JP2013188286A - 放射線画像撮影用グリッド及びその製造方法、並びに放射線画像撮影システム - Google Patents
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Abstract
【課題】Ｘ線の部分的な損失をほぼ発生させず、かつ、経時劣化を抑えた放射線画像撮影用の位相型グリッドを提供する。
【解決手段】位相型グリッド１３は、シリコン基板４１と封止部材４３とを備える。シリコン基板４１は、凹部４６を透過するＸ線と凸部４７を透過するＸ線との間に所定位相差を発生させるグリッド部４２ａと、グリッド部４２ａの周囲に凸状の周縁部４２ｂが表面に形成されている。封止部材４３は、グリッド部４２ａ及び周縁部４２ｂが形成されたシリコン基板４１の表面に設けられ、少なくとも周縁部４２ｂと当接してグリッド部４２ａを封止する。
【選択図】図２
【解決手段】位相型グリッド１３は、シリコン基板４１と封止部材４３とを備える。シリコン基板４１は、凹部４６を透過するＸ線と凸部４７を透過するＸ線との間に所定位相差を発生させるグリッド部４２ａと、グリッド部４２ａの周囲に凸状の周縁部４２ｂが表面に形成されている。封止部材４３は、グリッド部４２ａ及び周縁部４２ｂが形成されたシリコン基板４１の表面に設けられ、少なくとも周縁部４２ｂと当接してグリッド部４２ａを封止する。
【選択図】図２
Description
本発明は、放射線画像の撮影に用いられるグリッド及びその製造方法と、このグリッドを用いた放射線画像撮影システムとに関する。
Ｘ線等の放射線（以下、Ｘ線を例にする）は、人体等の被検体に照射されると、被検体との相互作用により、強度と位相が変化する。従来普及しているＸ線撮影装置は、透過Ｘ線強度を画像化する。例えば、骨等はＸ線透過率が低く、筋肉等の組織はＸ線透過率が高いので、透過Ｘ線強度の分布を画像化すると、これらのＸ線透過率が異なる組織を識別することができる。このように、透過Ｘ線の強度を画像化したＸ線画像（以下、Ｘ線強度画像という）では、典型的にはＸ線透過率が高い組織は黒く、Ｘ線透過率が低い組織は白くなる。
Ｘ線強度画像によれば、Ｘ線透過率が異なる組織を識別することができるが、Ｘ線透過率が近い組織が隣接している場合には、これらの識別は容易ではない。例えば、軟骨等の軟部組織はＸ線透過率が高く、多くの場合、その周囲に隣接する組織や体液等もＸ線透過率が高いので、軟部組織はＸ線強度画像には写り難い。しかしながら、Ｘ線強度画像には写り難い組織にも病変は発生するので、これらもＸ線撮影により識別可能にすることが望まれている。
Ｘ線透過率が高くＸ線強度画像には写り難い組織も、透過Ｘ線に位相変化を与えていることが知られている。近年、透過Ｘ線の位相変化に基づいて被検体を画像化すること（以下、位相イメージングという）により、Ｘ線透過率が高い軟部組織等を識別可能なＸ線画像（以下、位相コントラスト画像という）を得るＸ線撮影システムが提案されている。
このＸ線撮影システムでは、透過Ｘ線の位相変化の情報を得るために、Ｘ線源とＸ線検出器との間に、少なくとも２つのグリッドを配置して被検体の撮影を行う。具体的には、Ｘ線源とＸ線検出器との間に第１グリッド及び第２グリッドを対向配置し、Ｘ線源から射出されたＸ線を、第１グリッドを通過させることにより、第１グリッドの自己像を有するＸ線像を生成する。このＸ線像の生成には、例えばタルボ効果が用いられる。そして、第１グリッドにより生成されたＸ線像に対して、第２グリッドの位置を面内方向に段階的に変化させながら、第１グリッドと第２グリッドを通過したＸ線像をＸ線検出器により撮影する。撮影により得られる複数の画像に基づいて位相コントラスト画像を生成することができる。これは縞走査法と呼ばれている。なお、Ｘ線源と第１グリッドとの間に、Ｘ線焦点を分散化し、Ｘ線像のコントラストを向上させるための線源グリッドが設けられることもある。
グリッドには、Ｘ線を部分的に吸収する吸収型グリッドと、部分的にＸ線の位相を偏重して透過する位相型グリッドが知られている。第２グリッドや線源グリッドにはアスペクト比が高い吸収型グリッドが用いられる。一方、第１グリッドには吸収型グリッドも位相型グリッドも用いることができる（特許文献１）。
位相型グリッドは、例えば、シリコン基板等の表面に凹凸構造を設け、この凹凸構造の凹部と凸部でＸ線が基板を透過する長さを調節することにより、凹部を透過するＸ線と凸部を透過するＸ線との間にπまたはπ／２の位相差を発生させる。この位相差により、タルボ効果が生じ、位相型グリッドを透過したＸ線は、所定の位置で該位相型グリッドの自己像を形成する。
