JP2011504613A - マルチモーダルスポットジェネレータとマルチモーダル・マルチスポット・スキャンマイクロスコープ - Google Patents

Abstract

本発明はスポットジェネレータ（１０）に関する。入射光ビーム（２０）を受ける入射面（１２）と光ビームを出す出射面（１４）とを有し、入射面が入射側を画成し、出射面が出射側を画成する。本発明では、スポットジェネレータは、入射光ビームを変調して、入射側に、第１の光スポット群（２２）と第２の光スポット群（２４）とを生成するように設計される。第１の光スポット群に属する各光スポットは第１の角スペクトルを有し、第２の光スポット群に属する各光スポットは第１の角スペクトルとは異なる第２の角スペクトルを有する。スポットジェネレータは有利にも周期的な２値位相構造を有する。本発明はさらに、マルチスポット・スキャン・マイクロスコープと、微細サンプルのイメージング方法とに関する。

Description

本発明は、スポットジェネレータであって、
−入射光ビームを受ける入射面（entry surface）と、
−前記光ビームを出す出射面（exit surface）とを有し、
前記入射面が入射側を画成し、前記出射面が出射側を画成する、スポットジェネレータに関する。

また、本発明は、マルチスポット・スキャン・マイクロスコープと、サンプル（特に微少サンプル）の画像化方法とに関する。

光マルチスポット・スキャン・マイクロスコープは微少サンプルなどの画像形成に用いられる。マイクロスコープのスポットジェネレータで発生した微少光スポットアレイによりサンプルをスキャンして、ディテクタ（一般的にはフォトディテクタ）に光スポットを結像（image）させて、画像を構成する。かかるマイクロスコープは、ライフサイエンスの分野で用いられており、特に、生物学的試料の検査、デジタル病理学（すなわち、顕微鏡用スライドのデジタル画像を用いた病理学）、（子宮頸ガン、マラリア、結核などの）自動画像ベース診断、工業計測の分野で用いられる。

本願では、光スポットとは空間的領域であって、その光スポット自体のボリュームより少なくとも１けた大きいボリュームを有する周辺領域よりも、その空間的領域で平均した強度（すなわち光照射野の光束の時間平均、単位W/m２）が少なくとも２倍大きい空間的領域であるものとする。好ましくは、サンプル中に生成される各光スポットは回折限界的である。好ましくは、光スポットにおける強度（intensity）は周辺領域よりも少なくとも１桁大きい。

特許文献１は、オブジェクトを照らす複数のフォーカスされた光スポットの配列と、これに対応して、オブジェクトからの各スポットの光を検出するアレイディテクタとを有するマルチスポットスキャン光顕微鏡画像取得システムを開示している。スポット列に対して微少角度で配列とオブジェクトとの相対的な位置をスキャンすることにより、オブジェクトの全野を連続的に照明して、帯状の画素で画像化できる。これにより、シングルスポットスキャン顕微鏡と比較してスキャンスピードが大幅に速くなる。

既存のマルチスポットスキャンマイクロスコープシステムは、従来の画像化、共焦点画像化、透過ビューイング、反射ビューイング、明視野画像化、位相コントラスト画像化、及び２次元画像化及び３次元画像化を含むいろいろな画像化モードで用いることができる。しかし、異なる画像化モードの切替は、スポットジェネレータの交換や画像光学系の機械的な再調整などマイクロスコープアセンブリの物理的な修正が必要となり、多くの場合めんどうである。

それゆえ、本発明の目的は、異なる画像化モード間の切替を容易に素早く行えるマルチスポット・スキャン・マイクロスコープを作ることである。

この目的は独立項に記載した特徴により達成される。本発明のさらに別の仕様と好ましい実施形態とを従属項に記載した。

米国特許第６，２４８，９８８号明細書

本発明によるスポットジェネレータは、
−入射光ビームを受ける入射面（entry surface）と、
−前記光ビームを出す出射面（exit surface）とを有し、
前記入射面が入射側を画成し、前記出射面が出射側を画成する。

本発明では、スポットジェネレータは、入射光ビームを変調して、第１の光スポット群と、これとは分離した第２の光スポット群とを生成するように設計される。同じ光スポット群に属する光スポットは基本的に角スペクトルが同じであり、異なる光スポット群に属する光スポットは角スペクトルが異なる。すなわち、第１の光スポット群の光スポットと第２の光スポット群の光スポットとはそれぞれ第１の角スペクトルと第２の角スペクトルとを有し、第１と第２の角スペクトルは互いに異なる。

