JP6058860B2 - Ｘ線撮像装置及びｘ線撮像方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線撮像装置及びＸ線撮像方法に係わり、特に、物体の内部を非破壊に高い空間分解能で検査するのに適したＸ線撮像装置及びＸ線撮像方法に関する。

Ｘ線ＣＴ(Computed Tomography)は、Ｘ線源に対して被写体を相対的に回転し、異なる角度から取得した透過像を用いて、再構成と呼ばれる計算により被写体の断面像を得る方法である。Ｘ線の高い透過能を利用して非破壊で被写体内部を三次元的に観察できることから、医療診断には不可欠な技術となっている。

Ｘ線ＣＴにおける空間分解能は、透過像を取得する画像検出器の空間分解能と、被写体と検出器との距離（ＷＤ：Working Distance）に主に依存している。一般に機械的な制約からＷＤを極端に短くすることは難しいため、空間分解能を向上するためには、検出器の分解能を向上する必要がある。

特開平１１−０５１８８１号公報 特開平６−２３７９２７号公報

近年のＸ線画像検出器は一般に図１に示すように、（ａ）のダイレクト露光を行う直接検出型と、（ｂ）および（ｃ）の間接検出型の２種類に大きく分けることができる。直接検出型としてフラットパネルや、背面照射型ＣＣＤなどがあり、これらの検出器では各素子に入射したＸ線によって生じた電荷等を直接信号として検出している。このため、空間分解能は素子サイズそのもので決まることになる。しかし、製造プロセス等の制約により、最小でも数ミクロン程度であり、これ以上空間分解能を向上することは難しかった。

一方、間接検出型は蛍光体、リレー光学系、及び撮像素子から構成されており、入射したＸ線は蛍光板によって可視光に変換された後、リレーレンズ或いはオプティカルファイバーによって、可視光の撮像素子であるＣＣＤやＣＭＯＳの上に結像するようになっている。可視光領域の撮像素子でも画素サイズは直接検出型の画素サイズと大きな違いはなく、小さくても数ミクロン程度である。このため、空間分解能を向上するためには、レンズの倍率を上げる必要があるが、この場合、観察視野が制限されること、集光効率が低下して、長い露光時間が必要になるなどの問題があった。

上記の問題を解決するために、画像検出器をＸ線に対して２次元的に微小に動かし、取得した画像から計算によって高分解能の像を得る方法（特許文献１を参照）も提案されているが、ＣＴにそのまま適用した場合、各投影角度ごとに検出器を微小に動かす必要があるために、送り精度が十分でないと、円状のアーチファクトが生じるという問題があった。また、検出器の移動に時間を要するために、撮像時間の延長を招くという問題もあった。また、特許文献２では、検出器の全面にグリッドを設けて、それを移動することによって空間分解能を向上する方法も提案されているが、Ｘ線強度の半分は捨てることになり、被曝が増加するという問題もあった。さらに、ＣＴの測定において、半周毎に検出器の位置を画素サイズの１／４だけずらして分解能を向上する方法（クウォーターオフセット）も開発されている。しかしこの場合には、空間分解能が向上するのは断面方向だけであり、回転軸方向の分解能を向上することはできなかった。

そこで、本発明の目的は、画像検出器の空間分解能を超える高い空間分解能の被写体の断面像を非破壊に取得することである。

上記課題を解決するために本発明では、被写体の半周（１８０°）回転毎に画像検出器を入射Ｘ線に対して２次元的に移動し、画像検出器の異なる位置で複数の画像群（ＣＴのデータセット）を取得する。そして、各画像群から、画像検出器を構成する画素サイズより小さい画素サイズを有する検出器で取得した場合と同等の像（サイノグラム：横軸を断面方向、縦軸を投影角度とする像）を合成し、この合成像から空間分解能の高い断面像を再構成計算により算出する。

図２（ａ）に、特許文献１の考え方をそのままＣＴに適用した場合の制御フローを示す。すなわち、従来の制御フローでは、各投影角度ごとに検出器を走査して画像を取得する方法である。図２（ｂ）に本発明の制御フローを示す。本発明の制御フローでは、試料を半周（１８０°）させる毎に検出器の位置を移動することによって、検出器の移動回数を大幅に低減することができ、測定時間を短縮することが可能になる。

さらに、本発明の制御フローによれば、図３（ｂ）に示すように検出器の移動時に生じる位置誤差も無くなり（詳細は後述する）、この誤差に起因した円状のアーチファクトも抑えることが可能になる。なお、合成した像の再構成処理には、従来の方法と同様にフィルタード・バック・プロジェクション或いは逐次法等の再構成計算を用いることができる。

