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技術 X線回折格子及びX線トールボット干渉計

出願人 キヤノン株式会社
発明者 半田宗一郎
出願日 2015年10月30日 (4年7ヶ月経過) 出願番号 2015-215212
公開日 2017年5月18日 (3年1ヶ月経過) 公開番号 2017-083412
状態 特許登録済
技術分野 放射線診断機器 放射線を利用した材料分析
主要キーワード 進行量 六角格子状 幾何学的重心 平面波状 井戸状 ピラーアレイ 球面波状 キャピラリープレート
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (7)

課題

トールボット効果により特定の位置に形成される干渉パターンビジビリティが、従来よりも幅広エネルギーX線に対して高くなるようなX線回折格子を提供すること。

解決手段

X線回折格子1は、位相進行部11と複数の位相遅延部12とを有する。位相進行部11は格子材料を有し、複数の位相遅延部12のそれぞれは、位相進行部11よりも格子材料の厚みが薄く、対応する2次元格子パターン内での面積占有率が15%以上45%未満である複数の位相遅延部12は六角格子状に配置されている。

概要

背景

X線の被検体による吸収を利用した撮像法医療や工業の諸領域において従来広く利用されている。さらに近年、X線が被検体を透過する際の位相シフトを利用した撮像法が開発されており、特に軽元素により構成される被検体を高感度撮像できるという特長などが注目されている。特に、X線回折格子を利用した撮像法であるトールボット干渉計は広く研究されている。

トールボット干渉計では一般に、入射するX線に対して振幅変調位相変調を付与するための微細周期構造を有する「格子」を複数枚用いる。このうちの一つである「ビームスプリッター格子」は、入射X線を周期構造により回折し、トールボット効果による微細な干渉パターンビーム下流の所定の位置に形成する回折格子である。この干渉パターンは、自己像と呼ばれる。ビームスプリッター格子は一般的に、被検体の上流側又は下流側の被検体付近に配置される。被検体の存在により、透過X線には被検体によるX線吸収による振幅変化だけでなく位相シフトが発生する。また振幅位相分布の微細な変化によるX線の散乱が発生する。これらにより、干渉パターンには被検体の特徴を反映した歪みやビジビリティコントラストともいう)低下などが発生する。これらの被検体に起因する干渉パターンの変化を計測し、各種の解析を行うことにより、従来のような吸収コントラストのみを利用した撮像よりも多くの情報を取得することが可能となる。尚、格子のX線透過率を高めることでより多くのX線を利用できることから、ビームスプリッター格子には振幅変調格子よりも位相変調格子位相格子ともいう)が用いられることが多い。

ビームスプリッター格子の形成する干渉パターンは通常数μm程度の周期を持つ微細なパターンであることから、X線検出器によるパターン検出を容易にするため、もう1枚の格子である「アナライザー格子」が用いられることが多い。アナライザー格子のピッチを干渉パターンの周期に合わせることにより、両者の重畳により周期の長いモアレを発生させることができ、空間分解能の十分に高くない検出器によっても干渉パターンの情報を取得することが可能となる。また、格子を周期方向に移動させることによりモアレの位相をシフトさせることができるため、位相ステッピング法によるパターンの解析を行うこともできる。またこれにより、モアレの周期が非常に長い(例えば、検出器の検出範囲の幅よりも長い)場合であっても被検体の細部の構造をモアレ周期に依存しない空間分解能により画像化することができる。尚、アナライザー格子には振幅変調格子(吸収格子)が用いられることが多い。

さらに、発光点サイズの十分に小さくないX線源を利用できるようにするため、3枚目の格子として「線源格子」が用いられることもある。線源格子には振幅変調格子(吸収格子)が用いられる。この格子は通常X線源発光点付近に配置され、一定の空間的広がりを持つX線発光点を、その周期構造により多数の微細な発光点に仮想的に分割する働きを担う。個々の仮想発光点はビームスプリッター格子の作用により生ずる干渉パターンのフリンジビジビリティを一定以上に維持できる程度に小さく、かつ隣接する仮想発光点の形成する干渉パターン同士がその周期の整数倍だけずれて重畳するような周期で配列する。これにより、実際の発光点サイズが大きい場合には多数の干渉パターンが重畳するにもかかわらず、ビジビリティの高い周期的強度分布を形成することができる。尚、このような原理に基づく線源格子を用いたトールボット干渉計のことを、一般的にトールボット・ロー干渉計と呼ぶ。

