JP5827064B2 - 透過ｘ線分析装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、時間遅延積分（ＴＤＩ）方式のセンサを用いて試料の透過Ｘ線を測定可能な透過Ｘ線分析装置及び方法に関する。

従来、Ｘ線透過イメージングによる試料中の異物の検出、元素の濃度むらの検出が行われてきた。このようなＸ線透過イメージングの方法として、試料の透過Ｘ線を蛍光板等に通して蛍光に変換し、その蛍光を撮像素子（電荷結合素子；ＣＣＤ（Charge Coupled Devices））で検出する方法が知られている。そして、ＣＣＤによる検出方法として、複数の撮像素子を一方向に並べたラインラインセンサを用い、試料に対して走査して線状の画像を次々と取得して試料の２次元画像を得る方法がある。

ところで、走査方向への試料の移動速度が速くなると、ラインセンサへの電荷の蓄積時間が短くなり、ラインセンサの感度が低い場合にはＳ／Ｎ比が低下する。このようなことから、ラインセンサを走査方向へ複数個（段）平行に並べ、１つのラインセンサに蓄積された電荷を隣接する次のラインセンサへ転送するＴＤＩ（Time Delay and Integration）センサが利用されている。ＴＤＩセンサでは、１段目のラインセンサに蓄積された電荷が２段目のラインセンサに転送され、２段目のラインセンサでは１段目のラインセンサから転送された電荷及び自身で受光して蓄積した電荷を加算して３段目のラインセンサに転送する。このように、各ラインセンサには、前段のラインセンサから転送された電荷が順次加算され、最終段のラインセンサに転送された累積電荷が出力される。
このようにしてＴＤＩセンサでは、段数がＴの場合に単一のラインセンサに比べてＴ倍の電荷が蓄積され、コントラストがＴ倍となると共にノイズが低減され、測定を高速で行えると共にＳ／Ｎ比が向上する。

一方、ＴＤＩセンサは高感度であるために、受光光量の変動によって検出画像に不良（アーティファクト）が発生したり、電荷転送用の垂直転送クロックの立上り及び立下り時にノイズが重畳するという不具合がある。そこで、電気回路を用い、ＴＤＩセンサの積算段数を制御する技術が開発されている（特許文献１、２）。
又、本発明者が検討したところ、透過Ｘ線分析にＴＤＩセンサを用いた場合、ＴＤＩセンサの積算段数が多くなるほど被写界深度が小さくなり、厚みがある試料の場合には深さ方向の一部にだけピントが合って像として構成されてしまい、それ以外の部分は像として構成されないため、全体の把握が出来ないという問題があった。

特開2000-50063号公報 特開2010-4105号公報

しかしながら、特許文献１、２記載の技術は、ＴＤＩセンサの積算段数を電気回路で制御しており、ＡＳＩＣ等により専用のＩＣ（集積回路）を備えたＴＤＩセンサを製造したり、ＴＤＩセンサの演算ソフトウェアを変更しなければならず、汎用のＴＤＩセンサを利用できないためコストアップに繋がる。又、特許文献１、２記載の技術のように電気回路や演算ソフトウェア上で積算段数が設定されている場合、試料の厚みや種類等に応じて測定者がＴ積算段数を自由に調整することが難しい。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、ＴＤＩセンサの積算段数を容易かつ広い範囲で調整することができるＸ線分析装置及び方法の提供を目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の透過Ｘ線分析装置は、所定の走査方向に相対移動する試料の透過Ｘ線像を検出する透過Ｘ線分析装置であって、前記透過Ｘ線像に由来する画像を光電変換して生じる電荷を読み出す撮像素子を２次元状に複数個備えた時間遅延積分方式のＴＤＩセンサであって、前記走査方向に垂直な方向に前記撮像素子が並ぶラインセンサを前記走査方向に複数段並べ、１つのラインセンサに蓄積された電荷を隣接する次のラインセンサへ転送するＴＤＩセンサと、前記ＴＤＩセンサと前記試料との間に配置され、前記走査方向に進退して前記ＴＤＩセンサの一部をなす所定の段数の前記ラインセンサに対応して入射される前記画像の一部を遮蔽する遮蔽手段と、前記所定の段数の前記ラインセンサに対応した前記一部の画像を遮蔽するように前記遮蔽手段の位置を調整可能に制御する遮蔽手段位置制御手段と、を備えている。
この透過Ｘ線分析装置によれば、ＴＤＩセンサの積算段数を遮蔽手段によって物理的に調整すればよいので、積算段数を電気回路や演算ソフトウェアで制御する専用のＴＤＩセンサを製造しなくてよく、汎用のＴＤＩセンサを利用してコストダウンが図られる。又、専用のＴＤＩセンサで積算段数を調整する場合には、測定者が積算段数を自由に調整することが難しいが、本発明では遮蔽手段の移動量を物理的に調整すればよいので、ＴＤＩセンサの積算段数を自由に調整できる。
又、透過Ｘ線分析にＴＤＩセンサを用いた場合、ＴＤＩセンサの積算段数が多くなるほど被写界深度が小さくなり、厚みがある試料の場合には深さ方向の一部にだけピントが合って像として構成されてしまい、それ以外の部分は像として構成されないため、全体の把握が出来ないことがある。そこで、本発明の透過Ｘ線分析装置においては、測定者が積算段数を自由に調整することができるので、厚みがある試料のピントが合う範囲を最も広く設定することができる。

