JPH11183807A

JPH11183807A - 小型走査共焦点顕微鏡

Info

Publication number: JPH11183807A
Application number: JP3008598A
Authority: JP
Inventors: David Dickensheets; ディッケンシーツディヴィッド; S Quino Gordon; エスキノゴードン
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1997-02-12
Filing date: 1998-02-12
Publication date: 1999-07-09

Abstract

(57)【要約】【課題】マイクロ機械加工されて静電的に作動する走査
鏡を備えた小型走査共焦点顕微鏡を提供する。【解決手段】小型走査共焦点顕微鏡は、点光源として機
能する光ファイバと、光ファイバからの光を像平面上に
合焦させ、像平面から反射された光を集め、この光を受
容器上の点に合焦させるレンズと、視野を走査するため
に光を走査させるマイクロ機械加工走査鏡とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本出願は、１９９５年１２月
１９日に出願された米国特許出願第０８／５７５，６８
７号の一部係属出願である。本発明は、一般には小型共
焦点顕微鏡に関し、特にマイクロ機械加工鏡を用いた走
査共焦点顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】生物
学、医学及び半導体処理工程でごく普通に用いられる標
準的な光学顕微鏡は、大型である。一般的には、組織試
料は、顕微鏡スライド上に取り付けられた後に、生体外
で観察される。このような顕微鏡は、大型すぎるので、
皮膚や人体の内部器官の生体内観察には適さない。従っ
て、皮膚の黒腫の観察、歯及び歯肉の観察、動脈、静脈
及び人体器官内の細胞の内視鏡検査に使用することがで
きる小型顕微鏡が望まれている。最終的に、かかる顕微
鏡を皮下注射針内に取り付けることができるならば、生
体内生検を行うために、或いは、静脈、動脈、人体の他
の血管内の血流やプラズマ、涙管内の流体、及び小血管
内の全体的な状態等の、人体の顕微鏡的特徴を観察する
ために、好適であろう。小型顕微鏡の生物学的用途につ
いて説明がなされているが、本発明の小型顕微鏡を、小
管を通過させる内視鏡観察や半導体その他の材料の処理
工程時における現局位置での観察に使用することができ
る。

【０００３】現在の趨勢は、カテーテル内に取り付けた
小型器具で臨床処置を行うこと、光ファイバ装置で血管
内の内部観察を行うこと、並びにレーザ及び光ファイバ
技術を用いて手術を行うことである。このような処置を
用いることにより、旧来の外科的方法を用いた場合よ
り、人体に対する損傷が遙かに減少する。内視鏡で現在
得られる最良の解像度は１０乃至２０μｍ程度であるの
で、顕微鏡レベルでの処置観察は、有益であろう。他の
例としては、生検の実施が極端な痛みを伴う子宮内の癌
細胞の観察である。この目的の体内撮像技術は、組織を
そのまま残し、現在の医療慣習を相当改善するものとな
っている。従来、幾つかの光ファイバ顕微鏡が提案され
てきたが、それらはいずれも大き過ぎたり緩慢過ぎたり
で、フレーム時間は、数秒程度であり、解像度は極めて
劣っていた^1-6。従って、これらの顕微鏡は、顕微鏡レ
ベルでの体内実時間撮像には適していなかった。

【０００４】本発明者らは、近年の論文で振動ファイバ
顕微鏡について報告した。約０．８ｍｍ平方の振動ガラ
ス棒の端部に、フォトリソグラフィック手段で製作した
フレネルレンズを取り付けた。棒の他方の端部に接着し
た光ファイバからレンズを照射し、レンズから約１ｍｍ
の距離に直径１．８μｍ程度のスポットを形成した。観
察対象から反射された光は、ファイバとレンズを通過し
て検出器に達する。検出器からの信号は、適当な処理を
行った後に、画像変換器を介してビデオ画像として表示
された。断面矩形の棒は、該棒と外側管との間に印加さ
れた静電界により、ｘ及びｙ方向に僅かに異なる機械的
共振周波数で、振動させた。従って、レンズからの合焦
スポットは、ラスタパターン（リサージュ模様）を形成
した。振動周波数は、８ｋＨｚ程度であり、単一フレー
ムの画像の形成には、約１／２０秒かかった。解像度
は、約２μｍであった。この顕微鏡は、固定された大構
造で振動棒を支持しなければならず、支持構造が大型化
して体内での使用に適さない、という欠点を有してい
た。

【０００５】本発明の目的は、マイクロ機械加工小型走
査光学顕微鏡を提供することである。本発明の別の目的
は、マイクロ機械加工されて静電的に作動する走査鏡を
使用した小型走査光学顕微鏡を提供することである。本
発明の更に別の目的は、マイクロ機械加工されて静電的
に作動する走査鏡とマイクロ機械加工されたバイナリレ
ンズを使用した小型走査光学顕微鏡を提供することであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、単一モ
ード光ファイバ光源／検出器と合焦対物レンズとの間に
配設されて静電的に作動する走査鏡を含む、走査光学顕
微鏡が提供される。本発明の上記及びその他の目的は、
添付図面に基づいて読まれる以下の説明から、より完全
に理解されよう。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明による小型走査共焦点顕微
鏡は、図１の斜視図、図２の分解図、及び図３乃至図５
の断面図に示されている。顕微鏡は、シリコン基板１
１、接着シリコンプレート１２、単一モード光ファイバ
１３、シリコンスペーサ１４、シリコンスペーサ１４に
接着された石英ガラスレンズプレート１６を含む。接着
シリコンプレート１２は、単一モード光ファイバ１３と
石英ガラスレンズ板１６内に形成された小型対物レンズ
１９との間に配設される一対のマイクロ機械加工走査鏡
１７、１８を含む。シリコンスペーサ１４は、＜１１１
＞面２２を有する開口部２１を形成するようにエッチン
グされた＜１００＞シリコンから成る。図３を参照する
と、ファイバ１３からの光ビーム２３は、先ず、エッチ
ング＜１１１＞面２２から第１の走査鏡１７上に反射さ
れ、次に、レンズ板１６上の金属化鏡２４から第２の走
査鏡１８上に反射されて戻る。次いで、光ビームは、第
２の走査鏡１８から反射して、石英ガラスレンズ板１６
内にエッチングされたオフアクシス・ゾーンプレート対
物レンズ１９を通過する。該レンズは、ファイバからの
出力を試料面上の点２６に像形成する。鏡が回転する
と、この点は視野全体に亘り走査される。試料から反射
して戻った光は、レンズ１９により再び像形成され、同
じ経路に沿ってファイバに戻り、検出されて像形成する
ように処理される。ファイバは小さなピンホールのよう
に振る舞うので、装置は、共焦点顕微鏡であり、共焦点
走査光学顕微鏡から期待される有効範囲と横方向解像度
を有する。

