(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に照射するＸ線を出射するＸ線源と、
前記試料からのＸ線を検出する検出器と、
前記Ｘ線源から前記検出器に向かう基準線上に配置され、前記Ｘ線源から出射されたＸ線を全反射により前記試料に集光させるための第１反射面及び第２反射面を有する集光光学系と、
前記基準線上に配置され、前記試料からのＸ線を前記検出器に結像させる結像光学系と、
前記集光光学系の状態を、前記第１反射面で全反射されたＸ線が前記試料に集光される第１状態と、前記第２反射面で全反射されたＸ線が前記試料に集光される第２状態と、の間で切り替える制御を行う制御部と、
を備え、
前記試料は、前記基準線上において前記Ｘ線源から所定距離で離間して保持され、
前記第１反射面と前記基準線との成す角度と前記第２反射面と前記基準線との成す角度とは、互いに異なっており、
前記第１状態で前記第１反射面により全反射されたＸ線の光軸と前記基準線との成す角度と、前記第２状態で前記第２反射面により全反射されたＸ線の光軸と前記基準線との成す角度とは、互いに同等である、
Ｘ線撮像装置。
【請求項２】
前記集光光学系は、前記第１反射面を含む第１光学素子と、前記第２反射面を含み、前記基準線に沿って前記第１光学素子と並んだ状態で前記第１光学素子と一体化された第２光学素子と、を有し、
前記制御部は、前記第１光学素子及び前記第２光学素子を前記基準線に沿って移動させることにより、前記第１状態と前記第２状態とを切り替える、請求項１に記載のＸ線撮像装置。
【請求項３】
前記集光光学系は、前記第１反射面を含む第１光学素子と、前記第２反射面を含み前記第１光学素子と別体に構成された第２光学素子と、を有し、
前記制御部は、前記第１光学素子及び前記第２光学素子を移動させることにより、前記第１状態と前記第２状態とを切り替える、請求項１に記載のＸ線撮像装置。
【請求項４】
前記Ｘ線源から前記第２反射面に向かうＸ線を遮蔽するための第１遮蔽部材と、
前記Ｘ線源から前記第１反射面に向かうＸ線を遮蔽するための第２遮蔽部材と、
を備え、
前記制御部は、前記第１遮蔽部材を使って前記Ｘ線源から前記第２反射面に向かうＸ線を遮蔽する状態、及び前記第２遮蔽部材を使って前記Ｘ線源から前記第１反射面に向かうＸ線を遮蔽する状態のうちいずれかを選択することにより、前記第１状態と前記第２状態とを切り替える、請求項１に記載のＸ線撮像装置。
【請求項５】
前記結像光学系は、前記試料からのＸ線を全反射させて前記検出器に結像させる第３反射面を有している、請求項１〜４のいずれか一項記載のＸ線撮像装置。
【請求項６】
前記第３反射面は、前記第１反射面及び前記第２反射面において全反射される全エネルギー領域のＸ線を全反射させる、請求項５記載のＸ線撮像装置。
【請求項７】
前記基準線上に配置され、前記第１反射面及び前記第２反射面において全反射されるエネルギー領域のＸ線のうち低エネルギー領域側のＸ線を除去するフィルタを備える、
請求項１〜６のいずれか一項記載のＸ線撮像装置。
【請求項８】
前記基準線上に配置され、前記集光光学系を経ずに前記検出器に入射するＸ線を遮蔽する第３遮蔽部材を備える、請求項１〜７のいずれか一項記載のＸ線撮像装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項記載のＸ線撮像装置を用いるＸ線撮像方法であって、
前記集光光学系の状態を、前記制御部によって前記第１状態及び前記第２状態のうちいずれとするかを選択する選択ステップと、
前記Ｘ線源から前記試料に照射するＸ線を出射する出射ステップと、
前記出射ステップにおいて出射されたＸ線を前記集光光学系によって前記試料に集光させる集光ステップと、
前記結像光学系によって前記試料からのＸ線を前記検出器に結像させる結像ステップと、
前記結像ステップにおいて結像されたＸ線を前記検出器によって検出する検出ステップと、を含む、Ｘ線撮像方法。
【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線撮像方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線の吸収係数は、同じ物質でもＸ線のエネルギーにより異なる。したがって、Ｘ線撮像装置では、試料の構成物質に応じて使用するＸ線のエネルギー領域が選択される。例えば、特許文献１には、非球面ミラーとベント機構とを備える集光装置が記載されている。ベント機構は、非球面ミラーの長手方向の撓みを調整することにより、Ｘ線のエネルギーに応じた非球面ミラーの長手方向の曲率半径を選択する。
【０００３】
なお、特許文献２，３には、Ｘ線用の顕微鏡が記載されている。特許文献３に記載のＸ線顕微鏡においては、反射角度の異なる二つの反射領域を光軸方向に有する照明光学系と、照明光学系を光軸方向に移動させる移動手段と、を備える。このＸ線顕微鏡では、照明光学系を光軸方向に移動させることにより、明視野観察モードと暗視野観察モードとを切り替えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１６３６６７号公報
【特許文献２】特開２００８−９６２７３号公報
【特許文献３】特開２００６−３４３５３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載された集光装置では、Ｘ線のエネルギーに応じて試料に対するＸ線の入射角が変化する。したがって、試料の後方に結像光学系及び検出器を設ける場合、試料からのＸ線を結像光学系により検出器上に結像するために、選択されたＸ線のエネルギーに応じて結像光学系及び検出器の位置合わせが必要となる。なお、特許文献３に記載されたＸ線顕微鏡においては、Ｘ線のエネルギーを選択することについて言及されていない。
【０００６】
本発明は、Ｘ線のエネルギー領域を選択しながら容易に試料を観察することができるＸ線撮像装置及び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】
【０００７】
本発明に係るＸ線撮像装置は、試料に照射するＸ線を出射するＸ線源と、試料からのＸ線を検出する検出器と、Ｘ線源から検出器に向かう基準線上に配置され、Ｘ線源から出射されたＸ線を全反射により試料に集光させるための第１反射面及び第２反射面を有する集光光学系と、基準線上に配置され、試料からのＸ線を検出器に結像させる結像光学系と、集光光学系の状態を、第１反射面で全反射されたＸ線が試料に集光される第１状態と、第２反射面で全反射されたＸ線が試料に集光される第２状態と、の間で切り替える制御を行う制御部と、を備え、試料は、基準線上においてＸ線源から所定距離で離間して保持され、第１反射面と基準線との成す角度と第２反射面と基準線との成す角度とは、互いに異なっており、第１状態で第１反射面により全反射されたＸ線の光軸と基準線との成す角度と、第２状態で第２反射面により全反射されたＸ線の光軸と基準線との成す角度とは、互いに同等である。
【０００８】
