JP7454541B2 - 構造情報取得方法及び構造情報取得装置 - Google Patents
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Description
本発明は、被写体の構造情報を非破壊で取得するための技術に関するものである。
近年、自動車のＥＶ（Electric Vehicle）化が世界各国で進められており、その一種として燃料電池車が期待されている。燃料電池車は水素をエネルギー源とするため、燃料電池車には、水素を貯蔵できる水素タンクが搭載される。
燃料電池車に搭載される水素タンクとしては、軽量と剛性を両立するため、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）製のものが採用されている。ＣＦＲＰ製のタンクは、異なる繊維配向の層構造を複数有しており、それらの位置関係が機械的な特性を決定する。このため、繊維配向の層構造が正しい位置関係にあることは重要である。
ところで、樹脂成型後のＣＦＲＰにおける内部構造をタンクの外観から把握することは一般に困難である。タンクを切断すれば、実際の繊維配向の状態を計測できるが、切断されたタンクは使用不能となってしまう。
そこで下記特許文献１では、ＣＦＲＰを構成する繊維の配向を、パルスレーザを用いて非破壊で測定する技術を提案している。また、下記特許文献２では、電磁誘導加熱を用いてＣＦＲＰの物性を測定する技術を提案している。しかしながらこれらの技術では、ＣＦＲＰにおける繊維の層構造の位置を十分精密に測定することは難しい。
一方、繊維のような異方性素材の配向を非破壊で計測する技術として、下記非特許文献１では、過電流プローブによる方法を提案し、下記非特許文献２では、Ｘ線位相コントラスト法による方法を提案している。しかしながら、これらはいずれも、板状のサンプルにおける２次元的な配向を計測するものであって、水素タンクのような３次元的なサンプルにこれらの方法を適用することは難しい。
異方性素材の３次元的な配向を計測する技術としては、下記特許文献３及び非特許文献３に記載のように、Ｘ線ＣＴを用いた技術がある。しかしながら、ＣＴを用いる技術の場合、被写体全体を視野に収める必要がある。このため、これらの技術においては、例えば水素タンクのような大型の被写体の構造を計測することは困難である。
Russell A. Wincheski, and Selina Zhao, AIP Conference Proceedings 1949, 120004 (2018)
M. Kageyama, et al., NDT and E International 105 (2019) 19-24
Y. Sharma, et al., Appl. Phys. Lett. 109, 134102 (2016)
本発明は、前記した状況に鑑みてなされたものである。本発明は、大型の被写体であっても、異方性素材の配向情報を非破壊で比較的に簡便にかつ精度よく取得できる技術を提供することを目的としている。
本発明は、以下の項目に記載の発明として表現することができる。
（項目１）
湾曲された異方性素材を有する被写体の構造情報を、位相コントラストＸ線光学系を用いて取得する方法であって、
前記位相コントラストＸ線光学系の線源から、前記湾曲された異方性素材の接線方向に沿うように、Ｘ線を前記被写体に向けて照射するステップと、
前記被写体を透過した前記Ｘ線の検出信号を用いて散乱像を得るステップと、
前記散乱像に基づいて、前記異方性素材の構造情報を取得するステップと
を有することを特徴とする、構造情報取得方法。
湾曲された異方性素材を有する被写体の構造情報を、位相コントラストＸ線光学系を用いて取得する方法であって、
前記位相コントラストＸ線光学系の線源から、前記湾曲された異方性素材の接線方向に沿うように、Ｘ線を前記被写体に向けて照射するステップと、
前記被写体を透過した前記Ｘ線の検出信号を用いて散乱像を得るステップと、
前記散乱像に基づいて、前記異方性素材の構造情報を取得するステップと
を有することを特徴とする、構造情報取得方法。
（項目２）
前記被写体は高圧タンクであり、前記異方性素材は、前記高圧タンクを構成する繊維であり、前記繊維の一部は、フープ巻とされ、前記繊維の他の一部は、前記フープ巻と異なる巻き方向とされている
項目１に記載の構造情報取得方法。
前記被写体は高圧タンクであり、前記異方性素材は、前記高圧タンクを構成する繊維であり、前記繊維の一部は、フープ巻とされ、前記繊維の他の一部は、前記フープ巻と異なる巻き方向とされている
項目１に記載の構造情報取得方法。
（項目３）
