撮像装置
【課題】 ２次元トールボット干渉法を用いた撮像装置において、キャリア周波数の強度を大きくすること。
【解決手段】 撮像装置は電磁波源と、電磁波源から出射した電磁波を回折する回折格子と、回折格子からの電磁波を遮る遮蔽部１５１（１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ）と透過させる複数の透過部１５２（１５２ａ，１５２ｂ，１５２ｂ）とを有する遮蔽格子と、遮蔽格子を経た電磁波を検出する検出器と、を備える。回折格子は電磁波を回折することによって、井桁状の干渉パターンを形成する。また、遮蔽格子には、複数の透過部が２次元的に配列しており、遮蔽部の一部と複数の透過部のうち１つの透過部とからなる単位パターン１５３（１５３ａ，１５３ｂ，１５３ｃ）において、単位パターンの面積に対して透過部の面積が占める面積比は、０．２５より大きい。
【解決手段】 撮像装置は電磁波源と、電磁波源から出射した電磁波を回折する回折格子と、回折格子からの電磁波を遮る遮蔽部１５１（１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ）と透過させる複数の透過部１５２（１５２ａ，１５２ｂ，１５２ｂ）とを有する遮蔽格子と、遮蔽格子を経た電磁波を検出する検出器と、を備える。回折格子は電磁波を回折することによって、井桁状の干渉パターンを形成する。また、遮蔽格子には、複数の透過部が２次元的に配列しており、遮蔽部の一部と複数の透過部のうち１つの透過部とからなる単位パターン１５３（１５３ａ，１５３ｂ，１５３ｃ）において、単位パターンの面積に対して透過部の面積が占める面積比は、０．２５より大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はトールボット干渉法を用いた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トールボット（Ｔａｌｂｏｔ）干渉法はＸ線や光等の電磁波の干渉を利用して被検体の位相像を得る方法である。
【０００３】
トールボット干渉法の原理について簡単に説明する。トールボット干渉法には一般に、電磁波源、回折格子、遮蔽格子、検出器を備える撮像装置が用いられる。電磁波源から出射した電磁波が被検体を透過すると、被検体の屈折率や形状により電磁波の位相が変化する。この電磁波が回折格子によって回折されると、トールボット位置と呼ばれる特定の位置に、被検体の位相情報を持った干渉パターンが形成される。この干渉パターンを検出器で検出し、検出結果を解析すると、被検体の微分位相像を得ることができる。しかし、干渉パターンのピッチの大きさや用いる検出器の分解能によっては、干渉パターンを検出器で検出することが難しいことがある。その場合、干渉パターンが形成される位置に遮蔽格子を配置する。遮蔽格子は電磁波を遮る遮蔽部と、電磁波を透過する透過部とを有しており、干渉パターンの一部を遮蔽してモアレを形成する。このモアレの強度情報を検出器により検出し、この検出結果を解析することで被検体の位相像を得る。
【０００４】
検出器による検出結果から被検体の位相像を得る解析方法には、フーリエ変換を用いたものがある。解析方法について簡単に説明する。まず、検出結果をフーリエ変換し空間周波数スペクトルを得る。次にモアレの基本周期成分の周波数（以後、キャリア周波数と呼ぶ）のスペクトル及びその周辺を切り出して原点に移動する。この周波数スペクトルを逆フーリエ変換して被検体の微分位相像を求め、さらに積分することで被検体の位相像が得られる。
前述のように、トールボット干渉法を利用した撮像装置では遮蔽格子を用いて干渉パターンの一部を遮蔽し、一部を透過させることでモアレを形成している。
【０００５】
特許文献１には、Ｘ線を用いたトールボット干渉法（以下Ｘ線トールボット干渉法）において、１次元の干渉パターンに対して用いられる遮蔽格子が記載されている。遮蔽格子の透過部と遮蔽部の配列は干渉パターンの明部と暗部の配列と対応しており、透過部の幅と遮蔽部の幅の比は１：１である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２０３０６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的に、キャリア周波数の強度が大きいとノイズの影響を受けにくくなる。そのため、トールボット干渉法を用いて被検体の位相像を得るためにはキャリア周波数の強度は大きいことが望ましい。
しかしながら、従来の２次元トールボット干渉法を用いた撮像装置において、キャリア周波数の強度は充分ではなかった。そこで、本発明は２次元トールボット干渉計において、従来よりもキャリア周波数の強度を大きくすることができる撮像装置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】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明の一側面としての撮像装置は、電磁波源と、前記電磁波源から出射した電磁波を回折する回折格子と、前記回折格子からの前記電磁波を遮る遮蔽部と透過させる複数の透過部とを有する遮蔽格子と、前記遮蔽格子を経た電磁波を検出する検出器と、を備えた被検体を撮像する撮像装置であって、前記回折格子は前記電磁波を回折することによって、井桁状の干渉パターンを形成し、前記遮蔽格子には、前記複数の透過部が２次元的に配列しており、前記遮蔽部の一部と前記複数の透過部のうち１つの透過部とからなる単位パターンにおいて、前記単位パターンの面積に対して前記透過部の面積が占める面積比は、０．２５より大きいことを特徴とする。
【０００９】
本発明のその他の側面については、以下で説明する実施の形態で明らかにする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、従来よりもキャリア周波数の強度が大きな２次元トールボット干渉法を用いた撮像装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係るＸ線撮像装置の模式図。
【図２】本発明の実施形態に係る干渉パターンの模式図。
【図３】本発明の実施形態に係る回折格子の模式図。
【図４】本発明の実施形態に係る遮蔽格子の模式図。
【図５】本発明の実施形態に係る空間周波数スペクトルの模式図。
【図６】従来用いられている遮蔽格子の模式図。
【図７】本発明の実施例１における、遮蔽格子の透過部の面積比とキャリア周波数の強度の関係を示すグラフ。
【図８】本発明の実施例２における、遮蔽格子の透過部の面積比とキャリア周波数の強度の関係を示すグラフ。
【図９】本発明の実施形態に係る干渉パターンの模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の発明者らは、２次元トールボット干渉法を行うにあたって遮蔽格子の透過部の形状や大きさを検討した。その結果、モアレのキャリア周波数の強度を従来よりも大きくすることが可能になった。
尚、本明細書では２次元の干渉パターンを形成し、２次元の遮蔽格子を用いて行うトールボット干渉法を、２次元トールボット干渉法と呼ぶ。
【００１３】
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。
本実施形態では電磁波としてＸ線を用いてトールボット干渉法を行う撮像装置について説明をする。但し、本明細書においてＸ線とはエネルギーが２〜１００ｋｅＶの電磁波を指す。
【００１４】
図１は本実施形態におけるＸ線撮像装置の模式図である。図１に示したＸ線撮像装置はＸ線源１１０と、Ｘ線源からのＸ線を回折する回折格子１３０と、Ｘ線の一部を遮蔽する遮蔽格子１５０と、遮蔽格子を経たＸ線を検出する検出器１７０と、検出器の検出結果に基づいて演算を行う演算部１８０を備えている。また、この撮像装置は、被検体１２０の位相情報を持つモアレを撮像することで被検体の位相像を得る。また、図１では被検体１２０はＸ線源１１０と回折格子１３０との間に置かれているが、回折格子１３０と遮蔽格子１５０との間に置かれていても良い。以下で各構成について説明をする。
【００１５】
（Ｘ線源）
本実施形態のＸ線撮像装置は電磁波源としてＸ線源を備えている。Ｘ線源１１０から出射したＸ線１１１は、被検体１２０を透過すると被検体の屈折率や形状に応じて位相が変化する。
Ｘ線源としては、連続Ｘ線を出射するＸ線源を用いても、特性Ｘ線を出射するＸ線源を用いてもよい。また、Ｘ線源１１０から出射したＸ線の経路上に、Ｘ線を細いビームに分割するための線源格子や波長選択フィルタを配置してもよい。
【００１６】
（回折格子）
