JP2006058279A

JP2006058279A - Ｘ線シアリング干渉計

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Publication number: JP2006058279A
Application number: JP2005062614A
Authority: JP
Inventors: Koichi Iwata; 耕一岩田; Yoshihiko Takeda; 佳彦武田
Original assignee: Osaka Industrial Promotion Organization
Current assignee: Osaka Industrial Promotion Organization
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2006-03-02

Abstract

【課題】Ｘ線光学素子の位置決め精度を緩和でき、可干渉性の低いＸ線源でもＸ線干渉を実現でき、一般用途への実用化が図られるＸ線シアリング干渉計を提供する。
【解決手段】Ｘ線シアリング干渉計は、Ｘ線を分割するＸ線分割光学系１０と、Ｘ線分割光学系１０によって分割されたＸ線を干渉させるＸ線干渉光学系２０などで構成され、Ｘ線分割光学系１０とＸ線干渉光学系２０との間には物体Ｗが配置され、Ｘ線分割光学系１０は、間隔Ｄ１で配置された一対の人工格子１１，１２と、人工格子１２からの回折Ｘ線のうち所望の回折Ｘ線だけをブラッグ回折によって選択する結晶格子１３を含み、Ｘ線干渉光学系２０は、間隔Ｄ２で配置された一対の人工格子２１，２２と、人工格子２２からの回折Ｘ線のうち所望の回折Ｘ線だけをブラッグ回折によって選択する結晶格子２３を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体のＸ線位相分布を計測するためのＸ線シアリング干渉計に関する。

Ｘ線を用いた非破壊検査や医療診断の分野において、一般には、物体のＸ線吸収による強度分布をＸ線フィルムやＸ線センサを用いて計測している。これに対してＸ線が物体を通過する際にＸ線の位相が変化することから、Ｘ線干渉を利用して位相情報を計測することによって物体のＸ線透過画像を得る手法が提案されている。

Ｘ線干渉計は、２つのタイプに大別される。第１のタイプは、物体を通過したＸ線と、物体外を通過したＸ線とを干渉させる参照光型干渉計である。第２のタイプは、物体を通過した２つのＸ線を干渉させるシアリング型干渉計であり、物体内において少し位置ずれした二光線を干渉させる。この位置ずれをシア(Shear)と称する。

シアリング干渉計の内、単結晶ブレードを用いるもの（特許文献１、非特許文献１参照）では、シリコンからなる単結晶ブレードを２枚１組で用い、結晶格子によるブラッグ回折を利用している。このブレードをＸ線分割系とＸ線干渉系の２組を用いて可干渉性のよくないＸ線光源でも用いることができる。しかし、ブラッグ回折を利用しているため、シア量が大きくなり空間的分解能を向上することができない。また、シリコン結晶の大きさに限りがあるため、大きな物体に対して用いることができない。

シアリング干渉計の内、人工格子を用いるもの（非特許文献２参照）は、分割光学系を用いず、干渉光学系のみの１組を用いている。そのため、シンクロ可干渉性のよい光源を使用する必要がある。

特許第３５０２１８２号公報 K. Iwata, A. Kawasaki and H. Kikuta, "Phase Imaging with a Phase-Shifting X-Ray Shearing Interferometer Using an X-Ray Line Source", Optical Review, 7(6), pp. 561-565, 2000 C. David, B. Noehammer, H. H. Solak and E. Ziegler, "Differential x-ray phase contrast imaging using a shearing interferometer", Applied Physics Letters, Vol. 81(17), pp. 3287-3289, October 21, 2002 Momose,A., Takeda, T., Itai, Y., Hirano, K., 1996, Phase-contrast X-ray computed tomography for observing biological soft tissues, Nature Medicine,2, 473. Momose, A., Kawamoto, S., Koyama, I., Hamaishi, Y., Takai, K., Suzuki, Y., 2003, Demonstration of X-ray Talbot interferometry, Jpn. J. Appl. Phys., 42, L866.

Ｘ線シアリング干渉計では、シア量の大きい干渉計で小さい物体に用いるか、可干渉性のよいＸ線源としてシンクロトロン放射光（たとえば、スプリング８）を使用する必要がある。そのため、研究用途に限定され、非破壊検査や医療診断など一般用途への実用化が困難となる。そのため、高圧電源Ｘ線管など、普通のＸ線源を用いて、しかも、分解能よく大きな物体に利用可能なＸ線シアリング干渉計が要望されている。

従来のシアリング干渉計（特許文献１参照）では、Ｘ線分割用に２枚１組の単結晶ブレードと、Ｘ線干渉用に２枚１組の単結晶ブレードと、計２組のブレード対を用いているため、可干渉性の良くないＸ線源であっても比較的良好な干渉縞が得られている。また、人工格子干渉計（非特許文献２参照）では、２枚１組の結晶格子と人工格子を用いて物体のＸ線干渉像が得られているが、可干渉性の良いＸ線源が不可欠である。

回折に関与する格子ピッチは結晶の格子定数（一般には、数Åのオーダー）で規定されるため、Ｘ線回折角が必然的に大きくなり、２組のブレード対の間の相対位置調整が極めて困難となる。また、物体での空間分解能を高めるため、シア量を小さくするには、１組内でのブレード間隔を１ｍｍ以下に設定する必要がある。こうしたブレード対を単結晶の加工によって製造することも極めて困難である。

本発明の目的は、Ｘ線光学素子の位置決め精度を緩和でき、可干渉性の低いＸ線源でもＸ線干渉を実現でき、一般用途への実用化が図られるＸ線シアリング干渉計を提供することである。

