JP2013190330A - Ｘ線光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造で、発生したＸ線を効率的に平行化して出射させることができ、像の分解能が最良となるＸ線光学装置を提供する。
【解決手段】Ｘ線源１と、間隔を空けて並べて配置された少なくとも３枚のＸ線反射基板１１からなり、Ｘ線反射基板１１に両側を挟まれた複数のＸ線通路にそれぞれ入射したＸ線が、各Ｘ線通路の両側のＸ線反射基板１１で反射され平行化されて各Ｘ線通路から出射されるＸ線反射構造体３とを備え、Ｘ線反射構造体３の一端面をＸ線の入口、他端面をＸ線の出口としたときに出口のＸ線反射基板１１のピッチの方が入口のピッチよりも広くなっているＸ線光学装置であって、Ｘ線源１とＸ線反射構造体３は、各Ｘ線通路から出射されたＸ線によって形成される半影量を小さくするように配置されていることを特徴とするＸ線光学装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線を被写体に照射するためのＸ線光学装置に関し、特に、Ｘ線源と光学素子の相対位置を適正化したＸ線光学装置に関する。

Ｘ線を１次元平行化するために、いくつかの光学素子が考案されている。金属平板を一定間隔で積層したいわゆるソーラースリットはその一つであり、Ｘ線の進行方向と平行に金属平板を積層し、Ｘ線の非平行成分を金属平板に吸収させ、一定範囲の平行成分だけを透過させる。Ｘ線が金属平板で反射すると、ソーラースリットを透過するＸ線の非平行成分が増加し平行度が下がる。このため、特許文献１では、金属箔の表面に面粗さを持たせて反射を防止し、所定の平行成分のＸ線のみを透過させ、高精度の平行Ｘ線ビームを形成している。ソーラースリットの他にも以下の光学素子が考案されている。

特許文献２では、複数の微小なキャピラリが２次元に配置されたコリメータを、２次元格子状に配置したマルチＸ線源と組み合わせることで、マルチＸ線源からキャピラリの一端側にＸ線を照射してキャピラリから出力されるＸ線を平行化している。

また、特許文献３では、小さなスポットのＸ線源から出現する発散Ｘ線を、複数の中空ガラスの毛細管を備えるモノリシックな光学素子内で効率的に捕捉し、捕捉されたＸ線ビームをその光学素子によって疑似平行ビームに形成している。

特開２０００−１３７０９８号公報 特開２００４−８９４４５号公報 特許第３０５７３７８号

特許文献１に記載の技術では、Ｘ線の平行成分だけを取り出すため、発生したＸ線の極めて一部しか使用できず利用効率が低いという問題があった。また、Ｘ線源に投入されるパワーはＸ線源の発熱の影響で限界があるため、発生するＸ線照射量にも限界があり、Ｘ線の照度を向上させることが難しかった。

特許文献２に記載の技術では、コリメータに均一なキャピラリを形成する必要があるが、その形成が難しいという問題があった。また、Ｘ線源を２次元に高密度で配置する必要があるが、その配置が難しかった。Ｘ線源を２次元に高密度で配置したとしても、その重量が大きくなり、その制御が複雑であった。

特許文献３に記載の技術では、中空ガラスの毛細管が一緒に融解されて塑造成形されるため、均一な毛細管を形成するのが難しいという問題があった。

よって、発生したＸ線を効率的に平行化して出射させる簡易な構造の光学素子が求められていた。

また、高強度のＸ線と高分解能を得るためにはＸ線源と光学素子の相対位置が重要であるが、特許文献１に記載の技術では、両者の相対位置のアライメントはソーラースリットを透過するＸ線の強度が最大となるように行われている。例えば図１６においてＸ線源１をｙ方向に動かした場合、Ｘ線源１が点線の範囲内にあればソーラースリット８１を透過するＸ線の強度が最大となり、その強度に変化はない。角度幅αの大きさもほとんど変化がないため、像の分解能への影響も少ない。一方、Ｘ線源１が点線の範囲内から外れるとＸ線の強度が低下する。このことから、上記のようにＸ線の強度が最大となるようなアライメント方法がとられている。

しかしながら、上記アライメント方法では、両者の相対位置が設計よりずれたときに、そのズレがわずかであってＸ線の強度の低下を起こさないような場合でも、像の分解能が低下することがあった。また、特許文献１に記載の光学素子に限らず、特許文献２及び３の光学素子でも、上記アライメント方法では像の分解能が低下することがあった。

そこで、本発明は、簡易な構造で、発生したＸ線を効率的に平行化して出射させることができ、像の分解能が最良となるＸ線光学装置及びその調整方法の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、Ｘ線源と、間隔を空けて並べて配置された少なくとも３枚のＸ線反射基板からなり、前記Ｘ線反射基板に両側を挟まれた複数のＸ線通路にそれぞれ入射したＸ線が、各Ｘ線通路の両側のＸ線反射基板で反射され平行化されて前記各Ｘ線通路から出射されるＸ線反射構造体とを備え、前記Ｘ線反射構造体の一端面をＸ線の入口、他端面をＸ線の出口としたときに前記出口のＸ線反射基板のピッチの方が前記入口のピッチよりも広くなっているＸ線光学装置の調整方法であって、
前記各Ｘ線通路から出射されたＸ線によって形成される半影量を小さくするように前記Ｘ線源と前記Ｘ線反射構造体の相対位置を調整することを特徴とするＸ線光学装置の調整方法を提供するものである。

