1のブ
ロックB1のすべてのビーム入射領域で透過波(0次回
折波)と1次回折波が発生する。今、第1のブロックB
1の代表的な2点A,Bに着目する。A,B点での透過
波は直進して試料4に入射する。試料4内では大部分は
透過するが、試料4内での3次元屈折率分布によって、
伝播路に伴い微弱な散乱光が3次元的に発生し、これら
が信号光となる。
2のブロックB2でブラッグ回折により第3のブロック
B3に向かい、第3のブロックB3では再度1次回折波
となり、これが参照波となる。信号光と参照光との干渉
は、信号光と参照光がそれぞれブラッグ条件を満たし、
両者の光路差が、光源1のコヒーレンス長以内であると
きに生じる。Si結晶のブラッグ回折による角度精度は
数秒程度と非常に高い(上記参照文献〔1〕のpp.9
3−96)。
へ散乱光が発生するが、その中でブラッグ角と同じ角度
の散乱光のみが信号光の候補となる。
長以内の条件より、試料4内の有効な散乱領域は、ほぼ
参照光路に対応して第2のブロックB2のW2 ×D2 の
領域に限られる。コヒーレンス長lc に対応する試料4
内のZ軸方向距離ΔZc は、次式となる。
7°とすると、Zc は、238nmとなる。この場合、
第2のブロックB2の厚さD2 が100nmなので、試
料の奥行き方向分解能は100nmとなる。ΔZc >D
2 のとき、試料の奥行き方向分解能はΔZc となり、Δ
Zc <D2 のとき、試料の奥行き方向分解能はDとな
る。また、横方向の有効領域は第2のブロックB2の幅
W2 となる。つまり、参照波と信号波の光路は、概ね左
端をAとする菱形から、その左端をBまでずらした場合
のすべての光路となる。
置について説明する。
層画像測定装置の構成図である。
線、13は上記したブロックB1、B2、B3を有する
Si干渉計、14は試料、15は位相変調器、16は結
像素子(Imaging Optics)、17は2次
元画像測定装置(X線画像センサー)である。
光、X線レーザなどが挙げられるが、実用的には汎用性
が重要であり、その点から汎用的なX線管を用いる。
線を仮定すると波長は0.154nmであり、コヒーレ
ンス長は約400nmとなる。出射光は、直径1mm程
度でコリメートされたビームとなる(上記参照文献
〔1〕のpp.19)。
のSi結晶に対して、波長0.154nmを仮定すると
ブラッグ角は57°となる。このとき、図4に示すよう
なSi結晶をベースとした干渉光学系(Si干渉計)が
構成される。X線源11からの光波は第1のブロックB
1に入射して0次回折波と1次回折波が生ずる。一次回
折波は、先述のように参照波となるが、ヘテロダイン検
出のために位相変調器(例えば、上記参照文献〔3〕p
p.292)15によって位相変調される。
乱光である信号光を発生させる。発生した信号光は結像
素子16で集光されて、第3のブロックB3に向かう
が、ブラッグ条件の角度選択性は非常に鋭いために結像
素子16からの信号光はSiを回折よりは透過して、2
次元画像測定系へ向かう。この2次元画像測定装置17
の光電面で信号光と参照光により2次元干渉画像が生
じ、その時間変化がヘテロダインビート信号となる。
と微弱な信号光とをミキシングすることにより信号光検
出に対して、高感度化を図ることである。これより、
(参照文献〔4〕:位相シフト法 March 1,1
999/Vol.24,No.5/OPTICS LE
TTERS pp.309〜311)などを用いること
により、試料14の断層画像が得られる。
射鏡(上記参照文献〔1〕のpp.126−129)や
ゾーンプレート(上記参照文献〔1〕のpp.96−9
9,pp.132−135)などが有用である。いずれ
も近年その加工精度が向上している。ここでは、ゾーン
プレートを例に取り上げる。
り、そのゾーンプレート21は、図5に示すような光学
素子であり、結像と分光機能を併せ持つ。ゾーンプレー
ト21は、円形開口内のフレネルの半波長帯を一つおき
に不透明にし、透明帯と不透明帯を同心輪帯状に並べた
透過型の光学素子である。同心円に内側から番号nを
1,2,3,4,5,とする。n番目の円の半径r
n は、使用波長λと焦点距離fとして次式で与えられ
る。
るのがわかる。
mmとして、r1 =3.922μm(n=20),r2
=4.019μm(n=21)で、幅が0.097μm
となり、一般的な作製技術ではほぼ100nmが限界で
ある。このとき直径約8mmであり、NAはsin38
°=0.625となることから、λ/NAを横方向空間
分解能とすると0.246nmとなる。
る。例えば、試料とゾーンプレート間隔を5mm、ゾー
ンプレートと画像測定装置のCCD面までの間隔を50
cmとして、X線用CCDの画素間隔を20μmとする
と、対応する空間分解能は0.2μmとなり、サブミク
