特許 6788521 Ｘ線撮像装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6788521

(24)【登録日】2020年11月4日

(45)【発行日】2020年11月25日

(54)【発明の名称】Ｘ線撮像装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 23/041 20180101AFI20201116BHJP

   A61B 6/00 20060101ALI20201116BHJP

【ＦＩ】

   G01N23/041

   A61B6/00 330Z

【請求項の数】16

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2017-30706(P2017-30706)

(22)【出願日】2017年2月22日

(65)【公開番号】特開2018-134229(P2018-134229A)

(43)【公開日】2018年8月30日

【審査請求日】2019年3月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】米山 明男

(72)【発明者】

【氏名】馬場 理香

【審査官】 越柴 洋哉

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−１５２５００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／００９９７０２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／０２６２９０３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００３−０９０８０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０２６０９８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２３／００−２３／２２７６

Ａ６１Ｂ ６／００− ６／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｘ線が試料を透過することによって生じるＸ線の位相シフト及び吸収を干渉像として出力する干渉計と、
前記干渉計の出力する干渉像を検出するＸ線画像検出器と、
制御装置と、
前記Ｘ線画像検出器により検出された干渉像の画素値から前記試料によるＸ線の位相シフトを算出する処理部とを有し、
前記制御装置は、前記試料をＸ線の光路から退避した状態で位相シフト量をそれぞれ異ならせて３枚以上の第１干渉像を検出し、前記試料をＸ線の光路上に設置した状態で１枚の第２干渉像を検出し、
前記処理部は、前記３枚以上の第１干渉像から、干渉像の各画素の位置における、前記試料をＸ線の光路から退避した状態での干渉像を形成する２本の干渉ビームの強度、位相差及び複素コヒーレンス度を求め、前記試料に吸収されることによるＸ線の強度の変化と位相シフトとの関係式に基づき、前記第２干渉像の画素値から干渉像の各画素の位置における前記試料によるＸ線の位相シフトを算出するＸ線撮像装置。

【請求項2】

請求項１において、
前記処理部は、前記３枚以上の第１干渉像から、干渉像の各画素の位置における、前記試料をＸ線の光路から退避した状態での干渉像を形成する前記２本の干渉ビームの干渉振幅及び吸収を算出し、算出した干渉振幅及び吸収から前記２本の干渉ビームの強度及び複素コヒーレンス度を算出するＸ線撮像装置。

【請求項3】

請求項１において、
前記試料に吸収されることによるＸ線の強度の変化（Ｉ／Ｉ_０）と位相シフトｄｐとの関係式は、Ｚを前記試料を構成する元素の原子番号、ｆ’とｆ”を原子散乱因子の異常分散項の実部と虚部とするとき、

【数1】

で表されるＸ線撮像装置。

【請求項4】

請求項２において、
前記干渉計は、
Ｘ線を第１干渉ビームと第２干渉ビームとに分割する第１結晶板と、
前記第１干渉ビーム及び前記第２干渉ビームをＸ線回折により反射する第２結晶板と、
前記第２結晶板から反射された前記第１干渉ビームと前記第２干渉ビームとを結合し第３干渉ビームを出力する第３結晶板と、
位相シフタと、
前記位相シフタを前記第１干渉ビームの光路上に位置決めする位相シフタ位置決め機構と、
前記試料を保持する試料ホルダーと、
前記試料ホルダーを前記第１干渉ビームの光路上に位置決めする試料位置決め機構とを有し、
前記干渉計が出力する干渉像の画素値は、前記第３結晶板から出力される前記第３干渉ビームの強度であるＸ線撮像装置。

【請求項5】

請求項２において、
前記干渉計は、
前記試料を保持する試料ホルダーと、
前記試料を透過したＸ線が照射される位相格子と、
前記位相格子を透過したＸ線が照射され、干渉モアレ像を形成する吸収格子とを有し、
前記干渉計が出力する干渉像の画素値は、前記干渉モアレ像のシフト量であるＸ線撮像装置。

【請求項6】

請求項４〜５のいずれか一項において、
前記試料ホルダーは回転ステージを有し、
前記処理部は、前記試料をＸ線に対して回転させながら異なる投影角度で撮像した投影像から前記試料によるＸ線の位相シフトに基づく前記試料の断面像を求めるＸ線撮像装置。

【請求項7】

試料に外部刺激を与える刺激発生機構と、
Ｘ線が前記試料を透過することによって生じるＸ線の位相シフト及び吸収を干渉像として出力する干渉計と、
前記干渉計の出力する干渉像を検出するＸ線画像検出器と、
制御装置と、
前記Ｘ線画像検出器により検出された干渉像の画素値から前記試料によるＸ線の位相シフトを算出する処理部とを有し、
前記制御装置は、前記試料をＸ線の光路上に設置した状態で位相シフト量をそれぞれ異ならせて３枚以上の第１干渉像を検出し、前記試料をＸ線の光路上に設置し、かつ前記刺激発生機構により前記試料に外部刺激を与えた状態で１枚の第２干渉像を検出し、
前記処理部は、前記３枚以上の第１干渉像から、干渉像の各画素の位置における、前記試料をＸ線の光路上に設置した状態での干渉像を形成する２本の干渉ビームの強度、位相差及び複素コヒーレンス度を求め、前記試料に吸収されることによるＸ線の強度の変化と位相シフトとの関係式に基づき、前記第２干渉像の画素値から、干渉像の各画素の位置における前記刺激発生機構により外部刺激が与えられた前記試料によるＸ線の位相シフトを算出するＸ線撮像装置。

【請求項8】

請求項７において、
Ｘ線の前記試料への照射を制御するＸ線シャッターを有し、
前記制御装置は、前記刺激発生機構が所定の繰り返し周期で前記試料に外部刺激を与え、前記刺激発生機構による外部刺激から所定時間経過後に所定期間、前記Ｘ線シャッターを開状態とするよう制御し、
前記Ｘ線画像検出器は、前記Ｘ線シャッターを開状態とした複数回の期間に露光して得られる干渉像を累積して前記第２干渉像を形成するＸ線撮像装置。

【請求項9】

請求項７において、
前記試料にパルスＸ線を照射し、
前記制御装置は、前記刺激発生機構が所定の繰り返し周期で前記試料に外部刺激を与え、前記刺激発生機構による外部刺激から所定時間経過後にパルスＸ線を前記試料に照射するよう制御し、
前記Ｘ線画像検出器は、複数回のパルスＸ線照射期間に露光して得られる干渉像を累積して前記第２干渉像を形成するＸ線撮像装置。

【請求項10】

請求項９において、
前記干渉計と前記Ｘ線画像検出器との間にシャッターを有し、
前記Ｘ線画像検出器は、前記複数回のパルスＸ線照射期間のうち、前記シャッターが開状態とされた期間に露光して得られる干渉像を累積して前記第２干渉像を形成するＸ線撮像装置。

【請求項11】

請求項７において、
前記外部刺激がレーザーによる加熱または機械的な圧力であるＸ線撮像装置。

【請求項12】

請求項７において、
前記処理部は、前記３枚以上の第１干渉像から、干渉像の各画素の位置における、前記試料をＸ線の光路上に設置した状態での干渉像を形成する前記２本の干渉ビームの干渉振幅及び吸収を算出し、算出した干渉振幅及び吸収から前記２本の干渉ビームの強度及び複素コヒーレンス度を算出するＸ線撮像装置。