また、本発明は、Ｘ線源と、間隔を空けて並べて配置された少なくとも３枚のＸ線反射基板からなり、前記Ｘ線反射基板に両側を挟まれた複数のＸ線通路にそれぞれ入射したＸ線が、各Ｘ線通路の両側のＸ線反射基板で反射され平行化されて前記各Ｘ線通路から出射されるＸ線反射構造体とを備え、前記Ｘ線反射構造体の一端面をＸ線の入口、他端面をＸ線の出口としたときに前記出口のＸ線反射基板のピッチの方が前記入口のピッチよりも広くなっているＸ線光学装置であって、
前記Ｘ線源と前記Ｘ線反射構造体は、前記各Ｘ線通路から出射されたＸ線によって形成される半影量を小さくするように配置されていることを特徴とするＸ線光学装置を提供するものである。

本発明によれば、簡易な構造で、発生したＸ線を効率的に平行化することができる。また、Ｘ線源とＸ線反射構造体を、像の半影量を小さくするように配置するため、像の分解能が最良となる。

本発明における平行化原理の概念図である。 本発明に用いるＸ線反射構造体の一例を示す図である。 石英基板のＸ線反射率を示すグラフである。 図２のＸ線反射構造体に対してＸ線源の位置がずれた場合の半影量について説明する図である。 本発明に用いるＸ線反射構造体の他の一例を示す図である。 本発明のＸ線光学装置の調整方法の一例を示すフローチャートである。 本発明のＸ線光学装置の一例を示す図である。 本発明の光源位置駆動機構の一例を示す図である。 Ｘ線強度分布を示すグラフである。 光源中心位置と半影量の関係を示すグラフである。 第２の実施形態のＸ線光学装置を示す図である。 一次元格子のピッチの大きさを説明する図である。 第３の実施形態のＸ線光学装置を示す図である。 第４の実施形態のＸ線光学装置を示す図である。 第５の実施形態のＸ線光学装置を示す図である。 従来技術の光学素子を示す図である。

まず、本発明に用いるＸ線反射構造体（以下、「スリットレンズ」という。）によるＸ線の平行化原理について、本発明のＸ線光学装置をＸ線撮影装置に適用した場合で説明する。

（１）スリットレンズ
図１に示すように、スリットレンズ３は、Ｘ線反射基板１１が間隔を空けて並べて配置された構造を有し、少なくとも３枚のＸ線反射基板１１で構成される。隣り合うＸ線反射基板間の間隔はスペーサ等により形成される。Ｘ線反射基板１１に両側を挟まれた複数の通路（以下、「Ｘ線通路」という。）にそれぞれ入射したＸ線２は、各Ｘ線通路の両側のＸ線反射基板１１で反射され平行化されて各Ｘ線通路から出射される。スリットレンズ３の一端面をＸ線の入口、他端面をＸ線の出口としたときに出口のＸ線反射基板１１のピッチの方が入口のピッチよりも広くなっている。本発明における「平行化」とは、Ｘ線反射基板１１の積層方向（ｙ方向）のＸ線の成分を小さくして、Ｘ線の出射方向をｙ方向と垂直な面（ｘｚ平面）に平行にすることをいう。

（２）解像力
まず、本発明を適用したＸ線撮影装置において、Ｘ線源１からスリットレンズ３のＸ線通路に入射しＸ線通路を透過したＸ線を試料に照射して、その透過像をＸ線検出器４に投影したときの半影量（分解能）について図１及び図２（ａ）を用いて説明する。図１は本発明における平行化原理の概念図、図２（ａ）は図１のスリットレンズ３のＸ線源１を通るＹＺ平面である。

図２に示すように、スリットレンズ３の出口に無限小の物体Ａがあって、そのボケを像の半影量Δ_pと定義すると、半影量Δ_pはスリットレンズ３の出口におけるＸ線の発散角θ_out、スリットレンズ３の出口とＸ線検出器４との対向方向の距離Ｌ₃を用いて、
Δ_p＝Ｌ₃×θ_out （式１）
と表せる。上記式１は各Ｘ線通路から出射されるＸ線について成立する。

Ｘ線撮影装置の解像力は半影量Δ_pが大きいほど低くなる。従って、解像力を上げるためには、Ｌ₃を一定とすると発散角θ_outを小さくすること、即ちスリットレンズ３の各Ｘ線通路から出射されるＸ線の平行度を上げることが重要である。

しかしながら、Ｘ線撮影装置の解像力は、半影量Δ_pだけで決まるわけではなく、半影量Δ_pとＸ線検出器４（例えばフラットパネルディテクタ（ＦＰＤ）等）の画素サイズΔ_dのいずれか大きい方で決まる。画素サイズΔ_dを小さくすると、Ｘ線検出器４が高価になるほかデータ転送処理時間がかかる。一方、半影量Δ_pを小さくするのは、Ｘ線源１の光源サイズを小さくするなど後述のように光学系にかかる負荷が大きくなる。このため、画素サイズΔ_dと半影量Δ_pのバランスをとることが重要である。この両者の比が２倍を許容範囲とすると、以下の式が成立する。
０．５＜Δ_p／Δ_d＜２ （式２）

（３）平行化原理
次に、スリットレンズ３の各Ｘ線通路から出射されるＸ線を平行化する原理（平行化原理）について図２を用いて説明する。図２（ｂ）は図２（ａ）のスリットレンズ３の二点鎖線で囲まれた領域の拡大図である。以下、Ｘ線反射基板１１としてガラス薄板を用いた場合で説明するが、Ｘ線反射基板１１はガラス薄板でなくても良く、金属等でも良い。

