Ｘ線撮像装置及びＸ線撮像方法
【課題】被写体によって生じた集光Ｘ線ビームの屈折角を高い分解能でかつ短時間で検出可能とし、高い空間分解能で被写体を観察できるＸ線撮像装置を提供する。
【解決手段】集光Ｘ線ビームの角度分布の端が回折条件を満たすように入射角を調整した結晶のＸ線回折を利用して、被写体によって生じた集光Ｘ線ビームの屈折角を検出する。
【解決手段】集光Ｘ線ビームの角度分布の端が回折条件を満たすように入射角を調整した結晶のＸ線回折を利用して、被写体によって生じた集光Ｘ線ビームの屈折角を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＸ線撮像装置及びＸ線撮像方法に係わり、特に、集光したＸ線ビームを用いて物体の内部を非破壊に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。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線は物質に対して透過能が非常に高く、被写体内部の構造や組成等を非破壊で測定・検査する方法として、医療診断から空港のセキュリティーチェックに至る様々な分野で広く利用されている。このうち、もっとも単純な測定方法は、Ｘ線を発生するＸ線源とＸ線を検出するＸ線フィルムなどの間に被写体を設置し、被写体の設置によって生じたＸ線の強度変化を検出する方法で、吸収コントラスト型Ｘ線イメージング、或いは一般にはレントゲンという名称で呼ばれている。
【０００３】
このイメージング法は、原理や装置が単純なこともあり比較的高い空間分解能が必要とされる測定や検査にも利用されているが、使用するＸ線フィルムなどの検出器の性能によって、その空間分解能は主に決定されてしまうため、高々数ミクロン程度であり、Ｘ線の波長（サブサブnm）から期待される空間分解能（回折限界）にはほど遠い値となっている。このため、より高い空間分解能を実現するために、Ｘ線を何らかの素子によって集光して被写体上をスキャンする方法など、様々な方法がこれまでに研究・開発されてきている。
【０００４】
そして、現在のところ、集光光学素子として回折現象を利用したゾーンプレートや、全反射を利用した球面や楕円面ミラーを用いて、０．１ミクロン以下の空間分解能が実現されつつある。
【０００５】
しかし、空間分解能の向上に伴って、被写体のサイズもより小さくなる傾向にあり、このためＸ線が被写体によってほとんど吸収されず、像コントラストの元になる「強度の変化」が極僅かで正常に観察することが難しくなってきている。この問題の解決策として、吸収のより大きな低エネルギーＸ線の利用や、露光時間の延長なども行われているが、この場合、Ｘ線照射による損傷が新たな問題となってくる。そこで、この問題の根本的な解決策として、Ｘ線の「位相」情報を利用する方法が注目を集めている。
【０００６】
このようなＸ線撮像に関する技術は、例えば、特許文献１、２、非特許文献１、２に開示されている。
【０００７】
Ｘ線は電磁波の一種であり，可視光と同様に「振幅」と「位相」という主に二つの物理量を持っている。従って，Ｘ線がサンプルを透過する際に，従来から利用していた吸収による「強度の変化」のほかに，「位相の変化」（「位相シフト」）も同時に生じる。硬Ｘ線領域において，この位相シフトを与える散乱断面積は，吸収を与える散乱断面積に比べて軽元素に対して約1000倍大きいという特徴がある（特許文献２の段落［０００３］参照）。したがって、画像のコントラストとして，従来の「強度の変化」の代わりに「位相シフト」を利用することにより、上記問題が解決できると期待されている。
【０００８】
ところが、位相シフトを直接的に検出することは不可能であるため、なんらかの方法を用いて、位相シフトを検出可能な強度に変換することが必要になる。
【０００９】
高い空間分解能の実現に必要な集光Ｘ線ビームの場合、ビームは発散ビームであるために、イメージングで一般的に利用されている平行Ｘ線ビームを用いた特許文献１に記載された方法などをそのままでは利用することができない。そのため、これまでのところ被写体によるＸ線の屈折から間接的に位相シフトを検出する下記の方法が採用されているだけである。
【００１０】
Ｘ線が空間的な密度差を持った被写体を透過すると、可視光と同様に極僅かではあるが屈折される。この屈折によるＸ線の角度のずれ（屈折角θ）は、被写体によって生じた位相シフトの空間的な勾配（dp/dx）を用いて、次式（１）で与えられる。
【００１１】
【数１】
したがって、屈折角を検出することによって位相シフトの勾配を求めることができる。さらに集光Ｘ線ビームに対して、被写体を走査し、各位置で得られた位相シフトの勾配値を積分計算することによって、被写体の密度にほぼ比例した量である位相シフトを取得することができる。
【００１２】
【特許文献１】特開平４−３４８２６２号公報
【特許文献２】特開平９−１８７４５５号公報
【非特許文献１】高エネルギー加速器研究機構 PF 将来計画に関する研究会2「走査顕微鏡光学系を利用した位相計測」，2005
【非特許文献２】Japanese Journal of Applied Physics Vol. 43, No. 11A, 2004, pp. L 1449
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
集光Ｘ線ビーム方式において、被写体によって生じたＸ線の屈折角θは、従来は具体的には以下の２つの方法で検出されている。第１の方法は、非特許文献１に開示されたように、被写体の下流に設置した高空間分解能のＸ線画像検出器を用いるものであり、被写体を透過したＸ線ビームを観察し、その位置のずれを直接的に検出する方法である。この方法において、画像検出器上のＸ線ビームの位置ずれΔｘは、被写体と検出器との距離ｌと屈折角θに依存し、次式（２）で与えられる。
【００１４】
【数２】
したがって、ｌが長いほど位置ずれΔｘが大きくなるために検出可能な角度分解能は向上することになる。しかし、一方でＸ線ビーム自身の広がりや空気の吸収によって、Ｘ線ビームの強度が低下してしまい長い露光時間が必要になる。また、一般に取得したＸ線ビームの画像の転送には長い時間が必要で、全体の測定時間も長くなってしまうという問題もある。
【００１５】
第２の方法として、非特許文献２に開示されたものは、被写体を透過したＸ線をくさび形の吸収材に入射し、透過したＸ線ビームの強度をシンチレーションカウンターなどの面分解能のない高速・高感度なＸ線検出器で測定する方法である。この方法では、第１の方法のような問題はないが、角度分解能が使用するくさびの形状などの影響を受けやすく、また、分解能を向上するために、Ｘ線ビームの入射角度を浅くしすぎると、くさびの表面で全反射を起こしてしまい正常に測定ができなくなるという問題がある。
【００１６】
一方、集光したＸ線ビームではなく、集光しない平行な面状のビームの屈折角θを検出する方法としては、特許文献２に記載されたＸ線の回折現象を利用した方法（屈折コントラスト法、Diffraction enhanced imaging: DEI）などがある。
【００１７】
Ｘ線の回折現象（Ｘ線回折）とは、結晶に対するＸ線の入射角θＢがブラッグの回折条件（３）を満たしたときに、Ｘ線が結晶格子面によって反射される現象のことである。
【００１８】
【数３】
ここで、λはＸ線の波長、ｄは回折を生じる格子面の間隔である。なお、入射したＸ線と回折されたＸ線が結晶面の同じ側にある場合はブラッグケース、別の側にある場合はラウエケースと呼ばれる。
【００１９】
ブラッグケースのＸ線回折において、入射するＸ線が完全に平行なビームの場合、回折されたＸ線の強度Ｉｇは動力学的な回折理論により、次式（４）で与えられる。
【００２０】
【数４】
ここでは、結晶によるＸ線の吸収は無視した。また、Ioは入射Ｘ線強度で、Ｗは次式（５）で与えられる変数である。
【００２１】
【数５】
ｄθはブラッグ角からのずれ、χgは電気感受率であるので、Ｉｇは入射角θＢのブラッグ角からのずれｄθに依存した量になる。
【００２２】
式（５）に基づいて、シリコン結晶の格子面（２２０）によるＩｇを計算した結果を図２５に示す。横軸が入射角θＢのブラッグ角からのずれ、縦軸が回折されたＸ線の強度である。Ｘ線のエネルギーは３５ｋｅＶ、結晶の厚さは１ｍｍである。
【００２３】
入射Ｘ線が完全に平行なビームの場合は、ビームの角度広がりは０であるために、図２６に示したように入射Ｘ線ビームは１本の線で表される。このために、入射角がブラッグ角近傍の±３μrad(Ｗ＜±１)となる場合のみＸ線は回折され、結晶は高感度な角度アナライザーとして動作することになる。以上により、非常に感度よく被写体による屈折角を検出することができる。しかし、ここでは平行Ｘ線ビームを利用しているために、空間分解能はＸ線フィルムなどＸ線検出器の空間分解能などに依存し、最高で数ミクロン程度という問題があった。
【００２４】
また、この方法を本発明で利用を想定している集光Ｘ線ビームに適用する場合、集光Ｘ線ビームは平行ではなくある程度の広がり（角度幅）を持った発散ビームであるため、以下に詳細を示す問題が生じる。
【００２５】
図２７に、入射Ｘ線として発散ビームを採用した場合の、ロッキングカーブ（各結晶角度における回折Ｘ線ビームの強度）、集光Ｘ線ビームの角度分布、及び回折される集光Ｘ線ビームの関係を示す。また、図２８に、図２７の状態から集光Ｘ線ビームの角度分布が被写体の屈折によって変化した状態を示す。
【００２６】
図２７に示すように、集光Ｘ線ビームを結晶にそのまま入射しただけでは、ビームが角度広がりを持っているため（回折角度幅＜ビーム広がり）、回折条件を満たすすべての角度でＸ線ビームが回折される。図２８に示すように、被写体の屈折によりＸ線ビームの角度が極僅かに変化しただけでは、回折条件を満たすすべての角度のＸ線が図２７と同じように存在する。このため、回折Ｘ線の強度はほとんど変化しないことになり、角度の変化を検出することはできない。
【００２７】
以上をまとめると、高い空間分解能を達成するためには集光したＸ線ビームの利用が必要であるが、被写体によって生じた集光Ｘ線ビームの屈折角を分解能よく短い時間に測定することは難しいという問題があった。一方、平行Ｘ線ビームでは、屈折角を分解能よく検出することはできるが、空間分解能を高くすることができないという問題があった。
【００２８】
本発明の目的は、被写体によって生じた集光Ｘ線ビームの屈折角を高い分解能でかつ短時間で検出可能とし、高い空間分解能で被写体を観察できるＸ線撮像装置及びＸ線撮像方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明では、以下に詳細を示すように、被写体を透過した際に生じた集光Ｘ線ビームの屈折角を、Ｘ線の回折現象を利用して検出することによって、上記の問題を解決する。
【００３０】
図１、図２により、本発明の基本概念を説明する。
図１は、本発明の思想に基き、結晶の角度を集光Ｘ線ビームの角度分布の端が回折条件を満たすように調整した場合における、ロッキングカーブ、集光Ｘ線ビームの角度分布、及び回折される集光Ｘ線ビームを示す図である。
【００３１】
本発明では、図２に示したＸ線撮像装置の模式図おける集光Ｘ線ビームの角度を調整し、結晶の角度θcを入射するＸ線ビームの角度分布の端が図１に示すような回折条件を満たすように設定する。これにより、円錐体の束状に発散しているビーム角度のうち、「端の角度」に位置するビームのみが結晶で回折されるようにする。換言すると、Ｘ線ビームの角度分布の端（角度θo）を、図１において入射角θＢのずれが０度の位置になるように、結晶の角度θcを調整する。ここで、ビームの端の角度θoは高角側（θoＨ，図２の実線）で調整してもよいし、低角側（θoＬ，図２の破線）で調整してもよい。
【００３２】
なお、円錐体の束状に発散したビームの強度は、微視的には、端の部分であっても連続的に変化している。そこで、本発明では、Ｘ線ビームの角度分布の端を、「ビームの角度発散プロファイルの微分値が実質的に最大または最小となる角度」と定義する。例えば、ビーム角度発散プロファイルが図３に示すガウス分布や図４に示す矩形分布（デルタ関数）では、夫々微分値が最大または最小、換言すると矢印で示したようにピーク値の半分となる値の角度が、端の角度θoである。端の角度θoは、厳密に微分値が最大または最小の位置でなくても良く、強度の変化の大きな範囲、換言すると実質的に最大または最小値若しくはその近傍にあれば良い。
【００３３】
なお、Ｘ線撮像装置の特性の差により、ビーム角度発散プロファイルが図３、図４に示したもの以外のプロファイルである場合でも、同様に、そのプロファイルの端近傍でかつ強度の変化率の大きい位置を「Ｘ線ビームの角度分布の端」とすることができる。一方、ビームのプロファイルの端近傍であっても、強度の変化率がごく小さい外側の縁等は、Ｘ線ビームの角度変化を検出し難くなるので、結晶の角度θcの初期設定値には適さない。
【００３４】
このようにして、本発明では、結晶の角度θcを、入射するＸ線ビームの角度分布の端が回折条件を満たすように調整する。
【００３５】
図５Ａは、本発明において、被写体を設置した状態でのロッキングカーブ、集光Ｘ線ビームの角度分布、及び回折される集光Ｘ線ビームの変化を示す図である。図５Ｂは、本発明における集光Ｘ線ビームの角度変化と回折Ｘ線の強度変化の関係を示す図であり、
本発明によれば、図５Ａに示すように、入射するＸ線の角度が極僅か（Δθ）でも変化すると、図５Ｂに示すように、ほぼ比例して結晶により回折されたＸ線ビームの強度変化となって現れることになる。すなわち、Δθに相当する量だけ、回折されたＸ線ビームの端の位置も、入射角θＢのずれが０度の位置から移動する。したがって、高い感度で入射するＸ線ビームの角度変化（屈折角）を検出することが可能になる。
【００３６】
次に、結晶の表面と回折を生じる格子面（回折格子面）が非平行な結晶（非対称結晶）を用いる場合について考えてみる。この非対称結晶によるＸ線回折では、非対称の角度によって、回折を生じる角度幅は入射側と出射側で異なった値になる。結晶表面と回折格子面のなす角度をαとしたとき、非対称度ｂは次式（６）で与えられ、
【００３７】
【数６】
入射側の回折を生じる角度幅ωoは次式（７）、
【００３８】
【数７】
出射側の角度幅ωgは次式（８）となる。
【００３９】
【数８】