異なる光スポット群に属する光スポットはさらに色が異なってもよい。このように、ある光スポット群の光スポットはその位置以外は製造上の許容誤差の範囲内で基本的に同じ特徴を有し、異なる光スポット群の光スポットは特徴が異なっている。「角スペクトル」との用語は、光の平面波への分解を意味する。より正確に言うと、光スポットの角スペクトルとは、その光スポットの電磁場のフーリエ変換の角度依存性を、光スポットの中心に原点を有する空間座標系で評価したものを意味する。画素化したフォトディテクタなどに光スポットをイメージングすることにより、光スポットのいろいろな特徴を測定できる。特徴ごとに異なるコントラストモダリティ（contrast modality）が得られる。例えば、光スポットの中心の周りにある限定されたエリアで積分した光強度によりトランスミッションコントラストが求まり、光スポット強度のピークの期待位置からの偏移により差分干渉コントラストが求まり、光スポットの中心における強度値により共焦点コントラストが求まる。スポットジェネレータをマイクロスコープに組み込むことにより、そのマイクロスコープをマルチモーダル（multi-modal）とすることができ、第１の光スポット群を用いる第１のコントラストモードと、第２の光スポット群を用いる第２のコントラストモードとを有する。もちろん、１つのスポットジェネレータにより２つ以上のコントラストモードを設けることもできる。異なるコントラストモード間の切替は、検出光を分析することによりソフトウェアで行うこともでき、光学要素を機械的に変更するよりも切替時間が短くて済む。

第１の光スポット群の光スポットと、第２の光スポット群の光スポットとが共通の焦点面にある方が有利であると考えられる。これにより、特に画像化光学系の被写界深度が制限されているときに、第１の光スポット群と第２の光スポット群とのイメージングが容易になる。

本発明の好ましい実施形態では、スポットジェネレータにより出射側にできる光スポットは、出射された光ビームの平均伝搬方向に基本的に垂直な平面上に投影した、スポットジェネレータにより出射側にできる他の光スポットと互いに異なる。平均伝搬方向とは、出射側の光照射野を構成する平面波の伝搬方向にわたる重み付け平均である。好ましい実施形態では、出射された光ビームの平均搬送方向は入射光ビームの平均搬送方向と一致する。デカルト座標系のｚ軸を出射光ビームの平均伝搬方向と平行に選べば便利である。スポットジェネレータにより出射側にできる光スポットは一意的なｘｙ座標を有する。これによりフォトディテクタでの検出時にソフトウェアで容易に識別可能となる。

一実施形態では、スポットジェネレータは第１の光スポット群を生成する第１セクションと、第２の光スポット群を生成する第２セクションとを有する。第１セクションに適合する波長は、第２セクションが適合する波長と異なってもよい。しかし、第１の光スポット群の波長と第２の光スポット群の波長とは同じである方が好ましい場合も多い。このように、スポットジェネレータは複数の部分に分かれており、各部分は異なるクラスの光スポットを生成する。第１の部分はオブジェクトの第１の領域上に第１のクラスの光スポットを生成し、この第１のクラスの光スポットは画素化フォトディテクタの第１の領域にイメージングされる。また、第２の部分はオブジェクトの第２の領域上に第２のクラスの光スポットを生成し、この第２のクラスの光スポットは画素化フォトディテクタの第２の領域にイメージングされる。あるいは、スポットジェネレータを入射ビームと垂直な方向に機械的に並進させて、各部分を入射ビームと位置合わせして配置することもできる。異なる複数の部分は分離したコンポーネントであり、それをホルダに組み入れたものであってもよい。このホルダと複数の部分を組み合わせたもの（assembly）がスポットジェネレータとなる。または、異なる複数の部分が一体のコンポーネントであってもよい。

別の実施形態では、スポットジェネレータは第１と第２の光スポット群を両方とも生成する、同一の単位セルの配列であってもよい。第１と第２の光スポット群は２つの配列がインターレースした形体をとる。インターレースしている場合、各単位セルは少なくとも２つの光スポットを生成し、各スポットを構成する平面波の角スペクトルは異なる。この設計の利点は、第１の配列と第２の配列が基本的にサンプルの同じ領域をカバーし、サンプルの選択部分における第１と第２のイメージングモード間の切替が容易になることである。

