JP6478433B2

JP6478433B2 - Ｘ線顕微鏡

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Publication number: JP6478433B2
Application number: JP2017540926A
Authority: JP
Inventors: 智至松山; 純平山田
Original assignee: Osaka University NUC
Current assignee: University of Osaka NUC
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2016-09-23
Publication date: 2019-03-06
Anticipated expiration: 2036-09-23
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Description

本発明は、Ｘ線顕微鏡に関するものであり、更に詳しくは、Kirkpatrick-Baezミラーを用いたＸ線顕微鏡に関するものである。

Ｘ線顕微鏡は、波長が非常に短い電磁波を用いた結像光学系であるため、原理的には光学顕微鏡をはるかに凌ぐサブｎｍの高い分解能を有する。また、Ｘ線の高い透過力によって透過型電子顕微鏡では困難である厚いサンプルの三次元断層画像を観察することができるものである。更に、Ｘ線顕微鏡では、基本的に真空の形成を必須としないため、その場測定が必要な環境（例えば、水溶液と気体の雰囲気）での観測にも適している。更に、蛍光Ｘ線分析とＸ線吸収分光法のようなＸ線分析技術を組み合わせることにより、電子密度分布だけでなく、局所的結合状態と元素の分布をも取得することができる。このような利点の多いＸ線顕微鏡は、様々な科学分野において利用されることが期待されている。

Ｘ線顕微鏡における結像素子の有望な候補としては、フレネルゾーンプレート、Ｘ線屈折レンズ、Kirkpatrick-Baez（ＫＢ）ミラー、Wolterミラーがある。フレネルゾーンプレートとＸ線屈折レンズは、サブ５０ｎｍの分解能を実現するために十分に正確に製造することができる。しかし、フレネルゾーンプレートは、回折によって生じる色収差のため多色の結像には適してない。ＫＢミラーは、全反射を採用しているので、色収差はない。しかし、ＫＢミラーのような斜入射光学系における単枚の反射ではアッベの正弦条件を満たすことが困難であるため、コマ収差が生じて分解能と視野（ＦＯＶ）を減少させる。Wolterミラーは、色収差やコマ収差が解消される点で、優れたＸ線結像システムである。

しかし、最先端の超精密加工技術を使用した場合でも、Wolterミラーのミラー面が筒状の内面側に配置された回転楕円面と回転双曲面で構成されているため、回折限界の分解能を実現するために必要な形状精度（１ｎｍオーダー）でWolterミラーを加工することが困難である。従って、Wolterミラーにおいて、形状誤差に基づく波面収差は、現在避けられない深刻な問題であり、これまで高分解能性能（１００ｎｍ以下)を発揮できるほどの形状精度でミラーを作製したという報告例はない。

ＫＢミラーを用いたＸ線光学系の例としては、例えば、特許文献１のように、水平楕円ミラーと垂直楕円ミラー及び水平双曲ミラーと垂直双曲ミラーの４つの斜入射全反射Ｘ線ミラーを用いた光学系（ＡｄｖａｎｃｅｄＫＢミラー）がある。この光学系では、Ｘ線の光軸方向に沿って水平ステージと垂直ステージを配置し、水平ステージに水平楕円ミラーと水平双曲ミラーを微調節可能に設けるとともに、垂直ステージに垂直楕円ミラーと垂直双曲ミラーを微調節可能に設け、光軸方向における水平楕円ミラーと水平双曲ミラーの前後位置関係及び垂直楕円ミラーと垂直双曲ミラーの前後位置関係を同じに設定したミラーマニピュレータと、オフラインで水平楕円ミラーと水平双曲ミラーの水平姿勢及び垂直楕円ミラーと垂直双曲ミラーの垂直姿勢をそれぞれ誤差内で理想姿勢になるように微調節するための基準を与えるアライメント監視手段とを有するものがある。

特許文献１のＸ線光学系は、２ｋｅＶ以上のＸ線を２００ｎｍ以下の高い分解能で収差なく縮小又は拡大させることを達成している。

特開２０１３−２２１８７４号公報

しかしながら、Kirkpatrick-Baez（ＫＢ）ミラータイプのＸ線顕微鏡にも様々な改善の余地はある。Ｘ線顕微鏡が普及し様々な科学分野において利用されることを想定した場合、意外と軽視できない課題、すなわち、Ｘ線顕微鏡装置の長さを２〜３メートル以内としなければ、Ｘ線顕微鏡の搬入のために、廊下幅や出入り口幅等を特別に広く設計された施設を準備する必要がある。Ｘ線顕微鏡がこれよりも大きなサイズである以上、如何に分解能等の諸性能において優れていようとも、既存の研究等施設において広く利用されるにあたっての障害となる。本発明は、室内搬入サイズであり、普及可能なコンパクトサイズのＸ線顕微鏡を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決し得た本発明のＸ線顕微鏡は、Ｘ線源と、試料保持部と、反射凹面を有するKirkpatrick-Baezミラー（以下、「凹面ＫＢミラー」と記載する）と、反射凸面を有するKirkpatrick-Baezミラー（以下、「凸面ＫＢミラー」と記載する）と、前記試料保持部の位置と結像関係の位置にある受光部とを、光軸に沿って順に有するものである。

