JPH1082956A - 走査型レーザー顕微鏡を用いた測定方法及び装置 - Google Patents
走査型レーザー顕微鏡を用いた測定方法及び装置Info
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- JPH1082956A JPH1082956A JP9114884A JP11488497A JPH1082956A JP H1082956 A JPH1082956 A JP H1082956A JP 9114884 A JP9114884 A JP 9114884A JP 11488497 A JP11488497 A JP 11488497A JP H1082956 A JPH1082956 A JP H1082956A
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Abstract
よって得られる以上の解像度が要求されるため、非中心
対称構造を有する物質すなわち純結晶物質や他の特別な
構造を備えた物質の観測のみに限られる。 【解決手段】 顕微鏡対物レンズ2は、短パルスでかつ
高強度である基本周波数Wのレーザービーム4を試験体
8内部の焦点6に集束し、周波数3Wの第三高調波TH
をそこに生成する。第三高調波は、収集レンズ10によ
り収集されてフィルタ12を通過し、基本周波数Wであ
る原ビームのトレースが除去されて最終的に検出され
る。試験体8は、x方向及び/またはy方向及び/また
はz方向(すなわち、試験体に沿って、及び/またはそ
の表面と交差して、及び/またはその試験体を貫通し
て)にそれを移動することと、レーザービームを照射す
ることによって走査される。すべての走査部位からの第
三高調波信号は、画像を形成するため電気的に収集され
る。
Description
法、より特別には、走査型レーザー顕微鏡によって物質
の微細構造を測定するための方法及び装置に関する。
する走査型レーザー顕微鏡は、現代型の光学顕微鏡とし
てますます用いられてきている。それらの多数の有利性
の中には、奥行き感度が試験体の断面図を得ることがで
きるまでに改善されると同時に、種々の形態のデジタル
画像処理生成を促進するデジタル画像の収集することが
ある。
は、透明体または試験体の測定及び調査である。位相差
顕微鏡のようないくつかの独創的な技術は、このような
試験体から位相差情報を得ることで発展してきた。位相
差顕微鏡は、試験体を通過する光の非可観測位相差を可
視振幅差または同様の結果を与える差動干渉に変換す
る。
の方法は物質の線形反射係数に基づいているため、たと
えば光学ガラスのようにせいぜい2くらいしか違わない
ものや、透明体の不均一性、近接する境境界面、もしく
は他の物質に埋め込まされた薄層のようなものの微細な
差異を分解するには線形反射係数nの差異が微小すぎ
る。
高調波の画像化による走査型光学顕微鏡が開発されてき
た。しかるに、この第二高調波顕微鏡は、一定のコント
ラストレベルと従来の顕微鏡によって得られる以上の解
像度が要求されるため、非中心対称構造を有する物質す
なわち純結晶物質や他の特別な構造を備えた物質の観測
のみに限られるという課題があった。
的の一つは、上述した技術の欠点ないしは制約を克服す
ること、並びに種々のタイプの物質からなる試験体の高
解像度を有する画像を生成する走査型レーザー顕微鏡を
提供することである。
型レーザー顕微鏡によって物質の微細構造を測定する方
法であって、あらかじめ決定された基本周波数Wの集束
レーザービームでもって選択された部位を走査し、それ
により該部位が励起して前記基本周波数Wの第三高調波
3Wを構成する信号を生成することによって試験体の画
像を形成する工程と、収集手段によって前記信号を収集
する工程と、前記収集された3W信号から該第三高調波
3W以外の周波数信号を実質的に除去する工程と、該除
去後の3W信号を検出器に送信する工程と、処理及び表
示のために前記検出器の出力を蓄積する工程とを具備す
ることを特徴とする(請求項1)。
走査が前記集束ビーム及び前記試験体を相対移動させる
ことによって行われ(請求項2)、前記走査が、前記試
験体に沿って及び/またはその表面と交差して及び/ま
たはその物体を貫通して行われる(請求項3)。
基本周波数の集束レーザービームでもって試験体を逐点
走査することにより該試験体の画像を形成するのに適合
する非線形走査型レーザー顕微鏡であって、前記走査部
位を励起することで前記基本周波数の高調波を構成する
信号を生成し、この信号が処理及び表示のため蓄積手段
に蓄積されるものにおいて基本周波数の前記高調波がそ
の第三高調波であることを特徴とする(請求項4)。
ビームが短パルスレーザーによって生成され(請求項
5)、前記短パルスレーザーが近赤外線スペクトル領域
で動作することで、可視あるいは紫外線波長領域に前記
第三高調波を設定するものであり(請求項6)、前記集