【０００８】鏡走査器は、シリコンマイクロ機械加工技
術を用いて製造される。走査器及び空間光変調器に使用
されるマイクロ機械加工捩れ鏡は、非常に多くの著者
^8-14により報告がなされている。二枚の鏡の回転軸線
は、一方の鏡がｘ方向の光ビームを走査し、他方の鏡が
ｙ方向の光ビームを走査するように、直交している。や
がて説明されるように、鏡１７、１８は、静電的に回転
駆動される。シリコン基板１１は、鏡１７、１８の下側
に離間した凹部２８、２９を形成すべくマスキングをし
てエッチングされ、鏡１７、１８が回転し得るようにし
ている。基板をマスキングし、導電領域を形成するよう
に不純物が注入される。より詳細に言えば、凹部２８の
底部に二つの導電領域３１、３２が形成され、凹部２９
の底部に二つの導電領域３３、３４が形成される。これ
らの領域は、イオン注入リード線４１、４２、及び４
３、４４を介して、イオン注入接触領域３６、３７、及
び３８、３９に接続される。表面には、接着熱酸化物層
４６が形成される。凹部２８、２９内の酸化物上には、
窒化シリコンキャップが形成され、後続の金属化工程時
の絶縁体を構成している。

【０００９】シリコンプレート１２は、板上の酸化物層
及び基板酸化物４６を介して、基板１１に接着される。
板１２上には、窒化シリコン層４７が形成されており、
また、適当なマスキング及びエッチングにより窓５１、
５２及び５３、５４が形成され、接触領域３６、３７及
び３８、３９を露出させている。鏡１７、１８は、窒化
シリコン細片５７をヒンジとして残して、スロット５６
をエッチングすることにより画定される。エッチングに
よりヒンジの下側からシリコンを除去する一方、鏡面の
下側のシリコンは残して、硬質の鏡を構成する。鏡を画
定した後、シリコンプレート１２の上に導電層を堆積
し、鏡の表面上に、反射面と、導電領域３１、３２及び
３３、３４と共働して鏡をヒンジの周りに回転させる静
電力を付与するキャパシタの一方の板を構成する。鏡の
作動は、鏡の表面上の導電薄膜と個々の注入領域３１、
３２及び３３、３４との間に電圧を印加することによ
り、達成される。導電薄膜は、また、注入接触領域３
６、３７、及び３８、３９も覆っている。シリコンプレ
ート１２の上側表面の薄膜は、接触領域の薄膜とは接触
しない。

【００１０】図６のオフアクシス・ゾーンプレート対物
レンズは、電子ビームリソグラフィックパターン転写及
び異方性リアクティブイオンエッチングを用いて、製造
される。レンズに対する光ビームの入射角及び射出角
は、特に、レンズから放出されたビームが二次収差を生
じることなく視野の全体に亘り十分に合焦するように、
設計される。レンズ格子の局部構造は、オンアクシス像
形成用に設計された同様のレンズに対するレンズ効率を
増加させるべく、それ自体最適化されている。顕微鏡に
より形成される像の質は、レンズの構造により左右され
る。伝統的な顕微鏡対物レンズは、像の収差を最小にす
るように組み合わされた多くのガラス要素から構成され
ている。本発明の場合、極めて単純な単一要素の対物レ
ンズの使用からくる利益がある。単一光波長のレーザ光
源を用いているため、より一般的な屈折型でなく回折型
レンズを用いることができる。回折型レンズが関連設計
パラメータの厳格な制御の下でリソグラフ的に製造し得
るので、これは、製造上の観点から著しい利点である。
しかしながら、単一の回折型レンズ要素で顕微鏡を実現
しようとした場合、収差の無い像形成は期待し得ないも
のとされている。

【００１１】軸方向に対称な格子レンズの収差は、良く
知られている。この用途では、高解像度、従って、対物
レンズ内の高開口数が望まれる。レンズ絞りを有する軸
方向対称格子レンズ内の開口数を制限する主収差（所謂
三次収差）は、非対称収差である。ジグザグの光路を顕
微鏡に使用した場合、軸方向には対称ではないがレンズ
法線から一定角度で入射する光ビームから像を形成する
ように設計されたレンズが必要となる。一般に、このよ
うなオフアクシスレンズは、線形非点収差と呼ばれる一
層重大な二次収差を受ける。しかしながら、対象ビーム
及び像ビームの入射角が適正に選定されるならば、二次
非点収差は消失し、像形成は、再び三次非対象収差の影
響を受ける、ことが見出された。角度の制約は、図７で
定義したα₁、α₂、γ₁及びγ₂を用いて、以下の式
で表される。

【００１２】

【数１】

【００１３】このレンズの位相関数は、視野の中心点Ｐ
₁及びＰ₂が互いの完全な像となるものである。レンズ
平面の法線に対して入射及び射出ビームが形成する角度
に対するこの制約に基づいて顕微鏡が構成されている場
合、オフアクシスレンズの像形成収差は、より一般的な
軸方向に対称なレンズの収差と全く同様である。この関
係から著しく逸脱すると、計器の性能は極端に悪くな
り、従って、上述した構造的関係は、顕微鏡の動作に極
めて重要である。他方、オフアクシス像形成に有利な状
況が存在する場合、全体寸法を極めて小さく且つ構造を
単純に維持しつつ、ジグザグ光路を有する顕微鏡を実現
することが可能となる。図から、物体平面及び像平面が
光ビームの走行方向に対して垂直である、ことに最終的
に留意されたい。反射顕微鏡の場合、レンズが試料から
反射された光を集光しなければならないので、このこと
は重要である。試料平面が入射ビームに対して傾斜して
いる場合、反射光は、その経路を再び辿ってレンズに戻
ることができない。