詳細は後述するが、本発明のＸ線顕微鏡では、試料保持部側に凹面ＫＢミラー、受光部側に凸面ＫＢミラーを配置しているため、レンズ系の主面の位置と試料保持部との距離（前側焦点距離）を従来よりも小さくすることが可能となった。これにより、拡大倍率は従来の光学系と同程度とすることを前提として、後側焦点距離であるレンズ系の主面の位置と受光部との距離を飛躍的に短くすることができ、長さが２〜３メートル以内のＸ線顕微鏡を実現することが可能となった。

上記Ｘ線顕微鏡において、前記凹面ＫＢミラーの前記反射凹面は、楕円形状を含むものであり、前記試料保持部は、該楕円の焦点位置にあることが望ましい。

上記Ｘ線顕微鏡において、前記凸面ＫＢミラーの前記反射凸面は、一方曲線と他方曲線を含む双曲線のうち、前記一方曲線を含むものであり、前記受光部は、前記双曲線の焦点のうち他方曲線側の焦点位置にあることが望ましい。

上記Ｘ線顕微鏡において、前記凸面ＫＢミラーと前記受光部との距離よりも、前記凹面ＫＢミラーと前記受光部との距離が長い形態を好ましく実施し得る。

上記Ｘ線顕微鏡において、前記試料保持部と前記凹面ＫＢミラーとの間に、前記凸面ＫＢミラーと前記凹面ＫＢミラーを含む結像系の主面が存在する形態を好ましく実施し得る。

上記Ｘ線顕微鏡において、前記試料保持部の位置と前記受光部の位置との距離が２．５ｍ以内である形態を好ましく実施し得る。

上記Ｘ線顕微鏡において、前記凸面ＫＢミラーは少なくとも２つ配置されており、前記凹面ＫＢミラーも少なくとも２つ配置されており、一方の凸面ＫＢミラーの法線と他の凸面ＫＢミラーの法線は互いに非平行であり、一方の凹面ＫＢミラーの法線と他の凹面ＫＢミラーの法線は互いに非平行である形態を好ましく実施し得る。

上記Ｘ線顕微鏡において、前記試料保持部と前記凹面ＫＢミラーとの最短距離が６ｍｍ以上であることが望ましい。

上記Ｘ線顕微鏡において、前記凸面ＫＢミラーまたは前記凹面ＫＢミラーのうち少なくとも一方は、光軸方向に移動可能に設置することが望ましい。

上記Ｘ線顕微鏡において、前記試料保持部と前記凹面ＫＢミラーの間に、第１の凹面ＫＢミラーと第２の凹面ＫＢミラーが配置されており、前記凹面ＫＢミラーの法線と前記第１の凹面ＫＢミラーの法線は互いに非平行であり、前記凸面ＫＢミラーの法線と前記第２の凹面ＫＢミラーの法線は互いに非平行であることが望ましい。

前記第１の凹面ＫＢミラーは、前記第２の凹面ＫＢミラーよりも前記試料保持部に近く、前記第１の凹面ＫＢミラーの反射凹面は双曲線を含んでおり、前記第２の凹面ＫＢミラーの反射凹面は楕円を含んでいることが望ましい。

本発明のＸ線顕微鏡は、Ｘ線源と、試料保持部と、凹面ＫＢミラーと、凸面ＫＢミラーと、前記試料保持部の位置と結像関係の位置にある受光部とを、光軸に沿って順に有する構成を有することにより、拡大倍率を保持しながら光学系の後側焦点距離を短縮することができ、これにより、従来のＸ線顕微鏡を、一気に、室内搬入サイズすなわち普及サイズにできるものであり、各種科学分野においてＸ線顕微鏡の利用拡大による産業上の利用価値は大きい。

図１は、本発明の実施の形態１におけるＸ線顕微鏡の光学系の斜視図である。図２は、図１に示したＸ線光学系の幾何学的な模式図（上段部分）と、参考のため当該Ｘ線光学系に用いた光学素子と同等の幾何光学的機能を有する可視光線光学系（下段部分）とを併記した図である。図３は、本発明の実施の形態２におけるＸ線顕微鏡の光学系の斜視図である。図４は、実施の形態２におけるＸ線顕微鏡によるＰＳＦを示す図である。図５は、実施の形態３におけるＸ線顕微鏡のＸ線光路を示すものである。図６は、比較形態１におけるＸ線顕微鏡のＸ線光路を示すものである。図７は、実施の形態４におけるＸ線顕微鏡のＸ線光路を示すものである。図８は、比較形態２におけるＸ線顕微鏡のＸ線光路を示すものである。図９は、実施の形態５におけるＸ線顕微鏡のＸ線光路を示すものである。図１０は、比較形態３におけるＸ線顕微鏡のＸ線光路を示すものである。図１１は、本発明の実施の形態６におけるＸ線顕微鏡の光学系の斜視図である。図１２は、実施の形態６におけるＸ線顕微鏡のＸ線光路（Ｘ軸投影）を示すものである。図１３は、実施の形態６におけるＸ線顕微鏡のＸ線光路（Ｙ軸投影）を示すものである。

