JP2021156578A - Ｘ線装置、ｘ線画像生成方法および構造物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】位相画像データや散乱画像データの解像度を向上可能なＸ線装置を提供する。【解決手段】Ｘ線装置１００は、被測定物Ｓへ向けてＸ線を出射するＸ線源２と、Ｘ線を通過させる開口部を有し、開口部以外でＸ線を遮蔽する遮蔽部材６１１と、Ｘ線の進行方向Ｚｒと交差する方向において、遮蔽部材と被測定物との間の相対的な位置を変更する変更部６１３と、変更部により変更された複数の位置において、開口部および被測定物を通過したＸ線の強度分布を出力信号として出力する検出器４と、検出器からの出力信号を用いて、開口部の方向に沿った大きさよりも小さい大きさの領域におけるＸ線の強度分布の関する情報を生成する生成部５３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線装置、Ｘ線画像生成方法および構造物の製造方法に関する。

従来から、被測定物にて偏向したＸ線の位相情報に基づいて、被測定物の内部構造の画像を生成するＸ線装置が知られている。Ｘ線の位相情報を取得するために、Ｘ線源および被測定物の間と、被測定物および検出器の間とにマスクを配置し、偏向したＸ線を計測するＸ線装置がある（たとえば特許文献１）。このようなＸ線装置で生成される被測定物の内部構造の画像の解像度（分解能）は遮蔽部材に設けられた開口部の大きさによって決まるが、開口部が小さい遮蔽部材を作成することが困難であるため、画像の高解像度化が困難である。

特許第５２８０３６１号公報

第１の態様によると、Ｘ線装置は、被測定物へ向けてＸ線を出射するＸ線源と、前記Ｘ線を通過させる開口部を有し、前記開口部以外で前記Ｘ線を遮蔽する遮蔽部材と、前記Ｘ線の進行方向と交差する方向において、前記遮蔽部材と前記被測定物との間の相対的な位置を変更する変更部と、前記変更部により変更された複数の位置において、前記開口部および前記被測定物を通過した前記Ｘ線の強度分布を出力信号として出力する検出器と、前記検出器からの出力信号を用いて、前記開口部の前記方向に沿った大きさよりも小さい大きさの領域における前記Ｘ線の前記強度分布に関する情報を生成する生成部と、を備える。
第２の態様によると、Ｘ線画像生成方法は、被測定物へ向けてＸ線を出射することと、開口部を有する遮蔽部材により前記開口部にて前記Ｘ線を通過させることと、前記Ｘ線の進行方向と交差する方向において、前記遮蔽部材と前記被測定物との間の相対的な位置を変更すること、変更された複数の前記位置において、前記開口部および前記被測定物を通過した前記Ｘ線の強度分布を出力信号として出力することと、前記出力信号を用いて、前記開口部の前記方向に沿った大きさよりも小さい大きさの領域における前記Ｘ線の前記強度分布に関する情報を生成することと、を備える。

実施の形態によるＸ線装置の要部構成の一例を模式的に示す図である。 光学ユニットの一例を模式的に示す図である。 画像データを生成する際のＸ線源と、第１光学素子の開口と、第２光学素子の開口と、被測定物と、検出器の画素との位置関係を拡大して模式的に示す図である。 画像データを生成する際のＸ線源と、第１光学素子の開口と、第２光学素子の開口と、被測定物と、検出器の画素との位置関係を拡大して模式的に示す図である。 実施の形態によるＸ線装置の動作を説明するフローチャートである。 微分位相画像データを生成する場合のシミュレーション結果を示す図である。 実施の形態による構造物製造システムの構成を模式的に示すブロック図である。 実施の形態による構造物製造システムが実行する処理を説明するフローチャートである。

図面を参照しながら、一実施の形態によるＸ線装置について説明する。Ｘ線装置は、被測定物にＸ線を照射して、被測定物を透過したＸ線を検出することにより、被測定物の内部情報（たとえば内部構造）等を被測定物を破壊することなく取得する。Ｘ線装置は、例えば、生体を被測定物として、生化学や医療等にも用いることができる。

図１は本実施の形態によるＸ線装置１００の構成の一例を示す図である。なお、説明の都合上、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる座標系を図示の通りに設定する。

Ｘ線装置１００は、筐体１と、Ｘ線源２と、載置部３と、検出器４と、制御装置５と、光学ユニット６とを備える。筐体１は、その下面が工場等の床面に実質的に平行（水平）となるように配置されている。筐体１の内部には、Ｘ線源２と、載置部３と、検出器４と、光学ユニット６とが収容される。筐体１は、Ｘ線が筐体１の外部に漏洩しないようにするため、Ｘ線遮蔽材料を含む。なお、Ｘ線遮蔽材料として鉛を含む。

Ｘ線源２は、制御装置５による制御に応じて、図１に示す出射点Ｐを頂点としてＺ軸に平行な光軸Ｚｒに沿って、Ｚ軸＋方向へ向けてＸ線を放射する。この出射点Ｐは後述するＸ線源２の内部で加速、集束された電子線の焦点位置と一致する。すなわち、光軸Ｚｒは、Ｘ線源２の電子線の焦点位置である出射点Ｐと、後述する検出器４の撮像領域の中心とを結ぶ軸である。なお、Ｘ線源２から放射するＸ線は、円錐状に拡がるＸ線（いわゆるコーンビーム）、扇状のＸ線（いわゆるファンビーム）、および直線状のＸ線（いあわゆるペンシルビーム）のいずれでもよい。なお、ファンビームおよびペンシルビームを用いる場合は、被測定物Ｓ全体を検査するために、ビームと被測定物Ｓとを相対的に移動させるスキャン動作を行う必要がある。Ｘ線源２は、たとえば約５０ｅＶの超軟Ｘ線、約０．１〜２ｋｅＶの軟Ｘ線、約２〜２０ｋｅＶのＸ線および約２０ｋｅＶ〜数ＭｅＶの硬Ｘ線の少なくとも１つを照射する。

