DE112018003696T5

DE112018003696T5 - Optisches Element für eine strahlungsbildgebende Einrichtung, strahlungsbildgebende Einrichtung und röntgenbildgebende Einrichtung

Info

Publication number: DE112018003696T5
Application number: DE112018003696.0T
Authority: DE
Inventors: Takashi Kameshima
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2017-07-20
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2020-04-02
Also published as: JP7011283B2; JP2019020336A; US11137503B2; US20210088677A1; WO2019017425A1

Abstract

Bei diesem bildgebenden Gerät wird ein einfallender Lichtstrahl (100), wie z.B. ein Röntgenstrahl, durch einen Szintillator in Fluoreszenzlicht umgewandelt, und ein Bild ist durch das Fluoreszenzlicht auf einem Bildsensor (30) durch ein bilderzeugendes optisches System ausgebildet, das aus einer Objektivlinse (10) und einer Abbildungslinse (20) besteht. Die Objektivlinse (10) umfasst eine Frontlinse (11), die den einfallenden Lichtstrahl (100) empfängt, und eine Nicht-Frontlinsen (12). Ein fluoreszierender Film (13), der als Szintillator dient, ist auf einer Oberfläche der Frontlinse (11) auf der Einfallseite des Lichtstrahls (100) vorgesehen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Element für eine strahlungsbildgebende Einrichtung, beispielsweise zur Verwendung in einer Synchrotronstrahlungsanlage und betrifft eine strahlungsbildgebende Einrichtung und eine röntgenbildgebende Einrichtung.
Stand der Technik
Eine Synchrotronstrahlungsanlage ist eine überdimensionale Röntgenlichtquelle, die Röntgenstrahlen mit hoher Richtwirkung und hoher Helligkeit erzeugt und wird als leistungsfähiges Werkzeug für die Beobachtung und Analyse in einer Vielzahl von Bereichen, von der Materialwissenschaft über die Biowissenschaft bis hin zur Grundlagenphysik eingesetzt. Um die Leistungsfähigkeit der Lichtquelle voll auszuschöpfen, ist ein Röntgendetektor mit hoher Messgenauigkeit bei gleichzeitig schneller Bedienung erforderlich. Insbesondere eine röntgenbildgebende Einrichtung, die Röntgensignale über einen weiten Bereich gleichzeitig erfassen kann, wird als äußerst vielseitiges Werkzeug eingesetzt.
Ein Aspekt der in einer röntgenbildgebenden Einrichtung geforderten Leistung ist die räumliche Auflösung. In einer röntgenbildgebenden Einrichtung ist die räumliche Auflösung ein entscheidender Parameter, der die Messgrenze, die Datenqualität und die Abmessungen der Einrichtung bestimmt. Eine höhere räumliche Auflösung führt zu einer höheren Erfassungsgenauigkeit.
Bekannte röntgenbildgebende Einrichtungen mit einer räumlichen Auflösung von 10 Mikrometern oder weniger umfassen eine Einrichtung, die einen Szintillator, ein bildgebendes optisches System und einen Bildsensor aufweist.
19 zeigt eine Übersichtsanordnung einer röntgenbildgebenden Einrichtungen, die einen Szintillator verwendet. In der röntgenbildgebenden Einrichtungen in 19 wird eine Probe 910 mit Strahlung, hier Röntgenstrahlung, bestrahlt; die Strahlung, welche die Probe 910 durchdringt oder an ihr gestreut wird, trifft auf einen Szintillator 901. Der Szintillator 901 wandelt das einfallende Licht, also die Röntgenstrahlung, in Fluoreszenzlicht mit einer längeren Wellenlänge um, das mit einer optischen Linse gebrochen werden kann. Ein Bild mit dem Fluoreszenzlicht des Szintillators 901 wird durch ein bildgebendes optsiches System 902 vergrößert (bzw. verkleinert) und anschließend auf einen Bildsensor 903 projiziert. Auf diese Weise werden Informationen über die Struktur der Probe 910 mit einer vorgegebenen räumlichen Auflösung erfasst.
Der theoretische Grenzwert der räumlichen Auflösung wird, wie bei Lichtmikroskopen, durch eine Rayleigh-Auflösungsgrenze bestimmt. Bei einer bildgebenden Einrichtung mit Szintillator wird die räumliche Auflösung durch die Beugung des Szintillator-Fluoreszenzlichts begrenzt, und die räumliche Auflösung δ ist bestimmt durch $δ= 0 .61 \times λ/ NA .$
Dabei steht λ für die Wellenlänge des Fluoreszenzlichts aus dem Szintillator; NA steht für die numerische Apertur der Objektivlinse in dem bildgebenden optischen System und ist bestimmt durch $NA = n \cdot sin θ .$
Dabei steht n für den Brechungsindex des zwischen der Objektivlinse und Szintillator vorhandenen Mediums; θ steht für den Öffnungswinkel, der sich auf den maximalen Winkel der von der Probe (hier dem Szintillator), die das Beobachtungsobjekt ist, auf die Objektivlinse einfallenden Strahlen bezogen auf die optische Achse bezieht.
20 zeigt einen Vergleich zwischen einer trockenen Objektivlinse und einer flüssigkeitsgekapselten Objektivlinse, die beide in der röntgenbildgebenden Einrichtung gemäß 19 verwendbar sind.
Wenn eine trockene Objektivlinse verwendet wird, ist das Medium zwischen der Objektivlinse und dem Szintillator ein Gas (typischerweise Luft), oder es ist ein Vakuum zwischen Objektivlinse und Szintillator vorgesehen. In diesen Fällen ist der Brechungsindex n etwa 1,0 und der Öffnungswinkel θ ist maximal etwa 72 Grad. Bei Verwendung einer trockenen Objektivlinse beträgt die numerische Apertur NA demnach maximal etwa 0,95, was 1 · sin 72° entspricht. Wird die Wellenlänge des Fluoreszenzlichts aus dem Szintillator mit 550 nm (Nanometer) angenommen, so ergibt sich bezüglich der räumlichen Auflösung δ, 0,61 × 550 × 10^-9 / 0,95 ≈ 353 × 10^-9 als Grenzwert 353 nm.
Bei Verwendung einer flüssigkeitsgekapselten Objektivlinse ist das Medium zwischen Objektivlinse und Szintillator Öl mit einem Brechungsindex von etwa 1,52 oder Wasser mit einem Brechungsindex von etwa 1,33. Somit ist die Brechung zwischen Szintillator und Medium im Vergleich zur Verwendung einer trockenen Objektivlinse geringer, was die Erfassung von Signalen weiter im Weitwinkelbereich ermöglicht. Der maximale Wert des Öffnungswinkels θ beträgt etwa 72 Grad. Bei Verwendung einer flüssigkeitsgekapselten Objektivlinse beträgt die numerische Apertur NA demnach maximal 1,44, was 1,52 · sin 72° entspricht. Wird die Wellenlänge des Fluoreszenzlichtes des Szintillators mit 550 nm (Nanometer) angenommen, ergibt sich bezüglich der räumlichen Auflösung δ, 0,61 × 550 × 10^-9 / 1,44 ≈ 233 × 10^-9 als Grenzwert 233 nm.
Im Hinblick auf das Erreichen der Rayleigh-Auflösungsgrenze δ, die den theoretischen Grenzwert darstellt, wird ein Verfahren zur Bildung einer Szintillator-Dünnschicht sowie eine Struktur einer solchen Szintillator-Dünnschicht offenbart, das die Eliminierung von defokussierten, d.h. nicht fokussierten Komponenten und die Unterdrückung der Lichtstreuung an der Szintillator-Grenzfläche umfasst (siehe unten angegebenes Patentdokument 1). Bekannt ist auch eine Technik, bei der ein Szintillator in die Form einer Linse gebracht wird, um das austretende Licht parallel zu richten (siehe unten angegebenes Patentdokument 2).
Quellenangabe
Patentliteratur

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldung veröffentlicht als Nr. 2016-45183
Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldung veröffentlicht als Nr. 2007-24584
Patentdokument 3: Japanische Patentanmeldung veröffentlicht als Nr. 2009-222578
Patentdokument 4: Japanische Patentanmeldung veröffentlicht als Nr. 2006-162293

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Wie oben erläutert, führt die Verwendung einer trockenen Objektivlinse im Vergleich zur Verwendung einer flüssigkeitsgekapselten Objektivlinse zu einer höheren räumlichen Auflösung δ. Allerdings weist eine flüssigkeitsgekapselte Objektivlinse begrenzte Anwendungsbereiche auf, da sie aufgrund der temperaturabhängigen Änderung des Brechungsindexes des Flüssigkeitsteils dazu neigt, den Fokus zu verlieren, die Flüssigkeit durch Trübung unter Strahlung undurchsichtig wird und die Flüssigkeit in Anwendungsbereichen, bei denen die Objektivlinse horizontal angeordnet ist, schwer zu halten ist. Ein Problem bei strahlungsbildgebenden Einrichtungen und dergleichen ist daher, dass die räumliche Auflösung praktisch nicht besser als 353 nm sein kann, wie diese mit einer trockenen Objektivlinse erreichbar ist. Während sich die obigen Erläuterungen insbesondere auf den Hintergrund und den damit verbundenen Stand der Technik röntgenbildgebender Einrichtungen bezieht, gelten ähnliche Umstände für strahlungsbildgebende Einrichtungen im Allgemeinen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches Element für eine strahlungsbildgebende Einrichtung, eine strahlungsbildgebende Einrichtung und eine röntgenbildgebende Einrichtung vorzuschlagen, die zur Verbesserung der räumlichen Auflösung beitragen.
Lösung des Problems
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in einem optischen Element für eine strahlungsbildgebende Einrichtung, das eine Objektivlinse umfasst und die einfallende Strahlung empfängt, ein Szintillator, der die Strahlung empfängt, um Fluoreszenzlicht mit einer längeren Wellenlänge als die Strahlung auszusenden, auf der Einfallsseite der Objektivlinse einheitlich mit der Objektivlinse vorgesehen.
Nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine strahlungsbildgebende Einrichtung einen Bildsensor und ein optisches Element für eine strahlungsbildgebende Einrichtung, wie zuvor beschrieben.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine röntgenbildgebende Einrichtung einen Bildsensor, ein optisches Element für eine strahlungsbildgebende Einrichtung, wie zuvor beschrieben, und eine röntgenstrahlerzeugende Einrichtung, die Röntgenstrahlen als die Strahlung erzeugt, die das optische Element für eine strahlungsbildgebende Einrichtung empfängt.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein optisches Element für eine strahlungsbildgebende Einrichtung, eine strahlungsbildgebende Einrichtung und eine röntgenbildgebende Einrichtung bereitzustellen, die zur Verbesserung der räumlichen Auflösung beitragen
Figurenliste

1 ist eine Darstellung, die konzeptionell eine Gesamtkonfiguration einer bildgebenden Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Darstellung, die den Aufbau eines bildgebenden optischen Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3A und 3B sind eine perspektivische Ansicht bzw. eine Seitenansicht einer Frontlinse in einer Objektivlinse;
4A bis 4D sind Darstellungen, die ein Verfahren zur Herstellung einer Frontlinse in einem Objektiv veranschaulichen;
5A bis 5C sind Darstellungen, die den Arbeitsabstand einer Objektivlinse veranschaulichen;
6A bis 6G sind Darstellungen, die verschiedene modifizierte Formen einer Frontlinse in Verbindung mit einem ersten Praxisbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen;
7 ist eine Darstellung, die eine Frontlinse in Form einer verkitteten Linse in Verbindung mit einem ersten Praxisbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist eine Darstellung als Referenz zum Vergleich mit einem zweiten Praxisbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9A und 9B sind Schnittansichten eines linsenförmigen Substrats und einer Frontlinse gemäß dem zweiten Praxisbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10 ist eine Darstellung, die eine kugelförmige Oberfläche und deren Zentrum in Bezug auf die Form der Einfallsfläche einer Frontlinse in Verbindung mit dem zweiten Praxisbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 ist eine Darstellung, die ein Beispiel des Zusammenhangs zwischen einer Probe, einer Frontlinse und dem von der Probe gebeugten Licht in Verbindung mit dem zweiten praktischen Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
12 ist eine konzeptionelle Darstellung einer Äquidistanzprojektion in Verbindung mit dem zweiten Praxisbeispiel der vorliegenden Erfindung;
13 ist eine Darstellung, die ein weiteres Beispiel für den Zusammenhang zwischen einer Probe, einer Frontlinse und dem von der Probe gebeugtem Licht in Verbindung mit dem zweiten Praxisbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
14 ist eine Darstellung, die ein weiteres Beispiel des Zusammenhangs zwischen einer Probe, einer Frontlinse und dem von der Probe gebeugten Licht in Verbindung mit dem zweiten Praxisbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
15 ist eine Darstellung, die eine Frontlinse mit einer auf der Austrittsfläche ausgebildeten konvexen Linsenanordnung in Verbindung mit einem dritten Praxisbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
16 ist eine Darstellung, die eine Frontlinse mit einer auf der Austrittsfläche ausgebildeten konkaven Linsenanordnung in Verbindung mit dem dritten erfindungsgemäßen Praxisbeispiel zeigt;
17 ist eine Darstellung, die den optischen Weg des Fluoreszenzlichts in Verbindung mit dem dritten erfindungsgemäßen Praxisbeispiel zeigt;
18 ist ein Diagramm, das die Anordnung einer röntgenbildgebenden Einrichtung gemäß dem fünften erfindungsgemäßen Praxisbeispiel zeigt;
19 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus einer röntgenbildgebenden Einrichtung mit einem Szintillator in Verbindung mit konventioneller Technik; und
20 ist eine Darstellung zum Vergleich einer trockenen Objektivlinse mit einer flüssigkeitsgekapselten Objektivlinse in Verbindung mit konventioneller Technik.

Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden Beispiele, die diese Erfindung verkörpern, anhand der beiliegenden Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. Bei den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird, sind dieselben Teile durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet, und es wird grundsätzlich keine sich überschneidende Beschreibung derselben Teile wiederholt. In der vorliegenden Beschreibung werden der Einfachheit halber Symbole und andere Bezeichnungen, die sich auf Informationen, Signale, physikalische Größen, Bauteile und dergleichen beziehen, verwendet, wobei die Namen der entsprechenden Informationen, Signale, physikalischen Größen, Bauteile und dergleichen weggelassen oder abgekürzt werden.
1 ist eine Darstellung, die konzeptionell eine allgemeine Anordnung einer bildgebenden Einrichtung 1 nach einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt. Die bildgebende Einrichtung 1 enthält eine Objektivlinse 10, eine Abbildungslinse 20, einen Bildsensor 30, einen Sensorantrieb/Signalprozessor 40, einen Linsenhalter 50 und einen Abbildungslinsenantrieb 60. Das Bezugszeichen „100“ bezeichnet Lichtstrahlen, die in die bildgebende Einrichtung 1 eingestrahlt werden.
Die Objektivlinse 10 und die Abbildungslinse 20 bilden ein bildgebendes optisches System. Die einfallenden Strahlen 100 treffen unter den Linsen, die das bildgebende optische System bilden, zuerst auf die Objektivlinse 10 auf. Das bildgebende optische System bildet ein Bild, basierend auf den einfallenden Strahlen 100, auf der Abbildungsfläche des Bildsensors 30 ab.
Der Bildsensor 30 ist ein festes Bildsensorelement, das einen CCD (ladungsgekoppelte Vorrichtung), CMOS (komplementäre Metalloxid-Halbleiter) oder einen anderen Bildsensor umfasst. Als Reaktion auf das Eingeben eines Sensorsteuersignals kann der Bildsensor 30 ein Bildsignal ausgeben, das ein auf der Abbildungsfläche abgebildetes Bild (optisches Bild) vermittelt.
Der Sensorantrieb/Signalprozessor 40 versorgt den Bildsensor 30 mit einem Sensorsteuersignal zur Ansteuerung und Kontrolle des Bildsensors 30 und erhält dadurch das oben genannte Bildsignal vom Bildsensor 30.
Der Linsenhalter 50 ist ein Linsenzylinder, der an vorbestimmten Positionen die Linsen, einschließlich der Objektivlinse 10 und der Abbildungslinse 20, die das bildgebende optische System bilden, trägt. Es wird hier angenommen, dass alle Linsen, die das bildgebende optische System bilden, von einem einzigen Linsenhalter 50 getragen werden. Ebenso kann der Linsenhalter 50 aus mehreren Linsenhaltern zusammengesetzt sein. Der Linsenhalter 50 kann beispielsweise aus einem Objektivlinsenhalter, der die Objektivlinse 10 trägt und einem Abbildungslinsenhalter, der die Abbildungslinse 20 trägt, zusammengesetzt sein, und der Objektivlinsenhalter und der Abbildungslinsenhalter können separate Halter sein. Die bildgebende Einrichtung 1 kann ein Gehäuse (nicht dargestellt), das die bildgebende optische Einrichtung und den Bildsensor 30 trägt, aufweisen.
Der Abbildungslinsenantrieb 60 ist ein Antriebsmechanismus, der die Abbildungslinse 20 entlang des optischen Weges des Fluoreszenzlichtes bewegt, was nachfolgend beschrieben wird.
Mit Bezug auf 2 wird nachfolgend der Aufbau des bildgebenden optischen Systems einschließlich der Objektivlinse 10 detailliert beschrieben. Probenbestrahlungsstrahlen wie z.B. Röntgenstrahlen werden auf eine Probe SS gestrahlt, und die Probenbestrahlungsstrahlen, die durch die Probe SS durchgelassen und an der Probe SS gestreut wurden, treffen als einfallende Strahlen 100 auf die Objektivlinse 10. Die durch die Probe SS durchgelassenen Bestrahlungsstrahlen betreffen die Bestrahlungsstrahlen der Probe, die durch die Probe SS durchgelassen wurden, ohne von der Probe SS gestreut zu werden. Für die konkrete Beschreibung wird ein dreidimensionales rechtwinkliges Koordinatensystem angenommen, das durch drei senkrecht zueinander stehende Achsen, die X-, Y- und Z-Achse, definiert ist. Die Bewegungsrichtung der auf die Probe SS auftreffenden Bestrahlungsstrahlen der Probe SS ist parallel zur Z-Achse. Dementsprechend ist die Bewegungsrichtung der Probenbestrahlungsstrahlen, die durch die Probe SS durchgelassen wurden, ebenso parallel zur Z-Achse. Die Ebene, die parallel zur X- und Y-Achse liegt, wird als XY-Ebene, die Ebene, die parallel zur Y- und Z-Achse liegt, als YZ-Ebene und die Ebene, die parallel zur Z- und X-Achse liegt, als ZX-Ebene bezeichnet.
Die Objektivlinse 10 umfasst eine Frontlinse 11 und eine Nicht-Frontlinse 12, d.h. jede von der Frontlinse 11 verschiedene Linse. Um die Aberrationen in der gesamten Objektivlinse 10 gering zu halten, ist die Objektivlinse 10 aus mehreren Linsen zusammengesetzt. Von allen Linsen, aus denen die Objektivlinse 10 gebildet ist, befindet sich die Frontlinse 11 am nächsten zur Einfallsstelle der einfallenden Strahlen 100 (diese ist also in der Position angeordnet, die der Probe SS am nächsten liegt). Das heißt, die Frontlinse 11 befindet sich näher zur der Einfallstelle der einfallenden Strahlen 100 als die Nicht-Frontlinse 12, und somit treffen die einfallenden Strahlen 100 auf die Frontlinse 11.
Auf der Oberfläche der Frontlinse 11, die näher an der Einfallstelle der einfallenden Strahlen 100 liegt, ist ein Fluoreszenzfilm 13 als Szintillator vorgesehen. Es wird hier angenommen, dass sich der Fluoreszenzfilm 13 in einer Ebene senkrecht zur Z-Achse verteilt. D.h. es wird angenommen, dass der Fluoreszenzfilm 13 ein planarer Film ist, der sich in der XY-Ebene verteilt und der eine Dicke in Richtung der Z-Achse aufweist. In dieser Ausgestaltung hat der auf der Oberfläche der Frontlinse 11 gebildete Szintillator eine so geringe Dicke, dass dieser als Film bezeichnet werden kann, und dementsprechend der Szintillator als Fluoreszenzfilm bezeichnet wird. In der Praxis kann der Szintillator jede beliebige Dicke aufweisen und kann dann als fluoreszierendes Element bezeichnet werden. Von der Frontlinse 11 wird der Teil, in dem der Fluoreszenzfilm 13 nicht gebildet ist, als linsenförmiges Substrat 14 bezeichnet. Zwischen dem linsenförmigen Substrat 14 und dem Fluoreszenzfilm 13 ist kein Spalt vorhanden. Es ist ebenso möglich zu verstehen, dass das linsenförmige Substrat 14 den Fluoreszenzfilm 13 auf dessen Oberfläche gebildet hat, um die einfallenden Strahlen 100 am Fluoreszenzfilm 13 zu empfangen.
Dadurch, dass der Fluoreszenzfilm 13 auf der Oberfläche der Frontlinse 11 näher an der Einfallstelle der einfallenden Strahlen 100 vorgesehen ist, treffen die einfallenden Strahlen 100, die sich in Richtung der Objektivlinse 10 bewegen, auf den Fluoreszenzfilm 13. Die Bestrahlungsstrahlen der Probe und die einfallenden Strahlen 100 sind Lichtstrahlen mit einer vorbestimmten Wellenlänge WL1, und sind z.B. Gammastrahlen, Röntgenstrahlen oder ultraviolette Strahlen (z.B. insbesondere extremes Ultraviolett). Der Fluoreszenzfilm 13 ist aus einem Szintillatormaterial ausgebildet, das beim Empfang der einfallenden Strahlen 100 Fluoreszenzlicht erzeugt. Die Wellenlänge WL2 des Fluoreszenzlichts ist länger als die Wellenlänge WL1, und das Fluoreszenzlicht kann, typischerweise, sichtbares Licht sein. Dies soll jedoch nicht ausschließen, dass das von dem Fluoreszenzfilm 13 ausgehende Fluoreszenzlicht Licht im ultravioletten Bereich ist. Wenn in der nachfolgenden Beschreibung dieser Ausführungsform Fluoreszenzlicht erwähnt wird, so ist darunter das Fluoreszenzlicht zu verstehen, das im Fluoreszenzfilm 13 erzeugt wird.