好ましい実施形態では、スポットジェネレータは周期的な２値位相構造を有する。好ましくは、この周期的な２値位相構造は国際公開公報ＷＯ２００６０３５３９３号で提案されているタイプのものである。この構造は正方形の単位セルが周期的に並んだものである。各単位セルのパターンの高さは２値であり（それゆえ２値という）、製造が簡略化される。入射ビームは多くの次数の回折を生じる。各次数の回折光はコリメートビームであり、一定の方向に進む。サンプル平面において、各次数の回折光がコヒーレントに重なり、光スポットの配列となる。各次数の回折光の振幅と相対的な位相を正しく選ぶと所望のスポットを構成できる。かかる構造の設計は、主に、各次数の回折光の振幅と位相が正しくなる単位セルのパターンを見つけることである。より正確に言うと、国際公開公報ＷＯ２００６／０３５３９３号に記載された２次元の公式を用いて、所望のスポットデザインから高さプロファイルを求めることができる。好ましくは、利用するすべての波長に対して位相差がπ（モジュロ２π）となるように、２つの高さレベルの高低差を調節する。これにより製造が容易になるという利点がある。電子ビーム書き込みとエッチングとによりマスター（master structure）を作成し、複製プロセスによりスポットジェネレータを作成することができる。すべての波長に使える単一高さステップにより製造ステップを最小化できる。例えば、高低差ｈ＝１．００μｍ／（ｎ−１）、ここでｎ＝１．５（これはスポットジェネレータ構造の屈折率の典型的な値である）とすると、λ＝６５５ｎｍの場合に位相差は約３πとなり、λ＝４０５ｎｍの場合に位相差は約５πとなる。あるいは、スポットジェネレータはマイクロレンズ配列を含んでもよい。もちろん、その他の実施形態も想定できる。例えば、透過型でなく反射型で動作する周期的な２値位相構造を設計することもできる。この場合、光スポットを形成するのは反射波である。

本発明の一実施形態では、第１の光スポット群は第２の光スポット群と開口数が異なる。この実施形態では、光スポットから出る光が開口半角θ、開口数ＮＡ＝ｓｉｎ（θ）となるようにスポットジェネレータを設計する。第１の光スポット群は第１の開口数ＮＡ_１を有し、第２の光スポット群は第２の開口数ＮＡ_２を有し、ＮＡ_２はＮＡ_２より大きい。光スポットの大きさはλ／ＮＡのオーダーであり、第１の光スポット群は第２の光スポット群より小さい。これにより、分解能が異なるコントラストモードを利用でき、ズーム機能を実現できる。典型的な数値を以下に検討する。分解能Ｒは次式で与えられる：

ここで、ＮＡ_ｉｌｌとＮＡ_ｉｍはそれぞれ照射スポットとイメージング光学系の開口数である。例えば、ＮＡ_ｉｌｌ＝ＮＡ_１＝０．６、ＮＡ_ｉｍ＝０．４のとき、解像度はＲ_１＝λであり、ＮＡ_ｉｌｌ＝ＮＡ_２＝０．２５、ＮＡ_ｉｍ＝０．４のとき、解像度はＲ_２＝２λである。マルチモーダルスポットジェネレータが開口数ＮＡ_１＝０．６、ＮＡ_２＝０．２５の光スポットを生成する場合、２倍のズームができる。

本発明の他の実施形態では、第１の光スポット群の各光スポットは、角スペクトルが円形プロファイル（circular transversal profile）を有し、第２の光スポット群の各光スポットは、各スペクトルがリング状プロファイルを有する。第１の光スポット群を用いて明視野イメージングモードを提供でき、第２の光スポット群を用いて暗視野コントラストを提供できる。従来の明視野スポットは、ビームと光軸とがなす角度θであってθ＜ａｓｉｎ（ＮＡ_１）を満たすものにおいて基本的に振幅がゼロではない角スペクトルを有するものであった。ここでＮＡ_１は明視野スポットの開口数である。暗視野スポットは、ビームと光軸とがなす角θであってａｓｉｎ（ＮＡ_２）＜θ＜ａｓｉｎ（ＮＡ_３）を満たすものにおいて、角スペクトルが基本的にゼロでない振幅を有する。ここで、ＮＡ_２とＮＡ_３の値はこの関係により規定され、ＮＡ_２＞ＮＡ_ｉｍ（イメージング光学系の開口数）である。好ましくは、ＮＡ_３＝ＮＡ_１であり、両モードで最小分解ディテール（smallest resolvable details）が同じになる。イメージング光学系は暗視野コントラストモードにおいて一様なオブジェクトでは光を集めない。そこで、一様な背景中にある小さなディテールは暗い背景中の明るい構造として見える（そのため、暗視野と呼ばれる）。それゆえ、このコントラストモードはコントラストが向上するという利点を有する。他の実施形態では、光スポット群の少なくとも１つの光スポットが位相コントラストを生成する。スポットの角スペクトルは、暗視野の場合と基本的に同様である。すなわち、暗視野の場合は、ビームと光軸とがなす角θであってａｓｉｎ（ＮＡ_２）＜θ＜ａｓｉｎ（ＮＡ_３）を満たすものにおいて基本的に振幅がゼロではないというものであったが、この実施形態の場合には、開口数がＮＡ_２＜ＮＡ_３＜ＮＡ_ｉｍ（イメージング光学系の開口数）を満たせばよいだけである。さらに、イメージング光学系にはその瞳に位相リングを備えなければならない。この位相リングにより、他の瞳点と比較して、長さがλ／４、透過率（transmission）Ａ≦１の光学経路が加わる。D. Stephens編集の「Cell Imaging」（Scion Publishing, Bloxham, ２００６）に位相コントラスト方に関するより詳しい情報が記載されている。