ロンの空間分解能が実現される。
出 近赤外領域では、生体試料からの後方散乱光を信号光と
してOCTがすでに実用化されているが(上記参照文献
〔6〕)、X線の領域では生体試料からの後方散乱光を
ヘテロダイン検出する報告はまだされていない。そこで
周辺技術や関連報告からその実現性について微視的点に
立ち入って述べる。
る。物質によるX線の散乱には弾性散乱と非弾性散乱が
ある。前者は、散乱波の波長が入射波の波長と同じなの
で、散乱の前後で一定の位相関係が保たれている。した
がって、物質が結晶などの場合に散乱波は互いに干渉し
合って回折現象が生ずる。後者は、散乱の前後で物質と
のエネルギーのやり取りから波長が変化するので干渉は
生じない。
ている。自由な電子やゆるく束縛される電子に、強度I
oのX線が入射した際に、距離Rで観測される散乱波の
強度Ie は、次式で与えられる。
mc2=2.82×10 -13(cm)は電子の古典半径
で、Pは偏光因子である。入射するX線が偏っていない
場合には、散乱角φを用いるとPは次式となる。
度(φ=π)は等しい事がわかる。1個の電子による弾
性散乱の強度は、式(5)で与えられるので、次に、1
個の孤立した原子によって生ずる散乱を取り上げる。原
子の核外電子は電子雲として広がって存在している。電
子雲の大きさとX線の波長との間には著しい差はない。
このような原子から散乱されるX線の強度を求めるのは
電子雲の各部分から散乱される波の振幅と位相を考慮し
て合成すれば良い。このとき原子による散乱強度Iは、
次式となる。
状態と散乱波を結びつける因子である。上式でρは、原
子核からr離れた点での電子密度、θはブラッグ角であ
る。一連のこの散乱波強度を求めるプロセスは、入射波
の散乱ポテンシャルによる散乱現象において、入射波は
変化しない程度の散乱という条件でボルン近似と呼ばれ
ており、一般的な考え方である。
−シェラ−カメラが一般に用いられている。帯状のフィ
ルムの感光面を内側に輪を作り、これを試料が中心に来
るようにセットする。さらにして輪の直径がX線のパス
になるようにフィルムに2つ穴をあける。このようにし
て前方散乱波から後方散乱波までを連続的に測定できる
カメラである。
前方から後方散乱波を用いた測定は一般的である(参照
文献〔7〕:セラミックス基礎講座3 東京工業大学工
学部無機材料工学科 編 X線回折分析 加藤誠軌 著
内田老鶴圃 pp.152)。
乱波を用いたOCTにおいては、その後方散乱波E(S)
は次式で示されている。(参照文献〔8〕:JOURN
ALof BIOMEDICAL OPTICS 1
(2),157−173 APRIL 1996 p
p.157−173)
(r)は、それぞれ散乱波、入射波、散乱ポテンシャ
ル、生体組織の複素屈折率である。OCTでは生体組織
からの微弱な後方散乱光波をヘテロダイン検出を用いて
高感度に検出している。後方散乱光波は、位相変調を受
けた強力な参照波と混合されて、次式のようなヘテロダ
インビート信号IHBとして検出される。
るのが可能であり、一般には振幅情報から断層画像が測
定されている。
報告されており、上述の後方散乱波の式に基づいて、X
線の散乱現象について述べる。
h , μa h , ph は、それぞれ位相シフトに関係した
量、減衰に関係した量、古典電子半径、元素hの原子密
度、原子番号、原子散乱因子異常項の実数部、原子吸収
係数、位相シフトの相互作用断面積である。
積に依存することが分かる。phの数値例を上記参照文
献〔3〕の図1に示す。波長が1.5A(8.3ke
V)の場合、生体に関係の深い元素である酸素(原子番
号:8)、炭素(原子番号:6)、ナトリウム(原子番
号:11)、カリウム(原子番号:19)、カルシウム
(原子番号:20)のphは、10-20−10-19の範囲
にあり、一桁の範囲に分布している事がわかる。
似的にF=2k2δとなる。よって、式(9)より散乱
波E(s)は、E(s)∝δで、ヘテロダインビート信号は、
式(10)よりIHB∝E(R)δE(S)∝δと表される。こ
れより、ヘテロダインビート信号を通して、原子の密度
と相互作用散乱断面積に関する情報が得られることがわ
かる。
あり、ナノオーダーでの生体分子構造・機能に関した情
報が得られるものと考えられる。生体物質とX線との相
互作用においては、クラスター構造の作用などにより予
想以外の効率も期待されると考えられる。まさに新しい
領域である。
がなされ、メーカーから高性能なカメラがすでに市販さ
れている。一例として、X線用のフラットパネルセンサ
の仕様を表1に示す。特性としては、原理確認等の実験
には十分の特性である。X線検出に関してイメージイン
テンシファイヤーなどの素子(浜松ホトニクス株式会社
製 冷却型デジタルCCDカメラ)が市販されており、
