JP5804848B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、トールボット干渉法を用いた撮像装置に関する。

トールボット干渉法は、Ｘ線を含む様々な波長の光の干渉を利用して被検知物の位相像を得る方法である。

トールボット干渉法の概要を説明する。まず、光源から発生した光が被検知物を透過し、それに伴って光の位相が変化する。被検知物を透過した光は、回折格子に回折されることによって干渉パターンを形成する。この干渉パターンを検出器で検出し、その検出結果を演算部によって解析すると、被検知物による位相変化の微分位相像を得ることができ、更にその微分位相像を積分すると被検知物による位相像を得ることができる。

また、この干渉パターンの周期が非常に小さいと、干渉パターンを直接検出することが難しいことがある。その場合、干渉パターンが形成される位置に干渉パターンとわずかに周期が異なる遮蔽格子を配置し、遮蔽格子によって干渉パターンの一部を遮ることでモアレを形成し、このモアレを検出器で検出する方法を用いることができる。この場合も干渉パターンを直接検出する場合と同様に、被検知物の微分位相像や位相像を得ることができる。

トールボット干渉法に用いられる光には高い干渉性が求められる。干渉性を高くするための手法の一つには、光源の大きさを小さくする方法がある。しかし、一般的に光源の大きさを小さくすると、光量が小さくなるため、上記のトールボット干渉計を用いて位相像を得るためには十分な光量が得にくくなる。

そこで、トールボット・ロー干渉法という方法が提唱されている。トールボット・ロー干渉法では、干渉性の高い光を出射させる小さな光源を特定の間隔で並べ、各々の光源から発生した光によって形成される干渉パターンの明部同士及び暗部同士を重ね合わせる。これによって、光は高い干渉性を保ちつつ、検出器の１画素に入射する単位時間当たりの光量を増大させることができる。

特許文献１にはＸ線を用いてトールボット・ロー干渉法（以下Ｘ線トールボット・ロー干渉法と呼ぶ）を利用した撮像装置について記載されている。

特許文献１に記載されている撮像装置では、線源格子と呼ばれる特定の間隔に開口を配した格子を、Ｘ線源の直後に配置する。それにより、小さいＸ線源を特定の間隔で並べた状態を擬似的につくり、トールボット・ロー干渉法を行っている。

トールボット・ロー干渉法における、小さな光源及び線源格子の開口の各々は光が出射する部分なので本明細書中では光出射部と呼ぶ。各々の光出射部から出射した光によって形成される干渉パターンの明部同士及び暗部同士を重ね合わせるために、光出射部の間隔Ｐ０は下記式を満たす。
Ｐ０＝（Ｒ１／Ｒ２）×Ｐ２・・・式１
但し、Ｒ１はＸ線源から回折格子までの距離、Ｒ２は回折格子から干渉パターンまでの距離、Ｐ２は干渉パターンのピッチとする。尚、遮蔽格子を用いる場合は干渉パターンは遮蔽格子上に形成され、遮蔽格子を用いずに干渉パターンを直接検出器で検出する場合は干渉パターンは検出器上に形成されるものとする。つまり、遮蔽格子を用いる場合、Ｒ２は回折格子から遮蔽格子までの距離であり、Ｐ２は遮蔽格子上の干渉パターンのピッチである。一方、遮蔽格子を用いない場合は、Ｒ２は回折格子から検出器までの距離であり、Ｐ２は検出器上の干渉パターンのピッチである。

２次元方向に周期をもつ干渉パターンまたは２次元のモアレを検出するトールボット・ロー干渉法（以下２次元トールボット・ロー干渉法と呼ぶ）を行う場合は、光出射部を上記式のＰ０で表される間隔で２次元に配置する。そのように配置することで、各々の光出射部から出射される光によって形成される干渉パターンの明部同士及び暗部同士が重なり合う。

特開２００９−２４０３７８号公報

上述したように、トールボット・ロー干渉法に用いられる光には高い干渉性が求められるため、光出射部が小さい必要があり、光出射部の配置間隔は式１を満たす必要がある。
つまり、光出射部の大きさと間隔がある程度制限される。