以下、本発明の実施の形態におけるＸ線顕微鏡について説明する。本発明のＸ線顕微鏡は、Ｘ線源と、試料保持部と、凹面ＫＢミラーと、凸面ＫＢミラーと、試料保持部の位置と結像関係の位置にある受光部とを、光軸に沿って順に、少なくとも一つずつ有するものである。この構成により、Ｘ線顕微鏡の拡大倍率を保持しながら、光学系の後側焦点距離を短縮することができる。以下、本発明の基本的要件である、Ｘ線源、試料保持部、凹面ＫＢミラー、凸面ＫＢミラー、受光部について順に説明する。

１．Ｘ線源
Ｘ線を放射する機能を有するものであれば特に制限されないが、実験室用途の小型のＸ線管が好ましく用いられ、その他、放射光施設（ＳＰｒｉｎｇ−８等）を用いることもできる。可視光線による通常の光学顕微鏡と同様に、Ｘ線顕微鏡でも、ケーラー照明や臨界照明を用いることが望ましく、これらの照明を実現できる光源を用いることが望ましい。なお、Ｘ線領域では複雑なケーラー照明を行なうことは難しいため、通常、臨界照明を行なうか、視野程度の広さを有するＸ線を適宜照射する。これにより観察対象となる試料に一様な強度のＸ線を照射することができ、ボケの少ない鮮明な結像を得ることができる。Ｘ線のエネルギーについては特に制限なく、軟Ｘ線、Ｘ線、硬Ｘ線を用いることができるが、２００ｎｍ以内の高い分解能を得るため、好ましくは、２ｋｅＶ以上のエネルギーを有するＸ線、硬Ｘ線を用いることが望ましい。

２．試料保持部
試料保持部は、観察対象となる試料をＸ線の光路上に保持する機能を有する器具であればどのようなものでもよい。例えば、試料を単に載置するための台であってもよいし、試料を挟持するための２枚の誘電体平板であってもよいし、試料を固定するための誘電体単板、また、試料を吊すための枠状物等、さらには液体状の試料を保持する容器であってもよく、試料をＸ線の光路上に保持する機能を有するあらゆる形態の器具を、試料保持部として用いることができる。試料保持部を構成する材料に特に制限はないが、試料保持部がＸ線に直接当たる場合、Ｘ線透過可能な材料を用いることが望ましい。また、Ｘ線の照射による電荷の蓄積が起りにくい材料を選ぶことが望ましい。

３．ＫＢミラー
上述のWolterミラーの反射面が、曲線の回転軌跡で構成されているのに対して、本発明に用いられるＫＢミラーは、一方向にのみ曲率を有する１次元集光ミラーである。ＫＢミラーは、平板形状に近いためWolterミラーに比べて表面の加工が容易である。ＫＢミラーによるＸ線の入射角（ＫＢミラー表面と光軸とのなす角）は、一般的には数ミリラジアン程度であり、入射したＸ線のうち８０〜９０％程度が反射される。入射角が大きい場合は、ＫＢミラーを透過してしまう割合が大きくなってしまう。

１枚のＫＢミラー全体の中で、反射表面が曲面形成されている部分は、Ｘ線が照射される範囲のみであっても十分であるが、ＫＢミラーを使用しているうちに照射部分が劣化しても、ＫＢミラーをスライドすることによりＸ線未照射の表面を使用できるように、曲率を有する前記一方向に直交する他方向に長い区間にわたって連続的にミラー形状を形成しておくことが好ましい。例えば、他方向のミラー形成区間の長さは、一方向のミラー形成区間の長さの好ましくは２〜５倍、より好ましくは２〜１０倍、さらに好ましくは２〜１５倍とする。

ＫＢミラーの反射表面の形状精度（ＪＩＳＢ０１８２基本事項３０６）は、好ましくは５ｎｍ以下、より好ましくは３ｎｍ以下、さらに好ましくは１ｎｍ以下である。また、反射表面の表面粗さ（ＪＩＳＢ００９１：Ｒｍｓ）は、０．５ｎｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは０．３ｎｍ以下、さらに好ましくは０．１ｎｍ以下である。

