JP2017167263A - 高分解能光学顕微鏡計測法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学顕微鏡の解像限界を越える長径１μｍ未満の試料の光学顕微鏡画像を得ることができる高分解能光学顕微鏡計測法を提供する。【解決手段】膜厚１００ｎｍ以下の光透過性の薄膜上に長径１μｍ未満の被測定物体を分散させ、光学顕微鏡の対物レンズを通して光学顕微鏡画像を得ることにより長径１μｍ未満の被測定物体を画像化する高分解能光学顕微鏡計測法。【選択図】図１

Description

本発明は、高分解能光学顕微鏡計測法に関し、特に、従来の光学顕微鏡の解像限界を越える長径１μｍ未満の微小材料を可視化可能にした高分解能光学顕微鏡計測法に関する。

従来、光学顕微鏡を用い、スライドガラス等の透明基板の上に材料を分散し、透過光または落射光等により、コントラストをつけて、十分に大きい物体は直接画像から寸法を測定し、小さなものはコントラストを利用して校正曲線から寸法を推定することが行われてきた。また、割れやすく厚く(約１ｍｍ)てかさばるスライドガラスに代えて厚さ５０〜３００μｍ程度の膜状高分子支持体を透明基板に用いる(特許文献１参照)ことも行われているが、従来の光学顕微鏡を用いた計測法では用いる可視光の波長(略３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ)から自ずと解像限界があり、１μｍ未満の物体を確実に識別することはできなかった(なお光を当てると点光源になるような物体であれば、その存在を識別できる場合があった)。

特開２００１−２１５１８１号公報 特開２００６−２４４７４２号公報

本発明が解決しようとする課題は、従来の光学顕微鏡の解像限界を越えた、長径１μｍ未満のオーダーの微小物体を確実に高いコントラストで識別可能とする光学顕微鏡計測法を提供することにある。

そこで上記課題を解決するために、本発明者等は、透過型電子顕微鏡用の膜付きグリッド(特許文献２参照)などに用いられている超薄膜に着目し、鋭意研究の結果驚くべきことに、１００ｎｍ以下の薄膜または単層原子膜(例えば、グラフェン膜等)上に長径１μｍ未満の試料を乗せることにより、超高解像度の画像を得ることが可能となる光学顕微鏡計測法を開発した。厚さ１００ｎｍ以下の薄膜を透明基板に利用すると、基板の効果を非常に小さくでき、基板上の長径１μｍ未満の試料粒子のコントラストを上げることができると考えられ、このため、さらに膜の均質化(厚み等)をはかれば、微細な長径５００ｎｍ以下の粒子であっても、判別が可能になる
すなわち、本発明は、膜厚１００ｎｍ以下の光透過性の薄膜上に長径１μｍ未満の被測定物体を分散させ、光学顕微鏡の対物レンズを通して光学顕微鏡画像を得ることにより長径１μｍ未満の被測定物体を画像化する高分解能光学顕微鏡計測法である。
また、本発明は、上記高分解能光学顕微鏡計測法において、前記薄膜の材料は、炭素系素材、薄膜シリコン、酸化物、窒化物、単原子薄膜、または、層状化合物であることを特徴とする。
また、本発明は、上記高分解能光学顕微鏡計測法において、前記対物レンズと前記薄膜の間は、大気、真空、または、前記薄膜と屈折率の異なる溶媒であることを特徴とする。
また本発明は、上記高分解能光学顕微鏡計測法を用いて、予め、既知の複数の粒径の標準試料について各粒径毎の光学顕微鏡画像を得て、各粒径毎の光学顕微鏡画像のコントラストの違いから粒径とコントラストの関係を表す検量線を求めておき、次に上記高分解能光学顕微鏡計測法を用いて、粒径１μｍ未満の被測定試料について光学顕微鏡画像を得、当該光学顕微鏡画像からコントラストを求め、求めたコントラストを予め求めていた前記検量線に当てはめることにより粒径を求める粒径推定法である。

本発明では、長径１μｍ未満の材料について、光学顕微鏡を用いて計測できるので、従来の高価で大がかりで操作も煩雑な電子顕微鏡を用いる必要がなく、安価で操作も簡便な光学顕微鏡での計測が実現できる。
また、予め複数の既知粒径の標準試料を用いて計測し粒径とコントラストの関係を求めておけば、被測定試料のコントラストにより粒径を求めることができる。

図１は、本発明の高分解能光学顕微鏡計測法を落射式および透過式光学顕微鏡で実現するための説明図である。 図２は、図１で示した本発明の高分解能光学顕微鏡計測法において、対物レンズと薄膜間を大気・真空、または、溶媒を入れる場合を説明した図である。 図３は、粒径１５０ｎｍのＰＳＬ粒子を膜厚３０ｎｍのフォルムバール膜上に乗せて、落射式光学顕微鏡を用いて本発明の高分解能光学顕微鏡計測法で得られた光学顕微鏡画像と、同一試料同一視野の原子間力顕微鏡画像を対比した図である。

