(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】
(24)【登録日】2023-04-18
(45)【発行日】2023-04-26
(54)【発明の名称】分析装置および分析方法
(51)【国際特許分類】
G01N 23/046 20180101AFI20230419BHJP
【FI】
G01N23/046
(21)【出願番号】P 2019106904
(22)【出願日】2019-06-07
【審査請求日】2022-03-08
(73)【特許権者】
【識別番号】000005223
【氏名又は名称】富士通株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100087480
【氏名又は名称】片山 修平
(72)【発明者】
【氏名】野村 健二
【審査官】横尾 雅一
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第2015/128969(WO,A1)
【文献】特開2019-058480(JP,A)
【文献】米国特許出願公開第2005/0105684(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01N 23/00-G01N 23/2276
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
試料にX線を照射するためのX線照射装置と、
前記試料を透過した前記X線を検出する検出装置と、
前記試料が設置され、前記X線照射装置から前記検出装置に対して前記X線が照射される方向と交差する方向を軸として前記試料を回転させる回転機構を備える試料設置装置と、
前記検出装置と前記試料との距離方向と、前記回転機構が前記試料を回転させる回転軸と交差する方向に、前記検出装置を並進させ、
前記試料の回転軸が前記X線の照射方向に対して直交するかを判定し、dxを前記検出装置のピクセルサイズとしてmを2以上の正数とした場合に、前記試料の回転軸が前記X線の照射方向に対して直交する場合には、前記回転機構が前記試料を180°回転させるごとに前記検出装置をdx/mずつ並進させ、前記試料の回転軸が前記X線の照射方向に対して傾斜する場合には、前記回転機構が前記試料を360°回転させるごとに前記検出装置をdx/mずつ並進させる並進装置と、
前記検出装置のピクセルを2以上に分割した距離ずつ前記検出装置が並進するごとに前記回転機構が前記試料を回転させた場合に、前記検出装置の検出結果から得られる投影画像から、逐次近似再構成法による断層像を再構成する解析装置と、を備えることを特徴とする分析装置。
【請求項2】
前記試料は、平板形状を有しており、
前記回転機構は、前記試料の主面に垂直をなす方向を軸として前記試料を回転させ、
前記並進装置は、前記検出装置と前記試料との距離方向に直交し、前記回転機構が前記試料を回転させる回転軸に直交する方向に、前記検出装置を並進させることを特徴とする請求項1記載の分析装置。
【請求項3】
前記検出装置は、検出面を備え、
前記検出装置を前記検出面の面内で傾斜させる傾斜機構を備えることを特徴とする
請求項1または請求項2に記載の分析装置。
【請求項4】
X線照射装置によって、試料にX線を照射し、
検出装置によって、前記試料を透過した前記X線を検出し、
前記試料が設置され、前記X線照射装置から前記検出装置に対して前記X線が照射される方向と交差する方向を軸として前記試料を回転させ、
前記検出装置と前記試料との距離方向と、前記試料を回転させる回転軸と交差する方向に、前記検出装置を並進させ、
前記試料の回転軸が前記X線の照射方向に対して直交するかを判定し、dxを前記検出装置のピクセルサイズとしてmを2以上の正数とした場合に、前記試料の回転軸が前記X線の照射方向に対して直交する場合には、前記回転機構が前記試料を180°回転させるごとに前記検出装置をdx/mずつ並進させ、前記試料の回転軸が前記X線の照射方向に対して傾斜する場合には、前記回転機構が前記試料を360°回転させるごとに前記検出装置をdx/mずつ並進させ、