図２（ａ）に示すように、Ｘ線源１から発せられたＸ線２は発散光であり全方位に放射される。Ｘ線源１の対向方向に距離Ｌ₁だけ離れてスリットレンズ３が配置されている。スリットレンズ３は、緩やかな曲率を持つガラス薄板が、間隔を空けて所定のピッチで並べて配置されてなり、Ｘ線の出口のピッチの方がＸ線の入口のピッチよりも広くなっている。ピッチとは、隣接するガラス薄板の対応する面間の距離である。ガラス薄板は、１枚の厚さが数μｍ〜数十μｍで、数十枚から数百枚重ねられており、両面でＸ線を反射することができる。ガラス薄板１１ａと１１ｂの間のＸ線通路に入射したＸ線２は、ガラス薄板１１ａと１１ｂの両方で反射されながら進んでいき、Ｘ線通路から出射される。ガラス薄板１１ｂと１１ｃの間のＸ線通路でも同様に、入射したＸ線がガラス薄板１１ｂと１１ｃの両方で反射されながら進んでいき、Ｘ線通路から出射される。他の隣り合うガラス薄板間のＸ線通路でも同様である。各Ｘ線通路に入射したＸ線２の多くは上述のようにして平行化されるが、各Ｘ線通路に入射したＸ線２のうち、平行な方向に進むＸ線は、ガラス薄板で反射されず、各Ｘ線通路からそのまま出射される。

このように、スリットレンズ３のＸ線通路をＸ線が進行するにつれて、進行方向が平行な方向ではないＸ線は、ガラス薄板で複数回反射されて、進行方向が徐々に平行に近づいていき、平行化されて各Ｘ線通路から出射される。また、平行な方向に進むＸ線は、各Ｘ線通路からそのまま出射される。よって、簡易な構造で、Ｘ線を効率的に平行化して出射させることができる。これにより、Ｘ線検出器４に形成される半影量Δ_pも小さくなる。

ここで、Ｘ線通路の両側のガラス薄板から等距離の位置に仮想面５を置き、スリットレンズ３の入口において仮想面５の接平面６を考える。Ｘ線源１が複数の仮想面５の入口側の接平面上に位置していると、より多くのＸ線を各Ｘ線通路に入射させることができる点で良い。図２に示すように、隣り合うガラス薄板間に作製した複数の仮想面５の入口側の全ての接平面６が共通の直線で交わり、その直線上にＸ線源１が位置していると、Ｘ線源１の光源サイズを小さくすることができる点で好ましい。また、スリットレンズ３の出口においてガラス薄板が平行になっている、即ち複数の仮想面５の出口側の接平面６が略平行であると、各Ｘ線通路から出射されるＸ線の平行度を上げることができる点で良い。

図３に波長０．０７１ｎｍのＸ線に対する石英基板のＸ線反射率を示す。横軸は各Ｘ線通路にＸ線が入射するときの視射角θ_g、縦軸はＸ線反射率である。視射角θ_g＝０．５ｍｒａｄでは、Ｘ線反射率が９９．８％以上であり、５０回の反射で９０％以上透過することが分かる。また、図３より、視射角θ_g＝１．８ｍｒａｄでＸ線反射率が急激に減衰しているが、このときの視射角θ_gを臨界角と呼びθ_cで表す。Ｘ線源１が複数の仮想面５の入口側の接平面上に位置する場合、各接平面６の角度ずれが大きくなると、Ｘ線源１を見込む各ガラス薄板の角度ずれが生じ、視射角θ_gが臨界角θ_cより大きくなる位置のＸ線源１から発せられたＸ線２がガラス薄板で反射しなくなる。このため、Ｘ線源１とスリットレンズ３の入口との対向方向の距離をＬ₁、各Ｘ線通路にＸ線が入射するときの視射角θ_gの臨界角θ_cを用いて、Ｘ線源１とＸ線通路との前記対向方向に垂直な方向の距離Δ_sが、
Δ_s＜Ｌ₁×θ_c （式３）
となる必要がある。即ち、上記式３を満たすように、スリットレンズ３とＸ線源１の相対位置、ガラス薄板とＸ線源１の相対位置を決める必要がある。

ここで、図２に示すように、隣り合うガラス薄板間の間隔は一定で、全てのガラス薄板の厚さは出口側の方が入口側よりも厚いスリットレンズ３を考える。このようなスリットレンズ３は、楔形の厚さのガラス薄板を積層することで作製することができる。各Ｘ線通路にＸ線が入射しガラス薄板で反射する最大の視射角θ_gmaxは、
θ_gmax＝（ｓ＋ｇ）／２Ｌ₁ （式４）
となる。ここで、ｓはＸ線源１の光源サイズ（光源の直径）であり、光源の強度分布がガウシアン分布に近似できる場合２σとする。ｇは隣り合うガラス薄板間の間隔とする。但し、θ_gmaxは臨界角θ_cより小さい角度でなければならない。

スリットレンズ３の出口においてガラス薄板が平行になっていると、スリットレンズ３の各Ｘ線通路から出射されるＸ線の発散角θ_outは、
θ_out＝２×θ_gmax （式５）
となる。このとき、半影量Δ_pは、上記式１、式４及び式５より、
Δ_p＝Ｌ₃×（ｓ＋ｇ）／Ｌ₁ （式６）
となる。また、上記式２及び式６より、
０．５×Δ_d＜Ｌ₃×（ｓ＋ｇ）／Ｌ₁＜２×Δ_d （式７）
となる。

ガラス薄板の平行度が下がると、Ｘ線の強度を検出するＸ線検出器４の画素にＸ線が到達しない、又は極端にＸ線の強度が低い画素が生じる。このため、全てのガラス薄板の平行度Δ_outは、以下の式８ａの許容値Δ_out-a又は式８ｂの許容値Δ_out-bのどちらか大きい方の許容値を満たす必要がある。ここで、Δ_dはＸ線検出器４の画素サイズとする。
Δ_out-a＜（ｓ＋ｇ）／Ｌ₁ （式８ａ）
Δ_out-b＜Δ_d／Ｌ₃ （式８ｂ）

ここで、光源の位置がｙ方向にδずれたときにＸ線検出器４に形成される半影量Δ_pの大きさを、図４を用いて説明する。図４（ａ）において、ｙ方向では、光源中心位置Ｓ_Cと接平面６との距離がδだけずれた場合、上記式４の導出と同様の考え方により、最大視射角θ_gmaxは、
θ_gmax＝（ｓ／２＋ｇ／２＋δ）／Ｌ₁ （式９）
となる。