このような基板表面に凹凸構造を形成するタイプの位相型グリッドは、吸収型グリッドを製造する工程で形成される同様の凹凸構造の基板を利用することができる。例えば、非特許文献１には、シリコン基板の表面に凹凸構造を形成し、その凹部にＸ線吸収材である金属を埋め込むことにより吸収型グリッドを製造する方法が開示されている。同様の方法でシリコン基板の表面に凹凸構造を形成すれば位相型グリッドが得られる。
また、他の構造の位相型グリッドとしては、シリコン基板等の表面に上述の凹凸構造に対応するピッチでＸ線の屈折率が異なる材料を配列し、その厚さを適宜調節することにより、これらの各材料を透過したＸ線にπやπ／２の位相差を発生させるものが知られている。例えば、非特許文献２では、撮影に使用するＸ線をほぼ透過可能な程度に極薄の金薄膜とＸ線レジストとを配列したパターンをシリコン基板上に形成することにより、金薄膜とＸ線レジストをそれぞれ透過するＸ線に位相差を発生させる位相型グリッドが開示されている。
C.David et al. Microelectromic Engineering 84(2007)1172-1177
Atsushi Momose et al. Japanease Journal of Applied Physics Vol. 45, No. 6A, 2006, pp. 5254-5262
位相型グリッドには、上述のように、２タイプの構造が知られているが、それぞれ下記のような問題点がある。
まず、シリコン基板等の表面に凹凸構造を形成し、凸部と凹部とを透過するＸ線に位相差を生じさせる第１のタイプの位相型グリッドは、凹凸構造が空気にさらされているために、経時劣化によって所望の位相差が得られなくなってしまうことがある。具体的には、凹凸構造がさらされる空気には酸素や水蒸気が含まれており、シリコン基板は酸素や水蒸気に接すると表面に酸化膜が形成される。このため、当初、凹凸構造の凸部と凹部で所定位相差が発生するように位相型グリッドを製造しておいたとしても、表面に酸化膜が形成されると、もとのシリコン基板に対して透過率や屈折率等の物性が変化し、凹部と凸部で発生する位相差が所定値からずれてしまう。これは予め凹凸構造の表面に酸化膜を形成した場合でも同様である。酸素や水蒸気に露呈されていることにより経時的に酸化膜の厚さが変化すると、凹部及び凸部で生じる位相差が所定値からからずれてしまうことがある。
また、酸化膜の形成によって凸部に応力が加わり、凹凸構造の間隔や垂直度が変化していまうことがあるが、このような場合にも凹部と凸部で生じる位相差が所定値からずれてしまう。さらに、酸化膜が形成されたことによって凸部に応力が加わり続けると、凸部が破損してしまうこともある。
シリコン基板の表面に金薄膜とレジストを交互に配列したのパターンを形成することによって、金薄膜を透過したＸ線とレジストを透過したＸ線に所定位相差を発生させるタイプの位相型グリッドの場合、金薄膜がＸ線を吸収するので、金薄膜を透過するＸ線が少なからず損失してしまう。位相グリッドは、Ｘ線を損失せずに部分的に位相差のみを発生させることが望ましいが、このタイプの位相型グリッドでは、所定位相差を発生させるだけでなく、Ｘ線の線量までもが損失してしまう。
また、Ｘ線の吸収を十分に抑えるためには、金薄膜をできる限り薄く形成すればよい。しかし、Ｘ線レジストの部分を透過するＸ線に対して、金薄膜を透過するＸ線に所定位相差を発生させるためには、Ｘ線の屈折率に応じて定まる所定の厚さにしなければならない。このため、金薄膜の厚さを任意に変更し、薄くすることはできない。
本発明は、Ｘ線の損失が少なく、かつ、経時劣化も発生し難い位相型グリッドを提供することを目的とする。
本発明の放射線画像撮影用グリッドは、凹部を透過する放射線と凸部を透過する放射線との間に所定位相差を発生させるグリッド部と、前記グリッド部の周囲に設けられた凸状の周縁部とが表面に形成された基板と、少なくとも周縁部と当接してグリッド部を封止する封止部材と、を備えることを特徴とする。
凸部は周縁部よりも薄く、凸部と封止部材の間に隙間があることが好ましい。
凸部の上面が封止部材と接合されていても良い。
グリッド部は封止部材によって真空に封止されていることが好ましい。
グリッド部は封止部材によって空気または空気よりも軽い気体を充填して封止されていても良い。
基板と封止部材は陽極接合により接合されていることが好ましい。
陽極接合をする場合、基板はシリコン基板であり、封止部材はイオン導電性基板であることが好ましい。
基板と封止部材はともにシリコン基板でも良い。
封止部材がある側の面が凸になるように湾曲される場合、封止部材のヤング率が基板のヤング率よりも小さいことが好ましい。
封止部材がある側の面が凹になるように湾曲される場合、封止部材のヤング率が基板のヤング率よりも大きいことが好ましい。
基板を所定材料からなる第１基板と封止部材と同じ材料からなる第２基板との接合基板にし、グリッド部及び周縁部を第１基板に形成しても良い。