このＸ線撮像装置は、集光光学系の状態を切り替える制御部を備えている。制御部は、Ｘ線を第１反射面により全反射させて試料に入射させる第１状態と、Ｘ線を第２反射面により全反射させて試料に入射させる第２状態と、を切り替える。第１反射面と基準線との成す角度と、第２反射面と基準線との成す角度とは、互いに異なる。また、第１状態において、第１反射面で全反射されたＸ線の光軸と基準線との成す角度と、第２状態において、第２反射面で全反射されたＸ線の光軸と基準線との成す角度とが互いに同等である。したがって、幾何学的関係から、第１状態の第１反射面へのＸ線の斜入射角と、第２状態の第２反射面へのＸ線の斜入射角とは、互いに異なる。反射面へのＸ線の斜入射角が異なると、反射面で全反射されるＸ線のエネルギー領域が異なる。これにより、第１状態と第２状態とを切り替えることにより、試料の観察に用いるＸ線を、第１反射面で全反射されるエネルギー領域のＸ線と第２反射面で全反射されるエネルギー領域のＸ線とから選択することができる。上述のように、第１状態及び第２状態において、第１反射面で全反射されたＸ線の光軸と基準線との成す角度と、第２反射面で全反射されたＸ線の光軸と基準線との成す角度とが互いに同等である。このため、結像光学系へのＸ線の入射状態が、第１状態と第２状態とで変化しない。したがって、Ｘ線のエネルギーの選択に応じて結像光学系及び検出器を位置合わせする必要がない。以上のように、このＸ線撮像装置においては、Ｘ線のエネルギー領域を選択しながら容易に試料を観察することができる。
【０００９】
このＸ線撮像装置においては、第１反射面を含む第１光学素子と、第２反射面を含み、基準線に沿って第１光学素子と並んだ状態で第１光学素子と一体化された第２光学素子と、を有し、制御部は、第１光学素子及び第２光学素子を基準線に沿って移動させることにより、第１状態と第２状態とを切り替えてもよい。この場合、第１光学素子及び第２光学素子が一体化されているので、第１光学素子及び第２光学素子を共通の移動機構により移動させて、集光光学系の状態を切り替えることができる。
【００１０】
このＸ線撮像装置においては、集光光学系は、第１反射面を含む第１光学素子と、第２反射面を含み第１光学素子と別体に構成された第２光学素子と、を有し、制御部は、第１光学素子及び第２光学素子を移動させることにより、第１状態と第２状態とを切り替えてもよい。この場合、第１光学素子及び第２光学素子が別体に構成されているので、第１光学素子及び第２光学素子をそれぞれ移動させることができる。したがって、Ｘ線源から出射されたＸ線を全反射により試料に集光させるための位置に第１光学素子及び第２光学素子を容易に配置することができる。
【００１１】
このＸ線撮像装置においては、Ｘ線源から第２反射面に向かうＸ線を遮蔽するための第１遮蔽部材と、Ｘ線源から第１反射面に向かうＸ線を遮蔽するための第２遮蔽部材と、を備え、制御部は、第１遮蔽部材を使ってＸ線源から第２反射面に向かうＸ線を遮蔽する状態、及び第２遮蔽部材を使ってＸ線源から第１反射面に向かうＸ線を遮蔽する状態のうちいずれかを選択することにより、第１状態と第２状態とを切り替えてもよい。この場合、第１反射面及び第２反射面を移動させる必要がない。
【００１２】
このＸ線撮像装置においては、結像光学系は、試料からのＸ線を全反射させて検出器に結像させる第３反射面を有していてもよい。この場合、Ｘ線のエネルギーの選択に応じて、結像光学系を構成する光学素子及びその配置を変える必要がない。
【００１３】
このＸ線撮像装置においては、第３反射面は、第１反射面及び第２反射面において全反射される全エネルギー領域のＸ線を全反射させてもよい。この場合、試料の観察に用いられるエネルギー領域のＸ線が結像光学系により除去されるのを抑制することができる。
【００１４】
このＸ線撮像装置においては、基準線上に配置され、第１反射面及び第２反射面において全反射されるエネルギー領域のＸ線のうち低エネルギー領域側のＸ線を除去するフィルタを備えていてもよい。この場合、試料の観察に用いられない低エネルギー領域側のＸ線を除去することができるので、得られるＸ線画像のコントラストを向上させることができる。
【００１５】
このＸ線撮像装置においては、基準線上に配置され、集光光学系を経ずに検出器に入射するＸ線を遮蔽する第３遮蔽部材を備えていてもよい。この場合、試料の観察に用いられないエネルギー領域のＸ線が検出器に入射することが抑制されるので、得られるＸ線画像のコントラストを更に向上させることができる。
【００１６】
本発明に係るＸ線撮像方法は、上記のＸ線撮像装置を用いるＸ線撮像方法であって、集光光学系の状態を、制御部によって第１状態及び第２状態のうちいずれとするかを選択する選択ステップと、Ｘ線源から試料に照射するＸ線を出射する出射ステップと、出射ステップにおいて出射されたＸ線を集光光学系によって試料に集光させる集光ステップと、結像光学系によって試料からのＸ線を検出器に結像させる結像ステップと、結像ステップにおいて結像されたＸ線を検出器によって検出する検出ステップと、を含む。
【００１７】
このＸ線撮像方法は、上記のＸ線撮像装置を用いるので、Ｘ線のエネルギー領域を選択しながら容易に試料を観察することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るＸ線撮像装置及びＸ線撮像方法によれば、Ｘ線のエネルギー領域を選択しながら容易に試料を観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態に係るＸ線撮像装置の構成を示す図である。
【図２】集光光学系及び制御部の構成を示す図である。
【図３】光学素子の寸法を説明する図である。
【図４】Ｘ線の全反射臨界角とＸ線のエネルギーとの関係を説明する図である。
【図５】第１実施形態の変形例に係るＸ線撮像装置の構成を示す図である。
【図６】第２実施形態に係るＸ線撮像装置の構成を示す図である。
【図７】第３実施形態に係るＸ線撮像装置の構成を示す図である。
【図８】比較例に係るＸ線撮像装置の構成を示す図である。
【図９】Ｘ線のエネルギーと透過率及び反射率との関係を示す図である。
【図１０】Ｘ線のエネルギーと透過率及び反射率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２１】
（第１実施形態）
図１及び図２を参照して、第１実施形態に係るＸ線撮像装置について説明する。図１は、第１実施形態に係るＸ線撮像装置の構成を示す図である。より詳細には、図１（ａ）は、集光光学系の状態が第１状態である場合を示す図であり、図１（ｂ）は、集光光学系の状態が第２状態である場合を示す図である。図２は、光学素子の寸法を説明する図である。
【００２２】
図１に示されるように、Ｘ線撮像装置１０Ａは、Ｘ線源１と、フィルタ２と、集光光学系３Ａと、遮蔽部材（第３遮蔽部材）４と、遮蔽部材（第３遮蔽部材）５と、結像光学系６と、検出器７と、制御部８（図３参照）と、を備えている。Ｘ線撮像装置１０Ａは、例えば、軟Ｘ線３Ｄ顕微鏡である。試料Ｓは、Ｘ線源１から検出器７に向かう基準線Ａ上においてＸ線源１から距離Ｌ０、且つ検出器７から距離Ｌ３で離間して、試料保持部（不図示）により保持されている。
【００２３】
Ｘ線の吸収係数は、同じ物質でもＸ線のエネルギーにより異なる。したがって、Ｘ線撮像装置１０Ａでは、試料Ｓの構成物質に応じて、観察に使用するＸ線のエネルギーが選択される。例えば、低原子番号（Ｚ）の材料（軽元素材料）の観察には、１ｋｅＶ〜数ｋｅＶのエネルギー領域のＸ線が使用される。また、水を含む生体試料の観察には、「水の窓」と呼ばれる２８５ｅＶ〜５４３ｅＶのエネルギー領域のＸ線が使用される。Ｘ線撮像装置１０Ａでは、このようなエネルギー領域のＸ線を使用することにより、軽元素材料及び生体試料の内部構造を観察することができる。試料Ｓを回転させることで、試料Ｓを３次元的に観察することもできる。試料Ｓの回転軸Ｂは、例えば、基準線Ａに垂直である。使用されるＸ線のエネルギーが低い場合（〜５ｋｅＶ）、空気によるＸ線の減衰を避けるため、Ｘ線撮像装置１０Ａは真空容器（不図示）内に設置されてもよい。
【００２４】
