JP5896999B2 - Ｘ線装置 - Google Patents
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Description
本発明は、回折格子の特別な構造を用いた位相コントラストＸ線像を生成するための種々の構成に関する。この構成は、対象の吸収コントラスト像、位相コントラスト像、暗視野コントラスト像を記録するために用いることができる。したがって、この装置は、低吸収検体の可視性を向上させ、したがって、画像品質を低下させることなくまたは補足的な画像情報を用いることなく、必要照射線量を大きく低減することができる。
Ｘ線回折格子に基づくイメージングシステムにおける既存の構成と比較して、本発明の構成では、新規な平面形状（planar geometry）で作成された回折格子が用いられる。このアプローチには２つの基本的な利点がある：
（ｉ）非常に大きなアスペクト比を有する回折格子を形成することができ、この方法は高いＸ線エネルギーに対して特に有用なものとなる；
（ｉｉ）発散ビーム形状に適合した回折格子形状を実現するために用いることができる。回折格子のこの構成は、１つ以上のライン式検出器を用いる、像取得の間に試料を並進移動させるＸ線位相コントラストイメージングのスキャン方式に特に適している。
（ｉ）非常に大きなアスペクト比を有する回折格子を形成することができ、この方法は高いＸ線エネルギーに対して特に有用なものとなる；
（ｉｉ）発散ビーム形状に適合した回折格子形状を実現するために用いることができる。回折格子のこの構成は、１つ以上のライン式検出器を用いる、像取得の間に試料を並進移動させるＸ線位相コントラストイメージングのスキャン方式に特に適している。
考えられる用途は医用スキャナ（特にマンモグラフィ）、工業生産ラインにおける検査、非破壊検査試験および国土安全保障である。
従来の可視光光学系とは異なり、Ｘ線光学系における屈折率はほぼ１であることはよく知られている。最初の近似では、媒質の異方性は小さくかつ無視できるため、組織の光学特性（Ｘ線吸収を含む）を特徴付ける屈折率は、複素形式：ｎ＝１−δ−ｉβで表すことができ、式中、δは屈折率の実部のデクリメントであり（位相シフト特性を特徴付ける）、虚部βは試料の吸収特性を表す。従来の吸収に基づくラジオグラフィでは、Ｘ線の位相シフト情報は通常、画像再構成に直接用いることができない。しかし、１０ｋｅＶ超の光子エネルギーで、（軽元素から構成されている）光材料に関しては、δが典型的にはβよりも三桁大きいため、位相シフト項は減衰項よりもより顕著に作用する。結果的に、位相コントラストに基づくモダリティは従来の吸収に基づくイメージングと比較して非常に大きい画像コントラストを形成できる。さらに、吸収エッジから遠いところで、δはＸ線エネルギーの二乗に逆比例する一方、βはエネルギーパワーの１／４に減少する。この機構の有意な結果によれば、位相信号を吸収よりもはるかに低い線量蓄積で得ることができ、このことは、生体試料や生体系などにおける放射線損傷が考慮されるべき場合に非常に重要である。
位相信号を記録するための方法がいくつか開発されている。これらは（結晶を用いた）干渉法、位相伝播法、分析結晶に基づく技術、または、Ｘ線回折格子に基づく技術として分類できる。本明細書中に記載の発明は、Ｘ線回折格子技術に関する。
回折格子に基づくＸ線イメージングは基本的に対象の内部におけるＸ線の偏向を検出する。このような偏向は、微分位相コントラスト（ＤＰＣ）が得られる、対象内部の位相シフトの勾配による屈折により生じるか、または、いわゆる暗視野像（ＤＦＩ）コントラストが得られる、試料中の不均一性による散乱により生じる。ＤＰＣの画像信号は画像処理ルーチンにより位相コントラスト（ＰＣ）像を得るために用いることができる。
