(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
傾斜されている複数の位相格子構造を備えている、シンクロトロン放射管における格子干渉計において、
干渉計構造における前記位相格子構造の、放射の入射方向に対する傾斜は、個々の位相格子構造の基板に対して垂直に延びる複数の格子リブに平行に延在する格子中心軸についての、前記個々の位相格子構造の回転に対応することを特徴とする、格子干渉計。
【請求項２】
前記入射方向に対する位相格子構造の傾斜は外部から制御可能乃至調整可能である、請求項１に記載の格子干渉計。
【請求項３】
交換可能な複数の位相格子構造を含んでいる、請求項１又は２に記載の格子干渉計。
【請求項４】
タルボ効果を基礎とする、シンクロトロン放射管における格子干渉計において位相コントラスト像の画像品質を向上させるための方法において、
干渉計構造における個々の位相格子構造の基板に対して垂直に延びる複数の格子リブに平行に延在する格子中心軸についての、前記個々の位相格子構造の回転に対応する傾斜で放射の入射方向に対して傾斜している、前記位相格子構造を使用することを特徴とする、位相コントラスト像の画像品質を向上させるための方法。
【請求項５】
医療技術のＸ線を基礎とするシステム、材料及び構成要素の非破壊検査のための装置、コンピュータトモグラフのガントリーユニット、マイクロＣＴ装置におけるＸ線光学系、医療用ラジオグラフィ（マンモグラフィ）もしくは血管造影法のためのレントゲン光学システムにおいて使用する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の格子干渉計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書において挙げられた全ての刊行物は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる（incorporated by reference in their entirety）。
【０００２】
本発明は、タルボ（Talbot）効果を基礎とした用途における位相格子の改善に関する。
【背景技術】
【０００３】
Ｘ線放射を用いる位相コントラスト撮像は、撮像のためにタルボ効果を利用する、格子を基礎とした干渉計に依拠している。このために、二つの格子がＸ線放射に対して垂直な方向において相互に平行に位置決めされている。位相格子ｇ1は、π（又はπ／２）（π＝３．１４１５９...）の位相シフト及び無視できる程度のＸ線吸収を惹起する複数のラインから構成されている。この位相格子はビームスプリッタとして機能し、Ｘ線放射を＋１及び−１の回折次数に分割する。回折された放射は（分数）タルボ効果に従い干渉して、格子線に対して垂直な方向において周期的な干渉縞を生じさせる。干渉像は分数タルボ距離ｄmにおいて最大変調を有している：
平行な放射幾何学に関してｄmは次式の値を取る。
【数１】
0006053674.tif 000002
但し、
λ（ラムダ）＝波長、
ｐ1＝ｇ1（位相格子）の格子周期、
ｍ＝奇数の整数＝分数タルボ距離の次数。
【０００４】
通常の円錐状の放射幾何学に関して、ｄmは係数
【数２】
0006053674.tif 000003
分だけ変化する。但し、ｌはＸ線源からの位相格子の距離である。
【０００５】
干渉縞の位置を検出するために、干渉縞は分析格子ｇ2を用いて走査され、この分析格子ｇ2は周期ｐ2を有する吸収の大きいウェブを備えている。
【０００６】
円錐状の放射幾何学に関してｐ2は、
【数３】
0006053674.tif 000004
から得られる。但し、位相シフトがπ／２の場合にはＡ＝１及び位相シフトがπの場合にはＡ＝２（π＝３．１４１５９...）。従って、周期ｐ1と周期ｐ2の比は波長、選択された分数タルボ距離及びＸ線源からの位相格子の距離ｌに依存する。
【０００７】
理想的な周期比から偏差すると画像の品質が劣化するので、実験の度に周期に適合された格子セットが選択されなければならない。マイクロ技術的な方式を用いる格子の製造は非常に煩雑であるので、この製造方法は非常にコストが掛かる。更にユーザは、所定の格子セットを用いて測定を異なるタルボ距離で実施することができず、つまり、測定すべき対象の種々の感度に測定構造を適合させることができない。別の問題は、周期が製造方法に依存して数ナノメートルの精度でしか維持できないことである。例えば、通常の場合は一次格子構造の形成のために使用される電子ビームライターの位置決め精度は数ナノメートルに指定されている。その限りにおいて、特にその都度一つの電子ビームリソグラフィを必要とする格子では、位相格子と分析格子との間の周期長における数ナノメートルの変動を勘案しなければならない。
