JP5258504B2 - Phase grating used in X-ray phase imaging and manufacturing method thereof, X-ray phase contrast image imaging apparatus using the phase grating, and X-ray computed tomography system - Google Patents
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Description
本発明は、Ｘ線位相イメージングに用いられる位相格子及びその製造方法、該位相格子を用いたＸ線位相コントラスト像の撮像装置、Ｘ線コンピューター断層撮影システムに関する。 The present invention relates to a phase grating used for X-ray phase imaging and a manufacturing method thereof, an X-ray phase contrast image imaging apparatus using the phase grating, and an X-ray computed tomography system.
従来、Ｘ線の吸収能の違いを利用してコントラスト画像を得るＸ線透視画像技術が検討されてきた。
しかし、Ｘ線の吸収能は軽元素になればなるほど小さくなるため、生体軟組織やソフトマテリアルに対しては十分なコントラストが期待できないという問題がある。
そこで、近年、Ｘ線の位相変化量に基づいてコントラストを発生させる撮像方法が検討されている。この位相コントラストを利用したＸ線位相イメージング法の一つとして、タルボ干渉を用いた撮像方法がある。
Conventionally, an X-ray fluoroscopic image technique for obtaining a contrast image using a difference in X-ray absorption ability has been studied.
However, since the X-ray absorption ability becomes smaller as the light element becomes, there is a problem that a sufficient contrast cannot be expected for a living soft tissue or soft material.
Therefore, in recent years, imaging methods for generating contrast based on the amount of X-ray phase change have been studied. One X-ray phase imaging method using this phase contrast is an imaging method using Talbot interference.
図１０にタルボ干渉法の構成例を示す。
タルボ干渉法による撮像のためには、空間的に可干渉なＸ線源１３、Ｘ線の位相を周期的に変調するための位相型回折格子（以下、位相格子と記す）１５、検出器１７が少なくとも必要である。
空間的に可干渉なＸ線は、位相格子１５を透過した後のＸ線強度分布が位相格子１５の形状を反映したものになる。
位相格子を透過したＸ線の位相は周期的に変調され、位相差がπ／２である位相格子を用いた場合には、位相格子からの距離が
（ｎ−１／２）×（ｄ２／λ）
の位置、及びその周辺位置に高コントラストの明暗周期像が現れる。
ここで、ｄは位相格子１５のピッチ、λはＸ線の波長、ｎ整数である。
なお、本明細書において、位相格子のピッチとは、位相格子中における上記一定の間隔で平行に周期的に配列された直線状の構造体による周期を指している。
また、本明細書において、一定の間隔で平行に周期的に配列された直線状の構造体を、縞状構造部と定義する。
したがって、位相格子は、このような互いに平行な直線状の縞状構造部が一定の間隔で周期的に配列された回折格子によって構成された構造を備える。
これらについて、更に具体的に説明すると、位相格子のピッチとは、図９の位相格子の模式図に示されているように、ある縞状構造体とそれに隣接する縞状構造体との間における、中心部分同士の距離Ｃを指し、或はそれら格子の端面同士の距離Ｃ’を指している。
また、この縞状構造部の幅とは、図９にＡで示されているＸ線が透過する方向に対し垂直な方向の縞状構造部の長さ（縞状構造部の短辺側の長さ）を指している。
また、この縞状構造部の高さ（厚さ）とは、図９にＢで示されているＸ線の透過する方向と同方向の縞状構造部の長さ（縞状構造部の長辺側の長さ）を指している。
また、この縞状構造部における間隙とは、図９にＤで示されている縞状構造部と縞状構造部の間隔を指している。
FIG. 10 shows a configuration example of the Talbot interferometry.
For imaging by Talbot interferometry, a spatially
The spatially coherent X-rays are those in which the X-ray intensity distribution after passing through the phase grating 15 reflects the shape of the phase grating 15.
When the phase of the X-ray transmitted through the phase grating is periodically modulated and a phase grating having a phase difference of π / 2 is used, the distance from the phase grating is (n−1 / 2) × (d 2 / Λ)
A high-contrast light / dark periodic image appears at the position of and at the periphery thereof.
Here, d is the pitch of the phase grating 15, λ is the X-ray wavelength, and n is an integer.
In the present specification, the pitch of the phase grating refers to the period of the linear structures arranged periodically and in parallel at the fixed intervals in the phase grating.
Moreover, in this specification, the linear structure arrange | positioned in parallel periodically with a fixed space | interval is defined as a striped structure part.
Therefore, the phase grating has a structure constituted by such a diffraction grating in which linear stripe-like structure portions parallel to each other are periodically arranged at regular intervals.
These will be described more specifically. The pitch of the phase grating is, as shown in the schematic diagram of the phase grating in FIG. 9, between a certain stripe structure and the adjacent stripe structure. Indicates the distance C between the central portions, or indicates the distance C ′ between the end faces of the lattices.
Further, the width of the striped structure portion is the length of the striped structure portion in the direction perpendicular to the direction of transmission of the X-ray shown by A in FIG. 9 (on the short side of the striped structure portion). Length).
Further, the height (thickness) of the striped structure portion is the length of the striped structure portion (the length of the striped structure portion) in the same direction as the X-ray transmission direction indicated by B in FIG. Side length).
Further, the gap in the striped structure portion indicates the interval between the striped structure portion and the striped structure portion indicated by D in FIG.