本発明の放射線画像撮影用グリッドの製造方法は、所定材料からなる基板の表面をエッチングして、凹部を透過する放射線と凸部を透過する放射線との間に所定位相差を発生させるグリッド部と、前記グリッド部の周囲に設けられた凸状の周縁部とを基板表面に形成するエッチング工程と、封止部材を少なくとも前記周縁部に当接させ、基板と封止部材を接合し、グリッド部をを封止する接合工程と、を備えることを特徴とする。
本発明の放射線画像撮影システムは、放射線源から照射される放射線を位相型グリッドを介して撮影し、位相コントラスト画像を生成する放射線画像撮影システムであり、位相型グリッドは、凹部を透過する放射線と凸部を透過する放射線との間に所定位相差を発生させるグリッド部と、前記グリッド部の周囲に設けられた凸状の周縁部が表面に形成された基板と、少なくとも周縁部と当接してグリッド部を封止する封止部材と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、基板の凹凸構造により所定位相差を発生させることによりＸ線の部分的な損失をほぼ発生させず、かつ、所定位相差を発生させる凹凸構造を封止するので経時劣化を抑えることができる。
図１に示すように、Ｘ線画像撮影システム１０は、Ｘ線照射方向であるＺ方向に沿って、Ｘ線源１１、線源グリッド１２、第１グリッド１３、第２グリッド１４、及びＸ線画像検出器１５を備える。
Ｘ線源１１は、回転陽極型のＸ線管（図示せず）と、Ｘ線の照射野を制限するコリメータ（図示せず）とを有し、被検体ＨにＸ線を放射する。
線源グリッド１２及び第２グリッド１４は、Ｘ線を部分的に吸収する吸収型グリッドであり、直線状のＸ線吸収部とＸ線透過部が交互に配列されている。第１グリッド１３は基板の凹凸構造により所定位相差（例えばπまたはπ／２）を発生させる位相型グリッドである。各グリッド１２〜１４は、Ｚ方向においてＸ線源１１に対向配置されており、いずれも格子線がＸ方向に沿って設けられている。
線源グリッド１２と第１グリッド１３との間には、被検体Ｈが配置可能な間隔が設けられている。第１グリッド１３と第２グリッド１４との距離は、例えばタルボ距離に設定する。タルボ距離とは、第１グリッド１３を通過したＸ線が、タルボ効果により第１グリッド１３の自己像を生成する距離である。
Ｘ線画像検出器１５は、半導体回路を用いたフラットパネル検出器であり、第２グリッド１４の背後に配置されている。
Ｘ線源１１から放射されたＸ線は、線源グリッド１２のＸ線吸収部によって部分的に遮蔽されることにより、Ｙ方向に関する実効的な焦点サイズが縮小され、Ｙ方向に配列された多数のライン状のＸ線が形成される。各ライン状のＸ線は、被検体Ｈを通過する際に位相が変化する。この各Ｘ線が第１グリッド１３を通過することにより、被検体Ｈの屈折率と透過光路長とから決定される被検体Ｈの透過位相情報を反映した縞画像（第１グリッド１３の自己像）が形成される。各ライン状のＸ線により生成された縞画像は、第２グリッド１４に投影され、第２グリッド１４の位置で重なり合う。
縞画像は、第２グリッド１４により部分的に遮蔽されることにより強度変調される。本実施形態では、縞走査法を用いて位相コントラスト画像を生成する。すなわち、第１グリッド１３に対して第２グリッド１４を間欠移動させるとともに、その停止中に、Ｘ線源１１から被検体ＨにＸ線を照射してＸ線画像検出器１５により撮影を行う。この間欠移動は、格子ピッチを等分割（例えば、５分割）した一定の走査ピッチでＹ方向に行う。
Ｘ線画像検出器１５の各画素の画素データの強度変化を表す強度変調信号の位相ズレ量（被検体Ｈがある場合とない場合とでの位相のズレ量）を算出することにより、位相微分画像が得られる。位相微分画像は、被検体ＨでのＸ線の屈折角度の分布に対応する。この位相微分画像をＸ方向に沿って積分することにより、位相コントラスト画像が得られる。
以下、位相型グリッドである第１グリッド１３の構造を説明する。図２に示すように、第１グリッド１３は、凹凸構造４２が形成されたシリコン基板４１と、凹凸構造４２の上部を封止する封止部材４３を備える。また、凹凸構造４２は、シリコン基板４１の一方の表面に形成され、実質的に位相型グリッドとして機能するグリッド部４２ａと、シリコン基板４１の周縁部分である周縁部４２ｂとを有する。
グリッド部４２ａは、Ｘ線の透過位置に応じて所定位相差を発生させる凹部４６と凸部４７がＸ線の照射方向に対して垂直な方向に交互に配列された構造を有する。凹部４６及び凸部４７は、Ｘ方向に直線状に延伸して設けられた柱板状構造であり、凹部４６内は真空である。本明細書で真空とは、大気圧よりもある程度減圧され、少なくとも空気に比べて酸素及び水蒸気の含有量が低減されていることを言う。凹部４６の深さ（凸部４７の高さ）は、凹部４６を透過するＸ線４８と凸部４７を透過するＸ線４９の間に所定位相差が発生するように、凸部４６を形成するシリコン基板４１の屈折率と凹部４６（真空）の屈折率に応じて定められている。シリコン基板４１の屈折率は、真空の屈折率よりも大きいので、凸部４７を透過するＸ線４９は、凹部４６を透過するＸ線４８に対して位相が遅れる。
