JPH0560702A - X線を用いた断層像撮像方法及び装置 - Google Patents

X線を用いた断層像撮像方法及び装置

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JPH0560702A
JPH0560702A JP3223958A JP22395891A JPH0560702A JP H0560702 A JPH0560702 A JP H0560702A JP 3223958 A JP3223958 A JP 3223958A JP 22395891 A JP22395891 A JP 22395891A JP H0560702 A JPH0560702 A JP H0560702A
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JP3223958A
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Masaki Hasegawa
Takeshi Ninomiya
健 二宮
正樹 長谷川
Original Assignee
Hitachi Ltd
株式会社日立製作所
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 X線を用いた断層像撮像装置における解像度
を向上する。 【構成】 X線を発生するX線源1からのX線をX線集
光用光学手段2によって集光し発散X線源を作る。被測
定試料3を中心軸の回りに回転及び上記中心軸に沿って
移動する移動する制御装置6と、X線を検出する検出器
5及び検出器5の出力及び上記被測定試料の位置情報を
もとに被測定試料3のX線断層像を構成するための解析
演算処理を行うデータ処理装置7とを備えた。 【効果】 X線を用いた断層像撮像装置のX線源をX線
集光用光学手段2によって極めて小さくしたので、1μ
m以下の解像度が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はX線用いた断層像撮像方
法及び装置、更に詳しくいえば、X線を被測定試料に照
射し、試料からの透過X線又は蛍光X線を解析し、試料
の断層像等を得る非破壊3次元分析に好適な断層像撮像
方法及び撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、半導体素子、ディスク材料の研究
開発分野では、微小試料の非破壊3次元分析が要求され
ている。一方、従来の非破壊3次元分析方法としては、
X線CT法(コンピュータ断層診断法)がある。X線C
T法では、試料の平面内に多方の角度からX線を照射し
て、透過X線や蛍光X線の強度分布を測定する。この強
度分布から、数学的変換(積分変換)を用いて、X線照
射平面内での試料の断層像を得る。さらに、X線照射平
面を替えながら断面像を得ることにより、試料内の3次
元像の観測ができる。
【0003】X線CT法に関しては、例えば、ジェー・
シー・エリオット等:マイクロトモグラフィーの生物学
への応用、「X線顕微鏡II」、ディー・セイヤー等編著
(シュプリンガー・フェアラーク、ニューヨーク、19
88年)、3349頁(J.C.Elliot et
al:Biological Application
ofMicrotomography,in X−
rayMicccroscopy II,D.Sayre
et al.eds.(Springer−Verl
ag,New York,1988)に詳しく記載され
ている。
【0004】上記従来知られているX線CT法では、照
射X線が並行である並行X線ビームが用いられている。
この場合、X線CT法の空間分解能は主にX線検出器の
エレメントで決定され、その空間分解能は数10〜10
μm程度である。一方、高い空間分解能を目指したX線
CT法としては、微小X線源を用いた発散光トモグラフ
ィがある(青木貞雄等、第51回応用物理学会学術講演
会予稿行集(応用物理学会、岩手、1990年)、28
p−Y−2、500頁)。この方法では、試料は発散X
線源の近傍に設置され、発散X線を用いてX線検出器上
に拡大投影される。ここで、発散X線源は、図1に示す