ここで、ωsはｂ＝１（非対称角α＝０，対称結晶）における回折角度幅である。したがって、ｂ＜１となる非対称結晶を用いることによって、入射側の回折角度幅を対称結晶に比べて拡大することができ、より広い角度幅のＸ線を回折することができる。したがって、より強い回折ビーム強度を確保し、短い測定時間で、高いＳ／Ｎで測定することが可能になる。
【００４０】
次に、ラウエケースのＸ線回折を用いた場合について考えてみる。ラウエケースのＸ線回折では、図６に示したように、入射したＸ線は透過と回折の２本のＸ線ビームに分割される。入射Ｘ線ビームが完全な平行ビームの場合、回折及び透過Ｘ線ビームの強度ＩｇとＩｈは動力学的な回折理論により、各々、次式（９）、（１０）で与えられる。
【００４１】
【数９】
【００４２】
【数１０】
ここでは、結晶によるＸ線の吸収は無視した。
【００４３】
図７は、ラウエケースにおける回折Ｘ線と透過Ｘ線の強度（ロッキングカーブ＝Ｘ線の強度の、結晶面の入射ビームに対する角度依存性）の計算例を示す図である。図８は、従来方式における、ラウエケースにおけるロッキングカーブ、集光Ｘ線ビームの角度分布、及び回折される集光Ｘ線ビームを示す図である。さらに、図９は、本発明の方式に基いて、結晶の角度を集光Ｘ線ビームの角度分布の端が回折条件を満たすように調整した場合におけるロッキングカーブ、集光Ｘ線ビームの角度分布、及び回折される集光Ｘ線ビームを示す図である。
【００４４】
すなわち、図７には、図２５と同じ条件（Ｓｉ（２２０），エネルギー３５ ＫｅＶ、結晶厚１ mm）における各回折強度の曲線を計算した結果を示す。Ｉｇは回折Ｘ線ビームの強度、Ｉｈは透過Ｘ線ビームの強度を示している。
【００４５】
入射Ｘ線が完全な平行ビームの場合、ブラッグケースと同様に（図２６参照）、ビームの角度広がりは０であり、図７において線で表されるために、結晶は分解能の高い角度アナライザーとして動作する。
【００４６】
しかし前述したように、本発明の対象となる集光したＸ線ビームは、平行ではなく発散ビームであるため、集光ビームを結晶にそのまま入射しただけでは、図８に示すように回折条件を満たした一部の角度群のＸ線ビームが回折されることになり、集光したＸ線ビームの角度広がりのため、被写体による屈折角を検出することができない。
【００４７】
そこで、ブラッグケースと同様に、本発明の方式に基き、図９に示すように結晶の角度を入射するＸ線ビームの角度分布の端が回折条件を満たすように調整し、発散している角度のうち、端の角度のビームのみが回折されるようにする。これにより、入射するＸ線の角度が極僅かでも変化すれば、ほぼ比例して回折されたＸ線ビームの強度変化となって現れるので、高い感度で入射するＸ線ビームの角度変化（屈折角）を検出することが可能となる。さらに、ラウエケースの場合、回折されなかったＸ線は透過して結晶から出射してくるので、このビーム強度を同時に検出することによって、被写体による強度の吸収も同時に測定することが可能になる。
【００４８】
次に、Ｘ線の同時反射を利用した場合について考えてみる。図１０は、ブラッグケースのＸ線回折における入射Ｘ線と回折Ｘ線の関係を示す図、図１１は、（ｌｍｎ）面と（ｐｑｒ）面の回折条件を示す図、図１２は、同時反射のＸ線回折における入射Ｘ線と回折Ｘ線の関係を示す図である。上述したブラッグやラウエケースのＸ線回折の場合、結晶が角度アナライザーとして動作するのは、入射Ｘ線と回折ベクトルがなす面内（図１０のｘ−ｙ面）だけである。このため、ｚ方向の屈折角を検出することはできなかった。Ｘ線の同時反射とは、入射したＸ線が複数の格子面の回折条件を同時に満たした場合に生じる回折現象のことで、同時反射の回折格子面が互いに非平行なとき、Ｘ線の入射角（θとφ回転）が図１１に示す２つの格子面（（ｌｍｎ）と（ｐｑｒ））の回折条件を同時に満足している（中心部の重なった領域）と、非平行な複数の回折Ｘ線ビームに分割される（図１２）。したがって、分割された各Ｘ線ビームの強度（Ｉ１及びＩ２）を検出することによって、２方向の角度の変化を検出することができる。
【００４９】
前述したように、集光したＸ線ビームは平行ではなく発散ビームである。このため、ここでも上記と同じような結晶の角度設定を行う。すなわち、結晶の角度（θとφ回転）を、入射するＸ線ビームの角度分布の端の角度が同時反射の条件を満たすように調整する。これにより、入射するＸ線の角度が極僅かでも変化すると、同時反射された両方のＸ線ビームの強度変化となって現れる。具体的には、結晶の角度θが変化するとＩ１とＩ２双方のＸ線強度が同時に増加或いは減少し、φが変化するとＸ線ビームの強度Ｉ１が増加（減少）し、Ｉ２が減少（増加）することになる。したがって、双方のＸ線の強度変化から高い感度で入射するＸ線ビームの角度変化（屈折角）を２方向について検出することができる。
【００５０】
以上から、集光したＸ線ビームの被写体による屈折角度を高い角度分解能で検出することが可能で、サブミクロン以下の高い空間分解能、かつ高い密度分解能で被写体内部を非破壊で観察することが可能となる。
【００５１】
本発明の代表的なものの一例を示せば以下の通りである。即ち、本発明のＸ線撮像装置は、Ｘ線源から放出されたＸ線ビームを集光する集光素子と、集光した前記Ｘ線ビームに対して被写体を位置決めする手段と、前記Ｘ線ビームを回折する単結晶と、前記Ｘ線ビームに対して単結晶の角度を調整する角度調整機構と、回折された前記Ｘ線ビームの強度を検出する検出器と、制御部とを備え、前記制御部は、入射する前記集光Ｘ線ビームの角度分布の端がブラッグの回折条件を満たすように前記Ｘ線ビームに対して前記単結晶の角度を調整する角度設定機能を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００５２】
本発明によれば、集光したＸ線ビームの屈折角を高い角度分解能で検出することが可能となるので、高い空間分解能、かつ高い密度分解能で被写体内部を非破壊で観察することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
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。
【実施例１】
【００５４】
図１３〜図１９により、本発明の第一の実施例を説明する。まず、図１３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。図１３に示すように、本Ｘ線撮像装置は、Ｘ線源１、Ｘ線源から放出されたＸ線ビームを集光するＸ線集光素子２、被写体を保持する被写体ホルダー３、集光したＸ線ビームに対して被写体を位置決めする被写体位置決め機構４、被写体を透過したＸ線ビームの強度を検出する透過型第１Ｘ線強度検出器５、第１検出器５を透過したＸ線ビームを回折する結晶（単結晶）６、結晶ホルダー７、結晶６の角度を調整する結晶ホルダー位置決め機構８、回折されたＸ線ビームの強度を検出する第２Ｘ線検出器９、制御部１０、処理部１１及び表示装置１２から構成される。制御部１０は、入射する集光Ｘ線ビームの角度分布の端がブラッグの回折条件を満たすようにＸ線ビームに対して結晶６の角度を調整する角度設定ユニット１００を備えている。角度設定ユニット１００は、結晶ホルダー位置決め機構８を制御して、結晶６の角度θcを調整する（初期設定）機能を有する。制御部１０は、さらに、結晶６の角度が調整された状態で、被写体位置決め機構４を制御して、第１及び第２検出器により、被写体の各位置におけるＸ線ビームの強度を検出する機能を備えている。処理部１１は、検出されたＸ線ビームの強度から演算により被写体の２次元像を得る演算処理機能を備えている。
【００５５】
すなわち、Ｘ線源１から放射されたＸ線１３は、Ｘ線集光素子位置調整機構１４で位置決めされたＸ線集光素子２によって集光されて集光Ｘ線ビーム１５となり、被写体ホルダー３で保持され、被写体位置決め機構４によって位置決めされた被写体１６に照射される。被写体を透過したＸ線１７は、透過型の第１Ｘ線検出器５を透過した後に、結晶ホルダー７で保持され、結晶ホルダー位置決め機構８で入射角度を調整（初期設定）された結晶６に入射する。結晶によって回折されたＸ線１８は、第２Ｘ線検出器９で検出される。制御部１０では、被写体位置決め機構４を制御して、被写体の各位置に集光したＸ線ビームを順次照射し、そのときのＸ線の各強度を第１及び第２Ｘ線検出器で取得する。そして、処理部１１において、取得した強度に基づいて被写体の像（位相マップ）を算出し、算出した像を表示部１２で表示する。
【００５６】
次に、結晶角度調整ユニット１００による結晶６の角度の初期設定について、図１４〜図１５を参照しながら説明する。結晶角度調整ユニット１００は、被写体を設置しない状態での回折Ｘ線の強度を求め、入射するＸ線ビームの角度分布の端がブラッグの回折条件を満たすようにＸ線ビームに対して単結晶の角度θcを調整する機能を有している。図１４は、結晶の角度の初期設定の手順を示すフローチャート図であり、図１５は、このＸ線撮像装置において、結晶を回転し各角度で回折Ｘ線強度Ｉを測定することで得られたデータを示す図である。
【００５７】
はじめに、被写体を設置しない状態で、Ｘ線源１から放射されたＸ線ビーム１３の集光状態を調整する。調整は、集光素子２のＸ線ビームに対する相対的な位置や角度などをＸ線集光素子位置調整機構１４により適宜変化させ、被写体位置におけるＸ線ビームが最小となるようにする。なお、集光状態（ビーム形状）の確認は、鉛やタンタルの刃などで構成されたナイフエッジを被写体位置で走査し、得られた透過Ｘ線ビームの強度変化などを用いて行えばよい。
【００５８】
次に、回折用の結晶６を設置して、結晶角度調整ユニット１００により結晶ホルダー位置決め機構８を制御して結晶６の角度調整を行う。結晶角度調整ユニット１００による回折用の結晶６の角調整度は、図１４のフローチャートに従い以下のようにしてなされる。最初に測定に必要な設定を行った後、Ｘ線ビームの測定を開始する（Ｓ１４０）。まず、回転機構８を制御して結晶６を回転させ、結晶６の角度を変化させる（Ｓ１４２）。次に、結晶６の各角度における回折Ｘ線１８の強度Ｉを第２Ｘ線検出器９で測定する（Ｓ１４４）。このようにして、結晶６を所定の角度範囲にわたり順次回転させ、そのときの強度Ｉのデータを取得する（Ｓ１４６）。図１５にそのデータの一例を示す。次に、得られたデータから、ビームの端の角度θoを求める。そのために、まず、得られたデータから最大強度値Imaxを演算処理により算出する（Ｓ１４８）。次に、回転機構８を制御して、結晶６の角度θcを、ビームの「端の角度」に位置するビームのみが結晶で回折されるように設定する（Ｓ１５０）。
【００５９】
結晶６の角度調整の際、回折されたＸ線ビームの強度は図１５のよう変化するので、集光Ｘ線ビームの角度分布の端と考えられる角度（図１５の回折強度が実質的に半分となる角度）に結晶の角度を合わせる。
【００６０】
なお、結晶６の角度θcの設定に使用する集光Ｘ線ビームの角度は高角側（θＨ）でもよいし、低角側（θＬ）でもよい。すなわち、低角側の端の場合、強度の変化は図５のようになり、強度が実質的に半分になる角度が、角度分布の端となる角度である。高角側の端の場合、強度の変化は図５とは逆、すなわち、右下がりになるが、同様に、強度が実質的に半分になる角度が角度分布の端となる角度である。
【００６１】
結晶６の角度の設定（初期設定）が完了したら、次に、被写体ホルダー３で保持した被写体１６を集光位置に設置し、測定を行う。結晶６の角度θcは、図１４に示した手順により、Ｘ線ビームの角度分布の端が回折条件を満たすように設定してあるので、被写体１６によってＸ線の屈折角が変化すると、回折Ｘ線１８の強度も屈折角度に比例して変化する。このため、回折Ｘ線１８の強度変化から屈折角を求めることができる。
【００６２】
被写体１６の２次元像を取得するためには、前述のように被写体位置決め機構４を用いて、被写体１６の各位置にＸ線ビーム１４を照射し、そのときの各Ｘ線の強度を第１検出器５及び第２Ｘ線検出器９で取得する。第１Ｘ線検出器５で検出したＸ線強度Ｉ１は被写体によるＸ線の吸収を示し、第２Ｘ線検出器９で検出したＸ線強度Ｉ２は被写体１６による吸収と屈折角による変化分を含んだ値となっているので、屈折角のみを抽出するためには、Ｘ線強度Ｉ２をＸ線強度Ｉ１で除算すればよい。また、屈折角は被写体１６の位相シフトの空間微分を表しているので、密度分布の像（位相マップ（位相シフトの空間分布像））を求めるためには、図１３のｙ軸の方向に屈折角度を積分すればよい。最後に以上の手順により得られた像は、操作者の指示等により表示部１２で表示する。
【００６３】
回折に使用する結晶６にはシリコンやゲルマニウムなどの単結晶を用いる。そして回折の格子面は、使用するＸ線のエネルギー等に基づいて決定する。低次の回折ほど大きな回折Ｘ線強度を確保でき、測定時間を短縮できるので、基本的には低次の回折（Ｓｉ（１１１）や（２２０）など）を利用するとよい。ただし、高エネルギーＸ線の場合、低次ではブラッグ角が小さくなるために調整が難しくなる。この場合は、高次の回折（Ｓｉ（３１１）やＳｉ（４４０）など）を利用すればよい。また、非対称結晶を用いると、入射側の角度回折幅を拡大でき、より強い回折強度を得ることができる。したがって、測定時間の短縮や高いＳ／Ｎを確保することができる。ただし、Ｘ線のエネルギーによってブラッグ角度が異なるので、使用するＸ線のエネルギーに適した非対称角度の結晶を用意する必要がある。
【００６４】
また、図１６に示すように、複数枚の結晶１９及び２０を組み合わせて使用することもできる。この場合、回折されたＸ線の強度は最終的には各結晶の回折強度曲線の積で与えられるために、図１７に示すように曲線の端の傾きがより急峻になりに、より高い角度分解能でＸ線の屈折角を検出することができる。この複数枚の結晶あらかじめ平行に配置し共通の結晶ホルダー７’で支持すれば、１個の単結晶と同様な調整で行うことができる。
【００６５】
回折用の結晶６の角度θcは、入射Ｘ線ビームの角度分布の端となるようにきわめて高い精度で調整する必要がある。また、測定中に結晶が回転ドリフトすると、正確にＸ線の屈折角を求められなくなってしまうため、回転ドリフトは極力抑える必要がある。そこで、結晶ホルダー位置調整機構８として、タンジェンシャルバーを用いた精密ゴニオステージを用いるのが望ましい。この機構を採用することにより、回転位置決め精度を１／１００角度秒、ドリフトを１／１０角度秒以下と、測定に全く支障がない精度で回転を制御することができる。