様々な素子を組み合わせることにより高感度なイメージ
ング測定システムの構築が可能である。
いて述べた。前者については、ヘテロダインビート信号
を通して、原子の密度と相互作用散乱断面積に関する情
報が得られ、さらに3次元の生体分子構造・機能に関し
た情報が得られるものと考えられる。
性能向上により高感度なイメージセンサが市販されてい
る。さらに、本発明はSpring−8のような大規模
なX線源を用いないことも大きなメリットであり、小型
汎用のX線源(浜松ホトニクス株式会社製 100kV
MICROFOCUS X−RAY SOURCEL
7901−01)も市販されている。以上より、本発明
は実現性が非常に高いものであると言える。
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
よれば、以下のような効果を奏することができる。
X線を用いることにより、ナノオーダーの空間分解能が
実現され、測定領域がX線の透過性により数センチ、数
十センチに及ぶ。
いており、軟X線のように大掛かりな装置を一切必要と
しない。さらに、高感度なヘテロダイン検出技術を用い
るので、X線の照射量も小さく被爆の問題もない。
オーダーの空間分解能と測定領域の大幅な拡大によっ
て、例えば臨床的に生きた状態で体の深部の断層画像測
定が可能になる。基礎医学から臨床医学の分野にわたっ
て、今までわからなかった様々なことの解明に役立つと
考えられる。また、X線は従来半導体産業をはじめさま
ざまな産業分野で用いられてきた。よって、医学分野、
さらに、半導体や他の産業分野への波及効果は多大であ
る。
る。
る。
説明図である。
装置の構成図である。
る。
Claims (3)
- 【請求項1】 X線源、結像光学素子・位相変調素子を
含む干渉光学系と、2次元画像測定系とを有し、試料か
らの散乱X線を信号光波、干渉光学系で生ずる位相変調
された光波を参照光波としたとき、該2つの光波のヘテ
ロダインビート信号から得られる散乱X線の2次元強度
情報を用いて、前記試料の断層画像を測定することを特
徴とするX線反射型断層画像測定方法。 - 【請求項2】(a)X線源、結像光学素子・位相変調素
子を含む干渉光学系と、(b)2次元画像測定系とを備
え、(c)試料からの散乱X線を信号光波、干渉光学系
で生ずる位相変調された光波を参照光波としたとき、該
2つの光波のヘテロダインビート信号から得られる散乱
X線の2次元強度情報を用いて断層画像を測定すること
を特徴とするX線反射型断層画像測定装置。 - 【請求項3】 請求項2記載のX線反射型断層画像測定
装置において、前記干渉光学系は、X線源と、3つのS
iブロックを有するSi干渉計と、試料とを備え、X線
源からのX線は、数mm程度の幅を持ちビーム状にSi
干渉計へ入射し、第1のSiブロックにブラッグ角θB
で入射し、このとき第1のSiブロックのすべてのビー
ム入射領域で透過波と1次回折波が発生し、前記透過波
は直進して試料に入射し、該試料内では大部分は透過
し、該試料内での3次元屈折率分布によって、伝播路に
伴い微弱な散乱光が3次元的に発生し、信号光となり、
第1のSiブロックでの一次回折波は、第2のSiブロ
ックでブラッグ回折により第3のSiブロックに向か
い、該第3のSiブロックでは再度1次回折波が発生
し、参照光となり、前記信号光と参照光との干渉は、該
信号光と参照光がそれぞれ、ブラッグ条件を満たし、両
者の光路差が、光源のコヒーレンス長以内にあることを
特徴とするX線反射型断層画像測定装置。
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JP2001319225A JP3667678B2 (ja) | 2001-10-17 | 2001-10-17 | X線反射型断層画像測定方法及びその装置 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012130586A (ja) * | 2010-12-22 | 2012-07-12 | Fujifilm Corp | 放射線画像検出装置、放射線撮影装置、及び放射線撮影システム |
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CN114371607A (zh) * | 2020-10-15 | 2022-04-19 | 四川大学 | 一种基于复合波带片的数字全息成像系统 |
-
2001
- 2001-10-17 JP JP2001319225A patent/JP3667678B2/ja not_active Expired - Fee Related
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