JPS63177048A - 光不透明試料を撮像するための装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 この発明は、光不透明試料を介して放射線を透過するこ
とにより光不透明試料を撮像することに関するものであ
る。試料は先革透明であるので、透過される放射線はＸ
線のような短い波長の放射線のビームまたは電子もしく
は中性子のような粒子放射線のビームの形をとり、この
ような放射線は以下で“透過性放射線“と呼ばれる。

発明の背景 前記のように、少なくとも一部、光不透明試料を介して
透過される、透過性放射線のエネルギビームを撮像され
るスクリーンで作られる可視像を検出するのにＴＶ左カ
メラ用いられる装置は既知である。

たとえば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）においては、エ
ネルギ電子が加速され、かつ試料に焦点合わせされる。

試料を通過するエネルギ電子は、電子がそれを打撃する
とき光を放出するシンチレーションスクリーンに再度撮
像される。光信号は、典型的にはシンチレーションスク
リーンに結合されたＴＶ左カメランズにより、従来通り
撮像される。高い解像度を達成するために、ビーム内の
電子は高いエネルギに加速される必要がある。その結果
、試料により吸収される電子は、そのかなりの運動エネ
ルギを試料材料に移し、それが加熱するようにされる。

多くの応用では、ＴＶ左カメラ上適当な像を与えるのに
必要なビーム電流により生じられる加熱は、像の品質お
よび得られる結果に妥協するだけでなく、しばしば完全
に試料を破壊する試料損傷をもたらす。

ｘｌ像の状態は、非常に似ている。Ｘ線源は、試料を通
過するＸ線の点源を作る。実際の目的のためのＸ線は焦
点合わせされ得ず、そのためすべての像は実際に試料の
簡単な影の像である。影の像は、像に適当に結合される
ＴＶ左カメラより＋’１度検出される可視像を作るよう
にＸ線感光フィルムのシートまたは螢光スクリーン上に
落ちる。電子ビームの場合、Ｘ線ビームの損傷はＸ線を
用いて検査され得る試料の線順に重要な制限を課す。

米国特許第４５０３４６０号はＸ線診断配置を開示し、
そこでは試料を通過するＸ線がＸ線イメージインテンシ
ファイヤにより受取られる。高電圧を与えることにより
、イメージインテンシファイヤは、入力像の強度と比較
して増幅されかつ強化される螢光出力スクリーン上に光
の像を作る。

増圧器出力は、複数個のレンズにより、たとえばベルチ
ェ素子により冷却され得る、ＣＣＤイメージコンバータ
のような半導体イメージセンサに光学的に結合される。

イメージセンサの出力はビデオ信号に変換され、それは
ＴＶフレーム速度で、すなわち実時間で読出されかつ表
示される。イメージインテンシファイヤの利用は信号強
度を増加するが、信号に雑音を加えるという効果もまた
有し、そのため最終的な像の品質に妥協する。さらに、
動作するのに何キロボルトもの電圧が必要なイメージイ
ンテンシファイヤは信号過負荷から損傷を与える傾向が
あり、かつ幾何学的忠実度が乏しく、その視野の端縁で
３０％までの歪みを与える。それらはまた、かなり不充
分なダイナミックレンジしか有さない。

この発明の狙いは、これまで可能であったものより優れ
た結果を与え得る透過性放射線を光不透明試料を介して
透過させることにより光不透明試料を撮像するための方
法および装置を提供することである。

発明 この発明の一局面により、透過性放射線を光不透明試料
を介して透過させることにより光不透明試料を撮像する
方法が提供され、それにより、試料を介して透過される
放射線により誘導される二次源で放出される可視光が冷
却二次元電荷結合素子（ＣＣＤ）上に結像され、そこで
二次源が信号増幅を与えず、かつＣＣＤが低速走査モー
ドで作動される。

ＣＣＤは、好ましくは一４０℃またはそれ以下まで冷却
され、典型的には一８０℃と一１３０℃との間で作動さ
れ、かつ極端な場合、約−１７０℃までの温度で作動さ
れる。

電子およびＸ線の両方を用いて撮像する試料の場合、冷
却低速走査ＣＣＤの利用により、現存のＴＥＭおよびＸ
線撮像システムを用いて得られるものと比較するとき、
達成される像の品質に劇的改良が与えられる。冷却ＣＣ
Ｄは、優れた低光レベル感度および（１００，０００：
　１以上の）優れたダイナミックレンジを示す。その主
たる利点は、 １、　　　ＣＣＤ（７）感度（Ｅ　Ｅ　Ｖ　！Ｊ　ミテ
ッド（ＥＥＶ　　Ｌｔ　ｄ、）　のＰ８６００装置のた
めの５０％以上のピークのＤＱＥ　（検出量子効率））
により、受入れ可能な像が、露光時間にわたり積分され
る可能な最低放射ビームエネルギとともに得られ得る。