本発明のさらに別の一実施形態では、第１の光スポット群は第２の光スポット群と光度（luminosity）が異なる。オブジェクトの全体的な透過率が低い場合、弱い変調の視認性を向上するために、光度が大きいスポットを用いるとよい。オブジェクトの全体的な透過率が高い場合、光度が小さいスポットを用いるとよい。これにより、照度が異なる２つのモードを設け、画像のダイナミックレンジを向上する。

本発明のさらに別の一実施形態では、第１の光スポット群は非点収差が最小であり、第２の光スポット群は非点収差が大きい。結果として、第２の光スポット群は２つの焦点ラインに分かれ、好ましくは、一方は、第１の光スポット群が焦点を結ぶ平面の上にあり、もう一方は下にあり、この２つのセンは互いに垂直である。イメージング光学系が第１の光スポット群の焦点平面の下または上にフォーカスされているとき、画素化フォトディテクタ状の第２の光スポット群のイメージは、円にはならず、それぞれ焦点面の下または上の焦点ラインの方向に引き延ばされる。引き延ばされる方向と大きさを用いて、第１の光スポット群が画素化フォトディテクタ上にはっきりとイメージングされるまで、スポットジェネレータに対するイメージング光学系の軸の位置を調節できる。このように、第１の光スポット群がマルチスポットマイクロスコープのイメージングモードとなり、第２の光スポット群がサーボモードとなる。

本発明のさらに別の実施形態では、第１の光スポット群と第２の光スポット群の光スポットは、スポットジェネレータが最適化される波長λが異なる。好ましくは、スポットジェネレータは（２値）位相構造である。一定の開口数ＮＡの光スポット配列を生成するために入射ビームに与えられる位相プロファイルは、入射光の波長に依存する。ビームと光軸とがなす角θがθ＜ａｓｉｎ（ＮＡ）を満たす場合、各次数の回折光の振幅は基本的にゼロではない。あるいは、光スポットの配列を生成するためにマイクロレンズ配列を用いる場合、マイクロレンズには色収差があり、十分な品質のスキャンスポット配列を提供するために、その配列中のマイクロレンズをグループ分けして、各グループ中のマイクロレンズをそのスポットグループに関連する波長に対して最適化して用いなければならない。少なくとも２つのレーザによる照射を例えばパルス状（別々のレーザのパルスを交互）に順次的に行ってもよいし、同時に（最も容易には「連続波」で）行ってもよい。後者の場合、照射は、ある色の光がその色のスポットを生成しようとするスポットジェネレータの一部のみに入射するという意味でゾーン状（zonal）であってもよい。または、例えば第１の色の光を一方のアームに送り、第２の色の光をもう一方のアームに送る２色ビームスプリッタなどを有する色分離手段を検出光経路に追加的に設けてもよい。各アームに画素化フォトディテクタを配置すれば、個々の色を同時にイメージングできる。本発明のこの実施形態は、スポットジェネレータに照射する少なくとも２つのレーザを用いて、オブジェクトに関する色情報を透過コントラストにおいて提供するのに好適である。例えば、赤色（λ＝６５５ｎｍ）と青色（λ＝４０５ｎｍ）の半導体レーザダイオードを用いてオブジェクトの２色イメージを求めることができる。緑色の光を放射する第３のレーザで補足すればオブジェクトのフルカラーイメージを取得できる。

本発明はさらに、マルチスポットスキャンマイクロスコープであって、
−上記のスポットジェネレータを有するものを提供する。
一態様では、上記のマイクロスコープはさらに、
−スポットジェネレータにより生成された光スポットからの光を集めるように構成されたイメージング光学系と、
−イメージング光学系により集められた光を検出するように構成された画素化フォトディテクタと、
−画素化フォトディテクタに動作可能に接続され、第１または第２の光スポット群のうちいずれかの光スポットを選択的に分析する論理回路とをさらに有する。