回折格子１３０はＸ線１１１を回折することで、明部と暗部とからなる干渉パターンを形成する。本明細書では、電磁波の強度が大きい所を明部、小さい所を暗部とする。図１では回折格子１３０は、被検体１２０と遮蔽格子１５０の間に配置されているが、Ｘ線源１１０と被検体１２０の間に配置しても良い。回折格子１３０は、位相基準部１３１と位相シフト部１３２が２次元的に配置されており、位相シフト部１３２は、位相基準部１３１を透過したＸ線に対して、特定の値だけ位相をシフトさせてＸ線を透過させる。本明細書では、位相基準部１３１を透過したＸ線との位相差がπラジアンになるように位相をシフトさせる位相シフト部をπシフト部、π／２ラジアンだけシフトさせる位相シフト部をπ／２シフト部と呼ぶ。なお、回折格子１３０を構成する材料はＸ線の透過率が高い物質が好ましく、例えば、シリコンなどを用いることができる。
【００１７】
本実施形態には、井桁状の干渉パターンを形成する回折格子が用いられる。本明細書において井桁状の干渉パターンとは、その一例を図２に示したように複数の明部１４１ａが暗部１４２ａに囲まれて配置されている干渉パターン１４０ａである。また、本明細書において、井桁状の干渉パターンを形成する回折格子を以下のように定義する。
【００１８】
まず、位相シフト部の形状が正方形である場合は、その回折格子がＸ線を回折することによって形成する干渉パターンが井桁状であれば、その回折格子は井桁状の干渉パターンを形成する回折格子であるとする。
【００１９】
一方、位相シフト部の形状が正方形以外の形状をとるときは、まず位相シフト部の形状を、その位相シフト部を内包する正方形のうち、面積が実際の位相シフト部に最も近い正方形であると仮定する。次に、その仮定した形状の位相シフト部を持つ回折格子がＸ線を回折することによって形成する干渉パターンが井桁状であれば、その回折格子は井桁状の干渉パターンを形成する回折格子であるとみなす。
【００２０】
この定義に従うと、例えば井桁状の干渉パターンを形成する回折格子を作成する際に作成上の誤差により位相シフト部の角が丸まり、実際に形成する干渉パターンが井桁状ではない回折格子も、本明細書では井桁状の干渉パターンを形成する回折格子と呼ぶことになる。
【００２１】
また、実際の、あるいは仮定した、正方形の位相シフト部の大きさは、僅かに異なるだけで図２に示したような正方形が並んだ井桁状の干渉パターンは形成されない。しかし、実際の、あるいは仮定した、回折格子の位相シフト部の大きさが、図２に示したような井桁状の干渉パターンを形成する回折格子の位相シフト部の大きさの、０．２５倍〜２．２５倍であれば、その回折格子は井桁状の干渉パターンを形成するとみなす。但し、位相基準部と位相シフト部の配置は、図２に示したような井桁状の干渉パターンを形成する回折格子と同様である必要がある。また、本明細書で言う位相シフト部の大きさとは位相基準部と位相シフト部の大きさの比のことを指す。
【００２２】
本実施形態に用いられる回折格子の具体例を図３に示す。位相シフト部の形状が正方形のものとしては、図３（ａ）や図３（ｂ）に示す回折格子を用いることができる。図３（ａ）に示した回折格子は、位相基準部１３１ａとπシフト部１３２ａが市松格子状に配置されている。但し、厳密に市松格子状でなくても良い。図３（ｂ）に記載した回折格子のπシフト部の面積は回折格子１周期分の面積の１／２であるが、π位相シフト部の面積が回折格子１周期分の面積の１／８まで小さくても井桁状の干渉パターンを形成する回折格子とみなす。図３（ｂ）に示した回折格子は、位相基準部１３１ｂとπ／２シフト部１３２ｂが井桁状に配置されている。図３（ｂ）に示した回折格子のπ／２シフト部の面積は回折格子１周期分の面積の１／４であるが、回折格子のπ／２シフト部の面積が、回折格子１周期分の面積の１／８〜９／１６の範囲内であれば井桁状の干渉パターンを形成する回折格子であるとみなす。位相シフト部の形状が正方形以外の形状のものとしては、図３（ｃ）に示した回折格子が例に挙げられる。図３（ｃ）に示した回折格子は位相基準部１３１ｃとπシフト部１３２ｃを有し、πシフト部が円形である。位相シフト部の形状が正方形でない場合は、前述のように実際の位相シフト部を内包する正方形のうち、面積が実際の位相シフト部に最も近い正方形であると仮定する。つまり、図３（ｃ）の回折格子の場合は位相シフト部の、円形の直径の長さを１辺の長さとし、且つ４辺がその円形の接線である正方形が図３（ｃ）の回折格子の位相シフト部の形状であると仮定する。すると、図３（ｃ）の回折格子は図３（ａ）の回折格子と同じ形状になる。仮定した形状の位相シフト部を持つ回折格子がＸ線を回折すると井桁状の干渉パターンを形成するため、本明細書では図３（ｃ）に示した回折格子も井桁状の干渉パターンを形成する回折格子であるとする。また、仮定した正方形の位相シフト部の面積も、実際の位相シフト部が正方形である場合と同様に上記の範囲内であれば井桁状の干渉パターンを形成する回折格子であるとする。但し、実際に図３（ｃ）に示した回折格子が形成する干渉パターンは、図９に示したように明部がぼやけて正方形ではなく、またライン状の明部が点在しており、厳密には井桁状ではない。
【００２３】
井桁状の干渉パターンは図３（ａ）〜図３（ｃ）に示した回折格子に限らず種々の線源格子と位相格子の組み合わせから形成が可能である。
【００２４】
（遮蔽格子）
遮蔽格子１５０は干渉パターンが形成される位置に配置されており、干渉パターンを形成するＸ線の一部を遮蔽することによってモアレを形成する。
遮蔽格子１５０は、遮蔽部１５１と複数の透過部１５２を有している。但し、遮蔽部は干渉パターンが形成される位置に配置されることでモアレを形成する程度にＸ線を遮蔽すれば、完全にＸ線を遮蔽しなくても本実施形態の撮像装置に用いることができる。
【００２５】
本実施形態に用いられる遮蔽格子の模式図を図４に示した。図４（ａ）に示した遮蔽格子の透過部の断面形状は円形であり、図４（ｂ）の遮蔽格子の透過部の断面形状は正方形、図４（ｃ）の遮蔽格子の透過部の断面形状は正方形を干渉パターンの明部に対して４５°傾けた形状である。但し、断面形状が正方形とは、干渉パターンの明部が正方形の時に干渉パターンの明部と傾きがそろっている正方形を指し、同様に正方形を４５°傾けた形状とは干渉パターンの明部が正方形の時に、干渉パターンの明部に対して４５°傾いている形状を指す。干渉パターンの明部が正方形でない場合は、前述の干渉パターンの明部の面積の定義同様、位相格子の位相シフト部の形状が正方形であると仮定して形成される干渉パターンの明部と、遮蔽格子の透過部の傾きを考えればよい。遮蔽格子を面内回転させることでモアレを形成することがあるが、この場合は面内回転させる前の状態で透過部の傾きを考える。以後、本明細書では、正方形が干渉パターンの明部に対して４５°傾いている形状をひし形と呼び、それぞれの遮蔽格子を、断面形状に合わせて、以下円形遮蔽格子１５０ａ、正方形遮蔽格子１５０ｂ、ひし形遮蔽格子１５０ｃと呼ぶ。
【００２６】
本明細書では図４（ａ）〜図４（ｃ）に示したように、遮蔽格子の格子周期１つ分の長さを１辺の長さとする正方形を単位パターン１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃと呼ぶ。単位パターンについて図４（ａ）を用いて説明をする。単位パターンは遮蔽格子の遮蔽部の一部と１つの透過部からなり、単位パターンの１辺の長さＬが遮蔽格子の格子周期Ｄの長さになるように設定される。
【００２７】
本実施形態に用いられる遮蔽格子において、単位パターンの面積に対して透過部の面積が占める面積比（透過部の面積／単位パターンの面積。以下透過部の面積比と呼ぶ。）は、０．２５よりも大きい。透過部の面積比が０．７１よりも大きく、０．７５よりも小さい時、透過部の形状として正方形と円形をとると、キャリア周波数の強度が従来よりも低くなってしまうため、正方形を４５°傾けた形状をとることが好ましい。更に、透過部の面積比が０．５８よりも大きく、０．７１よりも小さい時、透過部の形状として正方形を４５°傾けた形状に加えて円形をとっても、従来よりもキャリア周波数の強度を大きくすることができる。更に、透過部の面積比が０．２５よりも大きく、０．５８よりも小さいとき、透過部の形状は図４に示したような円形、正方形、正方形を４５°傾けた形状のどれをとっても従来よりもキャリア周波数の強度を大きくすることができる。
【００２８】
本実施形態において、円形遮蔽格子１５０ａ、正方形遮蔽格子１５０ｂ、ひし型遮蔽格子１５０ｃの夫々の透過部の面積は、次の条件を満たす。
円形遮蔽格子の単位パターン１５３ａにおいて、単位パターンの面積に対して透過部の面積が占める面積比（透過部の面積／単位パターンの面積、以下透過部の面積比と呼ぶ）は、０．２５より大きく０．７１より小さい。
正方形遮蔽格子の単位パターン１５３ｂにおいて、透過部の面積比は、０．２５より大きく０．５８より小さい。
