JP2015060229A - 高分解能走査顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
Description
この手法では、スポットを回折限界で検出平面上に撮像することによって、分解能の向上が達成される。回折限界の撮像は、点スポットをエアリー・ディスクとして撮像する。この回折ディスクは、その構造が分解可能となるように検出平面内で捕捉される。したがって、顕微鏡の撮像性能に関して、検出側でオーバーサンプリングが行われる。点スポットの撮像の際に、エアリー・ディスクの形状が分解される。前述の文献に記載の、これに関するその開示が本明細書に完全に含まれる、回折構造の適切な評価によって、回折限界の2倍の分解能向上が達成される。
なお、上述の特徴および以下にこれから説明される特徴は提示された組み合わせにおいてのみでなく、本発明の枠から逸脱することなく、他の組み合わせにおいて、もしくは単独でも使用可能である。
制御装置Cは、LSM1の全ての構成要素、特にスキャナ10および検出装置19を制御する。制御装置は様々な走査位置について、各個々の画像17のデータを記録し、その回折構造を分析して試料2の高分解能の全体画像を生成する。
今では検出装置19が、個々のファセット31を支持するファセット・ミラー30を備えている。ファセット31は、画像17の分解能の点で、光ファイバー束入口22における光ファイバー21の端部に対応している。個々のファセット31は、その放射線入射の光軸に対する傾きの点で互いに異なっている。レンズ32およびミニレンズ・アレイ33、ならびにビーム重畳にのみ使用される偏向ミラー34とともに、各ファセット31は単一画像17の面部分を検出器アレイ24のピクセル25上に撮像する。その際、ファセット31の配向に応じて、検出器アレイ24を好ましくは2Dアレイとしてもよいが、検出器行も可能である。
既に言及したように、検出器アレイ24は、その幾何学的形状に関して、さらなる制限なく選定することができる。その場合、当然ながら、検出装置19内の再分配素子を対応する検出器アレイに適合させなければならない。画像17を分解するのに用いられる個々のピクセルは、究極的にはそのサイズに関して、検出器アレイ24によって規定されるのではなく、検出平面18からの放射線の再分配を行う素子によって規定される。エアリー・ディスクの場合、回折限界の撮像ではディスクの直径が、公式によれば1.22λ/NAであり、ここで、λは撮像される放射線の平均の波長、NAは対物レンズ13の開口数である。その場合、半値幅は0.15λ/NAである。高分解能を達成するには、検出の際の空間分解能をこの半値幅の2倍の大きさにする、すなわち半値幅を2度サンプリングすることで足りる。したがって、ファセット素子31あるいは光ファイバー束入口22における光ファイバー21の端部は、回折限界の単一画像の半値幅の、最大で半分の大きさであってもよい。もちろんこれは、光学系が対物レンズ13に応じて作用する撮像倍率の考慮した場合に有効である。つまり、もっとも単純な場合には、半値幅当たり検出平面18内の4×4アレイのピクセルで十分過ぎる程であろう。
この装置には、図9に示された2つの欠点がある。
第一に、幾何学的充填率により、有効面FK(ファイバー芯)とファイバー芯周囲の不感領域FT(ファイバー被覆)との間に効率損失が生じる。
本発明の目的は、これらの問題を最小限に抑えるための装置を提示することである。本発明は、独立請求項の特徴によって特徴付けられる。好ましい発展構成は、従属請求項の対象である。
これに関して、入射光の開口数(NA)は、ファイバーのNAよりも著しく小さくなければならない。というのも、そうでなければ、不感領域からの光の偏向によって、ファイバーに入射する光線の角度が過大になり得るからである。
− 直立した壁と、
− 放物線形状の壁と、
− ミラー化された壁と、を備えた光漏斗であってもよい。
・アレイはレンズ(ガラスまたはプラスチック)から構成されていてもよい。
・異なる領域の幾何学的形状を変更することによって、異なるファイバーの受信領域の幾何学的形状もしくはサイズを個別に設計することができる。光がそこへ導かれる領域は、ファイバーの有感面よりも小さくなければならない。それにより、ファイバー束の個々のファイバーの望ましくない横方向の変位(製造ばらつき)を少なくとも部分的に均一化することができる。