Ｘ線源１は、試料Ｓに照射するＸ線２０を出射する。Ｘ線源１は、例えば、電子線励起型（電子線衝撃型）Ｘ線源、レーザ及びガス放電を用いたプラズマＸ線源等である。Ｘ線源１は、上述のような生体試料の観察に使用されるエネルギー領域（２８５ｅＶ〜５４３ｅＶ）のＸ線、軽元素材料の観察に使用されるエネルギー領域（１ｋｅＶ〜数ｋｅＶ）のＸ線等を出射する。Ｘ線源１に電子線励起型Ｘ線源を用いた場合、出射されるＸ線２０は、特性Ｘ線と制動放射Ｘ線とから成る。特性Ｘ線は、強度が高く、ターゲットを構成する物質でエネルギーが決まる。制動放射Ｘ線は、強度が低く、加速電圧によってエネルギーが決まる。観察には特性Ｘ線が用いられる。上述のようなエネルギー領域内に特性Ｘ線を持つターゲットとして、例えば、酸化物ターゲット、Ｔｉターゲット等が用いられる。
【００２５】
フィルタ２は、基準線Ａ上に配置されている。フィルタ２は、例えば、Ｂｅ，Ｔｉ等の金属フィルタである。フィルタ２は、エネルギーＥ０以上のエネルギー領域のＸ線２０を通過させ、エネルギーＥ０よりも低いエネルギー領域のＸ線２０を除去する。即ち、フィルタ２は、Ｘ線源１から出射されたＸ線２０を、エネルギーＥ０以上のＸ線２０に制限して集光光学系３Ａに出射する。閾値となるエネルギーＥ０は、フィルタ２の材質及び厚さによって決まる。したがって、観察に使用されるＸ線２０のエネルギーに応じて、フィルタ２の材質及び厚さが決定される。フィルタ２は複数種類用意されており、移動機構（不図示）でＸ線２０の光路上に配置及び退避させることにより、比較的容易に交換することができる。
【００２６】
集光光学系３Ａは、Ｘ線源１から出射され、フィルタ２を通過したＸ線２０を試料Ｓに集光する。集光光学系３Ａは、光学素子３０Ａを有している。光学素子３０Ａは、例えば、非球面ミラーである。光学素子３０Ａは、例えば、筒状の斜入射反射鏡であり、中心軸が基準線Ａに一致するように基準線Ａ上に配置されている。光学素子３０Ａは、Ｘ線２０をその内面で反射させて集光を行う。光学素子３０Ａは、全反射を利用した反射光学系であり、例えば、回転楕円面及び回転双曲面を含むウォルタ鏡、回転楕円鏡、回転放物鏡等である。ここでは、光学素子３０Ａは、第１光学素子３１と、第２光学素子３２と、接続管３３とを含んでいる。
【００２７】
第１光学素子３１は、筒状の斜入射反射鏡であり、中心軸が基準線Ａに一致するように基準線Ａ上に配置されている。第１光学素子３１は、例えば、回転楕円鏡である。第１光学素子３１は、端部３１ａと、端部３１ｂと、Ｘ線源１から出射されたＸ線２０を全反射により試料Ｓに集光させるための第１反射面３１ｃとを含んでいる。端部３１ａはＸ線源１側に配置され、端部３１ｂは検出器７側に配置されている。端部３１ａは、基準線Ａに沿ってＸ線源１から距離Ｌ１の位置に配置されている。
【００２８】
第１反射面３１ｃは、第１光学素子３１の内面を成す曲面であり、端部３１ａと端部３１ｂとを接続している。第１反射面３１ｃは、基準線Ａ上に配置され、Ｘ線源１から出射されたＸ線２０を全反射により試料Ｓに集光させるための面である。第１反射面３１ｃは基準線Ａに対して線対称である。即ち、第１光学素子３１は、Ｘ線２０を第１反射面３１ｃで反射させて集光を行う。第１反射面３１ｃは、基準線Ａに対して第１傾斜角α１で傾斜している。
【００２９】
第２光学素子３２は、基準線Ａに沿って第１光学素子３１と並んだ状態で第１光学素子３１と一体化されている。第２光学素子３２は、筒状の斜入射反射鏡であり、中心軸が基準線Ａに一致するように基準線Ａ上に配置されている。第２光学素子３２は、例えば、回転楕円鏡である。第２光学素子３２は、端部３２ａと、端部３２ｂと、Ｘ線源１から出射されたＸ線２０を全反射により試料Ｓに集光させるための第２反射面３２ｃとを含んでいる。端部３２ａはＸ線源１側に配置され、端部３２ｂは検出器７側に配置されている。端部３２ａは、基準線Ａに沿ってＸ線源１から距離Ｌ２の位置に配置されている。
【００３０】
第２反射面３２ｃは、第２光学素子３２の内面を成す曲面であり、端部３２ａと端部３２ｂとを接続している。第２反射面３２ｃは、基準線Ａ上に配置され、Ｘ線源１から出射されたＸ線２０を全反射により試料Ｓに集光させるための面である。第２反射面３２ｃは基準線Ａに対して線対称である。即ち、第２光学素子３２は、Ｘ線２０を第２反射面３２ｃで反射させて集光を行う。第２反射面３２ｃは、基準線Ａに対して第２傾斜角α２で傾斜している。第２傾斜角α２と第１傾斜角α１とは相違している。第１光学素子３１は、第２光学素子３２よりもＸ線源１側に配置され、また後述するように内径も大きいため、第２傾斜角α２は第１傾斜角α１よりも大きい。
【００３１】
接続管３３は、第１光学素子３１と第２光学素子３２とを接続する管状部材であり、中心軸が基準線Ａに一致するように配置されている。接続管３３は、端部３３ａと、端部３３ｂとを含んでいる。端部３３ａは第１光学素子３１側に配置され、端部３１ｂと接続されている。端部３３ｂは第２光学素子３２側に配置され、端部３２ａと接続されている。なお、接続管３３の内面は、Ｘ線２０を反射せず、Ｘ線２０を吸収するような物質によりコーティングされていてもよい。これにより、接続管３３の内面で反射されたＸ線が結像光学系６に入射することが抑制される。
【００３２】
ここで、図２（ａ）に示されるように、第１光学素子３１の寸法は、基準線Ａ（図１参照）に沿う長さＬ６、端部３１ａの内径Ｄ１、及び端部３１ｂの内径Ｄ２である。内径Ｄ１は、内径Ｄ２よりも大きい。第２光学素子３２の寸法は、基準線Ａに沿う長さＬ８、端部３２ａの内径Ｄ３、及び端部３２ｂの内径Ｄ４である。内径Ｄ３は、内径Ｄ２よりも小さく内径Ｄ４よりも大きい。接続管３３の寸法は、基準線Ａに沿う長さＬ７、端部３３ａの内径Ｄ２、及び端部３３ｂの内径Ｄ３である。
【００３３】
図１に戻って説明を続ける。集光光学系３Ａは、光学素子３０Ａの位置により、図１（ａ）に示される第１状態、及び図１（ｂ）に示される第２状態をとる。第１状態と第２状態とでは、距離Ｌ１及び距離Ｌ２の値が異なる。第１状態の距離Ｌ１（以下、距離Ｌ１（Ｓ１）という）は、第２状態の距離Ｌ１（以下、距離Ｌ１（Ｓ２）という）よりも長い。第１状態の距離Ｌ２（Ｓ１）は、第２状態の距離Ｌ２（Ｓ２）よりも長い。
【００３４】
第１状態では、第１反射面３１ｃがＸ線２０の集光に使用される。即ち、第１状態では、Ｘ線２０が第１斜入射角β１で第１反射面３１ｃに入射し、第１反射面３１ｃで全反射されたＸ線２０が試料Ｓに集光される。第１斜入射角β１は、第１反射面３１ｃの基準線Ａに沿う方向の中央位置に入射されるＸ線２０の光軸Ｃ３と、第１反射面３１ｃとが成す角度として規定される。
【００３５】
第２状態では、第２反射面３２ｃがＸ線２０の集光に使用される。即ち、第２状態では、Ｘ線２０が第２斜入射角β２で第２反射面３２ｃに入射し、第２反射面３２ｃで全反射されたＸ線２０が試料Ｓに集光される。第２斜入射角β２は、第２反射面３２ｃの基準線Ａに沿う方向の中央位置に入射されるＸ線２０の光軸Ｃ４と、第２反射面３２ｃとが成す角度として規定される。
【００３６】
集光光学系３Ａは、接続管３３の長さＬ７を設定することにより、第１反射面３１ｃ及び第２反射面３２ｃの配置が、第１状態では、第２反射面３２ｃで反射されたＸ線２０が結像光学系６に入射せず、第２状態では、第１反射面３１ｃで反射されたＸ線２０が結像光学系６に入射しないように設定されている。集光光学系３Ａは、後述する遮蔽部材４及び遮蔽部材５を備えることによって、第１状態では、第２反射面３２ｃで反射されたＸ線２０が結像光学系６に入射せず、第２状態では、第１反射面３１ｃで反射されたＸ線２０が結像光学系６に入射しないように設定されてもよい。
【００３７】
第１状態で第１反射面３１ｃにより全反射されたＸ線２０（以下、第１入射光という）の光軸Ｃ１と基準線Ａとは、角度γを成す。光軸Ｃ１は、第１反射面３１ｃの基準線Ａに沿う方向の中央位置から試料Ｓに出射されるＸ線２０の光軸として規定される。第２状態で第２反射面３２ｃにより全反射されたＸ線２０（以下、第２入射光という）の光軸Ｃ２と基準線Ａとは、角度γを成す。光軸Ｃ２は、第２反射面３２ｃの基準線Ａに沿う方向の中央位置から試料Ｓに出射されるＸ線２０の光軸として規定される。
