JP6528264B2 - Imaging apparatus and method - Google Patents
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Description
本発明は、イメージング装置及び方法に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus and method.
コヒーレント光を利用したイメージング技術として、X線タイコグラフィが提案されている(例えば非特許文献1参照)。 As an imaging technique using coherent light, X-ray ptychography has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1).
図19にX線タイコグラフィの原理図を示す。X線タイコグラフィでは、観察対象である試料をステップ移動させながら、コヒーレントな(干渉性に優れた)X線を試料の各位置に照射し、試料の各位置にX線を照射したときの透過X線強度と回折X線強度パターンを二次元X線検出器で検出する。結果、複数の透過及び回折強度パターンが得られ、その複数の透過及び回折強度パターンに対して反復的位相回復アルゴリズムによる演算を適用することにより、試料の観察像を生成する。反復的位相回復アルゴリズムは、例えば下記非特許文献2に開示されている。 FIG. 19 shows the principle of X-ray ptychography. In X-ray ptychography, while moving the sample to be observed stepwise, coherent (excellent) X-rays are irradiated to each position of the sample, and X-rays are transmitted to each position of the sample. The X-ray intensity and the diffracted X-ray intensity pattern are detected by a two-dimensional X-ray detector. As a result, a plurality of transmission and diffraction intensity patterns are obtained, and an observation image of the sample is generated by applying an operation by an iterative phase recovery algorithm to the plurality of transmission and diffraction intensity patterns. An iterative phase recovery algorithm is disclosed, for example, in Non-Patent Document 2 below.
一般的なX線顕微鏡では、レンズ等の結像光学素子の作成精度が分解能を制限する要因となっており、10nm(ナノメートル)より優れた分解能を達成することが難しい。X線タイコグラフィでは、レンズによる結像の代わりに計算機による位相回復計算を行うため、結像光学素子によって分解能が制限されることがないという特長がある。この特長が注目され、世界中に点在する大型放射光施設でX線タイコグラフィの研究が進められており、金属ナノ粒子などの材料試料では10nm程度の高い分解能が既に実現されている。 In a general X-ray microscope, the formation accuracy of an imaging optical element such as a lens is a factor that limits the resolution, and it is difficult to achieve a resolution better than 10 nm (nanometers). The X-ray ptychography has a feature that the resolution is not limited by the imaging optical element because the computer performs phase recovery calculation instead of image formation by a lens. This feature is attracting attention, and research on x-ray ptychography is being carried out in large-sized radiation facilities scattered around the world, and high resolution of about 10 nm has already been realized for material samples such as metal nanoparticles.
また、インラインホログラム等の利用も別途研究されている(非特許文献3参照;非特許文献3の対応URLは“https://www.jstage.jst.go.jp/article/jcrsj1959/18/3/18_3_236/_article”)。 In addition, the use of in-line holograms and the like is also studied separately (see Non-Patent Document 3; the corresponding URL of Non-Patent Document 3 is “https://www.jstage.jst.go.jp/article/jcrsj1959/18/3 / 18_3_236 / _article ").
X線タイコグラフィで試料像を得るためには、回折X線はもちろん、透過X線も取得しなければならないが、透過X線の強度は回折X線の強度に対して非常に大きい。このため、二次元検出器のダイナミックレンジは相応に大きい必要がある。特に、生体細胞などの生物試料を観察対象にする場合、生物試料が酸素、炭素及び窒素などの軽元素で構成されているため、X線の散乱能が小さく、通常、透過X線の強度に対して回折X線の強度が10万分の1以下になる。故に、生物試料を観察対象にする場合には特に大きなダイナミックレンジが二次元検出器に要求されることになる。 In order to obtain a sample image by X-ray ptychography, not only diffracted X-rays but also transmitted X-rays must be acquired, but the intensity of transmitted X-rays is very large relative to the intensity of diffracted X-rays. For this reason, the dynamic range of the two-dimensional detector has to be correspondingly large. In particular, when a biological sample such as a biological cell is to be observed, since the biological sample is composed of light elements such as oxygen, carbon and nitrogen, the ability to scatter X-rays is small, and usually the intensity of transmitted X-rays is On the other hand, the intensity of the diffracted X-rays is less than one hundred thousandth. Therefore, particularly when a biological sample is to be observed, a large dynamic range is required for the two-dimensional detector.
しかし、ダイナミックレンジの大きい二次元検出器の開発には膨大な費用と時間を要する。必要なダイナミックレンジを有する二次元検出器が現存していたとしても、ダイナミックレンジの拡大は二次元検出器の入手費用の増大につながる。例えば、106光子/ピクセル/秒の検出性能を持つピクセルアレイ検出器が実用化されているが、そのような二次元検出器は入手費用(例えば数千万円)が相当に高く、利用しにくい。 However, development of a two-dimensional detector with a large dynamic range requires a great deal of cost and time. Even if a two-dimensional detector having the necessary dynamic range still exists, the expansion of the dynamic range leads to an increase in the acquisition cost of the two-dimensional detector. For example, although a pixel array detector having a detection performance of 10 6 photons / pixel / second has been put to practical use, such a two-dimensional detector has a considerably high acquisition cost (for example, tens of millions of yen) and is used Hateful.
尚、検出器に関し、単位“光子/ピクセル/秒”で示された数値は、各ピクセルにおいて1秒当たりに検出できる最大の光子数を表す。10m光子/ピクセル/秒であれば、各ピクセルにおいて1秒当たり、1の光子と10mの光子を区別して検出できる(mは自然数)。1の光子と10mの光子を区別して検出できることは、0の光子と1の光子と10mの光子を区別して検出できることをも意味する。以下では、二次元検出器の検出性能を示す、単位“光子/ピクセル/秒”で示された数値を、検出ダイナミックレンジ又は二次元検出器のダイナミックレンジと呼ぶ。検出ダイナミックレンジ又は二次元検出器のダイナミックレンジは、単位時間当たりの光子検出ダイナミックレンジとも言うべき、単位時間当たりで識別可能な光子数の最小値と最大値の比率を意味する。検出時間(即ち、検出に用いる時間)が増大すれば、二次元検出器で識別可能な光子数の比率は増大する。即ち例えば、106光子/ピクセル/秒であれば、1000秒かけることによって、各ピクセルにおいて1の光子と109の光子を区別して検出できる。 It should be noted that for the detector, the numerical value shown in the unit "photon / pixel / second" represents the maximum number of photons detectable per second at each pixel. If it is 10 m photons / pixel / sec, 1 photon and 10 m photons can be distinguished and detected per second at each pixel (m is a natural number). Can be detected to distinguish photons 1 photon and 10 m also means that it is possible to detect and differentiate between photons of 0 photons and one photon and 10 m. Hereinafter, the numerical value represented by the unit "photon / pixel / second", which indicates the detection performance of the two-dimensional detector, will be referred to as the detection dynamic range or the dynamic range of the two-dimensional detector. The detection dynamic range or the dynamic range of the two-dimensional detector means the ratio of the minimum value to the maximum value of the number of distinguishable photons per unit time, which is also called the photon detection dynamic range per unit time. As the detection time (i.e., the time used for detection) increases, the ratio of the number of photons distinguishable by the two-dimensional detector increases. That is, for example, if 10 6 photons / pixel / second, one photon and 10 9 photons can be distinguished and detected in each pixel by taking 1000 seconds.
そこで本発明は、必要な検出ダイナミックレンジの低減に寄与するイメージング装置及び方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an imaging device and method that contribute to the reduction of the required detection dynamic range.
本発明に係るイメージング装置は、入射光が照射される試料の上流側に配置され、前記入射光の一部を散乱させて散乱光を前記試料に向けて放射する散乱用構造体と、前記試料の下流側に配置され、前記入射光に基づいて前記試料から到来する光の強度を所定の二次元平面内で検出する二次元検出器と、前記試料からの前記二次元検出器に向かう光の内、少なくとも最大強度を持つ光の前記二次元検出器への到達を遮蔽する遮蔽体と、前記二次元検出器の検出結果に基づき前記試料の像を生成する演算手段と、を備えたことを特徴とする。 An imaging apparatus according to the present invention is a scattering structure which is disposed upstream of a sample to be irradiated with incident light and scatters a part of the incident light to emit scattered light toward the sample; And a two-dimensional detector for detecting the intensity of light coming from the sample in a predetermined two-dimensional plane based on the incident light, and light from the sample toward the two-dimensional detector A shield for shielding the light having at least the maximum intensity from reaching the two-dimensional detector, and computing means for generating an image of the sample based on the detection result of the two-dimensional detector It features.
遮蔽体を設けることにより、二次元検出器に求められる検出ダイナミックレンジを低減することが可能となる。遮蔽によって欠落する試料構造情報については、散乱用構造体からの散乱光に基づく二次元検出器の検出結果により補完可能である。つまり、良好なる像の生成を担保しつつ、二次元検出器に求められる検出ダイナミックレンジを低減することが可能となる。 By providing the shield, it is possible to reduce the detection dynamic range required for the two-dimensional detector. The sample structure information missing due to shielding can be complemented by the detection result of the two-dimensional detector based on the scattered light from the scattering structure. That is, it is possible to reduce the detection dynamic range required for the two-dimensional detector while securing the generation of a good image.
本発明に係るイメージング方法は、入射光が照射される試料の上流側に、前記入射光の一部を散乱させて散乱光を前記試料に向けて放射する散乱用構造体を配置するとともに、前記試料の下流側に、前記入射光に基づいて前記試料から到来する光の強度を所定の二次元平面内で検出する二次元検出器を配置し、前記試料からの前記二次元検出器に向かう光の内、少なくとも最大強度を持つ光の前記二次元検出器への到達を遮蔽した状態で、前記二次元検出器の検出結果に基づき前記試料の像を生成することを特徴とする。 In the imaging method according to the present invention, a scattering structure for scattering a part of the incident light and emitting the scattered light toward the sample is disposed on the upstream side of the sample to which the incident light is irradiated, and On the downstream side of the sample, a two-dimensional detector for detecting the intensity of light coming from the sample based on the incident light in a predetermined two-dimensional plane is disposed, and the light from the sample toward the two-dimensional detector In the state where the light having at least the maximum intensity is blocked from reaching the two-dimensional detector, an image of the sample is generated based on the detection result of the two-dimensional detector.
上記遮蔽によって、二次元検出器に求められる検出ダイナミックレンジを低減することが可能となる。遮蔽によって欠落する試料構造情報については、散乱用構造体からの散乱光に基づく二次元検出器の検出結果により補完可能である。つまり、良好なる像の生成を担保しつつ、二次元検出器に求められる検出ダイナミックレンジを低減することが可能となる。 The shielding makes it possible to reduce the detection dynamic range required for the two-dimensional detector. The sample structure information missing due to shielding can be complemented by the detection result of the two-dimensional detector based on the scattered light from the scattering structure. That is, it is possible to reduce the detection dynamic range required for the two-dimensional detector while securing the generation of a good image.
本発明によれば、必要な検出ダイナミックレンジの低減に寄与するイメージング装置及び方法を提供することが可能である。 According to the present invention, it is possible to provide an imaging apparatus and method that contributes to the reduction of the required detection dynamic range.
以下、本発明の実施形態の例を、図面を参照して具体的に説明する。参照される各図において、同一の部分には同一の符号を付し、同一の部分に関する重複する説明を原則として省略する。尚、本明細書では、記述の簡略化上、情報、信号、物理量又は部材等を参照する記号又は符号を記すことによって、該記号又は符号に対応する情報、信号、物理量又は部材等の名称を省略又は略記することがある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. In the respective drawings to be referred to, the same parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description of the same parts will be omitted in principle. In the present specification, in order to simplify the description, the names of information, signals, physical quantities, members, etc. corresponding to the symbols or marks are described by marking the symbols or marks referring to information, signals, physical quantities, members, etc. It may be abbreviated or abbreviated.
<<参考実施形態>>
まず、後述の第1実施形態等との対比に供される参考実施形態を説明する。図1及び図2は、参考実施形態に係るイメージング装置の構成を示す斜視図及び側面図である。
<< Reference embodiment >>
First, a reference embodiment to be provided for comparison with the later-described first embodiment and the like will be described. 1 and 2 are a perspective view and a side view showing a configuration of an imaging apparatus according to a reference embodiment.
図1及び図2において、符号L0により参照される斜線領域は試料10への入射光を表している。但し、図1及び図2では、試料10を透過した光の領域に対しても斜線を付している(後述の図7でも同様)。入射光L0は、干渉性を有する光、即ちコヒーレント光である。但し、現実には完全にコヒーレントな光は存在しないので、ここにおけるコヒーレント光とは、空間的にも時間的にも非常にコヒーレンスの高い光であると解されるべきである。 In FIG. 1 and FIG. 2, the hatched area referred to by the symbol L 0 represents the incident light to the sample 10. However, in FIG. 1 and FIG. 2, the region of the light transmitted through the sample 10 is also hatched (the same applies to FIG. 7 described later). The incident light L0 is light having coherence, that is, coherent light. However, since there is no completely coherent light in reality, coherent light here should be understood to be light with high coherence, both spatially and temporally.
入射光L0は、任意の波長の光でありうるが、特にX線であることが想定される。ここでは、入射光L0は、6.5keV(エレクトロンボルト)のエネルギを有するX線(コヒーレントX線)であるものとする。入射光L0は、放射光施設にて発生されるX線領域の放射光を集束することで形成される集束X線であって良い。図1において、一点鎖線AXOPTは入射光L0の光軸を表している。参考実施形態で述べる光は全て入射光L0に基づく光であるとする。 The incident light L0 may be light of any wavelength, but in particular it is assumed to be X-rays. Here, it is assumed that the incident light L0 is an X-ray (coherent X-ray) having an energy of 6.5 keV (electron volts). The incident light L0 may be focused X-rays formed by focusing radiation in the X-ray region generated at the radiation facility. In FIG. 1, an alternate long and short dash line AX OPT represents the optical axis of the incident light L0. It is assumed that all the lights described in the reference embodiment are lights based on the incident light L0.
X軸、Y軸及びZ軸は互いに直交している。光軸AXOPTはZ軸に対して平行であり、入射光L0は、Z軸の負側から正側に向けて進行するものとする。尚、X軸及びY軸に平行な二次元平面、Y軸及びZ軸に平行な二次元平面、Z軸及びX軸に平行な二次元平面を、夫々、XY面、YZ面、ZX面と呼ぶ。 The X axis, the Y axis and the Z axis are orthogonal to one another. The optical axis AX OPT is parallel to the Z axis, and the incident light L0 travels from the negative side to the positive side of the Z axis. Note that a two-dimensional plane parallel to the X and Y axes, a two-dimensional plane parallel to the Y and Z axes, and a two-dimensional plane parallel to the Z and X axes are the XY, YZ, and ZX planes, respectively. Call.