本発明よれば、画像検出器の空間分解能を超える高い空間分解能の被写体の断面像を非破壊に取得することができる。

画像検出器の主な種類とその構成示す図。 本発明における制御の流れ（（ａ）従来発明の延長、（ｂ）本発明）示す図。 本発明における効果を示す図。 本発明における具体的な画像検出器の移動を示す図。 本発明における具体的な画像合成方法を示す図。 本発明における具体的な画像合成方法を示す図。 本発明における具体的な画像合成方法を示す図。 本発明における具体的な画像合成方法を示す図。 実施例１の装置構成を示す図。 実施例１の操作画面の例を示す図。 実施例２における画像検出器のエネルギー閾値構成とその移動方法の例を示す図。 吸収係数の比と原子番号の関係を示す図。 実施例３における装置構成の一例を示す図。 実施例３における測定フローの一例を示す図。 実施例４における装置構成の一例を示す図。 Ｘ線回折とその強度を示す図。 実施例４における装置構成の一例を示す図。

以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。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、重複する説明を省略する。

図３（ａ）は、図２（ａ）で示す従来の場合を示す。縦方向に、投影角度（０°、１０°、２０°、・・・）を示し、横方向には、複数の画素からなる検出器の一列分を模式的に示している。例えば、投影角度（０°）において、検出器は初期位置に左端が配置され、その後、移動量ｄだけ右方に移動させた場合を示す。次に、投影角度（１０°）において、移動した検出器を初期位置に戻すが、戻り誤差のために初期位置からずれ（図では左方に）ている。次の検出器の移動は、このずれが発生した位置から移動量ｄだけ移動させる。このように、投影角度ごとに検出器を移動して画像を取得する。従って、投影角度を変えるごとに、毎回位置決めずれが発生する可能性が大きい。

図３（ｂ）は、図２（ｂ）で示す本発明の場合を示す。縦方向に、投影角度（０°〜１８０°、１８０°〜３６０°）を示し、横方向には、複数の画素からなる検出器の一列分を模式的に示している。例えば、投影角度を０°から一定の角度づつ１８０°まで回転し、１８０°に達するまでは、検出器は初期位置に配置されたままで移動をさせない。次の投影角度を１８０°から３６０°まで回転する際に、検出器を移動量ｄだけ右方に一度だけ移動させた場合を示す。投影角度が０°から１８０°の間では、検出器は移動していないので、位置ずれは発生していない。また、次の投影角度が１８０°から３６０°の間でも、検出器は移動していないので、位置ずれは発生していない。

図４（ａ）は、画像検出器を構成する画素と画素サイズを示す図である。本図では、横方向（Ｘ方向）に、４等分されている。図４（ｂ）は、画像検出器の移動の移動を説明する図である。半周毎に行う画像検出器の移動は、図に示すように画素サイズをｎ等分（ｎは、１を除く自然数）した距離（画素サイズの１／ｎ）だけ、それぞれの方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に行う。ここで、画素サイズの１／ｎは、図３で示す移動量ｄに相当する。このため、移動回数はｎ−１回で、取得する画像群Ｉｍはｎ個となる。ここで、ｎの上限は、画像の分解能要求値と画像検出器の移動回数に伴う画像取得時間などとの兼ね合いで決定される。

取得した画像群Ｉｍからサイノグラムの合成は、図５に示す方法で取得できる。検出器の初期位置における像Ｉｏを基準として、その画素間を画像群Ｉｍのデータで線形補間して埋めるようにする。

まず、図５の左側に示す図は、複数の画素からなる画素ラインで構成された画像群Ｉｍを示し、本図では画素ラインは３本例示され、画像は３つ示されている。例えば、最上段の画像の画素ラインの中から、基準画素ラインをｚ０とし、画像の投影角度をθとし、画像の代表点の断面方向の位置座標をｘと表記する。また、最上段から順次下方にある画像群Ｉｍを、Ｉ_０、Ｉ_１、Ｉ_２とすると、Ｉ_１は、Ｉ_０に対して、画像サイズの１／ｎだけ検出器を移動させて得られた画像であり、Ｉ_２は、Ｉ_１に対して、画像サイズの１／ｎだけ検出器を移動させて得られた画像である。