凹部４６や凸部４７のＸ方向の幅、凹部４６と凸部４７の配列ピッチ（凹部４６と凸部４７のＸ方向の合計幅）は、第１グリッド１３を配置するＸ線源１１からの距離や、吸収型グリッドである線源グリッド１１のＸ線吸収部とＸ線透過部の配列ピッチ等に応じて定められる。
周縁部４２ｂは、図２に示すように、グリッド部４２ａの凸部４７と同じ高さに設けられた凸状構造である。但し、図３に示すように、周縁部４２ｂは、シリコン基板４１の端部に、全周にわたって設けられ、グリッド部４２ａを形成する凹部４６及び凸部４７の外周を隙間なく囲む。このため、少なくとも周縁部４２ｂが封止部材４３と接合されることにより、凹凸構造４２は封止され、第１グリッド１３の外部にある空気から遮断される。また、図２及び図３から分かるように、周縁部４２ｂは、面内方向（Ｘ方向及びＹ方向）に十分な厚さに形成されており、面内方向において少なくとも凸部４７よりも厚い。これは、封止部材４３との接合によって、周縁部４２ｂや凸部４７が破損しないようにするためである。なお、第１グリッド１３では、周縁部４２ｂと凸部４７が同じ高さに設けられているので、周縁部４２ｂだけでなく、凸部４７の上面が封止部材４３に接合される。このため、各凹部４６はそれぞれ独立して外部にある空気から遮断されている。
なお、シリコン基板４１は、凹凸構造４２の凸部４７を透過するＸ線４８を吸収しない程度の厚さに設けられている。このため、凹部４６を透過するＸ線４９と凸部４７を透過するＸ線４８とは、互いに位相差を有するが、線量はほぼ同じである。
封止部材４３は、例えばホウケイ酸ガラスからなるガラス基板であり、周縁部４２ｂと凸部４７の上面に接合される。後述するように封止部材４３と、周縁部４２ｂ及び凸部４７の上面との接合は、真空中で行われるので、凹部４６内は真空になるが、封止部材４３は、周縁部４２ｂ及び凸部４７の上面と陽極接合により隙間なく強固に接合されているので、封止部材４３と周縁部４２ｂ及び凸部４７の上面と封止部材４３との接合界面から外部の空気等が凹部４６内に流入することはない。
以下、第１グリッド１３の製造方法を説明する。第１グリッド１３を製造するときには、まず、図４（Ａ）に示すように、平行平板状のシリコン基板４１にレジストを塗布し、凹凸構造４２に対応するレジストパターン５１を形成する（レジストパターン形成工程）。次いで、レジストパターン５１をマスクにして、図４（Ｂ）に示すようにシリコン基板４１の表面をエッチングし、凹凸構造４２を形成する（エッチング工程）。
そして、図４（Ｃ）に示すように、凹凸構造４２が形成されたシリコン基板４１の表面に封止部材４３を当接させ、加熱しつつ、封止部材４３が陰極になるように直流電圧を印加することにより、凹凸構造４２の周縁部４２ｂ及び凸部４７の上面と封止部材４３を陽極接合することにより（接合工程）、第１グリッド１３が完成する。接合工程は、真空チャンバ等を用いることにより、凹凸構造４２や封止部材４３の周囲を真空にした状態で行う。なお、陽極接合は、ガラスと導体（半導体あるいは金属）を接合する接合方法であり、接合界面にではガラスと導体の共有結合が形成される。
上述のように、第１グリッド１３は、シリコン基板４１の表面に凹凸構造４２が設けられていることにより、凹部４６を透過するＸ線と凸部４７を透過するＸ線との間に所定位相差を生じさせる。シリコン基板４１は、金等の金属薄膜と比較すればＸ線の吸収能は極めて低く、Ｘ線画像の撮影においてシリコン基板４１によるＸ線の吸収はほぼ無視することができる。このため、第１グリッド１３は、Ｘ線の線量を部分的に変化させずに、凹部４６及び凸部４７の位置に応じて透過するＸ線に部分的に所定位相差を生じさせることができる。
さらに、第１グリッド１３は、凹凸構造４２の上面を封止部材４３で封止し、外部から隔絶されており、また、凹部４６は真空に保たれている。このため、第１グリッド１３の凹凸構造４２は、空気中に含まれる酸素や水蒸気等に接することによる経時劣化を抑えることができる。
また、位相型グリッドの凹凸構造４２は非常に微細であり、アスペクト比も高いので、表面に付着した僅かなゴミを取り除くために気体を吹き付けるだけでも破損してしまうことすらある。このため、凹凸構造４２が露呈されている通常の位相型グリッドは、凹凸構造を破損させないために、位相型グリッドの製造中あるいは製造後にＸ線画像撮影装置１０に組み込む作業時等において、特別な作業装置や極めてクリーンな環境を必要とするので、凹凸構造４２が露呈された位相型グリッドは高コストである。
