JP5890443B2

JP5890443B2 - 色共焦点センサ

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Publication number: JP5890443B2
Application number: JP2014014491A
Authority: JP
Inventors: ジェイ．ゲイツ，ブライアン; アール．シコラ，クレイグ; ファクリス，ディーン; ジェイ．マーナン，アンドリュー; オー．フアルミガ，ネスター
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2007-10-11
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2016-03-22
Anticipated expiration: 2028-10-03
Also published as: EP2208100B8; US20100296106A1; EP2208100B1; JP2011501209A; EP2208100A4; CN101821659B; US8451457B2; WO2009048808A1; EP2208100A1; CN101821659A; JP2014088041A

Description

本開示は、共焦点顕微鏡システム内で焦点面を検出するための方法及び装置に関する。

共焦点センサは、三次元画像を点ごとにマッピングするか、又は、二次元画像平面上において、高い弁別性の表面位置情報を提供するために、顕微鏡システムで用いられている。後者の用途では、高弁別性の焦点を作り出すために、レーザーのような好適な照明源が一般に用いられている。

図１に示されているように、狭帯域照明２０が光源１２から放射され、光学システム１０を通過する。狭帯域照明２０は、ビームスプリッタ２２と対物レンズ１４を通過する。対物レンズ１４は、狭帯域照明２０をレンズ１４を越えた距離２６において集束させる。集束の焦点に表面があるとき、狭帯域照明１２は、光学システム１０を通りビームスプリッタ２２まで逆反射される。逆反射した照明が全面的に又は部分的に光学システム１０を通って戻るほど、表面１６の勾配が十分に小さいときに、狭帯域照明が、ビームスプリッタで反射されて集束する。このとき、この光はピンホール２４を通り、その強度が検出器１８によって検出される。

ピンホール２４は、焦点から外れたあらゆる光がピンホール２４を通って検出されるのを防ぐ空間フィルタとして働く。更には、顕微鏡対物レンズとピンホールの焦点は、光学システムの共役点なので、顕微鏡対物レンズの単一の軸上焦点のみが、ピンホールを通って検出器１８の上に至ることになる。ピンホール２４の小さな寸法、典型的には１マイクロメートル程の寸法のおかげで、他の全ての光が退けられる。

図１に示されている共焦点結像システムであって、検出器１８での強度情報のみを用いるシステムでは、表面１６上で正確には集束しないときに、焦点が表面１６の側部１６ａにあるのか又は側部１６ｂにあるのかをユーザーが判断しにくい。焦点が側部１６ａ又は１６ｂ上にあるとき、検出器１８の出力信号は、固有の方向情報を提供しないので、検出器１８によって生成される信号も同様に弱くなる。

方向情報の欠如に加えて、図１の共焦点結像システムは、表面が焦点にあるときには強いが、表面が焦点にないときには急激に低下するシャープな信号を作り出す。

したがって、強度信号のより早い検出を可能にする、すなわち、より効率的な集束を可能にする共焦点結像システムが望まれる。

本発明は広くは、共焦点顕微鏡に関する。

１つの態様では、本開示は、多光子硬化型光反応性組成物をその上に有する基材と、複数の波長を含む光ビームを、上記基材上の前記組成物の少なくとも１つの領域の上に放射する光源と、上記基材に関する位置信号を得るために、組成物から反射される光の一部を検出する検出器であって、この位置信号が、少なくとも反射光の波長に基づく検出器と、を備えるシステムを対象とする。

いくつかの実施形態では、このシステムは、第２の光源から放射される第２の光ビームを含み、この第２の光ビームは、多光子硬化型光反応性組成物の領域を少なくとも部分的に硬化させる。

特定の実施形態では、このシステムは、反射光を検出器に誘導する光ファイバーケーブルを備える。

いくつかの好ましい実施形態では、このシステムは、反射光を検出器に誘導することのある少なくとも２本の光ファイバーケーブルを備え、この光ファイバーケーブルの少なくとも１本は、光ファイバーケーブルの少なくとも別の１本の直径と異なる直径を備える。

別の態様では、本開示は、多光子硬化型光反応性組成物をその上に有する基材を提供する工程と、複数の波長を含む少なくとも１本の光ビームを、物質の少なくとも１つの領域に適用する工程であって、この波長の少なくとも１つが、多光子硬化型光反応性組成物を少なくとも部分的に硬化させるのに十分な強度を備える、適用工程と、上記基材に関する位置信号を得るために、上記物質から反射される光の一部を処理する工程であって、この位置信号が反射光の波長を含む処理工程と、を含む方法を対象とする。