【０００８】
前述の効果及び装置についてのより詳細な説明は当業者には周知であるので、ここで詳細に説明する必要はない。
【０００９】
US 2007/0183579 A1及びUS 2009/0092227 A1からは、放射の入射方向に対応する光学軸について位相格子を回転させ、それによって妨害的なモアレパターンを打ち消すことが公知である。
【００１０】
DE 100 25 694 A1は、ＵＶ放射（弱いＵＶ放射）を使用するリトロー構造に関する。
【００１１】
US 2009/0207416 A1には、専ら光（必要に応じてＵＶ及びＩＲ）を基礎とし、Ｘ線放射は基礎としない装置が開示されている。
【００１２】
DE 10 2008 048 668 A1においては、複数の格子を配置することによって、Ｘ線放射の拡散効果を回避することが試みられている。即ち、格子構造がその都度入射するＸ線放射に対して垂直方向に位置していることから、複数の格子を相互に並べて配置することによって、Ｘ線放射がそれらの格子構造を通過することが達成されるべきである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の課題は、従来技術の欠点を回避することである。
【００１４】
特に、画像品質、例えば位相コントラスト及びシャープさ、即ち鮮鋭度が簡単な手段によって改善されるべきである。即ち、実験の度に固有の位相格子を使用する必要がなく、従って経済的な利点が得られるように、干渉計はより調整可能に使用できるべきである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この課題は、干渉計の位相格子のための特別な格子乃至格子の配置構成によって、並びに相応の干渉計及び方法及び使用によって解決され、それらの解決手段においては、格子リブに平行に延在する格子中心軸についての格子の回転に応じて、又は、格子中心軸にそれぞれ平行に配置されている、格子の複数の長手方向軸についての個々の格子リブの回転に応じて、格子構造が入射方向乃至光学軸に関して傾斜している。
【００１６】
術語の定義：
術語「干渉計」乃至「格子干渉計」は、本発明の範囲において、タルボ効果を利用して動作する装置に関する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】垂直方向に構造化された格子における傾斜を示す。
【図２】本発明による第２のヴァリエーションを示す。
【図３】本発明による第２のヴァリエーションの利点を示す。
【図４】位相コントラストラジオグラフィの記録を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
詳細な説明
以下の記述及び添付の図面では、明細書及び図面における同一の部分乃至特徴が同一の参照符号によって表されている。図面は縮尺通りのものではない。見やすくするため、また分かりやすくするために、本発明の幾つかの特徴を過度に大きく、又は概略的な形で図示している場合もあり、従って同様に、慣例もしくは公知の構成要素の幾つかの詳細を図示していない場合もある。
【００１９】
本発明の対象は、傾斜された位相構造を備えた格子干渉計である。
【００２０】
特に、傾斜された位相格子構造は、
ａ）格子リブに平行に延在する格子中心軸についての格子の回転に応じて、干渉計構造における格子構造を入射方向乃至光学軸に対して傾斜させることによって、及び／又は、
ｂ）それぞれが格子中心軸に平行に配置されている長手方向軸についての個々の格子リブの回転に応じて、位相格子の基板上に格子構造を傾斜させて製造することによって得られる。
【００２１】
従って、本発明は三つの択一的な構造ａ），ｂ）及びａ）＋ｂ）を含む。
【００２２】
ａ）の構造は、有利には、入射方向乃至光学軸に関する位相格子の所定の傾斜角度を得るために、
−組み立て後に事後的に所望される傾斜、又は、
−組み立て時に所望された傾斜であると解される。
【００２３】
本発明の有利な実施の形態においては、誤った調整によって入射方向乃至光学軸に対して干渉計構造における格子構造が傾斜することは意図しておらず、またそのような傾斜は含まれない。この実施の形態において本発明は、干渉計の実際の状態（例えば供給状態）に対する傾斜によって意図的に惹起された格子の傾斜に関する。
【００２４】
従って本発明の対象は、干渉計における位相格子としての傾斜された格子構造の使用でもある。
【００２５】