干渉計に使用される格子は、一般的には1方向のみに周期成分を持つ格子パターンを有する1次元格子である。このほか、正方格子状の格子パターンのように、2方向以上に周期成分を持つ格子パターンを有する2次元格子が使用されることもある。2次元格子を用いたトールボット干渉計では、被検体によるX線の屈折や散乱の規模について、複数の方向に関して測定できるという利点がある。

ビームスプリッター格子として用いる位相格子の位相変調パターンとしては様々なパターンを用いることができる。例えば特許文献1では、トールボット効果によりビジビリティの高い干渉パターンを形成することに適したいくつかの位相変調パターンが開示されている。現実にはほとんどの場合、格子作製の容易性などから、位相進行部と位相遅延部の2レベルから成る単純な変調パターンが用いられる。例えば、幅の等しい位相進行部と位相遅延部とが交互に配列した構造を持ち、想定される光子エネルギーのX線に対してπ/2の高さの位相変調を与える1次元格子は、一般的に良く用いられる位相格子の一つである。

また、非特許文献1では、キャピラリープレートを2次元吸収格子として、ビームスプリッター格子及びアナライザー格子に用いたトールボット干渉計について記載されている。

概要

トールボット効果により特定の位置に形成される干渉パターンのビジビリティが、従来よりも幅広エネルギーのX線に対して高くなるようなX線回折格子を提供すること。 X線回折格子1は、位相進行部11と複数の位相遅延部12とを有する。位相進行部11は格子材料を有し、複数の位相遅延部12のそれぞれは、位相進行部11よりも格子材料の厚みが薄く、対応する2次元格子パターン内での面積占有率が15%以上45%未満である複数の位相遅延部12は六角格子状に配置されている。

目的

本発明は、トールボット効果により特定の位置に形成される干渉パターンのビジビリティが、従来よりも幅広いエネルギーのX線に対して高くなるようなX線回折格子を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
0件

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請求項1

位相進行部と複数の位相遅延部とを有するX線回折格子であって、前記位相進行部は格子材料を有し、前記複数の位相遅延部のそれぞれは、前記位相進行部よりも前記格子材料の厚みが薄く、且つ、前記X線回折格子の2次元格子パターン内での面積占有率が15%以上45%未満であり、前記複数の位相遅延部は前記2次元格子パターン内において六角格子状に配置されていることを特徴とするX線回折格子。

請求項2

前記複数の位相遅延部のそれぞれは、前記2次元格子パターン内での面積占有率が30%以上35%未満であることを特徴とする請求項1に記載のX線回折格子。

請求項3

前記位相遅延部の前記2次元格子パターン内での形状が円または六角形であることを特徴とする請求項1又は2に記載のX線回折格子。

請求項4

前記位相遅延部のそれぞれにおける前記格子材料の厚みが0であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のX線回折格子。

請求項5

前記位相遅延部は前記格子材料と異なる材料を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のX線回折格子。

請求項6

前記格子材料と異なる材料とは、前記格子材料よりもX線に対する屈折率が1に近い材料であることを特徴とする請求項5に記載のX線回折格子。

請求項7

前記位相進行部を透過したX線に対する前記位相遅延部を透過したX線の位相遅延量が2π/3となるような格子構造を有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のX線回折格子。

請求項8

ビームスプリッター格子X線検出器とを備え、前記ビームスプリッター格子が請求項1乃至7のいずれか1項に記載のX線回折格子であることを特徴とするX線トールボット干渉計

技術分野

0001

本発明は、X線回折格子及びX線回折格子を備えるX線トールボット干渉計に関する。

背景技術

0002

X線の被検体による吸収を利用した撮像法医療や工業の諸領域において従来広く利用されている。さらに近年、X線が被検体を透過する際の位相シフトを利用した撮像法が開発されており、特に軽元素により構成される被検体を高感度撮像できるという特長などが注目されている。特に、X線回折格子を利用した撮像法であるトールボット干渉計は広く研究されている。

0003

トールボット干渉計では一般に、入射するX線に対して振幅変調位相変調を付与するための微細周期構造を有する「格子」を複数枚用いる。このうちの一つである「ビームスプリッター格子」は、入射X線を周期構造により回折し、トールボット効果による微細な干渉パターンビーム下流の所定の位置に形成する回折格子である。この干渉パターンは、自己像と呼ばれる。ビームスプリッター格子は一般的に、被検体の上流側又は下流側の被検体付近に配置される。被検体の存在により、透過X線には被検体によるX線吸収による振幅変化だけでなく位相シフトが発生する。また振幅位相分布の微細な変化によるX線の散乱が発生する。これらにより、干渉パターンには被検体の特徴を反映した歪みやビジビリティコントラストともいう)低下などが発生する。これらの被検体に起因する干渉パターンの変化を計測し、各種の解析を行うことにより、従来のような吸収コントラストのみを利用した撮像よりも多くの情報を取得することが可能となる。尚、格子のX線透過率を高めることでより多くのX線を利用できることから、ビームスプリッター格子には振幅変調格子よりも位相変調格子位相格子ともいう)が用いられることが多い。