いくつかの実施形態では、上記少なくとも１本の光ビームは、第１の光ビームと第２の光ビームとを含む。特定の好ましい実施形態では、第１の光ビームは、多光子硬化型光反応性組成物を少なくとも部分的に硬化させるのに十分な強度を備える少なくとも１つの波長を含み、第２の光ビームは、上記物質に関する位置信号を得るために、上記物質から反射される光ビームの一部を含む。

別の実施形態では、単一の光ビームが、多光子硬化型光反応性組成物を少なくとも部分的に硬化させるのに十分な強度を備える少なくとも１つの波長と、上記物質に関する位置信号を得るために、上記物質から反射される光ビームの一部とを含む。

特定の実施形態では、少なくとも１本の光ビームを適用する上記工程が、前記少なくとも１本の光ビームに色収差を導入することを含む。

本発明の１つ以上の実施形態の詳細を、添付図及び以下の説明で明らかにする。本発明の他の特長、目的、及び利点は、説明及び図面、並びに特許請求の範囲から明らかとなるであろう。

共焦点センサを示す概略図。縦色収差の例を示す図。色共焦点センサの概略図。共焦点センサから生じる反射点焦点よりも上の波長に対する強度のプロット図。共焦点センサから生じる反射点焦点に一致する波長に対する強度のプロット図。共焦点センサから生じる反射点焦点よりも下の波長に対する強度のプロット図。多光子硬化型光反応性組成物を処理するのに適した、色共焦点センサを備える装置の概略図。色共焦点センサを用いる、多光子硬化型光反応性組成物を処理するのに適した装置の概略図。図６の装置を制御するのに有用である代表的なロジックを示すブロック図。位置を調節するための工程を示すフローチャート。

図２は、レンズ３２を通る光３０を示している。レンズ３２が単一の材料で作製されている場合、縦色収差が生じることがある。代替として、縦色収差を引き起こすか、又は、さらに縦色収差を大きくするために、レンズ３２を２つ以上の材料から構築してもよい。縦色収差は、レンズ３２から異なる距離の焦点面で集束する、異なる波長の光３４、３６、３８をもたらす。具体的には、波長の長い方の光３８は、レンズ３２を通ったとき、他の光よりも屈折が小さく、その結果、波長の短い方の光３６に比べて、レンズ３２から離れた場所で集束することになる。

図３は、色共焦点センサを含む実例的システム４０を目的としている。複数の波長を有する光５０が、光源４２によって放射されている。図示されている実施形態では、光５０は、レンズ４４に突き当たるとコリメートされる。別の実施形態では、光５０は、レンズ４４に突き当たるときコリメートされなくてもよい。検出器４８での波長間の弁別（discrimination）を可能にするために、十分な数の波長を有する光５０を放射するいずれの光源４２、又は複数の光源を用いてもよい。１つの好適な光源４２は、例えば、ファイバーカップル広帯域スーパールミネセントＬＥＤである。続いて、光５０は、ビームスプリッタ５８と対物レンズ４４を通過する。対物レンズ４４は、縦色収差を引き起こすように設計されており、この縦色収差は、対物レンズ４４から異なる距離で集束する、異なる波長５２、５４、５６の光をもたらす。別の実施形態では、対物レンズ４４は縦色収差を引き起こさなくてもよいが、他のレンズ、コリメーション素子、偏光子等のような、他の任意の光学システムコンポーネントが、縦色収差を導入してもよい。図２で簡単に上述したように、最も長い波長５６の光５０は、レンズ４４から最も遠い焦点面で集束することになる。反対に、最も短い波長５２の光は、レンズ４４に最も近い焦点面で集束することになる。中間の波長５４の光は、最も長い波長５６を有する光の焦点面と、最も短い波長５２を有する光の焦点面との間の中間の焦点面で集束することになる。

