JP6050455B2 - 勾配付き多層光学装置を用いたファン形ｘ線ビーム・イメージング・システム - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線イメージング・システムに関し、具体的には、光学装置を用いて所望のスペクトル形状を有するコリメートされたファン形ビームを発生するＸ線イメージング・システムに関する。

ＣＴ及びＸ線回折のような撮像応用では、線束レベルを増大させることが常に求められている。Ｘ線束の増大は、例えばＸ線源によって放出されるＸ線放射線を集束させることにより達成され得る。Ｘ線は、入射するＸ線ビームを全反射を用いて境界面から反射させることにより集束され得る。境界面は、複素屈折率がｎ_fの第一の物質の媒体と複素屈折率がｎ_sの第二の物質の媒体との間に形成され得る。典型的には、第一の物質の媒体は空気であり、第二の物質の媒体は固体であり得る。全反射は、第二の媒体の複素屈折率ｎ_sの実部が第一の媒体の複素屈折率ｎ_fの実部よりも小さく、且つ境界面に対するＸ線の入射角が全反射について指定される臨界角θ_CRよりも小さい場合に実現され得る。しかしながら、物質の屈折率のみに基づいて第一の物質の媒体及び第二の物質の媒体のための物質を選択する従来の方法は、反射率について中程度の利得しか生じない。

線束レベルを高めることに加え、Ｘ線スペクトルをスペクトル成形することが特定の応用についてＸ線スペクトルを最適化するもう一つの要件である。放射線写真法撮像及び断層写真法撮像に一般的な一つのアーティファクトは、典型的な制動輻射（多色）スペクトルのＸ線ビームが物質を透過するときに低エネルギのＸ線の方が優先的に減衰することから生ずる。この効果は、標本を透過するときのビームの平均エネルギの増大を招き、透過ビームの強度と被透過物質の量との間の関係に非線形性を導入する。この非線形性が、減弱データから再構成される画像に、計算機式断層写真法では線質硬化に寄与するもののようなアーティファクトとして現われる。エネルギの広がりを小さくしたＸ線ビームを用いると、これらのアーティファクトの幾分かを軽減することができる。具体的には、ビーム強度が、光学系の利用によって元のスペクトルの同じ範囲での強度に関して一定に保たれている又は強化されている場合には、限定された範囲のエネルギの利用によって、特定の応用に望ましい減弱度を与えることができ、また空間分解能及びコントラスト感度に関して最適な画像を形成することができる。多色エネルギ分布から相対的に単色の分布へのスペクトルの成形は、Ｘ線画像セットに大幅な向上を可能にする。幾つかの場合には、スペクトル形状の変化、例えば低エネルギＸ線又は高エネルギＸ線の何れかの相対比を小さくすることにより、標本の最適な撮像を提供することができる。

但し、二重エネルギ撮像又はエネルギ識別撮像とも呼ばれる多重エネルギＸ線撮像は、固有の利点を有する。例えば、多重エネルギＸ線撮像は、保安警備応用、工業応用及び医療応用において走査対象の特定の物質組成についての情報を提供することが明らかにされている。かかるエネルギ識別撮像は、しばしば最も実現し易いアプローチである２以上の異なるＸ線スペクトルの利用を含めて、様々な方法で達成され得る。画像データが例えば先ず一つのスペクトルを用いて形成され、次いでもう一つのスペクトルを用いて形成される場合には、かかる検査の逐次的な性質に困難な問題が存在する。一つの手法では、関心対象を２回走査する。第一の完全投影データ集合が一つのエネルギについての第一の走査において生成され、次いで、第二の完全投影データ集合が第二のエネルギについての第二の走査において生成される。多くの応用では高スループットが極めて重要な課題であり、標本組成は動的であり、且つ／又は標本位置決めのため繰り返しの走査を行なうことができないので、かかる応用では対象を２回物理的に走査するロジスティクスが許容され得ない場合がある。

従来の多重エネルギＸ線撮像応用は、典型的な撮像走査での毎ビューの標本化時間に匹敵する時間尺度でスペクトル特性を高速に変化させるために、線源濾波及び／又は高電圧変調を用いている。かかる濾波は、相対的に低いＸ線エネルギを優先的に減衰させるのに適当な組成を有するフィルタを高速に相次いで挿入することから成っている。かかる方法体系は、減弱が明瞭に分離されたエネルギ区間を発生し得る程度について限定されており、様々な物質を解析するこのアプローチの感度を著しく制約している。異なるスペクトル特性を発生する高電圧変調も具現化されているが、幾つかの場合には成功が限定されている。異なるエネルギにおいて取得されるデータ集合同士の間での標本の移動から生ずる投影の位置合わせの差、及びビュー未満でのＸ線ビームの変調に伴って生ずるような対象を横断するＸ線経路の僅かな位置揃え不正を軽減するためには、両アプローチとも困難な問題を抱えている。

典型的には、ファン形ビームが広範な多色Ｘ線撮像の状況において用いられており、保安警備応用、工業応用及び医療応用での走査対象の特定の物質組成についての情報を提供している。例えば、ファン形Ｘ線ビームは、マンモグラフィ及び医療分野の一般的な放射線写真法撮像、計算機式断層写真法、撮像トモシンセシス撮像、並びにＸ線回折撮像のようなＸ線撮像に用いられている。

米国特許出願公開第２００９０１４７９２２号

従来の殆どのＸ線源は単一のＸ線発生スポットを有し、スポットの実効的な寸法及び位置は、アノード熱負荷量及び相対的な放出角によって決定され且つ／又は限定されている。Ｘ線スポットは典型的には、軸横断方向（ファン角度）及び軸方向（コーン角度）の各撮像方向においてタングステン又は鉛を用いてコリメートされる。ＣＴ用２Ｄ再構成アルゴリズム（すなわちフィルタ補正逆投影）を用いるためには、Ｘ線スポットは、狭く、擬似平面状で、ファン形のＸ線の薄い層のみが撮像対象を照射するようにコリメートされる。結果として、スポットからの利用可能なＸ線フォトンの僅かな百分率のみが撮像に用いられ、殆どのＸ線はコリメータ板に衝突して吸収される。利用可能なＸ線のさらに多くの百分率を活用するために、Ｘ線ビームのコーン角度を拡大することができるが、目標の応用に許容可能な画質を達成するためにはさらに複雑なコーン・ビーム再構成アルゴリズムが必要とされる。故に、Ｘ線束利用率対再構成の複雑さのトレードオフが何れのＣＴイメージング・システムにも存在する。

従って、Ｘ線撮像応用に望ましいＸ線ビームのスペクトル形状を有するファン形Ｘ線ビームを提供し得る反射性多層構成が求められている。

一実施形態では、１又は複数のファン形ビームを発生するＸ線イメージング・システムが提供される。このＸ線システムは、電子発生源からの電子によって衝突されるとＸ線を放出するターゲットを含んでいる。ターゲットは、少なくとも一つのターゲット焦点スポットと、ターゲットと連絡して、１又は複数のファン形ビームを発生するように全反射を通じてＸ線の少なくとも一部を伝達する１又は複数の勾配付き多層光学装置とを含んでいる。勾配付き多層光学装置は、全反射を通じてＸ線を方向転換させて伝達する第一の勾配付き多層区画を含んでいる。第一の勾配付き多層区画は、実部Ｒｅ（ｎ₁）及び虚部β₁を有する第一の複素屈折率ｎ₁を含む高屈折率物質層と、実部Ｒｅ（ｎ₂）及び虚部β₂を有する第二の複素屈折率ｎ₂を有する低屈折率物質層と、前記高屈折率物質層と前記低屈折率物質層との間に配設された勾配帯とを含んでおり、勾配帯は、Ｒｅ（ｎ₁）＞Ｒｅ（ｎ₃）＞Ｒｅ（ｎ₂）となるような実部Ｒｅ（ｎ₂）及び虚部β₃を有する第三の複素実数屈折率ｎ₃を有する勾配層を有している。

もう一つの実施形態では、１又は複数のファン形ビームを発生する多重エネルギＸ線イメージング・システムが提供される。このシステムは、電子発生源と、電子発生源からの電子によって衝突されるとＸ線を形成するターゲットと、ターゲットを収容する真空室と、Ｘ線が真空室を出るときに通る窓と、１又は複数のファン形ビームを発生するのに望ましい範囲のＸ線エネルギを伝達するように構成されている少なくとも一つの勾配付き多層光学装置とを含んでいる。勾配付き多層光学装置は、全反射を通じて第一の光学Ｘ線を方向転換させる第一の光学部分と、第一の光学Ｘ線とは異なるエネルギ・レベルにある第二の光学Ｘ線を方向転換させる第二の光学部分とを含んでいる。