本発明に係るＸ線シアリング干渉計は、Ｘ線を分割するためのＸ線分割光学系と、
Ｘ線分割光学系によって分割されたＸ線を干渉させるためのＸ線干渉光学系とを備え、
Ｘ線分割光学系とＸ線干渉光学系との間に配置された物体のＸ線位相差情報が得られ、
Ｘ線分割光学系は、所定間隔で配置された第１人工格子および第２人工格子と、第２人工格子からの回折Ｘ線のうち所望の回折Ｘ線だけをブラッグ回折によって選択するための第１結晶格子とを含み、
Ｘ線干渉光学系は、所定間隔で配置された第３人工格子および第４人工格子と、第４人工格子からの回折Ｘ線のうち所望の回折Ｘ線だけをブラッグ回折によって選択するための第２結晶格子とを含むことを特徴とする。

また、本発明に係るＸ線シアリング干渉計は、Ｘ線を発生するためのＸ線源と、
Ｘ線源からのＸ線を分割するためのＸ線分割光学系と、
Ｘ線分割光学系によって分割されたＸ線を干渉させるためのＸ線干渉光学系と、
Ｘ線干渉光学系によって干渉したＸ線を撮像して、Ｘ線分割光学系とＸ線干渉光学系との間に配置された物体のＸ線位相差情報を得るためのＸ線撮像素子とを備え、
Ｘ線分割光学系は、所定間隔で配置された第１人工格子および第２人工格子と、第２人工格子からの回折Ｘ線のうち所望の回折Ｘ線だけをブラッグ回折によって選択するための第１結晶格子とを含み、
Ｘ線干渉光学系は、所定間隔で配置された第３人工格子および第４人工格子と、第４人工格子からの回折Ｘ線のうち所望の回折Ｘ線だけをブラッグ回折によって選択するための第２結晶格子とを含み、
Ｘ線源のＸ線軸に対して垂直な第１直線、第１結晶格子の回折中心を通過する第２直線、および物体を通過する第３直線が第１点で交差し、第１直線と第２直線のなす角および第２直線と第３直線のなす角が互いに等しく、かつ、物体を通過する第４直線、第２結晶格子の回折中心を通過する第５直線、およびＸ線撮像素子の光軸に対して垂直な第６直線が第２点で交差し、第４直線と第５直線のなす角および第５直線と第６直線のなす角が互いに等しくなるように、Ｘ線源、第１結晶格子、第２結晶格子およびＸ線撮像素子が配置されていることを特徴とする。

本発明において、Ｘ線源は、Ｘ線シア方向に延びる線状のＸ線を発生し、Ｘ線撮像素子は、エリアセンサで構成されることが好ましい。

また本発明において、第１結晶格子および第２結晶格子は、透過ブラッグ回折または反射ブラッグ回折を行うことが好ましい。

また、本発明に係るＸ線シアリング干渉計は、Ｘ線を発生するためのＸ線源と、
Ｘ線源からのＸ線を分割するためのＸ線分割光学系と、
Ｘ線分割光学系によって分割されたＸ線を干渉させるためのＸ線干渉光学系と、
Ｘ線干渉光学系によって干渉したＸ線を撮像して、Ｘ線分割光学系とＸ線干渉光学系との間に配置された物体のＸ線位相差情報を得るためのＸ線撮像素子と、
Ｘ線撮像素子からの撮像信号に基づいて、物体のＸ線位相画像を算出するための信号処理回路とを備え、
Ｘ線分割光学系は、所定間隔で配置された第１人工格子および第２人工格子と、第２人工格子からの回折Ｘ線のうち所望の回折Ｘ線だけをブラッグ回折によって選択するための第１結晶格子とを含み、
Ｘ線干渉光学系は、所定間隔で配置された第３人工格子および第４人工格子と、第４人工格子からの回折Ｘ線のうち所望の回折Ｘ線だけをブラッグ回折によって選択するための第２結晶格子とを含み、
Ｘ線源、Ｘ線分割光学系、Ｘ線干渉光学系およびＸ線撮像素子が物体の周りを相対的に旋回することにより、信号処理回路が物体のＣＴ画像を算出することを特徴とする。

また、本発明に係るＸ線シアリング干渉計は、
Ｘ線を分割するための第１格子と、
第１格子によって分割されたＸ線を干渉させるための第２格子とを備え、
第１格子の格子ピッチをｐ１、第２格子の格子ピッチをｐ２（但し、ｐ１≠ｐ２）、第１格子と第２格子の間の距離Ｌ１、第２格子と観測面との間の距離をＬ２として、
Ｌ１／Ｌ２＝（ｐ１−ｐ２）／ｐ２
を満たすことを特徴とする。

本発明において、各人工格子は、０．１μｍ〜１００μｍの格子ピッチを有することが好ましい。

本発明によれば、Ｘ線分割光学系およびＸ線干渉光学系において、従来の結晶格子の代わりに、人工格子を採用している。人工格子は、結晶格子定数より大きな格子ピッチを有する周期的構造をエッチングなどで高精度に製作したものである。そのため、回折に関与する格子ピッチが従来より大きくなり、逆にＸ線回折角は小さくなることから、Ｘ線分割光学系とＸ線干渉光学系との間の相対位置決め精度を緩和することができる。

また、人工格子によるＸ線回折角が小さいことから、人工格子対の間隔を大きく設定してもシア量を小さく維持できるため、物体での高い空間分解能を達成できる。さらに、人工格子対の間隔が従来よりも大きくなると、人工格子の製作、Ｘ線光学系の組立て、アライメントなどが極めて容易になり、コスト低減化が図られる。