一方、上述の第１グリッド１３は、凹凸構造４２が封止されているので、取り扱いに一定の注意は必要ではあるが、凹凸構造４２が露呈されている位相型グリッドのような特殊環境や特殊装置は不要である。このため、第１グリッド１３は、凹凸構造４２が露呈された位相型グリッドよりも、低コストに製造可能である。また、封止部材４３上にゴミ等が付着した場合に、これを除くためにエアを吹き付けるなどしても凹凸構造４２は破損しないので、封止部材４３があることにより、第１グリッド１３の完成後に第１グリッド１３が破損する機会は低減される。
なお、上述の実施形態では、第１グリッド１３を平行平板状に形成し、平行平板状のままＸ線画像撮影システム１０に用いる例を説明したが、Ｘ線源１１から照射されるＸ線はコーンビーム状に広がるので、図５に示すように、Ｘ線のコーンビーム状の広がりに応じて第１グリッド１３をＸ方向に湾曲させて用いることが好ましい。
このように、第１グリッド１３を湾曲させる場合、上述の実施形態のように凸部４７の上面が封止部材４３と接合されていると、湾曲により凸部４７が傾倒する等して、凹凸構造４２が破損することがある。このため、図６に示す第１グリッド５０のように、凸部４７の上面が封止部材４３と接合しないように、封止部材４３の凹凸構造４２（特に凸部４７）に対応する部分を薄くしておくことにより、凸部４７の上面と封止部材４３の間に隙間を設けることが好ましい。こうすると、凹凸構造４２の破損せずに第１グリッド１３を湾曲させることができる。
第１グリッド５０は、例えば次のように製造することができる。
まず、図７（Ａ）に示すように、平行平板状の封止部材４３の表面に、周縁部４２ｂに対応するレジストパターン５２を形成し、図７（Ｂ）に示すように、封止部材４３の表面をエッチングして溝５３を形成する。溝５３を形成するエッチングは、例えば、フッ酸を含む溶液によるウェットエッチングで行うことができる。その後、レジストパターン５２を除去し、図７（Ｃ）に示すように、溝５３と凹凸構造４２が向き合うように封止部材４３とシリコン基板４１を周縁部４２ｂで当接させ、陽極接合により接合する。なお、シリコン基板４１への凹凸構造４２の形成方法は、前述と同様である（図４（Ａ），（Ｂ）参照）。
上述の例では、封止部材４３の凹凸構造４２に対応する箇所を薄くして封止部材４３と凸部４７の上面の間に隙間を設けるが、図８に示す第１グリッド６０のように、封止部材４３を平板状のままにし、周縁部４２ｂに対して、凸部４７の厚さを薄くすることにより、凸部４７と封止部材４３の間に隙間を設けても良い。
第１グリッド６０は、例えば次のように製造することができる。
図９（Ａ）に示すように、まず、シリコン基板４１の表面に周縁部４２ｂに対応するレジストパターン（図示しない）を形成し、これをマスクとしてシリコン基板４１をエッチングすることにより、凹部２６及び凸部４７からなるグリッド部４２ａの位置に対応した溝５４を形成する。このとき、溝５４は例えば、凸部４７の上面と封止部材４３との間隔に応じた深さにしておく。
次いで、図９（Ｂ）に示すように、溝５４の上に、レジストを塗布し、凸部４７及び周縁部４２ｂに対応するレジストパターン５６を形成する。こうすると、レジストパターン５６には、凸部４７に対応する部分と周縁部に対応する部分とで、予め形成した溝５４の深さに対応する段差が形成される。このため、図９（Ｃ）に示すように、レジストパターン５６をマスクとしてシリコン基板４１の表面をさらにエッチングすると、凸部４７よりも周縁部４２ｂが厚い（周縁部４２ｂよりも凸部４７が薄い）凹凸構造４２を形成される。
その後、図９（Ｄ）に示すように、封止部材４３をシリコン基板４１に接合する接合工程は前述の実施形態と同様にして行えば、前述の例と同様、封止部材４３は周縁部４２ｂの上面と当接させると、凸部４７の上面は封止部材４３と接触しないので、封止部材４３は周縁部４２ｂの上面でだけシリコン基板４１と接合される。
なお、凸部４７と封止部材４３の間に隙間を設ける場合に、封止部材４３を一部薄くする例と、周縁部４２ｂに対して凸部４７を薄くする例を説明したが、これらを組み合わせて、封止部材４３を一部薄くし、かつ、周縁部４２ｂに対して凸部４７を薄くすることによって、凸部４７と封止部材４３の間に隙間を設けても良い。
なお、図５，図６，図８で示したように、凹凸構造４２及び封止部材４３がある面が凸になるように第１グリッド１３，５０，６０を湾曲させる場合、シリコン基板４１と封止部材４３の歪の大きさを比較すれば、封止部材４３の歪みが大きい。このため、封止部材４３がシリコン基板４１よりも硬いと、封止部材４３が破損することがあるので、凹凸構造４２及び封止部材４３がある面が凸になるように第１グリッド１３を湾曲させる場合には封止部材４３がシリコン基板４１よりも柔らかいことが好ましい。より具体的には、封止部材４３のヤング率がシリコン基板４１のヤング率よりも小さい範囲内で封止部材４３の材料を選定することが好ましい。凹凸構造４２を形成する基板をシリコン以外の材料からなる基板にする場合にも同様である。
