JP2012228371A

JP2012228371A - 撮像装置

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Publication number: JP2012228371A
Application number: JP2011098586A
Authority: JP
Inventors: Genta Sato; 玄太佐藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2012-11-22
Anticipated expiration: 2031-04-26
Also published as: JP5787597B2

Abstract

【課題】干渉パターンに対して遮蔽格子を１方向へ走査することで交差する２つの方向に微分された位相の情報を得ることが可能な撮像装置を提供すること。
【解決手段】撮像装置は、光源からの光を回折することによって、明部と暗部とが２次元に配列した干渉パターン１０を形成する回折格子と、回折格子からの光を透過する透過部と回折格子からの光を遮る遮蔽部とが２次元に配列した遮蔽格子１２と、干渉パターン１０と遮蔽格子１２との相対位置を変化させる移動手段と、遮蔽格子１２からの光を複数回検出する検出器と、検出器による複数の検出結果に基づいて、第１の方向２８と第１の方向２８と交差する第２の方向３０とにおける位相の微分値を算出する算出手段と、を備える。検出器は、移動手段が相対位置を第１および第２の方向と異なる第３の方向２４に変化させている間に相対位置の変化に対応して光を複数回検出することで、複数の検出結果を取得する。
【選択図】図４

Description

本発明は、撮像装置に関し、特にトールボット干渉法を用いて被検体を撮像する撮像装置に関する。

トールボット干渉法はＸ線を含む様々な波長の光のトールボット効果を利用して、被検体の位相像または微分位相像を得る方法である。

トールボット干渉法の概要を説明する。回折格子に光を照射すると、回折格子から特定の距離に自己像と呼ばれる干渉パターンが生じる。被検体を光源と回折格子の間に置くと、被検体によって位相が変化した光が回折格子に回折された干渉パターンが形成される。この干渉パターンを検出器によって検出し、その検出結果に基づいて演算を行うと被検体の位相像を得ることができる。

一般的に、周期が小さい回折格子を用いると干渉パターンの周期も小さくなり、干渉パターンの周期が検出器の空間分解能よりも小さくなることがある。その場合、検出器で直接干渉パターンを検出することは困難である。

そこで、光を遮蔽する遮蔽部と光を透過する透過部とが配列されている遮蔽格子を干渉パターンに対して走査することで干渉パターンを検出する位相シフト法が提案されている。

特許文献１には、１次元の周期構造を持つ回折格子（以下、１次元回折格子と呼ぶことがある。）に対して１次元の周期構造を持つ遮蔽格子（以下、１次元遮蔽格子と呼ぶことがある。）を回折格子の周期と交差する方向へ走査することで、回折格子の周期方向に空間的に微分された位相の情報を得る方法が提案されている。（以下、空間的に微分された位相の情報を位相の微分値と呼ぶ場合がある。）

特許登録４４４５３９７号

しかし、特許文献１に示す方法では１次元回折格子の周期方向に微分された位相の情報、つまり、被検体の１次元の位相の微分値しか得ることができない。また、一般的に、２方向に微分された位相の情報を得るためには、干渉パターンに対して遮蔽格子を２方向へ走査する必要がある。

しかし、２方向へ走査するためには、１方向へ走査するよりも複雑な装置が必要になる。
そこで本発明は、干渉パターンに対して遮蔽格子を１方向へ走査することで交差する２つの方向に微分された位相の情報を得ることが可能な撮像装置を提供することを目的とする。

その目的を達成するために、本発明の一側面としての撮像装置は、光源からの光を回折することによって、明部と暗部とが２次元に配列した干渉パターンを形成する回折格子と、前記回折格子からの前記光を透過する透過部と前記回折格子からの前記光を遮る遮蔽部とが２次元に配列した遮蔽格子と、前記干渉パターンと前記遮蔽格子との相対位置を変化させる移動手段と、前記遮蔽格子からの前記光を検出する検出器と、前記検出器による検出結果に基づいて、第１の方向と該第１の方向と交差する第２の方向とにおける位相の微分値を算出する算出手段と、を備え、被検体を撮像する撮像装置であって、前記検出器は、前記移動手段が前記相対位置を前記第１および第２の方向と異なる第３の方向に変化させている間に該相対位置の変化に対応して前記光を複数回検出することで、複数の検出結果を取得し、前記算出手段は、前記複数の検出結果に基づいて、前記第１および第２の方向における前記位相の微分値を算出することを特徴とする。

本発明のその他の側面については、以下で説明する実施の形態で明らかにする。

本発明の一側面としてのＸ線撮像装置によれば、干渉パターンに対して遮蔽格子を１方向へ走査することで、交差する２つの方向に微分された位相の情報を得ることが可能な撮像装置を提供することができる。

本発明の実施形態１に係るトールボット干渉計の模式図。本発明の実施形態１に係る回折格子と干渉パターンと遮蔽格子の模式図。本発明の実施形態１に係る位相シフト法を説明する模式図。本発明の実施形態１に係る位相シフト法における干渉パターンと遮蔽格子の相対位置を説明する模式図。本発明の実施形態１に係る干渉パターンに対して遮蔽格子を走査する方法を説明する模式図。本発明の実施形態２に係る回折格と干渉パターンと遮蔽格子の模式図。本発明の実施形態２に係る位相シフト法における干渉パターンと遮蔽格子の相対位置を説明する模式図。本発明の実施例２に係るＸ線撮像装置の模式図。

以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［実施形態１］
本実施形態では、光としてＸ線を用いてトールボット干渉法を行う撮像装置に関して説明する。但し、本明細書においてＸ線とはエネルギーが２以上１００ｋｅＶ以下の光を指す。