【請求項13】

請求項７において、
前記刺激発生機構により外部刺激が与えられた前記試料に吸収されることによるＸ線の強度の変化（Ｉ／Ｉ_０）と位相シフトｄｐとの関係式は、Ｚを前記試料を構成する元素の原子番号、ｆ’とｆ”を原子散乱因子の異常分散項の実部と虚部とするとき、

【数2】

で表されるＸ線撮像装置。

【請求項14】

請求項１２において、
前記干渉計は、
Ｘ線を第１干渉ビームと第２干渉ビームとに分割する第１結晶板と、
前記第１干渉ビーム及び前記第２干渉ビームをＸ線回折により反射する第２結晶板と、
前記第２結晶板から反射された前記第１干渉ビームと前記第２干渉ビームとを結合し第３干渉ビームを出力する第３結晶板と、
位相シフタと、
前記位相シフタを前記第１干渉ビームの光路上に位置決めする位相シフタ位置決め機構と、
前記試料を保持する試料ホルダーと、
前記試料ホルダーを前記第１干渉ビームの光路上に位置決めする試料位置決め機構とを有し、
前記干渉計が出力する干渉像の画素値は、前記第３結晶板から出力される前記第３干渉ビームの強度であるＸ線撮像装置。

【請求項15】

請求項１２において、
前記干渉計は、
前記試料を保持する試料ホルダーと、
前記試料を透過したＸ線が照射される位相格子と、
前記位相格子を透過したＸ線が照射され、干渉モアレ像を形成する吸収格子とを有し、
前記干渉計が出力する干渉像の画素値は、前記干渉モアレ像のシフト量であるＸ線撮像装置。

【請求項16】

請求項１４〜１５のいずれか一項において、
前記試料ホルダーは回転ステージを有し、
前記処理部は、前記試料をＸ線に対して回転させながら異なる投影角度で撮像した投影像から前記試料によるＸ線の位相シフトに基づく前記試料の断面像を求めるＸ線撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はＸ線撮像装置に係わり、特に、主に軽元素で構成される物体の内部を非破壊に、高い密度分解能で検査することに適したＸ線撮像装置に関する。

【背景技術】

【0002】

Ｘ線撮像法は物体に対するＸ線の高い透過能を利用して、試料内部を非破壊で２次元または３次元的に観察する方法であり、医療診断から空港におけるセキュリティ検査まで様々な分野で幅広く利用されている。しかし、炭素や酸素など軽元素はＸ線をほとんど吸収しないため、これらの元素で主に構成されている生体軟部組織や有機材料などを高精細に観察することは難しく、造影剤の利用や長い露光時間が必要であった。

【0003】

Ｘ線は波長の短い電磁波であり、試料を透過する際に吸収による強度の減少に加えて、位相の変化（位相シフト）も同時に生じる。硬Ｘ線領域において、位相シフトを与える散乱断面積は、強度変化を与える散乱断面積に比べて１０００倍以上大きいという特徴がある。このため、位相シフトを画像化する位相コントラスト型Ｘ線撮像法では低被曝かつ無造影で生体の軟部組織や有機材料などを観察することができる（非特許文献１）。しかし、位相シフトを直接検出することは不可能なため、検出可能なＸ線の強度を計測し、これを変換して検出する必要がある。

【0004】

現在、位相シフトを検出する手段として、（１）結晶でできたＸ線干渉計を用いて波の重ね合わせから検出する方法（Ｘ線干渉法）、（２）位相シフトの空間微分に比例した試料による屈折角を単結晶によるＸ線回折を利用して検出する方法（屈折コントラスト法）、（３）（２）と同じ屈折角を回折格子でできたタルボ干渉計を用いて検出する方法（タルボ干渉法）、（４）フレネル回折を用いて検出する方法（伝搬法）などが大視野の撮像を目的として放射光施設で開発されている。

【0005】

上述したいずれの位相シフト検出方法においても、試料を透過したＸ線を測定しているために、位相シフトに加えて試料による吸収の信号も必ず含まれることになる。従って、検出した画像から複数の物理パラメータ（位相シフトと吸収）を分離する必要がある。（１）と（３）の方法では、縞走査法（非特許文献２）或いはフーリエ変換法（非特許文献３）により、定量的な分離が行われている。

【0006】

まず、縞走査法では干渉縞（位相シフト）を人為的にスキャンし、位相シフト量がそれぞれ異なるｎ枚の干渉像（ｎは３以上）Ｉ_ｍを取得し、画素（ｘ，ｙ）毎に、以下に示す関係式（数１）〜（数５）を用いて、複素数Ｒ（ｘ、ｙ）、Ｉ（ｘ、ｙ）より、位相シフトｐ（ｘ，ｙ）、干渉振幅（小角散乱）ａｍｐ（ｘ，ｙ）及び吸収ａｂｓ（ｘ，ｙ）を算出する。

【0007】

【数1】

【0008】

【数2】

【0009】

【数3】

【0010】

【数4】

【0011】

【数5】

【0012】

これに対して、フーリエ変換法では、くさび形のアクリルを光路に設置したり、干渉計を構成する光学素子の傾きをずらしたりして、間隔が非常に狭い干渉縞（キャリアフリンジ）を人為的に形成する。試料を光路上に設置した場合に、干渉縞に生じる空間的な位置ずれから位相シフトを検出するものである。

【0013】

さらに、屈折コントラスト法の一種である結晶スキャン法では、ブラッグ角の近傍で結晶を角度スキャンして複数枚の反射画像Ｉ_ｍを取得し、以下の計算式（数６）〜（数７）により、位相シフトの微分ｄｐ及び吸収ａｂｓ２を算出している（非特許文献４）。

【0014】

【数6】

【0015】

【数7】

【先行技術文献】

【特許文献】

【0016】

【特許文献1】特開２００５−１５２５００号公報

【非特許文献】

【0017】

【非特許文献1】A Momose, T Takeda, Y Itai and K Hirano, “Phase-contrast X-ray computed tomography for observing biological soft tissues”, Nature Medicine 2、 473 (1996)

【非特許文献2】J. H. Bruning, D. R. Herriott, J. E. Gallagher, D. P. Rosenfeld, A. D. White and D.J. Brangaccio, “Digital wavefront measuring interferometer for testing optical surfaces and lenses”, Appl. Opt. 13, 2693-2703 (1974)

【非特許文献3】M. Takeda, H. Ina and S. Kobayashi, “Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry”, J. Opt. Soc. Am. 72, 156-160 (1982)

【非特許文献4】I. Koyama, Y. Hamaishi and A. Momose, “Phase Tomography Using Diffraction Enhanced Imaging”, AIP Proc. CP705, 1283 (2004)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0018】

縞走査法や結晶スキャン法では、計測法が空間分解能を制限することはなく、画像検出器のぼけ（にじみ）やＸ線ビームの角度発散などに空間分解能が依存する。このため、数ミクロン程度の空間分解能が実現可能である。しかし、複数枚の像を取得する必要があるため、計測中に試料の状態が変化しないとみなせることが前提となる。このために、ワンショットでの撮像（瞬間的な撮像）が必要となる動的な観察には適用することができなかった。一方、フーリエ変換法ではワンショットの撮像が可能であるが、空間分解能が干渉縞（キャリアフリンジ）の間隔で制限されるために、５０ミクロン以下の空間分解能を実現することはできなかった。