さらに、図５，図６，図８で示したのとは逆に、凹凸構造４２及び封止部材４３がある面が凹になるように第１グリッド１３，５０，６０を湾曲させても、第１グリッド１３は機能する。このため、凹凸構造４２及び封止部材４３がある面が凹になるように第１グリッド１３を湾曲させる場合には、上述とは逆に、シリコン基板４１が封止部材４３よりも柔らかいことが好ましい。この場合、封止部材４３のヤング率がシリコン基板４１のヤング率よりも大きい範囲内で封止部材４３の材料を選定すれば良い。当然ながら、封止部材４３の材料等を任意に決定し、封止部材４３のヤング率がシリコン基板４１のヤング率よりも小さい場合には、凹凸構造４２及び封止部材４３がある面を凸になるように湾曲させ、封止部材４３のヤング率がシリコン基板４１のヤング率よりも大きい場合には、凹凸構造４２及び封止部材４３がある面が凹になるように湾曲させれば良い。
なお、第１グリッド１３を湾曲させるときに、凸部４７と封止部材４３の間に隙間を設ける変形例を説明したが、周縁部４２ｂ及び凸部４７の上面と封止部材４３との間にレジスト等を介入させることによって第１グリッド１３を湾曲させた時に発生する応力を緩和させても良い。この場合、封止部材４３とシリコン基板４１を陽極接合のような強固な接合により接合して凹凸構造４２を密閉することができないが、凹凸構造４２の経時劣化を抑制するために少なくとも少なくとも凹部４６への空気の流入を防ぐ事ができる程度の接着力で接着されていれば良い。
なお、上述の実施形態では、第１グリッド１３は、真空状態で凹凸構造４２を設けたシリコン基板４１に封止部材４３を接合して凹凸構造４２を封止されているが、窒素ガスや希ガス雰囲気下で凹凸構造４２を封止し、凹部４６に窒素ガス等を封入しても良い。凹凸構造４２が空気中にさらされていることによる経時劣化は、主に空気中に含まれる酸素や水蒸気との接触によるものであるから、上述のようにシリコン基板４１と反応性の低い気体を凹部４６に充填しておく場合にも、真空にする場合と同様に経時劣化を抑えることができる。
封止された凹凸構造４２の内部（凹部４６）を真空にしておく場合、凹凸構造４２の内外の圧力差があるので、Ｘ線の吸収をより抑えるために封止部材４３やシリコン基板４１を薄くすると、僅かな変形や衝撃等により破損しやすいことがあるが、封止された凹凸構造４２の内圧が大気圧と釣り合うように窒素ガス等を封入しておけば、封止部材４３やシリコン基板４１を薄くしても破損し難い第１グリッド１３を得ることができる。
また、凹部４６に充填するガスは、ヘリウムや水素、窒素、あるいはこれらの混合気体等、空気よりも軽い気体であることが好ましい。このように、空気よりも軽い気体を凹部４６に充填しておくと、所定深さ（厚さ）の凹部４６及び凸部４７について空気が充填されている場合と比較すると、より位相差を大きくすることが可能である。このため、凹部４６を浅く、凸部４７を薄くすることができるので、第１グリッド１３の製造が容易になる。また、第１グリッド１３が薄くなれば、第１グリッド１３によるＸ線の吸収や散乱を低減される。
なお、凹部４６に充填するガスは、空気でもよい。凹部４６に充填するガスが空気の場合は、充填した空気に含まれる酸素や水蒸気の分、凹凸構造４２が経時劣化するが、封止部材４３で封止されていることにより外部の空気との入れ替えが起きないので、凹部４６に封入された空気に含まれる酸素や水蒸気によって凹凸構造４２が劣化した後に、さらに経時劣化が進むことがない。このため、凹部４６に空気を充填する場合も、経時劣化を抑えることができる。
なお、上述の実施形態では、封止部材４３にホウケイ酸ガラスからなるガラス基板を用いるが、封止部材４３は凹凸構造４２と接合可能であり、凹凸構造４２を封止することができれば任意の材料を用いることができる。例えば、封止部材４３にシリコン基板を用いても良い。封止部材４３にシリコン基板を用いる場合には、接合工程において、陽極接合の代わりに、いわゆるシリコン接合や常温接合により、凹凸構造４２を形成したシリコン基板４１と封止部材とを接合することができる。
また、上述の実施形態のように、陽極接合によりシリコン基板４１と封止部材４３を接合する場合には、封止部材４３がイオン導電性基板であることが必要である。封止部材４３には、上述の実施形態で用いたホウケイ酸ガラス（パイレックス（登録商標）やテンパックス（登録商標））の他に、ソーダガラス、カリウムソーダ鉛ガラス、アルミノシリケート、ベータアルミナ、ジルコニア等を用いることができる。