このことは特に２次元トールボット・ロー干渉法で大きな問題となる。１次元トールボット・ロー干渉法では、１方向でのみ光の干渉性が高ければ良いため、光出射部の大きさと間隔は１方向でのみ制限される。しかし、２次元トールボット・ロー干渉法の場合、光の干渉性は直交する２方向で高いことが求められるため、光出射部の大きさと間隔は２方向で制限される。その結果、１次元のトールボット・ロー干渉法と比較して単位時間当たりに検出器の１画素に入射する光量が低下し、露光時間が長引くという問題があった。

そこで本発明は、２次元のトールボット・ロー干渉法を用いた撮像装置において単位時間当たりに検出器の１画素に入射する光量を向上させることで、露光時間の短縮を可能にすることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の一側面としての撮像装置は、光源部と、前記光源部からの光を回折する回折格子と、前記回折格子を経た光を検出する検出器と、を備えたトールボット干渉計であって、前記光源部は、複数の第１の光出射部と、複数の第２の光出射部と、を有し、前記複数の第１の光出射部から出射する光は、前記回折格子により回折されることで第１の干渉パターンを形成し、前記複数の第２の光出射部から出射する光は、前記回折格子により回折されることで第２の干渉パターンを形成し、前記複数の第１の光出射部と前記複数の第２の光出射部は、前記第１の干渉パターンと前記第２の干渉パターンの少なくとも一部が重なり、且つ、前記第１の干渉パターンの明部と前記第２の干渉パターンの明部が異なる位置に形成されるように配置されており、前記第１の干渉パターンと前記第２の干渉パターンによって、明部と暗部とを有する合成パターンが形成されることを特徴とする。

本発明のその他の側面については、以下で説明する実施の形態で明らかにする。

本発明は、２次元のトールボット・ロー干渉法を用いた撮像装置において、単位時間当たりに検出器の１画素に入射する光量を向上させることで、露光時間の短縮を可能にすることができる。

本発明の実施形態に係るＸ線撮像装置の模式図 本発明の実施形態に係る線源格子の模式図 本発明の実施形態に係る干渉パターンと合成パターンの模式図 本発明の実施形態に係る回折格子の模式図 本発明の実施形態に係る遮蔽格子の模式図 本発明の実施例１に係るＸ線撮像装置の模式図 本明細書の比較例１に係るＸ線撮像装置の模式図 本明細書の比較例２に係るＸ線撮像装置の模式図 本発明の実施例１と従来技術の比較例１と比較例２による撮像により得られる被検知物の位相像のシミュレーション結果 本明細書の比較例１に係る線源格子の模式図 従来技術に係る干渉パターンの原理図 本明細書の比較例２に係る回折格子の模式図 本明細書の比較例２に係る干渉パターンの模式図

以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて説明する。なお、各図に置いて、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。

本実施形態の撮像装置は２次元のＸ線トールボット・ロー干渉法を用いる。但し、本明細書においてＸ線とはエネルギーが２以上１００ｋｅＶ以下の光を指す。図１は本実施形態における撮像装置の構成例を示した模式図である。図１に示した撮像装置１は、光源部としてＸ線を発生させるＸ線源部１１０と、Ｘ線を回折する回折格子２１０、Ｘ線の一部を遮光する遮蔽格子４１０、Ｘ線を検出する検出器５１０、検出器の検出結果に基づいて演算を行う演算部６１０を備えている。

図１に示した本実施形態の構成例においては、光源部１１０はＸ線源１１１と線源格子１１２で構成されているが、小さいＸ線源（マイクロフォーカスＸ線源）を複数配置して光源部を構成しても良い。その場合、各Ｘ線源を光出射部とみなす。図２に示したように、線源格子１１２は光出射部１１３（１１３ａ、１１３ｂ）と光遮蔽部１１４を有している。光出射部１１３はＸ方向及びＹ方向から４５度傾いて配列しており、配置間隔Ｐ０_ａは下記式を満たす。
Ｐ０_ａ＝（Ｒ１／Ｒ２）×（Ｐ２／√２）…式２
尚、本実施形態は遮蔽格子を用いてモアレを形成するので、上述の通り、Ｒ２は回折格子と遮蔽格子の距離、Ｐ２は遮蔽格子上の干渉パターンのピッチである。

