JPH0720299A

JPH0720299A - 撮像装置

Info

Publication number: JPH0720299A
Application number: JP5160901A
Authority: JP
Inventors: Takuma Yamamoto; 琢磨山本; Hisao Fujisaki; 久雄藤崎; Yoshihiko Suzuki; 美彦鈴木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1995-01-24

Abstract

(57)【要約】【目的】高分解能の撮像装置を提供する。【構成】導電性を有し、電磁波５１が照射されると光電
子５２を発する受光部材５０、導電性を有する探針５
３、該探針を受光部材に対して相対移動させる駆動手段
６９、探針と受光部材との間に流れる電流を測定する電
流測定手段５６、および受光部材における探針の位置情
報と、該位置において電流測定手段で測定された電流値
とに基づいて受光部材に照射された電磁波の強度分布を
求める処理手段５７とを有する撮像装置において、探針
５３の近傍に該探針と電気的に絶縁された補助電極１１
を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高分解能で画像を検出
できる撮像装置、特に、Ｘ線のような波長の短い光を使
用する場合に好適な撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】試料等をより詳細に観察したい場合、一
般に波長の短い光を用いて試料の撮像を行なう。このよ
うな短い波長の光としては主にＸ線が使用されている。
Ｘ線を用いると生物試料を光学顕微鏡よりも高い分解能
で、しかも生きたまま観察することができるため、医学
や生物学の分野を中心にＸ線を用いた撮像装置の開発が
進んでいる。Ｘ線を用いた撮像装置としては、軟Ｘ線を
用いるＸ線顕微鏡が開発されつつある。このＸ線顕微鏡
では、光学系にゾーンプレート、ウォルターミラー、シ
ュワルツシルドミラー等のＸ線用光学素子が用いられて
おり、これらの素子によって空間分解能（平面方向に対
する分解能）が 0.1μｍ以下となるようになった。

【０００３】ところで、試料像を高分解能で観察する場
合、像が結像される光検出器などの撮像手段自体の分解
能も高くする必要がある。一般に、撮像手段で必要とさ
れる分解能は、光学系での倍率と光学系を構成する光学
素子の分解能との積で表すことができる。光検出器とし
ては、空間分解能が５〜10μｍ程度であるＣＣＤが一般
に知られている。このＣＣＤをＸ線顕微鏡の撮像手段と
して用いた場合、Ｘ線用光学素子の分解能を前述のよう
に 0.1μｍとすると、ＣＣＤの分解能に対応させるため
にはＸ線顕微鏡の光学系の倍率を50〜100 倍にしなけれ
ばならない。しかし、例えば、光学素子にゾーンプレー
トを用いた場合、高倍率を達成するためにはＸ線の光束
の拡大に応じてゾーンプレートの口径を大きくしなけれ
ばならなかった。ところが、このような大口径のゾーン
プレートは現在の技術では製造が困難である。口径が小
さいと試料透過後のＸ線の一部だけしか撮像手段で検出
されず、撮像に利用されるＸ線の光量が減って必要な光
量が得られるまで画像データを積算しなければならなく
なり、撮像時間が長くなるというという問題が生じる。
一方、ウォルターミラーやシュワルツシルドミラーを光
学素子として用いる場合、これらのミラーは倍率を高く
すると反射面の曲率を大きくしなければならない。しか
し、このような曲率の大きいミラーを製造することは技
術的に困難である。以上のような理由から、試料像をよ
り高い分解能で観察しようとすると、光検出器など撮像
手段自体の空間分解能を上げなければならなかった。前
述のように、ＣＣＤの空間分解能は５〜10μｍ程度でＸ
線の波長から得られる分解能よりも低い。高い分解能を
有する撮像手段としては高解像度写真フィルムが知られ
ているが、このフィルムは感度が低く、長時間露光が必
要になるため撮像時間が長くなるという問題が生じる。
また、現像処理が必要であり、工程が多くなって作業が
煩雑になる。

