WO2010131996A1 - Способ томографического исследования микроскопических объектов и сканирующий микроскоп для его осуществления - Google Patents

Способ томографического исследования микроскопических объектов и сканирующий микроскоп для его осуществления Download PDF

Info

Publication number
WO2010131996A1
WO2010131996A1 PCT/RU2010/000243 RU2010000243W WO2010131996A1 WO 2010131996 A1 WO2010131996 A1 WO 2010131996A1 RU 2010000243 W RU2010000243 W RU 2010000243W WO 2010131996 A1 WO2010131996 A1 WO 2010131996A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
radiation
scanning
slit
opaque screen
plane
Prior art date
Application number
PCT/RU2010/000243
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Михаил Александрович ЮДАКОВ
Юрий Петрович ВОЛКОВ
Алексей Олегович МАНТУРОВ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Центр Инновационных Технологий - Эс"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Центр Инновационных Технологий - Эс" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Центр Инновационных Технологий - Эс"
Priority to DE112010002007T priority Critical patent/DE112010002007T5/de
Publication of WO2010131996A1 publication Critical patent/WO2010131996A1/ru
Priority to US13/296,676 priority patent/US8384901B2/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes

Definitions

  • the invention relates to the field of research of materials using electromagnetic radiation, followed by obtaining an image of the object under study, namely, scanning methods and devices for tomographic study of the two-dimensional structure of flat objects.
  • the known method of radiation computed tomography which consists in irradiating the test object with a stream of ionizing radiation, recording transmitted through the radiation control object for a given number of trajectories with the relative and angular movement of the "assembly" of detectors and the test object, converting the recorded signals and restoring the tomographic image using a computer for a certain the algorithm.
  • the radiation from a point source propagates in the form of a fan beam and, after passing through the test object, is detected by detectors located on an arc of a circle centered at the location of the radiation source (see patent for invention RU J ⁇ 22180745, IPC: G01N23 / 04).
  • the structure of the object including the internal one, but the resolution is determined by the size of the detectors and the scanning step and cannot be more detailed than a few millimeters.
  • the closest in technical essence to the claimed method is a tomographic control method, which consists in scanning with a fan beam from a point source of radiation of the control object by reciprocating and discrete rotation of the control object, recording the intensity of radiation transmitted through the control object using a matrix of detectors, followed by processing in computer the information received and restoring on its basis the internal structure of the object.
  • the time taken to take samples from the detectors is reduced by a factor of K, while only part of the matrix detectors, determined by the size of the local area, is used during registration (see patent for the invention RU JNi.2097748, IPC: G01N23 / 04).
  • the above method allows to increase the resolution to a certain level by reducing the scanning step, however, the geometric dimensions of the detectors do not provide the required resolution.
  • Known confocal scanning tomographic microscope containing a point primary light source, a device for moving the investigated three-dimensional object, a condenser lens, focusing radiation from a point primary light source at a point located inside the studied three-dimensional object, when it is placed on the specified moving device, a micro lens forming an image a secondary light source formed by focusing radiation from a point primary light source, a point aperture located in the image plane of the secondary light source, and a radiation detector.
  • the radiation detector is placed at a distance behind the point aperture and is made in the form of a matrix of photodetectors, and a diffractive optical element is placed between the point aperture and the matrix of photodetectors (see RU patent
  • the known device for scanning three-dimensional objects is characterized by a low resolution.
  • a confocal scanning microscope containing a radiation source block, placed along the rays in the optical path of the microscope, an opaque screen with a slit, confocal mounted first and second focusing devices, as well as an object table located in the common focal plane of these devices equipped with moving means in a given plane, and a radiation receiver located in the image plane.
  • the opaque screen with a slit is fixed, the slit is rectangular in shape, the stage is equipped with a device that provides linear movement of the sample at the time of imaging, and the radiation detector is aligned with the image of the slit and is made in the form of a line of photodetectors associated with a line-by-line imaging device (see patent for invention RU N ° 2018891, MPK G02B21 / 00) .