２つの回折格子（Ｇ１およびＧ２）または３つの回折格子（Ｇ０、Ｇ１およびＧ２）を用いる構成を、Ｘ線の偏向を記録するために用いることができる。二格子式構成の場合には、線源はその空間コヒーレンスに関する所定の要件を満たす必要があるが、三格子式構成の場合には、空間コヒーレンスは必要とされない。したがって、三格子式構成は、非コヒーレントＸ線源、特にＸ線管を用いた使用に適している。
従来の減衰コントラスト（ＡＣ）をＤＰＣおよびＤＦＩコントラストから分けるため、位相ステッピングアプローチが用いられる。回折格子の１つは、複数の画像を取得する間、入射ビームに対して横方向に動かされる。検出器平面内の各ピクセルにおける強度信号は移動に応じて振動する。振動の平均値がＡＣを表す。振動の位相は波面位相プロファイルに、したがってＤＰＣ信号に直接関係づけることができる。振動の振幅は対象内部におけるＸ線の散乱に依存し、したがって、ＤＦＩ信号を得る。
（２つまたは３つの）回折格子に関して、いくつかのアプローチが提案され、用いられている。回折格子Ｇ０（必要な場合）は線源に最も近いものである。これは通常周期ｐ０を有する吸収ラインからなる透過回折格子から構成される。これは同じ周期を有するラインからのみ放射線を発する線源によって置き換えることができる。回折格子Ｇ１は線源のさらに下流に配置される。これは周期ｐ１を有するラインから構成される。回折格子Ｇ２は構成の最も下流にあるものである。これは通常、周期ｐ２の吸収ラインからなる透過回折格子から構成される。これは同じ周期で回折格子と同様の感度を有する検出器システムに置き換えることができる。
構成の２つのレジーム、すなわち、いわゆる「近接場レジーム（near field regime）」と「タルボレジーム（Talbot regime）」とが区別できる。「近接場レジーム」では、回折格子の周期ｐ、回折格子距離ｄおよびＸ線波長λは屈折の影響が無視できるように選択される。この場合、すべての回折格子は吸収ラインから構成される。「タルボレジーム」では、回折格子構造における屈折は大きい。ここで、Ｇ１は吸収シフト、または、好ましくは、位相シフトである回折格子ラインから構成される必要がある。位相シフトの量はいくつか用いることができ、好ましくは、π／２またはその複数倍である。回折格子の周期は回折格子間の相対距離に一致していなければならない。「タルボ領域」の構成の場合、良好なコントラストを得るよう、タルボ効果が考慮されなければならない。
試料は、ほとんどは、Ｇ０とＧ１との間（または二格子式構成の場合にはＧ１の上流）に配置されるが、しかし、試料は有利にＧ１とＧ２との間に配置することができる。本発明は、上記のすべての場合、すなわち、二格子式または三格子式の場合、「近接場レジーム」および「タルボレジーム」の場合、および、Ｇ１の上流または下流に試料が配置される場合に関係する。
いくつかの市販のＸ線イメージングシステムは、イメージング用スキャンスキームを用いる。試料はファンビームを用いて照射され、対象の二次元像を取得するため、ライン式検出器が用いられ、試料が並進移動される。このスキームの主な利点はライン式検出器が二次元検出器よりもはるかに廉価であり、より高効率で作成可能であり、試料への照射線量を低減するからである。
回折格子ベースのＸ線イメージングとスキャニング構成との組み合わせが提案されており、実験的に確かめられている（図２参照）。このスキャニング構成は以下に記載の本発明に特に関係する。一組の回折格子とライン式検出器とを用いる場合、１ステップアプローチが用いられるか、または、３つの回折格子の１つを回折格子のラインに垂直に動かすことによる位相ステッピングが行われなければならない。この位相ステッピングスキャンは対象のスキャンに組み込まれなければならず、したがって、非常に複雑であるかまたは時間がかかるものとなりうる。ｎ本のファンビームと、ｎ組の回折格子と、ｎ個のライン式検出器とを使用することにより、位相ステッピングの組込みと対象のスキャンとを行わなくともよい。ｎ組のライン式検出器それぞれを異なる位相ステッピング位置に配列することにより、（対象以外の）機械部分を全く動かすこと無く、ｎ個の位相ステップ位置で対象がスキャンされる。