前記検出装置のピクセルを2以上に分割した距離ずつ前記検出装置が並進するごとに前記試料を回転させた場合に、前記検出装置の検出結果から得られる投影画像から、逐次近似再構成法による断層像を再構成する、ことを特徴とする分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本件は、分析装置および分析方法に関する。
【背景技術】
【0002】
X線を対象物に照射して投影像を取得する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。試料の断層像を取得するために、試料の面内回転角をずらしながら試料の様々な方向からの投影像を取得し、その投影像に対してフィルタ補正逆投影法(FBP法)を用いるラミノグラフィ法が開示されている(例えば、特許文献2参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開2007-163375号公報
【文献】特開2018-194491号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、FBP法では、データ欠損に弱く断層像にアーチファクトが生じるおそれがある。そこで、逐次近似再構成(IR)法を用いることが考えられる。さらに、例えばプリント基板などの板状試料の断層像を取得する場合には高分解能が求められる。しかしながら、高分解能を実現しようとすると、測定時間が長くなるおそれがある。
【0005】
1つの側面では、本発明は、測定時間を長くしなくても高分解能を実現することができる分析装置および分析方法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】
【0006】
1つの態様では、分析装置は、試料にX線を照射するためのX線照射装置と、前記試料を透過した前記X線を検出する検出装置と、前記試料が設置され、前記X線照射装置から前記検出装置に対して前記X線が照射される方向と交差する方向を軸として前記試料を回転させる回転機構を備える試料設置装置と、前記検出装置と前記試料との距離方向と、前記回転機構が前記試料を回転させる回転軸と交差する方向に、前記検出装置を並進させ、前記試料の回転軸が前記X線の照射方向に対して直交するかを判定し、dxを前記検出装置のピクセルサイズとしてmを2以上の正数とした場合に、前記試料の回転軸が前記X線の照射方向に対して直交する場合には、前記回転機構が前記試料を180°回転させるごとに前記検出装置をdx/mずつ並進させ、前記試料の回転軸が前記X線の照射方向に対して傾斜する場合には、前記回転機構が前記試料を360°回転させるごとに前記検出装置をdx/mずつ並進させる並進装置と、前記検出装置のピクセルを2以上に分割した距離ずつ前記検出装置が並進するごとに前記回転機構が前記試料を回転させた場合に、前記検出装置の検出結果から得られる投影画像から、逐次近似再構成法による断層像を再構成する解析装置と、を備える。
【発明の効果】
【0007】
測定時間の長大化を抑制しつつ高分解能を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【
図1】実施例1に係る分析装置を例示する図である。
【
図2】解析装置の処理の一例を表したフローチャートである。
【
図4】分割数m=10とした場合に、投影像にどのような影響を与えるかを説明するための図である。
【
図5】分割数mを10にした場合に、断層像に与える影響を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
X線CT(X-ray Computerized Tomography)法は、試料にX線を照射し、試料の面内回転角Φをずらしながら試料の様々な方向からの投影像を取得し、その投影像を解析することで試料の断層像を取得する分析方法である。X線CT法は、試料の回転に対してX線の透過・吸収が一様な、円柱状あるいは球状の試料の分析を得意とする。一方、電気・電子産業用においては、プリント基板のようにX線CT法が不得意とする平板形状の試料も多い。
【0010】
