JP7072892B2 - 明視野暗視野対物レンズを使用する独自の斜角照明法及びそれに関連した撮像方法 - Google Patents

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関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年１０月１４日に出願され、参照によって本明細書に組み込まれる米国特許仮出願第６２／０６３，５６４号の利益を主張する。

本発明は、一般に撮像法及び装置に関する。詳細な実施形態では、本発明はトポグラフィ撮像法に関する。詳細な実施形態では、本発明は明視野／暗視野対物レンズを利用する撮像装置、及び暗視野チャネル内の光バリアを利用することによるこのような装置への改良に関する。

３Ｄトポグラフィを生成するための標準技法には、とりわけスタイラス機器、表面形状測定装置、超音波変換器、及びレーザー三角測量が含まれる。陰影からの形状復元法（ＳＦＳ）（shape-from-shading）及びフォトメトリックステレオ法（ＰＭＳ）（photometric stereo）を使用して、試料１を照射することによりトポグラフィを生成し、１つ又は複数の光源２、３は図１に概して表されたように斜光４、５を試料１に向かって５～８５度、より具体的には２５～７５度の角度に方向付ける。斜角照射は反射光６として対象の表面Ｓから反射され、デジタルカメラ７のＣＣＤ又はＣＭＯＳセンサなどの画像センサ（図示せず）によって捕捉される。光源は対象の周囲に配置された異なる位置に移動され、画像はこれらの異なる位置で撮られる。これらの画像は、適切な処理装置（複数可）８を利用して、公知の手段により試料１のトポグラフィを計算するために使用される。

明視野及び暗視野の機能を利用する標準の反射光顕微鏡が図２及び図３に示されている。この例では、顕微鏡１０はカメラ１２を具備している。また接眼レンズも存在してもよいので、数１２は広く接眼レンズ及び／又はカメラを表すものである。以下の説明は反射光顕微鏡を指すが、同様の技法は明視野／暗視野顕微鏡対物レンズを使用する透過光学顕微鏡又は器具に適用する。以下の説明では反射光顕微鏡１０を参照とするが、その技術は明視野／暗視野対物レンズを使用するあらゆる撮像システムに適用してもよい。システムは、概して光２４を提供する光源１４、垂直照射１６、明視野／暗視野（ＢＤ）スイッチ１８、及びＢＤ対物レンズ２０からなる。米国特許第３９３０７１３号及び第４６８７３０４号はＢＤ対物レンズについて説明している。標準のＢＤ対物レンズ２０では、光を試料１に導くために２つのチャネルが提供される。光２４は鏡２５に向けられ、鏡２５は光２４を下方に垂直照射１６、ノーズピース２８、及びＢＤ対物レンズ２０を通って試料１に向かって反射させる。概略的に示されたようにＢＤスイッチ１８は、遮蔽壁２１によって分離された明視野チャネル２２又は暗視野チャネル２６のいずれかを通過するように光２４を制限する役目を果たす。ＢＤスイッチ１８が図２に示されたように明視野位置にある状態で、光２４は明視野チャネル２２に入るように鏡２５に反射するビームに限定され、明視野チャネル２２により照射光２４’がＢＤ対物レンズ２０を通って試料１の表面Ｓに向かって試料１の面に垂直の角度（９０度）に方向付けられ、反射光３０が接眼レンズ又はカメラ１２を通過できる。図３に示されたように、ＢＤスイッチ１８が暗視野位置にあるときは、光２４は暗視野チャネル２６に入るように鏡２５に反射する環状ビームに限定され、暗視野チャネル２６は照射光２４’’を試料に向かって９０度未満、また具体的には２５～７５度に方向付ける環状チャネルである。

明視野内の光路（照射光２４’）はノーズピース２８の中心を通り、ＢＤ対物レンズ２０の明視野チャネル２２を通って投影されることが図２を見てわかる。反射光３０は反射して戻り明視野チャネル２２を通り、ノーズピース２８及び結像レンズ３２を通り、あらゆる接眼レンズによって影響され、かつ／又はカメラ１２によって捕捉される。明視野内の照射光２４’は試料１の表面Ｓに対して９０度であり、測定される反射光３０は照射光２４’に平行だが反対方向に移動することがここでわかる。投影された照射光２４’は全視野を照射する。

図３は暗視野モードにおける顕微鏡１０を示す。ここでは光２４は明視野チャネル２２を光が通らないように暗視野スイッチ１８によって遮断され、その代わりに照射光２４’’のように暗視野チャネル２６を通過するように方向付けられる。これにより光の環状ビーム（又は言い換えると、中空円筒もしくは環状円筒）が生成され、環状ビームは試料１に向かって対物レンズ２０及び暗視野チャネル２６の壁の設計によって決定された斜角で投影される。公知のように、ＢＤ対物レンズは鏡及び／又はプリズム及び／又は斜光を方向付けるために対物レンズの中に構築された光拡散体を有する。照射光２４’’は試料１の表面Ｓに反射し、反射光３０は明視野チャネル２２を上がって接眼レンズ又はカメラ１２に移動する。投影された暗視野照射光２４’’は、対物レンズの全外周（３６０度）の周囲から全視野を照射する。