【０００４】そこで、導電性を有する受光部材に画像情
報を含む光（Ｘ線）を照射し、受光部材から発する光電
子を検出することで照射された光の強度分布を求め、こ
の分布から前記画像を得る方法が提案された。図４は、
この方法の撮像原理を説明すにためのブロック図であ
る。受光部材５０は導電性を有する物質からなり、光
（例えばＸ線）５１が照射されると光の強度に応じた数
の光電子５２を発する。電源５４によって、受光部材５
０と導電性を有する探針５３との間に、この探針５３が
正電位となるような電圧を印加した状態で光５１を受光
部材５０に照射すると、発生した光電子５２は探針５３
に取り込まれる。その結果、受光部材５０と探針５３と
の間には光電子５２の数に応じた電流が流れる。したが
って、処理手段５７により駆動制御手段１５を介して移
動手段（アクチュエータ）６９を駆動することで、探針
５３で受光部材５０の光５１が照射された領域内を走査
しながら電流測定手段５６で前記電流値を測定し、処理
手段５７によってこの電流値と探針５３の位置情報とを
対応させることで光５１の強度分布が求まる。そして、
この強度分布を表示手段５８で表示すれば、画面上で像
を観察することができる。この方法では、先端の鋭い探
針５３によって受光部材５０から発生した光電子５２を
取り込んでいるため、探針の鋭さに応じた領域について
照射された光の強度が求まり、他の方法に比べて高い分
解能を得ることが可能となった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前述のよう
な探針を光電子の検出手段として用いた方法では、ＣＣ
Ｄ等と較べた場合は高分解能であるが、予想された分解
能よりも低い分解能しか得られないという現象が起きて
いた。本発明は、このような問題に鑑みてなされたもの
で、分解能の高い撮像装置を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的のために、本発
明者らが従来の装置では所望の分解能が得られない現象
についてその原因を究明したところ、受光部材に照射さ
れる光（電磁波）の照射領域が探針の先端半径よりも大
きいため、探針の先端に対向する位置よりも広い範囲か
ら発した光電子が探針の側面等から取り込まれているこ
とが分かった。つまり、受光部材上の探針に対向する位
置から発した光電子だけでなく、探針の先端半径で予想
される領域よりも広い領域からの光電子までを取り込ん
で画像を求めていたため、所望の空間分解能よりも低い
分解能となっていた。

【０００７】そこで、本発明では、導電性を有し、電磁
波が照射されると光電子を発する受光部材、導電性を有
する探針、該探針を前記受光部材に対して相対移動させ
る駆動手段、前記探針と受光部材との間に流れる電流を
測定する電流測定手段、および前記受光部材における前
記探針の位置情報と、該位置において前記測定手段で測
定された電流値に基づいて画像を求める画像検出手段と
を有する撮像装置において、前記探針の近傍に、該探針
と電気的に絶縁された補助電極を設けた（請求項１）。
さらに、前記受光部材と探針との間および前記受光部材
と補助電極との間にそれぞれ所定の電圧を印加する電圧
印加手段を設けた（請求項２）。

【０００８】

【作用】本発明の撮像装置は、探針の近傍に設けられた
探針とは電気的に絶縁された補助電極を有しているの
で、受光部材の探針先端に対向する位置以外の領域から
発した光電子はこの補助電極に取り込まれる。そのた
め、探針先端に対向する領域から発した光電子のみが探
針に取り込まれ、探針の鋭さ（先端半径）に応じた高い
分解能が得られる。補助電極は、図１に示すように探針
の先端部の周りを囲むように設置しておくとよい。探針
と受光部材との間には、光電子を取り込み易くするため
に、探針が正電位となるような電圧Ｖ₁を印加しておく
とよい。また、補助電極と受光部材との間にも探針が正
電位となるような電圧Ｖ₂を印加しておくとよい。