線源格子１１２は第１の光出射部１１３ａと第２の光出射部１１３ｂを有しており、第１の光出射部同士及び第２の光出射部同士の配置間隔Ｐ０_ｂは式１を満たす。第１の光出射部１１３ａから出射されるＸ線は回折格子に回折されることにより、図３（ａ）に示した第１の干渉パターン３１０を形成する。第２の光出射部１１３ｂから出射されるＸ線も同様に回折格子に回折されることにより、第２の干渉パターンを形成する。図２に記載の線源格子を用いた場合、遮蔽格子上で第１の干渉パターンと第２の干渉パターンが重なり合い、且つ第１の干渉パターンの明部と第２の干渉パターンの明部が異なる位置に形成されるため、図３（ｂ）に示したパターン３３０が合成される。図３（ｂ）に示したように、第１の干渉パターン３１０と第２の干渉パターン３２０の少なくとも一部が重なり、且つ第１の干渉パターンの明部と第２の干渉パターンの明部が異なる位置に形成されると、新たなパターン３３０が合成される。このパターンのことを本明細書では合成パターンと呼ぶ。図３（ｃ）は上記のことを説明するために、本実施形態の原理を示した図である。実際には第１の干渉パターン３１０と第２の干渉パターン３２０が同じ位置に形成されることによって合成パターン３３０が形成されるが、ここでは説明のためにそれぞれのパターンを分離して示している。図３（ｃ）に示したように、第１の干渉パターンの明部と第２の干渉パターンの明部が異なる位置に形成されることによって新たなパターンである合成パターン３３０が形成される。

合成パターンは２次元方向（Ｘ方向とＹ方向の両方向）に周期性を持つため、この合成パターンと２次元方向に周期性を持つ遮蔽格子を用いると２次元のモアレを発生する。この２次元のモアレを検出し、解析を行うと、被検知物の２次元微分位相像を得ることが可能である。また、光出射部の配置間隔Ｐ０_ａは上記式２を厳密に満たしていなくても、形成される合成パターンが２次元方向に周期性を持つ範囲のずれであれば誤差範囲とみなす。但し、ずれは小さい方が好ましい。
尚、本実施形態では遮蔽格子を用いてモアレを発生させているが、合成パターンを直接検出して２次元のトールボット干渉法を行っても良い。

本実施形態に用いられる回折格子は、１つの光出射部から出射されるＸ線が、被検知物を経ずに入射したときに井桁状の干渉パターンを形成する回折格子である。但し、本実施形態において井桁状の干渉パターンとは、図３（ａ）に示した干渉パターン３１０のように、明部３０１が暗部３０２に囲まれており、明部同士が接していない干渉パターンである。本実施形態に用いられる回折格子、つまり図３（ａ）に示した干渉パターンを形成する回折格子の一例を図４（ａ）および（ｂ）に示す。図４（ａ）に記載の回折格子は位相格子であり、位相基準部２１１と、第１の位相シフト部２１２が市松格子状に配列している。第１の位相シフト部２１２を透過したＸ線の位相は、位相基準部２１１を透過したＸ線の位相を基準としたとき、πラジアンシフトしている。また図４（ｂ）に記載の回折格子も位相格子であり、位相基準部２１３と第２の位相シフト部２１４が井桁状に配列している。第２の位相シフト部２１４を透過したＸ線の位相は位相基準部２１３を透過したＸ線の位相と比較してπ／２ラジアンシフトしている。

本実施形態では井桁状の干渉パターンを形成する回折格子を用いたが、１つの光出射部から出射される光を、被検知物を経ずに回折した場合、明部が孤立している干渉パターンを形成する回折格子であれば本発明に用いることができる。また、合成パターンも第１の干渉パターンの明部と第２の干渉パターンの明部が遮蔽格子上の異なる位置に形成されており、Ｘ方向とＹ方向の直交する２方向に周期性を持っていれば良く、市松格子状のパターンに限定されない。