なお、一般的に、「ＫＢミラー」という用語は、法線方向が互いに直交する（例えば、Ｘ方向、Ｙ方向）、２枚一組のミラー対を指す場合が多いが、本明細書において用いる「ＫＢミラー」は、Ｘ線ミラー単体（１枚）のことを指すものとする。したがって、本発明のＸ線顕微鏡は、ミラー単体で使用する場合を含み、法線方向が互いに異なる複数枚のミラーを含む場合も含む。法線方向が互いに異なる複数枚のミラーを含む場合、各法線は、互いに、３６０度を（ミラーの枚数）×２で除した値の角度をなしていることが望ましい。例えば、ＫＢミラーを２枚用いて結像させる場合、各ミラーの法線は、互いに、３６０度÷（２×２）＝９０度をなしていることが好ましい。

また、本発明のＸ線顕微鏡は、凸面ＫＢミラー１枚と凹面ＫＢミラー１枚の１セットのみを含む場合のほか、凸面ＫＢミラーと凹面ＫＢミラーを複数セット用いる場合も含むものとする。本発明のＸ線顕微鏡は、凸面ＫＢミラー１枚と凹面ＫＢミラー１枚の１セットを最低限含めばよいのであり、更にその他に、第１の凹面ＫＢミラーと第２の凹面ＫＢミラーの１または複数のセット用いることもできる。

３．１．凹面ＫＢミラー
上述のように、本発明のＸ線顕微鏡は、少なくとも、凹面ＫＢミラーと凸面ＫＢミラーとを含んでおり、このうち凹面ＫＢミラーは、試料保持部に近い側に配置されるものである。凹面ＫＢミラーの反射凹面の曲率や曲率分布は特に限定されないが、例えば、円弧状、楕円状、双曲線状、放物線状とすることができる。中でも、良好な結像特性を得る観点から、楕円状とすることが好ましい。また、楕円ミラーの焦点位置、特に試料保持部に近い焦点の位置に試料保持部を配置することが好ましい。

３．２．凸面ＫＢミラー
上述のように、本発明のＸ線顕微鏡は、少なくとも、凹面ＫＢミラーと凸面ＫＢミラーとを含んでおり、凸面ＫＢミラーは、受光部に近い側に配置されるものである。反射凸面の断面形状は特に限定されないが、例えば、円弧状、楕円状、双曲線状、放物線状とすることができる。中でも、良好な結像特性を得る観点から、双曲線状とすることが望ましい。また、一方曲線と他方曲線を含む双曲線のうち、一方曲線を含むものであり、受光部は、双曲焦点のうち他方曲線側の焦点位置とすることが好ましい。

４．受光部
本発明における受光部は、本発明のＸ線顕微鏡の凸面ＫＢミラーと凹面ＫＢミラーによる結像Ｘ線像を受光する部材である。受光する部材は、典型的には、アレイセンサーであり、好ましくは二次元アレイセンサーである。二次元アレイセンサーとして、例えば、ＣＣＤ素子やＣＭＯＳ素子を用いることができる。アレイセンサーの画素ピッチは、結像Ｘ線像を鮮明に受光する観点から、好ましくは２０μｍ以下、より好ましくは９μｍ以下、さらに好ましくは３μｍ以下である。

受光部は、受光したＸ線を、Ｘ線より波長の長い光、典型的には紫外線や可視光線に変換する拡散板であってもよい。拡散板として、例えば、蛍光材料を含む基材を用いることができる。拡散板によって拡散された光を可視光線レンズで結像し、アレイセンサー、好ましくは二次元アレイセンサー、例えば、ＣＣＤ素子やＣＭＯＳ素子により撮影することにより、受光部におけるＸ線結像を取得することができる。

本願は、２０１５年９月２５日に出願された日本国特許出願第２０１５−１８８８５０号に基づく優先権の利益を主張するものである。２０１５年９月２５日に出願された日本国特許出願第２０１５−１８８８５０号の明細書の全内容が、本願に参考のため援用される。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１におけるＸ線顕微鏡について説明する。
図１は、実施の形態１におけるＸ線顕微鏡の光学系の斜視図である。図１において、Ｘ線光学系の出発点であるＸ線源１から発せられたＸ線２は、顕微観察対象となる試料を保持する試料保持部３に照射され、試料保持部３を透過したＸ線２（発光や散乱光も含む）は、凹面ＫＢミラー４の反射凹面、凸面ＫＢミラー５の反射凸面、凹面ＫＢミラー４の法線に対して直交する法線を有する凹面ＫＢミラー６の反射凹面、凸面ＫＢミラー５の法線に対して直交する法線を有する凸面ＫＢミラー７の反射凸面に、順次反射し、試料保持部３の位置と結像関係の位置にある受光部８に到達する。図１の例では、楕円焦点と双曲焦点が一致しているため、凹面ＫＢミラー４の反射凹面から発された光が、この反射凹面と凸面ＫＢミラー５の反射凸面の計２回の反射を経て双曲焦点にすべて到達し、光路長がすべて等しくなるため、Ｘ線が収差なく集光する。なお、楕円焦点と双曲焦点が一致していなくても、集光は可能である。凹面ＫＢミラー４や凸面ＫＢミラー５は、円筒面ミラーなどの他の凹面ミラーや凸面ミラーであってもよいが、球面収差を小さくする観点から、図１のように、凹面ＫＢミラー４として楕円凹面ミラーを用い、凸面ＫＢミラー５として双曲凹面ミラーを用いることが望ましい。Ｘ線２が受光部８において結像するためには、「集光」の条件と「コマ収差抑制」の条件が必要であり、コマ収差抑制のためにはＸ線を図１のように偶数回反射させる必要がある。