そこで、X線CT法が不得意とする、平板形状からなる試料に好適な断層像取得方法として、X線ラミノグラフィ法が提案されている。X線CT法とX線ラミノグラフィ法との類似点は、いずれも、試料にX線を照射し、試料の面内回転角Φをずらしながら試料の様々な方向からの投影像を取得し、その投影像を解析することで試料の断層像を取得する点である。一方、相違点は、X線ラミノグラフィ法においては、試料をX線源方向に傾斜させるのに対して、X線CT法では傾斜させない点である。つまり、X線CT法は、X線ラミノグラフィ法の一形態であると言える。
【0011】
X線CT法において、投影像から断層像を取得するための解析手法として、フィルタ補正逆投影(FBP: filtered back projection)法がよく利用されている。また、X線ラミノグラフィ法においても、X線CT法と同様に、傾斜を考慮したFBP法が利用されている。FBP法は、計算コストが安いという長所を有している。そこで、FBP法が断層像の再構成に利用されることが多い。
【0012】
しかしながら、FBP法はデータ欠損やノイズの影響を受けやすいという短所も併せ持っている。したがって、FBP法では、データ欠損などの影響により断層像にアーチファクトが発生しやすいことが知られている。そこで、X線CT法やX線ラミノグラフィ法における投影像の取得に際しては、試料の面内回転角Φを、データ欠損と見なされないほど十分連続的な間隔でずらしつつ測定が実施されている。通常、面内回転角Φの刻み幅は、1°間隔とされることが多い。
【0013】
FBP法と異なる解析法として、逐次近似再構成(IR:Iterative Reconstruction)法が知られている。IR法は、FBP法と比べて、計算コストが高いという短所を持つ反面、データ欠損に強いという長所を有している。
【0014】
X線CT法やX線ラミノグラフィ法を用いた分析においては、広視野と高空間分解能との両立が望まれている。例えば、医療分野においては、臓器全体を映す広い視野に加えて、腫瘍領域は高空間分解能で観察できることが望まれている。また、電気・電子産業用においては、プリント基板やその上に搭載されているチップを映す広い視野に加えて、チップ中の欠陥領域は高空間分解能で観察できることが望まれている。しかしながら、高分解能を実現するためには測定時間が長くなるおそれがある。そこで、測定時間を長くしなくても高分解能を実現することができる分析装置および分析方法について説明する。
【0015】
図1は、実施例1に係る分析装置100を例示する図である。
図1で例示するように、分析装置100は、X線照射装置10、検出装置20、試料設置装置30、調整装置40、解析装置50などを備える。
【0016】
X線照射装置10は、検出装置20の検出面と対向する。X線照射装置10は、検出装置20に向かってX線11を照射する。X線11は、白色X線などであり、単色器により分光された単色X線などであってもよい。また、X線11は、平行X線であってもよく、発散X線であってもよい。X線照射装置10から検出装置20にX線11が照射される方向は、平行X線であれば各X線の照射方向のことであり、発散X線であれば中心軸のX線の照射方向のことである。
【0017】
検出装置20は、検出面を備える2次元検出器であって、試料を透過したX線を当該検出面で検出し、複数枚の2次元画像(試料投影像)を取得する装置である。
【0018】
試料設置装置30は、試料が設置され、試料の位置および傾きを調整する装置である。試料設置装置30は、試料が設置される試料台31を備える。試料台31は、X線照射装置10と検出装置20との間に位置している。それにより、X線11は、試料台31上の試料に照射されることになる。
【0019】
試料設置装置30は、試料台31の並進X軸方向の位置を調整する並進X軸調整ステージ32、試料台31の並進Y軸方向の位置を調整する並進Y軸調整ステージ33、試料台31のZ軸方向の高さ位置を調整するZ軸調整ステージ34を備える。並進X軸と、並進Y軸と、Z軸とは、互いに直交する。並進X軸は、試料と検出装置20との距離を増減する距離方向である。Z軸は、後述する面内回転角Φの回転軸に一致する。並進Y軸は、試料と検出装置20との距離を一定に保ちつつ試料を検出装置20に対して平行移動させる方向である。
【0020】
また、試料設置装置30は、Rx軸を軸として試料台31上の試料の傾きを調整する傾きRx軸調整ステージ35、Ry軸を軸として試料台31上の試料の傾きを調整する傾きRy軸調整ステージ36を備える。