  • the resolution of the known device is limited by the width of the slit, which cannot be less than 10 ⁇ m for the radiation used due to the occurrence of diffraction.
  • the object to be solved by the claimed invention is to provide a method for studying nanoscale or microscopic objects with a resolution of about 30 nm, as well as a device for implementing the method.
  • the technical result achieved by using the claimed invention is to increase the resolution of a scanning microscope.
  • the problem is solved in that in the method of tomographic research of objects, including scanning the control object with an electromagnetic radiation beam with a discrete change in the angular position of the control object relative to the electromagnetic radiation beam, recording the intensity of radiation transmitted through the control object during scanning, and processing the received information with subsequent restoration on its basis, the structure of the object, according to the technical solution, when scanning form a beam of elec electromagnetic radiation with discretely variable dimensions of the beam cross section, while changing one of the transverse dimensions of the beam cross section by an amount corresponding to the required resolution, the radiation intensity is recorded after each change in the cross size of the beam cross section, and the difference between two successively recorded intensities is calculated during processing with obtaining the set of values used to restore the structure of the object.
  • the cross section of the beam of electromagnetic radiation is a rectangle, the width of which is much smaller than its length, discrete changes in the transverse size of the beam cross section in width are carried out by stepwise sequential shift of one beam boundary from the minimum to the maximum value or a step-by-step sequential shift of one beam boundary from the maximum to the minimum value, respectively, discrete changes in the transverse dimension of the beam cross section in width are carried out by a codirectional alternate shift of the opposite beam boundaries, providing the beam to move around the object.
  • the problem is also solved by the fact that in a scanning microscope containing a radiation source, an opaque screen with a slit placed along the rays, a stage for placing the object of study, equipped with a moving device in the scanning plane, a radiation detector connected to the information processing unit, according to the technical solution , the opaque screen is equipped with at least one slit shutter that is movable in the plane of placement of the opaque screen, allowing transverse changes x gap sizes.
  • the opaque screen is equipped with a device for moving it in a plane parallel to the scanning plane.
  • the stage is rotatable in the scanning plane.
  • Figure l is a schematic view of a scanning tomographic microscope.
  • Figure 2 presents the image of the slit with sides a and b formed in an opaque screen.
  • a tomographic scanning microscope is a device consisting of several structural units electrically interconnected.
  • the microscope contains a source of electromagnetic radiation 1, which provides directional propagation of a beam of electromagnetic waves of various frequency ranges and intensities, an opaque screen 2 with a slit (hole), designed to form a beam of radiation with the necessary cross section.
  • the slit in the screen is rectangular in shape and partially closed by at least one movable shutter 3, opaque to radiation, equipped with a device for moving it 6 in the plane of the screen.
  • Slit shutter 3 is a flat piece in the form of a plate with a beveled end.
  • the device 6 moving the shutter 3 is a piezoelectric ceramic plate electrically connected to the information processing unit 9.
  • the transverse dimensions of the slit are changed by moving the movable plate on an opaque screen.
  • the minimum and maximum dimensions of the slit are determined by the displacement of the slit shutter at a certain point in time.
  • the opaque screen 2 is fixed to the displacement device 5, which provides both angular and reciprocal movement thereof to change the position of the slit relative to the object under study.
  • the stage 4 Behind the screen 2, at a distance from the opaque screen, determined by the wavelength of the used electromagnetic radiation and the required resolution, there is an object stage 4 made with the possibility of fixing the studied object on it. For example, at a wavelength of 0.65 ⁇ m, the stage is placed at a distance of 10 ⁇ m from the screen.
  • the stage 4 is mounted on a moving device 7, electrically connected to the information processing unit 9.
  • the detector 8 is, for example, a photodetector with photosensitive element, and is located at such a distance from the stage that all transmitted radiation fell on the photosensitive element.
  • a photodetector (detector) 8 recording the intensity of radiation from the source, is connected to the information processing unit 9, for example, by an electronic computer (computer).
  • the information processing unit 9 which is designed to process arrays of values recorded by the photodetector and restore the structure of the object under study based on an algorithm constructed by the inverse Radon transform method.