ひし形遮蔽格子の単位パターン１５３ｃにおいて、透過部の面積比は、０．２５より大きく０．７５より小さい。
【００２９】
尚、円形遮蔽格子やひし形遮蔽格子の場合、透過部の面積比が一定以上になると、隣り合う透過部同士が接し、繋がる。図４（ｃ）に示したひし形遮蔽格子を例に説明をする。図４（ｃ）のひし形遮蔽格子の透過部の面積比は０．５であり、隣り合う透過部同士が接している。透過部の面積比が０．５以上になると、隣り合う透過部同士が繋がり、透過部の形状は正確にはひし形ではないが、本明細書ではこのような遮蔽格子もひし形遮蔽格子と呼び、透過部はひし形であるという。但し、透過部の面積比の計算の際には実際の透過部の面積を用いる。つまり、透過部がひし形であるとみなして面積を計算し、その面積を用いて透過部の面積比を計算することはしない。
【００３０】
遮蔽格子の透過部の形状が歪んだ場合、すなわち、遮蔽格子の透過部が厳密には正方形や円形でなくても本実施形態の遮蔽格子として用いることができる。
【００３１】
遮蔽部を構成する材料はＸ線をよく遮蔽する物質が好ましく、例えば、金を用いることができる。また透過部を構成する材料はＸ線をよく透過する物質が好ましく、例えばシリコンを用いてもよいし、または空洞でもよい。
【００３２】
遮蔽格子の格子周期は干渉パターンの周期と同一であっても良いし、僅かに異なっても良い。但し、本明細書における干渉パターンの周期を以下のように定義する。Ｘ線が平面波である場合、πシフト部を持つ位相格子によって形成された干渉パターンであれば位相格子の周期の１／２、π／２シフト部を持つ位相格子によって形成された干渉パターンであれば位相格子の周期を、干渉パターンの周期とする。それ以外の値位相をシフトさせる位相シフト部を持つ場合は、その値位相をシフトさせる位相シフト部が図３（ａ）に示したように厳密に市松格子状に配置されていたと仮定したときに形成される干渉パターンの周期を干渉パターンの周期とする。
【００３３】
また、Ｘ線が球面波の場合は前述の通り定義した、Ｘ線が平面波である場合の干渉パターンの周期に（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１をかけたものを干渉パターンの周期とする。ここで、Ｒ１はＸ線源から回折格子までの距離、Ｒ２は回折格子から遮蔽格子までの距離である。遮蔽格子の格子周期と干渉パターンの周期が同じ場合、遮蔽格子１５０を面内で回転させることによってモアレを生じさせる。遮蔽格子の格子周期と干渉パターンの周期が僅かに異なる場合は面内回転させなくてもモアレが生じる。遮蔽格子の格子周期は干渉パターンの周期よりも大きくても小さくても良いが、遮蔽格子を製造する観点から見れば、遮蔽格子の格子周期の方が大きい方が容易に製造することができるため好ましい。遮蔽格子の格子周期が干渉パターンの周期と同一以上である時、遮蔽格子の透過部の面積は干渉パターンの明部の面積よりも大きくなる。但し、本明細書における干渉パターンの明部の面積とは、一辺が干渉パターンの周期の長さの正方形の面積の１／４とする。
【００３４】
（検出器）
遮蔽格子１５０を透過したＸ線によって形成されるモアレ１６０は検出器１７０によって検出される。本実施形態において、検出器１７０はＸ線を撮像することができる撮像素子であり、例えば、デジタル信号への変換が可能なＦＰＤ（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）やＣＣＤ（ＣｈａｒｇＣｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いることができる。
【００３５】
（演算部）
演算部１８０は、まず、検出器１７０で検出されるモアレ１６０をフーリエ変換することで、空間周波数スペクトルを算出する。図５は本実施形態において得られる空間周波数スペクトルの模式図である。次に、演算部１８０は空間周波数スペクトル上のキャリア周波数のピーク５１０より、位相回復処理を行う。演算部１８０は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を有する。本実施形態のＸ線撮像装置は演算部を有しているが、検出器で検出した情報を基にフーリエ変換と位相回復処理がおこなえれば、演算部とＸ線撮像装置が別に設けられていても良い。また、演算部による演算結果に基づいた画像を表示する画像表示装置をＸ線撮像装置に接続してＸ線撮像システムを構成しても良い。但し、本明細書においては、演算部を含めたＸ線撮像装置と、その演算部の演算結果に基づいた画像を表示する画像表示装置をまとめてＸ線撮像システムと呼ぶ。
【実施例１】
【００３６】
実施例１では位相シフト部が正方形である回折格子を用いたＸ線撮像装置について説明をする。以下の構成のＸ線撮像装置を用い、遮蔽格子の透過部の面積比を変化させて撮像を行った場合、キャリア周波数の強度がどのように変化するのかをシミュレーションによって計算した。また、計算は６４×６４μｍ２の領域を８１９２×８１９２のメッシュに分割して行った。
【００３７】
（Ｘ線）
Ｘ線は、１７．５ＫｅＶの単色平面波を用いた。１メッシュの強度を１としたため、計算領域全体で８１９２×８１９２＝６７１０８８６４の強度を持つ。ただし、単位は任意単位とする。
【００３８】
（回折格子）
回折格子は、図３の（ａ）に示した、位相基準部１３１ａとπシフト部１３２ａが市松格子状に配置されているものを用いた。材質はシリコン、格子周期は４μｍ、厚みは２２．４μｍとした。この回折格子によって周期２μｍの井桁状の干渉パターンが形成される。
【００３９】
（遮蔽格子）
遮蔽格子は図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示したような、円形遮蔽格子、正方形遮蔽格子、ひし形遮蔽格子の３種類を夫々用いた。夫々の遮蔽格子の材質は透過部がシリコン、遮蔽部が金であり、格子周期が２μｍ、厚みは５０μｍとした。
夫々の遮蔽格子は、０．１２５ラジアンだけ面内回転させ、周期が１６μｍのモアレを形成するようにした。
また、夫々の遮蔽格子の単位パターンにおいて、透過部の面積比を０．２から０．８まで変化させた。
【００４０】
（検出器）
検出器として、分解能が４μｍの検出器を用いた。５１２×５１２メッシュ分の強度を積算したものを検出器１画素の強度とした。よって、検出器の画素数は１６×１６となり、モアレの１周期は検出器上で４画素となる。
【００４１】
（演算部）
検出器によって得られた検出結果をＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理して得られる空間周波数スペクトルより、キャリア周波数のピークの強度を求めた。
【実施例２】
【００４２】
実施例２では位相シフト部が円形である回折格子を用いたＸ線撮像装置について説明をする。回折格子以外の構成とシミュレーション方法は実施例１と同じである。
【００４３】
（回折格子）
回折格子は図３（ｃ）に示したものを用いた。図３（ｃ）の回折格子は、πシフト部が円形であり、縦軸と横軸に対して４５°傾いて配列されている。材質はシリコン、格子周期は４μｍ、厚みは２２．４μｍとした。
【００４４】
［比較例１］
比較例１として、実施例１と同じ回折格子と、その回折格子に対して従来用いられている遮蔽格子を用いたＸ線撮像装置のキャリア周波数の強度をシミュレーションによって計算した。遮蔽格子以外は実施例１と同じ構成のＸ線撮像装置を用いた。
【００４５】
（遮蔽格子）
前述の通り、特許文献１に記載の遮蔽格子は、干渉パターンの明部と暗部の配列に対応して遮蔽部と透過部が配列しており、透過部の幅と遮蔽部の幅の比は１：１である。これに倣うと、２次元トールボット干渉法においても、干渉パターンの明部と暗部の配列に対応して透過部と遮蔽部が配列された遮蔽格子を使えば良い。この場合も遮蔽格子の透過部と遮蔽部の幅の比は１：１である。そこで比較例１では、図６に示した、透過部１５２ｄの形状が正方形で、透過部の面積比が０．２５、格子周期が２μｍの遮蔽格子を用いた。１５１ｄは遮蔽部である。また、材質は透過部をシリコン、遮蔽部を金とし、厚みは５０μｍとした。
遮蔽格子は、０．１２５ラジアンだけ面内回転させ、周期が１６μｍのモアレを形成するようにした。
【００４６】
［比較例２］
比較例２として、実施例２と同じ回折格子と、その回折格子に対して従来用いられている遮蔽格子を用いたＸ線撮像装置のキャリア周波数の強度をシミュレーションによって計算した。遮蔽格子以外は実施例２と同じ構成のＸ線撮像装置を用いた。
【００４７】
（遮蔽格子）
比較例１同様、比較例２でも図６に示した、透過部１５２ｄの形状が正方形で、透過部の面積比が０．２５、格子周期が２μｍの遮蔽格子を用いた。１５１ｄは遮蔽部である。また、材質は透過部をシリコン、遮蔽部を金とし、厚みは５０μｍとした。