複数の波長５２、５４、５６の少なくとも１つは、物質６２の表面４６で集束し、この表面は、フィルタ６０と共役している。この例では、物質６２の表面４６は、波長５４において、フィルタと共役している。別の実施形態では、図５を参照しながら後述するように、表面４６は、２つの物質の境界面であってもよい。いくつかのケースでは、表面４６は、物質６２の内面であってもよい。他の波長５２及び５６は、正のｚ方向で表面４６よりも上で、又は、負のｚ方向で表面４６を越えて集束してもよい。物質６２に入射する光５０の少なくとも一部は、表面４６から逆反射され、対物レンズ４４を通って戻り、対物レンズ４４でコリメートされる。続いて、逆反射光５１は、ビームスプリッタ５８から反射され、近接フィルタ６０で集束する。表面４６で集束する光５４の波長のみが、フィルタ６０を通って検出器４８に至ることができる。

図３に示されている実施形態のようないくつかの実施形態では、レンズ４４は、正及び負のｚ方向に調節されるように構築してもよい。別の実施形態では、光学システム全体（レンズ４４、及びレンズ４４から上流の光学素子全てを含む）は、動くように構築されてもよい。更に別の実施形態では、物質６２は、動作可能なように、可動式ステージに連結されてもよい。これによって、レンズ４４から表面４６までの相対距離を変更できるようになり、この変更は、光５０及び表面４６の相対位置を変更する。レンズ４４から表面４６までの距離は、どの波長の光が表面４６で集束することになるかに影響を及ぼす。レンズ４４を表面４６の更に近くに動かすと、短い方の波長の光５２が表面４６で集束することになる。反対に、レンズ４４を表面４６から遠くに動かすと、長い方の波長の光５６が表面４６で集束することになる。表面４６で集束する光の波長が変わると、検出器すなわち検出器４８によって検出される光の波長も変わることになる。つまり、検出器４８によって検出される光の波長は、どの波長の光が表面４６で集束するかを示す。

また、対物レンズ４４も、所望の用途に応じて、更に程度の大きい又は小さい縦色収差をもたらすように設計されてもよい。例えば、縦色収差が大きくなるように設計されている場合、個々の波長は、ｚ方向の比較的長い距離にわたる焦点面で集束できると共に、境界面の所望の焦点よりも上又は下の比較的長い距離で、信号を検出できる。あるいは、縦色収差が小さくなるように設計されている場合、境界面に対して焦点面をより正確に配置することを実現できる。

対物レンズ４４は、１つの材料、又は複数の材料で構築されてもよい。加えて、対物レンズ４４は、１つ以上のレンズを含んでもよい。また、屈折面、反射面、及び回析面を組み合わせて、レンズ４４の縦色収差を拡大してもよい。縦色収差の大きさを、これらの代表的な素子のうちの１つ以上を用いることによって調整してもよい。

対物レンズ４４の構造に加えて、光源４２から放射される波長の範囲を選択することによって、システム４０を特有の用途に合わせて調整してもよい。例えば、光源４２が、比較的狭い範囲の波長を放射する場合には、光源４２が比較的広い範囲の波長を放射する場合よりも、システム４０は、狭いｚ方向範囲を有することがある。

また、フィルタ６０の構造は、所望の用途に応じて様々に変えてもよい。フィルタ６０は、レンズ４４及び光源４２と協働して、有効な測定範囲及び測定分解能をもたらしてもよい。１つの実施形態では、材料シートの開口（ピンホールとしても知られている）が空間フィルタリングをもたらす。ピンホールは典型的に、数十マイクロメートル程度の直径を有し、ピンホールの寸法によって、フィルタ６０の弁別性が決まる。換言すれば、ピンホールの直径が小さいほど、フィルタリングの弁別性が向上する。

１つの実施形態では、光ファイバーケーブルをフィルタ６０として、単独で、又はピンホールと組み合わせて用いることができる。所望の弁別の量に応じて、マルチモード光ファイバーケーブル、又はシングルモード光ファイバーケーブルのいずれかを用いてもよい。空間フィルタと同様に、光ファイバーケーブルは、所望の弁別性をもたらすように選択してもよい。例えば、一般的には、シングルモード光ファイバーケーブルは、マルチモードケーブルよりも弁別性が高い。加えて、弁別性のレベルを更に調整するために、マルチモード光ケーブルの直径を選択してもよい。十分に小さい直径のシングルモード光ファイバーケーブルを選択する場合、システムは、小さいサブセットの狭帯域波長光を検出する共焦点センサのような働きをするように作製されてもよい。