Das im Fluoreszenzfilm 13 erzeugte Fluoreszenzlicht bewegt sich in verschiedene Richtungen, beginnend am Ort der Erzeugung. Zumindest ein Teil des im Fluoreszenzfilm 13 erzeugten Fluoreszenzlichts durchdringt das linsenförmige Substrat 14 der Frontlinse 11 und tritt in die Nicht-Frontlinse 12 ein.
Die Nicht-Frontlinse 12 besteht aus einer oder mehreren Linsen. Zusammen mit dem linsenförmigen Substrat 14 der Frontlinse 11 richtet die Nicht-Frontlinse 12 das Fluoreszenzlicht des Fluoreszenzfilms 13 zu parallelem Licht und lenkt es auf die Abbildungslinse 20. Die Abbildungslinse 20 bildet mit dem Fluoreszenzlicht der Objektivlinse 10 ein Bild auf der Abbildungsfläche des Bildsensors 30 ab. Obwohl in 2 die Abbildungslinse 20 als eine einzelne Linse dargestellt ist, kann die Abbildungslinse 20, sowie die Objektivlinse 10, aus mehreren Linsen zusammengesetzt sein. Durch die Nicht-Frontlinse 12 können Aberrationen korrigiert werden. In einem Fall, in dem Aberrationen allein durch die Frontlinse 11 und die Abbildungslinse 20 ausreichend korrigiert werden können, kann die Nicht-Frontlinse 12 in dem bildgebenden optischen System weggelassen werden.
Auf der Abbildungsfläche des Bildsensors 30 sind zur fotoelektrischen Umwandlung des mit dem Fluoreszenzlicht abgebildeten Bildes fotoelektrische Konversionspixel zweidimensional angeordnet. Die photoelektrische Umwandlung liefert ein Bildsignal, das ein elektrisches Signal ist. Das auf den Bildsensor 30 abgebildete Bild reflektiert die Emissionsposition und die Emissionsintensität des Fluoreszenzlichts auf dem Fluoreszenzfilm 13. Die Emissionsposition und die Emissionsintensität des Fluoreszenzlichts auf dem Fluoreszenzfilm 13 hängen von der Einfallposition und der Einfallintensität der einfallenden Strahlen 100 auf dem Fluoreszenzfilm 13 ab. So wird ein Bild mit dem Fluoreszenzlicht, das die Einfallposition und die Einfallintensität der einfallenden Strahlen 100 auf den Fluoreszenzfilm 13 reflektiert, auf den Bildsensor 30 abgebildet. Dabei kann das bildgebende optische System einschließlich der Objektivlinse 10 und der Abbildungslinse 20 das Bild mit dem im Fluoreszenzfilm 13 erzeugten Fluoreszenzlicht auf die Abbildungsfläche des Bildsensors 30 mit Vergrößerung (bzw. mit Verkleinerung) projizieren.
Da die einfallenden Strahlen 100 Informationen über die Struktur der Probe SS umfassen (d.h. Informationen über das äußere Erscheinungsbild und die innere Struktur der Probe SS), ist das auf dem Bildsensor 30 abgebildete Bild eine Aufnahme der Probe SS umfassend Strukturinformationen über die Probe SS. Werden beispielsweise Röntgenstrahlen als Bestrahlungsstrahlen der Probe SS verwendet, wird ein Röntgenbild der Probe SS auf dem Bildsensor 30 abgebildet.
Die Frontlinse 11 einschließlich des linsenförmigen Substrats 14 und des Fluoreszenzfilms 13 besteht, vereinfacht gesagt, aus einer Substanz, die das Fluoreszenzlicht durchlässt, aber die einfallenden Strahlen 100 entweder nicht oder weniger als das Fluoreszenzlicht durchlässt. Das heißt, die Frontlinse 11 einschließlich des linsenförmigen Substrats 14 und des Fluoreszenzfilms 13 besteht aus einer für das Fluoreszenzlicht durchlässigen Substanz, die für die einfallenden Strahlen 100 eine geringere Durchlässigkeit aufweist als für das Fluoreszenzlicht. Solange sie diese Eigenschaften aufweist, kann zur Bildung der Frontlinse 11 jede Art von Substanz verwendet werden. Hier wird angenommen, dass das linsenförmige Substrat 14 aus LuAG gebildet wird. LuAG ist eine Abkürzung für Lu₃Al₅O₁₂ (Lutetium-Aluminium-Granat).
Der Fluoreszenzfilm 13 wird aus einer Substanz gebildet, die durch Zugabe eines Additivs in einem vorbestimmten Verhältnis zu derselben Substanz wie die des linsenförmigen Substrats 14 (d.h. des Materials des linsenförmigen Substrats 14) erhalten wird. Dabei wird angenommen, dass der Fluoreszenzfilm 13 aus Pr:LuAG gebildet wird. Pr:LuAG ist LuAG, dem Praseodym als Additiv zugesetzt wurde. Dadurch emittiert der Fluoreszenzfilm 13 bei Bestrahlung mit den einfallenden Strahlen 100 Fluoreszenzlicht mit einer Wellenlänge von 305 nm. Die Konzentration des Additivs beträgt in dem Fluoreszenzfilm 13 beispielsweise etwa 0,5 %.
Ein Teil (ein großer Teil, abhängig von der Dicke des Fluoreszenzfilms 13) der einfallenden Strahlen 100, wie z.B. Strahlung, wird durch den Fluoreszenzfilm 13 durchgelassen. Wenn die einfallenden Strahlen 100, wie die Strahlung oder ähnliches, den Bildsensor 30 erreichen, können diese den Bildsensor 30 zersetzen oder zerstören. Um dies zu verhindern, wird das linsenförmige Substrat 14 entsprechend dick ausgebildet, sodass die einfallenden Strahlen 100, die durch den Fluoreszenzfilm 13 durchgelassen werden, ausreichend gedämpft werden.
Andererseits ist der Fluoreszenzfilm 13 mit einer geringeren Dicke als die des linsenförmigen Substrats 14 ausgebildet, also beispielsweise eine Dicke im Bereich von 100 nm bis 2 mm. Die Verringerung der Dicke des Fluoreszenzfilms 13 hilft, die Variation des Emissionsortes des Fluoreszenzlichtes in der Ausbreitungsrichtung der einfallenden Strahlen 100 zu unterdrücken, was zu einer besseren räumlichen Auflösung der bildgebenden Einrichtung 1 führt. Im Gegensatz dazu trägt eine Erhöhung der Dicke des Fluoreszenzfilms 13 dazu bei, die Menge des Fluoreszenzlichts zu erhöhen. Die Dicke des Fluoreszenzfilms 13 kann unter Berücksichtigung des Kompromisses zwischen der räumlichen Auflösung und der Lichtmenge bestimmt werden.
Der Fluoreszenzfilm 13 ist mit dem linsenförmigen Substrat 14 so verbunden, dass die Kontinuität des Brechungsindexes erhalten bleibt. Die Verbindung des Fluoreszenzfilms 13 mit dem linsenförmigen Substrat 14 unter Beibehaltung der Kontinuität des Brechungsindex bedeutet, dass die Verbindungsgrenzfläche zwischen dem Fluoreszenzfilm 13 und dem linsenförmigen Substrat 14 eine im Wesentlichen gleichmäßige Brechungsindexstruktur aufweist. Zum Beispiel beträgt der Unterschied im Brechungsindex zwischen dem linsenförmigen Substrat 14 und dem Fluoreszenzfilm 13 0,1 % oder weniger oder in der Größenordnung von 0,1 % relativ zum Brechungsindex des linsenförmigen Substrats 14, und somit kann festgehalten werden, dass die Verbindungsgrenzfläche zwischen dem Fluoreszenzfilm 13 und dem linsenförmigen Substrat 14 eine im Wesentlichen gleichmäßige Brechungsindexstruktur aufweist. Dadurch wird die Streuung, Brechung und Reflexion des Fluoreszenzlichts an der Verbindungsgrenzfläche unterdrückt.
3A und 3B sind eine perspektivische Ansicht bzw. eine Seitenansicht der Frontlinse 11. Obwohl in 2 nicht dargestellt, um eine komplexe Abbildung zu vermeiden, ist in der Frontlinse 11 ein Antireflexfilm 15 auf der Oberfläche des linsenförmigen Substrats 14 angeordnet, der nicht mit dem Fluoreszensfilm 13 in Kontakt steht, und ebenso ist ein Antireflexfilm 16 auf der Oberfläche des Fluoreszensfilms 13 angeordnet, der nicht mit dem linsenförmigen Substrat 14 in Kontakt steht. D.h. in Ausbreitungsrichtung der einfallenden Strahlen 100 gesehen (wobei die Streuung an der Probe SS ignoriert wird), weist die Frontlinse 11 den Antireflexfilm 16, den Fluoreszensfilm 13, das linsenförmige Substrat 14 und den Antireflexfilm 15 in dieser Reihenfolge auf.
Der Antireflexfilm 15 ist beipsielsweise ein dünner Film mit einer Dicke, die einem Viertel der Wellenlänge des Fluoreszenzlichts entspricht. Der Antireflexfilm 15 verhindert die Reflexion des Fluoreszenzlichts, indem dieser das Reflexionslicht, das aus der Reflexion des Fluoreszenzlichts an der Grenzfläche zwischen dem linsenförmigen Substrat 14 und dem Antireflexfilm 15 resultiert, mit dem Reflexionslicht, das aus der Reflexion des Fluoreszenzlichts an der Oberfläche des Antireflexfilms 15 resultiert, aufhebt. Als Antireflexfilm 15 kann stattdessen ein aus zwei oder mehreren dielektrischen Filmen gebildeter Mehrschichtfilm verwendet werden.
Der Antireflexfilm 16 hat den gleichen Aufbau wie der Antireflexfilm 15. Der Antireflexfilm 16 verhindert die Reflexion des Fluoreszenzlichts, indem dieser das Reflexionslicht, das aus der Reflexion des Fluoreszenzlichts an der Grenzfläche zwischen dem Fluoreszenzfilm 13 und dem Antireflexfilm 16 resultiert, mit dem Reflexionslicht, das aus der Reflexion des Fluoreszenzlichts an der Oberfläche des Antireflexfilms 16 resultiert, aufhebt.