明視野撮像では、試料１の少なくとも一部を撮る視野Ｆは、直接９０度の照射（入射照射光２４’は試料１の概ね載置面に対して直角である）によって満たされるのに対して、暗視野撮像では、視野Ｆは斜角照射（入射照射光２４’’は試料１の概ね載置面に対して斜角である）によって満たされる。暗視野照射は、ＢＤ対物レンズ２０の周囲３６０度にわたって均一に分配される。

本発明は、明視野においてＢＤ対物レンズが正常に又は上に説明されたように光を透過するように、標準のＢＤ顕微鏡又はＢＤ対物レンズを使用する他の器具を修正する。暗視野では暗視野チャネルを透過する光は、暗視野照射がＢＤ対物レンズの全周囲３６０度を通らず、むしろ周囲の一部のみを通るように制限される。

第１の実施形態では、本発明は、暗視野チャネル及び明視野チャネルを有するＢＤ対物レンズを利用する撮像システムで、試料の表面を撮像するための方法を提供し、ＢＤ対物レンズは周囲を有し、方法は、周囲の第１の弧を通って試料を斜角照射する第１の弧状照射光が暗視野チャネルを通って試料を斜角照射するステップであって、該第１の弧状照射光は試料の表面に反射する、斜角照射するステップと、試料の表面に反射する第１の弧状照射光から試料の第１の画像を記録するステップと、トポグラフィ撮像法を介して第１の画像を処理することにより試料の３Ｄトポグラフィを生成するステップとを含む。

第２の実施形態では、本発明はあらゆる前述の実施形態におけるような撮像システムを提供し、第１の弧は１度以上１８０度以下である。

第３の実施形態では、本発明はあらゆる前述の実施形態におけるような撮像システムを提供し、第１の弧は２度以上５度以下である。

第４の実施形態では、本発明はあらゆる前述の実施形態におけるような撮像システムを提供し、該第１の弧と異なる周囲の第２の弧を通って試料を斜角照射する第２の弧状照射光が暗視野チャネルを通って試料を斜角照射するステップであって、該第２の弧状照射光は試料の表面に反射する、斜角照射するステップと、試料の表面に反射する第２の弧状照射光から試料の第２の画像を記録するステップであって、３Ｄトポグラフィを生成する該ステップは、トポグラフィ撮像法を介して第２の画像を処理することを含む、記録するステップとをさらに含む。

第５の実施形態では、本発明はあらゆる前述の実施形態におけるような撮像システムを提供し、すべての該斜角照射するステップは、暗視野チャネル内に光バリアを提供するステップであって、光バリアはそれを通る光が通過できない本体、及びそれを通る光が通過できる暗視野開口を本体内に有する、提供するステップと、試料を斜角照射する弧状照射光を提供するために、照射光を暗視野チャネルの中に入れて光バリアまで達し、暗視野開口を通して送達するステップとを含む。

第６の実施形態では、本発明はあらゆる前述の実施形態におけるような撮像システムを提供し、あらゆる該斜角照射ステップの斜角照射を制御し、あらゆる該画像を記録するステップを制御する処理装置を含む。

第７の実施形態では、本発明はあらゆる前述の実施形態におけるような撮像システムを提供し、処理装置は３Ｄトポグラフィを生成する該ステップを制御する。

第８の実施形態では、本発明はあらゆる前述の実施形態におけるような撮像システムを提供し、明視野照射光が明視野チャネルを通って試料を直角照射するステップであって、該明視野照射光は試料の表面に反射する、直角照射するステップと、試料の表面に反射する明視野照射光から試料の第３の画像を記録するステップであって、３Ｄトポグラフィを生成する該ステップは、トポグラフィ撮像法を介して第３の画像を処理することを含む、記録するステップとを含む。

第９の実施形態では、本発明はあらゆる前述の実施形態におけるような撮像システムを提供し、トポグラフィ撮像法は、陰影からの形状復元法、フォトメトリックステレオ法、及びフーリエタイコグラフィ変調法から選択される。

第１０の実施形態では、本発明は試料の表面を撮像するための撮像装置に改良を提供し、撮像装置は暗視野チャネル及び明視野チャネルを有するＢＤ対物レンズを利用し、ＢＤ対物レンズは周囲を有する。改良は暗視野チャネル内に光バリアを置くことを含み、光バリアはそれを通る光が通過できない本体、及びそれを通る光が通過できる暗視野開口を本体内に有するので、本体は暗視野チャネルを通って試料に向かって移動する照射光を遮断する。開口は暗視野チャネルを通って試料に向かって移動する照射光の通路を画定し、従って周囲の弧のみを通る離散方向から暗視野チャネルを通って試料を斜角照射する弧状照射光を画定する。

第１１の実施形態では、本発明はあらゆる前述の実施形態におけるような撮像装置を提供し、該弧は１度以上１８０度以下である。

第１２の実施形態では、本発明はあらゆる前述の実施形態におけるような撮像装置を提供し、該弧は２度以上５度以下である。

第１３の実施形態では、本発明はあらゆる前述の実施形態におけるような撮像装置を提供し、該撮像装置によって撮られた画像にトポグラフィ撮像法を利用する処理装置をさらに備える。