入射光L0は試料10に対して照射される。試料10は、X軸及びY軸方向に対して広がりを持つ試料であり、更に、Z軸方向に対しての厚みも有する。試料10は、どのような試料でも良い。例えば、試料10は、金属から成る試料でも良いし、生物試料でも良い。但し、試料10に照射された入射光L0の内、一部は散乱及び回折するが、残りは試料10を透過するものとする。試料10に照射された入射光L0(6.5keVのX線)の内、大部分が試料10を透過するような、厚みの少ない試料10が想定される。 The incident light L0 is irradiated to the sample 10. The sample 10 is a sample having a spread in the X-axis and Y-axis directions, and further has a thickness in the Z-axis direction. The sample 10 may be any sample. For example, the sample 10 may be a metal sample or a biological sample. However, among the incident light L0 irradiated to the sample 10, a part is scattered and diffracted, and the remainder is transmitted through the sample 10. Of the incident light L0 (6.5 keV X-ray) irradiated to the sample 10, a sample 10 with a small thickness is assumed, most of which passes through the sample 10.
入射光L0は、試料10よりも上流側に設けられた光学系(不図示)により、試料10の位置において集光せしめられる。図1において、点Oは入射光L0の集光点の中心位置を表している。上流とは、入射光L0の進行の向きにとっての上流を指し、当然、入射光L0は上流側から下流側に向けて進行する。入射光L0は、Z軸に直交する十字に沿って斑点状に広がる。即ち、XY面内において、入射光L0は複数の斑点の光から形成される共に当該複数の斑点は十字方向に並んでいる(即ち例えばX軸及びY軸方向に沿って並んでいる)。以下では、その複数の斑点の中心に位置する、最も光の強度の強い斑点を入射光L0と捉えて注目し、注目した斑点の大きさ(詳細には、注目した斑点の広がりの外縁を示す円の直径)をスポット径と呼ぶ。特に、試料10の位置における入射光L0のスポット径を記号SRで表す。ここでは、試料10の位置において入射光L0が真円状に集光されていると考え、且つ、スポット径SRが1μm(マイクロメートル)であるとする。 The incident light L 0 is condensed at the position of the sample 10 by an optical system (not shown) provided upstream of the sample 10. In FIG. 1, a point O represents the center position of the condensing point of the incident light L0. The upstream refers to the upstream with respect to the traveling direction of the incident light L0, and naturally, the incident light L0 travels from the upstream to the downstream. The incident light L0 spreads like spots along a cross orthogonal to the Z axis. That is, in the XY plane, the incident light L0 is formed from light of a plurality of spots, and the plurality of spots are aligned in the cross direction (that is, aligned along the X-axis and Y-axis directions, for example). In the following, the spot with the highest light intensity located at the center of the plurality of spots is regarded as the incident light L0 and focused, and the size of the focused spot (specifically, the outer edge of the spread of the focused spot is shown The diameter of the circle is called the spot diameter. In particular, the spot diameter of the incident light L0 at the position of the sample 10 is represented by the symbol SR. Here, it is considered that the incident light L0 is collected in a perfect circular shape at the position of the sample 10, and the spot diameter SR is 1 μm (micrometer).
XY面上において、試料10の大きさ(広がり面積)は、試料10の位置における入射光L0の大きさ(広がり面積)よりも大きい。試料10は、Z軸方向に厚みを有する板形状を有し、ここでは例として、試料10がXY面において1μmよりも大きな辺を有する長方形又は正方形の形状を持っているものとする。Z軸方向における試料10の厚さは、X軸及びY軸方向において不均一であって良い。例えば、Z軸方向における試料10の厚さは、X軸及びY軸方向において数10nm〜数10μmの範囲内で分布する。 On the XY plane, the size (spreading area) of the sample 10 is larger than the size (spreading area) of the incident light L 0 at the position of the sample 10. The sample 10 has a plate shape having a thickness in the Z-axis direction. Here, for example, the sample 10 has a rectangular or square shape having a side larger than 1 μm in the XY plane. The thickness of the sample 10 in the Z-axis direction may be nonuniform in the X-axis and Y-axis directions. For example, the thickness of the sample 10 in the Z-axis direction is distributed in the range of several tens of nm to several tens of μm in the X-axis and Y-axis directions.
二次元検出器20は、試料10の下流側に設けられる二次元X線検出器である。二次元検出器20は、入射光L0に基づく試料10からの光を受け、受けた光の強度を所定の二次元平面内で検出する。ここにおける二次元平面はXY面に平行である。二次元検出器20はXY面に平行な検出面を有し、検出面内の各位置における光の強度(受光強度)を検出する。 The two-dimensional detector 20 is a two-dimensional X-ray detector provided on the downstream side of the sample 10. The two-dimensional detector 20 receives the light from the sample 10 based on the incident light L0, and detects the intensity of the received light in a predetermined two-dimensional plane. The two-dimensional plane here is parallel to the XY plane. The two-dimensional detector 20 has a detection plane parallel to the XY plane, and detects the intensity (received light intensity) of light at each position in the detection plane.
二次元検出器20の検出面内の領域を、便宜上、透過X線の受光領域21と、回折X線の受光領域22とに分類することができる。試料10に照射された入射光L0の内、試料10にて散乱されることなく透過した光を透過X線と呼ぶ。受光領域21は透過X線を受ける領域である。受光領域21の中心は、通常、検出面の中心と一致する。以下では、受光領域21の中心(透過X線を受ける受光領域の中心)と、検出面の中心(即ち二次元検出器20の中心)とが一致しているものとする。透過X線は受光領域22には入射しない。受光領域22は、試料10に照射された入射光L0の内、試料10にて散乱された光を受ける。試料10にて散乱された光は、受光領域22において試料10の構造に応じた回折縞を形成する。この回折縞を形成する試料10からの散乱光を回折X線と呼び、この回折縞を表す受光領域22における受光強度パターンを回折X線強度パターン又は回折強度パターンと呼ぶ。また、受光領域21における受光強度パターンを透過X線強度パターン又は透過強度パターンと呼ぶ。 The area in the detection plane of the two-dimensional detector 20 can be classified into the light receiving area 21 of the transmitted X-ray and the light receiving area 22 of the diffracted X-ray for convenience. Of the incident light L0 irradiated to the sample 10, the light transmitted without being scattered by the sample 10 is called a transmitted X-ray. The light receiving area 21 is an area for receiving the transmitted X-ray. The center of the light receiving area 21 usually coincides with the center of the detection surface. In the following, it is assumed that the center of the light receiving area 21 (the center of the light receiving area that receives the transmitted X-ray) and the center of the detection surface (that is, the center of the two-dimensional detector 20) coincide with each other. The transmitted X-rays do not enter the light receiving area 22. The light receiving region 22 receives the light scattered by the sample 10 among the incident light L0 irradiated to the sample 10. The light scattered by the sample 10 forms diffraction fringes in the light receiving region 22 according to the structure of the sample 10. The scattered light from the sample 10 forming the diffraction fringes is referred to as a diffraction X-ray, and the light reception intensity pattern in the light receiving region 22 representing the diffraction fringe is referred to as a diffraction X-ray intensity pattern or a diffraction intensity pattern. The light reception intensity pattern in the light reception area 21 is referred to as a transmission X-ray intensity pattern or transmission intensity pattern.
透過X線だけを利用する場合、図1のシステムを、1μmの分解能を持ったレンズによるX線顕微鏡と見立てることができる。1μmの分解能を持ったレンズを通して観測できるものは、1μm以上のサイズの情報に限られる。しかし、回折X線を見ることで1μmよりも小さい情報を得ることができる。 If only transmitted X-rays are used, the system of FIG. 1 can be regarded as an X-ray microscope with a lens with a resolution of 1 μm. What can be observed through a lens with a resolution of 1 μm is limited to information of a size of 1 μm or more. However, information smaller than 1 μm can be obtained by observing diffracted X-rays.
図3に示す如く、イメージング装置は、試料10をX軸方向又はY軸方向にステップ移動させるための駆動装置30を備えている。ステップ位置P1〜Pnは、XY面に平行な面であって且つ試料10内に位置する共通な平面上に配置された互いに異なる位置である。図3では9つのステップ位置P1〜P9が示されているが、nは2以上の整数であれば任意である。駆動装置30は、集光点Oの位置がステップ位置P1〜Pnの何れかと一致するように試料10をステップ移動させることができる。尚、駆動装置30により、試料10がX軸方向及びY軸方向と異なる方向に移動されることが有り得て良い(この場合、ステップ位置P1〜Pnは、XY面から傾いた平面上に配置された互いに異なる位置となる)。但し、試料10のステップ移動の方向は、入射光L0の光軸AXOPTに直交する方向成分を持っているものとする。 As shown in FIG. 3, the imaging apparatus includes a driving device 30 for stepping the sample 10 in the X-axis direction or the Y-axis direction. The step positions P 1 to P n are different from each other, which are planes parallel to the XY plane and arranged on a common plane located in the sample 10. Although nine step positions P 1 to P 9 are shown in FIG. 3, n is arbitrary as long as it is an integer of 2 or more. The driving device 30 can step-move the sample 10 so that the position of the condensing point O coincides with any of the step positions P 1 to P n . The sample 10 may be moved in a direction different from the X-axis direction and the Y-axis direction by the driving device 30 (in this case, the step positions P 1 to P n are on a plane inclined from the XY plane). It will be placed in different positions). However, it is assumed that the direction of the step movement of the sample 10 has a direction component orthogonal to the optical axis AX OPT of the incident light L0.
XY面内について考えると、集光点Oの位置がステップ位置Piと一致せしめられているとき、試料10内の領域であって且つステップ位置Piを中心とする直径1μmの円の内側領域に入射光L0が集光及び照射される(iは整数)。 Considering in the XY plane, when the position of the light condensing point O is made to coincide with the step position P i , an area within a sample 10 and an inner area of a circle with a diameter of 1 μm centered on the step position P i The incident light L0 is collected and emitted to the light source (i is an integer).
X軸及びY軸方向の夫々において、互いに隣接する2つのステップ位置の間隔はスポット径SR(ここでは1μm)よりも小さい。従って、集光点Oの位置が第1ステップ位置と一致しているときの試料10への入射光L0の照射領域は、集光点Oの位置が第2ステップ位置と一致しているときの試料10への入射光L0の照射領域と一部において重なり合う。ここにおける第1ステップ位置は、ステップ位置P1〜Pnの内の任意の1つを指し、第2ステップ位置は第1ステップ位置と異なる1以上のステップ位置を指す。例えば、集光点Oの位置がステップ位置P5と一致しているときの試料10への入射光L0の照射領域(図3の9つの円における中央の円の内部領域)は、集光点Oの位置がステップ位置P2、P4、P6、P8と一致しているときの試料10への入射光L0の照射領域の夫々と一部において重なり合う。 In each of the X-axis and Y-axis directions, the distance between two step positions adjacent to each other is smaller than the spot diameter SR (here, 1 μm). Therefore, the irradiation area of the incident light L0 on the sample 10 when the position of the light condensing point O coincides with the first step position corresponds to when the position of the light condensing point O coincides with the second step position. It overlaps with the irradiation area of the incident light L0 onto the sample 10 in part. The first step position herein refers to any one of the step positions P1 to Pn , and the second step position refers to one or more step positions different from the first step position. For example, (internal region of the center of the circle in the nine circles in FIG. 3) the irradiation area of the incident light L0 into the sample 10 when the position of the focal point O is coincident with the step position P 5 are converging point It partially overlaps with each of the irradiation regions of the incident light L0 incident on the sample 10 when the position of O coincides with the step positions P 2 , P 4 , P 6 and P 8 .
図4は、参考実施形態のイメージング装置のX線タイコグラフィによる試料像の構築動作フローチャートである。まず、ステップS1において変数iに1が代入される。続くステップS2において、駆動装置30により、集光点Oの位置がステップ位置Piと一致するように試料10が駆動される。続くステップS3において、二次元検出器20の検出面内の全検出結果(受光強度の検出結果の全て)を第iの光強度検出パターンとして取得する。参考実施形態では、透過強度パターンと回折強度パターンを二次元検出器20で同時に取得したもの(即ち、同時に検出された透過強度パターン及び回折強度パターンから成る検出パターン)が第iの光強度検出パターンとなる。 FIG. 4 is a flowchart of the operation of constructing a sample image by X-ray ptychography of the imaging apparatus of the reference embodiment. First, 1 is substituted for the variable i in step S1. In the subsequent step S2, the driving device 30 drives the sample 10 so that the position of the condensing point O coincides with the step position P i . In the subsequent step S3, all detection results (all detection results of the light reception intensity) in the detection plane of the two-dimensional detector 20 are acquired as the ith light intensity detection pattern. In the reference embodiment, the transmission intensity pattern and the diffraction intensity pattern obtained simultaneously by the two-dimensional detector 20 (that is, the detection pattern consisting of the transmission intensity pattern and the diffraction intensity pattern detected simultaneously) is the i-th light intensity detection pattern It becomes.
その後、ステップS4において、イメージング装置の制御部(不図示)により、変数iが所定値n(例えば100)と一致しているか否かが確認される。“i=n”の場合にはステップS6に進む。一方、“i<n”の場合にはステップS5にて変数iに1を加算してからステップS2に戻り、ステップS2以降の処理が繰り返される。結果、ステップS6に至る時点では第1〜第nの光強度検出パターンが取得済みとなる。第iの光強度検出パターンは、集光点Oの位置をステップ位置Piと一致させた状態において、試料10からの透過強度パターン及び回折強度パターンを同時に検出したものである。 Thereafter, in step S4, it is confirmed by the control unit (not shown) of the imaging apparatus whether or not the variable i matches the predetermined value n (for example, 100). If "i = n", the process proceeds to step S6. On the other hand, in the case of “i <n”, 1 is added to the variable i in step S5, and then the process returns to step S2 to repeat the processing from step S2. As a result, at the time when step S6 is reached, the first to n-th light intensity detection patterns are already acquired. The ith light intensity detection pattern is a pattern in which the transmission intensity pattern and the diffraction intensity pattern from the sample 10 are simultaneously detected in a state in which the position of the condensing point O coincides with the step position P i .