２、　冷却ＣＣＤを用いて可能な長い積分時間（数時間
まで）は可能な最低放射ビーム光束を与。

え、それによって試料が冷却されるかまたはそうでなけ
れば露光する間回復され得る。

３、　多くの場合、および特にＸ線の場合、材料はほん
のわずか吸収することができ、非常に低いコントラスト
像をもたらす。大抵のＴＶ左カメラ６４ないし２５６個
のグレーレベルのダイナミックレンジを有し、実際の信
号レベルにかかわりなく機内の最低のコントラスト特徴
に対処するシステムの能力を限定する。その６５，５３
６個のグレーレベルを有する冷却低速走査ＣＣＤシステ
ムにより、よりずっと低いコントラスト特徴が正確に測
定され得る。これは軟らかい組織のＸ線試験において重
要になり得て、たとえば最小線量で高品質の像を可能に
する。

４、　より不透明なサンプルの場合、試料が部分的にの
み像区域を充填するとき問題が生じる。

減衰されていないビームは、その限定されたダイナミッ
クレンジ、およびそれゆえに乏しい飽和特性のために、
興味ある試料を撮像し得る従来のカメラを停止するのに
充分大きな出力像輝度を生じ得る。冷却低速走査ＣＣＤ
システムは、装置の低レベル像性能に妥協することなく
、（Ｐ８６００ＣＣＤのための画素あたり検出される５
００，０００フオトンより大きい）画素あたり非常に高
い信号に対処し得る。

５、　　Ｘ線顕微鏡試験において、解像度の限度は、Ｘ
線が一般に、小さなスポットに焦点合わせされ得ないの
で、Ｘ線源スポットサイズにより設定される。ヘヤライ
ン破片、ファイバまたは空気または気泡の包含物のよう
な重要な材料の多くの特徴は、わずかに数ミクロンまた
は数十ミクロンの直径である。最近のＸ線源は、（ケン
ブリッジ、コールドハムズ・レーンのテクノシン・リミ
テッド（Ｔｅｃｈｎｏｓｙｎ　　Ｌｔｄ、）により現在
販売されているシステムのような）わずかに１ミクロン
のＸ線源スポットサイズを与え得る。しかしながら、Ｘ
線強度は極端に低い、なぜならＸ線を発生するように銅
ターゲツトを打撃する電子電流が、１ミクロンのスポッ
トサイズ内で、ターゲットを過熱する危険はど高くなっ
てはならないからである。従来のＴＶ左カメラ、１ミク
ロンのＸ線源スポットサイズにより正当化される解像度
を与えるのに適当なサンプルから少し離れて働くことが
不可能である。１ｃｍのサンプル距離のＸ線源は、５０
倍の倍率の規模でサンプルから５０ｃｍの像を生じる、
すなわちＴＶ左カメラ２５ミクロンの画素はサンプル内
の０．５ミクロン、概略的には最大解像度のための最適
像配置に対応する。

しかしながら、冷却低速走査ＣＣＤシステムは、精密Ｘ
線顕微鏡試験作業が、小さなスポットサイズのＸ線源を
用いて行なわれるのを可能にする。

６、　　　ＣＣＤは、可視像に結合されるレンズである
。これは、もし必要であるならばシンチレーションまた
は同様のスクリーンが真空室の内側に存在するのを可能
にする。それはまた、この結合を行なうのに用いられる
交換可能なまたはズームレンズを設けることにより、可
変倍率およびフィールドサイズを可能にする。

７、　いくつかの場合、非常に低いエネルギ放射ビーム
を用いるのに興味がある（なぜならば試料コントラスト
がしばしばこのようにして改良されるからである）。し
かしながら、発生される信号はしばしば非常に弱いので
、従来のＴＶ右カメラともに用いることはできないが、
冷却低速走査ＣＣＤカメラとともに用いられるとき全く
適したものになる。

８、　広いダイナミックレンジの二次元検出器の利用は
また、Ｘ線断層撮影法の分野のために重要である。露光
間で試料がわずかに回転された状態でＸ線およびカメラ
を用いて二度、試料を撮像することにより、ステレオペ
アが得られ得る。このようなステレオペアは、像の品質
が充分に優れているならば、オペレータが試料の三次元
像を見るのを可能にする。これは、像間の相違がわずか
であり、かつ優れた幾何学的忠実度および高いダイナミ
ックレンジを有する検出器システムのみがこの像の品質
を達成し得るからである。