前記異方性素材は、円又は楕円を形成するように湾曲されている
項目１又は２に記載の構造情報取得方法。
前記異方性素材は、円又は楕円を形成するように湾曲されている
項目１又は２に記載の構造情報取得方法。
（項目４）
前記Ｘ線を前記被写体に向けて照射する前に前記被写体を支持するステップをさらに備えており、
前記被写体を支持するステップにおいては、前記位相コントラストＸ線光学系の線源から照射されるＸ線の方向が、前記湾曲された異方性素材の接線方向に沿う方向となるように前記被写体を支持するものとなっている
項目１～３のいずれか１項に記載の構造情報取得方法。
前記Ｘ線を前記被写体に向けて照射する前に前記被写体を支持するステップをさらに備えており、
前記被写体を支持するステップにおいては、前記位相コントラストＸ線光学系の線源から照射されるＸ線の方向が、前記湾曲された異方性素材の接線方向に沿う方向となるように前記被写体を支持するものとなっている
項目１～３のいずれか１項に記載の構造情報取得方法。
（項目５）
被写体の散乱像を取得するための位相コントラストＸ線光学系と、処理部とを備えており、
前記位相コントラストＸ線光学系は、格子部と、この格子部及び前記被写体にＸ線を照射するための線源と、前記格子部及び前記被写体を通過した前記Ｘ線を検出する検出部とを有しており、
前記被写体は、湾曲された異方性素材を有しており、
前記線源からの前記Ｘ線の方向は、前記湾曲された異方性素材の接線方向に沿う方向とされており、
前記処理部は、
前記検出部で得られた前記Ｘ線の強度分布画像に基づいて散乱像を得る散乱像生成部と、
前記散乱像において、前記異方性素材の構造情報を抽出する抽出部と
を有している
構造情報取得装置。
被写体の散乱像を取得するための位相コントラストＸ線光学系と、処理部とを備えており、
前記位相コントラストＸ線光学系は、格子部と、この格子部及び前記被写体にＸ線を照射するための線源と、前記格子部及び前記被写体を通過した前記Ｘ線を検出する検出部とを有しており、
前記被写体は、湾曲された異方性素材を有しており、
前記線源からの前記Ｘ線の方向は、前記湾曲された異方性素材の接線方向に沿う方向とされており、
前記処理部は、
前記検出部で得られた前記Ｘ線の強度分布画像に基づいて散乱像を得る散乱像生成部と、
前記散乱像において、前記異方性素材の構造情報を抽出する抽出部と
を有している
構造情報取得装置。
（項目６）
前記被写体を支持する支持機構をさらに備えており、
前記支持機構は、前記被写体を、前記位相コントラストＸ線光学系の線源から照射されるＸ線の方向が、前記湾曲された異方性素材の接線方向に沿う方向となるように支持する構成とされている
項目５に記載の構造情報取得装置。
前記被写体を支持する支持機構をさらに備えており、
前記支持機構は、前記被写体を、前記位相コントラストＸ線光学系の線源から照射されるＸ線の方向が、前記湾曲された異方性素材の接線方向に沿う方向となるように支持する構成とされている
項目５に記載の構造情報取得装置。
本発明によれば、例えば水素タンクのような大型の被写体であったとしても、それに含まれる異方性素材の配向情報を非破壊で、比較的に簡便にかつ精度よく取得することが可能になる。
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る構造情報取得装置と、それを用いた構造情報取得方法を説明する。まず、説明の前提として、情報取得の対象となる被写体の構成例について説明する。
（被写体）
本実施形態の被写体１としては、燃料電池車用の水素タンクが用いられている。この被写体１は、樹脂製のライナー部１１と、このライナー部１１の外周に巻き付けられた炭素繊維（すなわち異方性素材）１２とから構成されている（図１参照）。
本実施形態の被写体１としては、燃料電池車用の水素タンクが用いられている。この被写体１は、樹脂製のライナー部１１と、このライナー部１１の外周に巻き付けられた炭素繊維（すなわち異方性素材）１２とから構成されている（図１参照）。
ライナー部１１は、両端が閉じた円筒状とされており、内部に水素を貯蔵できるようになっている。また、ライナー部１１の両端は、応力集中を避けるために球面状とされている。ただし、ライナー部１１の両端が平坦面であってもよい。また、ライナー部１１は円筒状に限らず、楕円体状や球体状など、他の適宜な形状であってもよい。
