JP4704675B2 - Ｘ線撮像装置及び撮像方法 - Google Patents

Description

本発明はＸ線撮像装置及び撮像方法に係わり、物体の内部を非破壊に検査する装置及び方法に関する。

Ｘ線を用いて試料内部を非破壊に観察する撮像装置として、試料によって生じた強度の変化をコントラストとする吸収コントラストＸ線撮像装置と、位相の変化をコントラストとする位相コントラストＸ線撮像装置がある。前者の吸収コントラストＸ線撮像装置は、主にＸ線源、試料設置機構及び検出器から構成され、Ｘ線源から出射したＸ線を試料設置機構により位置決めされた試料に照射し、試料を透過してきたＸ線を検出器で検出するもので、試料の吸収によって生じた強度の変化をコントラストとする像が得られる。測定原理及び装置の構成が比較的簡単であるため、投影による２次元観察の場合はレントゲン、Computed Tomography（ＣＴ）による３次元観察の場合はＸ線ＣＴという名称で医療診断を初めてとして多くの分野で広く利用されている。

一方、後者の位相コントラストＸ線撮像装置としては、非特許文献１（Appl. Phys. Lett. 6,155(1965)）や、特許文献１（特開平１０−２４８８３３号公報）に記載されたようなものなどがある。一般にＸ線が試料を透過する際に生じる位相の変化は、強度の変化に比べて顕著であるため、レントゲン等の吸収コントラストＸ線撮像装置に比べて感度が高いという特徴がある。このため、吸収コントラストＸ線撮像装置では観察が難しかった酸素や炭素等の軽元素を多く含んだ生体軟部組織であっても、無造影・低被曝で内部の構造等を非破壊かつ高感度に観察することができる。

上記記載の位相コントラストＸ線撮像装置は、Ｘ線源、試料設置機構及び検出器に、ボンゼ・ハート型干渉計（非特許文献２（Appl. Phys. Lett. 6,155(1965)）に記載されたようなもの）や、この型の干渉計を複数の結晶ブロックに分割した干渉計（非特許文献３（J. Appl. Cryst. 7, 593(1974)）に記載されたようなもの）などＸ線用の干渉計を加えた構成となっている。ボンゼ・ハート型干渉計は、図１に示したように、等間隔で平行に配置された３枚の歯（ビームスプリッタ１、ミラー２、アナライザ３）を持ち、単結晶インゴットから一体で形成された結晶ブロックで構成される。入射Ｘ線４はビームスプリッタ１で２本のビーム５及びビーム６に分割され、ミラー２で反射され、アナライザ３上で結合されて２本の干渉ビーム７及び８を形成する。分割されたビーム５或いはビーム６の光路に試料９を設置すると、試料９によって生じたビームの位相の変化が波の重ね合わせ（干渉）により干渉ビーム７及び８の強度変化となって現れる。位相の変化を示す像（位相コントラスト像）は、この強度変化を画像検出器等で像として検出、計算により位相の変化を求めている。

また、この位相コントラスト撮像法と通常のＸ線ＣＴの手法とを組み合わせて、３次元の非破壊観察を可能とした撮像装置として、特許文献２（特開平４−３４８２６２号公報）に記載されたものなどがある。ここでは、通常のＸ線ＣＴと同様に試料を複数の異なる方向からＸ線を照射し、得られた各プロジェクション毎の位相コントラスト像から演算処理により試料の断面像を再生している。

特開平１０−２４８８３３号公報

特開平４−３４８２６２号公報 Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ６，１５５（１９６５） Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ６，１５５（１９６５） Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｃｒｙｓｔ． ７，５９３（１９７４）

Ｘ線は酸素や炭素等の軽元素に対してほぼ透明で、入射Ｘ線のほとんどが吸収されずに透過してしまう。このため、被写体の吸収によって生じる強度の変化は極めて小さく、レントゲン等の吸収コントラストＸ線撮像では、軽元素から主に構成される試料、例えば生体軟部組織や有機材料等を感度よく観察することは難しいという問題があった。この感度不足を補うために、造影剤の使用や露光時間の延長等を行っているが、この場合、撮像可能な箇所が限定されることや、被曝が増大しまう等の問題があった。

一方、位相コントラストＸ線撮像では、感度は十分であるが、試料によって生じた位相の変化αは図２に示すように０〜２πで丸め込まれた（ラップされた）値α’（α’＝α−Ｉｎｔ（α／２π）＊２π）で検出されるため、特開２００１−１５３７９７に記載された方法等を用いて位相アンラップと呼ばれる複雑な演算処理を行い、真の位相の変化αを復元する必要があった。また、試料の形状や内部構造が複雑で密度が空間的に急激に変化する箇所では、Ｘ線の屈折により本来の光路からずれて干渉像の鮮明度（Visibility）の低下や干渉縞の消失等を生じてしまう。この結果、正常に上記アンラップ処理ができず、正確にαを復元できないという問題もあった。この問題を回避するために、特開平７−２０９２１２号公報に記載されたような試料を液体中に沈めて試料とその周辺との密度差を小さくするという方法もあるが、この場合、形状の影響は低減できても、試料内部の急激な密度変化には対応することができなかった。