また、この場合の発散角θ_outを図４（ｂ）に基づいて説明する。ここでは単純のため２枚の平行平板をスリットレンズ３として考える。スリットレンズ３に入射したＸ線は上下のガラス面で視射角θ_gを保ちながら反射を繰り返し、出口から仮想面５に対して＋ｙ方向又は−ｙ方向に出射される。どちらの方向に出射されるかはスリットレンズ３内での反射回数によって決まり、反射回数は視射角θ_gとスリットレンズ３のｚ方向の長さＬ₂によって決定される。図４（ｂ）に示すように、最後の反射点Ｐがスリットレンズ３の出射端と一致している場合、Ｘ線はＰ点で反射して−ｙ方向に出射される。このとき、視射角θ_gよりわずかに小さい角度で入射したＸ線はスリットレンズ３の出射端で反射することなく＋ｙ方向に出射される。スリットレンズ３に入射するＸ線の視射角θ_gは０≦θ_g≦θ_gmaxの範囲で連続であるため、最大の発散角θ_outは上記式５のように考えて良い。

上記式１、式５及び式９より、光源の位置がｙ方向にδずれたときの半影量Δ_pは、
Δ_p＝Ｌ₃×（ｓ＋ｇ＋２δ）／Ｌ₁ （式１０）
となり、光源の位置ずれ量δが変化すると半影量Δ_pが変化することが分かる。

続いて、全てのガラス薄板の厚さは一定で、隣り合うガラス薄板間の間隔は出口側の方が入口側よりも広いスリットレンズ３を考える。ここでは、簡単にするために、図５に示すように、ガラス薄板１１ａと１１ｂが角度θ_aをなす直管の場合を考える。仮想面５とＸ線２のなす角を半発散角とすると、半発散角θ₀（０．５×θ_a＜θ₀＜θ_c）でガラス薄板１１ａと１１ｂの間のＸ線通路に入射したＸ線はガラス薄板１１ｂの点Ｐ₀で反射した後、ガラス薄板１１ａの点Ｐ₁で反射するものとする。１回目の反射後の半発散角θ₁は、
θ₁＝θ₀−θ_a （式１１）
となる。従って、ｎ回目の反射後の角度θ_nは、θ₀−ｎ×θ_a＞０の範囲で、
θ_n＝θ₀−ｎ×θ_a （式１２）
となる。θ_n＜０．５×θ_aとなると、Ｘ線２がガラス薄板に到達しないので、半発散角は変わらない。また、隣り合うガラス薄板間の出口側の間隔をｇ_out、隣り合うガラス薄板間の入口側の間隔をｇ_inとし、ガラス薄板の長さをＬ₂とすると、
θ_a＝（ｇ_out−ｇ_in）／Ｌ₂ （式１３）
となる。このとき、θ_a＜θ_outなので、半影量Δ_pは、上記式１及び式１３より、
（ｇ_out−ｇ_in）×Ｌ₃／Ｌ₂＜Δ_p （式１４）
となる。また、上記式２及び式１４より、
０．５×Δ_d＜Ｌ₃×（ｇ_out−ｇ_in）／Ｌ₂＜２×Δ_d （式１５）
となる。

上述した図２に示す構成のスリットレンズ３と同じ理由から、全てのガラス薄板の厚さは一定で、隣り合うガラス薄板間の間隔は出口側の方が入口側よりも広いスリットレンズ３でも、スリットレンズ３の出口においてガラス薄板が平行になっているのが良い。このため、全てのガラス薄板の平行度Δ_outは、以下の式１６ａの許容値Δ_out-a又は式１６ｂの許容値Δ_out-bのどちらか大きい方の許容値を満たす必要がある。ここで、Δ_dはＸ線検出器４の画素サイズとする。
Δ_out-a＜（ｇ_out−ｇ_in）／Ｌ₂ （式１６ａ）
Δ_out-b＜Δ_d／Ｌ₃ （式１６ｂ）

一方、ガラス薄板が曲率を持たない次元、即ちＸ線源１とスリットレンズ３の入口との対向方向と、Ｘ線源１とＸ線通路との前記対向方向に垂直な方向とのいずれにも垂直な方向（ｘ方向）の半影量Δ_xは、
Δ_x＝ｓ×Ｌ₃／（Ｌ₂＋Ｌ₁） （式１７）
となり、スリットレンズ３、Ｘ線源１、Ｘ線検出器４の相対位置で決まる。

尚、Ｘ線源１が複数の仮想面５の入口側の接平面上に位置しており、複数の仮想面の出口側の接平面が共通の直線で交差しているスリットレンズ３も本発明に適用でき、この構成でも平行化を実現できる。複数の仮想面５の入口側の全ての接平面６が共通の直線で交わり、その直線上にＸ線源１が位置していると、Ｘ線源１の光源サイズを小さくすることができる点で好ましい。この場合、入口側で交差する共通の直線は、出口側で交差する共通の直線とは別の直線である。

次に、本発明のＸ線光学装置及びその調整方法の好適な実施形態を示す。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明の好ましい実施形態を図６及び図７を用いて詳細に説明する。図６に本発明のＸ線光学装置の調整方法の一例を示すフローチャートを、図７（ａ）に本発明のＸ線光学装置の一例を、図７（ｂ）に図７（ａ）におけるスリットレンズ３の出口付近の領域Ｂを拡大した図を示す。

本実施形態ではスリットレンズ３を通過してきたＸ線２によって像を投影したときの分解能を計測する手段として、スリットレンズ３とＸ線検出器４の間に被写体３１（半影形成用被写体）を配置し、被写体３１がＸ線検出器４に形成する半影量を計測する。被写体３１はＸ線を遮蔽する目的で使用されるため、その素材は金、白金、鉛など入射したＸ線を吸収する素材であることが望ましい。スリットレンズ３を固定した状態で、Ｘ線源１の位置をｙ方向に移動させながら（ステップ１）、Ｘ線検出器４上に形成される半影量の変化を計測（ステップ２）する。半影量が最小となる位置、即ち分解能が最も高くなる光源位置（Ｘ線源１の位置）を導出（ステップ３）し、その位置に光源位置を調整する（ステップ４）。このように、半影量を小さくするように光源位置を調整することで分解能を高くすることができる。