回折格子ベースのＸ線イメージングの重要な要素は、明らかに回折格子である。これらの回折格子の形成と使用においては、２つの主な技術的困難性が生じる。
（１）回折格子に基づくイメージングの感度は回折格子周期を減少させることにより向上し、したがって、マイクロメートルの範囲（典型的には１〜２０μｍ）である。一方で、回折格子ラインの必要な厚さ（すなわちビームパス方向の寸法）は、十分な減衰（吸収ラインの場合）または十分な位相シフト（位相シフト回折格子の場合）を生じさせるために十分な厚さである必要がある。とりわけ、高いＸ線エネルギー（たとえば５０ｋｅＶ超）に対して、必要な回折格子ラインの厚さは通常、回折格子ラインの周期よりもはるかに大きく、結果、非常に高いアスペクト比となる。高いＸ線エネルギーに関して、このような高いアスペクト比を有する回折格子の製造は、非常に困難であるか、または、不可能でさえある。
（２）Ｘ線管を線源とした使用に関して、画像検出器の寸法は線源距離と同等であり、これは、ビームが大きく発散し、二次元検出器が用いられる場合にはコーンビーム形状となり、一次元（ライン式）検出器が用いられる場合にはファンビーム形状となることを意味する。回折格子が光軸（図１に示す）方向の面法線を有する平坦な基体上に設けられている場合、画像フィールドのエッジに向かうビームは、図４に示されるように傾斜角で回折格子に当たる。これは位相コントラストの損失または暗視野コントラストの損失につながり、非常に高い回折格子ラインのアスペクト比が要求される高Ｘ線エネルギーにおいて特に基本的な問題を提起する。回折格子ラインは線源の点に対して角度を有していなければならず、これは光軸に対して垂直に向けられた基体について実現することは難しい。基体を曲げる試みや、それぞれが線源に向いた、より小さい要素から回折格子を構成する試みが提案されてきた。しかし、これらのアプローチは技術的に困難であり、高コストである。
本発明は、以下の課題、すなわち：
１．高いＸ線エネルギーのために非常に高いアスペクト比を形成可能とする、
２．任意の形状、特にファンビームの形状に適合する回折格子の形成を可能とする、
３．試料以外の全ての構成要素を動かすこと無く位相ステッピングが実行可能であるように回折格子を配置可能とする、
という課題を有する。
１．高いＸ線エネルギーのために非常に高いアスペクト比を形成可能とする、
２．任意の形状、特にファンビームの形状に適合する回折格子の形成を可能とする、
３．試料以外の全ての構成要素を動かすこと無く位相ステッピングが実行可能であるように回折格子を配置可能とする、
という課題を有する。
これらの課題は、本発明にかかる、
試料から定量的Ｘ線像を取得するためのＸ線装置、特に硬Ｘ線装置であって、
Ｘ線源（Ｘ線）と、
少なくとも２つの回折格子（Ｇ０、Ｇ１とＧ２の両方、Ｇ１とＧ２の一方）の組と、
複数の個別のピクセルを有し、空間的に増幅される検出感度を有する位置敏感検出器（ＰＳＤ）と、
検出器（ＰＳＤ）の像を記録する手段と、
吸収を主とするピクセルとしてのおよび／または微分位相コントラストを主とするピクセルとしてのおよび／またはＸ線散乱を主とするピクセルとしての、各個別のピクセルについて対象の特徴を同定するために、一連の像中の各ピクセルに関する強度を評価する手段と、
を有し、
一連の像は、０からπまたは２πまで、連続的にまたは段階的に、試料を回転させるか、または、試料に対して装置と線源を回転させることにより収集され、
回折格子（Ｇ０（必要な場合）、Ｇ１とＧ２）は、または、このような回折格子の組の一部は、Ｘ線が基体に対して平行に当該回折格子を通る、新規な平面形状にしたがって形成されており、
回折格子構造体は、位相シフトと減衰とを決定する、Ｘ線のパスに沿って延在しており、
当該回折格子構造体は、当該回折構造体の厚さではなく、当該回折格子構造体の長さによってＸ線に作用する、