【００６６】
第１Ｘ線検出器５は、Ｘ線を透過させることが必要なためイオンチャンバーやカプトン膜の散乱を利用した透過型Ｘ線検出器を用いる。イオンチャンバーはＸ線による気体の電作用を利用した検出器で、Ｘ線のエネルギーに依存するが、通常は９０％以上のＸ線を透過することができる。また、カプトン膜の散乱をシンチレーションカウンターで検出する方法では、イオンチャンバーに比べてより高い感度でＸ線強度を検出することができるために、透過率をさらに高くすることができる。
【００６７】
被写体位置決め機構４として、被写体の２次元的な位置決め（ｘ−ｚ面）の他に、Ｘ線ビームに対して被写体を回転させる機能を付加し、被写体の各角度で２次元像を取得するようにすれば、Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＣＴ）の原理により、非破壊で被写体の断面像を取得することができる。この場合、測定は、図１８のフローチャートに示したように、以下の手順で行なう。
（１） 透過像と同様な手順により、試料によって生じた屈折角θの空間的な分布、及び位相マップを求める（Ｓ１８０〜Ｓ１８４）。
（２）試料位置決め機構４に付加された回転機構により、試料をΔｒだけ回転する（Ｓ１８６）。
（３） （１）〜（２）を必要なステップ数ｎ（＝１８０°／Δｒ）だけ繰り返す（Ｓ１８８〜Ｓ１９０）。
の手順により行う。
【００６８】
そして、測定後に、各角度で得られた位相マップから位相プロジェクション像を求め、更に、フィルターバックプロジェクション法などの断面像再構成アルゴリズムにより位相プロジェクション像から位相コントラストの試料断面像を計算で再構成する。計算により得られた位相コントラスト断面像は、例えばオペレーターの指示等により、表示部１２で表示する。
【００６９】
Ｘ線の集光素子２として、回折を利用したフレネルゾーンプレート（ＦＺＰ）や、Ｘ線の全反射を利用したミラー（集光鏡）などを用いることができる。ＦＺＰは、Ｘ線の光路に設置するだけで集光したＸ線ビームが簡単に得られるので、調整を非常に簡便にすることができる。しかし、Ｘ線の利用効率が低いために長い測定時間が必要で、また、使用するＸ線のエネルギーによって集光位置が変化するために、エネルギーを変更する都度、再調整を行う必要がある。一方、全反射ミラーは、一般には複数枚の球面或いは楕円面ミラーで構成されているため、複雑な角度及び位置調整が必要であるが、集光位置がＸ線のエネルギーに依存せず、また、Ｘ線の利用効率が高いために測定時間を短縮できるという特徴がある。したがって、Ｘ線エネルギーの変更頻度やエネルギースキャンの有無、及び測定時間との兼ね合いから、適した集光素子を選択すればよい。
【００７０】
集光したＸ線の角度分布は、理想的にはガウス分布に近い形状となる。しかし、集光素子の形状エラーや調整不足等により、角度分布は一般には乱れた形状となってしまう。このため、角度分布の端も乱れた形状となっていて、被写体による屈折角を正確に検出することが難しくなる。この場合、図１９に示すように第１Ｘ線検出器５と、結晶６との間にスリット２１を設置して、ビームの形状及び角度分布を整形する。これにより、ビーム角度分布の端の形状も整形され、精度よく屈折角を求めることが可能となる。
【００７１】
以上、本実施例によれば、集光したＸ線ビームの屈折角を高い角度分解能で検出することができる。このため、高い空間分解能、かつ高い密度分解能で被写体内部を非破壊で観察することできる。
【実施例２】
【００７２】
実施例１では、被写体による集光Ｘ線ビームの屈折角だけを検出しているために、被写体の密度分布像しか取得することができなかった。ここでは、密度分布像に加えて、元素分布像も同時に取得可能な実施例を示す。
【００７３】
図２０は、本実施例によるＸ線撮像装置の構成を示す図である。本実施例は、実施例１の構成に加えて、被写体１６から放出された散乱及び蛍光Ｘ線を検出するエネルギー分解能を有した第３Ｘ線検出器２２を加えた構成となっている。被写体を設置しない状態での回折用の結晶６の角度の設定（初期設定）や、被写体を設置した状態でのＸ線の強度の測定は、実施例１と同様にして行なう。本実施例において、集光Ｘ線ビームが照射される被写体の領域は極小さく、散乱Ｘ線や蛍光Ｘ線もほぼ同じ領域から放出される。このために、放出されたＸ線の強度やエネルギーを同時に検出及び分析することによって、Ｘ線が照射されているこの小さな領域の元素情報などを同時に取得することができる。
【００７４】
第３Ｘ線検出器として液体窒素冷却のＧｅ半導体検出器(Solid State Detector, ＳＳＤ)、或いはシリコンドリフト検出器（ＳＤＤ）などを用いる。ＳＳＤの検出効率はそれほど高くないが、エネルギー分解能が高く、かつ高エネルギーのＸ線に対しても感度が高いという特徴があるので、利用するＸ線のエネルギーが比較的高い場合に利用する。また、ＳＤＤは検出効率が高く、かつ冷却がペルテェ素子で行えるために取り扱いが安易という特徴がある。このため、比較的エネルギーの低い蛍光Ｘ線を検出する場合に利用する。また、これら半導体型の検出器でより高い検出効率が必要な場合は、半導体検出素子が複数の多素子型の検出器を用いればよい。
【００７５】
被写体に重元素等が含まれていたり、検出対象となる散乱及び蛍光Ｘ線のエネルギーが低い場合、被写体によって散乱及び蛍光Ｘ線が吸収されてしまい、疑似像（アーチファクト）が発生する場合がある。このため、第３Ｘ線検出器２２は、図２１に示すように被写体の吸収がより少ないと考えられるＸ線の入射方向か、或いは吸収が等方的と考えられる被写体上部に設置するとよい。
【００７６】
測定は実施例１と同様に、集光素子２及び結晶６の調整を行った後に被写体１６を設置し、被写体位置決め機構４を用いて照射位置を走査しながら、第１検出器５、第２検出器９、及び第３Ｘ線検出器２２でそれぞれのＸ線強度を検出するという手順で行う。被写体１６の密度分布像は測定後に実施例１と同様にして算出する。
【００７７】
また、図２２に示すように、元素分布像は、各照射位置において第３Ｘ線検出器で得られた各エネルギーのＸ線強度（スペクトル）と各元素（例えばＡ，Ｂ，Ｃ）固有の蛍光Ｘ線エネルギーを対応して求めた各元素の濃度をコントラストとして算出する。測定によって得られた各元素の濃度を示す像は、操作者の指示等により、単独に或いは密度分布像や他の元素分布像と合成して表示部１２で表示する。
【００７８】
被写体の断面像をＣＴ法で取得する場合は、実施例１と同様の測定に、散乱及び蛍光Ｘ線の測定を加えて全く同様の手順で行う。そして、元素分布の断面像は、密度分布像を算出するアルゴリズムと同じアルゴリズムで算出すればよい。
【００７９】
以上、本実施例によれば、集光したＸ線ビームの屈折角を高い角度分解能で検出することができ、かつ同時に被写体から放出された散乱及び蛍光Ｘ線も同時に測定することができる。このため、高い空間分解能、かつ高い密度分解能で被写体内部の密度分布及び元素分布を非破壊で観察することできる。
【実施例３】
【００８０】
実施例１では、被写体の吸収によるＸ線強度の変化を透過型の第１Ｘ線検出器を用いて検出する必要があった。ここでは、ラウエケースのＸ線回折を利用して、結晶で回折されたＸ線、及び透過したＸ線の強度のみから、被写体の吸収によるＸ線強度の変化を検出できる実施例を示す。
【００８１】
図２３に、本実施例における装置の構成例を示す。実施例１の構成から透過型の第１Ｘ線検出器５を取り除き、代わりにラウエケースの結晶２４を透過したＸ線の強度を検出する第４検出器２３を新たに設けてある。本実施例において、被写体１６を設置しない状態で、ラウエケースの結晶２４の角度を、結晶位置決め機構８を用いて実施例１と同様に、集光Ｘ線ビーム１７の角度分布の端の角度が回折条件を満たすように設定しておく（初期設定）。これにより、回折条件を満たした一部の集光Ｘ線が回折され、残りのＸ線は結晶２４を透過することになる。被写体１６によってＸ線の屈折角が変化すると、実施例１と同様に回折Ｘ線１８の強度も屈折角度に比例して変化する。従って、回折Ｘ線１８の強度変化から屈折角を求めることができる。
【００８２】
一方、結晶を透過したＸ線２５の強度は、集光Ｘ線ビーム１７の角度分布広がりが結晶の角度幅に比べて十分に大きいので、被写体１６による屈折角の変化に対してほとんど変化しない。このため、透過Ｘ線２５の強度変化から被写体の吸収による強度変化を求めることができる。
【００８３】
測定の手順は実施例１と同様に、被写体未設置の状態で集光素子２及び結晶２４の調整を行い、被写体１６を設置し、被写体位置決め機構４を用いて照射位置を走査しながら第２検出器９及び第４Ｘ線検出器２３でそれぞれのＸ線強度を検出するという順で行う。第４Ｘ線検出器２３で検出したＸ線強度Ｉ４は被写体１６によるＸ線の吸収を、第２Ｘ線検出器９で検出したＸ線強度Ｉ２は被写体１６による吸収と屈折角による変化分を含んだ値を示しているので、屈折角のみを抽出するためには、Ｘ線強度Ｉ２をＩ４で除算すればよい。また、屈折角は被写体１６の位相シフトの空間微分を表しているので、密度分布の像（位相マップ（位相シフトの空間分布像））を求めるためには、実施例１と同様に屈折角度を積分すればよい。最後に以上の手順により得られた像は、操作者の指示等により表示部１２で表示する。
【００８４】
被写体１６の断面像は、実施例１と同様に、被写体を集光Ｘ線ビーム１４に対して回転させ、各回転角度で得られた投影像からＣＴの再構成アルゴリズムにより計算で求めればよい。また、元素分布像は、実施例２と同様に、エネルギー分解能を有した第３Ｘ線検出器２２を被写体近傍に設置し、密度分布像の測定と同時に行えば取得することができる。
【００８５】
以上、本実施例によれば、ラウエケースのＸ線回折を利用して、集光したＸ線ビームの屈折角を高い角度分解能で検出することができ、かつ同時に被写体から放出された散乱及び蛍光Ｘ線も同時に測定することができる。このため、高い空間分解能、かつ高い密度分解能で被写体内部の密度分布及び元素分布を非破壊で観察することできる。
【実施例４】
【００８６】
実施例１及び３では、被写体によって生じた屈折角のうち、回折ベクトルと入射Ｘ線のなす平面内の屈折角しか検出することができなかった。ここでは、Ｘ線の同時反射を利用して、すべての方向の屈折角を検出できる実施例を示す。Ｘ線の同時反射とは、入射したＸ線が複数の格子面の回折条件を同時に満たしたときに生じる回折現象のことで、回折格子面が互いに非平行なとき、Ｘ線の入射角が２つの格子面の回折条件を満たすと、互いに非平行な複数の回折Ｘ線ビームに分割される。したがって、分割された各Ｘ線ビームの強度を検出することによって、２方向の屈折角の変化を検出することができる。
【００８７】
図２４に本実施例における装置の構成例を示す。本実施例は、実施例１の構成の第２検出器９に代えて、同時反射によって分割・形成された２本の回折Ｘ線を検出する第５検出器２６及び第６Ｘ線検出器２７を新たに設けてある。なお、ここでは便宜上回折Ｘ線を２本としたが、条件によっては３本以上に分割され、かつ、これらを検出するためにＸ線検出器も３個以上になる場合もある。
【００８８】
本装置において、結晶６の角度（θ及びφ回転）を、入射するＸ線ビームの角度分布の端の角度が同時反射の条件を満たすように調整しておくと、入射するＸ線の角度が極僅かでも変化すれば、同時反射された両方のＸ線ビームの強度変化となって現れる。このため、両方のＸ線ビームの強度を検出・比較することによって、高い感度で入射するＸ線ビームの角度変化（屈折角）を２方向について検出することができる。
【００８９】
測定の手順は実施例１と同様に、被写体未設置の状態で集光素子２及び結晶６の調整を行い（初期設定）、被写体１６を設置し、被写体位置決め機構４を用いて照射位置を走査しながら第１検出器５、第５検出器２６、及び第６Ｘ線検出器２７でそれぞれのＸ線強度を検出するという順で行う。第１Ｘ線検出器５で検出したＸ線強度Ｉ１は被写体１６によるＸ線の吸収を、第５検出器２６および第６Ｘ線検出器２７で検出したＸ線強度Ｉ５，Ｉ６は被写体１６による吸収と屈折角による変化分を含んだ値を示しているので、屈折角のみを抽出するためには、Ｘ線強度Ｉ５及び６をＸ線強度Ｉ１で除算すればよい。また、屈折角は被写体の位相シフトの空間微分を表しているので、密度分布の像（位相マップ（位相シフトの空間分布像））を求めるためには、Ｘ線強度Ｉ５とＩ６を加算した値を実施例１と同様にｙ軸方向に積分するか、Ｘ線強度Ｉ５とＩ６の差分をとった値をｚ軸方向に積分すればよい。また、よりノイズの少ない像が必要な場合は、両方法で得られた像を合成すればよい。最後に以上の手順により得られた像は、操作者の指示等により表示部１２で表示する。
【００９０】
被写体１６の断面像は、実施例１と同様に、被写体１６を集光Ｘ線１４に対して回転させ、各回転角度で得られた投影像からＣＴの再構成アルゴリズムにより計算で求めればよい。また、元素分布像は、実施例２と同様に、エネルギー分解能を有した第３Ｘ線検出器２２を被写体近傍に設置し、密度分布像の測定と同時に行えば取得することができる。
【００９１】
以上、本実施例によれば、同時反射のＸ線回折を利用して、集光したＸ線ビームの屈折角をすべての方向について高い角度分解能で検出することができ、かつ同時に被写体から放出された散乱及び蛍光Ｘ線も同時に測定することができる。このため、高い空間分解能、かつ高い密度分解能で被写体内部の密度分布及び元素分布を非破壊で観察することできる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の思想に基き、結晶の角度θcを集光Ｘ線ビームの角度分布の端が回折条件を満たすように調整された場合における、ロッキングカーブ、集光Ｘ線ビームの角度分布、及び回折される集光Ｘ線ビームを示す図である。
【図２】図１における「端の角度θo」の定義を説明するためのＸ線撮像装置の模式図である。
【図３】ビーム角度発散プロファイルがガウス分布の場合の、端の角度θoを説明する図である。
【図４】ビーム角度発散プロファイルが矩形分布（デルタ関数）の場合の、端の角度θoを説明する図である。
【図５Ａ】本発明において、被写体を設置した状態でのロッキングカーブ、集光Ｘ線ビームの角度分布、及び回折される集光Ｘ線ビームの変化を示す図である。