0004

ビームスプリッター格子の形成する干渉パターンは通常数μm程度の周期を持つ微細なパターンであることから、X線検出器によるパターン検出を容易にするため、もう1枚の格子である「アナライザー格子」が用いられることが多い。アナライザー格子のピッチを干渉パターンの周期に合わせることにより、両者の重畳により周期の長いモアレを発生させることができ、空間分解能の十分に高くない検出器によっても干渉パターンの情報を取得することが可能となる。また、格子を周期方向に移動させることによりモアレの位相をシフトさせることができるため、位相ステッピング法によるパターンの解析を行うこともできる。またこれにより、モアレの周期が非常に長い(例えば、検出器の検出範囲の幅よりも長い)場合であっても被検体の細部の構造をモアレ周期に依存しない空間分解能により画像化することができる。尚、アナライザー格子には振幅変調格子(吸収格子)が用いられることが多い。

0005

さらに、発光点サイズの十分に小さくないX線源を利用できるようにするため、3枚目の格子として「線源格子」が用いられることもある。線源格子には振幅変調格子(吸収格子)が用いられる。この格子は通常X線源発光点付近に配置され、一定の空間的広がりを持つX線発光点を、その周期構造により多数の微細な発光点に仮想的に分割する働きを担う。個々の仮想発光点はビームスプリッター格子の作用により生ずる干渉パターンのフリンジビジビリティを一定以上に維持できる程度に小さく、かつ隣接する仮想発光点の形成する干渉パターン同士がその周期の整数倍だけずれて重畳するような周期で配列する。これにより、実際の発光点サイズが大きい場合には多数の干渉パターンが重畳するにもかかわらず、ビジビリティの高い周期的強度分布を形成することができる。尚、このような原理に基づく線源格子を用いたトールボット干渉計のことを、一般的にトールボット・ロー干渉計と呼ぶ。

0006

干渉計に使用される格子は、一般的には1方向のみに周期成分を持つ格子パターンを有する1次元格子である。このほか、正方格子状の格子パターンのように、2方向以上に周期成分を持つ格子パターンを有する2次元格子が使用されることもある。2次元格子を用いたトールボット干渉計では、被検体によるX線の屈折や散乱の規模について、複数の方向に関して測定できるという利点がある。

0007

ビームスプリッター格子として用いる位相格子の位相変調パターンとしては様々なパターンを用いることができる。例えば特許文献1では、トールボット効果によりビジビリティの高い干渉パターンを形成することに適したいくつかの位相変調パターンが開示されている。現実にはほとんどの場合、格子作製の容易性などから、位相進行部と位相遅延部の2レベルから成る単純な変調パターンが用いられる。例えば、幅の等しい位相進行部と位相遅延部とが交互に配列した構造を持ち、想定される光子エネルギーのX線に対してπ/2の高さの位相変調を与える1次元格子は、一般的に良く用いられる位相格子の一つである。

0008

また、非特許文献1では、キャピラリープレートを2次元吸収格子として、ビームスプリッター格子及びアナライザー格子に用いたトールボット干渉計について記載されている。

0009

米国特許第5812629号

先行技術

0010

A.Momose and S.Kawamoto“X‐ray Talbot Interferometry with Capillary Plates”Japanese Journal of Applied Physics,Vol.45,No.1A,314‐316(2006)

発明が解決しようとする課題

0011

トールボット干渉計ではトールボット効果により形成する干渉パターンの変化により被検体による位相シフトや散乱に関する量を測定する。よって、検出される干渉パターンのビジビリティを高めることが、信頼性の高い測定を行うために重要な要素の一つである。

0012

一方、トールボット効果は波の回折現象に基づく効果であり、回折現象は一般に当該波の波長に依存する現象である。また、位相格子による位相変調量自体もX線の波長により変化する。従って一般的に、位相格子の下流のある特定の位置における干渉パターンのビジビリティは、使用されるX線の波長により複雑に変化する。

0013

また、このような干渉パターンのビジビリティの波長依存性は、位相格子等の回折格子の構造に固有のものである。本発明及び本明細書では、このような干渉パターンのビジビリティの波長依存性(光子エネルギー依存性ともみなせる)のことを回折格子の収色性と呼ぶことがある。尚、収色性が高いとは、干渉パターンのビジビリティの波長依存性が低いことを指す。

