JPH0371100A - 結像型軟ｘ線顕微鏡装置 - Google Patents

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、主として生体観察のための高分解能の結像型
軟Ｘ線顕微鏡装置に関する。

〔従来の技術〕

従来から提案されているＸ線顕微鏡は、次の４種類に大
別される。

■まず、光学系を持たないものとして、点Ｘ線源から発
生するＸ線の発散光束中の点Ｘ線源の近くに試料を配置
し、その後方の離れた位置にＸ線フィルム又は二次元Ｘ
線検出器を配置した投影拡大型。

■同じく光学系を持たないものとして、Ｘ線源としてほ
ぼ平行なＸ線光束を供給するものを用いて、試料とレジ
ストを密着して配置する密着型。

この場合のＸ線源としては、シンクロ［・ロン放射（以
下、単にＳＲという。）、プラズマＸ線源や電子線励起
Ｘ線源が用いられる。

■光学系によりＸ線ビームを微小スポットに絞り、ビー
ムと試料とを相対的に走査する走査型。

この場合には、Ｘ線源としてはＳＲを用い、Ｘ線ビーム
を微小スポットに絞るための光学素子としては、フレネ
ルゾーンプレート（以下、単にＦＺＰという。）又は多
層膜鏡や全反射鏡が用いられる。

■ＳＲ、プラズマＸ線源や電子線励起Ｘ線源からなるＸ
線源と、ＦＺＰ又は多層膜鏡や全反射鏡等の光学素子を
用いて試料上にＸ線を集光し、同様の光学素子によって
試料の像をフィルムや蛍光板又は二次元Ｘ線検出器上に
形成する結像型。

〔発明が解決しようとする課題〕

」１記のごとき従来のＸ線顕微鏡は、以下のように最適
化が不十分でＸ線照射量も多く、技術的に生きた生体の
高分解能観察は困難であった。

すなわち、■投影拡大型では、高輝度点Ｘ線源が必要と
されるところ、一般には強度が不足するため長時間露光
が必要となり、このため動態観察が困難である。また、
フレネル回折の影響による分解能の低下を避けるため、
試料を薄切することが必要となっており、生きたままで
の観察は困難であった。

■密着型では、レジスト以外には高分解能検出器がない
ため、レジストの現像処理が必要で、実時間観察が困難
である。また、倍率が１であるため別途電子顕微鏡など
で拡大観察する必要かある。

さらに、この場合にもフレネル回折の影響による分解能
の低下を避けるため、投影拡大型と同様に試料の薄切と
いう破壊観察が必要となっている。

■走査型では、指向性の良いＸ線源が必要とされ、この
ためにはＳＲのような犬がかりなＸ線源を用いなければ
ならず装置が極めて大型になるという欠点があった。し
かも、所望の画像を得るための走査時間すなわち露光時
間が長くなるため、動態観察か困難である。

■結像型においては、ＦＺＰを使用する場合には効率が
低いため高強度のＸ線源としてＳＲのような大がかりな
Ｘ線源が必要である。また、鏡を使用した結像型では分
解能の向上が難しく、光学系も大きくなるという欠点が
あり、未だ最適化が不十分であった。

本発明の目的は、非固定・非破壊で最小の照射Ｘ線量に
よって生きた生体の動態を２０ｎｍ程度の高分解能で観
察することのできる小型な結像型のＸ線顕微鏡装置を提
供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によるＸ線顕微鏡装置は、基本的には上記結像型
を採用し、第１図に示した如く、Ｘ線源からのＸ線を単
一の凹面非球面多層膜鏡コンデンサーによって試料上に
集光し、結像光学系としての位相ゾーンプレートＰＺＰ
を用いて、二次元Ｘ線撮像素子」二に試料像を拡大形成
する構成を有している。

そして、単一の凹面非球面多層膜鏡コンデンサーとして
は、最も形状が簡単で製作が比較的容易な回転楕円体多
層膜反射鏡とすることが有効である。

また、パルスＸ線源としては、パルスレーザ−によるプ
ラズマＸ線源を用い、レーザ光をターゲット上に集光し
て微小領域からＸ線が発生ずる構成とし、ターゲットを
回転楕円体多層膜反射鏡の第一焦点に配置し、試料をそ
の第二焦点上に配置している。そして、多層膜鏡によっ
てＸ線の単色化を行い、パルスレーザ−により励起発光
される１パルスのＸ線で光子計数撮像を行うシステムと
したものである。

具体的には、Ｘ線の波長λ、スペクトル幅をΔλとする
とき、二次元Ｘ線撮像素子に入射する画素当たりの最大
検出光子数ｎ１８゜を ２５　　≦ｎｍａｘ＜λ／Δλ となるようにパルスＸ線源のＸ線強度を調整し、１パル
スで光子計数撮像を行うこととした。そして、そのとき
のパルス幅を１μｓ以下とし、このｌパルスで撮像可能
な強度のパルスＸ線源を使用している。ここで、多層膜
反射鏡の層構造の周期数Ｎｃを５０〜４００として、λ
／Δλも５０〜４．００となるように単色化すると共に
収差補正の良好な回転楕円体多層膜反射鏡により、パル
スレーザＸ線源からのＸ線を試料上に高効率で一様に集
光する。

そして、高効率・高分解能な位相ゾーンプレートからな
る対物光学系によって生体試料の拡大像を形成する。

ここで、ＩＯμｍ程度の厚さの生体を非固定・非破壊で
内部観察するため軟Ｘ線の波長域は２．３〜４、４ｎｍ
を使用する。これは生体の蛋白質や脂質がコントラスト
差として認識でき、かつ細胞の厚さ程度を透過する波長
域であるためである。

そして、試料の生きたままでの観察を行うため、次のよ
うな観点で装置を構成した。

（ａ）　Ｘ線光路は真空であるため、試料は水を含む厚
さ１０μｍ程度の容器内に収納して観察することとした
。

（ｂ）動く生体の観察のため、μｓｅｃ程度の露光時間
どし、このためにパルスＸ線源と結像型光学系を採用し
た。

（ｃ）最小限の放射線損傷で観察するため、２０〜５０
ｎｍ程度の高分解能を維持しつつ高い効率を維持する位
相ＺＰを対物光学系とし、多層膜鏡による凹面反射鏡に
よるコンデンサー光学系を用いてＸ線の単色化を行い、
これに基づいて光子計数撮像を可能とした。

（ｄ）そして、実時間観察するため二次元Ｘ線撮像素子
を採用し、通常は試料に損傷を与えることの少ない光学
顕微鏡で観察し、必要時にＸ線顕微鏡観察を行うことと
した。

〔作　用〕

Ｘ線は生体に与える損傷が大きく容易に致死量を越える
ため、Ｘ線顕微鏡では最小の照射量で必要な画像が取得
出来るように工夫する必要があり、この為上記の如き本
発明の構成では、光子計数による撮像法を採用した。こ
の光子計数撮像法を利用し、生体の動態を最小の損傷で
観察するために、最小のＸ線照射量、検出限界コントラ
スト、検出限界蛋白質厚さ、Ｘ線画像の階調、ドーズ量
（単位質量当たりのＸ線の吸収量）、パルス幅、スペク
トル幅などを以下のような考え方で最適化した。

（ｉ）光子計数撮像による検出限界とドーズ量第２図は
、二次元光子計数のようすを示す図であり、試料面上は
分解能δと焦点深度２Ｄ、とで形成される微小領域に分
割され、これが撮像素子の１画素に対応する。そして、
各画素での透過する光子数の差により画像が形成される
。各画素にはｎ。の光子が入射し、透過する光子数は各
画素の透過率により種々の値をとる。