Mit Bezug auf die 4A bis 4C wird ein Beispiel des Verfahrens zur Herstellung der Frontlinse 11 beschrieben. Dabei wird angenommen, dass im linsenförmigen Substrat 14 die Fläche SF1, auf der der Fluoreszenzfilm 13 gebildet wird, eine ebene Fläche parallel zur XY-Ebene ist und die äußere Kontur der ebenen Fläche auf der XY-Ebene kreisförmig ist. Die äußere Kontur kann ebenso anders als kreisförmig ausgebildet sein. Das linsenförmige Substrat 14 fungiert als eine plan-konvexe Linse, und im linsenförmigen Substrat 14 ist die der Fläche SF1 gegenüberliegende Fläche eine konvexe Fläche SF2. Wie in 4A gezeigt, werden eine fluoreszierende Platte 13S, die schließlich zu dem fluoreszierenden Film 13 geformt wird, und ein linsenförmiges Substrat 14 vorbereitet. Die fluoreszierende Platte 13S ist ein plattenförmiges Element mit der gleichen Kontur in der XY-Ebene wie die Fläche SF1 des linsenförmigen Substrats 14 und wird aus der gleichen Substanz wie der Fluoreszenzfilm 13 gebildet. Das linsenförmige Substrat 14 wirkt als eine der Linsen, aus denen die Objektivlinse 10 besteht, und hat eine Dicke, eine Krümmung usw., welche der optischen Gestaltung der Objektivlinse 10 entspricht. Andererseits kann die Fluoreszenzplatte 13S unter Berücksichtigung der einfachen Handhabung etc. beliebig dick ausgeführt werden.
Mit der Fluoreszenzplatte 13S und dem separat vorbereiteten linsenförmigen Substrat 14, wie in 4B dargestellt, wird die Fläche SF1 des linsenförmigen Substrats 14 durch Festphasendiffusion mit einer Fläche der Fluoreszenzplatte 13S verbunden. Anschließend wird die Fluoreszenzplatte 13S von der Seite, die der Seite gegenüberliegt, die mit dem linsenförmigen Substrat 14 verbunden ist, verschlankt. Die so verschlankte Fluoreszenzplatte 13S ist der Fluoreszenzfilm 13 (siehe 4C). In dem Fall, dass die Fluoreszenzplatte 13S von Anfang an die gleiche Dicke wie der Fluoreszenzfilm 13 aufweist, muss die Fluoreszenzplatte 13S nicht verschlankt werden. Schließlich wird, wie in 4D gezeigt, z.B. durch Vakuumabscheidung, ein Antireflexfilm 15 auf der Fläche des linsenförmigen Substrats 14 gebildet, der nicht mit dem Fluoreszenzfilm 13 in Kontakt steht, und auf der Fläche des Fluoreszenzfilms 13, der nicht mit dem linsenförmigen Substrat 14 in Kontakt steht, wird ein Antireflexfilm 16 gebildet.
Das Verfahren des Verbindens durch Festphasendiffusion ist vergleichbar dem Verfahren des Verbindens eines Substrats und einer fluoreszierenden Platte im Patentdokument 1 ( JP-A-2016-45183 ), und auch die Vorbehandlung (Polieren, Reinigen usw.) des linsenförmigen Substrats 14 und der Fluoreszenzplatte 13S, die vor dem Verbinden durchgeführt werden kann, sowie das Verfahen des Verschlankens der Fluoreszenzplatte 13S erfolgen wie im Patentdokument 1 offenbart. Das in 4A bis 4D gezeigte Verfahren zur Herstellung der Frontlinse 11 ist nur ein Beispiel und erlaubt verschiedene Modifikationen. So kann z.B. die Reihenfolge der Arbeitsschritte gegenüber der Beschreibung beliebig verändert werden. Konkret ist es z.B. möglich, zuerst die Fluoreszenzplatte 13S und das Substrat (im folgenden das Rohsubstrat), das schließlich zum linsenförmigen Substrat 14 geformt wird, durch Festphasendiffusion miteinander zu verbinden, dann die Fluoreszenzplatte 13S zum Fluoreszenzfilm 13 zu verschlanken und dann das Rohsubstrat zu einer Linse zu formen. Das so bearbeitete Rohsubstrat ist nun das linsenförmige Substrat 14.
Die obige Beschreibung betrifft einen Fall, bei dem das linsenförmige Substrat 14 und die Fluoreszenzplatte 13S, die aus einem gemeinsamen Basismaterial gebildet werden, durch Festphasendiffusion ohne Verwendung einer Beimischung wie z.B. eines Adhäsives miteinander verbunden werden. Dies soll jedoch nicht ausschließen, dass das linsenförmige Substrat 14 und die Fluoreszenzplatte 13S mit einem Adhäsive miteinander verbunden werden (nach dem Verbinden wird das Verfahren wie oben beschrieben fortgesetzt). Es ist sogar möglich, ein linsenförmiges Substrat 14 und eine Fluoreszenzplatte 13S aus unterschiedlichen Basismaterialien miteinander zu verbinden. Werden jedoch das linsenförmige Substrat 14 und die Fluoreszenzplatte 13S mit einem Adhäsiv verbunden, wird das Fluoreszenzlicht an der Grenzfläche zwischen Adhäsiv und linsenförmigem Substrat 14 und an der Grenzfläche zwischen Adhäsiv und Fluoreszenzfilm 13 (die Fluoreszenzplatte 13S nach dem Verschlanken) gestreut und reflektiert, wodurch das auf dem Bildsensor 30 abgebildete Bild unscharf wird. Um dies zu vermeiden, ist der Einsatz von Festphasendiffusion vorzuziehen. Solange der Fluoreszenzfilm 13 mit der Fläche SF1 des linsenförmigen Substrats 14 verbunden werden kann, kann jedoch jede beliebige Verbindungstechnik eingesetzt werden. Zum Beispiel kann die Substanz (hier Pr:LuAG), aus welcher der Fluoreszenzfilm 13 gebildet wird, auf der Oberfläche SF1 des linsenförmigen Substrats 14 abgeschieden werden. In jedem Fall wird auf der Einfallseite der Objektivlinse 10 (genauer gesagt auf der Oberfläche der Objektivlinse 10, die näher an der Einfallstelle der einfallenden Strahlen 100 liegt) der Fluoreszenzfilm 13 so vorgesehen, dass diese mit der Objektivlinse 10 (hier die Frontlinse 11) eine Einheit bildet.
Auf der Oberfläche des Fluoreszenzfilms 13, die nicht mit dem linsenförmigen Substrat 14 in Kontakt steht, kann anstelle des Antireflexfilms 16 ein reflektierender Film vorgesehen werden, der das Fluoreszenzlicht reflektiert. Das in dem Fluoreszenzfilm 13 erzeugte Fluoreszenzlicht breitet sich in verschiedene Richtungen aus, beginnend an der Stelle, an der es erzeugt wird. Der reflektierende Film reflektiert das sich in dessen Richtung ausbreitende Fluoreszenzlicht, um das Fluoreszenzlicht in Richtung der Nicht-Frontlinse 12 zu lenken. Die Verwendung des refelektierenden Films trägt dazu bei, die Menge des Fluoreszenzlichts zu erhöhen, die den Bildsensor 30 erreicht, und hilft auch, den Durchgang von dem Fluoreszenzlicht verschiedenen Streulicht (z. B. sichtbarem Licht) durch die Frontlinse 11 zu unterdrücken, führt aber tendenziell zu einer geringeren räumlichen Auflösung. Das heißt, bei einem Vergleich einer Struktur, bei der ein Antireflexfilm 16 auf der Oberfläche des Fluoreszenzfilms 13, der nicht mit dem linsenförmigen Substrat 14 in Kontakt steht, vorgesehen ist, mit einer Struktur, bei der dort ein reflektierender Film vorgesehen ist, ist letztere in Bezug auf die Menge des Fluoreszenzlichts vorteilhaft und erstere vorteilhaft in Bezug auf die räumliche Auflösung. Selbst wenn ein reflektierender Film vorgesehen ist, hilft die ausreichend dünne Ausgestaltung des Fluoreszenzfilms 13, die Verringerung der räumlichen Auflösung auf einen zu vernachlässigen Grad zu halten. Umgekehrt muss der Fluoreszenzfilm 13 nicht so dünn ausgestaltet werden, wenn eine Antireflexschicht 16 vorgesehen ist.
Bei einer herkömmlichen bildgebenden Einrichtung (siehe 20) ist das Medium zwischen Linse und Szintillator ein Gas oder eine Flüssigkeit, oder es herrscht ein Vakuum zwischen Linse und Szintillator. In der bildgebenden Einrichtung 1 dieser Ausführungsform hingegen ist das Medium zwischen der Linse und dem Szintillator das linsenförmige Substrat 14, das ein für das Fluoreszenzlicht transparenter Festkörper ist. D.h. in der Ausführungsform einem Substrat die Form einer Linse zu geben, das auch zur Abschwächung der einfallenden Strahlen 100 wie Strahlung benötigt wird, führt dazu, dass das Medium zwischen der Linse und dem Szintillator durch das Substrat (hier das linsenförmige Substrat 14) gefüllt (untermauert) wird. Dadurch ist ermöglicht, dem Medium einen höheren Brechungsindex n zu geben als bei herkömmlichen Trockenobjektivlinsen und flüssigkeitsgekapselten Objektivlinsen.
Betrachtet wird ein Fall, bei dem, wie oben beschrieben, das linsenförmige Substrat 14 aus LuAG gebildet wird und der Fluoreszenzfilm 13 Fluoreszenzlicht mit einer Wellenlänge λ von 305 nm emittiert. Da LuAG einen Brechungsindex n von 2,03 aufweist, ergibt sich, wenn der Öffnungswinkel θ mit 72 Grad angenommen wird, die numerische Apertur NA der Objektivlinse 10 als NA = n · sin θ = 2,03 × sin 72° ≈ 1,93, was weit größer ist als die herkömmliche Grenze des Öffnungswinkels (0,95 bei einem trockenen Objektiv). In diesem Fall ergibt sich die räumliche Auflösung δ des bildgebenden optischen Systems der bildgebenden Einrichtung 1 zu δ = 0,61 × λ / NA = 0,61 × 305 × 10-9 / 1,93 ≈ 96 × 10-9, was weit über der herkömmlichen Grenze der räumlichen Auflösung liegt.
Wie zuvor beschrieben, ist es mit der bildgebenden Einrichtung 1 dieser Ausführungsform möglich, die numerische Apertur der Objektivlinse und die räumliche Auflösung des bildgebenden optischen Systems gegenüber den herkömmlichen Normen stark zu erhöhen. Darüber hinaus wird durch die Verwendung eines Festkörpers als Medium eine deutlich verbesserte Temperaturstabilität gegenüber einer flüssigkeitsgekapselten Objektivlinse erwartet. Darüber hinaus ist ein Festkörper im Gegensatz zu einer Flüssigkeit weder fließfähig noch verdampft dieser und erreicht dadurch eine mechanische Langzeitstabilität.