0014

一般的に広く用いられている、X線管などのX線源によって得られるX線は、比較的幅の広いエネルギースペクトルを持つ。よって、位相格子の収色性が高い方が、照射されたX線のうち幅広エネルギー成分を用いて特定の位置にビジビリティの高い干渉パターンを形成でき、これらの成分を計測に利用することができるようになる。

0015

そこで本発明は、トールボット効果により特定の位置に形成される干渉パターンのビジビリティが、従来よりも幅広いエネルギーのX線に対して高くなるようなX線回折格子を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0016

本発明のX線回折格子の一側面は、位相進行部と複数の位相遅延部とを有するX線回折格子であって、前記位相進行部は格子材料を有し、前記複数の位相遅延部のそれぞれは、前記位相進行部よりも前記格子材料の厚みが薄く、且つ、対応する2次元格子パターン内での面積占有率が15%以上45%未満であり、前記複数の位相遅延部は六角格子状に配置されていることを特徴とする。本発明のその他の側面は発明を実施するための形態において説明をする。

発明の効果

0017

本発明によれば、トールボット効果により特定の位置に形成される干渉パターンのビジビリティが従来よりも幅広いエネルギーのX線に対して高くなるようなX線回折格子を提供することができる。

図面の簡単な説明

0018

実施形態に係る回折格子の格子パターン例と、回折格子が形成する干渉パターンの例。
実施形態に係る回折格子の断面図の例。
実施形態に係る回折格子と比較例とが形成する干渉パターンのビジビリティのX線エネルギー依存性を示す図。
実施形態に係る回折格子の格子パターンにおける位相遅延部の面積占有率と収色性との関係を示す図。
実施形態に係る回折格子を備えるトールボット干渉計の模式図。
比較例に係る回折格子の格子パターン。

0019

以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

0020

なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

0021

本発明の発明者による鋭意検討の結果、六角格子状のパターンを有するX線回折格子において、下記3つの条件を満たすとき、そのX線回折格子はビジビリティの高い干渉パターンを形成することができ、かつ、高い収色性を示すことを発見した。
(1)位相格子であり、対応する2次元格子パターンにおいて位相進行部の間に複数の位相遅延部が六角格子状に並んだ構造を有すること。
(2)位相遅延部が位相進行部よりも格子材料の厚みを薄くすることで構成されていること(言い換えると、位相遅延部が凹部であること)。
(3)対応する2次元格子パターン内での位相遅延部の面積占有率が15%以上45%未満であること。

0022

図1(a)は、上記3つの条件を満たすX線回折格子の2次元格子パターンの例を示している。格子パターン1は位相進行部11と複数の位相遅延部12を有する。複数の位相遅延部12は、位相進行部11の間に六角格子状に配置されている。位相遅延部12のそれぞれの形状は正六角形であり、位相遅延部12の面積占有率(以下、単に面積占有率と呼ぶことがある)は1/3である。尚、位相遅延部の面積占有率とは、X線回折格子の2次元格子パターンの基本構造10の面積に占める位相遅延部12の面積の割合である。尚、基本構造10とは、1つの位相遅延部12とその周辺の位相進行部11を有する、六角格子パターンの最小単位となる正六角形の外形を有する構造のことである。従って、本実施形態における六角格子状の位相格子パターンは、正六角形の外形を有する基本構造10が平面内に敷き詰められた格子パターンである。尚、位相遅延部12の中心と基本構造10の中心とは一致するものとする。この時、基本構造10の輪郭の一部をなす辺と位相遅延部12の中心との距離は、隣り合う位相遅延部12の中心同士の距離の半分に一致する。尚、位相遅延部の中心とは、それぞれの位相遅延部の形状の幾何学的重心のことを指す。基本構造10の中心についても同様に、それぞれの基本構造10の外形を示す正六角形の幾何学的重心のことを指す。尚、位相遅延部の形状とは、原則としてX線の入射方向に垂直な面内における位相遅延部の断面形状のことを指す。

0023

また、図1(b)は位相遅延部12の形状が円形である場合の格子パターン例を示している。この格子パターン1は、全体として図1(a)の格子パターン1を近似したような格子パターン1である。この格子パターン1も、面積占有率は約1/3である。

0024

尚、実際の格子は多少の製造誤差を含んで作製されていても良い。例えば、格子パターンが全体として一方向に伸長されたようなパターンとなることにより、基本構造の外形が正六角形からややずれた形状となっていても良い。