【００３８】
このように、第１入射光の光軸Ｃ１と基準線Ａとの成す角度と、第２入射光の光軸Ｃ２と基準線Ａとの成す角度とは、いずれも角度γであり、互いに同等である。即ち、第１入射光と、第２入射光とは、光路が共通している。より詳細には、第１入射光の光路と、第２入射光の光路とは重複する部分を有している。更に言い換えると、第１光学素子３１及び第２光学素子３２の開口数が共に、結像光学系６の開口数と同等である。また、上述のように、第１傾斜角α１及び第２傾斜角α２は互いに異なっている。角度γと第１傾斜角α１と第１斜入射角β１との幾何学的関係、及び角度γと第２傾斜角α２と第２斜入射角β２との幾何学的関係から、第１斜入射角β１及び第２斜入射角β２は互いに異なる。なお、集光光学系３Ａの第１状態及び第２状態を切り替える構成については、図３を参照して、後で説明する。
【００３９】
遮蔽部材４及び遮蔽部材５は、基準線Ａ上に配置されている。遮蔽部材４及び遮蔽部材５は、基準線Ａに沿う方向から見て、円形状を呈している。遮蔽部材４の外径は、内径Ｄ４（図２（ａ）参照）よりも小さい。遮蔽部材５の外径は、後述する内径Ｄ５（図２（ｂ）参照）よりも小さい。遮蔽部材４は、基準線Ａ上において、試料ＳよりもＸ線源１側に配置されている。遮蔽部材５は、基準線Ａ上において、試料Ｓよりも検出器７側に配置されている。
【００４０】
遮蔽部材４は、第１入射光の光路及び第２入射光の光路の内側（基準線Ａ側）に配置され、集光光学系３Ａを経ずに検出器７に入射するＸ線２０を遮蔽する。遮蔽部材５は、試料Ｓから反射面６１ｃに入射されるＸ線２０の光路の内側（基準線Ａ側）に配置され、集光光学系３Ａを経ずに検出器７に入射するＸ線２０を遮蔽する。遮蔽部材４及び遮蔽部材５によれば、周囲からの散乱Ｘ線等の結像に寄与しないＸ線２０を除去することができる。
【００４１】
結像光学系６は、基準線Ａ上に配置され、試料ＳからのＸ線２０を拡大して検出器７に結像させる。結像光学系６は、第３光学素子６０を有している。第３光学素子６０は、例えば、非球面ミラーである。第３光学素子６０は、例えば、筒状の斜入射反射鏡であり、中心軸が基準線Ａに一致するように基準線Ａ上に配置されている。第３光学素子６０は、Ｘ線２０をその内面で反射させて集光を行う。第３光学素子６０は、全反射を利用した反射光学系であり、例えば、回転楕円面及び回転双曲面を含むウォルタ鏡である。
【００４２】
第３光学素子６０は、第１部分６１と、第２部分６２とを含んでいる。第１部分６１は、端部６１ａと、端部６１ｂと、反射面（第３反射面）６１ｃとを含んでいる。端部６１ａは試料Ｓ側に配置され、端部６１ｂは検出器７側に配置されている。端部６１ａは、基準線Ａに沿って試料Ｓから距離Ｌ４の位置に配置されている。第１部分６１の反射面６１ｃは、例えば、ウォルタ鏡の回転双曲面に対応し、基準線Ａに対して第３傾斜角α３で傾斜している。反射面６１ｃは基準線Ａに対して線対称である。第３傾斜角α３は、第２傾斜角α２及び第１傾斜角α１よりも大きい。
【００４３】
第２部分は、端部６２ａと、端部６２ｂと、反射面６２ｃとを含んでいる。端部６２ａは試料Ｓ側に配置され、端部６２ｂは検出器７側に配置されている。端部６２ａは、基準線Ａに沿ってＸ線源１から距離Ｌ５の位置に配置されている。第２部分６２の反射面６２ｃは、例えば、ウォルタ鏡の回転楕円面に対応している。反射面６２ｃは基準線Ａに対して線対称である。端部６１ｂと端部６２ａとは互いに接続されている。
【００４４】
ここで、図２（ｂ）に示されるように、第３光学素子６０の第１部分６１の寸法は、基準線Ａ（図１参照）に沿う長さＬ９、端部６１ａの内径Ｄ５、及び端部６１ｂの内径Ｄ６である。第３光学素子６０の第２部分６２の寸法は、基準線Ａに沿う長さＬ１０、端部６２ａの内径Ｄ６、及び端部６２ｂの内径Ｄ７である。
【００４５】
図１に戻って説明を続ける。検出器７は、試料ＳからのＸ線２０を検出する。検出器７は、受光面を有し、試料Ｓを透過した後、結像光学系６により受光面に結像されたＸ線２０を検出する。検出器７は、例えば、ＣＣＤ素子等のＸ線検出素子を含んでいる。試料Ｓを回転させて検出器７により撮影し、画像再構成を行うことで、試料Ｓの３次元的観察も可能である。
【００４６】
図３は、集光光学系及び制御部の構成を示す図である。図３に示されるように、集光光学系３Ａは、ステージ１１と、ホルダ１２と、駆動モータ１３とを更に有している。ホルダ１２は、ステージ１１上において、光学素子３０Ａを接続管３３の外周面で保持している。ホルダ１２は、基準線Ａに沿って移動可能にステージ１１上に配置されている。駆動モータ１３は、例えば、パルスモータであり、基準線Ａに沿ってステージ１１上でホルダ１２を移動させる。
【００４７】
制御部８は、駆動モータ１３に電気的に接続されている。制御部８は、例えば、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）等を含むコンピュータで構成されている。制御部８は、駆動モータ１３に制御信号を送出して、駆動モータ１３を駆動させる。制御部８は、第１光学素子３１及び第２光学素子３２を基準線Ａに沿って（例えば、平行に）移動させることにより、第１状態と第２状態とを切り替える。即ち、制御部８は、集光光学系３Ａの状態を、第１反射面３１ｃで全反射されたＸ線２０が試料Ｓに集光される第１状態と、第２反射面３２ｃで全反射されたＸ線２０が試料Ｓに集光される第２状態と、の間で切り替える制御を行う。
【００４８】
続いて、このように構成されたＸ線撮像装置を用いるＸ線撮像方法について説明する。本実施形態に係るＸ線撮像方法は、まず、集光光学系３Ａの状態を、第１状態及び第２状態のうちいずれとするかが選択される（選択ステップ）。これにより、以下のような理由で、集光光学系３Ａにより除去されるＸ線２０のエネルギー領域を選択することができる。
【００４９】
図４（ａ）は、Ｘ線の斜入射角について説明する図であり、図４（ｂ）は、Ｘ線のエネルギーと反射率との関係を示すグラフである。図４（ａ）に示されるように、Ｘ線がある物質平面に入射する場合、平面とＸ線とが成す角度である斜入射角θが所定値以下の場合、全反射が起きる。この全反射が起きる最大の角度を全反射臨界角θｃという。全反射臨界角θｃの大きさは、反射平面の物質及びＸ線エネルギーで決まり、反射平面の物質の密度ρ（ｇ／ｃｍ３）及びＸ線波長λ（ｎｍ）を用いて、式（１）で示される。
θｃ（°）＝９４．２×１０−１×λ×（ρ）1/2      （１）
【００５０】
また、Ｘ線エネルギーＥとＸ線波長λとの関係は、式（２）で示される。
Ｅ（ｅＶ）＝１２４０／λ      （２）
【００５１】
図４（ｂ）に示されるように、斜入射角がθａの場合、Ｘ線エネルギーがＥａで反射率が急激に低下し、斜入射角がθｂ（θａ＞θｂ）の場合、Ｘ線エネルギーがＥｂで反射率が急激に低下する。即ち、斜入射角をθａに設定すれば、Ｘ線エネルギーがＥａ以上のＸ線が除去され、斜入射角をθｂに設定すれば、Ｘ線エネルギーがＥｂ以上のＸ線が除去されることがわかる。このように、斜入射角を選択することにより、反射されずに除去されるＸ線のエネルギー領域を選択できる。
【００５２】
選択ステップにおいて第１状態が選択された場合、制御部８は、集光光学系３Ａの状態が予め第１状態であれば、集光光学系３Ａの状態を切り替えない。また、制御部８は、集光光学系３Ａの状態が第２状態であれば、駆動モータ１３を駆動させて、第１光学素子３１及び第２光学素子３２を基準線Ａに沿って（例えば、平行に）移動させる。これにより、集光光学系３Ａの状態が第１状態に切り替えられる。一方、選択ステップにおいて第２状態が選択された場合も同様に、制御部８は、集光光学系３Ａの状態が予め第２状態であれば、集光光学系３Ａの状態を切り替えない。また、制御部８は、集光光学系３Ａの状態が第１状態であれば、駆動モータ１３を駆動させて、第１光学素子３１及び第２光学素子３２を基準線Ａと平行に移動させる。これにより、集光光学系３Ａの状態が第２状態に切り替えられる。