Um eine Auflösung bis über 100 nm wie im obigen Rechenbeispiel zu erreichen, ist es notwendig, nicht nur die numerische Apertur NA zu erhöhen und die Wellenlänge λ des Fluoreszenzlichts zu verkürzen, sondern auch die Faktoren, die zu einer geringeren Auflösung führen, so weit wie möglich zu reduzieren. Wenn ein linsenförmiges Substrat 14 und ein Fluoreszenzfilm 13 aus einem gemeinsamen Basismaterial (z.B. LuAG) unmittelbar miteinander verbunden sind, beträgt der Unterschied im Brechungsindex zwischen diesen 0,1 % oder weniger; somit erscheint das Element, das aus dem linsenförmigen Substrat 14 und dem Fluoreszenzfilm 13, die miteinander verbunden sind, resultiert, optisch gesehen im Wesentlichen als ein einziger kristalliner Körper. Dies hilft, die Verringerung der Auflösung an der Grenzfläche zwischen dem linsenförmigen Substrat 14 und dem Fluoreszenzfilm 13 zu minimieren. Dementsprechend ist es vorteilhaft, dass die Linse (hier das linsenförmige Substrat 14), die in der Objektivlinse 10 enthalten ist und die den Fluoreszenzfilm 13 einheitlich aufweist, aus einem festen optischen Material (hier LuAG) mit einem solchen Brechungsindex ausgebildet ist, dass der Unterschied im Brechungsindex zwischen dieser Linse und dem Fluoreszenzfilm 13 einen vorbestimmten Wert oder weniger aufweist. Der vorbestimmte Wert kann 0,1 % sein und kann jeder andere Wert nahe 0,1 % sein.
Im Allgemeinen wird bei bildgebenden Einrichtungen wie Mikroskopen die Ebene, auf der eine Probe als Abbildungsobjekt liegt, als Probenebene bezeichnet, und der Abstand vom vorderen Ende der Objektivlinse zur Probenebene mit Fokus auf der Probenebene (mit anderen Worten, der Abstand vom vorderen Ende der Objektivlinse zur Probe mit Fokus auf der Probe) wird als Arbeitsabstand bezeichnet. Bei der bildgebenden Einrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform entspricht der Fluoreszenzfilm 13 der Probe (d.h. der Fluoreszenzfilm 13 dient als Lichtquelle als Abbildungsziel). In der bildgebenden Einrichtung 1 wird die Probenebene am Fluoreszenzfilm 13 eingestellt und das bildgebende optische System ist so ausgestaltet, dass die Position, an welcher der Fokus erreicht wird (Fokuspunkt), am Fluoreszenzfilm 13 als Probenebene fixiert ist, so dass der Arbeitsabstand der Objektivlinse 10 einen Null- oder Negativwert aufweist.
Das heißt, das bildgebende optische System ist so ausgebildet, dass das von einem bestimmten Emissionspunkt des Szintillators (hier der Fluoreszenzfilm 13) ausgehende Fluoreszenzlicht an einer Stelle auf dem Bildsensor 30 abgebildet wird. „Ein Stelle“ ist hier ein Begriff, der einen Bereich entsprechend eines Streuungskreises abdeckt, wobei der Fluoreszenzfilm 13 vorzugsweise innerhalb der Schärfentiefe des bildgebenden optischen Systems angeordnet wird.
Ergänzend wird nun der Arbeitsabstand der Objektivlinse 10 beschrieben. Der Fluoreszenzfilm 13 weist eine endliche Dicke t in Richtung der Z-Achse auf. Wenn also der Fokuspunkt auf die Mitte des Fluoreszenzfilms 13 eingestellt ist, ist der Arbeitsabstand gleich (-t/2). Das heißt, es kann gesagt werden, dass der Arbeitsabstand einen negativen Wert aufweist. Wie in 5A gezeigt, weist der Arbeitsabstand einen positiven Wert auf, wenn, gemäß einer bildgebenden Einrichtung wie einem gewöhnlichen Mikroskop, die Richtung, die von der Probenebene zum vorderen Ende der Objektivlinse 10 weist, und die Richtung des Lichts, das sich von der Probenebene in das bildgebende optische System ausbreitet, zusammenfallen. Im Gegensatz dazu hat der Arbeitsabstand einen negativen Wert, wenn, wie in 5B gezeigt, die Richtung, die von der Probenebene zum vorderen Ende der Objektivlinse 10 weist, und die Richtung des Lichtes, das sich von der Probenebene in das abbildende optische System ausbreitet, entgegengesetzt sind.
Wenn in der bildgebenden Einrichtung 1 der Fokuspunkt auf die Mitte des Fluoreszenzfilms 13 eingestellt ist, dann ist, wie in 5C gezeigt, eine Ebene, die durch die Mitte des Fluoreszenzfilms 13 verläuft und parallel zur XY-Ebene ist, die Probenebene. Die Richtung, die von der Probenebene zum vorderen Ende des Objektivs weist, und die Richtung des Fluoreszenzlichts, das sich von der Probenebene in das bildgebende optische System ausbreitet, sind also entgegengesetzt zueinander, und der Arbeitsabstand hat einen negativen Wert (-t / 2). Wenn man davon ausgeht, dass die einfallenden Strahlen 100 sich von der negativen zur positiven Seite entlang der Z-Achse ausbreiten, bezieht sich das vordere Ende der Objektivlinse 10 auf den Teil der Frontlinse 11, der am weitesten zur negativen Seite entlang der Z-Achse liegt (mit anderen Worten, der Teil des Fluoreszenzfilms 13, der am weitesten zur negativen Seite entlang der Z-Achse liegt). Wenn in dem bildgebenden optischen System die Position des vorderen Endes der Objektivlinse 10 und die Position der Probenebene zusammenfallen, ist der Arbeitsabstand gleich Null.
Die Schärfe kann beispielsweise wie folgt gezielt eingestellt werden. Im Strahlengang vom Fluoreszenzszintillator (hier der Fluoreszenzfilm 13) zum Bildsensor 30 wird die Abbildungslinse 20 zwischen der Objektivlinse 10 und dem Bildsensor 30 so eingesetzt, dass die Position der Abbildungslinse 20 entlang der optischen Achse des Strahlenganges mit dem Abbildungslinsenantrieb 60 einstellbar ist. Anschließend kann die Position der Abbildungslinse 20 so eingestellt und bestimmt werden, dass das Bild mit dem Fluoreszenzlicht auf der Abbildungsfläche des Bildsensors 30 abgebildet wird (d.h. so, dass der Fokus auf dem Fluoreszenzfilm 13 ist; in anderen Worten, dass das Bild mit dem Fluoreszenzlicht auf dem Bildsensor 30 scharf abgebildet wird). Obwohl hier der Strahlengang vom Fluoreszenzszintillator (hier der Fluoreszenzfilm 13) zum Bildsensor 30 als geradliniger Strahlengang angenommen wird, kann dieser ebenso ein gekrümmter oder gefalteter Strahlengang sein, wie er mit einer reflektierenden Optik erreicht wird.
Aberrationen (sphärische, chromatische und andere Aberrationen), die im bildgebenden optischen System auftreten, können in der Objektivlinse 10 von der Vielzahl von Linsen, die das abbildende optische System bilden, korrigiert werden.
Der Einfachheit halber wird die bisher beschriebene Ausgestaltung, Bedienung und andere Merkmale der bildgebenden Einrichtung 1 als das grundlegende Praxisbeispiel bezeichnet. Das grundlegende Praxisbeispiel ist offen für Abwandlungen und andere Techniken, wie diese im Folgenden anhand einiger praktischer Beispiele beschrieben wird. Sofern nicht anders angegeben oder nicht widersprüchlich, gilt die Beschreibung des grundlegenden Praxisbeispiels für die nachstehend beschriebenen praktischen Beispiele; für jede spezifische Beschreibung eines der später beschriebenen praktischen Beispiele, die nicht mit dem grundlegenden Praxisbeispiel übereinstimmt, ist die spezifische Beschreibung des praktischen Beispiels maßgeblich. Sofern nicht widersprüchlich, gilt jedes der Merkmale, die in Verbindung mit einem der unten beschriebenen praktischen Beispiele beschrieben werden, für jedes andere der praktischen Beispiele (d. h. zwei oder mehrere der verschiedenen praktischen Beispiele können miteinander kombiniert werden).
« Erstes Praxisbeispiel »
Ein erstes Praxisbeispiel wird beschrieben. In dem grundlegenden Praxisbeispiel erhält das linsenförmige Substrat 14 die Form einer plankonvexen Linse, so dass die Frontlinse 11 als plankonvexe Linse wirkt. Je nach Ausgestaltung der Objektivlinse 10 kann die Form des linsenförmigen Substrats 14 und damit auch die Form der Frontlinse 11 beliebig geändert werden. Beispielsweise kann die Form des linsenförmigen Substrats 14 so festgelegt werden, dass die Frontlinse 11 als plankonkave Linse, bikonvexe Linse, bikonkave Linse, Meniskuslinse, achromatische Linse oder verklebte Linse oder als Linsenanordnung aus solchen Linsen wirkt. Diese Linsen müssen nicht unbedingt sphärische, sondern können auch asphärische Oberflächen aufweisen.
Konkret kann beispielsweise, obwohl die Frontlinse 11 im grundlegenden Praxisbeispiel eine ebene Oberfläche auf der Einfallseite und eine konvexe Oberfläche auf der Austrittsseite aufweist, ebenso jede der in den 6A bis 6G gezeigten Frontlinsen 11a bis 11g als Frontlinse 11 verwendet werden. In 6A bis 6G bezeichnen die Bezugszeichen „13a bis 13g“ die Fluoreszenzfilme 13 in den Frontlinsen 11a bis 11g, und die Bezugszeichen „14a bis 14g“ bezeichnen das linsenförmige Substrat 14 in den Frontlinsen 11a bis 11g. Bei jeder Frontlinse, die im Zusammenhang mit dem grundlegenden Praxisbeispiel, dem ersten Praxisbeispiel, und den später beschriebenen Praxisbeispielen beschrieben wird, bezeichnet die Einfalloberfläche die Oberfläche der Frontlinse, die auf der Einfallseite der einfallenden Strahlen 100 angeordnet ist (d. h. die Oberfläche, welche die einfallenden Strahlen 100 empfängt und in Bezug auf das linsenförmige Substrat die Oberfläche, durch die das Fluoreszenzlicht einfällt), und die Austrittsfläche bezeichnet die Oberfläche der Frontlinse, die der auf der Einfallseite der einfallenden Strahlen 100 angeordneten Oberfläche gegenüberliegt (in Bezug auf das linsenförmige Substrat die Oberfläche, durch die das Fluoreszenzlicht austritt).
Die Frontlinse 11a weist eine flache Oberfläche auf der Einfallseite und eine konkave Oberfläche auf der Austrittsseite auf.
Die Frontlinse 11b weist eine konkave Oberfläche auf der Einfallseite und eine flache Oberfläche auf der Austrittsseite auf.
Die Frontlinse 11c hat eine konkave Oberfläche auf der Einfallseite und eine konkave Oberfläche auf der Austrittsseite.
Die Frontlinse 11d hat eine konkave Oberfläche auf der Einfallseite und eine konvexe Oberfläche auf der Austrittsseite.