また、封止部材４３として有機フィルムや有機基板を用い、これを凹凸構造４２を形成したシリコン基板４１に貼り付けることも可能である。この場合、貼付け時の熱や有機フィルム及び有機基板の伸縮性による応力によって凹凸構造４２が破損してしまうことがある。このため、封止部材４３として有機フィルムや有機基板を用いる場合には、第１グリッドを湾曲させない場合であっても、図６や図８の第１グリッド５０，６０のように、凸部４７が封止部材４３と接触しないようにすることが好ましい。封止部材４３として利用可能な有機材料は、比較的剛性が保てる材料であることが好ましく、例えばポリイミド、ＰＥＥＫ、ＰＥＴ、ＰＥＮ、アクリル等を使用することができる。
なお、封止部材４３に有機材料を用いると、シリコン基板４１との密着不良によって凹部４６に空気が流入して経時劣化の抑止効果が得られないことがあるので、陽極接合等によってシリコン基板４１と強固に接合可能なガラス基板やシリコン基板等の無機材料を封止部材４３として用いることがより好ましい。
さらに、上述の実施形態では、凹凸構造４２を形成したシリコン基板４１とガラス基板である封止部材４３を陽極接合によって接合し、前述の変形例においては封止部材４３にシリコン基板を用いるときには封止部材と凹凸構造４２を形成したシリコン基板４１をシリコン接合によって接合するが、拡散接合によって封止部材４３とシリコン基板４１を接合しても良い。具体的には周縁部４２ｂの上面と封止部材４３の対応する部分に金属薄膜を成膜しておき、互いの金属薄膜を当接させ、加熱及び加圧すれば、金属薄膜同士の拡散接合によって封止部材４３とシリコン基板４１を接合することができる。但し、金属薄膜は、極めて薄く設けたとしてもシリコン基板やガラス基板に比べてＸ線吸収性が高いので、凸部４７の上面に金属薄膜を設けることは避けるべきである。
なお、上述の実施形態では、シリコン基板４１の表面に凹凸構造４２を設ける例を説明したが、凹凸構造４２を設ける基板は一様なシリコン基板４１でなくても良い。例えば、図１０に示すように、上述の実施形態におけるシリコン基板４１の代わりに、シリコン基板６２とガラス基板６３の接合基板６４を用いて第１グリッド７０を形成しても良い。この場合、凹部４６は、例えばガラス基板６３をエッチストッパとし、シリコン基板６２を貫通してガラス基板６３が露呈されるように形成される。こうすると、シリコン基板４１に所定深さの凹部４６を設ける場合とひかくして、各凹部６２の深さのばらつきがなくなるので、凹部４６を透過するＸ線と凸部４７を透過するＸ線の間に、より正確な位相差を発生させることができる。
なお、熱膨張係数の差が大きい材料を接合すると、熱膨張が発生した時に発生する応力によって破損してしまうことがあるが、封止部材４３とガラス基板６３を同じ材料にすれば熱膨張係数の差が緩和されるので、熱膨張による破損を防ぐことができる。シリコンの熱膨張係数は３．０×１０−６／℃、ホウケイ酸ガラスの熱膨張係数は３．２×１０−６／℃なので、シリコン基板４１と封止部材４３の熱膨張係数はほぼ等しいが、上述のようにシリコン基板６２とガラス基板６３の接合基板を用いれば、より確実に熱膨張による破損を防ぐことができる。
また、図１０では、凸部４７の上面が封止部材４３に接合されている例を説明したが、前述のように、封止部材４３を一部薄くして凸部４７と封止部材４３の間に隙間を設けても良いし、凸部４７を周縁部４２ｂよりも薄くして凸部４７と封止部材４３の間に隙間を設けても良い。
なお、シリコン基板６２とガラス基板６３は陽極接合により接合可能であり、接合基板６４を用いる場合も、その後の第１グリッド７０の製造方法は上述の実施形態と同様である。
なお、上述の実施形態では説明を省略したが、シリコン基板４１の表面に凹凸構造４２を形成するエッチング工程では、深堀り用のエッチングが好適である。深堀用のエッチングには、例えば、ボッシュプロセスと呼ばれるドライエッチングが好適である。ボッシュプロセスは、例えば、シリコン（シリコン基板４１）をエッチングするＳＦ６ガスと、保護膜を形成するためのＣ４Ｆ８ガスとを用いるエッチング方法である。ＳＦ６ガスでシリコン基板４１をエッチングすると深さ方向だけでなく、横方向にもエッチングが進行するため、これだけでは第２グリッド１４のようにアスペクト比が大きい溝を形成することができない。このため、ボッシュプロセスでは、ＳＦ６ガスで所定時間エッチングした後、Ｃ４Ｆ８ガスに切り換え、プラズマにより生成されるＣＦｎのポリマーを凹部４６内に付着させて保護膜を形成する。そして、再びＳＦ６ガスによりエッチングを行う。このボッシュプロセスによれば、底面に比べて側面のエッチング速度は低いため、ほぼ底面だけをエッチングして凹部４６を深堀りすることができる。