いま、分解能で規定される隣接画素のＸ線光子の検出を
独立な確率事象と見なし、Ｘ線光子はポアソン分布に従
うと仮定する。（光学系のＭ”ＦＦ、フレアやゴースト
の影響は除外する。）更に、主として吸収差によりコン
トラストが形成され、回折散乱により結像光学系外に失
われるＸ線は無視できると仮定する。（回折散乱Ｘ線だ
けを結像に利用する暗視野照明法は除外する。） 隣接画素の光子数の差の平均値が、その分散よりある程
度大きければ画像の検出が可能となる。

従って、照射光子数をｎ。〔光子数／画素〕とすると、
画素Ｉｌｌ、　＋１２での光子検出の事象の平均値Ｅ分
散Ｖと検出限界ＳＮ比（Ｓ／Ｎ）、との間には、次式が
成立する。

透過率をＴとすると、平均は Ｅ（Ｐ＋）−’ｒ Ｅ（ｐ２）−Ｔ２ 、分散はポアソン分布では Ｖ（Ｉ’１）＝Ｔ Ｖ（Ｐ２）−Ｔ。

となり、第２図の様にＸ線検出光子数ｎ、は、ｎ＋＝Ｔ
−ｎｏであるから、ｎｌ＋ｎ２は各々、ｎｌ−ＴＩ　−
ｎｏ。

ｎ２°丁２　°ｎｏｖ となる。

ここでコントラストＣを次のように定義する。

ｎ＋　　＋　ｎ２　　　　　　Ｔｌ　　４−Ｔ２（１，
）（２）より、 Ｃ２（ｎ＋　　＋ｎ２）≧　（Ｓ／Ｎ）ｄとなるが、検
出限界コントラストＣ６（１の場合、画素当たりの最大
検出光子数は ｎ、ｍ５！＃（ｎ　＋　＋　ｎ　２）／　２となること
から、検出限界コントラストＣ４は、次のようになる。

１ Ｃｄ＃（Ｓ／Ｎ）ａ　／　、／　２　ｎ　ｍａ、　　　
　　（３）通常ゼロから最大光子数までの階調が得られ
るが、画像として信頼性のある再現階調数ｄ、は次のよ
うになる。

ｄ、　＃　１／Ｃｄ　＝　（、／２　ｎ、、、、、　）
　／　（Ｓ／Ｎ）、＋　　（４，１検出限界ＳＮ比は検
出方式や検出器の種類等により異なるが、信号としての
識別限界を２光子／画素に相当するものとして、次のよ
うに仮定する。

（Ｓ／Ｎ）ｄ　＃、／２　　　　　　　　　　　　＋５
）ここで、第３図に示すように、試料の厚さをｔ１蛋白
質の厚さをｔｐ、水と蛋白質の線吸収係数をそれぞれ、
Ａ、、Ａｐとすると、水のＸ線透過率ＴＷは次のように
なる。

Ｔ、　＝ｅｘｐ（−Ａｗ−ｔ）　　　　　　　　（６）
また、これより試料のＸ線透過率Ｔｓは次のようになる
。

Ｔ、＝Ｔ、　・ｅｘｐ　［−（Ａ、−Ａｗ）　・ｔ　ｐ
ｉ　　（７）試料の最大透過率Ｔ３４、。は水の窓の波
長域〔２，３〜４．４ｎｍｌでは、Ａ、〉Ａ、＃である
から、２ Ｔ　ｌ　１１１１　Ｘ　＝　Ｔ　＠ となり、このときの光子数が最大検出光子数ｎ　ｍａｘ
となる。

焦点深度内での検出限界の蛋白質の厚さｔｐｄは、（２
）式と、Ｔ、＝Ｔ、、Ｔ、＝Ｔ、より、次のようになる
。

Ｘ線照射により生ずる生体損傷は主としてドーズ量によ
って決定される。（ドーズ量は単位質量当たりのＸ線吸
収量である。） 試料の平均透過率を Ｔ　ｓ　ｍミｆＴ８ｄＳ／ｆｄＳ 密度をρ、顕微鏡の分解能をδ、試料容器の窓の透過率
をＴｅｓ対物の効率をη。とすると、平均吸収率は（１
−Ｔ、□）、照射光子数はｎｏ−ｎｍ、ｘ　／　（Ｔ、
・Ｔ、　　・η。）光子のエネルギーｈνと質量ρ・δ
２・ｔ　から、ドーズ量り、、（δ）は、次のように与
えられる。

以上の式によれば、画素当たりの最大検出光子数ｎｍ１
Ｘを与えると、検出限界コントラストＣ□、再現階調数
ｄ、が求まり、またＸ線の波長から線吸収係数Ａ、、Ａ
、を求めると、検出限界の蛋白質の厚さｔｐｄが決まり
、さらに試料の平均透過率Ｔ　ａ＋ｎ、試料容器の窓の
透過率Ｔ、、、水の透過率Ｔｗ、対物の効率η。、試料
の密度ρ、試料の厚さｔ、対物の分解能δから、ドーズ
量　Ｄ。、（δ）か（９）式のとおり、求められる。

すなわち、本発明における光子計数撮像法においては、
画素当たりの最大検出光子数ｎ□１゜を与えることによ
って、主要な性能すなわち検出限界（コントラストと階
調）やドーズ量などが決定される。

（ｉ］）最小照射線量でのＸ線顕微鏡画像の撮像そこで
、上記のごとき原理的解析結果に基ついて、本発明では
光子計数撮像法における最適な最小Ｘ線照射線量を以下
のように求めた。

すなわち、以下のような例から実用的には、最大検出光
子数は、 ２５≦ｎ、、、、　＜　２００ 程度が適当である。

これに従い、最小照射線量は画素当たりの最大検出光子
数が、上記の範囲になるような照射量である。

上記の最大検出光子数は、以下のような検討に基づいて
決定された。まず前提条件として、■使用波長は水の窓
の波長域（２，３〜４．４ｎｍ）の中でも、水の透過率
が良く、且つ生体のコントラストが得られやずい２．５
ｎｍ程度とする。

■水と蛋白質の線吸収係数はこの波長に対して、Ａｗ　
＝０．１３／　ｕｒｎ Ａ、Ｐ＝１．５／μｍ ■試料の厚さｔは、水の透過率と細胞の厚さのバランス
から、細胞１個が観察できる厚さ１０μｍとする。

■平均透過率Ｔ５□は、細胞の平均の蛋白質厚さを５ ｔ　ｐｆｆｉ＝０．１５・　ｔ としたものとする。

■試料の密度はρ＃１　ｇ／ｃｍ３ ■試料容器の窓の透過率は、Ｔ、　＝０．６３、動物の
効率は、η。＝０．３とするが、これについては後述す
る。

このような前提において、最大光子数ｎ□□。を与える
と次のような結果が得られる。

（ａ）　ｎ、ｘ　＝１００の場合 （イ）検出限界コントラスｈｃａ＝ｏ、を再現階調数ｄ
、！；１０階調 （ロ）検出限界蛋白質厚さｔ　ｐａ　＃１．５０ｎｍ（
ハ）ドーズ量Ｄｍ（２０ｎｍ）＃４　ＸＩＯ’　Ｊ／Ｋ
ｇＤ、、、（５０ｎｍ）均６　ＸＩＯ”　Ｊ／Ｋｇが求
められる。ここで、分解能δが２０ｎｍの場合にはドー
ズ量が致死量（＝　ｌ　ｘ　１．０’Ｊ／Ｋｇ　）を超
える。