炭素繊維１２は、それぞれ層状にライナー部１１に巻き付けられたフープ巻（つまりフープ層）１２１と、高角度ヘリカル巻（つまり高角度ヘリカル層）１２２と、低角度ヘリカル巻（つまり低角度ヘリカル層）１２３とを有している。これにより、炭素繊維１２の一部がフープ巻とされ、他の一部がそれとは異なる巻き方向とされている。ここでフープ巻とは、ライナー部１１の中心軸に対して略直交する方向に巻き付けられた繊維であり、高角度ヘリカル巻きとは、ライナー部１１の中心軸に対して、傾斜する方向に巻き付けられた繊維であり、低角度ヘリカル巻きとは、高角度ヘリカル巻きよりも低い角度で（つまりライナー部１１の中心軸と平行に近い角度で）傾斜して巻き付けられた繊維である。なお、図１においては、理解を容易にするために、それぞれの層における繊維の端部がライナー部１１から離間しているが、実際の水素タンクにおいては、繊維はライナー部１１に密に巻き付けられている（例えば特開２０１５－２１４０８７号公報参照）。
さらに図２を参照して、被写体１の断面構造を説明する。図２は、理解の容易のために構造を模式的に記載したものであって、寸法比は正確なものではない。図２に示されるように、フープ巻１２１と高角度ヘリカル巻１２２と低角度ヘリカル巻１２３とは層をなすように配置されている。なお、これらの層の積層順序は図２の例に限られない。前記の構造により、本実施形態の被写体１は、円弧状に湾曲された長尺状の異方性素材としての繊維を有するものとなっている。
（本実施形態の構造情報取得装置）
次に、図３～図５を参照して、本実施形態に係る構造情報取得装置について説明する。
次に、図３～図５を参照して、本実施形態に係る構造情報取得装置について説明する。
この装置は、被写体１の散乱像を取得するための位相コントラストＸ線光学系２と、処理部３とを主要な構成として有している（図３参照）。さらにこの装置は、制御部４と、出力部５と、支持機構６とを有している（図３参照）。なお、図３に示す被写体１の形状は、図１と異なり、両端が平坦となっており、両端面から外側方向に中心軸１３が突出したものとなっている。しかしながら、基本的構成は図１の例と同様である。
（位相コントラストＸ線光学系）
位相コントラストＸ線光学系２は、格子部２１と、この格子部２１及び被写体１にＸ線を照射するための線源２２と、格子部２１及び被写体１を通過したＸ線を検出する検出部２３とを有している。
位相コントラストＸ線光学系２は、格子部２１と、この格子部２１及び被写体１にＸ線を照射するための線源２２と、格子部２１及び被写体１を通過したＸ線を検出する検出部２３とを有している。
格子部２１は、タルボ・ロー干渉計を構成するためのＧ０格子２１１と、Ｇ１格子２１２と、Ｇ２格子２１３とを有している。さらに、この格子部２１は、Ｇ１格子２１２を駆動していわゆる縞走査法を実施するための格子駆動部２１４を有している。Ｇ０格子２１１は、非コヒーレントなＸ線を発生する線源２２からのＸ線を透過することで等価的に複数のコヒーレントな点光源を生成するための吸収格子である。つまり、Ｇ０格子２１１は、実質的には線源の一部ともいえるものである。Ｇ０～Ｇ２格子２１１～２１３における格子の周期方向は、この例では、被写体１の軸心に直交する方向とされている（後述の図５参照）が、被写体１の軸心と平行な方向とすることも可能である。格子駆動部２１４としては、必要なタイミングで格子を所定のステップずつ駆動できる適宜な駆動機構、例えばボールねじ、リニアモータ、ピエゾ素子、または静電アクチュエータを用いることができる。
線源２２は、必要な強度のＸ線を発生して格子部２１及び被写体１に照射するためのものである。線源２２としては、タルボ・ロー干渉計構成の場合は、非コヒーレントなＸ線を発生するものを利用可能である。Ｇ０格子を省略するときは、実用上必要な程度に空間的位相の揃った（つまりコヒーレントな）Ｘ線を発生する線源（例えば微小点光源など）を用いる。本実施形態においては、線源２２から被写体１へのＸ線の方向は、湾曲された炭素繊維１２の接線方向に沿う方向とされている。この点についてはさらに後述する。
検出部２３は、実用上十分な解像度を提供できる複数の画素（図示せず）を備えており、これらの画素によって、格子部２１及び被写体１を通過したＸ線の強度分布画像を取得することができる。検出部２３で取得された強度分布画像は処理部３に送られる。
本実施形態において用いる位相コントラストＸ線光学系２は、基本的に従来から使用されているものと同様でよいので、これ以上詳しい説明は省略する（参考：国際公開２００４／０５８０７０、Pfeiffer F, Weitkamp T, Bunk O, David C, Phase retrieval and differential phase-contrast imaging with low-brilliance X-ray sources. Nat. Phys. 2 (2006) 258-261.）。