更に本発明の対象は、タルボ効果を基礎とする干渉計乃至用途において位相コントラスト像の画像品質、特にシャープさを向上させるための方法であり、この方法は、位相格子として、
ｉ）格子リブに平行に延在する格子中心軸についての格子の回転に応じて、入射方向乃至光学軸に対して、干渉計構造において傾斜されている位相格子、及び／又は、
ｉｉ）それぞれが格子中心軸に平行に配置されている長手方向軸についての個々の格子リブの回転に応じて、位相格子の基板上に格子構造が傾斜されて配置されている位相格子が使用される。
【００２６】
従って、本発明は三つの択一的な実施の形態ｉ），ｉｉ）及びｉ）＋ｉｉ）を含む。
【００２７】
同様に、本発明の対象は、格子構造が位相格子の基板上で傾斜されて配置されている位相格子である。
【００２８】
特に本発明の対象は、新規の位相格子の使用、干渉計及び方法である。
【００２９】
特に本発明は、シンクロトロン放射管における格子干渉計乃至Ｘ線放射のための格子干渉計に関する。
【００３０】
シンクロトロン放射管における格子干渉計の構造では、格子周期における差異が数ナノメートルの範囲、典型的には２ｎｍから１０ｎｍの範囲（即ち、製造方法の製造公差の範囲）の格子周期にあり、このことは数マイクロメートルの周期では周期長の１％未満に相当する。Ｘ線管を用いる用途、例えばコンピュータトモグラフィにおいては、周期変化は数１０ｎｍの範囲、即ち周期長の数パーセントの範囲にある。
【００３１】
本発明によれば上記の範囲における周期変化を、格子リブに平行に延在する格子中心軸についての格子の回転に応じて、放射に関する位相格子の傾斜によって達成することができる。ここで、周期変化は傾斜の角度に比例する：
ｐ’＝（１−ｃｏｓΘ）＊ｐ，Δｐ＝ｐ＊ｃｏｓΘ
【００３２】
例えば、２．５μｍの周期長での５ｎｍの周期変化は約３．６３°の傾斜を必要とする。
【００３３】
タルボ距離又は波長が変化した際の角度の変化はむしろ１／１０°の範囲にあり、従って１ｎｍを下回る範囲にある。
【００３４】
周期のそのような変化、しかしながら既に数ナノメートルの範囲にある変化も、上述のように製造方法の製造公差の範囲にある。従って、製造時の製造公差を補償調整するために本発明を利用することができる。即ち、本発明を誤差補正に利用することができる。
【００３５】
例えば５０ｎｍ（Ｘ線管を用いる用途）の周期変化及び２．５μｍの周期に関して傾斜角度は約１２°である。
【００３６】
本発明による第１のヴァリエーションｉ）では、格子構造が基板に垂直に製造され、即ち、通常の位相格子の通常の製造が行われ、続いて、格子リブに平行に延在する格子中心軸についての格子の回転に応じて、干渉計構造において格子構造が所望の角度だけ傾斜される。
【００３７】
このヴァリエーションにおいては、放射に対して構造が傾斜しており、矩形の吸収プロファイルは生じない。
【００３８】
使用される材料に応じて、また実験において使用されるエネルギーに応じて、位相格子の薄板構造の高さは５０μｍを遥かに上回ることが考えられる（例えばシリコン又はプラスチックを使用する場合）。この場合、約１°の角度において既に薄板が覆われることが考えられ、それにより強度プロファイルはもはや一義的ではなくなる。位相格子として高屈折性の材料（例えば金属）を使用する場合、高さは数マイクロメートルの範囲にあるので、それにより、例えば１０μｍの高さでは、垂直方向の配向に関して約５°までの角度変化が実現され、その際に覆いが生じることはない。
【００３９】
従って、このヴァリエーションｉ）では位相格子として金属を使用することが有利である。
【００４０】
ここでは、金属めっきにより析出することができ、特に格子がＬＩＧＡ法により製造される場合には、あらゆる金属を使用することができる。
【００４１】
有利には、ニッケル、銅、金、タングステン、それらの混合物、合金及び組み合わせから成るグループから選択された金属が使用される。位相格子のための金属として銅及びニッケル、とりわけニッケルが特に有利である。
【００４２】
従ってこのヴァリエーションでは、特に、角度変化をその都度の状況に適合させることを考慮することができ、このことは必要に応じて簡単な事前検査によって行うことができる。
【００４３】
本発明による第２のヴァリエーションｉｉ）では、格子中心軸にそれぞれ平行に配置されている長手方向軸についての個々の格子リブの回転に応じて、通常の構造もしくはその都度の構造に必要とされる数度の角度（周期長）を有する構造が基板上に製造され、また、放射に対して基板がその角度でもって取り付けられる。
【００４４】