（１））ｎｍａｘが２００以上の場合には、上記（ａ）
の場合よりも、低コントラストの試料を観察が可６ 能となるが、以下のような問題点が生ずる。

（イ）ドーズ量が増大し、細胞の致死量を大きく超える
。

（ロ）光子検出の精度を維持するため一層の単色化が必
要となり、多層膜鏡等の他に分光素子が必要になる（後
述）。

（ハ）スペクトル幅が狭くなり、Ｘ線源の利用効率が低
下するため、より強力で大型のＸ線源が必要となる。

（ｃ）ｎ、ｎ、、が２５以下の場合には、分解能２０ｎ
ｍの場合でも、ドーズ量は致死量以下に低減されるが、
検出限界コントラストＣ６は０．２以上、再現階調ｄ、
が５以下、限界蛋白質の厚さが３００ｎｍ以上となり、
画質や試料検出の制約が大きくなり、実用」二問題とな
る。

（ｄ、　）性能の評価と試料処理 イ）上記（ａ）の（ロ）のように、蛋白質の厚さｔ２が
検出限界厚さｉｐａよりも薄い場合は、厚さｊ、＝＝８
．４ｎｍの金などで生体染色をすることによって、試料
のコントラストが上記Ｃ，＃０．１よりも大きくできる
ため、容易に観察することができる。生体染色するため
の金の厚さｔｇａは上記（８）式においてＡ２の代わり
に金の線吸収係数Ａ１２４／μｍ　〔λ＝　２．５ｎｍ
ｌを代入して求められる。

口）このように、細胞内小器官やウィルス等の薄い低コ
ントラスト試料の観察には、生体染色が必要不可欠であ
る。また、特定部位に生体染色を施してコントラストを
更に大幅に向上させることによって、Ｘ線照射線量の低
減も可能である。

例えば、コントラストＣｍ０．１の試料の観察には、最
大光子数ｎ□、、　＝１００が必要であるが、この試料
にｔ、−８゜４ｎｍの厚さの金の生体染色をすると、コ
ントラストがＣｍ０．２に向上するため、上記（３）式
より、最大検出光子数ｎ□、アは２５で染色試料の検出
が可能である。すなわち、照射線量が１／４になり、従
ってドーズ量は１／４に低減される。

ハ）上記（ａ）の（ハ）のように、分解能δ２０ｎｍの
時、ドーズ量は細胞の致死量＃　Ｉ　Ｘ１０’Ｊ／Ｋｇ
を超えているが、このような場合には、生体損傷を低減
するため冷却して細胞の代謝を遅らせるなどの処理をす
ることが有効である。

（ｉｉｉ）フレアがある場合の検出限界結像素子として
ゾーンプレートを使用する場合、１次回折光が結像光と
して利用されるが、それ以外の次数の回折光によりフレ
アが発生する。このフレアの影響は次のように考えられ
る。

一般にフレアは像面に一様に広がり、光学系による絞り
や試料のピンボケ像と見なせる。従って、後述のように
フレアの強度は照射強度、試料の平均透過率と視野の大
きさ（実視野径）に依存する。

光学系のフレア率をη１　（後述のように算出可能）と
すると、フレア光子数ｎ、と検出光子数ｎｌ　はそれぞ
れ次式のようになる。

ｎ、ζη。・η＋　　’Ｔ、ｍ”　ｎｏ　　　　　（１
，［１）ｎ、　’＝−ｒ）。（Ｔｓ＋ｙ）ｒ　　−Ｔ、
）　ｎ、　　　（Ｉｆ）（１１）より、各画素での検出
光子数はそれぞれ、９ ｎｌ　＃　ηＩｌ　（Ｔ１　＋η、・ＴＳ□）ｎ０ｎ２
＃　η。（Ｔ２　＋ｎｔ　―Ｔ、、、）ｎｏとなり、最
大検出光子数は、 ｎｍｔｘ’　　ｎｏ　　（Ｔｌｍａｘ　＋　７７　ｔ　
”　Ｔｏｍ）　ｎ　。

となる。

フレアがある場合、検出可能な像のコントラストＣ１と
求めたい試料のコントラストＣ５は、区別する必要が生
ずる。それぞれのコントラストを次のように定義する。

Ｃ＋　＝　Ｉ　ｎ、＋　−１２１／　（ｎ１＋ｎ２）　
　ｏ２）Ｃ，ミＩＴ、　−Ｔｌ　＋／　（Ｔ、　＋Ｔ２
）　　（１３）上記のｎｌ＋ｎ２とＴ、、Ｔ２の関係か
ら、次式が成立する。

Ｃｍ　＝Ｃ＋　（ｎ＋＋ｎ２）／　（ｎｌ＋ｎ２２ｎ、
＋）（１，４）像のコントラストＣ１と検出限界ＳＮ比
には、（ｉ）で述べたのと同様に、 Ｃｔ”（ｎ　１＋　ｎ、　２）≧（Ｓ／Ｎ）、２（１，
５）が成り立つ。そして、 ｎｍ５ｘ　”　（ｎ　ｌ＋　ｎ　２）／　２となり、こ
れと（１４）（１５）より、試料の検出限界コント０ ラストＣ，，、再現階調数ｄ、＋ａ、検出限界蛋白質厚
ｔｐｄはそれぞれ、次のようになる。

Ｃ＋ａ＃（Ｓ／Ｎ）ｄ　／　（（、／２　ｎ、、、、）
（１−ｎ　Ｉ／ｎ、、、、）］　（１６）ｄ　＝　ｄ　
＃１　／　Ｃ＝　ｄ ”　　ｆ　（ｖ’　２　ｎ−−−）（１，ｎ　＋／ｎ−
−ｄｉ　／　（Ｓ／Ｎ）ａ　（１７）ｔ　ｐｄ＃　２　
Ｃ−ｄ／　（Ａ　−Ａ−）　　　　　　　　　　　　（
Ｉａ以上より、フレアの存在によって性能が劣化するが
、その検出限界は上式により評価、算出が可能である。

（ｉｖ）動態観察に必要なパルス幅 分解能δ、速度Ｖとすると運動物体のぶれや変形のない
鮮明な画像を得るのに必要な露光時間ｔｘは、 ｔｘ≦δ／（１０・ｖ）　　　　　　　　　　　　　（
創程度にすることが必要である。本発明のＸ線顕微鏡で
は分解能δ＃ｌｏｎｍをめざしており、原形質流動・繊
毛や鞭毛運動の速度の最大値Ｖ□８ｘは、■□、、　１
ｍｍ／ｓ なので露光時間ｔｘ、 ｊｘξ１μｓ となる。１μｓという極短時間の露光は走査型では実現
が困難な為、パルスＸ線源を用いた結像型の顕微鏡シス
テムとすることが合理的である。

また、１μｓという極短時間の露光システムは、試料の
熱運動や装置の振動に対しても有利であり、防振装置を
小型に構成することが可能となる。

（ｖ）光子計数の最大検出光子数とスペクトル幅上述の
ように生きた生体の動態観察のためには、従来のような
時系列的な光子計数ではなく、１μｓ程度の瞬時に全画
素の光子数を検出する必要がある。そこで光子の計数誤
差を無くすため、波長差によるエネルギー差が１光子の
エネルギーより小さい必要から、次式が成り立つ。

Δｎｅ１〕ｅν〉ｎｍＩア・ｈ・Δν ここで、Δｎ＝１．シ＝ｃ／λ シ／Δシ＝λ／Δλ であるから、最大検出光子数ｎ□１、は、次のようにな
る。

ｎｍ−−＜λ／Δλ　　　　　　　　　　（２０）とこ
ろで、前述のとおり最大検出光子数は、２５≦ｎｍ□＜
２００ とするのが適当である。

そして、スペクトル幅Δλは、これを規定する多層膜鏡
の多層膜の周期数Ｎ。との関係は、後述のように、 λ／Δλ−ｑＮｃ　　　　　　　　　　（２１）となっ
ているので、 ｓｏ＜　Ｎ　ｃ　＜　４００ とすれば、Ｘ線の単色化の条件が満たされることになる
。

