Ｘ線撮像装置およびＸ線撮像方法
【課題】 屈折コントラスト法の問題点を解決することができるＸ線撮像装置およびＸ線撮像方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 被検知物によるＸ線の位相変化情報を取得するＸ線撮像装置であり、Ｘ線発生手段１０１から発生したＸ線を空間的に分割する分割素子１０３を有する。分割素子１０３により分割されたＸ線の入射位置に応じてＸ線の透過量が連続的に変化する減衰素子２０４、４０４が複数配列された減衰手段１０５を有する。さらに、減衰手段１０５により減衰されたＸ線の強度を検出するための強度検出手段１０６を有する。
【解決手段】 被検知物によるＸ線の位相変化情報を取得するＸ線撮像装置であり、Ｘ線発生手段１０１から発生したＸ線を空間的に分割する分割素子１０３を有する。分割素子１０３により分割されたＸ線の入射位置に応じてＸ線の透過量が連続的に変化する減衰素子２０４、４０４が複数配列された減衰手段１０５を有する。さらに、減衰手段１０５により減衰されたＸ線の強度を検出するための強度検出手段１０６を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＸ線を用いたＸ線撮像装置、およびＸ線撮像方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
放射線を用いた非破壊検査法は工業利用から医療利用まで幅広い分野で用いられている。
例えば、Ｘ線は波長が約１ｐｍ〜１０ｎｍ（１０−１２〜１０−８ｍ）程度の電磁波であり、このうち波長の短いＸ線（約２ｋｅＶ〜）を硬Ｘ線、波長の長いＸ線（約０．１ｋｅＶ〜２ｋｅＶ）を軟Ｘ線という。
Ｘ線による吸収能の違いを用いた吸収コントラスト法ではＸ線の透過能の高さを利用し、鉄鋼材料などの内部亀裂検査や手荷物検査などのセキュリティ分野の用途として実用化されている。
【０００３】
一方、Ｘ線の吸収によるコントラストが形成されにくい低密度差の被検知物に対しては、被検知物によるＸ線の位相変化を検出するＸ線位相イメージングが有効である。このようなＸ線位相イメージングを用いた方法は、高分子材料の相分離構造体のイメージングや医療等への応用が検討されている。
各種Ｘ線位相イメージングにおいて、特許文献１に示された屈折コントラスト法は、Ｘ線の被検知物による位相変化による屈折効果を利用した方法である。
この屈折コントラスト法は、微焦点のＸ線源を用い、被検知物と検出器の距離を離して撮像される。この屈折コントラスト法によれば、Ｘ線の被検知物による屈折効果から被検知物の輪郭が強調されて検出される。
【０００４】
また、屈折コントラスト法は屈折効果を利用するため、多くのＸ線位相イメージング手法の場合と異なりシンクロトロン放射光のような干渉性の高いＸ線を必ずしも必要としないという特徴がある。
【０００５】
一方、特許文献２では検出器の画素のエッヂ部分にＸ線を遮蔽するマスクを設置した撮像装置が開示されている。被検知物がない状態において、遮蔽マスクの一部にＸ線が照射するようにセッティングを行えば、被検知物による屈折効果により生じたＸ線の位置変化を強度変化として検知することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１０２２１５号公報
【特許文献２】国際公開２００８／０２９１０７号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載された屈折コントラスト法では、Ｘ線の被検知物による屈折効果における屈折角が非常に小さいため、輪郭強調した像を得るには検知物と検出器の距離を十分に離す必要性がある。そのため、屈折コントラスト法では、装置の大型化を招くという課題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、屈折コントラスト法の問題点を解決することができるＸ線撮像装置およびＸ線撮像方法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】
【０００９】
本発明に係るＸ線撮像装置は、被検知物によるＸ線の位相変化情報を取得するＸ線撮像装置であって、Ｘ線発生手段から発生したＸ線を空間的に分割する分割素子と、前記分割素子により分割されたＸ線が入射する減衰素子が複数配列された減衰手段と、前記減衰手段により減衰されたＸ線の強度を検出するための強度検出手段とを有し、前記減衰素子は、前記Ｘ線の入射位置に応じてＸ線の透過量が連続的に変化するように構成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、他の本発明に係るＸ線撮像装置は、Ｘ線を発生するＸ線発生手段と、被検知物を透過した際に生じるＸ線の強度分布の変化に応じてＸ線の透過量が連続的に変化する吸収能勾配を有した減衰素子が複数配列された減衰手段と、前記減衰手段により減衰されたＸ線の強度を検出するための強度検出手段とを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るＸ線撮像装置に用いるＸ線撮像方法は、空間的にＸ線を分割する工程と、前記空間的に分割されたＸ線が入射する減衰素子が複数配列された減衰手段を用いて、前記被検知物によるＸ線の位相変化情報を前記減衰素子を透過したＸ線の強度から取得する工程を有し、前記減衰素子は、Ｘ線の入射位置に応じてＸ線の透過量が連続的に変化するように構成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、他の本発明に係るＸ線撮像装置に用いるＸ線撮像方法は、被検知物を透過した際に生じるＸ線の強度分布の変化に応じてＸ線の透過量が連続的に変化する吸収能勾配を有した減衰素子が複数配列された減衰手段を用いて、前記減衰素子を透過したＸ線の強度分布の変化を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、屈折コントラスト法の問題点を解決できるＸ線撮像装置およびＸ線撮像方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態１におけるＸ線撮像装置の構成例を説明する図。
【図２】本発明の実施形態１における減衰手段の一部分について説明する模式図。
【図３】本発明の実施形態２におけるＸ線撮像装置の構成例を説明する図。
【図４】本発明の実施形態２における減衰手段の一部分について説明する模式図。
【図５】本発明の実施形態２における演算処理の方法について説明するフロー図。
【図６】本発明の実施形態３における実施形態２の減衰手段の代わりに、別の形態による減衰手段を用いた構成例について説明する模式図。
【図７】本発明の実施形態４における減衰手段および減衰素子を説明する図。
【図８】光路長変化が対数関数型の場合と線型の場合を比較する図。
【図９】光路長変化が対数関数型の場合と線型の場合を比較する図。
【図１０】実施形態４における減衰手段を説明する図。
【図１１】本発明の実施形態５におけるコンピューテッドトモグラフィ（ＣＴ）による構成例を説明する装置の概略図。
【図１２】本発明の実施形態５における演算処理の方法について説明するフロー図。
【図１３】本発明の実施例１におけるＸ線撮像装置の構成例を説明する図。
【図１４】本発明の実施例２におけるＸ線撮像装置の構成例を説明する図。
【図１５】物質によってＸ線が屈折される様子を説明する図。
【図１６】特許文献２の課題を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態では、吸収能勾配（透過能勾配）を有する減衰素子を複数配列した減衰手段を用いて屈折効果によるＸ線の強度分布変化またはＸ線の位置変化情報を取得する。
ここで、吸収能勾配（透過能勾配）を有する減衰素子とは、Ｘ線の強度分布変化またはＸ線の入射位置に応じてＸ線の吸収量（透過量）が連続的に変化する素子のことをいう。この減衰素子は、連続的または段階的に形状を変化させることにより構成することができる。また、単位体積当たりのＸ線の吸収量（透過量）を連続的または段階的に変化させることにより構成することもできる。なお、本明細書では、「連続的」との用語は「段階的」の概念を含むものとして取り扱うこともある。
【００１６】
以下、本発明に係るＸ線撮像装置およびＸ線撮像方法に関する具体的な実施形態について説明する。
【００１７】
（実施形態１）
実施形態１においては、Ｘ線の位相変化から像を得るＸ線撮像装置の構成例について説明する。
【００１８】
図１５は、物質を透過した際に生じるＸ線の屈折を模式的に示したものである。物質に対するＸ線の屈折率は１より若干小さい値を有する。
そのため、図１５に示すような場合、Ｘ線１５０１と１５０７において、物質１５０２を透過したＸ線１５０７は物質１５０２の外側（図１５では上側）に向かって屈折する。
この際、物質１５０２を透過したＸ線は、物質１５０２の外側を進行してきたＸ線１５０１と重なるため強度が増す。一方、屈折したＸ線の物質に対する入射位置の延長線上の部分は、Ｘ線が弱くなる。この結果、得られる透過Ｘ線強度分布１５０３は、図１５に示すように、物質１５０２の輪郭が強調された分布を持つ。
【００１９】
ここで、Ｘ線の屈折角θは非常に小さい値であるため、検出器の画素サイズを考慮すると、物質と検出器の距離を遠ざけないと、輪郭強調を検出することが難しい。そのため、上記特許文献１に記載した屈折コントラスト法では、被検知物と検出器とを十分に離して配置し、像を拡大する必要があるため、装置の大型化を招く。
【００２０】
つまり、被検知物と検出器までの距離が短いと、検出器１５０４の画素１５０５のサイズが透過Ｘ線強度分布１５０３の強弱パターンよりも大きくなり、１画素内で強弱の強度が打ち消し合うことになる。これにより、輪郭が強調された像を得ることができなくなる。
【００２１】
そこで、本実施形態では、被検知物と検出器の距離を短くした場合であっても、Ｘ線強度の強弱パターンを検出するために、吸収能勾配を有する減衰手段を用いることを特徴とする。
【００２２】
図１に、本実施形態におけるＸ線撮像装置の構成例を説明する図を示す。
【００２３】
Ｘ線発生手段としてのＸ線源１０１から発生したＸ線は、被検知物１０４によって位相が変化し、その結果、屈折する。屈折したＸ線は減衰手段１０５に入射する。減衰手段１０５を透過したＸ線は強度検出手段としての検出器１０６によりそれぞれのＸ線の強度が検出される。検出器１０６により得たＸ線に関する情報はモニタ等の表示手段１０８に出力される。
被検知物１０４としては、人体、人体以外としては無機材料、無機有機複合材料が挙げられる。なお、被検知物１０４を移動する移動手段（不図示）を別途設けてもよい。この移動手段により、被検知物１０４を適宜移動することができるため、被検知物１０４の特定個所についての像を得ることができる。
【００２４】
検出器１０６は、間接型、直接型を問わず種々のＸ線検出器を用いることができる。例えばＸ線フラットパネル検出器、Ｘ線ＣＣＤカメラや直接変換型Ｘ線２次元検出器などから選択される。
検出器１０６は減衰手段１０５と近接していてもよいし、一定の間隔を隔てて配置してもよい。また、減衰手段１０５を検出器１０６の中に組み込んでも良い。
なお、単色Ｘ線を用いる場合には、Ｘ線源１０１と被検知物１０４との間に単色化手段１０２を配置してもよい。単色化手段１０２としては、スリットと組み合わせたモノクロメータやＸ線多層膜ミラーなどを用いることができる。