第１４の実施形態では、本発明はあらゆる前述の実施形態におけるような撮像装置を提供し、光バリアは該周囲の種々の位置で該開口の配置ができるように回転する。

カメラによって記録するために試料を斜角照射する先行技術の方法及び装置の概略図である。 明視野撮像モードで示された先行技術の明視野／暗視野顕微鏡の概略図である。 暗視野撮像モードで示された先行技術の明視野／暗視野顕微鏡の概略図である。 明視野撮像モードで示された本発明による明視野／暗視野顕微鏡の概略図である。 暗視野撮像モードで示された本発明による明視野／暗視野顕微鏡の概略図である。 本発明の光バリアの一実施形態の上面図である。 本発明の光バリアの一実施形態の側面図である。 本発明の光バリアの別の実施形態の概略図であり、その中で２つの開口を選択的に覆い、開くために複数のプラグを提供することを示し、プラグは左の開口を開き、右の開口を覆うために動かされている。 図８Ａの光バリアの実施形態の概略図であるが、プラグは右の開口を開き、左の開口を覆うために動かされている。 本発明の光バリアの別の実施形態の概略図であり、本体はその中に複数の開口を有し、それぞれは独自に個別に作動するプラグを備え、それに関連した開口を開閉のいずれかのために作動する。 図９Ａの光バリアの実施形態の概略図であるが、関連したプラグの動きによって開かれる異なる開口を備えて示されている。

図４及び図５を参照すると、本発明による暗視野及び暗視野の機能性を利用する顕微鏡が示されており、数１１０で示されている。この実施形態では、顕微鏡１１０はカメラ１１２を具備している。また接眼レンズも存在してもよいので、１１２は広く接眼レンズ及び／又はカメラを表すものとする。以下の説明は反射光顕微鏡を指すが、同様の技法は透過光顕微鏡又はＢＤ対物レンズを使用する他の器具に適用する。システムは、概して光１２４を提供する光源１１４、垂直照射１１６（光ガイド）、明視野／暗視野（ＢＤ）スイッチ１１８、及びＢＤ対物レンズ１２０からなる。標準のＢＤ対物レンズ２０におけるように、試料１に光を導くために２つのチャネルが提供される。光１２４は鏡１２５に向けられ、鏡１２５は下方に垂直照射１１６、ノーズピース１２８、及びＢＤ対物レンズ１２０を通って光１２４を試料１に向かって反射させる。

概略的に示されたように、ＢＤスイッチ１１８は、遮蔽壁１２１によって分離された明視野チャネル１２２（図４）又は暗視野チャネル１２６（図５）のいずれかを通過するように光１２４を制限する役目を果たす。ＢＤスイッチ１１８が図４に示されたように明視野位置にある状態で、光１２４は明視野チャネル１２２に入るように照射光１２４’として鏡１２５に反射するビームに限定され、明視野チャネル１２２により照射光１２４’がＢＤ対物レンズ１２０を通って試料１の表面Ｓに向かって試料１の面に垂直の角度（９０度）に方向付けられ、反射光１３０が接眼レンズ又はカメラ１１２に移動できる。図５に示されたように、ＢＤスイッチ１１８が暗視野位置にあるときは、光１２４は暗視野チャネル１２６に入るように鏡１２５に反射する環状ビームに限定され、暗視野チャネル１２６は通過する光を試料に向かって９０度未満、また通常２５～７５度に方向付ける環状チャネルである。

一部の実施形態では、暗視野チャネル１２６は照射光を試料に向かって９０度未満、他の実施形態では８０度未満、他の実施形態では７０度未満、他の実施形態では８０度未満、他の実施形態では７０度未満、他の実施形態では６０度未満、他の実施形態では５０度未満、他の実施形態では４０度未満、他の実施形態では３０度未満の角度に方向付ける。一部の実施形態では、暗視野チャネル１２６は照射光を試料に向かって２０度を超える、他の実施形態では３０度を超える、他の実施形態では４０度を超える、他の実施形態では５０度を超える角度に方向付ける。

対物レンズの遠位端と試料との間の距離は作動距離（図５参照）として既知である。一部の実施形態では、作動距離は０．０５ｍｍ以上４０ｍｍ以下である。一部の実施形態では、作動距離は０．７ｍｍ以上３０ｍｍ以下、他の実施形態では、１ｍｍ以上２５ｍｍ以下である。一部の実施形態では、作動距離は１０ｍｍ以下、他の実施形態では５ｍｍ以下、他の実施形態では３ｍｍ以下、他の実施形態では２ｍｍ以下、他の実施形態では１．５ｍｍ以下、他の実施形態では１ｍｍ以下である。

一部の実施形態では、ＢＤ対物レンズ２０の視野は１０ｍｍ未満である。一部の実施形態では、ＢＤ対物レンズの視野は５ｍｍ未満、他の実施形態では２ｍｍ未満、他の実施形態では１ｍｍ未満、他の実施形態では５００μｍ未満、他の実施形態では２００μｍ未満、他の実施形態では１００μｍ未満、他の実施形態では５０μｍ未満である。