【0021】
また、試料設置装置30は、試料台31上の試料の面内回転角Φを調整する回転角Φ調整ステージ37、試料台31上の試料の傾斜角φを調整する傾斜角φ調整ステージ38を備える。ここで、面内回転とは、試料が平板状の場合には主面に垂直をなす方向を軸として試料を回転させることである。したがって、試料を面内回転させる場合、試料の主面がなす面の傾斜は変動しない。
【0022】
調整装置40は、検出装置20の位置および傾斜を調整する装置である。調整装置40は、RD軸を軸として検出装置20の傾きを調整する傾きRD軸調整ステージ41、検出装置20の並進YD軸方向の位置を調整する並進YD軸調整ステージ42などを備える。RD軸は、検出装置20を面内回転させるための軸である。この場合の面内回転は、検出装置20の検出面に垂直をなす方向を軸として検出装置20を回転させることである。並進YD軸は、面内回転角Φがゼロの場合に並進Y軸と平行をなす。
【0023】
解析装置50は、試料設置装置30および調整装置40の動作を制御する制御部51、検出装置20の検出結果を解析する解析部52などを備える。解析部52は、例えば、検出装置20が取得した複数枚の試料投影像から、IR法を用いた解析により、断層像を取得する。
【0024】
制御部51は、並進X軸調整ステージ32、並進Y軸調整ステージ33、Z軸調整ステージ34、傾きRx軸調整ステージ35、および傾きRy軸調整ステージ36の動作を制御することで、試料台31上の試料の位置および傾きを調整する。また、制御部51は、傾きRD軸調整ステージ41および並進YD軸調整ステージ42の動作を制御することで、検出装置20の位置および傾きを調整する。
【0025】
また、制御部51は、回転角Φ調整ステージ37の動作を制御することで、試料の面内回転角Φを調整する。それにより、試料の様々な方位からの試料投影像を取得することができる。また、制御部51は、より高画質な試料断層像を得るために、傾斜角φ調整ステージ38の動作を制御することで、試料の傾斜角φを調整する。本実施例においては、例えば、傾斜角φ=0°とする。傾斜角φが0°であれば、X線11の照射方向と試料の面内方向とが平行をなす。
【0026】
図2は、解析装置50の処理の一例を表したフローチャートである。
図2で例示するように、制御部51は、投影像の取得に際しての、試料の面内回転角Φの間隔kと、分割数mとを決定し、n=1とする(ステップS1)。間隔kおよび分割数mは、入力装置などにより装置操作者から入力されてもよく、記憶部などに予め格納されていてもよい。例えば、IR法はデータ欠損に強いため、IR法で解析を行う場合には、間隔kはFBP法等と比較して大きくてもよい。そこで、例えば、間隔k=10°とする。また、例えば、分割数m=10とする。
【0027】
次に、制御部51は、傾きRD軸調整ステージ41を制御し、RD軸を軸として検出装置20の傾きを調整する(ステップS2)。
【0028】
次に、制御部51は、並進X軸調整ステージ32を制御することで試料台31の並進X軸方向の位置を調整する。また、制御部51は、並進Y軸調整ステージ33を制御することで試料台31の並進Y軸方向の位置を調整する。また、制御部51は、Z軸調整ステージ34を制御することで試料台31のZ軸方向の高さを調整する。また、制御部51は、傾きRx軸調整ステージ35を制御することでRx軸を軸として試料台31の傾きを調整する。また、制御部51は、傾きRy軸調整ステージ36を制御することでRy軸を軸として試料台31の傾きを調整する。また、制御部51は、傾斜角φ調整ステージ38を制御することで試料台31上の試料の傾斜角φを調整する(ステップS3)。例えば、制御部51は、試料の中心線が面内回転角Φの回転軸と一致するように、試料の並進X軸方向の位置、並進Y軸方向の位置、傾きRx軸および傾きRy軸による傾きを調整する。試料の中心線とは、試料が平板形状であれば主面に垂直な方向であって当該主面の中心を通る線のことである。また、制御部51は、観測したい断層像がX線11の高さの中心と略一致するように、試料の高さZ軸方向の高さを調整する。本実施例では、例えば、X線CT測定を行うために、傾斜角φ=0°とする。