0025

図1(a)に示すパターンを有する位相格子は、X線を回折することで図1(c)に示すような複数の明部30が一様な暗部31の間に配置された六角格子状の干渉パターンを形成する。六角格子状の干渉パターンとは、正六角形の外形を有する基本干渉パターンを平面内に隙間無く敷き詰めたような干渉パターンのことを指す。尚、図1(b)のように位相遅延部のそれぞれが円形の場合も、図1(c)に示した干渉パターンとよく似た干渉パターンが形成される。

0026

六角格子状の格子パターンにおける格子ピッチd1は図1(a)、(b)に示す距離とする。この距離は、3つの位相遅延部12の中心を結んでできる最小の正三角形の高さに相当する。

0027

図1(a)、(b)どちらのパターン例を採用した場合でも、位相遅延部12は格子材料の厚さが周囲の位相進行部11よりも薄いことにより透過X線に相対的な位相遅延を発生させる。尚、格子材料の厚さとはX線の入射方向に関する厚さを意味するものとする。図1(a)に示した格子パターンを持つ本実施形態に係る回折格子の断面図を図2(a)に示す。図2(a)は、図1(a)中のa−a’で切断した断面図である。図2(a)に示すように、本実施形態に係る回折格子の構造は、格子基板に位相遅延部を形成するための孔が複数配列した構造となる。この孔は、図2(a)に示したように貫通していない孔(凹部)であってもよいし、貫通孔であってもよい。この孔は、垂直性が高い井戸状の孔であることが好ましい。位相遅延部が貫通孔の場合、位相遅延部は格子材料を有さないが、本発明および本明細書ではその場合であっても、位相遅延部における格子材料の厚みが位相進行部よりも薄いという。

0028

本発明及び本明細書では、このような孔が複数配列した格子構造のことを、ホールアレイ型の構造と呼ぶことがある。反対に、柱状の構造が格子基板上に複数配列した格子構造のことを、本発明及び本明細書ではピラーアレイ型の構造と呼ぶことがある。

0029

図3は、本実施形態に係る回折格子と比較例との干渉パターンのビジビリティのX線光子エネルギーに対する依存性(以下、ビジビリティのエネルギー依存性と呼ぶことがある)の計算結果を示している。ここで、グラフ縦軸のc1/c0は、干渉パターンのX線強度分布複素フーリエ級数展開した際の、基本波成分(c1)のDC成分(c0)に対する比であり、ここでは干渉パターンのビジビリティの指標として用いている。c1は一般には複素数であるが、ここでは実数値を取る場合についてのみ計算している。また、c1/c0の値が正の時と負の時とでは干渉パターンの明部と暗部とが反転するためこれらのパターンが同時に存在するときはビジビリティを弱め合う関係となり、一般には好ましくない。また、一般にX線領域において物質屈折率の1からの低下分であるδはX線波長λの2乗にほぼ比例することから、本明細書においてはδ∝λ2として各計算を行っている。さらに、格子材料によるX線の吸収は無いものとして計算を行っている。尚、図3に示した3つの格子構造については、光子エネルギー30keVのX線に最適化して設計した場合を想定している。この場合の30keVのように、格子の設計の際に想定したX線のエネルギーのことを、本明細書ではエネルギーの想定値と呼ぶことがある。

0030

図3においてHex_1として示している曲線実線)は、図1(a)の格子パターンを採用した時の干渉パターンのビジビリティ(c1/c0)の計算結果である。この計算では、位相遅延量が光子エネルギー30keVのX線に対して2π/3となるように位相進行部11よりも位相遅延部12に相当する領域の格子材料の厚みを薄くしたとしている。尚、本明細書及び本発明において、位相遅延量とは、位相進行部11を透過したX線に対する位相遅延部12を透過したX線の相対的な位相の遅延量のこと指すものとする。

0031

また、干渉パターンのビジビリティを評価している位置は、λ30keVを30keVのX線に対応する波長とした時、格子から下流側に(2/3)・d12/λ30keVとなるような位置としている。この位置は、上述の構造を有する回折格子が形成する干渉パターンが高いビジビリティで現れる位置である。図3から分かるように、この格子構造ではビジビリティのエネルギー依存性が低く、15keV付近から40keV以上に至るまで高いビジビリティを維持することができる。