ように、電子銃からの電子線を電子レンズで収束してタ
ーゲット上に照射する微小焦点X線発生装置で作られ
る。この方法での断面像の面分解能は数μm程度であ
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、X
線CT法は有効かつ非破壊3次元分析法である。しかし
その空間分解能は、発散X線を用いたX線CT装置にお
いても、現状では数μm程度にとどまっている。従来の
発散X線源を用いたX線CT装置において発散X線を得
る方法は、電子線を集束してX線を発生するターゲット
に照射する方法である。しかし、この方法で得られる微
小X線源の直径は5μm程度であり、それ以上電子線を
集束してもターゲット材内での電子線の散乱やターゲッ
トの熱損傷のため、数μm以下の大きさを有する高輝度
X線源は得られない(輝度に関する要求は、測定の高速
化と信頼性の観点から発生する)。
【0006】これに対し、先に述べた半導体素子、発散
ディスク材料研究開発分野で要求される分解能は、数1
00〜数10nm領域にある。従って、従来のX線CT
法は、半導体素子、ディスク材料研究開発分野の要求に
対応することは不可能である。本発明の目的は、高い空
間分解能を有し、かつ非破壊3次元分析が可能なX線を
用いた断層像撮像方法及び装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のX線を用いた断層像撮像方法は、X線源か
らのX線を集光手段により集束し、集束した点(発散X
線源と略称)からのX線を発散X線として用いる。上記
発散X線源を被測定試料の近くに配置し、被測定試料を
設置した回転軸の回りに一定角度ずつ回転させながら、
被測定試料に発散X線を照射し、その透過X線又は被測
定試料から発生する蛍光X線を上記一定角度の回転ごと
に検出器で検出する。この検出信号に数学的変換(例え
ば積分変換)の演算処理をコンピュータ等のデータ処理
手段で施すことで、X線照射面での試料の断面像を得
る。すなわち、発散ビームトモグラフィーを行う。発散
X線又は被測定試料を移動することによって、被測定試
料のX線照射面内の位置を変えながら上記操作を繰り返
すことにより、3次元での断層像を得ることができる。
上記集光手段は、透過・回折型光学素子又は反射型光学
素子、あるいは透過・回折型光学素子又は反射型光学素
子を組み合わせて構成する。
【0008】
【作用】上述のように、従来のX線CT法の空間分解能
は数μm程度である。発散X線を用いる場合の空間分解
能は、以下に述べるように、主にX線源の大きさで決ま
る。光源(発散X線源)の大きさ(直径)をa、光源か
ら試料までの距離をd、試料から検出器までの距離をL
で表す。検出器が試料から十分離れていると仮定する
と、この系の空間分解能は、試料の半影ぼけで決定され
る。この半影ぼけの大きさΔxは次式で与えられる。 Δx=(aL)/(d+L) ここで、d≪Lとすれば、Δx≒aが得られる。前述の
ように、求められるX線CTの空間分解能は数100〜
数10nmである。このような高分解能を達成するため
には、上記式で述べた説明から分かるように、発散X線
源の大きさaを小さくすればよい。
【0009】本発明では、発散X線源をX線集光用光学
素子を用いてを形成している。X線集光用光学素子とし
ては、μm以下の領域への集光が可能な(すなわち、μ
m以下の大きさの発散X線源が得られる)低収差光学素
子を用いる。具体的には、ゾーンプレート等の透過、回
折型光学素子、あるいはウォルター型反射鏡、カークパ
トリック.ベッツ型反射鏡、シュバルッシルド型反射鏡
等の反射光学素子を用いる。更に、これら集光用光学素
子を複数個組み合わせた光学手段でもよい。また、発散
X線源の輝度をより一層高めるために、反射光学素子上
に多層膜を形成してもよい。
【0010】以上述べたように、本発明では、低収差光
学素子もしくは光学手段を用いて、発散X線光源の縮小
像を作り、微小なX線源を形成する。このため、電子線
を用いる従来法でみられる問題点、すなわち、ターゲッ
ト材の熱損傷やターゲット中での電子線の散乱等の問題
は起こりえない。また、先に述べた光学素子は、すべて
μm以下の領域への集光が可能な光学素子である。この