【０００９】本発明の撮像装置では、前記電圧Ｖ₁、Ｖ
₂の値を適宜設定することで撮像の際の検出感度や分解
能を変えることができる。検出感度を上げる場合は、電
圧Ｖ ₁を大きくするとよい。また、分解能を上げる場合
は、電圧Ｖ₂をＶ₁より大きくするとよい。電圧Ｖ₂を
Ｖ₁より大きくすると、受光部材から発した光電子のほ
とんどが補助電極に取り込まれる。そのため、探針に取
り込まれる光電子は、探針先端の極近傍の受光部材から
から発生したものだけとなる。つまり、探針の先端半径
に相当するような狭い領域に対してのみ光の強度を求め
ることが可能となり、分解能が向上する。従って、電圧
Ｖ₂がＶ₁より大きい関係を維持して電圧Ｖ₁を大きく
すれば、高感度かつ高分解能の撮像装置を得ることがで
きる。例えば、撮像領域が広くて撮像時間が長くなるよ
うな場合、補助電極と受光部材との間に印加する電圧Ｖ
₂の値を低くして光電子が探針に取り込まれ易くする
と、電流の測定点間の間隔を広くすることができ撮像速
度を速くすることができる。また、撮像領域が狭い場合
には、前記電圧Ｖ₂の値を高くして探針と受光部材との
間の電圧Ｖ₁との差を大きくすると、探針に取り込まれ
る光電子の量が制限され、分解能が高くなる。

【００１０】このように、本発明においては、分解能が
向上するだけでなく、探針と受光部材との間の電圧Ｖ₁
と補助電極と受光部材との間の電圧Ｖ₂を適宜設定する
ことで、検出感度や分解能を任意に変えて撮像領域の画
像を最適条件で得ることが可能となる。また、本発明で
は、入射光の強度が大きく光電子の放出量が多い場合に
は、探針の走査速度を上げることでリアルタイムでの像
の観察が可能となる。以下、実施例によって本発明の詳
細を説明するが、本発明は実施例に限定されるものでは
ない。

【００１１】

【実施例】図１は、本実施例の撮像装置の構成を示すブ
ロック図である。なお、図１において、図４と同一機能
を有する構成要件は、同一符号を付してその説明を適宜
省略する。本発明の撮像装置は、タングステン（Ｗ）製
の探針５３、探針５３の周囲に酸化ケイ素（SiO₂）から
なる絶縁膜１２を介して形成されたアルミニウム（Al）
製の補助電極１１、受光部材５０と探針５３との間に所
定の電圧Ｖ₁を印加する第１の電圧印加手段１３、受光
部材５０と補助電極１１との間に所定の電圧Ｖ₂を印加
する第２の電圧印加手段１４、探針５３と受光部材５０
との間に流れる電流を測定する電流測定手段５６、探針
５３を走査するためのアクチュエータ６９とアクチュエ
ータ６９をＺ方向に移動させる移動テーブル７０を駆動
制御するための駆動制御手段１５、探針５３の受光部材
５０に対する位置情報と該位置において電流測定手段５
６で測定された電流値とに基づいて受光部材に照射され
た電磁波の強度分布を求める処理手段５７、前記強度分
布を受光部材に照射された電磁波による像として表示す
るＣＲＴ５８とを有する。駆動制御手段１５は、ＧＰＩ
Ｂケーブルを通して処理手段５７によって制御される。
そして、探針５３の受光部材５０に対する位置は、アク
チュエータ６９および移動テーブル７０の移動量をもと
に処理手段５７によって検出される。

【００１２】補助電極１１は、探針５３に酸化ケイ素
（SiO₂）からなる絶縁膜１２を介して設けられており、
アクチュエータ６９によって、探針５３とともに受光部
材５０上を走査できるようになっている。ここで、図５
を用いて探針５３に絶縁膜１２と補助電極１１を形成す
る過程を説明する。（１）まず、太さ１mmのタングステン製のワイヤーをそ
の一端から５mmまでをエッチング液（NaOH水溶液）に浸
した。そして、ワイヤーを徐々に引き上げて液浸部分を
エッチングにより除去した。引き上げ後、ワイヤーの一
端は、先端半径が約50〜100 nmの鋭い針状に形成され
る。この後、所定の長さ20mmとなるようにワイヤーの他
端側を切断して探針５３を得た。（図５ａ）（２）次に、この探針５３の先端部約10mmの表面部分
に、ＰＶＤ法（物理的気相成長法）により約50nm厚の酸
化ケイ素膜（絶縁膜）１２を成膜し、さらに、酸化ケイ
素膜上にアルミニウム膜１１を約 200nm厚で成膜した。
（図５ｂ）（３）この後、酸化ケイ素膜１２およびアルミニウム膜
１１が形成された探針５３先端部のさらにその先端側
を、フッ化水素（HF）水溶液８０に浸した（図５ｃ）。
そして、タングステンの探針５３が先端に現れるまで液
浸部分の酸化ケイ素膜１２およびアルミニウム膜１１を
エッチングすることで、探針５３と電気的に絶縁された
補助電極１１を形成した。（図５ｄ）形成された補助電極１１は、銅の細線を銀ペーストで取
り付けることで電気回路に接続した。なお、探針５３と
しては、タングステンの他に白金や金を用いてもよい。
また、アルミニウム、銅、タングステン等の金属に白金
または金をコートしたものを使用してもよい。補助電極
１１を形成する物質としては、アルミニウムの他に銅、
チタン等を用いることができる。