例えば１０μｍ未満の大きさの顕微鏡試料の場合、顕微鏡対物レンズの距離は対物レンズの作動距離に依存して試料の表面から５ｍｍ未満であることが多い。例えば５０ｘの対物レンズの通常の作動距離ＷＤは２ｍｍ未満であり、１００ｘの対物レンズは通常１ｍｍ以下である。対物レンズの物理的外径は通常２０～５０ｍｍである。例として２０ｍｍの直径の試料及び５ｍｍのＷＤで、表面に投影する光の角度は約２６度であるはずである。１ｍｍのＷＤのほとんどの場合、試料上に投影する光の角度は６度であるはずである。フォトメトリックステレオ法は３０～８０度の照射を使用することが最適である。次いで顕微鏡を使用する最も多くの場合、低入射角の斜角照射に起因して、フォトメトリックステレオ法又は斜角照明を必要とする他の撮像法を使用して、試料のトポグラフィを決定することはできないはずである。

本発明は試料の表面上に光を向けるために対物レンズの暗視野チャネルを使用する。これにより光源は照射の垂直軸に非常に接近することができる。上の標準照射では、光は対物レンズの半径の外側になければならなかった。暗視野チャネルの使用により、光源は試料の半径内にあり、基本的に光路に隣接することができる。このとき垂直軸からの距離は照射角度を４５度にできるＷＤとほぼ等しいことが可能である。この角度は対物レンズの設計によってわずかに変化してもよいが、通常２５～７５度の範囲である。従って本発明による撮像システムは、非常に狭い作動距離が多くの用途で必要であるにもかかわらず、斜角照射の角度を達成する。本明細書に教示の方法を使用して、標準方法によって達成できなかった顕微鏡用途におけるトポグラフィを決定することができる。

明視野における光路（照射光１２４’）はノーズピース１２８の中心を通り、ＢＤ対物レンズ１２０の明視野チャネル１２２を通って投影されることが図４を見てわかる。反射光１３０は反射して戻り明視野チャネル１２２を通り、ノーズピース１２８及び結像レンズ１３２を通り、あらゆる接眼レンズによって影響される、かつ／又はカメラ１１２によって捕捉される。明視野における照射光１２４’は試料１の概ね静止面に対して９０度であり、測定される反射光１３０は照射光１２４’に平行だが反対方向に移動することがここでわかる。図４は、試料１及び試料１上に投影された明視野の照射光１２４’の概略断面図を示す。投影された明視野照射光１２４’は全視野を照射する。

図５は暗視野モードにおける顕微鏡１１０を示す。ここでは光１２４は明視野チャネル１２２を光が通らないように暗視野スイッチ１１８によって遮断され、その代わりに照射光１２４’’のように暗視野チャネル１２６を通過するように方向付けられる。先行技術の図３の実施形態と同様に、光１２４のこの遮断により、鏡１２５に反射する光の環状ビーム（又は言い換えると、中空円筒もしくは環状円筒）が生成され、試料１に向かって投影される。しかし先行技術と異なり、照射光１２４’’の環状ビーム全体は、対物レンズ１２０及び暗視野チャネル１２６の壁の設計によって決定された斜角で試料に到達しない。そうではなくＢＤ対物レンズの全周３６０度未満から光の一部のみが、弧状照射光１２４＊のように試料に到達するために暗視野チャネルに送達される。この弧状照射光１２４＊は依然として全視野を照射するが、むしろ対物レンズの全周３６０度からそのように照射するより、限定された度（又は弧の分）の離散方向から、すなわち周囲の一部のみから照射する。他の実施形態では、弧状照射光１２４＊の暗視野投影は、限定された度（又は弧の分）の離散方向から全視野を照射し、暗視野照射はいかなる追加の照射もない。追加の照射は傾斜して導入された弧状照射光１２４＊によって生じる表面の陰影に干渉するはずである。このことは照射光１２４’’の光路内に光バリア１４０を位置付けることによって達成される。

一部の実施形態では、図６に示されたように、光バリア１４０はその中に暗視野開口１４４を備えた本体１４２を有するので、不要な照射光１２４’’は遮断され、所望の弧状照射光１２４＊は、先行技術で実施された全３６０度より少ない周囲を通って試料１に向かって投影されるために開口を通過する。光バリア１４０の本体１４２は照射光１２４’’を通過させない一方で、暗視野開口１４４は単に照射光１２４’’に対する開口経路を画定し、次いで照射光１２４’’は光バリア開口１４４の通過によって限定された後に弧状照射光１２４＊として画定される。また光バリア１４０も明視野チャネル１２２及び照射光１２４’、ならびに明視野又は暗視野照射のどちらからであろうと反射光すべてのための明視野開口１４６を画定する。