図７（ａ）において、Ｘ線源１から放射されたＸ線２はスリットレンズ３のＸ線通路を反射しながら進み、Ｘ線通路から出射されＸ線検出器４で検出される。スリットレンズ３とＸ線検出器４の間には被写体３１が配置されている。被写体３１は駆動機構３２により少なくともｙ軸方向の任意の位置に移動可能な構成となっている。被写体３１はＸ線源１とスリットレンズ３の位置調整の際に光路内の任意の位置まで駆動され、位置調整終了後に光路外に退避させる。

Ｘ線源１とスリットレンズ３の入口との対向方向の距離Ｌ₁は１００ｍｍ、スリットレンズ３の長さＬ₂は１００ｍｍ、スリットレンズ３の出口とＸ線検出器４との対向方向の距離Ｌ₃は２００ｍｍである。Ｘ線検出器４の画素サイズΔ_dは１００μｍ、Ｘ線源１の光源サイズｓは１００μｍである。隣り合うガラス薄板間の間隔ｇは１０μｍで一定、全てのガラス薄板の厚さは出口側が４０μｍ、入口側が１０μｍである。

Ｘ線源１のｙ方向スキャンの方法について説明する。機械的な移動機構を設けることでＸ線源１を駆動させても良いし、また以下に示すような電気的な操作によって移動させても良い。本実施形態に使用される光源位置駆動機構２１は図８に示すように、電子線源２２、電子線２３を収束させる電子レンズ２４（レンズ電極）、電子線２３を偏向する偏向器２６、Ｘ線発生用の透過型ターゲット２５、これらが真空容器２７の中に配置されている。電子線源２２から引き出された電子は電子レンズ２４により収束され、透過型ターゲット２５に入射する。透過型ターゲット２５に電子線２３が入射すると、電子線２３が入射した面の反対側の面からＸ線が放射される。よって、透過型ターゲット２５に電子線２３が入射した位置が光源位置２８となる。この際、偏向器２６により、ｙ方向に電子線２３を曲げることで、透過型ターゲット２５に入射する電子線２３の位置がｙ方向に移動し、光源位置２８をｙ方向に移動することができる。以上のようなＸ線源１を使用することで、偏向器２６への電気的な操作で光源位置２８を移動することができる。

ここで、本実施形態における半影量計測の原理を説明する。

図７（ｂ）に示すように、被写体３１はその先端がスリット間の光路上に位置するように配置されている。不図示のＸ線源１から放射されたＸ線がスリットレンズ３を通過し、被写体３１によってその一部が遮蔽されることで、スリットレンズ３の下流に位置する平面Ｃ上では被写体３１の半影が現れる。実線３３はＸ線源１とスリットレンズ３の相対位置が合っているときのＸ線の様子を、破線３４はＸ線源１とスリットレンズ３の相対位置がずれているときのＸ線の様子を示している。

Ｘ線源１の強度に分布がなく均一である場合における平面Ｃのｙ方向のＸ線強度分布を、図９を用いて説明する。横軸に平面Ｃのｙ方向位置を、縦軸にＸ線強度を示す。Ｘ線源１とスリットレンズ３の相対位置が合っているとき、位置ｙ１２以下の領域では、スリットレンズ３を通過したＸ線は被写体３１によって全て遮蔽され、強度は０となる。位置ｙ１１以上の領域では、Ｘ線は被写体３１によって遮蔽されることなくＸ線検出器４に到達する。ｙ１１とｙ１２の間の領域が、Ｘ線源１が大きさを持つことによって生じるボケ、即ち半影量であり、その大きさはｙ１１−ｙ１２で表される。光源位置がｙ方向にずれたときの半影量を考えると、上記式４及び式５より、Ｘ線源１の位置ずれは発散角θ_outを増大させる。このため、Ｘ線検出器上の強度分布は破線のように、位置ｙ２２以下では強度０となり、位置ｙ２１以上では遮蔽されることなくＸ線検出器４に到達する。このときの半影量はｙ２１−ｙ２２となる。

また、図７に示すような本実施形態のＸ線光学装置では、光源位置がｙ方向にδずれたときのＸ線検出器上の半影量Δ_pは、上記式１０のように表すことができる。

以上の装置構成と半影量計測の原理に基づき、スリットレンズ３を固定した状態で光源位置をｙ方向に移動させたとき、半影量Δ_pは図１０に示すグラフのように変化する。図１０では、光源中心位置を光源位置（Ｘ線源１の位置）とし、半影量を、スリットレンズ３の位置を固定したときの光源中心位置の関数としている。横軸はＸ線源１のｙ方向位置を、縦軸は半影量をそれぞれ表している。光源位置のスキャン計測により得られた半影量変化のグラフから、半影量が最小となる光源位置を光源中心位置として導出する。その後、導出した光源中心位置にＸ線源１を移動する。

本実施形態の構成においてＸ線源１とスリットレンズ３の相対位置を変化させながら、Ｘ線検出器上でＸ線の半影量を計測し、半影量が最小となる位置にＸ線源を調整することで、分解能が最も高くなる位置関係に調整することが可能となる。

