JP5777360B2

JP5777360B2 - Ｘ線撮像装置

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Publication number: JP5777360B2
Application number: JP2011055145A
Authority: JP
Inventors: 中村　高士; 高士中村; 佐藤　玄太; 玄太佐藤; 大内　千種; 千種大内
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-03-14
Filing date: 2011-03-14
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2031-03-14
Also published as: JP2012187341A

Description

本発明は、トールボット干渉法によりＸ線位相コントラスト像を取得するＸ線撮像装置に関する。

Ｘ線は高い物質透過性を持ち、その透過能は元素や密度によって異なる。
このため、物体を透過したＸ線量を検出することによりコントラスト画像を得ることが可能であり、物体の非破壊検査やレントゲン撮影等へ応用されている。
しかし、Ｘ線の吸収能は軽元素ほど小さいため、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。
このため、軽元素で構成される組織でも明瞭な画像を取得する方法として、Ｘ線の位相シフト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中に、トールボット（Ｔａｌｂｏｔ）干渉法によりＸ線位相コントラスト像を取得するＸ線撮像装置が知られている。

トールボット干渉法を用いたＸ線位相イメージング法のためには、空間的に可干渉なＸ線源、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）、検出器が少なくとも必要である。
空間的に可干渉性を持つＸ線は、位相格子を透過した後のＸ線強度分布が位相格子３の形状を反映して周期的に変化する。このときに得られる強度分布を自己像と呼ぶ。
通常、Ｘ線により形成される自己像の周期は検出器の画素ピッチと比較して小さいため、Ｘ線を遮蔽する材料で作製され十分な厚みを持つ吸収格子を用いて撮像する。
すなわち、自己像と同等の周期構造を持つ吸収格子を、自己像が形成される位置に配置することで、自己像の変形を検出することを可能とする。

このようなトールボット干渉法によりＸ線位相コントラスト像を取得するＸ線撮像装置として、１次元の周期構造を持つ線源格子、１次元の周期構造を持つ１次元位相格子、１次元の周期構造を持つ吸収格子を備えたＸ線撮像装置が提案されている（特許文献１）。
この装置では、格子を格子周期方向に、格子周期を等分割した距離を移動してから撮像することが繰り返される。その後、得られた画像データを演算装置により処理し、移動方向の微分位相像が取得される。

米国特許７１８０９７９号明細書

上記した従来例のトールボット干渉法によるＸ線撮像装置によりＸ線位相コントラスト像を取得する場合、つぎのような課題を有している。
すなわち、１方向の微分位相情報のみから物体の位相像を得ようとすると、一部の位相情報が欠落する。
そして、上記特許文献１に記載のＸ線撮像装置で、互いに直交する２方向の微分位相像を取得するためには、全格子または被検査物を９０°回転する必要があり、装置構成上複雑なものとなる。

本発明は、上記課題に鑑み、簡単な構成で互いに直交する２方向の位相情報を取得することができ、精度の高いＸ線位相コントラスト像の撮像が可能となるＸ線撮像装置の提供を目的とする。

本発明の一側面としてのトールボット干渉計は、１次元周期構造を有する線源格子と、前記線源格子を透過したＸ線により自己像を形成する２次元周期構造を有する位相格子と、前記自己像が形成される位置に配置される吸収格子と、前記吸収格子を透過したＸ線の強度を検出可能に構成されたＸ線検出器と、を備え、前記吸収格子は２次元周期構造を有し、前記線源格子が、前記位相格子と平行な面内で９０度回転可能に構成され、前記Ｘ線検出器は、前記線源格子が前記面内において９０度回転する前後でＸ線強度の検出を行い、前記線源格子が前記面内で９０度回転する前のＸ線強度の検出と、前記線源格子が前記面内で９０度回転した後のＸ線強度の検出との間に、前記位相格子と前記吸収格子と前記被検査物とが回転しないように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成で互いに直交する２方向の位相情報を取得することができ、精度の高いＸ線位相コントラスト像の撮像が可能となるＸ線撮像装置を実現することができる。

本発明の実施形態におけるトールボット干渉法により位相情報を取得するＸ線撮像装置の構成例について説明する図。本発明の実施形態における線源格子、位相格子、自己像を説明する図である。本発明の実施形態における吸収格子を説明する図である。本発明の実施形態における縞走査を説明する図である。本発明の実施形態における位相情報取得のためのフローチャート。