遮蔽格子は、０．１２５ラジアンだけ面内回転させ、周期が１６μｍのモアレを形成するようにした。
【００４８】
上記シミュレーションの結果を述べる。実施例１において、夫々の遮蔽格子を用いた場合のシミュレーション結果をグラフにして図７に示した。図７のグラフは、縦軸にキャリア周波数の強度、横軸に透過部の面積比をとり、透過部の面積比とキャリア周波数の強度の関係を示している。また、比較例１の構成によって得られるキャリア周波数の強度を直線７１０として図７に示した。
【００４９】
実施例２についても同様に縦軸にキャリア周波数の強度、横軸に透過部の面積比をとってグラフにして図８に示した。また、図８にも比較例２の構成によって得られるキャリア周波数の強度を直線８１０として示した。
【００５０】
図７、図８より、透過部の面積比が０．２５より大きいと、比較例１，２よりも強度が大きいキャリア周波数を得ることができることが分かった。尚、比較例１，２よりも強度が大きいキャリア周波数を得ることができる透過部の面積の上限は透過部の形状による。少なくとも、透過部の面積比が０．７５より小さい範囲であれば比較例１，２よりも強度が大きいキャリア周波数を得ることができる透過部の形状があることが図７，図８よりわかる。円形遮蔽格子では透過部の面積比が０．２５より大きく０．７１より小さい範囲であれば比較例１、２よりも強度が大きいキャリア周波数を得ることができることが分かった。同様に、正方形遮蔽格子を用いた場合、透過部の面積比が０．２５より大きく０．５８より小さい範囲であれば比較例１、２よりも強度が大きいキャリア周波数を得ることができる。また、ひし形遮蔽格子では０．２５より大きく０．７５より小さい範囲であれば比較例１、２よりも強度が大きいキャリア周波数を得ることができる。
【００５１】
更に、図７、図８より、遮蔽格子の面積比が０．３０より大きく、０．７０よりも小さい範囲であれば比較例１、２よりも１割程度以上強度が大きいキャリア周波数を得ることができる形状があることが分かった。比較例１、２よりもキャリア周波数のピーク強度が１割程度以上大きくなるためには、円形遮蔽格子、正方形遮蔽格子、ひし形遮蔽格子、の夫々の透過部の面積比は以下の範囲であることが求められる。円形遮蔽格子では透過部の面積比が０．３０より大きく０．６３よりも小さい範囲であれば比較例の１割程度以上強度が大きいキャリア周波数を得ることができる。正方形遮蔽格子では透過部の面積比が０．３３より大きく０．４８よりも小さい範囲であれば比較例の１割程度以上強度が大きいキャリア周波数を得ることができる。ひし形遮蔽格子では０．３０より大きく０．７０よりも小さい範囲であれば比較例の１割程度以上強度が大きいキャリア周波数を得ることができる。遮蔽格子の透過部がこの範囲であると、２次元トールボット干渉法においてより好ましいキャリア周波数の強度を得ることができる。
【００５２】
更に、図７、図８より、遮蔽格子の面積比が０．３５より大きく、０．６５よりも小さい範囲であれば比較例１、２よりも２割程度以上強度が大きいキャリア周波数を得ることができる形状があることが分かった。円形遮蔽格子では透過部の面積比が０．３５より大きく０．６０よりも小さい範囲であれば比較例１，２よりも強度が大きいキャリア周波数を得ることができる。ひし形遮蔽格子では０．３５より大きく０．６５よりも小さい範囲であれば比較例１，２よりも２割程度以上強度が大きいキャリア周波数を得ることができる。遮蔽格子の透過部がこの範囲であると、２次元トールボット干渉法においてさらに好ましいキャリア周波数の強度を得ることができる。
【００５３】
これらのシミュレーション結果から、透過部の形状が上記３種類以外の形状であっても透過部の面積比が０．２５より大きく０．５８より小さい範囲であれば従来技術よりも強度が大きいキャリア周波数を得ることができると考えられる。例えば透過部の形状が、ひし形や正方形の角がとれたり、線がゆがんだりして、ひし形あるいは正方形と、円形との間の様な形状であっても良い。そのため、透過部の面積比をこの範囲内にすると透過部の形状を厳密に作製しなくても良い。また、透過部の面積比が０．３３よりも大きく、０．４８よりも小さい範囲であることがより好ましい。この範囲では、前述のようなひし形や正方形の角がとれたりした形状であっても、従来例である比較例１、２よりもキャリア周波数のピーク強度が１割程度以上大きくなるとかんがえられる。その結果、２次元トールボット干渉法において、比較例１，２よりもより好ましい高さのノイズ耐性を得ることができる。
【００５４】
尚、透過部の面積比を大きくすると、検出器により得られる検出結果に含まれる被検体の透過率分布とＸ線源のむらの影響も大きくなってしまうことがある。そのような場合は、本実施形態の遮蔽格子を用いて、国際出願番号ＰＣＴ／ＪＰ２０１１／０５１６８０に記載されている方法で撮像を行えば、被検体の透過率分布とＸ線源のむらの影響を抑制しつつキャリア周波数の強度を大きくすることができる。
【００５５】
本実施形態ではＸ線を用いた撮像装置について説明をしたが、本発明にはＸ線以外の電磁波を用いることもできる。
【００５６】
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種の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１１０ Ｘ線源
１１１ Ｘ線
１３０ 回折格子
１２０ 被検体
１５０ 遮蔽格子
１５２ 透過部
１７０ 検出器
【技術分野】
【０００１】
本発明はトールボット干渉法を用いた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トールボット（Ｔａｌｂｏｔ）干渉法はＸ線や光等の電磁波の干渉を利用して被検体の位相像を得る方法である。
【０００３】
トールボット干渉法の原理について簡単に説明する。トールボット干渉法には一般に、電磁波源、回折格子、遮蔽格子、検出器を備える撮像装置が用いられる。電磁波源から出射した電磁波が被検体を透過すると、被検体の屈折率や形状により電磁波の位相が変化する。この電磁波が回折格子によって回折されると、トールボット位置と呼ばれる特定の位置に、被検体の位相情報を持った干渉パターンが形成される。この干渉パターンを検出器で検出し、検出結果を解析すると、被検体の微分位相像を得ることができる。しかし、干渉パターンのピッチの大きさや用いる検出器の分解能によっては、干渉パターンを検出器で検出することが難しいことがある。その場合、干渉パターンが形成される位置に遮蔽格子を配置する。遮蔽格子は電磁波を遮る遮蔽部と、電磁波を透過する透過部とを有しており、干渉パターンの一部を遮蔽してモアレを形成する。このモアレの強度情報を検出器により検出し、この検出結果を解析することで被検体の位相像を得る。
【０００４】
検出器による検出結果から被検体の位相像を得る解析方法には、フーリエ変換を用いたものがある。解析方法について簡単に説明する。まず、検出結果をフーリエ変換し空間周波数スペクトルを得る。次にモアレの基本周期成分の周波数（以後、キャリア周波数と呼ぶ）のスペクトル及びその周辺を切り出して原点に移動する。この周波数スペクトルを逆フーリエ変換して被検体の微分位相像を求め、さらに積分することで被検体の位相像が得られる。
前述のように、トールボット干渉法を利用した撮像装置では遮蔽格子を用いて干渉パターンの一部を遮蔽し、一部を透過させることでモアレを形成している。
【０００５】
特許文献１には、Ｘ線を用いたトールボット干渉法（以下Ｘ線トールボット干渉法）において、１次元の干渉パターンに対して用いられる遮蔽格子が記載されている。遮蔽格子の透過部と遮蔽部の配列は干渉パターンの明部と暗部の配列と対応しており、透過部の幅と遮蔽部の幅の比は１：１である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２０３０６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的に、キャリア周波数の強度が大きいとノイズの影響を受けにくくなる。そのため、トールボット干渉法を用いて被検体の位相像を得るためにはキャリア周波数の強度は大きいことが望ましい。
しかしながら、従来の２次元トールボット干渉法を用いた撮像装置において、キャリア周波数の強度は充分ではなかった。そこで、本発明は２次元トールボット干渉計において、従来よりもキャリア周波数の強度を大きくすることができる撮像装置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】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明の一側面としての撮像装置は、電磁波源と、前記電磁波源から出射した電磁波を回折する回折格子と、前記回折格子からの前記電磁波を遮る遮蔽部と透過させる複数の透過部とを有する遮蔽格子と、前記遮蔽格子を経た電磁波を検出する検出器と、を備えた被検体を撮像する撮像装置であって、前記回折格子は前記電磁波を回折することによって、井桁状の干渉パターンを形成し、前記遮蔽格子には、前記複数の透過部が２次元的に配列しており、前記遮蔽部の一部と前記複数の透過部のうち１つの透過部とからなる単位パターンにおいて、前記単位パターンの面積に対して前記透過部の面積が占める面積比は、０．２５より大きいことを特徴とする。
