JP2017093496A - Imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、干渉計により形成される干渉パターンを撮像する技術に関する。 The present invention relates to a technique for imaging an interference pattern formed by an interferometer.
被検体を透過した電磁波により形成される干渉パターン(干渉縞)を解析することによって被検体の形状や内部情報を取得する技術が従来から提案されている。例えば、X線位相イメージング法は、X線が被検体を透過することで生じる位相変化を利用した撮像方法である。X線位相イメージング法の一種として、特許文献1、2、3などに記載されているトールボット(Talbot)干渉計がある。トールボット干渉計では、所謂トールボット効果により形成される干渉パターンを観測する。但し、干渉パターンの周期が通常の検出器の空間分解能に比べて小さいため、干渉パターンとアナライザー格子の間でモアレを発生させ、そのモアレを検出器で撮像する構成が採られることが一般的である。 Techniques for acquiring the shape and internal information of a subject by analyzing an interference pattern (interference fringes) formed by electromagnetic waves that have passed through the subject have been proposed. For example, the X-ray phase imaging method is an imaging method using a phase change caused by transmission of X-rays through a subject. As a kind of X-ray phase imaging method, there is a Talbot interferometer described in Patent Documents 1, 2, 3, and the like. The Talbot interferometer observes an interference pattern formed by the so-called Talbot effect. However, since the period of the interference pattern is small compared to the spatial resolution of a normal detector, it is common to adopt a configuration in which moire is generated between the interference pattern and the analyzer grating and the moire is imaged by the detector. is there.
ところで、2次元的な被検体像を得る方法には、2次元的な強度分布を検出する検出器を用いて一度に被検体の撮像を行う場合と、ラインセンサ等の1次元的な強度分布を検出する検出器を用いて2次元的な被検体像の取得を行う場合とがある。後者の場合は、検出器に対して被検体を相対的に走査しながら連続して強度分布の取得を行う必要があるため、被検体と検出器のどちらか一方を固定し、他方を移動させながら連続した撮像が行われる。一般にこのような撮像方法では相対的に撮像時間が増大する傾向はあるものの、検出器が比較的安価であることや大面積の撮像が比較的容易であることなどの利点がある。特にトールボット干渉計による撮像では通常は撮像面積に応じた大きさの格子が必要であるため大面積の撮像ではコスト面等での問題が大きい。その点、前述のような「走査型」の撮像方式を用いた場合は構成次第で必要な格子面積を大幅に削減することができるため、「走査型」の撮像方式の利用価値がより高いと言える。 By the way, a method for obtaining a two-dimensional object image includes a case where an object is imaged at once using a detector that detects a two-dimensional intensity distribution, and a one-dimensional intensity distribution such as a line sensor. In some cases, a two-dimensional subject image is acquired using a detector that detects the above. In the latter case, since it is necessary to continuously acquire the intensity distribution while scanning the subject relative to the detector, either the subject or the detector is fixed and the other is moved. However, continuous imaging is performed. In general, such an imaging method tends to increase the imaging time relatively, but has advantages such as a relatively inexpensive detector and relatively easy imaging of a large area. In particular, since imaging with a Talbot interferometer usually requires a grid having a size corresponding to the imaging area, imaging with a large area has a significant problem in terms of cost. On the other hand, if the “scanning” imaging method as described above is used, the required grating area can be greatly reduced depending on the configuration. I can say that.
このような背景から、トールボット干渉計による撮像においても「走査型」の撮像方式を有効に利用するためにいくつかの手法が提案されている。例えば特許文献4では、複数のラインセンサと縞走査法の原理を利用した手法が記述されている。個々のラインセンサに対応する複数の副格子からなるアナライザー格子を使用し、個々のラインセンサにより取得されるモアレ画像が縞走査法により得られる複数のモアレ画像に相当するように該副格子を配置する。これにより、一列に並べられた複数のラインセンサ上で被検体を一度走査するだけで、縞走査を行ったのと同様の複数のモアレ画像を取得でき、通常の縞走査法と同様の解析により被検体画像を算出することができる。尚、特許文献4では固定された検出器を用いて走査される被検体の撮像を行う方法が記載されており、使用される格子の周期方向は走査方向に対して平行(ラインアンドスペースパターンの向きが走査方向に対して垂直)である場合が想定されている。また、特許文献5では同様の原理により固定された被検体を走査される検出器により撮像する方法が記載されている。こちらでは格子の周期方向は走査方向に対して垂直(ラインアンドスペースパターンの向きが走査方向に対して平行)である場合が想定されている。尚、いずれの例においても、原則として少なくとも一部の格子と検出器とは固定されており、被検体の検出器に対する相対移動とは、被検体の格子に対する相対移動をも意味している。
Against this background, several methods have been proposed to effectively use the “scanning” imaging method even in imaging with a Talbot interferometer. For example,
しかしながら、走査型の撮像方式の場合、被検体における測定箇所とそれに対応するモアレ縞位相との関係が被検体の相対移動と共に変化することから、被検体情報の正確な測定が行えないことがある。 However, in the case of a scanning type imaging method, the relationship between the measurement location in the subject and the corresponding moire fringe phase changes with the relative movement of the subject, and thus subject information may not be accurately measured. .
そこで本発明は、格子に対して相対移動する被検体を撮像する場合に、測定箇所に対応するモアレ縞位相の変化を可及的に抑制しつつ撮像を行うことが可能な技術を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a technique capable of performing imaging while suppressing changes in the moire fringe phase corresponding to the measurement location as much as possible when imaging a subject that moves relative to the grating. With the goal.