図１は本実施形態におけるＸ線撮像装置の構成例である。図１に示したＸ線撮像装置１ａはＸ線源部４ａと、Ｘ線源部４ａからのＸ線を回折する回折格子８と、回折格子８で回折されたＸ線の一部を遮る遮蔽格子１２と、遮蔽格子１２を経たＸ線を検出する検出器１４を備える。更に、遮蔽格子を移動させる移動手段としてステッピングモータ１３と、検出器１４の検出結果に基づいてＸ線の位相の微分値を算出する算出手段として計算機１５がＸ線撮像装置１ａに備えられている。Ｘ線撮像装置１ａは計算機１５による算出結果に基づいた画像を表示する画像表示装置１７と接続されており、撮像システムを構成している。

以下、各構成について説明をする。

本実施形態のＸ線撮像装置１ａは光源としてＸ線源部４ａを備えている。Ｘ線源部４ａはＸ線源２と線源格子（光源格子）３を有しており、Ｘ線源２からのＸ線が線源格子３によって細いビーム状に分割されて回折格子に照射される。Ｘ線源としては、連続Ｘ線を出射するＸ線源を用いても、特性Ｘ線を出射するＸ線源を用いても良く、平行Ｘ線（平行光）を出射するＸ線源を用いても、発散Ｘ線（発散光）を出射するＸ線源を用いても良い。但し、Ｘ線源部４ａからのＸ線は回折格子８で回折されることにより、干渉パターンを形成する必要があるため、Ｘ線源部４ａからのＸ線には干渉パターンを形成できる程度の空間的可干渉性が求められる。Ｘ線源２のＸ線発生領域の面積が大きく、回折格子８に対して可干渉性がない場合は、図１に示したＸ線撮像装置のように線源格子３を用いて、Ｘ線源２から発生したＸ線に空間的可干渉性を付与してもよい。又、Ｘ線源部４ａは波長選択フィルタを有していてもよい。

Ｘ線源部４ａからのＸ線は、被検体６を透過すると被検体の屈折率及び形状に応じて位相が変化する。図１では、被検体６をＸ線源部４ａと回折格子８の間に配置しているが、回折格子８と遮蔽格子１２の間に配置しても良い。

回折格子８は、透過したＸ線の位相を周期的に変調させる位相型回折格子である。

図２（ａ）に本実施形態で用いる回折格子８の構造を示した。回折格子８は位相進行部２０と位相遅延部２２が市松格子状に配列している。位相遅延部２２を透過したＸ線と位相進行部２０を透過したＸ線の位相差（位相シフト量）はπラジアンである。但し、位相シフト量はπラジアン以外の値でも良い。一般的に、位相シフト量がπラジアン又はπ／２ラジアンの回折格子が良く用いられるが、その他のシフト量の回折格子を用いることもできる。回折格子８のような位相型回折格子の代わりに、振幅を変調する振幅型回折格子を用いることもできるが、位相型回折格子の方がＸ線量（光量）の損失が少ないので有利である。

透過したＸ線の位相をシフトさせるためには同じ材料で厚みを変えても良いし、異なる材料を使っても良いが、例えばシリコンのような、Ｘ線の透過率が高い物質を用いることが好ましい。又、回折格子は位相進行部と位相遅延部が周期的に配列されていれば良く、図２（ａ）に示した構造以外の構造をとることもできる。

図２（ａ）に示した構造を有する回折格子８を用いると、井桁格子状の干渉パターンが形成する。ここで、井桁格子状の干渉パターンとは、図２（ｂ）に示すような複数の明部１６が暗部１８に囲まれて２次元に配列されている干渉パターン１０のことを指す。このときに回折格子８から干渉パターン１０が形成される位置までの距離はトールボット距離ｚｔと呼ばれ、
ｚｔ＝（ｎ＋１／２）×ｄ^２／８λ
で表わされる。ここで、ｎは整数、ｄは回折格子８のピッチ、λはＸ線（光）の波長である。
尚、回折格子８の周期方向は、Ｘ線源部４ａの線源格子３の周期方向と一致させることが好ましい。線源格子３と回折格子８との周期方向がずれている場合、干渉パターン１０の明部のＸ線強度の低下が生じる。

遮蔽格子１２は回折格子８からトールボット距離はなれて配置されることで、干渉パターンとの相対位置によっては干渉パターンの一部を遮る。
図２（ｃ）に本実施形態に用いる遮蔽格子１２の構造を示した。遮蔽格子１２はＸ線を透過する透過部１７とＸ線を遮蔽する遮蔽部１９が井桁格子状に配列した構造を有している。尚、遮蔽部はＸ線を完全に遮らなくても良い。また、本実施形態では、遮蔽格子１２を透過したＸ線がモアレを形成しないように、遮蔽格子のピッチを干渉パターンのピッチと等しくし、透過部の配列方向１７０を明部の配列方向１６０と等しくした。ここで、本明細書における透過部の配列方向とは、透過部の中心と、その透過部の中心と最も近い透過部の中心を結んだ方向である。また、本明細書における明部の配列方向とは、明部の中心と、その明部の中心と最も近い明部の中心を結んだ方向である。本実施形態では明部の配列方向１６０と透過部の配列方向１７０は夫々２つずつ存在し、互いに直交している。