【0019】

また、位相シフトではなく振幅を画像化する方法も開発されているが（特許文献１）、本方法においても縞走査法を用いており、ワンショットで撮像することはできない。

【0020】

このように、従来技術においては、高い空間分解能（例えば、１０ミクロン以下）で、ワンショットの計測による定量的な位相シフト像を取得することはできなかった。

【課題を解決するための手段】

【0021】

Ｘ線が試料を透過することによって生じるＸ線の位相シフト及び吸収を干渉像として出力する干渉計と、干渉計の出力する干渉像を検出するＸ線画像検出器と、制御装置と、Ｘ線画像検出器により検出された干渉像の画素値から試料によるＸ線の位相シフトを算出する処理部とを有し、制御装置は、試料をＸ線の光路から退避した状態で位相シフト量をそれぞれ異ならせて３枚以上の第１干渉像を検出し、試料をＸ線の光路上に設置した状態で１枚の第２干渉像を検出し、処理部は、３枚以上の第１干渉像から、干渉像の各画素の位置における、試料をＸ線の光路から退避した状態での干渉像を形成する２本の干渉ビームの強度、位相差及び複素コヒーレンス度を求め、試料に吸収されることによるＸ線の強度の変化と位相シフトとの関係式に基づき、第２干渉像の画素値から干渉像の各画素の位置における試料によるＸ線の位相シフトを算出するＸ線撮像装置である。

【0022】

または、試料に外部刺激を与える刺激発生機構と、Ｘ線が試料を透過することによって生じるＸ線の位相シフト及び吸収を干渉像として出力する干渉計と、干渉計の出力する干渉像を検出するＸ線画像検出器と、制御装置と、Ｘ線画像検出器により検出された干渉像の画素値から試料によるＸ線の位相シフトを算出する処理部とを有し、制御装置は、試料をＸ線の光路上に設置した状態で位相シフト量をそれぞれ異ならせて３枚以上の第１干渉像を検出し、試料をＸ線の光路上に設置し、かつ刺激発生機構により試料に外部刺激を与えた状態で１枚の第２干渉像を検出し、処理部は、３枚以上の第１干渉像から、干渉像の各画素の位置における、試料をＸ線の光路上に設置した状態での干渉像を形成する２本の干渉ビームの強度、位相差及び複素コヒーレンス度を求め、試料に吸収されることによるＸ線の強度の変化と位相シフトとの関係式に基づき、第２干渉像の画素値から、干渉像の各画素の位置における刺激発生機構により外部刺激が与えられた試料によるＸ線の位相シフトを算出するＸ線撮像装置である。

【発明の効果】

【0023】

１枚の干渉像から定量的かつ空間分解能の低下を抑制した位相シフトマップなど、試料についての物理量を求めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】Ｘ線撮像方法の手順を模式的に説明するための図である。

【図2】Ｘ線撮像方法の手順を模式的に説明するための図である。

【図3】結晶Ｘ線干渉計（ボンゼ・ハート型）の模式図である。

【図4】ｆ”／（Ｚ＋ｆ’）の計算結果を表す図である。

【図5】タルボ干渉計の模式図である。

【図6】タルボ干渉法による位相シフトの計算フローを示す図である。

【図7】実施例１のＸ線撮像装置の構成を示す図である。

【図8】Ｘ線干渉計の別の構成例を示す図である。

【図9】実施例２の装置構成を示す図である。

【図10】実施例２におけるタイミングチャートを示す図である。

【図11】チョッパー型Ｘ線シャッターの例を示す図である。

【図12】実施例３の装置構成を示す図である。

【図13】実施例３におけるタイミングチャートを示す図である。

【図14】実施例３における別のタイミングチャートを示す図である。

【図15】実施例４の装置構成を示す図である。

【図16】回折格子の一例を示す図である。

【図17】実施例５の検査装置構成を示す図である。

【図18】実施例６で用いる試料位置決め機構の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

高い空間分解能（例えば、１０ミクロン以下）で、ワンショットの計測による定量的な位相シフト像を取得するため、本実施例では以下の手順を有する。
（１）試料を光路から待避した状態で、位相シフト量がそれぞれ異なるｎ枚（ｎ≧３）の干渉像を取得し、Ｘ線の位相と干渉像の画素値との関係を求める。
（２）試料を光路上に設置し、１枚の干渉像を得る。
（３）１枚の干渉像から各画素における位相シフトを算出することにより、定量的な位相シフトの空間分布像（位相マップ）を得る。

【0026】

図１及び図２を用いて、上述の手順を模式的に説明する。図１及び図２において、横軸に位相を、縦軸に干渉Ｘ線強度をとっている。手順（１）において、例えば、縞走査法により位相シフト量を変えながら複数の干渉像を取得し、ある一画素における干渉Ｘ線強度が１０１ａ〜１０１ｆであったとする。これらにより当該干渉計において、試料が光路上にない場合、波形１００のような干渉Ｘ線強度を示すことが推定できる。すなわち、当該干渉計から出力される干渉Ｘ線の強度は、２つのＸ線間の位相差を変数とし、位相シフト１０２、オフセット１０３、振幅１０４をもつサインカーブ１００となる。なお、Ｘ線が試料を透過する際、位相シフトと吸収とが生じるが、波形１００のオフセット１０３及び振幅１０４が吸収にかかわるパラメータである。位相シフト１０２、オフセット１０３、振幅１０４の３つのパラメータを推定する必要があるため、試料を光路から待避した状態で取得する干渉像は３枚以上とするが、精度を高めるためには走査する測定点は多い方が望ましく、例えばｎ≧１０とする。

【0027】

次に手順（２）において試料を光路上に設置して干渉像を得ることで、当該画素における干渉Ｘ線強度Ｉ_ｉが求まる。

【0028】

手順（３）において、試料を光路上に設置したことにより、試料を透過したＸ線には所定の位相シフトと吸収が生じる。後述するように、試料に関してある程度の情報があれば、試料が光路上にない場合の干渉Ｘ線強度の波形１００’を推定できる（図２）。波形１００’は、光路上に試料が設置されることに起因して、波形１００とは異なる位相シフト１０２’、オフセット１０３’、振幅１０４’を有する。

【0029】

この干渉Ｘ線強度Ｉ_ｉと波形１００’とに基づき、試料を光路上に設置した場合の干渉Ｘ線強度Ｉ_ｉの位相Ｐ_ｉが求められ、試料を光路上に設置していない場合の位相シフトＰ_ｏを基準にとることにより、画素ごとに試料を光路上に設置したことによる位相シフトの変化１０５（＝Ｐ_ｉ−Ｐ_ｏ）を求めることができる。

【0030】

以下、本実施例における位相シフトの算出方法につき、詳細に説明する。Ｘ線は波長の短い電磁波であり、可視光と同様に物質（試料）との相互作用を複素屈折率で表すことができる。硬Ｘ線領域における屈折率の実部は負の値をとるために、一般に複素屈折率ｎは（数８）で表される。