本発明の透過Ｘ線分析装置において、前記遮蔽手段は矩形状の板材であって、当該板材の対向する２つの辺が前記走査方向に平行に配置されていてもよい。又、本発明の透過Ｘ線分析装置において、前記遮蔽手段がタングステン又はモリブデンで構成されていてもよい。
本発明の透過Ｘ線分析方法は、所定の走査方向に相対移動する試料の透過Ｘ線像を検出する透過Ｘ線分析方法であって、前記透過Ｘ線像に由来する画像を光電変換して生じる電荷を読み出す撮像素子を２次元状に複数個備えた時間遅延積分方式のＴＤＩセンサであって、前記走査方向に垂直な方向に前記撮像素子が並ぶラインセンサを前記走査方向に複数段並べ、１つのラインセンサに蓄積された電荷を隣接する次のラインセンサへ転送するＴＤＩセンサを用い、前記ＴＤＩセンサと前記試料との間に配置された遮蔽手段にて、前記ＴＤＩセンサの一部をなす所定の段数の前記ラインセンサに対応した一部の前記画像を調整可能に遮蔽する。

本発明によれば、試料の透過Ｘ線像をＴＤＩセンサで検出する際に、ＴＤＩセンサの積算段数を容易かつ広い範囲で調整することができる。

本発明の実施形態に係る透過Ｘ線分析装置の構成を示すブロック図である。 遮蔽板の構成を示す斜視図である。 ＴＤＩセンサによる時間遅延積分処理の方法の一例を示す図である。 透過Ｘ線分析にＴＤＩセンサを用いた場合、分析対象の深さ方向の位置による被写界深度が小さくなる状態を示す図である。 遮蔽板をＬ方向に移動させて時間遅延積分を行う段数を減らし、ＴＤＩセンサの被写界深度を深くする方法を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態に係る透過Ｘ線分析装置１の構成を示すブロック図である。
透過Ｘ線分析装置１は、Ｘ線源１２と、ＴＤＩ（Time Delay and Integration）センサ１４と、ＴＤＩセンサ１４と試料１００との間に配置され、試料１００からの透過Ｘ線１２ｘを蛍光（可視光画像）に変換する蛍光板１６と、蛍光板１６の下方に配置され、ＴＤＩセンサ１４に入射される可視光画像の一部を遮蔽する遮蔽板（遮蔽手段）２１と、遮蔽板２１をＴＤＩセンサ１４に対して進退させる遮蔽板移動手段３０と、遮蔽板２１の位置を制御する遮蔽手段位置制御手段６０と、を備えている。