【０００９】
本発明のその他の側面については、以下で説明する実施の形態で明らかにする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、従来よりもキャリア周波数の強度が大きな２次元トールボット干渉法を用いた撮像装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係るＸ線撮像装置の模式図。
【図２】本発明の実施形態に係る干渉パターンの模式図。
【図３】本発明の実施形態に係る回折格子の模式図。
【図４】本発明の実施形態に係る遮蔽格子の模式図。
【図５】本発明の実施形態に係る空間周波数スペクトルの模式図。
【図６】従来用いられている遮蔽格子の模式図。
【図７】本発明の実施例１における、遮蔽格子の透過部の面積比とキャリア周波数の強度の関係を示すグラフ。
【図８】本発明の実施例２における、遮蔽格子の透過部の面積比とキャリア周波数の強度の関係を示すグラフ。
【図９】本発明の実施形態に係る干渉パターンの模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の発明者らは、２次元トールボット干渉法を行うにあたって遮蔽格子の透過部の形状や大きさを検討した。その結果、モアレのキャリア周波数の強度を従来よりも大きくすることが可能になった。
尚、本明細書では２次元の干渉パターンを形成し、２次元の遮蔽格子を用いて行うトールボット干渉法を、２次元トールボット干渉法と呼ぶ。
【００１３】
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。
本実施形態では電磁波としてＸ線を用いてトールボット干渉法を行う撮像装置について説明をする。但し、本明細書においてＸ線とはエネルギーが２〜１００ｋｅＶの電磁波を指す。
【００１４】
図１は本実施形態におけるＸ線撮像装置の模式図である。図１に示したＸ線撮像装置はＸ線源１１０と、Ｘ線源からのＸ線を回折する回折格子１３０と、Ｘ線の一部を遮蔽する遮蔽格子１５０と、遮蔽格子を経たＸ線を検出する検出器１７０と、検出器の検出結果に基づいて演算を行う演算部１８０を備えている。また、この撮像装置は、被検体１２０の位相情報を持つモアレを撮像することで被検体の位相像を得る。また、図１では被検体１２０はＸ線源１１０と回折格子１３０との間に置かれているが、回折格子１３０と遮蔽格子１５０との間に置かれていても良い。以下で各構成について説明をする。
【００１５】
（Ｘ線源）
本実施形態のＸ線撮像装置は電磁波源としてＸ線源を備えている。Ｘ線源１１０から出射したＸ線１１１は、被検体１２０を透過すると被検体の屈折率や形状に応じて位相が変化する。
Ｘ線源としては、連続Ｘ線を出射するＸ線源を用いても、特性Ｘ線を出射するＸ線源を用いてもよい。また、Ｘ線源１１０から出射したＸ線の経路上に、Ｘ線を細いビームに分割するための線源格子や波長選択フィルタを配置してもよい。
【００１６】
（回折格子）
回折格子１３０はＸ線１１１を回折することで、明部と暗部とからなる干渉パターンを形成する。本明細書では、電磁波の強度が大きい所を明部、小さい所を暗部とする。図１では回折格子１３０は、被検体１２０と遮蔽格子１５０の間に配置されているが、Ｘ線源１１０と被検体１２０の間に配置しても良い。回折格子１３０は、位相基準部１３１と位相シフト部１３２が２次元的に配置されており、位相シフト部１３２は、位相基準部１３１を透過したＸ線に対して、特定の値だけ位相をシフトさせてＸ線を透過させる。本明細書では、位相基準部１３１を透過したＸ線との位相差がπラジアンになるように位相をシフトさせる位相シフト部をπシフト部、π／２ラジアンだけシフトさせる位相シフト部をπ／２シフト部と呼ぶ。なお、回折格子１３０を構成する材料はＸ線の透過率が高い物質が好ましく、例えば、シリコンなどを用いることができる。
【００１７】
本実施形態には、井桁状の干渉パターンを形成する回折格子が用いられる。本明細書において井桁状の干渉パターンとは、その一例を図２に示したように複数の明部１４１ａが暗部１４２ａに囲まれて配置されている干渉パターン１４０ａである。また、本明細書において、井桁状の干渉パターンを形成する回折格子を以下のように定義する。
【００１８】
まず、位相シフト部の形状が正方形である場合は、その回折格子がＸ線を回折することによって形成する干渉パターンが井桁状であれば、その回折格子は井桁状の干渉パターンを形成する回折格子であるとする。
【００１９】
一方、位相シフト部の形状が正方形以外の形状をとるときは、まず位相シフト部の形状を、その位相シフト部を内包する正方形のうち、面積が実際の位相シフト部に最も近い正方形であると仮定する。次に、その仮定した形状の位相シフト部を持つ回折格子がＸ線を回折することによって形成する干渉パターンが井桁状であれば、その回折格子は井桁状の干渉パターンを形成する回折格子であるとみなす。
【００２０】
この定義に従うと、例えば井桁状の干渉パターンを形成する回折格子を作成する際に作成上の誤差により位相シフト部の角が丸まり、実際に形成する干渉パターンが井桁状ではない回折格子も、本明細書では井桁状の干渉パターンを形成する回折格子と呼ぶことになる。
【００２１】
また、実際の、あるいは仮定した、正方形の位相シフト部の大きさは、僅かに異なるだけで図２に示したような正方形が並んだ井桁状の干渉パターンは形成されない。しかし、実際の、あるいは仮定した、回折格子の位相シフト部の大きさが、図２に示したような井桁状の干渉パターンを形成する回折格子の位相シフト部の大きさの、０．２５倍〜２．２５倍であれば、その回折格子は井桁状の干渉パターンを形成するとみなす。但し、位相基準部と位相シフト部の配置は、図２に示したような井桁状の干渉パターンを形成する回折格子と同様である必要がある。また、本明細書で言う位相シフト部の大きさとは位相基準部と位相シフト部の大きさの比のことを指す。
【００２２】
本実施形態に用いられる回折格子の具体例を図３に示す。位相シフト部の形状が正方形のものとしては、図３（ａ）や図３（ｂ）に示す回折格子を用いることができる。図３（ａ）に示した回折格子は、位相基準部１３１ａとπシフト部１３２ａが市松格子状に配置されている。但し、厳密に市松格子状でなくても良い。図３（ｂ）に記載した回折格子のπシフト部の面積は回折格子１周期分の面積の１／２であるが、π位相シフト部の面積が回折格子１周期分の面積の１／８まで小さくても井桁状の干渉パターンを形成する回折格子とみなす。図３（ｂ）に示した回折格子は、位相基準部１３１ｂとπ／２シフト部１３２ｂが井桁状に配置されている。図３（ｂ）に示した回折格子のπ／２シフト部の面積は回折格子１周期分の面積の１／４であるが、回折格子のπ／２シフト部の面積が、回折格子１周期分の面積の１／８〜９／１６の範囲内であれば井桁状の干渉パターンを形成する回折格子であるとみなす。位相シフト部の形状が正方形以外の形状のものとしては、図３（ｃ）に示した回折格子が例に挙げられる。図３（ｃ）に示した回折格子は位相基準部１３１ｃとπシフト部１３２ｃを有し、πシフト部が円形である。位相シフト部の形状が正方形でない場合は、前述のように実際の位相シフト部を内包する正方形のうち、面積が実際の位相シフト部に最も近い正方形であると仮定する。つまり、図３（ｃ）の回折格子の場合は位相シフト部の、円形の直径の長さを１辺の長さとし、且つ４辺がその円形の接線である正方形が図３（ｃ）の回折格子の位相シフト部の形状であると仮定する。すると、図３（ｃ）の回折格子は図３（ａ）の回折格子と同じ形状になる。仮定した形状の位相シフト部を持つ回折格子がＸ線を回折すると井桁状の干渉パターンを形成するため、本明細書では図３（ｃ）に示した回折格子も井桁状の干渉パターンを形成する回折格子であるとする。また、仮定した正方形の位相シフト部の面積も、実際の位相シフト部が正方形である場合と同様に上記の範囲内であれば井桁状の干渉パターンを形成する回折格子であるとする。但し、実際に図３（ｃ）に示した回折格子が形成する干渉パターンは、図９に示したように明部がぼやけて正方形ではなく、またライン状の明部が点在しており、厳密には井桁状ではない。
【００２３】