【００２５】
つぎに、減衰手段１０５について、更に説明する。図２に、減衰手段１０５の一部分について説明する模式図を示す。減衰手段２０３を構成する減衰素子２０４は入射するＸ線に対して垂直方向に厚みが変化している三角柱形状を有している。
【００２６】
このように構成することにより、Ｘ方向に減衰素子２０４内における透過Ｘ線の光路長が変化する。すなわち、減衰素子２０４は、Ｘ線の強度分布あるいはＸ線の入射位置によりＸ線の吸収量（透過量）が変化する吸収能勾配を有している。なお、減衰素子２０４は、板状の部材を加工することにより構成してもよい。
符号２０１は被検知物２０４がない状態での減衰素子２０４に入射する基準Ｘ線強度分布を示し、符号２０２は被検知物２０４がある状態での屈折によって変化した減衰素子２０４へ入射するＸ線の強度分布である。
【００２７】
検出器１画素に入るＸ線の強度は、どのような強度分布を持っていても積分強度が同じであれば、検出するＸ線強度は同じとなる。しかし、Ｘ方向に透過Ｘ線強度が連続的に変化する減衰素子２０４を設置することにより、被検知物１０４によってＸ線が屈折することによる強度分布変化を透過Ｘ線強度変化に変換することができる。
【００２８】
例えば、図２において、符号２０２の強め合っている箇所が図よりも上方向にシフトすれば、透過Ｘ線の強度は増加する。一方、符号２０２の強めあっている箇所が図よりも下方向にシフトすれば透過Ｘ線の強度は減少する。このため、被検知物１０４がない状態で検出したＸ線強度と、被検知物１０４がある状態で検出したＸ線強度を比較することにより、微小な屈折の効果をＸ線強度分布として検出することができる。
【００２９】
このような構成により、検出器１０６の１画素内の微小な強度分布変化も検出できることから被検知物１０４と検出器１０６の距離を長く取る必要性がなく、装置の小型化が可能となる。また、被検知物１０４と検出器１０６の距離を長くする構成を選択すれば、より微小な屈折による強度分布変化を検出することも出来る。
さらに、この手法によれば、位相変化の検出にＸ線の屈折効果を利用するため干渉性の高いＸ線を必ずしも用いる必要がない。
【００３０】
なお、上記では、同一の実効的な線吸収係数を有し、かつ連続的に形状が変化した減衰素子について説明したが、該減衰素子は、ある方向においてＸ線の吸収量（透過量）が変化するような吸収能勾配を有していればよい。例えば、後述する図４のように入射するＸ線に対して垂直方向に密度が連続的に変化している減衰素子も本実施形態のＸ線撮像装置に用いることが可能である。
【００３１】
また、減衰素子の吸収能勾配は図２に示すように連続的である必要はなく、階段状（ステップ状）に吸収量（透過量）が変化している場合も含まれる。例えば、段階的に形状が変化していてもよいし、段階的に密度が変化していてもよい。
【００３２】
また、Ｘ線強度分布の変化を得るためには減衰素子の吸収能勾配の方向が一方向以上であっても構わない。例えば、同一の減衰素子内で、Ｘ方向とＹ方向に吸収能勾配を有するように構成すれば、２次元方向の位相勾配を計測することも可能である。このような形状としては、例えばピラミッド型や円錐型などがある。
【００３３】
また、同一の減衰素子内だけでなく、Ｘ方向の勾配を有した第１の減衰素子と、Ｙ方向の勾配を有した第２の減衰素子を交互に面内に有した減衰素子を用いて２次元方向の位相勾配を計測することも可能である。
さらに、Ｘ方向の勾配とＹ方向の勾配を有した減衰素子を積層化してもよい。すなわち、第１層目にはＸ方向の吸収勾配を有した減衰手段を設け、第２層目にはＹ方向の吸収勾配を有した減衰手段を設けてもよい。
【００３４】
また、減衰手段１０５からの散乱Ｘ線による像の不明瞭化を軽減するために、減衰手段１０５と検出器１０６の間にレントゲン撮影に用いられるグリッドを配置しても良い。
【００３５】
（実施形態２：分割素子を設ける構成例）
実施形態２においては、Ｘ線の位相変化情報としての位相像を得ることのできるＸ線撮像装置および方法について説明する。本実施形態は、Ｘ線を分割する素子を設ける点において、実施形態１とは異なる。
【００３６】
上記特許文献２に開示されている撮像装置は、Ｘ線を分割する光学素子を用いるとともに、検出器の画素のエッヂ部分にＸ線を遮蔽するマスクを設けている。図１６に特許文献２における検出器部分の一例を示す。図１６（ａ）は検出器をＸ線の入射方向から見た図であり、図１６（ｂ）はＸ線の入射方向に対して垂直方向から見た図である。
【００３７】
検出器の画素１６０１のエッジ部分にＸ線を遮蔽するためのマスク１６０２が設置されている。入射Ｘ線１６０３はマスク１６０２の一部にかかるように各画素に入射される。このような配置で被検知物に対してＸ線を入射すると、屈折効果により画素１６０１上での各入射Ｘ線１６０３の位置が変化する。この位置変化によりマスク１６０２で遮蔽されるＸ線の強度が変化する。そのため、Ｘ線の強度変化を検出することにより、屈折効果を測定することができる。
【００３８】
しかしながら、特許文献２に記載の方法は、Ｘ線を遮蔽するマスク１６０２を設けているため、入射Ｘ線１６０３の照射領域がマスク１６０２内に収まってしまった場合、Ｘ線の位置変化を正確に検出することができないという問題点がある。また入射Ｘ線１６０３のマスク１６０２内に収まっている領域内のみでの位置変化に対してはＸ線の強度変化を検出することができないという問題点がある。すなわち、特許文献２に記載の方法は、不感領域が存在するという課題がある。
【００３９】
そこで、実施形態２では、特許文献１に記載の屈折コントラスト法よりも小型化が可能であり、かつ、特許文献２に記載の方法よりも不感領域の少ない装置および方法について説明する。
【００４０】
図３に、本実施形態におけるＸ線撮像装置の構成例を説明する図を示す。
Ｘ線発生手段としてのＸ線源３０１から発生されたＸ線は、分割素子３０３により空間的に分割される。すなわち、分割素子３０３は、特許文献２に記載されている複数のアパーチャを有するサンプルマスクとして機能するものであって、この分割素子３０３を透過したＸ線はＸ線の束となる。分割素子３０３は、ラインアンドスペースによるスリットアレイ形状を備えたものであっても、２次元的に配列された穴を有しているものであっても良い。
【００４１】
また、分割素子３０３に設けられたスリットはＸ線を透過する形態であれば、光学素子の基板を貫通していなくとも良い。分割素子３０３の材料としては、Ｘ線の吸収率が高いＰｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔａ、Ｗなどから選択される。あるいは、これらの材料を含む化合物であっても良い。
【００４２】
分割素子３０３により分割されたＸ線の検出器３０６位置でのラインアンドスペースの周期は、検出器３０６の画素サイズ以上である。すなわち、強度検出手段を構成する画素の大きさは、分割素子３０３により分割されたＸ線の空間的な周期以下である。
分割素子３０３により空間的に分割されたＸ線は、被検知物３０４によって屈折される。屈折したそれぞれのＸ線は減衰手段３０５に入射する。減衰手段３０５を透過したＸ線は検出器３０６によりそれぞれのＸ線の強度が検出される。検出器３０６により得たＸ線に関する情報は演算手段３０７により数的処理がなされ、モニタ等の表示手段３０８に出力される。
【００４３】
なお、単色化手段３０２、被検知物３０４、該被検知物３０４を移動する移動手段、検出器３０６、グリッド等に関しては、実施形態１と同様のものを用いることができる。
【００４４】
つぎに、減衰手段３０５について、更に説明する。
図４に、減衰手段３０５の一部分について説明する模式図を示す。
基準Ｘ線４０１は、被検知物３０４の存在しない状態での分割されたＸ線を示し、減衰素子４０４のＸ方向における中心に入射されることが好ましい。Ｘ線４０２は被検知物３０４の存在によって屈折したＸ線を示している。減衰手段４０３は、減衰素子４０４を複数配列して構成されている。
図４の右側に示すように減衰素子４０４はＸ方向（入射するＸ線に対して垂直方向）に連続的な密度分布がある。つまり、図４の減衰素子４０４の密度変化はＸ線の吸収の度合いを変化させ、密度が高い方がよりＸ線を通さない。すなわち、減衰素子４０４におけるＸ線の入射位置の変化量に応じて、Ｘ線の吸収量（透過量）が連続的に変化するような吸収能勾配を有している。
減衰素子２０４を透過した基準Ｘ線２０１の強度は、次の式（１）によって表される。
【００４５】
【数１】
【００４６】
Ｉ０は分割素子３０３によって空間的に分割されたＸ線の強度、μ／ρは減衰素子４０４の実効的な質量吸収係数、ρ０は基準Ｘ線４０１が減衰素子４０４内の透過した部分における減衰素子４０４の密度、Ｌは減衰素子４０４の厚さである。
【００４７】
一方、被検知物３０４によって屈折したＸ線４０２の減衰素子４０４透過後の強度は、次の式（２）で表される。
【００４８】
【数２】
【００４９】
Ａは被検知物３０４によるＸ線の透過率を示し、ρ’はＸ線４０２が減衰素子４０４内の透過した部分における減衰素子４０４の密度を示している。上記式（１）と式（２）から基準Ｘ線４０１とＸ線４０２の減衰素子４０４内の透過した部分の位置変化を示す減衰素子４０４の密度差は、次の式（３）により表される。
【００５０】
【数３】
【００５１】
Ｘ線に対して被検知物３０４の吸収効果が極めて小さい場合にＡは１になり、吸収の効果が無視できない場合は減衰手段３０５がない状態での撮像によりＡを求めることができる。
一方、Ｘ線吸収体の密度分布は既知であるため、上記式（３）が示す密度差から、減衰手段３０５上での位置変化量（ｄ）を得ることができる。
つまり、基準Ｘ線４０１とＸ線４０２の検出強度の関係から、被検知物３０４での屈折による微量の位置変化量を得ることができる。
【００５２】
つぎに、本実施形態における演算処理の方法について説明する。
図５に、演算処理のフロー図を示す。
まず、第１のステップであるＳ１００において、減衰手段３０５を透過した各Ｘ線の強度情報を取得する。
【００５３】
次に、第２のステップであるＳ１０１において、演算手段３０７を用いて、各Ｘ線のスリット周期方向に垂直方向の各画素の強度情報から基準Ｘ線４０１に対する位置変化量（ｄ）を演算して算出する。
位置変化量（ｄ）は、式（３）を使用することにより求めることができる。すなわち、Ｘ線吸収体の密度分布は既知であるため、上記式（３）が示す密度差から、減衰手段３０５上での位置変化量（ｄ）を得ることができる。
あるいは、透過Ｘ線強度と位置変化量（ｄ）の対応関係をデータテーブルとして演算手段３０７などに格納しておき、測定強度からデータテーブルを参照して位置変化量（ｄ）を求めても良い。このデータテーブルは、各減衰素子４０４について減衰手段３０５もしくは分割素子３０３を移動させ減衰素子４０４の各位置における透過Ｘ線強度を検出することにより作成することができる。また、データテーブルの作成にあたっては、分割素子３０３を移動させる代わりに分割素子３０３のスリット幅と同等の幅を持つ単スリットを用いて減衰素子４０４の各位置における透過Ｘ線強度を検出しても構わない。
【００５４】
次に、第３のステップであるＳ１０２において、各Ｘ線の屈折角（Δθ）を算出する。位置変化量（ｄ）と、被検知物３０４−減衰手段３０５間距離（Ｚ）を用いて各Ｘ線の屈折角（Δθ）は、次の式（４）を用いることにより得られる。
【００５５】
【数４】
【００５６】
また、屈折角度（Δθ）と微分位相（ｄφ／ｄｘ）とは式（５）の関係がある。
【００５７】