ここで、多層膜の周期数Ｎｃとしては、４００程度まで
とすることによって、より一層低コントラストの試料に
ついての観察が可能となる。例えば。

Ｎｃが１００の場合に比べて１／２のコントラストの試
料の観察が可能となる。しかし、生体のドーズ量は４倍
に増え、生体の損傷が大きくなって生体の観察後には生
体が死滅する場合が多くなる。

３ そして、周期数をさらに増すことによって一層の単色化
を図ることができるため対物光学系の色収差の制約が少
なくなり、有効視野の拡大等の性能向上が図れる。しか
しながら、通常の材料の組合せにおいては層数の増加程
には反射率が向上しない。しかも、Ｘ線源からのＸ線の
利用効率を低下させることとなり、より強ノノなＸ線源
を必要とするため、装置全体が大型化してしまう。この
ため、周期数は４００程度までが限度であり、Ｘ線源の
小型化と生体の損傷の観点からは、これ以上の単色化は
実用的ではない。

一方、多層膜の周期数Ｎ。が５０より少なくなる場合に
は、光子計数における照射光子数を低減でき生体の損傷
を軽くすることができるが、単色化が難しくなって対物
光学系の色収差が著しくなると共に、光子計数の計数誤
差が大きくなる。このため、検出性能の低下を招き高コ
ントラストの試料しか観察できず実用上問題となる。し
かも、周期数が少ない場合には、多層膜鏡においてはＸ
線領域での十分な反射率を達成することが難しくな　４
− る。

（ｖｉ　）二次元Ｘ線撮像素　の感度 理想的な最高感度は１光子を検出できることであるが、
軟Ｘ線領域ではＸ線光子１個が入射した場合、信号とな
る平均発生電子正孔対の数が暗時雑音電子数より大きく
なるため、量子効率、開口効率が１００％に近いものが
得られれば実現可能となる。

固体撮像素子の場合、使用Ｘ線波長λ−２，５ｎｍ。

光電検出素子がＳｉでは、平均発生電子正孔対の数ｎｐ
は１３７、標準偏差ｖ’　ｎ　ｐ　Ｆが４、ファノ因千
Ｆが０．１２、暗時雑音電子数が５０（電子／画素）と
なり、冷却により１．０（電子／画素）程度まで低減す
ることが可能である。

〔実施例〕

以下、本発明による結像型Ｘ線顕微鏡装置の構成につい
て、図示した実施例に基づいて説明する。

第１図は、パルスレーザ−１によるレーザを集光レンズ
３によって、真空保持用窓４を介してディスク又はテー
プ状の薄膜ターゲット５に集光し、必要な強度及び波長
のＸ線を発生させる。パルスレーザ−１の発光の制御は
パルス制御部２によって、所望のパルス間隔（最大３０
１（Ｚ）でなされる。Ｘ線薄膜ターゲット５からのＸ線
は回転楕円体多層膜反射鏡９によって試料容器１２内の
試料１３に集光される。そして、結像光学系としての位
相ゾーンプ１ノートＰＺＰ１．４を用いて、二次元Ｘ線
撮像素子１５上に試料像を１００倍（分解能１０１００
ｎ〜５００倍（分解能２０ｎｍ）に拡大形成する。二次
元Ｘ線撮像素子１５としては、例えば、背面照射型のＦ
Ｔ−ＣＣＤのような固体撮像素子が有効である。

このような構成では、図示のとおり　パルスレーザ−に
よるＸ線薄膜ターゲット５が回転楕円体多層膜反射鏡９
の第一焦点に配置され、試料１３がその第二焦点上に配
置される。そして、多層膜鏡によってＸ線の単色化を行
い、パルスレーザ−により励起発光されるｌパルスのＸ
線を照射し、二次元Ｘ線撮像素子１５によって光子計数
撮像を行う。

ここで、試料Ｉ３を水平に保って観察するために、照射
及び観察Ｘ線は鉛直方向に配置し、Ｘ線励起用のレーザ
は水平配置とした。具体的には、ターゲット５と励起用
のレーザビームとの角度を約３５°とし、Ｘ線の回転楕
円体多層膜反射鏡９への入射角を６５°程度としている
。そして、Ｘ線薄膜ターゲット５の交換及び飛散物等の
廃棄除去手段６、絞り７及び中性粒子やプラズマの遮蔽
窓８により、所定の方向にＸ線が照射するように構成し
ている。遮蔽窓８はまた、Ｘ線の強度ｎ７．８を２００
未満とする調整用のフィルタとしても機能している。コ
ンデンサーとしての回転楕円体多層膜反射鏡９の背面に
は、Ｘ線の吸収による温度上昇、劣化を防止するための
水冷の冷却装置＝２７＝ １０か設けられている。

試料容器１２の直前には、視野絞り１１か設けられてお
り、この開口径は観察倍率に応じて適切な大きさに交換
されるが、同一倍率においてもフレア防止やコントラス
ト向上のために適宜の口径のものが使用される。

二次元Ｘ線撮像素子１５から出ノノされる画像情報は、
画像処理部１６で処理され、デイスプレィやプリンタ等
の画像出力部１７に出力される。尚、画像の処理部１７
は、Ｘ線源側に配置された強度調整用フィルタ８と連動
して、最大検出光子数ｎ０．つが２００未満の適当な値
になるように調整する機能を有している。

以上の各構成要素に対して、コンデンサーとしての回転
楕円体多層膜反射鏡９から二次元Ｘ線撮像素子Ｉ５の受
光面までは真空に保持するために、真空容器１８内に収
納されている。真空容器１８内の圧力は、Ｘ線の吸収を
無視てきる、１Ｏ−２Ｐ　ａ程度に保たれている。また
、Ｘ線薄膜ターゲッ［・５の周囲には、飛散物等が生し
るために除去手段８ ６等が必要となっているので、別の真空容器Ｉ９によっ
てＸ線源部を隔離することが必要となっている。

以上の如き構成において、画素当たりの最大検出光子数
ｎ□、を１００とした場合に、μｓｅｃ以下程度のｌパ
ルスの瞬時に光子計数撮像を実現するための、Ｘ線源や
光学系の最適仕様について、以下に詳述する。

まず、Ｘ線源の利用効率が定まり、光学系の効率が決ま
ると最終的なＸ線源のパルス強度（Ｘ線源の仕様）が決
定され、さらにレーザ励起のＸ線源を用いる場合には、
レーザの仕様も決定される。

各観点について順次説明する。

（Ｖｌ１）無指向性光源の径と利用効率結像型Ｘ線顕微
鏡の基本的構成は、第４図の如くであり、ターゲット５
からのＸ線はコンデンサー９により試料容器１２内の試
料１３に集光され、対物光学系１４によって二次元Ｘ線
撮像素子１５上に拡大像を形成する。ここで、効率や透
過率を以下のように定義する。

ＮＡ、　　：コンデンサーの入射側開口数ＮＡ。二対物
の入射側開口数 φ３　、Ｘ線源部の直径 φ６　、コンデンサーが利用可能なＸ線源部の直径 φ。、試料の実視野直径（絞り径） ηＷ　Ｘ線源からのスペクトル利用効率η、　Ｘ線源か
らの空間的利用効率 η、・コンデンサーの効率（集光効率）η。・対物の効
率 Ｔ５　：試料の透過率 Ｔｃ　・試料容器の窓の透過率 まず、Ｘ線源の利用効率は空間的な利用効率とスペクト
ル利用効率の積となり、必要な性能を満たした上で効率
が最高になるようにＸ線源の種類と光学系の方式、種類
を選定して設計することが必要である。