本発明の第一の側面は、被検体を透過した電磁波を回折して干渉パターンを形成する第1の格子、前記干渉パターンとの間でモアレを形成する第2の格子、および、前記モアレを撮像する検出器、を有する干渉計と、前記第2の格子に対して前記被検体を第1の方向に相対的に移動させる移動手段と、を備え、前記移動手段によって前記被検体を前記第1の方向に相対的に移動させながら前記検出器によって前記モアレを連続的に撮像する、撮像装置において、前記モアレの周期方向が前記第1の方向に対し垂直又は略垂直であることを特徴とする撮像装置を提供する。 A first aspect of the present invention provides a first grating that forms an interference pattern by diffracting electromagnetic waves transmitted through a subject, a second grating that forms a moire with the interference pattern, and the moire. An interferometer having a detector for imaging, and a moving means for moving the object relative to the second grating in a first direction, and the moving means moves the object to the first position. In the imaging apparatus in which the moire is continuously imaged by the detector while relatively moving in the direction of 1, the periodic direction of the moire is perpendicular or substantially perpendicular to the first direction. An imaging device is provided.
本発明の第二の側面は、被検体を透過した電磁波を回折して干渉パターンを形成する第1の格子、前記干渉パターンとの間でモアレを形成する第2の格子、および、前記モアレを撮像する検出器、を有する干渉計と、前記第2の格子に対して前記被検体を第1の方向に相対的に移動させる移動手段と、を備え、前記移動手段によって前記被検体を前記第1の方向に相対的に移動させながら前記検出器によって前記モアレを連続的に撮像する、撮像装置において、前記第1の格子のピッチをd1、前記第2の格子のピッチをd2、前記第1の格子の周期方向と前記第1の方向とのなす角をθ1、前記第2の格子の周期方向と前記第1の方向とのなす角をθ2、電磁波源と前記第1の格子との間の距離をL01、前記第1の格子と前記第2の格子との間の距離をL12、前記検出器の検出領域の前記第1の方向に関する幅をwDとするとき、
を満たす(但し、mは正の整数)、ことを特徴とする撮像装置を提供する。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a first grating that forms an interference pattern by diffracting electromagnetic waves transmitted through a subject, a second grating that forms a moire with the interference pattern, and the moire. An interferometer having a detector for imaging, and a moving means for moving the object relative to the second grating in a first direction, and the moving means moves the object to the first position. In the imaging apparatus in which the moire is continuously imaged by the detector while relatively moving in the direction of 1, the pitch of the first grating is d 1 , the pitch of the second grating is d 2 , The angle formed between the periodic direction of the first grating and the first direction is θ 1 , the angle formed between the periodic direction of the second grating and the first direction is θ 2 , the electromagnetic wave source and the first the distance between the lattice L 01, the said first grating second When L 12 the distance between the grid, the width in the first direction of the detection area of the detector and w D,
An imaging device characterized by satisfying (where m is a positive integer) is provided.
本発明によれば、格子に対して相対移動する被検体を撮像する場合に、測定箇所に対応するモアレ縞位相の変化を可及的に抑制しつつ撮像を行うことが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when imaging the subject which moves relatively with respect to a grating | lattice, it becomes possible to image, suppressing the change of the moire fringe phase corresponding to a measurement location as much as possible.
本発明は、干渉計により形成される干渉パターンを撮像する撮像装置に関する。詳しくは、本発明は、干渉パターンと格子の間で形成されたモアレを検出器で撮像する際に、格子に対して被検体を一方向に相対的に移動させながら検出器でモアレを連続的に撮像する動作(走査型の撮像方式)を行う撮像装置に関する。干渉計の原理・種類は問わず、また、撮像に用いる電磁波についても光、X線、ガンマ線などいかなる波長帯域のものでもよい。尚、本明細書においてX線とはエネルギーが2以上200keV以下の電磁波を指す。以下では、本発明の好ましい実施形態として、X線トールボット干渉計に本発明を適用した例を説明する。 The present invention relates to an imaging apparatus that images an interference pattern formed by an interferometer. More specifically, in the present invention, when the moire formed between the interference pattern and the grating is imaged by the detector, the moire is continuously detected by the detector while moving the subject relative to the grating in one direction. The present invention relates to an imaging apparatus that performs an image capturing operation (scanning imaging system). The principle and type of the interferometer are not limited, and the electromagnetic wave used for imaging may be in any wavelength band such as light, X-rays, and gamma rays. In this specification, X-rays indicate electromagnetic waves having energy of 2 to 200 keV. In the following, an example in which the present invention is applied to an X-ray Talbot interferometer will be described as a preferred embodiment of the present invention.
まず、トールボット干渉計の基本構成および原理について説明する。トールボット干渉計は一般的には2枚又は3枚の、周期構造を有する格子(グレーティング)により構成される。これらのうち通常被検体の付近に配置される第1の格子をビームスプリッター格子、通常X線検出器の付近に配置される第2の格子をアナライザー格子、そして通常X線源の付近に配置される第0の格子を線源格子とそれぞれ呼ぶことがある。またこれらの格子として1次元状の周期パターンを有する格子が使用される場合が多い。尚、使用されるX線検出器は通常、検出面に入射するX線の2次元的な強度分布を計測できる検出器である。 First, the basic configuration and principle of the Talbot interferometer will be described. A Talbot interferometer is generally composed of two or three gratings (gratings) having a periodic structure. Of these, the first grating, which is normally arranged near the subject, is arranged near the beam splitter grating, the second grating, which is usually arranged near the X-ray detector, is arranged near the analyzer grating, and usually near the X-ray source. The zeroth grid may be referred to as a source grid. In many cases, a grating having a one-dimensional periodic pattern is used as these gratings. The X-ray detector used is usually a detector that can measure the two-dimensional intensity distribution of X-rays incident on the detection surface.