このように、位相格子から特定の距離において位相格子のピッチと同一周期の明暗周期像が形成される現象が、タルボ効果である。
図１０のように、位相格子の前に被検体１４を配置すると、照射されたＸ線は被検体１４により屈折する。
そのため、被検体１４を透過して屈折されたＸ線により形成された明暗周期像を検出すれば、被検体１４の位相像を得ることができる。
但し、明暗周期像は位相格子と同一ピッチであるため、直接検出するためには、空間分解能の高いＸ線画像検出器が必要となる。
このような場合、Ｘ線を吸収する材料で作製され、十分な厚さを持つ回折格子である吸収格子１６を用いることができる。
吸収格子１６を明暗周期像が形成される位置に配置すれば、この明暗周期像と吸収格子１６との重なりによりモアレ縞が発生する。
つまり、位相シフトの情報はモアレ縞の変形として検出器１７により観察することができる。
In this way, a phenomenon in which a light / dark periodic image having the same period as the pitch of the phase grating is formed at a specific distance from the phase grating is the Talbot effect.
As shown in FIG. 10, when the subject 14 is placed in front of the phase grating, the irradiated X-rays are refracted by the subject 14.
Therefore, a phase image of the subject 14 can be obtained by detecting a light / dark periodic image formed by X-rays that are refracted through the subject 14.
However, since the bright / dark periodic image has the same pitch as the phase grating, an X-ray image detector with high spatial resolution is required for direct detection.
In such a case, it is possible to use an absorption grating 16 that is made of a material that absorbs X-rays and has a sufficient thickness.
If the absorption grating 16 is arranged at a position where a light / dark periodic image is formed, moire fringes are generated due to the overlap of the light / dark periodic image and the absorption grating 16.
That is, the information on the phase shift can be observed by the detector 17 as a deformation of the moire fringes.
ところで、Ｘ線位相コントラスト像の撮像装置の小型化を図る際、明暗周期像を位相格子１５のなるべく近くに形成することが望ましい。
このように位相格子１５から明暗周期像までの距離を短縮する方法の一つとして、位相格子１５のピッチを小さくすることが挙げられる。
By the way, when miniaturizing the imaging device for X-ray phase contrast images, it is desirable to form the bright and dark periodic images as close as possible to the phase grating 15.
As one of the methods for shortening the distance from the phase grating 15 to the light / dark periodic image in this way, it is possible to reduce the pitch of the phase grating 15.
しかしながら、位相格子１５のピッチを小さくしようとすると、上記縞状構造部における幅Ａと間隙Ｄも小さくせざるを得ない。
したがって、縞状構造部における厚さ（高さ）Ｂ／縞状構造部における間隙Ｄ、あるいは縞状構造部における厚さ（高さ）Ｂ／縞状構造部における幅Ａによって規定されるアスペクト比が大きくなり、作製するのが困難になる。
例えば、位相格子１５の材料としてＳｉを用いた場合、２０ｋｅＶのＸ線における位相をπシフトさせるのに必要な厚みは２９．２μｍ程度である。
また、スリット状の位相格子１５を作製する場合、求める分解能により２μｍ程度のピッチ、すなわち１μｍの開口幅で作製することが求められることとなる。このとき、アスペクト比は３０程度となり、大面積の回折格子を作製することは難しい。
However, if the pitch of the phase grating 15 is to be reduced, the width A and the gap D in the striped structure portion must be reduced.
Therefore, the aspect ratio defined by the thickness (height) B in the striped structure portion / the gap D in the striped structure portion or the thickness (height) B in the striped structure portion / the width A in the striped structure portion. Becomes large and difficult to manufacture.
For example, when Si is used as the material of the phase grating 15, the thickness necessary for shifting the phase of 20 keV X-rays by π is about 29.2 μm.
Further, when the slit-like phase grating 15 is manufactured, it is required to manufacture it with a pitch of about 2 μm, that is, an opening width of 1 μm, depending on the required resolution. At this time, the aspect ratio is about 30, and it is difficult to produce a large-area diffraction grating.
このようなことから、特許文献１では、アスペクト比の低い部分格子を用いて積層し、実質的なアスペクト比を高くした回折格子を作製している。
具体的には、図１１に示すように、容易に作製可能であるアスペクト比の低い部分格子１８を縦方向に積層することで、見かけ上の突条部の高さを高くし、アスペクト比の高い回折格子を作製している。
Specifically, as shown in FIG. 11, the height of the projected ridges is increased by stacking the
上記したように、従来例の特許文献１のものでは、低アスペクト比の部分格子１８を積層することにより、見かけ上の突条部の高さを高くし、高アスペクト比である回折格子を作製している。
特許文献１のように多層化した位相格子を用いることで、単層の位相格子と比較し、一応、位相格子と明暗周期像の距離を短縮することはできる。
しかしながら、特許文献１では、部分格子を積層するに際して、位相格子と平行な面内でのＸ線の強度分布との関係において、部分格子の厚さを所定の厚さとすることによって、上記距離を短縮化させるようにすることについては、何も言及されていない。
As described above, according to the conventional example of Patent Document 1, by stacking the low-aspect-ratio
By using a multi-layered phase grating as in Patent Document 1, it is possible to shorten the distance between the phase grating and the light / dark periodic image as compared with a single-layer phase grating.
However, in Patent Document 1, when the partial gratings are stacked, the distance is set by setting the thickness of the partial grating to a predetermined thickness in relation to the X-ray intensity distribution in the plane parallel to the phase grating. Nothing is said about shortening.
本発明は、上記課題に鑑み、位相格子と平行な面内でのＸ線の強度分布との関係において、位相格子を構成する回折格子の縞状構造部の厚さを、所定の厚さとすることによって、
位相格子と明暗周期像との距離の短縮化を図ることが可能となるＸ線位相イメージングに用いられる位相格子及びその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、上記の位相格子を用いたＸ線位相コントラスト像の撮像装置、該撮像装置を有するＸ線コンピューター断層撮影システムを提供することを目的とする。
In view of the above problems, the present invention sets the thickness of the striped structure portion of the diffraction grating constituting the phase grating to a predetermined thickness in relation to the X-ray intensity distribution in a plane parallel to the phase grating. By
It is an object of the present invention to provide a phase grating used for X-ray phase imaging and a method for manufacturing the same, which can reduce the distance between the phase grating and the light / dark periodic image. Another object of the present invention is to provide an X-ray phase contrast image imaging apparatus using the above phase grating and an X-ray computed tomography system having the imaging apparatus.