Ｉ_１もＩ_２も、Ｉ_０と同様に投影角度θで画像が取得されているので、Ｉ_０（θ）の表記と同様に、Ｉ_１（θ）、Ｉ_２（θ）としている。次に、画像群Ｉ_０（θ）、Ｉ_１（θ）、Ｉ_２（θ）から合成画像を取得する方法を示す。

まず、基準画像Ｉ_０のある投影角度θのｚ０におけるラインプロファイルをLo（θ、ｚ０、ｘ）と表し、画像群Ｉｍの対応するラインプロファイルをLm（θ、ｚ０、ｘ）、・・・・と表したとき、合成ラインプロファイルLc（θ、ｚ０、ｘ）は、下記の（式１）として求めることができる。

図５を用いて、合成ラインプロファイルLcについて、以下に詳細に説明する。
画素Ｉ_０（θ）の画素ラインに対応するラインプロファイルは、最上段から順にLo(Z0-1)、Lo(Z0)である。同様に、画素Ｉ_１（θ）の画素ラインに対応するラインプロファイルは、最上段から順にL_１(Z0-1)、L_１(Z0)であり、画素Ｉ_２（θ）の画素ラインに対応するラインプロファイルは、最上段から順にL_２(Z0-1)、L_２(Z0)である。
図中の太線で示す合成ラインプロファイルLc(z0)の画素ラインに注目すると、実測点は、Lo(Z0)であり、補間点は、L_１(Z0-1)とL_１(Z0)の合成と、L_２(Z0-1)とL_２(Z0)の合成からなっている。

同様の合成を行い、補間点を埋めていけば、Ｌｃの画素数はＬｍのｎ倍に増えることになる。そして、このように各投影角θで合成したｚ０におけるラインプロファイルＬｃ（ｚ０）をθの順に並べてサイノグラムを作成し、これを用いて断面像を再構成する。この後、Ｉｏの代わりに順次Ｉｍを標準画像とした処理を同様に行うことによって、断面及び回転軸方向ともに空間分解能の高い像を得ることができる。なお、本処理により合成しているデータは、ある投影角θの投影像で考えると、画素サイズを二次元的にｎ等分した細かいデータから構成された像となる。そして、このデータを用いることで空間分解能の高い断面画像を再構成していることになる。

図６は、図５に示す画像合成方法と異なる画像合成方法を示す図である。
白抜き矢印は、検出器の移動方向を示している。また、図中の数字は、移動の順番を示す。実線矢印は合成方向を示す。

検出器の移動として、図６のように回転軸方向の移動幅を大きくして、断面方向の複数回の送りに対して１回だけ送るようにすれば、合成した像におけるデータ点数は断面方向が回転軸方向より多くなる。したがって、断面方向により高い空間分解能の像を再構成することができる。

図７は、図５、６に示す画像合成方法とさらに異なる画像合成方法を示す図である。
白抜き矢印は、検出器の移動方向を示している。また、図中の数字は、移動の順番を示す。実線矢印は合成方向を示す。
検出器の位置を順次同じ方向に送るのではなく、図７のようにジグザグに送ることによって、実測点が均一に配分されたサイノグラムを作成でき、より正確な断面像を再構成することが可能になる。一方、上記とは逆に面内方向の送りの刻み大きくして、回転軸方向の刻みを小さくすれば、図６や７とは逆になり、断面像に比べてより高い分解能を持った軸方向の画像を再生することができる。

また、測定時間や被曝に関して制約が無い場合は、図８のように画素間の全ての点で測定を行うようにすれば、実測点で全点を埋めることができ、より精度の高い像を再生することが可能になる。

入射Ｘ線強度が時間的に変化していたり、検出器の感度が一定でない場合に、上記に基づいて画像群をそのまま合成したのでは、背景像による除算処理を十分に行うことができず、環状の細かいアーチファクトが画素サイズ（分割数）の周期で発生することになる。この場合は、各画像群Ｉｍ毎に全素子の強度（カウント値）を積算し、初期位置における画像Ｉ０に対する比に応じた係数を各画像群に乗じた後に合成するようにすれば良い。これにより、入射Ｘ線強度の変動や検出感度の不安定性を打ち消し、アーチファクトの少ないより高精細な像を得ることができる。また、各画像群Ｉｍから個別に断面像を再構成し、それぞれの再生画像について数十ピクセルの領域で平均ＣＴ値を求め、その比から合成比を求めても良い。さらに、各画像群Ｉｍからサイノグラムを作成し、各角度のラインについて強度を積算することで、合成比を求めても良い。