図9〜図14中の符号は下記を意味する。
FK:ファイバー芯
FT:不感領域
40:入口面
41:支持体
42:ミラー化
43:単一レンズ
44:レンズ・アレイ
45:上載せ部
46:中央領域
47:面取り領域
48:中間像平面
49.1、2、3:光線束
50:レンズ・アレイ
51:内側幾何学形状
52:外側幾何学形状
E:光入射面
本発明による、光に影響を与える素子のアレイは、本発明によれば、光学活性なファイバー芯よりも好適には小さい領域に、入射光が集中または集束されるように寸法決めされているので、単一ファイバーの位置決めの誤差およびサイズの差異を均一化することができる。
この光漏斗によって、まずは不感領域が大幅に縮小された。加えて漏斗の下方の(より小さい)出口開口部を活性なガラス・ファイバー芯よりも小さく選定すれば、光漏斗アレイが十分正確に形成されている限りは、個々のファイバーの互いに対する軽度の機械的変位(ファイバー束の製作時のばらつき)はもはや支障を来さなくなるであろう。リソグラフィ方法(マイクロ光学)によって、これを問題なく達成することができる。
束49.1は、顕著に偏向されることなく円柱レンズの中央を通過しているが、束49.2および49.3はそれぞれの円柱レンズの縁部領域において、それぞれのファイバー束の方向に偏向されている。
ここでは、リソグラフィ製造方法によって、原理上は任意の領域境界を形成することができる。ここでの制約は、領域境界からガラス・ファイバー芯への偏向角度がガラス・ファイバーの受入角度より大きくなってはならないということのみである。
上載せ部の各領域には、1つもしくは複数の、ここではそれぞれ1つの、光入射開口部が割り当てられている。
外側の四角形の幾何学形状52に関して、内側の丸い幾何学形状51において、異なるサイズおよび異なる形状の光入射面が光をそれぞれ単一ファイバー40に導いている。
Claims (34)
- 試料(2)の高分解能走査顕微鏡検査のための顕微鏡であって、
− 該試料(2)を照射するための照射装置(3)と、
− 該試料(2)上に少なくとも1つの点スポットもしくは線スポット(14)を走査させるための、および、該点スポットもしくは線スポット(14)を、撮像倍率のもとで検出平面(18)内に回折限界の静止単一画像(17)に撮像するための撮像装置(4)と、
− 該撮像倍率を考慮して該回折限界の単一画像(17)の半値幅の少なくとも2倍の大きさである空間分解能で、様々な走査位置について該検出平面(18)内の該単一画像(17)を捕捉するための検出装置(19)と、
− 該検出装置(19)のデータから、該走査位置の該単一画像の回折構造を評価するための、および、回折限界を超えて高められた分解能を有する該試料(2)の画像を生成するための評価装置(C)とを備えた顕微鏡において、
− 該検出装置(19)が、
− ピクセル(25)を備えており該単一画像(17)より大きい検出器アレイ(24)と、
− 該検出器アレイ(24)の上流に配置され、該検出平面(18)からの放射線を非撮像的に該検出器アレイ(24)の該ピクセル(25)上に分配する非撮像の再分配素子(20〜21;30〜34;30〜35)とを備えている、顕微鏡。 - 前記再分配素子が、光ファイバー(21)好適には多モード光ファイバーからなる束(20)を含んでおり、該束が、前記検出平面(18)に配置された入口(22)と、該光ファイバー(21)が該入口(22)の幾何学的配置とは異なる幾何学的配置で前記検出器アレイ(24)の前記ピクセル(25)にて終端する出口(23)とを備えていることを特徴とする、請求項1に記載の顕微鏡。
- 前記光ファイバー(21)が、隣接して位置する前記ピクセル(25)の放射強度に応じたクロストークを最小化するために、前記出口(23)に隣接する前記光ファイバー(21)が前記入口(22)にも隣接するように、前記入口(22)から前記出口(23)まで延びていることを特徴とする、請求項2に記載の顕微鏡。
- 前記再分配素子が、様々に傾けられたミラー素子(31)を備えたミラー(30)、特に、ファセット・ミラー、DMD、または適応ミラーを含んでおり、該ミラーが、前記検出平面(18)からの放射線を前記検出器アレイ(24)の前記ピクセル(25)上に偏向させ、前記検出器アレイ(24)の前記ピクセル(25)が、該ミラー素子(31)の幾何学的配置とは異なる幾何学的配置を有していることを特徴とする、請求項1に記載の顕微鏡。
