(57)【要約】地下、容器内、壁、隔壁等の背後に隠された物体をリアルタイムで安全に検出する凝視コンプトン後方散乱Ｘ線用の、独特なロブスターアイ（ＬＥ）構造、Ｘ線発生器、シンチレータベースの検出器、および冷却ＣＣＤ（すなわち増感ＣＣＤ）に基づいたロブスターアイＸ線画像処理システム。既存の走査型ペンシルビームシステムとは対照的に、ロブスターアイＸ線画像処理システムの真の焦点が調整されたＸ線光学系は、１つまたは２以上のＸ線発生器からの広いオープンコーンビームによって照射されたシーン全体から、弾道コンプトン後方散乱光子（ＣＢＰ）を同時に得る。ロブスターアイＸ線画像処理システムは、４０から１２０ｋｅＶの範囲（すなわち波長λ＝０．３１から０．１オングストローム）において、現在の後方散乱画像処理センサ（ＢＩＳ）よりも何千倍も多い後方散乱硬Ｘ線を収集する（焦点に集める）ので、高感度で高信号対雑音比（ＳＮＲ）であり、地面、金属、壁等を貫通する能力を提供する。ロブスターアイＸ線画像処理システムの収集効率を最適化して、放射されるＸ線パワーを低減し、装置を小型化する。該装置は、Ｘ線ベースの検査システムに特に好都合であり、該Ｘ線ベースの検査システムの要件、すなわち、地面、金属、および他の隠蔽材料を通したＸ線の貫通、安全性、および人による可搬性の要件を満たしている。ここに開示された先進技術は、医療診断や、地雷探知、手荷物検査等のような軍事的応用にも適用可能である。【選択図】図１６
2009503506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非走査のブロードビームで、洗濯されたターゲットを照射する少なくとも１つのＸ線発生器と、
前記照射されたターゲットからのＸ線後方散乱を受け取るように配置されたＸ線焦点調整装置と、
前記焦点調整装置に対して配置され、前記受け取られたＸ線後方散乱から画像を形成する検出器と、
を備えた後方散乱に基づくＸ線凝視画像装置。
【請求項２】
前記焦点調整装置はロブスターアイ構造を備えている、請求項１に記載のＸ線凝視画像装置。
【請求項３】
前記ロブスターアイ構造は、差し込まれた極めて薄いフラットリブのＸ字形配置を有しており、これらのフラットリブは、正方形断面を連続的に縮小した複数の隣接するチャネルを形成する単一の三次元網状アレイとして構成されている、請求項２に記載のＸ線凝視画像装置。
【請求項４】
前記フラットリブの各々は、研磨された反射面、及び、他のフラットリブが差し込まれるための、間隔を空けて配置された複数の嵌合スロットを有する、請求項３に記載のＸ線凝視画像装置。
【請求項５】
前記焦点調整装置によって受け取られたＸ線後方散乱を増大させるための複数のＸ線発生器を備える、請求項１に記載のＸ線凝視画像装置。
【請求項６】
前記検出器は、前記焦点に集められたＸ線後方散乱を電子画像に変換するためのデジタル装置を備えている、請求項１に記載のＸ線凝視画像装置。
【請求項７】
前記デジタル装置は、テーパ形光ファイバによってＣＣＤマトリックスに接続された発光スクリーンを備えている、請求項６に記載のＸ線凝視画像装置。
【請求項８】
前記発光スクリーンは、発光材で充填された複数のマイクロチャネルを持つマイクロチャネルプレートを備えている、請求項７に記載のＸ線凝視画像装置。
【請求項９】
前記照射されたターゲットでのＸ線放射のエネルギー準位は、平均的な周囲のＸ線放射のエネルギー準位以下である、請求項１に記載のＸ線凝視画像装置。
【請求項１０】
壁の背後に隠された少なくとも１つの物体の画像を発生させるＸ線検査システムであって、
前記壁および物体を含んだ検査される領域を照射するオープンコーン状のＸ線放射を発生させる少なくとも１つのＸ線源と、
Ｘ線画像を電子画像に変換するデジタルＸ線画像検出器と、
前記検査された領域から後方散乱されたＸ線放射を受け取って、少なくとも１つの前記物体を画像化する画像検出器に焦点を合わせるロブスターアイベースのＸ線焦点調整構造と、
を備えたＸ線検査システム。
【請求項１１】
複数の前記Ｘ線源を備え、当該Ｘ線源の各々は、前記検査される領域に向かってオープンコーン状のＸ線放射を発生する、請求項１０に記載のＸ線検査システム。
【請求項１２】
前記Ｘ線源のオープンコーン状の放射は、非走査で凝視タイプのＸ線ビームである、請求項１０に記載のＸ線検査システム。
【請求項１３】
前記ロブスターアイベースのＸ線焦点調整構造は、差し込まれた極めて薄いフラットリブのＸ字形配置を有しており、これらのフラットリブは、正方形断面を連続的に縮小した複数の隣接チャネルを形成する単一の三次元網状アレイとして構成されている、請求項１０に記載のＸ線検査システム。
【請求項１４】
前記フラットリブの各々はＸ線反射材で覆われている、請求項１３に記載のＸ線検査システム。
【請求項１５】
前記フラットリブの各々は、他の前記フラットリブが差し込まれるための、間隔を空けて配置された複数のスロットを有する、請求項１３に記載のＸ線検査システム。
【請求項１６】
差し込まれた極めて薄いフラットリブのＸ字形配置を有しており、これらのフラットリブが、正方形断面を連続的に縮小した複数の隣接チャネルを形成する単一の三次元網状アレイとして構成されている、ロブスターアイレンズ。
【請求項１７】
前記フラットリブは、入射Ｘ線の焦点を調整するために、選ばれた長さ及び断面積の前記チャネルを提供するように構成されている、請求項１６に記載のロブスターアイレンズ。
【請求項１８】
前記フラットリブの各々は、前記入射Ｘ線をよく反射するように形成された表面を有する、請求項１７に記載のロブスターアイレンズ。
【請求項１９】
前記フラットリブの各々は、他の前記フラットリブが差し込まれるための、間隔を空けて配置された複数のスロットを有する、請求項１６に記載のロブスターアイレンズ。
【請求項２０】
前記フラットリブの各々は、内周および外周を持つ環形のセグメントである、請求項１６に記載のロブスターアイレンズ。
【請求項２１】
前記フラットリブの各々は、内周および外周を持つ環形のセグメントであり、
第１群の前記複数のフラットリブは、前記内周から伸びる前記スロットを持ち、
第２群の前記複数のフラットリブは、前記外周から伸びる前記スロットを持つ、
請求項１９に記載のロブスターアイレンズ。
【請求項２２】
前記差し込まれたフラットリブのＸ字形配置は、前記スロット沿って、前記第１群の複数のフラットリブと前記第２群の複数のフラットリブを正確に直角的に嵌合することによって形成されている、請求項２１に記載のロブスターアイレンズ。
【請求項２３】
前記フラットリブの厚みは、前記スロットの幅にほぼ等しく、
前記スロットの長さは、前記環形の半径に沿った前記内周と前記外周との間の距離の２分の１にほぼ等しい、請求項２２に記載のロブスターアイレンズ。
【請求項２４】
近接したターゲット領域に向かってＸ線エネルギーを発生させる少なくとも１つのＸ線源と、前記ターゲット領域から反射された後方散乱Ｘ線を受け取る焦点面を持つ検出器と、前記後方散乱Ｘ線の焦点を前記検出器焦点面に合わせるロブスターアイレンズとを有するＸ線画像処理システムにおいて、
不注意なピンボケ画像異常を低減するピンボケ効果補正器を備えており、そのピンボケ効果補正器は、ａ）アポディゼーション、ｂ）焦点面移動、およびｃ）焦点面像面湾曲補正のうちの少なくとも１つに基づいている、
ことを特徴とするＸ線画像処理システム。
【請求項２５】
解析されるサンプルに対し第１の選ばれた位置に配置されたＸ線源と、
前記サンプルに対し第２の選ばれた位置に配置されると共に、焦点調整面を持つロブスターアイレンズと、
互いに選択的に間隔を空けて配置された検出器のアレイとして前記焦点調整面上に配置されると共に、前記サンプルの材料を暗示するところの、前記サンプルからのＸ線後方散乱によって発生した散乱コーンの断面形状に基づいた出力を提供する複数のＸ線検出器と、