干渉パターン１０と遮蔽格子１２との周期が異なっている場合や、明部の配列方向と透過部の配列方向がずれている場合、モアレが発生する。その場合、回折格子８や遮蔽格子１２の配置する位置やアライメントを調整し、少なくとも被検体の微分位相像に関する情報を算出するのに用いる領域ではモアレを消すことが望ましい。モアレが存在すると、良好なＸ線強度分布を検出することが難しい。

本実施形態のステッピングモータ１３は、遮蔽格子１２を移動させることにより遮蔽格子１２を干渉パターン１０に対して走査する。但し、本明細書においては、遮蔽格子１２を固定し干渉パターンを移動させることで遮蔽格子１２と干渉パターン１０の相対位置を変化させることも遮蔽格子１２を干渉パターンに対して走査するという。この走査により、干渉パターン１０と遮蔽格子の相対位置が変化し、本実施形態の撮像装置は位相シフト法を行うことができる。走査の詳細は本実施形態のＸ線撮像装置で行う位相シフト法と共に後程説明をする。

ステッピングモータ１３が遮蔽格子１２を移動させることができる方向が特定の１方向のみの場合、ステッピングモータ１３へ遮蔽格子１２を取り付ける角度（取り付け角度）を調整可能な機構をステッピングモータに取り付けることが望ましい。取り付け角度を調整可能な機構があることで、ステッピングモータ１３の移動方向に対して、遮蔽格子１２の移動方向をより厳密に決定することができる。

検出器１４は、Ｘ線の強度分布を検出することのできる撮像素子（例えばＣＣＤ）を有し、Ｘ線の強度分布を２次元で検出することができる。また、干渉パターンと遮蔽格子の相対位置の変化に対応してＸ線の強度分布を複数回検出することで複数の検出結果を取得する。本実施形態では干渉パターンと遮蔽格子の相対位置の変化の前後に強度分布を検出するが、相対位置の変化毎に強度分布の検出を行わなくても良いし、相対位置の変化中に検出を行っても良い。但し、相対位置の変化中に検出を行うと、検出されるＸ線の強度分布がぼける可能性がある。

本実施形態の撮像装置１ａは算出手段として計算機１５を備える。

計算機１５は、検出器１４と接続され、検出器の検出結果に基づいて算出処理を行う。算出処理は複数の検出結果を用いて第１の方向と、第１の方向と交差する第２の方向における位相の微分値を算出する。この位相の微分値は被検体によるＸ線（光）の位相の変化量の情報を持つ。第１の方向と第２の方向における位相の微分値から、被検体の２次元の微分位相像を得ることができる。また、得られた位相の微分値から、積分を用いて被検体の位相像を得ることもできる。

本実施形態の撮像装置１ａには画像表示装置１７が接続され、撮像システムを構成している。画像表示装置１７は計算機１５の算出結果に基づいた被検体の位相像や微分位相像を表示することができる。尚、画像表示装置１７は微分位相像や位相像以外の画像を表示しても良い。

本実施形態のＸ線撮像装置で行う位相シフト法について説明をする。

図３に本実施形態に係る位相シフト法を説明する模式図を示す。図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）は、図１の干渉パターン１０と遮蔽格子１２と検出器１４の拡大図である。干渉パターン１０は、明部１６と暗部１８が２次元周期的に配列されている。図３（ａ）に示すように、明部１６が形成されている位置と遮蔽格子１２の透過部１７の位置が一致しているとき、検出器１４に検出されるＸ線の強度は最大となる。図３（ｂ）や図３（ｃ）に示すように明部１６と遮蔽格子１２の透過部が干渉パターン１０の周期の１／３ずつずれる場合、検出器１４に検出されるＸ線の強度は図３（ａ）の時よりも低下する。図３（ｄ）は干渉パターン１０と遮蔽格子１２との相対位置を連続的に変化させたときの、検出器１４の一つの画素が検出するＸ線の強度の変化を示したグラフで、縦軸がＸ線の強度、横軸が遮蔽格子と干渉パターンの相対位置である。実線は、Ｘ線源部４ａと回折格子８の間（または回折格子８と遮蔽格子１２の間）に被検体６が置かれていないときの強度変化、破線はＸ線源部４ａと回折格子８の間に被検体６を配置したときの（被検体を透過したＸ線の）強度変化を示している。実線と破線で示した強度変化は、干渉パターン１０と遮蔽格子１２の相対位置が図３（ａ）から図３（ｃ）の位置をとる時に検出器１４の１つの画素で検出される３つの強度から計算して求めることができる。図３（ｄ）の実線と破線を見ると分かるように、被検体と透過することによりＸ線に位相変化があると強度変化の曲線にずれが生じる。このずれの情報から、第１の方向と第２の方向における位相の微分値を算出することができる。

次に、本実施形態における干渉パターン１０に対して遮蔽格子１２を走査する方法について、図４に基づいて説明する。尚、本実施形態のステッピングモータ１３は遮蔽格子１２を移動させるため図４では、干渉パターン１０を固定し、遮蔽格子１２を移動させているように示しているが、遮蔽格子１２を固定し、干渉パターンを移動させても良い。干渉パターンを移動させる方法については後程説明をする。