■Ｘ線源の光学系による空間的利用効率η、は、φＳ２ となる。

但し、φＣ≦φｓ　　、　　ＮＡｃ≦１である。

また、正弦条件と対物の視野と開口数より、ＮＡ、−φ
、＝ＮＡｏ−φ。　　　　　　（２３）であるから、こ
れを用いて、実際の効率η９を求めることができる。後
述のように、本発明では倍率によらず（２３）式の値は
、１．１２５μｍである。

上記の式に示されているように、大開口数のコンデンサ
ーが作れる限り光源径が小さいほど利用効率が高い。最
適光源径とコンデンサーの開口数は、 φ５　＃９μｍ η、＃］、、５６　　％ φ６　＃φ５ １ ＮＡ、？０．１２５ となる。これより光源径が小さいと開口数を大きくする
必要があるため、コンデンサーの設計・製作が困難にな
り、またレーザプラズマＸ線源ではＸ線発生効率が低下
する。逆に光源径が大きいと利用効率が低下し、強度不
足となり１パルスでの撮像の目的には使用困難となる。

■Ｘ線源のスペクトルの利用効率は、多層膜反射鏡によ
る分光スペクトル幅（Δλ／λ′；１．／２００）とＸ
線源のスペクトル特性から、 ηＷξ工０−１・Δλ／λ＃５ＸＩＯ’程度となる。

（ｖｉｉ）光学系の効率 一方、使用波長２．５ｎｍの場合、実現可能な光学系の
効率は次のようになる。

すなわち、コンデンサーとしての回転楕円体多層膜反射
鏡の反射効率η。は、ニッケルＮｉとバナジウムＶ等の
多層膜とすれば、 ηＣ＃０．３ ２ 試料容器の窓の透過率Ｔｃは、試料容器がＳｉ３Ｎ。

とすると、 Ｔｃ＃０．６３ 対物の効率η。は、位相ゾーンプレートの１次回折光の
効率η、であるから、後述のように、η。！−＋０．３ となる。

（ｉｘ）Ｘ線パルス強度と出力 Ｘ線源のパルス強度と出力は、上述の如き光源の利用効
率、光学系の効率、試料の透過率、検出器の感度（光子
計数）より計算される。

（ｖｉ）　　（ｖｉｉ）より、Ｘ線顕微鏡光学系の総合
効率ηは、 η−η。・Ｔ％　　・η。・η７・ηＳ　　　（２４＞
３Ｘ１．０−’ となる。

これから検出器１画素に対応するＸ線源の光子数をｎ、
とすると、検出器の１画素に到達する光子数ｎ１は、 ｎ　＋　＝Ｔｓ　　・７７　・ｎｓ　　　　　　　　　
　（２５）となる。

試料の最大透過率をＴ、□−−Ｔｗ＝０．２７３最大光
子検出数をｎｍｉ。−１００ とすると、必要なＸ線源光子数ｎ、は ｎｓ　＝ｎ、、、　／　（Ｔｗ　・７７）　　　　　　
　（２６）ＩＸ１０９　Ｃ光子／画素〕 となる。

Ｘ線光子のエネルギーε２を、 ε、　＝ｈｖ＝１．９　Ｘｌ０−１７Ｊ　［λ＝　２．
５ｎｍｌＮＴＳＣ方式準拠の画素数から、撮像素子の外
接円内の画素数Ｎ１を、 Ｎ、＝πＸ　（４，５０）２＝６．４　Ｘ　１．０５と
すると、１枚のＸ線画像を得るに必要なＸ線パルス強度
ＰＸと毎秒３０画像を得るに必要なＸ線出力Ｉｘは、次
のように与えられる。

Ｐｘ　−Ｎ＋　　’　ｎｓ　　”　ｅ＋、〜５０　Ｃｍ
Ｊ／画像：］　　（２７）Ｉｘ−１，５Ｗ 上記のＸ線をレーザ励起プラズマによって発生させるの
が後述のように望ましい。レーザにより発生させるＸ線
の発生効率ηつをηＸ＝０．１とすると、レーザパルス
強度Ｐ、とレーザ出力■、は、Ｐ８−ηウ　・Ｐ＋、よ
り、次のようになる。

Ｐ　Ｌ−５００（ｍＪ／画像〕 ＩＬ＝１５Ｗ 上記のようなＸ線源とパルスレーザは製作可能である。

（ｘｉ）Ｘ線源の仕様と方式 以上のようにして、Ｘ線源の最適仕様が定められた訳で
あるが、この仕様に合致するＸ線源としては、パルスレ
ーザを用いたレーザプラズマＸ線源が最適である。他方
式のプラズマＸ線源や電子線励起Ｘ線源は、Ｘ線源の大
きさが０．１〜１ｍｍφと大きいため、（ｖＩＩ）■で
述べたように、利用効率が低くなり強度不足で実用に耐
えない。

無指向性のＸ線源としては、上述の結果をまとめると、
以下の条件が必要となる。

５ ａ）Ｘ線源径〜１０μｍφ ｂ）Ｘ線スペクトル；　２．３　ｎ、ｍ−４，、４ｎｍ
ｃ）Ｘ線パルス幅く１μ５ ｄ）Ｘ線パルス強度＞５０ｍ、Ｊ ｅ）Ｘ線繰り返し周波数〜３０Ｈｚ この条件を達成するために、レーザ励起プラズマＸ線源
が適しているが、そのレーザとしてはスラブレーザーの
高調波又はエキシマレーザ−などのパルスレーザ−を使
用することか有効である。具体的には、厚さ数μｍのタ
ーゲット材料を選定したうえで、以下の（ｆ）〜Ｕ）の
項目について最適化することによって、」１記の条件が
満たされる。

１）レーザー・Ｘ線変換効率〉０゜１ ｇ）レーザー波長〜２５Ｏｎ、ｍ １］）レーザー集光径〜１０μｍφ ｉ）レーザーパルス幅く１μｓ Ｊ）レーザーパルス強度＞５００ｍ、Ｊ（ｘｉｊ）コン
デンサーの方式と最適化コンデンサーの効率η。と開口
数、及びｒ１１色化６ の程度については前述したところから、以下の条件が求
められている。

ａ）Ｘ線源の小型化のために 反射率（効率）ηｃ４３０％が必要。

ｂ）Ｘ線源の効率的利用ために 開口数：ＮＡｃ＃０．１２５が必要。

ｃＨパルスで光子計数撮像するための単色化（分光スペ
クトル幅）の程度として λ／Δλ＃２００ そして、さらに照明系としては、以下の（ｄ）（ｅ）（
ｆ）の条件を満たすことが必要である。

ｄ）最小限の光学素子によって効率良く照明を行うため
、臨界照明法を用い、その時の光源倍率Ｍは、Ｍ−実視
野／Ｘ線源径　となる。

ｅ）Ｘ線を効率的に集光、照明むらの除去のため収差補
正を良好に行うことが必要である。

ｆ）照明系の小型化のためにＸ線源と試料間の垂直距離
は、２００〜８００ｍｍ程度が望ましい。

ｇ）コンデンサーには前記（ｖｉｉ）■より試料に照射
される強度の２０００倍程度の極めて強いＸ線が照射さ
れるため、光学素子の保護のため、冷却することが必要
である。

これらの条件を達成するには、ニッケル・バナジウムな
どで膜周期数をＮ、　＃　２００程度とした回転楕円体
多層膜鏡が有効である。

尚、多層膜として具体的には、本願と同一出願人による
特願昭６：３−１．８９６４０号や特願昭６３−１８９
６４１号に開示したもの等がある。

これらの条件をゾーンプレートや全反射鏡のような他の
光学素子で実現することは困難である。

例えば、ゾーンプレー１・では輪帯数や開口数を大きく
することが必要となるが、その製造は困難である。具体
的には、光源−試料間の距離ＬＣを１．００ｍｍ　、　
ＮＡｃ　＝０．１２５　、光源倍率Ｍ＝２の場合（分解
能２０ｎｍ、倍率５００倍の対物との組合せ）、後述の
式から、ゾーンプレートの輪帯数は３１２５００゜最小
線幅６．７ｎｍ、輪帯半径４．１７ｍｍとなり、現状の
技術では製作が困難である。そして、冷却についても、
ゾーンプレートはその構造上困難である。