この場合、放射は構造を直線的に通過する。タルボ距離が変化した際の角度変化は小さく、それどころか１°よりも小さい範囲にあるので、この変化を、前述の角度から出発して、画像の品質の極僅かな劣化でもって実現することができる。薄板構造が非常に高い場合であっても覆われることはなく、また吸収プロファイルにおける側縁の勾配も高いままである。Ｘ線エネルギーが高い場合、この構成は金属格子においても有利であり、またこの方式をあらゆる実際のＸ線エネルギーに適用することができる。
【００４５】
このヴァリエーションｉｉ）によって、第１のヴァリエーションにおいては場合によっては起こり得る覆いの問題を回避することができる。
【００４６】
従って、本発明の一つの実施の形態においては、この第２のヴァリエーションｉｉ）が有利である。
【００４７】
ヴァリエーションｉ）とｉｉ）を組み合わせることも、やはり本発明の一部である。
【００４８】
ここで、位相格子の製造は特殊性を有しておらず、例えばＬＩＧＡ法のような通常の方法に従い、ＵＶリソグラフィ又は電子ビームライターを用いて行われるが、ＵＶリソグラフィ及び電子ビームライターは比較的高い（２〜３μｍよりも高い）構造には余り適していない。
【００４９】
格子構造が支持体上において傾斜していない位相格子は、乾式エッチング法（例えばＤＲＩＥ）又はレーザアブレーションによっても製造することができる。
【００５０】
従って、本発明は、その種の通常の構造又はその種の傾斜した薄板構造を備えている位相格子が外部から制御可能乃至調整可能である干渉計を含む。即ち、干渉計を開く必要はない。
【００５１】
制御乃至調整を純粋に機械的に、例えば制御ダイアルを介して行うことができるか、又は、それらを自動的にコンピュータ支援により行うことができる。
【００５２】
特に、実施の形態のコンピュータ支援のヴァリエーションでは、測定が実施されている間に、位相格子の傾斜を非常に精密に制御することができるので、最適な結像能力を達成することができる。
【００５３】
従って勿論、本発明による干渉計の外部からの制御を種々の方向においても行うことができる。
【００５４】
本発明の別のヴァリエーションには、外部から交換可能であり、また傾斜させることができる複数の位相格子を備えている干渉計が含まれる。即ち、干渉計を制御ダイアル又はコンピュータ制御によって開く必要はない。複数の位相格子を例えばリボルバのマガジンのように、又はスライドプロジェクタのマガジンのように配置することができる。
【００５５】
このようにして、非常に大きい角度領域を覆い、干渉計の可変性を更に高めることができる。
【００５６】
本発明の顕著な利点は、二つの格子のための構造を同一のプロセス技術（リソグラフィ法）を用いて、従って同一の（電子ビームライターを用いて製造された）一次構造体もしくはそこから得られるマスターマスクに基づき製造できることである。これによって、必要とされる周期変化を非常に正確に調整することができ、また一次構造化における公差の影響を受けないという事実の他に、プロセスに起因する目標幾何学からの偏差が同じように二つの格子構造（位相格子及び強度格子）に転用される。その限りにおいて、プロセスに起因する偏差による悪影響は最小になり、それどころか完全に補償される。
【００５７】
従来技術からは同様の解決手段は公知ではない。従来では、各格子構造が周期長において適合された一次構造に基づき製造されていた。
【００５８】
従って、それぞれが格子中心軸に平行に配置されている長手方向軸についての個々の格子リブの回転に応じて、位相格子の基板上に傾斜された格子構造を製造するための方法も本発明の対象であり、この製造方法においては、Ｘ線干渉計のための位相格子Ｇ１及び分析格子Ｇ２が、同一のマスターマスクに基づき製造され、特に、電子ビームリソグラフィ（E-Beam-Lithographie）を介して製造され、
−分析格子Ｇ２の周期を有するマスターマスクが使用され、
−直接的な垂直方向の露光によって分析格子Ｇ２が形成され、
−所定の傾斜角度での露光又は配置によって、格子周期Ｇ１を用いた投影によって位相格子Ｇ１が形成される、
ことを特徴としている。
【００５９】
重要な特徴は、二つの格子が同一のマスターマスクから製造され、従って同一のプロセスエラーを有しているということである。位相格子の傾斜によって格子周期を一致させることができる。即ち、格子の製造時のエラーの少なくとも大部分は均一化される。
【００６０】
この本発明による方法の特別な利点を以下のように表すことができる：
格子の製造公差が例えば１０ｎｍ（格子マスクの製造に使用される電子ビームリソグラフィの公差）である場合、独立した格子では周期を絶対的に２０ｎｍだけ偏差させることができるか、又は、格子構造全体にわたり２０ｎｍだけ変動させることができる。周期が２μｍの場合には、このことは、１００＊２μｍ＝２００μｍの周期を有するモアレパターンが生じることを意味する。