ここで、Ｘ線源１２は試料１００の下方に配置され、Ｘ線源１２からＸ線が上方に放出されて試料１００を透過した後、蛍光板１６を通って可視光画像に変換される。そして、この画像が試料１００上方のＴＤＩセンサ１４によって受光されるようになっている。なお、試料１００は例えばリチウムイオン電池の正極に用いられるＣｏ酸リチウム電極板の連続ストリップであり、ベルトコンベア５０上に載置されて走査方向Ｌ（図１の左から右へ）へ移動するようになっている。そして、Ｘ線源１２からＸ線が常に放出され、移動する試料１００を連続的にＸ線分析するようになっている。
遮蔽手段位置制御手段６０はコンピュータからなり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含み、所定のコンピュータプログラムを実行可能であると共に、Ｘ線源１２からのＸ線の照射、ＴＤＩセンサ１４による可視光画像の受光及び出力処理等の全体の処理も行っている。
又、透過Ｘ線分析装置１は試料１００中の異物１０１（例えばＦｅ）を検出するようになっている。

Ｘ線源１２は、所定のＸ線管球からなる。Ｘ線管球は例えば、管球内のフィラメント（陽極）から発生した熱電子がフィラメント（陽極）とターゲット（陰極）との間に印加された電圧により加速され、ターゲット（Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｃｒ（クロム）など）に衝突して発生したＸ線を１次Ｘ線としてベリリウム箔などの窓から出射するものである。
ＴＤＩセンサ１４は、複数個の撮像素子（電荷結合素子；ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）が２次元アレイ状に並んだ構成をなしている。又、図２に示すように、ＴＤＩセンサ１４は、走査方向Ｌに垂直な方向に撮像素子が並ぶラインセンサ１４ａ〜１４ｈを走査方向Ｌに複数段（図２の例では８段であるが、実際には数１００〜数１０００段）並べた構成をなしている。

図２に示すように、遮蔽板２１は矩形状に形成され、遮蔽板２１のうち２つの辺はＬ方向に垂直に向き、ラインセンサ１４ａ〜１４ｈに平行になっている。又、遮蔽板２１のうち、Ｌ方向に沿う２つの側縁は、断面がＬ字形の１対のレール３１の間に挟まれてレール３１上に載置され、レール３１に沿って遮蔽板２１がＬ方向に進退可能になっている。又、遮蔽板２１の一方にはＬ方向に沿って貫通孔２１ａが形成され、貫通孔２１ａの内部にはネジが切られている。そして、ステッピングモータ３２に軸支された送りネジ３２Ｌが貫通孔２１ａに螺合し、ステッピングモータ３２の回転により遮蔽板２１をレール３１に沿ってＬ方向に進退させている。
レール３１、ステッピングモータ３２、送りネジ３２Ｌを合わせて移動機構３０と称する。又、後述する遮蔽手段位置制御手段６０は、ステッピングモータ３２の回転量を調整して送りネジ３２Ｌの送り量を制御することにより、遮蔽板２１のＬ方向の移動量を制御している。

以上のようにして、遮蔽板２１がＬ方向に移動すると、ラインセンサ１４ａ〜１４ｈの一部を遮蔽し、後述するようにＴＤＩセンサ１４による時間遅延積分の段数を物理的に調整する。
なお、移動機構３０の構成は上記に限られず、遮蔽板２１の構成も上記に限られない。又、遮蔽板２１としては、例えばタングステンやモリブデンのシート（例えば、厚み０．５ｍｍ程度）を用いることができる。