- 前記撮像装置(4)が、前記単一画像(17)のサイズを前記検出装置(19)のサイズに適合させるための、撮像方向において前記検出平面(18)の上流に配置されたズーム光学系(27)を備えていることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の顕微鏡。
- 前記照射装置(3)と前記撮像装置(4)とが走査装置(10)を共有しており、前記照射装置(3)が、前記撮像装置によって撮像された前記スポット(14)と一致する回折限界の点スポットもしくは線スポットで前記試料を照射し、前記ズーム光学系(27)もまた前記照射装置(3)の構成要素となるように前記ズーム光学系(27)が配置されていることを特徴とする、請求項5に記載の顕微鏡。
- 前記検出器アレイ(24)が、検出器行、好ましくはAPD行もしくはPMT行であることを特徴とする、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の顕微鏡。
- 試料(2)の高分解能走査顕微鏡検査のための方法であって、
− 該試料(2)を照射し、
− 該試料(2)上を走査するように導かれる少なくとも1つの点スポットもしくは線スポット(14)を単一画像(17)に撮像し、その際、該スポット(14)を撮像倍率のもとで、回折限界で該単一画像(17)に撮像し、該単一画像(17)が検出平面(18)内に静止しており、
− 様々な走査位置について、該撮像倍率を考慮して該回折限界の単一画像(17)の半値幅の少なくとも2倍の大きさの空間分解能で該単一画像(17)を捕捉することにより、該単一画像(17)の回折構造を捕捉し、
− 各該走査位置について該単一画像(17)の該回折構造を評価し、回折限界を超えて高められた分解能を有する該試料(2)の画像を生成する方法において、
− ピクセル(25)を備えており該単一画像(17)よりも大きい検出器アレイ(24)を設け、
− 前記検出平面(18)からの該単一画像の放射線を、非撮像的に該検出器アレイ(24)の該ピクセル(25)上に再分配する、方法。 - 前記単一画像(17)の放射線を、光ファイバー(21)好適には多モード光ファイバーからなる束(20)を用いて再分配し、該束が、前記検出平面(18)に配置された入口(22)と、該光ファイバー(21)が該入口(22)の幾何学的配置とは異なる幾何学的配置で前記検出器アレイ(24)の前記ピクセル(25)にて終端する出口(23)を備えていることを特徴とする、請求項8に記載の方法。
- 前記光ファイバー(21)を、隣接して位置する前記ピクセル(25)の放射強度に応じたクロストークを最小化するために、前記出口(23)に隣接する前記光ファイバー(21)が前記入口(22)にも隣接するように、前記入口(22)から前記出口(23)まで導くことを特徴とする、請求項9に記載の方法。
- 各前記光ファイバー(21)に個別に放射線を当てることによって前記光ファイバー(21)からなる前記束(20)および前記検出器アレイ(24)の較正を行い、隣接する前記光ファイバー(21)の前記出口(23)に割り当てられた前記ピクセル(25)における干渉信号を捕捉し、前記試料(2)の顕微鏡検査の際に隣接して位置する前記ピクセル(25)の放射強度に依存したクロストークを補正するために用いる較正マトリクスを作成することを特徴とする、請求項8または9に記載の方法。
- 前記単一画像(17)の放射線を、様々に傾けられたミラー素子(31)を備えたミラー(30)、特に、ファセット・ミラー、DMD、または適応ミラーを用いて再分配し、その際、該ミラー(30)によって前記検出平面(18)からの放射線が前記検出器アレイ(24)の前記ピクセル(25)上に導かれ、前記検出器アレイ(24)の前記ピクセル(25)が、該ミラー素子(31)の幾何学的配置とは異なる幾何学的配置を有していることを特徴とする、請求項8に記載の方法。
- 前記検出器アレイ(24)として、検出器行、好ましくはAPD行もしくはPMT行を使用することを特徴とする、請求項8乃至12のいずれか1項に記載の方法。