を備えた角度凝視分光計。
【請求項２６】
解析されるサンプルに対する、選ばれたＸ線源及びロブスターレンズの位置の較正曲線を発生させるための、既知の散乱角特性を持った較正試料、を更に備えてなる、請求項２５に記載の角度凝視分光計。
【請求項２７】
検査されている領域の画像を発生させる方法であって、
前記領域をＸ線エネルギーで照射するステップと、
前記照射領域からのＸ線後方散乱を受け取る検出器を配置するステップと、
前記領域と前記検出器との間にＸ線ロブスターアイレンズを配置して、前記Ｘ線後方散乱の焦点を前記検出器に合わせるステップと、
を含んでなる方法。
【請求項２８】
前記焦点が合わされたＸ線後方散乱を、前記検査されている領域の電子画像に変換するべく前記検出器を構成するステップをさらに含んでなる、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記領域の画像が低いＺ番号の要素を持つ物体に対してのみ応答し、結果的に得られる画像においてそのような物体のコントラストを高めるように、前記検査されている領域に対して前記ロブスターアイレンズを配置するステップをさらに含んでなる、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
複数のＸ線源を使用して前記領域を照射し、前記領域からのＸ線後方散乱のレベルを増大させるステップをさらに含んでなる、請求項２７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロブスターアイＸ線焦点調整技術を使用した、改善されたＸ線撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの産業および軍事的応用が、潜伏地、壁、地面、ボートの隔壁、およびコンテナ船を通した、物体の非侵入性検査の能力を必要としている。このため、政府機関は、地面、壁、および隔壁の後ろの、視界から隠された材料を正確に解析し視覚化することができるポータブル（すなわち携帯用）器機を求めている。検査装置は、全面的な責任能力を確保しつつ、検査要員を危険にさらしてはならず、操作するのに簡単でなければならず、商用財産と私財の破壊を最小限にする必要がある。当面の応用は、不法貨物および遠洋航行のコンテナ船での他の密貿易、空港および他の検問所での大型船舶および小型船舶への乗船、さらには地雷および簡易爆発装置（ＩＥＤ）を検査要員によって探知することである。
【０００３】
壁を通した又は地面を通した検査の方法は、光学、マイクロ波、音響、およびＸ線技術を含んでいる。光学的熱感知画像処理システムは、壁と同一の温度を持つ隠された物体を見ることができない。音響システムは金属壁を十分に貫通せず、該システムの低周波は作業者および密航者にとって危険を伴う。マイクロ波レーダーは金属隔壁を貫通することができない。最先端技術のＸ線走査ＢＩＳは、壁および内部の建築構造物を貫通することができるが、それらはかさばっていて、高価で、とりわけ有害である。Ｘ線画像を組立てるために、現在のＢＩＳ（後方散乱画像処理センサ）は、光電子増倍管（ＰＭＴ）およびＸ線走査型ペンシルビームを備えた、高価で、重く、視界が限られたシンチレーション検出器を使用している。走査型ペンシルビームを発生させることは、作業者および壁の背後に隠れている人にとって非能率的で危険でもある。これは安全な携帯器機、ひとりで持ち運べる器機とはいえない。したがって、最先端技術のＸ線検査システムは、船の客室検査に対する要件も満たしていない。
【発明の開示】
【０００４】
これらの限界を克服するために、本発明は、地下、コンテナの中、壁および隔壁等の背後に隠された物体のリアルタイムで安全な凝視型コンプトン後方散乱Ｘ線検出のために、独特なロブスターアイ（ＬＥ）構造、Ｘ線発生器、結晶シンチレータ、ＣＣＤ（すなわち増感ＣＣＤ）、および画像処理モジュールに基づいた、新しいロブスターアイＸ線画像処理システムを組み込んでいる。既存の走査型ペンシルビームシステムとは対照的に、ロブスターアイＸ線画像処理システムの真の焦点が調整されたＸ線光学系は、Ｘ線発生器（凝視型）からの広いオープンコーンビームによって照射されたシーン全体から、弾道コンプトン後方散乱光子（ＣＢＰ）を同時に得る。ロブスターアイＸ線画像処理システムは、４０から１２０ｋｅＶの範囲（すなわち波長λ＝０．３１から０．１オングストローム）において、現在のＢＩＳ装置よりも何千倍も多い後方散乱硬Ｘ線を収集する（焦点に集める）ので、高感度で高信号対雑音比（ＳＮＲ）であり、金属壁等を貫通する能力を提供する。ロブスターアイＸ線画像処理システムの収集効率を最適化して、放射されるＸ線パワーを低減し、装置を小型化する。この装置は、Ｘ線ベースの検査の要件、すなわち地面、金属、および他の隔壁を通したＸ線の貫通、検査要員の安全性、および人による可搬性を満足する。ロブスターアイＸ線画像処理システムの重要な利点は、次の考察が満足された場合に、人間の安全性を確保しながら、それが金属を含む、地面、壁、隔壁、および船体を貫通することができる点にある。
【０００５】
ロブスターアイＸ線画像処理システムの構成は次の考察に基づいている。
・後方散乱に最適なエネルギー範囲は、所定の医療Ｘ線胸部検査と同じ４０から１２０ｋｅＶであり、５０ｋｅＶ（すなわちλ＝０．２５オングストローム）のＸ線光子の４２％は、０．７６２ｍｍ（３０ミル）のスチール壁、（２．５４ｃｍ（１インチ）のプラスチック、または２０．３２ｃｍ（８インチ）の乾燥木と等価）を貫通する。
・検査要員のＸ線照射の総線量は重大な問題である。この線量は、光子の数とそのエネルギーとの関数である。予備推定では、貨物検査用のロブスターアイＸ線画像処理システムの作業者等は、天然の放射線レベルと同程度の放射線を受けるであろう。
【０００６】
貨物検査のためのロブスターアイＸ線画像処理システムの操作は、以下のリアルタイムプロセスを含んでいる。
・遮蔽物の背後にある物体に、オープンコーン状のＸ線を照射すること。
・後方散乱弾道Ｘ線光子を集めること。
・多数のＣＣＤフレームの内に蓄積された情報を処理すること。
・高い角度分解能で、隠された物体の軟Ｘ線画像を取り出すこと。
【０００７】
現在のアプローチに関し、開示したロブスターアイＸ線画像処理システム技術の利点は、以下のことを含んでいる。
・作業者にとって安全な照射量で、金属および他の壁を通ったコンプトン後方散乱を観察する。
・凝視により、すなわち走査しないで、ＦＯＶ（視野）全体にわたるＸ線画像を瞬時に得る。
・既存の非常に大きなペンシルビーム走査型システムとは対照的に、Ｘ線発生器からのすべてのＸ線光束を利用する。
・Ｘ線ＣＢＰの遠隔検出用に、高い角度分解能を持っている。
・拡散したバックグラウンドと比較して焦点のＸ線強度を著しく増強し、したがって、はるかに低い安全なＸ線強度レベルにもかかわらず、他のＸ線センサよりも著しく優れたＳＮＲおよび感度を持っている。
・携帯型で、ひとりで運ぶことができ、コスト効率の良い構成要素と技術を使用して製作しやすいことが好ましい。
【０００８】
ロブスターアイＸ線画像処理システムは、ＩＥＤのリアルタイムでの（待ち時間なし）検出、又はコンプトン後方散乱光子を用いた、コンテナ、トラック、大型船舶および小型船舶中の密輸品の壁を通した画像処理の必要性をまさに満たしている。ロブスターアイ（ＬＥ）Ｘ線光学系には真の焦点調整能力があるため、このＸ線は金属壁を貫通し、検査員にとって安全で、分解能およびＳＮＲを高めている。
【０００９】