井桁状の干渉パターンは図３（ａ）〜図３（ｃ）に示した回折格子に限らず種々の線源格子と位相格子の組み合わせから形成が可能である。
【００２４】
（遮蔽格子）
遮蔽格子１５０は干渉パターンが形成される位置に配置されており、干渉パターンを形成するＸ線の一部を遮蔽することによってモアレを形成する。
遮蔽格子１５０は、遮蔽部１５１と複数の透過部１５２を有している。但し、遮蔽部は干渉パターンが形成される位置に配置されることでモアレを形成する程度にＸ線を遮蔽すれば、完全にＸ線を遮蔽しなくても本実施形態の撮像装置に用いることができる。
【００２５】
本実施形態に用いられる遮蔽格子の模式図を図４に示した。図４（ａ）に示した遮蔽格子の透過部の断面形状は円形であり、図４（ｂ）の遮蔽格子の透過部の断面形状は正方形、図４（ｃ）の遮蔽格子の透過部の断面形状は正方形を干渉パターンの明部に対して４５°傾けた形状である。但し、断面形状が正方形とは、干渉パターンの明部が正方形の時に干渉パターンの明部と傾きがそろっている正方形を指し、同様に正方形を４５°傾けた形状とは干渉パターンの明部が正方形の時に、干渉パターンの明部に対して４５°傾いている形状を指す。干渉パターンの明部が正方形でない場合は、前述の干渉パターンの明部の面積の定義同様、位相格子の位相シフト部の形状が正方形であると仮定して形成される干渉パターンの明部と、遮蔽格子の透過部の傾きを考えればよい。遮蔽格子を面内回転させることでモアレを形成することがあるが、この場合は面内回転させる前の状態で透過部の傾きを考える。以後、本明細書では、正方形が干渉パターンの明部に対して４５°傾いている形状をひし形と呼び、それぞれの遮蔽格子を、断面形状に合わせて、以下円形遮蔽格子１５０ａ、正方形遮蔽格子１５０ｂ、ひし形遮蔽格子１５０ｃと呼ぶ。
【００２６】
本明細書では図４（ａ）〜図４（ｃ）に示したように、遮蔽格子の格子周期１つ分の長さを１辺の長さとする正方形を単位パターン１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃと呼ぶ。単位パターンについて図４（ａ）を用いて説明をする。単位パターンは遮蔽格子の遮蔽部の一部と１つの透過部からなり、単位パターンの１辺の長さＬが遮蔽格子の格子周期Ｄの長さになるように設定される。
【００２７】
本実施形態に用いられる遮蔽格子において、単位パターンの面積に対して透過部の面積が占める面積比（透過部の面積／単位パターンの面積。以下透過部の面積比と呼ぶ。）は、０．２５よりも大きい。透過部の面積比が０．７１よりも大きく、０．７５よりも小さい時、透過部の形状として正方形と円形をとると、キャリア周波数の強度が従来よりも低くなってしまうため、正方形を４５°傾けた形状をとることが好ましい。更に、透過部の面積比が０．５８よりも大きく、０．７１よりも小さい時、透過部の形状として正方形を４５°傾けた形状に加えて円形をとっても、従来よりもキャリア周波数の強度を大きくすることができる。更に、透過部の面積比が０．２５よりも大きく、０．５８よりも小さいとき、透過部の形状は図４に示したような円形、正方形、正方形を４５°傾けた形状のどれをとっても従来よりもキャリア周波数の強度を大きくすることができる。
【００２８】
本実施形態において、円形遮蔽格子１５０ａ、正方形遮蔽格子１５０ｂ、ひし型遮蔽格子１５０ｃの夫々の透過部の面積は、次の条件を満たす。
円形遮蔽格子の単位パターン１５３ａにおいて、単位パターンの面積に対して透過部の面積が占める面積比（透過部の面積／単位パターンの面積、以下透過部の面積比と呼ぶ）は、０．２５より大きく０．７１より小さい。
正方形遮蔽格子の単位パターン１５３ｂにおいて、透過部の面積比は、０．２５より大きく０．５８より小さい。
ひし形遮蔽格子の単位パターン１５３ｃにおいて、透過部の面積比は、０．２５より大きく０．７５より小さい。
【００２９】
尚、円形遮蔽格子やひし形遮蔽格子の場合、透過部の面積比が一定以上になると、隣り合う透過部同士が接し、繋がる。図４（ｃ）に示したひし形遮蔽格子を例に説明をする。図４（ｃ）のひし形遮蔽格子の透過部の面積比は０．５であり、隣り合う透過部同士が接している。透過部の面積比が０．５以上になると、隣り合う透過部同士が繋がり、透過部の形状は正確にはひし形ではないが、本明細書ではこのような遮蔽格子もひし形遮蔽格子と呼び、透過部はひし形であるという。但し、透過部の面積比の計算の際には実際の透過部の面積を用いる。つまり、透過部がひし形であるとみなして面積を計算し、その面積を用いて透過部の面積比を計算することはしない。
【００３０】
遮蔽格子の透過部の形状が歪んだ場合、すなわち、遮蔽格子の透過部が厳密には正方形や円形でなくても本実施形態の遮蔽格子として用いることができる。
【００３１】
遮蔽部を構成する材料はＸ線をよく遮蔽する物質が好ましく、例えば、金を用いることができる。また透過部を構成する材料はＸ線をよく透過する物質が好ましく、例えばシリコンを用いてもよいし、または空洞でもよい。
【００３２】
遮蔽格子の格子周期は干渉パターンの周期と同一であっても良いし、僅かに異なっても良い。但し、本明細書における干渉パターンの周期を以下のように定義する。Ｘ線が平面波である場合、πシフト部を持つ位相格子によって形成された干渉パターンであれば位相格子の周期の１／２、π／２シフト部を持つ位相格子によって形成された干渉パターンであれば位相格子の周期を、干渉パターンの周期とする。それ以外の値位相をシフトさせる位相シフト部を持つ場合は、その値位相をシフトさせる位相シフト部が図３（ａ）に示したように厳密に市松格子状に配置されていたと仮定したときに形成される干渉パターンの周期を干渉パターンの周期とする。
【００３３】
また、Ｘ線が球面波の場合は前述の通り定義した、Ｘ線が平面波である場合の干渉パターンの周期に（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１をかけたものを干渉パターンの周期とする。ここで、Ｒ１はＸ線源から回折格子までの距離、Ｒ２は回折格子から遮蔽格子までの距離である。遮蔽格子の格子周期と干渉パターンの周期が同じ場合、遮蔽格子１５０を面内で回転させることによってモアレを生じさせる。遮蔽格子の格子周期と干渉パターンの周期が僅かに異なる場合は面内回転させなくてもモアレが生じる。遮蔽格子の格子周期は干渉パターンの周期よりも大きくても小さくても良いが、遮蔽格子を製造する観点から見れば、遮蔽格子の格子周期の方が大きい方が容易に製造することができるため好ましい。遮蔽格子の格子周期が干渉パターンの周期と同一以上である時、遮蔽格子の透過部の面積は干渉パターンの明部の面積よりも大きくなる。但し、本明細書における干渉パターンの明部の面積とは、一辺が干渉パターンの周期の長さの正方形の面積の１／４とする。
【００３４】
（検出器）
遮蔽格子１５０を透過したＸ線によって形成されるモアレ１６０は検出器１７０によって検出される。本実施形態において、検出器１７０はＸ線を撮像することができる撮像素子であり、例えば、デジタル信号への変換が可能なＦＰＤ（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）やＣＣＤ（ＣｈａｒｇＣｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いることができる。
【００３５】
（演算部）
演算部１８０は、まず、検出器１７０で検出されるモアレ１６０をフーリエ変換することで、空間周波数スペクトルを算出する。図５は本実施形態において得られる空間周波数スペクトルの模式図である。次に、演算部１８０は空間周波数スペクトル上のキャリア周波数のピーク５１０より、位相回復処理を行う。演算部１８０は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を有する。本実施形態のＸ線撮像装置は演算部を有しているが、検出器で検出した情報を基にフーリエ変換と位相回復処理がおこなえれば、演算部とＸ線撮像装置が別に設けられていても良い。また、演算部による演算結果に基づいた画像を表示する画像表示装置をＸ線撮像装置に接続してＸ線撮像システムを構成しても良い。但し、本明細書においては、演算部を含めたＸ線撮像装置と、その演算部の演算結果に基づいた画像を表示する画像表示装置をまとめてＸ線撮像システムと呼ぶ。
【実施例１】
【００３６】
実施例１では位相シフト部が正方形である回折格子を用いたＸ線撮像装置について説明をする。以下の構成のＸ線撮像装置を用い、遮蔽格子の透過部の面積比を変化させて撮像を行った場合、キャリア周波数の強度がどのように変化するのかをシミュレーションによって計算した。また、計算は６４×６４μｍ２の領域を８１９２×８１９２のメッシュに分割して行った。
【００３７】
（Ｘ線）