【００１４】図８には、単一モード光ファイバ照射／検
出系が示されている。波長６３２．８ナノメートルの３
ｍｗヘリウム−ネオンレーザ等の光源６１は、単一モー
ド光ファイバ６２の一方の端部に光を供給する。該ファ
イバは、点光源及び顕微鏡の共焦点動作の検出器として
機能するファイバ１３に光を伝送する可撓性導管として
使用される。単一レンズは、ファイバからの光を試料上
で合焦させ、後方散乱光を集光する。方向性結合器６３
は、試料からの反射光を光検出器６４上に誘導して出力
信号６６を得る。走査検出器の電子インタフェースは、
原理的には単純である。図９及び図１０を参照すると、
各走査鏡は、回転軸線の両側に１つづつ、対称的に配設
された２つの電極３１、３２及び３３、３４により駆動
される。電極と鏡平面との間に電圧を印加すると、電圧
の大きさの２乗に比例する静電引力が生じる。鏡を一方
向又は他方向に傾斜させると、一方の電極に電圧が同時
に印加され、鏡を当該電極の方に偏向させる。振動動作
の場合、電圧を常に正に維持するのに十分な直流バイア
スを有する正弦波駆動電圧６７が電極に印加される。反
対側の電極には、逆の位相を有する電圧６８が印加され
るので、一方の側が最大電圧となると、他方の側はゼロ
電圧となって、鏡に正味捩り力が加わる。駆動信号の周
波数は、鏡をその自然共振又はオフ共振状態で振動させ
るように、調節してもよい。共振付近では、鏡の動作
は、駆動電圧波形に対して移相される。試料から反射さ
れた検出光から画像を形成するために、鏡の正確な位置
を知ることが必要である。この目的で、走査変換器６９
が用いられる。該走査変換器は、駆動信号とファイバか
らの検出光信号とを入力し、モニタ７１上での表示或い
はコンピュータ７２上での捕獲に適したラスタ走査画像
を出力する。

【００１５】制御方式としては、２種類が可能である。
最も簡単なものは、図９に示すオープンループ制御であ
る。ここでは、鏡の位置を予測するためには駆動電圧だ
けを監視すればよいという程度まで十分に鏡に対する運
動応答が既知である、と仮定されている。次に、走査変
換器は、ビームの計算された位置に対する検出光信号の
強度を写像する。他方の方式は、図１０のクローズドル
ープ制御である。ここでは、鏡の位置は、独立に監視さ
れ、この情報は、鏡の動作を駆動電圧波形に応じて係止
しようとするフィードバック方式において使用される。
鏡の位置を監視する最も簡単な方法の１つは、鏡板と駆
動電極との間の静電容量を測定することである。この静
電容量は、鏡の角位置と共に変動するので、静電容量の
変動を監視することにより、鏡の位置の直接測定値が得
られる。閉ループ制御の場合、制御ループは、鏡の動作
を駆動電圧に正確に従わせることができるので、走査変
換器は、ｘ及びｙ駆動信号を使用して、鏡の運動につい
ての特定の知識を要することなく、ビームの適正位置に
対する強度を直接写像することができる。

【００１６】顕微鏡は、長さ６ｍｍ、幅２．５ｍｍ、高
さ１ｍｍとして構成された。走査鏡１７は、３００μｍ
×３６０μｍ、走査鏡１８は、５００μｍ×６００μｍ
であった。単一モード光ファイバ１３は、直径１２５μ
ｍであった。顕微鏡は、ラスタ走査像とリサージュ走査
像が得られるように作動させた。第１の例では、顕微鏡
は、４μｍの中心上の幅２μｍのクロム線、及び５μｍ
の線を備えたガラス基板を走査するために使用された。
鏡１７は、約２０Ｖのピーク間正弦波電圧を用いて、
２．７１ｋＨｚの周波数で走査された。鏡１８は、約２
５Ｖのピーク間正弦波電圧を用いて、５Ｈｚの周波数で
駆動された。視野は、３０×２４μｍであった。その結
果生じたラスタ走査像は、図１１に示されており、これ
は、５Ｈｚのフレーム速度で２７１線／フレームを有す
る。２μｍ線は符号７６で示されており、５μｍ線は符
号７７で示されている。

【００１７】第２の例では、顕微鏡は、４μｍの中心上
の幅２μｍのクロム線、及び１０μｍの中心上の５μｍ
線を有するガラス基板を走査するために、使用された。
鏡１７は、約３０Ｖのピーク間正弦波電圧により、４．
３ｋＨｚの周波数で走査された。鏡１８は、約２５Ｖの
ピーク間正弦波電圧により、１．０７ｋＨｚの周波数で
駆動された。視野は、約８０μｍ×６０μｍであった。
その結果生じたリサージュ走査像を、図１２に示す。フ
レーム速度は、２６８線／フレームで８Ｈｚであった。
２μｍ及び５μｍ線は、それぞれ、符号７８及び７９で
示す。もう一つの例では、顕微鏡は、Ｕ字形トレンチを
有する食刻シリコンテスト構造を走査するために、使用
された。鏡１７は、３０Ｖのピーク間正弦波電圧により
４．３ｋＨｚの周波数で走査され、８０μｍ×６０μｍ
の視野が付与された。図１３には、その結果生じたリサ
ージュ走査像が示されている。トレンチは、符号８１で
示す。フレーム速度は、２６８線／フレームで８Ｈｚで
あった。

