JPWO2019151095A1 - 放射線顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、構成が簡易であり、従来の放射線顕微鏡に組み込むことが容易であり、かつ、位相定量像を直接に得ることが可能な技術を提供するものである。線源１は、画像検出器４に向けて、試料を透過する放射線１０を放射する。放射線１０の経路上には、試料を配置すべき試料領域８と、この試料領域８に近接した参照領域９とが備えられている。参照領域９は、試料領域８に対して、放射線１０の放射方向に交差する方向に離間させられている。対物素子２は、放射線１０の経路上に配置されている。また、対物素子２は、主格子部３に向かう放射線１０を結像させる。主格子部３は、試料領域８を透過した放射線についてのｍ次回折像と、参照領域９を透過した前記放射線についてのｎ次回折像とを、画像検出器４上に重畳して形成する。

Description

本発明は、放射線顕微鏡装置に関するものである。

下記非特許文献１に示されるように、Ｘ線を使って試料内部を拡大観察できるＸ線顕微鏡が知られている。トモグラフィ法を用いれば、試料の３次元観察も可能になる。しかしながら、Ｘ線は透過力が強いため、分解能が高くなるに従い、透過強度分布画像では試料の微細構造を観察することが難しくなるという問題を生じる。そこで、Ｘ線の強度分布画像に代えて、位相変化を定量した画像（位相定量像）を用いることが提案されている。これをトモグラフィ法と組み合わせれば、物質の屈折率の分布を示す三次元画像（位相ＣＴ像）が得られる。

位相定量像を得ることができる技術として、Ｘ線顕微鏡光学系と位相格子またはLau干渉計を組み合わせた光学系が知られている（下記非特許文献２及び３）。これらの技術では、正負の符号を持つ二つの位相像がある特定の距離だけずれて重なり合って生成されるという特徴があり、これを解消して、目的とする位相定量像を得るための計算処理が必要となる。多くの場合、この処理により画像が劣化する傾向があり、３次元計測への応用が難しいという問題がある。

顕微鏡光学系とTalbot干渉計を組み合わせた光学系も知られている（下記非特許文献４）。この技術では、微分位相像（位相定量像の空間微分）を用いた３次元計測への応用が試みられているが、空間分解能に劣るという問題がある。

Ｘ線結像顕微鏡を用いた二光束干渉計の構築と位相定量像撮影の報告（下記非特許文献５及び６）もあるが、参照光形成のためのＸ線結像素子やプリズムを必要としており、構成が複雑であるために光学系に高度の機械的安定性を求められるという問題や、細かすぎる干渉縞が生じるという問題がある。

下記特許文献１の技術は、Ｘ線顕微鏡と干渉計とを組み合わせることでＸ線の位相変化を検出するものであるが、位相定量画像の取得手段を含んでおらず、また、装置構成が複雑であるという問題がある

Kaulich B, Thibault P, Gianoncelli A, Kiskinova M (2011)Transmission and emission X-ray microscopy: operation modes, contrast mechanisms and applications. J. Phys. Condens. Matter 23: 083002. W. Yashiro et al., Phys. Rev. A 82, 043822 (2010). H. Kuwabara et al., Appl. Phys. Express 4, 062502 (2011). Y. Takeda et al., Appl. Phys. Express 1, 117002 (2008). T. Koyama et.al., Jpn. J. Appl. Phys. 45, L1159 (2006). Y. Suzuki et.al., Jpn. J. Appl. Phys. 53, 122501 (2014).