ステップS6において、イメージング装置の演算部(不図示)は、ステップS3にて取得された第1〜第nの光強度検出パターンに対し反復的位相回復アルゴリズムによる所定の演算を施すことで、試料10の像を生成する。反復的位相回復アルゴリズムとして、X線タイコグラフィに適用可能な公知の反復的位相回復アルゴリズムを用いることができる。例えば、上記非特許文献2に記載の方法に基づく反復的位相回復アルゴリズムを用いて良い。 In step S6, the operation unit (not shown) of the imaging apparatus performs a predetermined operation according to the repetitive phase recovery algorithm on the first to n-th light intensity detection patterns obtained in step S3 to obtain the sample 10 Generate an image of As the iterative phase recovery algorithm, known iterative phase recovery algorithms applicable to X-ray ptychography can be used. For example, an iterative phase recovery algorithm based on the method described in Non-Patent Document 2 may be used.
ここで、公知事項ではあるが反復的位相回復アルゴリズムについて簡単に説明する。振幅のみが既知で位相が得られない状況においてフーリエ変換を繰り返し行うことによって位相を求める方法は、フーリエ反復位相回復法として知られている。ステップS6の反復的位相回復アルゴリズム(換言すれば反復的位相回復法)は、フーリエ反復位相回復法に属する。 Here, although known, the iterative phase recovery algorithm will be briefly described. A method of obtaining a phase by repeatedly performing Fourier transform in a situation where only the amplitude is known and the phase can not be obtained is known as a Fourier iterative phase recovery method. The iterative phase recovery algorithm of step S6 (in other words, the iterative phase recovery method) belongs to the Fourier iterative phase recovery method.
図5は、フーリエ反復位相回復法の基本アルゴリズムを示す図である。図5において、物体(厳密には、物体に対する入射波と物体とが相互作用して物体から発せられる物体波)をfで表し、物体fに対してフーリエ変換FTを施したもの(厳密には、検出面での回折波)をFで表す。ここにおける物体は試料10である。 FIG. 5 is a diagram showing a basic algorithm of the Fourier iterative phase recovery method. In FIG. 5, an object (strictly speaking, an object wave incident on an object and an object that interacts with each other and emitted from the object) is represented by f, and a Fourier transform FT is applied to the object f (strictly, , And the diffracted wave on the detection surface is represented by F. The object here is the sample 10.
fとFは複素関数として表される。複素関数fの振幅、位相を、それぞれ|f|、φで表し、複素関数Fの振幅、位相を、それぞれ|F|、Φで表す。一般的に、回折実験によって得られる物理量は、回折強度、即ち振幅|F|のみであり、位相Φは得られない。もし何らかの方法で位相Φが求められれば、Fに逆フーリエ変換FT−1を施すことで物体fが得られる。フーリエ反復位相回復法では、図5に示すように、実空間において実空間拘束条件を且つ逆空間(周波数空間)において逆空間拘束条件を課しながら、フーリエ変換と逆フーリエ変換を逐次的に交互に繰り返す反復計算により位相を得る。 f and F are represented as complex functions. The amplitude and phase of the complex function f are represented by | f | and φ, respectively, and the amplitude and phase of the complex function F are represented by | F | and Φ, respectively. Generally, the physical quantity obtained by the diffraction experiment is only the diffraction intensity, that is, the amplitude | F |, and the phase Φ can not be obtained. If the phase Φ is determined by any method, an object f can be obtained by performing inverse Fourier transform FT −1 on F. In the Fourier iterative phase recovery method, as shown in FIG. 5, the Fourier transform and the inverse Fourier transform are alternately alternated while imposing the real space constraint condition in the real space and the inverse space constraint condition in the inverse space (frequency space). The phase is obtained by repeated calculations repeated in.
X線タイコグラフィにおける反復的位相回復アルゴリズムでは、複数の光強度検出パターンを取得するときの試料10への入射光L0の照射領域が互いに重なっているという事実及びその重なり領域を実空間拘束条件として用い且つ第1〜第nの光強度検出パターンを逆空間拘束条件として用いて上記反復計算を行う。これにより、試料10の通過に伴う入射光L0の波面のゆがみを、XY面上の各位置における入射光L0の位相変化量として導出し、その導出結果から試料10の像を生成(再構築)することができる。 In the iterative phase recovery algorithm in X-ray ptychography, the fact that the irradiation areas of the incident light L0 on the sample 10 overlap each other when acquiring a plurality of light intensity detection patterns and the overlapping area are taken as a real space constraint condition The above iterative calculation is performed using the first to nth light intensity detection patterns as the inverse space constraint conditions. Thereby, the distortion of the wavefront of the incident light L0 accompanying the passage of the sample 10 is derived as the phase change amount of the incident light L0 at each position on the XY plane, and the image of the sample 10 is generated from the derivation result (reconstruction) can do.
図6(a)及び(b)を参照し、参考実施形態のイメージング装置に対する計算機シミュレーションの結果を説明する。図6(a)は、当該シミュレーションにおいて試料10として想定されたテスト画像300を示している。テスト画像300は、試料10による位相変化量をXY面に投影した二次元像(二次元投影像)である。位相変化量とは、入射光L0が試料10を通過したときの入射光L0の位相変化量を指す。 The results of computer simulation for the imaging apparatus of the reference embodiment will be described with reference to FIGS. 6 (a) and 6 (b). FIG. 6A shows a test image 300 assumed as the sample 10 in the simulation. The test image 300 is a two-dimensional image (two-dimensional projected image) obtained by projecting the amount of phase change due to the sample 10 on the XY plane. The phase change amount refers to the phase change amount of the incident light L0 when the incident light L0 passes through the sample 10.
図6(a)において、黒に近い領域ほど位相変化量が大きく、白に近い領域ほど位相変化量が小さい。つまり例えば、入射光L0がテスト画像300中に表現された女性の髪の毛領域に照射されたとき、位相変化量は0.01ラジアン程度であり、入射光L0が当該女性の頬領域に照射されたとき、位相変化量は0.005ラジアン程度である。テスト画像300における位相変化量の最大値は0.01ラジアンに設定されている。0.01ラジアンの位相変化量は、6.5keVのエネルギのX線に対して厚さ50nm(ナノメートル)のたんぱく質に相当している。つまり、厚さ50nmのたんぱく質に入射光L0を照射したときに観測される位相変化量の最大値は0.01ラジアンである。 In FIG. 6A, the phase change amount is larger as the area is closer to black, and the phase change amount is smaller as the area is closer to white. That is, for example, when the incident light L0 is irradiated to the hair region of the female hair expressed in the test image 300, the phase change amount is about 0.01 radian, and the incident light L0 is irradiated to the cheek region of the female When the phase change amount is about 0.005 radian. The maximum value of the phase change amount in the test image 300 is set to 0.01 radian. A phase shift of 0.01 radians corresponds to a 50 nm (nanometer) thick protein for an X-ray of energy of 6.5 keV. That is, the maximum value of the amount of phase change observed when incident light L0 is irradiated to a 50 nm thick protein is 0.01 radian.
図6(b)の光強度検出パターン320は、図6(a)の領域310に入射光L0を照射したときに図1の二次元検出器20にて取得されることになる透過及び回折強度パターンのシミュレーション結果を示している。 The light intensity detection pattern 320 of FIG. 6B has transmission and diffraction intensities to be acquired by the two-dimensional detector 20 of FIG. 1 when the region 310 of FIG. 6A is irradiated with the incident light L0. The simulation result of the pattern is shown.
原理上、回折強度パターンでは、試料10(ここではテスト画像300)の構造を示す空間周波数成分の内、より低い周波数成分の情報が検出面の中心に近い位置にて検出され、より高い周波数成分の情報が検出面の中心から離れた位置にて検出される。試料10(ここではテスト画像300)の構造を示す空間周波数成分の内、相対的に低い空間周波数成分の情報及び相対的に高い空間周波数成分の情報を、夫々、低分解能情報及び高分解能情報と呼ぶ。光強度検出パターン320は低分解能情報及び高分解能情報を内包している。光強度検出パターン320において、検出面の中心に対し相対的に近い位置に低分解能情報が含まれ、検出面の中心に対し相対的に遠い位置に高分解能情報が含まれる。 In principle, in the diffraction intensity pattern, in the spatial frequency components indicating the structure of the sample 10 (here, the test image 300), information of lower frequency components is detected at a position near the center of the detection surface, and higher frequency components Is detected at a position away from the center of the detection surface. Among spatial frequency components indicating the structure of the sample 10 (here, the test image 300), information on relatively low spatial frequency components and information on relatively high spatial frequency components are respectively low resolution information and high resolution information. Call. The light intensity detection pattern 320 contains low resolution information and high resolution information. In the light intensity detection pattern 320, low resolution information is included at a position relatively close to the center of the detection surface, and high resolution information is included at a position relatively far from the center of the detection surface.
光強度検出パターン(透過及び回折強度パターン)320からも分かるように、透過X線の強度に対して回折X線の強度は相当に小さく、また回折X線の強度は回折角の増大に伴って減少する。二次元検出器20の検出結果から、より高い分解能の情報を得ようとする場合には、回折角のより大きい、従って強度のより小さい回折X線を検出する必要がある。故に、目的の分解能が上がれば上がるほど、広い光子ダイナミックレンジを有する透過及び回折強度パターンを取得する必要がある。 As can be seen from the light intensity detection pattern (transmission and diffraction intensity patterns) 320, the intensity of the diffracted X-rays is considerably smaller than the intensity of the transmitted X-rays, and the intensity of the diffracted X-rays increases with the angle of diffraction. Decrease. In order to obtain higher resolution information from the detection result of the two-dimensional detector 20, it is necessary to detect diffracted X-rays having a larger diffraction angle and hence smaller intensity. Hence, the higher the resolution of interest, the more it is necessary to obtain transmission and diffraction intensity patterns with a wider photon dynamic range.
図1のイメージング装置において、15nm以下の分解能を達成するためには、109光子/ピクセルの光子ダイナミックレンジを有する透過及び回折強度パターンを取得する必要がある。当該シミュレーションでは、109光子/ピクセルの光子ダイナミックレンジを有する透過及び回折強度パターンが図6(b)の光強度検出パターン320として求められている。109光子/ピクセルの光子ダイナミックレンジを有する透過及び回折強度パターンとは、1の光子数と109の光子数が識別して検出された透過及び回折強度パターン(即ち、二次元検出器20における受光X線の光子数の最小値と最大値の比が109である透過及び回折強度パターン)を意味する。比較的安価に手に入る103光子/ピクセル/秒の検出性能を有する二次元検出器を図1の二次元検出器20として用いたならば、106秒の検出時間を使ってようやく、109光子/ピクセルの光子ダイナミックレンジを有する透過及び回折強度パターンを取得できる。但し、検出時間の増大は無限に許されるものではなく、検出時間は短い方が効率が良い。仮に、106光子/ピクセル/秒の検出性能を有する二次元検出器を図1の二次元検出器20として用いたならば、103秒の検出時間で、109光子/ピクセルの光子ダイナミックレンジを有する透過及び回折強度パターンを取得できる。検出時間を103秒と定めたとき、103光子/ピクセル/秒の検出性能では、106光子/ピクセルの光子ダイナミックレンジしか達成できず、所望の分解能を得ることができない。 In the imaging apparatus of FIG. 1, in order to achieve a resolution of 15 nm or less, it is necessary to acquire transmission and diffraction intensity patterns having a photon dynamic range of 10 9 photons / pixel. In the simulation, the transmission and diffraction intensity pattern having a photon dynamic range of 10 9 photons / pixel is obtained as a light intensity detection pattern 320 of FIG. 6 (b). The transmission and diffraction intensity patterns having a photon dynamic range of 10 9 photons / pixel are the transmission and diffraction intensity patterns detected by discriminating the number of photons of 1 and the number of photons of 10 9 (ie, in the two-dimensional detector 20). It means the transmission and diffraction intensity pattern) in which the ratio of the minimum value to the maximum value of the photon number of the received X-ray is 10 9 . If using two-dimensional detector having a relatively low cost into the hands 10 3 photons / pixel / sec detection performance as a two-dimensional detector 20 of FIG. 1, finally using detection time of 106 seconds, 10 Transmitted and diffracted intensity patterns can be obtained with a photon dynamic range of 9 photons / pixel. However, the increase of the detection time is not allowed infinitely, and the shorter the detection time, the better. If a two-dimensional detector having a detection capability of 10 6 photons / pixel / second is used as the two-dimensional detector 20 of FIG. 1, a photon dynamic range of 10 9 photons / pixel with a detection time of 10 3 seconds The transmission and diffraction intensity patterns can be obtained. When the detection time is determined to be 10 3 seconds, with a detection performance of 10 3 photons / pixel / second, only a photon dynamic range of 10 6 photons / pixel can be achieved, and a desired resolution can not be obtained.
このことから分かるように、検出ダイナミックレンジの大きい二次元検出器(即ち、単位「光子/ピクセル/秒」で示される検出性能が高い二次元検出器)を用いれば、定められた検出時間で、より高い分解能を実現することができる。但し、検出ダイナミックレンジの大きい二次元検出器の開発には膨大な費用と時間を要する。必要な検出ダイナミックレンジを有する二次元検出器が現存していたとしても、検出ダイナミックレンジの拡大は二次元検出器の入手費用の増大につながる。 As understood from this, with a two-dimensional detector having a large detection dynamic range (that is, a two-dimensional detector having high detection performance indicated by a unit “photon / pixel / second”), at a fixed detection time, Higher resolution can be realized. However, development of a two-dimensional detector with a large detection dynamic range requires a great deal of expense and time. Even if a two-dimensional detector having the necessary detection dynamic range still exists, the expansion of the detection dynamic range leads to an increase in the acquisition cost of the two-dimensional detector.
<<第1実施形態>>
より低い検出ダイナミックレンジで試料像を構築できる実施形態として、本発明の第1実施形態を説明する。第1実施形態並びに後述の第2及び第3実施形態は参考実施形態を基礎とする実施形態であり、第1〜第3実施形態において特に述べない事項に関しては、矛盾の無い限り、参考実施形態の記載を第1〜第3実施形態に適用して良い。参考実施形態の記載及び第1〜第3実施形態の記載間で矛盾する事項については、後者の記載が第1〜第3実施形態では優先される。
<< First Embodiment >>
The first embodiment of the present invention will be described as an embodiment capable of constructing a sample image with a lower detection dynamic range. The first embodiment and the second and third embodiments to be described later are embodiments based on the reference embodiment, and the matters not particularly described in the first to third embodiments are the reference embodiments unless contradictory. May be applied to the first to third embodiments. About the contradiction between the description of the reference embodiment and the description of the first to third embodiments, the latter description is prioritized in the first to third embodiments.