【００１８】第４の例では、顕微鏡は、ガラススライド
上の赤血球を走査するために使用された。鏡１７は、３
０Ｖのピーク間正弦波駆動電圧により１．０７ｋＨｚの
周波数で走査された。鏡１８は、１５Ｖのピーク間正弦
波駆動電圧により１．０７ｋＨｚの周波数で駆動され
た。視野は、４０μｍ×６０μｍであった。その結果得
られたリサージュ走査像を図１４に示す。赤血球は、符
号８２で示されている。フレーム速度は、２６８線／フ
レームで８Ｈｚであった。図１５−図１７は、本発明に
よる走査共焦点顕微鏡のための静電的に回転される走査
鏡のもう１つの実施の形態を示す。接着ウエハ技術を利
用して静電的に偏向される鏡組立体を作った。クリアラ
ンスウエル８６を備えるように基板１１ａを準備した。
次いで、第２のシリコンウエハ１２ａを基板に接着し
た。シリコンウエハをマイクロ機械加工して鏡プレート
を形成した。鏡１７ａ、１８ａは各々シリコンプレート
からなる。シリコンプレート８９が図１６に示されてお
り、捩れヒンジ９１、９２及び９３、９４によって支持
されていることに留意されたい。ヒンジは、低応力窒化
シリコンでできている。１つの例では、５００μｍ×５
００μｍで厚さ２５μｍであった。鏡は、約２５μｍの
ギャップだけシリコンプレート１２ａから分離されてい
る。鏡は、シリコンプレートの上面に形成された反射金
属電極９６、９７と反射金属電極９８、９９とのギャッ
プに亘って電圧を印加したとき、静電引力によって作動
された。金属電極は、反射鏡表面と、ヒンジを中心とし
た鏡の作動のための駆動電極の両方の役目をする。２組
の電極への接続は窒化シリコン層の上面に薄膜として形
成されたリード線１０１、１０２、１０３、１０４によ
って行われる。

【００１９】基板１１ａのための出発材料は、［１０
０］ｐ型シリコン、０．１Ω-cm であった。接着用の薄
い熱酸化物層を備えるように基板を準備し、次いで、ウ
エル８６をパターン加工し、反応性イオンエッチングを
用いて所望の深さまで基板にエッチングした。上プレー
トウエハ１２ａのための出発材料は、［１１１］ｐ型シ
リコン、５０００Ω-cm であった。これまた、接着用の
薄い熱酸化物層を備えるように上プレートウエハを準備
し、次いで、溶融接着技術を用いて基板１１ａに接着し
た。上プレートをグラインド加工し、２５μｍの所望の
仕上げプレート厚さまで磨いた。１０００Åの熱酸化物
層、次に、低応力窒化シリコンの１μｍ薄膜１０５を堆
積させた。次いで、接点開口をパターン加工し、窒化シ
リコン及びその下の酸化物を貫通するようにエッチング
し、次いで、燐注入とアニーリングを行って金属電極９
８、９９とｐ型プレートとの間のｐｎ接合部を形成する
ｎ＋領域１０６、１０７を構成した。同様な注入領域及
びｐｎ接合部（図示せず）を電極９６、９７とその下の
ｐ型プレートとの間に形成した。次いで、鏡の輪郭及び
ヒンジをパターン加工して窒化物層にエッチングし、次
いで、クロム−金反射電極を付着させ、パターン加工し
た。最後に、弗化水素酸、硝酸及び酢酸の混合物（ＨＮ
Ａ）を用いて、鏡の周囲およびヒンジの下で、シリコン
を異方性エッチングし、次いで、下にある接着用酸化物
をエッチングすることによって構造物を解放した。完成
された副構造物は、図１５−図１７に示されている。

【００２０】鏡のためにシリコンプレートを用いること
によって、走査中に歪まない厚さ２５μｍの剛性で光学
的に平坦な表面が確保される。シリコンプレートは、窒
化シリコン薄膜の内部応力による最小の曲げを受けた。
プレートを作動させるには、プレートと基板との間のギ
ャップに亘って電圧を確立することが必要である。プレ
ートの上面に堆積された電極を用いてこれを達成するた
めには、電極の下でシリコン支持体またはウエハから自
由なキャリヤを奪わなければならない。２５μｍ厚のプ
レート中から自由なキャリヤの剥奪を行うために、プレ
ートに高抵抗率シリコンを用いた。説明した金属電極
を、図１６に示したようなｐｎ接合部を介してシリコン
プレートに電気的に接続した。駆動電極間に電圧を印加
したとき、よりプラスの電極が逆バイアスされ、以下の
式によって近似的に与えられる深さＷの深さまで電極の
下の全ての領域から自由なキャリヤが剥奪された。

【００２１】

【数２】

【００２２】ここで、εはシリコンの誘電率、Ｖは印加
電圧、Ｖ_biはビルトイン接合部電位、ｑは電子の電荷、
ｎ_aはｐ型シリコンのための受容体濃度である。鏡プレ
ートのための選択された抵抗率では、ｐ型シリコンの抵
抗率は、ｎ_a＝２．６×１０¹²ｃｍ^-3である受容体濃度
に相当する。上記の関係を用いると、約２．５ボルトの
電極間の電圧でプレートから完全に自由なキャリヤが剥
奪される。図１５−図１７に関連して説明した静電的に
偏向される鏡組立体は、注入領域の必要をなくすことに
よって走査鏡装置の構造を簡単にし、偏向電圧の印加の
ための電気的接続を簡単化する。その他の点では、顕微
鏡は、前に説明した仕方で作動する。図８に示したファ
イバ結合器６３を用いるのではなく、共焦点走査顕微鏡
は、光を走査鏡に伝送するだけの目的で単一モード光フ
ァイバを用いるのがよい。図１８及び図１９でわかるよ
うに、ダイオード検出器６４が単一モード光ファイバの
傾斜した端部１１０に隣接して配置されているのがよ
く、薄い金属膜ドットビームスプリッタ１１１が光ファ
イバの傾斜した端部１１０に形成されているのがよい。
すると、物体から反射されたビームは、光ファイバの傾
斜した端部１１０に当たり、金属ビームスプリッタによ
って下向きに、出力信号６６を提供するダイオード６４
の方に反射される。金属膜をファイバコアの直径にする
ことによって、ビームがコア上に合焦されたときにダイ
オード６４からしか信号が得られない。システムは共焦
点顕微鏡として機能する。ファイバのコアを取り囲むク
ラッディングから反射能をなくすために、ファイバは反
射防止コーティング（図示せず）を備えるのがよい。