本発明の計測法は、非常に薄い１００ｎｍ以下の薄膜(例えば透過電子顕微鏡用の膜付グリッドなど)や単層原子膜(例えばグラフェン膜など)上に被測定試料を乗せることにより、超高解像度の光学顕微鏡画像を得ることを可能としたものである。本発明の計測法によれば、可視光の波長(略３００ｎｍ〜１１００ｎｍ)により従来光学顕微鏡の解像限界を越え不可能と考えられていた、長径１μｍ未満の被測定試料(粒子等)に対する超高解像度の光学顕微鏡画像が得られ、利用する薄膜は、膜の厚さが均質なものを用いることで、膜と材料のコントラストを上げることができる。

図１は、本発明の光学顕微鏡計測法を落射式および透過式光学顕微鏡を用いて実現した説明図である。図１の左側図(落射式)では、１００ｎｍ以下の薄膜上に乗せた長径１５０ｎｍの物体(被測定試料)に上から落射光源の光を照射し、物体で光を散乱または吸収させ、対物レンズを通して撮像素子(ＣＣＤ等)に結像させ顕微鏡画像を得るものである。図１の右側図(透過式)では、１００ｎｍ以下の薄膜上に乗せた長径１５０ｎｍの物体(被測定試料)に、下から透過光源の光を照射し、物体で光を散乱または吸収させ、対物レンズを通して撮像素子(ＣＣＤ等)に結像させ光学顕微鏡画像を得るものである。
なお、落射式と透過式について説明したが、その他の微分干渉モード、偏光顕微鏡などの各種モードの光学顕微鏡で実現可能であることはいうまでもない。
さらに、予め複数の粒径について標準粒子を用いて得た顕微鏡画像から、粒径とコントラストの校正曲線を求めておき、被測定試料の顕微鏡画像から前記校正曲線を用いて粒径を推定することもできる。
図２は、対物レンズと薄膜間について、大気、真空、または、薄膜と異なる屈折率の溶媒を入れる場合のいずれでも可能であることを示した図である。なお、図２の左側図が落射式、右側図が透過式によるものである。

その他の実施形態としては、以下のものが挙げられる。
使用する薄膜の材料は、炭素系素材、薄膜シリコン、酸化物、窒化物をはじめする、薄膜状態で光を透過する材料であれば使用できる。
単原子薄膜や層状化合物の層(１００層以下ただし総厚１００ｎｍ以下)上に、長径１μｍ未満の寸法の構造体を含む材料を分散させ、光学レンズを通して撮像素子に結像することにより、微細な材料を画像化することもできる。
溶液中に１００ｎｍ以下薄膜の支持基板を固定することにより、環境中での観察が可能である。
暗視野照明や偏光を利用することにより、コントラスト・分解能を向上できる。

(実測例)
図３は、粒径１５０ｎｍのポリスチレンラテックス粒子(ＰＳＬ粒子)を膜厚３０ｎｍのフォルムバール膜上にのせ、落射光源を利用する汎用の光学顕微鏡(図３左図参照)で、対物レンズを通して撮像素子(ＣＣＤ等)上に孤立粒子の画像を得ることができた光学顕微鏡画像(図３中央図参照)である。図３右図は、同じ試料のほぼ同一視野に対して原子間力顕微鏡で得られた画像である。光学顕微鏡画像と原子間力顕微鏡の画像とを対比すれば、両者で対応する位置に粒子画像が得られており、本発明の光学顕微鏡計測法により、従来解像限界を越え実現不可能と考えられていた長径１μｍ未満の被測定試料の光学顕微鏡画像が得られることが確認された。

本発明によれば、光学顕微鏡で観察・定量可能な粒径の範囲を、従来の解像限界を越える１μｍ未満にまで広げることができ、研磨剤や工業用粒子等の微粒子の計測を迅速に行える。
また、電子顕微鏡・原子間力顕微鏡で精密な測定をする前に、簡単に、微細な粒子等の存在を位置合わせ用光学顕微鏡を用いて確認できる。

Claims (4)

1. 膜厚１００ｎｍ以下の光透過性の薄膜上に長径１μｍ未満の被測定物体を分散させ、光学顕微鏡の対物レンズを通して光学顕微鏡画像を得ることにより長径１μｍ未満の被測定物体を画像化する高分解能光学顕微鏡計測法。
2. 前記薄膜の材料は、炭素系素材、薄膜シリコン、酸化物、窒化物、単原子薄膜、または、層状化合物であることを特徴とする請求項１記載の高分解能光学顕微鏡計測法。
3. 前記対物レンズと前記薄膜の間は、大気、真空、または、前記薄膜と屈折率の異なる溶媒であることを特徴とする請求項１または２記載の高分解能光学顕微鏡計測法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の高分解能光学顕微鏡計測法を用いて、予め、既知の複数の粒径の標準試料について各粒径毎の光学顕微鏡画像を得て、各粒径毎の光学顕微鏡画像のコントラストの違いから粒径とコントラストの関係を表す検量線を求めておき、
   次に、請求項１〜３のいずれかに記載の高分解能光学顕微鏡計測法を用いて、粒径１μｍ未満の被測定試料について光学顕微鏡画像を得、当該光学顕微鏡画像のコントラストを求め、求めたコントラストを予め求めていた前記検量線に当てはめることにより粒径を求める粒径推定法。

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