９、　入射透過性放射線を増幅することなく可視光を生
じる二次源に関連して冷却低速走査ＣＣＤを利用するこ
とにより、米国特許第４５０３４６０号で述べられた配
置を用いて得られるものと比較すると、改良された結果
が与えられる。先行技術の配置は信号強度を増加するよ
うにＸ線イメージインテンシファイヤを用いるが、これ
はまた、信号に雑音を加え、かつそのために最終的な像
の品質に妥協するという効果を有する。対照的に、この
ような信号増幅はこの配置の二次源を用いて得られず、
そのためこの段階での不所望の雑音の付加が避けられ、
その代わりに暗電流を減じるように充分に冷却された低
速走査ＣＣＤを用いることにより像の品質が改良される
。暗電流は、ＴＶフレーム速度で作動され、約４０ミリ
秒の露光時間を必要とするＣＣＤにほとんど重要でない
ために、（おそらくせいぜい−３０℃までの）控え口の
冷却のみが先行技術の配置において用いられる。

暗電流は露光時間とともに線形的に増加し、かつそのた
めにこの発明を実施する際により重要になり、その場合
数分間または数時間の読出時間が用いられ得る。この発
明を実施するとき、それに応じて典型的には一８０℃と
一１３０℃との間でよりずっと冷却されるようになる。

さらに、動作するために何キロボルトもの電圧を必要と
するイメージインテンシファイヤは信号過負荷から損傷
を与え、かつ幾何学的忠実度に乏しく、その視野の端縁
で３０％までの歪みを与える傾向がある。それらはまた
、非常に不充分なダイナミックレンジしか有さない。こ
れらの不利な点は、この発明の配置では生じない。

この発明の他の局面により、光不透明試料を撮像するた
めの装置が提供され、それは透過性放射線のエネルギビ
ームを発生し、かつそれを試料上に向けるための手段と
、試料を介して透過される放射線のエネルギビームによ
り誘導される結果として増幅することなく可視光を放出
し得る二次源と、冷却二次元低速走査ＣＣＤと、その上
に可視光を結像するように二次源をＣＯＤに結合する光
学手段と、二次源とＣＣＤとの間に置かれるシャッタ手
段とを含む。

この発明に従った撮像のための方法および装置は、今か
ら添付の図面を参照して例示される。

実施例の説明 例示の装置は、Ｘ線源または高エネルギ電子もしくは中
性子源のような透過性放射線のエネルギビームを発生す
るビーム［１０と、撮像されるべきかつそれを介してエ
ネルギビーム１４の少なくとも一部分が透過される光不
透明試料１２と、シンチレーションスクリーン、螢光ス
クリーンまたはその地回種類のもののような可視光１８
の二次源１６と、結合レンズ２０と、シャッタ２２と、
ＣＣＤカメラとを含む。二次源１６は、たとえばＸ線）
十トンを含む入射エネルギビームを吸収し、かつ光を放
出し、こうしていかなる増幅効果もなく透過性放射線を
光に変換する。

レンズ２０は、スクリーン１６で発生された可視光像１
８をＣＣＤカメラに結合する。状況に依存して数ミリ秒
から数時間までの露光は、シャッタ２２を用いることに
より決定される。

比率ｂ　／　ａにより一部決定される倍率は、システム
が非破壊小規模作業に最も適するが、試料が、二次源を
構成するスクリーン１６により近いところに位置決めさ
れるのを必要とするとき、従来のＴＶイメージシステム
に関する多くの利点が大規模作業に関してさえ保有され
るということを意味する。

可視光像１８は、アストロームドＯリミテッド（Ａｓｔ
ｒｏｍｅｄ　　Ｌｉｍ１ｔｅｄ）により製造されるＣＣ
Ｄ２０００イメージシステムを含む冷却電荷結合素子検
出器システムにより検出される。特に、可視光は、液体
窒素またはスターリングサイクルを用いて冷却されたコ
ールドボックス２８または他の機械的もしくは電気的ク
ーラの内側に含まれる冷却固体電荷結合素子検出器２６
（ＥＥｖリミテッド（ＥＥＶ　　Ｌｔｄ、）ｌ：より作
られるＰ８６００シリーズＣＣＤ）上に、結合レンズ２
０により結像される。約−１７０℃までの冷却が達成さ
れ得るが、典型的には一８０℃と一１３０℃との間の温
度が用いられる。ＣＣＤは、低速走査モードで用いられ
る。