図９は、本発明で使用するＸ線撮像装置の一例の構成図である。同図に示すように本Ｘ線撮像装置は、Ｘ線源１、被写体２、被写体ホルダー３、被写体回転位置決め機構４、Ｘ線画像検出器５、画像検出器位置決め機構６、制御部７、処理部８、表示部９から構成される。

Ｘ線源１から放射されたＸ線（図中、二重線で示す）は、被写体ホルダー３で保持された被写体２を照射する。被写体ホルダー３は被写体回転位置決め機構４に取り付けられており、本機構４により照射位置及び照射角度の調整を行う。被写体２を透過したＸ線の強度は、画像検出器位置決め機構６で位置決めされたＸ線画像検出器５で検出する。制御部７では後述する測定手順に従い、試料の回転と検出器の位置決めを行い、撮像を実行する。さらに、処理部８では取得した各投影像から、サイノグラム像を合成し、試料の断面像を再構成計算により再生する。表示部９では、処理部８で得られた各像を表示する。

本装置では制御部７の制御により、被写体２の断面像を以下の手順により測定する（図２（ｂ）参照）
１）被写体回転位置決め機構４により、被写体２をＸ線のビーム中心に合わせる。
２）被写体２に対する投影角度を０度にリセットする。
３）Ｘ線画像検出器５の位置を画像検出器位置決め機構６により、原点にセットする。
４）被写体２を被写***置決め回転機構４により予め設定した角度毎に回転し、各回転角度で投影像をＸ線画像検出器５で検出する。
５）上記４）の工程を被写体の回転角度が１８０度になるまで繰り返す。
６）回転角度が１８０°になったら、画像検出器位置決め機構６により、Ｘ線画像検出器５の位置を予め設定した位置に２次元的に移動する。
７）上記４）から６）の工程を予め設定した回数だけ繰り返し行い、検出器の各位置における投影像群データＩｍを得る。

以上により取得した画像群からの断面像の再構成は、上述した方法によってサイノグラムを合成し、フィルタード・バック・プロジェクション（ＦＢＰ）或いは逐次法等の再構成計算により行う。

Ｘ線画像検出器５の位置決めは前項で説明したように、通常は図４のように画素サイズの１／ｎだけ各軸に動かし、上記４）から６）の工程をｎ回行う。また、高い空間分解能の断面像が必要な場合には図６や図７のように回転軸方向の動きをステップ状にし、断面方向の刻みの細かいデータ群を得ればよい。

一方、回転軸方向に高い分解能の像が必要な場合には、回転軸方向に細かく動かせば良い。さらに測定時間に大きな制約がなく、どちらの方向に関しても高い分解能の像が必要な場合には、図８のように被写体の半周毎に、Ｘ線検出器を２次元的に走査して全ての補間点でＣＴのデータセットを取得すれば良い。これらのモードの選択は、例えば、表示装置９から作業者がその場で選択できるようにすれば良い。

図１０は、表示装置９に表示された操作画面の一例である。本画面から、求める分解能を選択することができる。基準となる分解能（１倍）に対して、さらに高い分解能を求める場合は、表示された倍率（２倍、４倍、その他）を選択することができる。
また、本画面から検出器の移動モードを選択できる。例えば、比例送り、縦横の送り量を個別に指定する送り、あるいは市松模様の送りなどを選択可能である。いずれも、作業者がその場で選択が可能である。

Ｘ線画像検出器５としては、フラットパネルや背面照射型ＣＣＤなど入射したＸ線を直接検出する方式のものを用いても良い。この場合、素子のサイズが固定されることになるが、Ｘ線を高い効率で検出することができる。また、Ｘ線ＩＩ（イメージインテンシファイヤー）やレンズカップリング型検出器など、蛍光体により入射したＸ線を電子や可視光に変換した後に撮像素子で検出する方式のものを用いても良い。レンズ系の倍率を変更することが可能で、任意の倍率でＸ線を検出することができる。また、直接型に比べてＸ線が素子に照射されることがないので、損傷を大幅に低減することもできる。さらに、測定上に応じて蛍光体の厚さや種類を変更し、最適な条件で検出を行うことができる。

画像検出器位置決め機構６として、モータを用いた一般的な電動ステージを用いれば良い。駆動モータとしてステッピングモータを用いた場合、位置決め精度が正確で画素サイズの数分の１の位置決め精度を容易に達成することができる。また、画像検出器が多少重くても正常に位置決めを行うことできる。或いは、位置決め機構の駆動機構として圧電素子（ＰＺＴ）を用いることもできる。本素子は電圧を加えると数十から数百ミクロン伸縮する素子で、動作時間が１００ｍｓと非常に高速なことが大きな特徴である。このため、画像素子の位置決めをモータ駆動にくらべて１／１０以下の短い時間で行うことができる。ただし、耐荷重が比較的小さいために、画像検出器の大きさや重量を検討して、どちらの方式のステージを採用するか決めれば良い。