0032

一方、図3において1D_1として示している曲線(点線)は、図6(a)に示すような幅の等しい位相進行部111と位相遅延部112とが交互に配列した格子パターンを採用した時の干渉パターンのビジビリティ(c1/c0)の計算結果である。この計算では、X線の位相遅延量が光子エネルギー30keVのX線に対してπ/2であるとした。この格子構造は従来良く利用されているものである。また、干渉パターンのビジビリティを評価している位置は、格子から下流側に(1/2)・d1(1D)2/λ30keVとなるような位置である。この位置は、上述の構造を有する回折格子が形成する干渉パターンが高いビジビリティで現れる位置である。尚、d1(1D)は1次元格子の格子ピッチを表している。

0033

図3から分かるように、この格子構造では15keV付近においてビジビリティがゼロまで低下するなど、ビジビリティのエネルギー依存性がHex_1に比べて高い(収色性が相対的に低い)。尚、30keV付近におけるビジビリティの絶対値はHex_1に比べて高いが、六角格子状の干渉パターンでは合計3方向に関して周期成分が存在し、その全てを被検体情報の測定に利用できるため、ビジビリティの絶対値の差は一定程度補うことが可能である。

0034

さらに、図3においてHex_2として示している曲線(破線)は、図1(a)と同様の格子パターンを採用しているものの、格子構造がホールアレイ型ではなくピラーアレイ型である場合の干渉パターンのビジビリティ(c1/c0)の計算結果である。この格子の格子パターンと断面図を図6(b)に示す。位相進行部111と位相遅延部112とで形成される格子パターンは図1(a)に示したHex_1の格子パターンと同じである。格子基板上の柱状の構造部(位相遅延部112)を透過したX線は周囲に比べて位相が進行するため、実際には位相進行部となる。しかしながら、ここでは位相進行量が30keVのX線に対して4π/3となるような差である場合を想定しており、これは30keVのX線に対して2π/3の位相遅延を与えることと等価となる。よって、この位相遅延部112は、実際には位相進行部であるが、疑似的に位相遅延量が2π/3の位相遅延部112を形成していると言うこともできる。つまり、30keVのX線に対してはHex_1とHex_2の格子構造は同一の格子とみなせる。また、干渉パターンのビジビリティを評価している位置はHex_1と同様、格子から下流側に(2/3)・d12/λ30keVとなるような位置である。図3から分かるように、この格子構造では20keV付近においてビジビリティがゼロまで低下するなど、ビジビリティのエネルギー依存性がHex_1に比べて高い(収色性が相対的に低い)。このように、この格子構造は30keVのX線に対してはHex_1と同一の格子とみなせるにもかかわらず、ビジビリティのエネルギー依存性を全体として比較すると大きな違いがあり、Hex_1に比べて収色性が低いことが分かる。

0035

以上の比較から、図1(a)の格子パターンを持つホールアレイ型の位相格子は、他の格子構造を持つ位相格子に比べて高い収色性を有することができることが分かる。ところで、同一の位相格子であっても使用されるX線のエネルギーが変われば位相遅延量の値も変わる。例えば、図3のHex_1の格子は30keVのX線に対しては位相遅延量が2π/3の位相格子であっても、20keVのX線に対しては位相遅延量が概ねπとなる位相格子である。このように、設計上の位相遅延量を推定するためにはX線のエネルギーの想定値を知る必要がある。また、本実施形態の位相格子の位相遅延部は、エネルギーの想定値におけるX線の位相遅延量が2π/3±π/6(3π/6以上5π/6以下)の範囲にあることが好ましい。

0036

X線のエネルギーの想定値が不明な場合は、例えば位相格子に照射するX線の光子エネルギーの平均値をもってエネルギーの想定値とみなすことができる。このほかにも、光学系において干渉パターンの検出が行われている面と位相格子との間の距離Lを元にエネルギーの想定値を求めることもできる。エネルギーの想定値に対応するX線波長をλAとした時、ビジビリティの高い干渉パターンが得られる条件は前述のようにL=(2/3)・d12/λAである。従って、λA=(2/3)・d12/Lにより、λA及びそれに対応するエネルギーの想定値を求めることができる。但し、本算出式平面波状の入射X線を想定したものである。一般には位相格子に入射するX線はX線源又はトールボット・ロー干渉計における線源格子などにより形成される仮想X線源を中心とする球面波状のものとなり、前述の干渉パターンの得られる位置は平面波を想定した場合よりも下流側にシフトする。この効果を考慮するためには、λA=(2/3)・d12・(1+L12/L01)/L12によりλAを算出すれば良い。尚ここでL01はX線源又は仮想X線源から位相格子までの距離、L12は位相格子から干渉パターンの検出が行われる位置までの距離である。尚、光学系がビームスプリッター格子として本実施形態の位相格子を用いるトールボット干渉計を構成している場合、距離L12はビームスプリッター格子とアナライザー格子との間の距離を指す。尚、尚、光学系がアナライザー格子を備えないトールボット干渉計の場合、距離L12はビームスプリッター格子と検出器との間の距離を指す。