図７では、外側のＸ線通路で半影量を計測しているが、外側以外の別のＸ線通路で半影量を計測しても良い。

本実施形態ではＸ線源内の電子線２３を偏向させることにより光源位置２８を変化させたが、Ｘ線源（光源本体）又はスリットレンズ３を駆動しても良い。

ガラス薄板での反射回数が多くなると、スリットレンズ３の入口側の角度の影響が大きくなる。よって、全てのガラス薄板の厚さは一定で、隣り合うガラス薄板間の間隔は出口側の方が入口側よりも広いスリットレンズ３よりも、隣り合うガラス薄板間の間隔は一定で、全てのガラス薄板の厚さは出口側の方が入口側よりも厚いスリットレンズ３の方が好ましい。

〔第２の実施形態〕
本発明の好ましい第２の実施形態を図１１を用いて説明する。ここでは第１の実施形態との差異についてのみ説明する。本実施形態では図１１（ａ）に示すように、半影形成用の一次元格子４１（以下、「スリットアレイ４１」という。）を備えている。スリットアレイ４１は駆動機構４２により少なくともｙ軸方向の任意の位置に移動可能な構成となっている。本実施形態では、スリットレンズ３とＸ線検出器４の間にスリットアレイ４１を配置し、スリットアレイ４１がＸ線検出器４に形成する半影量を計測する。本実施形態のスリットアレイ４１を図１１（ｂ）に示す。スリットアレイ４１は金、白金、鉛などＸ線を遮蔽可能な板状部材に、開口幅ｔ₁が２０μｍ、長さｂ₁＝３００ｍｍのスリットがｙ方向にピッチＰ₁＝６５０μｍの間隔で３０個並んで配置されており、ｙ方向の長さａ₁は１９．５ｍｍとなっている素子である。このスリットアレイ４１を図１１（ａ）に示すようにスリットレンズ３の下流に配置することで、スリットレンズ３の各Ｘ線通路の半影量を計測することが可能となる。実際のスリットレンズの各Ｘ線通路は、製造誤差などによりそれぞれ平行度が異なるため、僅かながら半影量が異なる。Ｘ線通路毎の半影量の平均を考えることで、スリットレンズ全体として半影量が最小となる光源位置に調整することができる。

図１２を用いてスリットアレイ４１のピッチＰ₁の大きさについて説明する。ピッチＰ₁を６５０μｍとしている理由は、Ｘ線源１とスリットレンズ３の相対位置ずれが特定の範囲にあるとき、Ｘ線検出器上でスリットレンズの他のＸ線通路から透過するＸ線の重なりを避けるためである。よって、Ｘ線源１とスリットレンズ３のｙ方向の相対位置ずれが０のとき、上記式１０より、半影量Δ_pは２２０μｍであり、実線４３にそのときのＸ線の様子を示す。Ｘ線源１とスリットレンズ３のｙ方向の相対位置が１００μｍずれているとき（δ＝１００μｍのとき）、上記式１０より、半影量Δ_pは６２０μｍとなり、破線４４にそのときのＸ線の様子を示す。スリットアレイ４１のピッチＰ₁が６５０μｍであるため、Ｘ線源１とスリットレンズ３の相対位置ずれが１００μｍ以内であれば、図１２に示すように、Ｘ線検出器上でスリットレンズの他のＸ線通路から透過するＸ線の重なりを避けることができる。

本実施形態の構成においてＸ線源１とスリットレンズ３の相対位置を変化させながら、Ｘ線検出器上でＸ線の半影量を計測し、半影量が最小となる位置にＸ線源を調整することで、分解能が最も高くなる位置関係に調整することが可能となる。

また、本実施形態では３０個のＸ線通路による半影量をそれぞれ独立に、一括で計測することが可能である。これら３０個のＸ線通路による半影量の平均値を求めることで、単一のＸ線通路のみでの計測に比べて、各Ｘ線通路の誤差から受ける影響が少なく、より精度良くＸ線源１とスリットレンズ３の相対位置を調整することが可能となる。

〔第３の実施形態〕
本発明の好ましい第３の実施形態を図１３を用いて説明する。ここでは第１・第２の実施形態との差異についてのみ説明する。本実施形態では半影形成用の第１の一次元格子５１（以下、「スリットアレイ５１」という。）を備えている。更に、図１３（ａ）に示すように、モアレ縞生成用の第２の一次元格子５２（以下、「スリットアレイ５２」という。）をスリットアレイ５１とＸ線検出器４の間に備えている。スリットアレイ５１、５２は不図示の駆動機構により少なくともｙ軸方向の任意の位置に移動可能な構成となっている。本実施形態では、スリットレンズ３とＸ線検出器４の間に、スリットレンズ３の出口側から順にスリットアレイ５１、スリットアレイ５２を配置し、この２つのスリットアレイにより形成されるＸ線のモアレ縞間隔を計測し、その計測値から半影量を推定する。本実施形態のスリットアレイ５２を図１３（ｂ）に示す。任意のピッチを有するスリットアレイ５２によって形成されるＸ線のモアレ縞間隔（縞周期）を利用して半影量を検出する。スリットアレイ５２は金、白金、鉛などＸ線を遮蔽可能な板状部材に、開口幅ｔ₂が２００μｍ、長さｂ₂＝６００ｍｍの開口スリットがｙ方向にピッチＰ₂＝４００μｍの間隔で５０個並んで配置されており、ｙ方向の長さａ₂は２０ｍｍとなっている素子である。

スリットレンズ３を透過し、スリットアレイ５１によって周期的に切り出されたＸ線は、ｙ方向にスリットアレイ５１と同じ周期の強度分布を有している。

このＸ線がモアレ縞生成用のスリットアレイ５２に入射することによりＸ線検出器４上ではモアレ縞が計測される。スリットアレイ５１で切り出されたＸ線の強度分布の周期Ｐ_a、モアレ縞生成用のスリットアレイ５２の周期Ｐ_bと、生成されるモアレ縞の縞周期Ｐは以下の関係式で表される。
１／Ｐ＝｜１／Ｐ_a−１／Ｐ_b｜ （式１８）
即ち生成されたモアレ縞の縞周期Ｐは周期Ｐ_aのＰ_b／｜１／Ｐ_a−１／Ｐ_b｜倍に拡大されたものとなる。