凹面ＫＢミラー４は、Ｘ軸方向に楕円曲率を有しＹ軸方向に曲率を有さず、これにより、Ｘ線をＸ軸方向に集光する機能を有している。凸面ＫＢミラー５は、Ｘ軸方向に双曲線の曲率を有しＹ軸方向に曲率を有さず、これにより、Ｘ線の進行方向をＸ軸方向にのみ変更する機能を有している。他方、凹面ＫＢミラー６は、Ｙ軸方向に楕円曲率を有しＸ軸方向に曲率を有さず、これにより、Ｘ線をＹ軸方向に集光する機能を有している。凸面ＫＢミラー７は、Ｙ軸方向に双曲線の曲率を有しＸ軸方向に曲率を有さず、これにより、Ｘ線の進行方向をＹ軸方向にのみ変更する機能を有している。凹面ＫＢミラー４と凸面ＫＢミラー５によるＸ軸方向の拡大倍率と、凹面ＫＢミラー６と凸面ＫＢミラー７によるＹ軸方向の拡大倍率が一致するとき、受光部８上で歪みのない試料像が得られる。

Ｘ軸方向の拡大倍率とＹ軸方向の拡大倍率が一致していなくても、受光部８で得られる試料像を、可視光等の光学系により、或いは電子情報上、伸縮させることにより、Ｘ軸方向の拡大倍率とＹ軸方向の拡大倍率が等しくなるように補正し、歪みのない試料像を得ることができる。

図２は、図１に示したＸ線光学系の幾何学的な模式図（上段部分）と、参考のため当該Ｘ線光学系に用いた光学素子と同等の幾何光学的機能を有する可視光線光学系（下段部分）とを併記した図である。なお、図２の上段部分では、理解を容易にするため、Ｙ軸方向の集光のための凹面ＫＢミラー６、凸面ＫＢミラー７は、図示していない。図２の上段部分において、Ｘ線光学系の出発点であるＸ線源１から発せられたＸ線２は、顕微観察対象となる試料を保持する試料保持部３に照射され、試料保持部３を透過したＸ線２は、凹面ＫＢミラー４の反射凹面、凸面ＫＢミラー５の反射凸面に、順次反射し、試料保持部３の位置と結像関係の位置にある受光部８に到達する。受光部８において検出されるＸ線強度分布を特定することにより、試料の像を把握することができる。

図２において、凹面ＫＢミラー４と凸面ＫＢミラー５から形成される集光光学系の主面は、点線で示された位置となる。試料保持部３と主面との距離（前側焦点距離）ｆと、主面と受光部８との距離（後側焦点距離）Ｌと、集光光学系の拡大倍率Ｍａｇの関係は、下記（１）式によって示されるものとなる。
Ｍａｇ＝Ｌ／ｆ・・・（１）

この（１）式を用い、後述の実施の形態３〜５において本発明のＸ線顕微鏡の光学系短縮のメカニズムについて説明する。なお、試料保持部３の位置と受光部８の位置との距離（Ｌ＋ｆ）は、２．５ｍ以内とすることが好ましい。より好ましくは２．０ｍ以内、さらに好ましくは１．８ｍ以内である。これを実現するためには、ｆの値は小さい方が望ましいが、試料保持部３と凹面ＫＢミラー４との間のワーキングディスタンスをある程度確保するためには、６ｍｍ以上とすることが好ましく、より好ましくは８ｍｍ以上、さらに好ましくは１０ｍｍ以上である。ｆの値の上限は、例えば、４０ｍｍ以下、より好ましくは２０ｍｍ以下、より好ましくは１６ｍｍ以下である。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２におけるＸ線顕微鏡の光学系の斜視図である。実施の形態２におけるＸ線顕微鏡が、実施の形態１におけるＸ線顕微鏡と異なる点は、実施の形態２では、凹面ＫＢミラー４および凸面ＫＢミラー５が存在していない点である。その他の点は、実施の形態１のＸ線顕微鏡と同じものである。