さらにもう一つの実施形態では、対象を撮像する方法が提供される。この方法は、少なくとも一つの電子ビーム放出器から少なくとも一つのターゲット焦点スポットを有するターゲットへ向けて電子ビームを放出するステップと、電子ビームによって衝突されるのに応答してターゲットからＸ線を発生するステップとを含んでいる。さらに、この方法は、Ｘ線を１又は複数のファン形ビームとして形成するステップを含んでおり、ファン形ビームは、当該１又は複数の勾配付き多層光学装置の少なくとも一つが少なくとも一つのターゲット焦点スポットと連絡するように配置されている１又は複数の勾配付き多層光学装置を通じたＸ線の全反射を介して発生される。さらに、この方法は、１又は複数の勾配付き多層光学装置を介して伝達される放出Ｘ線を用いることにより対象の画像を形成するステップを含んでいる。

高屈折率物質層と、高屈折率物質層の上の勾配帯と、勾配帯の上の低屈折率層とを含む単一の勾配付き多層区画であって、方向転換区画とコリメーション区画とを含むように構成されている単一の勾配付き多層区画の実施形態の一例の詳細断面図である。 第一の層が高屈折率物質層であり、第Ｎの層が低屈折率物質層であるｎ層を有する単一の勾配区画の線図である。 発散性Ｘ線源の出力をコリメートされたＸ線ファン・ビームに形成するのに用いられる勾配付き多数物質層を含む多層光学装置の詳細等角図である。 付加的な勾配付き多層区画を含む図２の光学装置の詳細等角図である。 曲面を近似する複数の平坦面を含む多層光学装置の実施形態の一例の詳細等角図である。 発散性Ｘ線ビーム入力から実質的に発散性のＸ線ビーム出力を発生するように構成されている単一の勾配付き多層区画の実施形態の一例の詳細断面図である。 発散性Ｘ線ビーム入力から実質的に収束性のＸ線ビーム出力を発生するように構成されている単一の多層区画の実施形態の一例の詳細断面図である。 矩形断面を有し、ファン形ビームを発生するのに用いられる勾配付き多層光学装置の模式図である。 各々円形断面を有し、ファン形ビームを発生するように構成されている勾配付き多層光学装置の一次元アレイの模式図である。 高屈折率層と、低屈折率層と、対を成す当該勾配層の間に同じ又は異なる高屈折率の層が介設されている複数の勾配層から成る勾配帯とによる多層区画を有する勾配付き多層物質積層体の実施形態の一例の詳細断面図である。 １又は複数の複合勾配層を有する勾配付き多層物質積層体であって、各々の複合勾配層が不連続な勾配副次層を含み、各々の勾配副次層が二つの成分物質を含み、各々の成分物質が異なる実数屈折率を有する勾配付き多層物質積層体の実施形態の一例の詳細断面図である。 図１０の勾配付き多層物質積層体の例示的な実施形態に対する代替形態の詳細断面図であって、二つの成分物質の非分離型の分布を有する勾配副次層を示す図である。 本発明の一実施形態による二重エネルギ走査システムのターゲットと共に用いられる一対の勾配付き多層光学装置の模式図である。 勾配付き多層光学装置を用いた計算機式断層写真法イメージング・システムの一例の図である。

本発明は、Ｘ線源からのＸ線の少なくとも一部を方向転換させて所定のスペクトル形状を有するコリメートされたファン形ビームを発生する１又は複数の勾配付き多層光学装置の利用について記載する。本書で用いられる「コリメート」との用語は、発散性Ｘ線ビームからのＸ線放射線の擬似平行ビームの生成を指す。一例では、このビームは、計算機式断層写真法（ＣＴ）撮像、Ｘ線撮像、トモシンセシス撮像、又はＸ線回折撮像の１又は複数での応用（医療、工業及び／又は保安警備）のためのファン形ビームであり得る。幾つかの実施形態では、線源スポットからのＸ線の全て又は一部を、スペクトル分布を意図的に変化させながら単一のコリメートされたファン・ビームとして物理的に成形する。例えば、スペクトルは、線源スペクトルの極く低いエネルギ（＜６０ｋｅＶ）側の端部及び／又は極く高いエネルギ（＞２００ｋｅＶ）側の端部について変化させられ得る。

本書に開示される方法及び装置では、最低３種の異なる物質を勾配付き多層積層体に用いて、連続層において実数屈折率を低下させながら連続層の間での実数屈折率の差を最大化することにより、現行よりも高められた全反射を得る。さらに大きい全反射を与える実施形態では、連続層の間での虚部の変化の実数屈折率の変化に対する比が、連続層の間での虚部の変化を最小化すると同時に実数屈折率変化を最大化することにより、最小化される。屈折率の虚部は、Ｘ線が通過する物質の質量エネルギ吸収係数に関係する。加えて、各々の連続層は比較的高いＸ線質量エネルギ吸収特性を有するが、実数屈折率は層から層へ単調に減少する。これらの規準は、現状での反射性Ｘ線光学物質よりも最適な実数屈折率変化及びＸ線吸収特性を提供する。

一般的には、Ｘ線エネルギにおける物質の複素屈折率ｎは、ｎ＝１−δ＋ｉβと表現されることができ、式中、項（１−δ）は物質の複素屈折率の実部であり、パラメータβは複素屈折率の虚部であって、物質の質量エネルギ吸収係数に関係する。Ｘ線エネルギでは、屈折率の実部は単位量に極く近く、従って通常は単位量からの減分δによって表現され、δは典型的には、１０^-6以下程度である。

反射率を高めるために、一実施形態では、隣り合った多層物質の間でのβの変化のδの変化に対する比が一般に最小化される。本開示の目的のためには、第一及び第二の層のそれぞれの実数屈折率又は吸収係数とは異なる実数屈折率又は吸収係数を有する他の物質が第一の層と第二の層との間に介設されていないときに、第一の層は第二の層に隣接していると考えられる。勾配付き多層光学系は、入射Ｘ線ビームを全反射を通じて方向転換させて反射Ｘ線ビームとするのに用いられるように適応構成され得る。反射Ｘ線ビームはファン形ビームを形成することができる。勾配付き多層積層体は、複数の多層帯を含み得る。勾配付き多層光学装置は、米国特許出願番号第１２／４６９，１２１号を有する本出願と共通の譲受人に譲渡された出願“OPTIMIZING TOTAL INTERNAL REFLECTION MULTILAYER OPTICS THROUGH MATERIAL SELECTION”に開示された手法を用いることにより製造され得る。この特許出願を参照により本出願に援用する。

互いに積層された勾配付き多層光学装置区画は、入力面と出力面との間に外面の傾斜を有し得る。幾つかの実施形態では、光学系入力側（線源に最も近い側）の各々の層が同じ又は異なる曲率半径において彎曲して、光学装置の結合された各層が大きい線源立体角を捕捉することを可能にし、これらの線源Ｘ線を方向転換させて強くコリメートされたファン形ビームにすることを可能にする。相対的に高い屈折率の層が光学系出力に向かって彎曲するのに伴ってＸ線は勾配付き多層光学系の層の奥に進むことができる。一実施形態では、勾配付き多層光学装置の収集角は約９０°までである。光学装置の収集角は、光学系の主対称軸に対する放出Ｘ線フォトンの最大角と定義される。この例では、１°の収集角は、Ｘ線源によって光学系の主対称軸に関して約０°〜約１°の範囲で放出されるフォトンが光学装置によって収集されることを示す。同様に、９０°の収集角は、光学装置の主対称軸に関して約０°〜約９０°の範囲で放出される線源フォトンが光学装置によって収集されることを示す。もう一つの実施形態では、光学系の入力面に位置する勾配付き多層光学装置の層にテーパを設けて、線源Ｘ線を捕捉して方向転換させ、層に垂直な方向にある複数の平行ビームにしてもよい。この実施形態では、ファン形は、勾配付き多層光学装置の層の平面に対して平行な方向にあり得る。かかる勾配付き多層光学装置のアレイを積層することもでき、線源からのＸ線の過半（例えば、約６０％〜約９０％）を収集し、ファンの平面に垂直な方向に平行ファン・ビームの集合を発生することができる。代替的には、勾配付き多層光学装置は、積層された勾配付き多層光学装置の対を含み得る。一例では、対の一方は、対の他方の鏡像になるように配置され得る。