図４（ａ）に、図２（ａ）の回折格子８による干渉パターン１０を示す。（図２（ｂ）の干渉パターンと同一）図４（ａ）において、遮蔽格子１２は第３の方向２４（破線矢印）にそって走査され、遮蔽格子１２の左下角がＸ線検出座標２６に来ると遮蔽格子１２の走査が停止する。このときに、検出器１４はＸ線の強度分布を検出する。図４（ａ）に示す干渉パターン１０に重ねる遮蔽格子１２は、図２（Ｃ）に示した井桁格子状の遮蔽格子である。図４においては、干渉パターン１０に比べて遮蔽格子１２を小さく表わしているが、実際には遮蔽格子１２と干渉パターン１０の面積は同じか遮蔽格子の方が大きい。干渉パターン１０と遮蔽格子１２が図４（ｂ）に示す相対位置にある場合、干渉パターン１０のＸ線はすべて遮蔽格子１２を透過する。第３の方向２４にそって遮蔽格子１２を図４（ｃ）の位置まで移動させると、第１の方向２８における遮蔽格子１２の移動距離は干渉パターンの約１／３ピッチ分になる。そのため干渉パターン１０と遮蔽格子１２の相対位置は図４（ｂ）と比較して、第１の方向２８に干渉パターンの約１／３ピッチ分変化する。

この時、第２の方向３０における遮蔽格子１２の移動距離は干渉パターンの１ピッチ分と等しくなるため、図４（ｂ）と比較しても第２の方向３０方向における干渉パターンと遮蔽格子の相対位置は変化しない。同様に、第３の方向２４に沿って遮蔽格子１２を図４（ｄ）の位置まで移動させると、遮蔽格子１２は図４（ｃ）の位置から、第１の方向２８へ干渉パターンの約１／３ピッチ分、第２の方向３０へ干渉パターンの１ピッチ分移動する。この時、干渉パターン１０と遮蔽格子１２の相対位置は図４（ｃ）から第１の方向２８に干渉パターンの約１／３ピッチ分変化し、第２の方向３０には変化しない。すなわち、図４（ｂ）と図４（ｃ）と図４（ｄ）の夫々の位置で遮蔽格子からのＸ線の強度を測定することで、第１の方向への走査に相当する図３（ｄ）に示すような曲線を描くことができる。

次に遮蔽格子１２を第３の方向２４に沿って図４（ｅ）の位置まで移動させる。この位置は、図４（ｄ）から第１の方向２８へ干渉パターンの約１／３ピッチ分、第２の方向へ干渉パターンの約４／３ピッチ分移動した位置である。この移動により遮蔽格子１２と干渉パターン１０の相対位置も第１の方向２８と第２の方向３０へ干渉パターンの約１／３ピッチ分ずつ変化する。図４（ｂ）と図４（ｅ）を比較すると、図４（ｅ）の位置は図４（ｂ）の位置から第１の方向へ干渉パターンの１ピッチ分、第２の方向へ約１０／３ピッチ分移動した位置であり、相対位置は第２の方向３０へのみ干渉パターンの約１／３ピッチ分変化している。

更に遮蔽格子１２を第３の方向２４に沿って図４（ｆ）の位置まで移動させると、遮蔽格子は第１の方向に干渉パターンの１ピッチ分、第２の方向に干渉パターンの約１０／３ピッチ分移動する。つまり、干渉パターン１０と遮蔽格子１２の相対位置は、図４（ｅ）から第２の方向にのみ干渉パターンの約１／３ピッチ分変化する。すなわち、図４（ｂ）と図４（ｅ）と図４（ｆ）の夫々の位置でＸ線の強度を検出することで、第２の方向３０への走査に相当する図３（ｄ）に示すような曲線を描くことができる。

以上のように本実施形態によれば、井桁格子状の遮蔽格子１２を井桁格子状の干渉パターン１０に重ね、第３の方向２４に沿って遮蔽格子１２を移動させてＸ線の強度を５回検出することで、第１及び第２の方向への走査に相当する検出結果を得ることができる。また、その検出結果を用いることで第１及び第２の方向における位相の微分値を得ることができる。

本実施形態では、第１の方向への走査に相当する検出を行う際（図４（ｂ）、図４（ｃ）、図４（ｄ））は、第１の方向に干渉パターンの１／３ピッチ分、第２の方向に１ピッチ分、干渉パターンに対して遮蔽格子を移動させることが望ましい。

一方、第２の方向への走査に相当する検出を行う際（図４（ｂ）、図４（ｅ）、図４（ｆ））は、第１の方向に干渉パターンの１ピッチ分、第２の方向に１０／３ピッチ分、干渉パターンに対して遮蔽格子を移動させることが望ましい。

この第１の方向への走査に相当する検出と第２の方向への走査に相当する検出を、遮蔽格子を１つの方向（第３の方向）への移動で行うために、夫々の検出毎の移動は誤差を伴う。そのため、本実施形態では夫々の移動の際の誤差がなるべく小さくなるような方向に第３の方向を設定した。その結果、第１の方向への走査に相当する検出を行う際の第１の方向への遮蔽格子の移動量が干渉パターンの約１／３ピッチ分、第２の方向への走査に相当する検出を行う際の第２の方向への遮蔽格子の移動量が約１０／３ピッチ分とし、誤差は無視した。

尚、第３の方向と第１の方向のなす角度と、第３の方向と第２の方向のなす角度の差が大きいほど、この誤差を小さく抑えることができる。また、この角度の差を大きくした方が、Ｘ線の強度検出毎の遮蔽格子の移動距離が長くなるため、遮蔽格子の移動を担うステッピングモータ１３に求められる精度も粗くてすむ。

また、遮蔽格子を第３の方向へ移動させることによって、第１の方向と第２の方向への走査を行うためには、第１の方向への移動距離と第２の方向への移動距離が異なり、相対位置の変化量も第１の方向への変化量と、第２の方向への変化量で異なる必要がある。

