JP2017083413A - Ｘ線トールボット干渉計 - Google Patents

Abstract

【課題】 ２次元位相シフト法より少ない検出結果からでも、２次元フーリエ変換法よりも空間分能が高い被検体情報を取得することができるトールボット干渉計を提供すること。【解決手段】 トールボット干渉計は、第１及び第２の方向に周期を有する第１の干渉パターン１８０を形成する回折格子１３０と、干渉パターンを形成するＸ線の一部を遮蔽して交差する２方向に周期を有する第２の干渉パターンを形成する遮蔽格子１４０を備える。加えて、トールボット干渉計は、遮蔽格子を透過したＸ線を検出する検出器１５０と、検出器の検出結果を用いて被検体の情報を取得する演算部１６０を備える。検出器１５０は、Ｘ線の検出を複数回行う。演算部１６０は、複数回の検出結果を用いて被検体の第１の方向における情報を取得し、検出結果をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルを用いて被検体の第２の方向における情報を取得する。【選択図】 図１

Description

本発明はＸ線トールボット干渉計に関する。

干渉を用いた波面計測手法をＸ線位相イメージングに応用した例として、Ｘ線を用いたトールボット干渉法（Ｘ線トールボット干渉法と呼ぶ）がある。Ｘ線トールボット干渉計は、Ｘ線を用いた微分干渉計であり、Ｘ線源からから照射されたＸ線が被検体を透過し、それに伴ってＸ線の位相が変化する。被検体を透過したＸ線は、回折格子と呼ばれる周期的パターンを持った格子で回折されることによって、回折格子からトールボット距離と呼ばれる所定の距離だけ離れた位置に第１の干渉パターンを形成する。この第１の干渉パターンの被検体による変化を解析することで、前述の入射光波面の変化を測定することができる。

前述の周期的なパターンを持った回折格子のパターン周期は、装置長やＸ線の波長等の条件によって変化する。一般的なＸ線の場合、その周期は数μｍのオーダーとなる。また、それによって生じる第１の干渉パターンも同様に数μｍのオーダーの周期となることが知られている。一般的に用いられているＸ線検出器は、分解能が高いものでもその分解能は数十μｍ程度であるため、第１の干渉パターンを検出することは難しい。そのため、干渉パターンが形成される位置に第１の干渉パターンとほぼ同じ周期の遮蔽格子を配置し、遮蔽格子で第１の干渉パターンを形成するＸ線の一部を遮ることにより、周期が数百μｍ程度の第２の干渉パターン（所謂モアレ）を形成する。この第２の干渉パターンを検出器で検出することによって第１の干渉パターンの変化を間接的に測定することができる。

検出器で検出された第２の干渉パターンを、コンピュータなどの演算部によって位相回復処理することで、被検体の位相情報を取得することができる。Ｘ線トールボット干渉計に用いられる位相回復処理の方法として、位相シフト法（縞走査法とも呼ばれる）とフーリエ変換法が知られている。

特許文献１には、位相シフト法を用いて被検体の位相情報を取得するＸ線トールボット干渉計が記載されている。位相シフト法は、互いに位相がシフトした複数の周期パターンを用いて被検体を透過したＸ線の波面を測定し、被検体に関する情報を取得する手法であり、各画素で検出した光の強度から独立に被検体の情報が得られる。特許文献１では、２つの方向に周期を有する回折格子と遮蔽格子とを用い、第１の干渉パターンに対して遮蔽格子を２方向に走査することによって、第２の干渉パターンの位相（第２の干渉パターンの明暗の位置）を２方向のそれぞれにおいてシフトさせている。そして、それぞれの方向において互いに位相がシフトした複数の検出結果を用いて位相回復することで、被検体による入射Ｘ線の位相変化を微分した情報（以下、微分位相情報と呼ぶ）をそれぞれの方向において取得している。尚、２方向に干渉パターンの位相をシフトさせて２方向の情報を取得することを、２次元位相シフト法と呼ぶ。

特許文献２には、フーリエ変換法を用いて被検体の位相情報を取得するＸ線トールボット干渉計が記載されている。フーリエ変換法は、１つの検出結果からでも被検体の微分位相情報を２方向において取得することができ、第２の干渉パターンを位相シフトさせなくても被検体の微分位相情報を取得することができる。尚、２方向に周期を有する干渉パターンを用いて２方向の情報を取得することを、２次元フーリエ変換法と呼ぶ。

特開２０１２−００５８２０号公報 ＷＯ２０１０／０５０４８３号公報

特許文献１に記載されているように、２次元位相シフト法には、５つ以上の検出結果が必要である。

一方、２次元フーリエ変換法は１つの干渉パターンからでも２方向における被検体の情報を得ることができるが、複数画素分の第２の干渉パターンの情報を用いて、１画素分の被検体の情報を取得する。よって、２次元位相シフト法と比較して取得される微分位情報の空間分解能が低い。

そこで本発明は、２次元位相シフト法より少ない検出結果からでも、２次元フーリエ変換法よりも空間分能が高い被検体情報を取得することができるトールボット干渉計を提供することを目的とする。

本発明の一側面としてのトールボット干渉計は、Ｘ線源からのＸ線を回折して互いに交差する第１の方向及び第２の方向に周期を有する第１の干渉パターンを形成する回折格子と、前記干渉パターンを形成するＸ線の一部を遮蔽して交差する２方向に周期を有する第２の干渉パターンを形成する遮蔽格子と、前記遮蔽格子を透過したＸ線を検出する検出器と、前記検出器の検出結果を用いて前記Ｘ線源と前記遮蔽格子との間に配置された被検体の情報を取得する演算部と、を備え、前記検出器は、前記遮蔽格子を透過したＸ線の検出を複数回行うことで複数の検出結果を取得し、前記演算部は、前記複数の検出結果同士での強度変化を画素毎に解析することで被検体の前記第１の方向における情報を取得し、前記複数の検出結果の少なくとも一部をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルを用いて前記被検体の前記第２の方向における情報を取得することを特徴とする。

本発明によれば、２次元位相シフト法より少ない検出結果からでも、２次元フーリエ変換法よりも空間分能が高い被検体情報を取得することができるトールボット干渉計を提供することができる。