図５は試料１及び試料１上に投影された弧状照射光１２４＊の概略断面図を示す。投影された弧状照射光１２４＊は全視野だが、斜角で離散位置から照射する。再度図５を参照すると、暗視野チャネル１２６の左側のみがそれを通って移動する弧状照射光１２４＊を有して示されており、これは光バリア１４０内の暗視野開口１４４の場所を反映することがわかる。従って照射はその方向から由来し、斜角で視野を横切って光る。

一部の実施形態では、光バリア１４０はノーズピース１２８内に固定される。他の実施形態では、光バリア１４０は垂直照射１１６内に固定される。光バリア１４０及び本明細書に関連した概念をＢＤ対物レンズ１２０などの他の方法でも同様に実施できることが理解されよう。

一部の実施形態では、図５における実施形態のように、光バリア１４０はノーズピース１２８内に装着され、暗視野チャネル１２６及びそれを通って移動する光に侵入することなく（すなわち光は暗視野チャネル１２６内の軸受ハウジング１４８の侵入によって影響を受けないことが望ましい）、ノーズピース１２８に固定された軸受ハウジング１４８に固定される。軸受ハウジング１４８は、ＢＤ対物レンズ１２０の周囲の所望の位置に暗視野開口１４４を位置付けるために、光バリア１４０の回転が可能な軸受１５０を含み、従って試料１に向かって投影された弧状照射光１２４＊を画定する。回転は両矢印Ａにより図６に視覚的に表されている。

一部の実施形態では、ドライバ１５２は光バリア１４０を回転させて暗視野開口１４４を所望の位置に置く役目を果たす。一部の実施形態では、ドライバ１５２はベルト１５４を介して光バリア１４０と相互作用するモータであるが、歯車装置及び他の相互作用を利用することができる。またドライバ１５２は、光バリア１４０を回転させるために、軸受付きもしくはベルト付き、又は別法により光バリア１４０に関連した車輪又はノブなどの手動操作のドライバであることも可能であることが理解されよう。

一部の実施形態では、センサ１５６は、光バリア１４０に対して零点位置を同定するために適切な場所で顕微鏡１１０に装着される。顕微鏡１１０上のセンサ１５６は、センサを光バリア１４０上で参照要素に位置合わせすると、零点位置を同定する。零点位置は光バリア１４０、またより具体的にはその中の暗視野開口１４４に対する既知の開始位置を確立し、この既知の開始位置を使用して、カメラ１１２によって記録されたそれぞれの画像が試料に対して既知の照明位置に既知の開始位置を関連付けているように、撮像にインデックスを付ける。

カメラは撮像システムに有益なあらゆるカメラであることが可能であり、また特にトポグラフィ分析を意図して試料を撮像するために使用される。これらはＣＣＤ又はＣＭＯＳセンサを利用することが多い。

顕微鏡のすべての要素の制御を公知の方法で実施することができ、通常一部又はすべての制御は様々なハードウェア及び／又はソフトウェア及び／又はファームウェアを通して実施することができ、すべてを本明細書では処理装置１７０として表わされ示されていることが理解されよう。１つ又は複数の処理装置、とりわけジョイスティック、リレー、スイッチなどの無数のハードウェアを使用できる。処理装置１７０はカメラから撮られた画像を記録することができ、１つ又は複数の画像を分析し、撮像された試料の一部のトポグラフィ画像を再生成するために適切なアルゴリズムでプログラミングすることができる。

処理装置１７０によって実施されたトポグラフィ撮像法のために、対物レンズの周囲に対する斜入射光の位置付けを特定の画像に関連させることが特に必要であるか、又は少なくとも有益である。斜光によって生成された陰影は周囲に対する入射光の位置付けに依存し、零点位置を確立することは、複数の画像を撮り、それらの複数の画像に基づいてトポグラフィを計算するための工程を自動化する手助けとなる。一旦零点位置が確立されると、処理装置ならびに関連ハードウェア及び／又はファームウェア及び／又はソフトウェアは、周囲の第１の位置から斜角照射を提供し、画像を撮り、画像データを収集し、データを第１の位置からの照射と関連付け、次いで周囲の第２の位置から斜角照射を提供し、画像を撮り、画像データを収集し、データを第２の位置の位置データからの照射と関連付け、所望の数の照射位置から所望の数の撮像データセットを獲得するために所望通りに工程を繰り返す、自動化された工程を実行できる。一部の実施形態では、センサ１５６は光学近接センサであり、センサ１５６によって光る光は、センサ１５６及び参照要素１５８が位置合わせされると、光バリア１４０上で参照要素１５８によって遮断される。他の実施形態では、センサ１５６は磁気位置センサであり、参照要素として役立つ磁気を検知することによって働く。他の例としては機械リミットスイッチ及びホール効果センサがある。

一部の実施形態では、図７に見られるように、光バリア１４０は、２つの対向する壁１６０、１６２に分離側壁１６４を備えたスプール状形状を有する。ベルト１５４などのベルト（又は歯車装置もしくは他の駆動機構）は、光バリア１４０を駆動するために側壁１６４を係合できる。