スリットアレイ５１によって切り出されたＸ線のｙ方向の強度分布の周期を拡大してＸ線検出器４に入射することで、Ｘ線検出器４の画素サイズΔ_dに対してＸ線の強度分布の周期を大きくすることができ、ｙ方向の強度分布の検出分解能を向上することができる。よって、より精度良く半影量の計測が可能となり、より精度良く光源位置を調整することが可能となる。

モアレ縞生成用のスリットアレイ５２のピッチＰ_bの決め方について説明する。本実施形態ではスリットアレイ５１の周期が６５０μｍとなっているのでＰ_aは６５０μｍである。Ｘ線検出器上で計測を望む強度分布の周期Ｐを、ここでは例えばＰ_aの２倍の大きさとして１３００μｍに設定すると、Ｐ_bは上記式１８より４３３μｍとすれば良い。

本実施形態の構成においてＸ線源１とスリットレンズ３の相対位置を変化させながら、Ｘ線検出器上で周期の拡大されたＸ線の半影量を計測し、半影量が最小となる位置にＸ線源を調整することで、分解能が最も高くなる位置関係に調整することが可能となる。

〔第４の実施形態〕
本発明の好ましい第４の実施形態を図１４を用いて説明する。ここでは第１乃至第３の実施形態との差異についてのみ説明する。本実施形態では、図１４（ａ）に示すように、スリットレンズ３とＸ線検出器４の間に、ソーラースリット６１を配置し、ソーラースリットを通過したＸ線の強度を計測し、その計測値から半影量を推定する。

ソーラースリット６１は複数の平板状の遮蔽板が等間隔に互いの面が平行となるように配置された素子である。特定の角度以上の発散角を持つＸ線は遮蔽板側壁によって遮蔽され、特定の角度以内の発散角をもつＸ線は遮蔽されることなくソーラースリット６１を通過する。即ちソーラースリット６１を通過するＸ線の強度を計測することで、ソーラースリット６１に入射するＸ線が有する発散角を求めることができ、この発散角を用いて半影量を推定することが可能である。

ソーラースリット６１で遮蔽されるＸ線の発散角の領域は、ソーラースリット６１の開口角で決定される。ここで開口角φはソーラースリット遮蔽板のＸ線の進行方向の長さＬ_sと遮蔽板同士の間隔ｔ_sから以下の式で表される。
φ＝２×ａｒｃｔａｎ（ｔ_s／Ｌ_s） （式１９）
開口角φが発散角θより大きい場合、発散角θを有してソーラースリット６１に入射したＸ線がソーラースリット遮蔽板で遮蔽されることなく通過することがあり得る。つまり開口角φは、検出したい発散角θ以下になるように設定することが望ましい。

ここで、Ｘ線源１とスリットレンズ３の位置ずれがないとき、即ちスリットレンズ３から放射されるＸ線の発散角が最小となるときの発散角をθ_minとすると、ソーラースリットの開口角φは、
φ≦θ_min （式２０）
であることが望ましい。但し、上記式１９より、ソーラースリット遮蔽板の長さＬ_sが一定のとき、φが小さくなるほど遮蔽板間隔ｔ_sが小さくなるため、検出されるＸ線強度は減少してしまう。よって本実施形態ではφ＝θ_minとなる条件から遮蔽板間隔ｔ_sを決定する。

本実施形態に用いるソーラースリット６１を図１４（ｂ）に示す。長さＬ_sは１００ｍｍ、奥行きＷは３００ｍｍ、高さＨは１００ｍｍである。またθ_minは１．１ｍｒａｄである。このとき遮蔽板間隔ｔ_sはφ＝θ_minから、５５μｍである。

本実施形態の構成においてＸ線源１とスリットレンズ３の位置を相対的に変化させながら、ソーラースリット６１を通過したＸ線の強度を計測する。計測したＸ線強度からソーラースリット６１に入射する発散角を求めることができるため、この発散角から推定される半影量が最小となる位置にＸ線源を調整することで、分解能が最も高くなる位置関係に調整することが可能となる。

〔第５の実施形態〕
本発明の好ましい第５の実施形態を図１５を用いて説明する。ここでは第１乃至第４の実施形態との差異についてのみ説明する。本実施形態ではＸ線源１とスリットレンズ３からなる光学系の半影量を計測するために、図１５（ａ）に示すように、Ｘ線源１とスリットレンズ３の間にＸ線通路選択用の一次元格子７１（以下、「スリットアレイ７１」という。）を配置する。これはスリットレンズ３の入口で特定のＸ線通路のみにＸ線源１からのＸ線を導入するためのもので、選択したＸ線通路以外にはＸ線源からのＸ線が入射しないようにするための素子である。選択されたＸ線通路を通過したＸ線は上記式５で示される発散角でスリットレンズ３から出射され、Ｘ線検出器上でＸ線が照射されるｙ方向の範囲は上記式１０に示される大きさとなる。

第２の実施形態ではスリットレンズ３の下流に半影形成用のスリットアレイを配置し、Ｘ線がスリットアレイによって遮蔽されることで形成される半影量を計測する方法を説明した。本実施形態ではスリットレンズ３の上流にスリットアレイ７１を配置することで、Ｘ線源１からのＸ線が入射できるスリットレンズ３のＸ線通路を制限しており、特定のＸ線通路から出射されたＸ線の大きさを計測し、その計測値から半影量を推定する。

本実施形態に用いるスリットアレイ７１を図１５（ｂ）に示す。スリットアレイ７１は金、白金、鉛などＸ線を遮蔽可能な板状部材に、開口幅ｔ₃＝２０μｍ、長さｂ₃＝３００ｍｍのスリットがｙ方向にピッチＰ₃＝２６０μｍで３０個並んで配置されており、ｙ方向の長さａ₃が７．８ｍｍとなっている素子である。この素子をスリットレンズ３の入口近傍に設置する。この際、選択した特定のＸ線通路の開口を遮らないようにスリットアレイ７１を配置する。以上のようにスリットアレイ７１とスリットレンズ３の位置を合わせて配置することで、スリットレンズ３のＸ線通路を１３個おきに合計３０個に制限することが可能である。