トールボット干渉計の原理を示す図 トールボット干渉計に用いる格子と干渉パターンを表した図 本発明の第１の実施例に関する説明の図 本発明の第１の実施例で取得される情報をプロットで表した図 本発明の第２の実施例に関する説明の図 本発明の第３の実施例で用いる格子と干渉パターンを表した図

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。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。

〔実施形態１〕
本実施形態におけるトールボット干渉計は、互いに交差する第１の方向（ｙ方向と呼ぶ）第２の方向（ｘ方向と呼ぶ）とに周期を有する第１の干渉パターンを形成する２次元トールボット干渉計である。加えて、本実施形態のトールボット干渉計が備える演算部は、ｘ方向における被検体の情報はフーリエ変換法を用いて取得し、ｙ方向における被検体の情報は位相シフト法を用いて取得する。よって、第２の干渉パターンの位相をシフトさせる方向は１方向（ｙ方向）で良く、１方向に位相シフト法を行うトールボット干渉計と同じ数の検出結果からでも被検体の情報を２方向において取得することができる。また、第２の干渉パターンの位相をシフトさせる方向は１方向で良いため、第１の干渉パターンと遮蔽格子との相対位置を移動させる移動手段は、１方向に第１の干渉パターン又は遮蔽格子を移動させることができれば良い。よって、２方向に相対位置を移動させる移動手段よりも簡素な移動手段を用いることができる。第２の干渉パターンの位相をシフトさせるための移動手段として、例えば、遮蔽格子をｙ方向に移動させる移動手段を用いることができる。また、ｘ方向とｙ方向における微分位相情報をフーリエ変換法により取得する場合と比較して、ｙ方向における微分位相情報の空間分解能を高くすることができる。尚、１次元トールボット干渉計で微分位相情報を積分して位相情報を取得する場合、積分の基準となる空白領域（被検体が配置されていない領域）が１画素列分必要であることが知られている。一方、２次元トールボット干渉計は積分の基準列が不要であるため、本実施形態のトールボット干渉計では、測定範囲全面に被検体を配置しても積分情報を取得することができる。つまり、本実施形態を用いると、１次元位相シフト法と同じ検出回数、同じ移動手段を用い、測定範囲全面に被検体を配置しながら、１次元位相シフト法と２次元フーリエ変換法以上の情報を取得することができる。尚、取得できる被検体情報を１次元シフト法と比較すると、本実施形態は、ｘ方向における情報を取得できる点で優れている。また、取得できる被検体情報を２次元フーリエ変換法と比較すると、本実施形態は、ｙ方向における情報の空間分解能が高い点で優れている。

図１を用いて、本実施形態のトールボット干渉計を備える撮像システムの構成について説明する。撮像システムは、トールボット干渉計、Ｘ線トールボット干渉計で取得した被検体の情報を表示する表示部１７０とを備える。トールボット干渉計は、Ｘ線を発生させるＸ線源１１０と、Ｘ線源からのＸ線を回折して第１の干渉パターン（以下、自己像と呼ぶことがある）を形成する回折格子１３０と、第１の干渉パターンを形成するＸ線の一部を遮る遮蔽格子１４０と、を備える。これらの構成により第２の干渉パターン（以下、モアレと呼ぶことがある）を形成する。トールボット干渉計は更に、遮蔽格子を透過したＸ線を検出する検出器１５０と、検出器による検出結果から、Ｘ線源と遮蔽格子との間に配置された被検体１２０の情報を取得する演算部１６０とを備え、第２の干渉パターンから被検体の情報を取得する。取得できる被検体の情報としては、被検体によるＸ線の吸収量を示す吸収情報、被検体によるＸ線の位相変化量を示す位相情報、被検体によるＸ線の散乱量を示す散乱情報が挙げられる。尚、トールボット干渉計は微分干渉計であるため、位相情報、散乱情報としては、微分位相情報及び微分散乱情報が取得され、これらを積分することで位相情報と散乱情報とが取得される。ｘ本発明及び本明細書において、ｘ方向における被検体の情報とは、被検体のｘシアの情報であるｘ方向に微分された位相情報又は散乱情報であり、ｙ方向における被検体の情報とは、被検体のｙシアの情報であるｙ方向に微分された位相情報又は散乱情報とする。また、本発明及び本明細書においては、単に位相情報、散乱情報というときは、微分位相情報、微分散乱情報の夫々を含むものとする。以下、それぞれの構成について説明をする。

Ｘ線源１１０は、回折格子により回折されることで自己像１８０が形成される程度のコヒーレンシー（可干渉性）を有するＸ線を射出するものであれば用いることができる。また、Ｘ線源単独ではコヒーレンシーを有さないものであっても、線源格子と組み合わせて微小なＸ線源のアレイを仮想的に形成し、この仮想的に形成された微小なＸ線源のそれぞれがコヒーレンシーを有すればよい。線源格子を用いるトールボット干渉計は、トールボット・ロー干渉計と呼ばれるが、トールボット・ロー干渉計はトールボット干渉計の一種であり、単にトールボット干渉計というときはトールボット・ロー干渉計を含む。本発明及び本明細書では、トールボット・ロー干渉計の場合、線源格子はＸ線源の一部とみなすものとする。尚、本実施形態ではトールボット干渉計がＸ線源１１０を備えているが、Ｘ線源１１０はトールボット干渉計と別体として構成され、測定の際にトールボット干渉計と組み合わせる形態としても良い。Ｘ線源がトールボット干渉計と別体として構成されていると、Ｘ線源の交換が容易であり、測定対象によってＸ線源をかえることも容易にできる。尚、本発明及び本明細書において、Ｘ線とは、２ｋｅＶ以上１００ｋｅＶ以下のエネルギーを有する電磁波とする。Ｘ線源１１０からのＸ線は回折格子１３０により回折され、トールボット距離と呼ばれる所定の距離をおいて明部２０４と暗部２０３が配列方向に並んだ自己像１８０を形成する。回折格子１３０は位相型の回折格子でも、振幅型の回折格子でも用いることができるが、Ｘ線トールボット干渉計においては、照射されたＸ線の減衰が少ない位相型の回折格子が用いられることが多い。尚、図１においては被検体１２０はＸ線源１１０と回折格子１３０との間に配置されているが、被検体１２０の配置場所は、Ｘ線源１１０と遮蔽格子１４０との間であれば良く、回折格子１３０と遮蔽格子１４０との間でも良い。