本発明は、以下のように構成したＸ線位相イメージングに用いられる位相格子及びその製造方法、該位相格子を用いたＸ線位相コントラスト像の撮像装置、Ｘ線コンピューター断層撮影システムを提供する。
本発明は、Ｘ線の位相を変調する位相格子であって、
複数の縞状構造部が周期的に配列されて構成された、第１の回折格子と第２の回折格子を備え、
前記第１及び第２の回折格子の前記複数の縞状構造部は、Ｘ線が透過する方向に対し垂直な方向の幅と該Ｘ線の透過する方向と同方向に厚さを有し、
該縞状構造部の厚さは、前記位相格子と平行な面内でのＸ線の強度分布を所定強度にするために、前記透過するＸ線に対して位相を必要量シフトさせる厚さに設定され、
前記第１の回折格子の複数の縞状構造部の幅と間隔は、前記第２の回折格子の複数の縞状構造部の幅と間隔と等しく、
前記第１及び第２の回折格子の前記複数の縞状構造部が配列されている周期方向において、
前記第２の回折格子の複数の縞状構造部のそれぞれが、前記第１の回折格子の複数の縞状構造部のそれぞれに対して１／４ピッチずらされて積層された構造を有することを特徴とする。
また、本発明のＸ線の位相を変調する位相格子は、
前記位相のシフト量が、前記透過するＸ線に対してＡπ（但し０＜Ａ＜１）であることを特徴とする。
また、本発明のＸ線の位相を変調する位相格子は、前記複数の縞状構造部の幅が、前記周期的に配列された前記複数の縞状構造部同士の間隔と等しいことを特徴とする。
また、本発明のＸ線の位相を変調する位相格子は、
前記第１の回折格子が基板の一方の面側に形成され、
前記第２の回折格子が前記基板の他方の面側に形成されていることを特徴とする。
また、本発明のＸ線位相コントラスト像の撮像装置は、上記したいずれかに記載の位相格子と該位相格子を透過したＸ線を検出する検出器とを備えることを特徴とする。
また、本発明のＸ線コンピューター断層撮影システムは、上記したＸ線位相コントラスト像の撮像装置を有することを特徴とする。
また、本発明のＸ線位相イメージングに用いられる位相格子の製造方法は、
複数の縞状構造部が周期的に配列されて構成された第１の回折格子と第２の回折格子を積層する工程を有し、
前記第１及び第２の回折格子の複数の縞状構造部は、Ｘ線が透過する方向に対し垂直な方向の幅と該Ｘ線の透過する方向と同方向に厚さを有し、
前記第１の回折格子の複数の縞状構造部の幅と間隔は、前記第２の回折格子の複数の縞状構造部の幅と間隔と等しく、
前記積層する工程は、
前記第１及び第２の回折格子の前記複数の縞状構造部が配列されている周期方向において、
前記第２の回折格子の複数の縞状構造部のそれぞれが、前記第１の回折格子の複数の縞状構造部のそれぞれに対して１／４ピッチずれるように前記第１の回折格子と前記第２の回折格子とを積層することを特徴とする。
The present invention provides a phase grating used for X-ray phase imaging and a manufacturing method thereof, an X-ray phase contrast image imaging apparatus using the phase grating, and an X-ray computed tomography system configured as follows.
The present invention is a phase grating for modulating the phase of X-rays ,
Striped structure of multiple is configured by arranged periodic manner, comprises a first diffraction grating and second diffraction grating,
The plurality of striped structures of the first and second diffraction gratings have a width in a direction perpendicular to a direction through which X-rays pass and a thickness in the same direction as the direction through which the X-rays pass.
The thickness of the striped structure is such that the phase is shifted by a necessary amount with respect to the transmitted X-rays so that the X-ray intensity distribution in a plane parallel to the phase grating has a predetermined intensity. Set,
The width and spacing of the plurality of striped structure portions of the first diffraction grating are equal to the width and spacing of the plurality of striped structure portions of the second diffraction grating,
In the periodic direction in which the plurality of striped structure portions of the first and second diffraction gratings are arranged ,
Each of the plurality of stripe-like structure of the second diffraction grating, to have a 1/4 pitch shifting are stacked in the structure for each of a plurality of stripe-like structure of the first diffraction grating Features.
Also, a phase grating that modulates the phase of the X-ray of the present invention,
The phase shift amount is Aπ (where 0 <A <1) with respect to the transmitted X-ray.
The phase grating that modulates the phase of the X-ray of the present invention includes a wherein said plurality of width of banded structure is equal to the periodically arranged plurality of striped structure spacing between To do .
Also, a phase grating that modulates the phase of the X-ray of the present invention,
Wherein the first diffraction grating is formed on one surface of the base plate,
Wherein the second diffraction grating are made form the other surface side of the front Kimoto plate.
According to another aspect of the present invention, there is provided an X-ray phase contrast image capturing apparatus including any of the phase gratings described above and a detector that detects X-rays transmitted through the phase grating .
The X-ray computed tomography system of the present invention is characterized by having the above-described imaging device for X-ray phase contrast images.
Moreover, the manufacturing method of the phase grating used for the X-ray phase imaging of the present invention is as follows:
A step of laminating a first diffraction grating and a second diffraction grating configured by periodically arranging a plurality of striped structure portions;
The plurality of striped structures of the first and second diffraction gratings have a width in a direction perpendicular to a direction through which X-rays pass and a thickness in the same direction as the direction through which the X-rays pass.