  • the opaque screen and the stage are fixed on the corresponding moving devices in such a way that it is possible to change the angular or linear position of the slit made in the screen and to change the angular or linear position of the object under study.
  • the method of tomographic examination of microscopic objects is as follows.
  • the object under study is placed and fixed on a stage 4 located between the opaque screen 2 and the radiation detector 8.
  • a radiation source 1 is turned on, the electromagnetic wave from which is directed to the object under study through an extended rectangular-shaped slit (with sides a and b, with a b) made in a screen 2 opaque to the wavelength used.
  • the slit has the shape of a rectangle, one of whose transverse dimensions (width or length) can be changed, thereby changing the transverse dimensions with the beam passing through the gap.
  • the dimensions of the slit provide free passage of radiation from the source without diffraction distortion.
  • the thus formed beam of electromagnetic radiation enters the object under study and scanning takes place.
  • the intensity of the radiation transmitted through the object under study decreases depending on the structure of the object under study.
  • the radiation attenuated in this way is recorded in the photodetector 8, the dimensions of the photosensitive region of which exceed the dimensions of the slit.
  • the output of the photodetector receives the first averaged signal corresponding to the measurement, the value of which is fixed in the information processing unit 9 for further transformations.
  • the transverse size (width b) of the slit is increased by ⁇ corresponding to the required resolution (about several nm). Minimum the size of the change in the slit width ⁇ depends on the sensitivity of the radiation detector 8.
  • the radiation transmitted through the enlarged slit and the object under study is again recorded in the radiation detector to obtain a second averaged signal, the value of which is also recorded in the information processing unit 9.
  • the values sequentially recorded in block 9 are subjected to transformations according to a certain algorithm to obtain a value corresponding to radiation transmitted through a gap of width ⁇ . From the value fixed and corresponding to the second signal, the value fixed and corresponding to the first signal is subtracted. As a result, a value corresponding to radiation capable of passing through a slit of width ⁇ is obtained.
  • the maximum slit width is described by the expression b + n ⁇ , where n is the maximum number of changes in the slit width, depending on the characteristics of the radiation detector, in particular, the saturation threshold of the photodetector, upon reaching which the signal from the radiation passing through the slit a ⁇ (b + n ⁇ ) from the signal obtained with a gap size a ⁇ (b + [n + l] ⁇ ).
  • Changing the size of the slit can be done in another way. This becomes possible when organizing an opaque screen with a slit equipped with two movable plates 3 oppositely located relative to the opening in the screen 3.
  • radiation is also recorded by the detector 8 and iterations are repeated further.
  • the object is scanned sequentially through slots with a variable transverse dimension b, b + ⁇ , b, b + ⁇ , etc.
  • the studied object is moved together with the stage and scanning is continued until a full picture is obtained.
  • the opaque screen is rotated relative to the object under study by a certain angle and all previous steps are repeated. Scanning of the studied object with a change in the transverse dimensions of the slit is performed after each angular displacement of the opaque screen and, as a result, the angular displacement of the slit in the screen.
  • the result is an array of signal values at the output of the radiation detector corresponding to a certain angular and linear displacement.
  • the operation of the inventive scanning microscope is as follows. All components of the microscope are located at the required distance from each other, depending on the type of electromagnetic radiation used and the degree of resolution of the scan.
  • the investigated object is placed and fixed on a stage.
  • An opaque screen with a hole is placed in front of the object table with the object.
  • the stage 4 is moved so that the area of the object to be studied is located under the hole in the opaque screen 2.
  • the slotted shutter 3 partially covers the hole in the screen 2 so that the smallest possible narrow gap remains, ensuring unhindered passage of rays from the source 1 to the object under study located on the stage 4.
  • radiation from the source 1 is initiated and directed towards the location of the object to be studied. Radiation passes through the gap.
  • a cross section of the radiation beam is formed, which passes through the object under study.
  • the value of the output signal f 0 from the radiation detector 8 is fixed in the information processing unit 9 for further processing.