特開２０００−２０６３００号公報

本発明は、前記した事情に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、構成が簡易であり、従来の放射線顕微鏡に組み込むことが容易であり、機械的安定性に関する要請が比較的緩く、かつ、位相定量像を直接に得ることが可能な技術を提供することである。

本発明は、以下の項目に記載の発明として表現することができる。

（項目１）
線源と、対物素子と、主格子部と、画像検出器とを備えており、
前記線源は、前記画像検出器に向けて、試料を透過する放射線を放射する構成となっており、
前記放射線の経路上には、試料を配置すべき試料領域と、この試料領域に近接した参照領域とが備えられており、
前記参照領域は、前記試料領域に対して、前記放射線の放射方向に交差する方向に離間させられており、
前記対物素子は、前記放射線の経路上に配置されており、かつ、前記主格子部に向かう前記放射線を結像させる構成となっており
前記主格子部は、前記放射線の経路上に配置されて、前記試料領域を通過した前記放射線と前記参照領域を通過した前記放射線とをそれぞれ回折する構成となっており、
さらに、前記主格子部は、前記試料領域を透過した前記放射線についてのｍ次回折像と、前記参照領域を透過した前記放射線についてのｎ次回折像とを、前記画像検出器上に重畳して形成する構成とされており、
ここで、ｍおよびｎは整数であり、かつ、ｍ≠ｎである
ことを特徴とする放射線顕微鏡装置。

（項目２）
さらに副格子部を備えており、
前記副格子部は、前記放射線の経路上であって、かつ、前記主格子部よりも前記線源の側に配置されており、
かつ、前記副格子部は、前記画像検出器に入射する前記放射線に空間コヒーレンス性を付与する構成となっている
項目１に記載の放射線顕微鏡装置。

（項目３）
前記放射線はＸ線である
項目１又は２に記載の放射線顕微鏡装置。

（項目４）
項目１〜３のいずれか１項に記載の放射線顕微鏡装置を用いており、
前記試料領域に試料を配置するステップと、
前記試料領域と前記参照領域とを通過するように、前記線源から前記画像検出器に向けて放射線を放射するステップと、
前記主格子部を、前記画像検出器に対して、格子ピッチの方向に、前記格子ピッチの１／Ｎずつ相対的に並進させるステップと、
前記並進のたびに前記画像検出器で検出した放射線強度画像を用いて、放射線位相像を生成するステップと
を備えており、
ここでＮは３以上の整数である
ことを特徴とする放射線位相像生成方法。

（項目５）
項目２に記載の放射線顕微鏡装置を用いており、
前記試料領域に試料を配置するステップと、
前記試料領域と前記参照領域とを通過するように、前記線源から前記画像検出器に向けて放射線を放射するステップと、
前記主格子部を、前記副格子部に対して、格子ピッチの方向に、前記格子ピッチの１／Ｎずつ相対的に並進させるステップと、
前記並進のたびに前記画像検出器で検出した放射線強度画像を用いて、放射線位相像を生成するステップと
を備えており、
ここでＮは３以上の整数である
ことを特徴とする放射線位相像生成方法。

本発明によれば、構成が簡易であり、従来の放射線顕微鏡に組み込むことが容易であり、機械的安定性に関する要請が比較的緩く、かつ、位相定量像を直接に得ることが可能な技術を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る放射線顕微鏡装置の概略的な構成を示すための光路図である。 本発明の第２実施形態に係る放射線顕微鏡装置の概略的な構成を示すための光路図である。 本発明の第３実施形態に係る放射線顕微鏡装置の概略的な構成を示すための光路図である。

（第１実施形態の構成）
以下、本発明の第１実施形態に係る放射線顕微鏡装置（以下単に「装置」と略称することがある）を、添付の図面を参照しながら説明する。

本実施形態の装置は、線源１と、対物素子２と、主格子部３と、画像検出器４とを基本的な構成要素として備えている。また、この装置は、副格子部５と、収束素子６とを追加的な要素として備えている。

（線源）
線源１は、画像検出器４に向けて、試料を透過する放射線１０を放射する構成となっている。本実施形態では、放射線１０としてＸ線が用いられている。この実施形態における線源１としては、非コヒーレントでありかつコーンビームのＸ線を放射できるものが用いられている。このような線源１としては、従来のＸ線撮像装置あるいはＸ線顕微鏡に用いられていたものと同様のものを用いることができるので、これ以上詳しい説明は省略する。

放射線１０の経路上には、試料を配置すべき試料領域８と、この試料領域８に近接した参照領域９とが備えられている。参照領域９は、試料領域８に対して、放射線１０の放射方向に交差する方向に離間させられている。