ここでは回折格子１３０の有する格子パターンとして図２（ａ）に示すようなπ型チェッカーボードパターンを有する位相型の回折格子を用いる場合を例に説明をする。チェッカーパターンにはチェッカーボード状に二種類のエリア２０１と２０２が配置されており、一方のエリア２０１を透過するＸ線は他方のエリア２０２を透過するＸ線に対して位相がπラジアンずれるような部材と厚さを用いる。例えば、実効エネルギーが１７．５ｋｅＶのＸ線に対しパターンをシリコンで形成することを仮定した場合、エリア２０１をエリア２０２に比べて２１μｍ厚みを持たせるように形成することで、透過したＸ線の位相差がπラジアンになることが知られている。このような格子パターンを有する回折格子を用いて形成される自己像１８０の形状は、回折格子からの距離によって異なる。例えば回折格子１３０のパターン周期をｐ_１、Ｘ線の波長をλとした場合に回折格子１３０からｐ_１ ^２／（８λ）の位置に形成される自己像１８０は、図２（ｂ）に示したような井桁格子状になる。この自己像１８０は、ｘ方向とｙ方向とに周期を有する。

自己像の周期ｐ_２は通常μｍのオーダーになるため、拡大率（Ｘ線源と自己像との距離（Ｌ１＋Ｌ２）をＸ線源と回折格子との距離（Ｌ１）で除した値）にもよるが、通常の検出器１５０では検出ができない。そこで、この自己像１８０が形成される位置に遮蔽格子１４０を設置してモアレを形成する。この遮蔽格子１４０は自己像１８０の形状と同じかわずかに周期をずらしたものを使用し、自己像の明部２０４を透過部、自己像の暗部２０３を遮蔽部としたパターンとすることが多い。つまり、図２（ｂ）の様に明部が暗部に離散的に配列された自己像を用いる場合は、複数の透過部が遮蔽部に離散的に配列された自己像を用いる。遮蔽部は、遮蔽部に垂直に入射したＸ線の８０％以上を遮蔽することができることが好ましく、例えば数十μｍ程度の厚さを持った金で形成される。自己像１８０と遮蔽格子１４０とで形成されるモアレの周期は、少なくともｘ方向においては検出器１５０で検出可能な周期とされる。モアレの周期が検出器の画素サイズの２倍以上となることが好ましく、画素サイズの３倍以上となることがより好ましい。モアレの形成には遮蔽格子１４０の周期が自己像とは異なることを利用する手法（拡大モアレ）と遮蔽格子１４０周期方向と自己像１８０の周期方向が交差するようにして形成する方法（回転モアレ）と、その両方を用いる場合がある。

検出器１５０はＸ線を検出することができるエリアセンサであり、図２（ｃ）に示すようなモアレを検出することができる。検出器１５０は、シンチレータとシンチレータで発生した光を検出する受光素子で構成される間接変換型の検出器を用いても良いし、Ｘ線の入射により電荷が生じる検出層を利用した直接変換型の検出器を用いても良い。

尚、図２（ｃ）に示すモアレは拡大モアレである。拡大モアレの場合、自己像の周期方向とモアレの周期方向とは一致し、ｘシアの情報はモアレのｘ方向における強度分布に重畳し、ｙシアの情報はモアレのｙ方向における強度分布に重畳することが知られている。尚、回転モアレもしくは回転モアレと拡大モアレとを組み合わせた場合、自己像の周期方向とモアレの周期方向とは一致していない場合もある。この場合モアレのｙ方向にｘシアの情報が、モアレのｘ方向にｙシアの情報が重畳している。

本実施形態のトールボット干渉計は、位相シフト法を行うためにモアレの位相をシフトさせて複数回の検出を行う。モアレの位相をシフトさせるために、本実施形態では遮蔽格子１４０が移動部１９０により走査される。移動部１９０の構成は、遮蔽格子を移動させることができれば特に問わないが、アクチュエータ、ギア等を用いることができる。

走査の方向は、自己像が有する２つの周期方向のうちの１つである、ｘ方向とする。但し、ｘ方向において位相がシフトすればよいため、ｘ方向と垂直な方向以外に走査をすればよい。一般的には、効率的に走査をするために、周期方向に平行または略平行（周期方向となす角度が１０度以下）であることが好ましい。尚、位相をシフトさせるためには、自己像に対して遮蔽格子を走査すれば良いため、遮蔽格子を走査する代わりに、Ｘ線源（線源格子）又は回折格子を移動させることで、自己像を走査しても良い。

尚、回転モアレを形成する場合、モアレの周期方向と自己像の周期方向とは異なることがあるが、自己像の周期方向において位相がシフトする必要があるため、一般的には自己像の周期方向と平行、もしくは略平行な方向に走査することが多い。

演算部１６０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、補助記憶装置などのハードウェア資源を備えた汎用のコンピュータにより構成できる。後述する画像処理、各種演算、および制御は、補助記憶装置に格納されたプログラムをＣＰＵが読み込み実行することで実現されるものである。なお、演算部１６０の機能のうちの一部又は全部をＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）のような回路で構成することもできる。

演算装置１６０は、検出器１５０による検出結果を用いてｘ方向における被検体１２０の情報とｙ方向における被検体１２０の情報とを取得する。上述のように、ｙ方向における被検体１２０の情報は位相シフト法を用いて取得し、ｘ方向における被検体１２０の情報はフーリエ変換法を用いて取得する。

まず、位相シフト法を用いてｙ方向における被検体の情報を取得する方法の具体例を説明する。例えば、Ｉ_１，Ｉ_２…Ｉ_Ｎ−１，Ｉ_ＮのＮ回の検出結果を用いて、位相シフト法により被検体のｙ方向における微分位相情報Ｐ_ｙとｙ方向における微分散乱強度情報Ｖ_ｙとを取得する式として、下記式が挙げられる。