【図５Ｂ】本発明における集光Ｘ線ビームの角度変化と回折Ｘ線の強度変化の関係を示す図である。
【図６】ラウエケースのＸ線回折におけるＸ線と結晶との関係を示す図である。
【図７】ラウエケースにおける回折Ｘ線と透過Ｘ線の強度の計算例（ロッキングカーブ）を示す図である。
【図８】従来方式による、ラウエケースにおけるロッキングカーブ、集光Ｘ線ビームの角度分布、及び回折される集光Ｘ線ビームの関係を示す図である。
【図９】本発明の方式により、結晶の角度を集光Ｘ線ビームの角度分布の端が回折条件を満たすように調整した場合における、ロッキングカーブ、集光Ｘ線ビームの角度分布、及び回折される集光Ｘ線ビームの関係を示す図である。
【図１０】ブラッグケースのＸ線回折における入射Ｘ線と回折Ｘ線の関係を示す図である。
【図１１】（ｌｍｎ）面と（ｐｑｒ）面の回折条件を示す図である。
【図１２】同時反射のＸ線回折における入射Ｘ線と回折Ｘ線の関係を示す図である。
【図１３】本発明によるＸ線撮像装置の実施例１の構成を示す図である。
【図１４】本発明の実施例１における結晶の角度の初期設定の手順を示すフローチャート図である。
【図１５】実施例１において、結晶を回転し各角度で回折Ｘ線強度Ｉを測定することで得られたデータを示す図である。
【図１６】実施例１における複数の結晶を使用した場合の構成を示す図である。
【図１７】図１６における回折Ｘ線の強度の計算例（ロッキングカーブ）を示す図である。
【図１８】実施例１におけるＣＴによる断面像を取得する測定手順を示す図である。
【図１９】実施例１におけるスリットの詳細を示す図である。
【図２０】本発明によるＸ線撮像装置の実施例２の構成を示す図である。
【図２１】実施例２における第３Ｘ線検出器の設置位置を示す図である。
【図２２】実施例２における各エネルギーのＸ線強度（スペクトル）と各元素固有の蛍光Ｘ線エネルギーを対応して求める手順、及び各元素の濃度をコントラストとして算出する手順を示す図である。
【図２３】本発明によるＸ線撮像装置の実施例３の構成を示す図である。
【図２４】本発明によるＸ線撮像装置の実施例４の構成を示す図である。
【図２５】ブラッグケースにおける回折Ｘ線の強度の計算例（ロッキングカーブ）を示す図である。
【図２６】ブラッグケースにおけるロッキングカーブと平行Ｘ線ビームの角度分布を示す図である。
【図２７】ロッキングカーブ、集光Ｘ線ビームの角度分布、及び回折される集光Ｘ線ビームの関係を示す図である。
【図２８】図２７の状態から被写体の屈折による角度の変化が生じた場合の状態を示す図である。
【符号の説明】
【００９３】
１…Ｘ線源、２…Ｘ線集光素子、３…被写体ホルダー、４…被写体位置決め機構、５…透過型第１Ｘ線強度検出器、６…結晶、７…結晶ホルダー、８…結晶ホルダー位置決め機構、９…第２Ｘ線検出器、１０…制御部、１１…処理部、１２…表示装置、１３…Ｘ線、１４…Ｘ線集光素子位置調整機構、１５…集光Ｘ線ビーム、１６…被写体、１７…被写体を透過したＸ線、１８…回折Ｘ線、１９…結晶１、２０…結晶２、２１…スリット、２２…第３Ｘ線検出器、２３…第４Ｘ線検出器、２４…ラウエケースの結晶、２５…透過Ｘ線、２６…第５Ｘ線検出器、２７…第６Ｘ線検出器、１００…結晶角度調整ユニット。
【技術分野】
【０００１】
本発明はＸ線撮像装置及びＸ線撮像方法に係わり、特に、集光したＸ線ビームを用いて物体の内部を非破壊に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。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線は物質に対して透過能が非常に高く、被写体内部の構造や組成等を非破壊で測定・検査する方法として、医療診断から空港のセキュリティーチェックに至る様々な分野で広く利用されている。このうち、もっとも単純な測定方法は、Ｘ線を発生するＸ線源とＸ線を検出するＸ線フィルムなどの間に被写体を設置し、被写体の設置によって生じたＸ線の強度変化を検出する方法で、吸収コントラスト型Ｘ線イメージング、或いは一般にはレントゲンという名称で呼ばれている。
【０００３】
このイメージング法は、原理や装置が単純なこともあり比較的高い空間分解能が必要とされる測定や検査にも利用されているが、使用するＸ線フィルムなどの検出器の性能によって、その空間分解能は主に決定されてしまうため、高々数ミクロン程度であり、Ｘ線の波長（サブサブnm）から期待される空間分解能（回折限界）にはほど遠い値となっている。このため、より高い空間分解能を実現するために、Ｘ線を何らかの素子によって集光して被写体上をスキャンする方法など、様々な方法がこれまでに研究・開発されてきている。
【０００４】
そして、現在のところ、集光光学素子として回折現象を利用したゾーンプレートや、全反射を利用した球面や楕円面ミラーを用いて、０．１ミクロン以下の空間分解能が実現されつつある。
【０００５】
しかし、空間分解能の向上に伴って、被写体のサイズもより小さくなる傾向にあり、このためＸ線が被写体によってほとんど吸収されず、像コントラストの元になる「強度の変化」が極僅かで正常に観察することが難しくなってきている。この問題の解決策として、吸収のより大きな低エネルギーＸ線の利用や、露光時間の延長なども行われているが、この場合、Ｘ線照射による損傷が新たな問題となってくる。そこで、この問題の根本的な解決策として、Ｘ線の「位相」情報を利用する方法が注目を集めている。
【０００６】
このようなＸ線撮像に関する技術は、例えば、特許文献１、２、非特許文献１、２に開示されている。
【０００７】
Ｘ線は電磁波の一種であり，可視光と同様に「振幅」と「位相」という主に二つの物理量を持っている。従って，Ｘ線がサンプルを透過する際に，従来から利用していた吸収による「強度の変化」のほかに，「位相の変化」（「位相シフト」）も同時に生じる。硬Ｘ線領域において，この位相シフトを与える散乱断面積は，吸収を与える散乱断面積に比べて軽元素に対して約1000倍大きいという特徴がある（特許文献２の段落［０００３］参照）。したがって、画像のコントラストとして，従来の「強度の変化」の代わりに「位相シフト」を利用することにより、上記問題が解決できると期待されている。
【０００８】
ところが、位相シフトを直接的に検出することは不可能であるため、なんらかの方法を用いて、位相シフトを検出可能な強度に変換することが必要になる。
【０００９】
高い空間分解能の実現に必要な集光Ｘ線ビームの場合、ビームは発散ビームであるために、イメージングで一般的に利用されている平行Ｘ線ビームを用いた特許文献１に記載された方法などをそのままでは利用することができない。そのため、これまでのところ被写体によるＸ線の屈折から間接的に位相シフトを検出する下記の方法が採用されているだけである。
【００１０】
Ｘ線が空間的な密度差を持った被写体を透過すると、可視光と同様に極僅かではあるが屈折される。この屈折によるＸ線の角度のずれ（屈折角θ）は、被写体によって生じた位相シフトの空間的な勾配（dp/dx）を用いて、次式（１）で与えられる。
【００１１】
【数１】
したがって、屈折角を検出することによって位相シフトの勾配を求めることができる。さらに集光Ｘ線ビームに対して、被写体を走査し、各位置で得られた位相シフトの勾配値を積分計算することによって、被写体の密度にほぼ比例した量である位相シフトを取得することができる。
【００１２】
【特許文献１】特開平４−３４８２６２号公報
【特許文献２】特開平９−１８７４５５号公報
【非特許文献１】高エネルギー加速器研究機構 PF 将来計画に関する研究会2「走査顕微鏡光学系を利用した位相計測」，2005
【非特許文献２】Japanese Journal of Applied Physics Vol. 43, No. 11A, 2004, pp. L 1449
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
集光Ｘ線ビーム方式において、被写体によって生じたＸ線の屈折角θは、従来は具体的には以下の２つの方法で検出されている。第１の方法は、非特許文献１に開示されたように、被写体の下流に設置した高空間分解能のＸ線画像検出器を用いるものであり、被写体を透過したＸ線ビームを観察し、その位置のずれを直接的に検出する方法である。この方法において、画像検出器上のＸ線ビームの位置ずれΔｘは、被写体と検出器との距離ｌと屈折角θに依存し、次式（２）で与えられる。
【００１４】
【数２】
したがって、ｌが長いほど位置ずれΔｘが大きくなるために検出可能な角度分解能は向上することになる。しかし、一方でＸ線ビーム自身の広がりや空気の吸収によって、Ｘ線ビームの強度が低下してしまい長い露光時間が必要になる。また、一般に取得したＸ線ビームの画像の転送には長い時間が必要で、全体の測定時間も長くなってしまうという問題もある。
【００１５】
第２の方法として、非特許文献２に開示されたものは、被写体を透過したＸ線をくさび形の吸収材に入射し、透過したＸ線ビームの強度をシンチレーションカウンターなどの面分解能のない高速・高感度なＸ線検出器で測定する方法である。この方法では、第１の方法のような問題はないが、角度分解能が使用するくさびの形状などの影響を受けやすく、また、分解能を向上するために、Ｘ線ビームの入射角度を浅くしすぎると、くさびの表面で全反射を起こしてしまい正常に測定ができなくなるという問題がある。
【００１６】
一方、集光したＸ線ビームではなく、集光しない平行な面状のビームの屈折角θを検出する方法としては、特許文献２に記載されたＸ線の回折現象を利用した方法（屈折コントラスト法、Diffraction enhanced imaging: DEI）などがある。
【００１７】
Ｘ線の回折現象（Ｘ線回折）とは、結晶に対するＸ線の入射角θＢがブラッグの回折条件（３）を満たしたときに、Ｘ線が結晶格子面によって反射される現象のことである。
【００１８】
【数３】
ここで、λはＸ線の波長、ｄは回折を生じる格子面の間隔である。なお、入射したＸ線と回折されたＸ線が結晶面の同じ側にある場合はブラッグケース、別の側にある場合はラウエケースと呼ばれる。
【００１９】
ブラッグケースのＸ線回折において、入射するＸ線が完全に平行なビームの場合、回折されたＸ線の強度Ｉｇは動力学的な回折理論により、次式（４）で与えられる。
【００２０】
【数４】
ここでは、結晶によるＸ線の吸収は無視した。また、Ioは入射Ｘ線強度で、Ｗは次式（５）で与えられる変数である。
【００２１】
【数５】
ｄθはブラッグ角からのずれ、χgは電気感受率であるので、Ｉｇは入射角θＢのブラッグ角からのずれｄθに依存した量になる。
【００２２】
式（５）に基づいて、シリコン結晶の格子面（２２０）によるＩｇを計算した結果を図２５に示す。横軸が入射角θＢのブラッグ角からのずれ、縦軸が回折されたＸ線の強度である。Ｘ線のエネルギーは３５ｋｅＶ、結晶の厚さは１ｍｍである。
【００２３】
入射Ｘ線が完全に平行なビームの場合は、ビームの角度広がりは０であるために、図２６に示したように入射Ｘ線ビームは１本の線で表される。このために、入射角がブラッグ角近傍の±３μrad(Ｗ＜±１)となる場合のみＸ線は回折され、結晶は高感度な角度アナライザーとして動作することになる。以上により、非常に感度よく被写体による屈折角を検出することができる。しかし、ここでは平行Ｘ線ビームを利用しているために、空間分解能はＸ線フィルムなどＸ線検出器の空間分解能などに依存し、最高で数ミクロン程度という問題があった。
【００２４】
また、この方法を本発明で利用を想定している集光Ｘ線ビームに適用する場合、集光Ｘ線ビームは平行ではなくある程度の広がり（角度幅）を持った発散ビームであるため、以下に詳細を示す問題が生じる。
【００２５】
図２７に、入射Ｘ線として発散ビームを採用した場合の、ロッキングカーブ（各結晶角度における回折Ｘ線ビームの強度）、集光Ｘ線ビームの角度分布、及び回折される集光Ｘ線ビームの関係を示す。また、図２８に、図２７の状態から集光Ｘ線ビームの角度分布が被写体の屈折によって変化した状態を示す。
【００２６】
図２７に示すように、集光Ｘ線ビームを結晶にそのまま入射しただけでは、ビームが角度広がりを持っているため（回折角度幅＜ビーム広がり）、回折条件を満たすすべての角度でＸ線ビームが回折される。図２８に示すように、被写体の屈折によりＸ線ビームの角度が極僅かに変化しただけでは、回折条件を満たすすべての角度のＸ線が図２７と同じように存在する。このため、回折Ｘ線の強度はほとんど変化しないことになり、角度の変化を検出することはできない。
【００２７】
以上をまとめると、高い空間分解能を達成するためには集光したＸ線ビームの利用が必要であるが、被写体によって生じた集光Ｘ線ビームの屈折角を分解能よく短い時間に測定することは難しいという問題があった。一方、平行Ｘ線ビームでは、屈折角を分解能よく検出することはできるが、空間分解能を高くすることができないという問題があった。
【００２８】
本発明の目的は、被写体によって生じた集光Ｘ線ビームの屈折角を高い分解能でかつ短時間で検出可能とし、高い空間分解能で被写体を観察できるＸ線撮像装置及びＸ線撮像方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明では、以下に詳細を示すように、被写体を透過した際に生じた集光Ｘ線ビームの屈折角を、Ｘ線の回折現象を利用して検出することによって、上記の問題を解決する。
【００３０】
図１、図２により、本発明の基本概念を説明する。
図１は、本発明の思想に基き、結晶の角度を集光Ｘ線ビームの角度分布の端が回折条件を満たすように調整した場合における、ロッキングカーブ、集光Ｘ線ビームの角度分布、及び回折される集光Ｘ線ビームを示す図である。
【００３１】
本発明では、図２に示したＸ線撮像装置の模式図おける集光Ｘ線ビームの角度を調整し、結晶の角度θcを入射するＸ線ビームの角度分布の端が図１に示すような回折条件を満たすように設定する。これにより、円錐体の束状に発散しているビーム角度のうち、「端の角度」に位置するビームのみが結晶で回折されるようにする。換言すると、Ｘ線ビームの角度分布の端（角度θo）を、図１において入射角θＢのずれが０度の位置になるように、結晶の角度θcを調整する。ここで、ビームの端の角度θoは高角側（θoＨ，図２の実線）で調整してもよいし、低角側（θoＬ，図２の破線）で調整してもよい。
【００３２】