別の実施形態では、ビームスプリッタと協働させて、少なくとも２本の光ファイバーケーブルを同時に用いて、逆反射光５１の一部を、少なくとも２つの検出器４８のうちの対応する１つに誘導してもよい。例として、ビームスプリッタは、逆反射光５１を２本のビームに分割してもよく、１本のビームをマルチモード光ファイバーケーブルに誘導してもよく、このケーブルは、この光を１つの検出器に伝達する。この信号は、比較的広帯域の波長を含み、境界面で集束することが所望される波長よりもかなり長いか又は短い波長のものである逆反射光５１の検出を可能にしてもよい。ビームスプリッタによって作られる第２のビームを、シングルモード光ファイバーケーブルに誘導してもよく、このケーブルは、逆反射光５１のこの部分を第２の検出器に誘導する。比較的狭帯域の波長を受信する第２の検出器は、表面４６で集束する特定の波長の光を精密に集束させるために用いてもよい。

更に別の実施形態では、逆反射光５１を異なる形で弁別する２本の光ファイバーケーブル（すなわち、一方のファイバーは他方よりも弁別性が高い）を順次に用いてもよい。例えば、まず弁別性の低い方の光ファイバーケーブルを用いて、境界面４６で集束した波長光の大まかな位置決めを行ってもよく、続いて、弁別性の高い方の光ファイバーケーブルを使用状態に切り替え、境界面４６で集束した波長光のより正確な位置決めを行ってもよい。

検出器又は検出器４８は、光の強度、パワー、ビームサイズ、光の波長等を検出してもよい。いずれかの好適な検出器を用いてもよく、人間の目、ＣＣＤ又は同等の検出器、スペクトロメータ等が挙げられるが、これらに限定されない。１つの実施形態では、スペクトロメータを用いて、光の強度と波長の両方を検出する。フィルタ６０を通過して、検出器４８によって検出される光の波長は、どの波長の光が表面４６で集束するか示す。

１つの実施形態では、特定の波長を境界面４６で集束させるのが望ましい。この実施形態では、フィルタ６０によって弁別される光の波長を検出する検出器４８を用いて、表面４６に対する、所望の波長の光の焦点面の相対位置を割り出すことができる。例えば、所望の集束光よりも長い波長の光が検出器４８によって検出される場合、所望の波長の光は、境界面よりも上で集束する。あるいは、所望の波長の光よりも短い波長の光が検出器４８によって検出される場合、所望の波長の光は、境界面よりも下で集束する。

表面４６の位置を割り出すために、波長と併せて、光の強度も用いてもよい。例えば、少数の波長の光のみを検出器４８まで通すように、弁別性の高いフィルタ６０を用いる場合、測定した強度のスパイクは、表面４６に位置する、光の焦点面を示すことができる。また、弁別性の低いフィルタ６０を用いる場合も、光の強度は、有用な情報を提供することができる。例えば、１つの実施形態では、波長の関数である強度（すなわち、強度は、放射される波長範囲にわたって均一であるのではない）を有する光バンド５０を放射する光源４２を用いる。また、様々な放射波長の相対強度が既知である場合、検出器によって検出される相対強度を用いて、所望のｚ位置で所望の波長を集束させるのを補助してもよい。

図４Ａ〜４Ｃは、上述のような色共焦点センサの使用法のいくつかの非限定例を提供する。図４Ａ〜４Ｃでは、表面に入射する光は、７５０ｎｍ〜８５０ｎｍの範囲の波長を含む。この例では、８００ｎｍの波長の光が表面４６で集束するときに、光学システムは所望の焦点位置にある。そして、図４Ａは、焦点光が所望の焦点よりも長い波長、すなわち８５０ｎｍの波長を有するケースを示している。これは、８００ｎｍの光を表面４６で集束させるために必要な距離よりも、表面４６がレンズから遠いことを示している。あるいは、図４Ｃは、８００ｎｍの波長の光を表面４６で集束させるために必要な距離よりも、表面４６が対物レンズに近いケースを示している。このケースでは、色共焦点センサによって検出される光は、７８０ｎｍの波長、すなわち所望の波長よりも短い波長を有する。続いて、図４Ｂは、８００ｎｍの波長の光が、所望どおりに、表面４６で集束するケースを示している。

また、図４Ｂは、所望の波長の光の強度が、図４Ａ及び４Ｃに示されている波長の光の強度よりも大きいことも示している。上述のように、放射光の強度は、ある波長バンド内の波長の関数であってもなくてもよい。図４Ａ〜４Ｃに示されている例では、放射光の強度は、７８０ｎｍ又は８２０ｎｍのいずれの場合よりも、８００ｎｍの場合の方が大きい。したがって、８００ｎｍの波長が表面４６で集束するときの逆反射光の強度は、７８０ｎｍの波長又は８２０ｎｍの波長のいずれが表面４６で集束するときの逆反射光の強度よりも大きい。