【数５】
【００５８】
λはＸ線の波長であり連続Ｘ線を用いる場合は実効波長を意味する。
【００５９】
次に、第４のステップであるＳ１０３において、上記式（５）を用いて各Ｘ線のスリット周期方向に垂直方向の各画素の微分位相（ｄφ／ｄｘ）を演算して微分位相情報を取得する。
【００６０】
次に、第５のステップであるＳ１０４において、上記演算結果から得られた各微分位相（ｄφ／ｄｘ）をＸ方向に積分することによって位相情報（φ）を取得する。なお、Ｓ１０５のステップにおいては、この様に算出された微分位相像および位相像は表示手段１０８によって表示することができる。
【００６１】
上記の構成によれば、微小なＸ線の位置変化を検出できるため、被検知物３０４と検出器３０６の距離を短くすることができる。すなわち、特許文献１に記載の屈折コントラスト法に比べて装置の小型化が可能となる。また、分割素子３０３を用いることにより、微分位相量、位相量を定量化することができる。また、Ｘ線の遮蔽領域の無い透過型の減衰手段３０５を用いるため不感領域が存在しない。
【００６２】
なお、被検知物３０４と検出器３０６の距離を長くする構成を選択すれば、より微小な屈折によるＸ線位置変化を測定することが出来る。
また、位相変化の検出にＸ線の屈折効果を利用するため干渉性の高いＸ線を必ずしも用いる必要がない。
【００６３】
（実施形態３）
実施形態３においては、実施形態２の減衰手段とは異なる形態による減衰手段を用いたＸ線撮像装置の構成例について説明する。本実施形態の装置の基本構成は実施形態２で説明した図３と同じである。
【００６４】
図６に、実施形態３の構成例について説明する模式図を示す。
【００６５】
基準Ｘ線６０１は被検知物６０４の存在しない状態での分割されたＸ線を示す。この基準Ｘ線６０１は、減衰素子６０４のＸ方向における中心に入射されることが好ましい。Ｘ線６０２は被検知物３０４の存在によって屈折したＸ線を示している。
図６に示すように、減衰手段６０３は、三角柱状の減衰素子６０４を並べた構造体により構成することができる。この減衰素子６０４は、同一の実効的な線吸収係数を有し、かつ入射するＸ線に対して垂直方向に厚みが連続的に変化している。
減衰素子６０４は三角柱形状なのでＸ方向に減衰素子６０４内における透過Ｘ線の光路長が変化する。すなわち、Ｘ方向に対するＸ線の入射位置に応じてＸ線の吸収量（透過量）が変化する。
【００６６】
減衰素子６０４を透過した基準Ｘ線６０１の強度は、次の式（６）によって表される。
【００６７】
【数６】
【００６８】
Ｉ０は分割素子３０３によって空間的に分割されたＸ線の強度、μは減衰素子６０４の実効的な線吸収係数、ｌ０は基準Ｘ線６０１の減衰素子６０４内の光路長である。
【００６９】
一方、被検知物３０４によって屈折したＸ線６０２の減衰素子６０４透過後の強度は、次の式（７）で表される。
【００７０】
【数７】
【００７１】
Ａは被検知物３０４によるＸ線の透過率を示し、ｌはＸ線６０２の減衰素子６０４内の光路長を示している。
【００７２】
上記式（６）、式（７）と減衰素子６０４の頂角（α）から減衰手段３０５上での位置変化量（ｄ）は、次の式（８）で表すことができる。
【００７３】
【数８】
【００７４】
Ｘ線に対して被検知物３０４の吸収効果が極めて小さい場合Ａは１になり、吸収の効果が無視できない場合は減衰手段３０５がない状態での撮像によりＡを求めることができる。
【００７５】
つまり、基準Ｘ線６０１とＸ線６０２の検出強度の関係から、被検知物３０４での屈折による微量の位置変化量（ｄ）を得ることができる。
【００７６】
また、減衰素子６０４を三角柱にすることにより、位置変化量（ｄ）は減衰素子６０４のどの位置を使用しても、基準Ｘ線６０１とＸ線６０２の比をもとに決めることができる。
【００７７】
減衰手段３０５を透過したＸ線は検出器３０６により検出される。この検出されたデータを実施形態２と同様の演算手段３０７を用いて、スリット周期方向に垂直方向の各画素の微分位相（ｄφ／ｄｘ）および位相（φ）を算出する。そして、微分位相像および位相像を表示手段３０８によって表示することができる。
【００７８】
また、式（８）を用いなくてもその検出強度と位置変化量（ｄ）の関係についてデータテーブルを作り、そのテーブルを参照して、実際に測定における強度情報から位置変化量（ｄ）を求めても良い。このデータテーブルは、各減衰素子６０４について減衰手段３０５もしくは分割素子３０３を移動させ透過Ｘ線強度を検出することにより作成することができる。また、データテーブルの作成にあたっては、分割素子３０３を移動させる代わりに分割素子３０３のスリット幅と同等の幅を持つ単スリットを用いて減衰素子６０４の各位置における透過Ｘ線強度を検出しても構わない。
【００７９】
このような構成により、微小なＸ線の位置変化を検出できるため、被検知物３０４と検出器３０６の距離を長く取る必要性がなく装置の小型化ができる。また、Ｘ線の遮蔽領域の無い透過型の減衰手段３０５を用いるため不感領域が存在しない。
なお、被検知物３０４と検出器３０６の距離を長くする構成を選択すれば、より微小な屈折によるＸ線の位置変化を検出することが出来る。
【００８０】
また、位相変化の検出にＸ線の屈折効果を利用するため干渉性の高いＸ線を必ずしも用いる必要がない。
【００８１】
（実施形態４：湾曲形状を有する減衰素子）
実施形態４においては、実施形態３とは異なる形状を有する減衰素子について説明する。
【００８２】
図７（ａ）に実施形態４に係る減衰手段の構成例を示す。また、図７（ｂ）に減衰手段を構成する減衰素子の構成例を示す。
【００８３】
減衰素子は、屈折Ｘ線７０２の基準Ｘ線７０１からの位置変化に対し、連続的に変化する形状を持っていれば、位置変化を強度変化として検出器３０５により検出できる。しかし、屈折Ｘ線の位置変化に対する光路長変化が線形である場合は、その位置変化に対し検出するＸ線強度が指数関数的に激しく変化し、有効に位置変化を検出できる範囲が小さくなる。そこで、本実施形態では、屈折Ｘ線の位置変化に対する光路長変化が線形にならず、その二階微分値の値が正となる形状について説明する。
【００８４】
図７（ｂ）に減衰素子７０３を拡大した模式図を示す。図７（ｂ）では、屈折によるＸ線の位置変化方向をＸ軸方向に、これと直行するＸ線の光路方向にｙ軸方向にとっている。
【００８５】
被検知物を透過したＸ線は、屈折によりその位置が図７（ｂ）の基準Ｘ線７０９から屈折Ｘ線７０５へΔｘだけ変化する（符号７０４）。ここで、減衰素子７０３は、符号７０６で示した屈折Ｘ線が減衰素子７０３を透過する光路長ｔ（ｘ）について、その入射位置変化による二階微分値ｄ２ｔ（ｘ）／ｄｘ２が正となるような形状を持つ。特にその光路長７０６の変化が対数関数型である場合、以下の式（９）で表される。
ｔ（ｘ）＝ＡＲ・ｓ｛１−ｌｎ（ｘ＋１）／ｌｎ（ｓ＋１）｝ （式９）
ここで、ｓは減衰素子７０３のｘ軸方向の長さ、ＡＲは減衰素子７０３の縦横比である。上記ｓは図７（ｂ）において符号７０７で示されている。ここで縦横比ＡＲは、符号７０８で示したｙ軸方向の長さＬを用いて、以下の式（１０）で表される。
ＡＲ＝Ｌ／ｓ （式１０）
またｓ（符号７０７）は、減衰手段とＸ線検出手段が近接する場合は、Ｘ線検出手段の分解能の整数倍の値をとる。一方、近接しない場合はＸ線発生手段から見た減衰素子７０３の検出手段の検出面への投影が、Ｘ線検出手段の分解能の整数倍の値をとるように調整される。
【００８６】
ところで、光路長７０６の変化が線型である場合には、この光路長ｔ（ｘ）は以下の式（１１）で表される。
ｔ（ｘ）＝ＡＲ（ｓ−ｘ） （式１１）
なお、この光路長ｔ（ｘ）の二階微分値は零である。
【００８７】
検出器で測定されるＸ線の強度Ｉ（ｘ）は、検出器のダイナミックレンジＤＲを用いて、以下の式（１２）で表される。
Ｉ（ｘ）＝ＤＲ・ｅｘｐ（−ｔ（ｘ）／ｌｅｘ） （式１２）
ここでｌｅｘは、減衰素子７０３に用いる材料のＸ線に対する消衰距離である。さらに、減衰素子７０３の光路長変化が対数関数型である場合は、検出器で測定されるＸ線の強度Ｉ（ｘ）は以下の式（１３）で表される。
Ｉ（ｘ）＝ＤＲ・ｅｘｐ［‐ＡＲ・ｓ｛１−ｌｎ（ｘ＋１）／ｌｎ（ｓ＋１）｝／ｌｅｘ］
＝ＤＲ・ｅ−ａ（ｘ＋１）ｂ （式１３）
ここでａ，ｂは、以下の式（１４）および式（１５）で表される。
ａ＝ＡＲ・ｓ／ｌｅｘ （式１４）
ｂ＝ａ／１ｎ（ｓ＋１）＝ＡＲ・ｓ／（ｌｅｘ・１ｎ（ｓ＋１）） （式１５）
減衰素子７０３の縦横比や材料を選定し、ｂを１に近づくように調整すると、検出器での検出される強度変化は線型となる。このように強度変化を線型とすれば、強度変化が指数関数的に急激に変化するに比べ、検出する強度変化を緩やかにできる。
【００８８】
次に、減衰素子７０３の光路長７０６の変化が対数関数型（強度変化が線型）である場合と、光路長の変化が線型（強度変化が指数関数的であるもの）である場合の比較を行う。
【００８９】
なお、以下の計算において、Ｘ線発生手段から発生するＸ線としては、Ｍｏの特性Ｘ線としている。減衰素子７０３のｘ軸方向の長さｓ（符号７０７）およびダイナミックレンジＤＲは、それぞれ検出器３０６の分解能とダイナミックレンジに依存する。ここでは、検出器としてＸ線フラットパネル検出器を用いるとし、ｓ＝１００μｍ、ＤＲ＝５０００ｃｐｓ、検出の積算時間１秒とする。
【００９０】
減衰素子７０３について、位置変化に対し十分な強度変化を得るために素子の両端で１００倍程度の強度変化を見込み、さらにＡＲを加工可能な値として１程度に設定する。すなわち、ｌｅｘ＝−１ｎ（１／１００）／（ＡＲ・ｓ）より、消衰距離ｌｅｘが２２μｍ程度である材料を選択すればよい。このような材料として例えば、ｌｅｘ＝２２．８μｍであるＣｕを減衰素子の材料として選択することができる。
【００９１】
ここで、測定強度Ｉ（ｘ）に対しその統計誤差であるＩ（ｘ）の平方根よりも、Ｉ（ｘ）の微分値の方が大きい範囲を位置変化の検出が有効である範囲（有効検出範囲）であるとする。Ｘ軸方向の長さｓに対する有効検出範囲の割合をｅｆｆとする。したがって、減衰素子７０３の全検出領域で位置変化の検出が有効であれば、ｅｆｆ＝１である。
【００９２】
図８に、減衰素子７０３の光路長７０６の変化が対数関数型（式（９））と線型（式（１１））である場合の、縦横比ＡＲに対するｅｆｆの変化を示す。
【００９３】
この図より、光路長変化が対数関数型である場合、縦横比ＡＲを１．５から２．５程度に設定すれば、ｅｆｆ＝１を達成することが分かる。一方、光路長変化が線型である場合には、縦横比ＡＲを調整してもｅｆｆ＝０．５程度までしか向上できないことも分かる。
【００９４】
図９（ａ）に縦横比ＡＲが１．５であり光路長７０６の変化が対数関数型である場合の測定強度変化と、縦横比ＡＲが０．８５であり光路長７０６の変化が線型である場合の測定強度変化を示す。
【００９５】
また、図９（ｂ）に、図９（ａ）で示した強度変化の微分値と平方根（統計誤差）を示した。これらの図より、対数関数型は縦横比が線型より測定強度変化が緩やかであること、また、素子の全領域で測定強度変化の微分値が統計誤差を上回っていること、すなわちｅｆｆが１であることが分かる。
【００９６】
光路長７０６の変化が対数関数型である場合、縦横比ＡＲを１に固定したときであっても消衰距離ｌｅｘを１．４程度に調整すればｅｆｆ＝１を達成できる。
【００９７】