ビームスプリッター格子は多くの場合、位相変調型の透過型回折格子である。ビームスプリッター格子に入射したX線は格子の持つ周期構造により回折され、所謂トールボット効果により所定の位置に干渉パターン(格子の自己像とも呼ばれる)を形成する。干渉パターンはX線が被検体を透過した際の位相変化等を反映して変形するため、干渉パターンの強度分布を計測・解析することにより被検体の形状や内部構造の情報を得ることができる。尚、本発明及び本明細書では、被検体によるX線の位相変化を利用して被検体の情報を取得する方法であれば、その情報を画像化しない場合であってもX線位相コントラストイメージング法と呼ぶ。 The beam splitter grating is often a phase modulation type transmission diffraction grating. The X-rays incident on the beam splitter grating are diffracted by the periodic structure of the grating and form an interference pattern (also called a self-image of the grating) at a predetermined position by the so-called Talbot effect. Since the interference pattern is deformed by reflecting a phase change or the like when X-rays pass through the subject, information on the shape and internal structure of the subject can be obtained by measuring and analyzing the intensity distribution of the interference pattern. . In the present invention and the present specification, X-ray phase contrast imaging is possible even if the information is not imaged as long as it is a method for acquiring information on the subject using the phase change of the X-rays by the subject. Call the law.
また、アナライザー格子は多くの場合、X線透過部とX線遮蔽部とが周期的に配列することにより周期的な透過率分布を有するような格子である。アナライザー格子は前述の干渉パターンの出現位置に配置されることにより、格子を透過したX線の強度分布にモアレを発生させる目的で使用される。このモアレは干渉パターンの変形を反映しており、かつその周期は無制限に大きくすることができる。したがって、使用する検出器の空間分解能が干渉パターンを直接検出できる程度に高くない場合でも、パターン周期の大きいモアレを検出することにより間接的に干渉パターンの情報を得ることが可能となる。 Further, in many cases, the analyzer grating is a grating having a periodic transmittance distribution by periodically arranging the X-ray transmitting part and the X-ray shielding part. The analyzer grating is used for the purpose of generating moire in the intensity distribution of X-rays transmitted through the grating by being arranged at the appearance position of the interference pattern. This moire reflects the deformation of the interference pattern, and its period can be increased without limit. Therefore, even when the spatial resolution of the detector to be used is not high enough to directly detect the interference pattern, it is possible to indirectly obtain information on the interference pattern by detecting a moire having a large pattern period.
また、線源格子も通常のアナライザー格子と同様に、X線透過部とX線遮蔽部とが周期的に配列した構造を有する格子である。線源格子は通常、X線源(X線発生装置)におけるX線発光点の付近に配置されることにより、仮想的に線状発光部(2次元格子の場合は微小発光点)のアレイを形成する目的で使用される。このようにして形成される各々の線状発光部から発したX線が形成する複数の前述の干渉パターンが、X線光路中に被検体等を置かない状態において互いにパターン周期の整数倍だけずれて重畳する。これにより、多数の干渉パターンが重畳してもパターンが消失せず、全体として高いX線強度と縞ビジビリティを有する周期パターンを形成することができる。このような形の重畳を実現するためには、各格子の格子周期と格子間距離とが一定の条件を満たすように設計する必要がある。また、このような線源格子を使用するトールボット干渉計のことを特にトールボッ
ト・ロー干渉計と呼ぶことがある。尚、以下、単にトールボット干渉計というときは、トールボット・ロー干渉計を含むものとする。
The source grating is also a grating having a structure in which an X-ray transmitting part and an X-ray shielding part are periodically arranged, like a normal analyzer grating. The source grid is usually arranged in the vicinity of the X-ray emission point in the X-ray source (X-ray generator), thereby virtually forming an array of linear light-emitting portions (micro emission points in the case of a two-dimensional grating). Used for forming purposes. A plurality of the aforementioned interference patterns formed by the X-rays emitted from the respective linear light-emitting portions formed in this way are shifted from each other by an integral multiple of the pattern period in a state where no subject is placed in the X-ray optical path. Superimposed. Thereby, even if many interference patterns overlap, a pattern does not lose | disappear, but the periodic pattern which has high X-ray intensity and fringe visibility as a whole can be formed. In order to realize such superposition, it is necessary to design the lattice period and the distance between lattices to satisfy certain conditions. A Talbot interferometer using such a source grating is sometimes called a Talbot-Lau interferometer. In the following, the term “Talbot interferometer” includes a Talbot low interferometer.