装置により解決される。
試料から定量的Ｘ線像を取得するためのＸ線装置、特に硬Ｘ線装置であって、
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検出器（ＰＳＤ）の像を記録する手段と、
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回折格子（Ｇ０（必要な場合）、Ｇ１とＧ２）は、または、このような回折格子の組の一部は、Ｘ線が基体に対して平行に当該回折格子を通る、新規な平面形状にしたがって形成されており、
回折格子構造体は、位相シフトと減衰とを決定する、Ｘ線のパスに沿って延在しており、
当該回折格子構造体は、当該回折構造体の厚さではなく、当該回折格子構造体の長さによってＸ線に作用する、
装置により解決される。
本発明のさらに好ましい実施例は従属請求項に記載されている。
本発明について以下に説明する。添付図面は本発明の範囲および好適な実施形態の理解に役立つものである。
１．高アスペクト比の回折格子
回折格子に基づくイメージングのための新規な平面形状。Ｘ線はこれらを、従来のように垂直では無く、基体に平行に通過する。回折格子構造体は、位相シフトと減衰とを決定するＸ線のパスに沿って延在しており、回折格子構造体は、回折格子構造体の厚さではなく、回折格子構造体の長さによってＸ線に作用する。この新規な形状のために、プレーナ技術を用いることができ、任意のアスペクト比が得られる。
回折格子に基づくイメージングのための新規な平面形状。Ｘ線はこれらを、従来のように垂直では無く、基体に平行に通過する。回折格子構造体は、位相シフトと減衰とを決定するＸ線のパスに沿って延在しており、回折格子構造体は、回折格子構造体の厚さではなく、回折格子構造体の長さによってＸ線に作用する。この新規な形状のために、プレーナ技術を用いることができ、任意のアスペクト比が得られる。
これらのプレーナ製造技術には以下のものが含まれる（しかしこれらに限定されるものではない）。
（ａ）マイクロマシニング。たとえばダイシングソーによる溝のカット。
（ｂ）リソグラフィ技術。特に、レジスト層のパターニングに用いられる、フォトリソグラフィ、Ｘ線リソグラフィまたは電子ビームリソグラフィ。
（ｃ）リソグラフィ技術。特に、レジスト層のパターニングに用いられる、フォトリソグラフィ、Ｘ線リソグラフィまたは電子ビームリソグラフィ。その後エッチング技術が用いられる。ここで、シリコンの深反応性イオンエッチングが非常に適した技術である。
（ｄ）リソグラフィ技術。特に、レジスト層のパターニングに用いられる、フォトリソグラフィ、Ｘ線リソグラフィまたは電子ビームリソグラフィ。その後デポジション技術が用いられる。ここで、モールドへの（たとえば金またはニッケルの）電気メッキが非常に適した技術である。
（ｅ）上記技術により作成される原型から複製を製造する複製技術。
上述のプレーナ製造技術は、たとえば以下のような種々の方法で用いられる。
（ｉ）吸収材料（たとえば重金属）からなる基体または基体層のパターニングによる、吸収回折格子構造体の作成。
（ｉｉ）低吸収材料（たとえばシリコンまたはポリマー）からなる基体または基体層のパターニングによる、位相回折格子構造体の作成。
（ｉｉｉ）低吸収材料（たとえばシリコンまたはポリマー）からなる基体または基体層のパターニング、および、高吸収材料（たとえば重金属）での溝の充填による、吸収回折格子構造体の作成。
（ｉｖ）低吸収材料（たとえばシリコンまたはポリマー）からなる基体または基体層のパターニング、および、高吸収材料（たとえば重金属）での溝の側壁の被覆による、吸収回折格子構造体の作成。
構造体は、ビーム方向において数ｍｍから数ｃｍの長さが可能である。プレーナアプローチはＧ０（必要な場合）、Ｇ１とＧ２またはこのような回折格子の組の一部に用いることができる。吸収回折格子および位相シフト回折格子の両方を、プレーナアプローチにより製造することができる。Ｇ０とＧ１またはＧ１とＧ２の組み合わせを、優れた相対位置精度および機械的安定性で、１つの基体上に作成することができる。Ｇ２と同じ基体上またはＧ１とＧ２と同じ基体上にライン式検出器を作成することも考えられる。