一部の実施形態では、図８Ａ及び図８Ｂに示されたように、光バリア２４０は暗視野開口２４４ａ及び２４４ｂで表された複数の開口を有するが、あらゆる数の開口を明白な大きさの制約を考慮して利用することができる。暗視野開口２４４ａ、２４４ｂは、可動プラグ２４５ａ及び２４５ｂをそれぞれの暗視野開口２４４ａ、２４４ｂを選択的に遮断するために利用できるように、光バリアの本体２４２の外周に接合する。図８Ａの実施形態では、暗視野開口２４４ａ及び２４４ｂは互いに反対側にあり、可動プラグ２４５ａ及び２４５ｂは接合され、可動プラグ２４５ｂが暗視野開口２４４ｂを遮断すると、（図８Ａのように）可動プラグ２４５ａが暗視野開口２４４ａから取り除かれるように、また（図８Ｂのように）逆も同様であるように、プラグユニット２４７を形成する。これにより弧状照射光１２４＊を提供して、光が所望の暗視野開口２４４ａ、２４４ｂを通過でき、またプラグユニット２４７の位置付けを切り換えることにより弧状照射光１２４＊の位置付けを速やかに切り替えることができる。複数の切込み及び可動プラグを利用してもよく、また各プラグは図８Ａ及び図８Ｂの本例示的実施形態に確立された共通制御とは対照的にその独自の制御を有することができることが理解できる。

別の実施形態では、図９Ａ及び図９Ｂに示されたように、光バリア３４０は光バリアの本体２４２の周囲の６０度離間した６つの暗視野開口３４４ａ、３４４ｂ、３４４ｃ、３４４ｄ、３４４ｅ、及び３４４ｆを有する。別法として所望のあらゆる数及び位置を利用できる。暗視野開口３４４ａ～ｆは可動プラグ３４５ａ、３４５ｂ、３４５ｃ、３４５ｄ、３４５ｅ、及び３４５ｆがそれぞれの暗視野開口３４４ａ～ｆを選択的に遮断するために利用できるように、光バリア３４０の本体３４２の外周に接合する。この実施形態では、それぞれの可動プラグ３４５ａ～ｆはそれぞれの開口を遮断するために独立して作動できる。選択的動きを視覚的に表すために、プラグ３４５ａは図９Ａではその開口３４４ａから取り除かれて示されており、他のすべてのプラグはそれらのそれぞれの開口を遮断するために着座している一方で、図９Ｂではプラグ３４５ｂはその開口３４４ｂから取り除かれて示されており、他のすべてのプラグはそれらのそれぞれの開口を遮断するために着座している。

一部の実施形態では、このようなプラグをリニアアクチュエータ、ソレノイド、偏心、又は運動制御のあらゆる他の公知の方法によって動かすことができる。リニアアクチュエータ３４９ａ、３４９ｂ、３４９ｃ、３４９ｄ、３４９ｆが利用される。

あらゆる実施形態において、弧状照射光１２４＊の大きさは達成された結果及び所望の結果に基づいて所望通りに変えてもよい。これは暗視野開口１４４（又は２４４ａ、２４４ｂ）の大きさの選択を伴う。一部の実施形態では、弧状照射光１２４＊は１度以上１８０度以下（弧の６０分以上１０，８００分以下）の範囲である。他の実施形態では、弧状照射光１２４＊は４５度以上１２０度以下（弧の２，７００分以上７，２００分以下）、他の実施形態では、３０度以上４５度以下（弧の１，８００分以上２，７００分以下）、他の実施形態では、１０度以上３０度以下（弧の６００分以上１，８００分以下）、他の実施形態では、５度以上１０度以下（弧の３００分以上６００分以下）、また他の実施形態では、２度以上５度以下（弧の１２０分以上３００分以下）の範囲である。弧状照射光の大きさは、それと暗視野開口１４４が連通する環状暗視野チャネル１２６の弧に対して暗視野開口１４４の大きさに依存する。

本発明の別の態様は、光バリア１４０を使用してＢＤ対物レンズ１２０の周囲３６０度の周りの異なる位置から弧状照射光１２４＊で斜角照射された試料１の複数の画像を撮り、トポグラフィ撮像法によりこれらの画像からデータを処理することにより、３Ｄトポグラフィを生成するために上に説明された斜角照明するＢＤ顕微鏡を使用するものである。トポグラフィ撮像法の選択はいかなる特定の技法にも限定されないが、一部の実施形態では陰影からの形状復元法、フォトメトリックステレオ法、及びフーリエタイコグラフィ変調法から選択される。処理装置１７０はカメラ１１２から撮像データを受信し、撮像された試料１の領域のトポグラフィ表示を生成するように使用されるデータを生成するために、１つ又は複数のトポグラフィ撮像法を介してプログラミングされる。これは出力１７２で表される。陰影からの形状復元のアルゴリズム、フォトメトリックステレオのアルゴリズム、及びフーリエタイコグラフィ変調のアルゴリズムなどの公知の技法を使用して、弧状照射光の公知の大きさ、数、及び位置、斜角照射の角度で、３Ｄトポグラフィを生成できる。