多層物質積層体を構成する多層帯の数は一切限定されず、多層物質積層体を構成するときの対象となる特定の応用によって決まることを理解されたい。例えば、分解能がマイクロメートル程度である高分解能工業用ＣＴの場合には、積層体の多層の数は１０層未満であってよい。大きい光学的収集角が望まれる他の形式のＣＴでは、層の数は数千であってよい。多層物質積層体は、数十乃至数千の多層区画を含み得る。高屈折率層、低屈折率層、及び高屈折率層と低屈折率層との間に配設された１又は複数の勾配層を有する勾配帯に加えて、多層光学装置はまた、光学装置の最外表面に位置して光学装置の内部から装置の非放出面の端辺を通るＸ線放射線の放出を防ぐＸ線不透過性のクラッド層を含み得る。Ｘ線不透過性クラッド層は光学装置に配設されることができ、Ｘ線が入力面を通って光学装置に入り、光学系出力面を実質的に通って光学装置から出るようにする。

典型的には、高屈折率物質は最小の損失でＸ線を伝達し、低屈折率物質はＸ線透過を実質的に遮断する。Ｘ線が高屈折率物質と低屈折率物質との間の境界面に遭遇すると、Ｘ線が高屈折率物質から低屈折率物質へ走行しており、各物質の間のＸ線吸収の差が最小であり、また境界面でのＸ線入射角が全反射の臨界角よりも小さい場合には、Ｘ線は反射して高効率で高屈折率物質に戻る。臨界角の値は物質及び入射Ｘ線エネルギに依存する。勾配付き多層光学装置を用いると、所望のエネルギのＸ線を全反射を介して高効率で反射させることが可能になる。適当な曲率を有するように層を成形して適当な厚みを有するように層を作製すると、強くコリメートされたファン形出力ビームを発生することができる。

入射Ｘ線ビームの幅は、一つの多層区画の厚みよりも小さくても大きくてもよい。入射Ｘ線ビームの幅が一つの多層光学装置の厚みよりも大きいときには、入射Ｘ線ビームの様々な部分が光学装置の内部の多層区画の幾つか又は全てを通過し、これらの多層区画の幾つか又は全てによって全反射されて、反射したフォトン・ビームの対応する部分として多層区画から発生する。代替的には、入射フォトン・ビームの幅が一つの光学装置の厚みよりも小さいときには、装置は相対的に小さい線束利得を生ずるが、有用な方向転換能力を提供することができる。

勾配付き多層光学装置を、例えば計算機式断層写真法（ＣＴ）撮像、放射線写真法撮像、トモシンセシス撮像、及び高エネルギＸ線回折撮像のように６０ｋｅＶを上回るエネルギ・レベルで動作する応用に用いることができる。これらの応用の幾つかは、メガボルトのフォトン・エネルギに及ぶエネルギ・レベルで動作する場合がある。幾つかの実施形態では、相対的に高いエネルギ（メガボルト程度）の応用にシリコンを高屈折率物質として用いることができる。一方、相対的に低いエネルギのＸ線にはホウ素、ベリリウム、及び水素化リチウムの１又は複数を高屈折率物質として用いることができる。例えば、ホウ素、ベリリウム、水素化リチウムの１又は複数を６０ｋｅＶと１００ｋｅＶとの間のＸ線エネルギに用いることができる。医療応用では、エネルギは１４０ｋｅＶ未満であり得る。１４０ｋｅＶ以下のＸ線エネルギのための低屈折率物質は、タングステン、イリジウム、白金、又はオスミウムから選択され得る。勾配付き多層光学装置を作製するのに用いられる物質に依存して、１０ＭｅＶまでのＸ線エネルギを伝達することができる。

幾つかの実施形態では、Ｘ線ビームは勾配付き多層光学装置を用いてスペクトル成形される。光学装置に入射する制動輻射スペクトルの場合には、交互層の屈折率によって、反射が禁止される上限の遮断エネルギが決まるので、制動輻射の最高エネルギが遮断されて、通常の制動輻射スペクトルよりも狭い放出エネルギ・スペクトルを生ずる。また、光学装置の入力面及び出力面の形状に依存して、放出スペクトルの極く低いエネルギの部分が実質的に減少し又は解消され得る。

幾つかの実施形態では、多層光学系からの反射Ｘ線ビームは、実質的に発散性の入力Ｘ線ビーム、コリメートされた入力Ｘ線ビーム、又は収束性の入力Ｘ線ビームから、所望のスペクトル形状を有する実質的にコリメートされたファン形ビームを形成することができる。一例では、ファン形ビームは、連続ファン形ビーム、又は平行ファン形ビームの不連続な積層体を含み得る。一例では、連続ファン形ビームは、２以上の勾配付き多層光学装置の重なり合った出力を含み、不連続なファン形ビームは、２以上の勾配付き多層光学装置の重なり合っていない出力を含み得る。一実施形態では、多層光学系は、擬似平行単色ファン形ビームを発生することができる。十分な強度を有するかかる単色ファン形ビームは、医療撮像及び侵襲処置に用いられ得る。かかる単色撮像は、分解能を高めると共に、多色Ｘ線スペクトルの撮像での利用から生ずる線質硬化のようなアーティファクトを低減しつつ、患者Ｘ線量を減少させるのに役立ち得る。光学装置によって発生されるファン形ビームの擬似平行性のため、ＣＴに現在用いられているファン形ビームの発散性から生ずる再構成アーティファクトを低減することができる。多層光学系は、他の場合に可能である線源立体角よりも大きい線源立体角にわたってＸ線源の放射線の収集及び方向転換を提供する。医療イメージング・システムに適用されるときには、このことは撮像曝射時間の短縮及び患者線量の減少を可能にし、画像解析を単純化すると共に、計算機式断層写真法（ＣＴ）のような撮像モダリティの診断精度を潜在的に高めることができる。また、Ｘ線応用では、Ｘ線源を例えば２分の１〜１０分の１の電力で動作させることができ、Ｘ線源の寿命を延ばすことができる。

勾配付き多層光学装置は、空間的規模及び柔軟性に関して利点を提供する。微細製造された成層構造の性質のため、光学装置を非常に小型化することができる。一例では、装置の断面寸法は僅か数十マイクロメートルである。規模が小さいため、同じスペクトル放出特性及び幾何学的構成を有する勾配付き多層光学装置のアレイすなわち複合体を、殆どの医用及び工業用Ｘ線撮像に用いられるビーム・スポット寸法（０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ）の周りの面積の範囲内で組み立てて、コリメートされたファン・ビームの大きい連続ビーム又は不連続ビームを発生することができる。

幾つかの実施形態では、本発明の勾配付き多層光学装置は、ＣＴシステム、Ｘ線放射線写真法システム、トモシンセシス・システム、又はＸ線回折システムのようなＸ線イメージング・システムに用いられる。イメージング・システムは、少なくとも一つのターゲット焦点スポットを有するターゲットを含んでいる。イメージング・システムは、ターゲットと連絡している１又は複数の勾配付き多層光学装置を含んでおり、全反射を通じてＸ線の少なくとも一部を伝達して１又は複数のファン形ビームを発生する。勾配付き多層光学装置は、全反射を通じてＸ線を方向転換させて伝達する第一の勾配付き多層区画を含んでいる。第一の勾配付き多層区画は、第一の複素屈折率ｎ₁を有する高屈折率物質層を含んでいる。第一の複素屈折率ｎ₁は、第一の複素屈折率の実部Ｒｅ（ｎ₁）と、第一の複素屈折率の虚部β₁とを含んでいる。第一の複素屈折率の実部Ｒｅ（ｎ₁）は、（１−δ₁）とも表現され得る。第一の勾配付き多層区画はさらに、第二の複素屈折率ｎ₂を有する低屈折率物質層を含んでいる。第二の複素屈折率は、第二の複素屈折率の実部Ｒｅ（ｎ₂）と、第二の複素屈折率の虚部β₂とを含んでいる。第二の複素屈折率の実部Ｒｅ（ｎ₂）はまた、（１−δ₂）とも表現され得る。第一の勾配付き多層区画はまた、高屈折率物質層と低屈折率物質層との間に配設された勾配帯を含んでいる。勾配帯は、第三の複素屈折率ｎ₃を有する勾配層を含んでいる。第三の複素屈折率ｎ₃は、第三の複素屈折率の実部Ｒｅ（ｎ₃）と、第三の複素屈折率の虚部β₃とを含んでいる。第三の複素屈折率の実部Ｒｅ（ｎ₃）はまた、（１−δ₃）とも表現されることができ、Ｒｅ（ｎ₁）＞Ｒｅ（ｎ₃）＞Ｒｅ（ｎ₂）となる。本書で用いられる「複素屈折率の虚部」との用語は、質量エネルギ吸収係数に対応している。

