JP6528264B2 - イメージング装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、イメージング装置及び方法に関する。

コヒーレント光を利用したイメージング技術として、Ｘ線タイコグラフィが提案されている（例えば非特許文献１参照）。

図１９にＸ線タイコグラフィの原理図を示す。Ｘ線タイコグラフィでは、観察対象である試料をステップ移動させながら、コヒーレントな（干渉性に優れた）Ｘ線を試料の各位置に照射し、試料の各位置にＸ線を照射したときの透過Ｘ線強度と回折Ｘ線強度パターンを二次元Ｘ線検出器で検出する。結果、複数の透過及び回折強度パターンが得られ、その複数の透過及び回折強度パターンに対して反復的位相回復アルゴリズムによる演算を適用することにより、試料の観察像を生成する。反復的位相回復アルゴリズムは、例えば下記非特許文献２に開示されている。

一般的なＸ線顕微鏡では、レンズ等の結像光学素子の作成精度が分解能を制限する要因となっており、１０ｎｍ（ナノメートル）より優れた分解能を達成することが難しい。Ｘ線タイコグラフィでは、レンズによる結像の代わりに計算機による位相回復計算を行うため、結像光学素子によって分解能が制限されることがないという特長がある。この特長が注目され、世界中に点在する大型放射光施設でＸ線タイコグラフィの研究が進められており、金属ナノ粒子などの材料試料では１０ｎｍ程度の高い分解能が既に実現されている。

また、インラインホログラム等の利用も別途研究されている（非特許文献３参照；非特許文献３の対応ＵＲＬは“https://www.jstage.jst.go.jp/article/jcrsj1959/18/3/18_3_236/_article”）。

大阪大学、"「高空間分解能」かつ「高感度」な革新的Ｘ線顕微法を開発"、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成２５年３月、大阪大学、［平成２６年１２月２４日検索］、インターネット＜http://www.osaka-u.ac.jp/ja/news/ResearchRelease/2013/03/20130304_2＞ Andrew M. Maiden、他１名、"An improved ptychographical phase retrieval algorithm for diffractive imaging"、Ultramicroscopy、（オランダ）、平成２１年、１０９号、ｐ．１２５６−１２６２ 青木禎男、他１名、"Ｘ線ホログラフィによる顕微法"、日本結晶学会誌、１９７６年、１８号、Ｎｏ．３、ｐ．２３６−２４０

Ｘ線タイコグラフィで試料像を得るためには、回折Ｘ線はもちろん、透過Ｘ線も取得しなければならないが、透過Ｘ線の強度は回折Ｘ線の強度に対して非常に大きい。このため、二次元検出器のダイナミックレンジは相応に大きい必要がある。特に、生体細胞などの生物試料を観察対象にする場合、生物試料が酸素、炭素及び窒素などの軽元素で構成されているため、Ｘ線の散乱能が小さく、通常、透過Ｘ線の強度に対して回折Ｘ線の強度が１０万分の１以下になる。故に、生物試料を観察対象にする場合には特に大きなダイナミックレンジが二次元検出器に要求されることになる。

しかし、ダイナミックレンジの大きい二次元検出器の開発には膨大な費用と時間を要する。必要なダイナミックレンジを有する二次元検出器が現存していたとしても、ダイナミックレンジの拡大は二次元検出器の入手費用の増大につながる。例えば、１０^６光子/ピクセル/秒の検出性能を持つピクセルアレイ検出器が実用化されているが、そのような二次元検出器は入手費用（例えば数千万円）が相当に高く、利用しにくい。

尚、検出器に関し、単位“光子/ピクセル/秒”で示された数値は、各ピクセルにおいて１秒当たりに検出できる最大の光子数を表す。１０^ｍ光子/ピクセル/秒であれば、各ピクセルにおいて１秒当たり、１の光子と１０^ｍの光子を区別して検出できる（ｍは自然数）。１の光子と１０^ｍの光子を区別して検出できることは、０の光子と１の光子と１０^ｍの光子を区別して検出できることをも意味する。以下では、二次元検出器の検出性能を示す、単位“光子/ピクセル/秒”で示された数値を、検出ダイナミックレンジ又は二次元検出器のダイナミックレンジと呼ぶ。検出ダイナミックレンジ又は二次元検出器のダイナミックレンジは、単位時間当たりの光子検出ダイナミックレンジとも言うべき、単位時間当たりで識別可能な光子数の最小値と最大値の比率を意味する。検出時間（即ち、検出に用いる時間）が増大すれば、二次元検出器で識別可能な光子数の比率は増大する。即ち例えば、１０^６光子/ピクセル/秒であれば、１０００秒かけることによって、各ピクセルにおいて１の光子と１０^９の光子を区別して検出できる。

そこで本発明は、必要な検出ダイナミックレンジの低減に寄与するイメージング装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明に係るイメージング装置は、入射光が照射される試料の上流側に配置され、前記入射光の一部を散乱させて散乱光を前記試料に向けて放射する散乱用構造体と、前記試料の下流側に配置され、前記入射光に基づいて前記試料から到来する光の強度を所定の二次元平面内で検出する二次元検出器と、前記試料からの前記二次元検出器に向かう光の内、少なくとも最大強度を持つ光の前記二次元検出器への到達を遮蔽する遮蔽体と、前記二次元検出器の検出結果に基づき前記試料の像を生成する演算手段と、を備えたことを特徴とする。

遮蔽体を設けることにより、二次元検出器に求められる検出ダイナミックレンジを低減することが可能となる。遮蔽によって欠落する試料構造情報については、散乱用構造体からの散乱光に基づく二次元検出器の検出結果により補完可能である。つまり、良好なる像の生成を担保しつつ、二次元検出器に求められる検出ダイナミックレンジを低減することが可能となる。

本発明に係るイメージング方法は、入射光が照射される試料の上流側に、前記入射光の一部を散乱させて散乱光を前記試料に向けて放射する散乱用構造体を配置するとともに、前記試料の下流側に、前記入射光に基づいて前記試料から到来する光の強度を所定の二次元平面内で検出する二次元検出器を配置し、前記試料からの前記二次元検出器に向かう光の内、少なくとも最大強度を持つ光の前記二次元検出器への到達を遮蔽した状態で、前記二次元検出器の検出結果に基づき前記試料の像を生成することを特徴とする。

上記遮蔽によって、二次元検出器に求められる検出ダイナミックレンジを低減することが可能となる。遮蔽によって欠落する試料構造情報については、散乱用構造体からの散乱光に基づく二次元検出器の検出結果により補完可能である。つまり、良好なる像の生成を担保しつつ、二次元検出器に求められる検出ダイナミックレンジを低減することが可能となる。

本発明によれば、必要な検出ダイナミックレンジの低減に寄与するイメージング装置及び方法を提供することが可能である。

本発明の参考実施形態に係るイメージング装置の構成を示す斜視図である。 本発明の参考実施形態に係るイメージング装置の構成を示す側面図である。 試料のステップ移動と入射光の照射領域の位置変化を説明するための図である。 本発明の参考実施形態に係り、Ｘ線タイコグラフィによる試料像の構築動作フローチャートである。 フーリエ反復位相回復法の基本アルゴリズムを示す図である。 本発明の参考実施形態のシミュレーションにおける、テスト画像と光強度検出パターンを示す図である。 本発明の第１実施形態に係るイメージング装置の構成を示す側面図である。 本発明の第１実施形態に係り、参照光源用構造体の一例の斜視図及び側面図である。 本発明の第１実施形態に係り、Ｘ線タイコグラフィによる試料像の構築動作フローチャートである。 本発明の第１実施形態のシミュレーションに係り、第１仮想イメージング装置（参照光源用構造体：無し、且つ、遮蔽体：無し）による光強度検出パターン及び再構成像を示す図である。 本発明の第１実施形態のシミュレーションに係り、第２仮想イメージング装置（参照光源用構造体：無し、且つ、遮蔽体：有り）による光強度検出パターン及び再構成像を示す図である。 本発明の第１実施形態のシミュレーションに係り、第３仮想イメージング装置（参照光源用構造体：有り、且つ、遮蔽体：有り）による光強度検出パターン及び再構成像を示す図である。 本発明の第１実施形態に係り、参照光源用構造体の他の例の斜視図である。 本発明の第１実施形態に係り、実験で用いた参照光源用構造体のＳＥＭ像を示す図である。 本発明の第１実施形態に係り、実験で用いた試料（ジーメンススターテストチャート）のＳＥＭ像を示す図である。 本発明の第１実施形態に係り、実験で得られた光強度検出パターンを示す図である。 本発明の第１実施形態に係り、実験で得られた試料の再構成像を示す図である。 本発明の第３実施形態に係るイメージング装置の概略構成図である。 従来技術に係り、Ｘ線タイコグラフィの原理図である。