別の実施形態では、図３の物質６２の上に、第２の物質の層を設けてもよい。第２の物質は、十分な強度のいずれかの光源を用いて処理できるいずれかの物質であってもよい。好ましい実施形態では、フェムト秒又はピコ秒レーザーのような超高速レーザーを用いて、第２の物質を処理してもよい。この実施形態では、２本の光ビームを用いてもよい。第１のビームである呼びかけビーム（interrogating beam）は、色共焦点センサを用いて、上記のような物質の中又は上の位置を割り出すために用いる。続いて、第２の光ビーム、例えば、超高速レーザーは、呼びかけビーム及び色共焦点センサによって割り出した位置に基づき、物質を処理するために用いる。あるいは、単一の光ビームが、呼びかけビームと処理ビームの双方の働きをしてもよい。

別の実施形態では、第２の物質の層は、多光子硬化型光反応性組成物であってもよい。多光子硬化型光反応性組成物を硬化させるのに有用であると共に、色共焦点センサを用いる装置の例については、図５を参照しながら後述する。

図３の基材６２は、いずれかの好適な物質であってもよい。１つの実施形態では、基材６２としてケイ素が用いられている。

２つ以上の光ビーム及び／又は色共焦点センサを同時に用いてもよいことは想定される。１つの例では、多数の光ビーム及び／又は色共焦点センサを用いて、高スループット結像システムを設計してもよい。このシステムは、各センサの出力を用いて１つのマスタ合成画像を形成することによって、より短い時間で、三次元画像を生成することができる。あるいは、多数の光ビームとセンサを用いて、層と表面との間の境界面の位置に関するより正確な情報をもたらしてもよい。１つの例では、３つ以上の光ビームと色共焦点センサを用いて、基材の３つ以上の領域で、境界面の位置を同時に割り出してもよい。続いて、この情報を用いて、所望の位置に、光学システム又は基材を配置して、その後の処理を容易にしてもよい。

図５を参照すると、多光子硬化型光反応性組成物を硬化させるシステムの一部として、色共焦点センサが用いられている実施形態が示されている。このプロセスでは、層の領域内で光反応性組成物の化学又は物理的特性の変化を引き起こす多光子吸収が起きるような条件下で、光反応性組成物を光に暴露することができる。このような変化の例としては、重合、架橋、及び／又は、暴露前の光反応性組成物と比較した場合の溶解度特性の変化（例えば、特定の溶媒中での溶解度の低下又は向上）が挙げられる。このような暴露は、十分な光の強度を実現できるいずれかの既知の手段によって行うことができるが、典型的には、超高速レーザーによる集光源を用いる。好ましくは、フェムト秒レーザーを用いて、硬化光（curing light）を提供してもよい。

この実施形態によるシステムの動作では、呼びかけ光１２４が呼びかけ照明源１００から放射され、呼びかけ照明源１００は、コリメーションパッケージ１０２に動作可能なように接続されている。上述のように、呼びかけ光源は、フィルタ／検出器で弁別されるほど十分に広い波長バンドを放射するいずれの光源であってもよい。好適な呼びかけ照明源１００としては、ファイバーカップル広帯域スーパールミネセントＬＥＤが挙げられる。呼びかけ照明源１００とコリメーションパッケージ１０２との間の接続は、例えば、光ファイバーケーブルを用いて実現させてもよい。コリメーションパッケージ１０２は、呼びかけ光１２４をコリメート、すなわち平行にする。コリメーションパッケージ１０２の素子は、少なくとも多少の色収差を導入しても、しなくてもよい。

続いて、呼びかけ光１２４は、直線偏光子１２８を通り、この偏光子で、呼びかけ光が偏光される。すなわち、１つの平面内又は方向の波振動を有する光のみが通る。次に、呼びかけ光１２４は、偏光ビームスプリッタ１０４ａから反射される。続いて、呼びかけ光１２４は、回転子１０６を通り、この回転子で、０（ゼロ）度の正味偏光回転を経る。続いて、呼びかけ光１２４は、２つのフォールドミラー１０８ａ、１０８ｂから反射され、第２の偏光ビームスプリッタ１０４ｂから反射される。平行線１３４によって示されているように、図５の図は、素子１０８ａと１０８ｂとの間で（ページの中又は外へ）９０度回転する。