図7は、第1実施形態に係るイメージング装置1の構成を示す側面図である。イメージング装置1は、上述の二次元検出器20及び駆動装置30に加えて、参照光源用構造体(散乱用構造体)40、遮蔽体50及び演算装置60を備える。入射光L0、試料10、二次元検出器20及び駆動装置30の性質、構成及び機能、並びに、それらの関係は上述した通りである。 FIG. 7 is a side view showing the configuration of the imaging apparatus 1 according to the first embodiment. The imaging apparatus 1 includes a reference light source structure (scattering structure) 40, a shield 50, and an arithmetic unit 60 in addition to the two-dimensional detector 20 and the driving device 30 described above. The nature, configuration and function of the incident light L0, the sample 10, the two-dimensional detector 20 and the drive device 30, and their relationship are as described above.
入射光L0は、試料10及び参照光源用構造体40よりも上流側に設けられた光学系(不図示)により、試料10の位置において集光せしめられる。 The incident light L0 is condensed at the position of the sample 10 by an optical system (not shown) provided on the upstream side of the sample 10 and the reference light source structure 40.
参照光源用構造体40(以下、構造体40と略記することがある)は、試料10の上流側に設けられる構造体であり、入射光L0は、まず構造体40に入射され、その後に試料10に照射される。このため、入射光L0の一部は構造体40にて散乱され、構造体40からの散乱光L1が試料10及び二次元検出器20に向けて放射される。図7において、構造体40の中心から二次元検出器20まで伸びる2本の直線状の破線OEL1は、構造体40から出射される散乱光L1の外縁を模式的に示したものである。 The reference light source structure 40 (hereinafter sometimes referred to as a structure 40) is a structure provided on the upstream side of the sample 10, and the incident light L0 is first incident on the structure 40, and then the sample It is irradiated to ten. Therefore, a part of the incident light L0 is scattered by the structure 40, and the scattered light L1 from the structure 40 is emitted toward the sample 10 and the two-dimensional detector 20. 7, a broken line OE L1 straight from the center two extending to the two-dimensional detector 20 of the structure 40 is one in which the outer edge of the scattered light L1 emitted from the structure 40 shown schematically.
一方、図7において、試料10上の2つの点から二次元検出器20まで伸びる2本の直線状の破線OEL2は、試料10から出射される散乱光L2の外縁を模式的に示したものである。散乱光L2は、構造体40を介して試料10に照射された入射光L0が試料10にて散乱したものである。尚、試料10及び構造体40間の間隔は、散乱光L1の試料10上での照射面積が入射光L0による照射面積(即ち入射光L0の試料10上での照射面積)よりも大きくなるように、調整される。 On the other hand, in FIG. 7, a linear dashed line OE L2 two extending from two points on the sample 10 to the two-dimensional detector 20, which the outer edge of the scattered light L2 emitted from the sample 10 shown schematically It is. The scattered light L2 is a result of scattering of the incident light L0 irradiated to the sample 10 through the structural body 40 by the sample 10. The distance between the sample 10 and the structure 40 is such that the irradiation area of the scattered light L1 on the sample 10 is larger than the irradiation area of the incident light L0 (that is, the irradiation area of the incident light L0 on the sample 10). To be adjusted.
遮蔽体50は、試料10と二次元検出器20との間に配置され、二次元検出器20の検出面内の所定の遮蔽対象領域に対する試料10からの光を遮蔽する。数100μm以上の厚みを有するタンタル又は鉛等にて遮蔽体50を形成すれば、試料10からの光(X線)を完全に遮蔽することができる。 The shield 50 is disposed between the sample 10 and the two-dimensional detector 20, and shields light from the sample 10 to a predetermined shielding target area in the detection plane of the two-dimensional detector 20. If the shield 50 is made of tantalum or lead having a thickness of several hundred μm or more, light (X-rays) from the sample 10 can be completely blocked.
例えば、二次元検出器20が検出しようとする受光強度の最小値が一定であると仮定した場合、検出面にて受光される光の最大強度が減少すれば、二次元検出器20に必要な検出ダイナミックレンジは小さくなる。従って、試料10から二次元検出器20に向かう光の内、少なくとも最大強度を持つ光が二次元検出器20(より詳細には二次元検出器20の検出面)に到達しないように、遮蔽体50は、試料10及び二次元検出器20間に配置される。試料10から二次元検出器20に向かう光の内、最大強度を持つ光は透過X線に含まれており、従って、上記の遮蔽対象領域は透過X線の受光領域21(遮蔽体50が無かったならば透過X線を受光することになる領域)を含む領域である。 For example, assuming that the minimum value of the light reception intensity to be detected by the two-dimensional detector 20 is constant, if the maximum intensity of light received at the detection surface decreases, the two-dimensional detector 20 is required. The detection dynamic range is smaller. Therefore, of the light traveling from the sample 10 to the two-dimensional detector 20, a shield having at least the light with maximum intensity does not reach the two-dimensional detector 20 (more specifically, the detection surface of the two-dimensional detector 20) 50 are disposed between the sample 10 and the two-dimensional detector 20. Of the light traveling from the sample 10 to the two-dimensional detector 20, the light having the maximum intensity is included in the transmitted X-rays, and thus the shielding target area described above is a light receiving area 21 of the transmitted X-rays (the shield 50 is not present It is an area including an area which is to receive transmitted X-rays.
回折X線の内、回折角が比較的小さな回折X線である低角回折X線の強度は、回折角が比較的大きな回折X線である高角回折X線の強度よりも相当に大きい。故に、検出面の受光領域の内、回折角が所定角度以下の低角回折X線を受ける受光領域をも遮蔽対象領域に含めるようにしても良い。本実施形態では、検出面の受光領域の内、回折角が所定角度以下の低角回折X線を受ける受光領域をも遮蔽対象領域に含めている。即ち、遮蔽体50により、透過X線及び低角回折X線の二次元検出器20(より詳細には二次元検出器20の検出面)への入射が遮蔽されている。遮蔽体50を設けることで、定められた検出時間で所望の分解能を得るために求められる、二次元検出器20の検出ダイナミックレンジを低減させることが可能となる。 Among the diffracted X-rays, the intensity of low angle diffracted X-rays, which is a diffracted X-ray having a relatively small diffraction angle, is considerably larger than the intensity of high angle diffracted X-rays, which is a diffracted X-ray having a relatively large diffraction angle. Therefore, among the light receiving areas of the detection surface, a light receiving area which receives low-angle X-rays having a diffraction angle equal to or less than a predetermined angle may be included in the shielding target area. In the present embodiment, among the light receiving areas of the detection surface, the light receiving area that receives low angle X-rays having a diffraction angle equal to or less than a predetermined angle is also included in the shielding target area. That is, the shield 50 blocks the transmission X-rays and low-angle X-rays from being incident on the two-dimensional detector 20 (more specifically, the detection surface of the two-dimensional detector 20). By providing the shield 50, it is possible to reduce the detection dynamic range of the two-dimensional detector 20, which is required to obtain a desired resolution in a fixed detection time.
遮蔽体50の配置により透過強度パターン(透過X線強度パターン)が検出面に形成されなくなるが、一方において構造体40から散乱光L1が放射されるため、散乱光L1を参照光とするインラインホログラムが検出面に形成される。つまり、二次元検出器20では、回折強度パターン(回折X線強度パターン)とインラインホログラムが同時に取得される。透過X線が持つ試料構造情報(試料10の構造について透過X線が持っている情報)は、試料10の位置における入射光L0のサイズ以上の試料情報である。即ち、透過X線が持つ試料構造情報は、試料10の構造を示す空間周波数成分の内、試料10の位置での入射光L0のサイズ(或る一次元方向のサイズで考えた場合、スポット径SR:ここでは1μm)以上の構造についての空間周波数成分の情報(例えば1μm−1や2μm−1の情報)である。故に、試料10の位置での入射光L0のサイズより小さな構造体を構造体40に利用すれば、透過X線が持つ試料構造情報をインラインホログラムで補完することが可能である。 Although the transmission intensity pattern (transmission X-ray intensity pattern) is not formed on the detection surface due to the arrangement of the shield 50, the scattered light L1 is emitted from the structure 40 on one side, so an inline hologram using the scattered light L1 as a reference light Is formed on the detection surface. That is, in the two-dimensional detector 20, a diffraction intensity pattern (diffraction X-ray intensity pattern) and an inline hologram are simultaneously acquired. The sample structure information of the transmitted X-ray (information possessed by the transmitted X-ray regarding the structure of the sample 10) is sample information larger than the size of the incident light L0 at the position of the sample 10. That is, the sample structure information of the transmitted X-ray is the size of the incident light L0 at the position of the sample 10 among the spatial frequency components indicating the structure of the sample 10 (the spot diameter in the one-dimensional direction) SR: information of spatial frequency components (for example, information of 1 μm −1 or 2 μm −1 ) of a structure of 1 μm or more here. Therefore, if a structure smaller than the size of the incident light L0 at the position of the sample 10 is used for the structure 40, it is possible to complement the sample structure information of the transmitted X-ray with the in-line hologram.
インラインホログラムは、周知の如く、物体光と参照光をホログラム面に同時照射したときにホログラム面に形成される干渉縞である。ここにおけるホログラム面は二次元検出器20の検出面である。参照光は参照光源用構造体40の散乱光L1である。つまり、参照光源用構造体40は、インラインホログラム形成用の参照光源として機能する。参照光が試料10に照射されたときに試料10にて参照光が散乱されるが、その散乱によって試料10から発せられる光(即ち、参照光に基づく試料10からの散乱光)が物体光である。 The in-line hologram is an interference fringe formed on the hologram surface when the object light and the reference light are simultaneously irradiated to the hologram surface, as is well known. The hologram plane here is the detection plane of the two-dimensional detector 20. The reference light is the scattered light L1 of the reference light source structure 40. That is, the reference light source structure 40 functions as a reference light source for forming an in-line hologram. When the reference light is irradiated to the sample 10, the reference light is scattered by the sample 10. However, the light emitted from the sample 10 by the scattering (that is, the scattered light from the sample 10 based on the reference light) is the object light. is there.
図8(a)及び(b)に、参照光源用構造体40の例である円柱構造体40Aの斜視図及び側面図を示す。円柱構造体40Aを、任意の種類の金属にて形成することができる。但し、X線の散乱能を高めるべく重金属にて円柱構造体40Aを形成すると良く、例えば、金又はタンタルで円柱構造体40Aを形成すると良い(後述される参照光源用構造体40の他の例においても同様)。 FIGS. 8A and 8B show a perspective view and a side view of a cylindrical structure 40A which is an example of the reference light source structure 40. FIG. The cylindrical structure 40A can be formed of any type of metal. However, in order to enhance the ability to scatter X-rays, it is preferable to form the cylindrical structure 40A of heavy metal, for example, gold or tantalum to form the cylindrical structure 40A (other examples of the structure for reference light source 40 described later) Also in
円柱構造体40Aは、板状体41A上に柱体42Aを設けた構造体である。板状体41Aは、XY面に平行な上面及び下面を有し、Z軸方向に厚みを有する板状の物質(金属又は非金属)である。ここで、板状体41Aの上面及び下面の内、上面の方が試料10に近いものとする。板状体41Aの厚みは数10nm〜100nm程度であり、板状体41AにおいてX線による吸収が小さい。X軸及びY軸方向において、板状体41Aの大きさは円柱構造体40Aの位置における入射光L0の大きさよりも大きい。柱体42Aは、板状体41Aの上面から試料10に向けて垂直に伸びる金属製の柱体である。柱体42Aの軸はZ軸に平行である。板状体41Aの中心及び柱体42Aの軸が入射光L0の光軸AXOPT上に位置するように、円柱構造体40Aが形成及び配置される。ここでは、柱体42Aが真円の底面を有する円柱であるとし、その真円の直径をRにて表す。 The cylindrical structure 40A is a structure in which a column 42A is provided on a plate-like body 41A. The plate-like body 41A is a plate-like substance (metal or nonmetal) having an upper surface and a lower surface parallel to the XY plane and having a thickness in the Z-axis direction. Here, of the upper and lower surfaces of the plate-like body 41A, the upper surface is closer to the sample 10. The thickness of the plate-like body 41A is about several 10 nm to 100 nm, and the absorption by the X-ray is small in the plate-like body 41A. In the X-axis and Y-axis directions, the size of the plate-like body 41A is larger than the size of the incident light L0 at the position of the cylindrical structure 40A. The column 42A is a metal column extending vertically from the upper surface of the plate-like body 41A toward the sample 10. The axis of the column 42A is parallel to the Z axis. The cylindrical structure 40A is formed and arranged such that the center of the plate-like body 41A and the axis of the column 42A are positioned on the optical axis AX OPT of the incident light L0. Here, it is assumed that the cylindrical body 42A is a cylinder having a base of a true circle, and the diameter of the true circle is represented by R.
円柱構造体40Aに例示される構造体40は、第1及び第2必要条件を満たすように形成される。円柱構造体40Aにおいて、第1必要条件は、直径Rが試料10の位置での入射光L0のスポット径SR(ここでは1μm)よりも小さい、という条件である。例えば、直径Rは、100nm〜200nmの範囲内から選ばれる。柱体42Aの高さは、例えば500nm〜1μmの範囲内から選ばれる。 The structure 40 exemplified by the cylindrical structure 40A is formed to meet the first and second requirements. In the cylindrical structure 40A, the first necessary condition is a condition that the diameter R is smaller than the spot diameter SR (here, 1 μm) of the incident light L0 at the position of the sample 10. For example, the diameter R is selected from the range of 100 nm to 200 nm. The height of the column 42A is selected, for example, from the range of 500 nm to 1 μm.
第2必要条件は、試料10の位置において、散乱光L1のX及びY軸方向における広がりの大きさが入射光L0のX及びY軸方向における広がりの大きさよりも大きい、という条件である。第2必要条件の充足により、試料10の位置において、試料10に対する入射光L0の照射領域の全体を試料10に対する散乱光L1の照射領域に内包させる。散乱光L1のX及びY軸方向における広がりの大きさとは、例えば、散乱光L1のX及びY軸方向に夫々における広がりの大きさであると考えても良いし、散乱光L1のX及びY軸方向における広がり面積であると考えても良い。入射光L0についても同様である。円柱構造体40Aに関し第2必要条件が満たされるように、柱体42Aの直径R及び高さ、円柱構造体40Aの材質、並びに、円柱構造体40A及び試料10間の間隔が決定される。 The second requirement is that, at the position of the sample 10, the size of the spread of the scattered light L1 in the X and Y axis directions is larger than the size of the spread of the incident light L0 in the X and Y axes. By satisfying the second necessary condition, the entire irradiation area of the incident light L0 on the sample 10 is included in the irradiation area of the scattered light L1 on the sample 10 at the position of the sample 10. The size of the spread of the scattered light L1 in the X and Y axis directions may be considered to be, for example, the size of the spread of the scattered light L1 in the X and Y axis directions, or X and Y of the scattered light L1. It may be considered as a spread area in the axial direction. The same applies to the incident light L0. The diameter R and height of the column 42A, the material of the column structure 40A, and the distance between the column structure 40A and the sample 10 are determined so that the second requirement is satisfied for the column structure 40A.