【００１３】図２は、本実施例の撮像装置の構成を示す
概略図である。この撮像装置は、導電性を有する受光部
材５０、基台６０とこの基台に形成された受光部材５０
を支持する支え枠６０ａ、導電性を有する探針５３、探
針５３に絶縁膜１２を介して設けられた補助電極１１、
探針５３を保持する探針保持具６１、探針保持具６１を
ＸＹＺ方向に移動させる３次元アクチュエータ６９、ア
クチュエータ６９が設置された移動テーブル７０とを備
えている。

【００１４】受光部材５０は、開口を有するアルミニウ
ム製の基板５０ａと、この基板５０ａ上に前記開口を塞
ぐように形成された導電性薄膜５０ｂとで構成される。
導電性薄膜５０ｂにおける基板５０ａの開口に対応する
位置が画像情報を含む光（Ｘ線）５１が照射される受光
面５０ｃとなる。導電性薄膜５０ｂは、基板５０ａに接
着した厚さ２μｍ厚のベリリウム膜とこの膜上に蒸着さ
れた厚さ約50nmの金の膜からなり、アースに接続されて
いる。受光部材５０は、探針５３と導電性薄膜５０ｂの
金の膜とが対向するように、保持板６４を介してボルト
６５により支え枠６０ａに固定される。

【００１５】アクチュエータ６９は、ピエゾ素子を用い
たチューブスキャナ型と呼ばれるもので、ピエゾ素子に
適当な電圧を印加することで探針５３を受光面５０ｃに
対してＸＹ方向に走査させる。このアクチュエータ６９
は、探針５３をＺ方向に移動させる際に微動機構として
機能する。図３は、本実施例で用いたチューブスキャナ
型アクチュエータの概略斜視図である。アクチュエータ
６９は、円筒状の圧電セラミックス３００の外周面にＸ
方向走査用の圧電素子に対する電極３０１ａ、３０１ｂ
およびＹ方向走査用の圧電素子に対する電極３０２ａ、
３０２ｂが、それぞれＸ方向同士、Ｙ方向同士で対向す
るように設けられている。圧電セラミックス３００の内
周面には、各電極３０１ａ、３０１ｂ、３０２ａ、３０
２ｂに対する共通電極３０３が設けられている。ＸＹ方
向に走査するときは、それぞれの方向の各電極間に大き
さが同じで符号の異なる電位を印加する。また、Ｚ方向
に移動させる時は、正負どちらか一方の電圧を設定して
この電圧をＸ、Ｙ全ての外周面の各電極と共通電極３０
３との間にそれぞれ等しく印加することで、素子をＺ方
向に伸縮させる。

【００１６】本実施例では、アクチュエータ６９によっ
て受光部材５０の導電性薄膜５０ｂと探針５３との間を
所定の間隔に維持した状態で、探針５３を受光部材５０
に対してＸＹ方向に移動させる。これにより、Ｘ線５１
が受光部材５０に照射された領域で探針５３を任意の範
囲で走査させることができる。探針５３を走査する移動
速度および走査範囲は、処理手段５７からアクチュエー
タ６９に送られる走査信号（３角波）の周波数と振幅を
変えることで適宜設定できる。