以下、本発明の実施形態の例を、図面を参照して具体的に説明する。参照される各図において、同一の部分には同一の符号を付し、同一の部分に関する重複する説明を原則として省略する。尚、本明細書では、記述の簡略化上、情報、信号、物理量又は部材等を参照する記号又は符号を記すことによって、該記号又は符号に対応する情報、信号、物理量又は部材等の名称を省略又は略記することがある。

＜＜参考実施形態＞＞
まず、後述の第１実施形態等との対比に供される参考実施形態を説明する。図１及び図２は、参考実施形態に係るイメージング装置の構成を示す斜視図及び側面図である。

図１及び図２において、符号Ｌ０により参照される斜線領域は試料１０への入射光を表している。但し、図１及び図２では、試料１０を透過した光の領域に対しても斜線を付している（後述の図７でも同様）。入射光Ｌ０は、干渉性を有する光、即ちコヒーレント光である。但し、現実には完全にコヒーレントな光は存在しないので、ここにおけるコヒーレント光とは、空間的にも時間的にも非常にコヒーレンスの高い光であると解されるべきである。

入射光Ｌ０は、任意の波長の光でありうるが、特にＸ線であることが想定される。ここでは、入射光Ｌ０は、６．５ｋｅＶ（エレクトロンボルト）のエネルギを有するＸ線（コヒーレントＸ線）であるものとする。入射光Ｌ０は、放射光施設にて発生されるＸ線領域の放射光を集束することで形成される集束Ｘ線であって良い。図１において、一点鎖線ＡＸ_ＯＰＴは入射光Ｌ０の光軸を表している。参考実施形態で述べる光は全て入射光Ｌ０に基づく光であるとする。

Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は互いに直交している。光軸ＡＸ_ＯＰＴはＺ軸に対して平行であり、入射光Ｌ０は、Ｚ軸の負側から正側に向けて進行するものとする。尚、Ｘ軸及びＹ軸に平行な二次元平面、Ｙ軸及びＺ軸に平行な二次元平面、Ｚ軸及びＸ軸に平行な二次元平面を、夫々、ＸＹ面、ＹＺ面、ＺＸ面と呼ぶ。

入射光Ｌ０は試料１０に対して照射される。試料１０は、Ｘ軸及びＹ軸方向に対して広がりを持つ試料であり、更に、Ｚ軸方向に対しての厚みも有する。試料１０は、どのような試料でも良い。例えば、試料１０は、金属から成る試料でも良いし、生物試料でも良い。但し、試料１０に照射された入射光Ｌ０の内、一部は散乱及び回折するが、残りは試料１０を透過するものとする。試料１０に照射された入射光Ｌ０（６．５ｋｅＶのＸ線）の内、大部分が試料１０を透過するような、厚みの少ない試料１０が想定される。

入射光Ｌ０は、試料１０よりも上流側に設けられた光学系（不図示）により、試料１０の位置において集光せしめられる。図１において、点Ｏは入射光Ｌ０の集光点の中心位置を表している。上流とは、入射光Ｌ０の進行の向きにとっての上流を指し、当然、入射光Ｌ０は上流側から下流側に向けて進行する。入射光Ｌ０は、Ｚ軸に直交する十字に沿って斑点状に広がる。即ち、ＸＹ面内において、入射光Ｌ０は複数の斑点の光から形成される共に当該複数の斑点は十字方向に並んでいる（即ち例えばＸ軸及びＹ軸方向に沿って並んでいる）。以下では、その複数の斑点の中心に位置する、最も光の強度の強い斑点を入射光Ｌ０と捉えて注目し、注目した斑点の大きさ（詳細には、注目した斑点の広がりの外縁を示す円の直径）をスポット径と呼ぶ。特に、試料１０の位置における入射光Ｌ０のスポット径を記号ＳＲで表す。ここでは、試料１０の位置において入射光Ｌ０が真円状に集光されていると考え、且つ、スポット径ＳＲが１μｍ（マイクロメートル）であるとする。

ＸＹ面上において、試料１０の大きさ（広がり面積）は、試料１０の位置における入射光Ｌ０の大きさ（広がり面積）よりも大きい。試料１０は、Ｚ軸方向に厚みを有する板形状を有し、ここでは例として、試料１０がＸＹ面において１μｍよりも大きな辺を有する長方形又は正方形の形状を持っているものとする。Ｚ軸方向における試料１０の厚さは、Ｘ軸及びＹ軸方向において不均一であって良い。例えば、Ｚ軸方向における試料１０の厚さは、Ｘ軸及びＹ軸方向において数１０ｎｍ〜数１０μｍの範囲内で分布する。

二次元検出器２０は、試料１０の下流側に設けられる二次元Ｘ線検出器である。二次元検出器２０は、入射光Ｌ０に基づく試料１０からの光を受け、受けた光の強度を所定の二次元平面内で検出する。ここにおける二次元平面はＸＹ面に平行である。二次元検出器２０はＸＹ面に平行な検出面を有し、検出面内の各位置における光の強度（受光強度）を検出する。

二次元検出器２０の検出面内の領域を、便宜上、透過Ｘ線の受光領域２１と、回折Ｘ線の受光領域２２とに分類することができる。試料１０に照射された入射光Ｌ０の内、試料１０にて散乱されることなく透過した光を透過Ｘ線と呼ぶ。受光領域２１は透過Ｘ線を受ける領域である。受光領域２１の中心は、通常、検出面の中心と一致する。以下では、受光領域２１の中心（透過Ｘ線を受ける受光領域の中心）と、検出面の中心（即ち二次元検出器２０の中心）とが一致しているものとする。透過Ｘ線は受光領域２２には入射しない。受光領域２２は、試料１０に照射された入射光Ｌ０の内、試料１０にて散乱された光を受ける。試料１０にて散乱された光は、受光領域２２において試料１０の構造に応じた回折縞を形成する。この回折縞を形成する試料１０からの散乱光を回折Ｘ線と呼び、この回折縞を表す受光領域２２における受光強度パターンを回折Ｘ線強度パターン又は回折強度パターンと呼ぶ。また、受光領域２１における受光強度パターンを透過Ｘ線強度パターン又は透過強度パターンと呼ぶ。

透過Ｘ線だけを利用する場合、図１のシステムを、１μｍの分解能を持ったレンズによるＸ線顕微鏡と見立てることができる。１μｍの分解能を持ったレンズを通して観測できるものは、１μｍ以上のサイズの情報に限られる。しかし、回折Ｘ線を見ることで１μｍよりも小さい情報を得ることができる。

図３に示す如く、イメージング装置は、試料１０をＸ軸方向又はＹ軸方向にステップ移動させるための駆動装置３０を備えている。ステップ位置Ｐ_１〜Ｐ_ｎは、ＸＹ面に平行な面であって且つ試料１０内に位置する共通な平面上に配置された互いに異なる位置である。図３では９つのステップ位置Ｐ_１〜Ｐ_９が示されているが、ｎは２以上の整数であれば任意である。駆動装置３０は、集光点Ｏの位置がステップ位置Ｐ_１〜Ｐ_ｎの何れかと一致するように試料１０をステップ移動させることができる。尚、駆動装置３０により、試料１０がＸ軸方向及びＹ軸方向と異なる方向に移動されることが有り得て良い（この場合、ステップ位置Ｐ_１〜Ｐ_ｎは、ＸＹ面から傾いた平面上に配置された互いに異なる位置となる）。但し、試料１０のステップ移動の方向は、入射光Ｌ０の光軸ＡＸ_ＯＰＴに直交する方向成分を持っているものとする。

ＸＹ面内について考えると、集光点Ｏの位置がステップ位置Ｐ_ｉと一致せしめられているとき、試料１０内の領域であって且つステップ位置Ｐ_ｉを中心とする直径１μｍの円の内側領域に入射光Ｌ０が集光及び照射される（ｉは整数）。

Ｘ軸及びＹ軸方向の夫々において、互いに隣接する２つのステップ位置の間隔はスポット径ＳＲ（ここでは１μｍ）よりも小さい。従って、集光点Ｏの位置が第１ステップ位置と一致しているときの試料１０への入射光Ｌ０の照射領域は、集光点Ｏの位置が第２ステップ位置と一致しているときの試料１０への入射光Ｌ０の照射領域と一部において重なり合う。ここにおける第１ステップ位置は、ステップ位置Ｐ_１〜Ｐ_ｎの内の任意の１つを指し、第２ステップ位置は第１ステップ位置と異なる１以上のステップ位置を指す。例えば、集光点Ｏの位置がステップ位置Ｐ_５と一致しているときの試料１０への入射光Ｌ０の照射領域（図３の９つの円における中央の円の内部領域）は、集光点Ｏの位置がステップ位置Ｐ_２、Ｐ_４、Ｐ_６、Ｐ_８と一致しているときの試料１０への入射光Ｌ０の照射領域の夫々と一部において重なり合う。