なお、消衰距離ｌｅｘの調整はＣｕのような純金属によらなくてもよく、合金や混合物を選択することで調整してもよい。合金の場合は固溶体であることが望ましいが、材料が相分離する場合にもその微視構造がｘ軸方向の長さｓや屈折したＸ線の断面サイズに比べ十分小さければよい。純金属、合金、混合物などの場合には、多孔構造をとることにより密度を変化させ消衰距離ｌｅｘを調整してもよい。この場合も、孔のサイズはＸ軸方向の長さｓ（符号７０７）や屈折Ｘ線７０２の断面サイズに比べ十分小さいことが望ましい。
【００９８】
また、図１０に示すように、シリンドリカル面を対向させることにより減衰素子を構成してもよい。例えば、Ｃｕで形成されたＸ線減衰部１００１は、支持基板１００２により固定されている。この支持基板１００２は、Ｘ線の吸収を無視できる厚さまで加工された樹脂製の部材により構成してもよい。図１０に示す減衰手段における隣り合う減衰素子間では、基準Ｘ線１００３の調整位置からの同一方向の屈折Ｘ線の位置ずれは逆センスの強度変化として検出される。この減衰素子においても光路長変化の二階微分値は正となる。
【００９９】
（実施形態５：コンピューテッドトモグラフィ）
実施形態５においては、コンピューテッドトモグラフィ（ＣＴ）の原理を用いて、３次元的な位相分布を得る装置の構成例について説明する。
【０１００】
図１１に、本実施形態におけるＣＴ装置の構成例を説明する概略図を示す。
図１１において、１１０１はＸ線源、１１０３は分割素子、１１０４は被検知物、１１０５は減衰手段、１１０６はＸ線検出器、１１０７は演算手段、１１０８は表示手段である。
【０１０１】
本実施形態におけるＣＴ装置は、Ｘ線源１１０１、分割素子１１０３、減衰手段１１０５とＸ線検出器１１０６は、被検知物１１０４のまわりを同期させて移動させる可動手段により、移動可能に構成されている。
【０１０２】
また、分割素子１１０３により空間的に分割されたＸ線は被検知物１１０４に照射され、透過Ｘ線は減衰手段１１０５に入射する。
【０１０３】
減衰手段１１０５により、分割されたＸ線の被検知物１１０４での屈折による微量の位置変化量を得ることができる。減衰手段１１０５を透過したＸ線はＸ線検出器１１０６により検出される。
【０１０４】
この撮像を分割素子１１０３、減衰手段１１０５とＸ線検出器１１０６は、被検知物１１０４のまわりを同期させて移動させて行うことにより被検知物１１０４の投影データを得る。場合によっては分割素子１１０３、減衰手段１１０５とＸ線検出器１１０６を固定し、被検知物１１０４を回転させて投影データを得ても構わない。
【０１０５】
つぎに、本実施形態における演算処理の方法について説明する。
【０１０６】
図１２に、演算処理のフロー図を示す。
【０１０７】
まず、第１のステップであるＳ２００において、減衰手段１１０５を透過した各Ｘ線の強度情報を取得する。
次に、第２のステップであるＳ２０１において、各Ｘ線の強度情報から基準Ｘ線に対する位置変化量（ｄ）を算出する。
次に、第３のステップであるＳ２０２において、位置変化量（ｄ）と被検知物１１０４−減衰手段１１０５間の距離（Ｚ）を用いて、各Ｘ線の屈折角（Δθ）を求める。
次に、第４のステップであるＳ２０３において、屈折角（Δθ）から各Ｘ線の微分位相（ｄφ／ｄｘ）を算出する。
次に、第５のステップであるＳ２０４において、得られた各微分位相（ｄφ／ｄｘ）をＸ方向に積分することによって位相（φ）を算出する。
【０１０８】
これらの一連のＳ２０１からＳ２０４の作業を、全投影データについて繰り返し処理する。
次に、第６のステップであるＳ２０５において、全投影データにおける位相像からコンピューテッドトモグラフィにおける画像再構成法（たとえばフィルタ逆投影法など）により、断層像を得る。
なお、Ｓ２０６のステップにおいては、断層像を表示手段１１０８によって表示することができる。
【０１０９】
このような構成により、装置の小型化ができ、かつ、Ｘ線の屈折効果を利用するため干渉性の高いＸ線を必ずしも用いる必要がなく、このＣＴ装置を利用することにより、非破壊的に被検知物の３次元像を得ることができる。
【実施例】
【０１１０】
以下に、本発明の実施例について説明する。
【０１１１】
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用したＸ線撮像装置の構成例について説明する。
【０１１２】
図１３に、本実施例の構成例について説明する図を示す。
図１３において、１３０１はＸ線源、１３０２はモノクロメータ、１３０３は分割素子、１３０４は被検知物、１３０５は減衰手段、１３０６はＸ線検出器、１３０７は演算手段、１３０８は表示手段である。
【０１１３】
本実施例において、Ｘ線発生手段としては、Ｘ線源１３０１に示すＭｏターゲットの回転対陰極型のＸ線発生装置を用いる。
Ｘ線の単色化手段としては高配向性熱分解黒鉛（ＨＯＰＧ：Ｈｉｇｈｌｙ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｇｒａｐｈｉｔｅ）のモノクロメータ１３０２を用いＭｏの特性Ｘ線部分を抽出する。
モノクロメータ１３０２により単色化されたＸ線はＸ線源から１００ｃｍ離れた位置に配置した分割素子１３０３により空間的に分割される。
【０１１４】
この分割素子１３０３としては、厚さ１００μｍのＷにスリット幅４０μｍのスリットを並べたものを用いた。スリット周期は減衰手段１３０５上で１５０μｍである。
【０１１５】
なお、Ｗ以外にも、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔａ、Ｐｔなどの材料を使用することも可能である。
【０１１６】
分割素子１３０３により分割されたＸ線を被検知物１３０４に照射する。被検知物１３０４を透過したＸ線は被検知物１３０４から５０ｃｍ離れた位置にある、減衰手段１３０５に入射する。
減衰手段１３０５はＮｉの三角柱を厚さ１ｍｍのカーボン基板上に並べた構造を有し、その周期は１５０μｍで三角柱の高さは７５μｍである。
分割素子１３０３によって分割されたＸ線は三角柱の周期方向の中心に入射するように配置されている。
減衰手段１３０５に近接した検出手段としてのＸ線検出器１３０６により、減衰手段１３０５を透過したＸ線強度を検出する。
Ｘ線検出器１３０６は画素サイズ５０μｍ×５０μｍのフラットパネル検出器を用い、三角柱の周期方向３画素のＸ線強度値を足し合わせて１つの減衰素子に対するＸ線強度とした。
【０１１７】
被検知物１３０４の存在しない状態での同様の撮影を行ったときの各Ｘ線の強度との変化から、演算手段１３０７を用いて各Ｘ線の位置変化量（ｄ）を事前に測定していた減衰手段の各位置でのＸ線透過率データのデータベースを用いて算出し、式（４）を用いてスリット周期方向に垂直方向の各画素の屈折角（Δθ）を算出する。
【０１１８】
屈折角（Δθ）から式（５）を用いて微分位相量を算出し、各Ｘ線から求めた微分位相量を空間的に積分することにより位相分布像を求める。
演算手段１３０７によって得られて、Ｘ線微分位相像、Ｘ線位相像は表示手段１３０８としてのＰＣモニタに表示される。
【０１１９】
［実施例２］
以下に、本発明の実施例２におけるＸ線撮像装置の構成例について説明する。
【０１２０】
図１４に、本実施例の構成例について説明する図を示す。
図１４において、１４０１はＸ線源、１４０４は被検知物、１４０５は減衰手段、１４０６はＸ線検出器、１４０８は表示手段である。
【０１２１】
本実施例において、Ｘ線発生手段としては、Ｘ線源１４０１に示すＭｏターゲットの回転対陰極型のＸ線発生装置を用いる。
Ｘ線源１４０１から発生したＸ線はＸ線源１４０１から１００ｃｍ離れた位置に配置した被検知物１４０４に照射する。被検知物１４０４を透過したＸ線は被検知物１４０４から５０ｃｍ離れた位置にある、減衰手段１４０５に入射する。
減衰手段１００５はＮｉの三角柱を厚さ１ｍｍのカーボン基板上に並べた構造を有し、その周期は１５０μｍで三角柱の高さはは７５μｍである。
減衰手段１４０５に隣接した検出手段としてのＸ線検出器１４０６により、減衰手段１４０５を透過したＸ線強度を検出する。
Ｘ線検出器１４０６は画素サイズ５０μｍ×５０μｍのフラットパネル検出器を用いて撮像した。
【０１２２】
被検知物１４０４の存在しない状態での同様の撮影を行ったときの像からの数学的な処理によって求めた像を表示手段１４０８としてのＰＣモニタに表示される。
【符号の説明】
【０１２３】
３０１ Ｘ線源
３０２ 単色化手段
３０３ 分割素子
３０４ 被検知物
３０５ 減衰手段
３０６ 検出器
３０７ 演算手段
３０８ 表示手段
４０１ 基準Ｘ線
４０２ Ｘ線
４０３ 減衰手段
４０４ 減衰素子
【技術分野】
【０００１】
本発明はＸ線を用いたＸ線撮像装置、およびＸ線撮像方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
放射線を用いた非破壊検査法は工業利用から医療利用まで幅広い分野で用いられている。
例えば、Ｘ線は波長が約１ｐｍ〜１０ｎｍ（１０−１２〜１０−８ｍ）程度の電磁波であり、このうち波長の短いＸ線（約２ｋｅＶ〜）を硬Ｘ線、波長の長いＸ線（約０．１ｋｅＶ〜２ｋｅＶ）を軟Ｘ線という。
Ｘ線による吸収能の違いを用いた吸収コントラスト法ではＸ線の透過能の高さを利用し、鉄鋼材料などの内部亀裂検査や手荷物検査などのセキュリティ分野の用途として実用化されている。
【０００３】
一方、Ｘ線の吸収によるコントラストが形成されにくい低密度差の被検知物に対しては、被検知物によるＸ線の位相変化を検出するＸ線位相イメージングが有効である。このようなＸ線位相イメージングを用いた方法は、高分子材料の相分離構造体のイメージングや医療等への応用が検討されている。
各種Ｘ線位相イメージングにおいて、特許文献１に示された屈折コントラスト法は、Ｘ線の被検知物による位相変化による屈折効果を利用した方法である。
この屈折コントラスト法は、微焦点のＸ線源を用い、被検知物と検出器の距離を離して撮像される。この屈折コントラスト法によれば、Ｘ線の被検知物による屈折効果から被検知物の輪郭が強調されて検出される。
【０００４】
また、屈折コントラスト法は屈折効果を利用するため、多くのＸ線位相イメージング手法の場合と異なりシンクロトロン放射光のような干渉性の高いＸ線を必ずしも必要としないという特徴がある。
【０００５】
一方、特許文献２では検出器の画素のエッヂ部分にＸ線を遮蔽するマスクを設置した撮像装置が開示されている。被検知物がない状態において、遮蔽マスクの一部にＸ線が照射するようにセッティングを行えば、被検知物による屈折効果により生じたＸ線の位置変化を強度変化として検知することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１０２２１５号公報
【特許文献２】国際公開２００８／０２９１０７号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載された屈折コントラスト法では、Ｘ線の被検知物による屈折効果における屈折角が非常に小さいため、輪郭強調した像を得るには検知物と検出器の距離を十分に離す必要性がある。そのため、屈折コントラスト法では、装置の大型化を招くという課題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、屈折コントラスト法の問題点を解決することができるＸ線撮像装置およびＸ線撮像方法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】
【０００９】