（処理部）
処理部３は、位相コントラストＸ線光学系２の検出部２３で得られたＸ線の強度分布画像に基づいて散乱像を得る散乱像生成部３１と、得られた散乱像から炭素繊維１２の構造情報を抽出する抽出部３２とを有している（図４参照）。
処理部３は、位相コントラストＸ線光学系２の検出部２３で得られたＸ線の強度分布画像に基づいて散乱像を得る散乱像生成部３１と、得られた散乱像から炭素繊維１２の構造情報を抽出する抽出部３２とを有している（図４参照）。
散乱像生成部３１及び抽出部３２の動作については後述する。処理部３は、具体的には、コンピュータハードウエア及びソフトウエアの組み合わせにより実現される。
（制御部）
制御部４は、格子駆動部２１４、支持機構６の軸方向駆動部６３（後述）及び周方向駆動部６４（後述）のそれぞれにおける駆動量（つまり移動量又は移動角度）及び駆動時期を制御するものである。制御部４も、コンピュータハードウエア及びソフトウエアの組み合わせにより実現される。制御部４の機能が処理部３に実装されて両者が一体となっていてもよい。
制御部４は、格子駆動部２１４、支持機構６の軸方向駆動部６３（後述）及び周方向駆動部６４（後述）のそれぞれにおける駆動量（つまり移動量又は移動角度）及び駆動時期を制御するものである。制御部４も、コンピュータハードウエア及びソフトウエアの組み合わせにより実現される。制御部４の機能が処理部３に実装されて両者が一体となっていてもよい。
（出力部）
出力部５は、処理部３による処理結果をユーザ又は他の機器に向けて出力するためのものである。出力部５としては、例えばディスプレイやプリンタであるが、処理結果を受け取る他の機器を接続するためのインターフェースであってもよい。また出力部５は、ネットワーク経由で他の機器に処理結果を送信するものであってもよい。
出力部５は、処理部３による処理結果をユーザ又は他の機器に向けて出力するためのものである。出力部５としては、例えばディスプレイやプリンタであるが、処理結果を受け取る他の機器を接続するためのインターフェースであってもよい。また出力部５は、ネットワーク経由で他の機器に処理結果を送信するものであってもよい。
（支持機構）
支持機構６は、被写体１を、位相コントラストＸ線光学系２の線源２２から照射されるＸ線の方向が、湾曲された炭素繊維１２の接線方向に沿う方向となるように支持するものである。具体的には、本実施形態の支持機構６は、床面側に固定された基台６１と、基台６１上に取り付けられた支持体６２と、支持体６２を駆動する軸方向駆動部６３と、被写体１を回転させる周方向駆動部６４とを有している。
支持機構６は、被写体１を、位相コントラストＸ線光学系２の線源２２から照射されるＸ線の方向が、湾曲された炭素繊維１２の接線方向に沿う方向となるように支持するものである。具体的には、本実施形態の支持機構６は、床面側に固定された基台６１と、基台６１上に取り付けられた支持体６２と、支持体６２を駆動する軸方向駆動部６３と、被写体１を回転させる周方向駆動部６４とを有している。
支持体６２は、基台６１に対して、被写体１の軸線方向（あるいは基台６１の長さ方向）に沿って移動可能とされたスライド部６２１と、このスライド部６２１の上方に向けて突出する２本の支持アーム６２２とから構成されている。スライド部６２１は、軸方向駆動部６３により、被写体１の軸線方向に沿って所定の距離だけ移動できるようになっている。支持アーム６２２は、被写体１の軸方向端部から外部方向に突出された中心軸１３（図３参照）を支持して、被写体１を適切な高さに保持できるようになっている。これにより、本実施形態の支持体６２は、被写体１の軸線が水平方向に向くように被写体１を支持している。
また、支持体６２は、Ｇ１格子２１２とＧ２格子２１３との間に被写体１を配置するようになっている。また、本実施形態の支持体６２は、位相コントラストＸ線光学系２の線源２２から照射されるＸ線の方向が、湾曲された炭素繊維１２の接線方向に沿う方向となるように被写体１を支持する（図５及び図６参照）。ここで図６は、炭素繊維１２の内のフープ巻１２１の一部と、Ｇ２格子２１３と、Ｘ線との位置関係のみを模式的に表している。さらに、支持体６２は、Ｘ線の照射範囲（視野）が被写体１の軸心から外れるように（図５参照）、被写体１を支持する。
軸方向駆動部６３は、制御部４からの指令により、所定の時期に所定の距離だけスライド部６２１を移動させることができるようになっている。
周方向駆動部６４は、被写体１の中心軸１３に接続されており、制御部４からの指令により、所定の時期に所定の角度だけ被写体１を自転させることができるようになっている。
（本実施形態における構造情報取得方法）