図４は、参考実施形態のイメージング装置のＸ線タイコグラフィによる試料像の構築動作フローチャートである。まず、ステップＳ１において変数ｉに１が代入される。続くステップＳ２において、駆動装置３０により、集光点Ｏの位置がステップ位置Ｐ_ｉと一致するように試料１０が駆動される。続くステップＳ３において、二次元検出器２０の検出面内の全検出結果（受光強度の検出結果の全て）を第ｉの光強度検出パターンとして取得する。参考実施形態では、透過強度パターンと回折強度パターンを二次元検出器２０で同時に取得したもの（即ち、同時に検出された透過強度パターン及び回折強度パターンから成る検出パターン）が第ｉの光強度検出パターンとなる。

その後、ステップＳ４において、イメージング装置の制御部（不図示）により、変数ｉが所定値ｎ（例えば１００）と一致しているか否かが確認される。“ｉ＝ｎ”の場合にはステップＳ６に進む。一方、“ｉ＜ｎ”の場合にはステップＳ５にて変数ｉに１を加算してからステップＳ２に戻り、ステップＳ２以降の処理が繰り返される。結果、ステップＳ６に至る時点では第１〜第ｎの光強度検出パターンが取得済みとなる。第ｉの光強度検出パターンは、集光点Ｏの位置をステップ位置Ｐ_ｉと一致させた状態において、試料１０からの透過強度パターン及び回折強度パターンを同時に検出したものである。

ステップＳ６において、イメージング装置の演算部（不図示）は、ステップＳ３にて取得された第１〜第ｎの光強度検出パターンに対し反復的位相回復アルゴリズムによる所定の演算を施すことで、試料１０の像を生成する。反復的位相回復アルゴリズムとして、Ｘ線タイコグラフィに適用可能な公知の反復的位相回復アルゴリズムを用いることができる。例えば、上記非特許文献２に記載の方法に基づく反復的位相回復アルゴリズムを用いて良い。

ここで、公知事項ではあるが反復的位相回復アルゴリズムについて簡単に説明する。振幅のみが既知で位相が得られない状況においてフーリエ変換を繰り返し行うことによって位相を求める方法は、フーリエ反復位相回復法として知られている。ステップＳ６の反復的位相回復アルゴリズム（換言すれば反復的位相回復法）は、フーリエ反復位相回復法に属する。

図５は、フーリエ反復位相回復法の基本アルゴリズムを示す図である。図５において、物体（厳密には、物体に対する入射波と物体とが相互作用して物体から発せられる物体波）をｆで表し、物体ｆに対してフーリエ変換ＦＴを施したもの（厳密には、検出面での回折波）をＦで表す。ここにおける物体は試料１０である。

ｆとＦは複素関数として表される。複素関数ｆの振幅、位相を、それぞれ|ｆ|、φで表し、複素関数Ｆの振幅、位相を、それぞれ|Ｆ|、Φで表す。一般的に、回折実験によって得られる物理量は、回折強度、即ち振幅|Ｆ|のみであり、位相Φは得られない。もし何らかの方法で位相Φが求められれば、Ｆに逆フーリエ変換ＦＴ^−１を施すことで物体ｆが得られる。フーリエ反復位相回復法では、図５に示すように、実空間において実空間拘束条件を且つ逆空間（周波数空間）において逆空間拘束条件を課しながら、フーリエ変換と逆フーリエ変換を逐次的に交互に繰り返す反復計算により位相を得る。

Ｘ線タイコグラフィにおける反復的位相回復アルゴリズムでは、複数の光強度検出パターンを取得するときの試料１０への入射光Ｌ０の照射領域が互いに重なっているという事実及びその重なり領域を実空間拘束条件として用い且つ第１〜第ｎの光強度検出パターンを逆空間拘束条件として用いて上記反復計算を行う。これにより、試料１０の通過に伴う入射光Ｌ０の波面のゆがみを、ＸＹ面上の各位置における入射光Ｌ０の位相変化量として導出し、その導出結果から試料１０の像を生成（再構築）することができる。

図６（ａ）及び（ｂ）を参照し、参考実施形態のイメージング装置に対する計算機シミュレーションの結果を説明する。図６（ａ）は、当該シミュレーションにおいて試料１０として想定されたテスト画像３００を示している。テスト画像３００は、試料１０による位相変化量をＸＹ面に投影した二次元像（二次元投影像）である。位相変化量とは、入射光Ｌ０が試料１０を通過したときの入射光Ｌ０の位相変化量を指す。

図６（ａ）において、黒に近い領域ほど位相変化量が大きく、白に近い領域ほど位相変化量が小さい。つまり例えば、入射光Ｌ０がテスト画像３００中に表現された女性の髪の毛領域に照射されたとき、位相変化量は０．０１ラジアン程度であり、入射光Ｌ０が当該女性の頬領域に照射されたとき、位相変化量は０．００５ラジアン程度である。テスト画像３００における位相変化量の最大値は０．０１ラジアンに設定されている。０．０１ラジアンの位相変化量は、６．５ｋｅＶのエネルギのＸ線に対して厚さ５０ｎｍ（ナノメートル）のたんぱく質に相当している。つまり、厚さ５０ｎｍのたんぱく質に入射光Ｌ０を照射したときに観測される位相変化量の最大値は０．０１ラジアンである。

図６（ｂ）の光強度検出パターン３２０は、図６（ａ）の領域３１０に入射光Ｌ０を照射したときに図１の二次元検出器２０にて取得されることになる透過及び回折強度パターンのシミュレーション結果を示している。

原理上、回折強度パターンでは、試料１０（ここではテスト画像３００）の構造を示す空間周波数成分の内、より低い周波数成分の情報が検出面の中心に近い位置にて検出され、より高い周波数成分の情報が検出面の中心から離れた位置にて検出される。試料１０（ここではテスト画像３００）の構造を示す空間周波数成分の内、相対的に低い空間周波数成分の情報及び相対的に高い空間周波数成分の情報を、夫々、低分解能情報及び高分解能情報と呼ぶ。光強度検出パターン３２０は低分解能情報及び高分解能情報を内包している。光強度検出パターン３２０において、検出面の中心に対し相対的に近い位置に低分解能情報が含まれ、検出面の中心に対し相対的に遠い位置に高分解能情報が含まれる。

光強度検出パターン（透過及び回折強度パターン）３２０からも分かるように、透過Ｘ線の強度に対して回折Ｘ線の強度は相当に小さく、また回折Ｘ線の強度は回折角の増大に伴って減少する。二次元検出器２０の検出結果から、より高い分解能の情報を得ようとする場合には、回折角のより大きい、従って強度のより小さい回折Ｘ線を検出する必要がある。故に、目的の分解能が上がれば上がるほど、広い光子ダイナミックレンジを有する透過及び回折強度パターンを取得する必要がある。

図１のイメージング装置において、１５ｎｍ以下の分解能を達成するためには、１０^９光子/ピクセルの光子ダイナミックレンジを有する透過及び回折強度パターンを取得する必要がある。当該シミュレーションでは、１０^９光子/ピクセルの光子ダイナミックレンジを有する透過及び回折強度パターンが図６（ｂ）の光強度検出パターン３２０として求められている。１０^９光子/ピクセルの光子ダイナミックレンジを有する透過及び回折強度パターンとは、１の光子数と１０^９の光子数が識別して検出された透過及び回折強度パターン（即ち、二次元検出器２０における受光Ｘ線の光子数の最小値と最大値の比が１０^９である透過及び回折強度パターン）を意味する。比較的安価に手に入る１０^３光子/ピクセル/秒の検出性能を有する二次元検出器を図１の二次元検出器２０として用いたならば、１０^６秒の検出時間を使ってようやく、１０^９光子/ピクセルの光子ダイナミックレンジを有する透過及び回折強度パターンを取得できる。但し、検出時間の増大は無限に許されるものではなく、検出時間は短い方が効率が良い。仮に、１０⁶光子/ピクセル/秒の検出性能を有する二次元検出器を図１の二次元検出器２０として用いたならば、１０^３秒の検出時間で、１０^９光子/ピクセルの光子ダイナミックレンジを有する透過及び回折強度パターンを取得できる。検出時間を１０^３秒と定めたとき、１０^３光子/ピクセル/秒の検出性能では、１０^６光子/ピクセルの光子ダイナミックレンジしか達成できず、所望の分解能を得ることができない。