0037

次に、基本構造内における位相遅延部の面積占有率と格子の収色性との関係について説明する。

0038

図4(a)は、図1(a)のような正六角形の位相遅延部12を有する格子パターンについて、基本構造内における位相遅延部12の面積占有率と収色性との関係を示している。図4では、各条件におけるc1/c0の値を等高線図により表している。位相遅延部12の面積占有率以外の条件は図3におけるHex_1の曲線の計算条件と同じである。すなわち、格子構造はホールアレイ型であり、位相進行部11と位相遅延部12との格子材料の厚みの差(位相遅延部12を形成するための孔の深さに対応する)は位相遅延量が30keVのX線に対して2π/3となるような値である。また、干渉パターンのビジビリティを評価している位置は、格子から下流側に(2/3)・d12/λ30keVとなるような位置である。図4から分かるように、面積占有率が15%以上45%未満程度である時、幅広いX線エネルギーに対して比較的高いビジビリティを有することができる。この時、例えば20,30,40keVの3つのX線エネルギーに対してc1/c0の値が0.2以上の値を維持できる。さらに、面積占有率が30%以上35%未満程度である時、幅広いX線エネルギーに対してより均一に高いビジビリティを有することができる。この時、例えば20,30,40keVの3つのX線エネルギーに対してc1/c0の値が0.4以上の値を維持できる。

0039

また図4(b)は、図1(b)のように、格子パターンが円形の位相遅延部12を有する場合の計算結果を示している。位相遅延部の形状以外の条件は、すべて図4(a)と同様である。図4の(a)と(b)の計算結果の間に大きな違いは存在せず、格子の収色性に関して位相遅延部12の形状の重要性は高くないことが分かる。よって、位相遅延部12の形状は特に問わない。また同じ理由により、図1(a)における正六角形の位相遅延部12をそれぞれの中心位置を変えずに一定の角度で回転させたような格子パターンであっても良い。但し、位相遅延部12の形状が正六角形や円形とは大きく異なる形状である場合には各条件における干渉パターンやそのビジビリティが大きく変わり得る。よって、位相遅延部12の形状は正六角形や円形に近い形状であることが好ましく、位相遅延部の中心と位相遅延部の輪郭との距離の最大値が、最小値の1.2倍以下であることが好ましい。尚、位相遅延部の中心と位相遅延部の輪郭との距離の最大値が最小値と等しいとき、その位相遅延部は真円である。

0040

尚、本説明では格子が単一の格子材料により構成され、厚さの違いにより位相変調を発生させる場合を想定して説明を行った。しかし、これ以外にも例えば、厚さが均一で、位相進行部11と位相遅延部12とを屈折率の異なる別の材料で構成することで位相変調を発生させるような格子構造であっても良い。このような構造を有する回折格子の断面図を図2(b)に示した。δの値の大きい方の材料51を格子材料とみなし、δの値の小さい方の材料52とのδの差を実効的なδの値とみなすことにより、これまでの議論をそのまま適用することができる。尚、δは屈折率の低下分なので、δの値の大きい方の材料51の方がδの値の小さい方の材料52よりも屈折率が小さい。図2(b)はδの値が小さい方の材料52とδの値が大きいの方の材料51とで構成されている。この回折格子は、例えば、δの値が小さいほうの材料52からなる基板柱状構造アレイを形成し、その間隙部にδの値が大きいほうの材料51を充填することで製造することができる。尚、δの値が大きい方の材料は、ほとんどの場合、質量密度の大きい方の材料である。

0041

本実施形態に係る回折格子を備えるトールボット干渉計について説明をする。トールボット干渉計の模式図を図5(a)に示す。このトールボット干渉計100は線源格子2を備えるトールボット・ロー干渉計である。X線トールボット干渉計100は、X線源7と線源格子2と、ビームスプリッター格子3と、アナライザー格子4と、X線検出器5と演算装置6とを備える。

0042

X線源7は線源格子2にX線を照射する。尚、トールボット干渉計100は、X線源7を備えなくてもよい。その場合であっても、撮像時にはX線源7とトールボット干渉計100とを組み合わせて用いられる。X線源7とトールボット干渉計100とが分離されていることにより、X線源7の寿命や撮像に用いるX線のエネルギーに応じてX線源7を取り換えることができる。トールボット干渉計はX線源7を備えず、撮像時にエネルギー、出力、焦点サイズ等が撮像条件に合うX線源と組み合わせることで撮像を行っても良い。
この場合、トールボット干渉計はX線源の位置決め手段(たとえば、X線源を配置する台)を有していてもよい。