（対物素子）
対物素子２は、放射線１０の経路上に配置されている。この対物素子２は、主格子部３に向かう放射線１０を画像検出器４上において結像させる構成となっている。

対物素子２は、副格子部５の像７を主格子部３よりも線源１の側に形成するようになっている。

対物素子２としては、用いられる放射線１０を結像できる適宜の構成のものを用いることができる。例えば、Ｘ線については、フレネルゾーンプレートを用いることができるが、これには制約されない。

（主格子部）
主格子部３は、放射線１０の経路上に配置されており、試料領域８を通過した放射線１０と参照領域９を通過した放射線とをそれぞれ回折する構成となっている。

さらに、本実施形態の主格子部３は、試料領域８を透過した放射線１０についてのｍ次回折像と、参照領域を透過した放射線１０についてのｎ次回折像とを、画像検出器４上に重畳して形成する構成とされている。

ここで、ｍおよびｎは整数であり、かつ、ｍ≠ｎである。より具体的には、本例では、ｍ＝１でかつｎ＝０とされている。ただし、この次数は単なる一例であり、これには制約されない。また、次数としては負数も可能である。

本実施形態の主格子部３は、ピエゾ素子などの適宜の駆動手段（図示せず）により、副格子部５に対して、微小距離ずつ相対的に並進することが可能となっている。並進の方向は、Ｘ線の進行方向に対して垂直で、かつ、主格子部３の周期構造が形成されている方向に平行である。並進における１ステップ分の移動距離としては、主格子部３における周期的構造の周期（いわゆる格子ピッチ）の１／Ｎとされている。ここでＮは３以上の整数である。本実施形態では、主格子部３が並進することとしているが、副格子部５が並進する構成も可能である。この場合、副格子部５の並進における１ステップ分の移動距離は、副格子部５の格子ピッチの１／Ｎとされる。

（副格子部）
副格子部５は、放射線１０の経路上であって、かつ、主格子部３よりも線源１の側に配置されている。本実施形態の副格子部５は、画像検出器４に入射する放射線１０に空間コヒーレンス性を付与する構成となっている。副格子部５の動作については後述する。

（収束素子）
収束素子６は、放射線１０の経路上に配置されている。この収束素子６は、線源１から副格子部５に向かう放射線１０を集光する構成となっている。

収束素子６としては、用いられる放射線１０を集光できる適宜の構成のものを用いることができる。例えば、Ｘ線については、全反射鏡を用いることができるが、これには制約されない。

（設計条件）
ここで、主格子部３及び副格子部５を実装するための設計条件について説明する。

（主格子部の設計条件）
試料の大きさは、ピッチｄ_１を持つ主格子部３での回折による拡がりを倍率Ｍで除したものなので、

となる。

ここで、
ｓ：試料のサイズ（あるいは試料領域のサイズ）
λ：使用する放射線の波長
Ｒ_１：副格子部の結像から主格子部までの距離
Ｒ_２：副格子部の結像から画像検出器あるいは試料の像面までの距離
ｄ_１：主格子部に形成された周期的構造のピッチ
Ｍ：光学系の倍率
である。

光学系の倍率Ｍは以下のように表せる。

ここで、
ｂ：対物素子から副格子部の結像までの距離
ｆ：対物素子の焦点距離
である。

したがって、式（１）及び（２）より

となる。この式（３）の右辺における

は、１より少し小さい程度であり、１に近似できる。すると以下の関係が得られる。

（副格子部の設計条件）
副格子部５が放射線１０に空間コヒーレンス性を付与するための条件は下記のようになる。

ここで、
ａ：副格子部から対物素子までの距離
σ：副格子部の開口幅
である。

式（５）から、副格子部５の開口幅σは以下のように求まる。

また、主格子部３と副格子部５とによりタルボ効果を発揮するための条件は下記の通りとなる。ただし、タルボ効果を発揮することは、本実施形態において必須ではない。

ここで、
ｄ_０：副格子部に形成された周期的構造のピッチ
である。

なお、前記した関係は、あくまで理想的な条件であって、実際の撮影に支障の無い限り、前記の条件を若干逸脱することは可能である。つまり、本実施形態においては、前記した条件を数学的に厳密な意味で満たす必要はない。