本実施形態においては、図４（ｂ）と図４（ｅ）を比較すると分かるように、遮蔽格子１２の位置が第１の方向２８へ干渉パターンの１ピッチ分移動する間に、第２の方向２８へピッチの約１０／３分移動する。このように、第１の方向への移動距離と、第２の方向への移動距離を異ならせるには、第３方向２４と第１の方向のなす角度と第３の方向と第２の方向のなす角度を異ならせればよい。

図４には干渉パターンのピッチの約１／３ずつ相対位置を変化させる場合について示したが、相対位置の変化量は干渉パターンのピッチの約１／３には限らない。交差する第１及び第２の方向における位相の微分値を得るためには、Ｘ線の強度分布を合計５回以上検出すればよく、例えば干渉パターンのピッチの１／５ずつ変化させて、合計で９回検出を行ってもよい。相対位置の変化量を小さくし、Ｘ線強度分布の検出回数を増加させることで、図３（ｄ）に示すような曲線をより精度よく描くことができるため、被検体の微分位相像に関する情報の算出精度を向上させることができる。

また、Ｘ線の強度分布の検出回数が合計で５回の場合でも、相対位置の変化量は干渉パターンの約１／３ピッチ分ずつでなくても良い。例えば、図４（ｂ）の位置で一度Ｘ線の強度分布を検出し、そこから第１の方向に干渉パターンの１／５ピッチ分、第２の方向に１ピッチ分遮蔽格子を移動させた位置でＸ線の強度分布を検出する。さらに第１の方向に２／５ピッチ分、第２の方向に１ピッチ分（図４（ｂ）の位置から第１の方向へ３／５ピッチ分、第２の方向へ２ピッチ分）移動させた位置でＸ線の強度分布を検出する。このように３回Ｘ線の強度分布の検出を行えば、本実施形態同様、第１の方向への走査に相当する図３（ｄ）に示すような曲線を描くことができる。

尚、本実施形態では遮蔽格子を１方向（第３の方向）にのみ移動させるステッピングモータを用いた場合を例に遮蔽格子の移動について説明したが、２方向（例えば第１の方向と第２に方向）に移動させるステッピングモータを用いて遮蔽格子を移動させても良い。

第１の方向と第２の方向に遮蔽格子を移動させることができるステッピングモータを用いる場合、例えば図４（ｂ）の位置から遮蔽格子を第１の方向へ干渉パターンの約１／３ピッチ分移動させた後、第２の方向へ１ピッチ分移動させれば良い。このように移動させれば、干渉パターンと遮蔽格子の相対位置は図４（ｃ）と同様になる。

干渉パターン１０に対して遮蔽格子１２を走査する方法は、様々な方法で実現できる。図５（ａ）〜（ｃ）に本実施形態において可能な相対位置の走査方法の例を示した。図５（ａ）のＸ線撮像装置１ｂは線源格子３を用いるトールボット干渉法を行うＸ線撮像装置であり、線源格子３を走査することで干渉パターンに対して遮蔽格子を走査する。この走査方法は国際公開ＷＯ２００６１３１２３５号公報に記載されているため、詳細は述べないが、簡単に説明をする。線源格子３は、Ｘ線を遮蔽する基板にＸ線を透過する微細な開口部が配列されたものを用いる。一つひとつの微細な開口部は仮想的にＸ線源とみなすことができるため、線源格子３を移動手段としてのステッピングモータ１３０により移動方向１２４に移動させると、仮想的なＸ線源が移動したことに相当する。そのため、線源格子３が移動した方向と逆の方向へ干渉パターン１０が移動することになる。線源格子３の隣り合う微細な開口部の距離を線源格子３の１ピッチとすると、線源格子３を線源格子３の１ピッチ分動かすと、干渉パターン１０も干渉パターンの１ピッチ分移動することになる。すなわち、線源格子３の移動方向１２４と移動量を制御することで、干渉パターン１０と遮蔽格子１２の相対位置を走査することができる。

図５（ｂ）のＸ線撮像装置１ｃはターレット５を備えている。ターレット５は、Ｘ線を曲げることができるレンズを複数有し、移動手段としてのモータ２３０によって回転することでＸ線の光路中に挿入されるレンズが交換される。これにより回折格子８へのＸ線の入射角度が変化し、図５（ａ）のＸ線撮像装置１ｂのようにＸ線源を移動させたような効果が得られる。

図５（ｃ）のＸ線撮像装置１ｄは、回折格子８を移動させることで干渉パターンに対して遮蔽格子を走査する。移動手段としてのステッピングモータ３３０によって回折格子８を移動させることで、回折の結果生じる干渉パターン１０も回折格子と同様に移動する。

尚、干渉パターンと遮蔽格子の相対位置の走査方法は、本実施形態と上述の３つに限定されるものではなく、干渉パターンと遮蔽格子の相対位置を変化させることができれば良い。

また、発散Ｘ線（発散光）を用いて撮像を行う場合、米国特許７４８６７７０号に記載されているように、Ｘ線源を中心とした球体の表面の一部にそわせたように湾曲した回折格子と遮蔽格子を用いることがある。これらの格子を用いて本実施形態を行う場合、干渉パターンまたは遮蔽格子を、Ｘ線源を中心とした球体の表面の一部に沿うように移動させることが好ましいが、平面状の格子を用いた時と同様に移動させても撮像可能である。

［実施形態２］
以下図面６から８を用いて実施形態２の説明をする。

実施形態２は、回折格子の位相シフト量がπ／２である点で実施形態１と異なる。それに伴い干渉パターンも異なるため、遮蔽格子の形状も異なる。その他は実施形態１と同様なので説明は省略する。