以上から、従来の吸収Ｘ線撮像の感度領域と位相コントラストＸ線撮像の感度領域は、図３に示すように２分されており、例えば骨や肺等のような密度変化の大きい部位と生体軟部組織等のような密度変化の小さい部位が混在するような試料に対して、いずれの方法でも感度よく観察できないことがわかる。

本発明の目的は、図３に示すように、生体軟部組織を計測対象とする位相コントラスト方式と骨や肺を計測対象とする吸収コントラスト方式の従来の２つの撮像法の中間を中心に広い感度領域を持ち、密度変化の大きい部位と小さい部位が混在した試料であっても高感度に観察できる撮像装置及び撮像方法を提供することにある。

図４に示したＸ線干渉計１０の模式図を用いて説明する。このＸ線干渉計１０において、入射Ｘ線ビーム１４は、スプリッタ１１により第１ビーム１５と第２ビーム１６に分割され、ミラー光学系１２により光路を変更され、アナライザ１３により結合されて干渉ビーム１７を形成する。

第１ビーム１５と第２ビーム１６の強度をそれぞれＩ_１及びＩ_２としたとき、干渉ビーム１７の強度Ｉは式（１）で与えられる。

ここで、ｒはコヒーレンス度、φは第１ビーム１５と第２ビーム１６の間の位相差である。コヒーレンス度ｒは、入射Ｘ線ビーム１４の波長λ、入射Ｘ線の発散角Ｗ、アナライザ１３上での第１ビーム１５と第２ビーム１６の光路のずれΔｘの関数として、それぞれ、式（２）、式（３）で与えられる。

ここで、Ｊは第１種のベッセル関数である。

Ｘ線干渉計１０の形状が理想的にできていれば、アナライザ１３上における第１ビーム１５と第２ビーム１６の光路は完全に一致し（Δｘ＝０）、ｒ＝１となる。一方、干渉計に形状誤差等があると第１ビーム１５と第２ビーム１６の光路がずれてΔｘ≠０となり、Δｘの増大に伴いｒは減少し、ｖ＝３．８３１７近傍でｒ＝０、即ち干渉しなくなる。以下、計算簡略化のためΔｘ＝０とする。

Ｘ線干渉計１０の第１ビーム１５の光路内に、強度の変化ΔＩ、位相の変化Δｐ、Ｘ線の伝搬方向の変化Δθを生じる試料１８を設置したとすると、式（１）は式（４）となる。

ここで、ｒ’は伝搬方向の変化Δθに伴って変化したコヒーレンス度を表している。

試料１８とアナライザ１３の距離をＲとしたとき、Δθによって生じるアナライザ上におけるビーム１とビーム２の位置ずれΔｘ’は式（５）で与えられる。

したがって、式（２）、式（３）によりｒ’はΔθの関数として、式（６）と表すことができる。

また、Ｘ線の伝搬方向の変化Δθと位相の変化Δｐの空間的な微分量（Δｐ／Δｓ）の間には式（７）となる関係があるので、式（６）は式（８）となる。ここで、Δｓは図５に示す試料１８の紙面と平行な上下方向の空間的な位置の変化である。

更に０＜ＷＲΔｐ／Δｓ＜１の範囲では式（８）は式（９）に示すように、１次関数で近似することができ、結局のところ、ｒ’はΔｐの空間的な微分量（Δｐ／Δｓ）に比例した量であることがわかる。

次に、以上の数式に基づいて、図５に示した断面形状（中央部分でΔｓの幅で、線形に、厚さがｔ_１からｔ_２に変化）を持ち密度が均一な試料を対象として、本発明による撮像法と従来の撮像法の感度について、比較・検討してみる。試料の複素屈折率ｎを式（１０）としたとき、

領域Ａと領域Ｂをそれぞれ透過したＸ線の強度（Ｉ_ＡおよびＩ_Ｂ）の相対的な差ΔＩは式（１１）で与えられる。ここで、干渉ビーム強度Ｉは式（１）におけるＩ_１およびＩ_２をＩ_ＡおよびＩ_Ｂに置き換えたものである。

一方、位相変化の差Δｐ（＝ｐＡ−ｐＢ）は式（１２）となる。

このため、領域Ａと領域Ｂの境界におけるΔｐの空間的な微分量（Δｐ／Δｓ；Δｓは境界領域の幅）は、式（１３）となり、

式（１）及び式（９）から干渉ビームの振幅Ａ（＝２ｒ√（Ｉ_１Ｉ_２））に生じる相対的な変化ΔＡ／Ａは、ＩＡ≒ＩＢとしたとき、式（１４）となる。

ところで、ΔＡはΔｐの空間的な微分量に比例するために領域の境界以外では０となり、ΔＩ／Ｉ及びΔｐとは単純に比較することができない。そこで、境界における各信号の相対的な変化量を基準として各撮像法の感度を比較してみる。式（１２）及び式（１４）から位相コントラストＸ線撮像法と本発明による撮像法の感度の比は、式（１５）となる。