載置部３は、被測定物Ｓが載置される載置台３１と、回転駆動部３２、Ｘ軸移動部３３、Ｙ軸移動部３４およびＺ軸移動部３５からなるマニピュレータ部３６とを備え、Ｘ線源２よりもＺ軸＋側に設けられている。

載置台３１は、回転駆動部３２により回転可能に設けられる。後述するように、回転駆動部３２による回転軸ＹｒがＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動する際に、載置台３１はともに移動する。

回転駆動部３２は、たとえば電動モータ等によって構成され、後述する制御装置５により制御されて駆動した電動モータが発生する回転力によって、載置台３１を回転させる。載置台３１の回転軸Ｙｒは、Ｙ軸に平行、かつ、載置台３１の中心を通過する。

Ｘ軸移動部３３、Ｙ軸移動部３４およびＺ軸移動部３５は、制御装置５により制御されて、載置台３１をＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向にそれぞれ移動させる。Ｚ軸移動部３５は、制御装置５により制御されて、Ｘ線源２から被測定物Ｓまでの距離が、撮影される画像における被測定物Ｓの拡大率に応じた距離となるように載置台３１をＺ軸方向に移動させる。

検出器４は、載置台３１よりもＺ軸＋側に設けられている。すなわち、載置台３１は、Ｚ軸方向において、Ｘ線源２と検出器４との間に設けられる。検出器４は、公知のシンチレーション物質を含むシンチレータ部、光電子増倍管、ＣＣＤ等の受光部等によって構成され、Ｘ線源２から出射され、載置台３１上に載置された被測定物Ｓを透過した透過Ｘ線を含むＸ線を受光する。検出器４は、受光したＸ線のエネルギーを光エネルギーに変換した後、当該光エネルギーを電気エネルギーに変換し、電気信号として出力する。

なお、検出器４は、入射するＸ線のエネルギーを光エネルギーに変換することなく電気信号に変換して出力してもよい。また、検出器４は、複数の画素を有しており、それらの画素は２次元的に配列されている。これにより、Ｘ線源２から放射され、被測定物Ｓを通過したＸ線の２次元的な強度分布データを一括して取得できる。従って、１回の撮影で被測定物Ｓの全体の投影像を取得することができる。

光学ユニット６は、被測定物Ｓの位相画像データおよび散乱画像データの少なくとも一方を生成するための第１光学ユニット６１と第２光学ユニット６２とを有する。なお、本実施の形態においては、光学ユニット６は公知のコーデッドアパーチャ（ＣＡ）方式により位相画像データおよび散乱画像データの少なくとも一方を生成するための構造を有するものとして説明を行う。

第１光学ユニット６１は、Ｘ線源２と被測定物Ｓとの間のＸ線の経路中に配置される。第１光学ユニット６１は、第１光学素子６１１と、第１光学素子６１１の位置を調節する調節部６１３とを有する。第１光学素子６１１は、たとえば金属製の板状部材に形成された複数の開口を有し、開口にてＸ線を通過させ、開口以外でＸ線を遮蔽する遮蔽部材である。開口の形状はスリット状でもよいし、三角形や矩形等の多角形もしくは真円および楕円を含む円形でもよい。第１光学素子６１１は、取付構造（不図示）を介して調節部６１３に取り付けられる。調節部６１３は、後述する制御装置５の制御に応じて、第１光学素子６１１の位置を調節する。調節部６１３は、第１光学素子６１１のＸ軸方向の位置を調節するＸ軸調節部６１４と、Ｙ軸方向の位置を調節するＹ軸調節部６１５と、Ｚ軸方向の位置を調節するＺ軸調節部６１６とを有する。

第２光学ユニット６２は、被測定物Ｓと検出器４との間のＸ線の経路中に配置される。第２光学ユニット６２は、第１光学ユニット６１と同様に、第２光学素子６２１と、調節部６２３とを有する。第２光学素子６２１は、たとえば金属製の板状部材に形成された複数の開口を有、開口にてＸ線を通過させ、開口以外でＸ線を遮蔽する遮蔽部材である。開口の形状はスリット状でもよいし、三角形や矩形等の多角形もしくは真円および楕円を含む円形でもよい。第２光学素子６２１は、取付構造（不図示）を介して調節部６２３に取り付けられる。調節部６２３は、後述する制御装置５の制御に応じて、第２光学素子６２１の位置を調節する。調節部６２３は、第２光学素子６２１のＸ軸方向の位置を調節するＸ軸調節部６２４と、Ｙ軸方向の位置を調節するＹ軸調節部６２５と、Ｚ軸方向の位置を調節するＺ軸調節部６２６とを有する。なお、第２光学素子６２１が有する開口の形状は、第１光学素子６１１が有する開口の形状に対応した形状とする。

図２に、第１光学素子６１１と第２光学素子６２１の一例を模式的に示す。図２（ａ）は、第１光学素子６１１と第２光学素子６２１のＸＹ平面における形状を模式的に示す図であり、開口の形状をスリット状にした場合を例として示す。第１光学素子６１１は複数の開口６１９（６１９ａ、６１９ｂ、６１９ｃ、６１９ｄ）を有し、第２光学素子６２１は複数の開口６２９（６２９ａ、６２９ｂ、６２９ｃ、６２９ｄ）を有する。第２光学素子６２１の開口６２９のピッチは、検出器４の画素の配列ピッチにより決定される。第１光学素子６１１の開口６１９のピッチは、検出器４の画素の配列ピッチと、Ｘ線源２から被測定物Ｓまでの距離と、Ｘ線源２から検出器４までの距離とに基づいて決定される。なお、図２（ａ）に示す開口６１９、６２９の個数は一例であり、図に示す個数よりも多くてもよいし、少なくてもよい。