【００６１】
二つの格子の周期が面状のＸ線放射に基づき０．１μｍだけ異なっていなければならない場合、これは３°の角度の傾斜でもって達成することができる。０．１°に角度を調整しても問題はないので、４ｎｍの精度で周期を調整することができる。０．０１°の精度では周期の精度は０．３ｎｍである。
【００６２】
しかしながら、格子が同一の電子ビームマスターマスクを用いて製造される場合には、格子が別個の電子ビームマスターマスクを用いて製造された場合よりも遥かに高い精度を得ることができるので、本発明による方法でもって製造された格子が使用される場合には、遥かに少ないモアレパターンが生じ、結像能力も相応により良いものとなる。
【００６３】
同一の電子ビームマスターマスクを用いて製造された二つの格子における周期変動は実際には何の役割も果たさない。何故ならば、それらの周期変動は同一箇所にあり、従って、明るい／暗い変動における比較的大きい周期は比較的大きい格子周期を有する箇所において検出されるからである。このことは異なるマスクを用いて製造された格子に関しては問題である。
【００６４】
本発明によって、単一の位相格子を種々の測定に使用することができる。
【００６５】
従って本発明によって方法を著しく簡略化することができる。また僅かな位相格子しか必要とされないので、本発明によって、コストを著しく削減することができる。
【００６６】
換言すれば、本発明の利点は、位相格子が傾斜によって可変の周期を実現することである。
【００６７】
また本発明はＸ線放射を用いる位相コントラストトモグラフィに関する。
【００６８】
本発明において特に有利には、位相コントラスト像がよりシャープになり、付加的な輝度変調を含んでいない。
【００６９】
本発明による傾斜された格子を、医療技術のＸ線を基礎とするシステム（例えばレントゲントモグラフィ）において、また材料及び構成要素の非破壊検査のための装置において使用することができる。
【００７０】
本発明の一つのヴァリエーションでは、本発明による傾斜された格子を、コンピュータトモグラフのガントリーユニット、マイクロＣＴ装置におけるＸ線光学系、医療用ラジオグラフィ（マンモグラフィ）もしくは血管造影法のためのレントゲン光学システムに使用することができる。
【００７１】
本発明の種々の実施の形態（しかしながら例えば種々の独立請求項に記載されている実施の形態に限られるものではない）を任意のやり方で相互に組み合わせることができる。
【００７２】
図面の説明
図１：
この図は、垂直方向に構造化された格子における傾斜を示す。格子構造が基板４上に垂直に製造され、続いて格子構造が干渉計構造において所望の角度だけ傾斜された位相格子が表されている。
【００７３】
図２：
図２は、本発明による第２のヴァリエーションを示す。このヴァリエーションにおいては、通常の構造に必要とされる数度の角度（周期長）を有する構造が基板４上に製造され、基板がこの角度で（同期）放射内に設置される。
この場合、放射は構造を直線的に通過する。
【００７４】
図３：
この図は本発明による第２のヴァリエーションの利点を示す。何故ならば、タルボ距離が変化した際の角度変化は小さく、それどころか１°よりも小さい範囲にあるので、この変化を、前述の角度から出発して、画像の品質の極僅かな劣化でもって実現することができるからである。薄板構造の構造が非常に高い場合であっても覆われることはなく、また吸収プロファイルにおける側縁の勾配も高いままである。
【００７５】
図４：
８２ｋｅＶのＸ線エネルギーでの硬貨の位相コントラストラジオグラフィの記録を示す。
左：発散が補償されていない格子を用いた記録（ここで、発散の補償とは傾斜されていること、また状況及び周期に適合されていることを意味する）。右：発散がほぼ完全に補償された格子を用いた記録（ここで具体的には、１５５ｍのソース距離、２．４μｍの格子周期、格子間の距離５５ｃｍでの５°の発散補償が行われている）。
位相コントラスト像がよりシャープになり、付加的な輝度変調を含んでいないことがはっきりと見て取れる。
【符号の説明】
【００７６】
１  （製造のための）マスク、  ２  フォトレジスト、  ３  金属、有利には金属めっき後の金、  ４  基板
【図１】
0006053674.tif 000005
【図２】
0006053674.tif 000006
【図３】
0006053674.tif 000007
【図４】
0006053674.tif 000008