Ｘ線は、１７．５ＫｅＶの単色平面波を用いた。１メッシュの強度を１としたため、計算領域全体で８１９２×８１９２＝６７１０８８６４の強度を持つ。ただし、単位は任意単位とする。
【００３８】
（回折格子）
回折格子は、図３の（ａ）に示した、位相基準部１３１ａとπシフト部１３２ａが市松格子状に配置されているものを用いた。材質はシリコン、格子周期は４μｍ、厚みは２２．４μｍとした。この回折格子によって周期２μｍの井桁状の干渉パターンが形成される。
【００３９】
（遮蔽格子）
遮蔽格子は図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示したような、円形遮蔽格子、正方形遮蔽格子、ひし形遮蔽格子の３種類を夫々用いた。夫々の遮蔽格子の材質は透過部がシリコン、遮蔽部が金であり、格子周期が２μｍ、厚みは５０μｍとした。
夫々の遮蔽格子は、０．１２５ラジアンだけ面内回転させ、周期が１６μｍのモアレを形成するようにした。
また、夫々の遮蔽格子の単位パターンにおいて、透過部の面積比を０．２から０．８まで変化させた。
【００４０】
（検出器）
検出器として、分解能が４μｍの検出器を用いた。５１２×５１２メッシュ分の強度を積算したものを検出器１画素の強度とした。よって、検出器の画素数は１６×１６となり、モアレの１周期は検出器上で４画素となる。
【００４１】
（演算部）
検出器によって得られた検出結果をＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理して得られる空間周波数スペクトルより、キャリア周波数のピークの強度を求めた。
【実施例２】
【００４２】
実施例２では位相シフト部が円形である回折格子を用いたＸ線撮像装置について説明をする。回折格子以外の構成とシミュレーション方法は実施例１と同じである。
【００４３】
（回折格子）
回折格子は図３（ｃ）に示したものを用いた。図３（ｃ）の回折格子は、πシフト部が円形であり、縦軸と横軸に対して４５°傾いて配列されている。材質はシリコン、格子周期は４μｍ、厚みは２２．４μｍとした。
【００４４】
［比較例１］
比較例１として、実施例１と同じ回折格子と、その回折格子に対して従来用いられている遮蔽格子を用いたＸ線撮像装置のキャリア周波数の強度をシミュレーションによって計算した。遮蔽格子以外は実施例１と同じ構成のＸ線撮像装置を用いた。
【００４５】
（遮蔽格子）
前述の通り、特許文献１に記載の遮蔽格子は、干渉パターンの明部と暗部の配列に対応して遮蔽部と透過部が配列しており、透過部の幅と遮蔽部の幅の比は１：１である。これに倣うと、２次元トールボット干渉法においても、干渉パターンの明部と暗部の配列に対応して透過部と遮蔽部が配列された遮蔽格子を使えば良い。この場合も遮蔽格子の透過部と遮蔽部の幅の比は１：１である。そこで比較例１では、図６に示した、透過部１５２ｄの形状が正方形で、透過部の面積比が０．２５、格子周期が２μｍの遮蔽格子を用いた。１５１ｄは遮蔽部である。また、材質は透過部をシリコン、遮蔽部を金とし、厚みは５０μｍとした。
遮蔽格子は、０．１２５ラジアンだけ面内回転させ、周期が１６μｍのモアレを形成するようにした。
【００４６】
［比較例２］
比較例２として、実施例２と同じ回折格子と、その回折格子に対して従来用いられている遮蔽格子を用いたＸ線撮像装置のキャリア周波数の強度をシミュレーションによって計算した。遮蔽格子以外は実施例２と同じ構成のＸ線撮像装置を用いた。
【００４７】
（遮蔽格子）
比較例１同様、比較例２でも図６に示した、透過部１５２ｄの形状が正方形で、透過部の面積比が０．２５、格子周期が２μｍの遮蔽格子を用いた。１５１ｄは遮蔽部である。また、材質は透過部をシリコン、遮蔽部を金とし、厚みは５０μｍとした。
遮蔽格子は、０．１２５ラジアンだけ面内回転させ、周期が１６μｍのモアレを形成するようにした。
【００４８】
上記シミュレーションの結果を述べる。実施例１において、夫々の遮蔽格子を用いた場合のシミュレーション結果をグラフにして図７に示した。図７のグラフは、縦軸にキャリア周波数の強度、横軸に透過部の面積比をとり、透過部の面積比とキャリア周波数の強度の関係を示している。また、比較例１の構成によって得られるキャリア周波数の強度を直線７１０として図７に示した。
【００４９】
実施例２についても同様に縦軸にキャリア周波数の強度、横軸に透過部の面積比をとってグラフにして図８に示した。また、図８にも比較例２の構成によって得られるキャリア周波数の強度を直線８１０として示した。
【００５０】
図７、図８より、透過部の面積比が０．２５より大きいと、比較例１，２よりも強度が大きいキャリア周波数を得ることができることが分かった。尚、比較例１，２よりも強度が大きいキャリア周波数を得ることができる透過部の面積の上限は透過部の形状による。少なくとも、透過部の面積比が０．７５より小さい範囲であれば比較例１，２よりも強度が大きいキャリア周波数を得ることができる透過部の形状があることが図７，図８よりわかる。円形遮蔽格子では透過部の面積比が０．２５より大きく０．７１より小さい範囲であれば比較例１、２よりも強度が大きいキャリア周波数を得ることができることが分かった。同様に、正方形遮蔽格子を用いた場合、透過部の面積比が０．２５より大きく０．５８より小さい範囲であれば比較例１、２よりも強度が大きいキャリア周波数を得ることができる。また、ひし形遮蔽格子では０．２５より大きく０．７５より小さい範囲であれば比較例１、２よりも強度が大きいキャリア周波数を得ることができる。
【００５１】
更に、図７、図８より、遮蔽格子の面積比が０．３０より大きく、０．７０よりも小さい範囲であれば比較例１、２よりも１割程度以上強度が大きいキャリア周波数を得ることができる形状があることが分かった。比較例１、２よりもキャリア周波数のピーク強度が１割程度以上大きくなるためには、円形遮蔽格子、正方形遮蔽格子、ひし形遮蔽格子、の夫々の透過部の面積比は以下の範囲であることが求められる。円形遮蔽格子では透過部の面積比が０．３０より大きく０．６３よりも小さい範囲であれば比較例の１割程度以上強度が大きいキャリア周波数を得ることができる。正方形遮蔽格子では透過部の面積比が０．３３より大きく０．４８よりも小さい範囲であれば比較例の１割程度以上強度が大きいキャリア周波数を得ることができる。ひし形遮蔽格子では０．３０より大きく０．７０よりも小さい範囲であれば比較例の１割程度以上強度が大きいキャリア周波数を得ることができる。遮蔽格子の透過部がこの範囲であると、２次元トールボット干渉法においてより好ましいキャリア周波数の強度を得ることができる。
【００５２】
更に、図７、図８より、遮蔽格子の面積比が０．３５より大きく、０．６５よりも小さい範囲であれば比較例１、２よりも２割程度以上強度が大きいキャリア周波数を得ることができる形状があることが分かった。円形遮蔽格子では透過部の面積比が０．３５より大きく０．６０よりも小さい範囲であれば比較例１，２よりも強度が大きいキャリア周波数を得ることができる。ひし形遮蔽格子では０．３５より大きく０．６５よりも小さい範囲であれば比較例１，２よりも２割程度以上強度が大きいキャリア周波数を得ることができる。遮蔽格子の透過部がこの範囲であると、２次元トールボット干渉法においてさらに好ましいキャリア周波数の強度を得ることができる。
【００５３】
これらのシミュレーション結果から、透過部の形状が上記３種類以外の形状であっても透過部の面積比が０．２５より大きく０．５８より小さい範囲であれば従来技術よりも強度が大きいキャリア周波数を得ることができると考えられる。例えば透過部の形状が、ひし形や正方形の角がとれたり、線がゆがんだりして、ひし形あるいは正方形と、円形との間の様な形状であっても良い。そのため、透過部の面積比をこの範囲内にすると透過部の形状を厳密に作製しなくても良い。また、透過部の面積比が０．３３よりも大きく、０．４８よりも小さい範囲であることがより好ましい。この範囲では、前述のようなひし形や正方形の角がとれたりした形状であっても、従来例である比較例１、２よりもキャリア周波数のピーク強度が１割程度以上大きくなるとかんがえられる。その結果、２次元トールボット干渉法において、比較例１，２よりもより好ましい高さのノイズ耐性を得ることができる。
【００５４】
尚、透過部の面積比を大きくすると、検出器により得られる検出結果に含まれる被検体の透過率分布とＸ線源のむらの影響も大きくなってしまうことがある。そのような場合は、本実施形態の遮蔽格子を用いて、国際出願番号ＰＣＴ／ＪＰ２０１１／０５１６８０に記載されている方法で撮像を行えば、被検体の透過率分布とＸ線源のむらの影響を抑制しつつキャリア周波数の強度を大きくすることができる。
【００５５】
本実施形態ではＸ線を用いた撮像装置について説明をしたが、本発明にはＸ線以外の電磁波を用いることもできる。
【００５６】