このことから分かるように、検出ダイナミックレンジの大きい二次元検出器（即ち、単位「光子/ピクセル/秒」で示される検出性能が高い二次元検出器）を用いれば、定められた検出時間で、より高い分解能を実現することができる。但し、検出ダイナミックレンジの大きい二次元検出器の開発には膨大な費用と時間を要する。必要な検出ダイナミックレンジを有する二次元検出器が現存していたとしても、検出ダイナミックレンジの拡大は二次元検出器の入手費用の増大につながる。

＜＜第１実施形態＞＞
より低い検出ダイナミックレンジで試料像を構築できる実施形態として、本発明の第１実施形態を説明する。第１実施形態並びに後述の第２及び第３実施形態は参考実施形態を基礎とする実施形態であり、第１〜第３実施形態において特に述べない事項に関しては、矛盾の無い限り、参考実施形態の記載を第１〜第３実施形態に適用して良い。参考実施形態の記載及び第１〜第３実施形態の記載間で矛盾する事項については、後者の記載が第１〜第３実施形態では優先される。

図７は、第１実施形態に係るイメージング装置１の構成を示す側面図である。イメージング装置１は、上述の二次元検出器２０及び駆動装置３０に加えて、参照光源用構造体（散乱用構造体）４０、遮蔽体５０及び演算装置６０を備える。入射光Ｌ０、試料１０、二次元検出器２０及び駆動装置３０の性質、構成及び機能、並びに、それらの関係は上述した通りである。

入射光Ｌ０は、試料１０及び参照光源用構造体４０よりも上流側に設けられた光学系（不図示）により、試料１０の位置において集光せしめられる。

参照光源用構造体４０（以下、構造体４０と略記することがある）は、試料１０の上流側に設けられる構造体であり、入射光Ｌ０は、まず構造体４０に入射され、その後に試料１０に照射される。このため、入射光Ｌ０の一部は構造体４０にて散乱され、構造体４０からの散乱光Ｌ１が試料１０及び二次元検出器２０に向けて放射される。図７において、構造体４０の中心から二次元検出器２０まで伸びる２本の直線状の破線ＯＥ_Ｌ１は、構造体４０から出射される散乱光Ｌ１の外縁を模式的に示したものである。

一方、図７において、試料１０上の２つの点から二次元検出器２０まで伸びる２本の直線状の破線ＯＥ_Ｌ２は、試料１０から出射される散乱光Ｌ２の外縁を模式的に示したものである。散乱光Ｌ２は、構造体４０を介して試料１０に照射された入射光Ｌ０が試料１０にて散乱したものである。尚、試料１０及び構造体４０間の間隔は、散乱光Ｌ１の試料１０上での照射面積が入射光Ｌ０による照射面積（即ち入射光Ｌ０の試料１０上での照射面積）よりも大きくなるように、調整される。

遮蔽体５０は、試料１０と二次元検出器２０との間に配置され、二次元検出器２０の検出面内の所定の遮蔽対象領域に対する試料１０からの光を遮蔽する。数１００μｍ以上の厚みを有するタンタル又は鉛等にて遮蔽体５０を形成すれば、試料１０からの光（Ｘ線）を完全に遮蔽することができる。

例えば、二次元検出器２０が検出しようとする受光強度の最小値が一定であると仮定した場合、検出面にて受光される光の最大強度が減少すれば、二次元検出器２０に必要な検出ダイナミックレンジは小さくなる。従って、試料１０から二次元検出器２０に向かう光の内、少なくとも最大強度を持つ光が二次元検出器２０（より詳細には二次元検出器２０の検出面）に到達しないように、遮蔽体５０は、試料１０及び二次元検出器２０間に配置される。試料１０から二次元検出器２０に向かう光の内、最大強度を持つ光は透過Ｘ線に含まれており、従って、上記の遮蔽対象領域は透過Ｘ線の受光領域２１（遮蔽体５０が無かったならば透過Ｘ線を受光することになる領域）を含む領域である。

回折Ｘ線の内、回折角が比較的小さな回折Ｘ線である低角回折Ｘ線の強度は、回折角が比較的大きな回折Ｘ線である高角回折Ｘ線の強度よりも相当に大きい。故に、検出面の受光領域の内、回折角が所定角度以下の低角回折Ｘ線を受ける受光領域をも遮蔽対象領域に含めるようにしても良い。本実施形態では、検出面の受光領域の内、回折角が所定角度以下の低角回折Ｘ線を受ける受光領域をも遮蔽対象領域に含めている。即ち、遮蔽体５０により、透過Ｘ線及び低角回折Ｘ線の二次元検出器２０（より詳細には二次元検出器２０の検出面）への入射が遮蔽されている。遮蔽体５０を設けることで、定められた検出時間で所望の分解能を得るために求められる、二次元検出器２０の検出ダイナミックレンジを低減させることが可能となる。

遮蔽体５０の配置により透過強度パターン（透過Ｘ線強度パターン）が検出面に形成されなくなるが、一方において構造体４０から散乱光Ｌ１が放射されるため、散乱光Ｌ１を参照光とするインラインホログラムが検出面に形成される。つまり、二次元検出器２０では、回折強度パターン（回折Ｘ線強度パターン）とインラインホログラムが同時に取得される。透過Ｘ線が持つ試料構造情報（試料１０の構造について透過Ｘ線が持っている情報）は、試料１０の位置における入射光Ｌ０のサイズ以上の試料情報である。即ち、透過Ｘ線が持つ試料構造情報は、試料１０の構造を示す空間周波数成分の内、試料１０の位置での入射光Ｌ０のサイズ（或る一次元方向のサイズで考えた場合、スポット径ＳＲ：ここでは１μｍ）以上の構造についての空間周波数成分の情報（例えば１μｍ^−１や２μｍ^−１の情報）である。故に、試料１０の位置での入射光Ｌ０のサイズより小さな構造体を構造体４０に利用すれば、透過Ｘ線が持つ試料構造情報をインラインホログラムで補完することが可能である。

インラインホログラムは、周知の如く、物体光と参照光をホログラム面に同時照射したときにホログラム面に形成される干渉縞である。ここにおけるホログラム面は二次元検出器２０の検出面である。参照光は参照光源用構造体４０の散乱光Ｌ１である。つまり、参照光源用構造体４０は、インラインホログラム形成用の参照光源として機能する。参照光が試料１０に照射されたときに試料１０にて参照光が散乱されるが、その散乱によって試料１０から発せられる光（即ち、参照光に基づく試料１０からの散乱光）が物体光である。

図８（ａ）及び（ｂ）に、参照光源用構造体４０の例である円柱構造体４０Ａの斜視図及び側面図を示す。円柱構造体４０Ａを、任意の種類の金属にて形成することができる。但し、Ｘ線の散乱能を高めるべく重金属にて円柱構造体４０Ａを形成すると良く、例えば、金又はタンタルで円柱構造体４０Ａを形成すると良い（後述される参照光源用構造体４０の他の例においても同様）。

円柱構造体４０Ａは、板状体４１Ａ上に柱体４２Ａを設けた構造体である。板状体４１Ａは、ＸＹ面に平行な上面及び下面を有し、Ｚ軸方向に厚みを有する板状の物質（金属又は非金属）である。ここで、板状体４１Ａの上面及び下面の内、上面の方が試料１０に近いものとする。板状体４１Ａの厚みは数１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度であり、板状体４１ＡにおいてＸ線による吸収が小さい。Ｘ軸及びＹ軸方向において、板状体４１Ａの大きさは円柱構造体４０Ａの位置における入射光Ｌ０の大きさよりも大きい。柱体４２Ａは、板状体４１Ａの上面から試料１０に向けて垂直に伸びる金属製の柱体である。柱体４２Ａの軸はＺ軸に平行である。板状体４１Ａの中心及び柱体４２Ａの軸が入射光Ｌ０の光軸ＡＸ_ＯＰＴ上に位置するように、円柱構造体４０Ａが形成及び配置される。ここでは、柱体４２Ａが真円の底面を有する円柱であるとし、その真円の直径をＲにて表す。

円柱構造体４０Ａに例示される構造体４０は、第１及び第２必要条件を満たすように形成される。円柱構造体４０Ａにおいて、第１必要条件は、直径Ｒが試料１０の位置での入射光Ｌ０のスポット径ＳＲ（ここでは１μｍ）よりも小さい、という条件である。例えば、直径Ｒは、１００ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内から選ばれる。柱体４２Ａの高さは、例えば５００ｎｍ〜１μｍの範囲内から選ばれる。