【００５３】
続いて、Ｘ線源１から試料Ｓに照射するＸ線２０が出射される（出射ステップ）。Ｘ線源１から出射されたＸ線２０は、フィルタ２に入射する。フィルタ２に入射されたＸ線２０のうちエネルギーＥ０よりも低い低エネルギー領域側のＸ線２０が除去され、エネルギーＥ０以上のエネルギー領域のＸ線２０がフィルタ２から出射される。
【００５４】
続いて、フィルタ２を透過したＸ線２０が集光光学系３Ａにより試料Ｓに集光される（集光ステップ）。第１状態の場合は、フィルタ２を透過したＸ線２０が第１反射面３１ｃにより全反射されて試料Ｓに集光される。このとき、第１斜入射角β１を全反射臨界角とするエネルギーＥ１以上のエネルギーを持つＸ線２０は第１反射面３１ｃによりほとんど反射されない（反射率３０％以下）。したがって、集光光学系３Ａにより、Ｅ１以上のエネルギーを持つＸ線２０は除去され、それ以外のＸ線２０が試料Ｓに集光される。
【００５５】
一方、第２状態の場合は、フィルタ２を透過したＸ線２０が第２反射面３２ｃにより全反射されて試料Ｓに集光される。このとき、第２斜入射角β２を全反射臨界角とするエネルギーＥ２以上のエネルギーを持つＸ線２０は第２反射面３２ｃによりほとんど反射されない（反射率３０％以下）。したがって、集光光学系３Ａにより、Ｅ２以上のエネルギーを持つＸ線２０は除去され、それ以外のＸ線２０が試料Ｓに集光される。
【００５６】
即ち、ここでは、低エネルギー側のＸ線２０がフィルタ２で除去され、高エネルギー側のＸ線２０が集光光学系３Ａで除去される。これにより、低エネルギー側と高エネルギー側との間の所定範囲（第１状態ではＥ０〜Ｅ１、第２状態ではＥ０〜Ｅ２）のＸ線２０が選択される。上記式（１）及び上記式（２）から導き出せるように、エネルギーＥ２はエネルギーＥ１よりも高い（Ｅ２＞Ｅ１）。なお、第１状態及び第２状態のいずれの場合も、フィルタ２を透過した後、集光光学系３Ａを経ずに試料Ｓに向かうＸ線２０は、遮蔽部材４により遮蔽される。
【００５７】
続いて、試料ＳからのＸ線２０が結像光学系６により結像される（結像ステップ）。結像光学系６では、Ｘ線２０は反射面６１ｃ及び反射面６２ｃのそれぞれで２回反射される。上述のように、第１入射光と、第２入射光とは、光路が共通しているため、試料ＳからのＸ線２０の光路も第１状態及び第２状態で共通する。したがって、第１状態及び第２状態のいずれの場合も、結像光学系６では、試料ＳからのＸ線２０が反射面６１ｃに第３斜入射角β３で入射する。このため、第１状態及び第２状態のいずれの場合でも、試料Ｓ、結像光学系６及び検出器７の位置を移動させる必要がない。また、結像光学系６及び検出器７を移動させないので、倍率が変わらない。第３斜入射角β３は、反射面６１ｃの基準線Ａに沿う方向の中央位置に入射されるＸ線２０の光軸Ｃ５と、反射面６１ｃとが成す角度として規定される。ここでは、反射面６２ｃは、反射面６１ｃからのＸ線２０が第３斜入射角β３と等しい斜入射角で入射するように設定されている。
【００５８】
ここで、上述のように、第３傾斜角α３は、第２傾斜角α２及び第１傾斜角α１よりも大きい。第３斜入射角β３等との幾何学的関係から、第３斜入射角β３は、第１斜入射角β１及び第２斜入射角β２よりも小さい。したがって、第３斜入射角β３を全反射臨界角とするエネルギーＥ３は、エネルギーＥ１及びエネルギーＥ２よりも高い（Ｅ３＞Ｅ１，Ｅ２）。即ち、反射面６１ｃは、第１反射面３１ｃ及び第２反射面３２ｃにおいて全反射される全エネルギー領域のＸ線２０を全反射させて検出器７に結像させる。なお、試料Ｓから、結像光学系６を経ずに検出器７に向かうＸ線２０は、遮蔽部材５により遮蔽される。
【００５９】
最後に、結像ステップにおいて結像されたＸ線２０が検出器７により検出される（検出ステップ）。第１状態の場合、検出ステップでは、Ｅ０〜Ｅ１のエネルギーを持つＸ線２０で撮像された画像が得られる。第２状態の場合、検出器７からは、Ｅ０〜Ｅ２のエネルギーを持つＸ線２０で撮像された画像が得られる。
【００６０】
図５は、第１実施形態の変形例に係るＸ線撮像装置の構成を示す図である。図１及び図５に示されるように、Ｘ線撮像装置１０Ａは集光光学系３Ａを備えるのに対して、変形例に係るＸ線撮像装置１０Ｂは集光光学系３Ｂを備える点で相違している。また、集光光学系３Ａは光学素子３０Ａを備えるのに対して、集光光学系３Ｂは光学素子３０Ｂを備える点で相違している。更に、光学素子３０Ａは、接続管３３を有するのに対し、光学素子３０Ｂは、接続管３４を有する点で相違している。
【００６１】
接続管３４は、接続管３３と形状の点で相違している。接続管３４は、基準線Ａに平行な平行部３５と、基準線Ａに交差する交差部３６とを含んでいる。このように、接続管３４は、平行部３５を含んでいるため、ホルダ１２（図３参照）により保持し易い。
【００６２】
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係るＸ線撮像装置の構成を示す図である。図１及び図６に示されるように、第１実施形態に係るＸ線撮像装置１０Ａは集光光学系３Ａを備えるのに対して、第２実施形態に係るＸ線撮像装置１０Ｃは集光光学系３Ｃを備える点で相違している。
【００６３】
集光光学系３Ｃは、第１反射面３１ｃを含む第１光学素子３１と、第２反射面３２ｃを含み第１光学素子３１と別体に構成された第２光学素子３２と、を有している。即ち、集光光学系３Ａは、一体化された一つの光学素子３０Ａとして、第１光学素子３１及び第２光学素子３２を有するのに対し、集光光学系３Ｃは、それぞれ別体として分離して構成された第１光学素子３１及び第２光学素子３２を有する点で集光光学系３Ａと相違している。
【００６４】
第１光学素子３１及び第２光学素子３２は、それぞれのステージ等の移動機構（不図示）により、基準線Ａと交差する方向に移動可能に設けられている。ここでは、第１光学素子３１及び第２光学素子３２は、基準線Ａと直交する方向に移動可能に設けられている。制御部８は、移動機構に制御信号を送出して、第１反射面３１ｃをＸ線源１から出射されたＸ線２０を全反射により試料Ｓに集光させるための位置に配置する。これにより、集光光学系３Ｃの状態が第１状態となる。また、制御部８は、第２反射面３２ｃを集光位置から退避させる。制御部８は、例えば、Ｘ線源１から隔離された場所に第２反射面３２ｃを退避させる。
【００６５】
また、制御部８は、第１反射面３１ｃをＸ線源１から出射されたＸ線２０を全反射により試料Ｓに集光させるための位置から退避させる。これにより、集光光学系３Ｃの状態が第２状態となる。制御部８は、例えば、Ｘ線源１から隔離された場所に第１反射面３１ｃを退避させる。また、制御部８は、第２反射面３２ｃをＸ線源１から出射されたＸ線２０を全反射により試料Ｓに集光させるための位置に配置する。このように、Ｘ線撮像装置１０Ｃでは、制御部８が、第１光学素子３１及び第２光学素子３２のうちいずれかを移動させることにより、第１状態と第２状態とを切り替える。
【００６６】
（第３実施形態）
図７は、第３実施形態に係るＸ線撮像装置の構成を示す図である。図６及び図７に示されるように、第２実施形態に係るＸ線撮像装置１０Ｃは集光光学系３Ｃを備えるのに対して、第３実施形態に係るＸ線撮像装置１０Ｄは集光光学系３Ｄを備える点で相違している。また、Ｘ線撮像装置１０Ｄは、遮蔽部材１５及び遮蔽部材１６を更に備える点で、Ｘ線撮像装置１０Ｃと相違している。
【００６７】