The width and spacing of the plurality of striped structure portions of the first diffraction grating are equal to the width and spacing of the plurality of striped structure portions of the second diffraction grating,
The laminating step includes
In the periodic direction in which the plurality of striped structure portions of the first and second diffraction gratings are arranged,
The first diffraction grating and the first diffraction grating so that each of the plurality of striped structure portions of the second diffraction grating is shifted by ¼ pitch with respect to each of the plurality of stripe structure portions of the first diffraction grating. A second diffraction grating is stacked.
本発明によれば、位相格子と平行な面内でのＸ線の強度分布が最大または二番目となる位相格子からの距離が、単層の位相格子の場合と比較して短縮される積層型位相格子及びその製造方法を実現することができる。
また、本発明によれば、上記の位相格子を用いたＸ線位相コントラスト像の撮像装置、該撮像装置を有するＸ線コンピューター断層撮影システムを実現することができる。
According to the present invention, the distance from the phase grating where the X-ray intensity distribution in the plane parallel to the phase grating is maximum or second is shortened as compared with the case of the single-layer phase grating. A phase grating and a manufacturing method thereof can be realized.
In addition, according to the present invention, it is possible to realize an X-ray phase contrast image imaging apparatus using the phase grating and an X-ray computed tomography system having the imaging apparatus.
つぎに、本発明の実施形態について説明する。
図１に、２層のライン状回折格子をずらして相互に積層したＸ線位相イメージングに用いられる位相格子の構成例を説明する図を示す。
図１において、１はＸ線、２は１層目の回折格子、３は２層目の回折格子である。
本実施形態の位相格子は、互いに平行な直線状の縞状構造部が一定の間隔で周期的にライン状に配列されて構成された２層のライン状回折格子が、入射するＸ線に対して、上記縞状構造部が配列されている周期方向にずらして積層して構成されている。
本実施形態では、このような複数の回折格子を積層した位相格子において、
上記縞状構造部の厚さが、前記位相格子と平行な面内でのＸ線の強度分布を所定強度にするために、前記透過するＸ線に対して位相を必要量シフトさせる厚さに設定された構成例について説明する。
Next, an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a phase grating used for X-ray phase imaging in which two layers of line diffraction gratings are shifted and stacked on each other.
In FIG. 1, 1 is an X-ray, 2 is a diffraction grating of the first layer, and 3 is a diffraction grating of the second layer.
The phase grating of the present embodiment has a two-layer linear diffraction grating composed of linear stripe structures parallel to each other and arranged periodically in a line at regular intervals. The striped structure portions are stacked and shifted in the periodic direction in which they are arranged.
In the present embodiment, in a phase grating in which such a plurality of diffraction gratings are stacked,
The thickness of the striped structure is set to a thickness that shifts the phase by a necessary amount with respect to the transmitted X-ray so that the X-ray intensity distribution in a plane parallel to the phase grating has a predetermined intensity. A set configuration example will be described.
本実施形態において、前記回折格子における前記縞状構造部は、Ｘ線が透過する方向に対し垂直な方向の幅と該Ｘ線の透過する方向と同方向の厚さを有している。
また、この縞状構造部の厚さは、前記透過するＸ線に対して位相をＡπシフトさせる厚さに形成されている。但し、０＜Ａ＜１である。
そして、上記２層のライン状回折格子を積層する際には、図１に示すように、入射するＸ線に対し２層目の回折格子３（第２の回折格子）を、１層目の回折格子２（第１の回折格子）の周期方向に４分の１ピッチずらして積層する。
Ｘ線１は基板に対して垂直方向から入射する。入射したＸ線は、回折格子のＡπシフト部を１層分通過する部分、２層分通過する部分、通過しない部分とがある。
In this embodiment, the striped structure portion in the diffraction grating has a width in a direction perpendicular to a direction in which X-rays are transmitted and a thickness in the same direction as the direction in which the X-rays are transmitted.
The striped structure is formed to have a thickness that shifts the phase by Aπ with respect to the transmitted X-ray. However, 0 <A <1.
When the two-layer linear diffraction grating is stacked, as shown in FIG. 1, the second diffraction grating 3 (second diffraction grating) is connected to the first layer with respect to incident X-rays. The diffraction grating 2 (first diffraction grating) is laminated with a quarter pitch shift in the periodic direction.
The X-ray 1 enters from the direction perpendicular to the substrate. Incident X-rays have a portion that passes through the Aπ shift portion of the diffraction grating by one layer, a portion that passes by two layers, and a portion that does not pass through.
このとき、透過するＸ線は図２に示すように、Ｘ線が位相変化せずに透過する領域６と、位相差Ａπの領域５、位相差２Ａπの領域４を形成する。
ここで、積層された位相格子を透過したＸ線の強度が最大及び２番目となる位置と、回折格子の位相シフト量の関係に関するシミュレーション結果を図３に示す。
ここでの位相シフト量とは、回折格子単層時（回折格子１層分）に透過したＸ線の位相が変化する量である。
例えば、図１及び図２に示す位相格子おいて、位相のシフト量はＡπである。
また、位相格子における縞状構造部の幅と間隙は等しく、積層された位相格子は周期方向に１／４ピッチ互いにずれているとした。
なお、図３の横軸は回折格子を透過した時のＸ線の位相シフト量を示す。
縦軸は位相格子からの距離を示しており、（ｄ２／λ）を１００分割し、（ｄ２／λ）×（１／１００）〜（ｄ２／λ）×（９９／１００）の間を１／１００×（ｄ２／λ）間隔で計算した。
縦軸は位相格子を透過したＸ線が形成する明暗周期像と、位相格子の距離である。
白丸プロットは、回折格子単層時における明暗周期像の最大強度となる位置と、位相格子との距離を、位相格子の位相シフト量毎に示している。
また、白三角プロットは回折格子単層時における明暗周期像の２番目の強度となる位置と、位相格子との距離を、位相格子の位相シフト量毎に示している。
同様に、黒丸プロットは回折格子積層時における明暗周期像の最大が強度となる位置と位相格子との距離を、黒三角プロットは回折格子積層時における明暗周期像の２番目の強度となる位置と位相格子との距離を示している。
At this time, as shown in FIG. 2, the transmitted X-rays form a region 6 through which the X-rays pass without phase change, a region 5 having a phase difference Aπ, and a region 4 having a phase difference 2Aπ.