【００２３】図６に示したオフアクシス回折レンズに代
えて、図２０に示すように、収差を最小にするために、
ｎ＝２．２であるジルコニアのような高屈折率と小さい
分散を有する材料から形成されたガラス球１１２の形態
の屈折レンズを用いるのがよい。球は、１ｍｍ程度の径
を有し、レンズホルダ１１３によって保持される。他の
形状としては、より収差を小さくする傾いた半球があり
得る。走査鏡の表面を改質して反射屈折レンズ（図示せ
ず）または反射位相プレート（図示せず）を含むように
してもよい。かかる改質の目的は収差補正を行うように
固定レンズを交換したり、固定レンズと協調して機能す
ることである。我々は、顕微鏡を、二鏡装置に代えて図
２１乃至図２３に示したような二軸鏡装置を用いること
によって短くすることができることを見出した。図２１
では、図１乃至図６を参照して説明したのと同じ部分に
同じ参照番号が付されている。組立体は、ビームをｘ方
向及びｙ方向の両方向に偏向するためにたった１つの鏡
しか必要としない点で簡単化されている。システムは、
プレート１２ａからヒンジ１２２、１２３によって支持
されたフレーム１２１にヒンジ１１７、１１８を中心に
して鏡１１６を取り付けることによって作られる。鏡
は、低応力窒化シリコンでできた捩れヒンジ１１７、１
１８によって支持されたシリコンプレート１２６からな
る。フレーム及び鏡プレートは、約２５μｍのギャップ
だけシリコン基板から分離されている。鏡は、このギャ
ップに亘って電圧を印加したときに静電引力によって作
動される。２つの金属電極１３６、１３７は、反射鏡表
面と、ヒンジ１１７、１１８を中心とした鏡の作動のた
めの駆動電極の両方の役目をする。フレーム上の２つの
追加の電極１３８、１３９が、フレームを直交方向に作
動させるために使用される。２組の電極への接続は、電
極および、以下に説明する窒化物膜の表面に形成された
薄膜リード線１４６、１４７、１４８、１４９に接着さ
れたワイヤ１４１、１４２、１４３、１４４によって行
われる。前と同じように、基板は、高不純物添加ｐ型シ
リコン、０．１Ω-cm であった。接着用の薄い熱酸化物
層を備えるように基板を準備し、次いで、ウエル１５１
をパターン加工し、反応性イオンエッチングを用いて所
望の深さ、２５μｍ、まで基板にエッチングした。上プ
レートのための出発材料は、実質的に固有のｐ型シリコ
ン、５０００Ω-cm であった。これまた、接着用の薄い
熱酸化物層を備えるように上プレートを準備し、次い
で、溶融接着技術を用いて基板１１ａに接着した。上プ
レートをグラインド加工し、所望の仕上げプレート厚さ
まで磨いた。１０００Åの熱酸化物層、次に、１μｍの
低応力窒化シリコンを堆積させた。次いで、接点開口を
パターン加工し、窒化シリコン及びその下の酸化物を貫
通するようにエッチングし、次いで、燐注入とアニーリ
ングを行って接点の下にｎ＋領域を構成した。鏡の輪郭
及びヒンジをパターン加工して窒化物層にエッチング
し、次いで、クロム−金反射電極を付着させ、パターン
加工した。最後に、弗化水素酸、硝酸及び酢酸の混合物
を用いて、鏡の周囲およびヒンジの下で、シリコンを異
方性エッチングし、構造物を解放した。完成された副構
造物は、図２２及び図２３に示されている。

【００２４】我々は、印加された駆動信号の関数として
の周波数応答及び角度変位に関して走査鏡を特徴づけ
た。鏡の動的挙動は、減衰がないときに、以下の式によ
って与えられる二次運動方程式を用いて記述することが
できる。

【００２５】

【数３】

【００２６】ここで、Ｉ_pは、プレートまたは、内側ヒ
ンジ軸および外側ヒンジ軸のそれぞれを中心にして運動
することができるように組み合わされたプレート及びフ
レームのいずれかの慣性モーメントである。ヒンジ軸に
沿った寸法をｃ、ヒンジ軸に対して直角な寸法をｂとし
た内側プレートの運動について、Ｉ_p＝ｐｃｂ³ｔ／１
２であり、ここで、ｔはプレートの厚さ、ｐはシリコン
の密度（２．３２ｇ／ｃｍ³）である。窒化物膜ヒンジ
の復原トルクは、θ２ＫＧ／ｌであり、ここで、ｌはヒ
ンジの長さであり、Ｇは、剪断における膜の弾性率であ
り、引っ張り弾性率Ｅ（ヤング率）とポアソン比νとの
間に、Ｇ＝Ｅ／２（１＋ν）なる関係が成り立つ。因数
Ｋは、窒化物支持アームの慣性極モーメントに関係して
いる。長方形横断面について、Ｋは以下に式によって与
えられる¹⁰。

【００２７】

【数４】

【００２８】ここで、ａはヒンジの幅であり、δは窒化
物層の厚さである。プレートにかかるトルクは、以下の
式で与えられる。

【００２９】

【数５】

【００３０】ｘをヒンジと直角の方向であると仮定し、
Ｆ（ｘ）を単位面積あたりの力とすると、Ｆ（ｘ）は、
鏡が回転することができる範囲θについて、以下のよう
に書くことができる。

【００３１】

【数６】

【００３２】この式で、δθは、プレートと基板の間の
間隔である。静電力は印加電圧の２乗の関数であるか
ら、電極に直流バイアスをかけて装置を作動させること
がしばしば望ましい。そのため、電圧は単極性であり、
鏡の応答は、周波数の２倍ではなく駆動電圧と同じ周波
数にある。しかしながら、直流バイアスの存在は、鏡の
共振周波数を変える。この効果がみられるため、内側プ
レートの挙動を考慮しなければならない。ギャップに亘
って印加される電圧Ｖ- _dcをプレートに亘って一定にす
るのがよく、すると、θの関数としてのトルクについて
式を拡張することができる。小さい角度変位について、
これは以下のようになる。