つぎに、本発明の実施形態について説明する。
（実施形態１）
実施形態１として、トールボット干渉法を用い線源格子を９０度回転させる前後において得られた互いに直交する２方向のＸ線強度により、位相情報を取得するＸ線撮像装置の構成例について、図１を用いて説明する。
図１において、１はＸ線源、２線源格子、３は位相格子、４は吸収格子、５は検出器、６は線源格子移動部、７は位相格子移動部、８は吸収格子移動部、９は演算部（演算手段）、１０は被検査物である。
線源格子２は１次元周期構造を、位相格子３は２次元周期構造を有している。
また、線源格子２は、線源格子移動部６により９０度回転可能である。
また、各格子はそれぞれの線源格子移動部６、位相格子移動部７、吸収格子移動部８により、周期方向に移動することが可能である。
Ｘ線源１より照射されたＸ線は位相格子３を透過し、トールボット効果により吸収格子４上に位相格子３の形状を反映した自己像１２を形成する。
例えば、図２（ａ）の線源格子２に図２（ｂ）の位相格子３を用いると、図２（ｃ）に示す自己像１２が得られる。
自己像１２と重なり合うように吸収格子４を配置し、吸収格子４を透過したＸ線を検出器５において強度を計測する。
線源格子２と位相格子３と吸収格子４は、Ｘ線源１を通る検出器５表面に対する垂直な直線と、垂直となるように配置されている。
また、Ｘ線源１と位相格子３の間に配置する線源格子２は、位相格子３と吸収格子４とトールボット・ラウ干渉計の位置に配置されおり、線源格子２の個々の開口を通ったＸ線により形成される自己像１２が一致する。

つぎに、線源格子２を９０度回転することによる自己像１２形状の変化について、図２を用いて説明する。
図２（ａ）に示す１次元周期構造を持つ線源格子２を透過したＸ線は、２次元周期構造を持つ位相格子３により、１次元の周期構造を持つ自己像１２を形成する。位相格子３として、例えば図２（ｂ）に示すような市松状の２次元周期構造を用いることができる。
図２（ｂ）において、着色部を透過した所望の波長のＸ線は位相がπもしくはπ／２変化する。
線源格子２後のＸ線は、周期方向にのみ干渉性を持つ。そのため、２次元構造を持つ位相格子３により形成される自己像１２は、線源格子２の周期方向に対してのみ強度分布を示す。
例えば、図２（ｂ）に示す形状で位相がπ変化する位相格子３により形成される自己像１２は、図２（ｃ）に示すような１次元周期構造を形成し、周期方向は線源格子３の周期方向と一致する。
なお、位相がπ／２変化する位相格子３を使用する場合は、同じピッチの自己像を得るためには、位相格子３のピッチを１／２にする必要がある。
その後、図２（ｄ）に示すように線源格子２を位相格子３と平行な面内で９０度回転した後に撮像する。
回転前と同一の位相格子３を透過するＸ線は、図２（ｅ）に示すように線源格子２の周期方向と同一方向に周期構造を持つ自己像１２を形成する。
つまり、線源格子２を９０度回転することで、静止した同一の位相格子３を用いても自己像１２を９０度回転することが可能となる。
被検査物１０を線源格子２と位相格子３間に入れることで、形成される自己像１２形状が変形する。
このときの変形量は被検査物１０の位相量に依存するので、自己像１２を直接観察できれば被検査物１０の位相情報を取得することができる。
しかし、一般的なＸ線検出器５の画素ピッチと比較して位相格子３は狭ピッチであるため、直接自己像１２の変形を検出することは困難である。このために吸収格子４を用いる。