前述のように、アナライザー格子を用いたトールボット干渉計により取得される画像は干渉パターンとアナライザー格子との間に発生するモアレ画像である。一般的なトールボット干渉計システムでは、1枚のモアレ画像か、いずれかの格子位置をシフトさせて取得した複数のモアレ画像を元に、所定の解析を行うことにより被検体画像を算出する。算出される被検体画像は通常、取得されたモアレ画像における、モアレ起因の画素値増減を除外した局所的な平均画素値の分布と、特定のモアレ縞成分の局所的な位相値の分布と、同じく特定のモアレ縞成分の局所的なビジビリティ値の分布である。これらはそれぞれ、被検体のX線透過率分布と、被検体を透過したX線の微分位相分布(屈折による偏向角のある方向に沿った成分の分布)と、被検体のX線小角散乱力分布を概ね表している。小角散乱力分布とは、微粒子、微細繊維、物体のエッジ部等による小角散乱力のある方向に沿った成分の分布である。尚、モアレ縞成分のビジビリティ値は、当該の周期成分の振幅を平均値で除した値として定義されることが多い。 As described above, the image acquired by the Talbot interferometer using the analyzer grating is a moire image generated between the interference pattern and the analyzer grating. In a general Talbot interferometer system, a subject image is calculated by performing a predetermined analysis based on a single moire image or a plurality of moire images acquired by shifting one of the lattice positions. The object image to be calculated is normally a distribution of local average pixel values excluding pixel value increase / decrease due to moire in the acquired moire image, and a distribution of local phase values of specific moire fringe components, Similarly, it is a distribution of local visibility values of specific moire fringe components. These are the X-ray transmittance distribution of the subject, the differential phase distribution of X-rays transmitted through the subject (component distribution along the direction of the deflection angle due to refraction), and the X-ray small angle scattering force of the subject, respectively. The distribution is roughly represented. The small-angle scattering force distribution is a distribution of components along a direction in which a small-angle scattering force is caused by fine particles, fine fibers, an edge portion of an object, or the like. The visibility value of the moire fringe component is often defined as a value obtained by dividing the amplitude of the periodic component by an average value.
モアレ画像から上記のような被検体画像を算出するために用いられるモアレ縞解析手法の代表的なものとして、縞走査法、フーリエ変換法などが挙げられる。一般にフーリエ変換法を用いた撮像は空間分解能やSN比(信号雑音比)において縞走査法による撮像に比べて劣ることが多いものの、1枚のモアレ画像から被検体画像を算出できるという特長がある。 Typical examples of the moire fringe analysis method used for calculating the subject image as described above from the moire image include a fringe scanning method and a Fourier transform method. In general, imaging using the Fourier transform method is often inferior to imaging using the fringe scanning method in terms of spatial resolution and signal-to-noise ratio (signal-to-noise ratio), but has an advantage that a subject image can be calculated from a single moire image. .
以下に、トールボット干渉計を用いた撮像装置に本発明を適用した具体例を添付の図面を参照しながら詳細に説明する。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。 Hereinafter, a specific example in which the present invention is applied to an imaging apparatus using a Talbot interferometer will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in each figure, the same reference number is attached | subjected about the same member and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は、本発明の実施形態に係る撮像装置の構成を模式的に示す図である。撮像装置は、概略、X線トールボット干渉計と、被検体7を搬送する搬送装置8と、情報処理装置9とを有する。
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration of an imaging apparatus according to an embodiment of the present invention. The imaging apparatus generally includes an X-ray Talbot interferometer, a transport apparatus 8 that transports the
X線トールボット干渉計は、X線源(電磁波源)1と、線源格子2と、ビームスプリッター格子3と、アナライザー格子4と、X線検出器5とを備える。X線源1から発したX線は線源格子2とビームスプリッター格子3との効果により、ビームスプリッター格子3の自己像である干渉パターン6をアナライザー格子4上に発生させる。X線検出器5はラインセンサであり、X線を検出するピクセルが一列に並んだ構造を有しており、一定時間ごとにその間の入射X線強度の1次元的な分布を測定し得るものである。
The X-ray Talbot interferometer includes an X-ray source (electromagnetic wave source) 1, a source grating 2, a beam splitter grating 3, an
搬送装置8は被検体7を白矢印の方向(図1のx方向)に搬送する移動手段である。搬送装置8はモータなどの駆動装置によって駆動される。撮像時には搬送装置8によって被検体7を一定速度で移動させながら、X線検出器5によってX線強度分布を連続的に撮像する。
The transport device 8 is a moving means for transporting the subject 7 in the direction of the white arrow (the x direction in FIG. 1). The conveying device 8 is driven by a driving device such as a motor. At the time of imaging, the X-ray intensity distribution is continuously imaged by the
情報処理装置9は、CPU(中央演算処理装置)、RAM(ランダムアクセスメモリ)、補助記憶装置、表示装置などのハードウェア資源を備えた汎用のコンピュータにより構成される。後述する画像処理、各種演算、および、撮像装置の制御は、補助記憶装置に格納されたプログラムをCPUが読み込み実行することで実現されるものである。なお、情報処理装置9の機能のうちの一部又は全部をASIC(Application Specific Integrated Circuit)のような回路で構成することもできる。 The information processing apparatus 9 includes a general-purpose computer having hardware resources such as a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), an auxiliary storage device, and a display device. Image processing, various calculations, and control of the imaging device described later are realized by the CPU reading and executing a program stored in the auxiliary storage device. Note that some or all of the functions of the information processing apparatus 9 may be configured by a circuit such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit).