本発明に係るＸ線撮像装置は、被検知物によるＸ線の位相変化情報を取得するＸ線撮像装置であって、Ｘ線発生手段から発生したＸ線を空間的に分割する分割素子と、前記分割素子により分割されたＸ線が入射する減衰素子が複数配列された減衰手段と、前記減衰手段により減衰されたＸ線の強度を検出するための強度検出手段とを有し、前記減衰素子は、前記Ｘ線の入射位置に応じてＸ線の透過量が連続的に変化するように構成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、他の本発明に係るＸ線撮像装置は、Ｘ線を発生するＸ線発生手段と、被検知物を透過した際に生じるＸ線の強度分布の変化に応じてＸ線の透過量が連続的に変化する吸収能勾配を有した減衰素子が複数配列された減衰手段と、前記減衰手段により減衰されたＸ線の強度を検出するための強度検出手段とを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るＸ線撮像装置に用いるＸ線撮像方法は、空間的にＸ線を分割する工程と、前記空間的に分割されたＸ線が入射する減衰素子が複数配列された減衰手段を用いて、前記被検知物によるＸ線の位相変化情報を前記減衰素子を透過したＸ線の強度から取得する工程を有し、前記減衰素子は、Ｘ線の入射位置に応じてＸ線の透過量が連続的に変化するように構成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、他の本発明に係るＸ線撮像装置に用いるＸ線撮像方法は、被検知物を透過した際に生じるＸ線の強度分布の変化に応じてＸ線の透過量が連続的に変化する吸収能勾配を有した減衰素子が複数配列された減衰手段を用いて、前記減衰素子を透過したＸ線の強度分布の変化を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、屈折コントラスト法の問題点を解決できるＸ線撮像装置およびＸ線撮像方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態１におけるＸ線撮像装置の構成例を説明する図。
【図２】本発明の実施形態１における減衰手段の一部分について説明する模式図。
【図３】本発明の実施形態２におけるＸ線撮像装置の構成例を説明する図。
【図４】本発明の実施形態２における減衰手段の一部分について説明する模式図。
【図５】本発明の実施形態２における演算処理の方法について説明するフロー図。
【図６】本発明の実施形態３における実施形態２の減衰手段の代わりに、別の形態による減衰手段を用いた構成例について説明する模式図。
【図７】本発明の実施形態４における減衰手段および減衰素子を説明する図。
【図８】光路長変化が対数関数型の場合と線型の場合を比較する図。
【図９】光路長変化が対数関数型の場合と線型の場合を比較する図。
【図１０】実施形態４における減衰手段を説明する図。
【図１１】本発明の実施形態５におけるコンピューテッドトモグラフィ（ＣＴ）による構成例を説明する装置の概略図。
【図１２】本発明の実施形態５における演算処理の方法について説明するフロー図。
【図１３】本発明の実施例１におけるＸ線撮像装置の構成例を説明する図。
【図１４】本発明の実施例２におけるＸ線撮像装置の構成例を説明する図。
【図１５】物質によってＸ線が屈折される様子を説明する図。
【図１６】特許文献２の課題を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態では、吸収能勾配（透過能勾配）を有する減衰素子を複数配列した減衰手段を用いて屈折効果によるＸ線の強度分布変化またはＸ線の位置変化情報を取得する。
ここで、吸収能勾配（透過能勾配）を有する減衰素子とは、Ｘ線の強度分布変化またはＸ線の入射位置に応じてＸ線の吸収量（透過量）が連続的に変化する素子のことをいう。この減衰素子は、連続的または段階的に形状を変化させることにより構成することができる。また、単位体積当たりのＸ線の吸収量（透過量）を連続的または段階的に変化させることにより構成することもできる。なお、本明細書では、「連続的」との用語は「段階的」の概念を含むものとして取り扱うこともある。
【００１６】
以下、本発明に係るＸ線撮像装置およびＸ線撮像方法に関する具体的な実施形態について説明する。
【００１７】
（実施形態１）
実施形態１においては、Ｘ線の位相変化から像を得るＸ線撮像装置の構成例について説明する。
【００１８】
図１５は、物質を透過した際に生じるＸ線の屈折を模式的に示したものである。物質に対するＸ線の屈折率は１より若干小さい値を有する。
そのため、図１５に示すような場合、Ｘ線１５０１と１５０７において、物質１５０２を透過したＸ線１５０７は物質１５０２の外側（図１５では上側）に向かって屈折する。
この際、物質１５０２を透過したＸ線は、物質１５０２の外側を進行してきたＸ線１５０１と重なるため強度が増す。一方、屈折したＸ線の物質に対する入射位置の延長線上の部分は、Ｘ線が弱くなる。この結果、得られる透過Ｘ線強度分布１５０３は、図１５に示すように、物質１５０２の輪郭が強調された分布を持つ。
【００１９】
ここで、Ｘ線の屈折角θは非常に小さい値であるため、検出器の画素サイズを考慮すると、物質と検出器の距離を遠ざけないと、輪郭強調を検出することが難しい。そのため、上記特許文献１に記載した屈折コントラスト法では、被検知物と検出器とを十分に離して配置し、像を拡大する必要があるため、装置の大型化を招く。
【００２０】
つまり、被検知物と検出器までの距離が短いと、検出器１５０４の画素１５０５のサイズが透過Ｘ線強度分布１５０３の強弱パターンよりも大きくなり、１画素内で強弱の強度が打ち消し合うことになる。これにより、輪郭が強調された像を得ることができなくなる。
【００２１】
そこで、本実施形態では、被検知物と検出器の距離を短くした場合であっても、Ｘ線強度の強弱パターンを検出するために、吸収能勾配を有する減衰手段を用いることを特徴とする。
【００２２】
図１に、本実施形態におけるＸ線撮像装置の構成例を説明する図を示す。
【００２３】
Ｘ線発生手段としてのＸ線源１０１から発生したＸ線は、被検知物１０４によって位相が変化し、その結果、屈折する。屈折したＸ線は減衰手段１０５に入射する。減衰手段１０５を透過したＸ線は強度検出手段としての検出器１０６によりそれぞれのＸ線の強度が検出される。検出器１０６により得たＸ線に関する情報はモニタ等の表示手段１０８に出力される。
被検知物１０４としては、人体、人体以外としては無機材料、無機有機複合材料が挙げられる。なお、被検知物１０４を移動する移動手段（不図示）を別途設けてもよい。この移動手段により、被検知物１０４を適宜移動することができるため、被検知物１０４の特定個所についての像を得ることができる。
【００２４】
検出器１０６は、間接型、直接型を問わず種々のＸ線検出器を用いることができる。例えばＸ線フラットパネル検出器、Ｘ線ＣＣＤカメラや直接変換型Ｘ線２次元検出器などから選択される。
検出器１０６は減衰手段１０５と近接していてもよいし、一定の間隔を隔てて配置してもよい。また、減衰手段１０５を検出器１０６の中に組み込んでも良い。
なお、単色Ｘ線を用いる場合には、Ｘ線源１０１と被検知物１０４との間に単色化手段１０２を配置してもよい。単色化手段１０２としては、スリットと組み合わせたモノクロメータやＸ線多層膜ミラーなどを用いることができる。
【００２５】
つぎに、減衰手段１０５について、更に説明する。図２に、減衰手段１０５の一部分について説明する模式図を示す。減衰手段２０３を構成する減衰素子２０４は入射するＸ線に対して垂直方向に厚みが変化している三角柱形状を有している。
【００２６】
このように構成することにより、Ｘ方向に減衰素子２０４内における透過Ｘ線の光路長が変化する。すなわち、減衰素子２０４は、Ｘ線の強度分布あるいはＸ線の入射位置によりＸ線の吸収量（透過量）が変化する吸収能勾配を有している。なお、減衰素子２０４は、板状の部材を加工することにより構成してもよい。
符号２０１は被検知物２０４がない状態での減衰素子２０４に入射する基準Ｘ線強度分布を示し、符号２０２は被検知物２０４がある状態での屈折によって変化した減衰素子２０４へ入射するＸ線の強度分布である。
【００２７】
検出器１画素に入るＸ線の強度は、どのような強度分布を持っていても積分強度が同じであれば、検出するＸ線強度は同じとなる。しかし、Ｘ方向に透過Ｘ線強度が連続的に変化する減衰素子２０４を設置することにより、被検知物１０４によってＸ線が屈折することによる強度分布変化を透過Ｘ線強度変化に変換することができる。
【００２８】
例えば、図２において、符号２０２の強め合っている箇所が図よりも上方向にシフトすれば、透過Ｘ線の強度は増加する。一方、符号２０２の強めあっている箇所が図よりも下方向にシフトすれば透過Ｘ線の強度は減少する。このため、被検知物１０４がない状態で検出したＸ線強度と、被検知物１０４がある状態で検出したＸ線強度を比較することにより、微小な屈折の効果をＸ線強度分布として検出することができる。
【００２９】
このような構成により、検出器１０６の１画素内の微小な強度分布変化も検出できることから被検知物１０４と検出器１０６の距離を長く取る必要性がなく、装置の小型化が可能となる。また、被検知物１０４と検出器１０６の距離を長くする構成を選択すれば、より微小な屈折による強度分布変化を検出することも出来る。
さらに、この手法によれば、位相変化の検出にＸ線の屈折効果を利用するため干渉性の高いＸ線を必ずしも用いる必要がない。
【００３０】
なお、上記では、同一の実効的な線吸収係数を有し、かつ連続的に形状が変化した減衰素子について説明したが、該減衰素子は、ある方向においてＸ線の吸収量（透過量）が変化するような吸収能勾配を有していればよい。例えば、後述する図４のように入射するＸ線に対して垂直方向に密度が連続的に変化している減衰素子も本実施形態のＸ線撮像装置に用いることが可能である。
【００３１】
また、減衰素子の吸収能勾配は図２に示すように連続的である必要はなく、階段状（ステップ状）に吸収量（透過量）が変化している場合も含まれる。例えば、段階的に形状が変化していてもよいし、段階的に密度が変化していてもよい。
【００３２】
また、Ｘ線強度分布の変化を得るためには減衰素子の吸収能勾配の方向が一方向以上であっても構わない。例えば、同一の減衰素子内で、Ｘ方向とＹ方向に吸収能勾配を有するように構成すれば、２次元方向の位相勾配を計測することも可能である。このような形状としては、例えばピラミッド型や円錐型などがある。
【００３３】
また、同一の減衰素子内だけでなく、Ｘ方向の勾配を有した第１の減衰素子と、Ｙ方向の勾配を有した第２の減衰素子を交互に面内に有した減衰素子を用いて２次元方向の位相勾配を計測することも可能である。
さらに、Ｘ方向の勾配とＹ方向の勾配を有した減衰素子を積層化してもよい。すなわち、第１層目にはＸ方向の吸収勾配を有した減衰手段を設け、第２層目にはＹ方向の吸収勾配を有した減衰手段を設けてもよい。
【００３４】
また、減衰手段１０５からの散乱Ｘ線による像の不明瞭化を軽減するために、減衰手段１０５と検出器１０６の間にレントゲン撮影に用いられるグリッドを配置しても良い。
【００３５】
（実施形態２：分割素子を設ける構成例）
実施形態２においては、Ｘ線の位相変化情報としての位相像を得ることのできるＸ線撮像装置および方法について説明する。本実施形態は、Ｘ線を分割する素子を設ける点において、実施形態１とは異なる。
【００３６】