また、人工格子による回折は、従来のようなブラッグ回折ではないため、複数の回折Ｘ線が発生する。そのため、人工格子対の後段に結晶格子を配置し、結晶格子のブラッグ回折を利用することにより、特定の回折Ｘ線（典型的には、＋１次および−１次の回折Ｘ線）だけを選択し、不必要な回折Ｘ線（典型的には、＋２次以上および−２次以下の回折Ｘ線）を除去することができる。

従来の人工格子を用いたシアリング干渉計（非特許文献２参照）では、２枚１組の結晶格子と人工格子しかを用いていないが、本発明では、Ｘ線分割光学系およびＸ線干渉光学系のそれぞれに２枚１組の結晶格子および人工格子を用いている。その結果、可干渉性の低いＸ線源であっても、シアリング干渉を実現できるようになり、非破壊検査や医療診断など一般用途への実用化が容易になる。

さらに、Ｘ線分割光学系およびＸ線干渉光学系を物体の周りに同期旋回させて、物体に関して多方向のＸ線透過像を取得し、所定の信号処理を施すことによって、物体のＣＴ(Computed Tomography)画像を得ることができる。こうしたＣＴ画像は、物体のＸ線屈折率分布に対応するものであり、従来のＸ線吸収画像と相違するため、新たな解析手法を提供することができる。

また、異なる格子ピッチを有する２枚の格子を用いたシアリング干渉計では、第１格子に入射するＸ線のうち、第１格子で＋１次回折Ｘ線となり、第２格子で−１次回折Ｘ線となるＸ線と、第１格子で−１次回折Ｘ線となり、第２格子で＋１次回折Ｘ線となるＸ線は、第２格子から距離Ｌ２にある観測面で合致するようになる。そのため、物体を第２格子の前方または後方に配置した場合、物体中の僅かに離れた位置をそれぞれ通過するＸ線の干渉縞が観測面で得られるようになる。その結果、可干渉性の低いＸ線源であっても、シアリング干渉を実現できるようになり、非破壊検査や医療診断など一般用途への実用化が容易になる。

実施の形態１．
図１（ａ）は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、図１（ｂ）は人工格子の一例を示す斜視図である。Ｘ線シアリング干渉計は、Ｘ線分割光学系１０と、Ｘ線干渉光学系２０などを備える。計測対象である物体Ｗは、Ｘ線分割光学系１０とＸ線干渉光学系２０の間に配置される。

Ｘ線分割光学系１０は、前段に設けられたＸ線源（不図示）からのＸ線をシア分割する機能を有し、一対の人工格子１１，１２と、結晶格子１３などで構成される。人工格子１１，１２は、Ｘ線軸に沿った間隔Ｄ１を隔てて、互い平行に配置される。

Ｘ線干渉光学系２０は、Ｘ線分割光学系１０によって分割されたＸ線を干渉させる機能を有し、一対の人工格子２１，２２と、結晶格子２３などで構成される。人工格子２１，２２は、Ｘ線軸に沿った間隔Ｄ２を隔てて、互い平行に配置される。間隔Ｄ１，Ｄ２は、Ｘ線分割光学系１０でのシア量とＸ線干渉光学系２０でのシア量が同じになるように、設定される。

人工格子１１，１２，２１，２２は、図１（ｂ）に示すように、板材の表面にエッチングなどで周期的構造を高精度に形成したものであり、結晶格子定数より大きな格子ピッチｐを有する。波長１ｐｍ〜１ｎｍ程度のＸ線を回折させる場合、例えば、０．１μｍ〜１００μｍの格子ピッチｐに設定することが好ましい。

また、周期的構造の高さｈは、５μｍ〜１００μｍ程度が好ましく、一般に、アスペクト比（＝高さｈ／幅ｋ）が大きいほど、高い回折効率が得られる。また、板材のＸ線屈折率は高いほど、高い回折効率が得られるため、例えば、シリコンなどの半導体結晶板、金属板、ガラス板を用いて周期的構造を形成することが好ましい。

また、人工格子１１，１２，２１，２２において、０次回折Ｘ線を低減するには、アスペクト比（＝ｈ／ｋ）の大きい周期的構造が必要となる。空気と人工格子のＸ線屈折率の差をΔｎとして、人工格子の高さｈは、下記の式（１）となるように設定することが好ましい。

例えば、屈折率差Δｎ＝１０^−６、λ＝０．１ｎｍの場合、高さｈ＝５０μｍとなる。人工格子の材料としてシリコン単結晶を使用した場合、異方性エッチングを適用することによって、高いアスペクト比の人工格子が得られる。さらに、入射Ｘ線軸に対して壁面に沿って人工格子を傾斜させることによって、Ｘ線に作用する見かけのアスペクト比を高くすることができる。

結晶格子１３，２３は、シリコンなどの半導体や金属からなる単結晶で構成される。結晶格子のブラッグ回折を利用することにより、前段に配置された人工格子が発生する複数の回折Ｘ線のうち、特定の回折Ｘ線、例えば、＋１次および−１次の回折Ｘ線だけを選択し、不必要な回折Ｘ線、例えば、＋２次以上および−２次以下の回折Ｘ線を除去するＸ線フィルタとして機能する。なお、本実施形態では、結晶格子１３，２３を透過ブラッグ回折となるように配置した例を示している。

次に、Ｘ線シアリング干渉計の動作について説明する。Ｘ線源からのＸ線がＸ線分割光学系１０の人工格子１１に入射すると、Ｘ線軸および格子配列方向を含む面内で複数方向の回折Ｘ線が発生する。なお、図１（ａ）では、理解容易のため、＋１次および−１次の回折Ｘ線だけを図示している。