【0031】

【数8】

【0032】

ここで、屈折率ｎの実部δ及び虚部βはそれぞれ（数９）、（数１０）により表される。

【0033】

【数9】

【0034】

【数10】

【0035】

なお、λはＸ線の波長、ｒ_ｅは古典電子半径、ｍ_ｊは単位体積中に含まれるｊ種原子の数、Ｚは試料を構成する元素の原子番号、ｆ’とｆ”は原子散乱因子の異常分散項（実部及び虚部）である。

【0036】

さらに、ｍ_ｊは、ｊ種原子の原子数比ｘ_ｊ、アボガドロ数Ｎ_Ａ、電子密度ρ、j種原子の原子量Ｍ_ｊを用いて、（数１１）で表される。

【0037】

【数11】

【0038】

単一元素の場合は、原子量をＭとしたとき、（数１２）で表される。

【0039】

【数12】

【0040】

以上より硬Ｘ線領域において複素屈折率ｎの実部δ及び虚部βは電子密度ρに比例した量であることがわかる。さらに、（数９）と（数１０）から虚部βは実部δを用いて（数１３）で表すことができる。

【0041】

【数13】

【0042】

物質（試料）の元素の種類（原子番号）が既知であれば、Ｚ、ｆ’及びｆ”の値は計算で求めることができる。したがって、物質（試料）の元素の種類（原子番号）が既知であれば、実部δ或いは虚部βのいずれか一方が分かれば、他方が算出可能であることがわかる。

【0043】

ところで、Ｘ線が試料を透過する際の吸収によって生じる強度の変化（Ｉ／Ｉ_０）は、線吸収係数μ、試料の厚さｔを用いて、（数１４）により与えられる。

【0044】

【数14】

【0045】

線吸収係数μと屈折率の虚部βには、（数１５）の関係がある。

【0046】

【数15】

【0047】

これにより、屈折率の虚部βを用いた吸収によって生じる強度の変化（Ｉ／Ｉ_０）は、（数１６）で表されることになる。

【0048】

【数16】

【0049】

さらに（数１３）により、屈折率の実部δを用いた吸収によって生じる強度の変化（Ｉ／Ｉ_０）は、（数１７）で表される。

【0050】

【数17】

【0051】

一方、試料によって生じる位相シフトｄｐは屈折率の実部δを用いて、（数１８）で与えられる。

【0052】

【数18】

【0053】

したがって、最終的には、強度の変化（Ｉ／Ｉ_０）と位相シフトｄｐとの間には（数１９）の関係があることが分かる。

【0054】

【数19】

【0055】

以上の関係性に基づいて定量的に位相シフトを検出する方法について、まずは図３に示すボンゼ・ハート型と呼ばれる一般的な結晶Ｘ線干渉計を用いた撮像法（Ｘ線干渉法）を対象に説明する。

【0056】

干渉計２００は３枚の薄い歯を搭載した結晶ブロックで構成されており、光学的な構成は可視光におけるマッハ・ツェンダー型と同一である。すなわち、干渉計２００に入射したＸ線は１枚目の歯２０１（スプリッター）においてラウエケースのＸ線回折によって２本の干渉ビームに分割される。試料２０４を透過させる側の干渉ビーム２０５を物体波、他方の干渉ビーム２０６を参照波という。２本の干渉ビームは２枚目の歯２０２（ミラー）でそれぞれ同様のＸ線回折により反射され、干渉ビーム２０５はサンプル２０４を透過し、干渉ビーム２０６はそのまま、３枚目の歯２０３（アナライザー）で結合されて２本の干渉Ｘ線ビームを形成する。干渉計内のビームパス（物体波２０５）に試料２０４を設置することにより、試料２０４によって生じた位相シフトが波の重ね合わせにより、干渉ビームの強度変化となって現れる。先述した（数１９）の関係より、強度変化から位相シフトを検出することができる。

【0057】

試料が光路上にないときの物体波のＸ線強度をＩ_１、参照波の強度をＩ_２、物体波と参照波の位相差をｐとしたとき、アナライザー２０３から出力される干渉Ｘ線の強度Ｉ_ｉは、

【0058】

【数20】

【0059】

で与えられる。ここで、γは干渉ビームの複素コヒーレンス度（complex degree of coherence）である。また、（数４）と（数５）との関係では、

【0060】

【数21】

【0061】

【数22】

【0062】

の関係にある。

【0063】

これに対して、試料を物体波の光路上に設置し、試料を透過したＸ線の強度がＩ_１からＩ_１’に、位相がｄｐだけ変化した場合、物体波のＸ線強度Ｉ_１’は、（数２３）で表される。

【0064】

【数23】

【0065】

【数24】

【0066】

したがって、干渉Ｘ線の強度Ｉ_ｉ’は（数２４）で表される。

【0067】

図４はＸ線のエネルギー１７．８、３５、５０ｋｅＶにおけるｆ”／（Ｚ＋ｆ’）を各元素について理論的に計算した結果である。このグラフから試料を構成する元素の原子番号Ｚが１０以下の軽元素で主に構成されている場合、その比は１／５００と非常に小さくなり、その影響をほぼ無視することができる。この場合、（数２４）は（数２５）に示されるように単純化される。

【0068】

【数25】

【0069】

さらに、試料がない状態で得られた背景データから、（数２１）および（数２２）を用いて試料が光路上にないときの物体波のＸ線強度をＩ_１、参照波の強度をＩ_２、物体波と参
照波の位相差ｐ及び干渉ビームの複素コヒーレンス度γは求められている。

【0070】

【数26】

【0071】

したがって、（数２６）から、試料を物体波の光路上に設置することで変化する位相シフト量ｄｐを解析的に求めることができる。

【0072】

一方、試料が原子番号２０以上となる金属などで構成されている場合は、ｆ”／（Ｚ＋ｆ’）が１／１０程度になり、この項の影響を無視できなくなる。但し、原子番号が２〜３程度変化しただけでは、その変化に起因するｆ”／（Ｚ＋ｆ’）の変化は２０％にも満たない。このため、試料の元素に関するある程度の情報（主成分がシリコンであるとか、金属であるとかなど）がわかっていれば、ｆ”／（Ｚ＋ｆ’）を予想して定数と見なすことができる。このため、計測した干渉Ｘ線の強度Ｉ_ｉ’から（数２４）を満たす位相シフト量ｄｐを回帰的な数値計算により求めることができる。

【0073】

次に、図５に示す２枚の回折格子（位相格子４０３と吸収格子４０４）によって構成されるタルボ干渉計を用いた撮像法（タルボ干渉法）を対象に説明する。タルボ干渉法では、位相格子４０３を透過したＸ線は格子の間隔とＸ線の波長とによって一意に決まる距離（タルボ距離）に、位相格子と同じ像（自己像）を形成する。この位置に位相格子とほぼ同じ間隔を有した吸収格子４０４（吸収格子はＸ線を完全遮蔽する）を設置すると、自己像と吸収格子のごく僅かな周期の違いによって干渉モアレ縞（タルボ干渉像）が形成される。形成されたタルボ干渉像はＸ線画像検出器４０５によって撮像される。光路（Ｘ線源４０１と位相格子４０３との間）に試料４０２を設置すると、電子密度ρの空間微分量に応じてＸ線が屈折され、さらにその角度に対応して干渉モアレ縞がｄＰだけシフトすることになる。このため、干渉モアレ縞のシフト量ｄＰから位相の空間微分量ｄｐ／ｄｘを検出することができる。また、この方法を用いれば、同時に試料による吸収ａｂｓや散乱ａｍｐも求めることが出来る。