（本実施形態の動作）
次に、本実施形態に係る装置の動作について説明する。

（試料を配置）
まず、撮影においては、試料領域８に、撮影対象となる試料を配置する。試料が試料領域８からはみ出す形状であった場合、試料領域８内にある部分を、本実施形態における試料と把握すればよい。なお、参照領域９内には、試料は存在しないものとする。

（放射線を放射）
ついで、試料領域８と参照領域９とを通過するように、線源１から画像検出器４に向けて放射線１０を放射する。

放射された放射線１０は、収束素子６により集光された後、副格子部５に形成されたスリットを透過する。副格子部５における一つのスリットは、コヒーレント光を放射する一つの点光源を構成すると考えることができる。図１においては、仮想的な点光源の一つからの光束に符号１１を付した。

副格子部５を通過した放射線１０の一部は試料領域８を通過し、他の一部は参照領域９を通過する。これらの放射線１０は、対物素子２を通り、主格子部３に達する。すると、本実施形態の主格子部３は、試料領域８を透過した放射線についてのｍ次回折像と、参照領域９を透過した放射線についてのｎ次回折像とを、画像検出器４上に重畳して形成する。なお、この例ではｍ＝１でｎ＝０である。

（撮影）
ついで、画像検出器４により、ｍ次回折像とｎ次回折像とが重畳して形成された像を撮影する。これにより、本実施形態では、いわゆる二光束干渉計と同様の干渉模様を観察することができる。さらに本実施形態では、位相定量像を得るため、以下の縞走査法を実施する。

（縞走査法の実施）
本実施形態では、一回の撮影完了の度に、主格子部３及び副格子部５の一方を、他方に対して相対的に、格子ピッチの方向に並進させる。並進させるステップは、実際に移動させる格子の格子ピッチの１／Ｎずつである。ここでＮは３以上の整数である。具体的には、本例では、主格子部３を副格子部５に対して移動させる。

画像検出器４は、並進のたびに、画像検出器４で検出した放射線強度画像を撮影する。得られた放射線強度画像を用いて縞走査法を実施して、位相定量像を生成することができる。縞走査法を用いた位相定量像の生成手法は、従来から知られている手法と同様でよいので、詳しい説明は省略する。

本実施形態の装置によれば、位相微分像を介さずに、位相定量像を放射線強度画像から直接に得ることができるという利点がある。また、本実施形態では、構成が簡易であり、従来の放射線顕微鏡に組み込むことが容易であり、かつ、機械的安定性に関する要請が比較的緩いという利点もある。

（第２実施形態）
つぎに、図２を参照して、本発明の第２実施形態に係る装置について説明する。なお、この第２実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する構成要素については、同一符号を付すことにより、説明の煩雑を避ける。

前記した第１実施形態の装置では、主格子部３よりも線源１の側に、副格子部５の像７が形成されていた。第２実施形態の装置においては、副格子部５を、像７の位置に設置する。つまり、この第２実施形態では、像７は形成されない。

第２実施形態の装置においても、第１実施形態と同様の動作を行うことができる。ここで、主格子部３の条件としては、前記した式（４）を使うことができる。一方、副格子部５の条件である式（５）と式（７）については、パラメータa,bを省いたものとなる。式（６）は、右辺に (b-f)/f を乗算したものになる。

第２実施形態における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。

（第３実施形態）
つぎに、図３を参照して、本発明の第３実施形態に係る装置について説明する。なお、この第３実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する構成要素については、同一符号を付すことにより、説明の煩雑を避ける。

前記した各実施形態においては、副格子部５によりコヒーレント光源を実現していた。これに対して、この第３実施形態では、放射線１０としてコヒーレント光を用いることを前提としている。このようなコヒーレント光は、例えばシンクロトロン放射光の利用により実現可能である。したがって、第３実施形態における線源は、シンクロトロン放射光のようなコヒーレント光を発する光源であってもよいし、あるいは、このような光源からコヒーレント光を取り出す窓であってもよい。