人工格子１２は、人工格子１１と平行に間隔Ｄ１で配置され、人工格子１１からの複数の回折Ｘ線をさらに回折して、複数の回折Ｘ線を発生する。例えば、人工格子１１からの＋１次回折Ｘ線は、人工格子１２による−１次の回折によって、Ｘ線軸と平行なＸ線に変換される。また、人工格子１１からの−１次回折Ｘ線は、人工格子１２による＋１次の回折によって、Ｘ線軸と平行なＸ線に変換される。こうして一定間隔で互いに平行な２つのＸ線が得られる。

一般に、人工格子１１からの＋Ｎ次回折Ｘ線は、人工格子１２による−Ｎ次の回折によって、Ｘ線軸と平行なＸ線に変換され、人工格子１１からの−Ｎ次回折Ｘ線は、人工格子１２による−Ｎ次の回折によって、Ｘ線軸と平行なＸ線に変換される。しかしながら、高いアスペクト比を有する人工格子１１，１２を使用した場合、＋２次以上および−２次以下の回折Ｘ線の強度は格段に小さくなることから、以下の説明では無視することにする。

一方、人工格子１１での回折次数と人工格子１２での回折次数が、正負を逆にして一致しない回折Ｘ線は、Ｘ線軸に対して斜めに進行する。

結晶格子１３は、入射Ｘ線軸に対して、固有の結晶格子定数に対応した特定のブラッグ回折角となるように配置される。従って、入射Ｘ線軸に対して平行なＸ線は特定の方向に回折されるが、入射Ｘ線軸に対して非平行なＸ線はブラッグ回折が生じないため、ブラッグ回折方向に進行するＸ線だけを選択的に利用することができる。

図１（ａ）において、Ｘ線の波長λ、格子ピッチｐを用いて、人工格子１１での＋１次回折Ｘ線と−１次回折Ｘ線のなす角度αは、下記の式（２）で表される。また、人工格子１２でのシア量Ｓは、間隔Ｄ１を用いて下記の式（３）で表される。

例えば、格子ピッチｐ＝１μｍ、間隔Ｄ１＝１００ｍｍ、波長λ＝０．１ｎｍの場合、角度α＝２×１０^−４（ｒａｄ）、シア量Ｓ＝２０μｍとなる。

物体Ｗには、シア量Ｓを持つ２つのＸ線が通過する。このとき物体ＷのＸ線屈折率およびＸ線通過長に応じて２つのＸ線の間に位相差が生じ、Ｘ線干渉光学系２０に入射する。

Ｘ線干渉光学系２０では、物体Ｗによって位相差が生じた２つのＸ線同士を干渉させる。シア量Ｓを持つ２つのＸ線が人工格子２１に入射すると、Ｘ線軸および格子配列方向を含む面内で複数方向の回折Ｘ線が発生する。なお、図１（ａ）では、理解容易のため、＋１次および−１次の回折Ｘ線だけを図示している。

人工格子２２は、人工格子２１と平行に間隔Ｄ２で配置され、人工格子２１からの複数の回折Ｘ線をさらに回折して、複数の回折Ｘ線を発生する。例えば、人工格子２１からの＋１次回折Ｘ線は、人工格子２２による−１次の回折によって、Ｘ線軸と平行なＸ線に変換される。また、人工格子２１からの−１次回折Ｘ線は、人工格子２２による＋１次の回折によって、Ｘ線軸と平行なＸ線に変換される。Ｘ線干渉光学系２０でのシア量は、上記式（３）でのＤ１を間隔Ｄ２で置換すれば、同様に算出できる。間隔Ｄ１，Ｄ２は、Ｘ線分割光学系１０でのシア量とＸ線干渉光学系２０でのシア量が同じになるように設定され、人工格子１１，１２の格子ピッチｐ１と人工格子２１，２２の格子ピッチｐ２が互いに異なる場合、間隔Ｄ１，Ｄ２を調整することによって、各光学系でのシア量を一致させることができる。

そのうち、物体Ｗを通過した２つのＸ線のうち、一方についての−１次回折Ｘ線と、他方についての＋１次回折Ｘ線とが、人工格子２２の格子面で交差し、さらに人工格子２２によってＸ線軸と平行なＸ線に変換され、互いに干渉する。

結晶格子２３は、結晶格子１３と同様に、入射Ｘ線軸に対して、固有の結晶格子定数に対応した特定のブラッグ回折角となるように配置される。従って、入射Ｘ線軸に対して平行なＸ線は特定の方向に回折されるが、入射Ｘ線軸に対して非平行なＸ線はブラッグ回折が生じないため、ブラッグ回折方向に進行するＸ線だけを選択することができる。

こうしてＸ線源で発生した１つのＸ線は、Ｘ線分割光学系１０によって時間的かつ空間的コヒーレンスを保持する２つのＸ線に分割された後、２つのＸ線はシア量Ｓでもって物体Ｗを通過して、再びＸ線干渉光学系２０において干渉する配置が存在する。こうした配置によって、物体Ｗの位相差に応答するＸ線シアリング干渉計を実現できる。

実施の形態２．
図２は、本発明の第２実施形態を示す構成図である。Ｘ線シアリング干渉計は、Ｘ線分割光学系１０と、Ｘ線干渉光学系２０などを備え、結晶格子１３，１４，２３を反射ブラッグ回折となるように配置している。

Ｘ線分割光学系１０は、前段に設けられたＸ線源（不図示）からのＸ線をシア分割する機能を有し、図１（ｂ）に示す一対の人工格子１１，１２と、結晶格子１３などで構成される。人工格子１１，１２は、Ｘ線軸に沿った間隔Ｄ１を隔てて、互い平行に配置される。