開示した実施形態の最も重要な特徴は、ロブスターアイレンズ構造に対する非常に革新的な製作および組立て概念である。この概念により、フラット部に対して研磨および表面処理をすべて実行することができ、真の９０度のコーナおよび高い幾何学的精度を有する、完璧に形成されたＬＥ構成を達成している。
【００１０】
本発明の他の態様は、後方散乱ターゲットの近似位置および入射Ｘ線のエネルギー分布に起因して焦点がずれることに対する補正を含む、ロブスターアイレンズの光学特性に関する。ロブスターアイレンズは、壁材を分析するのに有用であってもよく、ロブスターアイレンズの分光計としての使用も開示している。
【００１１】
ここに開示した新しい画像処理システムは、医学的診断、および地雷探知等の軍事利用にも有益な応用を見出している。
【００１２】
以下の参照文献は、対応する番号によって本書に引用される。
１．  Ｊ．Ｗ．Ｇｏｏｄｍａｎによる、“Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｏｐｔｉｃｓ”（第２版）、１９９６年、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ（マグローヒル）
２．  米国特許番号第５，４９７，００８号
３．  米国特許番号第５，１９２，８６９号
４．  Ｐ．Ｇｏｒｅｎｓｈｔｅｉｎ、Ｅ．Ｗｈｉｔｂｅｃｋ、Ｇ．Ａｕｓｔｉｎ、および  Ａ．Ｋｅｎｔｅｖによる、“Ｌｏｂｓｔｅｒ−Ｅｙｅ  Ｘ−Ｒａｙ  Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ  Ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ”、１９９６年、ＳＰＩＥ（写真・光学計測技術者協会）ｖｏｌ．２８０５，ｐｐ．７４−８１
５．  Ｓ．Ｓ．Ｈｏｌｔによる、“ＡＬＬ−Ｓｋｙ  Ｍｏｎｉｔｏｒｓ  ｆｏｒ  Ｘ−Ｒａｙ  Ａｓｔｒｏｎｏｍｙ”、１９８７年、Ｓｐａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｒｅｖｉｅｗｓ、ｖｏｌ．４５，ｐｐ．２６９−２８９
６．  Ｗ．Ｃ．Ｐｒｉｅｄｈｏｒｓｋｙ、Ａ．Ｇ．Ｐｅｅｌｅ、およびＫ．Ａ．Ｎｕｇｅｎｔによる、“Ａｎ  Ｘ−Ｒａｙ  Ａｌｌ−Ｓｋｙ  Ｍｏｎｉｔｏｒ  ｗｉｔｈ  Ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ”、１９９６年、Ｍｏｎ．Ｎｏｔ．Ｒ．Ａｓｔｒｏｎ．Ｓｏｃ，ｖｏｌ．２７９，ｐｐ．７３３−７５０
【００１３】
７．  Ｇ．Ｋ．Ｐａｒｋｓ、Ｓ．Ｈ．Ｗｅｒｄｅｎ、およびＭ．Ｐ．ＭｃＣａｒｔｈｙによる、“Ｐｉｎｈｏｌｅ  Ｘ−Ｒａｙ  Ｃａｍｅｒａｓ  ｆｏｒ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｓｍａｌｌ−Ｓｃａｌｅｄ  Ａｕｒｏｒａｌ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”、１９９３年、Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．，ｖｏｌ．３２，ｎｏ１２，ｐｐ．３１６４−３１６８
８．  Ｊ．Ｒ．Ｐ．Ａｎｇｅｌによる、“Ｌｏｂｓｔｅｒ−Ｅｙｅｓ  ａｓ  Ｘ−Ｒａｙ  Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅｓ”、１９７９年、Ａｐ．Ｊ．，ｖｏｌ．２３３，ｐｐ．３６４−３７３
９．  Ｍ．Ｆ．ＬａｎｄとＤ．Ｎｉｌｓｓｏｎによる、“Ａｎｉｍａｌ  Ｅｙｅｓ”、２００２年、Ｏｘｆｏｒｄ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ
１０．  Ｊ．Ｍａｃｄｏｎａｌｄらによる、“Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｓ  ｆｏｒ  Ｌａｎｄｍｉｎｅ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ”、２００３年、ＲＡＮＤ  Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ，ｐｐ．１９１−２２３、ｗｗｗ．ｒａｎｄ．ｏｒｇ．
１１．  Ｅ．Ｔ  ＤｕｇａｎとＡ．Ｍ．Ｊａｃｏｂｓによる、Ｌａｔｅｒａｌ  Ｍｉｇｒａｔｉｏｎ  Ｒａｄｉｏｌｏｇｙ  Ｉｍａｇｅ  Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｂｕｒｉｅｄ  ｌａｎｄ  Ｍｉｎｅｓ、２００１年８月、Ｆｉｎａｌ  Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  Ｒｅｐｏｒｔ  ｔｏ  ｔｈｅ  ＵＳ  Ａｒｍｙ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｏｆｆｉｃｅ，ＡＲＯ  Ｇｒａｎｔ  ＤＡＡＧ−５５−９８−１−０４００
【００１４】
１２．  ２０００年６月２８日に、１６ｔｈ  Ａｎｎｕａｌ  Ｓｅｃｕｒｉｔｙ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ＆  Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎに提示された、Ｗ．Ｊ．Ｂａｕｋｕｓによる，“Ｘ−Ｒａｙ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｏｎ−Ｔｈｅ−Ｂｏｄｙ  Ｃｏｎｔｒａｂａｎｄ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ”
１３．  Ｗ．Ｎｉｅｍａｎｎらによる、“Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｂｕｒｉｅｄ  Ｌａｎｄｍｉｎｅｓ  ｗｉｔｈ  Ｘ−Ｒａｙ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”、２００２年１０月、Ｔｈｅ  ｅ−Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  Ｔｅｓｔｉｎｇ，ｖｏｌ．７，ｎｏ．１０、ｗｗｗ．ｎｄｔ．ｎｅｔ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ
１４．  Ｇ．Ｊ．Ｌｏｃｋｗｏｏｄらによる、“Ｂｏｍｂ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  Ｕｓｉｎｇ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ  Ｘ−Ｒａｙｓ”、１９９９年、ＳＰＩＥ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，ｖｏｌ．３５７７，ｐｐ．５３−６１
１５．  Ｇ．Ｗ．ＦｒａｓｅｒとＡ．Ｎ．Ｂｒｕｎｔｏｎらによる、”Ｌｏｂｓｔｅｒ−ＩＳＳ：Ａｎ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｘ−Ｒａｙ  Ａｌｌ−ｓｋｙ  Ｍｏｎｉｔｏｒ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｐａｃｅ  Ｓｔａｔｉｏｎ”、２００２年１月、Ｋａｔｈｒｙｎ  Ａ．Ｆｌａｎａｇａｎ、Ｏｓｗａｌｄ  Ｈ．Ｓｉｅｇｍｕｎｄによる、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，Ｘ−Ｒａｙ  ａｎｄ  Ｇａｍｍａ−Ｒａｙ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ａｓｔｒｏｎｏｍｙ  ＸＩＩ，ｖｏｌ．４４９７，ｐｐ．１１５−１２６