ターゲットは、Ｘ線透過性窓を有する筐体に封入され得る。勾配付き多層光学装置は、筐体装置の内部に装着されても外部に装着されてもよい。一実施形態では、勾配付き多層光学装置は、筐体の内部又は外部の何れかで窓に光学的に結合され得る。一例では、窓は、勾配付き多層光学装置と一体化され得る。換言すると、勾配付き多層光学装置は窓の一部であってよい。透過型ターゲットの場合には、勾配付き多層光学装置は、ターゲットに装着されてもよいし、ターゲットと一体化されてもよい。代替的には、反射型ターゲットの場合には、勾配付き多層光学装置は、ターゲットに近接して配設され得る。

ターゲット焦点スポットは、完全に静止していないで動的に移動してよく、幾つかの場合には数十ミリメートル以上にわたって移動し得ることが公知である。勾配付き多層光学装置のアレイは、１又は複数の焦点スポットの移動を補償するように設計されて配置され得る。例えば、光学コア、及びコアの近くの光学層は、焦点スポット移動の典型的な範囲である１００ミクロン以下にわたり移動した焦点スポットからのＸ線を効率よく収集するように設計され得る。また、光学アレイは焦点スポットよりも大きく製造され得るので、焦点スポットが移動するときにも全スポットが光学系で依然カバーされる。アレイは、ターゲット焦点スポット全体よりも小さい範囲をカバーしても効率よく作用し得ることを認められたい。一例では、勾配付き多層光学装置の各々が、当該勾配付き多層光学装置の幅がターゲット・スポットの可能なあらゆる移動を補償するのに十分に余分なカバー範囲を含みつつターゲット・スポットの範囲を光学的にカバーするのに十分であるように作製される。勾配付き多層光学装置の各々は、様々な幅に作製されて積層されてもよいし、全て同じ幅に作製されて積層されることもできる。

図１（Ａ）は、高屈折率層１４２と、低屈折率層１４４と、高屈折率層１４２と低屈折率層１４４との間に配設された複数の勾配層１５２、１５４、及び１５６を有する勾配帯１５８とを含む単一の勾配付き多層区画１４０の実施形態の一例の断面図である。上述のように、各物質層の厚みは、説明を分かり易くするために誇張されている。第一の反射性境界面１６２が高屈折率層１４２と第一の勾配層１５２との間に形成される。同様に、第二の反射性境界面１６４が第一の勾配層１５２と第二の勾配層１５４との間に形成され、第三の反射性境界面１６６が第二の勾配層１５４と第三の勾配層１５６との間に形成され、第四の反射性境界面１６８が第三の勾配層１５６と低屈折率層１４４との間に形成される。

発散性Ｘ線放射線ビーム１７２が、Ｘ線放射線源１７０によって形成されて、勾配付き多層帯１４０の入力面１４６を照射することができる。Ｘ線ビーム１７２は図では５本の発散性Ｘ線ビームレット（小ビーム）１７２−０〜１７２−４として示されているが、Ｘ線ビーム１７２は物理的には所定の放出立体角にわたり分散した連続ビームであり、不連続なビームレットとしてのＸ線ビーム１７２の表現は本書の様々な実施形態の例の提示を容易にするためのみに作成されていることを理解されたい。実施形態の一例では、勾配付き多層区画１４０は、図示のように全体的に構成されている方向転換区画１７４及びコリメーション区画１７６を含むように構成されている。方向転換区画１７４は、発散性Ｘ線ビーム１７２を実質的に方向転換させ、コリメートして、所望の空間領域に合わせて実質的にコリメートされたビーム１７８とする。コリメーション区画１７６は、方向転換区画１７４を出るビームのさらなるコリメーションを提供する。

第一の反射性境界面１６２は、図１（Ａ）の断面図ではコリメーション区画１７６の実質的に直線の部分と連続した方向転換区画１７４の彎曲部分を有するものとして表現されている。物理的に、第一の反射性境界面１６２は、Ｘ線ビームレット１７２−１の反射のための表面を形成し、例えば平坦面、円筒面若しくは円錐面、これらの表面の組み合わせ、又はさらに複雑な曲面を含み得ることを理解されたい。反射性境界面１６４、１６６、及び１６８の断面も同様に、方向転換区画１７４では曲線として、またコリメーション区画１７６では直線として示されている。反射性境界面１６４、１６６、及び１６８の彎曲部分は、例えば発散性Ｘ線ビーム１７２の方向転換又はコリメーションのための円筒面のような正の曲率を有する物理的表面を表わす。同様に、反射性境界面１６４、１６６、及び１６８の直線部分は、物理的な平坦面若しくは円筒面、又は平坦面と円筒面との組み合わせを表わす。

Ｘ線ビーム１７２のコリメーションは、Ｘ線ビームレット１７２−０〜１７２−４の伝達経路を追跡することにより最もよく理解され得る。図示のように、Ｘ線源１７０の中心は一般的には、高屈折率層１４２の中間を通って配設される軸と同一位置にある。第０のＸ線ビームレット１７２−０は、図示のように高屈折率層１４２を通過して、反射せずに第０のコリメートされたフォトン・ビームレット１７８−０として現われることができる。これに比較して、第一のＸ線ビームレット１７２−１は、初期反射点１８２ａ及び最終反射点１８２ｂによって示すように１又は複数の全反射を行ないつつ高屈折率層１４２を通過して、第一のコリメートされたＸ線ビームレット１７８−１として現われることができる。第二のＸ線ビームレット１７２−２が第二の反射性境界面１６４に関して臨界角未満で初期反射点１８４ａに入射した場合には、第二のＸ線ビームレット１７２−２は第二の反射性境界面１６４の彎曲部分に沿って多数の全反射を経た後に、第二のコリメートされたフォトン・ビームレット１７８−２として勾配帯の第一の層１５２を通過して出ることができる。これらの多数の全反射が初期反射点１８４ａ及び最終反射点１８４ｂによって図に表わされており、図では分かり易くするために初期反射点１８４ａと最終反射点１８４ｂとの間で生じている中間的な多数の全反射は示されていない。

実施形態の一例では、初期反射点１８４ａと最終反射点１８４ｂとの間の第二の反射性境界面１６４の彎曲部分の曲率は、初期反射点１８４ａと最終反射点１８４ｂとの間の反射性境界面１６４からの第二のＸ線ビームレット１７２−２の全ての後続の反射が臨界角未満で生じ従って全反射となるように指定される。

同様に、第三のＸ線ビームレット１７２−３は、初期反射点１８６ａと最終反射点１８６ｂとの間で多数の全反射を経ることができ、第四のＸ線ビームレット１７２−４は、初期反射点１８８ａと最終反射点１８８ｂとの間で多数の全反射を経ることができる。第三及び第四の反射性境界面１６６及び１６８の彎曲部分の曲率は、多数の全反射が方向転換区画１７４に位置する反射性境界面１６６及び１６８の部分に沿って生じ得るように指定される。実施形態の一例では、Ｘ線ビームレットは、方向転換区画１７４の対応する曲面に沿って数百乃至数千の反射を経た後に、多層区画１４０を通過して出ることができる。コリメートされたＸ線ビームレット１７８−１〜１７８−４の所望の軌跡は、反射したビームレットが方向転換区画１７４からコリメーション区画１７６に入るとき、すなわち方向転換区画１７４の端部の層の彎曲部分に接する接線が連続する線形区画１７６に実質的に平行になるときに達成されることが当業者には認められよう。コリメーション区画１７６の物理的長さは、望ましいコリメーションの程度を決定し、又は全体的な光学装置の扱いに好都合な物理的寸法を与えるように指定され得る。最終反射点は、方向転換区画１７４又はコリメーション区画１７６の何れにおいて生じてもよい。

図１（Ｂ）は、Ｎ層を有する単一の勾配区画１００の一例を示す。図示の実施形態では、第一の層１０２が高屈折率物質層であり、第Ｎの層１０４が低屈折率物質層である。第一の層１０２と第Ｎの層１０４との間の層が勾配帯１１０を画定している。認められるように、全反射の単純なモデルは臨界角未満の全てのフォトン（矢印１１２によって表わされている）が１００％効率で反射される（矢印１１４によって表わされている）ことを示唆するが、現実には、全反射の条件を満たすＸ線の僅かな百分率が境界面１１６、１１８、１２０又は１２２のような境界面を通過することができ、下方の層まで透過させられ得る。中間的な勾配帯１１０の多数の層は、これらの透過Ｘ線が全反射を経て反射されて多層から出る多数の機会を与える。最適な光学系設計では、透過したＸ線が最後の層に達するときまでに、第一の層１０２と第二の層１０６との間の境界面に入射するフォトンの１０^-4％未満が、それぞれ第（Ｎ−１）の層１０８と第Ｎの層１０４との間の境界面に到達し得る。最適な勾配付き多層設計では、第一の層の入射フォトンの９９．９９９９％以上が勾配付き多層区画１００の多数の層によって反射されて、０°から全反射臨界角までの角度範囲内で入射ビームと近似的に同じ強度を有する反射ビームを発生する。