また、全反射鏡では単色化のために別に分光素子が必要
となり、開口部遮蔽のため光源の空間的利用効率も低い
。更に、球面多層膜鏡では１面では収差補正が困難なた
め、効率の良い均一な照明ができないし、収差補正のた
めに２面の反射を用いる場合には、低反射率と開口部遮
蔽のため低効率となる。例えば２つの反射球面を用いた
シュワルツシルト型の場合、反射率３０％の多層膜を使
用しても、中央部遮蔽を考慮するならば、せいぜい５％
程度の集光効率になってしまう。

以」二の観点からして、コンデンサーとしては１回の反
射で収差補正が良好で効率的な集光を可能とし、最も簡
単な形状の回転楕円体多層膜鏡か最適である。しかも、
回転楕円体面の加工精度は結像系に用いるのとは異なり
、形状精度は２００ｎｍ程度、表面粗さは０．２ｎｍ程
度なので製作か可能である。また、素子の冷却について
も、回転楕円体多層膜鏡であれば、その裏面を水冷にて
冷却することができるので極めて有効である。

このような多層膜鏡においては、反射Ｘ線の分光特性は
第５図のようになる。第５図では、横軸９ に波長λ（又は反射角度θ）、縦軸はＸ線強度を示す。

また、第６図は多層膜の構成を示す概略断面図であり、
多層膜へのＸ線の入射角を法線を基準として測った角度
θとして示している。

ここで、多層膜によって分光されるスペクトル幅Δλは
、次のように決定される。

可干渉距離（λ２／Δλ〉と、多層膜の周期数Ｎｃ及び
多層膜の１周期の厚さｄｌとの間には、２Ｎｃ　　−ｄ
Ｔｃｏｓθ　＝λ２／Δλ　　　（２８）が成り立つ。

一方、隣接周期間の干渉の条件から、次のブラッグの条
件が成り立つ。

２ｄＴＣＯ３θ−λ　　　　　　　　　　　（２９）こ
の（２９）式と（２８）式とから前記した（２１）式の
関係か求められる。

ところで、回転楕円体多層膜鏡においては、第７図に示
す如く、ターゲット５から発生するＸ線の入射角が回転
楕円体多層膜鏡９の反射領域ごとに異なり、その変化量
が以下に示す反射の許容角度幅を超えている。従って、
同一構成の多層膜では、領域によって反射率が大きく低
下する。この０ ため、反射領域ごとに入射角の変化に対応して多層膜の
膜厚比を変える必要がある。ただし、同一反射点での入
射角の幅αは、反射の許容角度幅内である。具体的には
、第７図に示した如く、回転楕円体反射鏡９の中心部で
のＸ線入射角をψ、反射鏡の両端での入射角をψ＋Δψ
、ψ−Δψとする。そして、入射角が変わった場合に多
層膜としての所定の反射率が維持できる角度幅、即ち入
射許容角度幅をｄθとすると、上記（２１）式と（２９
）式から、多層膜鏡の有効反射の許容角度幅は多層膜の
周期数Ｎ。との間には、 ｔａｎθ−ｄθ勾１　／ＮＣ（３０） となる。一方、照明系では、正弦条件が満たされている
とすると、 Δφ”−（ｓｉｎ　’（ＮＡｃ）　−５ｉｎ−’（ＮＡ
ｃ／Ｍ）　ｌ　／　２さらに、ＮＡＣ＜１であるので、 Δψ勾ＮＡＣ（Ｍ−］、　）　／　（２・Ｍ）となる。

従って、 ＣＪＵ　　　　　　　　　　　２　　・Ｍで与えられる
数だけ同転楕円体の反射領域を帯状に分割し、各領域ご
とに膜厚比を最適化した多層膜を構成することが好まし
い。

例えば、θ＝６５°、Ｍ−２の場合を計算すると、Δψ
／ｄθ＃１３となるので、回転楕円体の反射領域を２６
の帯状領域に分割して多層膜を形成することが好ましい
。尚、θ−６５°としたのは、試料を水平に保って観察
するために適切な角度であることは前述したとおりであ
る。

（ｘ　ｉｉｉ　）対物光学系の方式と最適化対物光学系
については、高効率、高分解能、高倍率でしかも小型で
製作可能なものとして、位相ゾーンプレートを採用した
。則物光学系の必要条件として、以下の（ａ）〜（ｄ）
がある。

ａ）試料損傷の低減のための高効率化 ηｏ＃３０％ ｂ）分解能については、生体観察が可能な光学顕微鏡の
分解能が２００ｎｍであるので、これよりも優れた値と
して分解能δをδ＝２０〜］、００ｎｍとする。

Ｃ）高分解能を撮像素子にて可能とするために、倍率β
は撮像素子の画素寸法（１０μｍ）を所望の分解能で除
した値として決定され、 β＝１００〜５００の高倍率とする。

ｄ）装置全体の小型化のために、物像間距離Ｌｏを４０
０ｍｍ程度以下とする。

上記の各条件は、以下の設計例のように位相ゾーンプレ
ートによって達成できる。しかし、同様の仕様の対物光
学系を全反射鏡や多層膜反射鏡のよ３ うな鏡で実現することは次のような理由で困難である。

すなわち高倍率な鏡で物像間距離を２００ｍｍ程度に小
型化することは困難である。また、高分解能な鏡は形状
精度が波長程度（数ｎｍ）と厳しいため製作も困難であ
る。更に、多層膜鏡対物を構成する場合には、収差補正
のため低い反射率の面を２面使用しなければならず、開
口の一部も遮蔽されるため低効率であり、また光学調整
も難しくなる。

ところで、一般にゾーンプレートは第８図の平面図に示
す如く、輪帯状の光学素子であり、その断面形状によっ
て、第９図に示したように、フレネルゾーンプレートＦ
ＺＰ、位相ゾーンプレートＰＺＰ、鋸歯状ゾーンプレー
トＢＺＰ等に分類される。これらのうちＢＺＰが最も効
率が高いが、Ｘ線領域用としては製作が困難であるため
通常はＢＺＰに次いで効率の高いＰＺＰが採用される。

そして、位相ゾーンプレートとしては、さらに効率の向
上、フレアの低減を図ることが必要であり、４ また照射スペクトル幅と色収差との整合、有効視野径の
確保、さらに倍率変換においても焦点面を一定に保つ（
所謂同焦点）ことも必要である。

以下、個々の観点について位相ゾーンプレートの具体的
設計例に沿って説明する。

■位相ゾーンプレートの効率 第１Ｏ図はゾーンプレートの回折光を示す図であり、図
のような多くの次数の回折光がある。

般に厚さの無視できる位相ゾーンプレートの各次数の回
折光の焦点距離及び回折効率は以下のように与えられる
。

Ｌ　＝ｆ／ｍ　（ｍ＝０．　　±１．±３．±５・−）
　　（３２）ｒ）、　−（１＋Ｔ２”　−２Ｔｚ・ｃｏ
ｓ、ｉ’）／　（ｍπ）’　（３３）η。−（１−１−
ＴＺ’　−１−２Ｔｚ・ｃｏｓχ）／４　　　　　（３
４，）η、ｔ、−（１−ＴＺ’　）　／２　　　　　　
　　　　　　（３５）ただし、 ｆ□　１ｍｍ次回先光焦点距離 ｆ　：結像に利用する１次回折光の焦点距離η、：ｍ次
回折光回折光効率（但しη。三η１）η。・０次回折光
（直接光）の回折効率η、５　位相ゾーンプレートの吸
収率 Ｔ２　位相ゾーンプレートの振幅透過率χ：隣接（明暗
）輪帯の位相差 ここで、振幅透過率Ｔ、−１、位相差χ−πならば、理
想的な効率４０％となるが、現実にはゾーンプレートの
材料に吸収があるために効率は低下し、波長２．５ｎｍ
においては３０％程度の効率が最大となる。しかし、断
面形状を階段状や鋸歯状にすれば更に高効率が可能とな
る（例えば、本願と同一出願人による特開平１−１４２
６０４号公報）。