Ｘ線干渉光学系２０は、Ｘ線分割光学系１０によって分割されたＸ線を干渉させる機能を有し、図１（ｂ）に示す一対の人工格子２１，２２と、結晶格子２３などで構成される。人工格子２１，２２は、Ｘ線軸に沿った間隔Ｄ２を隔てて、互い平行に配置される。

結晶格子１４は、結晶格子１３，２３と同様に、シリコンなどの半導体や金属からなる単結晶で構成され、結晶格子のブラッグ回折を利用することにより、特定の回折Ｘ線だけを選択し、不必要な回折Ｘ線を除去するＸ線フィルタとして機能する。

本実施形態では、結晶格子１３，１４，２３として、いわゆる非対称反射Ｘ線結晶を採用し、反射ブラッグ回折となるように配置した例を示している。図２に示すように、結晶格子１３，１４，２３の結晶方位を適切に設定することによって、結晶方位に関するブラッグ角が等しく、かつ、結晶表面に関してＸ線入射角よりＸ線回折角が大きくなり、２つのＸ線のシア量を拡大することができる。

Ｘ線シアリング干渉計の動作は、図１の透過型のものと同様であり、Ｘ線源で発生した１つのＸ線は、Ｘ線分割光学系１０によって時間的かつ空間的コヒーレンスを保持する２つのＸ線に分割された後、２つのＸ線はシア量Ｓでもって物体Ｗを通過して、再びＸ線干渉光学系２０において干渉する配置が存在する。こうした配置によって、物体Ｗの位相差に応答するＸ線シアリング干渉計を実現できる。

実施の形態３．
図３は、本発明の第３実施形態を示す構成図である。Ｘ線シアリング干渉計は、Ｘ線源１と、Ｘ線分割光学系１０と、Ｘ線干渉光学系２０と、Ｘ線撮像素子３０と、信号処理回路３２などで構成される。

Ｘ線源１は、Ｘ線シア方向に延びる線状Ｘ線を発生する。

結晶格子１３，２３は、シリコンなどの半導体や金属からなる単結晶で構成され、結晶格子のブラッグ回折を利用することにより、特定の回折Ｘ線だけを選択し、不必要な回折Ｘ線を除去するＸ線フィルタとして機能する。なお、本実施形態では、結晶格子１３，２３を透過ブラッグ回折となるように配置した例を示している。

Ｘ線撮像素子３０は、Ｘ線シア方向およびこれに垂直な方向に沿って多数の受光画素が配列したエリアセンサで構成され、受光したＸ線の強度分布に応じた画像信号を出力する。図３に示すシア面内おいて、Ｘ線源１からのＸ線はＸ線軸とほぼ平行に進行するため、Ｘ線撮像素子３０では物体Ｗとほぼ等倍のＸ線像が撮像される。一方、シア面内と垂直な面内では、Ｘ線源１からのＸ線はＸ線軸に沿って拡がって進行するため、Ｘ線撮像素子３０では（Ｘ線源１からＸ線撮像素子３０までの光学長）／（Ｘ線源１から物体Ｗまでの光学長）という倍率で拡大した物体ＷのＸ線像が撮像される。

信号処理回路３２は、Ｘ線撮像素子３０からの画像信号に所定の信号処理を施して、物体Ｗに関するＸ線位相画像を算出する。

Ｘ線シアリング干渉計の動作は、図１のものと同様であり、Ｘ線源で発生した１つのＸ線は、Ｘ線分割光学系１０によって時間的かつ空間的コヒーレンスを保持する２つのＸ線に分割された後、２つのＸ線はシア量Ｓでもって物体Ｗを通過して、再びＸ線干渉光学系２０において干渉する配置が存在する。こうした配置によって、物体Ｗの位相差に応答するＸ線シアリング干渉計を実現できる。

本実施形態では、線状Ｘ線を発生するＸ線源１を使用しているため、人体などの比較的大きな形状を有する物体Ｗの位相画像を得ることができる。従って、Ｘ線源１、Ｘ線分割光学系１０、Ｘ線干渉光学系２０およびＸ線撮像素子３０が物体Ｗの周りを相対的に旋回することにより、物体Ｗを中心として複数方向から撮像した位相画像が得られる。信号処理回路３２は、複数方向から撮像した位相画像に所定の断層画像アルゴリズムを適用することによって、物体ＷのＣＴ(Computed Tomography)画像を算出することができる。

なお、相対的な旋回とは、ａ）物体Ｗを固定して、Ｘ線シアリング干渉計が回転する場合、ｂ）Ｘ線シアリング干渉計を固定して、物体Ｗが回転する場合、ｃ）物体ＷおよびＸ線シアリング干渉計が互いに異なる速度で回転する場合、などを意味する。

ここでは、結晶格子１３，２３を透過ブラッグ回折となるように配置した例を示したが、図２のように反射ブラッグ回折となる配置でも構わない。

実施の形態４．
図４は、本発明の第４実施形態を示す構成図である。Ｘ線シアリング干渉計は、図３のものと同様に、Ｘ線源１と、Ｘ線分割光学系１０と、Ｘ線干渉光学系２０と、Ｘ線撮像素子３０と、信号処理回路３２などで構成される。

本実施形態では、Ｘ線源１、結晶格子１３，２３およびＸ線撮像素子３０を適切な配置に設定することによって、Ｘ線スペクトルの広がりによる影響を低減している。

図４に示すように、Ｘ線分割光学系１０に関して、Ｘ線軸およびＸ線シア方向を含む面内において、Ｘ線源１のＸ線軸に対して垂直で、Ｘ線焦点の長手方向と同じ方向に延びる直線をＬ１、結晶格子１３の回折中心を通過する直線をＬ２、物体Ｗを通過する直線をＬ３とする。このとき直線Ｌ１、直線Ｌ２および直線Ｌ３は同一の点Ｏａで交差し、直線Ｌ１と直線Ｌ２のなす角β_１および直線Ｌ２と直線Ｌ３のなす角β_１が互いに等しくなるように、Ｘ線源１および結晶格子１３の位置および姿勢を決定している。