高屈折率層１４２は、一方の端部に曲面又は円筒面を有して勾配付き多層帯１４０の方向転換区画１７４に彎曲した境界面を生成する全体的に平坦なコア又は基材として形成され得る。当該コア層の一端に第一の曲面を有し、他端に第二の曲面を有するコア層のような他のコア構成も可能である。

図２は、光学装置２００の単純化した等角図であって、同図では発散性Ｘ線源１７０の出力が入力面２０４を照射しているのを示している。光学装置２００を用いてファン形のコリメートされたＸ線ビーム出力２０８を形成することができ、コリメートされたＸ線ビーム２０８は実質的に、光学装置２００の長手方向対称面に平行に位置する一連の平面において伝達される。図１（Ａ）を参照すると、図２の光学装置２００は、高屈折率層２０６の両面に勾配帯１５８を堆積させ、次いで勾配帯１５８に低屈折率層１４４を堆積させることにより作製され得る。光学装置２００は本質的に、多層区画１４０（図１（Ａ）を参照されたい）と鏡像との一体結合であることが認められよう。

光学装置２００の高屈折率層２０６の上下両面に多数の層の堆積を繰り返すことにより、図３に示すようにさらに大型の光学装置２１０を形成することもできる。このように、光学装置２１０は、中央の高屈折率層２０６を含んでおり、上に複数の多層帯２１２−１〜２１２−Ｎが繰り返し堆積されて、実質的に図示するように数十又は数百又は数千又は数百万の多層帯から成る平坦な積層体を得る。多層帯２１２−１〜２１２−Ｎの一部は円筒面を含んで、入射する発散性フォトン・ビームを方向転換させてコリメートするように作用し得る方向転換区画２１４を形成する。

図４には、コア層２４４を含む光学装置２６０が示されている。複数の平坦な多層帯２６２−１〜２６２−Ｎがコア層２４４の上下両面に順次堆積されて、図３に示す光学装置２１０と同様に数十、数百、数千又は数百万の多層帯から成る平坦な積層体を得る。方向転換区画２１５は、２以上の平坦面２４８の組み合わせであってよい。平坦面２４８が全て類似した傾斜及び寸法を有していてもよい。代替的には、平坦面は傾斜及び寸法が区々であってもよい。例えば、平坦面２４８の幾つかが他のものよりも長くてよい。代替的には、平坦面の幾つかがコア層２４４に関して他の平面よりも鋭角をなしていてもよい。平坦面２４８は、結果として得られる表面２１５が曲面を近似するような態様で構成される。平坦面２４８は、曲面状の対応物よりも簡単に作製されるので有利である。従って、方向転換区画２１５を異なる平坦面の組み合わせとして形成すると、製造が簡単になる。

図５に示す本発明の代替的な観点では、光学装置４００が、Ｘ線源１７０によって放出される発散性入力Ｘ線ビーム１７２を方向転換させて第二の発散性Ｘ線ビーム１７４にするように構成されている。光学装置４００は、高屈折率コア１４２のような高屈折率層と、高屈折率コア１４２に配設された複数の勾配層を含む勾配帯４０２と、勾配帯４０２に配設された低屈折率層４０４とを含む勾配付き多層区画を含んでいる。光学装置４００は、多数の層の間に曲線状の境界面を含んでいる。光学装置４００が光学装置２００（図２を参照されたい）又は光学装置２１０（図３を参照されたい）と同様に平面状の装置を含む構成では、低屈折率層４０４は光学装置４００の長手軸に向かって彎曲した凸面を形成する。

彎曲した反射境界面４１４、４１６、及び４１８では、図５に示すように、対応する光学装置の出力面における彎曲した境界面に接する接線は光学装置の光学軸に平行にはならず、同様に構成されている図１（Ａ）に示す多層帯１４０における反射境界面１６４、１６６、及び１６８の同等の彎曲した部分とは異なっている。従って、図５の入力Ｘ線ビームレット１７２−１、１７２−２、及び１７２−３は、コリメートされたビームを形成するのに十分には光学装置４００の内部で方向転換せず、図５の出力Ｘ線ビーム１７４は、入力Ｘ線ビーム１７２よりも程度は小さいが発散性のままである。これに対し、図１（Ａ）の発散性Ｘ線ビーム１７２は、方向転換区画１７４を通ることにより実質的にコリメートされ、方向転換区画１７４の端部における彎曲した反射面に接する接線は、光学装置の光学軸及びコリメーション区画１７６の直線反射面に対して平行になる。

図６に示す本発明のもう一つの観点では、光学装置４５０が、発散性フォトン・ビーム１７２を方向転換させて、実質的に収束性の出力フォトン・ビーム４５８にするように構成されている。光学装置４５０は第一の方向転換区画４５２と第二の方向転換区画４５６とを含んでおり、包囲されたコリメーション区画４５４を含んでいてもいなくてもよい。方向転換区画４５２及び４５６における低屈折率層４６２並びに層４６４、４６６及び４６８を含む勾配帯は、光学装置４５０の高屈折率層４６０に向かって彎曲した反射面を有する。

一実施形態では、勾配付き多層光学装置は二次元アレイとして構成されて、ファン形ビーム・プロファイルを生成するように構成される。様々な光学装置は二次元アレイを形成するように対応する角度に配設され得る。図８に示すように、ファン・ビームが、ファン方向に互いから発散する多数の円形断面ビームで構成され得る。もう一つの実施形態では、勾配付き多層光学装置の各々が矩形断面プロファイルを有する。図７に示すように、この実施形態では、矩形断面を有する勾配付き多層光学装置４７０がファン形ビーム４７２を発生し得る。図８は、円形断面光学系４７６の一次元アレイ４７４を示す。円形断面光学系４７６のアレイ４７４は、ファン形状に構成された不連続な円筒形ビーム４７８から成る近似的なファン形ビームを発生する。

図９には、さらにもう一つの代替的な勾配付き多層物質積層体５７０の実施形態の一例が示されており、この積層体５７０は、同図では勾配付き多層区画５７２−１及び勾配付き多層区画５７２−２によって表わされている複数の勾配付き多層区画を含んでいる。これら複数の多層区画の１又は複数は、各々の多層区画に、実部の大きい複素屈折率ｎ₁を有する物質から作製される高屈折率層５７４と、実部の小さい複素屈折率ｎ₂を有する物質から作製される低屈折率層５７６との間に配設される高反射率勾配帯５８０を含み得る。高反射率勾配帯５８０は、複素屈折率ｎ₃及び複素屈折率の虚部β₃を有する第一の勾配層５８２と、複素屈折率ｎ₄、複素屈折率の虚部β₄を有する第二の勾配層５８４と、複素屈折率ｎ₅及び複素屈折率の虚部β₅を有する第三の勾配層５８６とを含んでいる。一実施形態では、Ｒｅ（ｎ₁）＞Ｒｅ（ｎ₃）＞Ｒｅ（ｎ₄）＞Ｒｅ（ｎ₅）＞Ｒｅ（ｎ₂）及びβ₁＜β₃＜β₄＜β₅＜β₂である。高反射率勾配帯５８０はさらに、第一の勾配層５８２と第二の勾配層５８４との間に配設された実部の大きい複素屈折率ｎ₆を有する物質を含む第一の高屈折率勾配層５９２と、第二の勾配層５８４と第三の勾配層５８６との間に配設された実部の大きい複素屈折率ｎ₇を有する物質を含む第二の高屈折率勾配層５９４とを含んでおり、Ｒｅ（ｎ₆）＞Ｒｅ（ｎ₃）及びＲｅ（ｎ₇）＞Ｒｅ（ｎ₄）である。一実施形態では、最適な全反射を提供するために、加えてβ₃＞β₆及びβ₄＞β₇である。

第一の高屈折率勾配層５９２及び第二の高屈折率勾配層５９４を形成するのに用いられる高屈折率物質は、高屈折率層５７４を形成するのに用いられる同じ物質を含んでいてもよいし、異なる高屈折率物質を含んでいてもよいことを理解されたい。勾配付き多層物質積層体５７０の構成は、実部の大きい屈折率の物質の層（すなわちフォトン吸収が相対的に低い領域）が高反射率勾配帯５８０に配設されているので、Ｘ線透過を増大させることができる。この構成は、図１及び図５に示す断面を有する実施形態にも適用されることができ、例えば実効的に交互の勾配層を透過層にすることによりそれぞれの光学装置の開口面積を増大させることができる。