Here, FIG. 3 shows a simulation result regarding the relationship between the position where the intensity of the X-ray transmitted through the laminated phase grating is maximum and second, and the phase shift amount of the diffraction grating.
Here, the phase shift amount is an amount by which the phase of X-rays transmitted during a single diffraction grating layer (one diffraction grating layer) changes.
For example, in the phase grating shown in FIGS. 1 and 2, the phase shift amount is Aπ.
Further, the width and gap of the striped structure portion in the phase grating are equal, and the laminated phase gratings are shifted from each other by a quarter pitch in the periodic direction.
Note that the horizontal axis of FIG. 3 indicates the amount of X-ray phase shift when transmitted through the diffraction grating.
The vertical axis indicates the distance from the phase grating, and (d 2 / λ) is divided into 100, and (d 2 / λ) × (1/100) to (d 2 / λ) × (99/100). The interval was calculated at an interval of 1/100 × (d 2 / λ).
The vertical axis represents the distance between the light / dark periodic image formed by the X-rays transmitted through the phase grating and the phase grating.
The white circle plot indicates the distance between the position where the intensity of the bright / dark periodic image is maximum and the phase grating when the diffraction grating is a single layer, for each phase shift amount of the phase grating.
In addition, the white triangle plot shows the distance between the position of the second intensity of the light-dark periodic image and the phase grating in the case of a single grating layer for each phase shift amount of the phase grating.
Similarly, the black circle plot indicates the distance between the position where the maximum intensity of the light / dark periodic image at the time of diffraction grating lamination and the phase grating is present, and the black triangle plot indicates the position at which the second intensity of the light / dark periodic image at the time of diffraction grating lamination is obtained. The distance from the phase grating is shown.
図３に示されているように、位相格子を透過したＸ線の強度が最大または２番目の強度における位相格子からの距離は、そのいずれか一方の短い方の距離において、単層よりも積層した位相格子を用いたときの方が短縮される。
図より、０．０７≦Ａ≦０．８９の範囲が効果的である。
ただし、０＜Ａ＜０．０７、０．８＜Ａ＜１の範囲においても、強度が３番目に強い位置を加味してみれば、積層の効果をみとめることができる。
As shown in FIG. 3, the distance from the phase grating when the intensity of the X-ray transmitted through the phase grating is the maximum or the second intensity is one layer shorter than the single layer. When the phase grating is used, it is shortened.
From the figure, the range of 0.07 ≦ A ≦ 0.89 is effective.
However, even in the range of 0 <A <0.07 and 0.8 <A <1, the effect of the stacking can be found if the third strongest position is considered.
上記位相格子を製造するに際し、該位相格子を構成する個々の回折格子は、基板表面または基板内部またはその両方に形成することができる。
図４に示すように基板８を形成する材料と異なる材料を用いて位相差Ａπの縞状構造部７を形成しても良いし、図５のように基板の一部を加工して縞状構造部を備えた回折格子９としても良い。
また、図５に示す回折格子は非貫通構造であるが、貫通していても良い。貫通していれば基板によるＸ線の吸収が無いのでＸ線の利用効率が向上する。
図５において縞状構造部の間隙の少なくとも一部を、縞状構造部を形成する材料と異なる材料により充填しても良い。
例えば、図６において、縞状構造部ａ１０を透過したＸ線と、縞状構造部ｂ１１を透過したＸ線の位相差がＡπとなるような材料を選択する。
さらに、多層化した回折格子を得るためには、図７のように回折格子を形成した基板を２枚以上積層しても良いし、図８のように基板の表裏を加工して作製した回折格子１２を用いても良い。
例えば、前記第１の回折格子が単一基板の一方の面側に形成し、前記単一基板の他方の面側に、前記第２の回折格子をその周期方向に１／４ピッチずらして作製するようにしても良い。
積層時には、回折格子同士が接するように加工済み基板を積層することが好ましいが、離れていても良い。この時に基板は互いに平行になるように積層する。
In manufacturing the phase grating, the individual diffraction gratings constituting the phase grating can be formed on the substrate surface, inside the substrate, or both.
As shown in FIG. 4, the
Further, although the diffraction grating shown in FIG. 5 has a non-penetrating structure, it may be penetrated. If it penetrates, there is no absorption of X-rays by the substrate, so that the utilization efficiency of X-rays is improved.
In FIG. 5, at least a part of the gap between the stripe structure portions may be filled with a material different from the material forming the stripe structure portion.
For example, in FIG. 6, a material is selected such that the phase difference between the X-ray transmitted through the striped structure portion a10 and the X-ray transmitted through the striped structure portion b11 is Aπ.
Furthermore, in order to obtain a multilayered diffraction grating, two or more substrates on which diffraction gratings are formed may be laminated as shown in FIG. 7, or diffraction produced by processing the front and back of the substrate as shown in FIG. A lattice 12 may be used.
For example, the first diffraction grating is formed on one surface side of a single substrate, and the second diffraction grating is formed on the other surface side of the single substrate with a quarter pitch shifted in the periodic direction. You may make it do.