  • the device 6 is turned on, which moves the shutter 3 by an amount ⁇ corresponding to the required resolution, in the direction of increasing the transverse size of the slit formed in the opaque screen. In this case, all other components of the claimed device are left stationary.
  • the averaged radiation that passes through the object under study and enters the photosensitive region of the radiation detector 8 is recorded again.
  • the value of the output signal fi is fixed in the information processing unit 9, after which the following calculations are performed: the values of the previous signal f GmbH are subtracted from the last recorded f ⁇ .
  • the calculation result ⁇ fi is fixed in the information processing unit 9 together with the corresponding coordinates of the slit.
  • the device 6 is turned on, which moves the same movable shutter 3 by the same value ⁇ , thereby increasing the width of the slit to the value b + 2 ⁇ , and the process of registering radiation and fixing the values of the signal f 2 , calculating the difference between the values of f 2 and f ⁇ , is repeated. comparing the calculation result ⁇ f 2 with the corresponding coordinates of the slit.
  • the described steps are repeated until the gap size is increased by the maximum possible value, which is determined by the level of susceptibility of the photosensitive region of the radiation detector.
  • the result is an array of values, each of which is mapped to specific coordinates of the slit and describes a specific part of the object under study.
  • the movable shutter 3 is moved to its original position and the device 5 is turned on to move the opaque screen 2 in the direction of movement of the movable shutter when the slit expands. Then repeat the linear scan cycle with a similar change in the size of the slit and obtain another array of values of the output signal.
  • the first stage of scanning the object is carried out, the result of which is an array of ⁇ f values obtained from the calculations and transformations of the measured values of the output signals recorded by the photosensitive region of the radiation detector.
  • the device 5 is turned on, which rotates the opaque screen 2 by a predetermined angle (0.01 ° to 1 °), and a new row (one-dimensional matrix) of ⁇ f values corresponding to the new angle of rotation of the screen 2 relative to the stage 4 with an object placed on it is obtained.
  • the number of angular positions is determined by the resolution and can vary from 180 to several thousand.
  • an array of values (multidimensional matrix) ⁇ f is obtained, over which mathematical calculations are performed by the inverse Radon transform method, as a result of which they are restored two-dimensional structure of the test sample.
  • a scanning microscope was made in which an iodine lamp with a wavelength of 206 to 500 nm manufactured by LKB (Sw Randep) was used as a radiation source.
  • a silicon plate was used as an opaque screen.
  • a gap was made in the form of a hole 3 * 3 mm in size, partially covered by a plate (shutter) made of silicon 3x5 mm in size.
  • a PQYY piezoelectric motor made of PIC 151 piezoelectric ceramics manufactured by Phusil Istrumept (Germany), providing a maximum movement of 100 ⁇ m with a discrete step of 1 nm, was used.
  • a PQYY piezoelectric motor with similar characteristics was used.
  • a precision rotary table of the NR360S brand manufactured by ThorLabs USA was used, providing a maximum angular displacement of 360 ° with a discrete step of less than 0.01 °.
  • a MAX301 nanopositioner manufactured by ThorLabs USA was used, providing a maximum movement of 4 mm with an accuracy of 5 nm.
  • a radiation detector As a radiation detector, we used a R6925 photoelectric multiplier manufactured by Namamatsu, which has the following characteristics: dark anode current less than 5 nA, anode sensitivity 1250 A / lm, spectral sensitivity range 200-800 nm. This device provides a two-dimensional image of the studied object (a cut of bacterial cells) with a resolution of at least 30 nm.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью электромагнитного излучения с последующим получением изображения. Сканирующий микроскоп содержит источник излучения (1), непрозрачный экран (2) с щелью, предметный столик (4), снабженный устройством перемещения в плоскости сканирования (7), детектор излучения (8), соединенный с блоком обработки информации (9). Непрозрачный экран (2) снабжен, по крайней мере, одной, подвижной в плоскости размещения экрана, щелевой заслонкой (3), обеспечивающей возможность изменения поперечных размеров щели. Цель изобретения - повышение разрешающей способности.