本実施形態において、遮蔽格子４１０は図５（ａ）に示したような、Ｘ線透過部４１１とＸ線遮蔽部４１２が合成パターン同様に市松格子状に配列された遮蔽格子を用いることが好ましい。但し、図５（ｂ）のようにＸ線透過部４１３とＸ線遮蔽部４１４が第１または第２の干渉パターン同様に井桁状に配列された遮蔽格子を用いることもできる。

本実施形態において検出器５１０は、Ｘ線によるモアレの強度情報を検出することのできる素子（例えばＣＣＤ）を備えており、モアレの強度情報を検出する。

検出器５１０による検出結果は演算部６１０に送られて演算が行われ、被検知物の位相像の情報が得られる。本実施形態の撮像装置は演算部６１０を備えているが、撮像装置は演算部を備えていなくても良い。その場合、演算部は撮像装置と別個に備えられ、検出器と接続される。

本実施形態において、演算部６１０により得られた位相像の情報は不図示の画像表示装置に送られ、位相像が表示される。本実施形態においては、画像表示装置は撮像装置と別個に備えられているが、撮像装置と一体化されていても良い。また、画像表示装置は位相像を表示せず、位相像以外の演算部による演算結果を表示しても良い。本明細書では画像表示装置と撮像装置が一体化されているものを特に撮像システムと呼ぶ。

本実施形態において、被検知物１２０は光源部と回折格子の間にあるが、回折格子と遮蔽格子の間にあっても良い。

従来、１次元及び２次元トールボット・ロー干渉法において、１つ１つの光出射部からの光によって形成される干渉パターンの明部同士及び暗部同士は重なり合っていた。そのために２次元トールボット・ロー干渉法において、光出射部は直交する２方向で式１を満たすように配列されていた。つまり、線源格子のパターンは、１つの光出射部から出射した光が回折格子によって回折されることで形成される干渉パターンと同様であった。例えば、本実施例同様に図３（ａ）に示した井桁状の干渉パターンを形成する回折格子を用いる場合は、図１０に示した線源格子を用いていた。光出射部１１５（１１５ａ、１１５ｂ…）の配置間隔Ｐ０_ｃは式１を満たしている。本実施例に用いられる線源格子と比較すると、図１０に示した線源格子は第１の光出射部のみを有していて、第２の光出射部は有しておらず、１つ１つの光出射部からの光によって形成される干渉パターンの明部同士及び暗部同士が重なり合う。このことを図１１を用いて説明する。図１１の干渉パターン１３１０は光出射部１１５ａから出射した光によって形成される干渉パターンであり、干渉パターン１３２０は光出射部１１５ｂから出射した光によって形成される干渉パターンである。この２つの干渉パターンは両方とも遮蔽格子上に形成され、それぞれの干渉パターンの明部が同じ位置に形成されるため、遮蔽格子上にはそれぞれの干渉パターンと同じ形状である、パターン１３３０が形成される。このようにして、図１０に示した線源格子が有する全ての光出射部から出射される光によって形成される干渉パターンの明部同士を重ね合わせてトールボット・ロー干渉法を行っていた。

従来の線源格子の光出射部の間隔Ｐ０_ｃはＰ０_ｃ＝（Ｒ１／Ｒ２）×Ｐ２であり、本実施形態における線源格子の光出射部の間隔Ｐ０_ａはＰ０_ａ＝（Ｒ１／Ｒ２）×（Ｐ２／√２）である。そのため、従来のトールボット・ロー干渉法と比較して本実施形態のトールボット・ロー干渉法は単位面積当たりの光出射部の数が２倍になり、他の条件が等しければ単位時間当たりに検出器の１画素に入射する光量も２倍になる。

実施形態のより具体的な実施例について図６を用いて説明をする。図６に示したように、撮像装置は図１に示した構成のものを使用し、線源格子は図２に示した形状のものを用い、回折格子は図４（ａ）に示したものを用いた。回折格子のピッチＰ１ａは８．０μｍである。Ｘ線源は１７．５ｋｅＶの発散Ｘ線を出射するものを用いた。光源から回折格子までの距離Ｒ１ａを１．０ｍ、回折格子から遮蔽格子までの距離Ｒ２ａは１２．７３ｃｍとしたため、球面波の効果による干渉パターンの拡大率は１．１２倍である。よって、干渉パターンのピッチＰ２ａは４．５μメートルとなる。
線源格子の光出射部の間隔Ｐ０_ａ１は、１／０．１２７３×４．５／√２≒２５．００（μｍ）
になった。光出射部の大きさを直径１０μとしてこの線源格子の開口率を計算すると
（１０／２）^２×３．１４／２５．００^２×１００≒１３％
となる。