図２（ｂ）に示すように、Ｘ線源２から出射したＸ線は、第１光学素子６１１の開口６１９を透過し、開口６１９以外の領域では吸収される。開口６１９を通過したＸ線は、第２光学素子６２１の開口６２９を通過し、開口６２９以外の領域では吸収される。図２（ｂ）に示すように開口６１９ａ、６１９ｂ、６１９ｃ、６１９ｄを通過したＸ線は、それぞれ開口６２９ａ、６２９ｂ、６２９ｃ、６２９ｄを通過する。すなわち、第１光学素子６１１の開口６１９ａ、６１９ｂ、６１９ｃ、６１９ｄと第２光学素子６２１の開口６２９ａ、６２９ｂ、６２９ｃ、６２９ｄとはそれぞれ一対一に対応するように配置される。開口６２９を透過したＸ線は検出器４に入射する。図に示す例では、開口６２９ａ、６２９ｂ、６２９ｃ、６２９ｄを通過したＸ線は、それぞれ検出器４の画素４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃ、４１１ｄに入射する。

図２（ｃ）に示すように、第１光学素子６１１と第２光学素子６２１との間に被測定物Ｓが存在する場合、開口６１９を通過しＸ線は被測定物Ｓの内部にて屈折、散乱等をして、わずかに偏向する。図２（ｃ）に示す例では、第１光学素子６１１の開口６１９ｂ、６１９ｃを通過したＸ線は被測定物Ｓ内部で位相が変調するため、実線で示す被測定物Ｓが無い場合のＸ線の経路と比較して、破線で示すように偏向する。この偏向により、第２光学素子６２１の開口６２９ｂ、６２９ｃを通過して検出器４の画素４１１ｂ、４１１ｃへ入射するＸ線量は、図２（ｂ）に示す被測定物Ｓが存在しない場合と比較して増減する。この増減したＸ線量には、偏向により位相が変化しコントラストが生じたＸ線の情報が含まれる。後述する画像生成部５３は、この位相が変化して生じたコントラストに基づいて位相画像データおよび散乱画像データの少なくとも一方を生成する。

図１に示す制御装置５は、マイクロプロセッサやその周辺回路等を有しており、不図示の記憶媒体（たとえばフラッシュメモリ等）に予め記憶されている制御プログラムを読み込んで実行することにより、Ｘ線装置１００の各部を制御する。制御装置５は、Ｘ線源２の動作を制御するＸ線制御部５１と、マニピュレータ部３６の駆動動作を制御する載置台制御部５２と、検出器４から出力された電気信号に基づいて被測定物ＳのＸ線投影画像データを生成する画像生成部５３と、第１光学素子６１１および第２光学素子６２１の位置を調節する調節部６１３、６２３の駆動動作を制御する光学ユニット制御部５４と、を有する。

画像生成部５３は、被測定物Ｓの内部でのＸ線の散乱および位相変調の少なくとも一方により生じるＸ線の強度分布の変化に関する情報に基づいて位相画像データおよび散乱画像データの少なくとも一方を生成する。

画像再構成部５６は、被測定物Ｓに対するＸ線照射方向を相対的に変化させて投影し、それにより得られた複数の位相画像データおよび散乱画像データの少なくとも一方に基づいて、公知の画像再構成処理方法を用いることで、被測定物Ｓの再構成画像を生成する。画像再構成処理により、被測定物Ｓの内部構造（断面構造）である断面画像データや３次元データが生成される。なお、断面画像データとは、ＸＺ平面と平行な面内における被測定物Ｓの構造データを含む。画像再構成処理としては、逆投影法、フィルタ補正逆投影法、逐次近似法等がある。

以下、本実施の形態のＸ線装置１００が行う位相画像データおよび散乱画像データの少なくとも一方を生成する処理について説明する。
図３（ａ）、（ｄ）は、Ｘ線源２と、第１光学素子６１１の開口６１９と、第２光学素子６２１の開口６２９と、被測定物Ｓと、検出器４の画素４１１との位置関係を拡大して模式的に示す。なお、図３（ａ）、（ｄ）においては、載置台３１を省略している。

上述したように、Ｘ線源２から出射されたＸ線は、一部が第１光学素子６１１の開口６１９を通過し、他は第１光学素子６１１にて吸収される。開口６１９を通過したＸ線は、被測定物Ｓの一部の領域Ｒ１とＲ２とを透過する。図３（ａ）に示すように、Ｘ線が透過する被測定物Ｓの領域Ｒ１とＲ２とを合わせたＸ方向（すなわちＸ線が進行する方向と交差する方向）の長さは、開口６１９のＸ方向の長さ（開口幅）ｄに対応する。被測定物Ｓの領域Ｒ１とＲ２とを透過したＸ線は、第２光学素子６２１の開口６２９を通過して検出器４の画素４１１に入射する。

調節部６２３のＸ軸調節部６２４は、光学ユニット制御部５４に制御され、第２光学素子６２１をＸ方向に沿って移動させる。これにより、第２光学素子６２１の開口６２９は画素４１１の範囲をＸ方向に沿って移動する。例えば、開口６２９は、図３（ａ）において、画素４１１の左端から右端までＸ方向−側に等速で移動する。これにより、画素４１１におけるＸ方向に沿ったＸ線の検出強度の分布が得られる。すなわち、被測定物Ｓの領域Ｒ１とＲ２との内部で位相が変調されたＸ線は偏向し、開口６２９を通過して画素４１１に入射する。開口６２９の移動に伴って、画素４１１は、入射したＸ線、すなわち被測定物Ｓの一部の領域Ｒ１とＲ２とを透過したＸ線の強度分布に応じた出力信号を出力する。この出力信号には、被測定物Ｓの領域Ｒ１およびＲ２の内部でのＸ線の散乱および位相変調の少なくとも一方により生じるＸ線の強度分布の変化に関する情報が含まれる。図３（ｂ）は、この場合に第１光学素子６１１の開口６１９を通過して被測定物Ｓの領域Ｒ１とＲ２とを透過して画素４１１に入射したＸ線の強度分布Ｉ１（ｘ）を模式的に示す。なお、ｘは画素４１１におけるＸ方向の位置を示す。