図１０には、代替的な勾配付き多層物質積層体６００の実施形態の一例が示されており、積層体６００は、多層区画６０２−１及び多層区画６０２−２によって例示される複数の多層区画を含んでいる。多層区画の１又は複数は、勾配層６０４−１及び６０４−３を含む勾配帯６０４と、複合勾配層６０４−２とを含み得る。勾配層６０４−１は、一意の複素屈折率ｎ₃及び複素屈折率の虚部β₃を有するＭ₁と示されている第一の成分物質を含んでおり、勾配層６０４−３は、一意の複素屈折率ｎ₅及び複素屈折率の虚部β₅を有する第二の成分物質Ｍ₂を含んでいる。図示の実施形態の例では、複合勾配層６０４−２は、右側の詳細図に示すように４層の勾配副次層６１２〜６１８を含んでいる。

図示の実施形態では、４層の勾配副次層６１２〜６１８の各々は、勾配層６０４−１と勾配層６０４−３との間に単調の段階的な光学的特性遷移を与えるように、第一の成分物質Ｍ₁及び第二の成分物質Ｍ₂の両方から成る異なる組成を含んでいる。勾配副次層６１２は、例えば容積で約０．８の第一の成分物質Ｍ₁と容積で約０．２の第二の成分物質Ｍ₂との混合物を含んでいてよく、すなわち勾配副次層６１２での第一の成分物質Ｍ₁の第二の成分物質Ｍ₂に対する比は容積で約４対１である。同様に、勾配副次層６１４は、約０．６の第一の成分物質Ｍ₁と約０．４の第二の成分物質Ｍ₂とを含んでいてよく、勾配副次層６１６は約０．４の第一の成分物質Ｍ₁と約０．６の第二の成分物質Ｍ₂とを含んでいてよく、勾配副次層６１８は約０．２の第一の成分物質Ｍ₁と約０．８の第二の成分物質Ｍ₂とを含んでいてよい。

勾配付き多層帯６０４の層が１よりも多い複合勾配層を含み得ることを理解されたい。さらに、複合勾配層は２以上の勾配副次層を含んでいてもよく、またそれぞれの勾配副次層の成分物質混合物が、上に掲げた例とは異なる比の二つの勾配層成分物質を含んでいてよいことを理解されたい。また、この組成勾配を高屈折率層及び低屈折率層にも適用することができ、勾配帯のみに必ずしも限定されないことを理解されたい。一般的には、成分物質Ｍ_Aを有する層Ａ及び成分物質Ｍ_Bを有する層Ｂが与えられた場合に、層Ａと層Ｂとの間に複合層Ｃを作製することができ、複合層Ｃは複数の副次層Ｃ₁、Ｃ₂、…、Ｃ_Nを含み得る。好ましくは、副次層Ｃ₁、Ｃ₂、…、Ｃ_Nの各々での層成分物質Ｍ_Aの比は、層Ａと層Ｂとの間の連続した副次層において減少し、層成分物質Ｍ_Bの比は、層Ａと層Ｂとの間の連続した副次層Ｃ₁、Ｃ₂、…、Ｃ_Nにおいて増大する。

図１１には、勾配付き多層物質積層体６００（図１０を参照されたい）の代替的な実施形態の例である勾配付き多層物質積層体６２０が示されている。勾配付き多層物質積層体６２０は、勾配付き多層区画６２２−１、及び勾配付き多層区画６２２−２〜第Ｎの多層区画（図示されていない）を含めて複数のＮ個の勾配付き多層区画を含んでいる。勾配付き多層区画の１又は複数は、複合勾配層６２４−２を備えた勾配帯６２４を含み得る。複合勾配層６２４−２は、第一の成分物質Ｍ₁と第二の成分物質Ｍ₂との混合物を含んでいる。複合勾配層６２４−２の異なる高さに堆積されている第二の成分物質Ｍ₂に対する第一の成分物質Ｍ₁の比は、高屈折率層６２６又は低屈折率層６２７からの距離ｚの関数として指定され得る。例えば、複合勾配層６２４−２の任意の点での成分物質Ｍ₁及びＭ₂の相対比は、パラメータｚの関数として、
複合層＝ｆ（ｚ）Ｍ₁＋［１−ｆ（ｚ）］Ｍ₂ （１３）
によって表現され得る。
式中、ｆ（ｚ）は、例えば線形関数、多項式関数、又は対数単調関数であって、成分物質Ｍ₁及びＭ₂の分率値を指定している。このように、単調関数は、隣り合った二つの勾配層６２４−１と６２４−３との間での成分物質Ｍ₁及びＭ₂の相対比の滑らかな組成変化を生成する。

図１２には、一対の光学装置１０_a及び１０_bが示されている。これらの光学装置１０_a、１０_bの各々が図１（Ａ）〜図９を特に参照して記載されている光学装置と同様のものである。一対の光学装置１０_a、１０_bは、多重エネルギＸ線イメージング・システムにおいて用いられ得る。システムは、全反射を通じて第一の光学Ｘ線を方向転換させる第一の光学部分と、第一の光学Ｘ線とは異なるエネルギ・レベルにある第二の光学Ｘ線を方向転換させる第二の光学部分とを含み得る。例えば、第一の光学部分は、高エネルギの第一の光学的エネルギ・スペクトルを発生するように構成されており、第二の光学部分は低エネルギの第二の光学的エネルギ・スペクトルを発生するように構成されている。この例では、第一の光学的エネルギ・スペクトルの平均エネルギは第二の光学的エネルギ・スペクトルの平均エネルギよりも大きい。スペクトルの平均エネルギは、スペクトルの算出平均エネルギであって、平均を算出する前に、スペクトルの各々のエネルギ値域が先ず当該エネルギにおいて放出される全フォトンの分率によって加重される。

光学装置１０_aと１０_bとの間の差は、一方が相対的に高いＸ線エネルギを通過させるように形成され、他方が相対的に低いＸ線エネルギを通過させるように形成されていることである。光学装置１０_a、１０_bによって線源スペクトルを成形する又は濾波すると、ビュー未満での鋭い高エネルギ遮断を有するスペクトル形状を高速に発生する見込みを与え、これにより、物質分離感度が高まり、殆どの位置合わせの問題を解消することができる。所望のスペクトル形状を有するスペクトルを発生し、高速の時間尺度でかかるスペクトルを発生する能力のため、かかる光学装置は、多重エネルギ撮像について特に有用になる。

多重エネルギ・イメージング・システムはまた、光学装置によって伝達されるビームから何らかのエネルギを除去する濾波機構を含んでいてよい。濾波機構は光学装置の外部に設けられてもよいし、光学装置と一体化されてもよい。一実施形態では、限定しないがＫエッジ・フィルタのような濾波機構が各々の光学系１０_a、１０_bについて鋭い低エネルギ遮断を与える。一実施形態は、Ｋエッジ・フィルタを光学系１０_a、１０_bの何れかの端部に直接気相堆積させることを含んでいる。代替的には、Ｋエッジ・フィルタは、光学系１０_a、１０_bの出力又は入力に整列した別個の箔として形成されてもよい。すると、各々の光学系１０_a、１０_bは、光学系と一体化されている又は光学系とは別個になっているの何れかで固有の異なるＫエッジ・フィルタを有するものとなる。

図示のように積層構成にあってよい光学装置１０_a、１０_bは、Ｘ線管ヘッドのターゲット７２４と光学的に連絡している。明確に述べると、電子ビームをターゲット７２４の焦点スポット７２５に衝突させることにより形成されるＸ線７３３が、焦点スポット７２５から光学装置１０_a、１０_bの入力面１２へ向けて伝播される。代替的には、焦点スポット７２５は、単一の連続ターゲット・スポット７２４とは対照的に各々別個のターゲット・スポットの範囲内に位置していてもよいし、別個の非隣接ターゲットに位置していてもよい。次いで、Ｘ線７３３は、上述のように光学装置１０_a、１０_bによって集束されて、方向転換されたＸ線７３４として各出力面を出る。この幾何学的構成を繰り返してかかるスポットの対から成るアレイを作製することができ、この場合にはＸ線源スポットの分散型アレイが利用されることになる。

高エネルギＸ線信号と低エネルギＸ線信号とを分離するのを助けるために、多くの選択肢が可能である。かかる一つの構成は、エネルギ分布が互いに異なる二つの信号を発生する別個のＫエッジ・フィルタを備えている場合及び備えていない場合の光学装置を用いる。このことは、一つの光学装置によって画像を撮影し、次いで低エネルギのフォトンを消去するために光学装置及びＫエッジ・フィルタの両方によって画像を再撮像することにより行なわれる。これら二つの適当に正規化された信号を減算すると、主として低いエネルギを有する信号が得られ、光学装置及びＫエッジ・フィルタを組み合わせたものによって発生される信号は、主として相対的に高いエネルギのフォトンを有する信号を発生する。