以下、前記した装置を用いて被写体１の構造情報を取得する方法の一例を、図７をさらに参照しながら説明する。
以下、前記した装置を用いて被写体１の構造情報を取得する方法の一例を、図７をさらに参照しながら説明する。
（図７のステップＳＡ－１）
まず、図３に示すように、被写体１を支持機構６により支持する。この状態では、被写体１はほぼ水平状態とされる。このとき、位相コントラストＸ線光学系２の線源２２から照射されるＸ線の方向が、湾曲された炭素繊維１２の接線方向に沿う方向となるように被写体を支持する（図５及び図６参照）。これにより、位相コントラストＸ線光学系２の線源２２から、湾曲された炭素繊維１２の接線方向に沿うように、Ｘ線を被写体１に向けて照射することができる。ここで、Ｘ線の照射角度としては、±５°程度のずれは通常は許容される。つまり、Ｘ線の照射角度は、実用上十分な程度の精度であればよく、数学的に厳密である必要はない。また、本実施形態では、図５に示すように、被写体１の軸心を視野から外して、被写体１の外周面を視野内に配置しているので、Ｘ線の照射方向を炭素繊維１２の接線方向とする作業が容易となる。
まず、図３に示すように、被写体１を支持機構６により支持する。この状態では、被写体１はほぼ水平状態とされる。このとき、位相コントラストＸ線光学系２の線源２２から照射されるＸ線の方向が、湾曲された炭素繊維１２の接線方向に沿う方向となるように被写体を支持する（図５及び図６参照）。これにより、位相コントラストＸ線光学系２の線源２２から、湾曲された炭素繊維１２の接線方向に沿うように、Ｘ線を被写体１に向けて照射することができる。ここで、Ｘ線の照射角度としては、±５°程度のずれは通常は許容される。つまり、Ｘ線の照射角度は、実用上十分な程度の精度であればよく、数学的に厳密である必要はない。また、本実施形態では、図５に示すように、被写体１の軸心を視野から外して、被写体１の外周面を視野内に配置しているので、Ｘ線の照射方向を炭素繊維１２の接線方向とする作業が容易となる。
（図７のステップＳＡ－２）
線源２２から被写体１に向けて照射されたＸ線は、格子部２１及び被写体１を通過して検出部２３に到達する。より詳しくは、本実施形態では、Ｘ線はＧ０格子２１１、Ｇ１格子２１２、被写体１、Ｇ２格子２１３の順で透過して検出部２３に到達する。検出部２３では、到達したＸ線の強度分布画像（つまり検出信号あるいは画像信号）を取得する。取得された強度分布画像は処理部３に送られる。ここで、本実施形態では、通常の縞走査法を行う。すなわち、制御部４は、格子部２１の格子駆動部２１４を駆動して、適切なステップずつ格子（この例ではＧ１格子）を移動させる。強度分布画像の取得は、各ステップにおいて行われる。
線源２２から被写体１に向けて照射されたＸ線は、格子部２１及び被写体１を通過して検出部２３に到達する。より詳しくは、本実施形態では、Ｘ線はＧ０格子２１１、Ｇ１格子２１２、被写体１、Ｇ２格子２１３の順で透過して検出部２３に到達する。検出部２３では、到達したＸ線の強度分布画像（つまり検出信号あるいは画像信号）を取得する。取得された強度分布画像は処理部３に送られる。ここで、本実施形態では、通常の縞走査法を行う。すなわち、制御部４は、格子部２１の格子駆動部２１４を駆動して、適切なステップずつ格子（この例ではＧ１格子）を移動させる。強度分布画像の取得は、各ステップにおいて行われる。
（図７のステップＳＡ－３）
処理部３の散乱像生成部３１では、得られた強度分布画像を用いて散乱像を取得する。散乱像の取得方法自体は従来から知られているものと同様でよいので、これについての詳しい説明は省略する。
処理部３の散乱像生成部３１では、得られた強度分布画像を用いて散乱像を取得する。散乱像の取得方法自体は従来から知られているものと同様でよいので、これについての詳しい説明は省略する。
（図７のステップＳＡ－４及びＳＡ－５）
ついで、処理部３の抽出部３２は、散乱像に基づいて、異方性素材の構造情報を取得する。より詳しくは、強い散乱が生じている領域を抽出し、その領域を、特定の角度範囲にある繊維の断層像として特定する。以下、この抽出の原理を、図８をさらに参照して説明する。
ついで、処理部３の抽出部３２は、散乱像に基づいて、異方性素材の構造情報を取得する。より詳しくは、強い散乱が生じている領域を抽出し、その領域を、特定の角度範囲にある繊維の断層像として特定する。以下、この抽出の原理を、図８をさらに参照して説明する。
図８には、繊維角度θ°と散乱強度Ｆ（θ）との関係を示した。この図からわかるように、散乱強度は、繊維角度θ＝０°のとき最大となり、θが大きく（あるいは小さく）なるほど小さくなる。