【0029】
次に、制御部51は、傾斜角φが0°であるか否かを判定する(ステップS4)。ステップS4の実行によって、試料投影像における回転角Φの依存性を判定することができる。一般的なラミノグラフィ測定(φ≠0°)においては、回転角Φの範囲は0°≦Φ<360°である。一方で、X線CT測定(φ=0°)においては、0°≦Φ<180°と180°≦Φ<360°は全く同じ投影像を与えるため、回転角Φの範囲は0°≦Φ<180°としてもよい。
【0030】
そこで、ステップS4で「Yes」と判定された場合、制御部51は、回転角Φの範囲を180(n-1)°≦Φ<180n°とし、間隔kを刻み値として回転角Φを調整する(ステップS5)。例えば、制御部51は、k°だけ回転角Φを変化させ、所定時間待機し、さらにk°だけ回転角Φを変化させ、所定時間待機し、以降これらを繰り返す。それにより、検出装置20は、回転角Φがk°ごとに異なる投影像を取得する。取得された投影像は、解析部52に格納される。
【0031】
ステップS4で「No」と判定された場合、制御部51は、回転角Φの範囲を360(n-1)°≦Φ<360n°とし、間隔kを刻み値として回転角Φを調整する(ステップS6)。例えば、制御部51は、k°だけ回転角Φを変化させ、所定時間待機し、さらにk°だけ回転角Φを変化させ、所定時間待機し、以降これらを繰り返す。それにより、検出装置20は、回転角Φがk°ごとに異なる投影像を取得する。取得された投影像は、解析部52に格納される。
【0032】
ステップS5の実行後またはステップS6の実行後、制御部51は、分割数mがnより大きいか否かを判定する(ステップS7)。ステップS7で「Yes」と判定された場合、制御部51は、並進YD軸調整ステージ42を制御することで、検出装置20の並進YD軸方向の位置をdx/mだけ移動させ、nに1を足す(ステップS8)。その後、ステップS4から再度実行される。なお、dxは、検出装置20のピクセルサイズの1辺の長さに相当する。
【0033】
ステップS7で「No」と判定された場合、解析部52は、傾斜角φが0°であるか否かを判定する(ステップS9)。ステップS9で「Yes」と判定された場合、解析部52は、格納した投影像について、IR法で解析を行うことで所望の試料断層像を再構成する(ステップS10)。ステップS9で「No」と判定された場合、解析部52は、格納した投影像について、傾斜を考慮したIR法で解析を行うことで所望の試料断層像を再構成する(ステップS11)。ステップS10の実行後またはステップS11の実行後、フローチャートの実行が終了する。
【0034】
ここで、比較例について説明する。
図3は、比較例に係る分析装置200を例示する図である。
図3で例示するように、分析装置200が
図1の分析装置100と異なる点は、調整装置40が設けられていない点である。この構成においては、検出装置20は移動しない。
【0035】
以下、実施例1に係る分析装置100と比較例に係る分析装置200との差について説明する。
図4は、分割数m=10とした場合に、投影像にどのような影響を与えるかを説明するための図である。YD(比較例)と記載された最も上の行は、検出装置20の5つのピクセルを例示したものである。比較例では、このように試料の位置が固定された状態で測定される。YD+dx×(1/10)と記載された2行目は、検出装置20をピクセルサイズの1/10だけ並進YD軸の方向に移動させた状態を例示したものである。3行目から10行目は、2行目からさらに並進YD軸の方向にピクセルサイズの1/10ずつ検出装置20を移動させた状態を例示している。
【0036】
このように、検出装置20を並進YD軸の方向にピクセルサイズの1/mずつ移動させて投影像を取得し、それらの差分解析を行うことで、
図4の最下行で例示するように、投影像の並進YD軸方向の空間分解能は、m倍に向上する。
【0037】
図5は、分割数mを10にした場合に、断層像に与える影響を例示する図である。比較例においては、面内回転角Φ=0°および面内回転角Φ=90°のどちらで測定しても、投影像の空間分解能は検出装置20のピクセルサイズに略一致する。したがって、最終的に得られる断層像の空間分解能も、検出装置20のピクセルサイズに略一致する。