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の種々の実施形態、特徴、および発展は、参照が以下の図に対してなされるその詳細な説明の結果として、以下でより完全に理解されるであろう。
【００１６】
非天文学的物体に対するロブスターアイ画像処理
ロブスターアイレンズの従来の応用は、天文学的な物体、すなわち無限大（ｘ＝∞）の物体に目を向けられていた。その後、球面収差が支配的になる。対照的に、非天文学的な物体、すなわちロブスターアイレンズ半径Ｒ（ｘ〜Ｒ）と比較可能な有限の距離の物体の場合、画像部分がその位置を変化させるので、ピンボケ（ｄｅｆｏｃｕｓｉｎｇ）が支配的になる。これを説明するために、図１のロブスターアイレンズの幾何学的配置を考察する。ロブスターアイ画像処理の数式を導き出すために、点光源Ｄ、その画像Ｂ、および曲率中心Ｃを考察する。ローカル光軸（ＤＣ）はＤをＣに接続している。たった１つの軸を持つ典型的な光学レンズシステムとは対照的に、物体の点の連続体を考慮し、我々は、そのような軸の連続体を有するものとする。三角形ＡＢＣから数式（１）が得られる。また、三角形ＤＡＣから数式（２）が得られる。
【００１７】
【数１】
2009503506.tif 000003
【００１８】
【数２】
2009503506.tif 000004
【００１９】
ここで、θｃは全外反射（ＴＥＲ）のカットオフ角、即ち、通常０．３°〜０．５°の範囲である。そのような小さなＴＥＲ角に対して、数式（１）は、次のレンズ画像処理式（３）又は（４）に変形することができる。ｆについては数式（５）参照。
【００２０】
【数３】
2009503506.tif 000005
【００２１】
【数４】
2009503506.tif 000006
【００２２】
【数５】
2009503506.tif 000007
【００２３】
これは、有限の撮影距離ｘでのロブスターアイレンズの画像数式である。数式（４）および（５）から、ピンボケΔｙは、数式（６）となる。
【数６】
2009503506.tif 000008
【００２４】
それは小さな（ｘ／ｆ）比に対し顕著になりえる。例えば、Ｒ＝６ｃｍ、ｆ＝３ｃｍ、およびｘ＝１ｍに対して、Δｙ＝０．９ｍｍを得るが一方、ｘ＝５０ｃｍ、および２０ｃｍに対しては、Δｆ＝１．７ｍｍおよび３．９ｍｍをそれぞれ得る。ピンボケの相対的変化（より小さい）は、撮影距離の相対的変化と比較可能である。
【数７】
2009503506.tif 000009
【００２５】
例えば、距離（ｘ）が１％変化すると、ピンボケは１％未満の変化となる。ピンボケスポット（Δ）は数式（８）の形式で表され、それは表１に要約される。
【数８】
2009503506.tif 000010
【００２６】
【表１】
2009503506.tif 000011
【００２７】
ロブスターアイレンズ画像処理式（３）又は（４）は、近軸条件下で導き出されが、それはθｃ＜＜１により自動的に満たされる。第２の仮定は、ロブスターアイチャネルが幅対長さ比（〜θｃ）をラジアン単位で持つことであったので、単一光軸のみが示される図１のように、１つの（又は三次元では２つの）ＴＥＲだけが考慮される。事実、そのような軸をロブスターアイレンズのまわりのいかなる点光源にも提供することができる。したがって、光軸の群は、検出器表面の離散化（ピクセルの形態で）が提供される場合、連続体すなわち離散集合となる。
【００２８】
ロブスターアイの幾何学的なアパチャー（開口又は口径）はπａ２の領域（面積）を持ち、ここで、ａは次式で表される半径である。これは表２に要約される。
【数９】
2009503506.tif 000012
【００２９】
【表２】
2009503506.tif 000013
【００３０】
ロブスターアイレンズの性能は、より高いａの値（よりよい収集力）およびより低いΔ値（より低いピンボケ、それはぼやけた画像を提供する）に対して優れているので、我々は、次の形でレンズ品質係数Ｑを導入することができる。
【数１０】
2009503506.tif 000014
【００３１】
数式（８）及び（９）から、数式（８）を得る。すなわち、Ｑは距離ｘに比例する。距離が大きければ大きいほど、レンズ性能はより向上する。
【数１１】
2009503506.tif 000015
【００３２】
レンズ倍率には、通常、横倍率（Ｍｔ）、角倍率（Ｍｑ）、および縦倍率（Ｍｌ）の３つがある。ここで、数式（１２）参照。ここで、Ｍｔ値は図２に示されている。
【数１２】
2009503506.tif 000016
【００３３】
図２は、ロブスターアイレンズと凸面鏡との類似点を示している。ロブスターアイの場合の実像を鏡の場合の虚像と置き換える必要がある以外は、画像処理式（４）も凸面鏡に有効なことが分かる。したがって、画像収差は、ロブスターアイの場合以外においては、両方の場合において同じ状態のままであり、近軸近似は自動的に満足されるので（θｃ＜＜１により）、三次の（ザイデル）幾何学的な収差は、ロブスターアイレンズの場合には非常に小さくなり、天文学的な場合（ここでｘ＝∞）の球面収差まで減少される。
【００３４】
アポディゼーション
ピンボケ又は他の幾何学的な（ザイデル）収差の場合には、アポディゼーション技術の適用により補正が可能である。アポディゼーションの一般観念はフーリエ光学を扱う多くの本で説明されており、最もよく知られているのは、〔文献番号１〕Ｊ．Ｗ．Ｇｏｏｄｍａｎ，“Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｏｐｔｉｃｓ”である。その座標系を図３に示している。一次元の投射では、座標ξはピンボケ点Δの位置を示している。そのプロファイルは全外反射（ＴＥＦ）の近傍ではフレネル反射に従う。実際上、我々は複数のエネルギッシュなＸ線ビームを持っている、すなわち、Ｘ線光子はモノエネルギッシュではないが、エネルギー分布を持っている。その結果、フーリエ光学用語における、点応答関数と等価なピンボケ点の関数のプロファイルは、図４に示すように鋭いエッジを持たない。
【００３５】
角座標では、位置ξｃは位置θｃと等価であり、ここでθｃはＴＥＲカットオフ角である。図１から数式（１３）を得る。
【数１３】
2009503506.tif 000017
【００３６】
フーリエ光学の数学的理論から、非コヒーレントシステムでは、点応答関数ｈ（ξ）のモジュール２乗は、光学的伝達関数（ＯＴＦ）のフーリエ逆変換であり、次式で表される。
【数１４】
2009503506.tif 000018
【００３７】
ここで、（ξｘ，ξｙ）は、一般的な二次元の場合にはローカル焦点面の座標であり、したがって、カットオフ位置については、次式（１５）及び（１６）となる。
【００３８】
【数１５】
2009503506.tif 000019
【００３９】
【数１６】
2009503506.tif 000020
【００４０】
ここで、ｈ（ξｘ、ξｙ）は、正規化された点応答関数である。
【００４１】
さらなる詳細は、Ｇｏｏｄｍａｎのフーリエ光学への紹介（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｏｐｔｉｃｓ）に見つけることができる。ＯＴＦのモジュール又は｜ＯＴＦ（ｆｘ、ｆｙ）｜は変調伝達関数（ＭＴＦ）と呼ばれている。アポディゼーション操作は次の関係式によって与えられる。
【数１７】
2009503506.tif 000021
【００４２】