なお、円錐体の束状に発散したビームの強度は、微視的には、端の部分であっても連続的に変化している。そこで、本発明では、Ｘ線ビームの角度分布の端を、「ビームの角度発散プロファイルの微分値が実質的に最大または最小となる角度」と定義する。例えば、ビーム角度発散プロファイルが図３に示すガウス分布や図４に示す矩形分布（デルタ関数）では、夫々微分値が最大または最小、換言すると矢印で示したようにピーク値の半分となる値の角度が、端の角度θoである。端の角度θoは、厳密に微分値が最大または最小の位置でなくても良く、強度の変化の大きな範囲、換言すると実質的に最大または最小値若しくはその近傍にあれば良い。
【００３３】
なお、Ｘ線撮像装置の特性の差により、ビーム角度発散プロファイルが図３、図４に示したもの以外のプロファイルである場合でも、同様に、そのプロファイルの端近傍でかつ強度の変化率の大きい位置を「Ｘ線ビームの角度分布の端」とすることができる。一方、ビームのプロファイルの端近傍であっても、強度の変化率がごく小さい外側の縁等は、Ｘ線ビームの角度変化を検出し難くなるので、結晶の角度θcの初期設定値には適さない。
【００３４】
このようにして、本発明では、結晶の角度θcを、入射するＸ線ビームの角度分布の端が回折条件を満たすように調整する。
【００３５】
図５Ａは、本発明において、被写体を設置した状態でのロッキングカーブ、集光Ｘ線ビームの角度分布、及び回折される集光Ｘ線ビームの変化を示す図である。図５Ｂは、本発明における集光Ｘ線ビームの角度変化と回折Ｘ線の強度変化の関係を示す図であり、
本発明によれば、図５Ａに示すように、入射するＸ線の角度が極僅か（Δθ）でも変化すると、図５Ｂに示すように、ほぼ比例して結晶により回折されたＸ線ビームの強度変化となって現れることになる。すなわち、Δθに相当する量だけ、回折されたＸ線ビームの端の位置も、入射角θＢのずれが０度の位置から移動する。したがって、高い感度で入射するＸ線ビームの角度変化（屈折角）を検出することが可能になる。
【００３６】
次に、結晶の表面と回折を生じる格子面（回折格子面）が非平行な結晶（非対称結晶）を用いる場合について考えてみる。この非対称結晶によるＸ線回折では、非対称の角度によって、回折を生じる角度幅は入射側と出射側で異なった値になる。結晶表面と回折格子面のなす角度をαとしたとき、非対称度ｂは次式（６）で与えられ、
【００３７】
【数６】
入射側の回折を生じる角度幅ωoは次式（７）、
【００３８】
【数７】
出射側の角度幅ωgは次式（８）となる。
【００３９】
【数８】
ここで、ωsはｂ＝１（非対称角α＝０，対称結晶）における回折角度幅である。したがって、ｂ＜１となる非対称結晶を用いることによって、入射側の回折角度幅を対称結晶に比べて拡大することができ、より広い角度幅のＸ線を回折することができる。したがって、より強い回折ビーム強度を確保し、短い測定時間で、高いＳ／Ｎで測定することが可能になる。
【００４０】
次に、ラウエケースのＸ線回折を用いた場合について考えてみる。ラウエケースのＸ線回折では、図６に示したように、入射したＸ線は透過と回折の２本のＸ線ビームに分割される。入射Ｘ線ビームが完全な平行ビームの場合、回折及び透過Ｘ線ビームの強度ＩｇとＩｈは動力学的な回折理論により、各々、次式（９）、（１０）で与えられる。
【００４１】
【数９】
【００４２】
【数１０】
ここでは、結晶によるＸ線の吸収は無視した。
【００４３】
図７は、ラウエケースにおける回折Ｘ線と透過Ｘ線の強度（ロッキングカーブ＝Ｘ線の強度の、結晶面の入射ビームに対する角度依存性）の計算例を示す図である。図８は、従来方式における、ラウエケースにおけるロッキングカーブ、集光Ｘ線ビームの角度分布、及び回折される集光Ｘ線ビームを示す図である。さらに、図９は、本発明の方式に基いて、結晶の角度を集光Ｘ線ビームの角度分布の端が回折条件を満たすように調整した場合におけるロッキングカーブ、集光Ｘ線ビームの角度分布、及び回折される集光Ｘ線ビームを示す図である。
【００４４】
すなわち、図７には、図２５と同じ条件（Ｓｉ（２２０），エネルギー３５ ＫｅＶ、結晶厚１ mm）における各回折強度の曲線を計算した結果を示す。Ｉｇは回折Ｘ線ビームの強度、Ｉｈは透過Ｘ線ビームの強度を示している。
【００４５】
入射Ｘ線が完全な平行ビームの場合、ブラッグケースと同様に（図２６参照）、ビームの角度広がりは０であり、図７において線で表されるために、結晶は分解能の高い角度アナライザーとして動作する。
【００４６】
しかし前述したように、本発明の対象となる集光したＸ線ビームは、平行ではなく発散ビームであるため、集光ビームを結晶にそのまま入射しただけでは、図８に示すように回折条件を満たした一部の角度群のＸ線ビームが回折されることになり、集光したＸ線ビームの角度広がりのため、被写体による屈折角を検出することができない。
【００４７】
そこで、ブラッグケースと同様に、本発明の方式に基き、図９に示すように結晶の角度を入射するＸ線ビームの角度分布の端が回折条件を満たすように調整し、発散している角度のうち、端の角度のビームのみが回折されるようにする。これにより、入射するＸ線の角度が極僅かでも変化すれば、ほぼ比例して回折されたＸ線ビームの強度変化となって現れるので、高い感度で入射するＸ線ビームの角度変化（屈折角）を検出することが可能となる。さらに、ラウエケースの場合、回折されなかったＸ線は透過して結晶から出射してくるので、このビーム強度を同時に検出することによって、被写体による強度の吸収も同時に測定することが可能になる。
【００４８】
次に、Ｘ線の同時反射を利用した場合について考えてみる。図１０は、ブラッグケースのＸ線回折における入射Ｘ線と回折Ｘ線の関係を示す図、図１１は、（ｌｍｎ）面と（ｐｑｒ）面の回折条件を示す図、図１２は、同時反射のＸ線回折における入射Ｘ線と回折Ｘ線の関係を示す図である。上述したブラッグやラウエケースのＸ線回折の場合、結晶が角度アナライザーとして動作するのは、入射Ｘ線と回折ベクトルがなす面内（図１０のｘ−ｙ面）だけである。このため、ｚ方向の屈折角を検出することはできなかった。Ｘ線の同時反射とは、入射したＸ線が複数の格子面の回折条件を同時に満たした場合に生じる回折現象のことで、同時反射の回折格子面が互いに非平行なとき、Ｘ線の入射角（θとφ回転）が図１１に示す２つの格子面（（ｌｍｎ）と（ｐｑｒ））の回折条件を同時に満足している（中心部の重なった領域）と、非平行な複数の回折Ｘ線ビームに分割される（図１２）。したがって、分割された各Ｘ線ビームの強度（Ｉ１及びＩ２）を検出することによって、２方向の角度の変化を検出することができる。
【００４９】
前述したように、集光したＸ線ビームは平行ではなく発散ビームである。このため、ここでも上記と同じような結晶の角度設定を行う。すなわち、結晶の角度（θとφ回転）を、入射するＸ線ビームの角度分布の端の角度が同時反射の条件を満たすように調整する。これにより、入射するＸ線の角度が極僅かでも変化すると、同時反射された両方のＸ線ビームの強度変化となって現れる。具体的には、結晶の角度θが変化するとＩ１とＩ２双方のＸ線強度が同時に増加或いは減少し、φが変化するとＸ線ビームの強度Ｉ１が増加（減少）し、Ｉ２が減少（増加）することになる。したがって、双方のＸ線の強度変化から高い感度で入射するＸ線ビームの角度変化（屈折角）を２方向について検出することができる。
【００５０】
以上から、集光したＸ線ビームの被写体による屈折角度を高い角度分解能で検出することが可能で、サブミクロン以下の高い空間分解能、かつ高い密度分解能で被写体内部を非破壊で観察することが可能となる。
【００５１】
本発明の代表的なものの一例を示せば以下の通りである。即ち、本発明のＸ線撮像装置は、Ｘ線源から放出されたＸ線ビームを集光する集光素子と、集光した前記Ｘ線ビームに対して被写体を位置決めする手段と、前記Ｘ線ビームを回折する単結晶と、前記Ｘ線ビームに対して単結晶の角度を調整する角度調整機構と、回折された前記Ｘ線ビームの強度を検出する検出器と、制御部とを備え、前記制御部は、入射する前記集光Ｘ線ビームの角度分布の端がブラッグの回折条件を満たすように前記Ｘ線ビームに対して前記単結晶の角度を調整する角度設定機能を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００５２】
本発明によれば、集光したＸ線ビームの屈折角を高い角度分解能で検出することが可能となるので、高い空間分解能、かつ高い密度分解能で被写体内部を非破壊で観察することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
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。
【実施例１】
【００５４】
図１３〜図１９により、本発明の第一の実施例を説明する。まず、図１３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。図１３に示すように、本Ｘ線撮像装置は、Ｘ線源１、Ｘ線源から放出されたＸ線ビームを集光するＸ線集光素子２、被写体を保持する被写体ホルダー３、集光したＸ線ビームに対して被写体を位置決めする被写体位置決め機構４、被写体を透過したＸ線ビームの強度を検出する透過型第１Ｘ線強度検出器５、第１検出器５を透過したＸ線ビームを回折する結晶（単結晶）６、結晶ホルダー７、結晶６の角度を調整する結晶ホルダー位置決め機構８、回折されたＸ線ビームの強度を検出する第２Ｘ線検出器９、制御部１０、処理部１１及び表示装置１２から構成される。制御部１０は、入射する集光Ｘ線ビームの角度分布の端がブラッグの回折条件を満たすようにＸ線ビームに対して結晶６の角度を調整する角度設定ユニット１００を備えている。角度設定ユニット１００は、結晶ホルダー位置決め機構８を制御して、結晶６の角度θcを調整する（初期設定）機能を有する。制御部１０は、さらに、結晶６の角度が調整された状態で、被写体位置決め機構４を制御して、第１及び第２検出器により、被写体の各位置におけるＸ線ビームの強度を検出する機能を備えている。処理部１１は、検出されたＸ線ビームの強度から演算により被写体の２次元像を得る演算処理機能を備えている。
【００５５】
すなわち、Ｘ線源１から放射されたＸ線１３は、Ｘ線集光素子位置調整機構１４で位置決めされたＸ線集光素子２によって集光されて集光Ｘ線ビーム１５となり、被写体ホルダー３で保持され、被写体位置決め機構４によって位置決めされた被写体１６に照射される。被写体を透過したＸ線１７は、透過型の第１Ｘ線検出器５を透過した後に、結晶ホルダー７で保持され、結晶ホルダー位置決め機構８で入射角度を調整（初期設定）された結晶６に入射する。結晶によって回折されたＸ線１８は、第２Ｘ線検出器９で検出される。制御部１０では、被写体位置決め機構４を制御して、被写体の各位置に集光したＸ線ビームを順次照射し、そのときのＸ線の各強度を第１及び第２Ｘ線検出器で取得する。そして、処理部１１において、取得した強度に基づいて被写体の像（位相マップ）を算出し、算出した像を表示部１２で表示する。
【００５６】
次に、結晶角度調整ユニット１００による結晶６の角度の初期設定について、図１４〜図１５を参照しながら説明する。結晶角度調整ユニット１００は、被写体を設置しない状態での回折Ｘ線の強度を求め、入射するＸ線ビームの角度分布の端がブラッグの回折条件を満たすようにＸ線ビームに対して単結晶の角度θcを調整する機能を有している。図１４は、結晶の角度の初期設定の手順を示すフローチャート図であり、図１５は、このＸ線撮像装置において、結晶を回転し各角度で回折Ｘ線強度Ｉを測定することで得られたデータを示す図である。
【００５７】
はじめに、被写体を設置しない状態で、Ｘ線源１から放射されたＸ線ビーム１３の集光状態を調整する。調整は、集光素子２のＸ線ビームに対する相対的な位置や角度などをＸ線集光素子位置調整機構１４により適宜変化させ、被写体位置におけるＸ線ビームが最小となるようにする。なお、集光状態（ビーム形状）の確認は、鉛やタンタルの刃などで構成されたナイフエッジを被写体位置で走査し、得られた透過Ｘ線ビームの強度変化などを用いて行えばよい。
【００５８】
次に、回折用の結晶６を設置して、結晶角度調整ユニット１００により結晶ホルダー位置決め機構８を制御して結晶６の角度調整を行う。結晶角度調整ユニット１００による回折用の結晶６の角調整度は、図１４のフローチャートに従い以下のようにしてなされる。最初に測定に必要な設定を行った後、Ｘ線ビームの測定を開始する（Ｓ１４０）。まず、回転機構８を制御して結晶６を回転させ、結晶６の角度を変化させる（Ｓ１４２）。次に、結晶６の各角度における回折Ｘ線１８の強度Ｉを第２Ｘ線検出器９で測定する（Ｓ１４４）。このようにして、結晶６を所定の角度範囲にわたり順次回転させ、そのときの強度Ｉのデータを取得する（Ｓ１４６）。図１５にそのデータの一例を示す。次に、得られたデータから、ビームの端の角度θoを求める。そのために、まず、得られたデータから最大強度値Imaxを演算処理により算出する（Ｓ１４８）。次に、回転機構８を制御して、結晶６の角度θcを、ビームの「端の角度」に位置するビームのみが結晶で回折されるように設定する（Ｓ１５０）。
【００５９】
結晶６の角度調整の際、回折されたＸ線ビームの強度は図１５のよう変化するので、集光Ｘ線ビームの角度分布の端と考えられる角度（図１５の回折強度が実質的に半分となる角度）に結晶の角度を合わせる。
【００６０】
なお、結晶６の角度θcの設定に使用する集光Ｘ線ビームの角度は高角側（θＨ）でもよいし、低角側（θＬ）でもよい。すなわち、低角側の端の場合、強度の変化は図５のようになり、強度が実質的に半分になる角度が、角度分布の端となる角度である。高角側の端の場合、強度の変化は図５とは逆、すなわち、右下がりになるが、同様に、強度が実質的に半分になる角度が角度分布の端となる角度である。
【００６１】
結晶６の角度の設定（初期設定）が完了したら、次に、被写体ホルダー３で保持した被写体１６を集光位置に設置し、測定を行う。結晶６の角度θcは、図１４に示した手順により、Ｘ線ビームの角度分布の端が回折条件を満たすように設定してあるので、被写体１６によってＸ線の屈折角が変化すると、回折Ｘ線１８の強度も屈折角度に比例して変化する。このため、回折Ｘ線１８の強度変化から屈折角を求めることができる。
【００６２】