さらにＸ線干渉光学系２０に関して、Ｘ線シア面内において、物体Ｗを通過する直線をＬ４、結晶格子２３の回折中心を通過する直線をＬ５、Ｘ線撮像素子３０の光軸に対して垂直で、撮像面３０ａの長手方向と同じ方向に延びる直線をＬ６とする。このとき直線Ｌ４、直線Ｌ５および直線Ｌ６は、同一の点Ｏｂで交差し、直線Ｌ４と直線Ｌ５のなす角β_２および直線Ｌ５と直線Ｌ６のなす角β_２が互いに等しくなるように、結晶格子２３およびＸ線撮像素子３０の位置および姿勢を決定している。

こうした配置において、Ｘ線源１のある一点から発したＸ線に着目する。なお、他の点から発したＸ線についてはそのまま平行移動すれば、同様な議論を適用できる。結晶格子１３を中心にしてＸ線源１および物体Ｗが配置されているため、結晶格子１３によって異なる波長に対して異なる角度で回折したＸ線は、物体Ｗ上で同じ位置を通過するようになる。同様に、結晶格子２３を中心にして物体ＷおよびＸ線撮像素子３０が配置されているため、結晶格子２３によって異なる波長に対して異なる角度で回折したＸ線は、Ｘ線撮像素子３０上で同じ位置を通過するようになる。従って、Ｘ線スペクトルが広がっていても、シアリング干渉に関与するＸ線は、Ｘ線源１、物体ＷおよびＸ線撮像素子３０で同じ位置を通過するようになるため、広いＸ線スペクトルに渡って干渉縞を観測することができる。

シア量Ｓは、上記の式（３）で表されることから、物体ＷによるＸ線光路差Φはシア量Ｓに比例すると考えて、下記の式（４）で表される。なお、ｃは光速である。

従って、Ｘ線位相差は波長に依存しない。すなわち、上述のような配置を採用することによって、Ｘ線スペクトルに依存せず、同じ干渉縞が現れる。その結果、Ｘ線スペクトルの広がりによる干渉縞のコントラスト低下を低減することができる。

実施の形態５．
図５は本発明の第５実施形態を示す構成図であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は側面図である。Ｘ線シアリング干渉計は、図３のものと同様に、Ｘ線源１と、Ｘ線分割光学系１０と、Ｘ線干渉光学系２０と、Ｘ線撮像素子（不図示）と、信号処理回路（不図示）などで構成される。なお、理解容易のため、構成要素の図示を一部省略している。

本実施形態では、人工格子１１，１２，２１，２２を入射Ｘ線軸に対して壁面に沿って角度ψで傾斜させることによって、Ｘ線に作用する見かけのアスペクト比を高くし、回折効率を向上させている。

次に、図５（ａ）を用いて、格子間隔Ｄ１，Ｄ２と可干渉性について検討する。格子間隔の差をΔＤ（＝Ｄ１−Ｄ２）とし、格子を通過したＸ線の角度をαとすると、人工格子１２でのＸ線と人工格子２２でのＸ線とは、ΔＤ×αだけずれることになり、空間的コヒーレンス条件を満足しない可能性が懸念される。空間的コヒーレンス条件は、コヒーレンスの広がりをｔ、スリットからの距離をｒ、スリット幅をｗ、波長をλとして、ｔ＝ｒ×λ／ｗで表される。

そこで、結晶格子１３による回折角度の半値全幅をΔθ、Ｘ線源１から人工格子１１までの距離をＬＡとして、人工格子１１と結晶格子１３はほほ同じ位置にあると考えると、人工格子１１での有効なＸ線の広がりＤｗは、下記の式（５）で表される。

例えば、Δθ＝１０^−５、ＬＡ＝１ｍとすると、Ｄｗ＝１０μｍとなる。

そこで、上記の空間的コヒーレンス条件を用いて、コヒーレンスの広がりｔは下記の式（６）で表される。

例えば、Δθ＝１０^−５とすると、コヒーレンスの広がりｔ＝４０μｍとなる。これが、格子間隔の差によるＸ線ずれΔＤ×αとほぼ一致すると考えた場合、α＝２×１０^−４とすると、ΔＤ＝２００ｍｍと計算される。即ち、格子間隔Ｄ１，Ｄ２の差が２００ｍｍ以下であれば、空間的コヒーレンス条件を満足することになり、現実には、格子間隔誤差はほとんど影響しないことが判る。

実施の形態６．
図６（ａ）、図６（ｂ）は、本発明の第６実施形態を示す構成図である。図６（ａ）は、Ｘ線源１が平行なＸ線を発生する場合を示し、図６（ｂ）は、Ｘ線源１が発散するＸ線を発生する場合を示す。

Ｘ線シアリング干渉計は、Ｘ線源１と、第１格子４１と、第２格子４２と、Ｘ線撮像素子３０と、信号処理回路３２などで構成される。計測対象である物体Ｗは、第２格子４２の前方または後方に配置される。

第１格子４１は、前方に設けられたＸ線源１からのＸ線をシア分割する機能を有する。第２格子４２は、第１格子４１によって分割されたＸ線を干渉させる機能を有する。第１格子４１の格子ピッチと第２格子４２の格子ピッチは互いに異なっているため、第１格子４１の回折角度と第２格子４２の回折角度も互いに異なることになる。