ここで、山記号付きＩｇ（ｆｘ，ｆｙ）は、数式（１６）のような、正規化された物体の二次元のフーリエ変換である。一方、山記号付きＩｉ（ｆｘ，ｆｙ）は、図２のような点応答で畳み込まれた画像の幾何学的な強度分布のフーリエ変換である。｜ｈ（ξｘ，ｆｙ）｜２は（ξｘ，ｆｙ）座標の滑らかな関数なので、その二次元のフーリエ変換も、空間周波数カットオフ値ｆｃが、図５に示すように、数式（１８）となるような、空間周波数座標（ｆｘ，ｆｙ）の滑らかな関数である。
【００４３】
【数１８】
2009503506.tif 000022
【００４４】
効果的なアポディゼーションを提供するために、我々は、式（５）の数値計算を提供する必要がある。ここで、Ｉｊ（ξｘ，ξｙ）はローカル焦点面で測定像強度分布であり、一方ｈ（ξｘ，ｆｙ）は、ＥＴＲ近傍におけるフレネル反射分布から解析的に算出することができる。次に、山記号付きＩｉ（ｆｘ，ｆｙ）は、Ｉｉから高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって算出され、数式（１７）は、相殺されたピンボケ効果により、
山記号付きＩｇ（ｆｘ，ｆｙ）を計算して物体強度分布として数的に算出される。この種のアポディゼーションは、かなり人為的なアポディゼーション関数をフーリエ面に適用する規則的な光学系のアポディゼーションとは異なっている。ここで、アポディゼーション関数は、フレネル反射係数の物理的な角分布から得られた自然な形態を持っている。アポディゼーションのこの新しい方法は、｜ＯＴＦ｜＝ＭＴＦが無限大を除いてゼロを持たないので、非常に効果的であり、したがって、逆演算（５）は明確に定義される。
【００４５】
ピンボケ効果の相殺の他の形態は、図６のように単純に機械的なズーミングによる、すなわち検出器面の移動によるΔｙ値の零調整によるものである。さらにまた、相補的な方法は、図１のようにローカル焦点面が単なるローカルな面であるので、焦点面の像面湾曲を補正することである。
【００４６】
Ｘ線の角度分光計
Ｘ線源、サンプル、およびロブスターアイレンズの特定の幾何学的配置は、サンプルから反射されたＸ線の散乱角を規定している。図６に示すように、散乱角θは正反射からの角度の出発として定義される。光源Ｓにより発生した、Ｘ線の束の形態の、サンプルに入射する、ｘ軸によって一次元投射で定義された、Ｘ線円錐ビームは、サンプルからロブスターアイレンズへ反射される（後方散乱される）。各Ｘ線は、入射角αおよび正反射角（これもα）によって規定される。後方散乱Ｘ線は、正反射のまわりを中心として円錐状に広がる。散乱Ｘ線の束として散乱した円錐は、サンプルの化学成分の種類または材料に応じた特定の散乱断面積によって規定されるが、多くはそのＺ番号によって規定される。Ｚ番号が高くなればなるほど、散乱円錐は狭くなる。１つの光線がロブスターアイレンズの中心Ｏ’に導かれ、半径Ｒ／２でその角度位置φのロブスターアイ半球に配置された検出器によって受け取られる。したがって、図６から得られるα、φ、およびθの間に、３つの数式の形である関係が存在する。
【００４７】
【数１９】
2009503506.tif 000023
【００４８】
ここで、α、φ、θの３つは未知である。それらを消去し、ｕ＝ｔａｎθおよびｖ＝ｔａｎφを導入して、数式（２０）を得る。
【数２０】
2009503506.tif 000024
【００４９】
それは、ｘｏ＝ｙｏ＝ｙ１に対して、数式（２１）となる。
【数２１】
2009503506.tif 000025
【００５０】
ここで、ｖ＝１／２およびφ＝２６．６°に対してｕ＝０、次に、図１に示したようにθ２＝０、一方ｖ＝（−１＋√５）／２またはφ＝３１．７°に対してｕ＝∞となる。また、ｖ＝０に対して、ｕ＝１およびθ３＝４５°＝γ３となる。ｘ＝０に対してθ＜０、次にθθ２＝０、次に、θ＞０、すなわち、角θは、数式（２１）に対して図７に示すようにφの単調でほぼ直線の関数であることが分かる。
【００５１】
我々は次の関係式（２２）を見、それは、ほぼ線形であることが分かる。ここで近似傾斜係数は数式（２３）である。
【００５２】
【数２２】
2009503506.tif 000026
【００５３】
【数２３】
2009503506.tif 000027
【００５４】
したがって我々は、一挙に（すなわち瞬間に）サンプルの完全な角度特性を得ることができ、それは、「角度主役の分光計」という名を正当化するものである。図８に示すような６０°すなわちπ／３の円錐角を有するロブスターアイレンズでは、検出器は、寸法δおよびスペースｄを持っているので、デューティサイクルはｄ／δとなる。角分解能を１°とすると、検出器の数はＮ＝６０、および検出器間の距離すなわちピクセルサイズは、デューティサイクル７０／３０に対して３０３／１３０として割られた、δ＋ｄ＝２６ｍｍ／６０＝４３３マイクロメートルである。Ｒ＝５ｃｍ、ｘ＝１ｍとすると、横倍率はＭｔｃ＝１／４１となり、４３３マイクロメートルの画像解像度に対して１．７７ｃｍの物体分解能が得られ、または、Ｒ＝５ｃｍおよびｘ＝２０ｃｍに対して３．９ｍｍ物体分解能が得られる。
【００５５】
図６のような平面状の試料の幾何学的配置は、単調で、図７のようにほぼ線形θ（φ）の関係を可能にする。対照的に、サンプルのいかなる点に対してもθ＝０を常に得たい場合には、図９に示すように、サンプルの表面プロファイルを回転の楕円形状にする必要があり（ここでＰおよびＰ’が楕円焦点）、楕円曲線はＥＤ−Ｔ軸のまわりに回転されるべきである。
【００５６】
較正
散乱角θの包絡線は正反射角αのまわりにある。そのような包絡線は一般にαに依存する。そうでない場合には、システムはフーリエ用語を使用して角度不変光学系呼ばれる。システムが角度不変でなくても、角度分散はほぼサンプルのカテゴリー内で同じでありえる。そのような近似では、光源距離、サンプル距離、およびロブスターアイ距離のような幾何学的因子をすべて測定することを可能にする普遍的な較正手順を展開することができる。そのような場合、一般的な測定式には次の形がある、
【数２４】
2009503506.tif 000028
【００５７】
ここで、入射Ｘ線ビームの強度Ｉｏ（θ）は、すべての幾何学的因子に依存し（そして解析することが困難）、Ｍ（θ）は、Ｉｏ（θ）から分離されるべきサンプルの未知の角度特性である。しかし、それを解析的に分離する代わりに、我々は次の形の較正曲線を創出する。
【数２５】
2009503506.tif 000029
【００５８】
ここで、Ｍｃ（θ）は較正に使用された既知のサンプルの角度特性であり、Ｉｃ（θ）は、既知の角度の曲線（図７に示すような）によるこのサンプルに対する測定検出器強度である。数式（２５）で数式（２４）を割って、較正式（２６）を得る。
【数２６】
2009503506.tif 000030
【００５９】
我々は、完全な三次元の幾何学的配置に対するこの公式を容易に一般化することができる。この公式は、下記の少なくとも２つの方法で適用することができる。
１．角度分光学
２．コントラスト強化画像処理
【００６０】
第１の事例は上で説明したが、第２の事例は以下のように説明することができる。図１１のような物体（サンプル）の幾何学的配置を考慮する。より高いｘ値はより大きい角度θと等価であるので、高い正のｘ値すなわち高い正のφ値によって特徴づけられた位置に物体を配置すると、そのような物体の画像は、低いＺ番号を持つそのような物体要素にのみ敏感になり、そのような物体のコントラストが強化されることになる。
【００６１】
時間ゲーティングおよびＸ線凝視画像処理
ロブスターアイ検出器表面は半径Ｒ／２を有する半球に設置される、ここでＲはロブスターアイレンズ半径である。該表面の各点Ｑは、図１１に示すようなＸ線サンプルにあるそれと等価な点Ｐを持っている。
【００６２】