- 前記検出器アレイ(24)の個々の前記ピクセル(25)の信号を、相互相関関数を用いて評価することによって、前記点スポットもしくは線スポット(14)の走査の移動方向を特定することを特徴とする、請求項8乃至13のいずれか1項に記載の方法。
- 前記試料(2)において前記点スポットもしくは線スポット(14)が静止している際に前記回折限界の単一画像(17)の時間的変化を特定および評価することによって、前記試料(2)における変化を捕捉することを特徴とする、請求項8乃至14のいずれか1項に記載の方法。
- 光方向において前記光ファイバーからなる束の上流に配置されて光方向に影響を与える素子が設けられており、該素子が、単一光ファイバーの光入射開口部に検出光を割り当てる、請求項1乃至15のいずれか1項に記載の顕微鏡および/もしくは方法。
- 前記単一光ファイバーに割り当てられたミラー化素子が上流に配置されている、請求項16に記載の顕微鏡および/もしくは方法。
- 各前記単一光ファイバーが、前記光を前記検出器アレイの方向に伝達し、素子が上流に配置されている、請求項16または17に記載の顕微鏡および/もしくは方法。
- 前記素子の断面が光方向に縮小している、請求項16乃至18のいずれか1項に記載の顕微鏡および/もしくは方法。
- 前記素子が、管状、特に漏斗状に形成されている、請求項16乃至19のいずれか1項に記載の顕微鏡および/もしくは方法。
- 前記素子の下方の断面が、光学的に有効な前記単一光ファイバーのファイバー芯の直径よりも小さい、請求項16乃至20のいずれか1項に記載の顕微鏡および/もしくは方法。
- 光を分割する素子が前記単一光ファイバーに割り当てられている、請求項16乃至21のいずれか1項に記載の顕微鏡および/もしくは方法。
- 前記光を分割する素子が、前記光を前記光入射開口部の方向に集束する少なくとも1つの湾曲部を備えている、請求項16乃至22のいずれか1項に記載の顕微鏡および/もしくは方法。
- 光を集束するための凸レンズおよび/もしくは平凸レンズを備えている、請求項16乃至23のいずれか1項に記載の顕微鏡および/もしくは方法。
- 前記光を分割する素子がプリズム構造体であり、該プリズム構造体が前記単一光ファイバーに光学的に割り当てられている、請求項16乃至24のいずれか1項に記載の顕微鏡および/もしくは方法。
- プリズム構造体が、前記光方向に対して直交する中心領域と、前記光方向に影響を与えるための、前記光方向に対して90度以外の角度を有する縁部領域とを備えている、請求項16乃至25のいずれか1項に記載の顕微鏡および/もしくは方法。
- 単一ファイバーの少なくとも一部に、レンズ・アレイのレンズが光学的に割り当てられている、請求項16乃至26のいずれか1項に記載の顕微鏡および/もしくは方法。
- レンズ・アレイが、試料平面に光学的に共役である中間像平面における光入射面の撮像のために、該中間像平面と前記光入射面の平面との間に配置されている、請求項16乃至27のいずれか1項に記載の顕微鏡および/もしくは方法。
- 前記光を分割する素子もしくはミラー化素子によって、前記光の集束が、その直径が単一ファイバーの前記光入射開口部もしくはファイバー芯の光学的に有効な直径よりも小さい領域において行われる、請求項16乃至28のいずれか1項に記載の顕微鏡および/もしくは方法。
- 前記光方向に影響を与えるために、前記素子の配置が様々な幾何学的分布で行われる、請求項16乃至29のいずれか1項に記載の顕微鏡および/もしくは方法。
- 少なくとも1つの素子が、ファイバー束の少なくとも1つの入口開口部に作用する、請求項16乃至30のいずれか1項に記載の顕微鏡および/もしくは方法。
- ファイバー束の上流に光透過性の構成要素が配置されており、該構成要素が、素子の複数の異なる幾何学的分布を備えている、請求項16乃至31のいずれか1項に記載の顕微鏡および/もしくは方法。
- 異なる数のファイバー入口開口部に作用するための単一素子のサイズが互いに異なっている、請求項16乃至32のいずれか1項に記載の顕微鏡および/もしくは方法。
- 素子からなる少なくとも1つの幾何学的円形構造体が設けられている、請求項16乃至33のいずれか1項に記載の顕微鏡および/もしくは方法。
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