領域Ｒ１とＲ２との境界を通過したＸ線が到達する画素４１１上の位置をｘ０とすると、図３（ｂ）に示すように、画素４１１により検出されるＸ線強度は、位置ｘ０の近傍で大きく、位置ｘ０から離れるにつれて小さくなる。従って、画素４１１が検出するＸ線の強度は、開口６２９の中心が位置ｘ０の近傍にある時点で最大となり、開口６２９の中心が位置ｘ０から離れるに従って小さくなる。

第１光学素子６１１の開口６１９と被測定物Ｓとの位置関係が図３（ａ）に示すような場合、上述したように、開口６１９を通過したＸ線は、被測定物Ｓの領域Ｒ１とＲ２とを透過する。このため、図３（ｂ）に示すＸ線の強度分布Ｉ１（ｘ）は、図３（ｃ）に示すように、被測定物Ｓの領域Ｒ１を透過したＸ線の強度情報ｒ１（ｘ）と、領域Ｒ２を透過したＸ線の強度情報ｒ２とを含んで構成される。

次に、光学ユニット制御部５４は、調節部６１３を制御して、第１光学素子６１１をＸ方向に沿ってＸ方向−側へ所定量移動させ、調節部６２３を制御して、第２光学素子６２１をＸ方向に沿って移動させ開口６２９を画素４１１の範囲で移動させる（ディザリング）。この第１光学素子６１１の移動により、第１光学素子６１１と被測定物Ｓとの相対的な位置がＸ方向に沿って変更される。このとき、調節部６１３は、被測定物Ｓの移動量が第１光学素子６１１の開口６１９の開口幅ｄよりも小さな移動量となるように、第１光学素子６１１を移動させる。図３（ｄ）は、図３（ａ）の状態からの第１光学素子６１１の移動量が開口６１９の開口幅ｄの１／２の場合を一例として示す。なお、第１光学素子６１１の移動量は、開口６１９の開口幅ｄの１／２であるものに限定されず、開口幅ｄの整数分の１、たとえば１／３や１／４やそれ以下でもよい。なお、本明細書においては、説明の便宜上、以下の説明において、第１光学素子６１１をＸ方向に沿った開口幅ｄよりも小さな移動量での移動をディザリングと呼ぶ。

第１光学素子６１１と被測定物ＳとのＸ方向の相対的な位置が開口幅ｄの１／２だけＸ方向−側に変更されたことにより、第１光学素子６１１の開口６１９を通過したＸ線は、被測定物Ｓの領域Ｒ２とＲ３とを透過する。被測定物Ｓの領域Ｒ２とＲ３とを透過したＸ線は、第２光学素子６２１の開口６２９を通過して検出器４の画素４１１に入射する。この場合も、図３（ａ）を参照して説明した場合と同様に、調節部６２３のＸ軸調節部６２４は、光学ユニット制御部５４に制御され、第２光学素子６２１をＸ方向に沿って画素４１１の範囲を移動させる。被測定物Ｓの領域Ｒ２とＲ３との内部で位相が変調されたＸ線が偏向し、開口６２９を通過して画素４１１に入射するので、開口６２９の移動に伴って、画素４１１は、入射したＸ線、すなわち被測定物Ｓの一部の領域Ｒ２とＲ３とを透過したＸ線の強度分布に応じた出力信号を出力する。

この場合、画素４１１により検出されるＸ線強度は、画素４１１上の位置をｘ０からＸ方向−側にｄ／２ずれた位置（ｘ０−ｄ／２）の近傍で大きくなり、位置（ｘ０−ｄ／２）から離れるにつれて小さくなる。従って、画素４１１が検出するＸ線強度は、開口６２９の中心が位置（ｘ０−ｄ／２）の近傍にある時点で最大となり、開口６２９の中心が位置（ｘ０−ｄ／２）から離れるに従って小さくなる。この場合も、開口６１９を通過したＸ線は、被測定物Ｓの領域Ｒ２とＲ３とを透過すため、図３（ｅ）に示すＸ線の強度分布Ｉ２（ｘ）は、図３（ｆ）に示すように、被測定物Ｓの領域Ｒ２を透過したＸ線の強度情報ｒ２（ｘ）と、領域Ｒ３を透過したＸ線の強度情報ｒ３とを含んで構成される。

以後、同様にして、第１光学素子６１１と被測定物Ｓとの相対的な位置をＸ方向に沿って開口幅ｄの１／２だけ変更するディザリングを行うごとに、検出器４の画素４１１は、開口６１９を通過し被測定物Ｓの一部の領域を透過したＸ線の強度分布に応じた出力信号を出力する。

図４は、ディザリングを（ｎ−１）回行った後の第１光学素子６１１と被測定物Ｓとの位置関係を模式的に示す。なお、図４（ａ）においても、図示の都合から載置台３１を省略している。図４（ａ）に示す位置関係の場合、第１光学素子６１１の開口６１９を通過したＸ線は、被測定物Ｓの領域ＲｎとＲｎ＋１とを透過して画素４１１に入射する。画素４１１により検出されるＸ線強度は、画素４１１の位置（ｘ０−ｎｄ／２）の近傍で大きく、位置（ｘ０−ｎｄ／２）から離れるにつれて小さくなる。従って、画素４１１が検出する強度は、開口６２９の中心が位置（ｘ０−ｎｄ／２）の近傍にある時点で最大となり、開口６２９の中心が位置（ｘ０−ｎｄ／２）から離れるに従って小さくなる。

ディザリングを繰り返すごとに、画素４１１が最大強度を検出する位置は、位置ｘ０から離れるので、画素４１１の位置ｘ０におけるＸ線の検出強度は小さくなる。例えば、ｎ＝３、すなわち被測定物Ｓの領域Ｒ４およびＲ５を透過したＸ線の画素４１１のおける検出強度については、被測定物Ｓの領域Ｒ４およびＲ５を透過したＸ線の強度情報ｒ４（ｘ０）、ｒ５（ｘ０）は共に小さいが、Ｘ線の強度情報ｒ４（ｘ０）に比べてｒ５（ｘ０）はより小さくなる。