以上より、本発明の実施例によれば、被写体の半周回転毎に画像検出器の位置を変えて測定し、得られた画像群を合成することによって空間分解能の高い被写体の像を再構成することができる。

実施例１では、エネルギー分解能を有しないＸ線画像検出器５を利用していたために、被写体の元素に関する情報を得ることができなかった。本実施例では、検出可能な最も低いエネルギー（以下、閾値エネルギーと呼ぶ）を各素子毎に任意に設定できる撮像素子を用いた例について説明する。

図１１に本実施例における検出器の各閾値エネルギーの設定例を示す。ここでは説明を簡単にするために、２つの閾値エネルギーの例を説明するが、３つ以上の閾値エネルギーの場合にも同じように配列し、測定し、データ処理を行えば良い。

図１１において黒い素子（ドット表示）が低い閾値エネルギー（Ｅ１）の素子、白い素子（白抜き表示）が高い閾値エネルギー（Ｅ２）の素子であり、それぞれが交互になるように市松模様に並べる。測定手順は実施例１と同様に、被写体の半周毎に画素サイズの１／ｎだけ画像検出器位置決め機構６により２軸とも移動し、撮像を行う。但し、測定はｎ回ではなく、２ｎ回行う。すなわち検出器の移動量が画素サイズの２倍になるまで行う。

取得した透過像において、Ｅ１の画素だけを抽出すると、画素の間隔は画素サイズの２倍となっている。そこで、ここでは、（式１）を２倍の間隔に対応した式に基づいて画像の合成を行う。これにより、実施例１と同様に画素サイズ１／ｎで、且つエネルギーＥ１以上のＸ線像を得ることができる。同様にＥ２の画素についても処理を行うことにより、エネルギーＥ２以上の像を得ることができる。これら２つの像の各画素について除算を行うとエネルギーをＥ１からＥ２に変化した際に生じた吸収の比、すなわち吸収係数の比を算出することができる。

図１２は、吸収係数の比と原子番号との関係を計算しプロットした図である。吸収係数の比は、本図の計算例に示すように原子番号に依存し、１：１に対応している。すなわち、被写体が単元素で構成されていれば元素番号から元素の種類を推定することが、また、複数の元素で構成されていれば平均的な元素番号（実効原子番号）を算出することが可能になる。このため、蛍光検出や吸収端利用など他の検出方法を用いることなく、元素に関する情報を得ることが可能になる。

以上、本発明の実施例によれば、閾値エネルギーを設定できるＸ線画像検出器を用いることによって、高い分解能で被写体の元素に関する情報を得ることができる。

実施例１及び２では、Ｘ線が被写体を透過した際に生じた強度の変化を画像化していた。このために、吸収の小さな軽元素で主に構成された生体軟部組織や有機材料などを高精細に観察することができなかった。ここでは、Ｘ線を波として捉え、被写体によって生じたＸ線の位相変化（位相シフト）を画像化する実施例を示す。硬Ｘ線領域において、位相シフトを生じる断面積は、吸収を生じる断面積に比べて軽元素に対して１０００倍以上大きいという特徴がある。このため、位相シフトを利用することによって高い感度で測定を行うことが可能になる。

現在の技術では位相シフトを直接検出することは不可能なため、Ｘ線光学素子等を用いて検出可能なＸ線の強度に変換して検出する必要がある。変換の方法として、これまでに（１）Ｘ線干渉計を用いたＸ線干渉法、（２）Ｘ線の屈折をＸ線回折によって検出する屈折コントラスト法、（３）タルボ干渉計を用いたタルボ干渉法、（４）フレネル縞を用いた伝搬法が開発されている。このうち、タルボ干渉法では発散ビーム、すなわち実験室系のＸ線源でも利用できるという大きな特徴ある。さらに、密度に関するダイナミックレンジが広く、金属と有機材料が組み合わされた複合材料でも測定することができる。