実施の形態２におけるＸ線顕微鏡の結像特性を評価するため、Ｘ線源が理想的な点光源であるとの条件を与えて、受光部８におけるＸ線強度分布である点拡がり関数（ＰＳＦ：Point Spread Function）を計算した。図４は、かかる点拡がり関数を示したものであり、横軸は、Ｙ軸上のスケール（５００ｎｍが中心）を示したものであり、縦軸は、受光部８におけるＸ線強度を示したものである。図４から分かるように、中央ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）は３８ｎｍであり、高い空間分解能を備えていることがわかる。なお、計算に用いた詳細な条件は、下記の通りである。
Ｍａｇ：１８１倍
Ｌ：０．７ｍ
ｆ：４．０ｍｍ
凹面ＫＢミラー６と凸面ＫＢミラー７のレンズ系のＮＡ：１．３×１０^−３

（実施の形態３）
実施の形態２と同様に、凹面ＫＢミラー４および凸面ＫＢミラー５が存在していないＸ線顕微鏡を想定したＸ線光路シミュレーションを行なった。図５は、試料保持部（横軸のゼロ点）から１２０ｍｍ離れた場所までの、Ｘ線光路を示すものであり、Ｘ線光路の途中には、凹面ＫＢミラー６と凸面ＫＢミラー７が順次配置されている。

（比較形態１）
図６は、実施の形態３に示した凹面ＫＢミラー６および凸面ＫＢミラー７の光軸方向における位置と同位置に、凹面ＫＢミラー６および凸面ＫＢミラー７の代わりに、従来と同様の２つの凹面ＫＢミラー（凹面ＫＢミラー１９および凹面ＫＢミラー２０）を配置した光学系のＸ線光路を示すものである。

（実施の形態４）
実施の形態２と同様に、凹面ＫＢミラー４および凸面ＫＢミラー５が存在していないＸ線顕微鏡を想定したＸ線光路シミュレーションを行なった。図７は、試料保持部（横軸のゼロ点）から１２０ｍｍ離れた場所までのＸ線光路を示すものであり、Ｘ線光路の途中には、実施の形態３の例とは異なる位置に凹面ＫＢミラー６と凸面ＫＢミラー７が順次配置されている。

（比較形態２）
図８は、実施の形態４に示した凹面ＫＢミラー６および凸面ＫＢミラー７と光軸方向における同位置に、凹面ＫＢミラー６および凸面ＫＢミラー７の代わりに、従来と同様の２つの凹面ＫＢミラー（凹面ＫＢミラー１９および凹面ＫＢミラー２０）を配置した光学系のＸ線光路を示すものである。

（実施の形態５）
実施の形態２と同様に、凹面ＫＢミラー４および凸面ＫＢミラー５が存在していないＸ線顕微鏡を想定したＸ線光路シミュレーションを行なった。図９は、試料保持部（横軸のゼロ点）から１２０ｍｍ離れた場所までのＸ線光路を示すものであり、Ｘ線光路の途中には、実施の形態３，４の例とは異なる位置に凹面ＫＢミラー６と凸面ＫＢミラー７が順次配置されている。

（比較形態３）
図１０は、実施の形態５に示した凹面ＫＢミラー６および凸面ＫＢミラー７と光軸方向における同位置に、凹面ＫＢミラー６および凸面ＫＢミラー７の代わりに、従来と同様の２つの凹面ＫＢミラー（凹面ＫＢミラー１９および凹面ＫＢミラー２０）を配置した光学系のＸ線光路を示すものである。

（実施の形態６）
図１１は、本発明の実施の形態６におけるＸ線顕微鏡の光学系の斜視図である。実施の形態６におけるＸ線顕微鏡が実施の形態１におけるＸ線顕微鏡と異なる点は、実施の形態１ではＸ軸方向の集光のために凹面ＫＢミラー４および凸面ＫＢミラー５を用いているのに対して、実施の形態６ではＸ軸方向の集光のために第１の凹面ＫＢミラー２１および、同じく凹面である第２の凹面ＫＢミラー２２を用いている点である。その他の点は、実施の形態１のＸ線顕微鏡と同じものである。

第１の凹面ＫＢミラー２１および第２の凹面ＫＢミラー２２は、Ｘ軸方向に曲率を有しＹ軸方向に曲率を有さず、これにより、Ｘ線をＸ軸方向に集光する機能を有している。
他方、凹面ＫＢミラー６は、Ｙ軸方向に曲率を有しＸ軸方向に曲率を有さず、これにより、Ｘ線をＹ軸方向に集光する機能を有している。また、凸面ＫＢミラー７はＹ軸方向に曲率を有しＸ軸方向に曲率を有さず、これにより、Ｘ線の進行方向をＹ軸方向にのみ変更する機能を有している。

上述の実施の形態１におけるＸ線顕微鏡は試料の拡大倍率を大きくする効果が高いものであるが、ミラーのＮＡが大きい場合は、拡大倍率が高くなりすぎる。特に試料に近いミラー（実施の形態１ではＸ軸方向集光ミラーのペアである凹面ＫＢミラー４と凸面ＫＢミラー５）ではミラーのＮＡが大きくなるため、拡大倍率が高くなりすぎる。実用的には、縦横（Ｘ軸方向とＹ軸方向）の拡大倍率は一致していることが望ましい。本実施の形態６におけるＸ線顕微鏡では、試料に近い側のミラーペア（第１の凹面ＫＢミラー２１および第２の凹面ＫＢミラー２２）を両方とも凹面鏡にすることによりＸ軸方向の拡大倍率を適度に抑え、Ｘ線顕微鏡の縦横倍率を一致するように調整することができる。