画像生成部５３は、上述したようにして、被測定物Ｓの領域Ｒ１、Ｒ２、…、Ｒｎ、Ｒｎ＋１を透過したＸ線の強度情報の位置ｘ０における出力信号に基づいて、位相画像データおよび散乱画像データの少なくとも一方を生成する。

ディザリングされる前後で得られるそれぞれのＸ線の強度分布には、被測定物Ｓの少なくとも一部の同一の領域を透過したＸ線の強度情報が含まれる。すなわち、ディザリング前（図３（ａ）の場合）においてＸ線が透過する被測定物Ｓの領域Ｒ１およびＲ２のうちの領域Ｒ２は、ディザリング後（図３（ｄ）の場合）においてＸ線が透過する被測定物Ｓの領域Ｒ２およびＲ３のうちの領域Ｒ２でもある。この関係は、以後のディザリングにおいても同様に、Ｘ線は、被測定物Ｓの一部の共通の領域を透過する。

このため、ディザリングごとに得られた、画素４１１の位置ｘにおけるＸ線の強度は、以下のように、それぞれの強度情報を含む形で表現することができる。
Ｉ１（ｘ）＝ｒ１（ｘ）＋ｒ２（ｘ）
Ｉ２（ｘ）＝ｒ２（ｘ）＋ｒ３（ｘ）
・・・
Ｉｎ（ｘ）＝ｒｎ（ｘ）＋ｒｎ＋１（ｘ）

画像生成部５３は、上記の連立方程式を解くことにより、被測定物Ｓのうち、第１光学素子６１１の開口６１９の開口幅ｄよりも小さい領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、…、Ｒｎ、Ｒｎ＋１のそれぞれに対応するＸ線の強度分布を算出する。

上記の連立方程式は、式の数より未知数の数が多いので、そのままでは解けない。この点について、次のような処理を行うことで、未知数を減らして連立方程式を解く手順について次に説明する。

上記の通り、ディザリングを複数回繰り返すごとに、画素４１１の位置ｘ０におけるＸ線の検出強度は小さくなる。例えば、被測定物Ｓの領域Ｒ４およびＲ５を透過したＸ線の位置ｘ０における強度が相当小さい場合、領域Ｒ５を透過したＸ線の強度情報はほぼ０と見なすことができる。このような場合、上記の連立方程式のうちｒ５（ｘ０）を０と見なし、画像生成部５３は、Ｘ線の強度Ｉ１（ｘ０）、Ｉ２（ｘ０）、Ｉ３（ｘ０）、Ｉ４（ｘ０）についての４つの式から、画素４１１の位置ｘ０におけるＸ線の強度情報ｒ１（ｘ０）、ｒ２（ｘ０）、ｒ３（ｘ０）、ｒ４（ｘ０）のそれぞれを算出する。さらに、画像生成部５３は、同様にして、画素４１１上の位置ｘ０とは異なる複数の位置のそれぞれにおけるＸ線の強度情報ｒ１、ｒ２、ｒ３、…、ｒｎ＋１を算出する。画像生成部５３は、これらの複数の位置ごとのＸ線の強度情報から、画素４１１におけるＸ線の強度情報ｒ１（ｘ）、ｒ２（ｘ）、ｒ３（ｘ）、…、ｒｎ＋１（ｘ）を算出する。画像生成部５３は、被測定物Ｓが載置台３１に載置されていない状態においても、同様にしてＸ線の強度情報を算出し、被測定物Ｓが載置されていない状態におけるＸ線の強度情報と、被測定物Ｓが載置された状態におけるＸ線の強度情報との差に基づいて、領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、…、Ｒｎ＋１ごとの位相画像データおよび散乱画像データの少なくとも一方を生成する。画像生成部５３は、これらの領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、…Ｒｎ＋１ごとの画像データの繋ぎ合わせ（合成）をして、被測定物Ｓの全体の位相画像データおよび散乱画像データの少なくとも一方を生成する。

図５のフローチャートを参照して、本実施の形態のＸ線装置１００の動作を説明する。図５に示すフローチャートの各処理は、制御装置５でプログラムを実行して行われる。このプログラムは、メモリ（不図示）に格納されており、制御装置５により起動され、実行される。

ステップＳ１では、載置台制御部５２は、マニピュレータ部３６のＸ軸移動部３３を制御して載置台３１をＸ方向に移動させることにより、第１光学素子６１１の開口６１９と被測定物ＳとのＸ方向における相対的な位置を設定してステップＳ２へ進む。ステップＳ２では、検出器４は、第１光学素子６１１の開口６１９を通過し、被測定物Ｓの一部の領域を透過したＸ線の強度分布に応じた出力信号を出力してステップＳ３へ進む。なお、検出器４には、光学ユニット制御部５４による第２光学素子６２１の開口６２９のＸ方向に沿った移動に伴って、被測定物Ｓを透過したＸ線が入射する。

ステップＳ３においては、画像生成部５３は、被測定物Ｓと第１光学素子６１１の開口６１９との相対的な位置の変更（ディザリング）の要否を判定する。相対的な位置の変更が必要と判定された場合は、ステップＳ３が肯定判定されてステップＳ１へ戻る。相対的な位置の変更が不要、すなわちディザリングが完了したと判定された場合は、ステップＳ３が否定判定されてステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、画像生成部５３は、ディザリング前と各ディザリング後に出力された複数の出力信号に基づいて、被測定物Ｓのうち第１光学素子６１１の開口６１９の開口幅ｄよりも小さい領域Ｒ１とＲ２、領域Ｒ２とＲ３、…のそれぞれに対応するＸ線の強度分布Ｉ１（ｘ）、Ｉ２（ｘ）、Ｉ３（ｘ）、…を算出して、ステップＳ５へ進む。