被写体１６の２次元像を取得するためには、前述のように被写体位置決め機構４を用いて、被写体１６の各位置にＸ線ビーム１４を照射し、そのときの各Ｘ線の強度を第１検出器５及び第２Ｘ線検出器９で取得する。第１Ｘ線検出器５で検出したＸ線強度Ｉ１は被写体によるＸ線の吸収を示し、第２Ｘ線検出器９で検出したＸ線強度Ｉ２は被写体１６による吸収と屈折角による変化分を含んだ値となっているので、屈折角のみを抽出するためには、Ｘ線強度Ｉ２をＸ線強度Ｉ１で除算すればよい。また、屈折角は被写体１６の位相シフトの空間微分を表しているので、密度分布の像（位相マップ（位相シフトの空間分布像））を求めるためには、図１３のｙ軸の方向に屈折角度を積分すればよい。最後に以上の手順により得られた像は、操作者の指示等により表示部１２で表示する。
【００６３】
回折に使用する結晶６にはシリコンやゲルマニウムなどの単結晶を用いる。そして回折の格子面は、使用するＸ線のエネルギー等に基づいて決定する。低次の回折ほど大きな回折Ｘ線強度を確保でき、測定時間を短縮できるので、基本的には低次の回折（Ｓｉ（１１１）や（２２０）など）を利用するとよい。ただし、高エネルギーＸ線の場合、低次ではブラッグ角が小さくなるために調整が難しくなる。この場合は、高次の回折（Ｓｉ（３１１）やＳｉ（４４０）など）を利用すればよい。また、非対称結晶を用いると、入射側の角度回折幅を拡大でき、より強い回折強度を得ることができる。したがって、測定時間の短縮や高いＳ／Ｎを確保することができる。ただし、Ｘ線のエネルギーによってブラッグ角度が異なるので、使用するＸ線のエネルギーに適した非対称角度の結晶を用意する必要がある。
【００６４】
また、図１６に示すように、複数枚の結晶１９及び２０を組み合わせて使用することもできる。この場合、回折されたＸ線の強度は最終的には各結晶の回折強度曲線の積で与えられるために、図１７に示すように曲線の端の傾きがより急峻になりに、より高い角度分解能でＸ線の屈折角を検出することができる。この複数枚の結晶あらかじめ平行に配置し共通の結晶ホルダー７’で支持すれば、１個の単結晶と同様な調整で行うことができる。
【００６５】
回折用の結晶６の角度θcは、入射Ｘ線ビームの角度分布の端となるようにきわめて高い精度で調整する必要がある。また、測定中に結晶が回転ドリフトすると、正確にＸ線の屈折角を求められなくなってしまうため、回転ドリフトは極力抑える必要がある。そこで、結晶ホルダー位置調整機構８として、タンジェンシャルバーを用いた精密ゴニオステージを用いるのが望ましい。この機構を採用することにより、回転位置決め精度を１／１００角度秒、ドリフトを１／１０角度秒以下と、測定に全く支障がない精度で回転を制御することができる。
【００６６】
第１Ｘ線検出器５は、Ｘ線を透過させることが必要なためイオンチャンバーやカプトン膜の散乱を利用した透過型Ｘ線検出器を用いる。イオンチャンバーはＸ線による気体の電作用を利用した検出器で、Ｘ線のエネルギーに依存するが、通常は９０％以上のＸ線を透過することができる。また、カプトン膜の散乱をシンチレーションカウンターで検出する方法では、イオンチャンバーに比べてより高い感度でＸ線強度を検出することができるために、透過率をさらに高くすることができる。
【００６７】
被写体位置決め機構４として、被写体の２次元的な位置決め（ｘ−ｚ面）の他に、Ｘ線ビームに対して被写体を回転させる機能を付加し、被写体の各角度で２次元像を取得するようにすれば、Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＣＴ）の原理により、非破壊で被写体の断面像を取得することができる。この場合、測定は、図１８のフローチャートに示したように、以下の手順で行なう。
（１） 透過像と同様な手順により、試料によって生じた屈折角θの空間的な分布、及び位相マップを求める（Ｓ１８０〜Ｓ１８４）。
（２）試料位置決め機構４に付加された回転機構により、試料をΔｒだけ回転する（Ｓ１８６）。
（３） （１）〜（２）を必要なステップ数ｎ（＝１８０°／Δｒ）だけ繰り返す（Ｓ１８８〜Ｓ１９０）。
の手順により行う。
【００６８】
そして、測定後に、各角度で得られた位相マップから位相プロジェクション像を求め、更に、フィルターバックプロジェクション法などの断面像再構成アルゴリズムにより位相プロジェクション像から位相コントラストの試料断面像を計算で再構成する。計算により得られた位相コントラスト断面像は、例えばオペレーターの指示等により、表示部１２で表示する。
【００６９】
Ｘ線の集光素子２として、回折を利用したフレネルゾーンプレート（ＦＺＰ）や、Ｘ線の全反射を利用したミラー（集光鏡）などを用いることができる。ＦＺＰは、Ｘ線の光路に設置するだけで集光したＸ線ビームが簡単に得られるので、調整を非常に簡便にすることができる。しかし、Ｘ線の利用効率が低いために長い測定時間が必要で、また、使用するＸ線のエネルギーによって集光位置が変化するために、エネルギーを変更する都度、再調整を行う必要がある。一方、全反射ミラーは、一般には複数枚の球面或いは楕円面ミラーで構成されているため、複雑な角度及び位置調整が必要であるが、集光位置がＸ線のエネルギーに依存せず、また、Ｘ線の利用効率が高いために測定時間を短縮できるという特徴がある。したがって、Ｘ線エネルギーの変更頻度やエネルギースキャンの有無、及び測定時間との兼ね合いから、適した集光素子を選択すればよい。
【００７０】
集光したＸ線の角度分布は、理想的にはガウス分布に近い形状となる。しかし、集光素子の形状エラーや調整不足等により、角度分布は一般には乱れた形状となってしまう。このため、角度分布の端も乱れた形状となっていて、被写体による屈折角を正確に検出することが難しくなる。この場合、図１９に示すように第１Ｘ線検出器５と、結晶６との間にスリット２１を設置して、ビームの形状及び角度分布を整形する。これにより、ビーム角度分布の端の形状も整形され、精度よく屈折角を求めることが可能となる。
【００７１】
以上、本実施例によれば、集光したＸ線ビームの屈折角を高い角度分解能で検出することができる。このため、高い空間分解能、かつ高い密度分解能で被写体内部を非破壊で観察することできる。
【実施例２】
【００７２】
実施例１では、被写体による集光Ｘ線ビームの屈折角だけを検出しているために、被写体の密度分布像しか取得することができなかった。ここでは、密度分布像に加えて、元素分布像も同時に取得可能な実施例を示す。
【００７３】
図２０は、本実施例によるＸ線撮像装置の構成を示す図である。本実施例は、実施例１の構成に加えて、被写体１６から放出された散乱及び蛍光Ｘ線を検出するエネルギー分解能を有した第３Ｘ線検出器２２を加えた構成となっている。被写体を設置しない状態での回折用の結晶６の角度の設定（初期設定）や、被写体を設置した状態でのＸ線の強度の測定は、実施例１と同様にして行なう。本実施例において、集光Ｘ線ビームが照射される被写体の領域は極小さく、散乱Ｘ線や蛍光Ｘ線もほぼ同じ領域から放出される。このために、放出されたＸ線の強度やエネルギーを同時に検出及び分析することによって、Ｘ線が照射されているこの小さな領域の元素情報などを同時に取得することができる。
【００７４】
第３Ｘ線検出器として液体窒素冷却のＧｅ半導体検出器(Solid State Detector, ＳＳＤ)、或いはシリコンドリフト検出器（ＳＤＤ）などを用いる。ＳＳＤの検出効率はそれほど高くないが、エネルギー分解能が高く、かつ高エネルギーのＸ線に対しても感度が高いという特徴があるので、利用するＸ線のエネルギーが比較的高い場合に利用する。また、ＳＤＤは検出効率が高く、かつ冷却がペルテェ素子で行えるために取り扱いが安易という特徴がある。このため、比較的エネルギーの低い蛍光Ｘ線を検出する場合に利用する。また、これら半導体型の検出器でより高い検出効率が必要な場合は、半導体検出素子が複数の多素子型の検出器を用いればよい。
【００７５】
被写体に重元素等が含まれていたり、検出対象となる散乱及び蛍光Ｘ線のエネルギーが低い場合、被写体によって散乱及び蛍光Ｘ線が吸収されてしまい、疑似像（アーチファクト）が発生する場合がある。このため、第３Ｘ線検出器２２は、図２１に示すように被写体の吸収がより少ないと考えられるＸ線の入射方向か、或いは吸収が等方的と考えられる被写体上部に設置するとよい。
【００７６】
測定は実施例１と同様に、集光素子２及び結晶６の調整を行った後に被写体１６を設置し、被写体位置決め機構４を用いて照射位置を走査しながら、第１検出器５、第２検出器９、及び第３Ｘ線検出器２２でそれぞれのＸ線強度を検出するという手順で行う。被写体１６の密度分布像は測定後に実施例１と同様にして算出する。
【００７７】
また、図２２に示すように、元素分布像は、各照射位置において第３Ｘ線検出器で得られた各エネルギーのＸ線強度（スペクトル）と各元素（例えばＡ，Ｂ，Ｃ）固有の蛍光Ｘ線エネルギーを対応して求めた各元素の濃度をコントラストとして算出する。測定によって得られた各元素の濃度を示す像は、操作者の指示等により、単独に或いは密度分布像や他の元素分布像と合成して表示部１２で表示する。
【００７８】
被写体の断面像をＣＴ法で取得する場合は、実施例１と同様の測定に、散乱及び蛍光Ｘ線の測定を加えて全く同様の手順で行う。そして、元素分布の断面像は、密度分布像を算出するアルゴリズムと同じアルゴリズムで算出すればよい。
【００７９】
以上、本実施例によれば、集光したＸ線ビームの屈折角を高い角度分解能で検出することができ、かつ同時に被写体から放出された散乱及び蛍光Ｘ線も同時に測定することができる。このため、高い空間分解能、かつ高い密度分解能で被写体内部の密度分布及び元素分布を非破壊で観察することできる。
【実施例３】
【００８０】
実施例１では、被写体の吸収によるＸ線強度の変化を透過型の第１Ｘ線検出器を用いて検出する必要があった。ここでは、ラウエケースのＸ線回折を利用して、結晶で回折されたＸ線、及び透過したＸ線の強度のみから、被写体の吸収によるＸ線強度の変化を検出できる実施例を示す。
【００８１】
図２３に、本実施例における装置の構成例を示す。実施例１の構成から透過型の第１Ｘ線検出器５を取り除き、代わりにラウエケースの結晶２４を透過したＸ線の強度を検出する第４検出器２３を新たに設けてある。本実施例において、被写体１６を設置しない状態で、ラウエケースの結晶２４の角度を、結晶位置決め機構８を用いて実施例１と同様に、集光Ｘ線ビーム１７の角度分布の端の角度が回折条件を満たすように設定しておく（初期設定）。これにより、回折条件を満たした一部の集光Ｘ線が回折され、残りのＸ線は結晶２４を透過することになる。被写体１６によってＸ線の屈折角が変化すると、実施例１と同様に回折Ｘ線１８の強度も屈折角度に比例して変化する。従って、回折Ｘ線１８の強度変化から屈折角を求めることができる。
【００８２】
一方、結晶を透過したＸ線２５の強度は、集光Ｘ線ビーム１７の角度分布広がりが結晶の角度幅に比べて十分に大きいので、被写体１６による屈折角の変化に対してほとんど変化しない。このため、透過Ｘ線２５の強度変化から被写体の吸収による強度変化を求めることができる。
【００８３】
測定の手順は実施例１と同様に、被写体未設置の状態で集光素子２及び結晶２４の調整を行い、被写体１６を設置し、被写体位置決め機構４を用いて照射位置を走査しながら第２検出器９及び第４Ｘ線検出器２３でそれぞれのＸ線強度を検出するという順で行う。第４Ｘ線検出器２３で検出したＸ線強度Ｉ４は被写体１６によるＸ線の吸収を、第２Ｘ線検出器９で検出したＸ線強度Ｉ２は被写体１６による吸収と屈折角による変化分を含んだ値を示しているので、屈折角のみを抽出するためには、Ｘ線強度Ｉ２をＩ４で除算すればよい。また、屈折角は被写体１６の位相シフトの空間微分を表しているので、密度分布の像（位相マップ（位相シフトの空間分布像））を求めるためには、実施例１と同様に屈折角度を積分すればよい。最後に以上の手順により得られた像は、操作者の指示等により表示部１２で表示する。
【００８４】
被写体１６の断面像は、実施例１と同様に、被写体を集光Ｘ線ビーム１４に対して回転させ、各回転角度で得られた投影像からＣＴの再構成アルゴリズムにより計算で求めればよい。また、元素分布像は、実施例２と同様に、エネルギー分解能を有した第３Ｘ線検出器２２を被写体近傍に設置し、密度分布像の測定と同時に行えば取得することができる。
【００８５】
以上、本実施例によれば、ラウエケースのＸ線回折を利用して、集光したＸ線ビームの屈折角を高い角度分解能で検出することができ、かつ同時に被写体から放出された散乱及び蛍光Ｘ線も同時に測定することができる。このため、高い空間分解能、かつ高い密度分解能で被写体内部の密度分布及び元素分布を非破壊で観察することできる。
【実施例４】
【００８６】
実施例１及び３では、被写体によって生じた屈折角のうち、回折ベクトルと入射Ｘ線のなす平面内の屈折角しか検出することができなかった。ここでは、Ｘ線の同時反射を利用して、すべての方向の屈折角を検出できる実施例を示す。Ｘ線の同時反射とは、入射したＸ線が複数の格子面の回折条件を同時に満たしたときに生じる回折現象のことで、回折格子面が互いに非平行なとき、Ｘ線の入射角が２つの格子面の回折条件を満たすと、互いに非平行な複数の回折Ｘ線ビームに分割される。したがって、分割された各Ｘ線ビームの強度を検出することによって、２方向の屈折角の変化を検出することができる。
【００８７】
図２４に本実施例における装置の構成例を示す。本実施例は、実施例１の構成の第２検出器９に代えて、同時反射によって分割・形成された２本の回折Ｘ線を検出する第５検出器２６及び第６Ｘ線検出器２７を新たに設けてある。なお、ここでは便宜上回折Ｘ線を２本としたが、条件によっては３本以上に分割され、かつ、これらを検出するためにＸ線検出器も３個以上になる場合もある。
【００８８】
本装置において、結晶６の角度（θ及びφ回転）を、入射するＸ線ビームの角度分布の端の角度が同時反射の条件を満たすように調整しておくと、入射するＸ線の角度が極僅かでも変化すれば、同時反射された両方のＸ線ビームの強度変化となって現れる。このため、両方のＸ線ビームの強度を検出・比較することによって、高い感度で入射するＸ線ビームの角度変化（屈折角）を２方向について検出することができる。
【００８９】