代替的には、少なくとも一つのＫエッジ・フィルタと共に二つの光学装置を用いることができる。二つの光学装置は、重なり合っていてもいなくてもよい異なる２種のフォトン・エネルギ範囲のＸ線方向転換及び透過を生ずる物質で製造される。これら二つの光学装置によって画像を撮影し、光学装置と、低エネルギを伝達する光学装置からの低エネルギの透過を遮断するＫエッジ・フィルタとを用いて撮影を繰り返し、これら二つの適当に正規化された画像を減算すると、低エネルギを伝達した光学系によって通された低エネルギのみから導かれる画像が得られる。この低エネルギ・スペクトル画像は、適当に正規化された相対的に高いエネルギのスペクトル画像を、二つの光学装置とＫエッジ・フィルタとを組み合わせたものからのフォトンによって形成される画像から減算することにより取得され得る。低エネルギ画像においてさらに鋭い低エネルギ遮断を生成するために、光学系から最も低いエネルギのフォトンを遮断する第二のＫエッジ・フィルタを含めてもよい。

信号同士の間にさらに一層大きいエネルギ分離を提供し得るもう一つの選択肢は、光学装置を異なる加速電位にある別個のターゲットに結合して、各々の加速電位／光学系の組み合わせによって放出されるＸ線によって連続画像を撮影するものである。スペクトル成形は、他の場合ではＣＴ応用又はＸ線回折応用に要求されていた多数回のＸ線検査及び走査手順の実効性を最適化することを容易にするので有利である。多数のエネルギにおける画像の差を考察することに関して議論しているが、標準的な投影方式及び画像方式のエネルギ感知型分解方法を用いて撮像対象の実効原子番号を特定してもよい。

図１３は、例えば計算機式断層写真法（ＣＴ）スキャナのような対象検出システムに用いられる従来の取得システム７００を示す。取得システム７００は、支持構造によって形成されるスキャナ７０２を含んでおり、スキャナ７０２は、以下でさらに詳細に記載されるように、Ｘ線放射線の１又は複数の静止型又は回転式分散型線源（図示されていない）と、１又は複数の静止型又は回転式ディジタル検出器（図示されていない）とを内部に含んでいる。スキャナ７０２は、例えば患者、手荷物、鞄類又は工業部品のような走査対象のためのテーブル７０４又は他の支持体を受け入れるように構成されている。テーブル７０４は、スキャナの開口を移動させられて、撮像系列時に走査される撮像容積又は撮像平面に被検体を適当に配置することができる。

システムはさらに、放射線源制御器７０６、テーブル／ベルト制御器７０８、及びデータ取得制御器７１０を含んでおり、これらの制御器は全てシステム制御器７１２の指示の下に作用し得る。放射線源制御器７０６は、スキャナ７０２の周りの点から反対側の検出器素子へ向けて照射されるＸ線放射線の放出のタイミングを調整し、このことについて以下で議論する。放射線源制御器７０６は、各々の時間的瞬間に分散型Ｘ線源の１又は複数の放出器にトリガを発して、測定投影データの多数の投影又はフレームを作成することができる。幾つかの構成では、例えばＸ線放射線源制御器７０６は、放射線の放出にトリガを順次発してスキャナの周りで測定データの隣接する又は隣接しないフレームを収集することができる。多くのかかるフレームが検査系列において収集されることができ、後述するように検出器素子に結合されているデータ取得制御器７１０が検出器素子から信号を受け取ってこれらの信号を処理して記憶し、また後に画像再構成を施す。１又は複数の線源が回転する後述する構成では、放射線源制御器７０６はまた、分散型線源（１又は複数）が装着されているガントリの回転を指示することもできる。次いで、テーブル／ベルト制御器７０８がテーブル及び被検体を、放射線が放出される平面に、又はここでの状況では一般に被撮像容積の内部に、適当に配置する。テーブルは、用いられている撮像プロトコルに依存して、撮像系列と撮像系列との間に又は幾つかの撮像系列にわたって変位され得る。また、１又は複数の検出器又は検出器区画が回転する後述する構成では、データ取得制御器７１０は、検出器（１又は複数）が装着されているガントリの回転を指示することもできる。

システム制御器７１２は一般的には、放射線源制御器７０６、テーブル制御器７０８及びデータ取得制御器７１０の動作を調整する。このように、システム制御器７１２は、Ｘ線放射線の放出にトリガを発し、またシステム制御器によって画定されている撮像系列時にかかる放出を調整することを放射線源制御器７０６に行なわせることができる。システム制御器はまた、特定の関心のある容積に対応して、又は螺旋モードのような様々な撮像モードにおいて測定データを収集するように、かかる放出と協調したテーブル／ベルトの移動を調整することができる。また、システム制御器７１２は、線源（１又は複数）、検出器（１又は複数）、又は両方が装着されているガントリの回転を調整する。システム制御器７１２はまた、データ取得制御器７１０によって取得されたデータを受け取って、データの記憶及び処理を調整する。

これらの制御器、また実際には本書に記載される様々な回路は、ハードウェア回路、ファームウェア又はソフトウェアによって画定され得ることに留意されたい。例えば撮像系列のための特定のプロトコルは一般的には、システム制御器によって実行されるコードによって画定される。また、スキャナによって取得される測定データに要求される初期処理、調節、フィルタ処理、及び他の動作が、図１３に示す構成要素の１又は複数において実行され得る。例えば、後述するように、検出器素子はデータ取得検出器のピクセルに対応する位置に配置されているフォトダイオードの電荷の消耗を表わすアナログ信号を発生する。かかるアナログ信号は、スキャナの内部の電子回路によってディジタル信号へ変換されて、データ取得制御器７１０へ送信される。この点において部分的処理が生じてもよく、信号は最終的には、システム制御器へ送信されてさらなるフィルタリング及び処理を施される。加えて、制御器は、別個の実体として具現化されてもよいし、単体のハードウェア、ファームウェア又はソフトウェアとして含まれていてもよい。

システム制御器７１２はまた、操作者インタフェイス７１４及び１又は複数のメモリ装置７１６に結合されている。操作者インタフェイスは、システム制御器と一体化されていてもよく、一般的には、撮像系列を初期化したり、かかる系列を制御したり、撮像系列時に取得された測定データを操作したりするための操作者ワークステーションを含んでいる。メモリ装置７１６は、イメージング・システムに対してローカルに位置していてもよいし、部分的に又は完全にシステムから遠隔に位置していてもよい。このように、撮像装置７１６は、ローカルの磁気式又は光学式メモリを含んでいてもよいし、再構成のための測定データを格納するローカル又は遠隔の貯蔵体を含んでいてもよい。また、メモリ装置は、再構成のための処理前の測定データ、部分的処理を施した測定データ又は完全な処理を施した測定データの何れを受け取るようにも構成され得る。

システム制御器７１２若しくは操作者インタフェイス７１４、又はあらゆる遠隔システム及びワークステーションは、画像処理及び再構成のためのソフトウェアを含み得る。当業者には認められるように、ＣＴ測定データのかかる処理は、多くの数学的なアルゴリズム及び手法によって実行され得る。例えば、従来のフィルタ補正逆投影手法を用いて、イメージング・システムによって取得されるデータを処理して再構成することができる。他の手法、及びフィルタ補正逆投影と共に用いられる手法を採用してもよい。一例では、回折解析を実行して、対象の結晶構造、組成、及び応力／歪の少なくとも一つを識別する。

イメージング・システムからかかる遠隔処理ステーション、観察用ステーション、又はメモリ装置へデータを送信する遠隔インタフェイス７１８がシステムに含まれていてもよい。

幾つかの実施形態では、回転ターゲット又は静止ターゲットのようなターゲット７２４（図１２を参照されたい）を計算機式断層写真法システムに用いることができる。ターゲット７２４は、単一のターゲット焦点スポット又は複数のターゲット焦点スポット７２５を含んでいる。さらに、ターゲット７２４は少なくとも一つのＸ線透過窓を含む真空筐体（図示されていない）に封入される。ターゲット７２４は、ターゲット焦点スポット７２５が窓の一つの光学的に連絡して配置されるように、回転され得る。ターゲット７２４のターゲット焦点スポット７２５は、ターゲットへ向けて加速される電子から発生され、電子は１又は複数の電子放出器から放出される。