第２必要条件は、試料１０の位置において、散乱光Ｌ１のＸ及びＹ軸方向における広がりの大きさが入射光Ｌ０のＸ及びＹ軸方向における広がりの大きさよりも大きい、という条件である。第２必要条件の充足により、試料１０の位置において、試料１０に対する入射光Ｌ０の照射領域の全体を試料１０に対する散乱光Ｌ１の照射領域に内包させる。散乱光Ｌ１のＸ及びＹ軸方向における広がりの大きさとは、例えば、散乱光Ｌ１のＸ及びＹ軸方向に夫々における広がりの大きさであると考えても良いし、散乱光Ｌ１のＸ及びＹ軸方向における広がり面積であると考えても良い。入射光Ｌ０についても同様である。円柱構造体４０Ａに関し第２必要条件が満たされるように、柱体４２Ａの直径Ｒ及び高さ、円柱構造体４０Ａの材質、並びに、円柱構造体４０Ａ及び試料１０間の間隔が決定される。

検出面に形成されるインラインホログラムには、原理上、試料１０の構造情報の内、直径Ｒと同じ大きさを持つ構造及び直径Ｒより大きな構造についての空間周波数成分の情報が含まれることになる。例えば、直径Ｒが１００ｎｍであるとき、１００ｎｍ^−１、５００ｎｍ^−１、１μｍ^−１及び２μｍ^−１などの空間周波数成分の情報がインラインホログラムに含まれることになる。

これに対し、透過Ｘ線が持つ試料構造情報（試料１０の構造について透過Ｘ線が持っている情報）は、試料１０の構造を示す空間周波数成分の内、スポット径ＳＲ以上の構造についての空間周波数成分の情報（例えば１μｍ^−１や２μｍ^−１の情報）である。故に、第１必要条件を満たすことで、透過Ｘ線が持つ試料構造情報をインラインホログラムにて補完することが可能となる。但し、第１必要条件を満たしていても、試料１０の位置において参照光Ｌ１のサイズが入射光Ｌ０のサイズ（１μｍ）よりも小さかったならば、１μｍ^−１以上の構造についての空間周波数成分の情報がインラインホログラムに含まれないことになる（例えば、試料１０の位置における参照光Ｌ１の直径が０．５μｍであるとした場合、概念的に考えると、直径０．５μｍの光で直径１μｍの構造を見ることはできない）。故に、第２必要条件の充足が要求される。

また、回折角が所定角度以下の低角回折Ｘ線を受ける受光領域までもが遮蔽対象領域に含められる場合、構造体４０が無かったならば、透過Ｘ線が示す情報（例えば１μｍ^−１の情報）に加えて低角回折Ｘ線が示す構造情報（例えば５００ｎｍ^−１の情報）も検出面の検出結果から欠落することにが、構造体４０の設置により、その欠落した情報はインラインホログラムに含まれることになる。換言すれば、そうなるように参照光源用構造体４０の構造及び遮蔽版５０の大きさ等が決定される。

尚、図８（ａ）及び（ｂ）に示す円柱構造体４０Ａにおいて、例えば、柱体４２Ａの直径Ｒを小さくし過ぎるとインラインホログラム用の参照光が弱くなりすぎて、インラインホログラムが回折Ｘ線に埋もれてしまう。また例えば、柱体４２Ａの高さを大きくし過ぎると参照光が強くなりすぎてインラインホログラム以外の回折Ｘ線を観測し難くなる。検出面におけるインラインホログラムと回折Ｘ線の強度バランスを考慮して、円柱構造体４０Ａの具体的構造を決定すると良い。

また、試料１０の構造を示す空間周波数成分の内、より低い空間周波数成分の情報が検出面の中心に近い位置にて検出され且つより高い空間周波数成分の情報が検出面の中心から離れた位置にて検出されると上述したが、それは回折強度パターンに当てはまる事象であって、それと同じことは、原理上、インラインホログラムに当てはまらない。故に、検出面の中央付近が遮蔽体５０にて遮蔽されているからといって、透過Ｘ線が持つ情報及び低角回折Ｘ線の持つ情報がインラインホログラムに内包されないといったことは無い。

図９は、イメージング装置１のＸ線タイコグラフィによる試料像の構築動作フローチャートである。まず、ステップＳ１１において変数ｉに１が代入される。続くステップＳ１２において、駆動装置３０により、集光点Ｏの位置がステップ位置Ｐ_ｉと一致するように試料１０が駆動される。続くステップＳ１３において、二次元検出器２０の検出面内の全検出結果（受光強度の検出結果の全て）を第ｉの光強度検出パターンとして取得する。第１実施形態では、インラインホログラムと回折強度パターンを二次元検出器２０で同時に取得したもの（即ち、同時に検出されたインラインホログラム及び回折強度パターンから成る検出パターン）が第ｉの光強度検出パターンとなる。

その後、ステップＳ１４において、イメージング装置１の制御部（不図示）により、変数ｉが所定値ｎ（例えば１００）と一致しているか否かが確認される。“ｉ＝ｎ”の場合にはステップＳ１６に進む。一方、“ｉ＜ｎ”の場合にはステップＳ１５にて変数ｉに１を加算してからステップＳ１２に戻り、ステップＳ１２以降の処理が繰り返される。結果、ステップＳ１６に至る時点では第１〜第ｎの光強度検出パターンが取得済みとなる。第ｉの光強度検出パターンは、集光点Ｏの位置をステップ位置Ｐ_ｉと一致させた状態において、試料１０からのインラインホログラム及び回折強度パターンを同時に検出したものである。

ステップＳ１６において、演算装置６０は、ステップＳ１３にて取得された第１〜第ｎの光強度検出パターンに対し反復的位相回復アルゴリズムによる所定の演算を施すことで、試料１０の像を生成する。演算装置６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等から形成されるコンピュータであって良い。ステップＳ１６における反復的位相回復アルゴリズムは、参考実施形態における反復的位相回復アルゴリズムと同じである。

［シミュレーション］
二次元検出器２０に必要となる検出ダイナミックレンジの圧縮効果を検証するために、計算機による以下の第１〜第３シミュレーションを行った。第１〜第３シミュレーションでは、テスト画像３００（図６（ａ）参照）が試料１０として用いられる。

第１シミュレーションでは、イメージング装置１から構造体４０及び遮蔽体５０を削除した第１仮想イメージング装置（即ち、参考実施形態のイメージング装置）を用いることを想定した。第１仮想イメージング装置にて取得される光強度検出パターンは、透過及び回折強度パターンである。

図１０（ａ）に、第１仮想イメージング装置において、試料１０の或る一点に入射光Ｌ０を照射したときの光強度検出パターン（透過及び回折強度パターン）のシミュレーション結果を示す。例えば、１０^６光子/ピクセル/秒の検出性能を有する二次元検出器２０を用い且つ検出時間が１秒に設定された検出条件で取得される光強度検出パターンが、図１０（ａ）の光強度検出パターンに相当すると考えて良い。或いは例えば、１０^３光子/ピクセル/秒の検出性能を有する二次元検出器２０を用い且つ検出時間が１０^３秒に設定された検出条件で取得される光強度検出パターンが、図１０（ａ）の光強度検出パターンに相当すると考えて良い。後述の第２及び第３仮想イメージング装置に対するシミュレーションについても同様である。図１０（ｂ）は、第１仮想イメージング装置において、第１〜第ｎの光強度検出パターンから反復的位相回復アルゴリズムにより生成されるテスト画像３００の再構成像の一部のシミュレーション結果である。構造体４０及び遮蔽体５０を用いない場合、上記のような検出条件では、１０^６光子/ピクセルの光子ダイナミックレンジまでしか光強度検出パターン（透過及び回折強度パターン）を検出できないため、透過Ｘ線だけが際立ち、回折強度パターンが雑音に埋もれてしまうことが分かる。再構成像の分解能は悪く、回折強度パターンに対する雑音の影響が顕著に再構成像に現れている。

第２シミュレーションでは、イメージング装置１から構造体４０のみ削除した第２仮想イメージング装置を用いることを想定した。第２仮想イメージング装置にて取得される光強度検出パターンには回折強度パターンしか含まれない。

図１１（ａ）に、第２仮想イメージング装置において、試料１０の或る一点に入射光Ｌ０を照射したときの光強度検出パターン（回折強度パターン）のシミュレーション結果を示す。図１１（ａ）において、中央付近の黒い正方形領域は遮蔽体５０によってＸ線の入射が遮蔽されている領域に相当する。図１１（ｂ）は、第２仮想イメージング装置において、第１〜第ｎの光強度検出パターンから反復的位相回復アルゴリズムにより生成されるテスト画像３００の再構成像の一部のシミュレーション結果である。遮蔽体５０により強度の大きな透過Ｘ線及び低角回折Ｘ線を遮蔽することで、取得される光強度検出パターンの光子ダイナミックレンジが１０^６光子/ピクセルであっても、その光強度検出パターンの中に高分解能回折強度パターン（即ち、試料構造を示す空間周波数成分の内、比較的高い空間周波数成分の情報）が内包される。しかしながら、低分解能情報が欠落しているため、図１１（ｂ）に示すような低分解能情報が欠如した像が再構成される。

