JPH03200099A

JPH03200099A - Ｘ線顕微鏡

Info

Publication number: JPH03200099A
Application number: JP34352889A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Horikawa; 嘉明堀川
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1989-12-28
Publication date: 1991-09-02

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、Ｘ線顕微鏡、特に生体観察や半導体検査等に
好適な高解像度軟Ｘ線顕微鏡に関するものである。

〔従来の技術〕

可視光を用いた通常の光学顕微鏡の分解能はほぼ０．２
μｍであり、より高解像の観察には電子顕微鏡が用いら
れている。しかし、電子顕微鏡による観察を行なう為に
は脱水・固定等の前処理が必要であり、また真空中で観
察を行なわなければならないという欠点があるので、高
解像で尚且つ空気中で観察できる軟Ｘ線領域の光を用い
た軟Ｘ線顕微鏡が開発されている。特に生体観察を目的
にしたものとして、２３〜４３人の「水の窓」と呼ばれ
る波長領域を用いるＸ線顕微鏡の開発が行なわれている
。

軟Ｘ線顕微鏡は、光源と、光源から放射された光を試料
上に集光するコンデンサーレンズと、試料から反射或は
透過した光や蛍光等を拡大結像する対物レンズと、結像
された像を検出する検出器とから構成されている。検出
された画像は、ＣＲＴ等に表示される。

軟Ｘ線領域においては、あらゆる物質の屈折率はｌに近
く、屈折・反射の現象がほとんど起こらない。また、吸
収も大きい。そこで、対物レンズとしては、全反射現象
を用いた斜入射光学系、多層膜を用いた直入射反射光学
系、回折を用いたゾーンプレート光学系が用いられてい
る。

結像光学系の分解能（解像力）δは一般的に下記式で与
えられる。

δ＝０．６１λ／ＮＡ但し、λは波長、ＮＡは対物レンズの開口数である。

使用する波長を４０人とすると、斜入射光学系では全反
射角の関係からＮＡは最大０．０６程度と見積もられ、
上記式から、分解能δは約４００人、即ち０．０４μｍ
程度となる。球面のみを用いた直入射反射光学系では、
幾何光学的な収差量からＮＡは０．２５程度が限度と考
えられ、分解能δは約１００人、即ち０．０１μｍとな
る。従って、軟Ｘ線顕微鏡の分解能は、０．０５〜０．
Ｏ１μｍ程度である。今後、技術が改良されれば、更に
分解能の向上が考えられる。使い易い大きさの軟Ｘ線顕
微鏡を考えた場合、対物レンズの倍率は１００倍くらい
であり、検出器の分解能は数μｍ以下であることが必要
となる。

軟Ｘ線の検出器としては、マイクロチャンネルプレート
（ＭＣＰ）、ＣＯＤ等の固体撮像素子が用いられるが、
各画素間の間隔はいずれも１０μｍ以上あり、分解能が
不足している。従って、何らかの手段で像を再拡大して
から、ＭＣＰやＣＯＤで検出する方式が用いられている
。再拡大の手段には、電子光学的に像を拡大するイメー
ジ型検出器を用いる装置や、対物レンズによる拡大像を
更に拡大レンズによって拡大する装置が提案されて説明
する。先ず電子銃２０から放出される電子をコンデンサ
ー電子レンズ２１によってターゲット２２上に収束し特
性Ｘ線（軟Ｘ線顕微鏡の場合は、発生するＸ線のうち軟
Ｘ線を用いる。）を発生させる。このＸ線を試料２３に
照射し、試料２３を透過したＸ線をウォルター型対物レ
ンズ２４によってＣａｌなどの光電変換面２５上に拡大
投影する。この光電変換面２５によってＸ線を一旦電子
に変換してから電子レンズ２６によって電子光学的に再
拡大し、電子による拡大像をＭＣＰ２７上に結像させる
。ＭＣＰ２７によって増幅した像は蛍光面２８によって
可視光に変換し、その像をＣＣＤカメラ２９によって検
出する。以上の系はチェンバー３０によって真空に保た
れている。