以下、本実施例ではタルボ干渉法を利用した場合について説明する。
タルボ干渉計は、位相格子（Ｇ１）１０と吸収格子（Ｇ２）１１の２枚のＸ線用回折格子（Ｘ線の透過率が異なる領域が格子状に形成されたもの）から構成され、被写体の下流に設置して利用する。このため、本発明でも、図１３に示すように位相格子（Ｇ１）１０と吸収格子（Ｇ２）１１を被写体と画像検出器の間に設置し、干渉計によって生じた干渉縞を画像検出器で測定する。位相シフトの定量的な検出は、（Ｇ１）１０と（Ｇ２）１１を相対的に回折格子の間隔の１／ｎだけ動かし（ｎは３以上の整数）、得られた複数の干渉縞画像から計算によって求める。ｍ回目に取得した干渉像をＩｍとすると、位相シフトφは、下記の（式２）によって算出することができる。

さらに位相シフトφは被写体の空間的な位相微分量に比例しているために、得られた位相シフト像を（Ｇ１）１０と（Ｇ２）１１を相対的に走査した方向と同じ方向に積分することによって、位相シフトの空間的な分布像、すなわち密度分布像を得ることができる。このために、測定の手順は、図１４のような制御フローになる。すなわち、図２（ｂ）で示す制御フローに対して、縞走査法を行う項目が更に追加されたフローとなる。これ以外の測定手順は実施例１と同様である。

位相格子（Ｇ１）１０としては、格子の間隔が数ミクロンで格子間の厚さの差がＸ線の位相を１／４或いは１／２波長シフトさせるものを用いる。また、吸収格子（Ｇ２）１１としては格子の間隔が数ミクロンで一方の格子の厚さはＸ線を完全に吸収するものが望ましい。しかし、金を用いても数十ミクロン以上の厚さが必要で製作が困難であるために、多少薄い回折格子（格子間の透過率の差が３０％程度以上）を用いてもよい。但し、この場合には干渉像の像鮮明度（Visibility）が低下するために、密度分解能はその分低下することになる。（Ｇ１）１０と（Ｇ２）１１はそれぞれ回転位置決め機構１２及び１３で位置決めする。この際、縞走査に利用する軸をＰＺＴ駆動とし、高速にスキャンできるようにすれば、より短い測定時間でデータを取得することができる。

以上、本発明の実施例によれば、タルボ型干渉計を用いることによって、高い密度分解能で被写体を高分解能で観察することができる。

実施例３では位相検出としてタルボ干渉を用いたが、本実施例では屈折コントラスト法を用いた例について説明する。図１５は本発明の実施の形態を表す図であり、実施例１の図９に比べて、１枚のアナライザー結晶１４が被写体２の下流に設置され、さらにＸ線画像検出器５が、アナライザー結晶１４の単結晶板によって回折されたＸ線を検出する位置に設置された構成になっている。

図１６は、アナライザー結晶によって回折された回折Ｘ線とその強度を示している。回折Ｘ線は、アナライザー結晶に対してブラッグ条件を満たす角度のＸ線のみが反射される。
なお、反射された回折Ｘ線の強度の違いは、図中の線の太さで示している。

Ｘ線が被写体２を透過する際、密度の空間微分量が大きいと図１６のように屈折によりＸ線の進行方向が曲げられることになる。単結晶によるＸ線回折では、回折が生じる入射Ｘ線の角度幅は極めて狭く、高々数角度秒である。このため、被写体がないときに入射Ｘ線の角度を回折が生じるように調整しておけば、屈折されたＸ線は回折条件をもはや満足しなくなり、回折Ｘ線の強度は極端に弱くなる（図１６）。この現象を利用して、被写体よって生じた屈折、すなわち密度の空間微分を高感度に検出することができる。さらに、タルボ干渉法と同様に積分することによって密度を極めて高い感度で求めることができる。

回折Ｘ線強度から定量的に位相シフトの微分量を求めるためには、入射Ｘ線に対してアナライザー結晶を図１６のように微小角度回転し、各回転角度における強度（ロッキングカーブ）を測定する。そして、このカーブの中心位置の「ずれ」から各画素における屈折角、すなわち位相シフトの微分量を求めることができる。なお、この中心からの「ずれ」はロッキングカーブをガウス関数等に回帰して求めても良いし、各データ点の重心から求めても良い。このため、制御フローは実施例３とほぼ同じになり、結晶の角度スキャンを最も内側のループとした測定になる。

Ｘ線回折には、反射型（ブラッグケース）の他に、透過型のＸ線回折（ラウエケース）がある。図１７は、透過型のＸ線回折を行う装置の一構成例を示す。図１５で示す反射型の場合と、Ｘ線画像検出器５の配置が異なる。アナライザー結晶１４の単結晶板を透過したＸ線を検出する位置に設置された構成になっている。