Die Frontlinse 11e hat eine konvexe Oberfläche auf der Einfallseite und eine flache Oberfläche auf der Austrittsseite.
Die Frontlinse 11f hat eine konvexe Oberfläche auf der Einfallseite und eine konkave Oberfläche auf der Austrittsseite.
Die Frontlinse 11f hat eine konvexe Oberfläche auf der Einfallseite und eine konvexe Oberfläche auf der Austrittsseite.
Bei jeder Frontlinse, die im Zusammenhang mit dem grundlegenden Praxisbeispiel, dem ersten Praxisbeispiel, und den später beschriebenen Praxisbeispielen beschrieben wird, bedeutet die Tatsache, dass diese eine konkave oder konvexe Oberfläche auf der Einfallseite aufweist, dass die Einfallseite eine konkave oder konvexe Oberfläche aufweist, aber nicht ausschließt, dass diese teilweise eine flache Oberfläche aufweist. Ebenso bedeutet bei jeder Frontlinse, die im Zusammenhang mit dem grundlegenden Praxisbeispiel, dem ersten Praxisbeispiel, und den später beschriebenen Praxisbeispielen beschrieben wird, dass die konkave oder konvexe Oberfläche auf der Austrittsseite eine konkave oder konvexe Oberfläche aufweist, aber nicht ausschließt, dass diese teilweise eine ebene Oberfläche aufweist.
Bei jeder Frontlinse, die im Zusammenhang mit dem grundlegenden Praxisbeispiel, dem ersten Praxisbeispiel, und den später beschriebenen Praxisbeispielen beschrieben wird, sofern diese eine konkave oder konvexe Oberfläche auf der Einfallseite aufweist, ist das Bild mit dem Fluoreszenzlicht, das aus dem Fluoreszenzfilm auf der Frontlinse, welche die einfallenden Strahlen 100 empfängt, resultiert, vorübergehend ein Bild auf einer gekrümmten Oberfläche; das Bild auf der gekrümmten Oberfläche wird dann durch die aus mehrere Linsen zusammengesetzte Objektivlinse 10 in ein Bild auf einer ebenen Oberfläche (ein planares Bild) umgewandelt, so dass das planare Bild über die Abbildungslinse 20 auf der Abbildungsfläche des Bildsensors 30 abgebildet wird. D.h. das bildgebende optische System ist so ausgestaltet, dass unabhängig davon, welche der im Zusammenhang mit dem grundlegenden Praxisbeispiel, dem ersten Praxisbeispiel und den später beschriebenen Praxisbeispielen beschriebenen Frontlinsen verwendet wird, ein Bild mit dem Fluoreszenzlicht des Fluoreszenzfilms als planares Bild auf der Abbildungsfläche des Bildsensors 30 abgebildet wird. In einem Fall, in dem das Bild mit dem Fluoreszenzlicht aus dem Fluoreszenzfilm ein Bild auf einer gekrümmten Oberfläche ist, kann das Bild mit dem Fluoreszenzlicht mit jeder beliebigen Methode auf den Bildsensor 30 projiziert werden, einschließlich Äquidistanzprojektion, raumwinkelgleiche Projektion, stereographische Projektion und Orthogonalprojektion. Linsenausgestaltungen zur Umwandlung eines Bildes auf einer gekrümmten Oberfläche mit einer konkaven oder konvexen Oberfläche in ein Bild auf einer ebenen Oberfläche sind bekannt, daher werden keine Details hierzu angegeben. In einem Fall, in dem das Bild mit dem Fluoreszenzlicht aus dem Fluoreszenzfilm ein Bild auf einer flachen Oberfläche ist, wie bei der Verwendung einer plan-konvexen Linse als Frontlinse, kann das Bild mit dem Fluoreszenzlicht durch Zentralprojektion auf den Bildsensor 30 projiziert werden.
Jede Frontlinse, die im Zusammenhang mit dem grundlegenden Praxisbeispiel, dem ersten Praxisbeispiel und den später beschriebenen Praxisbeispielen beschrieben wird, kann als verklebte Linse ausgebildet werden. 7 zeigt als Beispiel eine Seitenansicht der Frontlinse 11 im grundlegenden Praxisbeispiel, wenn diese als verklebte Linse ausgebildet ist. Das Ausgestalten der Frontlinse 11 als eine verklebte Linse bedeutet, dass das linsenförmige Substrat 14 der Frontlinse 11 durch Zusammenkleben mehrerer Linsen zusammengesetzt wird. In 7 werden zwei Linsen miteinander verklebt, um das linsenförmige Substrat 14 zu bilden; stattdessen können drei oder mehr Linsen miteinander verklebt werden, um das linsenförmige Substrat 14 zu bilden. Dasselbe gilt in Fällen, in denen eine andere Frontlinse als die Frontlinse 11 des grundlegenden Praxisbeispiels als verklebte Linse ausgebildet ist.
« Zweites Praxisbeispiel »
Ein zweites Praxisbeispiel wird beschrieben. Das zweite Praxisbeispiel befasst sich mit spezifischen modifizierten Techniken, die mit der Form des linsenförmigen Substrats zusammenhängen.
Angenommen, dass die Bestrahlungsstrahlen der Probe, wie z.B. Röntgenstrahlen, auf eine Probe gestrahlt und gebeugt werden. Dann wird der Winkel zwischen dem Vektor, der die Ausbreitungsrichtung der Probenbestrahlungsstrahlen vor der Beugung angibt, und der Vektor, der die Ausbreitungsrichtung der Probenbestrahlungsstrahlen nach der Beugung angibt, als Beugungswinkel φ definiert. Das Bild des gebeugten Lichts enthält Strukturinformationen über die Probe SS, und es enthält Strukturinformationen mit höherer räumlicher Auflösung je weiter in Richtung des Weitwinkels (d.h. in einem Bereich größerer Beugungswinkel φ). D.h. die Beobachtung der gebeugten Komponenten weiter zur Weitwinkelseite hin, ist für eine hohe Auflösung unerlässlich. Um gebeugte Komponenten möglichst weit auf der Weitwinkelseite zu beobachten, ist es bei Verwendung eines Detektors mit flacher Detektionsfläche notwendig, entweder die Detektionsfläche nahe an die Probe zu bringen oder die Detektionsfläche zu vergrößern. Eine zu große Annäherung der Detektionsfläche an die Probe führt jedoch ungünstigerweise dazu, dass der Detektor bei der Erfassung des Beugungswinkels eine unzureichende Auflösung aufweist. Um dies zu vermeiden, ist es üblich, die Detektionsfläche zu vergrößern, während diese in einem Abstand angeordnet ist, in dem sie eine ausreichende Auflösung aufweist. Es wurden verschiedene Verfahren untersucht, um die Detektionsfläche zu vergrößern, wie z.B. die Vergrößerung der Fläche des Szintillators und die Verwendung eines Sensorfeldes mit zweidimensional angeordneten Bildsensoren. 8 zeigt als Referenz das Konzept solcher Verfahren. Diese Verfahren führen ungünstigerweise zu einer Erhöhung der Kosten und der Größe der Einrichtung.
In Anbetracht dessen, wird im zweiten Praxisbeispiel eine Frontlinse mit einer konkaven Oberfläche auf der Einfallseite verwendet. 9A ist eine Schnittansicht des linsenförmigen Substrats 14A durch eine beliebige Schnittebene senkrecht zur Z-Achse. Das linsenförmige Substrat 14A hat zwei einander gegenüberliegende Oberflächen SF1A und SF2A, wobei die Oberflächen SF1A und SF2A den Oberflächen SF1 und SF2 im grundlegenden Praxisbeispiel entsprechen (siehe 4A). Das heißt, von den Oberflächen SF1A und SF2A entspricht die Oberfläche SF1A der Einfallseite und die Oberfläche SF2A der Austrittsseite. Die Oberfläche SF1A ist eine konkave Fläche und die Oberfläche SF2A ist eine konvexe Fläche. 9B ist eine Schnittansicht der Frontlinse 11A durch eine beliebige Schnittebene senkrecht zur Z-Achse. Ein Fluoreszenzfilm 13A als ein Szintillator ist mit der konkaven Fläche SF1A des linsenförmigen Substrats 14A verbunden, und dadurch wird die Frontlinse 11A gebildet. Das heißt, im zweiten Praxisbeispiel werden die Frontlinse 11A, der Fluoreszenzfilm 13A und das linsenförmige Substrat 14A als Frontlinse 11, Fluoreszenzfilm 13 und linsenförmiges Substrat 14 verwendet. Die konkave Oberfläche SF1A entspricht der Hälfte einer Kugelfläche (im folgenden auch Halbkugelfläche genannt), und in 10 wird der Mittelpunkt der Kugelfläche durch das Bezugszeichen „SO“ bezeichnet. In der obigen Beschreibung wird der Einfachheit halber die konkave Oberfläche SF1A als auf dem linsenförmigen Substrat 14A vorgesehen beschrieben; ebenso kann die konkave Fläche SF1A unter Berücksichtigung der gesamten Frontlinse 11A als Einfallfläche der Frontlinse 11A verstanden werden.
Wie in 11 gezeigt, kann eine Probe SS im Mittelpunkt der oben genannten Kugeloberfläche angeordnet werden. Dann treffen die einfallenden Strahlen 100 mit Beugungswinkeln φ von 90 Grad oder weniger auf den Fluoreszenzfilm 13A, der genau wie die konkave Oberfläche SF1A geformt ist, ein und tragen zur Emission von Fluoreszenzlicht bei. In 11 bezeichnet das Bezugszeichen „18“ konzeptionell eine Komponente einer Folgestufe der Frontlinse 11A, wobei die Darstellung nicht als die tatsächliche Form der Komponente der Folgestufe der Frontlinse 11 zu verstehen ist (gleiches gilt für 13 und 14, auf die später eingegangen wird). 11 zeigt zwar eine Schnittansicht durch die Frontlinse 11A und die Komponente 18 der Folgestufe, um jedoch eine unübersichtliche Darstellung zu vermeiden, sind diese dort nicht schraffiert dargestellt (das gleiche gilt für 13 und 14, auf die später eingegangen wird).
In dem Fluoreszenzfilm 13A wird, ausgehend von den auf diesen einfallenden Strahlen 100, ein sphärisches Bild mit dem Fluoreszenzlicht erhalten. Das Bild mit dem Fluoreszenzlicht des Fluoreszenzfilms 13A wird durch äquidistante Projektion durch die Objektivlinse 10 von einem sphärischen Bild (ein Bild auf einer sphärischen Fläche) in ein planares Bild (ein Bild auf einer ebenen Fläche) umgewandelt und dann auf dem Bildsensor 30 abgebildet. 12 ist eine konzeptionelle Darstellung der äquidistanten Projektion. Wie durch einen Vergleich von 8 als Referenz und 11 mit dem zweiten Praxisbeispiel zu verstehen ist, ist es möglich, gebeugte Komponenten ausreichend weit zur Weitwinkelseite (zur Erfassung von Beugungssignalen der einfallenden Strahlen 100 bis hin zu Ultraweitwinkeln) platzsparend zu beobachten und damit eine hohe räumliche Auflösung zu erreichen.