尚、これらの高効率ゾーンプレー１・は、以下のフレア
の低減にも極めて有効である。

■位相ゾーンプレー１・のフレア 通常の結像には回折効率が最も高い上次回折光を使用す
るが、それ以外の回折光はフレアとなり、これらの除去
が必要となる。第１１図は、一次回折光によるフレアの
発生状態を示す図である。図では、実線は上次回折光に
よる結像を示し、破線は一次回折光による結像とフレア
を示している。

一次回折光によりゾーンプレー１・の近傍に、高さ１１
□の小さい像が形成され、この像が１次回折光の像面（
高さ旧）上では実効的にｈ□、の大きさに広がったボケ
像となる。

ここで、１次回折光の像面上で、一次回折光によるボケ
像の相対強度ζ。は、 ζイー（１１Ｌ／１ｌｎｌ１）２ となるが、βをゾーンプレートの一次回折光による倍率
、ｒＮを位相ゾーンプレートの半径（最外部輪帯の半径
）とすると、 ｈ、−βφＯ／２ ｈ　ｍ　ｔ　’β　［（ｍ　　１．）ｒＮ±φｏ／２）
（ここで、複符号の＋はｍか１以上の場合、はｍが０又
は負の場合を示す。） となるので、相対強度ζ□は、次式のようになる。

ζ−＝　］、／　ｆ　（ｍ　　１）　２　ｒＮ／φ０±
１１　’　　（３６）そして、（１０）式における光学
系のフレア率η。

は各回折光の回折効率と幾何学的なボケ像の相対強度と
の積の総和であるから、次のようになる。

ηｆ：ΣηＩ＋ｎ：Σζｍ　＠ηｌＩ／η７ （１＋Ｔｚ’−２７，、・ｃｏｓχ）［（２ｒＮ／φｏ
＋１）２／π）　２（ｍ＝−Ｌ　　±３．±５・・・） ここで、Ｔ、−０である通常のフ［ノネルゾーンプレー
トやＴ２≠１である現実の位相ゾーンプレートを使用す
る光学系では、上式の第１項の０次回折光をカットする
ように照明法を構成できる。

従って、第２項以降の高次回折光によるフレアのみが問
題となる。

（３７）式から、一次回折光のフレア率η、４は回折次
数の４乗に反比例するため、フレアの主要回折光として
０．−１次、±３及び±５次までを考慮すれば十分であ
る。また、視野絞り径をゾーンプレー１・径の５分の１
　（φ。−２ｒＮ１５）にすれば、フレアは１００分の
１程度に減少する。最大検出光子数をＩＯΩ程度とする
本実施例の顕微鏡においては、視野絞りを絞ることによ
り、フレアの光子数を１個程度以下に抑えて無視するこ
とができ８ る。

このような観点から、各対物毎に撮像素子の対角線長で
決まる視野絞り（この絞り径で実視野が決定される。）
以外に、ゾーンプレート径の５分の工程度の視野絞りを
用意しておくことによって、必要に応じてフレアの少な
い鮮明な画像が得られるように構成した。

尚、前記特開平１−１４２６０４号公報のようにマイナ
ス次数の回折光の無い高効率ゾーンプレートでは絞りを
挿入せずに、＋３次や→−５次の像位置にその像と同程
度の大きさの遮光物を配置することによっても、フレア
を大幅に減少させることが可能である。

■ゾーンプレートの諸量の関係 まず、一般の光学系に成り立ち設計」二必要な式として
次のようなものがある。分解能δと焦点深度り、につい
て、ＮＡｏを開口数、波長久とすると、δ−λ／　［２
（ＮＡｊｌ　　　　　　　　（３８）Ｄ、＝±λ／　ｔ
２（ＮＡｏ＞”＋　　　　　　　（３９）が成り立つ。

また、焦点距離ｆ、物像間距離Ｉ−０及び倍率βに関し
て、 ｆ−β−Ｌｏ／（β＋１）２（４，０）が成り立つ。

一方、ゾーンプレートでは焦点距離は１次回折光の焦点
距離であり、ゾーンプレートの輪帯半径ｒｋとの関係は
以下のようになる。

ｒ１＃にλｆ　　　　　　　　　　　　（４１）但し、
輪帯番号；　ｋ＝１．２，３．−、　　Ｎ。

（明暗で２と数える） そして、一般に光学系の諸量とゾーンプレートの諸量と
の間には、ゾーンプレートの最小輪帯幅としての最外部
輪帯の幅ΔｒＮを、 ΔｒＮ＝ｒＮ　ｒＮ とすると、以下のような関係が成り立つ。

δξΔｒＮ（β＋１）／β　　　　　　（４２）Ｄ、＃
±ｆ（β＋１）２／（２Ｎｏβ２）　　（４３）ｒＮ＝
Ｌｏ−ＮＡ、／　（β＋１）　　　　　　　（４４）Ｎ
Ｏ＝ＬＯ−ＮＡ、’／　（λ・β）　　　　　（４５）
ここで、倍率β、分解能δ、使用波長λが仕様として与
えられているので、上記（４５）式によれば、Ｎｏ又は
り。の何れかを決めれば、これらの式から、効率以外の
ゾーンプレートとしての全ての諸量が決定されることに
なる。ここで、ＮｏまたはＬｏの何れかを決定する要因
が、前述したフレアと以下の許容スペクトル幅と有効視
野径である。

■照射スペクトル幅と色収差との整合 一般に色収差ｄＺ’は、 ｄＺ’＝（１＋β：＞２ｄｆ　　　　　（４６）であり
、実用上は色収差が焦点深度より小さければ問題ない。

このため、像面」―での焦点深度はβ２Ｄ＋であるから
、 ｄＺ’≦β’Ｄ＋　　　　　　　　　　（４７）が成立
すればよい。これが許容色収差量を決める条件となる。

ここで、ゾーンプレートの色収差は（４１）式より、ｄ
ｆ−−ｆ−ｄλ／λ　　　　　　　（４８）となるが、
Δλ＝２ｄλであることと、（４２）（４６）（４７）
式より、 １ λ／Δλ≧Ｎｏ　　　　　　　　　　　　　　（４９）
となる。

この（４９）式がゾーンプレートの許容色収差の条件で
あり、スペクトル幅Δλとゾーンプレートの輪帯数Ｎ。

とを上記の関係を満たすように構成する必要がある。

本実施例の構成においては、前述したように多層膜鏡に
よってスペクトル幅が、λ／ΔλξＮｃ均２００と決定
されているので、Ｎｏ≦２００とすることが必要となる
。

■ゾーンプレートの有効視野 第１２図は、ゾーンプレートによる像面の湾曲の状態を
示した図であり、ゾーンプレートによる像は一般には実
戦で示すように湾曲している。

本発明におけるゾーンプレートの開口数ＮＡｏは、ＮＡ
ｏ＜０．１程度と比較的小さいので、ゾーンプレートの
３次収差係数によって結像性能を評価ずことができる。

ゾーンプレートの３次収差係数によれば、歪曲収差係数
がゼロなので、弁点収差と２ 像面漬曲が像を劣化させる支配的要因となる。この３次
収差係数からメリディオナル像面の曲率半径Ｒ４は、 ＲＭ＝　ｆ／３　　　　　　　　　　　（５０）であり
、これと焦点深度β’Ｄｒとから有効視野が決定される
。すなわち、像面の湾曲量が像面の焦点深度内に入る領
域が有効な視野となる。