【0074】

タルボ干渉法では前出のＸ線干渉法と異なり、上述のように干渉モアレ縞のシフト量ｄＰがＸ線の位相シフトｐ（電子密度ρ）ではなく、位相シフトの空間微分（電子密度ρの空間微分）に比例していることである。なお、Ｘ線干渉法と同様に、ｆ”／（Ｚ＋ｆ’）が十分に小さい軽元素の場合は吸収の項を無視して一意に位相シフトの空間微分を求め、積分することによって位相マップを取得することができる。一方、無視できない場合は図６に示す繰り返し計算によって求めることができる。なお、この方法を用いれば、同時に試料による吸収（ａｂｓ）や散乱（ａｍｐ）も求めることが出来る。図６の計算方法について説明する。

【0075】

まず、試料による吸収を無視して、（数２６）により試料による位相シフトの空間微分（ｄｐ／ｄｘ）を求める（Ｓ５０１）。Ｓ５０１で求めた微分量を積分して、Ｘ線の位相シフト量ｄｐ_０を求める（Ｓ５０２）。さらに、試料の元素に関する情報からｆ”／（Ｚ＋ｆ’）を推定し、さらにＳ５０２で求めた位相シフト量ｄｐ_０から、（数１９）に基づいてＸ線が試料を透過する際の吸収によって生じる強度の変化ΔＩを計算する。

【0076】

Ｓ５０３で求めた吸収によって生じる強度変化ΔＩとＳ５０２で求めた位相シフト量ｄｐを再度微分した量（ｄｐ／ｄｘ）から干渉モアレ縞の強度変化ΔＩ_ｉＣ’を計算する（Ｓ５０４）。

【0077】

Ｓ５０４で計算した干渉モアレ縞の強度変化ΔＩ_ｉＣ’と測定された干渉モアレ縞の強度変化ΔＩ_ｉＭ’との差ｄｅを計算する（Ｓ５０５）。この差ｄｅは、試料による位相シフトを計算する際に、吸収を無視、すなわち試料による吸収がないものとして計算したことに起因する。そこで、位相シフト量ｄｐ_０を変化させ、計算値ΔＩ_ｉＣ’と測定値ΔＩ_ｉＭ’との差があらかじめ定めた設定値以下に収束するまで、Ｓ５０３，Ｓ５０４の計算を繰り返し実施する（Ｓ５０６，Ｓ５０７）。例えば、次ループの位相シフトｄｐ_ｎは、差ｄｅの大きさに応じた量とし、ｄｐ_ｎ＝ｄｐ_ｎ−１＋αｄｅとしている。ここで、αは繰り返しにおける定数である。差ｄｅが設定値以下になったところで終了する（Ｓ５０８）。

【0078】

以上は試料の透過像を取得する方法であったが、試料の状態変化、例えば加熱に伴う温度変化、形状の変化、及び不良の検査等を測定する場合は、試料を設置しない状態で取得する背景画像の代わりに、光路上に試料を設置して状態が変化する前の初期状態、或いは正常品の画像を背景画像として用いることができる。この場合、極微少な位相シフト、即ち密度のごく僅かな変化も捉えることが可能で、上述したように密度の変化から温度変化などの可視化や、微妙な不良及び微小なクラックなどの検出なども可能になる。以下の実施例では、試料についての物理量として試料によるＸ線の位相シフトを求める例を中心に説明するが、位相シフトが分かれば、試料によるＸ線の吸収や試料の電子密度が算出可能であるのは上述の通りである。

【0079】

さらに、外部のレーザー照射による加熱と同期して繰り返して撮像を行うポンプ＆プローブ法も適用可能で、この場合はナノ秒以下の時間分解能で熱の伝播などが位相シフトから検出可能になる。

【0080】

以上、取得した１枚の干渉像の各画素における強度Ｉ_ｉ’（ｘ，ｙ）から、空間分解能の低下を招くことなく、試料による位相シフトを定量的に求めることができること、および一枚の干渉像から定量的な位相マップ（位相シフトの空間分布像）を求める算出方法について説明した。

【0081】

以下、図面を用いて実施例につき詳細に説明する。以下に示す図において、同じ機能を有する部分には同じ符号を付し、重複する説明は省略するものとする。

【実施例1】

【0082】

図７は実施例１のＸ線撮像装置の一例の構成図である。同図に示すようにＸ線撮像装置は、Ｘ線源１、Ｘ線干渉計２、Ｘ線干渉計用位置調整機構３、試料ホルダー４、試料位置決め機構５、位相シフタ６、位相シフタ位置決め機構７、Ｘ線画像検出器８、制御装置９、処理部１０、表示装置１１から構成される。

【0083】

ここではＸ線干渉計２として図３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１２はスプリッター１３、ミラー１４、アナライザー１５でＸ線回折により順次分割・反射・結合され、第１干渉ビーム１６ａ及び第２干渉ビーム１６ｂを形成する。分割された一方のビームの光路に試料位置決め機構５により位置決めされた試料ホルダー４を用いて試料１７を設置すると、試料によってビームの強度と位相が変化する。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１６ａ及び１６ｂの強度（空間的には縞模様）が変化する。したがって、この変化から試料１７による位相シフトを求めることができる。

【0084】

位相マップ（試料によって生じた位相シフトの空間分布像）の計測は、以下のようにして行う。
（１）試料ホルダー４で固定された試料１７を試料位置決め機構５により光路から待避させる。
（２）試料を光路から待避した状態で、位相シフタ６を用いた縞走査法によりＸ線の位相と干渉像の画素値との関係を求める。
（３）試料位置決め機構５により試料１７を光路に設置する。
（４）１枚の干渉像を撮像する。

【0085】

取得した干渉像から、上述したように、試料が軽元素で構成されている場合は（数２６）に基づいて、金属の場合は（数２４）に基づいて、干渉像の画素毎に計算を処理部１０で行い、位相マップ等の物理量を算出する。その結果を表示装置１１で表示する。ここで、手順（２）において、試料を光路から待避した状態での位相と吸収を正確に計測しておくことは極めて重要であるので、走査数が１０以上の縞走査法を用いる。

【0086】

試料１７の光路への挿入・待避を行う試料位置決め機構５は電動モータ駆動によりリモートで制御できるようにすれば、操作者の被曝なく連続的に上記手順を効率よく実施することができる。試料ホルダー４はＸ線の吸収を避けるためにアクリルなど軽元素で構成された材料を用いる。さらにホルダーの形状による影響を避けるために箱形状とし、更に試料はほぼ同じ密度（有機材料や生体軟部試料であれば水、ホルマリンなど）の液体中に浸けた状態で計測できるようにすれば試料の形状による影響を低減することができ、内部をより詳細に観察することができる。

【0087】

Ｘ線源１として、一般的な管球或いはロータリー型のものを用いてもよいし、シンクロトロン放射光を用いてもよい。前者の場合は、管に印加する電圧を調整することによって、Ｘ線エネルギーを最適化し、干渉縞の鮮明度が最大にすることができる。後者の場合、非常に強いＸ線を利用することができ、測定時間を大幅に短縮することができる。

