JP2007501434A - 特にレーザ走査型顕微鏡用の調整可能なピンホール - Google Patents

Abstract

【課題】それぞれ鏡面対称な直角開口部を有するシリコン製絞りから成る、特にレーザ走査型顕微鏡用の調整可能なピンホール
【解決手段】向い合うシリコン製絞りが第１の方向に移動でき、次に正確な正方形の形成のために少なくとも１つのシリコン製絞りが第１の方向に垂直な第２の方向に移動できるピンホール。
【選択図】図１

Description

ピンホールの幾何学的パラメータは、レーザ走査型顕微鏡の性能にとっては決定的なファクタである。ピンホールの設定サイズが小さく、正確であればあるほど、レーザ走査型顕微鏡はますます高い分解能が達成され、マイクロ光学系のサイズもますます小さくすることができる。それにより、ピンホールサイズを３μｍ大から設定できるという利点がもたらされる。その場合ではピンホールのサイズと位置の調整に０．３μｍの再現性が要求される。それ以上にピンホールの穴を小さくすれば、ピンホール縁を通過する光の回折により強度に大きな損失が発生する。主として受光器の前に配置されるピンホール開口部は円形である必要はなく、全く同様の観点から正方形にすることもできる。
ＤＥ ２０２ ０５ ０７９ Ｕ１

レーザ走査型顕微鏡の調整可能なピンホールとしては、主として正方形の開口部を形成するため、線形で頑丈な、調整のできる縁を持つ機素が使用される。この縁をできるだけシャープに、それと同時に開口部の光線流方向での幅が小さくなるように、これらの機素は開口部の縁に斜角がつけられているか、または機素が薄いフォイルになっている。現在の製造技術で実現可能な縁によると、ピンホールの大きさは光線流方向での幅で１０μｍを遥かに越えるものとなる。しかし、そのようなピンホールで開口部を１０μｍ未満に設定すべき場合には光線が減損する口径食の危険がある。

ＤＥ ２０２ ０５ ０７９ Ｕ１には、反対方向に移動するノッチ付きの２つの絞りプレートから成る、共焦点走査型顕微鏡用の移動式ピンホール絞りのことが記述されている。そのようなノッチの場合、シャープな縁の構成には限界があるので、この種ピンホールでは光線流方向の幅は約１００μｍになる。この解決法の欠点は、光線における口径食の危険およびノッチにおける角の丸み帯びである。これらはいずれも、サイズ１０μｍ未満の正方形の開口を実現不可能にする原因になっている。例えば０．１°未満など、ピンホールにおける小さく微妙な傾斜位置の設定は、比較的大きな技術コストを費やさないと達成不可能である。

本発明の目的は、１×１ｍｍ²の対象物領域に対し３μｍからの開口サイズを許容誤差０．３μｍの範囲内で可能にする、調整可能なピンホールを実現することにある。その場合、開口部を通る光線の口径食を避けるために、開口部の光線流方向での実質的幅は十分に小さく、例えば１０μｍ未満に維持することが重要である。

解決策としての提案は、レーザ走査型顕微鏡のピンホールにおいて、それぞれ１つずつの正方形腐蝕開口窓を持つ、鏡像の如く互に向い合って移動できるように配置された２つのシリコン製絞りを適用することにある。
本解決策の長所は、シリコンが立方体の結晶構造を有していることからフォトリトグラフィーの腐蝕過程では、原子単位でシャープな縁を持つ正方形の開口が生じるところにある。
その上、開口部の側面は５４．７°という鋭角の腐蝕角を有しているので、２つのシリコン製絞りの鏡像配置により、小さく任意設定できる開口および小さく任意設定できる光線流方向の幅を持つピンホールを形成することができる。