0043

線源格子の格子パターン20の例を図5(b)に示す。線源格子2は、X線の遮蔽部21と透過部22とを有し、X線源7からX線が照射されることにより、微小なX線源のアレイを仮想的に形成する。図5(b)に示すように、透過部21は六角格子状に配置されている。

0044

ビームスプリッター格子3は、線源格子2からのX線を回折して干渉パターンを形成する。このビームスプリッター格子3として、上述の回折格子を用いることができる。

0045

アナライザー格子の格子パターン40の例を図5(c)に示す。アナライザー格子4は、X線の遮蔽部41と透過部42とを有し、干渉パターンの明部の一部を遮蔽してモアレを形成する。モアレのピッチは適宜決めることができる。たとえば、アナライザー格子4のピッチd2と干渉パターンのピッチとを一致させ、かつ、周期方向も一致させると、モアレのピッチは無限大となる。本発明および本明細書においては、ピッチが無限大であっても、アナライザー格子4を透過したX線が形成する強度分布のことをモアレと呼ぶ。尚、線源格子の遮蔽部21とアナライザー格子の遮蔽部41とは、共に、厚み方向に平行に入射したX線の8割程度を遮蔽することができればよい。

0046

X線検出器5は、アナライザー格子4を透過したX線を検出する画素が2方向に配列したエリアセンサ—である。エリアセンサーの代わりに、ラインセンサーを用い、センサー走査することで2次元の強度分布を取得してもよいが、エリアセンサーを用いる方が撮像時間を短くできるため好ましい。

0047

演算装置6は、X線検出器5による検出結果を用いて被検体の情報を取得する。一般的には、検出結果に解析を施すことで被検体の情報を取得する。検出結果をそのまま被検体の画像として利用する場合、演算装置6はX線検出器5から検出結果を取得し、必要に応じて情報を変換して画像表示手段に送信する。尚、演算装置6はX線検出器5と独立していなくても良い。検出結果を画像表示手段が受信できる情報に変換する機能を有するX線検出器をX線検出器5と一体化された演算装置6として用いることもできる。また、トールボット干渉計は、演算装置6を備えない形態をとることもできる。例えば、計測時に汎用コンピュータをX線検出器5と接続し、汎用コンピュータを演算装置6として用いることもできる。

0048

尚、図6(a)に示したトールボット干渉計100は、線源格子2を備えるが、X線源7が十分小さく、線源格子を用いずともビームスプリッター格子3の形成する干渉パターンのビジビリティが十分に得られる場合には線源格子2は不要である。また、X線検出器5が、ビームスプリッター格子3が形成する干渉パターンを検出することができる程度の空間分解能を有する場合、アナライザー格子4が不要なこともある。

0049

トールボット干渉計100が収色性の高い回折格子を備えることによって、広いエネルギーのX線に対して干渉パターンのビジビリティを高くできるため、幅広いエネルギー成分を計測に利用できるようになる。

0050

実施例1は実施形態に係る回折格子の具体的な実施例である。実施例1のX線回折格子は図1(a)と同様の格子パターンを有しており、基本構造内における正六角形状の位相遅延部12の面積占有率は1/3である。格子構造はホールアレイ型であり、格子材料はシリコンである。位相遅延部12を形成するための孔の深さは26μmであり、これにより光子エネルギー30keVの透過X線に対する位相遅延量が約2π/3となる。また、格子ピッチd1は4μmである。尚、エネルギー30keVのX線の波長は約0.041nmである。よって、この回折格子がビジビリティの高い干渉パターンを形成する位置までの距離Lは、L=(2/3)・(4μm)2/0.041nm≒260mmと計算できる。この干渉パターンは、15keV付近から40keV以上にわたる幅広いX線エネルギーに対して高いビジビリティを有することができる。尚、この距離Lは入射X線が平面波であることを想定した数値である。よって、実際にはX線源又はトールボット・ロー干渉計における線源格子などにより形成される仮想X線源から発生する球面波に対して最適になるよう、最適距離の変化を考慮して用いることが望ましい。具体的には、回折格子から干渉パターンの検出を行う位置までの距離L12をL12=L01L/(L01−L)とすることが望ましい。尚ここでL01はX線源又は仮想X線源から位相格子までの距離である。

実施例

0051

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

0052

1X線回折格子
10基本構造
11位相進行部
12位相遅延部

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