使用可能なファンビームの高さが構造体の高さを制限する。数十μｍまたは数百μｍの構造の高さはプレーナ製造技術により得られうる。より高い構造は２つのパターニングされた基体の相互の面状の積層により得られる。機械的な配列は、リソグラフィによるノッチと溝により行うことができ、２つの基体を正しい相対位置で互いに動かすよう設計される。
２．回折格子形状の任意の形状−鮮明度および感度の向上
上記製造アプローチおよび照射スキームによって、回折格子構造体は以下の任意の形状に設計および実現できる。特に、これは一般的なＸ線源から発せられるビームの発散に適合させることができ、その結果、
（ｉ）非常に広い視野への鮮明度の向上
（ｉｉ）全視野にわたる感度の向上
が得られる。
上記製造アプローチおよび照射スキームによって、回折格子構造体は以下の任意の形状に設計および実現できる。特に、これは一般的なＸ線源から発せられるビームの発散に適合させることができ、その結果、
（ｉ）非常に広い視野への鮮明度の向上
（ｉｉ）全視野にわたる感度の向上
が得られる。
３．一体化された位相ステッピング
平面形状を前提として、本発明者らは、異なる回折格子の設計を提案するものであり、これは回折格子を物理的に動かす必要なく位相ステッピングを実行するために用いることができる。
平面形状を前提として、本発明者らは、異なる回折格子の設計を提案するものであり、これは回折格子を物理的に動かす必要なく位相ステッピングを実行するために用いることができる。
具体的には、
（ａ）Ｇ１とＧ２の間の位相関係が、「１ステップ」アプローチにしたがう、強度曲線が一次テイラー級数展開される値に正確に対応するように、Ｇ１とＧ２は配置される（Ｇ１とＧ２が２つの異なる支持体上にある場合には、リソグラフィ処理または機械的により同じウェハ上にいずれかが直接配置される）。
（ａ）Ｇ１とＧ２の間の位相関係が、「１ステップ」アプローチにしたがう、強度曲線が一次テイラー級数展開される値に正確に対応するように、Ｇ１とＧ２は配置される（Ｇ１とＧ２が２つの異なる支持体上にある場合には、リソグラフィ処理または機械的により同じウェハ上にいずれかが直接配置される）。
（ｂ）一組のｎ個の位相ステップを、図３に類似した、ｎ組の平面回折格子とｎ個のライン検出器とにより得ることができる。異なる位相ステッピング位置でｎ組の平面回折格子それぞれを配列することにより、（対象を除いて）機械部分を何ら動かすこと無く、ｎ個の位相ステップ位置で対象はスキャンされる。相対的な配列はｎ個の回折格子の相互の積層により実現可能である（図６参照）。機械的配列は、リソグラフィにより形成されたノッチおよび溝により行うことができ、２つの基体を正しい相対位置に相互に配置するよう設計される。
Claims (17)
- 試料から定量的Ｘ線像を取得するためのＸ線装置であって、
Ｘ線源（Ｘ線）と、
単一の平面形状の基体上に形成された少なくとも２つの回折格子（Ｇ０、Ｇ１とＧ２の両方、Ｇ１とＧ２の一方）の組と、
複数の個別のピクセルを有し、空間的に増幅される検出感度を有する位置敏感検出器（ＰＳＤ）と、
前記検出器（ＰＳＤ）の像を記録する手段と、
吸収を主とするピクセルとしてのおよび／または微分位相コントラストを主とするピクセルとしてのおよび／またはＸ線散乱を主とするピクセルとしての、各個別のピクセルについて対象の特徴を同定するために、一連の像中の各ピクセルに関する強度を評価する手段と、
を有し、
前記一連の像は、０からπまたは２πまで、連続的にまたは段階的に、前記試料を回転させるか、または、前記試料に対して前記装置と前記Ｘ線源を回転させることにより収集され、
前記回折格子（Ｇ０、Ｇ１とＧ２）は、または、このような回折格子の組の一部は、Ｘ線が前記基体に対して平行に前記回折格子を前記回折格子の長さ方向に通る、新規な平面形状にしたがって形成されており、