このほか、絞りの素材としてシリコンを使用すれば、波長約５００ｎｍの可視スペクトル領域では光学的にソフトな絞りが生成されるという長所もある。それはシリコンの場合、当スペクトル領域では波長が長くなればなるほど透光性が増大するからである。それにより、約５００ｎｍ辺りの限定された本波長領域では絞りにおける回折現象が回避または緩和される。その結果、レーザ走査型顕微鏡における光の回折損分が縮小し、小さなピンホール孔の場合、受光器での光の強度が増大して、延いては光のこのスペクトル領域におけるレーザ走査型顕微鏡の感度が引き上げられる。シリコンの欠点、すなわち可視レッド領域からの透光性の増大は、その表面が反射性または吸収性を持つコーティングによって取り除くことができる。

図１は２つのシリコン製絞りによるピンホールを示す。
約７×５×０．５ｍｍ²の外形寸法を持つシリコンプレートに腐蝕加工により１×１ｍｍ²大の窓が形成されている。シリコン絞りは対になっていて、腐蝕加工で形成されたそれぞれの窓が鏡像の如く互に向き合うように、互に向き合って配置されている。シリコン製絞りのピンホール機械装置への固定は接着により行なわれる。上側に配置される絞りとピンホール機械装置間は距離を置く必要があるが、その保持にはスペーサが使用される。絞りと絞りの間に配置されるフォイルスペーサにより１０μｍのピンホール高が形成される。ピンホールの大きさは、ピンホール機械装置の両機素を平行に逆移動させることにより、０〜１ｍｍの間で調整することができる。その場合ピンホール機械装置の移動方向は、シリコンプレート腐蝕開口窓の対角線ｄを基準とする逆方向である。

シリコン製絞りに対する保護コーティングは、絞りの開口部より外側部分における光の通過を阻止するためのものである。シリコンは、光に対し波長約５００ｎｍより長波長側になるに従って透過性を強めるからである。その加工には、シリコン製絞りに対し約１００ｎｍの厚さでクローム、金、アルミニウムまたは銀の層を蒸着させることができる。しかしこれらの層はいずれも反射性の強いのが欠点であり、反射によりレーザ走査型顕微鏡内に障害性の散乱光が発生する。
より適しているのは、吸光性のある黒い保護層であって、これは例えば特殊な蒸着によって塗布することができる。

意外なことに、６００ｎｍまでの波長領域ではコーティングなしに作業することもできる。
例えば１０μｍなどの小さな開口の場合、顕微鏡での絞りの調整にはマニピュレータが使用される。ピンホール高が低く、顕微鏡には１０μｍの焦点深度しか要求されないので、例えばＡ＝０．８の開口を持つ高分解能の顕微鏡を使用することができる。従来型ピンホールではピンホール高が１００μｍであるため、顕微鏡はそれに対応して深い焦点深度および例えばＡ＝０．１などの小さな開口を有していなければならないので、そのような顕微鏡の使用は不可能である。

図２は搭載されたモータ駆動装置によるシリコン製絞りの調整を示す。
機素１および２はＸ方向にて平行に逆移動可能であり、それぞれシリコン製絞りを支え持っている。ただし、少なくとも１つの絞りは、機素１および２の移動方向に垂直に移動することのできる別な機素３に設置されている。
機素３は、機素１および２の移動方向に高い剛性および機素３の移動方向に高い屈撓性を持つ２つの中実継手に固定されている。

Ｙ方向における機素３の移動は、モータで駆動される２つのスピンドルによって行われる。なお、モータは回転安定に、および機素２において移動可能なように配置されている。この２つのスピンドルは、それぞれ機素２と３に固定されたナットと噛合っており、好ましくも異なったピッチを有している。例えば、その差分ピッチは５０μｍにすることができる。