又、特開昭６１−２９２６００号公報に記載のものは軟
Ｘ線のままで拡大しようというもので、これは第３図に
示した如く、軟Ｘ線によって照明された試料３１の像を
斜入射型対物レンズ（この例では、ウォルター型）３２
によって拡大し、その最初の像３３を更に斜入射型全反
射鏡（この例では、ウォルター型）３４によって再拡大
し、再拡大された軟Ｘ線による像３５をＭＣＰ３６やＣ
ＣＤによって検出する。

〔発明が解決しようとする課題〕

対物レンズによって拡大された像を更に拡大レンズによ
って再拡大する装置は、軟Ｘ線のままで拡大する為光量
損失が大きいという問題がある。

又、装置が大きくなるという問題もある。

又、軟Ｘ線拡大像を光電変換面で電子に変換し、電子レ
ンズによって再拡大してからＭＣＰで検出する装置は、
装置が複雑になり、また電子レンズによる収差も問題と
なる。更に、光電変換面を変換されずに透過した軟Ｘ線
が直接検出器に入射し画像に影響するという問題もある
。

本発明は、上記問題点に鑑み、簡単な構成でｌθμｍ程
度の分解能を持つ軟Ｘ線検出器の使用を可能にして、０
．０１μｍという高い分解能を有するＸ線顕微鏡を提供
することを目的としている。

［課題を解決するための手段及び作用］本発明によるＸ
線顕微鏡は、Ｘ線光源と、該Ｘ線光源から発したＸ線が
照射された物体からのＸ線により該物体の像を形成する
Ｘ線対物レンズと、該Ｘ線対物レンズにより形成された
像を受けるフォスファーと、該フォスファーから発した
可視光により像を形成する光学対物レンズと、該光学対
物レンズにより形成された像を受ける受像手段とを備え
ていることを特徴としている。

即ち、本発明によるＸ線顕微鏡は、フォスファー　（ｐ
ｈｏｓｐｈｏｒ：軟Ｘ線を可視光に変換する部材、例え
ば蛍光体、燐光体）によって軟Ｘ線を可視光に変換した
後、通常の光学顕微鏡の対物レンズによって拡大してか
らＭＣＰやＣＣＤによって画像を検出する構成としたも
のである。

ここで、可視光とは通常の光学顕微鏡で結像させること
ができる波長域の光を指すものであり、従って一般にい
われている赤外領域及び紫外領域の一部をも含むもので
ある。

軟Ｘ線拡大像の焦点深度は深いので、変換効率の点から
はフォスファーを出来るだけ厚くして多くの軟Ｘ線を可
視光に変換するのが良いが、厚過ぎると光学顕微鏡の対
物レンズで拡大するときに、デフォーカス像となって重
なり分解能を劣化させる原因となる。それを防止する為
には、フォスファーの厚さを制限する必要がある。フォ
スファーの厚さり、は、フォスファーによる蛍光像を拡
大する光学顕微鏡の対物レンズの焦点深度で制限するの
が望ましい。即ち、蛍光の波長をλ１、光学顕微鏡の対
物レンズの開口数をＮＡｏとじて、下記条件を満足する
のが望ましい。

ＤＦ＜λＦ／（２・ＮＡｏ”　）尚、フォスファーで変換されずに透過してきた軟Ｘ線は
光学顕微鏡の対物レンズによって吸収さ１′１れるので、像を劣化させる心配はない。但し、フォスフ
ァーで変換された可視光（赤外、紫外も含む）の波長域
が対物レンズの色収差補正領域より大きい場合には、適
切なフィルターを用いて波長領域を限定する必要がある
。

光学顕微鏡の対物レンズの倍率は１００倍まで容易に使
うことができるから、再拡大された像は、画素間ピッチ
がｌＯμｍ程度のＭＣＰ或はＣＣＤの様な固体撮像素子
等可視光用の検出器で検出することができる。

フォスファーには感度むらが存在するが、試料の無い状
態で検出した画像のデータの逆数（或は、逆数に相当す
る値）を補正データとして、実際に試料を観察した画像
データに掛けて補正することにより感度むらは除去でき
る。これによって、同時にＭＣＰやＣＣＤ等の固体撮像
素子、及びコンデンサーレンズによる照明のむらも補正
することができる。フォスフ７−による感度むらがフォ
スファー〇粒塊による場合は、粒塊の像が補正困難とな
るので、フォスファー面の粒塊の大きさの数分の１ずつ
光軸に垂直な方向に移動させながら露光し平均化するこ
とによって、粒塊の影響を除くことができる。