検出面に形成されるインラインホログラムには、原理上、試料10の構造情報の内、直径Rと同じ大きさを持つ構造及び直径Rより大きな構造についての空間周波数成分の情報が含まれることになる。例えば、直径Rが100nmであるとき、100nm−1、500nm−1、1μm−1及び2μm−1などの空間周波数成分の情報がインラインホログラムに含まれることになる。 In principle, in-line holograms formed on the detection surface include spatial frequency component information on structures having the same size as the diameter R and structures larger than the diameter R in the structural information of the sample 10 . For example, when the diameter R is 100 nm, information of spatial frequency components such as 100 nm −1 , 500 nm −1 , 1 μm −1 and 2 μm −1 is included in the in-line hologram.
これに対し、透過X線が持つ試料構造情報(試料10の構造について透過X線が持っている情報)は、試料10の構造を示す空間周波数成分の内、スポット径SR以上の構造についての空間周波数成分の情報(例えば1μm−1や2μm−1の情報)である。故に、第1必要条件を満たすことで、透過X線が持つ試料構造情報をインラインホログラムにて補完することが可能となる。但し、第1必要条件を満たしていても、試料10の位置において参照光L1のサイズが入射光L0のサイズ(1μm)よりも小さかったならば、1μm−1以上の構造についての空間周波数成分の情報がインラインホログラムに含まれないことになる(例えば、試料10の位置における参照光L1の直径が0.5μmであるとした場合、概念的に考えると、直径0.5μmの光で直径1μmの構造を見ることはできない)。故に、第2必要条件の充足が要求される。 On the other hand, the sample structure information of the transmitted X-ray (information possessed by the transmitted X-ray with respect to the structure of the sample 10) is the space of the structure having the spot diameter SR or more among It is information of frequency components (for example, information of 1 μm −1 or 2 μm −1 ). Therefore, by satisfying the first requirement, it is possible to complement the sample structure information possessed by the transmitted X-ray with the in-line hologram. However, even if the first requirement is satisfied, if the size of the reference light L1 at the position of the sample 10 is smaller than the size (1 μm) of the incident light L0, the spatial frequency component of the structure of 1 μm −1 or more Information will not be included in the in-line hologram (for example, assuming that the diameter of the reference light L1 at the position of the sample 10 is 0.5 μm, the light with a diameter of 0.5 μm is 1 μm in diameter, conceptually) I can not see the structure). Therefore, satisfaction of the second requirement is required.
また、回折角が所定角度以下の低角回折X線を受ける受光領域までもが遮蔽対象領域に含められる場合、構造体40が無かったならば、透過X線が示す情報(例えば1μm−1の情報)に加えて低角回折X線が示す構造情報(例えば500nm−1の情報)も検出面の検出結果から欠落することにが、構造体40の設置により、その欠落した情報はインラインホログラムに含まれることになる。換言すれば、そうなるように参照光源用構造体40の構造及び遮蔽版50の大きさ等が決定される。 In addition, if even the light receiving region that receives low-angle diffracted X-rays having a diffraction angle equal to or less than a predetermined angle is included in the shielding target region, information (eg, 1 μm −1) indicated by the transmitted X-ray In addition to the fact that structural information (for example, information of 500 nm -1 ) indicated by low angle diffraction X-rays is also missing from the detection result of the detection surface, in addition to information) It will be included. In other words, the structure of the reference light source structure 40, the size of the shielding plate 50, and the like are determined as such.
尚、図8(a)及び(b)に示す円柱構造体40Aにおいて、例えば、柱体42Aの直径Rを小さくし過ぎるとインラインホログラム用の参照光が弱くなりすぎて、インラインホログラムが回折X線に埋もれてしまう。また例えば、柱体42Aの高さを大きくし過ぎると参照光が強くなりすぎてインラインホログラム以外の回折X線を観測し難くなる。検出面におけるインラインホログラムと回折X線の強度バランスを考慮して、円柱構造体40Aの具体的構造を決定すると良い。 In the cylindrical structure 40A shown in FIGS. 8A and 8B, for example, if the diameter R of the column 42A is made too small, the reference light for inline hologram becomes too weak, and the inline hologram becomes a diffracted X-ray Will be buried in Also, for example, if the height of the column 42A is too large, the reference light becomes too strong, and it becomes difficult to observe diffracted X-rays other than in-line holograms. The specific structure of the cylindrical structure 40A may be determined in consideration of the intensity balance between the in-line hologram and the diffracted X-rays on the detection surface.
また、試料10の構造を示す空間周波数成分の内、より低い空間周波数成分の情報が検出面の中心に近い位置にて検出され且つより高い空間周波数成分の情報が検出面の中心から離れた位置にて検出されると上述したが、それは回折強度パターンに当てはまる事象であって、それと同じことは、原理上、インラインホログラムに当てはまらない。故に、検出面の中央付近が遮蔽体50にて遮蔽されているからといって、透過X線が持つ情報及び低角回折X線の持つ情報がインラインホログラムに内包されないといったことは無い。 Also, of the spatial frequency components indicating the structure of the sample 10, the information of the lower spatial frequency component is detected at a position near the center of the detection surface and the position of the higher spatial frequency component away from the center of the detection surface As described above, it is an event that applies to the diffraction intensity pattern, and the same thing does not apply to in-line holograms in principle. Therefore, just because the vicinity of the center of the detection surface is shielded by the shield 50, there is no case that the information possessed by the transmitted X-ray and the information possessed by the low angle X-ray are not included in the inline hologram.
図9は、イメージング装置1のX線タイコグラフィによる試料像の構築動作フローチャートである。まず、ステップS11において変数iに1が代入される。続くステップS12において、駆動装置30により、集光点Oの位置がステップ位置Piと一致するように試料10が駆動される。続くステップS13において、二次元検出器20の検出面内の全検出結果(受光強度の検出結果の全て)を第iの光強度検出パターンとして取得する。第1実施形態では、インラインホログラムと回折強度パターンを二次元検出器20で同時に取得したもの(即ち、同時に検出されたインラインホログラム及び回折強度パターンから成る検出パターン)が第iの光強度検出パターンとなる。 FIG. 9 is a flow chart of an operation of constructing a sample image by X-ray ptychography of the imaging apparatus 1. First, 1 is substituted for the variable i in step S11. In the subsequent step S12, the driving device 30 drives the sample 10 so that the position of the light condensing point O coincides with the step position P i . In the subsequent step S13, all detection results (all detection results of the light reception intensity) in the detection plane of the two-dimensional detector 20 are acquired as the ith light intensity detection pattern. In the first embodiment, the inline hologram and the diffraction intensity pattern obtained simultaneously by the two-dimensional detector 20 (ie, the detection pattern consisting of the inline hologram and the diffraction intensity pattern detected simultaneously) are the i-th light intensity detection pattern Become.
その後、ステップS14において、イメージング装置1の制御部(不図示)により、変数iが所定値n(例えば100)と一致しているか否かが確認される。“i=n”の場合にはステップS16に進む。一方、“i<n”の場合にはステップS15にて変数iに1を加算してからステップS12に戻り、ステップS12以降の処理が繰り返される。結果、ステップS16に至る時点では第1〜第nの光強度検出パターンが取得済みとなる。第iの光強度検出パターンは、集光点Oの位置をステップ位置Piと一致させた状態において、試料10からのインラインホログラム及び回折強度パターンを同時に検出したものである。 Thereafter, in step S14, the control unit (not shown) of the imaging apparatus 1 confirms whether or not the variable i matches the predetermined value n (for example, 100). If "i = n", the process proceeds to step S16. On the other hand, if “i <n”, 1 is added to the variable i in step S15, and then the process returns to step S12, and the processing after step S12 is repeated. As a result, at the time when step S16 is reached, the first to nth light intensity detection patterns are already acquired. The ith light intensity detection pattern is obtained by simultaneously detecting the in-line hologram and the diffraction intensity pattern from the sample 10 in a state where the position of the condensing point O matches the step position P i .
ステップS16において、演算装置60は、ステップS13にて取得された第1〜第nの光強度検出パターンに対し反復的位相回復アルゴリズムによる所定の演算を施すことで、試料10の像を生成する。演算装置60は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)等から形成されるコンピュータであって良い。ステップS16における反復的位相回復アルゴリズムは、参考実施形態における反復的位相回復アルゴリズムと同じである。 In step S16, the computing device 60 generates an image of the sample 10 by performing a predetermined computation using the repetitive phase recovery algorithm on the first to n-th light intensity detection patterns acquired in step S13. The arithmetic device 60 may be a computer formed of a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and the like. The iterative phase recovery algorithm in step S16 is the same as the iterative phase recovery algorithm in the reference embodiment.
[シミュレーション]
二次元検出器20に必要となる検出ダイナミックレンジの圧縮効果を検証するために、計算機による以下の第1〜第3シミュレーションを行った。第1〜第3シミュレーションでは、テスト画像300(図6(a)参照)が試料10として用いられる。
[simulation]
In order to verify the compression effect of the detection dynamic range required for the two-dimensional detector 20, the following first to third simulations were performed by a computer. The test image 300 (see FIG. 6A) is used as the sample 10 in the first to third simulations.
第1シミュレーションでは、イメージング装置1から構造体40及び遮蔽体50を削除した第1仮想イメージング装置(即ち、参考実施形態のイメージング装置)を用いることを想定した。第1仮想イメージング装置にて取得される光強度検出パターンは、透過及び回折強度パターンである。 In the first simulation, it is assumed that the first virtual imaging apparatus (that is, the imaging apparatus of the reference embodiment) in which the structure 40 and the shield 50 are removed from the imaging apparatus 1 is used. The light intensity detection pattern acquired by the first virtual imaging device is a transmission and diffraction intensity pattern.
図10(a)に、第1仮想イメージング装置において、試料10の或る一点に入射光L0を照射したときの光強度検出パターン(透過及び回折強度パターン)のシミュレーション結果を示す。例えば、106光子/ピクセル/秒の検出性能を有する二次元検出器20を用い且つ検出時間が1秒に設定された検出条件で取得される光強度検出パターンが、図10(a)の光強度検出パターンに相当すると考えて良い。或いは例えば、103光子/ピクセル/秒の検出性能を有する二次元検出器20を用い且つ検出時間が103秒に設定された検出条件で取得される光強度検出パターンが、図10(a)の光強度検出パターンに相当すると考えて良い。後述の第2及び第3仮想イメージング装置に対するシミュレーションについても同様である。図10(b)は、第1仮想イメージング装置において、第1〜第nの光強度検出パターンから反復的位相回復アルゴリズムにより生成されるテスト画像300の再構成像の一部のシミュレーション結果である。構造体40及び遮蔽体50を用いない場合、上記のような検出条件では、106光子/ピクセルの光子ダイナミックレンジまでしか光強度検出パターン(透過及び回折強度パターン)を検出できないため、透過X線だけが際立ち、回折強度パターンが雑音に埋もれてしまうことが分かる。再構成像の分解能は悪く、回折強度パターンに対する雑音の影響が顕著に再構成像に現れている。 FIG. 10A shows simulation results of light intensity detection patterns (transmission and diffraction intensity patterns) when incident light L0 is irradiated to a certain point of the sample 10 in the first virtual imaging apparatus. For example, the light intensity detection pattern acquired under the detection condition in which the two-dimensional detector 20 having a detection performance of 10 6 photons / pixel / second is used and the detection time is set to 1 second is the light of FIG. It may be considered to correspond to the intensity detection pattern. Alternatively, for example, a light intensity detection pattern obtained using a two-dimensional detector 20 having a detection performance of 10 3 photons / pixel / sec and detection time set to 10 3 seconds is shown in FIG. It can be considered to correspond to the light intensity detection pattern of The same applies to the simulation for the second and third virtual imaging apparatuses described later. FIG. 10B is a simulation result of part of the reconstructed image of the test image 300 generated by the iterative phase recovery algorithm from the first to n-th light intensity detection patterns in the first virtual imaging apparatus. In the case where the structure 40 and the shield 50 are not used, under the above-described detection conditions, the light intensity detection pattern (transmission and diffraction intensity patterns) can be detected only up to the photon dynamic range of 10 6 photons / pixel. It can be seen that the diffraction intensity pattern is buried in noise. The resolution of the reconstructed image is poor, and the influence of noise on the diffraction intensity pattern appears notably in the reconstructed image.
第2シミュレーションでは、イメージング装置1から構造体40のみ削除した第2仮想イメージング装置を用いることを想定した。第2仮想イメージング装置にて取得される光強度検出パターンには回折強度パターンしか含まれない。 In the second simulation, it is assumed to use a second virtual imaging apparatus in which only the structural body 40 is deleted from the imaging apparatus 1. The light intensity detection pattern acquired by the second virtual imaging apparatus includes only the diffraction intensity pattern.
図11(a)に、第2仮想イメージング装置において、試料10の或る一点に入射光L0を照射したときの光強度検出パターン(回折強度パターン)のシミュレーション結果を示す。図11(a)において、中央付近の黒い正方形領域は遮蔽体50によってX線の入射が遮蔽されている領域に相当する。図11(b)は、第2仮想イメージング装置において、第1〜第nの光強度検出パターンから反復的位相回復アルゴリズムにより生成されるテスト画像300の再構成像の一部のシミュレーション結果である。遮蔽体50により強度の大きな透過X線及び低角回折X線を遮蔽することで、取得される光強度検出パターンの光子ダイナミックレンジが106光子/ピクセルであっても、その光強度検出パターンの中に高分解能回折強度パターン(即ち、試料構造を示す空間周波数成分の内、比較的高い空間周波数成分の情報)が内包される。しかしながら、低分解能情報が欠落しているため、図11(b)に示すような低分解能情報が欠如した像が再構成される。 FIG. 11A shows the simulation result of the light intensity detection pattern (diffraction intensity pattern) when the incident light L0 is irradiated to a certain point of the sample 10 in the second virtual imaging apparatus. In FIG. 11A, the black square area near the center corresponds to the area where the X-ray incidence is blocked by the shield 50. FIG. 11B is a simulation result of part of the reconstructed image of the test image 300 generated by the iterative phase recovery algorithm from the first to n-th light intensity detection patterns in the second virtual imaging apparatus. By shielding transmission X-rays with high intensity and low angle diffraction X-rays by the shield 50, even if the photon dynamic range of the acquired light intensity detection pattern is 10 6 photons / pixel, A high resolution diffraction intensity pattern (that is, information of relatively high spatial frequency components among spatial frequency components indicating the sample structure) is included therein. However, since the low resolution information is missing, an image lacking the low resolution information as shown in FIG. 11B is reconstructed.