ステップＳ５では、画像生成部５３は、算出したＸ線の強度分布Ｉ１（ｘ）、Ｉ２（ｘ）、Ｉ３（ｘ）、…に基づいて、被測定物Ｓの領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、…を透過したＸ線の強度情報ｒ１（ｘ）、ｒ２（ｘ）、ｒ３（ｘ）、…を算出する。画像生成部５３は、算出した強度情報に基づいて、被測定物Ｓの領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、…のそれぞれに対応する位相画像データおよび散乱画像データの少なくとも一方を生成してステップＳ６へ進む。ステップＳ６では、被測定物Ｓの領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、…ごとの画像データを合成した、被測定物Ｓの位相画像データおよび散乱画像データの少なくとも一方を生成して処理を終了する。

図６に、上記の処理を行って微分位相差画像データを生成する場合のシミュレーション結果を示す。シミュレーションは、第１光学素子６１１の開口６１９を通過するＸ線の位相変化が、ＺＸ断面において標準偏差σが２０［μｍ］で複数連続するガウシアン形状に相当する周期４５［μｍ］の余弦関数とし、第１光学素子６１１の開口６１９の開口幅ｄを４４．４６［μｍ］とし、開口６１９と被測定物Ｓとの相対的な位置の移動量を１４．８２［μｍ］としたものである。

図６においては、被測定物Ｓにより生じるＸ線の位相変調の微分をＬ１で示し、Ｌ１に基づいて生成されたＸ線の強度分布から算出された微分位相をＬ２で示し、Ｌ１に対して上述した実施の形態にて説明した処理により得られた微分位相をＬ３で示す。なお、図６においては、Ｌ１を一点鎖線、Ｌ２を実線、Ｌ３を破線で示す。図６に示すように、Ｌ２は、Ｌ１で示す微分位相分布を再現できていない。すなわち、従来の方法を用いた場合には、Ｌ１に示す微分位相分布が再現できない。これに対して、Ｌ３はＬ１と類似する形状の波形を形成することから、Ｌ１で示す微分位相分布を高い精度で再現できていることがわかる。すなわち、上述した実施の形態にて説明した処理によりＸ線の位相変化を再現できることが分かる。

なお、上述した実施の形態においては、画像生成部５３は位相画像データおよび散乱画像データの少なくとも一方を生成する場合を例に挙げて説明したが、画像生成部５３は、Ｘ線の強度情報ｒ１（ｘ）、ｒ２（ｘ）、ｒ３（ｘ）、…ｒｎ（ｘ）のそれぞれを算出し、それぞれのＸ線の強度情報に基づいて、領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、…、Ｒｎごとの吸収画像データを生成してもよい。すなわち、本実施の形態の画像生成部５３は、吸収画像データ、位相画像データおよび散乱画像データのうちの少なくとも１つを生成することができる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態による構造物製造システムを説明する。本実施の形態の構造物製造システムは、たとえば自動車のドア部分、エンジン部分、ギア部分および回路基板を備える電子部品等の成型品を作成する。

図７は本実施の形態による構造物製造システム４００の構成の一例を示すブロック図である。構造物製造システム４００は、第１の実施の形態にて説明したＸ線装置１００と、設計装置４１０と、成形装置４２０と、制御システム４３０と、リペア装置４４０とを備える。

設計装置４１０は、構造物の形状に関する設計情報を作成する際にユーザが用いる装置であって、設計情報を作成して記憶する設計処理を行う。設計情報は、構造物の各位置の座標を示す情報である。設計情報は成形装置４２０および後述する制御システム４３０に出力される。成形装置４２０は設計装置４１０により作成された設計情報を用いて構造物を作成、成形する成形処理を行う。この場合、成形装置４２０は、３Ｄプリンター技術で代表される積層加工、鋳造加工、鍛造加工および切削加工のうち少なくとも１つを行うものについても本発明の一態様に含まれる。

Ｘ線装置１００は、成形装置４２０により成形された構造物の形状を測定する測定処理を行う。Ｘ線装置１００は、構造物を測定した測定結果である構造物の座標を示す情報（以後、形状情報と呼ぶ）を制御システム４３０に出力する。制御システム４３０は、座標記憶部４３１と、検査部４３２とを備える。座標記憶部４３１は、上述した設計装置４１０により作成された設計情報を記憶する。

検査部４３２は、成形装置４２０により成形された構造物が設計装置４１０により作成された設計情報に従って成形されたか否かを判定する。換言すると、検査部４３２は、成形された構造物が良品か否かを判定する。この場合、検査部４３２は、座標記憶部４３１に記憶された設計情報を読み出して、設計情報とＸ線装置１００から入力した形状情報とを比較する検査処理を行う。検査部４３２は、検査処理としてたとえば設計情報が示す座標と対応する形状情報が示す座標とを比較し、検査処理の結果、設計情報の座標と形状情報の座標とが一致している場合には設計情報に従って成形された良品であると判定する。設計情報の座標と対応する形状情報の座標とが一致していない場合には、検査部４３２は、座標の差分が所定範囲内であるか否かを判定し、所定範囲内であれば修復可能な不良品と判定する。

修復可能な不良品と判定した場合には、検査部４３２は、不良部位と修復量とを示すリペア情報をリペア装置４４０へ出力する。不良部位は設計情報の座標と一致していない形状情報の座標を有する部位であり、修復量は不良部位における設計情報の座標と形状情報の座標との差分である。リペア装置４４０は、入力したリペア情報に基づいて、構造物の不良部位を再加工するリペア処理を行う。リペア装置４４０は、リペア処理にて成形装置４２０が行う成形処理と同様の処理を再度行う。