集光光学系３Ｄでは、第１光学素子３１は、第１反射面３１ｃがＸ線源１から出射されたＸ線２０を全反射により試料Ｓに集光させるような位置に固定保持されている。また、第２光学素子３２は、第２反射面３２ｃがＸ線源１から出射されたＸ線２０を全反射により試料Ｓに集光させるような位置に固定保持されている。Ｘ線撮像装置１０Ｄは、その他の点でＸ線撮像装置１０Ｃと一致している。
【００６８】
遮蔽部材１５は、Ｘ線源１から第２反射面３２ｃに向かうＸ線２０を遮蔽するために用いられる。遮蔽部材１５は、基準線Ａに沿う方向から見て、円形状を呈している。制御部８は、Ｘ線源１から第２反射面３２ｃに向かうＸ線２０の光路上であって、Ｘ線源１から第１反射面３１ｃに向かうＸ線２０の光路の内側（基準線Ａ側）に遮蔽部材１５を配置する。これにより、遮蔽部材１５は、Ｘ線源１から第１反射面３１ｃに向かうＸ線２０を通過させながら、Ｘ線源１から第２反射面３２ｃに向かうＸ線２０を遮蔽する。つまり、集光光学系３Ｄは、第１状態とされる。
【００６９】
遮蔽部材１６は、Ｘ線源１から第１反射面３１ｃに向かうＸ線２０を遮蔽するために用いられる。遮蔽部材１６は、基準線Ａに沿う方向から見て、環状を呈している。制御部８は、Ｘ線源１から第１反射面３１ｃに向かうＸ線２０の光路上であって、遮蔽部材１６の内縁がＸ線源１から第２反射面３２ｃに向かうＸ線２０の光路の外側に位置するように遮蔽部材１６を配置する。これにより、遮蔽部材１６は、Ｘ線源１から第２反射面３２ｃに向かうＸ線２０を通過させながら、Ｘ線源１から第１反射面３１ｃに向かうＸ線２０を遮蔽する。つまり、集光光学系３Ｄは、第２状態とされる。
【００７０】
このように、制御部８は、遮蔽部材１５を使ってＸ線源１から第２反射面３２ｃに向かうＸ線２０を遮蔽する状態、及び遮蔽部材１６を使ってＸ線源１から第１反射面３１ｃに向かうＸ線２０を遮蔽する状態のうちいずれかを選択することにより、第１状態と第２状態とを切り替える。
【００７１】
以上説明したように、本実施形態に係るＸ線撮像装置１０Ａ〜１０Ｄでは、集光光学系３Ａ〜３Ｄの状態を切り替える制御部８を備えている。制御部８は、Ｘ線２０を第１反射面３１ｃにより全反射させて試料Ｓに入射させる第１状態と、Ｘ線２０を第２反射面３２ｃにより全反射させて試料Ｓに入射させる第２状態と、を切り替える。第１反射面３１ｃの第１傾斜角α１と、第２反射面３２ｃの第２傾斜角α２とは、互いに異なる。また、第１入射光の光軸Ｃ１と基準線Ａとの成す角度と、第２入射光の光軸Ｃ２と基準線Ａとの成す角度とは、いずれも角度γであり、互いに同等である。したがって、第１状態の第１反射面３１ｃへのＸ線２０の第１斜入射角β１と、第２状態の第２反射面３２ｃへのＸ線２０の第２斜入射角β２とは、互いに異なる。
【００７２】
図４を参照して説明したように、反射面へのＸ線の斜入射角θが異なると、反射面で全反射されるＸ線のエネルギー領域が異なる。これにより、第１状態と第２状態とを切り替えることにより、試料Ｓの観察に用いるＸ線２０を、第１反射面３１ｃで全反射されるエネルギー領域のＸ線と第２反射面３２ｃで全反射されるエネルギー領域のＸ線とから選択することができる。
【００７３】
上述のように、第１入射光の光軸Ｃ１と基準線Ａとの成す角度と、第２入射光の光軸Ｃ２と基準線Ａとの成す角度とは、いずれも角度γであり、互いに同等である。このため、結像光学系６へのＸ線２０の入射状態が、第１状態と第２状態との間で変化しない。したがって、Ｘ線２０のエネルギーの選択に応じて結像光学系６及び検出器７を位置合わせする必要がない。以上のように、このＸ線撮像装置１０Ａ〜１０Ｄにおいては、Ｘ線２０のエネルギー領域を選択しながら容易に試料Ｓを観察することができる。
【００７４】
集光光学系３Ａ〜３Ｄは、全反射を利用して除去されるＸ線２０のエネルギー領域を選択する構成であるため、特許文献２に記載されるような多層膜ミラーの選択的反射特性を用いる構成と比較して、Ｘ線２０の利用効率を向上させることができる。例えば、多層膜ミラーの「水の窓」領域の反射率は数１０％であり、利用効率が低い。またそれ以上のエネルギー領域では利用効率が更に低くなる。
【００７５】
図８は、比較例に係るＸ線撮像装置の構成を示す図である。図１及び図８に示されるように、比較例に係るＸ線撮像装置１００は集光光学系として光学素子１０３を備える点で、第１実施形態に係るＸ線撮像装置１０Ａと相違している。光学素子１０３は、回転楕円鏡である。Ｘ線撮像装置１００は、ターゲットの物質を変えて、試料Ｓの観察に用いるＸ線２０のエネルギーを変更する場合、フィルタ２の交換だけでなく、光学素子１０３を交換して、光学素子の１０３の材質及び斜入射角を変更する必要がある。光学素子１０３の交換作業には、高い精度の位置調整が必要とされ、時間がかかる。
【００７６】
また、光学素子１０３及び第３光学素子６０の斜入射角を変更する場合、光学素子１０３により集光されたＸ線２０が第３光学素子６０に効率よく入射できるようにする必要がある。言い換えると、光学素子１０３及び第３光学素子６０の開口数を同等とする必要がある。このため、光学素子１０３及び第３光学素子６０の焦点の位置が変わり、それに伴い、Ｘ線源１、試料Ｓ、及び検出器７の位置まで変わる場合もある。したがって、比較例に係るＸ線撮像装置１００では、本実施形態に係るＸ線撮像装置１０Ａ〜１０Ｄのように、Ｘ線２０のエネルギー領域を選択しながら試料Ｓを観察することは容易にはできない。
【００７７】
Ｘ線撮像装置１０Ａ〜１０Ｄでは、結像光学系６は、第１反射面３１ｃ及び第２反射面３２ｃにおいて全反射される全エネルギー領域のＸ線２０を全反射させて検出器７に結像させる。このため、試料Ｓの観察に用いられるエネルギー領域のＸ線２０が結像光学系６により除去されるのを抑制することができる。また、結像光学系６では、Ｘ線２０を全反射させることにより結像を行うので、Ｘ線２０のエネルギーの選択に応じて、第３光学素子６０及びその配置を変える必要がない。これに対して、多層膜ミラーを用いる結像光学系では、Ｘ線のエネルギーごとに多層膜の膜厚及び材質を変える必要がある。つまり、Ｘ線撮像装置１０Ａ〜１０Ｄのような複数のエネルギー領域を使用する系では、使用するエネルギー領域の数だけ、複数の多層膜ミラーを用意する必要がある。また、ゾーンプレート（ＺＰ）を用いる結像光学系では、本実施形態の結像光学系６に比べて、効率が低く、Ｘ線のエネルギーによって焦点距離が変わる。多層膜ミラー及びゾーンプレートといった光学素子と異なり、全反射を利用した反射光学系は、斜入射角が集光光学系の斜入射角よりも小さいという条件下において、一つの光学素子で複数のエネルギー領域に対応することができる。
【００７８】
Ｘ線撮像装置１０Ａ〜１０Ｄは、フィルタ２を備えているので、試料Ｓの観察に用いられない低エネルギー領域側のＸ線２０を除去することができる。これにより、得られるＸ線像のコントラストを向上させることができる。更に、Ｘ線撮像装置１０Ａ〜１０Ｄは、遮蔽部材４及び遮蔽部材５を備えている。このため、試料Ｓの観察に用いられないエネルギー領域のＸ線２０が検出器７に入射することが抑制されるので、得られるＸ線像のコントラストを一層向上させることができる。
【００７９】
Ｘ線撮像装置１０Ａ，１０Ｂでは、第１光学素子３１と、第２光学素子３２とが一体化されている。このため、制御部８は、ステージ１１、ホルダ１２、駆動モータ１３等からなる共通の１つの移動機構により、第１光学素子３１及び第２光学素子３２を移動させて、集光光学系３Ａ，３Ｂの状態を切り替えることができる。このため、Ｘ線撮像装置１０Ａ，１０Ｂの構成を簡略化することができる。
【００８０】