【００１７】移動テーブル７０にはアクチュエータ６９
が設置され、このアクチュエータ６９ごと探針５３をＺ
方向に移動させる。移動テーブル７０は、軸受６６を介
してねじ部６７で支持されている。ねじ部６７は、ねじ
山のピッチが 0.3mmに設定され、基台６０に形成された
めねじ部６０ｂに設けられためねじ６８と螺合してい
る。図示していない駆動機構によってねじ部６７を回転
させると移動テーブル７０はＺ方向に移動する。この移
動テーブル７０は、探針５３を導電性薄膜５０ｂに接近
させる際に粗動機構として機能する。

【００１８】処理手段５７は、駆動制御手段１５に探針
５３の走査領域を指定する。駆動制御手段１５は、この
指令に基づいてアクチュエータ６９または移動テーブル
７０を駆動制御して探針５３を所定の範囲内で走査させ
るとともに、受光部材５０（導電性薄膜５０ｂ）上での
探針５３の位置（ＸＹ平面での位置）と、この位置での
信号測定手段５６による測定結果とを対応させて、受光
部材５０に照射されたＸ線５１の強度分布を求める。探
針５３の位置は、測長手段によって測定してもよいし、
走査のためにアクチュエータ６９や移動テーブル７０を
駆動制御した際の駆動量から求めることもできる。ＣＲ
Ｔ５８は、求めた強度分布をＸ線５１に含まれる画像
（試料像）として画面上に表示する。

【００１９】以下、本実施例の撮像装置における撮像過
程を説明する。始めに、探針５３と導電性薄膜５０ｂと
の距離の設定を行なう。設定に際しては、まず、電流測
定手段５６により探針５３と導電性薄膜５０ｂとの間に
流れる電流を測定しながら、処理手段５７によって駆動
制御手段１５を介して移動テーブル７０を受光部材５０
に向けて移動させる。この時、探針５３には第１の電圧
印加手段１３により導電性薄膜５０ｂに対して＋５Ｖの
バイアス電圧を印加しておく。また、補助電極１１は、
第２の電圧印加手段１４により探針５３と同電位に設定
しておく。電流測定手段５６が探針５３と導電性薄膜５
０ｂとの間に流れる電流（電界放射）を検出したら、移
動テーブル７０を停止させる。次に、探針５３および補
助電極１１の電位を導電性薄膜５０ｂに対してそれぞれ
＋0.5 Ｖに設定し、駆動制御手段１５を介してアクチュ
エータ６９を駆動して探針５３をさらに導電性薄膜５０
ｂに接近させる。そして、電流測定手段５６が、探針５
３と導電性薄膜５０ｂとの間に流れる電流（トンネル電
流）を検出したら探針５３の接近動作を止める。この
後、アクチュエータ６９によって、探針５３を導電性薄
膜５０ｂから離れる方向（Ｚ方向）に前記停止した位置
から約50nm移動させる。以上の操作により、探針５３と
導電性薄膜５０ｂとの距離が設定される。この状態で探
針５３に導電性薄膜５０ｂに対して＋１Ｖの電圧を印加
したところ、両者の間に電流が流れないことを確認でき
た。従って、探針５３で導電性薄膜５０ｂを走査する際
に電流測定手段５６で測定される電流値は、光５１の照
射によって薄膜５０ｂから発する光電子５２の数と対応
することになる。