また、例えば、シリコン単結晶の面方位によってエッチング速度が異なる異方性のウェットエッチングで凹部４６を形成しても良い。
また、上記実施形態では、被検体ＨをＸ線源と第１グリッドとの間に配置しているが、被検体Ｈを第１グリッドと第２グリッドとの間に配置してもよい。この場合にも同様に位相コントラスト画像が生成される。また、上記実施形態では、線源グリッドを設けているが、線源グリッドを省略してもよい。
本発明は、医療診断用の放射線画像撮影システムのほか、工業用や、非破壊検査等のその他の放射線撮影システムに適用可能である。また、本発明は、放射線として、Ｘ線以外にガンマ線等を用いる放射線画像撮影システムにも適用可能である。
１０ Ｘ線画像撮影システム
１１ Ｘ線源
１２ 線源グリッド
１３，５０，６０，７０ 第１グリッド
１４ 第２グリッド
１５ Ｘ線画像検出器
４１ シリコン基板
４２ 凹凸構造
４３ 封止部材
４６ 凹部
４７ 凸部
１１ Ｘ線源
１２ 線源グリッド
１３，５０，６０，７０ 第１グリッド
１４ 第２グリッド
１５ Ｘ線画像検出器
４１ シリコン基板
４２ 凹凸構造
４３ 封止部材
４６ 凹部
４７ 凸部
Claims (13)
- 凹部を透過する放射線と凸部を透過する放射線との間に所定位相差を発生させるグリッド部と、前記グリッド部の周囲に設けられた凸状の周縁部とが表面に形成された基板と、
少なくとも前記周縁部と当接して前記グリッド部を封止する封止部材と、
を備えることを特徴とする放射線画像撮影用グリッド。 - 前記凸部と前記封止部材の間に隙間があることを特徴とする請求項１記載の放射線画像撮影用グリッド。
- 前記凸部の上面が前記封止部材と接合されていることを特徴とする請求項１記載の放射線画像撮影用グリッド。
- 前記グリッド部は前記封止部材によって真空に封止されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の放射線画像撮影用グリッド。
- 前記グリッド部は前記封止部材によって空気または空気よりも軽い気体を充填して封止されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の放射線画像撮影用グリッド。
- 前記基板と前記封止部材は陽極接合により接合されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の放射線画像撮影用グリッド。
- 前記基板はシリコン基板であり、前記封止部材はイオン導電性基板であることを特徴とする請求項６記載の放射線画像撮影用グリッド。
- 前記基板と前記封止部材はともにシリコン基板であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の放射線画像撮影用グリッド。
- 前記封止部材のヤング率が前記基板のヤング率よりも小さく、前記封止部材がある側の面が凸になるように湾曲されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の放射線画像撮影用グリッド。
- 前記封止部材のヤング率が前記基板のヤング率よりも大きい、前記封止部材がある側の面が凹になるように湾曲されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の放射線画像撮影用グリッド。
- 前記基板は、所定材料からなる第１基板と、前記封止部材と同じ材料からなる第２基板との接合基板であり、
前記グリッド部及び前記周縁部は、前記第１基板に形成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の放射線画像撮影用グリッド。 - 所定材料からなる基板の表面をエッチングして、凹部を透過する放射線と凸部を透過する放射線との間に所定位相差を発生させるグリッド部と、前記グリッド部の周囲に設けられた凸状の周縁部とを前記基板の表面に形成するエッチング工程と、
封止部材を少なくとも前記周縁部に当接させ、前記基板と前記封止部材を接合し、前記グリッド部を封止する接合する接合工程と、
を備える放射線画像撮影用グリッドの製造方法。 - 放射線源から照射される放射線を位相型グリッドを介して撮影し、位相コントラスト画像を生成する放射線画像撮影システムにおいて、
前記位相型グリッドは、凹部を透過する放射線と凸部を透過する放射線との間に所定位相差を発生させるグリッド部と、前記グリッド部の周囲に設けられた凸状の周縁部が表面に形成された基板と、
少なくとも前記周縁部と当接して前記グリッド部を封止する封止部材と、
を備えることを特徴とする放射線画像撮影システム。
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