At the time of stacking, it is preferable to stack the processed substrates so that the diffraction gratings are in contact with each other, but they may be separated from each other. At this time, the substrates are laminated so as to be parallel to each other.
また、アライメントを行うため基板に予めアライメントマークを作製しても良い。
その他のアライメントの方法として、Ｘ線顕微鏡により回折格子を拡大観察して位置合わせをすることもできる。
また、空間的に可干渉なＸ線を照射しタルボ効果により得られる自己像を観察しながら位置合わせをしても良い。
位置合わせした後の位相格子は固定しても良いし、そのままＸ線位相像の観察を行っても良い。位相格子の固定時には、エポキシ樹脂などの接着剤や金−金接合、クランプなどを用いた機械的な固定などを用いることができる。
Further, an alignment mark may be formed on the substrate in advance for alignment.
As another alignment method, the diffraction grating can be magnified and observed by an X-ray microscope for alignment.
Further, alignment may be performed while observing a self-image obtained by the Talbot effect by irradiating spatially coherent X-rays.
The phase grating after alignment may be fixed, or the X-ray phase image may be observed as it is. When fixing the phase grating, mechanical fixing using an adhesive such as an epoxy resin, gold-gold bonding, a clamp, or the like can be used.
基板にはＸ線照射時にＸ線の吸収が少ない材料を使用することが好ましい。
形状は薄板状で、表裏が鏡面であればコントラストは良好と成る。例えばＳｉやＧａＡｓ、Ｇｅ、ＩｎＰといった半導体ウェハー、ガラス基板などを使用することができる。
Ｘ線の吸収はＳｉより大きいが、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などの樹脂基板を用いることもできる。
It is preferable to use a material that absorbs less X-rays during X-ray irradiation.
If the shape is a thin plate and the front and back are mirror surfaces, the contrast is good. For example, a semiconductor wafer such as Si, GaAs, Ge, or InP, a glass substrate, or the like can be used.
Although X-ray absorption is larger than that of Si, a resin substrate such as polycarbonate (PC), polyimide (PI), or polymethyl methacrylate (PMMA) can also be used.
回折格子を形成するためには、フォトリソグラフィ法やドライエッチング法、スパッタや蒸着・ＣＶＤ・無電解めっき・電解めっきといった各種成膜法、ナノインプリント法などを用いることができる。
つまり、フォトリソグラフィ法でレジストパターンを形成した後に、ドライエッチングまたはウェットエッチングで基板に加工しても良いし、リフトオフ法で基板上に回折格子を付与することもできる。
また、ナノインプリント法により基板又は基板上に成膜した材料を加工しても良い。
In order to form the diffraction grating, a photolithography method, a dry etching method, various film forming methods such as sputtering, vapor deposition, CVD, electroless plating, and electrolytic plating, a nanoimprint method, and the like can be used.
That is, after a resist pattern is formed by a photolithography method, the substrate may be processed by dry etching or wet etching, or a diffraction grating may be provided on the substrate by a lift-off method.
Further, a substrate or a material formed on the substrate may be processed by a nanoimprint method.
本実施形態の位相格子を用いることによって、空間的に可干渉なＸ線源、検出器と組み合わせることでタルボ干渉計として用いることができる。
その際、吸収格子を用いてモアレ縞を形成した後に検出器を用いて出力を検出しても良い。
また、従来のコンピューター断層撮影システムに用いられているガントリ内に、本発明のＸ線位相像の撮像装置を組み込むことで患者のＸ線位相断層像を得ることができる。
本発明の実施形態においては、上記した実施形態のＸ線位相イメージングに用いられる位相格子をＸ線位相コントラスト像の撮像装置に用いることにより、Ｘ線位相コントラスト像の撮像が可能となる撮像装置を実現することができる。
また、このようなＸ線位相コントラスト像の撮像装置を備えたＸ線コンピューター断層撮影システムを実現することができる。
By using the phase grating of the present embodiment, it can be used as a Talbot interferometer by combining with a spatially coherent X-ray source and detector.
At that time, the output may be detected using a detector after forming the moire fringes using the absorption grating.
In addition, an X-ray phase tomographic image of a patient can be obtained by incorporating the X-ray phase image imaging apparatus of the present invention into a gantry used in a conventional computed tomography system.
In the embodiment of the present invention, an imaging apparatus capable of capturing an X-ray phase contrast image by using the phase grating used in the X-ray phase imaging of the above-described embodiment for an X-ray phase contrast image imaging apparatus. Can be realized.
In addition, an X-ray computed tomography system including such an X-ray phase contrast image imaging apparatus can be realized.
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、位相格子として互いに平行な直線状の縞状構造部が一定の間隔で周期的に配置されたライン状回折格子を積層した構成例について説明する。
本実施例においては、まず、４インチ径の両面研磨２００μｍ厚シリコンウェハー表面にレジストコート後、フォトリソグラフィ法により６０ｍｍ角のエリアに線幅２μｍ間隙２μｍのレジストパターンを作製する。
次に、ディープ・リアクティブ・イオン・エッチング（Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ）により次のような加工を行う。
すなわち、幅２μｍ間隙２μｍで深さが９μｍのスリット構造を作製した後にレジストを除去する（図５参照）。
１７．７ｋｅＶのＸ線において、９μｍ厚Ｓｉと９μｍ厚空気の位相差は０．４πとなる。この位相格子に１７．７ｋｅＶのＸ線をウェハーの垂直構造から照射する。
このとき、位相格子から１３８ｍｍの位置においてＸ線強度の明暗像におけるＸ線強度が最大となり、９１．２ｍｍの位置においてＸ線強度の明暗像におけるＸ線強度が２番目に強くなる。
Examples of the present invention will be described below.