点θは極座標（ρ，φ）を持ち、その等価点Ｐは直交座標（ｘ，ｙ）を持つ。図１１に示すように、点Ｐが速度ｖで移動すると、その等価点Ｑも点Ｑ’に移動する。速度をｖとすると、点Ｐは時間ｔ中に距離ｖｔだけ移動する。特定の硬Ｘ線の場合、Ｘ線が点Ｐに「衝突する」と、特に小さなＺ番号に対して、サンプルの内部で多重散乱が起こり、点Ｐから点Ｐ’への変位を発生させる。ロブスターアイ画像処理の数式を使用すると、距離ＰＰ’は数式（２７）となり、数式（２８）に還元される。
【００６３】
【数２７】
2009503506.tif 000031
【００６４】
【数２８】
2009503506.tif 000032
【００６５】
ここでＭｔは横倍率である。Ｒ＝６ｃｍおよびｘ＝１ｍに対して、Ｍｔ＝１／４１が得られる。検出器のピクセルサイズを１００マイクロメートルとすると、物体面の等価な寸法は、４．１ｍｍとなるが、１ｃｍの変位さえ可能であるのでそれは現実的な値である。ロブスターアイとサンプル間の遅延時間は、ｘ＝ｌ＝１ｍに対して、次のようになる（ここでｖ＝ｃ）。
【数２９】
2009503506.tif 000033
【００６６】
したがって、図１２に示すように、パルス幅τはそのような距離に対して６．６ｎｓより小さくなければならない。
【００６７】
図１２は、元の送信されたパルスおよび元の受信されたパルスの２つのパルスを示しており、後者のパルスは多重散乱部を含んでいる。δｔを測定することにより、有機物か非有機物か、空気、金属等のようなサンプルの性質について推論することができる。当然、合成画像を得るためには多くのそのようなパルスを等間隔Δｔ０で送る必要がある。Ｚ番号が小さければ小さいほど、時間的な変位値δｔは大きくなる。時間ゲーティングは角度の多重化と相補的になりえる。
【数３０】
2009503506.tif 000034
【００６８】
ここでｖ≒ｃ＝３×１０１０ｃｍ／ｓ、又、δｘは多重散乱による空間変位である。
【００６９】
Ｘ線の一般的特性
Ｘ線は、ヒト組織および有機ポリマーのような軟質材を容易に貫通し、「密度射影」Ｘ線画像を生成すると一般に考えられている。他の一般的な認識は、Ｘ線が金属を貫通することができないということである。いずれの表現も正しくない。Ｘ線光子は、軟質の非金属物質との相互作用によって広く散乱され、それらのいくつかは、Ｘ線源の方へ後方に散乱される。そのような光子は弾道後方散乱光子と呼ばれている。同時に、６０ｋｅＶ（すなわち波長λ＝０．２オングストローム）の平均エネルギーを有するＸ線光子の１８％は、１．４２２ｍｍ（５６ミル）の鋼板を貫通する（図１３を参照）。６０以上ｋｅＶのエネルギーを有するＸ線は所定の胸部Ｘ線に使用される。
【００７０】
現在のキャピラリーＸ線の焦点調整光学系
Ｘ線の性質として、屈折によって焦点を結んで要素を生成することができない。Ｘ線と共に働く唯一の可能な方法は、入射の小さなグレージング角の下で滑らかな金属表面からのＸ線の反射を用いることである。古典的なＸ線反射光学系は、重く、かさばっていて（メートル規模）、高価で、位置合わせが難しかった。これは、長く、湾曲した、環状のキャピラリーに基づいた、Ｋｕｍａｋｏｖ形Ｘ線焦点調整光学系の開発をもたらした［文献番号２および３］。非常に小さく重要なグレージング角（６０ｋｅＶのＸ線に対して≦３．６ａｒｃ−ｍｉｎｕｔｅｓ）および比較的大きな内側のキャピラリー径のために、キャピラリーは非常に長くなければならない。
【００７１】
さらに、キャピラリー要素のかなりの厚みおよび該要素間のデッドスペースは、Ｋｕｍａｋｏｖ形Ｘ線光学のフィルファクタをかなり減少させている。さらに高度なＬＥ形焦点調整Ｘ線光学系は、グラススランプマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）に基づいている。しかし、既存のＬＥ光学系の動作のスペクトル域は、エネルギー≦４ｋｅＶ（すなわちλ＝３．１オングストローム）を有するＸ線に限定されている［文献番号４−６］。より小さく重要なグレージング角を有するより硬いＸ線は、グラスＭＣＰのチャネルの小さな長さ対幅比（アスペクト比）のために該グラスＭＣＰによって効率的に焦点を結ぶことができない［文献番号４−８］。
【００７２】
ロブスターアイＸ線焦点調整光学系
ロブスターは、目の外部にわたって湾曲した、箱状の正方形断面の個眼のアレイを通して（アイレット）世界を見ている。
【００７３】
甲殻類の目では、そのセルは短く、幅の約２倍の長さの長方形である。かなり速く焦点を形成するために、光は広範囲の入射角にわたって反射される。硬Ｘ線の応用では、セル長は幅の約１００倍である必要があるが、光学的な原理は甲殻類の目の原理と同じままである。それは、プレートの２つの直交系の合併と円筒状よりむしろ球状の対称性の採用とが好ましい軸を取り除き、視野（ＦＯＶ）を所望の大きさにできるという点を除いて、Ｓｃｈｍｉｄｔの二次元装置と密接に関係がある。ロブスターの目は、例えば１８０°よりわずかに大きなＦＯＶを持っている。
【００７４】
各個眼はすべての角度から目に入る小量の光を捕らえ、多数の個眼からの光は画像を形成するために焦点を調整される。物理光学株式会社の物理学者は、硬Ｘ線の焦点を調整するために、ＬＥ構造で体系づけられた長い中空金属マイクロチャネルにこの構造をコピーした［文献番号９］（図１４Ａおよび１４Ｂを参照）。
【００７５】
ＬＥの幾何学的配置では、Ｘ線反射が非常に低い角度で起こるように配置することが可能である。１２ａｒｃ−ｍｉｎｕｔｅｓより小さい角度では、例えば金皮膜の反射率は高く、その結果入射光束はほとんど失われない。図１５は、同一の十字形のスポットに反射された（焦点を合わされた）小さなグレージング角を持つ平行Ｘ線を示している。初めに、Ｘ線は、正方形の長い中空セルのアレイに衝突して共通の点に集中し、Ｘ線の焦点をその単一の点上に結ぶ。正方形のトンネルのような形をしたどんな単一要素セルにも入るＸ線は、２つの反射壁からはね返り、隣接セルから出現するビームと平行に出現する。反射された平行Ｘ線束のスポットの中央部の強度は、入射Ｘ線束の何千倍も大きくなりえる。真の焦点調整装置として、ＬＥ光学系は、拡散した背景に対して物体を有効に画像化でき、それによってぼんやりした物体の観測をも向上させることができる。
【００７６】
Ｘ線は、通常１又は３の奇数の反射で、検出器の焦点面へ直接到達する。２つの直交壁から反射するＸ線は共通の焦点に送られる。図１５に示すように、たった１つの壁に衝突したＸ線は最後には線になり、残りのＸ線は真っすぐに通り抜ける。反射しないで通過する光線を含む偶数回反射した光線は、背景雑音に寄与することになる。
【００７７】
プラスチックおよび金属からのＸ線後方散乱
ロブスターアイＸ線画像処理システムのＸ線発生器が、水面下の物体に、４０から１２０ｋｅＶ（すなわち波長λ＝０．３１から０．１オングストローム）までの平均的Ｘ線エネルギーを備えた、１３０ｋＶｐ（キロボルトピークエネルギー）から１８０ｋＶｐまでのＸ線スペクトルを照射する場合、それは２つの著しい相互作用を生み出す、すなわち（ｉ）コンプトン散乱、および、（ｉｉ）光電効果である［文献番号１０および１１］。異なる平均局所原子番号（Ｚ番号）および異なる電子密度を備えた材料は、コンプトン散乱画像では異なる強度値を持つ［文献番号１２］。これらの相互作用の相対的確率は、Ｚ番号および材料の電子密度の関数である。光電効果では、Ｘ線光子は吸収され、電子が放射される。約６０ｋｅＶ（０．２オングストローム）以下のＸ線光子エネルギーについては、Ｚ番号が高い材料ほど、より高い光電子断面積およびより低いコンプトン散乱断面積を持っている。低いＺ番号の材料については、それはちょうど反対である。金属のような高いＺ番号を持つ材料では、Ｘ線照明光子の大部分は光電効果によって材料に吸収され、コンプトン相互作用によって散乱する光子はほとんどない。