束ビーム及び前記試験体を相対移動させる手段をさらに
備え(請求項7)、前記短パルスレーザービームがサブ
ピコ秒の範囲以下のパルスを伴う連続波モードロックレ
ーザーによって生成され(請求項8)るものとすること
が好ましい。
ての物質は、照射光の第三出力及び非線形物質係数X
(3) に依存した大きさで、ある第三高調波3Wを発生す
る。それはまた、条件、すなわち基本的な高調波の位相
速度との相関と調和する位相に依存している。完全な位
相整合によってさえも、同質の媒体で精密に集束された
ビームは、相互に影響する配置のために第三高調波発生
が起こらないことが知られているが、異質の媒体では、
境界面が密接し、他の媒体で包埋された物質の薄層にて
顕著な第三高調波信号が発生することが知られている。
これらの信号は、前記層の反射率が非常に近接している
ときでさえも、以下に説明されるように発生する。走査
型レーザー顕微鏡は、境界面と、周囲の媒体と第三高調
波発生率が相違する小試験体とを第三高調波発生光が検
出する観測をする。
離れた物質)の第三高調波発生は、広範囲で変化する。
たとえば、種々の光学ガラスにおいては、非線形物質係
数X(3) が100も異なるが、前述したようにそれらの
反射係数nはせいぜい2しか違わない。気体近似理論に
よれば、X(3) =(n2 −1)4 及び第三高調波光の出
力が[X(3) ]2 =(n2 −1)8 と比例することが予
言される。これは、反射係数nの小さな値が大きな第三
高調波となって反映されることを意味する。それゆえ
に、第三高調波の生成は、物質間の差異を検出すること
のに有効となる。加えて、非線形性が含まれることによ
り、このような顕微鏡は、フィールドの実際の奥行きよ
り小さい物体を測定し、それゆえに、奥行き方向及び横
方向の双方向においてより優れた空間解像度を示す。
図面を参照しつつ好ましい一実施形態に基づいて説明さ
れる。
強調される。すなわち、実施例の方法により、及び本発
明のみの好ましい実施形態の実例となる検討を目的とし
て本発明の特徴が示され、本発明の原理及び概念面の最
も有益で容易に理解される説明となろうことを提供する
ことの理由で説明される。この事については、本発明の
基本的な理解のために必要とされる以上のさらなる詳細
をもって本発明の構造的な詳細を示す試みはなされず、
本発明のいくつかの形態がどのようにして実施例に具体
化されるかの説明が図を参照して当該技術分野の当業者
にとって自明であるようになされる。
微鏡の動作原理を概略的に説明する。顕微鏡対物レンズ
2は、短パルスでかつ高強度である基本周波数Wのレー
ザービーム4を試験体8内部の焦点6に集束し、周波数
3Wの第三高調波THをそこに生成する。第三高調波
は、収集レンズ10により収集されてフィルタ12を通
過し、基本周波数Wである原ビームについてそのどんな
に僅かなものでも除去されて最終的に検出される。試験
体8は、x方向及び/またはy方向及び/またはz方向
(すなわち、試験体に沿って、及び/またはその表面と
交差して、及び/またはその試験体を貫通して)にそれ
を移動することと、レーザービームを照射することによ
って走査される。すべての走査部位からの第三高調波信
号は、画像を形成するため電気的に収集される。
1実施例にかかる概略的な図である。同図では、必要最
大出力が試験体に影響を与える平均出力レベルに達する
ことなく得られるような短パルス式であるべき高強度レ
ーザー源14が示されている。最も好ましくは、近赤外
線領域(より好ましくは、1〜2μm)のレーザー源で
あるのがよい。このようなレーザー源は、10〜100
mwの平均出力を生成するピコ秒レンジ以下のパルスを
有するCW(連続波)モードロックレーザーであること
がさらに好ましい。
の軸に向けて反射し、試験体の可視検査のための可視光
を伝達する二色ビームスプリッタ16が示されている。
14からの光を試験体8に集束して第三高調波光を生成
するための標準的な高出力顕微鏡対物レンズ2(図1を
も参照)が示されている。
テージ20をあらかじめ設定された移動量及び方向にし
たがって移動する走査機構18によって得られる。
レンズ10により収集され、基本周波数Wのすべてのバ
ックグランド光を除去するフィルタ12に到達し、純粋
な第三高調波信号のみが送波されて、たとえば光電子増
倍管等の検出器に受光される。電気的に形成される画像
は、コンピュータ26のスクリーンに表示される。
走査装置28により、レーザービームそれ自体により走
査がなされる。また、図2の走査機構18に走査装置2
8を組み合わせることも可能である。
示される走査型顕微鏡を用いて実施した試験の結果を示
している。水(図4(a)(b)(c))とオイル(図
4(d))の薄膜が二つのガラス板の間に密閉される。
ラ−フィジック社製のOPAL(商品名)と称するレー
ザ光源)の短パルスレーザーを放射し、ビームはツァイ
ス(商標)の平面色消し対物レンズx100(N.A.