図2(A)は、X線源側から見た干渉計の模式図である。ここで、撮像中の被検体7の走査方向を第1の方向とし、光軸に垂直な面内において第1の方向に垂直な方向を第2の方向とする。この時、図2(A)中に示したx、y方向がそれぞれ第1、第2の方向に相当する。また図に示しているように、干渉パターン6とアナライザー格子4とが重なることにより第2の方向に周期成分を持つモアレ縞が発生する。尚、本説明では図中に示すように、干渉パターン6の周期をdIP、アナライザー格子4の周期をd2とする。また、干渉パターン6の周期方向と第1の方向とのなす角をθIP、アナライザー格子4の周期方向と第1の方向とのなす角をθ2とする。
FIG. 2A is a schematic diagram of the interferometer viewed from the X-ray source side. Here, the scanning direction of the subject 7 being imaged is the first direction, and the direction perpendicular to the first direction in the plane perpendicular to the optical axis is the second direction. At this time, the x and y directions shown in FIG. 2A correspond to the first and second directions, respectively. As shown in the figure, the interference pattern 6 and the analyzer grating 4 overlap each other, so that moire fringes having a periodic component in the second direction are generated. In this description, as shown in the figure, the period of the interference pattern 6 is d IP , and the period of the analyzer grating 4 is d 2 . In addition, an angle formed by the periodic direction of the interference pattern 6 and the first direction is θ IP , and an angle formed by the periodic direction of the
さらに図2(B)は、干渉パターン6とアナライザー格子4とが重なることによりモアレ縞が発生する様子を周波数空間で表現している。図2(B)においてξ、ηはそれぞれx、y軸に対応した空間周波数軸を表している。尚、ここでは干渉パターン6のX線強度分布とアナライザー格子4の透過率分布におけるそれぞれの高調波成分などは無視している。図2(B)中における黒丸は、干渉パターン6のX線強度分布をフーリエ変換して得られるスペクトル中に存在する3つのピークを表している。ここで、xy空間において干渉パターン6のX線強度分布にアナライザー格子4の透過率分布を掛ける(積を取る)ことは、ξη空間においてそれぞれに対応するスペクトル同士をコンボリューションすることに相当する。したがって、アナライザー格子4の効果を加味した時、ξη空間では白丸で示した6つの位置に新しいピークが発生する。ここで、ξη空間における点PIP(ξIP,ηIP)は、干渉パターン6の周期成分に対応する片方のピークの位置にある点とその周波数座標である。また、P2(ξ2,η2)は、アナライザー格子4の周期成分に対応する片方のピークの位置にある点とその周波数座標である。PM(ξM,ηM)は、モアレパターンの周期成分に対応する片方のピークの位置にある点とその周波数座標である。
Furthermore, FIG. 2 (B) expresses in a frequency space how moire fringes are generated when the interference pattern 6 and the analyzer grating 4 overlap. In FIG. 2B, ξ and η represent spatial frequency axes corresponding to the x and y axes, respectively. Here, the respective harmonic components in the X-ray intensity distribution of the interference pattern 6 and the transmittance distribution of the analyzer grating 4 are ignored. The black circles in FIG. 2B represent three peaks present in the spectrum obtained by Fourier transforming the X-ray intensity distribution of the interference pattern 6. Here, multiplying the X-ray intensity distribution of the interference pattern 6 by the transmittance distribution of the analyzer grating 4 in the xy space (taking a product) corresponds to convolution of the corresponding spectra in the ξη space. Therefore, when the effect of the
(ξM,ηM)は(ξIP,ηIP)と(ξ2,η2)を用いてそれぞれ、
と表せる。
(Ξ M , η M ) is calculated using (ξ IP , η IP ) and (ξ 2 , η 2 ), respectively.
It can be expressed.
尚、線源格子(線源格子を用いない場合はX線源におけるX線発光点)−ビームスプリッター格子間距離、ビームスプリッター格子−アナライザー格子間距離をそれぞれL01、L12とし、ビームスプリッター格子3のピッチをd1とすると、dIPは、
と書ける。ここで、mは正の整数であり、通常は1又は2である。また、ビームスプリッター格子3の周期方向と第1の方向とのなす角をθ1とすると、θIPは、
Can be written. Here, m is a positive integer, and is usually 1 or 2. If the angle between the periodic direction of the beam splitter grating 3 and the first direction is θ 1 , θ IP is
ここで、X線検出器5の第1の方向に関する幅について考える。X線検出器5はラインセンサであるので、その検出領域は第1の方向に関して1ピクセル分の幅を持っている。X線強度分布の測定時にはこの範囲における情報はすべて平均化されて取得されることから、この範囲におけるモアレ縞の位相変化が大きい場合、検出されるモアレ縞のビジビリティが低下し、正確な測定が行えなくなる場合がある。この問題を避けるためにはモアレ縞の周期を十分に大きくするか、モアレ縞の周期方向が第1の方向に対して垂直又は略垂直になるようにすればよい(但し第2の方向に関するX線検出器5の空間分解能はモアレ縞の周期に対して十分に高いと仮定している)。言い換えると、ξMが十分ゼロに近ければよい。従って理想的には、
であることが望ましい。
Here, consider the width of the
It is desirable that
さらに、検出されるモアレ縞のビジビリティの観点から見たξMの許容値はX線検出器5の幅に依存する。X線検出器5の検出領域の幅をwDとすると、検出されるモアレ縞のビジビリティVM´はモアレ縞の真のビジビリティVMを用いて、
と表せる。但しここではX線検出器5は第2の方向に対して理想的な空間分解能を有していると仮定している。ここで、右辺の係数部はビジビリティの変換率を表している。ビジビリティの低下を抑制し、高精度な被検体情報を得るためには、好ましくは右辺の係数部が0.5以上であるとよく、より好ましくは右辺の係数部が0.8以上であるとよい。
Further, the allowable value of ξ M from the viewpoint of the visibility of the detected moire fringes depends on the width of the
It can be expressed. However, here, it is assumed that the
右辺の係数部が0.8以上であるためには、wD|ξM|<0.36であれば良いので、
であればよい。また、右辺の係数部が0.5以上であるためにはwD|ξM|<0.60であれば良いので、
であればよい。
In order for the coefficient part on the right side to be 0.8 or more, w D | ξ M | <0.36 is sufficient.
If it is. Further, in order for the coefficient part on the right side to be 0.5 or more, it is sufficient if w D | ξ M | <0.60.