【００７８】
したがって、金属材料は、凝視画像処理Ｘ線検査システムの画像では、低い強度値を持つだろう。対照的に、プラスチックのような材料は、より低いＺ番号および中間の電子密度を持っている。プラスチックが凝視画像処理Ｘ線検査システムによって撮像される場合、多くのＸ線照明光子がコンプトン相互作用を持ち、その光子の中には、ＬＥ検出器によって後方散乱させられ、記録されるものもあり、そしてこれは、冷却されたＣＣＤカメラ（図１６を参照）に接続された発光スクリーンへＸ線を集束させるＬＥ光学系を含んでいる。したがって、コンプトン後方散乱画像処理（ＣＢＩ）では、低いＺ番号の材料は後方散乱させられたＸ線光子の高強度値によって表される。
【００７９】
現在の後方散乱技術
横方向移動ラジオグラフィ（ＬＭＲ）［文献番号１０および１１］のような、最先端技術のＸ線コンプトン後方散乱画像処理（ＣＢＩ）技術［文献番号１１から１４］は、土壌の表面、表面下、または土壌の内部構造を撮像して、地雷を検出することができる。ＬＭＲシステムは、物体調査用に、物体の原子と一度だけ衝突する単一後方散乱Ｘ線光子（ＳＢＰ）、および多重後方散乱光子（ＭＢＰ）を撮像するための、別個の検出器を持っている。ＳＢＰとＭＢＰの番号は一般に低く、ある程度幾何学的重複があるため、２つの画像には、低い信号対雑音比（ＳＮＲ）と分解能、および重度の幾何学的歪がある。ＬＭＲ（他のすべてのＣＢＩ技術と同様に）は、硬Ｘ線を集束させることができない。Ｘ線画像の形成は、Ｘ線の走査型ペンシルビーム、および光電管（ＰＭＴ）を備えた、高価で、非常に大きな、広領域Ｘ線検出器に依存する。ＬＭＲの分解能、コントラスト、ＦＯＶ、およびＳＮＲは、走査型ペンシルビームの強度、大きさ及び速度によって制限されている。ＬＭＲは、１ｍ２／ｍｉｎ．［文献番号１１から１２および１４］に制限される低い取得率と、長く複雑な画像再構成プロセスを持っている。走査型ペンシルビームを発生させることは、非効率であり、それは、発生させたＸ線のわずか０．０１％しか使用せず、大きな慣性モーメントを備えた、重い、鉛の、速く回転するチョッパーホイールまたは回転コリメータを必要とする。したがって、最先端技術のＸ線後方散乱システムは、例えば、埋設地雷探知用の必要条件を満たしていない。
【００８０】
凝視デジタルＸ線画像処理検出器
凝視画像処理Ｘ線検査システムのための凝視デジタル検出器の実施形態は、シリコンウエハから微小化され、ロブスターアイＸ線焦点調整光学の半球の焦点面と一致する半球形状にスランプされた、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）を含んでいる。シリコンＭＣＰのマイクロチャネルの大きさ、形状および位置は、フォトリソグラフィー法によって決定され、８５％を超える高いフィルファクタを提供するだろう。
【００８１】
既存の鉛ガラスＭＣＰは、高コストで、重く、領域が制限され、硬質であり、マイクロチャネルの周期性またはその壁の平滑性を維持しない。この後者は、ＭＣＰ構造の幾何学配置、およびチャネル壁の表面の粗さによって実際に決定される、焦点調整性能の重要な低下を引き起こす［文献番号６および１５］。
【００８２】
ＳＯＴＡ鉛ガラスＭＣＰとは対照的に、シリコンＭＣＰは、低コストで、軽く、領域が広く、機械的に安定している。シリコンＭＣＰは、シリコンウエハの異方性エッチング（ＥＣＡＮＥ）によって製作され、それらは次に、望ましい球形状へスランプするだろう。高アスペクト比マイクロチャネルは、硬Ｘ線に有効なＮａＩまたはＣｓＩ（Ｔｌ）のような材料を発光させることで充填されるだろう。
【００８３】
この凝視デジタル検出器（ＳＤＤ）用のＭＣＰの製作、および付随の微小化およびスランプする技術は以下の工程を含む。
（１）孔径、形状、およびアレイ内での位置は、フォトリソグラフィー法によって決定される。その後、孔は、Ｓｉ単結晶の基板ウエハによって、異方的にエッチングされる。
（２）微小化されたＳｉ  ＭＣＰは、孔壁を酸化させることと組み合わされた、特別の熱サイクル工程によって所望の球形状にスランプされる。
（３）孔のメタライゼーションは、化学真空蒸着（ＣＶＤ）成長によって達成され、連続した、滑らかな、Ｘ線反射孔壁を形成するだろう。壁のＳｉＯ２層により、高いＺ番号（ガラスＭＣＰ技術とは対照的に）を持つ非常に様々な金属が使用できる。
（４）ＳＤＤは、直径１５０ｍｍ（６インチ）を超える、一般に利用可能で、安価な、単結晶Ｓｉウエハから製造される。
（５）シリコンの融解温度が、ＮａＩまたはＣｓＩ（Ｔｌ）のような発光材のそれよりほぼ２倍高い１４００℃を超えるという事実に基づいて、真空中のスランプされたシリコンＭＣＰのマイクロチャネルへ発光材を溶かすこと。
【００８４】
図１７は、ＳＤＤシステムの構造および動作原理を示している。ＳＤＤは、信号読み出し用のマイクロチャネルのガイド構造に基づいており、テーパ形光ファイバによって最先端技術のフルフレームＣＣＤと接続される。テーパ形光ファイバの入力面は、半球の形状を持ち、ロブスターアイＸ線の焦点調整光学の半球の焦点面と一致する。テーパの出力面はフラットで、ＣＣＤマトリックスに取り付けられている。ＳＤＤは、８５％を超えるフィルファクタを持つ、高アスペクト比のガイドマイクロチャネルを含み、その壁は反射アルミニウム層で覆われ、例えば、ヨウ化ナトリウム発光材で充填されている。この材料は、９０％を超える量子効率で硬Ｘ線光子を吸収し、それらを可視光線に変換する。その結果、Ａｌ−ｃｌａｄ  ＮａＩ（Ｔｌ）コアは高アスペクト比の光導管構造であり、それは、室温でＣＣＤアレイによって十分検出できるほど明るい（数百平方マイクロメートルのマイクロチャネル断面積のまさに狭い領域に集中された）発光フラッシュを送り、高精度でＸ線照射のエネルギー量を識別する。
【００８５】
ＮａＩ（Ｔｌ）で発生させた可視光線スパークの強度は、１００ｋｅＶ光子につき約４，０００の可視光線光子率で、そのエネルギーに比例する。ＮａＩ（Ｔｌ）の減衰長は例えば、６０ｋｅＶ光子（波長λ＝０．２オングストローム）で０．５ｍｍであり、１００ｋｅＶ光子（波長λ＝０．１２オングストローム）で１．８ｍｍである。
【００８６】
マイクロチャネル内のＮａＩ（Ｔｌ）シンチレータによって放射された光は、光ファイバの光導管と同じように、ピクセル間で損失またはクロストークのない対応するＣＣＤピクセルの高感度な領域へ向かう。照射の終わりで、ＣＣＤの活性領域の電荷は、フレーム記憶装置へ迅速に（約４０ｍｓ）転送されるだろう。このように、ＳＤＤは光子計数とエネルギー識別を行う。Ｘ線光子のエネルギーを識別するために、ほんの少数のイベントだけが各フレーム中に登録されるように、ＳＤＤのＣＣＤは高速でフレームを登録しなければならないが、シンチレータ中の各スパークの強度は別々に測定することができる。
【００８７】
ロブスターアイＸ線画像処理システムのＸ線焦点調整光学系の製作
本発明では、すべての研磨および表面仕上げは、Ｘ線ロブスターアイの「平らな」部品が容易にアクセス可能である時間中に、該Ｘ線ロブスターアイの「平らな」部品で行われるが一方、大多数の先行技術では、これらの作業行はアクセス可能性が乏しいので行うことができない。高い表面平坦度を達成するのに必要な研磨および仕上げ作業および高性能Ｘ線ロブスターアイの形成に極めて重要低い表面粗さは、本発明の初期の製作中のすべての素材表面の完全なアクセス可能性により達成される。
【００８８】
例えば、大半の先行技術では、「コーナ」は、研磨および表面仕上げのためにアクセスすることが困難または不可能であるが一方、硬Ｘ線光学系に必要な完全に研磨および表面仕上げされた９０度のコーナは、本発明の構成では本来備わっており、そして、新しいロブスターアイの最終組立工程中に自動的に達成される。