陰影からの形状復元法（ＳＦＳ）などの一部のトポグラフィ撮像法では、トポグラフィデータ及び画像を生成するために、単一位置で弧状照射光から生成された単一の斜角照射された試料の画像で充分であることが可能である。フォトメトリックステレオ法などの他のトポグラフィ撮像法では、トポグラフィデータ及び画像を生成するために、２つの位置で弧状照射光から生成された少なくとも２つの斜角照射された試料の画像で充分であることが可能である。フーリエタイコグラフィ変調法などの他のトポグラフィ撮像法では、トポグラフィデータを生成するために、２つの位置で弧状照射光から生成された少なくとも２つの斜角照射された試料の画像に加えて明視野からの画像が必要であり、１０個以上の斜めの照射された試料の画像はフーリエタイコグラフィ変調法のためにより良好なデータを提供する。既存のアルゴリズム及びこの分野でさらに開発されるアルゴリズムは、当業者に必要な画像の型の数についての情報を提供する。本発明はアルゴリズムを考案又は変更せず、むしろ方法及びそれらの実施が可能な装置を提供する。

一部の実施形態では、処理装置１７０（これもやはりあらゆる数の適切な処理装置、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアを代表する）は光バリア、照射、画像収集、ならびにトポグラフィデータ及び／又は画像の生成の制御を自動化することが理解されよう。

従って本発明は試料を撮像するための方法を提供し、ＢＤ対物レンズを利用する撮像システムは暗視野チャネル及び明視野チャネルを有し、撮像される試料を中心に周囲を画定する。方法は、周囲の第１の弧を通って試料を斜角照射する第１の弧状照射光で暗視野チャネルを通って試料を斜角照射すること、及び試料の表面に反射した第１の弧状照射光から試料の第１の画像データセットを提供する第１の画像を撮ることを含む。一部の実施形態では、方法は、トポグラフィ撮像法を介して第１のデータを処理することにより、試料の３Ｄトポグラフィを生成することをさらに含む。一部の実施形態では、弧の大きさは弧状照射光１２４＊に対して上に説明されたように選択される。

他の実施形態では、方法は、該第１の弧と異なるＢＤ対物レンズの周囲の第２の弧を通って試料を斜角照射する、第２の弧状照射光で暗視野チャネルを通って試料を斜角照射すること、及び試料の表面に反射した第２の弧状照射光から試料の第２の画像データセットを提供する第２の画像を撮ることを含む。他の実施形態では、方法は、明視野照射光で明視野チャネルを通って試料を照射すること、及び試料の表面に反射した明視野照射光から試料の第３の画像を撮ることをさらに含む。他の実施形態では、方法は、該斜角照射するステップ及びｎ個の画像データセットを生成するあらゆるｎ個の画像に対して画像ステップを該撮ることを繰り返すことをさらに含む。他の実施形態では、ｎは２～１２、他の実施形態では３～９、他の実施形態では４～７、他の実施形態では６である。

他の実施形態では、該斜角照射するステップは暗視野チャネル内に光バリアを提供することであって、光バリアはそれを通る光が通過できない本体、及びそこを通る光が通過できる暗視野開口を本体内に有する、提供することと、試料を斜角照射する弧状照射光を提供するために、照射光を暗視野チャネルの中に入れて光バリアまで達し、暗視野開口を通して送達することとを含む。

他の実施形態では、方法は、あらゆる該斜角照射するステップの斜角照射を制御し、あらゆる該画像を撮るステップを制御する、処理装置ならびに関連したハードウェア及び／又はファームウェア及び／又はソフトウェアを含む。他の実施形態では、同じ又は異なる処理装置ならびに関連したハードウェア及び／又はファームウェア及び／又はソフトウェアは、３Ｄトポグラフィを生成する該ステップを制御する。

一部の実施形態では、光バリア１４０は、画像を単一位置から捕捉できるために静止したままでもよい。一部の実施形態では、光バリア１４０は、複数の画像を暗視野開口１４４の既知の特定の位置で捕捉できるために回転されてもよい。一部の実施形態では、光バリア（光バリア２４０など）は複数の開口及びプラグを有し、プラグは弧状照射光１２４＊のための通路開くために順次操作される。一部の実施形態では、２つの画像は１８０度離れて捕捉され、３つの画像は１２０度離れて捕捉され、６つの画像は６０度離れて捕捉されるなどのように位置は概して対称である。これらの測定は参照点として各弧状照射のそれぞれの弧の中心点を有するはずであり、測定は中心点から中心点まで行われることが理解されよう。本発明により、暗視野の斜光を使用して１つ又は複数の画像を捕捉でき、それでも明視野画像を９０度で捕捉できることを理解されたい。

前述の観点から、本発明は、撮像システム及び多くの方法で構造的かつ機能的に改良したトポグラフィ撮像方法を提供することにより、当技術を著しく前進させることを理解されたい。本発明の特定の実施形態を本明細書で詳しく開示してきたが、本発明の変形形態が当業者によって容易に理解されるので本発明はそれに又はそれによって限定されないことを理解されたい。本発明の範囲は以下の特許請求の範囲から理解されるべきである。

Claims (12)