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種の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１１０ Ｘ線源
１１１ Ｘ線
１３０ 回折格子
１２０ 被検体
１５０ 遮蔽格子
１５２ 透過部
１７０ 検出器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波源と、前記電磁波源から出射した電磁波を回折する回折格子と、前記回折格子からの前記電磁波を遮る遮蔽部と透過させる複数の透過部とを有する遮蔽格子と、前記遮蔽格子を経た電磁波を検出する検出器と、を備えた被検体を撮像する撮像装置であって、
前記回折格子は前記電磁波を回折することによって、井桁状の干渉パターンを形成し、
前記遮蔽格子には、前記複数の透過部が２次元的に配列しており、
前記遮蔽部の一部と前記複数の透過部のうち１つの透過部とからなる単位パターンにおいて、前記単位パターンの面積に対して前記透過部の面積が占める面積比は、０．２５より大きいことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記単位パターンの面積に対して前記透過部の面積が占める面積比は、０．２５より大きく、０．７５より小さいことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記複数の透過部の夫々の断面形状は円形であり、
前記単位パターンの面積に対して前記透過部の面積が占める面積比は、０．２５より大きく０．７１より小さいことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記複数の透過部の夫々の断面形状は正方形であり、
前記単位パターンの面積に対して前記透過部の面積が占める面積比は、０．２５より大きく０．５８より小さいことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記複数の透過部の夫々の断面形状は前記干渉パターンの複数の明部の夫々に対して正方形を４５°傾けた形であり、
前記単位パターンの面積に対して前記透過部の面積が占める面積比は、０．２５より大きく０．７５より小さいことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記単位パターンの面積に対して前記透過部の面積が占める面積比は、０．２５より大きく０．５８より小さい請求項１に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記単位パターンの面積に対して前記透過部の面積が占める面積比は、０．３０より大きく０．４８より小さい請求項１に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記電磁波源はＸ線源であり、前記電磁波はＸ線である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記回折格子は位相基準部とπシフト部とを有し、
前記πシフト部は、前記位相基準部を透過した電磁波との位相差がπラジアンになるように位相をシフトさせて電磁波を透過させ、
前記位相基準部と前記πシフト部とが市松格子状に配置されている請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記回折格子は位相基準部とπ／２シフト部とを有し、
前記π／２シフト部は、前記位相基準部を透過した電磁波との位相差がπ／２ラジアンになるように位相をシフトさせて電磁波を透過させ、
前記位相基準部と前記π／２シフト部とが井桁状に配置されている請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記検出器の検出結果に基づいて被検体の情報を演算する演算部を有する請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の撮像装置と、
前記撮像装置に接続された画像表示装置と、を備え、
前記画像表示装置は、前記撮像装置が有する前記演算部による演算結果に基づいた画像を表示する、撮像システム。
【請求項１】
電磁波源と、前記電磁波源から出射した電磁波を回折する回折格子と、前記回折格子からの前記電磁波を遮る遮蔽部と透過させる複数の透過部とを有する遮蔽格子と、前記遮蔽格子を経た電磁波を検出する検出器と、を備えた被検体を撮像する撮像装置であって、
前記回折格子は前記電磁波を回折することによって、井桁状の干渉パターンを形成し、
前記遮蔽格子には、前記複数の透過部が２次元的に配列しており、
前記遮蔽部の一部と前記複数の透過部のうち１つの透過部とからなる単位パターンにおいて、前記単位パターンの面積に対して前記透過部の面積が占める面積比は、０．２５より大きいことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記単位パターンの面積に対して前記透過部の面積が占める面積比は、０．２５より大きく、０．７５より小さいことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記複数の透過部の夫々の断面形状は円形であり、
前記単位パターンの面積に対して前記透過部の面積が占める面積比は、０．２５より大きく０．７１より小さいことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記複数の透過部の夫々の断面形状は正方形であり、
前記単位パターンの面積に対して前記透過部の面積が占める面積比は、０．２５より大きく０．５８より小さいことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記複数の透過部の夫々の断面形状は前記干渉パターンの複数の明部の夫々に対して正方形を４５°傾けた形であり、
前記単位パターンの面積に対して前記透過部の面積が占める面積比は、０．２５より大きく０．７５より小さいことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記単位パターンの面積に対して前記透過部の面積が占める面積比は、０．２５より大きく０．５８より小さい請求項１に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記単位パターンの面積に対して前記透過部の面積が占める面積比は、０．３０より大きく０．４８より小さい請求項１に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記電磁波源はＸ線源であり、前記電磁波はＸ線である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記回折格子は位相基準部とπシフト部とを有し、
前記πシフト部は、前記位相基準部を透過した電磁波との位相差がπラジアンになるように位相をシフトさせて電磁波を透過させ、
前記位相基準部と前記πシフト部とが市松格子状に配置されている請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記回折格子は位相基準部とπ／２シフト部とを有し、
前記π／２シフト部は、前記位相基準部を透過した電磁波との位相差がπ／２ラジアンになるように位相をシフトさせて電磁波を透過させ、
前記位相基準部と前記π／２シフト部とが井桁状に配置されている請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記検出器の検出結果に基づいて被検体の情報を演算する演算部を有する請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の撮像装置と、
前記撮像装置に接続された画像表示装置と、を備え、
前記画像表示装置は、前記撮像装置が有する前記演算部による演算結果に基づいた画像を表示する、撮像システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１０３２３７（Ｐ２０１２−１０３２３７Ａ）
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２００５４９（Ｐ２０１１−２００５４９）
【出願日】平成２３年９月１４日（２０１１．９．１４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１４日（２０１１．９．１４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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