この時点で、第２の光源１３６から放射される硬化光１２６を、呼びかけ光１２４に軸方向に加えてもよい。硬化光１２６は、光反応性組成物の領域を少なくとも部分的に硬化させて硬化物を形成するのに十分な光の強度を提供できるいずれかの光であってもよい。好ましい実施形態では、超高速レーザー光源を用いて、多光子硬化型光反応性組成物の領域を少なくとも部分的に硬化させてもよい。この複合ビーム１３２は、更なる縦色収差を導入することができる対物レンズ１３０を通るように誘導される。

呼びかけ光１２４は多数の波長を含み、硬化光１２６の波長を含んでもよい。あるいは、光学システムが、十分明確に特徴付けられている場合、呼びかけ光１２４は、硬化光の波長を含まなくてもよい。好ましい実施形態では、呼びかけ光１２４は、硬化光１２６の波長を含む。これによって、硬化光１２６の境界面１２２又はその近くでの集束が容易になる。多数の波長の少なくとも１つは、基材１１６と層１１２との境界面１２２で集束する。呼びかけ光１２４と硬化光１２６は、交差偏光成分を有するので、境界面１２２から逆反射された後、戻る際には別々の行路を取ることになる。逆反射硬化光１２６は、偏光ビームスプリッタ１０４ｂで反射されずに、偏光ビームスプリッタ１０４ｂを通過することになる。逆反射呼びかけ光１２４は、偏光ビームスプリッタ１０４ｂによって反射されて、光学システムを通って戻ることになる。この逆反射光は、回転子１０６で、９０度の正味偏光回転を受ける。これによって、光は、偏光ビームスプリッタ１０４ａを通り、ボックス１１０内の集束レンズによって、光ファイバーケーブル１１１上で集束できるようになる。ボックス１１０内の集束レンズは、上記のように、レンズの設計及び構造に応じて、更なる色収差を導入しても、しなくてもよい。光ファイバーケーブル１１１は、上記のように、光を弁別する。続いて、光はスペクトロメータ１１４に入る。スペクトロメータ１１４は、逆反射光の波長と強度を検出し、収集した情報をユーザーに表示するか、又は、その情報をコントローラ（図５には示されていない）に送信してもよい。

上述のように、呼びかけ光１２４の波長バンドは、硬化光１２６の波長を含んでもよい。したがって、呼びかけ光１２４と硬化光１２６は、同じ対物レンズ１３０によって集束されるので、スペクトロメータ１１４によって検出されたピーク波長が、硬化光１２６のピーク波長と一致するとき、硬化光１２６は、境界面１２２で集束する。加えて、スペクトロメータ１１４によって検出された光のピーク波長が、硬化光１２６のピーク波長よりも短い場合、硬化光１２６は、境界面１２２を越えて集束する。あるいは、スペクトロメータ１１４によって検出された光のピーク波長が、硬化光１２６のピーク波長よりも長い場合、硬化光１２６は、境界面１２２よりも上で集束する。この方法では、スペクトロメータ１１４によって検出された光の波長を用いて、硬化ビーム１２６を所望の位置で集束させてもよい。

呼びかけ光１２４と硬化光１２６は、境界面１２２の上に、同時かつ同じ位置で入射するので、硬化光１２６の焦点面に対する境界面１２２の位置について非常に正確な情報を得ることができる。層１１２内の多光子硬化型光反応性組成物の硬化を、境界面１２２の位置選定と同時に行ってもよく、あるいは、境界面１２２の位置を選定するまで硬化光１２６を加えない場合には、境界面１２２の位置選定後に行ってもよい。

図６に示されている代替的な実施形態では、第２の光源１３６から放射される光１４０は、呼びかけ光１２４と硬化光１２６の両方の働きをする。光１４０は、偏光ビームスプリッタ１０４ｂと、４分の１波長板１３８のような好適な４分の１波長位相差素子とを通り、この４分の１波長板が円偏光を作り出す。続いて、光１４０は、対物レンズ１３０を通り、層１１２と基材１１６との間の境界面１２２の近くで集束する。境界面１２２で集束すると共に、吸収されない光１４０の一部は、境界面１２２から逆反射して、対物レンズ１３０を通って戻っていく。逆反射光１５０は、光１４０に対して９０°回転した直線偏光を作り出す４分の１波長板１３８を通って、偏光ビームスプリッタ１０４ｂまで戻り、この偏光ビームスプリッタで、逆反射光１５０が反射され、ボックス１１０内のレンズに誘導される。ボックス１１０内のレンズは、逆反射光１５０を光ファイバーケーブル１１１上に集束させ、この光ファイバーケーブルが、逆反射光１５０を検出器１１４に誘導する。