図８に示すフローチャートを参照しながら、構造物製造システム４００が行う処理について説明する。

ステップＳ３１では、設計装置４１０はユーザによって構造物の設計を行う際に用いられ、設計処理により構造物の形状に関する設計情報を作成し記憶してステップＳ３２へ進む。なお、設計装置４１０で作成された設計情報のみに限定されず、既に設計情報がある場合には、その設計情報を入力することで、設計情報を取得するものについても本発明の一態様に含まれる。ステップＳ３２では、成形装置４２０は成形処理により、設計情報に基づいて構造物を作成、成形してステップＳ３３へ進む。ステップＳ３３においては、Ｘ線装置１００は測定処理を行って、構造物の形状を計測し、形状情報を出力してステップＳ３４へ進む。

ステップＳ３４では、検査部４３２は、設計装置４１０により作成された設計情報とＸ線装置１００により測定され、出力された形状情報とを比較する検査処理を行って、ステップＳ３５へ進む。ステップＳ３５では、検査処理の結果に基づいて、検査部４３２は成形装置４２０により成形された構造物が良品か否かを判定する。構造物が良品である場合、すなわち設計情報の座標と形状情報の座標との差が所定の範囲内の場合には、ステップＳ３５が肯定判定されて処理を終了する。構造物が良品ではない場合、すなわち設計情報の座標と形状情報の座標とが一致しない場合や設計情報には無い座標が検出された場合には、ステップＳ３５が否定判定されてステップＳ３６へ進む。

ステップＳ３６では、検査部４３２は構造物の不良部位が修復可能か否かを判定する。不良部位が修復可能ではない場合、すなわち不良部位における設計情報の座標と形状情報の座標との差分が所定範囲を超えている場合には、ステップＳ３６が否定判定されて処理を終了する。不良部位が修復可能な場合、すなわち不良部位における設計情報の座標と形状情報の座標との差分が所定範囲内の場合には、ステップＳ３６が肯定判定されてステップＳ３７へ進む。この場合、検査部４３２はリペア装置４４０にリペア情報を出力する。ステップＳ３７においては、リペア装置４４０は、入力したリペア情報に基づいて、構造物に対してリペア処理を行ってステップＳ３３へ戻る。なお、上述したように、リペア装置４４０は、リペア処理にて成形装置４２０が行う成形処理と同様の処理を再度行う。

上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）第１光学素子６１１は、Ｘ線源２からのＸ線を通過させる開口６１９を有する。載置台制御部５２は、マニピュレータ部３６を制御して、Ｘ線の進行方向と交差するＸ方向において、第１光学素子６１１と被測定物Ｓとの間の相対的な位置を変更する。検出器４は、変更された複数の位置において、開口６１９を通過し被測定物Ｓを透過したＸ線の強度分布を出力信号として出力する。画像生成部５３は、検出器４からの出力信号を用いて、開口６１９の開口幅ｄよりも小さい大きさの領域におけるＸ線の強度分布に関する情報を取得する。これにより、第１光学素子６１１の開口６１９の開口幅ｄより細かい解像度を有する吸収画像データや位相画像データや散乱画像データを生成することができる。これにより、第１光学素子６１１の開口６１９の開口幅ｄをより小さく形成することなく、光学素子の開口の開口幅で位相画像や散乱画像の分解能（解像度）が決定する従来からのコーデッドアパーチャ方式よりも高分解能の画像を生成できる。

（２）載置台制御部５２は、開口６１９の開口幅ｄよりも小さな移動量にて第１光学素子６１１と被測定物Ｓとの間の相対的な位置を変更する。これにより、第１光学素子６１１の開口６１９の開口幅ｄよりも小さい領域に対応する被測定物Ｓの内部の情報を取得することが可能になる。

（３）画像生成部５３は、相対的な位置が変更される前の出力信号に含まれる被測定物Ｓの領域Ｒ１および領域Ｒ２を透過したＸ線の強度分布と、相対的な位置が変更された後の出力信号に含まれる被測定物Ｓの領域Ｒ２および領域Ｒ３を透過したＸ線の強度分布とを、領域Ｒ１、領域Ｒ２および領域Ｒ３のそれぞれを透過したＸ線の強度分布に分離して、それぞれの領域の吸収画像データや位相画像データや散乱画像データを生成する。これにより、第１光学素子６１１の開口６１９の開口幅ｄで決まる分解能よりも高分解能の吸収画像データや位相画像データや散乱画像データを生成することが可能となる。

（４）構造物製造システム４００のＸ線装置１００は、設計装置４１０の設計処理に基づいて成形装置４２０により作成された構造物の形状情報を取得する測定処理を行い、制御システム４３０の検査部４３２は、測定処理にて取得された形状情報と設計処理にて作成された設計情報とを比較する検査処理を行う。したがって、構造物の欠陥の検査や構造物の内部の情報を非破壊検査によって取得し、構造物が設計情報の通りに作成された良品であるか否かを判定できるので、構造物の品質管理に寄与する。

（５）リペア装置４４０は、検査処理の比較結果に基づいて、構造物に対して成形処理を再度行うリペア処理を行うようにした。したがって、構造物の不良部分が修復可能な場合には、再度成形処理と同様の処理を構造物に対して施すことができるので、設計情報に近い高品質の構造物の製造に寄与する。

次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
（１）載置台３１を移動させてディザリングするものに限定されず、第１光学素子６１１と被測定物Ｓとの相対的な位置をＸ方向に沿って変更するあらゆる形態を適用してよい。たとえば、載置台制御部５２がマニピュレータ部３６を制御して、載置台３１をＸ方向に沿って移動させることにより、被測定物Ｓを移動させてディザリングしてよいし、第１光学素子６１１と載置台３１とをＸ方向に沿って移動させてディザリングしてもよい。

（２）上述した実施の形態においては、Ｘ線装置１００の制御装置５は、画像生成部５３および画像再構成部５６を有するものとして説明したが、制御装置５が画像生成部５３と画像再構成部５６とを有していなくてもよい。画像生成部５３と画像再構成部５６とが、Ｘ線装置１００とは別体の処理装置等に設けられ、検出器４から出力された信号を、たとえばネットワークや記憶媒体等を介して取得して、吸収画像データや位相画像データや散乱画像データや３次元データを生成してもよい。