ラウエケースの場合、透過Ｘ線も入射角度に応じて強度が変動するために、ブラッグケースと同様に被写体によって生じた屈折角、すなわち密度の空間的な微分量をこの強度変動から検出することができる。ラウエケースではアナライザー結晶に垂直に近い角度でＸ線が入射するために、ブラッグケースに比べて同じ結晶の大きさで広い視野を確保することができる。また、透過Ｘ線の他に、回折されたＸ線でも同様に屈折角に応じて強度が変化するために、こちらのＸ線を利用して撮像を行うこともできる。さらに、広い視野の画像検出器や、２台の画像検出器を用いることで両ビームを同時に観察できるようにすれば、より短い時間での撮像や、高感度な撮像を行うことができる。

アナライザー結晶１４としてはシリコンインゴットから切り出したものを用いれば良い。回折の結晶方位としては、基本的なＳｉ（１１１）や（２２０）などを用いると加工によって生じた結晶の歪みの影響を抑えることができる。また、Ｘ線のエネルギー５０ｋｅＶを超えるような場合には、より高次の回折面である（３１１）や（４４０）などを用いれば、回折角度がより大きくなるので、結晶サイズを小さくすることができる。結晶の角度調整を行うアナライザー結晶角度調整機構１５には１／１００秒以上の高い位置決め精度が要求される。このため、タンジェンシャルバーを用いた回転ゴニオなどを用いると良い。

以上、本発明の実施例によれば、屈折コントラスト法を用いることによって、高い密度分解能で被写体を観察することができる。

１：Ｘ線源、
２：被写体、
３：被写体ホルダー、
４：被写体回転位置決め機構、
５：Ｘ線画像検出器、
６：画像検出器位置決め機構、
７：制御部、
８：処理部、
９：表示部、
１０：位相格子（Ｇ１）、
１１：吸収格子（Ｇ２）、
１２：位相格子回転位置決め機構、
１３：吸収格子回転位置決め機構、
１４：アナライザー結晶、
１５：アナライザー結晶回転位置決め機構。

Claims (20)