本発明によるマイクロスコープは、蛍光コントラストを用いてイメージを生成するように構成することもできる。このコントラストモードでは、一定波長の光を用いて試料に照射する。これにより波長が（少し）大きい光が生成される。この光を検出するため、入射波長の光をすべて遮断するように、検出光経路に、好ましくはイメージング光学系を構成するレンズコンポーネントの間に、波長選択的フィルタを配置しなければならない。あるいは、検出光経路に２色ビームスプリッタを挿入して、蛍光光を一方のアームに送り、入射波長の光をもう一方のアームに送るようにする。各アームに画素化フォトディテクタを配置すれば、従来の透過コントラストと蛍光コントラストとを同時に求められる。一般に、蛍光コントラストを向上するために蛍光剤を用いる。これらの蛍光剤は、検査する試料の一定の関心領域に留まり、または集まる、化学的に製造された物質である。または、遺伝子的に符号化された蛍光タンパク質であってもよい。これは細胞内の遺伝子発現（gene expression）を調べるために用いられる。かかる蛍光剤を用いるとき、利用するレーザ光源の波長を、利用する蛍光剤に対して最適化しなければならない。蛍光発生の効率は入射波長に依存するからである。

好ましくは、論理回路をＰＣに接続する。この論理回路は、選択した複数の光スポットからの信号を送信するように設計されているか、または第１と第２の光スポット群の両方からの信号を送るように設計されていてもよい。後者の場合、２つの光スポット群の選択はＰＣで行われる。

好ましくは、マルチスポット・スキャン・マイクロスコープは光ビームを生成するコヒーレント光源を有する。実際、本発明によるスポットジェネレータの最も簡単な設計は、スポットジェネレータがある限られた波長範囲でのみ動作するようなものである。それゆえ、マルチスポット・スキャン・マイクロスコープに組み込むコヒーレント光源を選択して、スポットジェネレータが設計された波長を有する光ビームを生成すると有利である。

本発明の好ましい実施形態では、マルチスポット・スキャン・マイクロスコープを、第１と第２の光スポット群を同時に生成するように設計する。これは、上記の通り、第１と第２の光スポット群を両方とも生成する、同一の単位セルの配列を有するスポットジェネレータを用いて達成できる。また、スポットジェネレータの第１セクションと第２セクションを同時に照射して、スポットジェネレータの第１セクションが第１の光スポット群を生成し、スポットジェネレータの第２セクションが第２の光スポット群を生成するようにして達成することもできる。

あるいは、第１と第２の光スポット群を順次的に生成するようにマルチスポット・スキャン・マイクロスコープを設計する。かかる設計は、一方の光スポット群の光スポットをイメージングしたい時に、他方の光スポット群を生成する光により起きる雑音その他の誤差を避けるには有利である。

本発明は、さらに、サンプル、特に微細なサンプルのイメージング方法であって、
−前記サンプルを照射するよう前記第１（２２）と第２（２４）の光スポット群を同時に生成する段階であって、前記第１の光スポット群に属する各光スポットは第１の角スペクトルを有し、第２の光スポット群に属する各光スポットは第１の角スペクトルとは異なる第２の角スペクトルを有する段階と、
−画素化フォトディテクタ上に前記サンプルのイメージを生成する段階と、
−前記第１または第２の光スポット群のいずれかの光スポットを選択的に分析する段階とを有する。

第１と第２の光スポット群を同時に生成すると、第１のイメージングモードと第２のイメージングモードとの間の切替を、光学要素を機械的に変更せずに、ソフトウェアだけで行えるという利点がある。

ここで留意すべき点として、「サンプルに照射する」との文言により、本発明では、サンプルにスポットをフォーカスする構成とともに、このサンプルの表面にスポットをフォーカスする構成も含むものと考えなければならない。以下の説明では、上記文言により両方の構成を区別せずに指す。

本発明のその他の態様、目的、及び利点は、非限定的な例として添付した図面を参照して以下に記載した好ましい実施形態の詳細な説明を読めば明らかになるであろう。
一般的なマルチスポットスキャンマイクロスコープの概略を示す図である。 先行技術によるマルチスポットスキャンマイクロスコープにより生成される光スポット配列を下から見た図である。 本発明によるスポットジェネレータにより生成される光スポット配列を下から見た図である。 本発明によるスポットジェネレータにより生成される光スポット配列を下から見た図である。 図４に示した光スポット配列と、それを生成しているスポットジェネレータとを横から見た図である。 本発明によるスポットジェネレータにより生成される光スポット配列を下から見た図である。 リング形状のプロファイルを有する光スポットを生成する２値位相構造の単位セルを下から見た図である。