次に、図３を参照してＴＤＩセンサ１４による時間遅延積分処理の方法の一例について説明する。ここで、図２に示すようにＴＤＩセンサ１４は、複数段（８段）のラインセンサ１４ａ〜１４ｈで構成されている。
いま、試料１００中の異物１０１が１段目のラインセンサ１４ａの受光領域に入ったとすると、ラインセンサ１４ａで蓄積された電荷が２段目のラインセンサ１４ｂに転送される（図３（ａ））。次に、異物１０１がＬ方向に移動して２段目のラインセンサ１４ｂの受光領域に入ったとすると、ラインセンサ１４ｂには電荷が蓄積される（図３（ｂ））。
２段目のラインセンサ１４ｂでは１段目のラインセンサ１４ａから転送された電荷と自身で受光した電荷とを加算して蓄積して３段目のラインセンサ１４ｃに転送する。このように、各ラインセンサ１４ａ〜１４ｈには、前段のラインセンサから転送された電荷が順次加算され、最終段のラインセンサ１４ｈに転送された累積電荷が出力される。そして、Ｌ方向に移動する試料１００を連続的にライン分析することにより、試料１００の２次元画像データが連続的に取得される。
このようにＴＤＩセンサ１４では、段数がＴの場合に単一のラインセンサに比べてＴ倍の電荷が蓄積され、コントラストがＴ倍となると共にノイズが低減され、測定を高速で行えると共にＳ／Ｎ比が向上する。
なお、ＴＤＩセンサ１４の構成及び動作は公知のものを用いることができる。

ところで、図４に示すように、透過Ｘ線分析にＴＤＩセンサ１４を用いた場合、分析対象となる試料１００中の異物１０１の厚みｄが厚くなると、異物１０１の深さ方向の位置Ｐ１、Ｐ２によってＴＤＩセンサ１４と異物１０１との距離ｈ１、ｈ２が変化する。このとき、ＴＤＩセンサの積算段数Ｎが多くなるほど被写界深度が小さくなり、厚みがある異物１０１の位置Ｐ１にだけピントが合って像として構成されてしまい、位置Ｐ２では像として構成されないため、全体の把握が出来なくなる。このことを図４を参照して説明する。まず、Ｘ線源１２からＰ１、Ｐ２までの距離をそれぞれＳ１、Ｓ２とし、試料１００（異物１０１）のＬ方向の走査（移動）速度をＶとする。
この場合、Ｐ１がＴＤＩセンサ１４上に落とす影の移動速度Ｖ１＝Ｖ×（Ｓ１＋ｈ１）/ｈ１となる。同様に、Ｐ２がＴＤＩセンサ１４上に落とす影の移動速度Ｖ２＝Ｖ×（Ｓ２＋ｈ２）/ｈ２となる。一方、Ｐ１とＰ２に対してＶが１つの値しか設定できないため、Ｖ１＝Ｖに設定すると、Ｐ１のＴＤＩセンサ１４上の影の移動速度Ｖ１と試料１００の走査速度Ｖが一致するためにＰ１の影が像として構成される。これに対し、Ｐ２のＴＤＩセンサ１４上の影の移動速度Ｖ２と走査速度Ｖが一致しないため、Ｐ２の影はＴＤＩセンサ１４の複数段に渡ってぼやける。特にこの問題は、検出対象となる異物１０１が試料１００の表面だけでなく、深さ方向にも入り込んでいる場合や、異物１０１の厚みが２ｍｍ程度を超える場合に顕著になる。
ここで、Ｐ２の影がＴＤＩセンサ１４上でぼやける段数ＮＥ＝Ｎ×（Ｖ２−Ｖ１）／Ｖ１で表され、ＴＤＩセンサ１４の積算段数Ｎに比例する。従って、積算段数Ｎを小さくすることにより、位置によって深さが違う異物１０１のピントが合う範囲を広げることができる。

すなわち、図５に示すように、遮蔽板２１をＬ方向に移動させてラインセンサ１４ａ〜１４ｈの一部（図５の例では、後段側の３個のラインセンサ１４ｆ〜１４ｈ）を遮蔽することで時間遅延積分を行う段数を減らし、ＴＤＩセンサ１４の被写界深度を深くする。
遮蔽板２１を用いる場合、汎用のＴＤＩセンサ１４を用いることができる。すなわち、図３と同様に、各ラインセンサ１４ａ〜１４ｈには、前段のラインセンサから転送された電荷が順次加算され、最終段のラインセンサ１４ｈに転送された累積電荷が出力される。但し、遮蔽板２１で遮蔽されて画像を受光できないラインセンサ１４ｆ〜１４ｈには自身の電荷が蓄積されないので、ラインセンサ１４ａ〜１４ｅから順次転送された累積電荷は、ラインセンサ１４ｆ〜１４ｈに順次そのまま転送され、最終段のラインセンサ１４ｈから出力される。このようにして、ＴＤＩセンサ１４の積算段数を減らす（図５の例では５段）ことができる。