吸収格子４の形状としては図３（ａ）、（ｂ）に示すようなメッシュ状、図３（ｃ）に示すような市松状のものを用いることができる。
図３において、黒色部はＸ線遮光部、無着色部がＸ線透過部である。吸収格子４は自己像１２と同一面内に配置する。
吸収格子４上に形成される自己像１２を図３（ｄ）、（ｅ）に示す。
単色で可干渉性が十分なＸ線を用いる場合、吸収格子４を透過することにより図３（ｄ）の位置では透過するＸ線強度は２５％となり、図３（ｅ）ではＸ線の強度が７５％となる。
自己像１２と吸収格子４の相対位置を変化させて撮像することにより位相情報を取得する方法として、縞走査法がある。
例えば、位相格子３を格子面内で周期方向に移動することで、自己像１２は吸収格子４上を移動する。被検査物１０がない状態で位相格子３を移動したときに、同一画素で検出されるＸ線の強度変化を図４に示す。
自己像１２を移動することにより、検出されるＸ線の強度が増減する。Ｘ線強度は図３（ｄ）の位置で最大となり、図３（ｅ）の位置で最少となる。
また、自己像１２が９０度回転しても図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す２次元周期構造を持つ吸収格子４を用いることにより、自己像１２の位置とＸ線強度の関係は同様にすることができる。
また、図３（ｃ）に示す市松状の吸収格子４を用い、この吸収格子４と上記位相格子３における２次元周期構造の周期方向が、４５度で交差するようにして配置することで、自己像１２を移動したときの強度変化が図４のように正弦波状となる。

図４において、横軸は（自己像移動量）／（自己像の周期）であり、縦軸は自己像１２と吸収格子４の位置を相対的に変化させたときに検出器５で検出されるＸ線の強度である。
１次元周期構造を持つ吸収格子４や、図３（ａ）、（ｂ）に示す吸収格子４を用いた場合は、Ｘ線の度変化が三角波状となる。
正弦波に近い方が、少ない撮像枚数でより正確な位相情報を取得できる。

図５に、互いに直交するＸおよびＹ方向の２方向の位相情報（微分位相像または位相像）を、縞走査法により得るときのフローチャートを示す。
まず、線源格子２と位相格子３と吸収格子４を、トールボット・ラウ干渉計となるように配置する。
その後、線源格子２と位相格子３間に被検査物１０を配置する。この位置を、第一の配置とする。
第一の配置において、線源格子２を周期方向に移動してから撮像することを繰り返す。
フローチャート内では、自己像周期の１／３ずつ自己像１２を移動して撮像することを繰り返し、一方向での撮像回数を３回としている。
しかし、３回は一方向に対する最低の撮像回数であり、多くても良い。

次に、線源格子２を、位相格子３と平行な面内で９０度回転する。
９０度回転後の配置を、第２の配置とする。第二の配置においても、第一の配置の場合と同様に少なくとも３回撮像する。
その後、演算部（演算手段）９において各画素のＸ線強度変化より、隣り合う画素の位相変化量から微分位相像をそれぞれの方向について得る。さらに、演算部（演算手段）９においてその取得した微分位相像を合成して積分することで、位相像を取得することもできる。
ここで、自己像１２を移動するためには位相格子３を移動するほか、吸収格子４または線源格子を移動しても良い。
線源格子２は他の格子よりも小さくて軽く、縞走査時の格子移動量に対する要求精度が低くなる。
位相情報を得る手法としては縞走査法のほか、フーリエ変換法を用いることもできる。フーリエ変換法を用いる場合の撮像方法について以下に説明する。
自己像１２と吸収格子４により、検出器５で検出可能なモアレ縞を形成する。
その後、被検査物１０を配置した後に撮像を行う。撮像した像をフーリエ変換した空間周波数スペクトルにおいて、キャリア周波数成分を切り出す。
得られたキャリア周波数成分を原点に移動して逆フーリエ変換することで被検査物１０の位相情報を取得する。

線源格子３や吸収格子４において、Ｘ線遮光部はＸ線透過率の低い材料から形成される。
例えば金、白金、タングステン、タンタル、モリブデンなどである。これらを含む合金でも良い。
Ｘ線透過部は、Ｘ線透過率の高い材料から形成されている。例えば感光性レジストなどの樹脂やシリコンである。Ｘ線透過部は空洞となっていても良い。
位相格子３は、Ｘ線を所望の位相量変化させるための吸収がなるべく少ない材料で構成させることが好ましい。
このため、シリコンやレジストなどの樹脂材料を用いることができる。
但し、金などのＸ線吸収率の大きな材料により位相格子３を作製すると、アスペクト比を低くすることができる。