結果、本発明では、μm以下の大きさを有する微小X線
源の形成が可能となり、X線CT法の空間分解能を飛躍
的に向上させることができる。
【0011】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。 実施例1 図2は、本発明によるX線断層像撮像装置の第1の実施
例の構成を示すブロック図である。X線源1で発生した
X線は光学手段2を用いて集光される。ここでX線源1
は従来と同様に、ターゲットに電子線を照射するX発生
手段を用いる。光学手段2は先に述べたX線集光用光学
手段で構成され、1μm以下の領域に対してもX線の集
光が可能な光学手段である。この集光によりX線源1の
縮小像を被測定試料3の直前に形成する。被測定試料3
は試料台4の上に設置されている。試料台4はその中心
軸の回りに一定角度づつ回転する。さらに、回転軸に沿
った方向(図1では紙面に垂直な方向)に微小ステップ
で移動される。これら回転や移動は制御装置6で制御さ
れる。被測定試料3を透過したX線は検出器5を用いて
検出される。検出器5の設置位置はX線の集光点と試料
3との距離dに比べ、試料3と検出器5の設置位置との
距離Lが十分長くなるように決定される。
【0012】検出器5は、フォトダイオードアレイやC
CD、位置読出し型マイクロチャネルプレートに代表さ
れるような素子で構成されている。検出器5からのX線
検出信号は、データ処理装置7に入力される。また、試
料台4の回転や移動に対応した位置情報を表す信号も、
制御装置6からデータ処理装置7に入力されている。こ
の結果、データ処理装置7では、試料3の(例えば光軸
に対する)角度、位置と、この角度、位置に対するX線
検出信号とが対になって記憶される。データ処理装置7
において、これら記憶されたデータに必要な数学的変換
(たとえば積分変換)の演算処理が施され、試料3の3
次元CT像を得ることができる。ここで、試料台4の回
転や移動はパルスモータやピエゾ素子でコントロールさ
れている。回転や移動の具体的数値に関しては、たとえ
ば試料台4は、1秒ごとの回転、10nm毎の移動が可
能である。
【0013】本実施例は、試料3によるX線の吸収を基
にCT像を構成する実施例である。この方法では、以下
のようにして元素別のCT像を求めることができる。ま
ず、波長λ1を有するX線を用いて試料3のCT像を求
める。次に、X線の波長を変え、波長λ2のX線を用い
て試料3のCT像を求める。この時、波長λ1とλ2を目
的とする元素の吸収端の両側(長波長側と短波長側)で
選ぶようにする。このように波長を選んだ場合、上記2
つのCT像の差をとることにより、目的とする元素に関
するCT像を得ることができる。これらの2つのCT像
の差をとるデータ処理はデータ処理装置7で行われる。
本実施例によれば、集光用光学手段2を用いて微小な発
散X線源を作ることができるため、X線CT像の空間分
解能が向上する。さらに、X線吸収端を利用してCT像
を構成できるため、元素別のCT像を得ることができ
る。この結果、試料3の非破壊、高空間分解能の3次元
分析像が得られる。
【0014】実施例2 図3は本発明による発散X線を用いた断層像撮像装置の
第2の実施例の構成を示すブロック図である。本実施例
は、蛍光X線を用いて元素分析を行うものである。即
ち、発生する蛍光X線は試料を構成する元素によって異
なった波長の蛍光X線を発生するので、元素ごとの断層
像を得る場合に有効である。X線源1の前にアパーチャ
8が設置されている。このアパーチャ8はX線源1の大
きさを制御するためのアパーチャである。アパーチャ8
を透過したX線は、集光用光学手段2により集光され、
発散X線源を形成する。実施例1と同じく、X線の集光
点の直後に被測定試料3が設置されている。この集光X
線の照射により試料3で発生した蛍光X線が、指向性を
有するX線検出器10で検出される。
【0015】なお、X線検出器10に指向性が要求され
る理由は、試料3で発生したした蛍光X線の位置を特定
するため、蛍光X線を励起した発散X線源からのX線と
同一方向の成分のみを検出するためである。X線検出器
10としては、例えば、複数のアパーチャもしくはスリ
ットをX線検出面前方に配置した検出器でよい。X線検