1. ノーズピースと、暗視野チャネル、明視野チャネル及び周囲を有するＢＤ対物レンズとを含む、反射光顕微鏡及び透過光顕微鏡から選択された顕微鏡を含む撮像システムを用いて、試料の表面を撮像する方法であって；
   前記暗視野チャネルを通して第１の弧状照射光で前記試料を斜角照射し、それにより前記周囲における単一の第１の弧を通して前記試料を斜角照射し、前記第１の弧状照射光を前記試料の前記表面に反射させるステップであって、
   前記ＢＤ対物レンズの外側であって、かつ前記ノーズピース内に光バリアを配置し、前記光バリアはそれを通して光を通過させない回転可能な本体、及びそれを通して光を通過させる前記本体の外周に離間して設けられ、かつ選択的に遮断することができる複数の暗視野開口を有し、
   照射光を前記光バリアに当てて前記暗視野開口を通して前記暗視野チャネルの中に導入し、前記試料を斜角照射する前記第１の弧状照射光を提供する、ステップを含む、
   前記斜角照射するステップと；
   前記試料の前記表面に反射する前記第１の弧状照射光から前記試料の第１の画像を記録するステップであって、前記試料の前記表面に反射する前記第１の弧状照射光が前記明視野チャネルを通って戻り、前記第１の画像として記録されるステップと；
   トポグラフィ撮像法を介して前記第１の画像を処理することにより前記試料の３Ｄトポグラフィを生成するステップであって、トポグラフィデータは第１の画像を記録するステップで記録された前記第１の画像から生成されるステップと；
   を含む、方法。
2. 前記第１の弧は１度以上１８０度以下である、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の弧は２度以上５度以下である、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の弧と異なる前記周囲における単一の第２の弧を通して前記試料を斜角照射する第２の弧状照射光で、前記暗視野チャネルを通して前記試料を斜角照射し、前記第２の弧状照射光を前記試料の前記表面に反射させるステップと、
   前記試料の前記表面に反射する前記第２の弧状照射光から前記試料の第２の画像を記録するステップであって、前記試料の前記表面に反射する前記第２の弧状照射光が前記明視野チャネルを通って戻り、前記第２の画像として記録され、３Ｄトポグラフィを生成する前記ステップは、トポグラフィ撮像法を介して前記第２の画像を処理することを含む、ステップと
   を含む、請求項１に記載の方法。
5. あらゆる前記斜角照射するステップの前記斜角照射を制御し、あらゆる前記画像を記録するステップを制御する、処理装置を含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記処理装置は３Ｄトポグラフィを生成する前記ステップを制御する、請求項５に記載の方法。
7. 明視野照射光が前記明視野チャネルを通って前記試料を直角照射するステップであって、前記明視野照射光は前記試料の前記表面に反射する、直角照射するステップと、
   前記試料の前記表面に反射する前記明視野照射光から前記試料の第３の画像を記録するステップであって、前記試料の前記表面に反射する前記明視野照射光は前記明視野チャネルを通って戻り、前記第３の画像として記録され、３Ｄトポグラフィを生成する前記ステップは、トポグラフィ撮像法を介して前記第３の画像を処理することを含む、ステップと
   を含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記トポグラフィ撮像法は、陰影からの形状復元法、フォトメトリックステレオ法、及びフーリエタイコグラフィ変調法から選択される、請求項１に記載の方法。
9. 試料の表面を撮像するための撮像装置において；
   反射光顕微鏡及び透過光顕微鏡から選択された顕微鏡であって、
   ノーズピースと、
   暗視野チャネル、明視野チャネル及び周囲を有するＢＤ対物レンズと、
   前記ＢＤ対物レンズの外側であって、かつ前記ノーズピース内に配置された光バリアとを含み、前記光バリアはそれを通る光を通過させない回転可能な本体、及びそれを通して光を通過させる前記本体の外周に離間して設けられ、かつ選択的に遮断することができる複数の暗視野開口を前記本体内に有し、前記本体は前記暗視野チャネルを通って前記試料に向かう照射光を遮断し、前記開口は前記暗視野チャネルを通って前記試料に向かう前記照射光の通路を画定し、それによって前記開口は、離散方向から前記ＢＤ対物レンズの周囲の弧のみを通り、前記暗視野チャネルを通って前記試料を斜角照射する第１の弧状照射光を画定する、顕微鏡と；
   前記試料の前記表面に反射する前記第１の弧状照射光から前記試料の第１の画像を記録する手段であって、前記試料の前記表面に反射する前記第１の弧状照射光が前記明視野チャネルを通って戻り、第１の画像を記録する前記手段により撮像される手段と；
   トポグラフィ撮像法を介して前記第１の画像を処理することにより前記試料の３Ｄトポグラフィを生成する処理装置であって、トポグラフィデータが前記記録手段により撮像された前記第１の画像から生成される処理装置と；
   を含む、撮像装置。
10. 前記弧は１度以上１８０度以下である、請求項９に記載の撮像装置。
11. 前記弧は２度以上５度以下である、請求項１０に記載の撮像装置。
12. 前記処理装置は、前記周囲の種々の位置に前記開口を配置できるように、前記光バリアを回転させる、請求項９に記載の撮像装置。

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