以上の様に、簡単な構成で０．０５〜０．０１μｍとい
う高分解能Ｘ線顕微鏡を実現することができる。また簡
単な画像処理を用いた感度むら補正を行なうことによっ
て、良質の軟Ｘ線顕微鏡画像を得ることができる。

〔実施例〕

以下、図示した一実施例に基づき発明の詳細な説明する
。

第１図は本発明によるＸ線顕微鏡の一実施例の光学系を
示している。ｌは例えば出力ＩＪ／ｐｕｌｓｅ　、繰り
返しが１０ＨｚのＮｄ：ＹＡＧレーザ等の高出力パルス
レーザ光源、２は集光レンズ、３はターゲット、４は全
反射を利用した回転楕円鏡から成るコンデンサーレンズ
であって、これらが後述の如く軟Ｘ線を発生して空気中
の試料６上に照射する軟Ｘ線光源として構成されており
、ターゲット３とコンデンサーレンズ４は射出窓５を有
する真空チェンバー７内に収容されて真空状態に保たれ
ている。尚、射出窓５は、軟Ｘ線を透過し且つ大気圧に
耐える様に例えば直径２００μｍ。

厚さ０，１２μｍの５ｉｓＮ＋薄膜から成っている。

材料は、他にポリイミド等が用いられる。

８は多層膜を用いた直入射反射型のシュヴアルツシルド
型対物レンズであって、例えば倍率１００倍、ＮＡｏ、
２５、即ち分解能０．０１μｍである。

９はカバーガラス１０上に塗布された分解能が１μｍ程
度の７オスフアーであって、その材料としては、Ｇｄ２
Ｏ２Ｓ　：　Ｔｂ、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ　：　Ｅｕ。

Ｌａ２０２　Ｓ　：Ｔｂ、Ｌａｗ　Ｏｓ　Ｓ　：　Ｅｕ
等Ｙ。

Ｌａ、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｔｍ、Ｙｂ系の材料が用いら
れる。フォスファー９の厚さＤＦは、蛍光波長を０．５
４５ｏｍ　（Ｔｂ、Ｅｕの場合は０．６１２μｍ）とす
ると、約０．６μｍである。又、カバーガラスＩＯの厚
さは０．１７ｆｆｉ＋１である。１１は可視光に変換さ
れた像を拡大する対物レンズであって、生物用の有限設
計のもので倍率２０倍、ＮＡｏ、７である。１２は光電
変換面、１３は１０μｍピッチ即ち分解能が約２０μｍ
のＭＣＰ、１４は蛍光面であって、ＭＣＰ１３は光電変
換面１２と蛍光面１４で挟まれているので光量増幅され
る。

そして、これらは、入射窓１５を有する真空チェンバー
１６内に収容されて真空に保たれているが、可視光に適
用される部分は空気中に存在させても良い。但し、ＭＣ
Ｐ１３は真空中に置かなければならない。１７はＣＣＤ
カメラである。

本実施例は上述の如く構成されているから、先ず高出力
パルスレーザ光源ｌから出力されたレーザ光が集光レン
ズ２によってターゲット３上に集光される。そして、集
光されたレーザ光によってターゲット３上に高温高密度
プラズマが生じ、軟Ｘ線が発生する。発生したＸ線は、
コンデンサーレンズ４によって集束せしめられ、射出窓
５を透過して試料６上に照射される。試料６を透過した
軟Ｘ線は入射窓１５を透過してシュヴアルツシルド型対
物レンズ８に入射する。尚、軟Ｘ線が２３〜２４人の「
水の窓」の波長域のものである場合、射出窓５と入射窓
１５の間隔を数ｍｍ以下にして軟Ｘ線の減衰を防ぐ必要
がある。

シュヴアルツシルド型対物レンズ８で１００倍に拡大さ
れた軟Ｘ線による試料６の像は、フォスファー９によっ
て可視光に変換され、対物レンズ１１により更に２０倍
拡大される。従って、２０００倍に拡大された像がＭＣ
Ｐ１３上に結像されるが、ＭＣＰ１３の分解能が約２０
μｍであるから、２０００分の１の０．０１μｍがほぼ
解像できることになる。最後に蛍光面１４をＣＣＤカメ
ラ１７で撮像することにより最終的な画像が得られる。