上記特許文献２に開示されている撮像装置は、Ｘ線を分割する光学素子を用いるとともに、検出器の画素のエッヂ部分にＸ線を遮蔽するマスクを設けている。図１６に特許文献２における検出器部分の一例を示す。図１６（ａ）は検出器をＸ線の入射方向から見た図であり、図１６（ｂ）はＸ線の入射方向に対して垂直方向から見た図である。
【００３７】
検出器の画素１６０１のエッジ部分にＸ線を遮蔽するためのマスク１６０２が設置されている。入射Ｘ線１６０３はマスク１６０２の一部にかかるように各画素に入射される。このような配置で被検知物に対してＸ線を入射すると、屈折効果により画素１６０１上での各入射Ｘ線１６０３の位置が変化する。この位置変化によりマスク１６０２で遮蔽されるＸ線の強度が変化する。そのため、Ｘ線の強度変化を検出することにより、屈折効果を測定することができる。
【００３８】
しかしながら、特許文献２に記載の方法は、Ｘ線を遮蔽するマスク１６０２を設けているため、入射Ｘ線１６０３の照射領域がマスク１６０２内に収まってしまった場合、Ｘ線の位置変化を正確に検出することができないという問題点がある。また入射Ｘ線１６０３のマスク１６０２内に収まっている領域内のみでの位置変化に対してはＸ線の強度変化を検出することができないという問題点がある。すなわち、特許文献２に記載の方法は、不感領域が存在するという課題がある。
【００３９】
そこで、実施形態２では、特許文献１に記載の屈折コントラスト法よりも小型化が可能であり、かつ、特許文献２に記載の方法よりも不感領域の少ない装置および方法について説明する。
【００４０】
図３に、本実施形態におけるＸ線撮像装置の構成例を説明する図を示す。
Ｘ線発生手段としてのＸ線源３０１から発生されたＸ線は、分割素子３０３により空間的に分割される。すなわち、分割素子３０３は、特許文献２に記載されている複数のアパーチャを有するサンプルマスクとして機能するものであって、この分割素子３０３を透過したＸ線はＸ線の束となる。分割素子３０３は、ラインアンドスペースによるスリットアレイ形状を備えたものであっても、２次元的に配列された穴を有しているものであっても良い。
【００４１】
また、分割素子３０３に設けられたスリットはＸ線を透過する形態であれば、光学素子の基板を貫通していなくとも良い。分割素子３０３の材料としては、Ｘ線の吸収率が高いＰｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔａ、Ｗなどから選択される。あるいは、これらの材料を含む化合物であっても良い。
【００４２】
分割素子３０３により分割されたＸ線の検出器３０６位置でのラインアンドスペースの周期は、検出器３０６の画素サイズ以上である。すなわち、強度検出手段を構成する画素の大きさは、分割素子３０３により分割されたＸ線の空間的な周期以下である。
分割素子３０３により空間的に分割されたＸ線は、被検知物３０４によって屈折される。屈折したそれぞれのＸ線は減衰手段３０５に入射する。減衰手段３０５を透過したＸ線は検出器３０６によりそれぞれのＸ線の強度が検出される。検出器３０６により得たＸ線に関する情報は演算手段３０７により数的処理がなされ、モニタ等の表示手段３０８に出力される。
【００４３】
なお、単色化手段３０２、被検知物３０４、該被検知物３０４を移動する移動手段、検出器３０６、グリッド等に関しては、実施形態１と同様のものを用いることができる。
【００４４】
つぎに、減衰手段３０５について、更に説明する。
図４に、減衰手段３０５の一部分について説明する模式図を示す。
基準Ｘ線４０１は、被検知物３０４の存在しない状態での分割されたＸ線を示し、減衰素子４０４のＸ方向における中心に入射されることが好ましい。Ｘ線４０２は被検知物３０４の存在によって屈折したＸ線を示している。減衰手段４０３は、減衰素子４０４を複数配列して構成されている。
図４の右側に示すように減衰素子４０４はＸ方向（入射するＸ線に対して垂直方向）に連続的な密度分布がある。つまり、図４の減衰素子４０４の密度変化はＸ線の吸収の度合いを変化させ、密度が高い方がよりＸ線を通さない。すなわち、減衰素子４０４におけるＸ線の入射位置の変化量に応じて、Ｘ線の吸収量（透過量）が連続的に変化するような吸収能勾配を有している。
減衰素子２０４を透過した基準Ｘ線２０１の強度は、次の式（１）によって表される。
【００４５】
【数１】
【００４６】
Ｉ０は分割素子３０３によって空間的に分割されたＸ線の強度、μ／ρは減衰素子４０４の実効的な質量吸収係数、ρ０は基準Ｘ線４０１が減衰素子４０４内の透過した部分における減衰素子４０４の密度、Ｌは減衰素子４０４の厚さである。
【００４７】
一方、被検知物３０４によって屈折したＸ線４０２の減衰素子４０４透過後の強度は、次の式（２）で表される。
【００４８】
【数２】
【００４９】
Ａは被検知物３０４によるＸ線の透過率を示し、ρ’はＸ線４０２が減衰素子４０４内の透過した部分における減衰素子４０４の密度を示している。上記式（１）と式（２）から基準Ｘ線４０１とＸ線４０２の減衰素子４０４内の透過した部分の位置変化を示す減衰素子４０４の密度差は、次の式（３）により表される。
【００５０】
【数３】
【００５１】
Ｘ線に対して被検知物３０４の吸収効果が極めて小さい場合にＡは１になり、吸収の効果が無視できない場合は減衰手段３０５がない状態での撮像によりＡを求めることができる。
一方、Ｘ線吸収体の密度分布は既知であるため、上記式（３）が示す密度差から、減衰手段３０５上での位置変化量（ｄ）を得ることができる。
つまり、基準Ｘ線４０１とＸ線４０２の検出強度の関係から、被検知物３０４での屈折による微量の位置変化量を得ることができる。
【００５２】
つぎに、本実施形態における演算処理の方法について説明する。
図５に、演算処理のフロー図を示す。
まず、第１のステップであるＳ１００において、減衰手段３０５を透過した各Ｘ線の強度情報を取得する。
【００５３】
次に、第２のステップであるＳ１０１において、演算手段３０７を用いて、各Ｘ線のスリット周期方向に垂直方向の各画素の強度情報から基準Ｘ線４０１に対する位置変化量（ｄ）を演算して算出する。
位置変化量（ｄ）は、式（３）を使用することにより求めることができる。すなわち、Ｘ線吸収体の密度分布は既知であるため、上記式（３）が示す密度差から、減衰手段３０５上での位置変化量（ｄ）を得ることができる。
あるいは、透過Ｘ線強度と位置変化量（ｄ）の対応関係をデータテーブルとして演算手段３０７などに格納しておき、測定強度からデータテーブルを参照して位置変化量（ｄ）を求めても良い。このデータテーブルは、各減衰素子４０４について減衰手段３０５もしくは分割素子３０３を移動させ減衰素子４０４の各位置における透過Ｘ線強度を検出することにより作成することができる。また、データテーブルの作成にあたっては、分割素子３０３を移動させる代わりに分割素子３０３のスリット幅と同等の幅を持つ単スリットを用いて減衰素子４０４の各位置における透過Ｘ線強度を検出しても構わない。
【００５４】
次に、第３のステップであるＳ１０２において、各Ｘ線の屈折角（Δθ）を算出する。位置変化量（ｄ）と、被検知物３０４−減衰手段３０５間距離（Ｚ）を用いて各Ｘ線の屈折角（Δθ）は、次の式（４）を用いることにより得られる。
【００５５】
【数４】
【００５６】
また、屈折角度（Δθ）と微分位相（ｄφ／ｄｘ）とは式（５）の関係がある。
【００５７】
【数５】
【００５８】
λはＸ線の波長であり連続Ｘ線を用いる場合は実効波長を意味する。
【００５９】
次に、第４のステップであるＳ１０３において、上記式（５）を用いて各Ｘ線のスリット周期方向に垂直方向の各画素の微分位相（ｄφ／ｄｘ）を演算して微分位相情報を取得する。
【００６０】
次に、第５のステップであるＳ１０４において、上記演算結果から得られた各微分位相（ｄφ／ｄｘ）をＸ方向に積分することによって位相情報（φ）を取得する。なお、Ｓ１０５のステップにおいては、この様に算出された微分位相像および位相像は表示手段１０８によって表示することができる。
【００６１】
上記の構成によれば、微小なＸ線の位置変化を検出できるため、被検知物３０４と検出器３０６の距離を短くすることができる。すなわち、特許文献１に記載の屈折コントラスト法に比べて装置の小型化が可能となる。また、分割素子３０３を用いることにより、微分位相量、位相量を定量化することができる。また、Ｘ線の遮蔽領域の無い透過型の減衰手段３０５を用いるため不感領域が存在しない。
【００６２】
なお、被検知物３０４と検出器３０６の距離を長くする構成を選択すれば、より微小な屈折によるＸ線位置変化を測定することが出来る。
また、位相変化の検出にＸ線の屈折効果を利用するため干渉性の高いＸ線を必ずしも用いる必要がない。
【００６３】
（実施形態３）
実施形態３においては、実施形態２の減衰手段とは異なる形態による減衰手段を用いたＸ線撮像装置の構成例について説明する。本実施形態の装置の基本構成は実施形態２で説明した図３と同じである。
【００６４】
図６に、実施形態３の構成例について説明する模式図を示す。
【００６５】
基準Ｘ線６０１は被検知物６０４の存在しない状態での分割されたＸ線を示す。この基準Ｘ線６０１は、減衰素子６０４のＸ方向における中心に入射されることが好ましい。Ｘ線６０２は被検知物３０４の存在によって屈折したＸ線を示している。
図６に示すように、減衰手段６０３は、三角柱状の減衰素子６０４を並べた構造体により構成することができる。この減衰素子６０４は、同一の実効的な線吸収係数を有し、かつ入射するＸ線に対して垂直方向に厚みが連続的に変化している。
減衰素子６０４は三角柱形状なのでＸ方向に減衰素子６０４内における透過Ｘ線の光路長が変化する。すなわち、Ｘ方向に対するＸ線の入射位置に応じてＸ線の吸収量（透過量）が変化する。
【００６６】
減衰素子６０４を透過した基準Ｘ線６０１の強度は、次の式（６）によって表される。
【００６７】
【数６】
【００６８】
Ｉ０は分割素子３０３によって空間的に分割されたＸ線の強度、μは減衰素子６０４の実効的な線吸収係数、ｌ０は基準Ｘ線６０１の減衰素子６０４内の光路長である。
【００６９】
一方、被検知物３０４によって屈折したＸ線６０２の減衰素子６０４透過後の強度は、次の式（７）で表される。
【００７０】
【数７】
【００７１】
Ａは被検知物３０４によるＸ線の透過率を示し、ｌはＸ線６０２の減衰素子６０４内の光路長を示している。
【００７２】
上記式（６）、式（７）と減衰素子６０４の頂角（α）から減衰手段３０５上での位置変化量（ｄ）は、次の式（８）で表すことができる。
【００７３】
【数８】
【００７４】
Ｘ線に対して被検知物３０４の吸収効果が極めて小さい場合Ａは１になり、吸収の効果が無視できない場合は減衰手段３０５がない状態での撮像によりＡを求めることができる。
【００７５】
つまり、基準Ｘ線６０１とＸ線６０２の検出強度の関係から、被検知物３０４での屈折による微量の位置変化量（ｄ）を得ることができる。
【００７６】
また、減衰素子６０４を三角柱にすることにより、位置変化量（ｄ）は減衰素子６０４のどの位置を使用しても、基準Ｘ線６０１とＸ線６０２の比をもとに決めることができる。
【００７７】
減衰手段３０５を透過したＸ線は検出器３０６により検出される。この検出されたデータを実施形態２と同様の演算手段３０７を用いて、スリット周期方向に垂直方向の各画素の微分位相（ｄφ／ｄｘ）および位相（φ）を算出する。そして、微分位相像および位相像を表示手段３０８によって表示することができる。
【００７８】