出器10は、上記X線の集光点を回転軸として、移動機
構11を用いて矢印で示したごとく紙面内で部分的に回
転移動を行うことができる。この結果、上記蛍光X線の
強度分布を得ることが可能である。移動機構11はコン
トローラ12で制御されている。
【0016】蛍光X線を用いて元素分析を行うために
は、蛍光を分析する必要がある。本実施例では、分光フ
ィルタ9を用いてこの分析を行う。分光フィルタ9とし
ては、有機物や金属の薄膜(厚み10nm〜数mm)が
都合がよい。さらに精密に分光を行う必要がある場合に
は、この分光フィルタ9を取り去り、(複数のアパーチ
ャもしくはスリットを備えて指向性を持たせた)固体X
線検出器(SSD)やX線分光器を用いればよい。
【0017】本実施では、試料台4を用いて試料3を一
定角度ずつ回転させ、その回転毎にX線検出器10を端
から端まで移動させて蛍光X線の強度分布を測定する。
このようにして得られた試料3の角度、位置と蛍光X線
の強度分布のデータセットをもとに、実施例1と同じデ
ータ処理方法を用いて、試料3の元素別のCT像を得る
ことができる。さらに、アパーチャ8を用いて光源の大
きさを変えることができるため、集光X線のビームをよ
り小さくできる。すなわち微小な発散X線源を形成する
ことができる。この結果、より高空間分解能でCT像を
得ることができる。
【0018】実施例3 図4は本発明によるX線断層像撮像装置の第3の実施例
の構成を示すブロック図である。第1及び第2の実施例
では、集光用光学手段2の中心軸上に試料3が設置され
ていた。しかし、このような配置が不適当な場合もあり
うる。例えば、X線の集光にウォルター型反射器を用い
る場合がこれに相当する。図4に示す実施例はこのよう
な場合の一例である。光源1からのX線は光学手段13
を用いて集光されている。図では、X線の集光に光学手
段13の一部分が使用されるように描かれているが、光
学手段13の全体を用いてX線を集光してもよい。試料
3及び試料台4は、光学手段13の中心軸よりずれて配
置されている。このような条件にあてはまる光学手段も
しくは光学素子としては、ウォルター型反射鏡やカーク
パトリック.ベッツ型反射鏡がある。その他の部分の構
成動作は実施例1と同じであるので、同一部分には同一
記号を付して説明を省く。
【0019】図5は、集光用光学手段13としてウォル
ター型反射鏡を用いた場合のX線集光の様子示す。ウォ
ルター型反射鏡はx−y平面において、楕円面14を持
つ反射鏡16と双曲面15を持つ反射鏡17を持つ複合
面で構成され、図示のように、X線源1及び試料3を配
置する。楕円面14と双曲面15を組み合わせることに
より、収差が少なく反射率の高い光学系が実現される。
【0020】図6は、集光用光学手段13としてカーク
パトリック・ベッツ型反射鏡を用いた場合のX線集光の
様子示す。カークパトリック・ベッツ型反射鏡もウォル
ター型反射鏡と同様に収差が少なく反射率の高い光学系
である。反射鏡18、18’の反射面に不当間隔の溝を
形成することにより、更に収差を低減することができ
る。
【0021】実施例4 図7は本発明によるX線断層像撮像装置の第4の実施例
の構成を示すブロック図である。本実施例は、X線CT
像の空間分解能を更に高めるための実施例である。X線
CT像の空間分解能を更に高めるためには、より微小な
X線源を作る必要がある。このためには実施例2におい
て示したように、光源1の全面にアパーチャ8をおいて
光源の大きさを変えてもよいし、あるいは光学手段の縮
小率を更に高めてもよい。図7に示された実施例では後
者の方法を採用している。光源1からのX線は、光学手
段19を用いてアパーチャ21上に集光されている。こ
の集光により、光源1の縮小像がアパーチャ21上に形
成される。この縮小像を光学手段20を用いて更に縮小
して、試料3の直前により微小なX線源を形成する。こ
のように複数の光学手段を用いて多段縮小光学手段を構
成することにより、より小さな微小X線源を作ることが
可能である。その他の部分は実施例1と同じである。本
実施例の特長は複数の光学手段を用いてより高い縮小率
を得ることである。用いる光学手段の数や配置方法は、
目的に応じて変更可能である。本実施例では、多段縮小