【0088】

Ｘ線干渉計２の各結晶板（スプリッター１３、ミラー１４、及びアナライザー１５）におけるＸ線回折は、非常に狭い角度幅でしか生じない。このため、Ｘ線干渉計用位置調整機構３の回転機構には、タンジェンシャルバーなどを採用した位置決め精度の高く、且つドリフトの少ない高精度の回転ステージを用いる。また、入射Ｘ線の強度が強い場合、結晶板を水冷することによって、干渉を安定化することできる。また、図７の構成では各結晶板が１個の結晶ブロック上に形成された一体型Ｘ線干渉計を用いているが、図８に示す複数個の結晶ブロックから形成された結晶分離型干渉計を利用することができる。

【0089】

結晶分離型干渉計は、図８に示されるように、スプリッター１３’、ミラー１４ａ’として機能する２枚の歯をもつ第１の結晶ブロック２ａとミラー１４ｂ’、アナライザー１５’として機能する２枚の歯をもつ第２の結晶ブロック２ｂを有する。スプリッター１３’で分割された２本の干渉ビームはそれぞれミラー１４ａ’，１４ｂ’で反射され、アナライザー１５’で結合される。図示していないが、第２の結晶ブロック２ｂは位置決めステージに搭載されている。位置決めステージはｚ軸、ｙ軸を中心に回転可能である。この場合は、図７に示した一体型に比べて観察視野を２倍以上に広く確保可能で、更に試料周辺の熱の影響を受け難いために、加熱や圧力など環境を変化させた様々な計測に対応することができる。ただし、分離した結晶ブロック間の角度をｎｒａｄ以下の精度で安定化する必要があるので、高精度かつ高剛性の位置決めステージの利用が不可欠である。

【0090】

本装置の空間分解能はＸ線画像検出器８の空間分解能に主に依存する。このため、計測に応じた空間分解能を有したＸ線画像検出器を用いる。例えば、１００ミクロンを超える空間分解能で十分な場合はＸ線イメージインテンシファイアを用いて、１００ミクロン以下の場合はファイバーカップリング型のＸ線カメラなどを用いればよい。後者のカメラは蛍光体、オプティカルファイバー、及び可視光用ＣＣＤから構成されており、入射したＸ線は蛍光体によって可視光に変換された後にファイバーを経てＣＣＤカメラ上に結像するようになっている。ファイバーと蛍光体との距離が近い、或いはファイバー上に蛍光体が塗布されているために、ファイバーの開口が大きく、非常に明るい（光の利用効率が高い）ことが大きな特徴である。このため、従来のレンズカップリング型に比べて短時間で測定を行うことができる。また、ＣＣＤカメラの画素サイズ（〜１０ミクロン）程度の空間分解能を実現することができる。

【0091】

以上、実施例１によれば、１枚の干渉像から空間分解能の劣化を抑えて定量的な位相マップを求めることができる。このため、試料の経時的な観察を高感度に実施することができる。

【実施例2】

【0092】

１枚の干渉像の取得には少なくとも１０ｍｓオーダーの露光時間は必要であり、時間分解能の向上の制約になっている。例えば、試料に熱や力などの外部刺激を与えた場合に生じる変化を観察する場合には、より高い時間分解能が求められる場合がある。そこで、実施例２では、ポンプ＆プローブ法を用いることにより、時間分解能をマイクロ秒以下に向上する。

【0093】

図９は本実施例で利用する撮像装置の構成例を示した模式図である。試料１７をレーザーによる加熱を与えたことによる変化を観察することを目的としている。そのため、図７の構成に加えて、Ｘ線シャッター１８と加熱用パルスレーザー１９が新たに加わっている。干渉計２の動作は実施例１と同じであるが、像の取得は以下の手順により行う。
（１）試料ホルダー４で固定された試料１７を試料位置決め機構５により光路に設置する。
（２）Ｘ線シャッター１８を開く。
（３）位相シフタ６を用いた縞走査法によりＸ線の位相と干渉像の画素値との関係を求める。
（４）Ｘ線シャッター１８を閉じる。
（５）パルスレーザー１９より出射したレーザー光２０を試料１７に照射する。
（６）レーザー照射より予め設定した時間ｄｔ１経過後に、Ｘ線シャッター１８を開く。
（７）干渉像を撮像する。
（８）Ｘ線シャッター１８を閉じる
（９）干渉像を取得できる露光時間に達するまで（５）から（８）を繰り返して（例えば、数百回以上）撮像した複数の干渉像群を加算して時間ｄｔ１における１枚の平均干渉像を取得する。
（１０）時間ｄｔ１＝時間ｄｔ１＋Δｔ１に変更し、（５）から（９）を繰り返す。

【0094】

以上の制御は制御装置９により行われる。上述の測定のタイミングチャートを図１０に示す。Ｘ線源１は連続的にＸ線１２を出力している。Ｘ線シャッター１８が開状態になった期間に露光が行われる。このように、レーザー光２０により試料が加熱されて時間ｄｔ１経過後の試料の状態を、ごく短いｔ１時間での露光を累積して１枚の干渉像を得、同様に時間ｄｔ１＋ｉ×Δｔ１（１≦ｉ≦Ｉ）経過後にそれぞれ干渉像を得ることにより、時間分解能を高めることができる。

【0095】

（３）で取得した加熱前の像を背景像として、上述した方法で取得した干渉像から、試料が軽元素で構成されている場合は（数２６）に基づいて、金属の場合は（数２４）に基づいて、干渉像の画素毎に計算を処理部１０で行い、位相マップ等の物理量を算出する。その結果を表示装置１１で表示する。

【0096】

Ｘ線シャッター１８は一般的なＰｂ製のシャッターを用いてもよいが、開閉時間をマイクロ秒以下にする場合は図１１のようなチョッパー型のシャッターを用いることができる。図１１は正面図と側面図とを示している。例えば直径２００ｍｍの円盤３０上に幅０．１ｍｍの開口パス３１を設けて６０００ｒｐｍ（１００ｒｐｓ）で回転させれば、およそ１．６マイクロ秒でシャッターのオンオフを行うことができる。

【0097】

また、Ｘ線画像検出器８には上記（５）から（８）の繰り返し周期Ｔ１（図１０参照）より早いフレームレートの検出器が必要になる。例えば、図１１のシャッターの場合は１００ｒｐｓであるので、１００フレーム／秒以上の画像検出器を用いれば良い。

【0098】

本実施例では、刺激発生機構としてパルスレーザーを用いてレーザー加熱を試料に対する外部の刺激として用いる例を説明したが、これに限定されるものではなく、機械による加圧や曲げなどを外部刺激として試料に与え、このときの変化を同様の繰り返し測定により計測してもよい。この場合は、機械的な刺激に対する試料の変形等を高精細、かつ高時間分解能で可視化することができる。

【0099】

以上、実施例２によれば、刺激発生機構とＸ線シャッターとを組み合わせて高速に１枚の干渉像を取得し、空間分解能の劣化を抑えて定量的な位相マップ（密度変化像）を求めることができる。

【実施例3】

【0100】

実施例２では用いたシャッターによるＸ線のオンオフにより、時間分解能をサブマイクロ秒オーダーに高めることができる。実施例３ではさらに、Ｘ線としてパルスＸ線１２’を用いることで、時間分解能をｎｓ以下とする実施例を示す。