この点について、図９をさらに参照して模式的に説明する。仮に、湾曲する繊維が図９（ａ）に示されるように層構造をなしている場合、図中矢印方向（つまり繊維の接線方向）に照射したＸ線により解像される強度分布画像は、図９（ｂ）のように、領域があいまいでコントラストが少ないグラデーションとなる。これでは層構造を計測することは難しい。
これに対して、散乱像では、図９（ｄ）のように、繊維角度θに応じて明瞭なコントラストの縞模様となる。このように、本実施形態では、散乱像を用いて、特定の角度範囲の繊維領域を決定できる。なお、図９（ｃ）では図９（ａ）よりも濃度が薄くなっているが、これは散乱像を用いたためであって、被写体の物理的構造は図９（ａ）と同じである。また、図９はあくまで模式的な説明のためのものである。湾曲した繊維を含む被写体にＸ線を照射すると、局所的に、繊維の方向とＸ線の方向が一致（おおよそ±５°以内）して強い散乱が発生する。この強い散乱のみを、例えば適宜な閾値を用いて抽出部３２が抽出することで、ある角度範囲成分をスライス厚みとする断層像を生成できる。この断層像から、Ｘ線照射方向におおむね一致する繊維領域を決定できる。
（図７のステップＳＡ－６）
抽出部３２は、Ｘ線照射方向におおむね一致する繊維領域の位置情報（端部、面積、長さ）や、領域内の角度分布に関する情報を生成して出力することができる。すなわち処理部３は、特定の角度範囲にある繊維領域についての各種の情報、例えば位置情報や分布情報を算出し、出力部５に送ることができる。出力部５は、これらの情報を、ユーザや他の機器に向けて出力することができる。抽出される情報の具体例は後述する実施例１として説明する。
抽出部３２は、Ｘ線照射方向におおむね一致する繊維領域の位置情報（端部、面積、長さ）や、領域内の角度分布に関する情報を生成して出力することができる。すなわち処理部３は、特定の角度範囲にある繊維領域についての各種の情報、例えば位置情報や分布情報を算出し、出力部５に送ることができる。出力部５は、これらの情報を、ユーザや他の機器に向けて出力することができる。抽出される情報の具体例は後述する実施例１として説明する。
所定部分での情報を取得した後、制御部４により周方向駆動部６４を駆動して被写体１を回転させることにより、被写体１の別の部分（周方向にずれた部分）の構造情報を取得することができる。また、制御部４により軸方向駆動部６３を駆動して被写体１を軸方向に移動させることにより、被写体１のさらに別の部分（軸方向にずれた部分）の構造情報を取得することができる。周方向駆動部６４と軸方向駆動部６３の駆動時期は、どちらが先であってもよく、同時に駆動してもよい。また、処理部３での処理（すなわち散乱像の生成あるいは情報の抽出）の前、あるいは処理の途中で、被写体１を適宜駆動して、必要な位置における強度分布画像を順次取得してもよい。
本実施形態の方法によれば、ＣＴを使わなくとも、炭素繊維等の異方性素材の位置等を、散乱像のコントラストに基づいて非破壊で、精度よく取得することができる。本実施形態では、ＣＴを使う必要がないので、水素タンクのような大きな被写体を対象とすることも可能である。
（実施例１）
前記した本実施形態の方法で取得した散乱像の例を図１０（ａ）に示す。散乱像を用いると、領域が明確でコントラストが明瞭な画像となり、これに基づいて層構造を特定できる。画像に基づいてフープ層及び高ヘリカル層に相当する繊維配向構造を特定した例を図１０（ｂ）に示す。ここでは白線が領域の境界を示す。また、特定された各領域に対応する情報の例を図１０（ｃ）及び（ｄ）に示す。これらの図では領域内における散乱強度のヒストグラムと統計値が示されている。ここで例えば図１０（ｃ）のヒストグラムは、ピークに対して左右非対称であり、輝度値の低い画素が多い。これはＸ線入射方向から外れた配向の繊維が多いことを示唆している。逆に図１０（ｄ）のヒストグラムは、輝度値の高い画素が多く、Ｘ線入射方向に近い配向の繊維が多いことを示している。また、領域内散乱強度の分散、尖度といった統計量から、繊維の配向ムラを定量的に評価することも可能である。
前記した本実施形態の方法で取得した散乱像の例を図１０（ａ）に示す。散乱像を用いると、領域が明確でコントラストが明瞭な画像となり、これに基づいて層構造を特定できる。画像に基づいてフープ層及び高ヘリカル層に相当する繊維配向構造を特定した例を図１０（ｂ）に示す。ここでは白線が領域の境界を示す。また、特定された各領域に対応する情報の例を図１０（ｃ）及び（ｄ）に示す。これらの図では領域内における散乱強度のヒストグラムと統計値が示されている。ここで例えば図１０（ｃ）のヒストグラムは、ピークに対して左右非対称であり、輝度値の低い画素が多い。これはＸ線入射方向から外れた配向の繊維が多いことを示唆している。逆に図１０（ｄ）のヒストグラムは、輝度値の高い画素が多く、Ｘ線入射方向に近い配向の繊維が多いことを示している。また、領域内散乱強度の分散、尖度といった統計量から、繊維の配向ムラを定量的に評価することも可能である。