この第３実施形態では、放射線としてコヒーレント光を用いているので、副格子部５を省略している。このため、この第３実施形態において縞走査法を実施する場合は、画像検出器４に対して主格子部３を相対的に並進移動させることになる。ただし、この第３実施形態では、b = fとなるため、前記した式（３）の右辺の右側の項が（R2-R1）/R2になる。条件式（４）はそのまま適用可能である。

第３実施形態における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。

なお、前記実施形態および実施例の記載は単なる一例に過ぎず、本発明に必須の構成を示したものではない。各部の構成は、本発明の趣旨を達成できるものであれば、上記に限らない。

例えば、前記各実施形態では、線源１としてＸ線源を用いたが、試料に対して透過性のある他の放射線、例えば中性子線源を用いることができる。もちろん、この場合、検出器としては、用いる放射線を検出できるものが用いられる。

さらに、前記した各実施形態では、縞走査法を用いて位相定量像を生成することとしたが、干渉によるモアレ画像そのものを放射線画像として利用することもできる。

１ 線源
２ 対物素子
３ 主格子部
４ 画像検出器
５ 副格子部
６ 収束素子
７ 像
８ 試料領域
９ 参照領域
１０ 放射線
１１ 点光源からの光束

Claims (5)

1. 線源と、対物素子と、主格子部と、画像検出器とを備えており、
   前記線源は、前記画像検出器に向けて、試料を透過する放射線を放射する構成となっており、
   前記放射線の経路上には、試料を配置すべき試料領域と、この試料領域に近接した参照領域とが備えられており、
   前記参照領域は、前記試料領域に対して、前記放射線の放射方向に交差する方向に離間させられており、
   前記対物素子は、前記放射線の経路上に配置されており、かつ、前記主格子部に向かう前記放射線を結像させる構成となっており
   前記主格子部は、前記放射線の経路上に配置されて、前記試料領域を通過した前記放射線と前記参照領域を通過した前記放射線とをそれぞれ回折する構成となっており、
   さらに、前記主格子部は、前記試料領域を透過した前記放射線についてのｍ次回折像と、前記参照領域を透過した前記放射線についてのｎ次回折像とを、前記画像検出器上に重畳して形成する構成とされており、
   ここで、ｍおよびｎは整数であり、かつ、ｍ≠ｎである
   ことを特徴とする放射線顕微鏡装置。
2. さらに副格子部を備えており、
   前記副格子部は、前記放射線の経路上であって、かつ、前記主格子部よりも前記線源の側に配置されており、
   かつ、前記副格子部は、前記画像検出器に入射する前記放射線に空間コヒーレンス性を付与する構成となっている
   請求項１に記載の放射線顕微鏡装置。
3. 前記放射線はＸ線である
   請求項１又は２に記載の放射線顕微鏡装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の放射線顕微鏡装置を用いており、
   前記試料領域に試料を配置するステップと、
   前記試料領域と前記参照領域とを通過するように、前記線源から前記画像検出器に向けて放射線を放射するステップと、
   前記主格子部を、前記画像検出器に対して、格子ピッチの方向に、前記格子ピッチの１／Ｎずつ相対的に並進させるステップと、
   前記並進のたびに前記画像検出器で検出した放射線強度画像を用いて、放射線位相像を生成するステップと
   を備えており、
   ここでＮは３以上の整数である
   ことを特徴とする放射線位相像生成方法。
5. 請求項２に記載の放射線顕微鏡装置を用いており、
   前記試料領域に試料を配置するステップと、
   前記試料領域と前記参照領域とを通過するように、前記線源から前記画像検出器に向けて放射線を放射するステップと、
   前記主格子部を、前記副格子部に対して、格子ピッチの方向に、前記格子ピッチの１／Ｎずつ相対的に並進させるステップと、
   前記並進のたびに前記画像検出器で検出した放射線強度画像を用いて、放射線位相像を生成するステップと
   を備えており、
   ここでＮは３以上の整数である
   ことを特徴とする放射線位相像生成方法。

Images