ここで、ｉは虚数単位であり、ｎは１以上の整数であり、（ｘ、ｙ）はｘｙ座標上の位置を示す。式１、２は例であり、微分位相情報と微分散乱情報とを取得する演算方法はこれに限定されない。例えば、式１、２の右辺に位相シフト誤差を補正する項を加えても良い。また、式１、２で取得される微分位相情報と微分散乱情報との分布を積分する式を用い、これらの値を積分した（微分でない）位相情報と（微分でない）散乱情報とを取得しても良い。その場合、演算装置１６０が微分位相情報と微分散乱情報とを出力しない場合であっても、１次情報として微分位相情報と微分散乱情報とを取得している。本発明及び本明細書においては、位相をシフトさせた複数の検出結果を用いて、位相シフトによる強度変化を画素毎に解析することで被検体の情報を取得することを位相シフト法とみなす。尚、一般的に、位相シフト法においてＮは３以上であることが好ましい。

次に、フーリエ変換法を用いてｘ方向における被検体の情報を取得する方法の具体例を説明する。フーリエ変換法は１つの検出結果からでも被検体の情報を取得することができる。しかしながら、本実施形態の場合、ｙ方向の被検体情報を取得するためにＮ個の検出結果（Ｉ_１〜Ｉ_Ｎ）を取得するため、Ｎ個の検出結果を足し合わせた情報Ｉを用いて被検体の情報を取得することが好ましい。Ｎ個の検出結果を足し合わせることで、Ｎ個の検出結果のいずれかを用いるよりも信号雑音比（以下、Ｓ／Ｎ比）が大きい情報を用いて被検体の情報を取得できるため、より正確な被検体の情報を取得できると考えられる。

Ｉは下記式で表される。

Ｉ（ｘ）対して一次元のフーリエ変換法による位相回復を行うことで、ｘ方向の微分位相Ｐ_ｘとｘ方向の散乱強度Ｖ_ｘを取得する。典型的なフーリエ変換法は下記式で表される。

ここでカリグラフィーのＦはフーリエ変換の演算を示し、カリグラフィーのＦ^−１は逆フーリエ変換の演算を示す。また、ω_ｘはｘ方向のモアレの角周波数であり、ｘ方向のモアレの周期をｐ_ｘとした際に、ω_ｘ＝２π／ｐ_ｘである。尚、ω_ｘは一般的なモアレの周期と同様に、自己像と遮蔽格子の周期と、周期方向の角度とから算出することができる。Ｇ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）はフーリエ空間上で実行されるスペクトルの切り取りを表した窓関数であり、フーリエ空間上で所望のスペクトルをそれ以外のスペクトルから分離するためにその範囲を制限するパスフィルター関数である。尚、Ｇ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）で切り取られるスペクトルを被検体情報の取得に用い、切り取られないスペクトルはここでは被検体情報の取得に用いない。

この窓関数には様々な種類が考えられるが、例えば下記式で表されるハン窓が良く用いられる窓関数の１つである。

尚、式４〜６もフーリエ変換法を示す一例であり、例えば特開２０１１−１６３９３７号公報や、特開２０１３−００２８４５号公報で示すような、窓フーリエ変換を用いたフーリエ変換法を用いても良い。本発明及び本明細書では、検出結果の少なくとも一部（但し、２画素分以上のデータとする）をフーリエ変換して取得した周波数スペクトルを用い、モアレの強度の空間的な変化を解析することで被検体の情報を取得することをフーリエ変換法とみなす。

最後に吸収情報ＡはＩ（ｘ，ｙ）に対して

となる。尚、吸収情報Ａは微分された情報ではないため、方向性を有さない。

図２（ｃ）に示したように、本実施形態のモアレはｘ方向とｙ方向とに周期が等しいが、図３（ｂ）のモアレ３０１の様に、ｘ方向とｙ方向とで周期が異なっていても良い。特に、ｘ方向（フーリエ変換法により被検体情報を取得する方向）における周期よりもｙ方向（位相シフト法により被検体情報を取得する方向）における周期の方が大きいことが好ましい。

フーリエ変換法はモアレの周期を小さくすることが空間分解能を向上させる上で重要である。しかしながら、モアレの周期を小さくすると検出器などのボケ要因（ＭＴＦが１より小さいことなど）のためモアレの振幅も小さくなり、位相回復に用いる検出結果のＳ／Ｎ比が低下する。一方、位相シフト法はモアレの周期を大きくしても空間分解能が低下しないため、モアレの周期を大きくすれば、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。よって、フーリエ変換法により被検体情報を取得する方向（ｘ方向）よりも位相シフト法により被検体情報を取得する方向（ｙ方向）のモアレ周期を大きくすると、ｘ方向の空間分解能の低下を防ぎつつ、ｙ方向の信号雑音比を高めることができる。このように、一方向だけでも縞走査法を用いることは空間分解能、信号雑音比両方の面から有利であり、かつスループットとのバランスが取れた手法であるといえる。ｘ方向に対する周期は画素の数個分程度であることが好ましいが、ｙ方向に対する周期は無限大であっても良い。尚、自己像と遮蔽格子との周期及び周期方向が正確に一致するとき、モアレの周期は無限大になる。

以上の位相回復法を用いることで、二次元トールボット干渉計における５種類のパラメータ、Ａ、Ｐ_ｘ、Ｐ_ｙ、Ｖ_ｘ、Ｖ_ｙを取得できる。このように、本実施形態では、モアレの位相をシフトさせる移動手段である遮蔽格子移動部を用いて、自己像に対して遮蔽格子を１方向に走査して取得した検出結果Ｉ_１〜Ｉ_Ｎから、２方向における被検体の情報を取得することができる。

〔実施形態２〕
実施形態２について図３を用いて説明をする。本実施形態は、ｘ方向とｙ方向とに異なる周期を有する２次元モアレを形成する点と、検出器１５０としてラインセンサを用いる点と、被検体１２０を搬送する搬送手段１２１とを備える点とが実施形態１と異なる。その他、実施形態１と同様の構成については説明を省略する。

トールボット干渉計の応用の一つとして挙げられるものに検査用途が挙げられる。検査用途ではスループットを向上させるために被検体１２０をベルトコンベアなどの搬送手段１２１に設置し、検出器による各検出間に被検体を搬送する、又は、被検体を搬送しながら検出を行う。被検体は固定したままで計測範囲を走査する形態も考えられるが、本実施形態では被検体１２０を搬送する形態を例に説明をする。搬送手段１２１は一方向に被検体１２０を搬送させるものとする。