図１は、一般的なマルチスポットスキャンマイクロスコープの概略構成を示す図である。このマイクロスコープは、レーザ４０、コリメータレンズ４２、ビームスプリッタ４４、前方検知フォトディテクタ４６、スポットジェネレータ１０、サンプルアセンブリ４８、画像化光学系３４、画素化フォトディテクタ３６、ビデオ処理集積回路（ＩＣ）３８、及びパーソナルコンピュータ（ＰＣ）６２を含む。スポットジェネレータ１０は、入射側（entry side）１６にある入射面（entry surface）１２と、出射側（exit side）１８にある出射面（exit surface）１４とを有する。サンプルアセンブリ４８は、カバースリップ５０と、サンプルレイヤ５２と、マイクロスコープスライド５４と、スキャンステージ５６とにより構成されている。カバースリップ５０とサンプルレイヤ５２とマイクロスコープスライド５４とはスキャンステージ５６に取り付けられている。レーザ４０はコヒーレントな光ビームを放射する。この光ビームは、コリメータレンズ４２によりコリメートされ、ビームスプリッタ４４により透過部分と反射部分とに分離される。光ビームの透過部分は光出力測定用の前方検知（forward-sense）フォトディテクタ４６によりキャプチャされる。この測定値をレーザドライバ（図示せず）が用いてレーザ４０の光出力を制御する。光ビームの反射部分はスポットジェネレータ１０の入射面１２に入射する。透過光が入射側１８に光スポット配列を形成するように、光ビームをスポットジェネレータ１０により変調する。スポットジェネレータ１０とサンプルレイヤ５２との間の距離は、光スポット配列がサンプルレイヤ５２内に形成されるように決める。スキャンステージ５６にはマイクロスコープスライド５４をスキャンし、スポットジェネレータ１０により生成される光スポット配列により、マイクロスコープスライド５４でサンプルをスキャンする手段が設けられている。画像化光学系３４は、レンズ５８と６０を含み、スポットジェネレータ１０により生成された光スポット配列により照射されたサンプル配列の画像を画素化フォトディテクタ３６上に形成する。キャプチャされた画像はビデオ処理ＩＣ３８により処理され、実際のマイクロスコープ画像になる。このマイクロスコープ画像は表示され、必要に応じてＰＣ６２により分析される。

図２を参照するに、先行技術のスポットジェネレータにより生成された光スポットの配列を示した。この配列により、光スポットを生成する光の伝搬方向に垂直なｘｙ面が決まる。この配列を構成する光スポットはすべてこのｘｙ面内にある。この配列により、格子ピッチがｐである正方格子が形成される。光スポットは（Ｉ，Ｊ）で示される。ここで、ＩとＪはそれぞれｘ座標とｙ座標を指す。光スポットの配列により決まるｘ軸に対して角αを有するスキャン方向で、光スポットをサンプルに対してスキャンする。よって、各光スポットは、別々の直線（Ｋ＝１，２，３）に沿ってサンプルをスキャンし、２つの隣接する軌跡（例えば、Ｋ＝１とＫ＝２）間距離は格子ピッチＰよりも非常に短いものである。

図３は、本発明の第１の実施形態によるマルチモーダルスポットジェネレータにより生成される光スポットの配列を示す図である。スポットジェネレータ１０は、ｘｙ平面内にある第１の光スポット群２２と、第２の光スポット群２４とを生成する。ここで、ｚ軸は、スポットジェネレータの出射側における光の平均伝搬方向に平行に取る。第１の光スポット群２２は、同じ光スポット６４の規則的な長方形配列を形成する。第２の光スポット群２４は、この実施形態では、同じ光スポット６６の長方形配列を形成する。配列２２と２４は隣接している。光スポット群２２、２４を生成するスポットジェネレータのレイアウトは、図に示した配列のレイアウトと類似している。すなわち、スポットジェネレータは、第１の光スポット群２２を生成する第１セクションと、これと隣接する、第２の光スポット群２４を生成する第２セクションとを有する。スポットジェネレータの各セクションは、例えばマイクロレンズの配列や、２値位相構造であってもよい。第１の光スポット群２２の光スポット６４は、基本的に、第２の光スポット群２４の光スポット６６と、角スペクトルが異なる。各配列は同じ長方形の複数の単位セルに分解できる。スポットジェネレータの概略的なレイアウトは配列２２、２４のレイアウトと同じである。すなわち、スポットジェネレータは隣接する２つの配列を有し、各配列は同じ単位セルから構成され、スポットジェネレータの単位セルと光スポットの配列の単位セルとの間には１対１の対応関係がある。