第3シミュレーションでは、イメージング装置1そのものを第3仮想イメージング装置として用いることを想定した。第3仮想イメージング装置にて取得される光強度検出パターンには、インラインホログラムと回折強度パターンが含まれる。 In the third simulation, it is assumed that the imaging apparatus 1 itself is used as a third virtual imaging apparatus. The light intensity detection pattern acquired by the third virtual imaging apparatus includes an inline hologram and a diffraction intensity pattern.
図12(a)に、第3仮想イメージング装置において、試料10の或る一点に入射光L0を照射したときの光強度検出パターン(インラインホログラム及び回折強度パターン)のシミュレーション結果を示す。図12(a)において、中央付近の黒い正方形領域は遮蔽体50によってX線の入射が遮蔽されている領域に相当する。図12(b)は、第3仮想イメージング装置において、第1〜第nの光強度検出パターンから反復的位相回復アルゴリズムにより生成されるテスト画像300の再構成像の一部のシミュレーション結果である。構造体40及び遮蔽体50を用いた場合、取得される光強度検出パターンの光子ダイナミックレンジが106光子/ピクセルであっても、その光強度検出パターンの中に、構造体40からの散乱光を参照光とするインラインホログラムと高分解能回折強度パターン(即ち、試料構造を示す空間周波数成分の内、比較的高い空間周波数成分の情報)が内包される。インラインホログラムは試料10(ここではテスト画像300)の低分解能情報を含んでいるため、遮蔽体50によって透過X線及び低角回折X線を遮蔽しても、オリジナル画像(300)と同等の再構成像を生成することができる。 FIG. 12A shows a simulation result of a light intensity detection pattern (in-line hologram and diffraction intensity pattern) when the incident light L0 is irradiated to a certain point of the sample 10 in the third virtual imaging apparatus. In FIG. 12A, the black square area near the center corresponds to the area where the X-ray incidence is blocked by the shield 50. FIG. 12B is a simulation result of part of the reconstructed image of the test image 300 generated by the iterative phase recovery algorithm from the first to n-th light intensity detection patterns in the third virtual imaging apparatus. When the structure 40 and the shield 50 are used, even if the photon dynamic range of the acquired light intensity detection pattern is 10 6 photons / pixel, the scattered light from the structure 40 is included in the light intensity detection pattern. And a high resolution diffraction intensity pattern (that is, information of a relatively high spatial frequency component among spatial frequency components indicating a sample structure). Since the in-line hologram includes low resolution information of the sample 10 (here, the test image 300), even if the transmitted X-rays and low angle diffracted X-rays are blocked by the shield 50, the same re-appearance as the original image (300) A compositional image can be generated.
図7では、検出器20の中心を中心に持つ領域であって且つ検出器20の一部領域にのみインラインホログラムが形成されるとの考えを便宜上採用しており、その考えに符合するように、図12(a)には、インラインホログラム形成領域の外形を示すものとして破線円を示している。しかし実際には、二次元検出器20の検出面の全体に亘ってインラインホログラムの情報を示すX線が入射する。つまり、図12(a)に示す光強度検出パターンの全体に亘ってインラインホログラムの情報が含まれている、と考えることもできる。 In FIG. 7, the idea that the inline hologram is formed only in a region centered on the center of the detector 20 and only in a partial region of the detector 20 is adopted for the sake of convenience, so as to conform to that idea. FIG. 12A shows a broken line circle as an outline of the inline hologram formation region. However, in practice, X-rays indicating the information of the inline hologram are incident on the entire detection surface of the two-dimensional detector 20. That is, it can be considered that the information of the in-line hologram is included throughout the entire light intensity detection pattern shown in FIG.
反復的位相回復アルゴリズムを用いたステップS16の演算では、反復計算の繰り返しの中で、試料10の像の再構成と共に試料10にあたるX線の振幅及び位相も導出される。故に、構造体40に基づく参照光が試料10に照射されていても何ら問題は無く、インラインホログラムの情報と回折X線の情報が1つの光強度検出パターンに混在していても何ら問題は無い。構造体40に基づく参照光の試料10への照射の有無に関係なく、反復計算の繰り返しの中で試料10にあたるX線の振幅及び位相が明らかとなり(どのようなX線が試料10にあたっているのかが解析され)、これに連動して試料10の像が再構成される。 In the calculation of step S16 using the iterative phase recovery algorithm, the amplitude and phase of the X-ray that strikes the sample 10 are also derived along with the reconstruction of the image of the sample 10 during the iteration of the iterative calculation. Therefore, there is no problem even if the sample 10 is irradiated with the reference light based on the structure 40, and there is no problem even if the information of the inline hologram and the information of the diffracted X-ray are mixed in one light intensity detection pattern . The amplitude and the phase of the X-ray that strikes the sample 10 become clear in the repetition of the repetitive calculation regardless of the presence or absence of the irradiation of the sample 10 with the reference light based on the structure 40 Is analyzed, and in conjunction with this, the image of the sample 10 is reconstructed.
尚、参考実施形態において検出面に形成される透過強度パターン(透過X線強度パターン)もインラインホログラムの一種であると考えて良い。透過強度パターンとしてのインラインホログラムにおいては、試料10の中にある直径1μmの球形の発光点からの光を参照光と考えれば良い。その発光点からの光の一部は試料10にて散乱され、残りは二次元検出器20に向けて試料10を素通りするが、その発光点からの光が試料10によって散乱された光を物体光と考えれば良い。 The transmission intensity pattern (transmission X-ray intensity pattern) formed on the detection surface in the reference embodiment may also be considered as a type of in-line hologram. In the in-line hologram as the transmission intensity pattern, light from a spherical emission point with a diameter of 1 μm in the sample 10 may be considered as reference light. A part of the light from the light emission point is scattered by the sample 10, and the remainder passes the sample 10 toward the two-dimensional detector 20, but the light from the light emission point is scattered by the sample 10 by the object 10 Think of it as light.
第1実施形態は、透過強度パターンに基づくインラインホログラムの代わりに、構造体40を用いたインラインホログラムを光強度検出パターンに含めるようにしたものであり、用いる反復的位相回復アルゴリズムは参考実施形態及び第1実施形態間で同じであって良い。 In the first embodiment, instead of the inline hologram based on the transmission intensity pattern, an inline hologram using the structure 40 is included in the light intensity detection pattern, and the iterative phase recovery algorithm used is the reference embodiment and It may be the same between the first embodiment.
[参照光源用構造体の変形例]
参照光源用構造体40の変形例について説明する。上述の円柱構造体40Aは、円柱部分に金属が配置された凸型の円柱構造体である。構造体40として、円柱状に金属を取り除いた凹型の円柱構造体が採用されても良い。
[Modification of structure for reference light source]
A modification of the reference light source structure 40 will be described. The above-mentioned cylindrical structure 40A is a convex cylindrical structure in which metal is disposed in a cylindrical portion. As the structure 40, a concave cylindrical structure in which metal is removed in a cylindrical shape may be employed.
図13に、参照光源用構造体40の例である凹型の円柱構造体40Bの斜視図を示す。円柱構造体40Bを、任意の種類の金属(例えばタンタル又は金)にて形成することができる。円柱構造体40Bは、板状体41Bに柱状開口部42Bを設けた部材である。板状体41Bは、XY面に平行な上面及び下面を有し、Z軸方向に厚みを有する板状の金属である。板状体41Bの厚みは数10nm〜100nm程度である。X軸及びY軸方向において、板状体41Bの大きさは円柱構造体40Bの位置における入射光L0の大きさよりも大きい。柱状開口部42Bは、板状体41Bに設けられた柱状の穴である。柱状開口部42Bの軸はZ軸に平行である。板状体41Bの中心及び柱状開口部42Bの軸が入射光L0の光軸AXOPT上に位置するように、円柱構造体40Bが形成及び配置される。ここでは、柱状開口部42Bが真円の底面を有する円柱状の穴であるとし、その真円の直径をRにて表す。 FIG. 13 shows a perspective view of a concave cylindrical structure 40B which is an example of the reference light source structure 40. As shown in FIG. The cylindrical structure 40B can be formed of any type of metal (e.g. tantalum or gold). The cylindrical structure 40B is a member in which a columnar opening 42B is provided in the plate-like body 41B. The plate-like body 41B is a plate-like metal having an upper surface and a lower surface parallel to the XY plane and having a thickness in the Z-axis direction. The thickness of the plate-like body 41B is about several tens of nm to 100 nm. In the X-axis and Y-axis directions, the size of the plate-like body 41B is larger than the size of the incident light L0 at the position of the cylindrical structure 40B. The columnar opening 42B is a columnar hole provided in the plate-like body 41B. The axis of the columnar opening 42B is parallel to the Z axis. The cylindrical structure 40B is formed and arranged such that the center of the plate-like member 41B and the axis of the columnar opening 42B are positioned on the optical axis AX OPT of the incident light L0. Here, it is assumed that the columnar opening 42B is a cylindrical hole having a bottom of a true circle, and the diameter of the true circle is represented by R.
凸型の円柱構造体40Aでは、突出している柱体42Aの部分において、そうでない部分と比べ入射光L0の波面が乱れて(位相が遅れて)散乱が生じる。これに対し、凹型の円柱構造体40Bでは、穴が形成されていない部分において、柱状開口部42Bと比べ入射光L0の波面が乱れて(位相が遅れて)散乱が生じる。 In the convex cylindrical structure 40A, the wavefront of the incident light L0 is disturbed (phase is delayed) in the portion of the protruding column 42A compared to the portion other than that (the phase is delayed). On the other hand, in the concave cylindrical structure 40B, the wavefront of the incident light L0 is disturbed (phase is delayed) in the portion where the hole is not formed, compared to the columnar opening 42B (the phase is delayed).
円柱構造体40Bも上述の第1及び第2必要条件を満たすように形成される。つまり、直径Rが試料10の位置での入射光L0のスポット径SR(ここでは1μm)よりも小さいという第1必要条件が満たされる。また、試料10の位置において、散乱光L1のX及びY軸方向における広がりの大きさが入射光L0のX及びY軸方向における広がりの大きさよりも大きいという第2必要条件が満たされる。第2必要条件の充足により、試料10の位置において、試料10に対する入射光L0の照射領域の全体を試料10に対する散乱光L1の照射領域に内包させる。 The cylindrical structure 40B is also formed to satisfy the first and second requirements described above. That is, the first requirement that the diameter R is smaller than the spot diameter SR (here, 1 μm) of the incident light L0 at the position of the sample 10 is satisfied. Further, at the position of the sample 10, the second requirement is satisfied that the size of the spread of the scattered light L1 in the X and Y axis directions is larger than the size of the spread of the incident light L0 in the X and Y axes. By satisfying the second necessary condition, the entire irradiation area of the incident light L0 on the sample 10 is included in the irradiation area of the scattered light L1 on the sample 10 at the position of the sample 10.
凸型の構造体40A(図8(a)参照)において、金属による柱体42A(凸型の柱状構造部)の底面は楕円であっても良い。同様に、凹型の構造体40B(図13参照)において、柱状開口部42B(凹型の柱状構造部)による穴としての柱体の底面は楕円であっても良い。但し、それらの形状が真円に近い方がX線散乱の等方性が高くなるため、検出ダイナミックレンジの圧縮効果(定められた検出時間で所望の分解能を得るために必要な検出ダイナミックレンジの低減効果)がより高まる。 In the convex structure 40A (see FIG. 8A), the bottom surface of the metal column 42A (convex columnar structure) may be elliptical. Similarly, in the concave structure 40B (see FIG. 13), the bottom of the column as a hole by the columnar opening 42B (concave columnar structure) may be elliptical. However, as the shape is closer to a perfect circle, the isotropy of X-ray scattering becomes higher, so the compression effect of the detection dynamic range (the detection dynamic range required to obtain a desired resolution in a predetermined detection time) The reduction effect is further enhanced.
また、凸型の構造体40A(図8(a)参照)において、金属による柱体42Aの底面は円以外(例えば多角形)であっても良い。同様に、凹型の構造体40B(図13参照)において、柱状開口部42Bによる穴としての柱体の底面は円以外(例えば多角形)であっても良い。但し、それらの形状が真円に近い方がX線散乱の等方性が高くなるため、検出ダイナミックレンジの圧縮効果がより高まる。例えば、凸型の構造体40Aにおける柱体42Aの底面を四角形にした場合、インラインホログラムの中に強度の高いスポットが離散的に出現し、結果、それを真円とする場合よりも、検出ダイナミックレンジの圧縮効果が低くなる。 Further, in the convex structure 40A (see FIG. 8A), the bottom surface of the metal column 42A may be other than a circle (for example, a polygon). Similarly, in the concave structure 40B (see FIG. 13), the bottom of the column as a hole by the columnar opening 42B may be other than a circle (for example, a polygon). However, since the isotropy of X-ray scattering is higher when the shape is closer to a true circle, the compression effect of the detection dynamic range is further enhanced. For example, when the bottom of the column 42A in the convex structure 40A is made into a quadrangle, high intensity spots appear discretely in the in-line hologram, and as a result, detection dynamic is more than when it is made a true circle. The range compression effect is reduced.
断面が真円の柱体42A又は柱状開口部42Bを有する円柱構造体40A又は40Bの場合に対しては直径Rに関連付けて第1必要条件を定義できるが、断面が真円以外の柱体42A又は柱状開口部42Bを有する構造体40をも考慮した場合、第1必要条件の表現が変更される。即ち、凸型の構造体40A(図8(a)参照)において、金属による柱体42Aの断面積(即ち底面の面積)は、試料10の位置における入射光10の広がり面積(X軸及びY軸方向の広がり面積)より小さくされるべきである。これが、構造体40Aが満たすべき第1必要条件であると考えて良い。同様に、凹型の構造体40B(図13参照)において、柱状開口部42Bによる穴の断面積(柱状開口部42Bによる穴としての柱体の底面の面積)は、試料10の位置における入射光10の広がり面積(X軸及びY軸方向の広がり面積)より小さくされるべきである。これが、構造体40Bが満たすべき第1必要条件であると考えて良い。 In the case of a cylindrical structure 40A or 40B having a cylindrical body 42A or a columnar opening 42B whose cross section is a true circle, the first requirement can be defined in relation to the diameter R, but a cylindrical body 42A whose cross section is other than a perfect circle Alternatively, in consideration of the structure 40 having the columnar opening 42B, the expression of the first requirement is changed. That is, in the convex structure 40A (see FIG. 8A), the cross-sectional area of the metal column 42A (that is, the area of the bottom surface) is the spread area of the incident light 10 at the position of the sample 10 (X axis and Y It should be smaller than the axial spread area). It may be considered that this is the first requirement to be satisfied by the structure 40A. Similarly, in the concave structure 40B (see FIG. 13), the cross-sectional area of the hole by the columnar opening 42B (the area of the bottom of the column as a hole by the columnar opening 42B) corresponds to the incident light 10 at the position of the sample 10. Should be smaller than the spread area (spread area in the X-axis and Y-axis directions) of It may be considered that this is the first requirement to be satisfied by the structure 40B.