If it is.
また、このように走査型の撮像方式をトールボット干渉計に応用する場合、前述のフーリエ変換法のようなモアレ縞の空間的なX線強度分布を搬送波として利用する解析手法を用いるとよい。これにより、X線検出器5がラインセンサ1台であってもトールボット干渉計において通常取得されるような被検体画像の取得が可能となる。但し、このような解析手法を用いる場合、干渉計の空間分解能はモアレ縞周期により制限されるので、モアレ縞周期が比較的短く、かつ周期方向が第1の方向に対して十分に垂直である必要がある。従って、X線検出器5の第2の方向に関する1ピクセルの幅をayとし、周期が20ピクセル以下のモアレ縞を発生させる必要があるとすれば、干渉計の設計は式(7)又は(8)を満たすと同時に|ηM|>1/(20ay)を満たす必要がある。後者の式は、
と書ける。
In addition, when the scanning imaging method is applied to the Talbot interferometer in this way, it is preferable to use an analysis method that uses the spatial X-ray intensity distribution of the moire fringe as the carrier wave, such as the Fourier transform method described above. Thereby, even if the
Can be written.
ところで、一般に走査型のX線撮像装置において、検出器としてラインセンサの代わりにTDI(Time Delay Integration)センサが用いられることがある。一般にTDIセンサの使用により高い空間分解能を得るのと同時に高速の撮像が可能となる。しかし一方で検出領域全体の幅(前述のwDに相当する)が広くなる。従って本実施形態におけるX線検出器5としてラインセンサの代わりにTDIセンサを用いても良いが、この場合、式(7)や式(8)を満たすための光学系の設計条件は一般に厳しくなる。
Incidentally, in general, in a scanning X-ray imaging apparatus, a TDI (Time Delay Integration) sensor may be used as a detector instead of a line sensor. In general, the use of a TDI sensor enables high-speed imaging at the same time as obtaining a high spatial resolution. However, on the other hand the detection region across the width (corresponding to the above-described w D) is widened. Therefore, a TDI sensor may be used instead of the line sensor as the
図2(A)に示したトールボット干渉計により得られる微分位相情報や散乱情報は、干渉パターン6の周期方向(角度θIPの方向)に対応した情報である。このような一方向に関する情報からでも被検体画像を生成することはできるものの、被検体内部の構造をより正確に得るためには、複数方向に関する測定を同じ被検体に対して行い、複数の方向に関する情報を基に画像の生成を行うことが望ましい。そこで、被検体の走査方向(第1の方向)に沿って干渉計を複数配置し、被検体(又は干渉計)を移動しながら複数の方向に関する測定を連続的に行う構成を採用してもよい。この場合、各干渉計の干渉パターンの周期方向(ビームスプリッター格子の周期方向)が互いに異なり、且つ、各干渉計におけるモアレの周期方向が式(7)〜式(9)のいずれかの条件を満足するように、各干渉計の光学系を設計すればよい。尚、N個(Nは2より大きい整数)の干渉計を用いる場合には、各干渉計の干渉パターンの周期方向が(180/N)度ずつずれるように設計することが好ましい。 The differential phase information and the scattering information obtained by the Talbot interferometer shown in FIG. 2A are information corresponding to the periodic direction (direction of the angle θ IP ) of the interference pattern 6. Although it is possible to generate a subject image from such information on one direction, in order to obtain a more accurate structure inside the subject, measurement in a plurality of directions is performed on the same subject, and a plurality of directions are obtained. It is desirable to generate an image on the basis of information regarding. Therefore, a configuration may be adopted in which a plurality of interferometers are arranged along the scanning direction (first direction) of the subject, and measurement in a plurality of directions is continuously performed while moving the subject (or interferometer). Good. In this case, the periodic direction of the interference pattern of each interferometer (the periodic direction of the beam splitter grating) is different from each other, and the periodic direction of the moire in each interferometer satisfies any one of the expressions (7) to (9). What is necessary is just to design the optical system of each interferometer so that it may be satisfied. When N (N is an integer greater than 2) interferometers are used, it is preferable to design the interferometer so that the periodic direction of the interference pattern is shifted by (180 / N) degrees.