図３（ａ）は本実施形態の構成を模式的に示した鳥瞰図である。ただし、演算部１６０と画像表示部１７０と遮蔽格子移動部１９０との構成は実施形態１と同様であるため省略した。また、本実施形態の検出器１５０はライン検出器であるため、Ｘ線源１１０から射出されるＸ線は、被検体１２０のうち、コリメータ１１１によって検出器１５０の検出エリアに対応する領域だけに照射されるようにコリメートされている。これにより、被検体の余分な被曝を防ぐことができる。また被検体１２０は搬送手段１２１により、矢印の方向に移動する。本実施形態では、矢印の方向はｙ方向（位相シフト法により被検体の情報を取得する方向）と平行としたが、ｙ方向において被検体の位置が移動する方向、つまり、ｙ方向と垂直に交わる方向以外の方向であれば、搬送方向とすることができる。但し、ｙ方向における搬送を効率的に行うために、ｙ方向となす角度が４５度以下であることが好ましく、１０度以下であることがより好ましい。搬送手段としては、例えばベルトコンベアを用いることができる。

図３（ｂ）はラインセンサによって取得されるデータをエリアセンサによって取得されるデータと比較した図である。コリメータ１１１を用いず、且つ、実施形態１の様にエリアセンサを用いると２次元のモアレ３０１が検出される。一方、本実施形態の様にラインセンサを用いた場合、検出される検出結果は、１次元のモアレ３０２である。一度の検出で得られる１次元モアレの強度とｘ方向における座標との関係を図３（ｃ）に示す。図３（ｃ）の横軸はｘ方向における座標、縦軸はＸ線の強度を示す。

本実施形態において、モアレ３０１のｘ方向に対する周期はｙ方向に対する周期よりも小さいがその周期の違いは実施に関しては本質的な問題ではなく様々な比率が使用可能である。

本実施形態では、被検体を搬送手段１２１により搬送することで、干渉計の計測範囲に対して被検体を走査し、計測範囲よりも広い領域における被検体の情報を取得する。尚、干渉計の計測範囲とは、検出器の検出範囲のうち、モアレが形成される範囲に対応する範囲である。ここで、モアレが形成される範囲に対応する範囲とは、Ｘ線が照射されたときに、モアレが形成される範囲上に投影される範囲のことを指し、Ｘ線間の様に発散するＸ線を用いる場合、検出器との距離に応じて大きさが異なる。本実施形態の場合、回折格子１３０及び遮蔽格子１４０はラインセンサの検出範囲と比較して十分に大きく、ラインセンサの検出範囲全面にモアレを形成できるため、計測範囲はコリメータの開口とラインセンサの検出範囲とを結んでできる四角錘台と一致する。

被検体の計測を行う際、互いに位相が異なるモアレの検出と、被検体の搬送とを、計測箇所全体の計測が終わるまで交互に繰り返すことが好ましい。つまり、計測プロセスは以下の様になる。

まず被検体の第１の領域を計測範囲に配置し、ラインセンサによる検出を行って検出結果として強度分布Ｉ_１（ｘ）を取得する。次に、遮蔽格子をｙ方向に移動させ、自己像に対して遮蔽格子を走査することで、モアレの位相をｙ方向にシフトさせ、再度ラインセンサによる検出を行って強度分布Ｉ_２（ｘ）を取得する。尚、一般的な位相シフト法と同様に、検出の間に生じる位相のシフト量は、検出回数Ｎとした際に２π／Ｎであることが望ましく、Ｎは３以上であることが望ましい。このようなモアレの位相のシフトとラインセンサによる検出とをＮ回繰り返し、Ｉ_１（ｘ）〜Ｉ_ｎ（ｘ）を取得したのちに第１の領域の計測を終了する。そして、搬送手段１２１により被検体１２０を搬送し、被検体の第２の領域について、第１の領域と同様に計測を行う。このようにして被検体の走査とそれぞれの計測範囲におけるｙ方向への縞走査を繰り返し、所望の範囲全体を計測する。

次に取得されたデータから位相回復を行う手順について説明する。本実施形態も、実施形態１と同様に、ｙ方向における被検体の情報の取得には位相シフト法を、ｘ方向における被検体の情報の取得にはフーリエ変換法を用いる。実施形態１では２次元の強度分布を位相回復の対象としていたが、本実施形態では１次元の強度分布を位相回復の対象とし、第１の領域、第２の領域、と計測範囲毎に位相回復を行ってこの結果を足し合わせることで、計測した範囲全体の被検体の情報を取得する。

図４は第１の領域で取得された一組の検出結果Ｉ_１（ｘ）〜Ｉ_４（ｘ）を示している。縦軸はＸ線の強度、横軸はｘ方向における位置（座標）を示す。図４ではＮとして４の場合の例を提示している。ラインセンサのため、各検出結果は一次元のプロットで示される。４回の検出で得られたそれぞれの検出結果Ｉ_１（ｘ）〜Ｉ_４（ｘ）に対して微分位相Ｐ_ｙと散乱強度Ｖ_ｙは

で求められる。式（８）、（９）は、用いる検出結果Ｉ_１（ｘ）〜Ｉ_４（ｘ）と取得する被検体情報Ｐ_ｙ（ｘ）、Ｖ_ｙ（ｘ）が１次元である（ｙ座標がない）点以外は式（１）、（２）と同じ式である。

ｘ方向における被検体情報は、フーリエ変換法により取得する。ｘ方向における微分位相Ｐ_ｘ（ｘ）と散乱強度Ｖ_ｘ（ｘ）は、式（３）〜式（５）の検出結果Ｉ_１（ｘ、ｙ）〜Ｉ_４（ｘ、ｙ）と取得する被検体情報Ｐ_ｙ（ｘ、ｙ）、Ｖ_ｙ（ｘ、ｙ）を１次元に置き換えた下記式（１０）〜（１２）で取得できる。

尚、１次元のハン窓は下記式（１３）で示される。

最後に吸収像Ａも、式（７）を１次元に置き換えた下記式（１４）を用いて取得できる。

以上の様に、本実施形態によれば、検出器としてラインセンサを用いた場合でも、自己像に対して遮蔽格子を１方向に走査して取得した検出結果Ｉ_１〜Ｉ_ｎから、２方向における被検体の情報（Ａ、Ｐ_ｘ、Ｐ_ｙ、Ｖ_ｘ、Ｖ_ｙ）を取得することができる。それぞれの領域において２方向における被検体の情報を取得し、足し合わせれば計測を行った範囲全体の２方向における被検体の情報を取得することができる。