[Example 1]
In the first embodiment, a description will be given of a configuration example in which linear diffraction gratings in which linear stripe structures parallel to each other are periodically arranged at regular intervals are stacked as a phase grating.
In this embodiment, first, a resist coating is applied to the surface of a 4-inch diameter double-side polished 200 μm thick silicon wafer, and then a resist pattern having a line width of 2 μm and a gap of 2 μm is formed in a 60 mm square area by photolithography.
Next, the following processing is performed by deep reactive ion etching (Deep-RIE).
That is, after forming a slit structure having a width of 2 μm, a gap of 2 μm, and a depth of 9 μm, the resist is removed (see FIG. 5).
In 17.7 keV X-rays, the phase difference between 9 μm thick Si and 9 μm thick air is 0.4π. The phase grating is irradiated with 17.7 keV X-rays from the vertical structure of the wafer.
At this time, the X-ray intensity in the bright and dark image with X-ray intensity becomes maximum at a position of 138 mm from the phase grating, and the X-ray intensity in the bright and dark image with X-ray intensity becomes second highest at a position of 91.2 mm.
次に、２枚のウェハー表面に同様のパターンを作製する。
パターンが接するように２枚の加工済みシリコンウェハーを張り合わせる（図７参照）。
張り合わせ時には、スリット構造が互いに平行になるようにし、スリットの周期方向のずれ量が１μｍになるようにする。
単層の場合と同様に１７．７ｋｅＶのＸ線をウェハーの垂直構造から照射する。このとき、Ｘ線強度の明暗像におけるＸ線強度が最大となる位置は位相格子から１６４ｍｍと長くなるものの、Ｘ線強度の明暗像におけるＸ線強度が２番目に強くなる位置は位相格子から６４ｍｍとなる。
Ｘ線の強度が最大または２番目となる位置のいずれか短いほうを比較すると、位相格子が単層の場合にはＸ線強度の明暗像の位相格子からの距離が９１．２ｍｍだったのに対し、積層した場合は６４．０ｍｍとなり、約３０％短縮される。
Next, the same pattern is produced on the surface of two wafers.
Two processed silicon wafers are bonded so that the pattern comes into contact (see FIG. 7).
At the time of pasting, the slit structures are made parallel to each other so that the amount of deviation in the periodic direction of the slits is 1 μm.
As in the case of a single layer, X-rays of 17.7 keV are irradiated from the vertical structure of the wafer. At this time, the position where the X-ray intensity in the X-ray intensity bright and dark image is maximum is 164 mm from the phase grating, but the position where the X-ray intensity in the X-ray intensity bright and dark image is the second highest is 64 mm from the phase grating. It becomes.
Comparing the shorter of the positions where the X-ray intensity is the maximum or the second, whichever is shorter, when the phase grating is a single layer, the distance from the phase grating of the bright and dark image of the X-ray intensity was 91.2 mm. On the other hand, when laminated, it becomes 64.0 mm, which is shortened by about 30%.
［実施例２］
実施例２においては、位相格子として互いに平行な直線状の縞状構造部が一定の間隔で周期的に配置されたライン状回折格子を基板表裏に形成された構成例について説明する。
本実施例においては、まず、１ｍｍ厚アクリル板の表裏それぞれ６０ｍｍ角のエリアに幅４μｍ間隙４μｍで深さが８．２μｍのスリット構造を作製する。
このとき、基板表裏に形成された縞状構造部は互いに平行で周期方向に２μｍずらして形成する（図８参照）。
１７．７ｋｅＶのＸ線において、８．２μｍ厚アクリルと８．２μｍ厚空気の位相差は０．２πとなる。
比較のためアクリル板の片面のみに幅４μｍ間隙４μｍで深さが８．２μｍのスリット構造を形成した基板も作製する。
アクリル板の片面のみ縞状構造を形成した位相格子の場合、位相格子から５３９ｍｍの位置においてＸ線強度の明暗像におけるＸ線強度が最大となる。
また、３５７ｍｍの位置においてＸ線強度の明暗像におけるＸ線強度が２番目に強くなる。
[Example 2]
In the second embodiment, a description will be given of a configuration example in which linear diffraction gratings in which linear stripe structures parallel to each other as phase gratings are periodically arranged at regular intervals are formed on the front and back of the substrate.
In this embodiment, first, a slit structure having a width of 4 μm, a gap of 4 μm, and a depth of 8.2 μm is prepared in 60 mm square areas on both sides of a 1 mm thick acrylic plate.
At this time, the striped structures formed on the front and back sides of the substrate are formed parallel to each other and shifted by 2 μm in the periodic direction (see FIG. 8).
In X-rays of 17.7 keV, the phase difference between 8.2 μm thick acrylic and 8.2 μm thick air is 0.2π.
For comparison, a substrate in which a slit structure having a width of 4 μm, a gap of 4 μm, and a depth of 8.2 μm is formed only on one side of an acrylic plate is also produced.
In the case of a phase grating in which a striped structure is formed on only one surface of an acrylic plate, the X-ray intensity in a bright and dark image of X-ray intensity is maximized at a position of 539 mm from the phase grating.
Further, the X-ray intensity in the bright and dark image of the X-ray intensity becomes the second highest at the position of 357 mm.
一方アクリル板の表裏に縞状構造を形成した基板にも、単層の場合と同様に１７．７ｋｅＶのＸ線をウェハーの垂直構造から照射する。
このとき、Ｘ線強度の明暗像におけるＸ線強度が最大となる位置は位相格子から６５７ｍｍと長くなるものの、Ｘ線強度の明暗像におけるＸ線強度が２番目に強くなる位置は２５７ｍｍとなる。
Ｘ線の強度が最大または２番目となる位置のいずれか短い方を比較すると、位相格子が単層の場合にはＸ線強度の明暗像の位相格子からの距離が３５７ｍｍだったのに対し、積層した場合は２５７ｍｍとなり約３０％短縮される。
On the other hand, a substrate having a striped structure formed on the front and back sides of the acrylic plate is irradiated with 17.7 keV X-rays from the vertical structure of the wafer as in the case of a single layer.