（実施形態２）
実施形態２として、トールボット干渉法を用い線源格子２および吸収格子４を９０度回転させる前後において得られた互いに直交する２方向のＸ線強度により、位相情報を取得するＸ線撮像装置の構成例について、図２を用いて説明する。実施形態２においては、線源格子２および吸収格子４は１次元構造、位相格子３は２次元構造とする。
線源格子２および吸収格子４は、線源格子移動部６および吸収格子移動部８により９０度回転可能とする。
形成される自己像１２は、図２に示すように線源格子２と同一の周期方向を持つ１次元の強度分布を示す。
吸収格子４としては、ピッチが自己像と等しい１次元周期構造体を用いる。
これにより、吸収格子４を透過するＸ線の強度は、自己像と吸収格子の相対位置により変化する。第一の配置で撮像した後に、線源格子と吸収格子を９０度回転した第二の位置で撮像する。
被検査１０物の位相量を得る演算手法としては、実施形態１と同様に縞走査法とフーリエ変換法を用いることができる。

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として、縞走査法を用いたトールボット干渉法により位相像を取得するＸ線撮像装置の構成例について説明する。
線源格子２は２２．１μｍピッチで開口幅が５μｍの１次元構造とし、光軸と垂直な面内で９０度回転可能とする。
位相格子３は、光学ピッチ８．４９μｍ、吸収格子４はピッチ８．２４μｍの市松状とする。
線源格子２、位相格子３、吸収格子４は平行になるように配置する。また、位相格子３と吸収格子４の周期方向が４５度で交差するようにする。
また、それぞれの格子がトールボット・ラウ干渉計の位置となるよう、線源格子２と位相格子３間の距離は９３６ｍｍ、位相格子３と吸収格子４間の距離は３４９ｍｍとする。
このとき線源格子２と吸収格子４は５０μｍ厚の金から成り、位相格子３は２３μｍ厚のＳｉから構成される。
Ｘ線ターゲットとして１７．３ｋｅＶに特性Ｘ線を持つＭｏを用いＸ線を照射する。なお、１７．３ｋｅＶのＸ線は、２３μｍ厚Ｓｉにより位相がπ変調される。
次に、被検査物１０を線源格子２と位相格子３の間に入れて撮影を行う。
１回目の撮像が終わった後に、線源格子２を移動して自己像１２を周期方向に２．７４μｍ移動して撮像する。
２回目の撮像後、線源格子２を移動して自己像１２を更に２．７４μｍ移動し撮像する。
その後、線源格子２を９０度回転する。線源格子回転前と同様の方法により、Ｘ線吸収像を３回撮像する。
以上の撮像データを用い、演算部９において縞走査法により互いに直交するＸおよびＹ方向の２方向の微分位相像を取得する。

［実施例２］
フーリエ変換法を用いたトールボット干渉法により位相情報を取得するＸ線撮像装置の構成例について説明する。
線源格子２は２５．９μｍピッチで開口幅が５μｍの１次元構造とし、位相格子３と平行な面内で９０度回転可能とする。
位相格子３は、光学ピッチ８．４９μｍの市松状、吸収格子４は光学ピッチ８．２４μｍの市松状とする。
線源格子２、位相格子３、吸収格子４は平行になるように配置する。
また、位相格子３と吸収格子４の周期方向が４５度で交差するようにする。
また、それぞれの格子がトールボット・ラウ干渉計の位置となるよう、線源格子２と位相格子３間の距離は１０５３ｍｍ、位相格子３と吸収格子４間の距離は３３５ｍｍとする。

このとき線源格子２と吸収格子４は５０μｍ厚の金から成り、位相格子３は２３μｍ厚のＳｉにより作製される。
Ｘ線ターゲットとして１７．３ｋｅＶに特性Ｘ線を持つＭｏを用いＸ線を照射する。
このとき、自己像１２と吸収格子４によりモアレ縞が２００μｍピッチで形成されるように各格子位置を調整する。
次に被検査物１０を線源格子２と位相格子３の間に入れて撮影を行う。その後、線源格子２を９０度回転し、線源格子回転前と同様の方法により撮像を行う。
以上の撮像データを用い、演算部９においてフーリエ変換法により互いに直交するＸおよびＹ方向の２方向の微分位相像を取得する。

［実施例３］
１次元周期構造を持つ線源格子２および吸収格子４と、市松状の２次元周期構造をもつ位相格子３を用いた、トールボット干渉法により位相情報を取得するＸ線撮像装置の構成例について説明する。
線源格子２は２２．１μｍピッチで開口幅が５μｍの１次元構造とし、吸収格子４は８．２４μｍピッチで線幅４．１２μｍの１次元構造とする。
線源格子と吸収格子は、光軸と垂直な面内で９０度回転可能とする。また、位相格子は、光学ピッチ８．４９μｍの市松状とする。線源格子、位相格子、吸収格子は平行になるように配置する。
また、それぞれの格子がトールボット・ラウ干渉計の位置となるよう、線源格子と位相格子３間の距離は９３６ｍｍ、位相格子３と吸収格子４間の距離は３４９ｍｍとする。