更に、図５（ａ）に示した遮蔽格子を用いてモアレを形成して検出、解析を行い、微分位相像を得るまでをシミュレーションによって検討した。

［比較例１］
比較例１として実施例と同じ回折格子を用いた従来の撮像装置の開口率を計算する。図７に示したように、線源格子と遮蔽格子以外の構成は実施例と同じである。線源格子は図１０に示したもの、回折格子は図４（ａ）に示したものを用いた。実施例と同様に、回折格子のピッチＰ１ａを８．０μｍ、Ｒ１ｂを１．０ｍ、Ｒ２ｂを１２．７３ｃｍとしたため、干渉パターンのピッチＰ２ｂは４．５μメートルである。

線源格子の光出射部の間隔Ｐ０_ｃ１を計算すると
１／０．１２７３×４．５≒３４．３５（μｍ）
になった。実施例同様光出射部の大きさを直径１０μｍとしたため、開口率は
（１０／２）^２×３．１４／３４．３５^２×１００≒６．７％
となる。

更に、図５（ｂ）に示した遮蔽格子を用いてモアレを形成して検出、解析を行い、微分位相像を得るまでをシミュレーションによって検討した。

［比較例２］
次に比較例２として、実施例と同じ線源格子を用いた従来の撮像装置の開口率を計算する。図８に示したように、回折格子と、回折格子から遮蔽格子までの距離以外は実施例と同じ構成である。

実施例と同じ線源格子を用いる場合、従来用いられる回折格子は図１３に示したものである。この回折格子は位相基準部と第２の位相シフト部が実施例と同様に市松格子状に配置されている。但し、第２の位相シフト部を透過したＸ線の位相は位相基準部を透過したＸ線の位相と比較してπ／２ラジアンシフトしており、格子のピッチＰ１ｂは４．０μｍである。この回折格子を用いた場合、干渉パターンは図１２に示したような、干渉パターンの明部３０３と暗部３０４が市松格子状に配置された形状になる。
Ｒ１ｃを１．０ｍ、Ｒ２ｃは２９．１６ｃｍとしたため、干渉パターンの拡大率は１．２９倍、干渉パターンのピッチＰ２ｃは７．３１μｍとなる。

線源格子の開口部の間隔Ｐ０_ａ２を計算すると
１／０．２９×７．３１≒２５．０（μｍ）
となった。実施例同様開口部の大きさを直径１０μｍとしたため、開口率は、
（１０／２）^２×３．１４／２５．０^２×１００≒１３％
となる。

本比較例で形成される干渉パターンは実施例１の合成パターンと同じであるため、実施例１と同じ図５（ａ）に示した遮蔽格子を用いてモアレを形成して検出、解析を行い、微分位相像を得るまでをシミュレーションによって検討した。

実施例と比較例１を比較すると、実施例の開口率が比較例１の開口率の約２倍になっている。また、線源格子以外の構成は同じであるため、単位時間当たりに検出器の１画素に入射する光量も実施例１は比較例１の２倍である。

実施例と比較例２を比較すると、開口率は等しい。しかし、実施例よりも比較例２の方がＲ２の長さが長くなる。その結果、比較例２の構成をとる撮像装置の方が大型になってしまうばかりでなく、干渉パターンの拡大率（Ｐ２／Ｐ１）が大きくなり、単位時間当たりに検出器の１画素に入射する光量も実施例と比べると低くなる。