異なる格子ピッチを有する２枚の格子を用いたシアリング干渉計では、第１格子４１に入射するＸ線のうち、第１格子４１で＋１次回折Ｘ線となり、第２格子４２で−１次回折Ｘ線となるＸ線と、第１格子４１で−１次回折Ｘ線となり、第２格子４２で＋１次回折Ｘ線となるＸ線は、第２格子４２から距離Ｌ２にある観測面で合致するようになる。そのため、物体Ｗを第２格子４２の前方または後方に配置した場合、物体中の僅かに離れた位置をそれぞれ通過するＸ線の干渉縞が観測面で得られるようになる。

第１格子４１および第２格子４２は、位相格子として形成され、各格子の谷の深さは、０次回折Ｘ線が消えるような深さに加工する。各格子４１，４２をシリコンや石英で作成した場合、格子の谷の深さは１０〜２０μｍ程度に設定される。このとき±１次回折Ｘ線が強く生ずるため、これらの干渉縞を得ることができる。

まず図６（ａ）において、第２格子４２のすぐ後に物体Ｗを配置し、物体Ｗが第２格子４２と同じ位置にあると考える。第１格子４１の格子ピッチをｐ１、第２格子４２の格子ピッチをｐ２（但し、ｐ１≠ｐ２）、第１格子４１と第２格子４２の間の距離Ｌ１、第２格子４２と観測面である撮像面３０ａとの間の距離をＬ２とし、第１格子４１の回折角度をθ１、第２格子４２の回折角度をθ２とする。第１格子４１によるシア量ｓは、次のようになる。

ｓ＝２×θ１×Ｌ１ …（７）

観測面において、分割されたＸ線が一致することから、次の式が成立する。但し、λはＸ線の波長である。

ｓ＝２×Δθ×Ｌ２ …（８）
Δθ＝θ２−θ１＝λ（１／ｐ２−１／ｐ１） …（９）

これらの２つのシア量ｓが等しいとする。
Ｌ１／ｐ１＝（１／ｐ２−１／ｐ１）Ｌ２
書き換えると、
Ｌ１／Ｌ２＝（ｐ１−ｐ２）／ｐ２ …（１０）

従って、式（１０）を満たすように、ｐ１，ｐ２，Ｌ１，Ｌ２を選択することによって、観測面において物体ＷのＸ線位相差に基づくＸ線干渉縞を得ることができる。また、式（１０）では、波長λが現れていないことから、波長λによらず観測面が同じであることが判る。

このとき干渉縞のピッチｐｉは、２Δθで決まる。
ｐｉ＝λ／（２Δθ）＝ｐ１×ｐ２／｛２（ｐ１−ｐ２）｝ …（１１）

このピッチｐｉは、Ｘ線撮像素子３０の分解能より充分に大きい必要がある。例えば、シア量をｓ＝５μｍ、波長λ＝０．１ｎｍとし、第１格子４１の格子ピッチｐ１＝１０μｍ、第２格子４２の格子ピッチｐ２＝１０μｍとし、Ｌ１＝０．２５ｍ、Ｌ２＝１ｍとする。このとき観測面における干渉縞のピッチｐｉは、２０μｍと計算される。

第１格子４１および第２格子４２は、上述した各実施形態と同様に、図１（ｂ）に示すように、板材の表面にエッチングなどで周期的構造を高精度に形成した人工格子であることが好ましく、結晶格子定数より大きな格子ピッチｐを有する。波長１ｐｍ〜１ｎｍ程度のＸ線を回折させる場合、例えば、０．１μｍ〜１００μｍの格子ピッチｐに設定することが好ましい。

次に、Ｘ線源１の点光源としての大きさについて検討する。図７に示すように、光源の半径をａ、観測位置からそれを見込む角をγ、光源と観測位置の距離をＬとすると、次の式が成立する。
γ＝ａ／Ｌ …（１２）

このとき、観測位置での可干渉距離ρは、次の式で表される。
ρ＝０．６１×λ／γ …（１３）

これから、観測位置でＸ線が一致していると、干渉することが分かる。観測位置がΔＬだけずれていると、Ｘ線のずれは次のようになる。
Δ＝２×ΔＬ×ｓｉｎΔθ …（１４）

光源の半径ａは、次のように表される。
ａ＝γＬ＜＜０．６１Ｌλ／ρ＝０．３Ｌλ／ΔＬ／Δθ＝０．６Ｌｐ／ΔＬ …（１５）

例えば、Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＋２（ｍ）とし、ΔＬを１０ｍｍとすると、光源の大きさは３ｍｍ以上になる。即ち、光源の大きさはほとんど考えなくともよい。

ところで、観測位置には、図７に示すように、干渉に関係ない回折Ｘ線も入射する。この回折Ｘ線は、干渉して欲しくない。回折Ｘ線の距離は、２θ×Ｌ２であることから、これが干渉しないように、次の式を満たせばよい。
ａ＝γＬ＞＞０．６１Ｌλ／（２θ×Ｌ２）＝０．３Ｌ×ｐ２／Ｌ２ …（１６）

これから、光源の大きさは８μｍ以上であればよいことが判る。
光源の大きさは、像の分解能に影響する。このとき、観測面上での広がりｒは、次のように表される。
ｒ＝ａ×Ｌ２／（Ｌ−Ｌ２） …（１７）

この大きさは、光源の大きさとほぼ同じである。特に、人体などの計測では、５０μｍの分解能で充分であると考えられ、光源の大きさも５０μｍ程度に設定すればよいことが判る。