前記回折格子は、前記回折格子の光軸方向の長さによってＸ線に作用する位相シフトと減衰とを決定する、Ｘ線のパスに沿って延在しており、
前記回折格子の形状は、Ｘ線ビームの拡散に適合されている、
ことを特徴とするＸ線装置。 - 近接場レジームまたはタルボレジームにおいて作動される、
請求項１記載の装置。 - Ｇ１は、吸収回折格子または位相回折格子のライン式回折格子（Ｇ１）であり、前記ライン式回折格子は、重金属より低い吸収特性を有する吸収回折格子であり、かつ、πまたはその奇数倍のＸ線の位相シフトを生じさせる、
請求項１または２記載の装置。 - Ｇ２は，Ｇ１の自己像の周期と同じ周期を有する、高いＸ線吸収コントラストを示すライン式回折格子であり、Ｇ２は、前記検出器（ＰＳＤ）の直前に、Ｇ２のラインがＧ１のラインと平行であるよう配置されている、
請求項１記載の装置。 - 近接場レジームにおいては、前記回折格子間の距離は前記レジームにおいて自由に選択され、
タルボレジームにおいては、
に従って選択され、式中、
ｎ＝１，３，５，…であり、
であり、
ｌ＝１，２，３…であり、
Ｄｎは、平行なＸ線ビームが用いられる場合の、奇数番目の分数タルボ距離であり、
Ｄｎ，ｓｐｈは、Ｘ線ファンビームまたはＸ線コーンビームが用いられる場合の、奇数番目の分数タルボ距離であり、
Ｌは前記Ｘ線源とＧ１との間の距離である、
請求項１から４のいずれか１項記載の装置。 - 前記回折格子はプレーナ技術によって形成されている、
請求項１から５のいずれか１項記載の装置。 - 吸収回折格子および位相シフト回折格子のいずれか一方または両方が、プレーナアプローチにより形成されている、
請求項１から６のいずれか１項記載の装置。 - 前記回折格子は、互いに直列に、前記回折格子の長さ方向に配置されている、
請求項１から７のいずれか１項記載の装置。 - 前記検出器が、Ｇ２と同じ基体上に形成されているか、または、Ｇ１およびＧ２と同じ基体上に形成されている、
請求項１から８のいずれか１項記載の装置。 - 前記回折格子は傾き、前記Ｘ線源に対してファン形状に整列している、
請求項１から９のいずれか１項記載の装置。 - プレーナ製造技術により形成された複数の構造体が、相互に面状に積層されている、
請求項１から１０のいずれか１項記載の装置。 - 複数の前記回折格子構造体が、ノッチおよび溝を含む、機械的配列または光学的配列により、相互に積層されている、
請求項１から１１のいずれか１項記載の装置。 - 前記Ｘ線源と前記回折格子Ｇ１との間に配列されたコリメータがＸ線の空間的拡がりをファンビームに制限し、ラインアレイ式検出器が用いられ、機構部により前記試料を前記装置の他の部分に対して回転させ、その回転軸は前記ファンの開放角に垂直であり、かつ、前記機構部は前記回転軸に平行な方向に沿って前記装置の他の部分に対して前記試料を並進移動させる、
請求項１から１２のいずれか１項記載の装置。 - １つのスリットまたは連続したｎ個のスリットが投与線量を最少化するように対象の上流に配置されている、
請求項１から１３のいずれか１項記載の装置。 - １つの回折格子（Ｇ０、Ｇ１またはＧ２）の他の部分に対する機械的シフトにより、位相ステッピングが行われる、
請求項１から１４のいずれか１項記載の装置。 - １組のｎ個の位相ステップが、ｎ組の平面回折格子とｎ個のライン式検出器により得られ、各前記ｎ組の平面回折格子は異なる位相ステップ位置で配列され、対象を除いて機械部分を全く動かすことなくｎ個の位相ステップ位置で対象がスキャンされる、
請求項１から１５のいずれか１項記載の装置。 - Ｇ１とＧ２との間の位相関係は、強度曲線が一次テイラー級数で展開される値に正確に対応する、
請求項１から１６のいずれか１項記載の装置。
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