図６（ａ）に本実施形態で用いる回折格子８０の構造を示す。回折格子８０は位相型回折格子であり、位相進行部２００と位相遅延部２２０が市松格子状に配列している。位相進行部２００と位相遅延部２２０の位相シフト量はπ／２である。図６（ａ）に示した回折格子を用いると、図６（ｂ）に示すような明部１６と暗部１８とが市松格子状に配列した干渉パターン１００が形成される。この干渉パターンの明部の配列方向は１６０で示した直交する２つの方向である。

このときに回折格子８０から干渉パターン１００が形成される位置までの距離は実施形態１と同様にトールボット距離であるが、位相シフト量が異なるため、本実施形態におけるトールボット距離ｚｔ_２は、
ｚｔ_２＝（ｎ＋１／２）×ｄ^２／２λ
で表される。ここで、ｎは整数、ｄは回折格子８０の縦横周期の長さ、λはＸ線の波長である。

図６（ｃ）と図６（ｄ）に本実施形態に用いる遮蔽格子１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の例を示した。図６（ｃ）は透過部１１７と遮蔽部１１９が市松格子状に配列した構造を有する。この遮蔽格子の透過部の配列方向は矢印１１７０で示した直交する２つの方向である。図６（ｄ）は正方形を４５度傾けた透過部２１７が遮蔽部２１９中に配列した構造を有する。これは、図２（ｃ）に示したような、井桁格子状の遮蔽格子を４５度傾けた構造と一致する。この遮蔽格子の透過部の配列方向も図６（ｃ）に示した遮蔽格子と同様に矢印２１７０で示した直交する２つの方向である。このように、遮蔽格子は透過部の配列方向を干渉パターンの配列方向と一致させることが好ましい。本実施形態のＸ線撮像装置には、図６（ｃ）に示した遮蔽格子も、図６（ｄ）に示した遮蔽格子も用いることができる。但し、図６（ｃ）に示した市松格子状の遮蔽格子（開口率５０％）は図６（ｄ）に示した井桁格子状の遮蔽格子（開口率２５％）よりも開口率が高い。開口率が高い遮蔽格子を用いた方が、検出器に検出される単位時間当たりのＸ線量が多い（Ｘ線利用効率が高い）ため、１回の検出毎の検出に必要な時間（露光時間）を短くすることができる。

次に、本実施形態における干渉パターン１００に対する遮蔽格子１２０の走査方法について、図７（（ａ）〜（ｅ））に基づいて説明する。本実施形態においても第１の方向と第２の方向は互いに直交し、干渉パターンの２つの配列方向に一致する。

図６（ｂ）に示した、図６（ａ）の回折格子８０による干渉パターン１００と、図６（ｃ）の遮蔽格子１２０の相対位置が図７（ａ）の相対位置にある時、干渉パターン１００のＸ線はすべて遮蔽格子１２０により遮蔽される。

実施形態１と同様、遮蔽格子１２０は第３の方向２４０（破線矢印）に沿って走査され、遮蔽格子１２０の左下角がＸ線検出座標２６０に来ると遮蔽格子１２０の走査が停止する。このときに、検出器１４はＸ線の強度分布を検出する。

尚、実施形態１同様、図７においては、干渉パターン１００に比べて遮蔽格子１２０を小さく表わしているが、実際には同じか大きい面積を有する。

図７（ａ）の位置から、第３の方向２４０にそって図７（ｂ）に示した位置まで遮蔽格子１２０を移動させると、遮蔽格子１２０は第１の方向２８０へ干渉パターンの５／６ピッチ分、第２の方向３００へ干渉パターンの１／２ピッチ分移動する。

そのため、干渉パターン１００と遮蔽格子１２０の相対位置を図７（ａ）と比較すると、第１の方向２８０に干渉パターンの５／６ピッチ分、第２の方向３００に干渉パターンの１／２ピッチ分変化する。これは、干渉パターン１００と遮蔽格子１２０の相対位置が、図７（ａ）と比較して第１の方向２８０の矢印の向きに干渉パターンの１／３ピッチ分変化した相対位置に一致する。

更に図７（ｂ）の位置から第３の方向にそって図７（ｃ）の位置へ遮蔽格子１２０を移動させると、遮蔽格子１２０の移動量は第１の方向２８０と第２の方向３００の夫々に干渉パターンの１／６ピッチ分である。この時、干渉パターン１００と遮蔽格子１２０の相対位置は図７（ａ）の時と比較すると第２の方向３００の矢印と逆の向きに干渉パターンの１／３ピッチ分変化した相対位置である。

更に遮蔽格子１２０を第３の方向２４０にそって図７（ｄ）に示す位置まで移動させると、干渉パターン１００と遮蔽格子１２０の相対位置は、図７（ａ）と比較して第２の方向３００の矢印の向きに干渉パターンの１／３ピッチ分変化した位置である。

同様に、遮蔽格子１２０を第３の方向２４０にそって図７（ｅ）に示す位置まで移動させると、干渉パターン１００と遮蔽格子１２０の相対位置は、図７（ａ）と比較して第１の方向２８０の矢印と逆の向きに干渉パターンの１／３ピッチ分変化した位置である。

すなわち、干渉パターン１００と遮蔽格子１２０の相対位置が図７（ａ）と図７（ｂ）と図７（ｅ）の夫々の位置の時にＸ線の強度を測定することで、第１の方向２８０への走査に相当する図３（ｄ）で示すような曲線を描くことができる。また、図７（ａ）と図７（ｃ）と図７（ｄ）の夫々の位置の時にＸ線の強度を測定することで、第２の方向３００への走査に相当する図３（ｄ）に示すような曲線を描くことができる。以上のように本実施形態によれば、市松格子状の干渉パターン１００に市松格子状の遮蔽格子１２０を重ね、第３の方向２４０に沿って遮蔽格子１２０を走査してＸ線の強度分布を検出することで、第１及び第２の方向の走査に相当する検出結果を得ることができる。