1.4)を用いて試験体内に集束される。試験体は、コ
ンピュータ制御された電動式ステージによって0.1μ
m間隔で光軸(z軸)に沿って走査される。第三高調波
光は0.516μmの波長を有している。
焦点を通って移動される試験体としての水膜における第
三高調波の(任意単位における)強度を示している。高
強度の第三高調波発生が、ガラス−水−ガラスの二つの
境界面に観察される。焦点が境界面に位置するとき第三
高調波発生信号は最大になり、試験体が約1μm移動さ
れるとその最大値は半分に減少する。さらに、二つの境
界面は、前記膜が約1.5μm厚である場合には、図4
(b)に示されるように未だ検出されるが、この値以下
で該境界面はもはや検出されないで、高強度の第三高調
波発生信号が図4(c)に示されるように膜の位置を検
出する。この結果は、小さい(ミクロン以下)対象物が
均一なマトリクスで包理されるときに発生する第三高調
波発生によって検出されることを確認している。
かる同様の結果を示している。該オイルは、顕微鏡でよ
く用いられる液浸オイル(n=1.516)であり、セ
ルのガラス壁に関する屈折率が整合されるものである。
それにもかかわらず、同図に示されるように、高強度の
第三高調波信号がガラス−オイル双方の境界面で発生す
る。
質間で、たとえそれらの線形特性(屈折率n、吸収性)
が同様であったとしても、異なることが理解される。第
三高調波発生の使用は、試験体における三次元分布写像
の作成を促進し、今日、他の顕微鏡技術に役立たせるた
めの不可能もしくは困難な情報を供給する。
に限定されるものではなく、また、本発明はその精神ま
たは本質的な属性から離れることなく他の特有の構造を
も包含するものであることは、当該技術分野の当業者に
明白であろう。したがって、本実施形態は、例証され、
かつ非限定的なすべての局面で考察されるべきものであ
って、本発明の範囲は、前述した説明によってというよ
りはむしろ、特許請求の範囲によって示されてあり、そ
れゆえ、特許請求の範囲と均等な意義及び範囲内でなさ
れるすべての変更はその範囲内に包含される。
概略図である。
概略図である。
二つのガラス板間にある15μm厚の水薄膜のz軸走査
による第三高調波の生成強度及び解像度を示すグラフで
ある。(b)は、約1.5μm厚の水膜にかかる図4と
同様のグラフである。(c)は、約1μm厚の水膜を有
する試験体の走査結果を示すグラフである。(d)は、
二つのガラス板の間にある15μmのオイル膜にかかる
走査結果を示すグラフである。
Claims (8)
- 【請求項1】 非線形走査型レーザー顕微鏡によって物
質の微細構造を測定する方法であって、 あらかじめ決定された基本周波数Wの集束レーザービー
ムでもって選択された部位を走査し、それにより該部位
が励起して前記基本周波数Wの第三高調波3Wを構成す
る信号を生成することによって試験体の画像を形成する
工程と、 収集手段によって前記信号を収集する工程と、 前記収集された3W信号から該第三高調波3W以外の周
波数信号を実質的に除去する工程と、 該除去後の3W信号を検出器に送信する工程と、 処理及び表示のために前記検出器の出力を蓄積する工程
とを具備することを特徴とする走査型レーザー顕微鏡を
用いた測定方法。 - 【請求項2】 前記走査が前記集束ビーム及び前記試験
体を相対移動させることによって行われることを特徴と
する請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 前記走査が、前記試験体に沿って及び/
またはその表面と交差して及び/またはその試験体を貫
通して行われることを特徴とする請求項1に記載の方
法。 - 【請求項4】 あらかじめ決定された基本周波数の集束
レーザービームでもって試験体を逐点走査することによ
り該試験体の画像を形成するのに適合する非線形走査型
レーザー顕微鏡であって、前記走査部位を励起すること
で前記基本周波数の高調波を構成する信号を生成し、こ
の信号が処理及び表示のため蓄積手段に蓄積されるもの
において基本周波数の前記高調波がその第三高調波であ
ることを特徴とする。 - 【請求項5】 前記ビームが短パルスレーザーによって
生成されることを特徴とする請求項4に記載の顕微鏡。 - 【請求項6】 前記短パルスレーザーが近赤外線スペク
トル領域で動作することで、可視あるいは紫外線波長領
域に前記第三高調波を設定することを特徴とする請求項
5に記載の顕微鏡。 - 【請求項7】 前記集束ビーム及び前記試験体を相対移
動させる手段をさらに備えることを特徴とする請求項4
に記載の顕微鏡。 - 【請求項8】 前記短パルスレーザービームがサブピコ
秒の範囲以下のパルスを伴う連続波モードロックレーザ
ーによって生成されることを特徴とする請求項5に記載
の顕微鏡。
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