ここで図４を参照するに、スポットジェネレータの他の実施形態による光スポットの配列を示した。光スポットの配列は、第１の副配列２２と第２の副配列２４とを有する。結合した配列２２、２４は同じ単位セルに分解でき、各単位セルは第１の配列２２の光スポットと、第２の配列２４の光スポット６６とを有する。このように、配列２２と２４はインターレースされている。この配列を生成するために用いるスポットジェネレータは、この配列自体と同じ概略レイアウトを有している。すなわち、同じ単位セルから構成され、スポットジェネレータの各単位セルはアレイ２２、２４の１つの単位セルに対応する。

ここで図５を参照するに、図４に示した配列２２，２４を生成するスポットジェネレータの、図４の線分ＡＢに沿った断面を示した。コヒーレント光２０がスポットジェネレータ１０の入射面１２に入射する。スポットジェネレータ１０の入射面（entry surface）１２は入射側（entry side）１６を規定し、スポットジェネレータの出射面（exit surface）１４は出射側（exit side）１８を規定する。光２０は、スポットジェネレータ１０により変調され、出射側１８において、光は２つの光スポット群、すなわち、同じ複数の光スポット６４よりなる第１の光スポット群と、同じ複数の光スポット６６よりなる第２の光スポット群を形成する。ここで、第２の光スポット群の光スポット６６は、角スペクトルが、第１の光スポット群の光スポット６４とは異なる。第１の光スポット群の光スポット６４と第２の光スポット群の光スポット６６とは、ｚ軸に垂直な共通の焦点面８にある。第１の光スポット群の光スポット６４と第２の光スポット群の光スポット６６とは、例えば、それぞれ明視野イメージングモードと暗視野イメージングモードとを与える。明視野モードの各光スポット６４は、その中心で最大強度となり、暗視野モードの各光スポット６６は、その中心で最低強度となり、中心の周りに強度が高い円形リングがある。暗視野スポット６６のリングプロファイルは、図４のようにｚ方向から見るとよく分かるであろう。

ここで図６を参照するに、低分解能イメージを生成する大きなスポット６６の副配列と、高分解能イメージを生成する小さなスポット６４の副配列とを有する光スポット配列を示した。このスキャンスポットのレイアウトは、分解能が２倍異なる画像を同時に取得するときに好適である。各副配列は長方形の複数の単位セルに分解できる。大きなスポット６６の断面の面積は、小さいスポット６４の断面の面積の約４倍大きい。スポットは、間隔が等しい平行な列に配置され、各列はｘ方向に伸び、間隔はｐ_ｙ／２である。列は、小さいスポットの列と大きいスポットの列とが交互に並んでいる。ｘ方向に沿って小さいスポット６４の各列では、光スポット６４の間の間隔はｐ_ｘ／２であり、ｘ方向に沿って大きなスポット６６の各列では、光スポット６４の間隔はｐ_ｘである。このように、小さいスポットは大きいスポットの２倍ある。結合した配列２２，２４は同じ単位セル３１に分解でき、各単位セルは大きなスポットを１つと小さいスポットを２つ含む。上記の実施形態のように、光スポットの配列の単位セル３１と、光スポットを生成するスポットジェネレータの単位セルとの間には１対１の対応関係がある。図６に示した光スポットは、マイクロスコープコンポーネントの位置や方向を機械的に変更せずにモード間の切替（すなわち、大きいスポット６６または小さいスポット６４の選択）をできるように構成されている。特に、スポット配列とスキャン方向との間の角ＣＣ（図２参照）は変更する必要がない。

最後に、図７は光スポットの配列を生成する２値位相構造の単位セル３０を示す。ここで、各光スポットは、暗視野コントラストモードを提供するために、リング状の横方向プロファイルの角スペクトルを有する。単位セル３０は正方形の透明プレートであり、各辺は１５マイクロメートルである。プレートの厚さはどの点においても２つの値に制限されている。第１の厚みの領域は黒く示し、第２の厚みの領域は白く示した。

好ましい実施形態を参照して本発明を説明したが、ここに記載した具体的な形式に限定することを意図したものではない。むしろ、本発明は添付した請求項によってのみ限定され、上記の実施形態以外の実施形態も添付した請求項の範囲に等しく入りうる。例えば、第１または第２の光スポット群のいずれかを選択的に分析することを述べたが、本発明は両方の光スポット群を同時に分析することも含む。