また、式（８）を用いなくてもその検出強度と位置変化量（ｄ）の関係についてデータテーブルを作り、そのテーブルを参照して、実際に測定における強度情報から位置変化量（ｄ）を求めても良い。このデータテーブルは、各減衰素子６０４について減衰手段３０５もしくは分割素子３０３を移動させ透過Ｘ線強度を検出することにより作成することができる。また、データテーブルの作成にあたっては、分割素子３０３を移動させる代わりに分割素子３０３のスリット幅と同等の幅を持つ単スリットを用いて減衰素子６０４の各位置における透過Ｘ線強度を検出しても構わない。
【００７９】
このような構成により、微小なＸ線の位置変化を検出できるため、被検知物３０４と検出器３０６の距離を長く取る必要性がなく装置の小型化ができる。また、Ｘ線の遮蔽領域の無い透過型の減衰手段３０５を用いるため不感領域が存在しない。
なお、被検知物３０４と検出器３０６の距離を長くする構成を選択すれば、より微小な屈折によるＸ線の位置変化を検出することが出来る。
【００８０】
また、位相変化の検出にＸ線の屈折効果を利用するため干渉性の高いＸ線を必ずしも用いる必要がない。
【００８１】
（実施形態４：湾曲形状を有する減衰素子）
実施形態４においては、実施形態３とは異なる形状を有する減衰素子について説明する。
【００８２】
図７（ａ）に実施形態４に係る減衰手段の構成例を示す。また、図７（ｂ）に減衰手段を構成する減衰素子の構成例を示す。
【００８３】
減衰素子は、屈折Ｘ線７０２の基準Ｘ線７０１からの位置変化に対し、連続的に変化する形状を持っていれば、位置変化を強度変化として検出器３０５により検出できる。しかし、屈折Ｘ線の位置変化に対する光路長変化が線形である場合は、その位置変化に対し検出するＸ線強度が指数関数的に激しく変化し、有効に位置変化を検出できる範囲が小さくなる。そこで、本実施形態では、屈折Ｘ線の位置変化に対する光路長変化が線形にならず、その二階微分値の値が正となる形状について説明する。
【００８４】
図７（ｂ）に減衰素子７０３を拡大した模式図を示す。図７（ｂ）では、屈折によるＸ線の位置変化方向をＸ軸方向に、これと直行するＸ線の光路方向にｙ軸方向にとっている。
【００８５】
被検知物を透過したＸ線は、屈折によりその位置が図７（ｂ）の基準Ｘ線７０９から屈折Ｘ線７０５へΔｘだけ変化する（符号７０４）。ここで、減衰素子７０３は、符号７０６で示した屈折Ｘ線が減衰素子７０３を透過する光路長ｔ（ｘ）について、その入射位置変化による二階微分値ｄ２ｔ（ｘ）／ｄｘ２が正となるような形状を持つ。特にその光路長７０６の変化が対数関数型である場合、以下の式（９）で表される。
ｔ（ｘ）＝ＡＲ・ｓ｛１−ｌｎ（ｘ＋１）／ｌｎ（ｓ＋１）｝ （式９）
ここで、ｓは減衰素子７０３のｘ軸方向の長さ、ＡＲは減衰素子７０３の縦横比である。上記ｓは図７（ｂ）において符号７０７で示されている。ここで縦横比ＡＲは、符号７０８で示したｙ軸方向の長さＬを用いて、以下の式（１０）で表される。
ＡＲ＝Ｌ／ｓ （式１０）
またｓ（符号７０７）は、減衰手段とＸ線検出手段が近接する場合は、Ｘ線検出手段の分解能の整数倍の値をとる。一方、近接しない場合はＸ線発生手段から見た減衰素子７０３の検出手段の検出面への投影が、Ｘ線検出手段の分解能の整数倍の値をとるように調整される。
【００８６】
ところで、光路長７０６の変化が線型である場合には、この光路長ｔ（ｘ）は以下の式（１１）で表される。
ｔ（ｘ）＝ＡＲ（ｓ−ｘ） （式１１）
なお、この光路長ｔ（ｘ）の二階微分値は零である。
【００８７】
検出器で測定されるＸ線の強度Ｉ（ｘ）は、検出器のダイナミックレンジＤＲを用いて、以下の式（１２）で表される。
Ｉ（ｘ）＝ＤＲ・ｅｘｐ（−ｔ（ｘ）／ｌｅｘ） （式１２）
ここでｌｅｘは、減衰素子７０３に用いる材料のＸ線に対する消衰距離である。さらに、減衰素子７０３の光路長変化が対数関数型である場合は、検出器で測定されるＸ線の強度Ｉ（ｘ）は以下の式（１３）で表される。
Ｉ（ｘ）＝ＤＲ・ｅｘｐ［‐ＡＲ・ｓ｛１−ｌｎ（ｘ＋１）／ｌｎ（ｓ＋１）｝／ｌｅｘ］
＝ＤＲ・ｅ−ａ（ｘ＋１）ｂ （式１３）
ここでａ，ｂは、以下の式（１４）および式（１５）で表される。
ａ＝ＡＲ・ｓ／ｌｅｘ （式１４）
ｂ＝ａ／１ｎ（ｓ＋１）＝ＡＲ・ｓ／（ｌｅｘ・１ｎ（ｓ＋１）） （式１５）
減衰素子７０３の縦横比や材料を選定し、ｂを１に近づくように調整すると、検出器での検出される強度変化は線型となる。このように強度変化を線型とすれば、強度変化が指数関数的に急激に変化するに比べ、検出する強度変化を緩やかにできる。
【００８８】
次に、減衰素子７０３の光路長７０６の変化が対数関数型（強度変化が線型）である場合と、光路長の変化が線型（強度変化が指数関数的であるもの）である場合の比較を行う。
【００８９】
なお、以下の計算において、Ｘ線発生手段から発生するＸ線としては、Ｍｏの特性Ｘ線としている。減衰素子７０３のｘ軸方向の長さｓ（符号７０７）およびダイナミックレンジＤＲは、それぞれ検出器３０６の分解能とダイナミックレンジに依存する。ここでは、検出器としてＸ線フラットパネル検出器を用いるとし、ｓ＝１００μｍ、ＤＲ＝５０００ｃｐｓ、検出の積算時間１秒とする。
【００９０】
減衰素子７０３について、位置変化に対し十分な強度変化を得るために素子の両端で１００倍程度の強度変化を見込み、さらにＡＲを加工可能な値として１程度に設定する。すなわち、ｌｅｘ＝−１ｎ（１／１００）／（ＡＲ・ｓ）より、消衰距離ｌｅｘが２２μｍ程度である材料を選択すればよい。このような材料として例えば、ｌｅｘ＝２２．８μｍであるＣｕを減衰素子の材料として選択することができる。
【００９１】
ここで、測定強度Ｉ（ｘ）に対しその統計誤差であるＩ（ｘ）の平方根よりも、Ｉ（ｘ）の微分値の方が大きい範囲を位置変化の検出が有効である範囲（有効検出範囲）であるとする。Ｘ軸方向の長さｓに対する有効検出範囲の割合をｅｆｆとする。したがって、減衰素子７０３の全検出領域で位置変化の検出が有効であれば、ｅｆｆ＝１である。
【００９２】
図８に、減衰素子７０３の光路長７０６の変化が対数関数型（式（９））と線型（式（１１））である場合の、縦横比ＡＲに対するｅｆｆの変化を示す。
【００９３】
この図より、光路長変化が対数関数型である場合、縦横比ＡＲを１．５から２．５程度に設定すれば、ｅｆｆ＝１を達成することが分かる。一方、光路長変化が線型である場合には、縦横比ＡＲを調整してもｅｆｆ＝０．５程度までしか向上できないことも分かる。
【００９４】
図９（ａ）に縦横比ＡＲが１．５であり光路長７０６の変化が対数関数型である場合の測定強度変化と、縦横比ＡＲが０．８５であり光路長７０６の変化が線型である場合の測定強度変化を示す。
【００９５】
また、図９（ｂ）に、図９（ａ）で示した強度変化の微分値と平方根（統計誤差）を示した。これらの図より、対数関数型は縦横比が線型より測定強度変化が緩やかであること、また、素子の全領域で測定強度変化の微分値が統計誤差を上回っていること、すなわちｅｆｆが１であることが分かる。
【００９６】
光路長７０６の変化が対数関数型である場合、縦横比ＡＲを１に固定したときであっても消衰距離ｌｅｘを１．４程度に調整すればｅｆｆ＝１を達成できる。
【００９７】
なお、消衰距離ｌｅｘの調整はＣｕのような純金属によらなくてもよく、合金や混合物を選択することで調整してもよい。合金の場合は固溶体であることが望ましいが、材料が相分離する場合にもその微視構造がｘ軸方向の長さｓや屈折したＸ線の断面サイズに比べ十分小さければよい。純金属、合金、混合物などの場合には、多孔構造をとることにより密度を変化させ消衰距離ｌｅｘを調整してもよい。この場合も、孔のサイズはＸ軸方向の長さｓ（符号７０７）や屈折Ｘ線７０２の断面サイズに比べ十分小さいことが望ましい。
【００９８】
また、図１０に示すように、シリンドリカル面を対向させることにより減衰素子を構成してもよい。例えば、Ｃｕで形成されたＸ線減衰部１００１は、支持基板１００２により固定されている。この支持基板１００２は、Ｘ線の吸収を無視できる厚さまで加工された樹脂製の部材により構成してもよい。図１０に示す減衰手段における隣り合う減衰素子間では、基準Ｘ線１００３の調整位置からの同一方向の屈折Ｘ線の位置ずれは逆センスの強度変化として検出される。この減衰素子においても光路長変化の二階微分値は正となる。
【００９９】
（実施形態５：コンピューテッドトモグラフィ）
実施形態５においては、コンピューテッドトモグラフィ（ＣＴ）の原理を用いて、３次元的な位相分布を得る装置の構成例について説明する。
【０１００】
図１１に、本実施形態におけるＣＴ装置の構成例を説明する概略図を示す。
図１１において、１１０１はＸ線源、１１０３は分割素子、１１０４は被検知物、１１０５は減衰手段、１１０６はＸ線検出器、１１０７は演算手段、１１０８は表示手段である。
【０１０１】
本実施形態におけるＣＴ装置は、Ｘ線源１１０１、分割素子１１０３、減衰手段１１０５とＸ線検出器１１０６は、被検知物１１０４のまわりを同期させて移動させる可動手段により、移動可能に構成されている。
【０１０２】
また、分割素子１１０３により空間的に分割されたＸ線は被検知物１１０４に照射され、透過Ｘ線は減衰手段１１０５に入射する。
【０１０３】
減衰手段１１０５により、分割されたＸ線の被検知物１１０４での屈折による微量の位置変化量を得ることができる。減衰手段１１０５を透過したＸ線はＸ線検出器１１０６により検出される。
【０１０４】
この撮像を分割素子１１０３、減衰手段１１０５とＸ線検出器１１０６は、被検知物１１０４のまわりを同期させて移動させて行うことにより被検知物１１０４の投影データを得る。場合によっては分割素子１１０３、減衰手段１１０５とＸ線検出器１１０６を固定し、被検知物１１０４を回転させて投影データを得ても構わない。
【０１０５】
つぎに、本実施形態における演算処理の方法について説明する。
【０１０６】
図１２に、演算処理のフロー図を示す。
【０１０７】
まず、第１のステップであるＳ２００において、減衰手段１１０５を透過した各Ｘ線の強度情報を取得する。
次に、第２のステップであるＳ２０１において、各Ｘ線の強度情報から基準Ｘ線に対する位置変化量（ｄ）を算出する。
次に、第３のステップであるＳ２０２において、位置変化量（ｄ）と被検知物１１０４−減衰手段１１０５間の距離（Ｚ）を用いて、各Ｘ線の屈折角（Δθ）を求める。
次に、第４のステップであるＳ２０３において、屈折角（Δθ）から各Ｘ線の微分位相（ｄφ／ｄｘ）を算出する。
次に、第５のステップであるＳ２０４において、得られた各微分位相（ｄφ／ｄｘ）をＸ方向に積分することによって位相（φ）を算出する。
【０１０８】
これらの一連のＳ２０１からＳ２０４の作業を、全投影データについて繰り返し処理する。
次に、第６のステップであるＳ２０５において、全投影データにおける位相像からコンピューテッドトモグラフィにおける画像再構成法（たとえばフィルタ逆投影法など）により、断層像を得る。
なお、Ｓ２０６のステップにおいては、断層像を表示手段１１０８によって表示することができる。
【０１０９】
このような構成により、装置の小型化ができ、かつ、Ｘ線の屈折効果を利用するため干渉性の高いＸ線を必ずしも用いる必要がなく、このＣＴ装置を利用することにより、非破壊的に被検知物の３次元像を得ることができる。
【実施例】
【０１１０】
以下に、本発明の実施例について説明する。
【０１１１】
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用したＸ線撮像装置の構成例について説明する。
【０１１２】