光学手段を用いているため、より微小なX線源を作るこ
とが可能である。この結果、X線CT像の空間分解能が
向上する。
【0022】実施例5 図8は本発明によるX線断層像撮像装置の第5の実施例
の構成を示すブロック図である。実施例2では、試料3
の一定角度の回転毎に、移動機構11を用いて検出器1
0を端から端まで移動させて蛍光X線の強度分布を測定
していた。しかし、検出器10を移動させながら蛍光X
線の強度分布を測定するため、測定時間がかかる。図5
に示した実施例は、蛍光X線観測において測定時間の短
縮を目的としたものである。
【0023】指向性を有するX線検出器22を多数配置
して検出器装置23を構成している。ここで、X線検出
器22は、例えば、複数のアパーチャもしくはスリット
をその前面に配置したフォトダイオードや固体X線検出
器でよい。この検出装置23はコントローラ24で制御
されている。検出器装置23からの蛍光X線検出信号
は、コントローラ24を介してデータ処理装置に入力さ
れる。その他の部分は実施例2(図2)と同じである。
本実施例によれば、指向性を有するX線検出器を多数配
置した検出器システムを用いて蛍光X線を検出するた
め、迅速にX線CT像を得ることができうる。
【0024】X線を用いて断層像を得る場合、試料に照
射するX線の(紙面内)強度分布が問題になること多
い。このような場合、試料3をX線が照射されない位置
まで待避させて、検出器5もしくはX線検出器10で入
射X線強度を測定して、この測定結果をもとに、X線光
路途中に試料3が挿入された場合の測定結果を補正す
る。この試料3の待避機構や補正のためのデータ処理方
法、装置の本発明に含まれる。
【0025】
【発明の効果】本発明によれば、X線集光、縮小光学手
段を用いて微小な発散X線源を形成し、このX線源から
の発散X線を用いてX線CTを行うことができる。この
結果、非破壊かつ高分解能で3次元分析像を得ることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の発散X線源の構成を示す図である。
【図2】本発明によるX線断層像撮像装置の第1の実施
例の構成を示すブロック図である。
【図3】本発明によるX線断層像撮像装置の第2の実施
例の構成を示すブロック図である。
【図4】本発明によるX線断層像撮像装置の第3の実施
例の構成を示すブロック図である。
【図5】本発明によるX線断層像撮像装置の第3の実施
例に使用される集光用光学手段13としてウォルタ型反
射鏡を用いた場合のX線集光の様子を示す図である。
【図6】本発明によるX線断層像撮像装置の第3の実施
例に使用される集光用光学手段13としてカークパトリ
ック・ベッツ型反射鏡を用いた場合のX線集光の様子を
示す図である。
【図7】本発明によるX線断層像撮像装置の第4の実施
例の構成を示すブロック図である。
【図8】本発明によるX線断層像撮像装置の第5の実施
例の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1…X線源、 2…光学手段、
3…試料、 4…試料台、5…検出器、
6…御装置、7…データ処理装置、
8…アパーチャ、9…光フィルタ、
10…X線検出器、11…移動機構、
12…コントローラ、13…光学手
段、 19…光学手段、20…光学
手段、 21……アパーチャ、22…X線検出器、
23…検出装置、24…コントローラ。

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 発散X線を被測定試料に照射し、上記被
    測定試料を透過したX線を検出し解析演算することによ
    り上記被測定試料の断層像を得る方法において、X線源
    からの発散X線を集光手段により集束し、集束した点か
    らのX線を発散X線として用いるX線を用いた断層像撮
    像方法。
  2. 【請求項2】 被測定試料に含まれる元素のX線吸収端
    近傍でのX線吸収係数の変化を利用して、上記被測定試
    料の元素別の断層像をえる請求項1記載のX線を用いた
    断層像撮像方法。
  3. 【請求項3】 被測定試料に含まれる元素の化学結合状
    態の差異によるX線吸収端の化学シフトを利用して、化