一方、式（１１）及び式（１４）から本発明による撮像法と吸収コントラストＸ線撮像法の感度の比は及び式（１６）となる。

図１に示したようなシリコン単結晶から構成されたＸ線干渉計を用いた撮像では、入射Ｘ線の発散角Ｗは結晶のブラッグ回折の幅程度（Ｗ≒１０^５）で、試料とアナライザとの距離Ｒはおおよそ１０ｃｍ程度となる。また、検出可能なΔｓの最小値は検出器の空間分解能程度でほぼ決定され、Δｓ≒１０^−６ｍ程度である。従って、式（１５）からΔｐ＞ΔＡ／Ａであることがわかる。また、軽元素においてα＞＞βであるため、式（１６）からΔＡ／Ａ＞ΔＩ／Ｉであることがわかる。

以上から、振幅の変化ΔＡ／Ａをコントラストとする撮像法の感度領域は、図３で説明したように、位相コントラストＸ線撮像法と吸収コントラストＸ線撮像法の中間にあることがわかる。

また、式（１）及び式（４）から干渉ビームの振幅Ａは干渉ビームの強度Ｉと比例関係にあり、アンラップ処理等の特別な演算処理を行うことなくＩから直接Ａを算出できる。このため、吸収コントラストＸ線撮像法の感度領域も広くカバーすることができる。更に、Δｐの測定に使用しているフーリエ変換法や縞走査法では、同時にΔＡ／Ａも測定することができる。したがって、これらのデータと本発明の干渉ビームの強度Ｉに着目した振幅Ａとを組み合わせ・合成することにより、図３に示したすべての感度領域をカバーすることができる。

以上から、試料によって生じた干渉ビームの振幅の変化量或いは、振幅の変化量と位相の変化量を合成した量をコントラストとする撮像装置及び撮像法により上記課題は解決される。

本発明によると試料によって生じた干渉ビームの振幅の変化量、及び振幅の変化量と位相の変化量を合成した量をコントラストとする撮像装置及び撮像法により、従来の吸収及び位相コントラストＸ線撮像装置では測定が難しかった密度変化の大きい部位と小さい部位が混在した試料であっても高感度に観察することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。以下に示す図において、同じ機能を有する部分には同じ参照符号を付し、重複する説明を省略する。

（実施例１）
図６は本発明で使用するＸ線撮像装置の一例の構成図である。同図に示すＸ線撮像装置は、Ｘ線干渉計１９、Ｘ線干渉計用位置調整機構２０、試料ホルダー２１、試料ホルダー位置決め機構２２、位相シフタ２３、位相シフタ位置決め機構２４、Ｘ線検出器２５、制御装置２６、処理部２７、表示装置２８から構成される。

ここではＸ線干渉計１９として図１に示したボンゼ・ハート型干渉計を用いている。この干渉計において、入射したＸ線２９はスプリッタ３０、ミラー３１、アナライザ３２で順次分割・反射・結合され、第１干渉ビーム３２ａ及び第２干渉ビーム３２ｂを形成する。分割された一方のビームの光路に試料ホルダー位置決め機構２２により位置決めされた試料ホルダー２１を用いて試料を設置すると、試料によってビームの強度、位相及び伝搬方向が変化する。この結果、他方のビームとの重ね合わせ（干渉）により干渉ビーム３２ａ及び３２ｂの強度が変化し、以下に示す縞走査法により、試料によって生じた振幅及び位相の変化を検出することができる。尚、Ｘ線検出器２５として、２次元のＸ線検出器を用いれば、上記の変化を２次元像として検出することができる。

実施例１において、測定は図７に示したフローに従って行う。ここでは、Ｘ線干渉計１９の結晶歪み等により生じる振幅及び位相の背景分布（試料がないときの空間的な分布）を排除するために以下の手順で計測して像を求める。
（１）試料を設置する前に、縞走査法を用いて振幅（Ａ_０）及び位相（Δｐ_０）の背景分布を求める（ステップ７０１−背景の測定）。
（２）試料ホルダー２１及び試料ホルダー位置決め機構２２を用いて試料を光路に設置する（ステップ７０２−試料の設置）。
（３）縞走査法により、背景＋試料となる振幅（Ａ_１）及び位相（Δｐ_１）の分布を求める（ステップ７０３−本測定）。
（４）前記（１）及び（３）で求めた振幅の分布像から、試料によって生じた振幅の変化ΔＡ（＝Ａ_１／Ａ_０）を求める（ステップ７０４−ΔＡ像の計算）。
の処理を経てΔＡ像の表示（ステップ７０８）を行う。