【0101】

図１２は本実施例で利用する撮像装置の構成例を示した模式図である。Ｘ線源１’としてパルスＸ線源を用い、Ｘ線画像検出器８には転送レートが早いＸ線カメラを用いる。また、外部刺激は実施例２と同様にパルスレーザー１９を用いている。干渉計２の動作は実施例１と同様であるが、像の取得は以下の手順により行う。
（１）試料ホルダー４で固定された試料１７を試料位置決め機構５により光路に設置する。
（２）位相シフタ６を用いた縞走査法によりＸ線の位相と干渉像の画素値との関係を求める。
（３）パルスレーザー１９より出射したレーザー光２０を試料１７に照射する。
（４）レーザー照射より予め設定した時間ｄｔ２経過後に、パルスＸ線を照射し、高速Ｘ線カメラ８で干渉像を撮像する。
（５）干渉像を取得できる露光時間に達するまで（３）から（４）を繰り返して（例えば、数百回以上）撮像した複数の干渉像群を加算して時間ｄｔ２における１枚の平均干渉像を取得する。
（６）時間ｄｔ２＝時間ｄｔ２＋Δｔ２に変更し、（３）から（５）を繰り返す。

【0102】

以上の制御は制御装置９により行われる。上述の測定のタイミングチャートを図１３に示す。例えば、周期Ｔ２は２ｎｓ以下に設定可能である。これにより、レーザー光２０により試料が加熱されて時間ｄｔ２経過後の試料の状態を、実施例２よりもさらに短いｔ２時間での露光を累積して１枚の干渉像を得、同様に時間ｄｔ２＋ｉ×Δｔ２（１≦ｉ≦Ｉ）経過後にそれぞれ干渉像を得ることにより、時間分解能を高めることができる。

【0103】

（２）で取得した加熱前の像を背景像として、上述した方法で取得した干渉像から、試料が軽元素で構成されている場合は（数２６）に基づいて、金属の場合は（数２４）に基づいて、干渉像の画素毎に計算を処理部１０で行い、位相マップ等の物理量を算出する。その結果を表示装置１１で表示する。

【0104】

パルスＸ線には例えば放射光や自由電子レーザーなどを用いることができる。前者の場合のパルス幅は１００ｐｓ以下、後者の場合は１ｆｓ以下であり、これに応じて周期Ｔ２、時間ｄｔ２、Δｔ２の時間を設定することにより、高速に系の反応を追うことができる。また、高速Ｘ線カメラとしてはアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：avalanche photodiode）をアレイ状に並べた検出器などを用いることができる。パルスＸ線の繰り返し周期（例えば放射光の場合は５００ＭＨｚ）と同期した撮像を行うことにより、多くの繰り返し計測を行うことができ、像のＳ／Ｎを大幅に向上することができる。

【0105】

また、一般的なフレームレートが１００フレーム/秒程度の検出器を用いる場合は、実施例２にて説明したようなＸ線シャッターをＸ線画像検出器８の前に配置し、図１４に示すように、複数のパルスＸ線１２’照射につき１度、パルスＸ線１２’照射と同期したタイミングでシャッターを開き、そのタイミングでのパルスＸ線による干渉像を検出するようにすればよい。

【0106】

本実施例においても、刺激発生機構である機械による加圧や曲げなどを外部刺激として試料に与え、このときの変化を同様の繰り返し測定により計測しても良い。この場合は、機械的な刺激に対する試料の変形等をさらに高精細、かつ高時間分解能で可視化することができる。

【実施例4】

【0107】

実施例４ではタルボ干渉法を用いた実施例を説明する。結晶ブロックで構成されるＸ線干渉計は密度のダイナミックが狭い。これに対して、タルボ干渉法ではＸ線干渉法に比べて感度は低下するものの、ダイナミックレンジが広く、密度差の大きな領域を含む試料の観測に優位である。図１５に本実施例で使用するＸ線撮像装置の一例の構成図を示す。Ｘ線撮像装置は、Ｘ線源６０、試料ホルダー６１、試料位置決め機構６２、位相格子６３、位相格子位置決め機構６４、吸収格子６５、吸収格子位置決め機構６６、Ｘ線画像検出器６７、制御装置６８、処理部６９、表示装置７０を有する。Ｘ線源６０から放射されたＸ線７１は、試料ホルダー６１で保持される試料７２を照射する。試料ホルダー６１は試料位置決め機構６２に取り付けられており、本機構によりＸ線の照射位置の調整を行う。試料７２を透過したＸ線７１から位相格子６３と吸収格子６５とにより形成したタルボ干渉像は、Ｘ線画像検出器６７で検出する。制御装置６８では後述する測定手順に従い、撮像を実行する。さらに、処理部６９では取得した投影像の背景除算処理などを行い、表示装置７０では処理部６９で得られた像を表示する。

【0108】

本装置では制御装置６８の制御により、試料７２によって生じた干渉モアレ像を以下の手順により測定する。
（１）試料ホルダー６１で固定された試料７２を試料位置決め機構６２により光路から待避させる。
（２）試料を光路から待避した状態で、吸収格子６５を用いた縞走査法によりＸ線の位相と干渉像の画素値との関係を求める。
（３）試料位置決め機構６２により試料７２を光路に設置する。
（４）１枚の干渉モアレ像を撮像する。

【0109】

取得した干渉モアレ像から、上述したように、試料が軽元素で構成されている場合は（数２６）に基づいて、金属の場合は図６に示した計算フローに基づいて、干渉モアレ像の画素毎に計算を処理部６９で行い、位相微分マップ或いは、位相マップ等の物理量を算出し、その結果を表示装置１１で表示する。ここで、手順（２）において、試料を光路から待避した状態での位相と吸収を正確に計測しておくことは極めて重要であるので、走査数が１０以上の縞走査法を用いる。

【0110】

位相格子６３及び吸収格子６５として、図１６のようにシリコン基板７５上にニッケルや金などのラインがストライプ状に形成された格子７６を用いる。空間分解能が回折格子７６のピッチに影響されるために狭いほどよいが、ＬＩＧＡプロセスを用いて得られる数ミクロン程度のものでも十分に撮像を行うことができる。位相格子６３におけるラインの高さは使用するＸ線のエネルギーに依存しており、設定エネルギーのＸ線の位相がπ或いはπ／２だけ空気に対して相対的に変化（シフト）する高さにすると、Visibilityのよいタルボ干渉像を得ることができる。例えば、エネルギー１７．８ｋｅＶのＸ線における格子のライン（ニッケル）の高さはπの場合は６．２ミクロン、π／２の場合は３．１ミクロンとなる。一方、吸収格子６５ではＸ線を完全に遮蔽する必要があることから、回折格子のラインの高さは高いほどよい。また、ラインの高さが同じであっても元素としてはＸ線をより吸収できる金や白金などの重元素を用いることが望ましい。

【0111】

回折格子７６が形成されたシリコン基板７５は例えばアルミ製のフレームに固定することで、製造時に生じる基板の歪みなども補正でき、全面でVisibilityの高い干渉像を形成することができる。また、位置決めはこのフレームごと各位置決め機構６４及び６６で行うことができる。本機構に必要な位置決め精度はサブｍｍ程度であるので、同機構にはステッピングモータ駆動の一般的なリニアステージを用いる。また、各ステージをリモートで制御できるようにしておけば、エネルギーの変更に伴い位相格子６３と吸収格子６５との距離を自動的に最適化でき、調整の時間を短縮することができる。位相格子６３と吸収格子６５とは光軸上に直線に並ぶために、光学レールの上に各位置決めステージを設置するようにすれば、位置決めステージのストロークを超えるような長距離の位相格子６３−吸収格子６５間の調整も容易に行うことができる。