尚、本実施形態の様に、被検体を計測範囲に対して１方向に走査し、２方向における被検体の情報を取得するトールボット干渉計として、２系統の光学系を備えるトールボット干渉計が特表２０１５−５０３９８８号公報に記載されている。しかしながら、このトールボット干渉計は実質的に１次元トールボット干渉計を２台備えているため、本実施形態の様なトールボット干渉計１台分よりも装置の構成が複雑になったり、装置が高価になったりすることが予想される。

〔実施形態３〕
本実施形態は、検出器として複数のラインセンサ、又は、エリアセンサを用いる点及び遮蔽格子を走査する移動部を備えない点が実施形態２と異なる。検出器として複数のラインセンサを用いる場合、異なるラインセンサの検出結果のそれぞれを、Ｉ_１（ｘ）〜Ｉ_ｎ（ｘ）のそれぞれとして用いる。同様に、検出器としてエリアセンサを用いる場合、エリアセンサの異なる列の画素による検出結果のそれぞれを、Ｉ_１（ｘ）〜Ｉ_ｎ（ｘ）のそれぞれとして用いる。これにより、実施形態２におけるｙ方向へのモアレの位相シフトがなくても、ｙ方向における被検体の情報を位相シフト法により取得することができる。このため、移動機構としては被検体を搬送する搬送手段のみで、計測プロセスを実行することができる。その他、実施形態２と同様の構成については説明を省略する。

図５（ａ）および（ｃ）は本実施形態の構成を模式的に示した鳥瞰図である。ただし、演算部１６０と画像表示部１７０の構成は実施形態１と同様であるため省略した。図５（ａ）は検出器１５０として４つのラインセンサ１５１ａ〜１５１ｄを有するトールボット干渉計であり、図５（ｃ）は検出器１５０としてエリアセンサを有するトールボット干渉計である。

図５（ａ）、（ｂ）を用いて、複数のラインセンサ１５１ａ〜１５１ｄを有するトールボット干渉計について説明をする。尚、ラインセンサの数は位相シフト法に用いる検出結果の数、つまり、実施形態１、２のＮ以上の数とする。トールボット干渉計がＮ個のラインセンサを有する場合、第１〜第Ｎのラインセンサが異なるタイミングで検出した検出結果のそれぞれを、Ｉ_１（ｘ）〜Ｉ_ｎ（ｘ）のそれぞれとして用いる。図５（ａ）、（ｂ）に示したように、検出器として第１〜第４のラインセンサ１５１ａ〜１５１ｄを用いるトールボット干渉計についてより詳細に説明をする。図５（ｂ）は、本実施形態において形成されるモアレ３０１と、第１〜第４のラインセンサ１５１ａ〜１５１ｄの検出範囲との関係を示しており、第１のラインセンサ１５１ａの検出範囲が３０２ａ、第２のラインセンサ１５１ｂの検出範囲が３０２ｂ、第３のラインセンサ１５１ｃの検出範囲が３０２ｃ、第４のラインセンサ１５１ｄの検出範囲が３０２ｄである。

複数のラインセンサは、被検体の搬送方向（図面において矢印方向）の上流側から第１、第２、第３、第４のラインセンサとする。被検体の第１の領域が第１のラインセンサ１５１ａの計測範囲に配置されているときに第１のラインセンサ１５１ａが検出を行うことで、検出結果Ｉ_１−１（ｘ）を取得する。被検体１２０を搬送手段１２１により矢印方向に搬送し、第１の領域が第２のラインセンサ１５１ｂの計測範囲に配置されているときに第２のラインセンサ１５１ｂが検出を行うことで、検出結果Ｉ_１−２（ｘ）を取得する。このとき、被検体の第２の領域が第１のラインセンサ１５１ａの計測範囲に配置されており、第１のラインセンサも第２のラインセンサと同時に検出を行うことで、検出結果Ｉ_２−１（ｘ）を取得する。再度被検体を搬送手段により矢印方向に搬送し、第１の領域が第３のラインセンサ１５１ｃ、第２の領域が第２のラインセンサ１５１ｂ、第３の領域が第１のラインセンサ１５１ａ、の検出範囲に配置されているときに第１〜第３のラインセンサが検出を行う。これにより、検出結果Ｉ_１−３（ｘ）、Ｉ_２−２（ｘ）、Ｉ_３−１（ｘ）をそれぞれ取得する。再度被検体を搬送手段により矢印方向に搬送し、第１の領域が第４のラインセンサ１５１ｄ、第２の領域が第３のラインセンサ１５１ｃ、第３の領域が第２のラインセンサ１５１ｂ、第４の領域が第１のラインセンサ１５１ａの検出範囲に配置されているときに第１〜第４のラインセンサが検出を行う。これにより、検出結果Ｉ_１−４（ｘ）、Ｉ_２−３（ｘ）、Ｉ_３−２（ｘ）、Ｉ_４−１（ｘ）をそれぞれ取得する。この一連の検出結果により、第１の領域についてＩ_１−１（ｘ）_、Ｉ_１−２（ｘ）_、Ｉ_１−３（ｘ）_、Ｉ_１−４（ｘ）の４つの検出結果が取得できた。そしてこれら４つの検出結果を用い、実施形態２の様に位相回復を行う。これにより、第１の領域について、ｙ方向においては位相シフト法を用いて、ｘ方向においてはフーリエ変換法を用いて、被検体の情報を取得することができる。同様に搬送とラインセンサによる検出とを繰り返すことで、第２、第３、第４の領域についても４つの検出結果が得られ、同様に被検体の情報を取得することができる。

ｙ方向に対するモアレの周期ｐ_ｙは、第１〜第Ｎのラインセンサの検出結果を用いて位相シフト法を行うことができる程度に調整する。具体的には各ラインセンサのｙ方向における距離（検出範囲の中心間の距離とする）をＤとおいた場合モアレの周期ｐ_ｙは、
ｐ_ｙ＝ＤＮ 式（１５）
とすることが望ましい。一般的な位相シフト法における各検出の位相シフト量が、距離Ｄ離れたラインセンサ上に形成されるモアレ同士の位相シフト量に対応する。つまり、式（１５）が満たされることは、実施形態２において検出の間に生じる位相のシフト量が２π／Ｎであることに等しい。