図７で説明した処理が本発明の最も単純な実施例であるが、先にも述べたように、本測定で使用しているフーリエ変換法や縞走査法では、同時に位相β変化も測定することができる。したがって、これらのデータを利用して、図８に示すように、本発明の干渉ビームの強度Ｉに着目した振幅Ａと位相の変化Δｐを組み合わせ・合成することにより、実施例１を拡張した形で、図３に示したすべての感度領域をカバーする処理を行なうことができる。

図８では、図７の処理に続けて、
（５）前記（１）及び（３）で求めた位相の分布像から、試料によって生じた位相の変化Δｐ（＝Δｐ１−Δｐ０）を求める（ステップ７０４’−Δｐ像の計算）。ここで従来のアンラップ処理も含める。

ところで、縞走査法は、位相シフタ２３を位相シフタ位置決め機構２４によりＸ線に対して回転或いは平行移動してＸ線の位相を変化させ、異なった位相関係にある複数の干渉像を取得する。そして、取得した複数の干渉像から振幅及び位相の変化を計算で求めるものである。等間隔に位相をシフトさせたＭ枚の干渉像であれば、振幅Ａは式（１７）で与えられる。

ここで、Ｉ_ｍは位相差２πｍ／Ｍのときの干渉像である。また、位相の変化Δｐは式（１８）で与えられる。

但し、Ａｒｇは偏角を計算することを示す。尚、位相シフタ２３によって変化させる位相シフト量は不等間隔でも良いし、等間隔でも良い。また、位相シフタ２３には図９に示したようなくさび形のアクリル板を用い、これを位相シフタ位置決め機構２４により光路に出し入れするような構造でも良いし、図１０に示した平板のアクリル板を用い、これを位相シフタ位置決め機構２４により回転させる構造でも良い。これらの動作制御は制御装置２６で行う。

以上により取得した振幅の変化像及び位相の変化像を用いて、図８に示したように、処理部２７で
（６）振幅と位相の変化を合成した像を計算（ステップ７０５−（ΔＡ＋Δｐ）像の計算）し、保持しておく。振幅と位相の変化の合成は、例えば各位置毎の振幅の変化ΔＡと、ΔＡの最大値ΔＡ_ｍａｘの比を用いて、合成値ｇを式（１９）で計算する。

上記に示したように試料の密度変化の大小により、最適な撮像方法が異なる。そこで、
（７）試料の密度変化の大きさ（像全体の振幅の位相の積算量（ΣΔＡ））等を計算（ステップ７０６−ΣΔＡの計算）する。

このΣΔＡの値に応じて処理部２７に保持された像（振幅の変化ΔＡの像、位相の変化Δｐの像、振幅及び位相の変化を合成した値ｇの像）から、最も感度がよく、正確に撮像できている像を自動的に抽出し表示部２８で表示することができる。すなわち、ステップ７０７でΣΔＡとＡ_０とを比較し、ΣΔＡが大きいときはΔＡの像を表示する（ステップ７０８）。ステップ７０９でΣΔＡとＡ_１とを比較し、ΣΔＡが大きいときはΔｐの像を表示する（ステップ７１０）。ΣΔＡがＡ_０およびＡ_１より小さいときは（ΔＡ＋Δｐ）の像を表示する（ステップ７１２）。ここで、Ａ_０＞Ａ_１である。

もちろん、ステップ７０７および７０９の判断を省略して、ステップ７０４から７０５までの計算が終わったら、全ての像を順次表示するとともに、使用者が表示画像を指定して選択するようにしても良い。

図１１Ａ−図１１Ｃは、ある生体試料を実施例１により撮像した画像の例を示す図である。図１１Ａは、図８のステップ７０４’で得られたΔｐ像である。この例は、位相コントラスト像のアンラップ処理エラーにより正確に観察できていない。図１１Ｂは、図８のステップ７０４で得られたΔＡ像である。振幅の変化をコントラストとする本発明では、位相コントラスト像では正確に観察できていない試料に対しても、正確に観察することができる。さらに、図１１Ｃは、図８のステップ７０５で得られた（ΔＡ＋ΔＢ）像である。振幅の変化と位相の変化とを組み合わせることにより、骨のみならず軟部組織内の構造も１枚の像で可視化することが可能であり、より精密に内部構造を観察することができる。

以上、実施例１によれば、試料によって生じた干渉ビームの振幅の変化による像を取得することができるのはもちろん、干渉ビームの振幅の変化、位相の変化、及び振幅と位相の変化の合成値をコントラストとする像を取得することができ、密度変化の大きい部位と小さい部位が混在した試料であっても高感度に観察することができる。

（実施例２）
実施例１では、試料によって生じた干渉ビームの振幅及び位相の変化を縞走査法を用いて求めていた。この方法では、異なった位相関係にある干渉像を少なくとも３枚取得する必要がある。このため、長い測定時間が必要で、経時観察への適用は難しいという問題があった。そこで、ここでは縞走査法の代わりにフーリエ変換法を使用する実施例を示す。フーリエ変換法では、空間分解能が後述する干渉モアレ縞の間隔で主に決定されるため、縞走査法に比べて若干低下するが、１枚の干渉像から振幅及び位相の変化を求めることができるので、大幅に測定時間を短縮することができる。