【００２０】探針５３と導電性薄膜５０ｂとの距離が設
定されたら、第１の電圧印加手段１３により、探針５３
の受光部材５０に対する電位（Ｖ₁）を＋0.1 〜2.0 Ｖ
に設定する。また、第２の電圧印加手段１４により、補
助電極１１の受光部材５０に対する電位（Ｖ₂）をＶ₁
より 0.1〜0.5 Ｖ程度高くなるように設定する。そし
て、画像情報（像）を含んだ光（電磁波）５１を受光部
材５０の受光面５０ｃに照射する。この光５１は、例え
ば、Ｘ線顕微鏡においては、試料を透過して結像用光学
系により集光されたものである。この後、処理手段５７
によって光５１が照射された領域から探針５３の走査領
域を設定し、アクチュエータ６９により探針５３をこの
走査領域内で走査させる。なお、受光部材５０の導電性
薄膜５０ｂは充分平坦に形成されているので、アクチュ
エータ６９によって探針５３をＸＹ方向に走査する際
は、Ｚ方向に対するフィードバック制御は行わなくてよ
い。走査中は、電流測定手段５６によって探針５３と導
電性薄膜５０ｂとの間に流れる電流を測定する。処理手
段５７は、受光部材５０上での探針５３の位置（ＸＹ平
面での位置）と、この位置での電流測定手段５６による
測定結果とを対応させて受光部材５０（走査領域）に照
射されたＸ線５１の強度分布を求める。この強度分布は
ＣＲＴ５８に送られ、顕微鏡における試料像として画面
上に表示される。本実施例では、受光部材５０における
探針５３の先端付近のみから発生した光電子５２の量に
応じて照射された光５１の強度分布を求めるため、探針
５３の先端半径から期待される所望の分解能に近い分解
能での像が得られる。そのため、従来の装置で得られた
試料像よりも分解能が高くなる。

【００２１】第１の電圧印加手段１３により受光部材５
０に対する探針５３の電位（Ｖ₁）を＋0.1 〜2.0 Ｖ
に、第２の電圧印加手段１４により受光部材５０に対す
る補助電極１１の電位（Ｖ₂）をＶ₁より0.1 〜0.5 Ｖ
程度高く設定して前述のように強度分布を求めると、光
電子５２の多くは補助電極１１に取り込まれるため、探
針先端の極近傍の受光部材からから発生した光電子５２
だけが探針５３に取り込まれる。そのため、より分解能
が高くなる。これに対して、探針５３の受光部材５０に
対する電位（Ｖ₁）よりも、補助電極１１の受光部材５
０に対する電位（Ｖ₂）を１Ｖ以上高く設定して前述の
ように強度分布を求めると、電流測定手段５６で測定さ
れる電流値は減少し、ノイズレベルに近くなる。

【００２２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、探針の
近傍に、探針とは電気的に絶縁された補助電極を設けた
ので、受光部材の探針先端に対向する位置以外の領域か
ら発した光電子はこの補助電極に取り込まれる。そのた
め、探針先端に対向する領域から発した光電子のみが探
針に取り込まれ、探針の鋭さ（先端半径）に応じた従来
よりも高い分解能が得られる。また、探針と受光部材と
の間の電圧と補助電極と受光部材との間の電圧を適宜設
定することで、撮像時の検出感度や分解能を変えること
ができ、撮像領域の画像を最適条件で得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、実施例の撮像装置の構成を示すブロック図
である。

【図２】は、実施例の撮像装置の構成を示す概略図であ
る。

【図３】は、実施例の撮像装置で用いたアクチュエータ
を示す概略斜視図である。

【図４】は、従来の撮像装置の構成を示すブロック図で
ある。

【図５】は、探針に絶縁膜および補助電極を形成する過
程を説明するための概略図である。

【主要部分の符号の説明】

１１補助電極１２絶縁膜１３第１の電圧印加手段１４第２の電圧印加手段１５駆動制御手段５０受光部材５０ａ基板５０ｂ導電性薄膜５１光（電磁波、Ｘ線）５２光電子５３探針５６電流測定手段５７処理手段５８表示手段（ＣＲＴ）６０基台６１探針保持具６６軸受け６７ねじ部６８めねじ部６９アクチュエータ（駆動手段）７０移動テーブル（駆動手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性を有し、電磁波が照射されると光
電子を発する受光部材、導電性を有する探針、該探針を
前記受光部材に対して相対移動させる駆動手段、前記探
針と前記受光部材との間に流れる電流を測定する電流測
定手段、および前記受光部材における前記探針の位置情
報と、該位置において前記測定手段で測定された電流値
とに基づいて前記受光部材に照射された電磁波の強度分
布を求める処理手段とを有する撮像装置において、前記探針の近傍に、該探針と電気的に絶縁された補助電
極が設けられていることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】請求項１記載の撮像装置において、前記受光部材と探針との間および前記受光部材と補助電
極との間にそれぞれ所定の電圧を印加する電圧印加手段
を備えたことを特徴とする撮像装置。