Die konkave Oberfläche SF1A kann anstelle einer Kugelfläche auch eine Ellipsoidfläche sein. Das heißt, die konkave Oberfläche SF1A kann eine Hälfte einer ellipsoidischen Oberfläche (im Folgenden auch als Halbellipsoidfläche bezeichnet) sein.
Unter Berücksichtigung der Maximierung der auf der Weitwinkelseite aufgenommenen Beugungskomponenten, der erreichten Symmetrie des erhaltenen Bildes usw. kann die Probe SS im Mittelpunkt der sphärischen oder ellipsoidischen Fläche platziert werden; ebenso kann die Probe SS an einer beliebigen anderen Stelle platziert werden. Wenn es zum Beispiel tolerierbar ist, den Bereich, in welchem gebeugte Komponenten auf der Weitwinkelseite erfasst werden, einzugrenzen, z.B. in einem Fall, in dem aus Gründen, die mit der Platzierung der Probe SS zusammenhängen, viel Platz dahinter gelassen werden muss, kann die Probe SS an einer Position platziert werden, die weiter von der konkaven Fläche SF1A entfernt ist als der Mittelpunkt der sphärischen oder ellipsoidischen Oberfläche. Genauer gesagt, kann die Probe SS, wie in 13 gezeigt, an einer Position platziert werden, die um einen vorbestimmten Abstand vom Mittelpunkt der sphärischen oder ellipsoidischen Oberfläche in der Richtung verschoben ist, die der Ausbreitungsrichtung der Bestrahlungsstrahlen der Probe entgegengesetzt ist. Die Position der Probe SS kann so verstanden werden, dass diese die Position des Schwerpunkts oder des geometrischen Zentrums der Probe SS angibt. In 13 bezeichnet das Bezugszeichen „70“ eine Probenzuführung, welche die Probe SS an der so verschobenen Position zuführt. Es ist ebenso möglich, die Probe SS an einer Position zu platzieren, die näher an der konkaven Oberfläche SF1A liegt als der Mittelpunkt der sphärischen oder ellipsoidischen Oberfläche.
Wie bereits erwähnt, kann die konkave Fläche SF1A in der Form einer Hälfte einer Kugelfläche (d.h. einer Halbkugelfläche) ausgebildet werden. Ebenso kann die konkave Oberfläche SF1A Teil einer halbkugelförmigen Oberfläche sein. Angenommen, dass eine ganze Kugeloberfläche in einer Ebene in zwei Teile geteilt wird, die nicht durch den Mittelpunkt der Kugeloberfläche geht; dann kann die Form der kleineren der beiden Teilkugelflächen (Kugelkronen) der konkaven Fläche SF1A zugeordnet werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn aus Gründen, die mit der Platzierung der Probe SS zusammenhängen, viel Platz dahinter gelassen werden muss. Das heißt, wenn eine Platzierung wie in 13 veranschaulicht angenommen wird, ist es möglich, wie in 14 gezeigt, die konkave Fläche SF1A in Form eines Teils einer halbkugelförmigen Fläche zu bilden. Ebenso kann die konkave Fläche SF1A in der Form eines Teils einer halb-elliptischen Oberfläche gebildet werden.
Im ersten zuvor beschriebenen Praxisbeispiel werden als modifizierte Beispiele der Frontlinse 11 im grundlegenden Praxisbeispiel die Frontlinsen 11a bis 11g vorgestellt (siehe 6A bis 6G). Die Frontlinse 11A im zweiten Praxisbeispiel dient ebenso als Beispiel für die Frontlinse 11d im ersten Praxisbeispiel. Im zweiten Praxisbeispiel kann die Form des linsenförmigen Substrats 14A so modifiziert werden, daß die Austrittsfläche der Frontlinse 11A eine ebene oder konkave Fläche ist.
« Drittes Praxisbeispiel »
Ein drittes Praxisbeispiel wird beschrieben. Während die Frontlinse 11 eine flache, konkave oder konvexe Oberfläche auf der Einfallseite erhält, kann die Frontlinse 11 eine konvexe Linsenanordnung auf der Austrittsseite haben; ebenso kann die Frontlinse 11 eine flache, konkave oder konvexe Oberfläche auf der Einfallseite erhalten, während die Frontlinse 11 eine konkave Linsenanordnung auf der Austrittsseite hat. 15 und 16 zeigen die Frontlinsen 11P und 11Q als Beispiele für die Frontlinse 11, die eine Linsenanordnung verwendet. Die Frontlinse 11P hat eine flache Oberfläche auf der Einfallseite und eine konvexe Linsenanordnung auf der Austrittsseite. Die Frontlinse 11Q hat eine flache Oberfläche auf der Einfallseite und eine konkave Linsenanordnung auf der Austrittsseite. In 15 und 16 bezeichnen die Bezugszeichen „13P“ und „13Q“ die Fluoreszenzfilme 13 in den Frontlinsen 11P bzw. 11Q, und die Bezugszeichen „14P“ und „14Q“ die linsenförmigen Substrate 14 in den Frontlinsen 11P bzw. 11Q.
Obwohl in 15 nicht ersichtlich, sind auf der Austrittsseite der Frontlinse 11P mehrere konvexe Oberflächen entlang der X- und Y-Achsenrichtung angeordnet, so dass eine aus mehreren konvexen Oberflächen zusammengesetzte konvexe Linsenanordnung ausgebildet ist. Dies soll jedoch nicht ausschließen, dass eine Vielzahl von konvexen Oberflächen nur entlang einer der Richtungen der X-Achse und der Y-Achse angeordnet sind. Ebenso sind auf der Austrittsseite der Frontlinse 11Q mehrere konkave Oberflächen jeweils entlang der X- und Y-Achsenrichtung angeordnet, so dass eine aus mehreren konkaven Oberflächen zusammengesetzte konkave Linsenanordnung ausgebildet ist. Dies soll jedoch nicht ausschließen, dass eine Vielzahl von konkaven Oberflächen nur entlang einer der Richtungen der X-Achse und der Y-Achse angeordnet sind.
17 zeigt schematisch für den Fall, dass die Frontlinse 11P verwendet wird, den optischen Weg des Fluoreszenzlichtes des Fluoreszenzfilms 13P. In 17 ist die Abbildungslinse 20 in der Darstellung weggelassen. Das an einem bestimmten Punkt des Fluoreszenzfilms 13P erzeugte Fluoreszenzlicht breitet sich durch eine der konvexen Flächen, welche die konvexe Linsenanordnung bilden, aus und konvergiert an einer Stelle auf dem Bildsensor 30, die der Position des bestimmten Punktes entspricht. Durch die Verwendung der Frontlinse 11P entfällt die Notwendigkeit der Nicht-Frontlinse 12. Die Verwendung der Frontlinse 11Q erfordert ein separates optisches System für die Abbildung, wie z.B. eine konvexe Linsenanordnung, die an einer Position gegenüber der Austrittsseite der Frontlinse 11 angeordnet ist. In diesem Praxisbeispiel hat die bildgebende Einrichtung 1 keine so hohe räumliche Auflösung wie im grundlegenden Praxisbeispiel etc., bietet aber bei Verwendung eines großflächigen Szintillators eine verbesserte Lichtkonvergenz-Effizienz.
« Viertes Praxisbeispiel »
Ein viertes Praxisbeispiel wird beschrieben. Im vierten Praxisbeispiel und in den später beschriebenen Praxisbeispielen wird davon ausgegangen, dass sich die Frontlinse, der Fluoreszenzfilm und das linsenförmige Substrat auf die Frontlinse, den Fluoreszenzfilm und das linsenförmige Substrat beziehen, die in Verbindung mit einem der grundlegenden Praxisbeispiele und dem ersten bis dritten zuvor beschriebenen Praxisbeispiel vorgestellt werden.
In der bildgebenden Einrichtung 1 wirkt der Fluoreszenzfilm als Szintillator, während das linsenförmige Substrat nicht als Szintillator funktioniert. Das heißt, selbst wenn die einfallenden Strahlen 100 auf das linsenförmige Substrat einfallen, wird im linsenförmigen Substrat kein Fluoreszenzlicht erzeugt. Dies soll jedoch nicht ausschließen, dass schwaches Fluoreszenzlicht im linsenförmigen Substrat erzeugt wird, wenn die einfallenden Strahlen 100 auf das linsenförmige Substrat auftreffen.
In der bildgebenden Einrichtung 1 ist das Material des linsenförmigen Substrats (d.h. die Substanz, aus der das linsenförmige Substrat ausgebildet ist) das Basismaterial des Szintillators. Während die obige Beschreibung sich mit Beispielen befasst, bei denen LuAG als das Material des linsenförmigen Substrats verwendet wird, soll dies nicht das Material des linsenförmigen Substrats beschränken; ebenso kann jedes beliebige einer Vielzahl von festen optischen Materialien als Material des linsenförmigen Substrats verwendet werden. Als Material des linsenförmigen Substrats (d.h. als festes optisches Material) kann z.B. jedes beliebige aus Y₃Al₅O₁₂, Lu₂SiO₅, LuYSiOs, LuYSiO₅, Gd₃Ga₅O₁₂, CdWO₄, Bi₄Ge₃O₁₂, Gd₂SiO₅, Gd₂O₂S, Y₂SiO₅, Yb₂SiO₅, YAlO₃, LuAlO₃, Gd₃Al₂Ga₃O₁₂, LaBr₃, CeBr₃, SrI₂, GdAlO₃, Cs₂HfCl₆, LiCaAlF₆ und Lu₂O₃ oder eine Mischung aus zwei oder mehreren davon verwendet werden.
Der Fluoreszenzfilm wird aus einem Material gebildet, das durch Zugabe eines vorbestimmten Additivs zum Material des linsenförmigen Substrats erhalten wird. Das Additiv ist nicht auf das oben erwähnte beschränkt und kann jedes andere Material sein, solange der Fluoreszenzfilm als Szintillator wirkt; die Art des Additivs kann unter Berücksichtigung z.B. der erforderlichen Wellenlänge des Fluoreszenzlichts bestimmt werden. Die Konzentration des Additivs im Fluoreszenzfilm kann ebenfalls wie erforderlich bestimmt werden.
Wie oben beschrieben, können das Grundmaterial und das Additiv für den Szintillator auf vielfältige Weise modifiziert werden, und das im Fluoreszenzfilm erzeugte Fluoreszenzlicht kann jedes Licht sein, das als ultraviolettes oder sichtbares Licht mit einer Wellenlänge z.B. im Bereich von 200 nm bis 700 nm klassifiziert ist.
Wenn das linsenförmige Substrat aus LuAG gebildet ist und der Fluoreszenzfilm so gestaltet ist, dass dieser Fluoreszenzlicht mit einer Wellenlänge λ von 305 nm emittiert, hat das linsenförmige Substrat einen Brechungsindex n = 2,03. Dieser Brechungsindex n variiert natürlich in Abhängigkeit vom Material und der Fluoreszenzwellenlänge des linsenförmigen Substrats etc.