【００３３】

【数７】

【００３４】ここで、Ｏ（３）はθの三次以上の項を意
味する。すると、運動方程式は以下のようになる。

【００３５】

【数８】

【００３６】この構造は、以下の式によって与えられる
共振周波数を有するようになる。

【００３７】

【数９】

【００３８】直流バイアス電圧を大きくすると、鏡プレ
ートの共振周波数を小さくする効果がある。図２４は、
内側プレート、及び組み合わせた内側プレート及び外側
フレームの両方の周波数応答を示す。このデータは、一
辺が５００μｍで厚さが２５μｍの正方形鏡プレートに
対応している。プレートのためのヒンジは、厚さ１μ
ｍ、幅２０μｍ、長さ２５μｍであった。フレームも正
方形であり、内側の寸法が５２０μｍであり、外側の寸
法は７２０μｍである。フレームのためのヒンジは、厚
さ１μｍ、幅１６μｍ、長さ５０μｍであった。周波数
データは、通常モード直流バイアス電圧の値の範囲に亘
ってこの特定の鏡の内側プレートについて測定した。図
２５には、式９によって記述されるバイアス電圧と共振
周波数との従属関係が、バイアス電圧の２乗に対して周
波数の２乗をプロットすることによって示されている。
プレートと基板の距離δθが一定となるような十分小さ
い電圧では、この関係は直線になる。曲線のｙ切片はヒ
ンジのばね定数をプレートの慣性モーメントで割ったも
のに等しい。この数を用いて窒化シリコンヒンジの剪断
率Ｇを計算することができる。この装置では、Ｇ＝６．
５×１０¹⁰［Ｎ／ｍ］であることがわかる。

【００３９】実時間ビデオ速度走査では、８〜１０ｋＨ
ｚの範囲の、幾つかの例では場合によってそれよりも高
い線走査周波数で作動することが望ましい。現在の鏡で
我々が測定した最も高い共振周波数は、２．７ｋＨｚで
ある。ヒンジの厚さを増してばね定数を増大させ、プレ
ートの厚さを減らして慣性モーメントを減少させること
によって、この鏡の構造は、５００μｍ×５００μｍの
プレートで１０ｋＨｚの共振線走査を提供するように容
易にスケールするはずである。二軸鏡を用いたラスタ型
走査では、外側プレートは代表的には、共振よりも十分
小さい数Ｈｚから数十Ｈｚで作動される。この周波数範
囲では、我々はθを０と近似することができ、鏡の角度
変位は、以下の静的式によって支配される。

【００４０】

【数１０】

【００４１】我々は、中央プレートとその他のフレーム
電極をすべて接地してフレーム電極の１つに印加した直
流電圧の関数として鏡及びフレームの静的変位を測定し
た。結果は、図２６にプロットされている。外側フレー
ムの１辺に亘って式５の積分を求めることによって計算
される理論的に予測される偏向も図にプロットされてい
る。次いで、我々は、以下の式を用いてトルクを求め
る。トルクＴは以下の関係式によって与えられる。

【００４２】

【数１１】

【００４３】ここで、ｂ₁＝ｃ₁＝５２０μｍはフレー
ムの内側寸法であり、ｂ₂＝ｃ₂＝７２０μｍはフレー
ムの外側寸法である。式１０に出てくる唯一の材料パラ
メータは弾性剪断率Ｇである。周波数応答から計算され
るＧに対する数を用いると、理論的に予測される偏向
と、印加された駆動電圧の関数として測定された静的偏
向は優れた一致を示した。我々は、マイクロ加工される
ファイバ共焦点光学顕微鏡で走査要素として二軸シリコ
ン捩れ鏡を使用した^6,7。図２１に示されている装置
は、走査鏡が表面に作られている基板ウエハと、光ビー
ムが伝播する異方性エッチングされたキャビティをもつ
第２のシリコンウエハと、像形成される試料上に光ビー
ムを合焦するのに使用される格子レンズを収容するロー
ズドシリカでできた上プレートとからなる。アングル研
磨仕上げ単一モード光学ファイバから出た光は、エッチ
ングされたキャビティ面上の静止鏡から反射され、次い
で、光は、二軸走査鏡の中央プレートに遭遇する。走査
鏡から反射された光は、対物レンズを通過し試料上の点
に合焦される。試料から反射された光はレンズによって
集められ、同じ光路を辿ってファイバに戻り、ここで光
は検出されて試料の反射能に比例した信号を発生する。
走査鏡を作動することにより、合焦された点は試料に亘
ってラスタ走査し１点ずつ像が形成される。

【００４４】図２７は、マイクロ加工された顕微鏡及び
二軸走査鏡で得られたガラス基板上のクロム線のテスト
パターンの像を示す。より幅の広い線は１０μｍ周期で
幅５μｍであり、より幅の狭い線は４μｍ周期で幅２μ
ｍである。レンズの開口数は０．２５であり、合焦され
る点は１μｍｆｗｈｍである。この像の視野は、６０
μｍ×６０μｍ（格子の１区画は１０μｍ）であり、走
査鏡の±１．５°の角度変位に対応する。この像は、線
走査及びフレーム走査のいずれについても帰ブランキン
グの利益なく、１０Ｈｚの三角形フレームと１．８Ｈｚ
の正弦曲線走査を用いて撮影された。図２８を参照する
と、本発明によるマイクロ機械加工された顕微鏡１５５
が、窓１５８を有する皮下針チュービング１５７内のＰ
ＺＴバイモルフ１５６に取り付けられて示されている。
適当な電圧をバイモルフに印加することによって、顕微
鏡を偏向させて種々の試料平面に合焦させることができ
る。皮下チュービングは、光ファイバ及び、走査鏡電極
を駆動し、走査ヘッドから検出器６４からの信号を受け
取るためのリード線を収容するケーブル１６１に取り付
けられて示されている。マイクロ機械加工された共焦点
顕微鏡はまた、歯科、皮膚科などに使用するために取り
付けることができる。