図１３に、本実施例の構成例について説明する図を示す。
図１３において、１３０１はＸ線源、１３０２はモノクロメータ、１３０３は分割素子、１３０４は被検知物、１３０５は減衰手段、１３０６はＸ線検出器、１３０７は演算手段、１３０８は表示手段である。
【０１１３】
本実施例において、Ｘ線発生手段としては、Ｘ線源１３０１に示すＭｏターゲットの回転対陰極型のＸ線発生装置を用いる。
Ｘ線の単色化手段としては高配向性熱分解黒鉛（ＨＯＰＧ：Ｈｉｇｈｌｙ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｇｒａｐｈｉｔｅ）のモノクロメータ１３０２を用いＭｏの特性Ｘ線部分を抽出する。
モノクロメータ１３０２により単色化されたＸ線はＸ線源から１００ｃｍ離れた位置に配置した分割素子１３０３により空間的に分割される。
【０１１４】
この分割素子１３０３としては、厚さ１００μｍのＷにスリット幅４０μｍのスリットを並べたものを用いた。スリット周期は減衰手段１３０５上で１５０μｍである。
【０１１５】
なお、Ｗ以外にも、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔａ、Ｐｔなどの材料を使用することも可能である。
【０１１６】
分割素子１３０３により分割されたＸ線を被検知物１３０４に照射する。被検知物１３０４を透過したＸ線は被検知物１３０４から５０ｃｍ離れた位置にある、減衰手段１３０５に入射する。
減衰手段１３０５はＮｉの三角柱を厚さ１ｍｍのカーボン基板上に並べた構造を有し、その周期は１５０μｍで三角柱の高さは７５μｍである。
分割素子１３０３によって分割されたＸ線は三角柱の周期方向の中心に入射するように配置されている。
減衰手段１３０５に近接した検出手段としてのＸ線検出器１３０６により、減衰手段１３０５を透過したＸ線強度を検出する。
Ｘ線検出器１３０６は画素サイズ５０μｍ×５０μｍのフラットパネル検出器を用い、三角柱の周期方向３画素のＸ線強度値を足し合わせて１つの減衰素子に対するＸ線強度とした。
【０１１７】
被検知物１３０４の存在しない状態での同様の撮影を行ったときの各Ｘ線の強度との変化から、演算手段１３０７を用いて各Ｘ線の位置変化量（ｄ）を事前に測定していた減衰手段の各位置でのＸ線透過率データのデータベースを用いて算出し、式（４）を用いてスリット周期方向に垂直方向の各画素の屈折角（Δθ）を算出する。
【０１１８】
屈折角（Δθ）から式（５）を用いて微分位相量を算出し、各Ｘ線から求めた微分位相量を空間的に積分することにより位相分布像を求める。
演算手段１３０７によって得られて、Ｘ線微分位相像、Ｘ線位相像は表示手段１３０８としてのＰＣモニタに表示される。
【０１１９】
［実施例２］
以下に、本発明の実施例２におけるＸ線撮像装置の構成例について説明する。
【０１２０】
図１４に、本実施例の構成例について説明する図を示す。
図１４において、１４０１はＸ線源、１４０４は被検知物、１４０５は減衰手段、１４０６はＸ線検出器、１４０８は表示手段である。
【０１２１】
本実施例において、Ｘ線発生手段としては、Ｘ線源１４０１に示すＭｏターゲットの回転対陰極型のＸ線発生装置を用いる。
Ｘ線源１４０１から発生したＸ線はＸ線源１４０１から１００ｃｍ離れた位置に配置した被検知物１４０４に照射する。被検知物１４０４を透過したＸ線は被検知物１４０４から５０ｃｍ離れた位置にある、減衰手段１４０５に入射する。
減衰手段１００５はＮｉの三角柱を厚さ１ｍｍのカーボン基板上に並べた構造を有し、その周期は１５０μｍで三角柱の高さはは７５μｍである。
減衰手段１４０５に隣接した検出手段としてのＸ線検出器１４０６により、減衰手段１４０５を透過したＸ線強度を検出する。
Ｘ線検出器１４０６は画素サイズ５０μｍ×５０μｍのフラットパネル検出器を用いて撮像した。
【０１２２】
被検知物１４０４の存在しない状態での同様の撮影を行ったときの像からの数学的な処理によって求めた像を表示手段１４０８としてのＰＣモニタに表示される。
【符号の説明】
【０１２３】
３０１ Ｘ線源
３０２ 単色化手段
３０３ 分割素子
３０４ 被検知物
３０５ 減衰手段
３０６ 検出器
３０７ 演算手段
３０８ 表示手段
４０１ 基準Ｘ線
４０２ Ｘ線
４０３ 減衰手段
４０４ 減衰素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検知物によるＸ線の位相変化情報を取得するＸ線撮像装置において、
Ｘ線発生手段から発生したＸ線を空間的に分割する分割素子と、
前記分割素子により分割されたＸ線が入射する減衰素子が複数配列された減衰手段と、
前記減衰手段により減衰されたＸ線の強度を検出するための強度検出手段とを有し、
前記減衰素子は、前記Ｘ線の入射位置に応じてＸ線の透過量が連続的に変化するように構成されていることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項２】
前記強度検出手段により検出されたＸ線の強度情報から、前記被検知物の微分位相像または位相像を演算する演算手段を有することを特徴とする請求項１に記載のＸ線撮像装置。
【請求項３】
前記減衰素子は、入射するＸ線に対して垂直方向に厚みが連続的に変化していることを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線撮像装置。
【請求項４】
前記減衰素子は、三角柱状により構成されていることを特徴とする請求項３に記載のＸ線撮像装置。
【請求項５】
前記減衰素子は、入射するＸ線に対して垂直方向に密度が連続的に変化していることを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線撮像装置。
【請求項６】
前記減衰素子は、該減衰素子における光路長について、Ｘ線の入射位置変化による二階微分値が正となる形状を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のＸ線撮像装置。
【請求項７】
前記Ｘ線発生手段と、前記分割素子と、前記減衰手段と、前記強度検出手段と、を同期させて移動させる移動手段を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のＸ線撮像装置。
【請求項８】
Ｘ線撮像装置に用いるＸ線撮像方法において、
空間的にＸ線を分割する工程と、
前記空間的に分割されたＸ線が入射する減衰素子が複数配列された減衰手段を用いて、前記被検知物によるＸ線の位相変化情報を前記減衰素子を透過したＸ線の強度から取得する工程を有し、
前記減衰素子は、Ｘ線の入射位置に応じてＸ線の透過量が連続的に変化するように構成されていることを特徴とするＸ線撮像方法。
【請求項９】
Ｘ線撮像装置において、
Ｘ線を発生するＸ線発生手段と、
被検知物を透過した際に生じるＸ線の強度分布の変化に応じてＸ線の透過量が連続的に変化する吸収能勾配を有した減衰素子が複数配列された減衰手段と、
前記減衰手段により減衰されたＸ線の強度を検出するための強度検出手段とを有することを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１０】
Ｘ線撮像装置に用いるＸ線撮像方法において、
被検知物を透過した際に生じるＸ線の強度分布の変化に応じてＸ線の透過量が連続的に変化する吸収能勾配を有した減衰素子が複数配列された減衰手段を用いて、前記減衰素子を透過したＸ線の強度分布の変化を検出することを特徴とするＸ線撮像方法。
【請求項１】
被検知物によるＸ線の位相変化情報を取得するＸ線撮像装置において、
Ｘ線発生手段から発生したＸ線を空間的に分割する分割素子と、
前記分割素子により分割されたＸ線が入射する減衰素子が複数配列された減衰手段と、
前記減衰手段により減衰されたＸ線の強度を検出するための強度検出手段とを有し、
前記減衰素子は、前記Ｘ線の入射位置に応じてＸ線の透過量が連続的に変化するように構成されていることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項２】
前記強度検出手段により検出されたＸ線の強度情報から、前記被検知物の微分位相像または位相像を演算する演算手段を有することを特徴とする請求項１に記載のＸ線撮像装置。
【請求項３】
前記減衰素子は、入射するＸ線に対して垂直方向に厚みが連続的に変化していることを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線撮像装置。
【請求項４】
前記減衰素子は、三角柱状により構成されていることを特徴とする請求項３に記載のＸ線撮像装置。
【請求項５】
前記減衰素子は、入射するＸ線に対して垂直方向に密度が連続的に変化していることを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線撮像装置。
【請求項６】
前記減衰素子は、該減衰素子における光路長について、Ｘ線の入射位置変化による二階微分値が正となる形状を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のＸ線撮像装置。
【請求項７】
前記Ｘ線発生手段と、前記分割素子と、前記減衰手段と、前記強度検出手段と、を同期させて移動させる移動手段を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のＸ線撮像装置。
【請求項８】
Ｘ線撮像装置に用いるＸ線撮像方法において、
空間的にＸ線を分割する工程と、
前記空間的に分割されたＸ線が入射する減衰素子が複数配列された減衰手段を用いて、前記被検知物によるＸ線の位相変化情報を前記減衰素子を透過したＸ線の強度から取得する工程を有し、
前記減衰素子は、Ｘ線の入射位置に応じてＸ線の透過量が連続的に変化するように構成されていることを特徴とするＸ線撮像方法。
【請求項９】
Ｘ線撮像装置において、
Ｘ線を発生するＸ線発生手段と、
被検知物を透過した際に生じるＸ線の強度分布の変化に応じてＸ線の透過量が連続的に変化する吸収能勾配を有した減衰素子が複数配列された減衰手段と、
前記減衰手段により減衰されたＸ線の強度を検出するための強度検出手段とを有することを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１０】
Ｘ線撮像装置に用いるＸ線撮像方法において、
被検知物を透過した際に生じるＸ線の強度分布の変化に応じてＸ線の透過量が連続的に変化する吸収能勾配を有した減衰素子が複数配列された減衰手段を用いて、前記減衰素子を透過したＸ線の強度分布の変化を検出することを特徴とするＸ線撮像方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−１１０３９（Ｐ２０１１−１１０３９Ａ）
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１５７５７（Ｐ２００９−２１５７５７）
【出願日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【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２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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