At this time, the position where the X-ray intensity in the bright-dark image with the X-ray intensity is maximum becomes 657 mm from the phase grating, but the position where the X-ray intensity in the bright-dark image with the X-ray intensity is the second highest is 257 mm.
Comparing the shorter one of the positions where the X-ray intensity is maximum or second, when the phase grating is a single layer, the distance from the phase grating of the bright and dark image of the X-ray intensity is 357 mm. When laminated, it becomes 257 mm, which is shortened by about 30%.
１：Ｘ線
２：１層目の回折格子
３：２層目の回折格子
４：位相差２Ａπの領域
５：位相差Ａπの領域
６：Ｘ線が位相変化せずに透過する領域
７：位相差Ａπの縞状構造部
８：基板
９：基板の一部を加工して作製した回折格子
１０：縞状構造部ａ
１１：縞状構造部ｂ
１２：基板の表裏を加工して作製した回折格子
１３：Ｘ線源
１４：被検体
１５：位相格子
１６：吸収格子
１７：検出器
１８：部分格子
1: X-ray 2: First layer diffraction grating 3: Second layer diffraction grating 4: Phase difference 2Aπ region 5: Phase difference Aπ region 6: X-ray transmission region without phase change 7: Position Striped structure portion 8 having phase difference Aπ: Substrate 9: Diffraction grating 10 fabricated by processing a part of substrate 10: Striped structure portion a
11: Striped structure part b
12: Diffraction grating manufactured by processing the front and back of the substrate 13: X-ray source 14: Subject 15: Phase grating 16: Absorption grating 17: Detector 18: Partial grating
Claims (7)
複数の縞状構造部が周期的に配列されて構成された、第１の回折格子と第２の回折格子を備え、
前記第１及び第２の回折格子の前記複数の縞状構造部は、Ｘ線が透過する方向に対し垂直な方向の幅と該Ｘ線の透過する方向と同方向に厚さを有し、
該縞状構造部の厚さは、前記位相格子と平行な面内でのＸ線の強度分布を所定強度にするために、前記透過するＸ線に対して位相を必要量シフトさせる厚さに設定され、
前記第１の回折格子の複数の縞状構造部の幅と間隔は、前記第２の回折格子の複数の縞状構造部の幅と間隔と等しく、
前記第１及び第２の回折格子の前記複数の縞状構造部が配列されている周期方向において、
前記第２の回折格子の複数の縞状構造部のそれぞれが、前記第１の回折格子の複数の縞状構造部のそれぞれに対して１／４ピッチずらされて積層された構造を有することを特徴とする位相格子。 A phase grating for modulating the phase of X-rays ,
Striped structure of multiple is configured by arranged periodic manner, comprises a first diffraction grating and second diffraction grating,
The plurality of striped structures of the first and second diffraction gratings have a width in a direction perpendicular to a direction through which X-rays pass and a thickness in the same direction as the direction through which the X-rays pass.
The thickness of the striped structure is such that the phase is shifted by a necessary amount with respect to the transmitted X-rays so that the X-ray intensity distribution in a plane parallel to the phase grating has a predetermined intensity. Set,
The width and spacing of the plurality of striped structure portions of the first diffraction grating are equal to the width and spacing of the plurality of striped structure portions of the second diffraction grating,
In the periodic direction in which the plurality of striped structure portions of the first and second diffraction gratings are arranged ,
Each of the plurality of stripe-like structure of the second diffraction grating, to have a 1/4 pitch shifting are stacked in the structure for each of a plurality of stripe-like structure of the first diffraction grating place phase lattice shall be the feature.
前記第２の回折格子が前記基板の他方の面側に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の位相格子。 Wherein the first diffraction grating is formed on one surface of the base plate,
Position phase grating according to any one of claims 1 to 3, characterized in that said second diffraction grating are made form the other surface side of the front Kimoto plate.
ンピューター断層撮影システム。 An X-ray computed tomography system comprising the X-ray phase contrast image imaging apparatus according to claim 5 .
前記第１及び第２の回折格子の複数の縞状構造部は、Ｘ線が透過する方向に対し垂直な方向の幅と該Ｘ線の透過する方向と同方向に厚さを有し、The plurality of striped structure portions of the first and second diffraction gratings have a width in a direction perpendicular to a direction through which X-rays pass and a thickness in the same direction as the direction through which the X-rays pass.
前記第１の回折格子の複数の縞状構造部の幅と間隔は、前記第２の回折格子の複数の縞状構造部の幅と間隔と等しく、The width and spacing of the plurality of striped structure portions of the first diffraction grating are equal to the width and spacing of the plurality of striped structure portions of the second diffraction grating,
前記積層する工程は、The laminating step includes
前記第１及び第２の回折格子の前記複数の縞状構造部が配列されている周期方向において、In the periodic direction in which the plurality of striped structure portions of the first and second diffraction gratings are arranged,
前記第２の回折格子の複数の縞状構造部のそれぞれが、前記第１の回折格子の複数の縞状構造部のそれぞれに対して１／４ピッチずれるように前記第１の回折格子と前記第２の回折格子とを積層することを特徴とする位相格子の製造方法。The first diffraction grating and the first diffraction grating are arranged so that each of the plurality of striped structure portions of the second diffraction grating is shifted by ¼ pitch with respect to each of the plurality of stripe structure portions of the first diffraction grating. A method of manufacturing a phase grating, comprising stacking a second diffraction grating.
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