Ｘ線源１とスリットレンズ３の相対位置にずれがないとき、上記式１０より、ある一つのＸ線通路を通過したＸ線はＸ線検出器上で２２０μｍの大きさで検出される。また、Ｘ線源１とスリットレンズ３の相対位置が１００μｍずれているときにはＸ線検出器上で６２０μｍの大きさで検出される。

本実施形態の構成においてＸ線源１とスリットレンズ３の位置を相対的に変化させながら、Ｘ線検出器上のＸ線の大きさを計測する。計測したＸ線の大きさが最小となるときに半影量も最小となるため、Ｘ線の大きさが最小となる位置にＸ線源を調整することで、分解能が最も高くなる位置関係に調整することが可能となる。

１：Ｘ線源、２：Ｘ線、３：スリットレンズ、４：Ｘ線検出器、５：仮想面、６：仮想面の入口側の接平面、１１：Ｘ線反射基板、２１：光源位置駆動機構、２２：電子線源、２３：電子線、２４：電子レンズ、２５：透過型ターゲット、２６：偏向器、２７：真空容器、２８：光源位置

Claims (12)

1. Ｘ線源と、
   間隔を空けて並べて配置された少なくとも３枚のＸ線反射基板からなり、前記Ｘ線反射基板に両側を挟まれた複数のＸ線通路にそれぞれ入射したＸ線が、各Ｘ線通路の両側のＸ線反射基板で反射され平行化されて前記各Ｘ線通路から出射されるＸ線反射構造体とを備え、
   前記Ｘ線反射構造体の一端面をＸ線の入口、他端面をＸ線の出口としたときに前記出口のＸ線反射基板のピッチの方が前記入口のピッチよりも広くなっているＸ線光学装置の調整方法であって、
   前記各Ｘ線通路から出射されたＸ線によって形成される半影量を小さくするように前記Ｘ線源と前記Ｘ線反射構造体の相対位置を調整することを特徴とするＸ線光学装置の調整方法。
2. 前記半影量は、前記Ｘ線通路から出射されたＸ線を被写体に照射したときに、前記被写体により形成される半影量であることを特徴とする請求項１に記載のＸ線光学装置の調整方法。
3. 前記半影量は、前記Ｘ線通路から出射されたＸ線を一次元格子に照射したときに、前記一次元格子により形成される半影量であることを特徴とする請求項１に記載のＸ線光学装置の調整方法。
4. 前記Ｘ線通路から出射されたＸ線を、前記Ｘ線反射構造体の出口側から順に配置した第１の一次元格子、第２の一次元格子に照射したときに、前記２つの一次元格子により形成されるＸ線のモアレ縞間隔に基づいて前記半影量を推定することを特徴とする請求項１に記載のＸ線光学装置の調整方法。
5. 前記Ｘ線通路から出射されたＸ線をソーラースリットに照射したときに、前記ソーラースリットを通過したＸ線の強度に基づいて前記半影量を推定することを特徴とする請求項１に記載のＸ線光学装置の調整方法。
6. 前記Ｘ線源と前記Ｘ線反射構造体の間に特定の前記Ｘ線通路のみにＸ線を入射させる一次元格子を配置した状態で、前記特定の前記Ｘ線通路から出射されたＸ線の大きさに基づいて前記半影量を推定することを特徴とする請求項１に記載のＸ線光学装置の調整方法。
7. Ｘ線源と、
   間隔を空けて並べて配置された少なくとも３枚のＸ線反射基板からなり、前記Ｘ線反射基板に両側を挟まれた複数のＸ線通路にそれぞれ入射したＸ線が、各Ｘ線通路の両側のＸ線反射基板で反射され平行化されて前記各Ｘ線通路から出射されるＸ線反射構造体とを備え、
   前記Ｘ線反射構造体の一端面をＸ線の入口、他端面をＸ線の出口としたときに前記出口のＸ線反射基板のピッチの方が前記入口のピッチよりも広くなっているＸ線光学装置であって、
   前記Ｘ線源と前記Ｘ線反射構造体は、前記各Ｘ線通路から出射されたＸ線によって形成される半影量を小さくするように配置されていることを特徴とするＸ線光学装置。
8. 前記半影量は、前記Ｘ線通路から出射されたＸ線を被写体に照射したときに、前記被写体により形成される半影量であることを特徴とする請求項７に記載のＸ線光学装置。
9. 前記半影量は、前記Ｘ線通路から出射されたＸ線を一次元格子に照射したときに、前記一次元格子により形成される半影量であることを特徴とする請求項７に記載のＸ線光学装置。
10. 前記半影量は、前記Ｘ線通路から出射されたＸ線を、前記Ｘ線反射構造体の出口側から順に配置した第１の一次元格子、第２の一次元格子に照射したときに、前記２つの一次元格子により形成されるＸ線のモアレ縞間隔に基づいて推定された値であることを特徴とする請求項７に記載のＸ線光学装置。
11. 前記半影量は、前記Ｘ線通路から出射されたＸ線をソーラースリットに照射したときに、前記ソーラースリットを通過したＸ線の強度に基づいて推定された値であることを特徴とする請求項７に記載のＸ線光学装置。
12. 前記半影量は、前記Ｘ線源と前記Ｘ線反射構造体の間に特定の前記Ｘ線通路のみにＸ線を入射させる一次元格子を配置した状態で、前記特定の前記Ｘ線通路から出射されたＸ線の大きさに基づいて推定された値であることを特徴とする請求項７に記載のＸ線光学装置。

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