第３シミュレーションでは、イメージング装置１そのものを第３仮想イメージング装置として用いることを想定した。第３仮想イメージング装置にて取得される光強度検出パターンには、インラインホログラムと回折強度パターンが含まれる。

図１２（ａ）に、第３仮想イメージング装置において、試料１０の或る一点に入射光Ｌ０を照射したときの光強度検出パターン（インラインホログラム及び回折強度パターン）のシミュレーション結果を示す。図１２（ａ）において、中央付近の黒い正方形領域は遮蔽体５０によってＸ線の入射が遮蔽されている領域に相当する。図１２（ｂ）は、第３仮想イメージング装置において、第１〜第ｎの光強度検出パターンから反復的位相回復アルゴリズムにより生成されるテスト画像３００の再構成像の一部のシミュレーション結果である。構造体４０及び遮蔽体５０を用いた場合、取得される光強度検出パターンの光子ダイナミックレンジが１０^６光子/ピクセルであっても、その光強度検出パターンの中に、構造体４０からの散乱光を参照光とするインラインホログラムと高分解能回折強度パターン（即ち、試料構造を示す空間周波数成分の内、比較的高い空間周波数成分の情報）が内包される。インラインホログラムは試料１０（ここではテスト画像３００）の低分解能情報を含んでいるため、遮蔽体５０によって透過Ｘ線及び低角回折Ｘ線を遮蔽しても、オリジナル画像（３００）と同等の再構成像を生成することができる。

図７では、検出器２０の中心を中心に持つ領域であって且つ検出器２０の一部領域にのみインラインホログラムが形成されるとの考えを便宜上採用しており、その考えに符合するように、図１２（ａ）には、インラインホログラム形成領域の外形を示すものとして破線円を示している。しかし実際には、二次元検出器２０の検出面の全体に亘ってインラインホログラムの情報を示すＸ線が入射する。つまり、図１２（ａ）に示す光強度検出パターンの全体に亘ってインラインホログラムの情報が含まれている、と考えることもできる。

反復的位相回復アルゴリズムを用いたステップＳ１６の演算では、反復計算の繰り返しの中で、試料１０の像の再構成と共に試料１０にあたるＸ線の振幅及び位相も導出される。故に、構造体４０に基づく参照光が試料１０に照射されていても何ら問題は無く、インラインホログラムの情報と回折Ｘ線の情報が１つの光強度検出パターンに混在していても何ら問題は無い。構造体４０に基づく参照光の試料１０への照射の有無に関係なく、反復計算の繰り返しの中で試料１０にあたるＸ線の振幅及び位相が明らかとなり（どのようなＸ線が試料１０にあたっているのかが解析され）、これに連動して試料１０の像が再構成される。

尚、参考実施形態において検出面に形成される透過強度パターン（透過Ｘ線強度パターン）もインラインホログラムの一種であると考えて良い。透過強度パターンとしてのインラインホログラムにおいては、試料１０の中にある直径１μｍの球形の発光点からの光を参照光と考えれば良い。その発光点からの光の一部は試料１０にて散乱され、残りは二次元検出器２０に向けて試料１０を素通りするが、その発光点からの光が試料１０によって散乱された光を物体光と考えれば良い。

第１実施形態は、透過強度パターンに基づくインラインホログラムの代わりに、構造体４０を用いたインラインホログラムを光強度検出パターンに含めるようにしたものであり、用いる反復的位相回復アルゴリズムは参考実施形態及び第１実施形態間で同じであって良い。

［参照光源用構造体の変形例］
参照光源用構造体４０の変形例について説明する。上述の円柱構造体４０Ａは、円柱部分に金属が配置された凸型の円柱構造体である。構造体４０として、円柱状に金属を取り除いた凹型の円柱構造体が採用されても良い。

図１３に、参照光源用構造体４０の例である凹型の円柱構造体４０Ｂの斜視図を示す。円柱構造体４０Ｂを、任意の種類の金属（例えばタンタル又は金）にて形成することができる。円柱構造体４０Ｂは、板状体４１Ｂに柱状開口部４２Ｂを設けた部材である。板状体４１Ｂは、ＸＹ面に平行な上面及び下面を有し、Ｚ軸方向に厚みを有する板状の金属である。板状体４１Ｂの厚みは数１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。Ｘ軸及びＹ軸方向において、板状体４１Ｂの大きさは円柱構造体４０Ｂの位置における入射光Ｌ０の大きさよりも大きい。柱状開口部４２Ｂは、板状体４１Ｂに設けられた柱状の穴である。柱状開口部４２Ｂの軸はＺ軸に平行である。板状体４１Ｂの中心及び柱状開口部４２Ｂの軸が入射光Ｌ０の光軸ＡＸ_ＯＰＴ上に位置するように、円柱構造体４０Ｂが形成及び配置される。ここでは、柱状開口部４２Ｂが真円の底面を有する円柱状の穴であるとし、その真円の直径をＲにて表す。

凸型の円柱構造体４０Ａでは、突出している柱体４２Ａの部分において、そうでない部分と比べ入射光Ｌ０の波面が乱れて（位相が遅れて）散乱が生じる。これに対し、凹型の円柱構造体４０Ｂでは、穴が形成されていない部分において、柱状開口部４２Ｂと比べ入射光Ｌ０の波面が乱れて（位相が遅れて）散乱が生じる。

円柱構造体４０Ｂも上述の第１及び第２必要条件を満たすように形成される。つまり、直径Ｒが試料１０の位置での入射光Ｌ０のスポット径ＳＲ（ここでは１μｍ）よりも小さいという第１必要条件が満たされる。また、試料１０の位置において、散乱光Ｌ１のＸ及びＹ軸方向における広がりの大きさが入射光Ｌ０のＸ及びＹ軸方向における広がりの大きさよりも大きいという第２必要条件が満たされる。第２必要条件の充足により、試料１０の位置において、試料１０に対する入射光Ｌ０の照射領域の全体を試料１０に対する散乱光Ｌ１の照射領域に内包させる。

凸型の構造体４０Ａ（図８（ａ）参照）において、金属による柱体４２Ａ（凸型の柱状構造部）の底面は楕円であっても良い。同様に、凹型の構造体４０Ｂ（図１３参照）において、柱状開口部４２Ｂ（凹型の柱状構造部）による穴としての柱体の底面は楕円であっても良い。但し、それらの形状が真円に近い方がＸ線散乱の等方性が高くなるため、検出ダイナミックレンジの圧縮効果（定められた検出時間で所望の分解能を得るために必要な検出ダイナミックレンジの低減効果）がより高まる。

また、凸型の構造体４０Ａ（図８（ａ）参照）において、金属による柱体４２Ａの底面は円以外（例えば多角形）であっても良い。同様に、凹型の構造体４０Ｂ（図１３参照）において、柱状開口部４２Ｂによる穴としての柱体の底面は円以外（例えば多角形）であっても良い。但し、それらの形状が真円に近い方がＸ線散乱の等方性が高くなるため、検出ダイナミックレンジの圧縮効果がより高まる。例えば、凸型の構造体４０Ａにおける柱体４２Ａの底面を四角形にした場合、インラインホログラムの中に強度の高いスポットが離散的に出現し、結果、それを真円とする場合よりも、検出ダイナミックレンジの圧縮効果が低くなる。

断面が真円の柱体４２Ａ又は柱状開口部４２Ｂを有する円柱構造体４０Ａ又は４０Ｂの場合に対しては直径Ｒに関連付けて第１必要条件を定義できるが、断面が真円以外の柱体４２Ａ又は柱状開口部４２Ｂを有する構造体４０をも考慮した場合、第１必要条件の表現が変更される。即ち、凸型の構造体４０Ａ（図８（ａ）参照）において、金属による柱体４２Ａの断面積（即ち底面の面積）は、試料１０の位置における入射光１０の広がり面積（Ｘ軸及びＹ軸方向の広がり面積）より小さくされるべきである。これが、構造体４０Ａが満たすべき第１必要条件であると考えて良い。同様に、凹型の構造体４０Ｂ（図１３参照）において、柱状開口部４２Ｂによる穴の断面積（柱状開口部４２Ｂによる穴としての柱体の底面の面積）は、試料１０の位置における入射光１０の広がり面積（Ｘ軸及びＹ軸方向の広がり面積）より小さくされるべきである。これが、構造体４０Ｂが満たすべき第１必要条件であると考えて良い。