別の実施形態では、４分の１波長板１３８は必要ない。例えば、十分に多いレンズ開口数を有するレンズを通る光１４０は、いくらかの偏光回転を受けることができ、この偏光回転は、検出器１１４によって検出されるのに十分な強度の逆反射光１５０をもたらすことができる。

図７を参照すると、多光子硬化型光反応性物質を含む層２０４の領域２０２を硬化させるために用いてもよい装置２００が示されている。層２０４は、基材２０６に貼り付けられており、基材２０６は、調節可能なプラットフォーム又はステージ２０５の上に載っている。ステージ２０５のｚ方向に沿った高さは、層２０４のｘ−ｙ平面での傾斜のプラスマイナスと共に、手動又はデジタルコンピュータ２７０によって、制御線２７４を介して調節可能である。呼びかけ光と硬化光の双方を含む光ビーム２１６は、光源２１０から放射され、まず、ビームスプリッタ２１２と集束正レンズ２１４を含む第１の光学システムを通る。集束正レンズ２１４のｚ方向に沿った高さも、手動又はデジタルコンピュータ２７０によって、制御線２７２を介して調節可能である。光ビーム２１６は、正レンズ２１４を出た後、層２０４に入り、任意により、層２０４の領域２０２内の多光子硬化型光反応性物質を硬化させるか、又はその硬化を開始させ、ビームの一部は、境界面２１８で基材２０６から反射される。続いて、光ビーム２１６は、正レンズ２１４と色共焦点センサ２２０を含む第２の光学システムに入る。

続いて、色共焦点センサ２２０の出力が、導線２７１に沿ってデジタルコンピュータ２７０に供給される。図８を参照すると、工程３００での初期設定後、コンピュータ２７０は、工程３０２で、正レンズ２１４と調節可能なステージ２０５から位置データを、色共焦点センサ２２０から光の波長を含む位置信号を含むデータを受信する。工程３０４では、コンピュータ２７０は、色共焦点センサ２２０からの信号を、境界面２１８に対する正レンズ２１４のｚ方向に沿った高さと、ステージ２０５の傾斜とを相関させる。工程３０６では、位置データと検出データがコンピュータ２７０に入力され、工程３０８では、コンピュータが検出データを評価して、色共焦点センサ２２０によって検出された波長が所望の波長であるかを割り出す。「はい」である場合、正レンズ２１４のｚ方向に沿った位置は変わらない。「いいえ」である場合、工程３１０で、色共焦点センサ２２０によって検出される波長が所望の波長になるまで、コンピュータが、正レンズ２１４のｚ方向に沿った高さを調節する。

この連続的フィードバックシステムを用いて、上記の方法及び装置を用いて、境界面２１８を数多くの方法で正確に見つけることができる。例えば、静的な方法では、検出器２２０を光学プローブとして用いて、基材２０６の表面上のいくつかの異なる地点、典型的には少なくとも３つの地点で、層２０４／基材２０６の境界面をサンプリングする。基材上２０６の全てのサンプリング位置において、境界面２１８の位置に対する所望の波長の光の焦点面のｚ軸に沿った位置が約±０．５μｍ以内でない場合、コンピュータ２７０は、必要な計算を実行して、正レンズ２１４及び／又はステージ２０５のいずれかを調節する。基材２０６が、正レンズ２１４の下のｘ軸に沿った運動面と十分に平行になったら、光ビーム２１６を用いて、層２０４の領域２０２を硬化させることができる。この方法は、基材の、ｘ−ｙ平面に対する傾斜しか修正できないので、十分に平らな基材の上でしか用いることができない。