測定の手順は実施例１と同様に、被写体未設置の状態で集光素子２及び結晶６の調整を行い（初期設定）、被写体１６を設置し、被写体位置決め機構４を用いて照射位置を走査しながら第１検出器５、第５検出器２６、及び第６Ｘ線検出器２７でそれぞれのＸ線強度を検出するという順で行う。第１Ｘ線検出器５で検出したＸ線強度Ｉ１は被写体１６によるＸ線の吸収を、第５検出器２６および第６Ｘ線検出器２７で検出したＸ線強度Ｉ５，Ｉ６は被写体１６による吸収と屈折角による変化分を含んだ値を示しているので、屈折角のみを抽出するためには、Ｘ線強度Ｉ５及び６をＸ線強度Ｉ１で除算すればよい。また、屈折角は被写体の位相シフトの空間微分を表しているので、密度分布の像（位相マップ（位相シフトの空間分布像））を求めるためには、Ｘ線強度Ｉ５とＩ６を加算した値を実施例１と同様にｙ軸方向に積分するか、Ｘ線強度Ｉ５とＩ６の差分をとった値をｚ軸方向に積分すればよい。また、よりノイズの少ない像が必要な場合は、両方法で得られた像を合成すればよい。最後に以上の手順により得られた像は、操作者の指示等により表示部１２で表示する。
【００９０】
被写体１６の断面像は、実施例１と同様に、被写体１６を集光Ｘ線１４に対して回転させ、各回転角度で得られた投影像からＣＴの再構成アルゴリズムにより計算で求めればよい。また、元素分布像は、実施例２と同様に、エネルギー分解能を有した第３Ｘ線検出器２２を被写体近傍に設置し、密度分布像の測定と同時に行えば取得することができる。
【００９１】
以上、本実施例によれば、同時反射のＸ線回折を利用して、集光したＸ線ビームの屈折角をすべての方向について高い角度分解能で検出することができ、かつ同時に被写体から放出された散乱及び蛍光Ｘ線も同時に測定することができる。このため、高い空間分解能、かつ高い密度分解能で被写体内部の密度分布及び元素分布を非破壊で観察することできる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の思想に基き、結晶の角度θcを集光Ｘ線ビームの角度分布の端が回折条件を満たすように調整された場合における、ロッキングカーブ、集光Ｘ線ビームの角度分布、及び回折される集光Ｘ線ビームを示す図である。
【図２】図１における「端の角度θo」の定義を説明するためのＸ線撮像装置の模式図である。
【図３】ビーム角度発散プロファイルがガウス分布の場合の、端の角度θoを説明する図である。
【図４】ビーム角度発散プロファイルが矩形分布（デルタ関数）の場合の、端の角度θoを説明する図である。
【図５Ａ】本発明において、被写体を設置した状態でのロッキングカーブ、集光Ｘ線ビームの角度分布、及び回折される集光Ｘ線ビームの変化を示す図である。
【図５Ｂ】本発明における集光Ｘ線ビームの角度変化と回折Ｘ線の強度変化の関係を示す図である。
【図６】ラウエケースのＸ線回折におけるＸ線と結晶との関係を示す図である。
【図７】ラウエケースにおける回折Ｘ線と透過Ｘ線の強度の計算例（ロッキングカーブ）を示す図である。
【図８】従来方式による、ラウエケースにおけるロッキングカーブ、集光Ｘ線ビームの角度分布、及び回折される集光Ｘ線ビームの関係を示す図である。
【図９】本発明の方式により、結晶の角度を集光Ｘ線ビームの角度分布の端が回折条件を満たすように調整した場合における、ロッキングカーブ、集光Ｘ線ビームの角度分布、及び回折される集光Ｘ線ビームの関係を示す図である。
【図１０】ブラッグケースのＸ線回折における入射Ｘ線と回折Ｘ線の関係を示す図である。
【図１１】（ｌｍｎ）面と（ｐｑｒ）面の回折条件を示す図である。
【図１２】同時反射のＸ線回折における入射Ｘ線と回折Ｘ線の関係を示す図である。
【図１３】本発明によるＸ線撮像装置の実施例１の構成を示す図である。
【図１４】本発明の実施例１における結晶の角度の初期設定の手順を示すフローチャート図である。
【図１５】実施例１において、結晶を回転し各角度で回折Ｘ線強度Ｉを測定することで得られたデータを示す図である。
【図１６】実施例１における複数の結晶を使用した場合の構成を示す図である。
【図１７】図１６における回折Ｘ線の強度の計算例（ロッキングカーブ）を示す図である。
【図１８】実施例１におけるＣＴによる断面像を取得する測定手順を示す図である。
【図１９】実施例１におけるスリットの詳細を示す図である。
【図２０】本発明によるＸ線撮像装置の実施例２の構成を示す図である。
【図２１】実施例２における第３Ｘ線検出器の設置位置を示す図である。
【図２２】実施例２における各エネルギーのＸ線強度（スペクトル）と各元素固有の蛍光Ｘ線エネルギーを対応して求める手順、及び各元素の濃度をコントラストとして算出する手順を示す図である。
【図２３】本発明によるＸ線撮像装置の実施例３の構成を示す図である。
【図２４】本発明によるＸ線撮像装置の実施例４の構成を示す図である。
【図２５】ブラッグケースにおける回折Ｘ線の強度の計算例（ロッキングカーブ）を示す図である。
【図２６】ブラッグケースにおけるロッキングカーブと平行Ｘ線ビームの角度分布を示す図である。
【図２７】ロッキングカーブ、集光Ｘ線ビームの角度分布、及び回折される集光Ｘ線ビームの関係を示す図である。
【図２８】図２７の状態から被写体の屈折による角度の変化が生じた場合の状態を示す図である。
【符号の説明】
【００９３】
１…Ｘ線源、２…Ｘ線集光素子、３…被写体ホルダー、４…被写体位置決め機構、５…透過型第１Ｘ線強度検出器、６…結晶、７…結晶ホルダー、８…結晶ホルダー位置決め機構、９…第２Ｘ線検出器、１０…制御部、１１…処理部、１２…表示装置、１３…Ｘ線、１４…Ｘ線集光素子位置調整機構、１５…集光Ｘ線ビーム、１６…被写体、１７…被写体を透過したＸ線、１８…回折Ｘ線、１９…結晶１、２０…結晶２、２１…スリット、２２…第３Ｘ線検出器、２３…第４Ｘ線検出器、２４…ラウエケースの結晶、２５…透過Ｘ線、２６…第５Ｘ線検出器、２７…第６Ｘ線検出器、１００…結晶角度調整ユニット。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線源から放出されたＸ線ビームを集光する集光素子と、
集光した前記Ｘ線ビームに対して被写体を位置決めする手段と、
前記被写体を透過した前記Ｘ線ビームを回折する単結晶と、
前記Ｘ線ビームに対して単結晶の角度を調整する角度調整機構と、
回折された前記Ｘ線ビームの強度を検出する検出器と、
制御部とを備え、
前記制御部は、入射する前記集光Ｘ線ビームの角度分布の端がブラッグの回折条件を満たすように前記Ｘ線ビームに対して前記単結晶の角度を調整する角度設定機能を有することを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項２】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記Ｘ線ビームの角度分布の端は、前記集光Ｘ線ビームの角度発散プロファイルの微分値が、実質的に最大または最小となる角度であることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項３】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記集光Ｘ線ビームの角度分布の端の角度は、前記ビームの角度分布の高角側の角度（θoＨ）若しくは低角側側の角度（θoＬ）であることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項４】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記制御部は、前記単結晶の角度を調整する機能を有する結晶角度調整ユニットを備えており、
該結晶角度調整ユニットは、前記被写体を設置しない状態で前記角度調整機構を制御して前記単結晶の角度を変化させ、該単結晶を所定の角度範囲にわたり回転させて発散している前記Ｘ線ビームの強度Ｉの角度分布のデータを取得する機能と、得られた該強度Ｉの角度分布のデータから演算により前記Ｘ線ビームの端の角度を求める機能と、求められた該Ｘ線ビームの端の角度に基づいて前記角度調整機構を制御して前記単結晶の角度を設定する機能とを有することを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項５】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記被写体を透過したＸ線ビームの強度を検出するＸ線透過型の第１検出器と、
前記第１検出器を透過した前記Ｘ線ビームを回折する前記単結晶と、
前記単結晶で回折された前記Ｘ線ビームの強度を検出する第２検出器と、
前記単結晶の角度が調整された状態で、前記被写体を位置決めする手段により制御された前記被写体の各位置において前記第１及び前記第２検出器で前記Ｘ線ビームの強度を検出する前記制御部と、
該Ｘ線ビームの強度から演算により前記被写体の２次元像を得る処理部とを備えたことを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項６】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記被写体を透過した前記Ｘ線ビームをラウエケースのＸ線回折により回折する前記単結晶と、
回折されたＸ線ビームの強度を検出する第１検出器と、
前記単結晶を透過した透過Ｘ線ビームの強度を検出する第２検出器と、
前記単結晶の角度が調整された状態で、前記被写体を位置決めする手段により制御された前記被写体の各位置において前記第１及び前記第２検出器で前記Ｘ線ビームの強度を検出する前記制御部と、
該Ｘ線ビームの強度から演算により前記被写体の２次元像を得る処理部とを備えていることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項７】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記被写体を透過したＸ線ビームの強度を検出するＸ線透過型の第１検出器と、
前記第１検出器を透過したＸ線ビームをＸ線の同時反射により回折する前記単結晶と、
回折された複数の前記Ｘ線ビームの強度を検出する複数の検出器と、
入射するＸ線ビームの角度分布の端が同時反射を生ずるブラッグの回折条件を満たすように前記Ｘ線ビームに対して前記単結晶の角度を調整する機能と、
前記単結晶の角度が調整された状態で、前記被写体を位置決めする手段により制御された前記被写体の各位置において前記第１及び前記複数の検出器で前記Ｘ線ビームの強度を検出する前記制御部と、
該検出された前記Ｘ線ビームの強度から演算により前記被写体の２次元像を得る処理部とを備えていることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項８】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記被写体を位置決めする手段は、集光した前記Ｘ線ビームに対して被写体を回転させる機能を有し、
複数の異なる方向から前記Ｘ線ビームを照射して得られた複数の２次元像から前記被写体の断面像を再生する機能を有する処理部を備えていることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項９】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記集光素子がＸ線の回折現象を利用した集光鏡であることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１０】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記集光素子がＸ線の全反射を利用した集光鏡であることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１１】
請求項５記載のＸ線撮像装置において、
前記第１検出器と前記単結晶の間にＸ線ビームの一部を遮蔽するスリットを設けたことを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１２】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記単結晶の表面と回折を生じる結晶格子面が非平行であることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１３】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記単結晶が複数の単結晶で構成されていることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１４】
請求項５記載のＸ線撮像装置において、
前記被写体の近くに設けられ、Ｘ線のエネルギーを分別できる機能を有した第３検出器を備え、
前記制御部は、前記被写体から放出された散乱及び蛍光Ｘ線を検出する機能を有し、
前記処理部は、該検出したＸ線の強度から前記測定と同時に被写体の散乱及び蛍光による２及び３次元像を得る機能を有することを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１５】
請求項６記載のＸ線撮像装置において、
前記被写体を位置決めする手段が、前記集光したＸ線ビームに対して前記被写体を回転させる機能を有し、
前記処理部は、複数の異なる方向から前記Ｘ線ビームを照射して得られた複数の２次元像から前記被写体の断面像を再生する機能を備えていることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１６】
請求項７記載のＸ線撮像装置において、
前記被写体を位置決めする手段が、前記集光したＸ線ビームの光路に対して被写体を回転させる機能を有し、
前記処理部は、複数の異なる方向から前記Ｘ線ビームを照射して得られた複数の２次元像から前記被写体の断面像を再生する機能を備えていることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１７】
Ｘ線源から放出されたＸ線ビームを集光する集光素子と、
集光した前記Ｘ線ビームに対して被写体を位置決めする手段と、
前記被写体を透過した前記Ｘ線ビームを回折する単結晶と、
前記Ｘ線ビームに対して前記単結晶の角度を調整する角度調整機構と、
回折された前記Ｘ線ビームの強度を検出する検出器と、