図3(A)は、2個の干渉計を直列に配置した例である。一番目の干渉計の干渉パターン6aと二番目の干渉計の干渉パターン6bとは周期方向が90度ずれている(θIPb=θIPa+90度)。この構成によれば、一回の走査で二方向に関する微分位相情報等を得ることができる。また、図3(B)は、3個の干渉計を直列に配置した例である。各干渉計の干渉パターン6a、6b、6cは周期方向が60度ずつずれている(θIPb=θIPa+60度、θIPc=θIPa+120度)。この構成によれば、一回の走査で三方向に関する微分位相情報等を得ることができる。
FIG. 3A shows an example in which two interferometers are arranged in series. The period pattern of the interference pattern 6a of the first interferometer and the
(実施例)
上記実施形態に係る撮像装置の具体的な実施例を説明する。本実施例の撮像装置はX線検出器としてTDIセンサを用い、撮像時には被検体を第1の方向に一定速度で移動させ
ながら撮像を行う。干渉計はX線源として、タングステン陽極を備えたX線管を備える。X線管は管電圧やフィルターの調整により25keV付近の光子エネルギーを中心に一定のエネルギーバンド幅を持つX線を発する。尚、本干渉計は波長0.05nm付近のX線(光子エネルギー約25keV)に対して特に効果的に機能するように設計されている。線源格子、ビームスプリッター格子、アナライザー格子はすべて1次元状の格子パターンを有している。線源格子とアナライザー格子は線状のX線遮蔽部と線状のX線透過部とが交互に並んだパターンを有しており、金によるマルチスリット構造によりこれを実現している。また、ビームスプリッター格子は線状の位相進行部と線状の位相遅延部とが交互に並んだパターンを有しており、表面に多数の溝が形成されたシリコンによる構造によりこれを実現している。尚、位相進行部と位相遅延部の幅は等しく、それぞれを透過した25keVのX線に対してπradの位相差を与えるように溝の深さが調整されている。
(Example)
A specific example of the imaging apparatus according to the above embodiment will be described. The imaging apparatus of the present embodiment uses a TDI sensor as an X-ray detector, and performs imaging while moving the subject in the first direction at a constant speed during imaging. The interferometer includes an X-ray tube having a tungsten anode as an X-ray source. The X-ray tube emits X-rays having a constant energy band centered on photon energy around 25 keV by adjusting the tube voltage and filter. The interferometer is designed to function particularly effectively for X-rays having a wavelength of around 0.05 nm (photon energy of about 25 keV). The source grating, beam splitter grating, and analyzer grating all have a one-dimensional grating pattern. The source grating and the analyzer grating have a pattern in which linear X-ray shielding portions and linear X-ray transmission portions are alternately arranged, and this is realized by a multi-slit structure made of gold. In addition, the beam splitter grating has a pattern in which linear phase advancement portions and linear phase delay portions are alternately arranged, and this is realized by a silicon structure with a number of grooves formed on the surface. Yes. Note that the widths of the phase advancing portion and the phase delay portion are equal, and the depth of the groove is adjusted so as to give a phase difference of π rad to the 25 keV X-rays that have passed through each.
線源格子とビームスプリッター格子の格子ピッチd0、d1はそれぞれ20.0μm、8.0μmである。また、線源格子−ビームスプリッター格子間距離L01、ビームスプリッター格子−アナライザー格子間距離L12はそれぞれ800mm、200mmである。またこの時、干渉パターンのピッチdIPはm=2を用いて、dIP=(L01+L12)/(mL01)d1=5.0μmとなる。尚、干渉パターン及びビームスプリッター格子の周期方向の第1の方向とのなす角はθIP=θ1=0度とする。 The grating pitches d 0 and d 1 of the source grating and the beam splitter grating are 20.0 μm and 8.0 μm, respectively. Further, the distance L 01 between the source grating and the beam splitter grating and the distance L 12 between the beam splitter grating and the analyzer grating are 800 mm and 200 mm, respectively. At this time, the pitch d IP of the interference pattern is m = 2, and d IP = (L 01 + L 12 ) / (mL 01 ) d 1 = 5.0 μm. Note that the angle between the interference pattern and the first direction of the periodic direction of the beam splitter grating is θ IP = θ 1 = 0 degrees.
また、TDIセンサは各ピクセルが50μm×50μmの大きさを有し、被検体の走査方向に沿って120ピクセルが並んだ構造を有している。すなわち、検出領域全体の幅wDは6mmである。 The TDI sensor has a structure in which each pixel has a size of 50 μm × 50 μm, and 120 pixels are arranged along the scanning direction of the subject. That is, the width w D of the entire detection region is 6 mm.
この時、光学系の設計が式(5)を満たすためには、アナライザー格子のピッチd2と、アナライザー格子の周期方向と第1の方向とのなす角θ2とが、d2/cos(θ2)=5.0μmを満たせばよい。さらに、式(7)を満たすことで検出されるモアレ縞ビジビリティを理想値の80%以上とするためには4.9985μm<d2/cos(θ2)<5.0015μmを満たせばよい。あるいは、式(8)を満たすことで検出されるモアレ縞ビジビリティを理想値の50%以上とするためには4.9975μm<d2/cos(θ2)<5.0025μmを満たせばよい。 At this time, in order for the design of the optical system to satisfy Expression (5), the pitch d 2 of the analyzer grating and the angle θ 2 formed by the periodic direction of the analyzer grating and the first direction are d 2 / cos ( It is only necessary to satisfy θ 2 ) = 5.0 μm. Furthermore, in order to make the moiré fringe visibility detected by satisfying the expression (7) 80% or more of the ideal value, 4.9985 μm <d 2 / cos (θ 2 ) <5.00015 μm may be satisfied. Alternatively, in order to make the moiré fringe visibility detected by satisfying the equation (8) 50% or more of the ideal value, it is sufficient to satisfy 4.9975 μm <d 2 / cos (θ 2 ) <5.00025 μm.
ここでは、モアレ縞の周期を200μmとし、フーリエ変換法による解析を行う場合を考える。尚、TDIセンサの第2の方向に関する1ピクセルの幅ayは50μmであるため、このモアレ縞周期は4ピクセルに相当する。この時の光学系の設計はd2/|sin(θ2)|=200μmを満たす必要がある。従って、この条件とd2/cos(θ2)=5.0μmを同時に満たすため、d2、θ2をそれぞれ4.9984μm、1.432度(又は−1.432度)とすれば良い。 Here, a case where the period of moire fringes is set to 200 μm and analysis by the Fourier transform method is performed is considered. Since the width ay of one pixel in the second direction of the TDI sensor is 50 μm, this moire fringe period corresponds to 4 pixels. The design of the optical system at this time must satisfy d 2 / | sin (θ 2 ) | = 200 μm. Therefore, in order to satisfy this condition and d 2 / cos (θ 2 ) = 5.0 μm at the same time, d 2 and θ 2 may be set to 4.9984 μm and 1.432 degrees (or −1.432 degrees), respectively.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。例えば、本発明の方法は、トールボット干渉計以外の干渉計にも適用できるし、X線以外の電磁波を用いた干渉計にも適用できる。干渉計はX線源(電磁波源)を備えず、撮像時にX線源と組み合わせる構成としてもよい。また、上記具体例では搬送装置によって被検体を移動させたが、被検体を固定し、干渉計を移動させたり、被検体と干渉計の両方を移動させてもよい。 As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary. For example, the method of the present invention can be applied to an interferometer other than a Talbot interferometer, and can also be applied to an interferometer using electromagnetic waves other than X-rays. The interferometer may not include an X-ray source (electromagnetic wave source) and may be combined with the X-ray source at the time of imaging. In the above specific example, the subject is moved by the transfer device. However, the subject may be fixed and the interferometer may be moved, or both the subject and the interferometer may be moved.