1. Ｘ線を発生し被写体に該Ｘ線を照射するＸ線発生部と、
   前記Ｘ線の光路方向に対する前記被写体の角度と該Ｘ線の被写体への入射位置とを調整する被写***置決め回転機構部と、
   前記被写体を透過したＸ線を検出するＸ線画像検出部と、
   前記Ｘ線画像検出部をＸ線に対して垂直な面上で２次元的に移動し位置決めする検出器位置決め機構部と、
   前記検出器位置決め機構部により前記Ｘ線画像検出部を移動して取得した複数のＸ線画像から前記被写体の断面画像を計算する処理部と、
   前記各部の制御を行う制御部と、を備え、
   前記Ｘ線画像検出部は、前記被写***置決め回転機構部により前記被写体の前記Ｘ線の光路方向に対する角度を変えながらＸ線画像の取得を行ない、前記角度が半周回転に達する毎に、前記検出器位置決め機構部により前記Ｘ線画像検出部の移動を行ない、移動した前記Ｘ線画像検出部により前記Ｘ線画像の取得を繰り返すことを特徴とするＸ線撮像装置。
2. 前記検出器位置決め機構部の動作軸は、互いに直交する二軸からなり、該二軸が前記Ｘ線画像検出器への入射Ｘ線に対して直交する面内にあることを特徴とする請求項１に記載のＸ線撮像装置。
3. 前記検出器位置決め機構部の移動量は、動作軸毎に異なることを特徴とする請求項２に記載のＸ線撮像装置。
4. 前記検出器位置決め機構部の移動量が、前記Ｘ線画像検出器を構成する画素のサイズの１／ｎ（ｎ：１を除く自然数）であることを特徴とする請求項１に記載のＸ線撮像装置。
5. 前記被写体と前記Ｘ線画像検出器との間で前記Ｘ線の光路上に、Ｘ線の吸収率が異なる領域が交互に格子状に並んだＸ線回折格子を配置することを特徴とする請求項１記載のＸ線撮像装置。
6. 前記回折格子は、前記Ｘ線画像検出器より前記被写体に近い位置に配置された第１Ｘ線回折格子と、
   前記第１Ｘ線回折格子より前記Ｘ線画像検出器に近い位置に配置された第２Ｘ線回折格子とで構成され、
   前記第１及び第２Ｘ線回折格子は、一つの厚さを有する第１格子厚の膜と該第１格子厚と異なる厚さを有する第２格子厚の膜とが交互に配列された格子形状を有し、
   前記第１Ｘ線回折格子は、前記第１格子厚と前記第２格子厚との差が、前記Ｘ線の１／４波長、或いは１／２波長であり、
   前記第２Ｘ線回折格子は、記第１格子厚と前記第２格子厚との差が、前記Ｘ線の吸収率に換算して３０％以上となる厚さに設定されていることを特徴とする請求項５記載のＸ線撮像装置。
7. 前記第２Ｘ線回折格子を、前記第１Ｘ線回折格子に対して移動及び回転させる機構を設けたことを特徴とする請求項６記載のＸ線撮像装置。
8. 前記被写体と前記Ｘ線画像検出器との間で前記Ｘ線の光路上に単結晶板が配置され、前記単結晶板によって回折された前記Ｘ線の光路上に前記Ｘ線画像検出器が配置されていることを特徴とする請求項１記載のＸ線撮像装置。
9. 前記単結晶板に対するＸ線の入射角を１／１００角度秒の精度で調整可能な機構を設けたことを特徴とする請求項８記載のＸ線撮像装置。
10. 前記Ｘ線画像検出器がエネルギー分解能を有することを特徴とする請求項１記載のＸ線撮像装置。
11. 前記Ｘ線画像検出器は、該Ｘ線画像検出器を構成する画素ごとに検出器可能なエネルギー下限値を規定する閾値エネルギーが設定され、該閾値エネルギー以上のエネルギーを有するＸ線を選択的に検出することを特徴とする請求項１０記載のＸ線撮像装置。
12. 前記Ｘ線画像検出器は、異なる閾値エネルギーが市松模様状に配置された画素を有することを特徴とする請求項１１記載のＸ線撮像装置。
13. Ｘ線を用いて被写体のＸ線画像を取得するＸ線撮像方法であって、
    Ｘ線を被写体に照射し、
    前記Ｘ線の光路方向に対する前記被写体の角度を変えながら、前記被写体を透過したＸ線を検出するＸ線画像検出部により複数の第１Ｘ線画像を取得し、
    前記角度が半周回転に達した時点で前記Ｘ線画像検出部を移動させ、再び前記角度を変えながら複数の第２Ｘ線画像を取得し、
    前記第１Ｘ線画像と第２Ｘ線画像の取得を繰り返して行い、
    繰り返して取得された前記第１及び第２Ｘ線画像から前記被写体の断面画像を計算することを特徴とするＸ線撮像方法。
14. Ｘ線画像検出部の移動は、前記被写体に入射するＸ線に対して直交する面内で、互いに直交する２軸方向で行われることを特徴とする請求項１３に記載のＸ線撮像方法。
15. 前記２軸方向の移動は、２軸方向でそれぞれ異なることを特徴とする請求項１４に記載のＸ線撮像方法。
16. 前記被写体と前記Ｘ線画像検出部との間に配置された２枚組の回折格子を用いて前記被写体の空間的な位相微分量を取得し、
    該位相微分量を基にして前記被写体に生じたＸ線の位相シフトをＸ線強度に変換してＸ線画像として検出することを特徴とする請求項１３に記載のＸ線撮像方法。
17. 前記２枚組の回折格子は、位相格子と吸収格子とで構成されることを特徴とする請求項１６に記載のＸ線撮像方法。
18. 前記位相格子と前記吸収格子との回折格子間隔の１／ｍ（ｍは３以上の自然数）に相当する距離をｍ-１回移動し、移動毎に前記Ｘ線の光路方向に対する前記被写体への投影角度を変えながら取得したｍ枚のＸ線画像から、各投影角度における位相差分像を算出することを特徴とする請求項１７に記載のＸ線撮像方法。
19. 前記被写体と前記Ｘ線画像検出部との間に配置された単結晶板を用いて、前記Ｘ線の光路方向に対する前記被写体への投影角度を変えながら複数のＸ線回折像を取得し、
    前記複数のＸ線回折像から各投影角度における前記被写体の空間的な位相微分像を求めることを特徴とする請求項１３に記載のＸ線撮像方法。
20. 前記単結晶板を前記Ｘ線の光路方向に対する角度を変えて回折条件近傍で微小に回転し、
    該回転毎に取得された複数の回折像から、前記Ｘ線画像検出部を構成する画素ごとに回折Ｘ線の強度が最大となる角度を求め、
    前記角度から前記被写体によって生じた屈折角度を検出することを特徴とする請求項１９に記載のＸ線撮像方法。

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