【００４５】以上、本発明の特定の実施形態を説明して
きたが、本発明から逸脱することなく変形を行うことが
可能である。例えば、鏡を片持ち式に或いは単一支柱上
に支持してもよい。かくして、マイクロ機械加工走査鏡
及び部品を利用した小型走査共焦点顕微鏡が提供され
た。本発明の特定の実施の形態の以上の説明は例示及び
説明のために提示されたものである。これらの実施の形
態はこれに尽きるものではなく、本発明は開示された形
態そのものに限定されず、明らかに多くの変更、実施の
形態及び変形がこれまでの教示に鑑みて可能である。本
発明の範囲は添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物
によって定義されるものである。〔参考文献〕１．Ｌ．ジニウナス、Ｒ．ジャスカイティス及びＳ．
Ｊ．シャターリン共著「走査光ファイバ顕微鏡」電子通
信、第２７巻、７２４−７２６頁（１９９１年）２．Ｔ．ダブス及びＭ．グラス共著「光ファイバ共焦点
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Ｊ．シャターリン共著「光切開機能を有する内視鏡」、
応用光学、第３２巻、２８８８−２８９０頁（１９９３
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視型光ファイバ共焦点顕微鏡」、光学通信、第１９巻、
１９０６−１９０８（１９９４年）５．Ｐ．Ｍ．デラニ、Ｍ．Ｒ．ハリス及びＲ．Ｇ．キン
グ「蛍光撮像に適した光ファイバレーザ走査共焦点顕微
鏡」応用光学、第３３巻、５７３−５７７頁（１９９４
年）６．Ａ．Ｆ．グルニトロ及びＤ．アジス共著「光ファイ
バ撮像束を用いた共焦点顕微鏡」光学通信、第１８巻
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鏡」、超小型電子工学技術、第１９巻、１９９−２０４
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シ著「シリコンマイクロ機械加工二次元電流光学スキャ
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−９頁１６．Ｍ．Ｊ．デーンマン、Ｏ．ソルガアルド、Ｎ．
Ｃ．チエン、Ｋ．Ｙ．ロー、Ｒ．Ｓ．ミューラー著「マ
イクロ機械加工アラインメント鏡を用いたレーザ−ファ
イバ結合モジュール」ＩＥＥＥフォトニクス技術通信８
（１９９６年）３９６−８頁１７．Ｒ．Ａ．ブザー、Ｎ．Ｆ．ド・ロオイユ、Ｈ．テ
ィシュフホーザー、Ａ．ドムマン、Ｇ．ストーフェルト
著「医療用バイモルフ構造によって作動される二軸走査
鏡」センサとアクチュエータＡ３１（１９９２年）２
９−３４頁１８．Ｄ．Ｌ．ディッケンシーツ、Ｇ．Ｓ．キノ著「マ
イクロ機械加工された走査共焦点顕微鏡」光学通信、第
２１巻、（１９９６年）７６４−６頁１９．Ｄ．Ｌ．ディッケンシーツ、Ｇ．Ｓ．キノ著「マ
イクロ機械加工された走査共焦点顕微鏡」フォトオプテ
ィクス器械技術２６５５、（１９９６年）７９−８５頁２０．チャールズキッテル及びヘルベルトクロエマ
ー著「熱物理学」（Ｗ．Ｈ．フリードマン、サンフラン
シスコ、１９８０年）第１３章２１．Ｗ．Ｐ．マスザラ、Ｇ．ゴエツ、Ａ．カビグリ
ア、Ｊ．Ｂ．マックキッテリック著「シリコン−オン−
インシュレータのためのシリコンウエハの接着」応用物
理学雑誌６４、（１９８８年）４９４３−４９５０頁２２．Ｂ．Ｒ．ホプキンズ著「シャフト及びビームの設
計分析、第２版」（Ｒ．Ｅ．クリエジェー出版社、マラ
バー、フラ．、１９８７年）３６５頁

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による小型共焦点走査顕微鏡の斜視図。

【図２】図１の顕微鏡の各部を示す分解組立図。

【図３】図１の線３−３に沿った断面図。

【図４】図１の線４−４に沿った断面図。

【図５】図１の線５−５に沿った断面図。

【図６】図１及び図２に概略が示されたゾーンプレート
線を示した図。

【図７】オフアクシスゾーンプレートレンズの構造に採
用された角度を示した図。

【図８】光ファイバ照射／検出構造を示した図。

【図９】走査鏡及び信号処理回路に関連したオープンル
ープ電子駆動回路を示した図。

【図１０】走査鏡及び信号処理回路に関連したクローズ
ドループ電子駆動回路を示した図。

【図１１】本発明による顕微鏡を用いて撮られたガラス
基板上のクロム線の像を示した図。

【図１２】本発明による顕微鏡を用いて撮られたガラス
基板上のクロム線のもう一つの像を示した図。

【図１３】本発明による顕微鏡を用いて撮られたシリコ
ンテスト構造の像を示した図。

【図１４】本発明による顕微鏡を用いて撮られた赤血球
の像を示した図。

【図１５】図１−図４に示されている走査鏡及び基板の
もう１つの実施の形態の分解図。

【図１６】図１５に示されている走査鏡の１つの部分断
面図。

【図１７】図１６に示されている鏡の上面図。

【図１８】検出器を含む走査顕微鏡の断面図。

【図１９】（ａ）は、図１８の部分１９−１９の拡大
図。（ｂ）は、単一モード光ファイバの端面図。

【図２０】屈折焦点レンズを示す走査顕微鏡ヘッドの断
面図。

【図２１】二軸走査鏡を使用した走査顕微鏡の断面図。

【図２２】図２１の二軸走査鏡の上面図。

【図２３】図２２の二軸走査鏡の断面図。

【図２４】内側プレート及び、組み合わされた内側プレ
ート及び外側フレームの両方の周波数応答を示す。

【図２５】通常モード直流バイアス電圧の値の範囲に亘
る内側プレートの周波数応答を示す。

【図２６】直流バイアス電圧の関数としての鏡及びフレ
ームの角度的偏向を示す。

【図２７】図２１によるマイクロ機械加工共焦点顕微鏡
によるクロムバーターゲット像を示す。

【図２８】皮下チュービングに取り付けられた小型共焦
点走査顕微鏡を示す。

【符号の説明】

１１、１１ａ…シリコン基板１２、１２ａ…接着シリコンプレート１３…単一モード光ファイバ１４…シリコンスペーサ１６…石英ガラスレンズプレート１７、１７ａ、１８、１８ａ、１１６…マイクロ機械加
工走査鏡１９…対物レンズ２３…光ビーム２８、２９…凹部３１、３２、３３、３４…導電領域３６、３７、３８、３９…イオン注入領域４１、４２、４３、４４、１０１、１０２、１０３、１
０４、１４６、１４７、１４８、１４９…リード線５６…スロット５７…窒化シリコン細片９１、９２、９３、９４、１１７、１１８、１２２、１
２３…捩れヒンジ９６、９７、９８、９９、１３６、１３７…金属電極１１０…光ファイバの傾斜した端部１１１…ビームスプリッタ１１２…ガラス球の形態の屈折レンズ１２１…フレーム１４１、１４２、１４３、１４４…ワイヤ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ゴードンエスキノアメリカ合衆国カリフォルニア州 94305 スタンフォードシードロウェイ 867