Ｘ線撮像装置１０Ｃでは、第１光学素子３１及び第２光学素子３２が別体に構成されているので、第１光学素子３１及び第２光学素子３２をそれぞれ移動させることができる。したがって、制御部８は、Ｘ線源１から出射されたＸ線２０を全反射により試料Ｓに集光させるための位置に第１光学素子３１及び第２光学素子３２を容易に配置することができる。また、制御部８は、使用しない第１光学素子３１及び第２光学素子３２をＸ線源１から隔離された場所に退避させることができる。したがって、使用しない第１光学素子３１及び第２光学素子３２により全反射されたＸ線２０が結像光学系６に入射するおそれがない。更に、接続管が存在しないため、接続管により全反射されたＸ線２０が結像光学系６に入射するおそれがない。
【００８１】
Ｘ線撮像装置１０Ｄでは、制御部８は、遮蔽部材１５及び遮蔽部材１６のうちのいずれかを使用することにより、第１状態と第２状態とを切り替える。このため、第１光学素子３１及び第２光学素子３２を移動させる必要がない。また、第１光学素子３１及び第２光学素子３２が別体に構成され、接続管が存在しないため、Ｘ線撮像装置１０Ｃと同様に、接続管により全反射されたＸ線２０が結像光学系６に入射するおそれがない。
【００８２】
また、本実施形態に係るＸ線撮像方法は、Ｘ線撮像装置１０Ａを用いるので、Ｘ線２０のエネルギー領域を選択しながら容易に試料Ｓを観察することができる。なお、Ｘ線撮像装置１０Ｂ〜１０Ｄを用いても同様となる。
【００８３】
以上、本実施形態に係るＸ線撮像装置１０Ａ〜１０Ｃ及びＸ線撮像方法について説明したが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、距離Ｌ０が十分長く、光学素子を更に設置可能であれば、集光光学系３Ａ〜３Ｄが、３つ以上の反射面を有し、３つ以上のＸ線エネルギーを選択可能にする構成としてもよい。また、低エネルギー領域側のＸ線２０を除去する必要がなければ、フィルタ２は設けなくてもよい。また、フィルタ２の位置は、Ｘ線源１と試料Ｓとの間に限られず、試料Ｓと検出器７との間であってもよい。また、遮蔽部材４及び遮蔽部材５の位置は、基準線Ａ上であって、集光光学系３Ａ〜３Ｄを経ずに検出器７に入射するＸ線２０を遮蔽する位置であれば、どこでもよい。また、遮蔽部材４及び遮蔽部材５のうちいずれか一方のみを設けてもよい。また、第１傾斜角α１及び第２傾斜角α２は、第３傾斜角α３よりも大きければ、第１傾斜角α１は第２傾斜角α２よりも大きくてもよい。また、Ｘ線撮像装置１０Ａ，１０Ｂにおいて、接続管の形状は、接続管３３，３４に限られず、任意である。
【００８４】
Ｘ線撮像装置１０Ｃにおいて、第２光学素子３２が第１反射面３１ｃで全反射されたＸ線２０の光路上に位置し、第１反射面３１ｃで全反射されたＸ線２０を第２光学素子３２により遮蔽できる場合は、制御部８は第２状態で第２光学素子３２を退避させなくてもよい。また、第１反射面３１ｃ及び第２反射面３２ｃを退避させる場所は、Ｘ線源１から隔離された場所に限られず、Ｘ線源１から出射されたＸ線２０を全反射により試料Ｓに集光させるための位置でなければよい。
【００８５】
Ｘ線撮像装置１０Ｄにおいて、第２光学素子３２が第１反射面３１ｃで全反射されたＸ線２０の光路上に位置し、第１反射面３１ｃで全反射されたＸ線２０を第２光学素子３２により遮蔽できる場合は、制御部８は第２状態で遮蔽部材１６を使用しなくてもよい。また、第１光学素子３１及び第２光学素子３２は、一体化されていてもよい。
【実施例】
【００８６】
（実施例１）
実施例１として、軽元素材料を観察する場合について説明する。Ｘ線撮像装置として、第１実施形態に係るＸ線撮像装置１０Ａに対応するＸ線撮像装置を使用する。集光光学系は、設置時に正確な位置調整がなされており、集光光学系の移動には、パルスモータを用いた高精度なステージを使用する。これにより、第１反射面及び第２反射面が再配置された際の位置精度が維持される。
【００８７】
観察には、軽元素に対する吸収係数が大きい数ｋｅＶ以下のエネルギー領域のＸ線として、ターゲットにＣｕ（銅）を用いた場合の特性Ｘ線のＬ線（０．９３ｋｅＶ、０．９５ｋｅＶ）、及びターゲットにＷを用いた場合の特性Ｘ線のＭ線（１．７８ｋｅＶ付近）を用いる。
【００８８】
ターゲットにＣｕを用い、加速電圧を１０ｋＶとすると、特性Ｘ線のＫ線（８．０５ｋｅＶ、８．９ｋｅＶ）及びＬ線（０．９３ｋｅＶ、０．９５ｋｅＶ）と、制動放射Ｘ線として１０ｋｅＶ以下の連続Ｘ線が出射される。ここでは、特性Ｘ線のＬ線のエネルギー領域（０．９ｋｅＶ〜１ｋｅＶ）をできるだけ効率よく利用し、それ以外の特性Ｘ線及び連続Ｘ線を除去するようにする。これにより、Ｘ線吸収率の違いによるコントラストの低下が抑制される。そこで、０．９ｋｅＶ〜１ｋｅＶで８０％以上の透過率があり、且つ４００ｅＶ以下のＸ線を除去できるフィルタとして、厚さ１μｍのＢｅ箔を用いる。
【００８９】
また、０．９ｋｅＶ〜１ｋｅＶで反射率が高く、且つ１ｋｅＶを超える特性Ｘ線及び連続Ｘ線をできるだけ除去できるように集光光学系の材質及び斜入射角を設定する。ここでは、第１光学素子をＳｉＯ２（ρ＝２．２ｇ／ｃｍ３）で形成し、第１斜入射角β１を１．５５°とする。１．５５°を全反射臨界角とするＸ線エネルギーは、１．１ｋｅＶであり、１．１ｋｅＶ以上のＸ線は反射されない。したがって、特性Ｘ線のＫ線である８．０５ｋｅＶ、８．９ｋｅＶと、１．１ｋｅＶ以上の連続Ｘ線が除去できる。以上により、特性Ｘ線のＬ線のエネルギー０．９３ｋｅＶ、０．９５ｋｅＶが含まれる４００ｅＶ〜１．１ｋｅＶのＸ線エネルギー領域での観察が可能となる。
【００９０】
続いて、ターゲットにＷを用いる場合について説明する。上述の厚さ１μｍのＢｅ箔は、１．７８ｋｅＶ付近で９０％以上の透過率がある。また、第２光学素子をＳｉＯ２（ρ＝２．２ｇ／ｃｍ３）で形成し、第２斜入射角β２を０．８５°とする。０．８５°を全反射臨界角とするＸ線エネルギーは、１．９ｋｅＶであり、１．９ｋｅＶ以上のＸ線は反射されない。以上により、特性Ｘ線のＭ線のエネルギー１．７８ｋｅＶ付近が含まれる４００ｅＶ〜１．９ｋｅＶのＸ線エネルギー領域での観察が可能となる。
【００９１】
上述のように集光光学系及び結像光学系では、以下の（１）〜（３）の条件を満足する必要がある。
（１）第１状態及び第２状態における距離Ｌ０が互いに同等である。
（２）第１入射光の光軸Ｃ１と基準線Ａとの成す角度と、第２入射光の光軸Ｃ２と基準線Ａとの成す角度とは、いずれも角度γであり、互いに同等である（すなわち、第１光学素子及び第２光学素子の開口数が、結像光学系の開口数と同等である）。
（３）第３斜入射角β３は、第２斜入射角β２よりも小さい。
【００９２】
これらの条件を満足するように、集光光学系及び結像光学系の仕様を決定すると、Ｌ０＝３３７ｍｍ、Ｌ１（Ｓ１）＝１７０ｍｍ、Ｌ２（Ｓ１）＝３１７ｍｍ、Ｌ１（Ｓ２）＝１５５ｍｍ、Ｌ２（Ｓ２）＝３０２ｍｍ、Ｌ３＝３２８０ｍｍ、Ｌ４＝７１ｍｍ、Ｌ５＝８０ｍｍ、Ｌ６＝２５ｍｍ、Ｌ７＝１２２ｍｍ、Ｌ８＝１０ｍｍ、Ｌ９＝９ｍｍ、Ｌ１０＝１０．０７ｍｍ、Ｄ１＝９．３ｍｍ、Ｄ２＝９．２ｍｍ、Ｄ３＝１．８６ｍｍ、Ｄ４＝１．６ｍｍ、Ｄ５＝４．０６ｍｍ、Ｄ６＝４．５３ｍｍ、Ｄ７＝４．５７ｍｍ、β１＝１．５５°、β２＝０．８５°及びβ３＝０．４１°のようになる。
【００９３】
なお、Ｘ線撮像装置として、第２実施形態及び第３実施形態に係るＸ線撮像装置１０Ｃ，１０Ｄに対応するＸ線撮像装置を使用した場合では、上記条件を満足するように、集光光学系及び結像光学系の仕様を決定すると、Ｌ０＝３３７ｍｍ、Ｌ１（Ｓ１）＝１７０ｍｍ、Ｌ２（Ｓ２）＝３０２ｍｍ、Ｌ３＝３２８０ｍｍ、Ｌ４＝７１ｍｍ、Ｌ５＝８０ｍｍ、Ｌ６＝２５ｍｍ、Ｌ８＝１０ｍｍ、Ｌ９＝９ｍｍ、Ｌ１０＝１０．０７ｍｍ、Ｄ１＝９．３ｍｍ、Ｄ２＝９．２ｍｍ、Ｄ３＝１．８６ｍｍ、Ｄ４＝１．６ｍｍ、Ｄ５＝４．０６ｍｍ、Ｄ６＝４．５３ｍｍ、Ｄ７＝４．５７ｍｍ、β１＝１．５５°、β２＝０．８５°及びβ３＝０．４１°のようになる。
【００９４】