« Fünftes Praxisbeispiel »
Ein fünftes Praxisbeispiel wird beschrieben. Die Probenbestrahlungsstrahlen und die einfallenden Strahlen 100 sind Strahlung. Dementsprechend kann die bildgebende Einrichtung 1 als strahlungsbildgebende Einrichtung bezeichnet werden. Zur Strahlung gehören Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und ultraviolette Strahlen (insbesondere extreme ultraviolette Strahlen). Wenn die Bestrahlungsstrahlen der Probe und die einfallenden Strahlen 100 Röntgenstrahlen sind, kann die bildgebende Einrichtung 1 in der Röntgenbildgebung, im Röntgen-CT, in der Röntgentopographie, in röntgenbildgebenden Mikroskopen usw. eingesetzt werden. Wie in 18 gezeigt, ist es möglich, eine röntgenbildgebende Einrichtung auszubilden, die eine röntgenstrahlerzeugende Einrichtung 2, welche Röntgenstrahlen erzeugt, und eine bildgebende Einrichtung 1 aufweist. Die von der röntgenstrahlerzeugenden Einrichtung 2 erzeugten Röntgenstrahlen werden als Bestrahlungsstrahlen der Probe verwendet.
« Sechstes Praxisbeispiel »
Ein sechstes Praxisbeispiel wird beschrieben. Die obige Beschreibung geht im Allgemeinen davon aus, dass die Frontlinse aus einem linsenförmigen Substrat und einem Fluoreszenzfilm ausgebildet ist. Der Fluoreszenzfilm kann jedoch auch als nicht Bestandteil der Frontlinse betrachtet werden. Das heißt, dies kann so verstanden werden: die Frontlinse ist aus einem linsenförmigen Substrat ausgebildet und ein Fluoreszenzfilm, der nicht Bestandteil der Frontlinse ist, ist mit dem linsenförmigen Substrat verbunden.
« Siebtes Praxisbeispiel »
Ein siebtes Praxisbeispiel wird beschrieben. Die bildgebende Einrichtung 1 als eine strahlungsbildgebende Einrichtung umfasst ein optisches Element für eine strahlungsbildgebende Einrichtung. Das optische Element für eine strahlungsbildgebende Einrichtung umfasst zumindest eine Objektivlinse 10. Das gesamte bildgebende optische System umfassend die Objektivlinse 10 kann so verstanden werden, dass es dem optischen Element für eine strahlungsbildgebende Einrichtung entspricht. Das optische Element für eine strahlungsbildgebende Einrichtung wandelt mit einem Szintillator (Fluoreszenzfilm) einfallende Strahlen 100 mit einer vergleichsweise kurzwelligen Wellenlänge WL1 in Fluoreszenzlicht mit einer vergleichsweise langwelligen Wellenlänge WL2 um und bildet mit dem Fluoreszenzlicht ein Bild auf der Abbildungsfläche eines Bildsensors 30 ab, wobei es je nach Bedarf vergrößert oder verkleinert wird.
« Übersicht über die Erfindung »
Es folgt eine Übersicht über die vorliegende Erfindung.
Ein optisches Element W₁ für eine strahlungsbildgebende Einrichtung nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Element für eine strahlungsbildgebende Einrichtung, die eine Objektivlinse (z.B. 10) umfasst und die einfallende Strahlung empfängt. Dabei wird auf der Einfallseite der Objektivlinse ein Szintillator (z.B. 13), der die Strahlung empfängt, um Fluoreszenzlicht mit einer längeren Wellenlänge als die Strahlung zu emittieren, einheitlich mit der Objektivlinse vorgesehen.
Mit diesem Aufbau ist es möglich, die numerische Blendöffnung der Objektivlinse gegenüber herkömmlichen trockenen und flüssigkeitsgekapselten Objektivlinsen stark zu erhöhen und so einfallende Strahlen mit höherer räumlicher Auflösung zu erfassen (abzubilden).
Konkret ist z.B. im optischen Element W₁ für eine strahlungsbildgebende Einrichtung, vorzugsweise eine in der Objektivlinse vorgesehene Linse (z.B. 11), mit der der Szintillator einheitlich vorgesehen ist, aus einem solchen festen optischen Material gebildet, so dass die Differenz des Brechungsindexes zwischen der Linse und dem Szintillator einen vorgegebenen Wert oder einen geringeren Wert aufweist.
Dies trägt zur Unterbindung von Streuung, Brechung und Reflexion des Fluoreszenzlichts an der Verbindungsgrenze zwischen Linse und Szintillator bei.
Für ein weiteres Beispiel umfasst das optische Element W₁ für eine strahlungsbildgebende Einrichtung vorzugsweise ein bildgebendes optisches System, das die Objektivlinse umfasst und das ein Bild mit dem Fluoreszenzlicht aus dem Szintillator auf einen Abbildungssensor (z.B. 30) abbildet.
Mit diesem Aufbau ist es möglich, ein Bild mit hoher räumlicher Auflösung vom Bildsensor zu erhalten.
Für ein weiteres Beispiel weist die Linse in dem optischen Element W₁ für eine strahlungsbildgebende Einrichtung vorzugsweise auf der Seite des Strahlungseinfalls eine gekrümmte Oberfläche mit einer konkaven Oberfläche oder konvexen Oberfläche auf, und auf der gekrümmten Oberfläche wird ein gekrümmtes Bild mit dem Fluoreszenzlicht des Szintillators erzeugt. Vorzugsweise wandelt das bildgebende optische System das gekrümmte Bild in ein Bild auf einer ebenen Oberfläche um und bildet dieses Bild auf dem Bildsensor ab.
Für ein weiteres Beispiel umfasst das bildgebende optische System in dem optischen Element W₁ vorzugsweise für eine strahlungsbildgebende Einrichtung zusätzlich zur Abbildungslinse eine Objektivlinse. Vorzugsweise ist die Abbildungslinse entlang des optischen Weges vom Szintillator, der das Fluoreszenzlicht erzeugt, bis zum Bildsensor in einer einstellbaren Position zwischen Objektivlinse und Bildsensor angeordnet, so dass durch Verstellen der Position der Abbildungslinse das Bild mit dem Fluoreszenzlicht auf den Bildsensor fokussiert wird.
Für ein weiteres Beispiel ist im optischen Element W₁ für eine strahlungsbildgebende Einrichtung vorzugsweise die Probenebene am Szintillator so eingestellt, dass der Arbeitsabstand der Objektivlinse einen Null- oder negativen Wert aufweist.
Eine Strahlungsbildgebende Einrichtung W₂ nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst einen Bildsensor und das optische Element W₁ für eine strahlungsbildgebende Einrichtung.
Eine röntgenbildgebende Einrichtung W₃ gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst einen Bildsensor, das optische Element W₁ für eine strahlungsbildgebende Einrichtung und eine röntgenstrahlerzeugende Einrichtung (z.B. 2), die Röntgenstrahlen als die Strahlung erzeugt, die das optische Element W₁ für eine strahlungsbildgebende Einrichtung empfängt.
Zu beachten ist, dass ein Aufbau, bei dem ein Szintillator auf der Einfallseite einer Objektivlinse einheitlich mit dieser vorgesehen ist, einem Zustand entspricht, bei dem das Medium zwischen der Linse und dem Szintillator mit der Substanz, aus welcher die Linse ausgebildet ist, gefüllt ist. D.h. der obige Aufbau des optischen Elements W₁ für eine strahlungsbildgebende Einrichtung kann als folgender Aufbau verstanden werden: in einem optischen Element für eine strahlungsbildgebende Einrichtung umfassend einen Szintillator, der einfallende Strahlung empfängt, um Fluoreszenzlicht mit einer längeren Wellenlänge als die Strahlung zu emittieren, und einer Objektivlinse, die in der dem Szintillator nachgeschalteten Stufe angeordnet ist, wird der Spalt zwischen dem Szintillator und der Objektivlinse durch ein solches festes optisches Material ausgefüllt, so dass die Differenz des Brechungsindexes zwischen dem Szintillator und der Objektivlinse einen vorbestimmten Wert (z.B. 0,1 %) oder einen geringeren Wert aufweist. Solche Strukturen sind ebenso als zum optischen Element W₁ für eine strahlungsbildgebende Einrichtung gehörend zu verstehen.
Bezugszeichenliste

1: bildgebende Einrichtung
10: Objektivlinse
11, 11a-11g, 11A, 11P, 11Q: Frontlinse
12: Nicht-Frontlinse
13, 13a-13g, 13A, 13P, 13Q: Fluoreszenzfilm
14, 14a-14g, 14A, 14P, 14Q: linsenförmiges Substrat
20: Abbildungslinse
30: Bildsensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 201645183 [0010]
JP 200724584 [0010]
JP 2009222578 [0010]
JP 2006162293 [0010]
JP 2016045183 A [0042]

Claims

Optisches Element für eine strahlungsbildgebende Einrichtung, wobei das optische Element eine Objektivlinse (10) umfasst und einfallende Strahlung (100) empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Szintillator, der die Strahlung (100) empfängt, um Fluoreszenzlicht mit einer längeren Wellenlänge als die Strahlung (100) zu emittieren, an einer Einfallseite der Objektivlinse (10) einheitlich mit der Objektivlinse (10) vorgesehen ist.
Optisches Element für eine strahlungsbildgebende Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Linse, die in der Objektivlinse (10) vorgesehen ist, und mit welcher der Szintillator einheitlich ausgebildet ist, aus einem solchen festen optischen Material ausgebildet ist, dass eine Differenz des Brechungsindex zwischen der Linse und dem Szintillator einen vorbestimmten oder einen geringeren Wert aufweist.
Optisches Element für eine strahlungsbildgebende Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, umfassend: ein bildgebendes optisches System, das die Objektivlinse (10) umfasst und das ein Bild mit dem Fluoreszenzlicht des Szintillators auf einen Bildsensor (30) abbildet.
Optisches Element für eine strahlungsbildgebende Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektivlinse (10) auf einer Einfallseite der Strahlung (100) eine gekrümmte Oberfläche aufweist, die eine konkave Oberfläche oder eine konvexe Oberfläche umfasst, auf der gekrümmten Oberfläche mit dem Fluoreszenzlicht des Szintillators ein gekrümmtes Bild ausgebildet ist, und das bildgebende optische System das gekrümmte Bild in ein Bild auf einer flachen Oberfläche umwandelt und das Bild auf dem Bildsensor (30) abbildet.
Eine strahlungsbildgebende Einrichtung, umfassend: einen Bildsensor (30); und das optische Element für eine strahlungsbildgebende Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Eine röntgenbildgebende Einrichtung, umfassend: einen Bildsensor (30); das optische Element für eine strahlungsbildgebende Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4; und eine röntgenstrahlerzeugende Einrichtung, die Röntgenstrahlen als die Strahlung (100) erzeugt, die das optische Element für eine strahlungsbildgebende Einrichtung empfängt.