以上のように、ＴＤＩセンサ１４の段数を遮蔽板２１によって物理的に調整すればよいので、ＴＤＩセンサの積算段数をセンサ自身の電気回路や演算ソフトウェアで制御する場合のように専用のＴＤＩセンサを製造しなくてよく、汎用のＴＤＩセンサを利用してコストダウンが図られる。又、専用のＴＤＩセンサで積算段数を調整する場合には、測定者が積算段数を自由に調整することが難しいが、本発明では遮蔽板２１の移動量を物理的に調整すればよいので、ＴＤＩセンサの積算段数を自由に調整できる。
例えば、厚みの薄い試料を分析する場合はＴＤＩセンサ１４の段数を多くし、厚みの厚い試料を分析する場合はＴＤＩセンサ１４の段数を少なくすればよい。ＴＤＩセンサ１４の段数の調整は、例えばコンピュータ（遮蔽手段位置制御手段）６０にキーボード等の入力装置６１を接続し、測定者が遮蔽板２１の任意の移動量（又は移動量に応じたＴＤＩセンサ１４の段数）を入力装置６１から入力して行うことができる。遮蔽手段位置制御手段６０は、測定者の入力した情報に基づいてステッピングモータ３２の回転を制御し、遮蔽板２１の移動量を調整する。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。

１ 透過Ｘ線分析装置
１２ Ｘ線源
１２ｃ Ｘ線源の光軸
１２ｘ 透過Ｘ線
１４ ＴＤＩセンサ
１４ａ〜１４ｈ ラインセンサ
２１ 遮蔽板（遮蔽手段）
６０ 遮蔽手段位置制御手段
１００ 試料
１０１ 異物
Ｌ 走査方向

Claims (4)

1. 所定の走査方向に相対移動する試料の透過Ｘ線像を検出する透過Ｘ線分析装置であって、
   前記透過Ｘ線像に由来する画像を光電変換して生じる電荷を読み出す撮像素子を２次元状に複数個備えた時間遅延積分方式のＴＤＩセンサであって、前記走査方向に垂直な方向に前記撮像素子が並ぶラインセンサを前記走査方向に複数段並べ、１つのラインセンサに蓄積された電荷を隣接する次のラインセンサへ転送するＴＤＩセンサと、
   前記ＴＤＩセンサと前記試料との間に配置され、前記走査方向に進退して前記ＴＤＩセンサの一部をなす所定の段数の前記ラインセンサに対応して入射される前記画像の一部を遮蔽する遮蔽手段と、
   前記所定の段数の前記ラインセンサに対応した前記一部の画像を遮蔽するように前記遮蔽手段の位置を調整可能に制御する遮蔽手段位置制御手段と、
   を備えた透過Ｘ線分析装置。
2. 前記遮蔽手段は矩形状の板材であって、当該板材の対向する２つの辺が前記走査方向に平行に配置される請求項１に記載の透過Ｘ線分析装置。
3. 前記遮蔽手段がタングステン又はモリブデンで構成される請求項１又は２に記載の透過Ｘ線分析装置。
4. 所定の走査方向に相対移動する試料の透過Ｘ線像を検出する透過Ｘ線分析方法であって、
   前記透過Ｘ線像に由来する画像を光電変換して生じる電荷を読み出す撮像素子を２次元状に複数個備えた時間遅延積分方式のＴＤＩセンサであって、前記走査方向に垂直な方向に前記撮像素子が並ぶラインセンサを前記走査方向に複数段並べ、１つのラインセンサに蓄積された電荷を隣接する次のラインセンサへ転送するＴＤＩセンサを用い、
   前記ＴＤＩセンサと前記試料との間に配置された遮蔽手段にて、前記ＴＤＩセンサの一部をなす所定の段数の前記ラインセンサに対応した一部の前記画像を調整可能に遮蔽する透過Ｘ線分析方法。

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