    学結合状態別の断層像をえる請求項1記載のX線を用い
    た断層像撮像方法。
  4. 【請求項4】 X線吸収端より短波長側のX線及び長波
    長側のX線を用いてそれぞれ独立にX線断層像を構成
    し、これらの断層像の差をとることにより被測定試料の
    X線断層像を得る請求項2又は3記載のX線を用いた断
    層像撮像方法。
  5. 【請求項5】 X線を被測定試料に照射し、上記被測定
    試料から発生する蛍光X線を検出し、解析演算すること
    により上記被測定試料の断層像を得る方法において、上
    記X線として、X線源からのX線を集光手段により集束
    し、集束したX線が上記被測定試料に当たるようにした
    ことを特徴とするX線を用いた断層像撮像方法。
  6. 【請求項6】 請求項5記載の断層像撮像方法におい
    て、上記蛍光X線を分光して、元素もしくは化学結合状
    態別のX線断層増を得ることを特徴とするX線を用いた
    断層像撮像方法。
  7. 【請求項7】 上記被測定試料に入射するX線の強度分
    布を補正してX線断層像を得る請求項1ないし6のいず
    れかに記載のX線を用いた断層像撮像方法。
  8. 【請求項8】 X線を発生するX線源と、上記X線を集
    光するX線集光用光学手段と、被測定試料を中心軸の回
    りに回転及び上記中心軸に沿って移動する移動する手段
    と、X線を検出する検出手段及び上記検出手段の出力及
    び上記被測定試料の位置情報をもとに上記被測定試料の
    X線断層像を構成するための解析演算処理を行うデータ
    処理装置とを備えたX線断層像撮像装置。
  9. 【請求項9】 請求項8記載の装置において、上記検出
    手段が上記被測定試料を透過したX線を検出する検出器
    で構成されたX線断層像撮像装置。
  10. 【請求項10】 請求項9記載の装置において、上記X
    線を発生するX線源が波長が異なる複数種のX線を発生
    するように構成され、上記データ処理装置が上記複数種
    のX線を用いて得られた2つのX線断層像の差をとるた
    めのデータ処理手段を備えたX線断層像撮像装置。
  11. 【請求項11】 請求項8記載の装置において、上記検
    出手段が上記被測定試料を照射したときに発生する蛍光
    X線のうち上記X線の照射方向のみの蛍光X線を検出す
    る指向性を持つ検出器で構成されたX線断層像撮像装
    置。
  12. 【請求項12】 請求項11記載の装置において、上記
    検出手段が上記X線の照射方向のみの上記蛍光X線のみ
    を検出する複数個の検出器を配置して構成されたX線断
    層像撮像装置。
  13. 【請求項13】 請求項11又は12記載の装置におい
    て、更に上記蛍光X線の分光手段を備えたX線断層像撮
    像装置。
  14. 【請求項14】 請求項13記載の装置において、上記
    分光手段が光学フィルタで構成されたX線断層像撮像装
    置。
  15. 【請求項15】 請求項8乃至14のいずれかに記載の
    装置において、上記X線集光用光学手段が透過・回折型
    光学素子又は反射型光学素子、あるいは透過・回折型光
    学素子又は反射型光学素子を組み合わせたて構成された
    X線断層像撮像装置。
  16. 【請求項16】 請求項8乃至15のいずれかに記載の
    装置において、上記X線集光用光学系がゾーンプレー
    ト、ウォルター型反射鏡、カークパトリック・ベッツ型
    反射鏡、シュバルツシルド型反射鏡のいずれか1つ以上
    を用いて構成されたX線断層像撮像装置。
  17. 【請求項17】 請求項15に記載の装置において、上
    記被測定試料に入射するX線の強度分布を補正手段を備
    えたX線断層像撮像装置。
  18. 【請求項18】 請求項11又は12に記載の装置にお
    いて、上記蛍光X線の受光面の前面に複数のアパーチャ
    又はスリットが設置されたX線断層像撮像装置。
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