各ラインセンサで同じタイミングに検出される被検体の位置は異なるため、検出結果のデータは、記憶装置など何らかの方法で、保持しておき、あとから被検体の同じ位置を計測した検出結果を取り出して位相回復をする。

第１〜第４のラインセンサは、同じタイミングで検出を行うものとしたが、検出のタイミングをずらすことで、計測を行う領域間の距離（例えば、第１の領域と第２の領域との距離）を調整しても良い。しかしながら、ラインセンサによる検出タイミングの制御が複雑になるため、計測を行う領域間の距離の調整は、ラインセンサ間の距離の調整により行った方が容易である。尚、被検体の搬送とラインセンサによる検出とを交互に行ったが、被検体を搬送しながらラインセンサがＸ線の検出を行っても良い。こうすることで、計測のスループットを上げることができるだけでなく、搬送手段の制御も容易になる。

以上はラインセンサを用いた場合であるが、ラインセンサの検出範囲は被検体のうち、画素幅分の一ラインのみである。そのため、被検体の全体を計測する場合には、送り量（搬送距離）がラインセンサの幅で規定されてしまう。

図５（ｃ）のように、検出器１５０としてラインセンサの代わりにエリアセンサを用いると、このような点を改善することができる。エリアセンサは複数のラインを一度に計測可能であるためスループットの大幅な向上が見込める。図５（ｄ）に、本実施形態において形成されるモアレ３０１と、エリアセンサの検出範囲との関係を示している。このエリアセンサの検出範囲は、ｙ方向には画素サイズｄ×ｍ_ｙ画素、ｘ方向には画素サイズｄ×ｍ_ｘ画素とする。

この場合、ｙ方向におけるモアレの周期ｐ_ｙ、エリアセンサのｙ方向における検出範囲の長さｄｍ_ｙを用いて、一回の検出間における搬送距離Ｄは

とすることが好ましい。このとき、被検体がエリアセンサの端部からもう片方の端部まで移動するまでに、同じ領域に対してｎ×Ｎ回の検出が実施される。被検体上の同じ領域を検出した検出結果のデータを集めると、実施形態２と同様に、ｙ方向における被検体情報は位相シフト法を用いて取得でき、ｘ方向における被検体情報はフーリエ変換法を用いて取得できる。尚、ｎが２以上の場合、被検体の同じ領域を計測した検出結果のうち、モアレの位相も同じ検出結果同士を足し合わせると、Ｓ／Ｎ比を向上させることができるため好ましい。

以上の様に、本実施形態によれば、モアレの位相をシフトさせる移動手段（自己像に対して遮蔽格子を移動させる手段）を用いずに、２方向における被検体の情報（Ａ、Ｐ_ｘ、Ｐ_ｙ、Ｖ_ｘ、Ｖ_ｙ）を取得することができる。本実施形態によって取得されるｙ方向における被検体の情報（Ｐ_ｙ、Ｖ_ｙ）は、ｘ方向及びｙ方向における被検体の情報をフーリエ変換法により取得する２次元フーリエ変換法で取得されるｙ方向における被検体の情報と比較して、空間分解能が高い。

〔実施形態４〕
本実施形態では、実施形態１〜３と形成するモアレのパターンが異なるトールボット干渉計について説明をする。本実施形態は、実施形態１〜３のいずれとも組み合わせることができ、図２（ｃ）、図３（ｂ）、図５（ｂ）、（ｄ）に示したモアレの代わりに用いることができる。

実施形態１〜３においては、回折格子１３０としてチェッカーパターンを持ったπ型の位相格子を用いた。これらの実施形態においては図２（ｃ）、図３（ｂ）、図５（ｂ）、（ｄ）で示したようなモアレが生成される。これらのモアレは、場所（ライン）によってＳ／Ｎ比が異なり、Ｓ／Ｎ比が小さい所は大きい所よりもアーチファクトが発生しやすい。例えば図３（ｂ）において、ライン３１１とライン３１２では信号強度が異なり、ライン３１１はＳ／Ｎ比が小さい。よって、ライン３１１に対応する測定範囲では、得られる被検体の情報にアーチファクトが生じやすい。

本実施形態では、図６（ｃ）に示すように、Ｓ／Ｎ比のバラつきが小さく、Ｓ／Ｎ比が小さいラインであっても、実施形態１〜３のＳ／Ｎ比が小さいラインよりはＳ／Ｎ比が大きいモアレを形成する。このようなモアレを形成する構成について説明をする。

本実施形態では回折格子１３０として図６（ａ）に示すようなπ／２型チェッカーボードパターンの格子を用いる。チェッカーボードパターンにはチェッカーボード状に二種類のエリア２０１と２０２が配置されており、一方を透過するＸ線は他方を透過するＸ線に対して位相がπ／２ラジアンずれるように構成されている。

この回折格子を用い、回折格子１３０のパターン周期をｐ_１、入射Ｘ線の波長をλとしたときに、回折格子１３０からｐ_１ ^２／（２λ）の位置に形成される第１の干渉パターン１８０を図６（ｂ）に示した。図６（ｂ）の第１の干渉パターン１８０は、明部２０４と暗部２０３とがチェッカーボード状に配置されたパターンである。この場合、図２（ｂ）と比べるとライン内における明部と暗部の明るさの比が低くなる。しかし、これによって形成されるラインに垂直な方向のモアレの振幅はライン内のどの位置においてほぼ均一になる。