図７においては、図７（ａ）から図７（ｅ）に至るまでの走査で、第１の方向２８０に干渉パターンの５／３ピッチ分、第２の方向３００へ干渉パターンの１ピッチ分、干渉パターン１００に対して遮蔽格子１２０を走査した。第３の方向２４０と第１及び第２の方向のなす角度を調整することで、検出毎の遮蔽格子１２０の移動距離を大きくしたり、干渉パターン１００と遮蔽格子１２０の相対位置の変化量を調整したりすることができる。また、実施形態１と同様、干渉パターン１００と遮蔽格子１２０の相対位置を変化させる量は干渉パターンのピッチの１／３には限らず、例えば１／５でもよい。尚、図７（ａ）に相当する相対位置は、Ｘ線が完全に遮光される相対位置でもよいし、完全に透過する相対位置でもよい。

各実施形態のより具体的な実施例について説明する。

実施例１では、実施形態１のより具体的な実施例について図５（ａ）を用いて説明する。

本実施例において、Ｘ線撮像装置１ｂはＸ線源部４ｂと、回折格子８と、遮蔽格子１２と、検出器１４を備える。

Ｘ線源部４ｂは、Ｘ線源２と線源格子３を有しており、Ｘ線源２はエネルギー１７．５ｋｅＶの特性Ｘ線が発生可能なモリブデンターゲットを持つ。また線源格子３は、Ｘ線を遮蔽する遮蔽部に、直径８μｍの開口部が縦と横に２２μｍピッチで配列しており、移動手段としてのステッピングモータ１３０と接続されている。

移動手段１３０は、ステッピングモータにより、０．１μｍの精度で線源格子３を特定の方向（第３の方向）に移動させることができる。移動の精度が高いほど、線源格子３を走査する精度が向上する。線源格子３は、移動手段１３０の第３の方向と線源格子３の縦周期方向（第１の方向）が１６．７度をなすように設置する。

回折格子８は、位相シフト量がπの位相進行部と位相遅延部が市松格子状に配列した位相格子であり、縦方向と横方向の周期は共に１２μｍである。

遮蔽格子１２は、井桁格子状の構造を有し、透過部と遮光部の幅が１：１である。遮蔽格子の縦方向と横方向の周期は共に８．２３μｍである。

線源格子３と回折格子８の距離は９３６ｍｍ、回折格子８と遮蔽格子１２との距離は３４８ｍｍとする。この配置により、線源格子３の各開口部を透過したＸ線が回折格子により回折されることでできる干渉パターン１０の明部１６同士が強めあい、且つ、干渉パターン１０と遮蔽格子１２は重なるため、位相シフト法が可能となる。

検出器１４は、遮蔽格子１２の下流に設置する。干渉パターン１０の明部の強度は、トールボット長で最も高いため、検出器１４は回折格子８からトールボット長離れた位置に近いほうがよい。回折格子８からトールボット長離れた位置には遮蔽格子１２が設置されているため、検出器１４は遮蔽格子１２のできるだけ近くに設置することが望ましい。

また、検出器１４と回折格子８、遮蔽格子１２は、Ｘ線源部４ｂからのＸ線の光軸に垂直であることが望ましい。これらが光軸にたいして傾いていると、モアレが発生しやすい。また、回折格子８や遮蔽格子１２に斜め方向からＸ線が入射する領域が拡大し、検出器１４で検出する干渉パターン１０の強度が低下する。

Ｘ線源部４ｂと回折格子８との間、かつ、回折格子８に近い場所に、被検体６を設置し、撮像を行う。まず、被検体６のない状態において、検出器１４でのＸ線検出量が最大となる位置まで線源格子３を移動させる。次に被検体６を設置し、線源格子３の位置を保ったままＸ線の強度分布の検出を行う。次に、移動手段１３０を用いて、１ステップ当たり１３．９μｍの移動量で線源格子３を移動させ、移動が停止したらＸ線の強度分布の検出を行う操作を３ステップ行う。次に、線源格子３を４１．７μｍ移動させ、Ｘ線の強度分布の検出を行う。こうして、合計５つの検出結果が得られる。１つ目から３つ目までの３つ、１つ目と４つ目、５つ目の３つをそれぞれ３つ１セットの検出結果とする。１セットの検出結果を特許文献１にも記載される位相シフト法による位相計算式を用いて第１の方向と第２の方向における位相の微分値を計算する。具体的には

から導出可能である。ここで、Ｉｐ（ｘ，ｙ）は検出器１４で検出した検出結果の各画素における強度であり、ｐ＝１からｐ＝３は、各セット内の３枚の画像に対応する。ｄは遮蔽格子１２の周期、ｚｔはトールボット長であり、どちらも既知の値である。Δ（ｘ、ｙ）は被検体６を設置しない状態で位相シフト法で撮像を行うことでえられる。ａｒｇ［］は位相の抽出を意味する。