3:ビームスプリッター格子(第1の格子)、4:アナライザー格子(第2の格子)、5:X線検出器、6:干渉パターン、7:被検体、8:搬送装置(移動手段) 3: beam splitter grating (first grating), 4: analyzer grating (second grating), 5: X-ray detector, 6: interference pattern, 7: subject, 8: transport device (moving means)
Claims (12)
前記第2の格子に対して前記被検体を第1の方向に相対的に移動させる移動手段と、を備え、
前記移動手段によって前記被検体を前記第1の方向に相対的に移動させながら前記検出器によって前記モアレを連続的に撮像する、撮像装置において、
前記モアレの周期方向が前記第1の方向に対し垂直又は略垂直である
ことを特徴とする撮像装置。 An interferometer having a first grating that forms an interference pattern by diffracting an electromagnetic wave transmitted through a subject, a second grating that forms a moire with the interference pattern, and a detector that images the moire. When,
Moving means for moving the subject in a first direction relative to the second grating,
In the imaging apparatus, the moire is continuously imaged by the detector while the subject is relatively moved in the first direction by the moving unit.
An image pickup apparatus, wherein a period direction of the moire is perpendicular or substantially perpendicular to the first direction.
前記第2の格子に対して前記被検体を第1の方向に相対的に移動させる移動手段と、を備え、
前記移動手段によって前記被検体を前記第1の方向に相対的に移動させながら前記検出器によって前記モアレを連続的に撮像する、撮像装置において、
前記第1の格子のピッチをd1、
前記第2の格子のピッチをd2、
前記第1の格子の周期方向と前記第1の方向とのなす角をθ1、
前記第2の格子の周期方向と前記第1の方向とのなす角をθ2、
電磁波源と前記第1の格子との間の距離をL01、
前記第1の格子と前記第2の格子との間の距離をL12、
前記検出器の検出領域の前記第1の方向に関する幅をwDとするとき、
を満たす(但し、mは正の整数)、
ことを特徴とする撮像装置。 An interferometer having a first grating that forms an interference pattern by diffracting an electromagnetic wave transmitted through a subject, a second grating that forms a moire with the interference pattern, and a detector that images the moire. When,
Moving means for moving the subject in a first direction relative to the second grating,
In the imaging apparatus, the moire is continuously imaged by the detector while the subject is relatively moved in the first direction by the moving unit.
The pitch of the first grating is d 1 ,
The pitch of the second grating is d 2 ,
An angle formed between the periodic direction of the first grating and the first direction is θ 1 ,
An angle formed between the periodic direction of the second grating and the first direction is θ 2 ,
L 01 , the distance between the electromagnetic wave source and the first grating,
L 12 , the distance between the first grating and the second grating,
When the width of the detection area of the detector in the first direction is w D ,
(Where m is a positive integer),
An imaging apparatus characterized by that.
を満たす
ことを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。
The imaging device according to claim 2, wherein:
を満たす
ことを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。
The imaging device according to claim 2, wherein:
ことを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 2, wherein the m is 1 or 2. 6.
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。 The imaging apparatus according to claim 1, further comprising an information processing apparatus that acquires information related to the subject by analyzing the moire imaged by the detector.
前記第2の格子のピッチをd2、
前記第1の格子の周期方向と前記第1の方向とのなす角をθ1、
前記第2の格子の周期方向と前記第1の方向とのなす角をθ2、
電磁波源と前記第1の格子との間の距離をL01、
前記第1の格子と前記第2の格子との間の距離をL12、
前記検出器の前記第1の方向に垂直な方向に関する1ピクセルの幅をayとするとき、
を満たす
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の撮像装置。 The pitch of the first grating is d 1 ,
The pitch of the second grating is d 2 ,
An angle formed between the periodic direction of the first grating and the first direction is θ 1 ,
An angle formed between the periodic direction of the second grating and the first direction is θ 2 ,
L 01 , the distance between the electromagnetic wave source and the first grating,
L 12 , the distance between the first grating and the second grating,
When the width of one pixel in the direction perpendicular to the first direction of the detector is a y ,
The imaging device according to any one of claims 1 to 6, wherein:
ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 1, wherein the detector is a line sensor.
ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の撮像装置。 The imaging device according to claim 1, wherein the detector is a TDI sensor.
各干渉計の前記第1の格子で形成される干渉パターンの周期方向が互いに異なる
ことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の撮像装置。 A plurality of the interferometers are arranged along the first direction;
10. The imaging apparatus according to claim 1, wherein periodic directions of interference patterns formed by the first grating of each interferometer are different from each other.
ことを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 1, wherein the interferometer is a Talbot interferometer.
ことを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 1, wherein the electromagnetic wave is an X-ray.
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