また、図１１に、抽出した２種類の領域とその面積（画素数）とを例示している。これも領域に対応する情報の一例である。
このように、本実施形態では、繊維の位置や配向に関する定量的な情報を取得することができる。
（実施例２）
ここで、格子部２１と被写体１との位置関係を、実施例２として詳しく説明する。前記した実施形態においては、いわゆるInverse Geometry（すなわちＧ０格子２１１の格子周期（Ｇ０周期）≦Ｇ２格子２１３の格子周期（Ｇ２周期）、参考：T. Donath, et al, "Inverse geometry for grating-based x-ray phase-contrast imaging", J. Appl. Phys., 106 (2009) 054703）としたうえで、被写体１の位置（特に撮影対象となる繊維の配向とＸ線入射方向が一致する領域）を、Ｇ１格子２１２とＧ２格子２１３の中点からＧ２格子２１３までの範囲内に設置することが好ましい。その理由は以下の通りである。
ここで、格子部２１と被写体１との位置関係を、実施例２として詳しく説明する。前記した実施形態においては、いわゆるInverse Geometry（すなわちＧ０格子２１１の格子周期（Ｇ０周期）≦Ｇ２格子２１３の格子周期（Ｇ２周期）、参考：T. Donath, et al, "Inverse geometry for grating-based x-ray phase-contrast imaging", J. Appl. Phys., 106 (2009) 054703）としたうえで、被写体１の位置（特に撮影対象となる繊維の配向とＸ線入射方向が一致する領域）を、Ｇ１格子２１２とＧ２格子２１３の中点からＧ２格子２１３までの範囲内に設置することが好ましい。その理由は以下の通りである。
本実施形態の光学系は二つの効果を期待して設計される。一つは焦点のぼけの影響を抑えること、もう一つは散乱に対する感度を抑えることである。前者の効果を最大化するためには、被写体１はできる限り検出部２３に近い位置に設置することが望ましい。後者の効果は、被写体１の構造に依存するため必ずしも最大化しなくても良いが、少なくとも被写体１をＧ１格子２１２から遠ざけ、Ｇ２格子２１３に近づけることが重要である。これは、Ｘ線入射方向と一致した繊維からの散乱が極めて強く、Ｇ１格子２１２に近い位置に設置して計測するとＸ線の干渉性が低下しすぎてしまい、極めて長時間の測定が要求されてしまうためである。
ここで、一般的なTalbot-Lau干渉計（Ｇ０周期＞Ｇ２周期）では、検出部２３とＧ１格子２１２間距離が接近しており、被写体１をＧ２格子２１３に近づけることが難しい。代わってＧ０周期＜Ｇ２周期となるようなInverse Geometryを採用することが本実施形態において好ましい。それにより、被写体１を、Ｇ１格子２１２とＧ２格子２１３の間の中点から、Ｇ２格子２１３までの間に挿入する構成を採用しやすくなり、前記した二つの効果を発揮しやすくなる。
なお、前記実施形態及び各実施例の記載は単なる一例に過ぎず、本発明に必須の構成を示したものではない。各部の構成は、本発明の趣旨を達成できるものであれば、上記に限らない。
例えば、異方性素材は、楕円を形成するように湾曲されていてもよい。
また、炭素繊維１２における層の数は、２層や３層に限らず、１層や４層以上であってもよい。
さらに、前記実施形態では縞走査法を前提として説明したが、Ｘ線位相像を取得するためには、フーリエ変換法を用いることもできる。また、いずれかの格子をステップ状に移動させることに代えて、被写体１を移動させることにより、実質的な縞走査法を実施することも可能である。
また、被写体１としては、水素タンクに限らない。湾曲された異方性素材を有する他の構造物を被写体とすることは可能である。ここで、被写体１としては、タンクのような大型試料に限られず、小型の試料であってもよい。
さらに、散乱像から構造情報を抽出する作業を、処理部３ではなく、作業者により行うこともできる。
また、線源２２として、Ｇ０格子と実質的に等価な構造化ターゲットを用いることにより、Ｇ０格子を省略することもできる。