実施例２では、実施形態２のより具体的な実施例について図８を用いて説明する。

本実施例において、トールボット干渉計は、Ｘ線源部４ｃと、回折格子８０と遮蔽格子１２０と、検出器１４と移動手段としてのステッピングモータ１３を備える。

本実施例において、Ｘ線源部４ｃはＸ線源１０２を有する。Ｘ線源１０２は、焦点半値幅が５μｍの電子源を備えた微小焦点Ｘ線源であり、エネルギー１７．５ｋｅＶの特性Ｘ線が発生可能なモリブデンターゲットを持つ。Ｘ線発生領域（焦点）が５μｍと小さいため、線源格子を用いずとも、Ｘ線は回折格子８０での可干渉性を有する。

回折格子８０は、位相シフト量がπ／２の位相進行部と位相遅延部が市松格子状に配列した位相格子を用いる。この回折格子８０の縦方向と横方向のピッチは８．４９μｍとする。遮蔽格子１２０は、透過部と遮蔽部が市松格子状に配列しており、透過部と遮蔽部の幅は１：１である。縦方向と横方向のピッチは１１．６７μｍである。

ステッピングモータ１３は、０．０１μｍの精度で遮蔽格子１２０を特定の方向（第３の方向）に移動させることができ、第３の方向と遮蔽格子１２の縦周期方向（第１の方向）が５９度をなすように設置される。

Ｘ線源部４ｃと回折格子８０の距離は９３５ｍｍ、回折格子８０と遮蔽格子１２０との距離は３４９ｍｍとする。この配置により、干渉パターン１００と遮蔽格子１２０は重なり、位相シフト法が可能となる。

Ｘ線源部４ｃと回折格子８０との間、かつ、回折格子８０に近い場所に、被検体６を設置し、撮像を行う。まず、被検体６のない状態において、検出器１４でのＸ線検出量が最少となる位置まで遮蔽格子１２０を走査する。次に被検体６を設置し、Ｘ線強度分布の検出を行う。次に、移動手段１３を用いて、第１ステップとして遮蔽格子１２０を第３の方向へ１１．３３μｍ移動させ、Ｘ線強度分布の検出を行う。第２ステップとして遮蔽格子１２０を第３の方向へ２．２８μｍ移動させ、Ｘ線強度分布の検出を行う。第３ステップとして、遮蔽格子１２０を第３の方向へ６．８１μｍ移動させ、Ｘ線強度分布の検出を行う。第４のステップとして、遮蔽格子１２０を第３の方向へ２．２４μｍ移動させ、Ｘ線強度分布の検出を行う。合計５つの検出結果について、１つ目、２つ目、４つ目の３つを１セット、１つ目と３つ目、５つ目の３つを１セットの検出結果とする。これらの検出結果２セットに対して、実施例１と同様の方法により第１及び第２の方向における位相の微分値を算出する。

８回折格子
１０干渉パターン
１２遮蔽格子
１３移動手段
１５計算機
１６明部
１７透過部
１８暗部
１９遮蔽部
２４第３の方向
２８第１の方向
３０第２の方向

Claims

光源からの光を回折することによって、明部と暗部とが２次元に配列した干渉パターンを形成する回折格子と、
前記回折格子からの前記光を透過する透過部と前記回折格子からの前記光を遮る遮蔽部とが２次元に配列した遮蔽格子と、
前記干渉パターンと前記遮蔽格子との相対位置を変化させる移動手段と、
前記遮蔽格子からの前記光を検出する検出器と、
前記検出器による検出結果に基づいて、第１の方向と該第１の方向と交差する第２の方向とにおける前記光の位相の微分値を算出する算出手段と、を備え、被検体を撮像する撮像装置であって、
前記検出器は、前記移動手段が前記相対位置を前記第１および第２の方向と異なる第３の方向に変化させている間に該相対位置の変化に対応して前記光を複数回検出することで、複数の検出結果を取得し、
前記算出手段は、前記複数の検出結果に基づいて、前記第１および第２の方向の夫々における前記位相の微分値を算出する撮像装置。
前記第３の方向は、
前記第３の方向へ前記相対位置が変化することにより、
前記第１の方向における前記相対位置の変化量と、前記第２の方向における前記相対位置の変化量とが異なるような方向であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記検出器は、前記相対位置の前記第３の方向への変化に対応して前記光を５回以上検出することで、５つ以上の前記検出結果を取得し、
前記算出手段は５つ以上の前記検出結果に基づいて前記第１の方向と前記第２の方向とにおける前記位相の微分値を算出するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
前記第１の方向と前記第２の方向とは互いに直交し、
前記第３の方向は、前記第１の方向と４５度をなす方向と異なることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記移動手段は、前記第３の方向にのみ前記干渉パターンと前記遮蔽格子との相対位置を変化させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記光はＸ線であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
光源からの光を回折することによって、明部と暗部とが２次元に配列した干渉パターンを形成する回折格子と、
前記回折格子からの前記光を透過する透過部と前記回折格子からの前記光を遮る遮蔽部とが２次元に配列した遮蔽格子と、
前記干渉パターンと前記遮蔽格子との相対位置を変化させる移動手段と、
前記遮蔽格子からの前記光を検出する検出器と、
前記検出器による検出結果に基づいて、第１の方向と該第１の方向と交差する第２の方向とにおける前記光の位相の微分値を算出する算出手段と、を備え、被検体を撮像する撮像装置に用いられる撮像方法であって、
前記移動手段が前記相対位置を前記第１および第２の方向と異なる第３の方向に変化させている間に該相対位置の変化に対応して前記検出器が前記光を複数回検出することで、複数の検出結果を取得する工程と、
前記複数の検出結果に基づいて、前記第１および第２の方向の夫々における前記位相の微分値を前記算出手段が算出する工程と、
を有することを特徴とする撮像方法。