フーリエ変換法を適用する装置は図６の構造が、そのまま採用できる。フーリエ変換法では、アクリルなどＸ線の吸収が少ない材質でできた図９に示したようなくさび状の位相シフタ２３を分割されたビームの一方の光路に設置する。この結果、干渉像に位相シフタ２３の傾斜方向に垂直な方向（Ｘ）に干渉モアレ縞が形成される。このとき、干渉像の強度分布は式（２０）と表すことができる。

但し、ここで、ｃ（ｃ，ｙ）は式（２１）で表されるものであり、

αは干渉縞とは無関係の背景強度分布、Ａは干渉縞の振幅、Δｐは試料によって生じた位相の変化、ｆ_０はモアレ縞のｘ方向の空間周波数である。また、＊は複素共役を示す。式（２０）を変数ｘについてフーリエ変換すると、ｘ方向の空間周波数スペクトルＩ_Ｆ（ｘ，ｙ）は式（２２）となる。

いま、試料の構造に比べてモアレ縞の間隔が十分に狭くなるように位相シフタ２３の角度を設定すると、式（２２）においてα_ＦとＣ_Ｆ及びＣ_Ｆ ^＊はほぼ完全に分離されたスペクトルとなる。このとき、Ｃ_Ｆ或いはＣ_Ｆ ^＊成分のみを分離し、ｆ_０だけ原点方向にシフトし、逆フーリエ変換すれば干渉縞の振幅Ａ及び位相の変化に関する情報を含んだｃのみを取得することができ、ｃの絶対値の計算から振幅Ａを、偏角の計算から位相Δｐをそれぞれ求めることができる。

測定は実施例１と同様の手順（図８）で行い、背景の測定（ステップ７０１）及び本測定（ステップ７０３）に縞走査法の代わりにフーリエ変換法を用いる。測定した振幅の変化ΔＡ及び位相の変化Δｐの像、及び振幅及び位相の変化を合成した値ｇの像についても、実施例１と同様に、試料の密度変化の大きさ（像全体の振幅の位相の積算量（ΣΔＡ））等を計算し、この値に応じて、最も感度がよく、正確に撮像できている像を選び表示部２８で表示する。あるいは、全ての像を表示して選択できるようにする。

以上、実施例２によれば、試料によって生じた干渉ビームの振幅の変化、位相の変化、及び振幅と位相の変化の合成値をコントラストとする像を短時間で取得することができ、密度変化の大きい部位と小さい部位が混在した試料であっても高感度・高時間分解能で観察することができる。

（実施例３）
実施例１及び２では、試料を透過してきた像（透過像）しか測定することができなかった。ここでは、非破壊に試料内部の観察を可能な実施例を示す。図１２は実施例３の構成を示すブロック図である。

装置は試料ホルダー３３及び試料ホルダー回転機構３４を除いて、実施例１及び２と同じである。試料は試料ホルダー３３に固定され、試料ホルダー回転機構３４により光軸に対して、垂直な方向で回転できるようになっている。また、試料形状のコントラストによる影響を低減するために、試料ホルダー３３内を試料の密度に近い液体で満たしても良い。

実施例３において、測定は図１３に示した手順により行う。
（１）図７の前半の手順と同様、ステップ１２０１（背景の測定）、ステップ１２０２（試料の設置）、ステップ１２０３（本測定）を行い、ステップ１２０４で試料によって生じた振幅の変化ΔＡを求める。
（２）ステップ１２０５で、試料回転機構により、試料をΔｒだけ回転する。
（３）ステップ１２０６で、試料回転が所定の回数終わったか否か判定する。
（４）試料回転が所定の回数終わっていないとき、ステップ１２０７で、試料を待避させ、次いで、ステップ１２０１（背景の測定）に移り、同じ手順で計測を繰り返す。
（５）前記（１）〜（４）を必要なステップ数ｎ（＝１８０°／Δｒ）だけ繰り返し、ステップ１２０６で、試料回転が所定の回数終わったと判定されたとき、計測を終了する。

そして、測定後に得られたデータに基づいて、振幅の変化ΔＡをコントラストする断面像を計算で再構成する（ステップ１２０４（ΔＡ像の計算））。

実施例３についても、実施例１と同様、ステップ１２０３（本測定）でΔＡのみならず、同時に位相の変化Δｐも測定することができる。したがって、これらのデータを利用して、図８に対応して、図１４に示すように、実施例３を拡張した形で、本発明の干渉ビームの強度Ｉに着目した振幅Ａと位相の変化Δｐを組み合わせ・合成することにより、振幅の変化、位相の変化Δｐ、および、振幅の変化と位相の変化を合成した値による画像を得る（ステップ１２０４’（Δｐ像の計算）およびステップ１２０４’’（（ΔＡ＋Δｐ）像の計算）ことができる。なお、振幅ＡとΔｐの合成は実施例１と同様な方法で行う。