比較例１の単位時間当たりに検出器の１画素に入射する光量と装置長を１として以上のことをまとめると以下の表のようになる。

以上により実施例１の方が比較例１と２よりも単位時間当たりに検出器の１画素に入射する光量が大きいことが分かった。

シミュレーションは露光時間を考慮せずに行ったため、このシミュレーション結果はそれぞれの条件に対して光量が充分であった場合の微分位相像であり、単位時間当たりに検出器の１画素に入射する光量の大きさは反映されない。図９（ａ）は図１における被検知物１２０を光源部側からから見た図であり、４つの球５１が重なったような形状をしている。図９（ｂ）は実施例の構成でシミュレーションを行って得られた微分位相像である。図９（ｃ）は比較例１の構成でシミュレーションを行って得られた微分位相像である。図９（ｄ）は比較例２の構成に微分位相像である。図９より実施例においても従来と同等以上の位相微分像が取得できることが分かった。

また、表１より実施例１は比較例１、２よりも単位時間当たりに検出器の１画素に入射する光量が大きいため、比較例１、２よりも短い露光時間で撮像を行う事ができる。また、同じ露光時間で撮像を行った場合、実施例１が比較例１、２よりもノイズが少ない微分位相像を得ることができる。

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及び変更が可能である。

１ 撮像装置
１１０ Ｘ線源部
１２０ 被検知物
２１０ 回折格子
４１０ 遮蔽格子
５１０ 検出器
１１３ａ 第１の光出射部
１１３ｂ 第２の光出射部
３１０ 第１の干渉パターン
３２０ 第２の干渉パターン
３０１ 干渉パターンの明部

Claims (11)

1. 光源部と、前記光源部からの光を回折する回折格子と、前記回折格子を経た光を検出する検出器と、を備えたトールボット干渉計であって、
   前記光源部は、
   複数の第１の光出射部と、
   複数の第２の光出射部と、を有し、
   前記複数の第１の光出射部から出射する光は、前記回折格子により回折されることで第１の干渉パターンを形成し、
   前記複数の第２の光出射部から出射する光は、前記回折格子により回折されることで第２の干渉パターンを形成し、
   前記複数の第１の光出射部と前記複数の第２の光出射部は、
   前記第１の干渉パターンと前記第２の干渉パターンの少なくとも一部が重なり、
   且つ、前記第１の干渉パターンの明部と前記第２の干渉パターンの明部が異なる位置に形成されるように配置されており、
   前記第１の干渉パターンと前記第２の干渉パターンによって、
   明部と暗部とを有する合成パターンが形成されることを特徴とするトールボット干渉計。
2. 前記第１の干渉パターンと前記第２の干渉パターンは井桁状であり、
   前記合成パターンは市松格子状であることを特徴とする請求項１に記載のトールボット干渉計。
3. 前記光源部は、
   光源と、
   複数の開口が設けられた線源格子と、を有し、
   前記複数の第１の光出射部と前記複数の第２の光出射部の夫々は前記線源格子の前記複数の開口の夫々であることを特徴とする請求項１又は２に記載のトールボット干渉計。
4. 前記光源部は、
   複数の光源を有し、
   前記複数の第１の光出射部と前記複数の第２の光出射部の夫々は前記複数の光源の夫々であることを特徴とする請求項１又は２に記載のトールボット干渉計。
5. 前記光出射部から前記回折格子までの距離をＲ１、前記回折格子から前記第１または第２の干渉パターンまでの距離をＲ２、前記第１または第２の干渉パターンのピッチをＰ２としたとき、光出射部が配置されている間隔Ｐ０は下記式で表されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のトールボット干渉計。
   Ｐ０＝（Ｒ１／Ｒ２）×（Ｐ２／√２）
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のトールボット干渉計は、前記回折格子を経た光の一部を遮光する遮蔽格子を備え、
   前記合成パターンは前記遮蔽格子上に形成されることを特徴とするトールボット干渉計。
7. 前記合成パターンは前記検出器上に形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のトールボット干渉計。
8. 前記第１の干渉パターンと前記第２の干渉パターンは同じ形状であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のトールボット干渉計。
9. 前記光源部はＸ線源部であることを特徴とする請求項１に記載のトールボット干渉計。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載のトールボット干渉計は、
    演算部を備え、
    前記演算部は前記検出器による検出結果に基づいて演算を行うことを特徴とするトールボット干渉計。
11. 請求項１０に記載のトールボット干渉計は画像表示装置が接続されており、
    前記画像表示装置は、前記演算部による演算結果に基づいた画像を表示することを特徴とするトールボット干渉計システム。