尚、軟Ｘ線から可視光への変換効率が高く光量が多い場
合には、ＭＣＰ１３の代りに直接ＣＣＤによって再拡大
された像を検出することもできる。

又、パルスレーザの１パルスで１画像検出するのが基本
であるが、ショット雑音等の軽減の為積算平均化処理等
を行なうこともある。

尚、フォスファー９は感度むらがあるので、試料６を置
かないときの画像データＩｃ　（ｘ、ｙ）を得てＮｃ回
積算平均し、其の逆数をＣ（ｘ。

ｙ）として補正に用いることにより感度むらを除去でき
る。積算平均処理を行なうのは、検出器のショット雑音
の影響を除く為である。こうすることにより、ＭＣＰ１
３とＣＣＤカメラ１７の画素間の感度むら及び光源の照
明むらの影響も軽減することができる。試料６を置いた
ときの観察画像のデータのノイズ軽減の為Ｎ回積算平均
した値を１ｏ　　（ｘ、ｙ）とすると、観察画像Ｉ　　
（ｘ、ｙ）は、１　　（ｘ、　　ｙ）　　＝Ｉ　ｏ　　（ｘ＋　　ｙ）
　　×Ｃ（ｘ、ｙ）である。

フォスファー９の材料によっては、粒塊が目立つ場合が
ある。この場合には、フォスファー９を光軸に垂直な方
向に微小量移動しながら、画像を検出し、積算平均を取
ることにより粒塊の影響を除去する。粒塊の大きさが２
μｍで、積算処理回数を１０回とすると、０．２μｍず
つ移動しながら検出処理を行なう（１０Ｈｚのパルスレ
ーザを用いているので１秒処理に必要である）。フォス
ファー９の移動は、振動の影響を避ける為、ＰＺＴ等の
電歪素子を使うのが好ましい。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明によるＸ線顕微鏡は、簡単な構成で
ＩＯμｍ程度の分解能を持つ軟Ｘ線検出器の使用を可能
にして、０．０１μｍという高い分解能を有するという
実用上重要な利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるＸ線顕微鏡の一実施例の光学系を
示す図、第２図及び第３図は夫々各従来例の像再拡大系
を示す図である。ｌ・・・高出力パルスレーザ光源、２・・・集光レンズ
、３・・・ターゲット、４・・・コンデンサーレンズ、
５・・・射出窓、６・・・試料、７，１６・・・真空チ
ェンバー８・・・シュヴアルツシルド型対物レンズ、９
・・・フォスファー　ＩＯ・・・カバーガラス、１１・
・・対物レンズ、１２・・・光電変換面、１３・・・Ｍ
ＣＰ、１４・・・蛍光面、１５・・・入射窓、１７・・
・ＣＣＤカメラ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｘ線光源と、該Ｘ線光源から発したＸ線が照射さ
れた物体からのＸ線により該物体の像を形成するＸ線対
物レンズと、該Ｘ線対物レンズにより形成された像を受
けるフォスファーと、該フォスファーから発した可視光
により像を形成する光学対物レンズと、該光学対物レン
ズにより形成された像を受ける受像手段とを備えたＸ線
顕微鏡。
（２）フオスファーの厚さＤ＿Ｆが下記条件を満足する
ことを特徴とする請求項（１）に記載のＸ線顕微鏡。Ｄ＿Ｆ＜λ＿Ｆ／（２・ＮＡ＿ｏ＾２）但し、λ＿Ｆは蛍光の波長、ＮＡ＿ｏは光学対物レンズ
の開口数である。
（３）フォスファーによる感度むらを、試料を置かない
ときに検出した画像データの逆数に相当する値を、試料
を置いたときの観察画像データに掛け算することによっ
て除去することを特徴とする請求項（２）に記載のＸ線
顕微鏡。
（４）フォスファーの粒塊による感度むらを、フォスフ
ァー自体を光軸に微小量ずつ移動しながら画像を検出し
積算平均化処理を行なうことによって除去することを特
徴とする請求項（２）に記載のＸ線顕微鏡。