より好ましくは、第２の凹面ＫＢミラー２２よりも試料保持部に近い場所にある第１の凹面ＫＢミラー２１の反射凹面は双曲線を含んだものであり、第２の凹面ＫＢミラー２２の反射凹面は楕円を含んだものであることが望ましい。図１１の例では、第２の凹面ＫＢミラー２２の楕円焦点と第１の凹面ＫＢミラー２１の双曲焦点を一致させているため、実施の形態１の場合と同様に、試料の１点から発したＸ線が像面の１点に集まる。したがって、試料から像面までの光路長がすべて等しくなり、鮮鋭な像を得ることができる。

図１２は、実施の形態６におけるＸ線顕微鏡の第１の凹面ＫＢミラー２１および第２の凹面ＫＢミラー２２付近のＸ線光路（Ｘ軸投影）を示すものであり、図１３は、実施の形態６におけるＸ線顕微鏡の凹面ＫＢミラー６および凸面ＫＢミラー７付近のＸ線光路（Ｙ軸投影）を示すものである。このＸ線顕微鏡の集光性能は下記表１の通りである。

（考察）
図５〜１０において、レンズ系の主面の位置は、いずれも点線で表している。
図５（実施の形態３），図６（比較形態１）を比較すると、比較形態１では、レンズの主面の位置が、試料保持部から７０ｍｍ（図６のｆ値参照）離れているのに対して、実施の形態３では、レンズの主面の位置が、試料保持部から１２ｍｍ（図５のｆ値参照）と、非常に短縮された数値となっている。ｆの値が小さくなれば、上述の式（１）から分かるように、顕微鏡の拡大倍率Ｍａｇを同程度とする前提において、Ｌの値を小さくする設計が可能となる。図６の例では、Ｌの値が１２．６ｍであるのに対して、図５の例では、Ｌの値が２．０ｍと、非常に短縮されている。したがって、Ｘ線顕微鏡は、実験室に搬入可能な程度にコンパクトに設計できる。

同様に、図７（実施の形態４），図８（比較形態２）を比較しても、ｆの値は２２ｍｍから４．０ｍｍに短縮され、主面の位置は、試料保持部３の位置に近づいている。これに伴い、図８の例では、Ｌの値が３．８ｍであるのに対して、図７の例では、Ｌの値が０．７ｍと、非常に短縮されている。したがって、Ｘ線顕微鏡は、実験室に搬入可能な程度にコンパクトに設計できる。

同様に、図９（実施の形態５），図１０（比較形態３）を比較しても、ｆの値は４３ｍｍから１１ｍｍに短縮され、主面の位置は、試料保持部３の位置に近づいている。これに伴い、図１０の例では、Ｌの値が７．７ｍであるのに対して、図９の例では、Ｌの値が２．０ｍと、非常に短縮されている。したがって、Ｘ線顕微鏡は、実験室に搬入可能な程度にコンパクトに設計できる。

上記実施の形態３〜５は、１次元集光の光学系を例にして本発明の効果を示したものであるが、２次元の集光を行なう場合は、実施の形態１において説明した通り、Ｘ軸方向とＹ軸方向のそれぞれに凹面ＫＢミラーと凸面ＫＢミラーのセットを用いる。例えば、実施の形態３（図５）のミラー系と、実施の形態４（図７）のミラー系を光軸周りに９０度回転させたミラー系の双方を用いれば、ミラー同士が干渉することなく２次元の集光光学系を構成することができる。なお、図５のミラー系の後側焦点距離（Ｌ値）が２．０ｍであり、図７のミラー系の後側焦点距離（Ｌ値）が０．７ｍであることから、例えば図７のミラー系のＮＡ値や拡大倍率を調整するなどして、双方の後側焦点距離を一致させることができる。この調整の際に、Ｘ方向の拡大倍率とＹ方向の拡大倍率とが異なるものとなる場合もあるが、上記実施の形態において説明したように、像面の歪みは、光学的或いは電子的に補正することができる。いずれにしても、２次元の集光光学系を構成しても、後側焦点距離が２．０ｍと非常にコンパクトなＸ線顕微鏡を実現することが可能である。