計算により得られた振幅の変化ΔＡ、位相の変化Δｐ、および、振幅の変化と位相の変化を合成した値をコントラストする断面像は、実施例１と同様に、試料の密度変化の大きさ（像全体の振幅の位相の積算量（ΣΔＡ））等を計算し、この値に応じて、最も感度がよく、正確に撮像できている像を選び表示部２８で表示することもできるし、全ての画像を表示して、選択することもできる。

以上、実施例３によれば、試料によって生じた干渉ビームの振幅の変化、位相の変化、及び振幅と位相の変化の合成値をコントラストとする断面像を取得することができ、密度変化の大きい部位と小さい部位が混在した試料であっても、その内部構造を高感度に非破壊で観察することができる。

（実施例４）
実施例１から３で使用したＸ線干渉計は一体の結晶ブロックで構成されているために、干渉計の大きさが母材となる結晶インゴットの直径で制限されてしまい、観察視野を２ｃｍ以上確保することができなかった。ここでは、図１５に示すように、結晶ブロックを２つに分離する干渉計を用いることにより、観察視野が２ｃｍ以上確保可能な撮像装置の例を示す。

実施例４では、観察視野を広げるために図１５に示すような２枚の歯を持った第１結晶ブロック３８及び第２結晶ブロック３９から構成された結晶分離型Ｘ線干渉計を用いる。入射Ｘ線４０は第１結晶ブロック３８の第１歯４１でラウエケースのＸ線回折により第１ビーム４２と第２ビーム４３に分割される。第１ビーム４２は第１結晶ブロック３８の第２歯４４で、第２ビーム４３は第２結晶ブロック３９の第３歯４５で回折され、第２結晶ブロック３４の第４歯４６上の同じ点に入射し、結合され第１干渉ビーム４７ａ及び第２干渉ビーム４７ｂを形成する。

この干渉計において、分割された結晶ブロック３８と結晶ブロック３９間のＺ軸周りの相対的な回転変動は、干渉ビームの位相変動となって現れる。このため、安定した撮像を行うためには、上記回転変動を極めて精度良く制御する必要がある。回転変動Δθと干渉ビームの位相の変動Δφの関係は式（２３）で与えられる。

ここで、ｔは干渉計の歯の厚さ、ｘは結晶歯（４１と４４、４５と４６）間の間隔、ｄは回折格子面の間隔、θ_Ｂはブラッグ角である。この式から例えば、Ｓｉ（２２０）（ｄ＝０．１９２ｎｍ）の回折を利用し、λ＝０．０７ｎｍ、Ｌ＝２０ｍ、ｘ＝６３ｍｍ、θ_Ｂ＝１０．５度という条件では上記条件では、Δφ＝２πに対応するΔθは約２ｎｒａｄとなる。したがって、安定した測定を行うためには、Δθを少なくともサブｎｒａｄの精度で制御する必要がある。

上記位置決め精度を実現するために、実施例４では動摩擦係数と静止摩擦係数がほぼ等しい滑り材を使用した固体滑り機構を使用し、機械的な剛性を高めたステージ群（干渉計全体のθ軸回転を担う第１θテーブル４８、第２結晶３９のθ軸回転を行う第２θテーブル４９、第１結晶３８のφ軸回転を行うチルトテーブル５０から構成される）を用いて、結晶ブロック間の位置決めを行う。サブｎｒａｄの位置決めが要求される第２θステージ４９には、圧電素子等を用いた極めて精度の高い位置決め機構５２を使用する。また、長時間にわたるΔθのドリフトを抑制するために、結晶ブロック間の回転をフィードバックループにより逐次調整する制御機構を設ける。この制御機構には、検出器５１で干渉ビーム４７ａの強度を検出しておき、Δθのドリフト回転によって強度が変動した場合、直ちに変動をキャンセルするように位置決め機構５２を介して第２θテーブル４９の回転を調整するようなものを用いる。また、入射Ｘ線の強度変動等により、上記制御機構ではΔθのドリフトを十分に抑制できない場合には、検出器５１に２次元検出器を採用し、干渉像そのものを検出し、像に現れているモアレ縞の位置変動をキャンセルするように第２θテーブル４９の回転を調整するようなものを用いる。

試料ホルダー５３及び試料ホルダー位置決め機構５４には、実施例３と同様に試料を回転するための機能を持たせる。これにより、実施例３と同様の測定により非破壊に試料内部を観察することが可能となる。

測定は実施例１及び３と同様に行い、試料の密度変化の大きさ（像全体の振幅の位相の積算量（ΣΔＡ））等を計算し、この値に応じて処理部２７に保持された像（振幅の変化ΔＡの像、位相の変化Δｐの像、振幅及び位相の変化を合成した値ｇの像）から、最も感度がよく、正確に撮像できている像を抽出し表示部２８で表示する。