上に述べた勾配付き多層光学装置装置１７２、２００、２１０、２１５、４００、４５０、５７０、６００及び６２０の任意のものが、上述の勾配付き多層区画構成の１又は複数を含むことができ、さらに勾配付き多層光学装置の中心層又はコア層が高屈折率物質又は低屈折率物質を含むことができ、光学装置の外側層が低屈折率物質を含み得ることが当業者には認められよう。また、本書に開示される様々なコア構成及び光学装置の実施形態は、円形断面又は平面状の断面を含むが、本発明の範囲から逸脱することなくＸ線ビーム放射線の方向転換を生成するために任意のコア形状及び光学装置構成を用い得ることを理解されたい。

勾配付き多層光学装置は、あらゆる現在のＣＴイメージング・システムに存在しているＸ線束利用率と再構成の複雑さとの間のトレードオフを軽減し又は解消するので有利である。例えば、勾配付き多層光学装置は、Ｘ線束利用率と再構成の複雑さとの間のトレードオフを、２Ｄ再構成原理を採用し得るトポロジを提供しつつ焦点スポットからの利用可能なＸ線束をさらに高い百分率で用いる手段を設けることにより軽減する。この成果を達成するためには、幾つかの勾配付き多層光学装置を用いて利用可能なＸ線を収集して方向転換させ、平行ファン・ビームの積層体（不連続又は連続的）にする。結果として、適当な画質を得るために相対的に単純な２Ｄ再構成原理を用いつつ、高い線束利用率を達成することができる。勾配付き多層光学装置は、コーン・ビーム再構成アーティファクトを解消することにより高分解能高スループット・システムのための再構成方策を著しく単純化する。これらの光学系はまた、長手方向での拡大の問題が解消するため所定の対象のカバー範囲に必要とされる検出器の大きさを小さくすることにより検出器の費用を抑える。さらに単純でさらに正確な２Ｄ再構成を可能にする平面状の標本化幾何学的構成を確立することに加えて、光学系のアレイが、スペクトル形状、ビーム・スポットの光学的寸法、及びマルチ・スライス・アレイの内部の全ての検出器素子に対するビーム・スポットの位置を一様で一貫したものとし、従来の単一スポット広角ＣＴシステムに特徴的なこれらのパラメータのばらつきを小さくする。結果として、次世代の設計はこれらの利点の影響を享受する。利用可能なＸ線フォトンの利用率が高まると、管の寿命も長くなる。Ｘ線フォトンのより多くのものが撮像に利用可能になるので、アノードに衝突する電子ビームの電流を低減することができる。この効果によって、ターゲットの熱サイクルを減少させ、より単純な冷却方式を可能にし、またさらに長い管寿命を提供する。

以上ではＣＴ撮像の状況において議論したが、利用可能なＸ線フォトンの利用率が高まること及びターゲットの熱サイクルが減少することのような多層Ｘ線光学装置の利点は、Ｘ線撮像、トモシンセシス撮像及びＸ線回折撮像にも同等に当てはまる。

この書面の記載は、発明を開示し、また任意の装置又はシステムを製造して利用すること及び任意の組み込まれた方法を実行することを含めてあらゆる当業者が本発明を実施することを可能にするように実例を用いている。特許付与可能な発明の範囲は特許請求の範囲によって画定されており、当業者に想到される他の実例を含み得る。かかる他の実例は、特許請求の範囲の書字言語に差しない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の書字言語と非実質的な差を有する等価な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあるものとする。

１００：単一の勾配区画
１０２：第一の層
１０４：第Ｎの層
１０６：第二の層
１０８：第（Ｎ−１）の層
１１０：勾配帯
１１２：フォトン
１１４：臨界角
１１６、１１８、１２０、１２２：境界面
１４０：単一の勾配付き多層区画
１４２：高屈折率層
１４４：低屈折率層
１５２、１５４、１５６：複数の勾配層
１５８：勾配帯
１６２：第一の反射面
１６４：第二の反射面
１６６：第三の反射面
１６８：第四の反射面
１７０：Ｘ線放射線源
１７２：発散性Ｘ線放射線ビーム
１７２−０、１７２−１、１７２−２、１７２−３、１７２−４：発散性Ｘ線ビームレット
１７４：方向転換区画
１７６：コリメーション区画
１７８：コリメートされたビーム
１７８−０、１７８−１、１７８−２、１７８−３、１７８−４：Ｘ線ビームレット
１８２ａ、１８４ａ、１８６ａ：初期反射点
１８２ｂ、１８４ｂ、１８６ｂ：最終反射点
２００：光学装置
２０６：高屈折率層
２１０：さらに大型の光学装置
２１５：方向転換区画
２１２−１、２１２−Ｎ：複数の多層帯
２４４：コア層
２４８：平坦面
２６０：光学装置
２６２−１、２６２−Ｎ：複数の多層帯
４００：光学装置
４０２：勾配帯
４１４、４１６、４１８：彎曲した反射境界面
４５０：光学装置
４５２：第一の方向転換区画
４５４：包囲されたコリメーション区画
４５６：第二の方向転換区画
４６２：低屈折率層
４７０：勾配付き多層光学装置
４７２：ファン形ビーム
４７４：一次元アレイ
４７６：円形断面光学系
４７４：円形断面光学系のアレイ
４７６：円形断面光学系
４７８：不連続な円筒形ビーム
５７０：勾配付き多層物質積層体
５７２−１、５７２−２：勾配付き多層区画
５７４：高屈折率層
５７６：低屈折率層
５８０：高反射率勾配帯
５８２：第一の勾配層
５８４：第二の勾配層
５８６：第三の勾配層
５９２：高屈折率勾配層
５９４：第二の高屈折率勾配層
６００：勾配付き多層物質積層体
６０２−１、６０２−２：多層区画
６０４：勾配帯
６０４−１、６０４−２、６０４−３：勾配層
６１２、６１４、６１６、６１８：勾配副次層
６２０：勾配付き多層物質積層体
６２２−１、６２２−２、６２２−Ｎ：勾配付き多層区画
６２４：勾配帯
６２４−２：複合勾配層
６２６、６２７：低屈折率層
７００：取得システム
７０２：スキャナ
７０４：テーブル
７０６：放射線源制御器
７０８：テーブル制御器
７１０：データ取得制御器
７１２：システム制御器
７１４：操作者インタフェイス
７１６：メモリ装置
７１８：遠隔インタフェイス
７２４：ターゲット
７２５：焦点スポット
７３３、７３４：Ｘ線

Claims (2)

1. １又は複数のファン形ビームを発生する多重エネルギＸ線イメージング・システムであって、
   電子発生源と、
   該電子発生源からの電子により衝突されるとＸ線を形成するターゲットと、
   該ターゲットを収容する真空室と、
   前記Ｘ線が前記真空室を出るときに通る窓と、
   前記１又は複数のファン形ビームを発生するのに望ましい範囲のＸ線エネルギを伝達するように構成されている少なくとも一つの勾配付き多層光学装置と
   を備えており、該少なくとも一つの勾配付き多層光学装置は、
   全反射を通じて第一の光学Ｘ線を方向転換させる第一の光学部分と、
   前記第一の光学Ｘ線とは異なる平均エネルギ・レベルにある第二の光学Ｘ線を方向転換させる第二の光学部分と
   を含んでおり、
   前記第一の光学部分は、高い平均エネルギのスペクトルを発生するように構成されており、
   前記第二の光学部分は、低い平均エネルギのスペクトル向けに構成されており、
   前記第一の光学的エネルギ・スペクトルの前記平均エネルギは、前記第二の光学的エネルギ・スペクトルの前記平均エネルギ以上である、多重エネルギＸ線イメージング・システム。
2. 対象を撮像する方法であって、
   少なくとも一つの電子ビーム放出器から少なくとも一つのターゲット焦点スポットを有するターゲットへ向けて電子ビームを放出するステップと、
   前記電子ビームにより衝突されるのに応答して前記ターゲットからＸ線を発生するステップと、
   前記Ｘ線を１又は複数のファン形ビームとして形成するステップであって、該ファン形ビームは、当該１又は複数の勾配付き多層光学装置の少なくとも一つが前記少なくとも一つのターゲット焦点スポットと光学的に連絡するように配置されている１又は複数の勾配付き多層光学装置を通じた前記Ｘ線の全反射を介して発生される、形成するステップと、
   前記１又は複数の勾配付き多層光学装置を介して伝達される前記放出Ｘ線を用いることにより前記対象の画像を形成するステップと
   を備え、
   前記第一の光学部分は、高い平均エネルギのスペクトルを発生するように構成されており、
   前記第二の光学部分は、低い平均エネルギのスペクトル向けに構成されており、
   前記第一の光学的エネルギ・スペクトルの前記平均エネルギは、前記第二の光学的エネルギ・スペクトルの前記平均エネルギ以上である、
   方法。