図６（ｃ）はπ／２型チェッカーパターンの回折格子と、図６（ｂ）のモアレパターンの明部と暗部のそれぞれに遮蔽部と透過部とを対応させたパターンの遮蔽格子とにより形成されるモアレの模式図である。形成されるモアレも、明部と暗部がチェッカーボード状に配置されたパターンを有する。図６（ｄ）は、このモアレのパターンを、周期がｙ方向に対して４５度傾けてｙ方向における周期とｘ方向における周期との比を変更したものである。図６（ｄ）においてライン４１１と４２２は平均の明るさは違うものの、ライン３１１と３１２とは異なりライン方向の振幅は同じであり、ライン毎にＳ／Ｎ比を算出すると、その最小値が図３（ｂ）に示したモアレよりも大きい。そのため、位相回復時にアーチファクトが発生しにくい。但し、図６（ｄ）に示したように、モアレが明部と暗部がチェッカーボード状に配置されたパターンを有する場合、モアレの周期方向に対して画素の配列方向が４５度傾くように、回折格子、遮蔽格子、検出器を配置する必要がある。
このようなパターンを有するモアレを用いると、図３（ｃ）のパターンの様に明部が離散的に配置されたモアレを用いたときに、ライン３１１に対応する領域の被検体情報を取得するのが難しいという課題を解決することができる。

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。

１１０ Ｘ線源
１２０ 被検体
１３０ 回折格子
１４０ 遮蔽格子
１５０ 検出器
１６０ 演算部
１７０ 画像表示装置
１８０ 第１の干渉パターン
１９０ 移動部

Claims (10)

1. Ｘ線源からのＸ線を回折して互いに交差する第１の方向及び第２の方向に周期を有する第１の干渉パターンを形成する回折格子と、
   前記干渉パターンを形成するＸ線の一部を遮蔽して交差する２方向に周期を有する第２の干渉パターンを形成する遮蔽格子と、
   前記遮蔽格子を透過したＸ線を検出する検出器と、
   前記検出器の検出結果を用いて前記Ｘ線源と前記遮蔽格子との間に配置された被検体の情報を取得する演算部と、を備え、
   前記検出器は、前記遮蔽格子を透過したＸ線の検出を複数回行うことで複数の検出結果を取得し、
   前記演算部は、
   前記複数の検出結果同士での強度変化を画素毎に解析することで被検体の前記第１の方向における情報を取得し、
   前記複数の検出結果の少なくとも一部をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルを用いて前記被検体の前記第２の方向における情報を取得することを特徴とするトールボット干渉計。
2. 前記第１の干渉パターンと前記遮蔽格子との相対位置を移動させる移動部を有し、
   前記検出器は、
   前記第１の干渉パターンと前記遮蔽格子とが第１の相対位置にあるときと、前記第２の干渉パターンと前記遮蔽格子とが第２の相対位置にあるときとでＸ線の検出を行うことを特徴とする請求項１に記載のトールボット干渉計。
3. 前記被検体と計測範囲との相対位置を移動させる移動手段を有し、
   前記検出器は、
   前記被検体と前記検出器とが第１の相対位置にあるときと、前記被検体と前記検出器とが第２の相対位置にあるときとでＸ線の検出を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のトールボット干渉計。
4. 前記移動手段によって前記被検体と前記計測範囲との相対位置を移動させながら、
   前記検出器によるＸ線の検出を行うことを特徴とする請求項３に記載のトールボット干渉計。
5. 前記検出器はライン検出器であり、
   前記被検体のうち、第１の領域が計測範囲に配置されているときと第２の領域が計測範囲に配置されているときとのそれぞれにおいて、
   前記移動部は前記第１の干渉パターンと前記遮蔽格子との相対位置を移動させ、且つ、前記検出器は、前記第１の干渉パターンと前記遮蔽格子とが第１の相対位置にあるときと、前記第２の干渉パターンと前記遮蔽格子とが第２の相対位置にあるときとでＸ線の検出を行い、
   前記演算部は、
   前記第１の領域が計測範囲に配置されているときに前記第１の干渉パターンと前記遮蔽格子とが第１の相対位置にあるときに前記検出器により検出された検出結果と、前記第２の干渉パターンと前記遮蔽格子とが第２の相対位置にあるときに前記検出器により検出された検出結果とを用いて、前記第１の領域の第１の方向における情報を取得し、
   前記第２の領域が計測範囲に配置されているときに前記第１の干渉パターンと前記遮蔽格子とが第１の相対位置にあるときに前記検出器により検出された検出結果と、前記第２の干渉パターンと前記遮蔽格子とが第２の相対位置にあるときに前記検出器により検出された検出結果とを用いて、前記第２の領域の第１の方向における情報を取得することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のトールボット干渉計。
6. 前記検出器は複数のライン検出器であり、
   前記被検体の画素毎の情報のそれぞれは、異なるライン検出器で取得された検出結果を用いて取得されることを特徴とする請求項３又は４に記載のトールボット干渉計。
7. 前記検出器は第１のライン検出器と第２のライン検出器とを有し、
   前記演算部は、
   前記被検体の第１の領域が前記第１のライン検出器の検出範囲に配置されているときに前記第１のライン検出器により検出された検出結果と、
   前記被検体の第１の領域が前記第２のライン検出器の検出範囲に配置されているときに前記第２のライン検出器により検出された検出結果と、
   を用いて、前記被検体の第１の領域の情報を取得することを特徴とする請求項３又は４に記載のトールボット干渉計。
8. 前記検出器はエリアセンサであり、
   前記被検体の画素毎の情報のそれぞれは、前記エリアセンサの異なる画素列で取得された検出結果を用いて取得されることを特徴とする請求項３又は４に記載のトールボット干渉計。
9. 前記検出器は第１の画素列と第２の画素列とを有するエリアセンサであり、
   前記演算部は、
   前記被検体の第１の領域が前記第１の画素列の検出範囲に配置されているときに前記第１の画素列により検出された検出結果と、
   前記被検体の第１の領域が前記第２の画素列の検出範囲に配置されているときに前記第２の画素列により検出された検出結果と、
   を用いて、前記被検体の第１の領域の情報を取得することを特徴とする請求項３又は４に記載のトールボット干渉計。
10. 前記検出器はエリアセンサであり、
    前記検出器と前記被検体との相対位置が移動する方向おける前記検出器の検出範囲の長さはｄｍ_ｙであり、
    前記検出器はＮ回の検出を行い、
    前記演算部は、
    前記検出器によるＮ回の検出結果を用いて被検体の第１の方向における情報を取得し、
    前記移動部は、
    前記検出器による各検出の間に、前記被検体と前記計測範囲との相対位置をｄｍ_ｙ／ｎ×Ｎずつ動かすことを特徴とする請求項３又は４に記載のトールボット干渉計。
    但し、ｎは１以上の整数、Ｎは２以上の整数であるとする。