図９は、Ｘ線のエネルギーと透過率及び反射率との関係を示す図である。図９（ａ）には、Ｘ線のエネルギーとフィルタ（厚さ１μｍのＢｅ箔）の透過率との関係、Ｘ線のエネルギーと集光光学系の第１光学素子（β１＝１．５５°）及び第２光学素子（β２＝０．８５°）の反射率との関係、並びにＸ線のエネルギーと結像光学系（β３＝０．４１°）の反射率との関係が示されている。ここで、結像光学系は、２つの反射面のそれぞれでＸ線を２回反射させるため、「２回」と示されている。なお、反射率には、集光光学系及び結像光学系の物質に含まれる酸素及びケイ素の吸収端（５４３ｅＶ、１．８ｋｅＶ）による影響があるため、図９（ａ）に示される反射率のグラフは、図４に示される反射率のグラフとは少し異なっている。
【００９５】
図９（ｂ）には、第１状態及び第２状態におけるＸ線撮像装置全体の透過波長特性及びその差分が示されている。第１状態におけるＸ線撮像装置全体の透過波長特性は、フィルタの透過率と第１光学素子の反射率と結像光学系の反射率とを掛け合わせることにより得られる。また、第２状態におけるＸ線撮像装置全体の透過波長特性は、フィルタの透過率と第２光学素子の反射率と結像光学系の反射率とを掛け合わせることにより得られる。
【００９６】
図９（ｂ）に示されるように、第１状態では、４００ｅＶ〜１．２ｋｅＶのエネルギー領域のＸ線を観察に利用することができる。また、第２状態では、４００ｅＶ〜１．８ｋｅＶのエネルギー領域のＸ線を観察に利用することができる。したがって、第１状態では、ターゲットにＷを用いた場合の特性Ｘ線のＭ線（１．７８ｋｅＶ付近）を観察に利用することができる。また、第２状態では、ターゲットにＣｕ（銅）を用いた場合の特性Ｘ線のＬ線（０．９３ｋｅＶ、０．９５ｋｅＶ）を観察に利用することができる。このように、第１状態と第２状態とを切り替えることで、２つの異なるエネルギー領域のＸ線による観察の違いをみることができる。
【００９７】
この例では、２つのエネルギー領域のＸ線画像が低エネルギー側で重なっている。したがって、図９（ｂ）に示されるように、第２状態におけるＸ線撮像装置全体の透過波長特性から第１状態におけるＸ線撮像装置全体の透過波長特性を減算して得られる差分によれば、１．０ｋｅＶ〜１．８ｋｅＶのエネルギー領域のＸ線画像が得られる。なお、実際には、第１光学素子と第２光学素子とでは、試料に集光される視野のサイズ及びＸ線強度が異なるため、単純な画像間の減算で得られる画像は、図９（ｂ）に示される差分の画像とは少し異なっている。
【００９８】
（実施例２）
実施例２として、生体試料を観察する場合について説明する。Ｘ線撮像装置として、第１実施形態に係るＸ線撮像装置１０Ａに対応するＸ線撮像装置を使用する。生体試料は、「水の窓」領域（２８５ｅＶ〜５４３ｅＶ）のＸ線を利用して観察されることが多い。「水の窓」領域では、水によるＸ線の吸収が小さくなり、タンパク質及び核酸等の生体物質による吸収が大きくなる。このため、水を含んだ生体試料の画像が高いコントラストで得られる。「水の窓」領域以外のエネルギーのＸ線は、画像のコントラストを低下させるため、できるだけ除去することが望まれる。
【００９９】
ターゲットにＴｉ（チタン）を用い、加速電圧を１０ｋＶとすると、「水の窓」領域では、特性Ｘ線のＬ線（０．４５ｋｅＶ、０．４６ｋｅＶ）が出射される。それ以外に、Ｋ線（４．５１ｋｅＶ、４．９３ｋｅＶ）及び１０ｋｅＶ以下の制動放射Ｘ線が出射される。数１００ｅＶで高い透過率があり、且つ１０ｅＶ未満のＸ線を除去できるフィルタとして、厚さ０．０５μｍのＴｉ箔を用いる。
【０１００】
上記（１）〜（３）の条件を満足するように、集光光学系及び結像光学系の仕様を決定すると、Ｌ０＝２６６ｍｍ、Ｌ１（Ｓ１）＝１３６ｍｍ、Ｌ２（Ｓ１）＝２５９ｍｍ、Ｌ１（Ｓ２）＝１２８ｍｍ、Ｌ２（Ｓ２）＝２５１ｍｍ、Ｌ３＝３０３０ｍｍ、Ｌ４＝２０ｍｍ、Ｌ５＝３０ｍｍ、Ｌ６＝１０ｍｍ、Ｌ７＝１１３ｍｍ、Ｌ８＝１０ｍｍ、Ｌ９＝１０ｍｍ、Ｌ１０＝１４．８９ｍｍ、Ｄ１＝２５．１３ｍｍ、Ｄ２＝２５．０２ｍｍ、Ｄ３＝１．８６ｍｍ、Ｄ４＝１．６ｍｍ、Ｄ５＝４．１９ｍｍ、Ｄ６＝５．６２ｍｍ、Ｄ７＝６．２５ｍｍ、β１＝５．４°、β２＝２．６５°及びβ３＝１．３５°のようになる。
【０１０１】
なお、Ｘ線撮像装置として、第２実施形態及び第３実施形態に係るＸ線撮像装置１０Ｃ，１０Ｄに対応するＸ線撮像装置を使用した場合では、上記条件を満足するように、集光光学系及び結像光学系の仕様を決定すると、Ｌ０＝２６６ｍｍ、Ｌ１（Ｓ１）＝１３６ｍｍ、Ｌ２（Ｓ２）＝２５１ｍｍ、Ｌ３＝３０３０ｍｍ、Ｌ４＝２０ｍｍ、Ｌ５＝３０ｍｍ、Ｌ６＝１０ｍｍ、Ｌ８＝１０ｍｍ、Ｌ９＝１０ｍｍ、Ｌ１０＝１４．８９ｍｍ、Ｄ１＝２５．１３ｍｍ、Ｄ２＝２５．０２ｍｍ、Ｄ３＝２．６３ｍｍ、Ｄ４＝２．１７ｍｍ、Ｄ５＝４．１９ｍｍ、Ｄ６＝５．６２ｍｍ、Ｄ７＝６．２５ｍｍ、β１＝５．４°、β２＝２．６５°及びβ３＝１．３５°のようになる。
【０１０２】
第１斜入射角β１は５．４°であり、５．４°を全反射臨界角とするＸ線エネルギーは２８７ｅＶである。これは「水の窓」領域の低エネルギー端に近い。一方、第２斜入射角β２は２．６５°であり、２．６５°を全反射臨界角とするＸ線エネルギーは５３０ｅＶである。これは「水の窓」領域の高エネルギー端に近い。
【０１０３】
図１０は、Ｘ線のエネルギーと透過率及び反射率との関係を示す図である。図１０（ａ）には、Ｘ線のエネルギーとフィルタ（厚さ０．０５μｍのＴｉ箔）の透過率との関係、Ｘ線のエネルギーと集光光学系の第１光学素子（β１＝５．４°）及び第２光学素子（β２＝２．６５°）の反射率との関係、並びにＸ線のエネルギーと結像光学系（β３＝１．３５°）の反射率との関係が示されている。また、図１０（ｂ）には、第１状態及び第２状態におけるＸ線撮像装置全体の透過波長特性及びその差分が示されている。
【０１０４】
図１０（ａ）に示されるように、特性Ｘ線のＫ線（４．５１ｋｅＶ、４．９３ｋｅＶ）はほぼ除去することができる。第２状態によれば、「水の窓」領域である特性Ｘ線のＬ線（０．４５ｋｅＶ、０．４６ｋｅＶ）で観察することができる。図１０（ｂ）に示されるように、第１状態及び第２状態におけるＸ線撮像装置全体の透過波長特性の差分によれば、「水の窓」領域以外の２８４ｅＶ以下のエネルギー成分が低減され、Ｘ線画像のコントラストが向上される。
【０１０５】
また、水を含まない乾燥した比較的厚い生体試料を観察する場合は、ターゲットをグラファイト及びＤＬＣ等のＣ（炭素）で構成される物質にして、炭素のＫ線（２８２ｅＶ）で観察することができる。炭素Ｋ線では、生体に対する透過率が高くなり、厚い試料でも試料の内部構造を観察することができる。特にＣＴ撮影の場合に有効である。一方、炭素Ｋ線以上のエネルギーである「水の窓」領域で観察すると炭素に対する透過率が低くなるため、できるだけ２８２ｅＶを超えるＸ線は除去する必要がある。この場合、第１状態を用いて観察すれば、２８７ｅＶ以上のＸ線は選択的に除去できることになる。このように、２つの集光光学系を用いることで、１つの集光光学系を用いる比較例のＸ線撮像装置に比べて、より多くの情報を得ることができ、有用性が高い。
【符号の説明】
【０１０６】
１…Ｘ線源、２…フィルタ、３Ａ〜３Ｄ…集光光学系、４…遮蔽部材（第１遮蔽部材）、５…遮蔽部材（第２遮蔽部材）、６…結像光学系、７…検出器、８…制御部、１０Ａ〜１０Ｃ…Ｘ線撮像装置、１５…遮蔽部材（第３遮蔽部材）、１６…遮蔽部材（第３遮蔽部材）、３１…第１光学素子、３２…第２光学素子、３１ｃ…第１反射面、３２ｃ…第２反射面、６１ｃ…反射面（第３反射面）、Ａ…基準線、Ｃ１，Ｃ２…光軸、Ｓ…試料。
【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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