１つの実施形態では、例えば、正レンズ２１４が移動し、層２０４内の多光子硬化型光反応性物質が硬化して物体を形成するときに、境界面２１８の位置に関する連続的フィードバックを供給するために、動的な方法も用いてもよい。例えば、層２０４と基材２０６との間の境界面２１８の位置は、層が少なくとも部分的に硬化されるときに断続的に割り出してもよい。硬化が層２０４の第１の領域から第２の領域等へ進むにつれて、ｚ軸に沿った、境界面２１８に対する正レンズ２１４の位置が、ほぼ連続的に修正されるので、この方法は、基材２０６の表面におけるいずれの非平坦性も修正することができる。また、この連続的な動的フィードバックは、球体及び非球体のような名目上非平坦な表面の上に構造体を構築するのを可能にする。

本明細書に記載のプロセスで有用である代表的な多光子硬化型光反応性物質は、「抽出構造体を備えた光導体の製造方法及びその方法で製造された光導体（Process for Making Light Guides with Extraction Structures and Light Guides Produces Thereby）」という名称が付された３Ｍ代理人整理番号６２１６２ＵＳ００２の同時継続出願と、「高機能性多光子硬化型反応種（Highly Functional Multiphoton Curable Reactive Species）」という名称が付された３Ｍ代理人整理番号６３２２１ＵＳ００２の同時係属出願で詳しく論じられており、この出願の双方とも、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

貼り付けられた層内の多光子硬化型光反応性組成物は、酸又はラジカル開始化学反応を経ることができる少なくとも１つの反応種、及び多光子開始剤系を含む。適切な波長及び十分な強度の光による層の画像的露光は、多光子開始剤系内で二光子吸収を引き起こし、反応種において、光に暴露される層領域での酸又はラジカル開始化学反応を誘導する。この化学反応は、光に暴露される層領域において、化学的又は物理的特性に検出可能な変化を引き起こす。検出可能な変化の例としては、例えば、暴露領域での架橋、重合、又は溶解度特性の変化が挙げられる。これらの検出可能な変化のいずれかが発生することは、本明細書では硬化と称され、この硬化は、硬化物が形成されるまで継続する。硬化工程は、層が貼り付けられている基材との境界面と隣接する区域を含め、多光子光反応性組成物を含む層内のいずれかの区域で行ってもよい。硬化工程に続いて、任意により、層の未硬化部分を除去して硬化物を得ることによって、又は、層から硬化物自体を除去することによって、層を現像してもよい。

多光子硬化型反応性組成物に関する様々な実施形態について記載してきたが、光学システムに対する２つの物質間の境界面又は物質表面の位置の認識を必要とするいずれのプロセスでも、本開示に記載されている色共焦点センサを用いてもよいことは理解されるであろう。好適なシステムの他の例は、溶液からの金属イオンの多光子還元等を含む。

本発明の様々な実施形態について説明してきた。これら及び他の実施形態は、下記の特許請求の範囲の範疇にある。

Claims

共焦点結像システムであって、
多光子硬化可能光反応性組成物をその上に有する基材と、
複数の波長を含む光ビームを、前記基材上の前記組成物の少なくとも１つの領域の上に放射する光源であって、前記光ビームの少なくとも一部が前記組成物から反射される、光源と、
前記光ビームの異なる波長が異なる位置で集束することをもたらす前記光ビームの縦色収差を引き起こすように構成された光学コンポーネントと、
前記基材に関する位置信号を得るために、前記組成物から反射される光の一部を検出する検出器であって、前記位置信号が、前記複数の波長の光のうちの、前記多光子硬化可能光反応性組成物の表面に集束している光の波長に基づいている、検出器と、
を備えるシステム。
前記光ビームが、前記多光子硬化可能光反応性組成物の領域を少なくとも部分的に硬化させるのに十分な強度を有する少なくとも１つの波長を含む、請求項１に記載のシステム。
多光子硬化可能光反応性組成物をその上に有する基材を提供する工程と、
複数の波長を含む少なくとも１つの光ビームを、前記組成物の少なくとも１つの領域に適用する工程であって、前記複数の波長の少なくとも１つが、前記多光子硬化可能光反応性組成物を多光子吸収によって少なくとも部分的に硬化させるのに十分な強度を備える、適用工程と、
前記光ビームの異なる波長が異なる位置で集束することをもたらす前記光ビームの縦色収差を引き起こす工程と、
前記基材に関する位置信号を得るために、前記組成物から反射される光の一部を処理する工程であって、前記位置信号が、前記複数の波長の光のうちの、前記多光子硬化可能光反応性組成物の表面に集束している光の波長に基づいている、処理工程と、
を含む方法。