［実験結果］
次に、イメージング装置１を用いた実験内容及び結果を説明する。当該実験は、放射光施設Ｓｐｒｉｎｇ−８のビームラインＢＬ２９ＸＵＬにて行われた。放射光施設の蓄積リングを周回する電子は、ビームラインの基部付近に配置されたアンジュレータ装置の形成する周期磁場により蛇行せしめられて放射光を放出する。この放射光がビームラインに入る。ビームラインに入ったＸ線領域の放射光は集光用の光学系を介し、入射光Ｌ０としてイメージング装置１に入射する。

実験においても、試料１０の位置における入射光Ｌ０のスポット径は１μｍであり、入射光Ｌ０としてのＸ線のエネルギは６．５ｋｅＶである。参照光源用構造体４０としては、図１３に示す凹型の構造体４０Ｂを用いた。実験において、構造体４０Ｂの材質は金であり、板状体４１Ｂの厚みは２５０ｎｍであって且つ柱状開口部４２Ｂの直径Ｒは２００ｎｍである。このような構造体４０Ｂを、金箔に穴を空ける加工を施すことで作製できる。図１４に、Ｚ軸方向から走査型電子顕微鏡によって観測した、実験における構造体４０Ｂの像（ＳＥＭ像）を示す。尚、上述の厚み：２５０ｎｍ及び直径Ｒ：２００ｎｍは、それらの設計値（目標値）であって、実際に作成された構造体４０Ｂでのそれらは誤差を含んでいる。

実験において、試料１０と参照光源用構造体４０（ここでは構造体４０Ｂ）との間の間隔は約１ｍｍである。この間隔は、板状体４１Ｂの厚み及び柱状開口部４２Ｂの直径Ｒなどを考慮しつつ、上述の第２必要条件を満たすように決定された。実験で用いた二次元検出器２０は、Princeton Instruments社製の直接撮像型ＣＣＤ検出器：ＰＩ−ＬＣＸ１３００である。試料１０としては、タンタル製、厚さ２００ｎｍのジーメンススターテストチャートを用いた。図１５に、Ｚ軸方向から走査型電子顕微鏡によって観測した、ジーメンススターテストチャートの一部の像（ＳＥＭ像）を示す。

実験においては、試料１０（ジーメンススターテストチャート）をＸ軸及びＹ軸方向の夫々において５００ｎｍずつステップ移動させながら、逐次、インラインホログラム及び回折強度パターンから成る光強度検出パターンを取得した。取得した光強度検出パターンの個数は（７×７）である。つまり“ｎ＝７×７”である。

参照光源用構造体４０の配置による影響を比較検証するために、構造体４０を有するイメージング装置１そのもの（以下、構造体有りイメージング装置とも言う）に加えて、イメージング装置１から構造体４０を削除した装置（以下、構造体無しイメージング装置とも言う）に対しても実験を行った。

図１６において、実験結果パターン４１０及び４２０は、試料１０の或る一点に入射光Ｌ０を照射したときの、実験によって取得された光強度検出パターン（インラインホログラム及び回折強度パターン）を示す。但し、パターン４１０は構造体有りイメージング装置において取得されたものであり、パターン４２０は構造体無しイメージング装置において取得されたものである。パターン４１０及び４２０の夫々において、中央付近の黒い正方形領域は遮蔽体５０によってＸ線の入射が遮蔽されている領域に相当する。パターン４１０において、構造体４０の配置に起因するインラインホログラム（同心円状の干渉縞）が発生していることが分かる。このインラインホログラムの中に、透過Ｘ線及び低角回折Ｘ線が含有する情報が内包される。

図１７の像４３０は、構造体有りイメージング装置において、実験にて取得された第１〜第ｎの光強度検出パターンから反復的位相回復アルゴリズムにより生成される試料１０（ジーメンススターテストチャート）の再構成像の一部である。図１７の像４４０は、構造体無しイメージング装置において、実験にて取得された第１〜第ｎの光強度検出パターンから反復的位相回復アルゴリズムにより生成される試料１０（ジーメンススターテストチャート）の再構成像の一部である。

再構成像４３０及び４４０の夫々は、試料１０による位相変化量をＸＹ面に投影した二次元像（二次元投影像）である。ここにおける位相変化量は、入射光Ｌ０が試料１０を通過したときの入射光Ｌ０の位相変化量であって、実験によって取得された第１〜第ｎの光強度検出パターンに基づき反復的位相回復アルゴリズムにより回復（演算）された量である。

再構成像４３０及び４４０において、黒に近い領域ほど位相変化量が大きいことを示している。構造体有りイメージング装置による再構成像４３０では、タンタルの厚みを示す位相が良好に回復されていることが分かる。これに対し、構造体無しイメージング装置による再構成像４４０では、取得された光強度検出パターンにおいて透過Ｘ線及び低角回折Ｘ線の情報が欠損しているため位相を正確に回復できず、タンタルの存在領域及び非存在領域間の境界の識別程度しか達成できていない。

本実施形態に係るイメージング装置１によれば、定められた検出時間において目的の分解能及び感度を達成するために二次元検出器２０に求められる検出ダイナミックレンジを低減することができる（例えば、考実施形態との比較において１０００分の１程度に圧縮することができる）。検出時間が一定であるという条件下において、本実施形態に係るイメージング装置１によれば、直接撮像型ＣＣＤ検出器（例えば数百万円程度で入手可能）を用いても、参考実施形態でピクセルアレイ検出器（例えば数千万円程度の費用が掛かる）を用いた場合と同等の分解能及び感度を実現できる。このため、既存の放射光ビームラインを活用した高分可能・高感度Ｘ線タイコグラフィの普及及び促進が期待される。

尚、非特許文献１などでは、二次元検出器の前面の中央付近にビームストップを配置した構成が示されている。当該構成では、高角回折Ｘ線のパターンを二次元検出器（ＣＣＤ）にて観測させるために、ビームストップを配置している。ビームストップを配置していないと、透過Ｘ線の強度が非常に大きいことに起因して、高角回折Ｘ線のパターンがノイズに埋もれてしまい、高角回折Ｘ線のパターンを全く又は精度良く二次元検出器（ＣＣＤ）にて観測することができない。従来方法において、実際に、二次元検出器の検出結果から低分解能及び高分解能情報の双方を含んだ試料像を構築するためには、ビームストップを取り払う必要がある。

＜＜第２実施形態＞＞
本発明の第２実施形態を説明する。第１実施形態で述べた技術をシングルショットイメージングに適用しても良い。この場合も、第１実施形態のイメージング装置１を利用できる。但し、Ｘ軸及びＹ軸方向において、試料１０の大きさは試料１０の位置における入射光Ｌ０の大きさ以下に限定される。

シングルショットイメージングが適用されるイメージング装置１では、試料１０のステップ移動は行われずに（従ってｎ＝１とされ）二次元検出器２０から１つの光強度検出パターンが取得され、取得された１つの光強度検出パターンから公知の位相回復方法に基づく演算により試料１０の像を生成する。例えば、取得された１つの光強度検出パターンに対して反復的位相回復アルゴリズムによる所定の演算を施すことで試料１０の像を生成する。この場合の反復的位相回復アルゴリズムも上述してきたものと同様であって良い。この際、例えば、試料１０が存在するであろうと推定される領域の外では電子密度がゼロであること及び電子密度が負になることは無いことなどを実空間拘束条件として用いて、上記反復演算を行えば良い。

＜＜第３実施形態＞＞
本発明の第３実施形態を説明する。第１実施形態で述べた技術を、ＥＵＶ光を使ったタイコグラフィに適用することもできる。ＥＵＶ光とは極端紫外線の波長を有した光である。図１８に、ＥＵＶ光を使ったタイコグラフィにより試料の像を生成するイメージング装置２００の概略構成図を示す。

ＥＵＶ光２０１、ＥＵＶマスク２０３、二次元検出器２０４、演算装置２０５、参照光源用構造体２１０、遮蔽体２２０は、夫々、第１実施形態における入射光Ｌ０、試料１０、二次元検出器２０、演算装置６０、参照光源用構造体４０、遮蔽体５０に相当するものである。入射光Ｌ０、試料１０、二次元検出器２０、演算装置６０、参照光源用構造体４０及び遮蔽体５０について第１実施形態で述べた事項を、矛盾無き限り、ＥＵＶ光２０１、ＥＵＶマスク２０３、二次元検出器２０４、演算装置２０５、参照光源用構造体２１０、遮蔽体２２０に適用して良い。