さらに、格子部２１として、タルボ・ロー干渉計の構成を用いずに、いわゆるエッジイルミネーションと呼ばれる格子部を用いて散乱像を生成することもできる（参考：A. Olivo, "Edge-illumination x-ray phase-contrast imaging", J. Phys.: Condens. Matter 33 (2021) 363002）。
また、仮に、被写体１の構造上の理由から散乱に対する感度を上げたい場合は、Inverse Geometryではなく、一般的なTalbot-Lau干渉計を採用し、被写体１はＧ１格子２１２とＧ２格子２１３の間の中点から、Ｇ１格子２１２までの間に挿入するのが望ましい。
さらに、格子部における周期方向を種々異ならせることにより、複数の散乱像を取得し、これらを比較することによって、特定方向の異方性に基づく散乱成分を抽出することも可能である。
１ 被写体
１１ ライナー部
１２ 炭素繊維（異方性素材）
１２１ フープ巻（フープ層）
１２２ 高角度ヘリカル巻（高角度ヘリカル層）
１２３ 低角度ヘリカル巻（低角度ヘリカル層）
１３ 中心軸
２ Ｘ線光学系
３ 処理部
３１ 散乱像生成部
３２ 抽出部
２１ 格子部
２１１ Ｇ０格子
２１２ Ｇ１格子
２１３ Ｇ２格子
２１４ 格子駆動部
２２ 線源
２３ 検出部
４ 制御部
５ 出力部
６ 支持機構
６１ 基台
６２ 支持体
６２１ スライド部
６２２ 支持アーム
６３ 軸方向駆動部
６４ 周方向駆動部
１１ ライナー部
１２ 炭素繊維（異方性素材）
１２１ フープ巻（フープ層）
１２２ 高角度ヘリカル巻（高角度ヘリカル層）
１２３ 低角度ヘリカル巻（低角度ヘリカル層）
１３ 中心軸
２ Ｘ線光学系
３ 処理部
３１ 散乱像生成部
３２ 抽出部
２１ 格子部
２１１ Ｇ０格子
２１２ Ｇ１格子
２１３ Ｇ２格子
２１４ 格子駆動部
２２ 線源
２３ 検出部
４ 制御部
５ 出力部
６ 支持機構
６１ 基台
６２ 支持体
６２１ スライド部
６２２ 支持アーム
６３ 軸方向駆動部
６４ 周方向駆動部
Claims (6)
- 所定の方向に延長されかつ湾曲された異方性素材を有する被写体の構造情報を、位相コントラストＸ線光学系を用いて取得する方法であって、
前記位相コントラストＸ線光学系の線源から、前記湾曲された異方性素材の接線に沿い、かつ前記異方性素材の延長方向に沿うように、Ｘ線を前記被写体に向けて照射するステップと、
前記被写体を透過した前記Ｘ線の検出信号を用いて散乱像を得るステップと、
前記散乱像における、前記異方性素材の延長方向と前記Ｘ線の方向とのずれ具合に応じたコントラストに基づいて、前記異方性素材の構造情報を取得するステップと
を有することを特徴とする、構造情報取得方法。 - 前記被写体は高圧タンクであり、前記異方性素材は、前記高圧タンクを構成する繊維であり、前記繊維の一部は、フープ巻とされ、前記繊維の他の一部は、前記フープ巻と異なる巻き方向とされている
請求項１に記載の構造情報取得方法。 - 前記異方性素材は、円又は楕円を形成するように湾曲されている
請求項１又は２に記載の構造情報取得方法。 - 前記Ｘ線を前記被写体に向けて照射する前に前記被写体を支持するステップをさらに備えており、
前記被写体を支持するステップにおいては、前記位相コントラストＸ線光学系の線源から照射されるＸ線の方向が、前記湾曲された異方性素材の接線に沿う方向となるように前記被写体を支持するものとなっている
請求項１～３のいずれか１項に記載の構造情報取得方法。 - 被写体の散乱像を取得するための位相コントラストＸ線光学系と、処理部とを備えており、
前記位相コントラストＸ線光学系は、格子部と、この格子部及び前記被写体にＸ線を照射するための線源と、前記格子部及び前記被写体を通過した前記Ｘ線を検出する検出部とを有しており、
前記被写体は、所定の方向に延長されかつ湾曲された異方性素材を有しており、
前記線源からの前記Ｘ線の方向は、前記湾曲された異方性素材の接線に沿い、かつ前記異方性素材の延長方向に沿う方向とされており、
前記処理部は、
前記検出部で得られた前記Ｘ線の強度分布画像に基づいて散乱像を得る散乱像生成部と、
前記散乱像における、前記異方性素材の延長方向と前記Ｘ線の方向とのずれ具合に応じたコントラストに基づいて、前記異方性素材の構造情報を抽出する抽出部と
を有している
構造情報取得装置。 - 前記被写体を支持する支持機構をさらに備えており、
前記支持機構は、前記被写体を、前記位相コントラストＸ線光学系の線源から照射されるＸ線の方向が、前記湾曲された異方性素材の接線に沿う方向となるように支持する構成とされている
請求項５に記載の構造情報取得装置。
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