本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

２…Ｘ線源
３…載置部
４…検出器
５…制御装置
６…光学ユニット
３１…載置台
５３…画像生成部
５４…光学ユニット制御部
６１…第１光学ユニット
６２…第２光学ユニット
４００…構造物製造システム
４１０…設計装置
４２０…成形装置
４３０…制御システム
４４０…リペア装置
６１１…第１光学素子
６２１…第２光学素子
６１３、６２３…調節部
６１９、６２９…開口

Claims (15)

1. 被測定物へ向けてＸ線を出射するＸ線源と、
   前記Ｘ線を通過させる開口部を有し、前記開口部以外で前記Ｘ線を遮蔽する遮蔽部材と、
   前記Ｘ線の進行方向と交差する方向において、前記遮蔽部材と前記被測定物との間の相対的な位置を変更する変更部と、
   前記変更部により変更された複数の前記位置において、前記開口部および前記被測定物を通過した前記Ｘ線の強度分布を出力信号として出力する検出器と、
   前記検出器からの出力信号を用いて、前記開口部の前記方向に沿った大きさよりも小さい大きさの領域における前記Ｘ線の前記強度分布に関する情報を生成する生成部と、を備えるＸ線装置。
2. 請求項１に記載のＸ線装置において、
   前記変更部は、前記方向において前記開口部の大きさよりも小さな移動量にて前記相対的な位置を変更する、Ｘ線装置。
3. 請求項２に記載のＸ線装置において、
   前記変更部は、前記方向において前記開口部の大きさの整数分の１の移動量で前記相対的な位置を変更する、Ｘ線装置。
4. 請求項３に記載のＸ線装置において、
   前記変更部により前記相対的な位置が変更される前に前記検出器から出力される出力信号と、前記相対的な位置が変更された後に前記検出器から出力される出力信号とは、前記被測定物の少なくとも一部の共通の領域を通過した前記Ｘ線の強度分布に関する情報を含む、Ｘ線装置。
5. 請求項４に記載のＸ線装置において、
   前記生成部は、前記相対的な位置が変更される前に前記Ｘ線が前記被測定物の第１領域および第２領域を通過した前記Ｘ線の強度分布と、前記相対的な位置が変更された後に前記Ｘ線が前記被測定物の前記第２領域および第３領域を通過した前記Ｘ線の強度分布とを、前記第１領域、前記第２領域および前記第３領域のそれぞれを通過する前記Ｘ線の強度分布に分離して、それぞれの領域ごとに前記Ｘ線の強度分布に関する情報を生成する、Ｘ線装置。
6. 請求項１から５までのいずれか一項に記載のＸ線装置において、
   前記Ｘ線の強度分布に関する情報に基づいて、前記Ｘ線の吸収画像データと前記Ｘ線の位相画像データと前記Ｘ線の散乱画像データとのうちの少なくとも１つを生成する画像生成部を、さらに備えるＸ線装置。
7. 被測定物へ向けてＸ線を出射することと、
   開口部を有する遮蔽部材により前記開口部にて前記Ｘ線を通過させることと、
   前記Ｘ線の進行方向と交差する方向において、前記遮蔽部材と前記被測定物との間の相対的な位置を変更すること、
   変更された複数の前記位置において、前記開口部および前記被測定物を通過した前記Ｘ線の強度分布を出力信号として出力することと、
   前記出力信号を用いて、前記開口部の前記方向に沿った大きさよりも小さい大きさの領域における前記Ｘ線の前記強度分布に関する情報を生成することと、を備えるＸ線画像生成方法。
   
8. 請求項７に記載のＸ線画像生成方法において、
   前記方向において前記開口部の大きさよりも小さな移動量にて、前記遮蔽部材と前記被測定物との間の前記相対的な位置を変更する、Ｘ線画像生成方法。
9. 請求項８に記載のＸ線画像生成方法において、
   前記方向において前記開口部の大きさの整数分の１の移動量で前記相対的な位置を変更する、Ｘ線画像生成方法。
10. 請求項９に記載のＸ線画像生成方法において、
    前記相対的な位置が変更される前に出力される出力信号と、前記相対的な位置が変更された後に出力される出力信号とは、前記被測定物の少なくとも一部の共通の領域を通過した前記Ｘ線の強度分布に関する情報を含む、Ｘ線画像生成方法。
11. 請求項１０に記載のＸ線画像生成方法において、
    前記相対的な位置が変更される前に前記Ｘ線が前記被測定物の第１領域および第２領域を通過した前記Ｘ線の強度分布と、前記相対的な位置が変更された後に前記Ｘ線が前記被測定物の前記第２領域および第３領域を通過した前記Ｘ線の強度分布とを、前記第１領域、前記第２領域および前記第３領域のそれぞれを通過する前記Ｘ線の強度分布に分離して、それぞれの領域ごとに前記Ｘ線の強度分布に関する情報を生成する、Ｘ線画像生成方法。
12. 請求項７から１１までのいずれか一項に記載のＸ線画像生成方法において、
    前記Ｘ線の強度分布に関する情報に基づいて、前記Ｘ線の吸収画像データと前記Ｘ線の位相画像データと前記Ｘ線の散乱画像データとのうちの少なくとも１つを生成する、Ｘ線画像生成方法。
13. 構造物の形状に関する設計情報を作成し、
    前記設計情報に基づいて前記構造物を作成し、
    作成された前記構造物の形状を、請求項１から６のいずれか一項に記載のＸ線装置を用いて計測して形状情報を取得し、
    前記取得された前記形状情報と前記設計情報とを比較する構造物の製造方法。
14. 請求項１３に記載の構造物の製造方法において、
    前記形状情報と前記設計情報との比較結果に基づいて実行され、前記構造物の再加工を行う、構造物の製造方法。
15. 請求項１４に記載の構造物の製造方法において、
    前記構造物の再加工は、前記設計情報に基づいて前記構造物の作成を再度行う、構造物の製造方法。
    

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