請求項では、「有する」という用語は他の要素やステップの存在を排除するものではない。さらに、個別的に列挙されていても、複数の手段、要素、方法ステップは、例えば単一のユニットまたはプロセッサにより実施してもよい。また、個々の機能（feature）は異なる請求項に含まれていても、これらを有利に組み合わせることが可能であり、異なる請求項に含まれていても、機能を組み合わせられないとか、組み合わせても有利ではないということを示唆するものでもない。また、単数扱いをしても複数の場合を排除するものではない。よって、「１つの」等は複数の場合を排除するものではない。請求項中の参照符号は、明りょうにするために設けており、請求項の範囲を限定するものと解してはならない。

Claims (15)

1. スポットジェネレータであって、
   入射光ビームを受ける入射面と、
   前記光ビームを出す出射面とを有し、
   前記入射面が入射側を画成し、前記出射面が出射側を画成し、前記スポットジェネレータは前記入射光ビームを変調して、第１の光スポット群とこれとは離れた第２の光スポット群とを生成するように設計され、前記第１の光スポット群に属する各光スポットは第１の角スペクトルを有し、第２の光スポット群に属する各光スポットは第１の角スペクトルとは異なる第２の角スペクトルを有する、スポットジェネレータ。
2. 前記第１の光スポット群の光スポットと、前記第２の光スポット群の光スポットとは共通の焦点面にある、請求項１に記載のスポットジェネレータ。
3. 前記スポットジェネレータにより出射側に生成される各光スポットは、出射された光ビームの平均伝搬方向に基本的に垂直な平面上に投影した、前記スポットジェネレータにより出射側に生成される他のすべての光スポットと異なる、請求項１に記載のスポットジェネレータ。
4. 前記スポットジェネレータは前記第１の光スポット群の光スポットを生成する第１セクションと、前記第２の光スポット群の光スポットを生成する第２セクションとを有する、請求項１に記載のスポットジェネレータ。
5. 前記スポットジェネレータは第１と第２の光スポット群を両方とも生成する同一の単位セルの配列を有する、請求項１に記載のスポットジェネレータ。
6. 前記スポットジェネレータは周期的な２値位相構造を有する、請求項１に記載のスポットジェネレータ。
7. 前記第１の光スポット群の光スポットは、前記第２の光スポット群の光スポットと開口数が異なる、請求項１に記載のスポットジェネレータ。
8. 前記第１の光スポット群の各光スポットはディスク状横方向プロファイルの角スペクトルを有し、前記第２の光スポット群の各光スポットはリング状横方向プロファイルの角スペクトルを有する、請求項１に記載のスポットジェネレータ。
9. 前記第１の光スポット群の光スポットは、前記第２の光スポット群の光スポットと光度が異なる、請求項１に記載のスポットジェネレータ。
10. 前記第１の光スポット群の光スポットは非点収差が最小であり、前記第２の光スポット群の光スポットは非点収差が大きい、請求項１に記載のスポットジェネレータ。
11. 請求項１に記載のスポットジェネレータを有するマルチスポットスキャンマイクロスコープ。
12. 前記スポットジェネレータにより生成された光スポットからの光を集めるように構成されたイメージング光学系と、
    前記イメージング光学系により集められた光を検出するように構成された画素化フォトディテクタと、
    前記画素化フォトディテクタに接続され、前記第１または第２の光スポット群のうちいずれかを選択的に分析する論理回路とをさらに有する、請求項１１に記載にマルチスポット・スキャン・マイクロスコープ。
13. 前記マイクロスコープは前記第１と第２の光スポット群を同時に生成するように設計された、請求項１１に記載にマルチスポット・スキャン・マイクロスコープ。
14. 前記マイクロスコープは前記第１と第２の光スポット群を順次的に生成するように設計された、請求項１１に記載にマルチスポット・スキャン・マイクロスコープ。
15. サンプル、特に微細なサンプルのイメージング方法であって、
    前記サンプルを照射するよう前記第１と第２の光スポット群を同時に生成する段階であって、前記第１の光スポット群に属する各光スポットは第１の角スペクトルを有し、第２の光スポット群に属する各光スポットは第１の角スペクトルとは異なる第２の角スペクトルを有する段階と、
    画素化フォトディテクタ上に前記サンプルのイメージを生成する段階と、
    前記第１または第２の光スポット群のいずれかの光スポットを選択的に分析する段階とを有する、方法。

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