以上、実施例４によれば、サイズの大きな試料においても、試料によって生じた干渉ビームの振幅の変化、位相の変化、及び振幅と位相の変化の合成値をコントラストとする透過像及び断面像を取得することができ、密度変化の大きい部位と小さい部位が混在した試料であっても、高感度に観察することができる。

ボンゼ・ハート型干渉計の構成を示す図。 ラップされた位相α’とアンラップされた位相αを示す図。 従来の撮像法と本発明による撮像法の感度領域を示す図。 汎用的なＸ線干渉計の構成を示す模式図。 試料の断面形状を示す図。 ボンゼ・ハート型干渉計を用いたＸ線撮像装置の構成例を示す図。 本発明の実施例１における測定の手順を示す図。 本発明の実施例１における他の測定の手順を示す図。 くさび型の位相シフタの例を示す図。 平板型の位相シフタの例を示す図 位相コントラストによる撮像の結果例を示す図。 本発明の実施例１による振幅の変化ΔＡをコントラストとする本発明の撮像の結果例を示す図。 本発明の実施例１による振幅の変化ΔＡと位相の変化Δｐとの合成をコントラストとする本発明の撮像の結果例を示す図。 ＣＴの手法を利用して非破壊に断面像が取得可能なＸ線撮像装置の実施例３の構成例を示す図。 ＣＴにおける本発明の実施例１における測定の手順を示す図。 ＣＴにおける本発明の実施例１における他の測定の手順を示す図。 結晶分離型Ｘ線干渉計を用いたＸ線撮像装置の実施例４の構成例を示す図。

符号の説明

１…ビームスプリッタ、２…ミラー、３…アナライザ、４…入射Ｘ線、５，６…ビーム、７，８…干渉ビーム、９…試料、１０…Ｘ線干渉計、１１…スプリッタ、１２…ミラー光学系、１３…アナライザ、１４…入射Ｘ線ビーム、１５…第１ビーム、１６…第２ビーム１６、１７…干渉ビーム、１８…試料、１９…Ｘ線干渉計、２０…Ｘ線干渉計用位置調整機構、２１…試料ホルダー、２２…試料ホルダー位置決め機構、２３…位相シフタ、２４…位相シフタ位置決め機構、２５…Ｘ線検出器、２６…制御装置、２７…処理部、２８…表示装置、２９…入射Ｘ線、３０…スプリッタ、３１…ミラー、３２…アナライザ、３２ａ…第１干渉ビーム、３２ｂ…第２干渉ビーム、３３…試料ホルダー、３４…試料ホルダー位置決め回転機構、３８…第１結晶ブロック、３９…第２結晶ブロック、４０…入射Ｘ線、４１…第１歯、４２…第１ビーム、４３…第２ビーム、４４…第２歯、４５…第３歯、４６…第４歯、４７ａ…第１干渉ビーム、４７ｂ…第２干渉ビーム、４８…第１θテーブル、４９…第２θテーブル、５０…チルトテーブル、５１…検出器、５２…位置決め機構、５３…試料ホルダー、５４…試料ホルダー位置決め機構。

Claims (17)