【0038】
一方、実施例1においては、面内回転角Φ=0°で測定された投影像の空間分解能がm(=10)倍であり、面内回転角Φ=90°で測定された投影像の空間分解能がm(=10)倍である。これらが断層像の直交した情報を備えていることから、最終的に得られる断層像は、比較例の1ピクセルの断層像が縦m×横m=m2ピクセルに分離した断層像として得られる。したがって、空間分解能は、m2(=100)倍に略一致する。
【0039】
ところで、分割数mは、投影像の分解能に影響を与える。また、分割数mは、最終的に得られる断層像の分解能に影響を与える。分割数mが大きいほど分解能は向上するが、測定時間も長くなる。そこで、例えば、比較例の場合には間隔k=1°としていた場合には、間隔k=10°とし、分割数m=10とすれば、測定時間の長大化が抑制される。
【0040】
本実施例においては、回転角Φ調整ステージ37が試料の主面に垂直をなす方向を軸として試料を回転させる。また、並進YD軸調整ステージ42が、検出装置20と試料との距離方向に直交し、回転角Φ調整ステージ37が試料を回転させる回転軸に直交する方向に、ピクセルを2以上に分割した距離ずつ検出装置20移動させる。それにより、高分解能を実現することができる。次に、本実施例においてはデータ欠損に強いIR法を用いるため、回転角Φの刻み値を大きくすることができる。以上のことから、測定時間を長くしなくても、高分解能を実現することができるようになる。
【0041】
なお、本実施例においては、回転角Φ調整ステージ37が試料の主面に垂直をなす方向を軸として試料を回転させているが、それに限られない。例えば、回転角Φ調整ステージ37は、X線照射装置10から検出装置20に対してX線11が照射される方向と交差する方向を軸として試料を回転させればよい。また、並進YD軸調整ステージ42が検出装置20と試料との距離方向に直交し、回転角Φ調整ステージ37が試料を回転させる回転軸に直交する方向に、検出装置20を移動させているが、それに限られない。例えば、並進YD軸調整ステージ42は、検出装置20と試料との距離方向と、回転角Φ調整ステージ37が試料を回転させる回転軸と交差する方向に、検出装置20を移動させればよい。
【0042】
本実施例においては、傾きRD軸調整ステージ41が検出装置20を検出面の面内で傾斜させる。それにより、試料が傾斜していても、検出装置20のピクセル配列方向を試料の傾斜に合致させることができる。その結果、面内回転角Φの回転軸と検出器20のピクセルの配列方向とを合致させることができる。
【0043】
上記各例において、X線照射装置10が、試料にX線を照射するためのX線照射装置の一例である、検出装置20が、試料を透過したX線を検出する検出装置の一例である。試料設置装置30が、試料が設置され、回転機構を備える試料設置装置の一例である。回転角Φ調整ステージ37が、前記X線照射装置から前記検出装置に対して前記X線が照射される方向と交差する方向を軸として前記試料を回転させる回転機構の一例である。並進YD軸調整ステージ42が、前記検出装置と前記試料との距離方向と、前記回転機構が前記試料を回転させる回転軸と交差する方向に、前記検出装置を並進させる並進装置の一例である。解析装置50が、前記検出装置のピクセルを2以上に分割した距離ずつ前記検出装置が並進するごとに前記回転機構が前記試料を回転させた場合に、前記検出装置の検出結果から得られる投影画像から、逐次近似再構成法による断層像を再構成する解析装置の一例である。傾きRD軸調整ステージ41が、前記検出装置を前記検出面の面内で傾斜させる傾斜機構の一例である。
【0044】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【0045】
10 X線照射装置
11 X線
20 検出装置
30 試料設置装置
31 試料台
32 並進X軸調整ステージ
33 並進Y軸調整ステージ
34 Z軸調整ステージ
35 傾きRx軸調整ステージ
36 傾きRy軸調整ステージ
37 回転角Φ調整ステージ
38 傾斜角φ調整ステージ
40 調整装置
41 傾きRD軸調整ステージ
42 並進YD軸調整ステージ
50 解析装置
51 制御部
52 解析部
100 分析装置
200 分析装置