【００８９】
前述の先行技術［文献番号４−６］において、それは、表面上は同じであるように見えるが、重大な「半分のステップ」、すなわち、本発明の場合のようにロブスターアイレンズを形成する、Ｘ字形の（十字形）配置、または２つの水平および垂直層の単一の三次元の網状構造への差し込みが欠けている。
【００９０】
本発明では、先細りの台形水路は、連続的に正方形断面を縮小することにより三次元的に形成されるので、「理想的な」ロブスターアイの形状因子を達成することができる。
【００９１】
本発明はロブスターアイ形状を「生成する」というよりもむしろ、Ｘ線光学の厳しい要件を維持しながらロブスターアイ形状を「作る」ことであることが強調されるべきであろう。
【００９２】
本発明で具体化された新規で独特な製作および組立工程の結果は、高い幾何学的な精度のロブスターアイ構造と、うまくＸ線ミラーを製作するのに必要とされる表面仕上げという結果をもたらす。
【００９３】
本発明のロブスターアイ製作のアーキテクチャ−上の概念を図１８に示している。薄いフラットリブは、所定の角度および間隔で作られた「ナイフカット」によって、半球体ドーム（図１９を参照）から抜き出される。図１８で、４つのリブが抜き出されるのが分かる。
【００９４】
このえぐり抜かれた半球体ドーム（それ自体は初めに球体から抜き出されたものであるが）は、本発明の製作のアーキテクチャの基礎を形成する。球からこの部分的中空部を薄く切る切断面は、所定の角度および間隔で、ドームを二分する、該「ドーム」の円形部分の内周のまわりの点ＡおよびＡ’、および、該円形部分の外周のまわりの点ＢおよびＢ’によって定義された線分から放射するように、配列される、その結果、フラットリブの各々が環形のセグメントとなる複数のフラットリブが得られる。
【００９５】
図２０に示すような雄雌リブの幾何学的配置は、それらの嵌合スロットの深さが、雄リブで長さｕ、雌リブで長さｕ’のようなものであり、ここで、ｕはｕ’に等しい（ｕ＝ｕ’）。雄雌リブは、Ｘ字形に配置され差し込まれたときに、雄雌リブの上部の湾曲縁が同一平面上にあり、雄雌リブの下部の湾曲縁も同一平面上にあるような方法で相互に「とまりばめ」されるように、雄リブの高さを２ｕ、雌リブの高さを２ｕ’にしてある。一旦この方法で組立てられると、元来台形の空胴を「埋めていた」「不要な」立体部分がなくなり、元の「半球体ドーム」は「骨格状に」再構成される。この正確な組立ては、雄リブのスロットは幅ｓで雌リブのスロットは幅ｓ’であり、幅ｓがｓ’と等しく（ｓ＝ｓ’）なるように、および双方の雄雌リブは厚みｔであり、幅ｓおよびｓ’が幅ｔと等しく（ｓ＝ｓ’＝ｔ）なるようにしてあるという事実により可能になる。しかし、製造公差は、物理的実現においてリブのスロットの実際の幅は幅ｓ，＋０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）／−０．０００ｍｍ（０．０００インチ）、一方リブの実際厚さは幅ｔ’，＋０．０００ｍｍ（０．０００インチ）／−０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）である。リブ厚（ｔ）のこの極くわずかなアンダーサイジングは、リブのスロット（ｓ，ｓ’）の極くわずかなサイジングと共に、各雄リブの本体が雌リブのスロットにちょうど辛うじて滑り込むことを可能にし、かつ各雌リブの本体が雄リブのスロットにちょうど辛うじて滑り込むことを可能にし、雄雌リブの９０度（９０°）の十字形の差し込みを可能にしている。
【００９６】
本発明の、４対のウエハのような雄雌リブのＸ字形の（十字形）配置によって形成された「４ｘ４」ロブスターアイを図２１に示している。「雄」リブの１つは嵌合される前の段階で示されている。雄リブが、該雄リブを受け入れるように設計されている４つの「雌」リブと「嵌合する」ように、該雄リブをそれより下のほぼ完全な構造物の中に垂直に下げることで、「４×４」ロブスターアイの形成が完成する。
【００９７】
ここに開示したものはＸ線画像化技術において著しい進歩を構成することが理解されるだろう。後方散乱Ｘ線用途へのロブスターアイレンズ技術の新規な利用は、例えば、貨物専用コンテナの検査、埋設地雷の探知、および医療診断においてさえ、多くの画像処理シナリオに有利な応用を持つ著しい改善を提供する。さらに、独特なロブスターアイ製作概念は、非常に効率的な比較的容易で低価格の組立ておよび特にＸ線画像化用途ための正確な構造を可能にする。さらに、ロブスターアイ光学系および検出器物理学のよりよい理解は、結果として得られた画像発生を改善する好機および分光学のような新しい応用にその構造を用いる好機を提供するものである。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物によってのみ制限されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】図１は、有限の距離にある物体に対するロブスターアイレンズ動作の幾何学的配置の略図である。
【図２】図２は、物体までの距離の関数として、類推的に凸面鏡に対するＬＥレンズの横倍率Ｍｔの依存を示すグラフである。
【図３】図３は、アポディゼーション用に示した、一次元投射におけるロブスターアイレンズ画像処理システムのローカル軸である。
【図４】図４は、全外反射近傍においてフレネル反射分布に従う、点応答関数の２乗の一次元分布モジュールである。
【図５】図５は、光学的伝達関数のモジュールの一次元分布である。
【図６】図６は、Ｘ線源、サンプル、およびロブスターアイレンズの一次元の幾何学的配置である。
【図７】図７は、数式（２１および２２）のために、角度φの検出器位置の関数として散乱角θの依存を示すグラフである。
【図８】図８は、円錐角６０°を持つロブスターアイ検出器アレイの断面図である。
【図９】図９は、θ＝０に対するＸ線源およびロブスターアイ中心の特定の幾何学的配置を示す図であり、ここでサンプル表面はＰＰ’軸のまわりで回転楕円であり、点ＰおよびＰ’は楕円焦点である。
【図１０】図１０は、散乱角の幾何学的配置を示す図である。
【図１１】図１１は、ロブスターアイ検出器および物体の三次元の幾何学的構成である。
【図１２】図１２は、物体へ送信されたＸ線パルスおよび多重散乱部分を含む後方散乱させられたＸ線の受信パルスの時系列チャートである。
【図１３】図１３は、Ｘ線エネルギーの関数として、０．９１ｍｍ（３６ミル）、１．２２ｍｍ（４８ミル）、１．４２ｍｍ（５６ミル）、１．６５ｍｍ（６５ミル）、および１．９１ｍｍ（７５ミル）厚のスチール金属板の計算されたＸ線透過のグラフである。
【図１４】図１４は、図１４Ａおよび１４Ｂから成り、好ましい実施形態で使用される独特なロブスターアイ構造の図および写真である。
【図１５】図１５は、ロブスターアイ光学系の焦点面における計算された強度分布のグラフである。
【図１６】図１６は、凝視画像処理Ｘ線検査システムの検出モジュールの技術者の概念図である。
【図１７】図１７は、凝視デジタル検出器（ＳＤＤ）の構造および動作原理の図である。
【図１８】図１８は、図１４Ａおよび１４Ｂのロブスターアイ構造のフラットリブの製作概念を示す。
【図１９】図１９は、図１４Ａおよび１４Ｂのロブスターアイ構造のフラットリブの製作概念を示す。
【図２０】図２０は、図１４Ａおよび１４Ｂのロブスターアイ構造のフラットリブの製作概念を示す。
【図２１】図２１は、図１４Ａおよび１４Ｂのロブスターアイ構造のフラットリブの製作概念を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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