シリコン製絞りは、予備調整された位置でピンホール機械装置の機素１および３に接着固定される（図２）。差分ネジ付きスピンドルを通じて機素１と３の間でｙ方向に作用するモータ駆動装置および継手装置（例えば、平行設置された中実バネ継手）により、例えば分解能０．１μｍのレーザ走査型顕微鏡においてシリコン製絞りの調整のほか、時期を問わずに再調整も実施できる。０．１μｍの分解能は、例えばネジ付きスピンドルの差分ピッチ５０μｍとして、モータ回転当り２０フルステップ、１フルステップ当り１６マイクロステップの機能を持つステップモータのマイクロステップ駆動から実現される。

調整作業では、顕微鏡観察のもとでモータにより機素１および２をｘ方向で逆平行に、機素３をｙ方向で移動させ、例えば１０×１０μｍ²大の正方形ピンホールが形成されるまで調整する。しかしこの場合、機素１と２をＸ方向で逆平行に移動させれば、ピンホール開口部は別な大きさの正方形になる。このように、顕微鏡観察が可能であれば、レーザ走査型顕微鏡においても有利なことに何時でもピンホールの再調整が可能である。機素１と２は、ピンホールサイズの調整のため、図には示されていないハサミ状の機械装置によりｘ方向で逆平行に移動させられる。

レーザ走査型顕微鏡に適用されたピンホールは、その顕微鏡観察がなくても何時でもレーザ走査型顕微鏡の受光器信号の評価だけで正方形に調整することができる。それには、モータ制御走査過程を通じて機素１、２および３を移動させ、できる限り小さなピンホール孔において受光器への落射光が最大限の強度を示すように調整する。その場合、ピンホールは正方形になっていなければならない。そのためには、絞り開口部をステップ毎に小さくする（ｘ方向の駆動）と同時に、機素３に固定されたシリコン絞りをｙ方向の駆動によって移動させ、受光器が最大限の光信号を受信するように調整する。この走査過程はｘ方向およびｙ方向の交互駆動で繰返し行われ、受光器における最大限の光信号が、例えば１０μｍのピンホールサイズに相当する予備設定最小値に達するまで続けられる。この自動化調整過程により、ピンホール開口部はどの大きさでも必然的に正方形の形態を取る。

図３はピンホールの調整度にｙ_just依存するピンホール面積を示す。
図３ａの曲線群から認められるように、ピンホール面積は正方形としてのピンホールの調整度に依存するため、ｙ_just＝０の場合、受光器の感度は非常に低く、ｙ方向での移動によりｙ_just＝ｂとした場合に最高感度になる。したがって、対称な両側面におけるｙ方向での走査によりそれぞれ１つの測定点を高感度で測定し、両側面間の平均値に設定することによって正方形のピンホールを得る側面法の適用が可能であり有利である。この調整は、例えば１００μｍ等の比較的大きなピンホールサイズから始めて、例えば１０μｍ等のできる限り小さなピンホールで終わる。その結果、ピンホール開口部はどのピンホールサイズでも必然的に正方形になる。
図３ｂには例としての値が示してある。

２つのシリコン製絞りによるピンホール 搭載されたモータ駆動装置によるシリコン製絞りの調整 ピンホールの調整度にｙ_just依存するピンホール面積

符号の説明

１〜３ 機素
ｄ シリコンプレートの開口窓の対角線

Claims (5)

1. それぞれ矩形である鏡面対称な開口部を持つシリコン製絞りから成る、特にレーザ走査型顕微鏡用のピンホール。
2. 向い合うシリコン製絞りが第１の方向で移動可能である、請求項１に記載のピンホール。
3. 少なくとも１つのシリコン製絞りが、正確な正方形の形成のために、第１の方向に垂直な第２の方向で移動できる、請求項２に記載のピンホール。
4. 絞りが、第１の方向では剛性を、第２の方向では屈撓性を示すように形成されている中実継手に固定されている、請求項１〜３のうちの１つに記載のピンホール。
5. ピンホール通過光量の調整において受光器の信号を最大化させることにより正方形の形状調整が行われる、先行請求項の１つに記載の調整方法。

Images