このとき線源格子２と吸収格子４は５０μｍ厚の金から成り、位相格子は２３μｍ厚のＳｉによって作製される。
Ｘ線ターゲットとして１７．３ｋｅＶに特性Ｘ線を持つＭｏを用いＸ線を照射する。
なお、１７．３ｋｅＶのＸ線は、２３μｍ厚Ｓｉにより位相がπ変調される。
次に、被検査物を線源格子と位相格子の間に入れて撮影を行う。
１回目の撮像が終わった後に、線源格子を移動して自己像を周期方向に２．７４μｍ移動して撮像する。
２回目の撮像後、線源格子２を移動して自己像を更に２．７４μｍ移動し撮像する。
その後、線源格子および吸収格子を９０度回転する。線源格子回転前と同様の方法により、Ｘ線吸収像を３回撮像する。
以上の撮像データを用い、演算部９において縞走査法により互いに直交するＸおよびＹ方向の２方向の微分位相像を取得する。

１：Ｘ線源
２：線源格子
３：位相格子
４：吸収格子
５：検出器
６：線源格子移動部
７：位相格子移動部
８：吸収格子移動部
９：演算部
１０：被検査物

Claims

トールボット干渉計であって、
１次元周期構造を有する線源格子と、
前記線源格子を透過したＸ線により自己像を形成する２次元周期構造を有する位相格子と、
前記自己像が形成される位置に配置される吸収格子と、
前記吸収格子を透過したＸ線の強度を検出可能に構成されたＸ線検出器と、
を備え、
前記吸収格子は２次元周期構造を有し、
前記線源格子は、前記位相格子と平行な面内で９０度回転可能に構成され、
前記Ｘ線検出器は、前記線源格子が前記面内において９０度回転する前後でＸ線強度の検出を行い、
前記線源格子が前記面内で９０度回転する前のＸ線強度の検出と、前記線源格子が前記面内で９０度回転した後のＸ線強度の検出との間に、前記位相格子と前記吸収格子と前記被検査物とが回転しないように構成されていることを特徴とするＸ線トールボット干渉計。
前記Ｘ線源を通る前記検出器の表面の垂線に対して垂直な面内において、前記吸収格子と前記位相格子の２次元周期構造における周期方向が、４５度で交差するように前記吸収格子と前記位相格子とが配置されていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線トールボット干渉計。
トールボット干渉計であって、
１次元周期構造を有する線源格子と、
前記線源格子を透過したＸ線により自己像を形成する２次元周期構造を有する位相格子と、
前記自己像が形成される位置に配置される吸収格子と、
前記吸収格子を透過したＸ線の強度を検出可能に構成されたＸ線検出器と、
を備え、
前記線源格子と前記吸収格子とが、前記位相格子と平行な面内で９０度回転可能に構成され、
前記Ｘ線検出器は、前記線源格子と前記吸収格子とが前記面内において９０度回転する前後でＸ線強度の検出を行い、
前記線源格子と前記吸収格子とが前記面内で９０度回転する前のＸ線強度の検出と、前記線源格子と前記吸収格子とが前記面内で９０度回転した後のＸ線強度の検出との間に、前記位相格子と前記被検査物とが回転しないように構成されていることを特徴とするＸ線トールボット干渉計。
前記吸収格子が、１次元周期構造による構成を備えることを特徴とする請求項３に記載のＸ線トールボット干渉計。
前記面内における前記線源格子の回転の前後で検出されたＸ線強度を用いて、前記被検査物の位相情報を取得する演算手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＸ線トールボット干渉計。
前記演算手段は、前記Ｘ線強度を縞走査法により演算して前記位相情報を取得することが可能に構成されていることを特徴とする請求項５項に記載のＸ線トールボット干渉計。
前記演算手段は、前記Ｘ線強度をフーリエ変換法により演算して前記位相情報を取得することが可能に構成されていることを特徴とする請求項５項に記載のＸ線トールボット干渉計。
前記位相格子が、市松状で位相がπ変化する格子で構成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のＸ線トールボット干渉計。