ＥＵＶ光２０１は、ミラー２０２を含む光学系を介して、ＥＵＶマスク２０３に対し所定の入射角度をもって照射される。ＥＵＶマスク２０３は、パターンが刻み込まれたマスクであって、極端紫外線リソグラフィに用いられる。ＥＵＶマスク２０３にて反射及び回折された、ＥＵＶ光２０１に基づく光（以下、ＥＵＶ反射・回折光と呼ぶ）は、ＥＵＶマスク２０３に対向配置された二次元検出器２０４にて受光され、ＥＵＶ反射・回折光による像が二次元検出器２０４にて検出される。つまり、二次元検出器２０４は、試料としてのＥＵＶマスク２０３の下流側に設けられる二次元ＥＵＶ光検出器であり、入射光（２０１）に基づく試料からの光を受け、受けた光の強度を所定の二次元平面内で検出する。第３実施形態において、上流とは、入射光としてのＥＵＶ光２０１の進行の向きにとっての上流を指し、当然、入射光（２０１）は上流側から下流側に向けて進行する。

参照光源用構造体２１０（以下、構造体２１０と略記することがある）は、ＥＵＶマスク２０３の上流側に設けられる構造体である。入射光としてのＥＵＶ光２０１は、構造体２１０に入射され、その後にＥＵＶマスク２０３に照射される。このため、入射光（２０１）の一部は構造体２１０にて散乱され、構造体２１０からの散乱光がＥＵＶマスク２０３に向けて放射される。

遮蔽体２２０は、ＥＵＶマスク２０３と二次元検出器２０４との間に配置され、二次元検出器２０４の検出面内の所定の遮蔽対象領域に対するＥＵＶマスク２０３からの光を遮蔽する。この際、第１実施形態で述べたのと同様、ＥＵＶマスク２０３から二次元検出器２０４に向かう光の内、少なくとも最大強度を持つ光が二次元検出器２０４（より詳細には二次元検出器２０４の検出面）に到達しないように、遮蔽体２２０が、ＥＵＶマスク２０３及び二次元検出器２０４間に配置される。これにより、二次元検出器２０４に必要な検出ダイナミックレンジを低減させることが可能となる。

ＥＵＶマスク２０３から二次元検出器２０４に向かう光の内、最大強度を持つ光は、ＥＵＶマスク２０３にて鏡面反射されたＥＵＶ光に含まれており、従って、二次元検出器２０４における遮蔽対象領域は、鏡面反射されたＥＵＶ光の受光領域（遮蔽体２２０が無かったならば鏡面反射されたＥＵＶ光を受光することになる領域）を含む領域である。つまり、ＥＵＶマスク２０３にて鏡面反射されたＥＵＶ光の、二次元検出器２０４（より詳細には二次元検出器２０４の検出面）への到達が、遮蔽体２２０によって遮蔽される。

入射したＥＵＶ光２０１に基づく構造体２１０からの散乱光がＥＵＶマスク２０３に入射される結果、構造体２１０からの散乱光を参照光とするインラインホログラムが二次元検出器２０４の検出面にて形成及び検出される。このインラインホログラムにおける物体光は、参照光に基づくＥＵＶマスク２０３からの散乱光である。一方、このインラインホログラム以外に、ＥＵＶマスク２０３の表面構造に応じた回折ＥＵＶ光パターン（回折されたＥＵＶ光が形成する干渉縞によるパターン）も二次元検出器２０４の検出面にて形成及び検出される。

ＥＵＶマスク２０３のマスク面に平行な方向（即ち、ＥＵＶマスク２０３に入射するＥＵＶ光２０１の光軸に直交する方向成分を持つ方向）にＥＵＶマスク２０３をステップ移動させながら、順次、インラインホログラム及び回折ＥＵＶ光パターンから成る光強度検出パターンを二次元検出器２０４から取得し、これによって得られた第１〜第ｎの光強度検出パターンを演算装置２０５に供給する。第１実施形態と同様、第ｉの光強度検出パターンを取得するときの試料（ここではＥＵＶマスク２０３）への入射光（ここではＥＵＶ光２０１）の照射領域は、第ｊの光強度検出パターンを取得するときの試料への入射光の照射領域と一部において重なり合う（ここで、ｉはｎ以下の任意の整数であって、且つ、ｊはｉ以外且つｎ以下の何れかの整数；１つのｉの値に対してｊの値は複数存在し得る）。演算装置２０５は、与えられた第１〜第ｎの光強度検出パターンに対して、タイコグラフィによる公知の反復的位相回復アルゴリズムによる所定の演算を施すことで、ＥＵＶマスク２０３の像を生成する。

＜＜変形等＞＞
本発明の実施形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。以上の実施形態は、あくまでも、本発明の実施形態の例であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以上の実施形態に記載されたものに制限されるものではない。上述の説明文中に示した具体的な数値は、単なる例示であって、当然の如く、それらを様々な数値に変更することができる。

１ イメージング装置
１０ 試料
２０ 二次元検出器
３０ 駆動装置
４０、４０Ａ、４０Ｂ 参照光源用構造体（散乱用構造体）
４１Ａ、４１Ｂ 板状体
４２Ａ 柱体（凸型の柱状構造部）
４２Ｂ 柱状開口部（凹型の柱状構造部）
５０ 遮蔽体
６０ 演算装置
Ｌ０ 入射光
２００ イメージング装置
２０１ ＥＵＶ光
２０３ ＥＵＶマスク（試料）
２０４ 二次元検出器
２０５ 演算装置
２１０ 参照光源用構造体（散乱用構造体）
２２０ 遮蔽体

Claims (7)

1. 入射光が照射される試料の上流側に配置され、前記入射光の一部を散乱させて散乱光を前記試料に向けて放射する散乱用構造体と、
   前記試料の下流側に配置され、前記入射光に基づいて前記試料から到来する光の強度を所定の二次元平面内で検出する二次元検出器と、
   前記試料からの前記二次元検出器に向かう光の内、少なくとも最大強度を持つ光の前記二次元検出器への到達を遮蔽する遮蔽体と、
   前記二次元検出器の検出結果に基づき前記試料の像を生成する演算手段と、を備えた
   ことを特徴とするイメージング装置。
2. 前記散乱用構造体は、前記入射光の光軸に平行な軸を持った凸型又は凹型の柱状構造部を有し、
   前記柱状構造部の断面積は、前記試料の位置における前記入射光の広がり面積よりも小さく、
   前記試料の位置における前記散乱用構造体からの散乱光の広がりの大きさは、前記試料の位置における前記入射光の広がりの大きさよりも大きい
   ことを特徴とする請求項１に記載のイメージング装置。
3. 前記遮蔽体は、少なくとも、前記入射光に基づく前記試料の透過光の前記二次元検出器への到達を遮蔽する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のイメージング装置。
4. 前記光軸に直交する方向成分を持つ方向に前記試料をステップ移動させながら前記二次元検出器による検出を繰り返し行うことで第１〜第ｎの光強度検出パターンを前記二次元検出器から取得し（ｎは２以上の整数）、
   第ｉの光強度検出パターンを取得するときの前記試料への前記入射光の照射領域は、第ｊの光強度検出パターンを取得するときの前記試料への前記入射光の照射領域と一部において重なり（ｉはｎ以下の整数、ｊはｉ以外且つｎ以下の何れかの整数）、
   前記演算手段は、前記第１〜第ｎの光強度検出パターンに基づき前記試料の像を生成する
   ことを特徴とする請求項２に記載のイメージング装置。
5. 前記入射光は、干渉性を有するＸ線を含む
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のイメージング装置。
6. 入射光が照射される試料の上流側に、前記入射光の一部を散乱させて散乱光を前記試料に向けて放射する散乱用構造体を配置するとともに、前記試料の下流側に、前記入射光に基づいて前記試料から到来する光の強度を所定の二次元平面内で検出する二次元検出器を配置し、
   前記試料からの前記二次元検出器に向かう光の内、少なくとも最大強度を持つ光の前記二次元検出器への到達を遮蔽した状態で、前記二次元検出器の検出結果に基づき前記試料の像を生成する
   ことを特徴とするイメージング方法。
7. 前記散乱用構造体は、前記入射光の光軸に平行な軸を持った凸型又は凹型の柱状構造部を有し、
   前記柱状構造部の断面積は、前記試料の位置における前記入射光の広がり面積よりも小さく、
   前記試料の位置における前記散乱用構造体からの散乱光の広がりの大きさは、前記試料の位置における前記入射光の広がりの大きさよりも大きい
   ことを特徴とする請求項６に記載のイメージング方法。