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】点光源として機能する一方の端部を有す
る単一モード光ファイバと、該ファイバの前記一方の端
部からの光を焦点平面上の点上に合焦させると共に該点
から反射される光を集光して光ファイバの端部上に前記
光を合焦させるレンズと、を含む型の走査光学顕微鏡で
あって、シリコン部材からなるマイクロ機械加工二軸走査鏡手段
と、窒化シリコンヒンジであって、該ヒンジを中心にして回
転できるように前記鏡手段を支持するための窒化シリコ
ンヒンジと、第１の方向及び第２の直交方向に沿って光を走査し、そ
れによって、焦点平面上の点が、前記第１及び第２の方
向に走査され、光が焦点平面からレンズ及び走査鏡を介
して光ファイバの端部に戻されるように鏡手段を静電的
に作動させる手段と、を含む、ことを特徴とする走査光学顕微鏡。
【請求項２】鏡手段が、第１の軸を中心にして回転で
きるように窒化物ヒンジによって支持されたフレーム
と、直交軸を中心にして回転できるように窒化物ヒンジ
によって前記フレームから支持され、それによって、第
１の方向及び第２の直交方向に光を走査するマイクロ機
械加工鏡と、を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の走査光学顕微鏡。
【請求項３】前記光ファイバの端部が傾斜しており、
前記光ファイバの端部には、前記焦点から受け取った光
を、光ファイバの端部に隣接して配置された検出器上に
反射させるためのビームスプリッタが配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の走査光学顕微鏡。
【請求項４】レンズが、オフアクシスバイナリーレン
ズである、ことを特徴とする請求項１に記載の走査光学顕微鏡。
【請求項５】レンズが、屈折レンズである、ことを特徴とする請求項１に記載の走査光学顕微鏡。
【請求項６】レンズが、シリコン部材によって支持さ
れている、ことを特徴とする請求項１に記載の走査光学顕微鏡。
【請求項７】走査光学顕微鏡であって、低抵抗率基板と、第１の軸を中心として回転できるように前記基板の上方
にヒンジ運動可能に支持された低抵抗率フレームと、第２の直交軸を中心に回転できるように前記フレームに
よって前記基板の上方にヒンジ運動可能に支持された高
抵抗率部材と、一対の離間した導電反射薄膜であって、該導電反射薄膜
と前記基板との間に選択的に電圧を印加することによっ
て、前記高抵抗率部材が前記第１の軸を中心にして静電
的に回転されるように前記高抵抗率部材の表面に支持さ
れた一対の離間した導電反射薄膜と、一対の離間した導電薄膜であって、該導電薄膜と前記基
板との間に選択的に電圧を印加することによって、前記
フレームが前記第２の直交軸を中心にして静電的に回転
されるように前記フレームの表面に支持された一対の離
間した導電薄膜と、前記鏡によって走査された光を受け取り、この光を像平
面に合焦させ、前記像平面から反射された光を受け取
り、この光を前記鏡及び光ファイバ上に戻すためのレン
ズと、を含む、ことを特徴とする走査光学顕微鏡。
【請求項８】前記光ファイバの端部が傾斜しており、
前記光ファイバの端部には、前記焦点から受け取った光
を、光ファイバの端部に隣接して配置された検出器上に
反射させるためのビームスプリッタが配置されている、ことを特徴とする請求項７に記載の走査光学顕微鏡。
【請求項９】前記基板及び前記部材が、シリコンであ
る、ことを特徴とする請求項７に記載の走査光学顕微鏡。
【請求項１０】前記フレーム及び部材をヒンジ運動可
能に支持する手段が窒化シリコンである、ことを特徴とする請求項９に記載の走査光学顕微鏡。
【請求項１１】点光源として機能する一方の端部を有
する単一モード光ファイバと、該ファイバの前記一方の
端部からの光を焦点平面上の点上に合焦させると共に該
点から反射される光を集光して光ファイバの端部上に前
記光を合焦させるレンズと、を含む型の走査光学顕微鏡
であって、シリコンプレートに形成された第１の高抵抗率部材から
なるマイクロ機械加工走査鏡と、第１の軸を中心に回転できるように前記プレートから前
記鏡を支持するための窒化シリコンヒンジを含む窒化シ
リコン層と、前記鏡に隣接して配置された低抵抗率基板と、シリコン部材によって支持され、光ファイバから光を受
け取るための離間した反射導電表面と、を含み、前記離
間した反射導電表面及び前記基板は、前記導電表面と基
板との間に印加された電圧に応答して鏡を回転させる手
段を提供する、ことを特徴とする走査光学顕微鏡。
【請求項１２】シリコンプレートに形成された第２の
高抵抗率部材からなる第２の鏡と、第２の直交軸を中心に回転できるように前記プレートか
ら前記鏡を支持するための窒化シリコンヒンジを含む窒
化シリコン層と、前記鏡に隣接して配置された低抵抗率基板と、前記第２の高抵抗率部材によって支持され、光ファイバ
から光を受け取るための離間した反射導電表面と、を含
み、前記離間した反射導電表面及び前記基板は、前記導
電表面と基板との間に印加された電圧に応答して前記第
２の鏡を静電的に回転させる手段を提供し、それによっ
て、鏡の組合せが、光を第１の方向及び第２の直交方向
に偏向する、ことを特徴とする請求項１１に記載の走査共焦点顕微
鏡。