ＣＣＤ２６は電気配線３０により、ＣＣＤのための必要
な駆動波形およびバイアス電圧を与え、かつまたシステ
ム全体の読出雑音を最少にするようにＣＣＤにより信号
出力を処理するドライバエレクトロニクスユニット３２
に接続される。ドライバエレクトロニクスユニットは、
ホストコンピュータシステム３４により駆動されかつ制
御され、このシステム３４はＶＤＵコンソール３６、た
とえばディスク駆動装置および磁気テープ上の３８で示
されたデータ記録、および像表示装置４０により得られ
る像の表示を介してシステムのオペレータを許容する。

中央コンピュータ３４はまた、ＣＣＤにより検出される
試料の可視像の分析を与えるソフトウェアを含む。その
ように得られる分析データは、関連のプリンタ４２上に
出力されるか、または記憶するために、もしくは他の試
料のために得られるデータと比較するためにディスクも
しくは磁気テープ上で記録され得る。

この発明は、静的テストに対してのみ応用可能であると
考えられることが注目されるべきである。

シャッタは、可視像の全体的強度および対照に適する最
適時間、ＣＣＤを充電するのに必要な時間（数マイクロ
秒ないし数時間）、シャッタが開放される。ＣＯＤがそ
れから読出され、かつ結果として生じるデータが適当に
処理される。

この発明のおよび上で例示されたＣＣＤカメラが、従来
のＴＥＭおよびＸ線イメージシステムにおいて用いられ
る現存のＸ線源または電子源の変更を必要とすることな
く動作可能であることもまた理解されるべきである。

この発明の方法および装置は添付の図面を参照して例示
されたが、例示の実施例の様々な変更がこの発明の範囲
内で可能である。

【図面の簡単な説明】

図面は、主としてブロック図形式で実施例を示す。 図において、１０はビーム源、１２は試料、１４はエネ
ルギビーム、１６は二次源、１８は可視光、２０は結合
レンズ、２２はシャッタ、２６は検出器、２８はコール
ドボックス、３０は電気配線、３２はドライバエレクト
ロニクスユニット、３４はホストコンピュータシステム
、３６はＶＤＵコンソール、３８はデータ記録、４０は
像表示装置、４２はプリンタである。 特許出願人　アストロームド・リミテッド♀ハ菖　　φ 手続補正Ｉ（方式） ％式％ ２、発明の名称 光年透明試料を撮像するための装置およびその方法３、
補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　イギリス、シー・ピー・４４・ジー・ニスケン
ブリッジ、ミルトン・ロード（番地なし）ケンブリッジ
・サイエンス・パーク イノベーションφセンター 名　称　アストロームド・リミテッド 代表者　フレイブ・ディ・マツカイ ４、代理人 住　所　大阪市北区南森町２丁目１番２９号　住友銀行
南森町ビル６、補正の対象 図面 ７、補正の内容 図面の全体にかけて「第１図」と図番号を付します。そ
の目的で新たに調部した適正な図面を添倒します。 以上

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）光不透明試料を介して透過性放射線を透過させる
   ことにより光不透明試料を撮像する方法であって、この
   方法に従って、試料を介して透過される放射線により誘
   導される二次源で放出される可視光が冷却二次元電荷結
   合素子（ＣＣＤ）上に結像され、そこで二次源が信号増
   幅を与えず、かつＣＣＤが低速走査モードで作動される
   、光不透明試料を撮像する方法。
2. （２）ＣＣＤが−４０℃またはそれ以下まで冷却される
   、特許請求の範囲第１項に記載の方法。
3. （３）ＣＣＤが−８０℃と−１３０℃との間まで冷却さ
   れる、特許請求の範囲第２項に記載の方法。
4. （４）ＣＣＤが二次源に結合されるレンズである、特許
   請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の方法
   。
5. （５）結合を行なうために交換可能または可変焦点レン
   ズを用いる、特許請求の範囲第４項に記載の方法。
6. （６）二次源として、シンチレーションスクリーンを採
   用する、特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれか
   に記載の方法。
7. （７）二次源が真空室の内側に置かれる、特許請求の範
   囲第１項ないし第６項のいずれかに記載の方法。
8. （８）試料が露光間でわずかに回転される状態で前記試
   料が二度撮像されるＸ線断層撮影法に適用されるときの
   特許請求の範囲第１項ないし第７項のいずれかに記載の
   方法。
9. （９）光不透明試料を撮像するための装置であって、透
   過性放射線のエネルギビームを発生し、かつそれを試料
   上に向けるための手段と、試料を介して透過される放射
   線のエネルギビームにより誘導される結果として増幅す
   ることなく可視光を放出し得る二次源と、冷却二次元低
   速走査ＣＣＤと、その上に可視光を結像するために二次
   源をＣＣＤに結合する光学手段と、二次源とＣＣＤとの
   間に置かれるシャッタ手段とを含む、光不透明試料を撮
   像するための装置。