第７図は、ゾーンプレート対物についての結像関係の概
略光路を示しており、高さφ。／２の試料１３の像がゾ
ーンプレート１４によって、像高がβφＯ／２に拡大形
成される。ここでは、半径Ｒ１，ｌの湾曲した像面■が
像面上での焦点深度β２Ｄ＋の範囲に入っているため像
高βφ。／２の範囲までが鮮明な像として検出可能であ
る。この関係は、（βφ。／２）　’　／　（２ＲＭ）
≦β２Ｄ、　　（５１）と表される。

いま、ゾーンプレートの半画角をωとすると、ω＝βφ
。／　［２（１＋β）ｆｌ であるから、（４５）と（５１）式より、ω＃Ｊ２Ｄ、
／　（３ｆ） ＃ｌ／Ｊ３Ｎ。

（５２） となる。

従って、有効視野径φ、は、 φ１＃２ωＬ。

であるから、上記（４５）式のり。を代入すると、φｌ
　＃２、／Ｎｏ／３・　（（λ・β）／ＮＡｏ’＋　（
５３）と求められる。

ここで、第１３図の平面図に示す如く、有効な像の大き
さは撮像素子１５の対角線長よりも大きいことが必要で
ある。撮像素子の有効対角線長は、後述のように概ね９
ｍｍであるので、φｌ≧９ｍｍとなるように（５３）式
に基づいてＮ。を決定すればよい。

■ゾーンプレートの設計例 以上のごとき検討において、上記■の照射スペクトル幅
と色収差との整合の観点から決定されるＮｏ≦２００の
条件は、上記■のゾーンプレートの有効視野の観点にお
いて実用上のφ１≧９ｍｍとして（５３）式で決定され
る条件とは、両立しない。このため、上記■と■との観
点のうち何れかを重視した設計とするか、両者の折衷案
とすることが必要となる。

以上の如き観点に基づいて設計された本発明による結像
型Ｘ線顕微鏡装置の仕様諸元を表１、表２及び表３に示
す。表１の例は上記■の照射スペクトル幅と色収差との
整合を重視した設計例であり、この場合は色収差は少な
いがゾーンプレー１・の径が小さいため（３７）式より
、フレアが多く且つ有効視野が狭くなる。一方、表２の
例は■のゾーンプレートの有効視野を重視したものであ
る。これは有効視野が広いが色収差は大きくなる。表３
はフレアを重視した設計例で、フレアが少なく且つ有効
視野は広いが色収差が非常に大きいため、−層の単色化
が必要となる。

実際の設計に当たって、設計の自由度としてはゾーンプ
レートの輪帯数Ｎ。又は物像間距離り。

の何れかのみであるため、各実施例のように包収５ 差、有効視野及びフレアのいずれかを重視することとな
る。このため、使用目的に応じた構成とすることか必要
であるが、通常は表２の例が最も実用的と考えられる。

尚、下記実施例では、何れも対物としてのゾーンプレー
トの倍率を３変倍としたものであり、変倍に際しても焦
点面の変化を生じない同焦点として構成されたものであ
る。また、ここでの１次回折光の焦点距離ｆは、β）１
であるため、実質的に作動距離とほぼ同じである。尚、
ｒｌは輪帯の最小半径である。フレア率η、は、Ｔ、＝
１゜χ−πまたは、０次回折光をカットする照明法を採
用し且つφ。が実視野の場合の値である。

６ 表１ 物像間距離り。−６４ｍｍ ゾーンプレート半径　ｒＮ−８μｍ 衣ヱ 物像間距離り。＝１６０ｍｍ ゾーンプレート半径　ｒＮ−２０μｍ 表１ 物像間距離り。＝４００ｍｍ ゾーンプレート半径　ｒＮ＝５０μｍ 上記の数値例において、以下の表４のような共通の仕様
を有している。

紅 （分解能はβ）１のため最小輪帯幅に等しい）（ｘｉｖ
）その他 ■倍率変換について 試料の損傷を最小限に留めるため、必要領域のみにＸ線
を照射することが必要であり、又Ｘ線源の効率的な利用
のためにも、対物光学系の分解能、倍率ごとに必要な範
囲と開口数で照明するための専用の多層膜鏡コンデンサ
ーを組み合わせることが必要である。従って、対物光学
系を上記の表に示した各倍率のものに交換して用いる場
合、各対物光学系の交換に応じて、コンデンサーとして
の回転楕円体多層膜鏡を最適組み合わせのものに交換す
ることが必要である。

この交換のための構成として、第１４図に示した如く、
回転楕円体多層膜鏡９と異なる倍率の回転楕円体多層膜
鏡９ａを鉛直方向上で異なる位置に配置すると共に、レ
ーザの集光用レンズ３とターゲット５とを水平方向に一
体的に移動しする。

このとき、ターゲット５と試料１３とが、それぞれ常に
回転楕円体多層膜鏡の第１焦点及び第２焦点上に位置す
ることはいうまでもない。

５９ ■試料容器の窓祠について

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）パルスＸ線源と、単一の凹面非球面多層膜鏡コンデ
   ンサーと位相ゾーンプレート対物と、二次元Ｘ線撮像素
   子と画像処理手段及び出力手段とを有することを特徴と
   する結像型軟Ｘ線顕微鏡装置。 ２）前記凹面非球面多層膜鏡コンデンサーは、回転楕円
   体多層膜反射鏡であり、該回転楕円体多層膜反射鏡の第
   一焦点に前記パルスＸ線源が配置され、前記回転楕円体
   多層膜反射鏡の第二焦点上に試料が配置されていること
   を特徴とする請求項１記載の結像型軟Ｘ線顕微鏡装置。 ３）前記パルスＸ線源は、パルスレーザをターゲット上
   に集光してＸ線を発生するパルスレーザ励起プラズマＸ
   線源であり、前記回転楕円体多層膜反射鏡によってＸ線
   の単色化を行い、パルスレーザーにより励起発光される
   １パルスのＸ線で光子計数撮像を行うことを特徴とする
   請求項２記載の結像型軟Ｘ線顕微鏡装置。 ４）Ｘ線の波長をλ、スペクトル幅をΔλとするとき、
   前記パルスレーザー励起Ｘ線源は、前記二次元Ｘ線撮像
   素子に入射する画素当たりの最大検出光子数ｎ＿ｍ＿ａ
   ＿ｘが、 ２５≦ｎ＿ｍ＿ａ＿ｘ＜λ／Δλ となるＸ線発生強度を有していることを特徴とする請求
   項３記載の結像型軟Ｘ線顕微鏡装置。 ５）前記パルスレーザー励起プラズマＸ線源は、パルス
   幅１μｓ以下の１パルスで前記二次元Ｘ線撮像素子が撮
   像可能な強度のパルスＸ線を発生し、前記回転楕円体多
   層膜反射鏡の層構造の周期数Ｎｃが５０〜４００で、前
   記回転楕円体多層膜反射鏡により、λ／Δλ＝５０〜４
   ００に単色化して、前記パルスレーザＸ線源からのＸ線
   を試料上に集光することを特徴とする請求項４記載の結
   像型軟Ｘ線顕微鏡装置。 ６）前記回転楕円体多層膜反射鏡により試料に照射され
   るＸ線の波長域は２．３〜４．４ｎｍであることを特徴
   とする請求項５記載の結像型軟Ｘ線顕微鏡装置。