1. 入射Ｘ線ビームを第１及び第２Ｘ線ビームに分割する分割素子と、分割された第１及び第２Ｘ線ビームを反射する反射素子と、反射された第１及び第２Ｘ線ビームを結合する結合素子から構成されるＸ線干渉計と、上記第１及び第２Ｘ線ビームのうち任意のビームの光路内に試料を設置する手段と、上記第１及び第２Ｘ線ビームのうち任意のビームの光路内にビームの位相を変化させる位相シフタを設置する手段と、上記Ｘ線干渉計から出射した干渉Ｘ線ビームを検出する検出器と、上記検出器の出力に基づいて上記試料によって生じた干渉Ｘ線ビームの振幅の変化を表す像を得る処理部から構成されるＸ線撮像装置。
2. 入射Ｘ線ビームを第１及び第２Ｘ線ビームに分割する分割素子と、分割された第１及び第２Ｘ線ビームを反射する反射素子と、反射された第１及び第２Ｘ線ビームを結合する結合素子から構成されるＸ線干渉計と、上記第１及び第２Ｘ線ビームのうち任意のビームの光路内に試料を設置する手段と、上記第１及び第２Ｘ線ビームのうち任意のビームの光路内にビームの位相を変化させる位相シフタを設置する手段と、上記Ｘ線干渉計から出射した干渉Ｘ線ビームを検出する検出器と、上記検出器の出力に基づいて上記試料によって生じた干渉Ｘ線ビームの振幅の変化量と位相の変化量を算出・合成し、上記試料の像を得る処理部から構成されるＸ線撮像装置。
3. 請求項２記載のＸ線撮像装置において、上記処理部での干渉Ｘ線ビームの振幅の変化量と位相の変化量の合成は、振幅の変化量の大きさに基づいて算出した合成比を用いて行うことを特徴とするＸ線撮像装置。
4. 請求項１記載のＸ線撮像装置において、上記試料が設置されたＸ線ビームの光路に対して上記試料を回転させ、複数の異なる方向からＸ線を照射して得られた複数の試料像から上記試料の断面像を再生する手段を備えていることを特徴とするＸ線撮像装置。
5. 請求項２記載のＸ線撮像装置において、上記試料が設置されたＸ線ビームの光路に対して上記試料を回転させ、複数の異なる方向からＸ線を照射して得られた複数の試料像から上記試料の断面像を再生する手段を備えていることを特徴とするＸ線撮像装置。
6. 請求項１記載のＸ線撮像装置において、上記Ｘ線干渉計は複数枚の結晶プレートとこれらプレートを保持する土台が一体で形成された単結晶ブロックであることを特徴とするＸ線撮像装置。
7. 請求項２記載のＸ線撮像装置において、上記Ｘ線干渉計は複数枚の結晶プレートとこれらプレートを保持する土台が一体で形成された単結晶ブロックであることを特徴とするＸ線撮像装置。
8. 請求項１記載のＸ線撮像装置において、上記Ｘ線干渉計は複数枚の結晶プレートとこれらプレートを保持する土台が一体で形成された単結晶ブロックの複数個の組み合わせで構成されていることを特徴とするＸ線撮像装置。
9. 請求項２記載のＸ線撮像装置において、上記Ｘ線干渉計は複数枚の結晶プレートとこれらプレートを保持する土台が一体で形成された単結晶ブロックの複数個の組み合わせで構成されていることを特徴とするＸ線撮像装置。
10. 請求項１記載のＸ線撮像装置において、上記位相シフタの形状がくさび型であることを特徴とするＸ線撮像装置
11. 請求項２記載のＸ線撮像装置において、上記位相シフタの形状がくさび型であることを特徴とするＸ線撮像装置
12. 入射Ｘ線ビームを相互に干渉するビーム１とビーム２に分割し、上記ビーム１の光路に試料を設置し、上記試料を透過したビーム１’とビーム２を結合し、上記結合によって形成された干渉ビームから上記試料の像を取得するＸ線撮像法において、
    ビーム１或いはビーム２の光路にビームの位相を変化させる位相シフタを設置する工程と、上記位相シフタを上記光路に対して相対的に移動或いは回転して位相をシフトし、異なった位相シフト量で干渉Ｘ線ビームを取得する工程と、上記工程により得られた複数の干渉Ｘ線ビームに基づいて、上記試料によって生じた上記干渉Ｘ線ビームの振幅の変化量及び位相の変化量を求める工程からなり、上記試料によって生じた上記干渉Ｘ線ビームの振幅の変化量を用いて上記試料の像を形成することを特徴とするＸ線撮像方法。
13. 入射Ｘ線ビームを相互に干渉するビーム１とビーム２に分割し、上記ビーム１の光路に試料を設置し、上記試料を透過したビーム１’とビーム２を結合し、上記結合によって形成された干渉ビームから上記試料の像を取得するＸ線撮像法において、
    ビーム１或いはビーム２の光路にくさび型の位相シフタを設置する工程と、干渉Ｘ線ビームを取得する工程と、上記干渉Ｘ線ビームをフーリエ変換する工程と、上記工程により得られたフーリエスペクトルを干渉Ｘ線ビームに現れている干渉モアレ縞の間隔に対応した周波数だけ原点方向にシフトする工程と、上記工程により得られたスペクトルを逆フーリエ変換する工程と、上記工程により得られたデータに基づいて上記試料によって生じた上記干渉Ｘ線ビームの振幅の変化量及び位相の変化量を求める工程からなり、上記試料によって生じた上記干渉Ｘ線ビームの振幅の変化量を用いて上記試料の像を形成することを特徴とするＸ線撮像方法。
14. 請求項１２または請求項１３記載のＸ線撮像方法において、上記試料によって生じた上記干渉Ｘ線ビームの振幅の変化量と位相の変化量を合成した量を用いて上記試料の像を形成することを特徴とするＸ線撮像方法。
15. 請求項１４記載のＸ線撮像方法において、上記干渉Ｘ線ビームの振幅の変化量と位相の変化量の合成は、振幅の変化量の大きさに基づいて計算した合成比を用いて行うことを特徴とするＸ線撮像方法。
16. 請求項１２または請求項１３記載のＸ線撮像方法において、上記試料が設置された上記Ｘ線ビームの光路に対して上記試料を回転させ、複数の異なる方向からＸ線を試料に照射して得られた複数の試料像から上記試料の断面像を再生することを特徴とするＸ線撮像方法。
17. 請求項１４記載のＸ線撮像方法において、上記試料が設置された上記Ｘ線ビームの光路に対して上記試料を回転させ、複数の異なる方向からＸ線を試料に照射して得られた複数の試料像から上記試料の断面像を再生することを特徴とするＸ線撮像方法。

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