結晶角度調整ユニットを有する制御部とを備え、
該結晶角度調整ユニットは、前記被写体が設置されていない状態で前記単結晶を所定の角度範囲にわたり回転させて発散している前記集光したＸ線ビームの強度の角度分布のデータを取得する機能と、得られた該強度の角度分布のデータから前記Ｘ線ビームの端の角度を求める機能と、入射する前記Ｘ線ビームの角度分布の端がブラッグの回折条件を満たすように前記角度調整機構を制御して前記Ｘ線ビームに対して前記単結晶の角度を調整する機能とを有することを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１８】
請求項１７記載のＸ線撮像装置において、
該結晶角度調整ユニットは、前記集光Ｘ線ビームの回折強度が実質的に半分となる角度を前記Ｘ線ビームの端の角度として求め、該角度に前記単結晶の角度を合わせる機能を有することを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１９】
集光したＸ線ビームを用いて物体の内部を検査するＸ線撮像装置を用いたＸ線撮像方法であって、
前記Ｘ線撮像装置は、Ｘ線源から放出されたＸ線ビームを集光する集光素子と、集光した前記Ｘ線ビームに対して被写体を位置決めする手段と、前記被写体を透過した前記Ｘ線ビームを回折する単結晶と、前記Ｘ線ビームに対して前記単結晶の角度を調整する角度調整機構と、回折された前記Ｘ線ビームの強度を検出する検出器と、前記単結晶の角度を調整する制御部と、前記被写体の２次元像を得るための処理を行なう処理部とを備え、
入射する前記集光Ｘ線ビームの角度分布の端がブラッグの回折条件を満たすように前記Ｘ線ビームに対して前記単結晶の角度を調整し、
前記単結晶の角度が調整された状態で、前記検出器により前記被写体の各位置において前記Ｘ線ビームの強度を検出し、
検出された前記Ｘ線ビームの強度から演算により前記被写体の２次元像を得ることを特徴とするＸ線撮像方法。
【請求項２０】
請求項１９記載のＸ線撮像方法において、
前記被写体が設置されていない状態で前記単結晶を所定の角度範囲にわたり回転させて発散している前記集光したＸ線ビームの強度の角度分布のデータを取得し、
得られた該強度の角度分布のデータから前記集光Ｘ線ビームの端の角度を求め、
前記角度調整機構を制御して、前記単結晶の角度を、前記集光Ｘ線ビームの端の角度に位置するビームのみが該結晶で回折されるように設定することを特徴とするＸ線撮像方法。
【請求項１】
Ｘ線源から放出されたＸ線ビームを集光する集光素子と、
集光した前記Ｘ線ビームに対して被写体を位置決めする手段と、
前記被写体を透過した前記Ｘ線ビームを回折する単結晶と、
前記Ｘ線ビームに対して単結晶の角度を調整する角度調整機構と、
回折された前記Ｘ線ビームの強度を検出する検出器と、
制御部とを備え、
前記制御部は、入射する前記集光Ｘ線ビームの角度分布の端がブラッグの回折条件を満たすように前記Ｘ線ビームに対して前記単結晶の角度を調整する角度設定機能を有することを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項２】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記Ｘ線ビームの角度分布の端は、前記集光Ｘ線ビームの角度発散プロファイルの微分値が、実質的に最大または最小となる角度であることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項３】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記集光Ｘ線ビームの角度分布の端の角度は、前記ビームの角度分布の高角側の角度（θoＨ）若しくは低角側側の角度（θoＬ）であることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項４】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記制御部は、前記単結晶の角度を調整する機能を有する結晶角度調整ユニットを備えており、
該結晶角度調整ユニットは、前記被写体を設置しない状態で前記角度調整機構を制御して前記単結晶の角度を変化させ、該単結晶を所定の角度範囲にわたり回転させて発散している前記Ｘ線ビームの強度Ｉの角度分布のデータを取得する機能と、得られた該強度Ｉの角度分布のデータから演算により前記Ｘ線ビームの端の角度を求める機能と、求められた該Ｘ線ビームの端の角度に基づいて前記角度調整機構を制御して前記単結晶の角度を設定する機能とを有することを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項５】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記被写体を透過したＸ線ビームの強度を検出するＸ線透過型の第１検出器と、
前記第１検出器を透過した前記Ｘ線ビームを回折する前記単結晶と、
前記単結晶で回折された前記Ｘ線ビームの強度を検出する第２検出器と、
前記単結晶の角度が調整された状態で、前記被写体を位置決めする手段により制御された前記被写体の各位置において前記第１及び前記第２検出器で前記Ｘ線ビームの強度を検出する前記制御部と、
該Ｘ線ビームの強度から演算により前記被写体の２次元像を得る処理部とを備えたことを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項６】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記被写体を透過した前記Ｘ線ビームをラウエケースのＸ線回折により回折する前記単結晶と、
回折されたＸ線ビームの強度を検出する第１検出器と、
前記単結晶を透過した透過Ｘ線ビームの強度を検出する第２検出器と、
前記単結晶の角度が調整された状態で、前記被写体を位置決めする手段により制御された前記被写体の各位置において前記第１及び前記第２検出器で前記Ｘ線ビームの強度を検出する前記制御部と、
該Ｘ線ビームの強度から演算により前記被写体の２次元像を得る処理部とを備えていることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項７】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記被写体を透過したＸ線ビームの強度を検出するＸ線透過型の第１検出器と、
前記第１検出器を透過したＸ線ビームをＸ線の同時反射により回折する前記単結晶と、
回折された複数の前記Ｘ線ビームの強度を検出する複数の検出器と、
入射するＸ線ビームの角度分布の端が同時反射を生ずるブラッグの回折条件を満たすように前記Ｘ線ビームに対して前記単結晶の角度を調整する機能と、
前記単結晶の角度が調整された状態で、前記被写体を位置決めする手段により制御された前記被写体の各位置において前記第１及び前記複数の検出器で前記Ｘ線ビームの強度を検出する前記制御部と、
該検出された前記Ｘ線ビームの強度から演算により前記被写体の２次元像を得る処理部とを備えていることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項８】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記被写体を位置決めする手段は、集光した前記Ｘ線ビームに対して被写体を回転させる機能を有し、
複数の異なる方向から前記Ｘ線ビームを照射して得られた複数の２次元像から前記被写体の断面像を再生する機能を有する処理部を備えていることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項９】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記集光素子がＸ線の回折現象を利用した集光鏡であることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１０】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記集光素子がＸ線の全反射を利用した集光鏡であることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１１】
請求項５記載のＸ線撮像装置において、
前記第１検出器と前記単結晶の間にＸ線ビームの一部を遮蔽するスリットを設けたことを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１２】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記単結晶の表面と回折を生じる結晶格子面が非平行であることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１３】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、
前記単結晶が複数の単結晶で構成されていることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１４】
請求項５記載のＸ線撮像装置において、
前記被写体の近くに設けられ、Ｘ線のエネルギーを分別できる機能を有した第３検出器を備え、
前記制御部は、前記被写体から放出された散乱及び蛍光Ｘ線を検出する機能を有し、
前記処理部は、該検出したＸ線の強度から前記測定と同時に被写体の散乱及び蛍光による２及び３次元像を得る機能を有することを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１５】
請求項６記載のＸ線撮像装置において、
前記被写体を位置決めする手段が、前記集光したＸ線ビームに対して前記被写体を回転させる機能を有し、
前記処理部は、複数の異なる方向から前記Ｘ線ビームを照射して得られた複数の２次元像から前記被写体の断面像を再生する機能を備えていることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１６】
請求項７記載のＸ線撮像装置において、
前記被写体を位置決めする手段が、前記集光したＸ線ビームの光路に対して被写体を回転させる機能を有し、
前記処理部は、複数の異なる方向から前記Ｘ線ビームを照射して得られた複数の２次元像から前記被写体の断面像を再生する機能を備えていることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１７】
Ｘ線源から放出されたＸ線ビームを集光する集光素子と、
集光した前記Ｘ線ビームに対して被写体を位置決めする手段と、
前記被写体を透過した前記Ｘ線ビームを回折する単結晶と、
前記Ｘ線ビームに対して前記単結晶の角度を調整する角度調整機構と、
回折された前記Ｘ線ビームの強度を検出する検出器と、
結晶角度調整ユニットを有する制御部とを備え、
該結晶角度調整ユニットは、前記被写体が設置されていない状態で前記単結晶を所定の角度範囲にわたり回転させて発散している前記集光したＸ線ビームの強度の角度分布のデータを取得する機能と、得られた該強度の角度分布のデータから前記Ｘ線ビームの端の角度を求める機能と、入射する前記Ｘ線ビームの角度分布の端がブラッグの回折条件を満たすように前記角度調整機構を制御して前記Ｘ線ビームに対して前記単結晶の角度を調整する機能とを有することを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１８】
請求項１７記載のＸ線撮像装置において、
該結晶角度調整ユニットは、前記集光Ｘ線ビームの回折強度が実質的に半分となる角度を前記Ｘ線ビームの端の角度として求め、該角度に前記単結晶の角度を合わせる機能を有することを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項１９】
集光したＸ線ビームを用いて物体の内部を検査するＸ線撮像装置を用いたＸ線撮像方法であって、
前記Ｘ線撮像装置は、Ｘ線源から放出されたＸ線ビームを集光する集光素子と、集光した前記Ｘ線ビームに対して被写体を位置決めする手段と、前記被写体を透過した前記Ｘ線ビームを回折する単結晶と、前記Ｘ線ビームに対して前記単結晶の角度を調整する角度調整機構と、回折された前記Ｘ線ビームの強度を検出する検出器と、前記単結晶の角度を調整する制御部と、前記被写体の２次元像を得るための処理を行なう処理部とを備え、
入射する前記集光Ｘ線ビームの角度分布の端がブラッグの回折条件を満たすように前記Ｘ線ビームに対して前記単結晶の角度を調整し、
前記単結晶の角度が調整された状態で、前記検出器により前記被写体の各位置において前記Ｘ線ビームの強度を検出し、
検出された前記Ｘ線ビームの強度から演算により前記被写体の２次元像を得ることを特徴とするＸ線撮像方法。
【請求項２０】
請求項１９記載のＸ線撮像方法において、
前記被写体が設置されていない状態で前記単結晶を所定の角度範囲にわたり回転させて発散している前記集光したＸ線ビームの強度の角度分布のデータを取得し、
得られた該強度の角度分布のデータから前記集光Ｘ線ビームの端の角度を求め、
前記角度調整機構を制御して、前記単結晶の角度を、前記集光Ｘ線ビームの端の角度に位置するビームのみが該結晶で回折されるように設定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５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【公開番号】特開２０１０−３８６２７（Ｐ２０１０−３８６２７Ａ）
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１９９６０３（Ｐ２００８−１９９６０３）
【出願日】平成２０年８月１日（２００８．８．１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月１日（２００８．８．１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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