上記実施の形態６は、Ｙ軸方向の集光のために凹面ＫＢミラー６および凸面ＫＢミラー７を用い、Ｘ軸方向の集光のために第１の凹面ＫＢミラー２１と第２の凹面ＫＢミラー２２を用いているＸ線顕微鏡である。上記表１からわかるように、本実施の形態のＸ線顕微鏡では、試料保持部３に位置に近い第１の凹面ＫＢミラー２１と第２の凹面ＫＢミラー２２が共に凹面の反射面を有していることにより主面の位置を試料から離すことができ、Ｘ軸方向の拡大倍率を低く抑えることができる。これにより、Ｘ軸方向の拡大倍率とＹ軸方向の拡大倍率を近い、すなわち縦横比が１に近い顕微鏡像を得ることができる。また、試料保持部３の位置と受光部８の位置との距離（Ｌ＋ｆ）は３１２７ｍｍであり、装置全体の小型化も達成できている。

以上のように、従来のＸ線顕微鏡では、拡大倍率を一定程度得るため、主面を試料保持部３の位置から離さざるを得なかったものを、本発明のＸ線顕微鏡では、主面の位置を、試料保持部３の位置に大きく近づけることができるようになったものであり、これに伴い、Ｌの値を小さくし、実験室に搬入可能なＸ線顕微鏡を提供することができる。

本発明のＸ線顕微鏡は、拡大倍率を保持しながら光学系の後側焦点距離を短縮することができ、普及サイズすなわち室内搬入サイズではなかった従来のＸ線顕微鏡を、普及可能なコンパクトサイズにできるものであり、各種科学分野においてＸ線顕微鏡の利用による産業上の利用価値は大きい。

１Ｘ線源
２Ｘ線
３試料保持部
４凹面ＫＢミラー
５凸面ＫＢミラー
６凹面ＫＢミラー
７凸面ＫＢミラー
８受光部
１１可視光光源
１２可視光線
１３試料保持部
１４可視光凸レンズ
１５可視光凹レンズ
１８受光部
１９凹面ＫＢミラー
２０凹面ＫＢミラー
２１第１の凹面ＫＢミラー
２２第２の凹面ＫＢミラー

Claims

Ｘ線源と、試料保持部と、反射凹面を有するKirkpatrick-Baezミラー（以下、「凹面ＫＢミラー」と記載する）と、反射凸面を有するKirkpatrick-Baezミラー（以下、「凸面ＫＢミラー」と記載する）と、前記試料保持部の位置と結像関係の位置にある受光部とを、順に有するＸ線顕微鏡。
前記凹面ＫＢミラーの前記反射凹面は、楕円形状を含むものであり、前記試料保持部は、該楕円の焦点位置にある請求項１に記載のＸ線顕微鏡。
前記凸面ＫＢミラーの前記反射凸面は、一方曲線と他方曲線を含む双曲線のうち、前記一方曲線を含むものであり、前記受光部は、前記双曲線の焦点のうち他方曲線側の焦点位置にある請求項１または２に記載のＸ線顕微鏡。
前記凸面ＫＢミラーと前記受光部との距離よりも、前記凹面ＫＢミラーと前記受光部との距離が長い請求項１〜３のいずれかに記載のＸ線顕微鏡。
前記試料保持部と前記凹面ＫＢミラーとの間に、前記凸面ＫＢミラーと前記凹面ＫＢミラーを含む結像系の主面が存在する請求項１〜４のいずれかに記載のＸ線顕微鏡。
前記試料保持部の位置と前記受光部の位置との距離が２．５ｍ以内である請求項１〜５のいずれかに記載のＸ線顕微鏡。
前記凸面ＫＢミラーは少なくとも２つ配置されており、前記凹面ＫＢミラーも少なくとも２つ配置されており、
一方の凸面ＫＢミラーの法線と他の凸面ＫＢミラーの法線は互いに非平行であり、
一方の凹面ＫＢミラーの法線と他の凹面ＫＢミラーの法線は互いに非平行である、請求項１〜６のいずれかに記載のＸ線顕微鏡。
前記試料保持部と前記凹面ＫＢミラーとの最短距離が６ｍｍ以上である請求項１〜７のいずれかに記載のＸ線顕微鏡。
前記凸面ＫＢミラーまたは前記凹面ＫＢミラーのうち少なくとも一方は、光軸方向に移動可能に設置されている請求項１〜８のいずれかに記載のＸ線顕微鏡。
前記試料保持部と前記凹面ＫＢミラーの間に、第１の凹面ＫＢミラーと第２の凹面ＫＢミラーが配置されており、
前記凹面ＫＢミラーの法線と前記第１の凹面ＫＢミラーの法線は互いに非平行であり、
前記凸面ＫＢミラーの法線と前記第２の凹面ＫＢミラーの法線は互いに非平行である、請求項１〜６のいずれかに記載のＸ線顕微鏡。
前記第１の凹面ＫＢミラーは、前記第２の凹面ＫＢミラーよりも前記試料保持部に近く、
前記第１の凹面ＫＢミラーの反射凹面は双曲線を含んでおり、
前記第２の凹面ＫＢミラーの反射凹面は楕円を含んでいる、
請求項１０に記載のＸ線顕微鏡。