[実験結果]
次に、イメージング装置1を用いた実験内容及び結果を説明する。当該実験は、放射光施設Spring−8のビームラインBL29XULにて行われた。放射光施設の蓄積リングを周回する電子は、ビームラインの基部付近に配置されたアンジュレータ装置の形成する周期磁場により蛇行せしめられて放射光を放出する。この放射光がビームラインに入る。ビームラインに入ったX線領域の放射光は集光用の光学系を介し、入射光L0としてイメージング装置1に入射する。
[Experimental result]
Next, the contents and results of experiments using the imaging apparatus 1 will be described. The experiment was performed at beamline BL29 XUL of the radiation facility Spring-8. The electrons traveling around the storage ring of the radiation facility are made to meander by the periodic magnetic field formed by the undulator arrangement located near the base of the beamline and emit radiation. This radiation enters the beamline. The radiation light of the X-ray region which has entered the beam line enters the imaging device 1 as incident light L0 through the condensing optical system.
実験においても、試料10の位置における入射光L0のスポット径は1μmであり、入射光L0としてのX線のエネルギは6.5keVである。参照光源用構造体40としては、図13に示す凹型の構造体40Bを用いた。実験において、構造体40Bの材質は金であり、板状体41Bの厚みは250nmであって且つ柱状開口部42Bの直径Rは200nmである。このような構造体40Bを、金箔に穴を空ける加工を施すことで作製できる。図14に、Z軸方向から走査型電子顕微鏡によって観測した、実験における構造体40Bの像(SEM像)を示す。尚、上述の厚み:250nm及び直径R:200nmは、それらの設計値(目標値)であって、実際に作成された構造体40Bでのそれらは誤差を含んでいる。 Also in the experiment, the spot diameter of the incident light L0 at the position of the sample 10 is 1 μm, and the energy of the X-ray as the incident light L0 is 6.5 keV. As the reference light source structure 40, a concave structure 40B shown in FIG. 13 was used. In the experiment, the material of the structure 40B is gold, the thickness of the plate-like body 41B is 250 nm, and the diameter R of the columnar opening 42B is 200 nm. Such a structure 40B can be manufactured by processing to open a hole in gold foil. FIG. 14 shows an image (SEM image) of the structure 40B in the experiment observed by the scanning electron microscope from the Z-axis direction. Note that the above-mentioned thickness: 250 nm and diameter R: 200 nm are their design values (target values), and those in the actually created structure 40B include an error.
実験において、試料10と参照光源用構造体40(ここでは構造体40B)との間の間隔は約1mmである。この間隔は、板状体41Bの厚み及び柱状開口部42Bの直径Rなどを考慮しつつ、上述の第2必要条件を満たすように決定された。実験で用いた二次元検出器20は、Princeton Instruments社製の直接撮像型CCD検出器:PI−LCX1300である。試料10としては、タンタル製、厚さ200nmのジーメンススターテストチャートを用いた。図15に、Z軸方向から走査型電子顕微鏡によって観測した、ジーメンススターテストチャートの一部の像(SEM像)を示す。 In the experiment, the distance between the sample 10 and the reference light source structure 40 (here, the structure 40B) is about 1 mm. This interval was determined so as to satisfy the above-mentioned second requirement while considering the thickness of the plate-like member 41B, the diameter R of the columnar opening 42B, and the like. The two-dimensional detector 20 used in the experiment is a direct imaging CCD detector made by Princeton Instruments: PI-LCX1300. As sample 10, a Siemens star test chart made of tantalum and having a thickness of 200 nm was used. FIG. 15 shows an image (SEM image) of a part of the Siemens star test chart observed by a scanning electron microscope from the Z-axis direction.
実験においては、試料10(ジーメンススターテストチャート)をX軸及びY軸方向の夫々において500nmずつステップ移動させながら、逐次、インラインホログラム及び回折強度パターンから成る光強度検出パターンを取得した。取得した光強度検出パターンの個数は(7×7)である。つまり“n=7×7”である。 In the experiment, while the sample 10 (Siemens Star test chart) was moved stepwise by 500 nm in each of the X-axis direction and the Y-axis direction, a light intensity detection pattern consisting of inline holograms and diffraction intensity patterns was acquired sequentially. The number of acquired light intensity detection patterns is (7 × 7). That is, “n = 7 × 7”.
参照光源用構造体40の配置による影響を比較検証するために、構造体40を有するイメージング装置1そのもの(以下、構造体有りイメージング装置とも言う)に加えて、イメージング装置1から構造体40を削除した装置(以下、構造体無しイメージング装置とも言う)に対しても実験を行った。 In order to compare and verify the influence of the arrangement of the reference light source structure 40, the structure 40 is removed from the imaging device 1 in addition to the imaging device 1 having the structure 40 (hereinafter also referred to as a structure presence imaging device) The experiment was also performed on the device (hereinafter also referred to as a structure-less imaging device).
図16において、実験結果パターン410及び420は、試料10の或る一点に入射光L0を照射したときの、実験によって取得された光強度検出パターン(インラインホログラム及び回折強度パターン)を示す。但し、パターン410は構造体有りイメージング装置において取得されたものであり、パターン420は構造体無しイメージング装置において取得されたものである。パターン410及び420の夫々において、中央付近の黒い正方形領域は遮蔽体50によってX線の入射が遮蔽されている領域に相当する。パターン410において、構造体40の配置に起因するインラインホログラム(同心円状の干渉縞)が発生していることが分かる。このインラインホログラムの中に、透過X線及び低角回折X線が含有する情報が内包される。 In FIG. 16, experimental result patterns 410 and 420 show light intensity detection patterns (in-line hologram and diffraction intensity pattern) obtained by experiment when incident light L0 is irradiated to a certain point of the sample 10. However, the pattern 410 is acquired in the imaging apparatus with structure, and the pattern 420 is acquired in the imaging apparatus without structure. In each of the patterns 410 and 420, the black square area near the center corresponds to the area where the X-ray incidence is blocked by the shield 50. In the pattern 410, it can be seen that inline holograms (concentric interference fringes) resulting from the arrangement of the structures 40 are generated. The information contained in the transmitted X-rays and the low-angle diffracted X-rays is included in the inline hologram.
図17の像430は、構造体有りイメージング装置において、実験にて取得された第1〜第nの光強度検出パターンから反復的位相回復アルゴリズムにより生成される試料10(ジーメンススターテストチャート)の再構成像の一部である。図17の像440は、構造体無しイメージング装置において、実験にて取得された第1〜第nの光強度検出パターンから反復的位相回復アルゴリズムにより生成される試料10(ジーメンススターテストチャート)の再構成像の一部である。 An image 430 in FIG. 17 is a re-image of the sample 10 (Siemens Star test chart) generated by the iterative phase recovery algorithm from the first to n-th light intensity detection patterns acquired in the experiment in the imaging apparatus with structure. It is a part of the composition image. An image 440 in FIG. 17 is a re-design of the sample 10 (Siemens Star test chart) generated by the iterative phase recovery algorithm from the first to n-th light intensity detection patterns acquired in the experiment in the structure-free imaging apparatus. It is a part of the composition image.
再構成像430及び440の夫々は、試料10による位相変化量をXY面に投影した二次元像(二次元投影像)である。ここにおける位相変化量は、入射光L0が試料10を通過したときの入射光L0の位相変化量であって、実験によって取得された第1〜第nの光強度検出パターンに基づき反復的位相回復アルゴリズムにより回復(演算)された量である。 Each of the reconstructed images 430 and 440 is a two-dimensional image (two-dimensional projected image) obtained by projecting the amount of phase change due to the sample 10 on the XY plane. The amount of phase change here is the amount of phase change of the incident light L0 when the incident light L0 passes through the sample 10, and repetitive phase recovery based on the first to n-th light intensity detection patterns acquired by experiment. It is the amount recovered (computed) by the algorithm.
再構成像430及び440において、黒に近い領域ほど位相変化量が大きいことを示している。構造体有りイメージング装置による再構成像430では、タンタルの厚みを示す位相が良好に回復されていることが分かる。これに対し、構造体無しイメージング装置による再構成像440では、取得された光強度検出パターンにおいて透過X線及び低角回折X線の情報が欠損しているため位相を正確に回復できず、タンタルの存在領域及び非存在領域間の境界の識別程度しか達成できていない。 In the reconstructed images 430 and 440, it is shown that the closer the region is black, the larger the amount of phase change. In the reconstructed image 430 by the imaging apparatus with structure, it can be seen that the phase indicating the thickness of the tantalum is well recovered. On the other hand, in the reconstructed image 440 by the structure-less imaging apparatus, since the information of the transmitted X-ray and the low-angle diffracted X-ray is lost in the acquired light intensity detection pattern, the phase can not be recovered accurately. Only the identification degree of the boundary between the existence area and the non-existence area of.
本実施形態に係るイメージング装置1によれば、定められた検出時間において目的の分解能及び感度を達成するために二次元検出器20に求められる検出ダイナミックレンジを低減することができる(例えば、考実施形態との比較において1000分の1程度に圧縮することができる)。検出時間が一定であるという条件下において、本実施形態に係るイメージング装置1によれば、直接撮像型CCD検出器(例えば数百万円程度で入手可能)を用いても、参考実施形態でピクセルアレイ検出器(例えば数千万円程度の費用が掛かる)を用いた場合と同等の分解能及び感度を実現できる。このため、既存の放射光ビームラインを活用した高分可能・高感度X線タイコグラフィの普及及び促進が期待される。 According to the imaging apparatus 1 of the present embodiment, it is possible to reduce the detection dynamic range required of the two-dimensional detector 20 in order to achieve the target resolution and sensitivity in a predetermined detection time (for example, consider It can be compressed to about 1 in 1000 in comparison with the form). Under the condition that the detection time is constant, according to the imaging device 1 of the present embodiment, even if a direct imaging type CCD detector (for example, available for about several million yen) is used, the pixel in the reference embodiment The same resolution and sensitivity as in the case of using an array detector (for example, costing several tens of millions of yen) can be realized. For this reason, the spread and promotion of high-resolution, high-sensitivity X-ray ptychography utilizing existing radiation beam lines is expected.
尚、非特許文献1などでは、二次元検出器の前面の中央付近にビームストップを配置した構成が示されている。当該構成では、高角回折X線のパターンを二次元検出器(CCD)にて観測させるために、ビームストップを配置している。ビームストップを配置していないと、透過X線の強度が非常に大きいことに起因して、高角回折X線のパターンがノイズに埋もれてしまい、高角回折X線のパターンを全く又は精度良く二次元検出器(CCD)にて観測することができない。従来方法において、実際に、二次元検出器の検出結果から低分解能及び高分解能情報の双方を含んだ試料像を構築するためには、ビームストップを取り払う必要がある。 Non-Patent Document 1 and the like show a configuration in which a beam stop is disposed near the center of the front surface of a two-dimensional detector. In the said structure, in order to make the pattern of high angle diffraction X-rays observe with a two-dimensional detector (CCD), the beam stop is arrange | positioned. If the beam stop is not arranged, the high angle diffraction X-ray pattern is buried in the noise due to the very high intensity of the transmitted X-rays, and the high angle diffraction X-ray pattern is completely or precisely two-dimensional. It can not be observed by a detector (CCD). In the conventional method, in order to construct a sample image containing both low resolution and high resolution information from the detection results of the two-dimensional detector, it is necessary to remove the beam stop.
<<第2実施形態>>
本発明の第2実施形態を説明する。第1実施形態で述べた技術をシングルショットイメージングに適用しても良い。この場合も、第1実施形態のイメージング装置1を利用できる。但し、X軸及びY軸方向において、試料10の大きさは試料10の位置における入射光L0の大きさ以下に限定される。
<< Second Embodiment >>
A second embodiment of the present invention will be described. The technique described in the first embodiment may be applied to single shot imaging. Also in this case, the imaging apparatus 1 of the first embodiment can be used. However, the size of the sample 10 is limited to the size of the incident light L 0 at the position of the sample 10 or less in the X-axis and Y-axis directions.
シングルショットイメージングが適用されるイメージング装置1では、試料10のステップ移動は行われずに(従ってn=1とされ)二次元検出器20から1つの光強度検出パターンが取得され、取得された1つの光強度検出パターンから公知の位相回復方法に基づく演算により試料10の像を生成する。例えば、取得された1つの光強度検出パターンに対して反復的位相回復アルゴリズムによる所定の演算を施すことで試料10の像を生成する。この場合の反復的位相回復アルゴリズムも上述してきたものと同様であって良い。この際、例えば、試料10が存在するであろうと推定される領域の外では電子密度がゼロであること及び電子密度が負になることは無いことなどを実空間拘束条件として用いて、上記反復演算を行えば良い。 In the imaging apparatus 1 to which single-shot imaging is applied, one light intensity detection pattern is acquired from the two-dimensional detector 20 without performing step movement of the sample 10 (so that n = 1). An image of the sample 10 is generated by calculation based on a known phase recovery method from the light intensity detection pattern. For example, an image of the sample 10 is generated by performing a predetermined operation according to an iterative phase recovery algorithm on one acquired light intensity detection pattern. The iterative phase recovery algorithm in this case may be similar to that described above. At this time, for example, using the fact that the electron density is zero and that the electron density is not negative outside the region where the sample 10 is presumed to be present is used as the real space constraint condition, and the repetition is performed. It suffices to carry out the operation.
<<第3実施形態>>
本発明の第3実施形態を説明する。第1実施形態で述べた技術を、EUV光を使ったタイコグラフィに適用することもできる。EUV光とは極端紫外線の波長を有した光である。図18に、EUV光を使ったタイコグラフィにより試料の像を生成するイメージング装置200の概略構成図を示す。
<< Third Embodiment >>
A third embodiment of the present invention will be described. The techniques described in the first embodiment can also be applied to ptychography using EUV light. EUV light is light having a wavelength of extreme ultraviolet light. FIG. 18 shows a schematic configuration diagram of an imaging apparatus 200 that generates an image of a sample by ptychography using EUV light.