【0112】

図１５の例では２枚の格子から構成されたタルボ干渉計を示しているが、１枚の位相格子だけを用いて吸収格子の位置で直接干渉縞を観察する方法を用いてもよいし、Ｘ線源６０のサイズが大きく十分な空間コヒーレント長が得られない場合は、別途吸収格子と同様の格子をＸ線源６０の直下流に設けたタルボ・ロー干渉計を用いてもよい。

【0113】

Ｘ線源６０として、実施例１と同様に一般的な管球或いはロータリー型のものを用いてもよいし、シンクロトロン放射光を用いても良い。前者の場合は、管に印加する電圧を調整することによって、干渉モアレ縞の鮮明度が最大にすることができる。但し、測定に十分な縞鮮明度を得るためには、光源がミクロン以下である必要があるので、マイクロ線源或いはスリットを光源直後に設ける必要がある。さらに、スリットによる強度の損失が問題となる場合は、スリットに代えて吸収格子と同様の格子をＸ線源６０の直下流に設置することにより、強度の損失を抑えつつコヒーレンスを向上することができる。一方、後者の場合は非常に強いＸ線を利用することができ、測定時間を大幅に短縮することができる。また、Ｘ線画像検出器６７に関しても、実施例１と同様なＸ線カメラを用いればよい。

【0114】

以上、実施例４によれば、１枚の干渉モアレ像から空間分解能の劣化を抑えて定量的な位相マップを求めることができる。このため、試料の経時的な観察を広ダイナミックレンジ、かつ高感度に実施することができる。

【0115】

また、実施例２及び実施例３によりポンプ＆プローブ法によりＸ線干渉計を用いた計測において時間分解能を高める構成について説明したが、本実施例であるタルボ干渉計を用いた計測においてもポンプ＆プローブ法により時間分解能を高めることが可能である。干渉計の構成が変わるのみであるので、詳細な説明は省略する。

【実施例5】

【0116】

実施例５では実施例４に基づいた製品（試料）の不良検査装置の例について説明する。検査装置には高速な処理が要求されるため、実施例４の基本的な構成に加えて、試料の高速位置決めを行うベルトコンベア機構を加える。

【0117】

図１７の検査装置は、試料設置機構８１、運搬用コンベア８２、及び試料取り出し機構８３を有する。試料設置機構８１により運搬用コンベア８２に設置された試料７２は、運搬用コンベア８２によりＸ線の光路（照射位置）まで搬送される。そして、照射位置で撮像された後に、運搬用コンベア８２により取り出し口まで運搬された後に、試料取り出し機構８３により取り出される。撮像は試料７２を連続的に運搬しながら行ってもよいし、運搬を停止して試料毎に行ってもよい。前者の場合は、撮像した像を合成する必要があるが、より高速に検査を行うことができる。後者の場合はより高精細な像を得ることができ、詳細な検査に適している。

【0118】

本実施例において、制御装置９の制御により、試料１７によって生じた干渉モアレ像を以下の手順により測定する。
（１）正常品を運搬用コンベア８２に設置し、照射位置まで搬送する。
（２）吸収格子６５を用いた縞走査法により、正常品の場合のＸ線の位相と干渉像の画素値との関係を求める。
（３）正常品を取り除いた後に、製品（試料）の検査工程を開始する。
（４）各製品（試料）を運搬用コンベア８２で順次運搬して干渉モアレ像を撮像する。

【0119】

取得した各製品（試料）の干渉モアレ像について、正常品のデータを背景データの代わりに用いて、位相マップを計算する。検査対象製品に問題がなければ、ほぼ同じ干渉モアレ像が得られるために、検査装置で得られる画像には何も写らない（均一な値となる）。一方、不良があるとその箇所でＸ線の位相が変調を受けるために、画像にコントラストとなって現れる。このため、処理部６９では予め設定した閾値を超える、或いは下回る値を含む画像が検出された場合は不良の判定を行うようにすることによって高感度に検査を実施できる。

【0120】

以上、実施例５によれば、１枚の干渉モアレ像から空間分解能の劣化を抑えて求めた定量的な位相マップから、高速かつ高感度に、製品の検査を行うことができる。

【実施例6】

【0121】

実施例６では観察する試料を回転させることにより、Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙにより非破壊で断面像や３次元像を取得する方法について説明する。

【0122】

実施例における断面像の測定は、通常のＸ線ＣＴ装置と同様に、試料を回転させ、Ｘ線が試料に照射する角度を変えつつ、実施例１〜実施例４の測定を回転角度が１８０°あるいは３６０°になるまで実施する。このために試料位置決め機構９２は、図１８に示すように、Ｚ軸を中心に回転する回転ステージ９３を有している。本機構はステッピングモータで駆動し、リモートによって制御できるようにすれば、制御装置によって回転と撮像をシームレスに行うことができ、手動で行う場合に比べて大幅に測定時間を短縮することができる。なお、試料９５の回転は原理的には１８０°でよいが、密度が大きく異なる領域が存在するとライン状のアーチファクト（疑似像）が発生する場合がある。このため、３６０°回転させて撮像することが望ましい。さらに、照射されるＸ線の光軸がｙ軸とし、回転ステージ９３の下に光軸と直交するｘ軸方向に移動可能なＸステージ９４を設けることにより、回転ステージ９３の回転中心と光軸とを容易に一致させることができる。

【0123】

実施例１〜３のＸ線干渉法の場合は断面像の再構成計算は、Ｘ線ＣＴ装置で一般に利用されているフィルタードバックプロジェクション法を用いて行う。フィルターとしてはShepp-Logan関数などを用いればよい。一方、実施例４のタルボ干渉法の場合は、取得した像が位相微分像であるために、
（１）各投影角度で取得した位相微分像をそれぞれ積分した後にサイノグラムを作り、従来のフィルタードバックプロジェクションを行う方法
（２）位相微分像のままサイノグラムを作り、ランプ関数をコンボリューションした後にフィルタードバックプロジェクションを行う方法
のいずれかを用いて像の再構成を行う。前者の場合は、投影像の段階で位相シフトを確認できるという利点があり、後者の場合は比較的雑音に強いという特徴がある。

【0124】

以上、実施例６によれば、試料を回転しながら得た投影干渉像あるいは投影干渉モアレ像から高速・高感度に試料の断面及び３次元像を再構成することができる。

【符号の説明】

【0125】

１：Ｘ線源、２：Ｘ線干渉計、３：Ｘ線干渉計用位置調整機構、４：試料ホルダー、５：試料位置決め機構、６：位相シフタ、７：位相シフタ位置決め機構、８：Ｘ線画像検出器、９：制御装置、１０：処理部、１１：表示装置、１２：入射Ｘ線、１３：スプリッター、１４：ミラー、１５：アナライザー、１６：干渉ビーム、１７：試料、１８：Ｘ線シャッター、１９：加熱用パルスレーザー、６０：Ｘ線源、６１：試料ホルダー、６２：試料位置決め機構、６３：位相格子、６４：位相格子位置決め機構、６５：吸収格子、６６：吸収格子位置決め機構。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】