本発明は、Ｘ線を用いた非破壊検査や医療診断の分野において、物体のＸ線透過画像が得られる点で有用な技術である。

図１（ａ）は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、図１（ｂ）は人工格子の一例を示す斜視図である。本発明の第２実施形態を示す構成図である。本発明の第３実施形態を示す構成図である。本発明の第４実施形態を示す構成図である。本発明の第５実施形態を示す構成図であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は側面図である。本発明の第６実施形態を示す構成図であり、図６（ａ）は平行Ｘ線を発生する場合、図６（ｂ）は発散Ｘ線を発生する場合を示す。Ｘ線源の大きさについての説明図である。

符号の説明

１Ｘ線源
１０Ｘ線分割光学系
１１，１２人工格子
１３，１４結晶格子
２０Ｘ線干渉光学系
２１，２２人工格子
２３結晶格子
３０Ｘ線撮像素子
３２信号処理回路
４１第１格子
４２第２格子

Claims

Ｘ線を分割するためのＸ線分割光学系と、
Ｘ線分割光学系によって分割されたＸ線を干渉させるためのＸ線干渉光学系とを備え、
Ｘ線分割光学系とＸ線干渉光学系との間に配置された物体のＸ線位相差情報が得られるＸ線シアリング干渉計において、
Ｘ線分割光学系は、所定間隔で配置された第１人工格子および第２人工格子と、第２人工格子からの回折Ｘ線のうち所望の回折Ｘ線だけをブラッグ回折によって選択するための第１結晶格子とを含み、
Ｘ線干渉光学系は、所定間隔で配置された第３人工格子および第４人工格子と、第４人工格子からの回折Ｘ線のうち所望の回折Ｘ線だけをブラッグ回折によって選択するための第２結晶格子とを含むことを特徴とするＸ線シアリング干渉計。
Ｘ線を発生するためのＸ線源と、
Ｘ線源からのＸ線を分割するためのＸ線分割光学系と、
Ｘ線分割光学系によって分割されたＸ線を干渉させるためのＸ線干渉光学系と、
Ｘ線干渉光学系によって干渉したＸ線を撮像して、Ｘ線分割光学系とＸ線干渉光学系との間に配置された物体のＸ線位相差情報を得るためのＸ線撮像素子とを備え、
Ｘ線分割光学系は、所定間隔で配置された第１人工格子および第２人工格子と、第２人工格子からの回折Ｘ線のうち所望の回折Ｘ線だけをブラッグ回折によって選択するための第１結晶格子とを含み、
Ｘ線干渉光学系は、所定間隔で配置された第３人工格子および第４人工格子と、第４人工格子からの回折Ｘ線のうち所望の回折Ｘ線だけをブラッグ回折によって選択するための第２結晶格子とを含み、
Ｘ線源のＸ線軸に対して垂直な第１直線、第１結晶格子の回折中心を通過する第２直線、および物体を通過する第３直線が第１点で交差し、第１直線と第２直線のなす角および第２直線と第３直線のなす角が互いに等しく、かつ、物体を通過する第４直線、第２結晶格子の回折中心を通過する第５直線、およびＸ線撮像素子の光軸に対して垂直な第６直線が第２点で交差し、第４直線と第５直線のなす角および第５直線と第６直線のなす角が互いに等しくなるように、Ｘ線源、第１結晶格子、第２結晶格子およびＸ線撮像素子が配置されていることを特徴とするＸ線シアリング干渉計。
Ｘ線源は、Ｘ線シア方向に延びる線状のＸ線を発生し、
Ｘ線撮像素子は、エリアセンサで構成されることを特徴とする請求項２記載のＸ線シアリング干渉計。
第１結晶格子および第２結晶格子は、透過ブラッグ回折または反射ブラッグ回折を行うことを特徴とする請求項１または２記載のＸ線シアリング干渉計。
Ｘ線を発生するためのＸ線源と、
Ｘ線源からのＸ線を分割するためのＸ線分割光学系と、
Ｘ線分割光学系によって分割されたＸ線を干渉させるためのＸ線干渉光学系と、
Ｘ線干渉光学系によって干渉したＸ線を撮像して、Ｘ線分割光学系とＸ線干渉光学系との間に配置された物体のＸ線位相差情報を得るためのＸ線撮像素子と、
Ｘ線撮像素子からの撮像信号に基づいて、物体のＸ線位相画像を算出するための信号処理回路とを備え、
Ｘ線分割光学系は、所定間隔で配置された第１人工格子および第２人工格子と、第２人工格子からの回折Ｘ線のうち所望の回折Ｘ線だけをブラッグ回折によって選択するための第１結晶格子とを含み、
Ｘ線干渉光学系は、所定間隔で配置された第３人工格子および第４人工格子と、第４人工格子からの回折Ｘ線のうち所望の回折Ｘ線だけをブラッグ回折によって選択するための第２結晶格子とを含み、
Ｘ線源、Ｘ線分割光学系、Ｘ線干渉光学系およびＸ線撮像素子が物体の周りを相対的に旋回することにより、信号処理回路が物体のＣＴ画像を算出することを特徴とするＸ線シアリング干渉計。
Ｘ線を分割するための第１格子と、
第１格子によって分割されたＸ線を干渉させるための第２格子とを備え、
第１格子の格子ピッチをｐ１、第２格子の格子ピッチをｐ２（但し、ｐ１≠ｐ２）、第１格子と第２格子の間の距離Ｌ１、第２格子と観測面との間の距離をＬ２として、
Ｌ１／Ｌ２＝（ｐ１−ｐ２）／ｐ２
を満たすことを特徴とするＸ線シアリング干渉計。
各人工格子は、０．１μｍ〜１００μｍの格子ピッチを有することを特徴とする請求項１、２、５または６記載のＸ線シアリング干渉計。