EUV光201、EUVマスク203、二次元検出器204、演算装置205、参照光源用構造体210、遮蔽体220は、夫々、第1実施形態における入射光L0、試料10、二次元検出器20、演算装置60、参照光源用構造体40、遮蔽体50に相当するものである。入射光L0、試料10、二次元検出器20、演算装置60、参照光源用構造体40及び遮蔽体50について第1実施形態で述べた事項を、矛盾無き限り、EUV光201、EUVマスク203、二次元検出器204、演算装置205、参照光源用構造体210、遮蔽体220に適用して良い。 The EUV light 201, the EUV mask 203, the two-dimensional detector 204, the arithmetic device 205, the reference light source structure 210, and the shield 220 respectively correspond to the incident light L0, the sample 10, and the two-dimensional detector 20 in the first embodiment. It corresponds to the arithmetic unit 60, the reference light source structure 40, and the shield 50. As long as there is no contradiction in the matters described in the first embodiment regarding the incident light L0, the sample 10, the two-dimensional detector 20, the arithmetic device 60, the reference light source structure 40 and the shield 50, the EUV light 201, the EUV mask 203, The present invention may be applied to the two-dimensional detector 204, the arithmetic unit 205, the reference light source structure 210, and the shield 220.
EUV光201は、ミラー202を含む光学系を介して、EUVマスク203に対し所定の入射角度をもって照射される。EUVマスク203は、パターンが刻み込まれたマスクであって、極端紫外線リソグラフィに用いられる。EUVマスク203にて反射及び回折された、EUV光201に基づく光(以下、EUV反射・回折光と呼ぶ)は、EUVマスク203に対向配置された二次元検出器204にて受光され、EUV反射・回折光による像が二次元検出器204にて検出される。つまり、二次元検出器204は、試料としてのEUVマスク203の下流側に設けられる二次元EUV光検出器であり、入射光(201)に基づく試料からの光を受け、受けた光の強度を所定の二次元平面内で検出する。第3実施形態において、上流とは、入射光としてのEUV光201の進行の向きにとっての上流を指し、当然、入射光(201)は上流側から下流側に向けて進行する。 The EUV light 201 is irradiated to the EUV mask 203 at a predetermined incident angle through an optical system including a mirror 202. The EUV mask 203 is a mask in which a pattern is inscribed, and is used for extreme ultraviolet lithography. Light based on the EUV light 201 reflected and diffracted by the EUV mask 203 (hereinafter referred to as EUV reflected / diffracted light) is received by the two-dimensional detector 204 disposed opposite to the EUV mask 203, and the EUV is reflected. An image by diffracted light is detected by the two-dimensional detector 204. That is, the two-dimensional detector 204 is a two-dimensional EUV light detector provided downstream of the EUV mask 203 as a sample, receives light from the sample based on the incident light (201), and receives the intensity of the received light. Detect in a predetermined two-dimensional plane. In the third embodiment, the upstream refers to the upstream of the direction of travel of the EUV light 201 as incident light, and naturally, the incident light (201) travels from the upstream side to the downstream side.
参照光源用構造体210(以下、構造体210と略記することがある)は、EUVマスク203の上流側に設けられる構造体である。入射光としてのEUV光201は、構造体210に入射され、その後にEUVマスク203に照射される。このため、入射光(201)の一部は構造体210にて散乱され、構造体210からの散乱光がEUVマスク203に向けて放射される。 The reference light source structure 210 (hereinafter sometimes referred to as a structure 210) is a structure provided on the upstream side of the EUV mask 203. The EUV light 201 as incident light is incident on the structure 210 and then irradiated to the EUV mask 203. Therefore, a part of the incident light (201) is scattered by the structure 210, and the scattered light from the structure 210 is emitted toward the EUV mask 203.
遮蔽体220は、EUVマスク203と二次元検出器204との間に配置され、二次元検出器204の検出面内の所定の遮蔽対象領域に対するEUVマスク203からの光を遮蔽する。この際、第1実施形態で述べたのと同様、EUVマスク203から二次元検出器204に向かう光の内、少なくとも最大強度を持つ光が二次元検出器204(より詳細には二次元検出器204の検出面)に到達しないように、遮蔽体220が、EUVマスク203及び二次元検出器204間に配置される。これにより、二次元検出器204に必要な検出ダイナミックレンジを低減させることが可能となる。 The shield 220 is disposed between the EUV mask 203 and the two-dimensional detector 204, and shields light from the EUV mask 203 for a predetermined shielding target area in the detection plane of the two-dimensional detector 204. At this time, as described in the first embodiment, of the light traveling from the EUV mask 203 to the two-dimensional detector 204, the light having at least the maximum intensity is the two-dimensional detector 204 (more specifically, the two-dimensional detector A shield 220 is disposed between the EUV mask 203 and the two-dimensional detector 204 so as not to reach the detection surface 204). This makes it possible to reduce the detection dynamic range required for the two-dimensional detector 204.
EUVマスク203から二次元検出器204に向かう光の内、最大強度を持つ光は、EUVマスク203にて鏡面反射されたEUV光に含まれており、従って、二次元検出器204における遮蔽対象領域は、鏡面反射されたEUV光の受光領域(遮蔽体220が無かったならば鏡面反射されたEUV光を受光することになる領域)を含む領域である。つまり、EUVマスク203にて鏡面反射されたEUV光の、二次元検出器204(より詳細には二次元検出器204の検出面)への到達が、遮蔽体220によって遮蔽される。 Of the light traveling from the EUV mask 203 to the two-dimensional detector 204, the light having the maximum intensity is included in the EUV light specularly reflected by the EUV mask 203, and thus the shielding target area in the two-dimensional detector 204 Is a region including a light receiving region of specularly reflected EUV light (a region that is to receive specularly reflected EUV light if there is no shield 220). That is, the reaching of the EUV light specularly reflected by the EUV mask 203 to the two-dimensional detector 204 (more specifically, the detection surface of the two-dimensional detector 204) is blocked by the shield 220.
入射したEUV光201に基づく構造体210からの散乱光がEUVマスク203に入射される結果、構造体210からの散乱光を参照光とするインラインホログラムが二次元検出器204の検出面にて形成及び検出される。このインラインホログラムにおける物体光は、参照光に基づくEUVマスク203からの散乱光である。一方、このインラインホログラム以外に、EUVマスク203の表面構造に応じた回折EUV光パターン(回折されたEUV光が形成する干渉縞によるパターン)も二次元検出器204の検出面にて形成及び検出される。 As a result of the scattered light from the structure 210 based on the incident EUV light 201 being incident on the EUV mask 203, an inline hologram using the scattered light from the structure 210 as a reference light is formed on the detection surface of the two-dimensional detector 204 And detected. Object light in this in-line hologram is scattered light from the EUV mask 203 based on the reference light. On the other hand, besides the inline hologram, a diffracted EUV light pattern (a pattern by interference fringes formed by diffracted EUV light) according to the surface structure of the EUV mask 203 is also formed and detected on the detection surface of the two-dimensional detector 204. Ru.
EUVマスク203のマスク面に平行な方向(即ち、EUVマスク203に入射するEUV光201の光軸に直交する方向成分を持つ方向)にEUVマスク203をステップ移動させながら、順次、インラインホログラム及び回折EUV光パターンから成る光強度検出パターンを二次元検出器204から取得し、これによって得られた第1〜第nの光強度検出パターンを演算装置205に供給する。第1実施形態と同様、第iの光強度検出パターンを取得するときの試料(ここではEUVマスク203)への入射光(ここではEUV光201)の照射領域は、第jの光強度検出パターンを取得するときの試料への入射光の照射領域と一部において重なり合う(ここで、iはn以下の任意の整数であって、且つ、jはi以外且つn以下の何れかの整数;1つのiの値に対してjの値は複数存在し得る)。演算装置205は、与えられた第1〜第nの光強度検出パターンに対して、タイコグラフィによる公知の反復的位相回復アルゴリズムによる所定の演算を施すことで、EUVマスク203の像を生成する。 In-line hologram and diffraction are sequentially performed while stepping the EUV mask 203 in a direction parallel to the mask surface of the EUV mask 203 (that is, a direction having a direction component orthogonal to the optical axis of the EUV light 201 incident on the EUV mask 203). A light intensity detection pattern composed of an EUV light pattern is acquired from the two-dimensional detector 204, and the first to nth light intensity detection patterns obtained thereby are supplied to the arithmetic unit 205. As in the first embodiment, the irradiation region of incident light (here, the EUV light 201) on the sample (here, the EUV mask 203) when acquiring the ith light intensity detection pattern is the jth light intensity detection pattern Overlap with the irradiated area of the incident light on the sample when acquiring (where i is any integer not greater than n and j is any integer other than i and not greater than n; 1 There may be multiple values of j for one value of i). Arithmetic unit 205 generates an image of EUV mask 203 by performing a predetermined operation according to a known repetitive phase recovery algorithm based on pylography on the given first to n-th light intensity detection patterns.
<<変形等>>
本発明の実施形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。以上の実施形態は、あくまでも、本発明の実施形態の例であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以上の実施形態に記載されたものに制限されるものではない。上述の説明文中に示した具体的な数値は、単なる例示であって、当然の如く、それらを様々な数値に変更することができる。
<< Modification etc. >>
The embodiment of the present invention can be variously modified as appropriate within the scope of the technical idea shown in the claims. The above embodiment is merely an example of the embodiment of the present invention, and the meaning of the terms of the present invention or each constituent feature is not limited to that described in the above embodiment. The specific numerical values shown in the above description are merely examples, and as a matter of course they can be changed to various numerical values.
1 イメージング装置
10 試料
20 二次元検出器
30 駆動装置
40、40A、40B 参照光源用構造体(散乱用構造体)
41A、41B 板状体
42A 柱体(凸型の柱状構造部)
42B 柱状開口部(凹型の柱状構造部)
50 遮蔽体
60 演算装置
L0 入射光
200 イメージング装置
201 EUV光
203 EUVマスク(試料)
204 二次元検出器
205 演算装置
210 参照光源用構造体(散乱用構造体)
220 遮蔽体
Reference Signs List 1 imaging apparatus 10 sample 20 two-dimensional detector 30 driving device 40, 40A, 40B reference light source structure (scattering structure)
41A, 41B Plate-like body 42A Column body (convex columnar structure)
42B Columnar opening (concave columnar structure)
50 shield 60 arithmetic unit L0 incident light 200 imaging unit 201 EUV light 203 EUV mask (sample)
204 Two-dimensional detector 205 Arithmetic unit 210 Reference light source structure (scattering structure)
220 Shield
Claims (7)
前記試料の下流側に配置され、前記入射光に基づいて前記試料から到来する光の強度を所定の二次元平面内で検出する二次元検出器と、
前記試料からの前記二次元検出器に向かう光の内、少なくとも最大強度を持つ光の前記二次元検出器への到達を遮蔽する遮蔽体と、
前記二次元検出器の検出結果に基づき前記試料の像を生成する演算手段と、を備えた
ことを特徴とするイメージング装置。 A scattering structure disposed upstream of a sample to be irradiated with incident light, for scattering a part of the incident light and emitting the scattered light toward the sample;
A two-dimensional detector disposed downstream of the sample and detecting an intensity of light coming from the sample based on the incident light in a predetermined two-dimensional plane;
A shield for shielding the light having at least the maximum intensity of the light from the sample toward the two-dimensional detector from reaching the two-dimensional detector;
And d) calculating means for generating an image of the sample based on the detection result of the two-dimensional detector.
前記柱状構造部の断面積は、前記試料の位置における前記入射光の広がり面積よりも小さく、
前記試料の位置における前記散乱用構造体からの散乱光の広がりの大きさは、前記試料の位置における前記入射光の広がりの大きさよりも大きい
ことを特徴とする請求項1に記載のイメージング装置。 The scattering structure has a convex or concave columnar structure having an axis parallel to the optical axis of the incident light,
The cross-sectional area of the columnar structure portion is smaller than the spread area of the incident light at the position of the sample,
The imaging apparatus according to claim 1, wherein the size of the spread of the scattered light from the scattering structure at the position of the sample is larger than the size of the spread of the incident light at the position of the sample.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のイメージング装置。 The imaging apparatus according to claim 1, wherein the shield blocks at least the transmitted light of the sample based on the incident light from reaching the two-dimensional detector.
第iの光強度検出パターンを取得するときの前記試料への前記入射光の照射領域は、第jの光強度検出パターンを取得するときの前記試料への前記入射光の照射領域と一部において重なり(iはn以下の整数、jはi以外且つn以下の何れかの整数)、
前記演算手段は、前記第1〜第nの光強度検出パターンに基づき前記試料の像を生成する
ことを特徴とする請求項2に記載のイメージング装置。 First to n-th light intensity detection patterns are acquired from the two-dimensional detector by repeatedly performing detection by the two-dimensional detector while stepwise moving the sample in a direction having a direction component orthogonal to the optical axis (N is an integer of 2 or more),
The irradiation area of the incident light on the sample when acquiring the i-th light intensity detection pattern is the irradiation area and part of the incident light on the sample when acquiring the j-th light intensity detection pattern Overlap (i is an integer less than or equal to n, j is any integer other than i and less than or equal to n),
The imaging apparatus according to claim 2 , wherein the calculation unit generates an image of the sample based on the first to n-th light intensity detection patterns.
ことを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載のイメージング装置。 The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the incident light includes coherent X-rays.
前記試料からの前記二次元検出器に向かう光の内、少なくとも最大強度を持つ光の前記二次元検出器への到達を遮蔽した状態で、前記二次元検出器の検出結果に基づき前記試料の像を生成する
ことを特徴とするイメージング方法。 A scattering structure that scatters part of the incident light and emits scattered light toward the sample is disposed upstream of the sample to be irradiated with the incident light, and the light is incident on the downstream side of the sample. Arranging a two-dimensional detector for detecting the intensity of light coming from the sample based on the emitted light in a predetermined two-dimensional plane,
An image of the sample based on the detection result of the two-dimensional detector in a state in which the light having at least the maximum intensity of the light from the sample toward the two-dimensional detector is blocked from reaching the two-dimensional detector. An imaging method characterized in that:
前記柱状構造部の断面積は、前記試料の位置における前記入射光の広がり面積よりも小さく、
前記試料の位置における前記散乱用構造体からの散乱光の広がりの大きさは、前記試料の位置における前記入射光の広がりの大きさよりも大きい
ことを特徴とする請求項6に記載のイメージング方法。 The scattering structure has a convex or concave columnar structure having an axis parallel to the optical axis of the incident light,
The cross-sectional area of the columnar structure portion is smaller than the spread area of the incident light at the position of the sample,
The imaging method according to claim 6, wherein the size of the spread of the scattered light from the scattering structure at the position of the sample is larger than the size of the spread of the incident light at the position of the sample.
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JP2016138772A (en) | 2016-08-04 |
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