Description

СПОСОБ ТОМОГРАФИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОСКОПИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ И СКАНИРУЮЩИЙ МИКРОСКОП ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Область техники
Изобретение относится к области исследования материалов с помощью электромагнитного излучения с последующим получением изображения исследуемого объекта, а именно способам сканирования и устройствам для томографического исследования двумерной структуры плоских объектов.
Предшествующий уровень техники
Известен способ радиационной вычислительной томографии, заключающийся в облучении исследуемого объекта потоком ионизирующего излучения, регистрации прошедшего через объект контроля излучения при заданном количестве траекторий при относительном и угловом перемещении "сборки" детекторов и исследуемого объекта, преобразовании зарегистрированных сигналов и восстановлении томографического изображения с использованием ЭВМ по определенному алгоритму. При этом излучение от точечного источника распространяется в виде веерного пучка и после прохождения через объект контроля регистрируется детекторами, расположенными на дуге окружности с центром в месте расположения источника излучения (см. патент на изобретение RU JГ22180745, МПК: G01N23/04) Известный способ позволяет определить структуру объекта, в том числе и внутреннюю, однако разрешающая способность определяется размером детекторов и шагом сканирования и не может быть детальнее нескольких миллиметров.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ томографического контроля, заключающийся в сканировании веерным пучком от точечного источника излучения объекта контроля путем возвратно- поступательного перемещения и дискретного поворота объекта контроля, регистрации интенсивности излучения, прошедшего через объект контроля, с помощью матрицы детекторов с последующей обработкой в ЭВМ полученной информации и восстановлением на ее основе внутренней структуры объекта. Местоположение и размер интересующей локальной области внутри объекта контроля задают предварительно, вводят эту информацию в ЭВМ и осуществляют ускоренное сканирование объекта до момента пересечения границей локальной области крайнего луча веерного пучка, падающего на первый детектор матрицы, после чего проводят медленное сканирование с шагом сканирования, уменьшенным в K=D/DЛ раз, где D - размер объекта контроля, Dл - размер локальной области. Время снятия отсчетов с детекторов уменьшают в К раз, при этом при регистрации задействуют только часть детекторов матрицы, определяемую размером локальной области (см. патент на изобретение RU JNi.2097748, МПК: G01N23/04). Вышеописанный способ позволяет повысить разрешающую способность до определенного уровня за счет уменьшения шага сканирования, однако геометрические размеры детекторов не обеспечивают требуемой разрешающей способности.
Известен конфокальный сканирующий томографический микроскоп, содержащий точечный первичный источник света, устройство перемещения исследуемого трехмерного объекта, линзу-конденсор, фокусирующую излучение от точечного первичного источника света в точке, расположенной внутри исследуемого трехмерного объекта, при его размещении на указанном устройстве перемещения, микрообъектив, формирующий изображение вторичного источника света, образованного при фокусировании излучения от точечного первичного источника света, точечную диафрагму, расположенную в плоскости изображения вторичного источника света, и детектор излучения. При этом детектор излучения размещен на расстоянии за точечной диафрагмой и выполнен в виде матрицы фотоприемников, а между точечной диафрагмой и матрицей фотоприемников размещен дифракционный оптический элемент (см. патент на изобретение RU
JЧ°2140661, МПК: G02B21/00).
Однако известное устройство, предназначенное для сканирования трехмерных объектов, характеризуется невысокой разрешающей способностью.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является конфокальный сканирующий микроскоп, содержащий блок источника излучения, размещенные по ходу лучей в оптическом тракте микроскопа непрозрачный экран с щелью, конфокально установленные первое и второе фокусирующие устройства, а также размещенный в общей фокальной плоскости этих устройств предметный столик, снабженный средством перемещения в данной плоскости, и расположенный в плоскости изображения приемник излучения. С целью унификации и упрощения конструкции микроскопа для обеспечения получения изображения в широком спектральном диапазоне с сохранением допустимого энергетического воздействия на исследуемый образец, непрозрачный экран с щелью выполнен неподвижным, щель выполнена прямоугольной формы, предметный столик снабжен устройством, обеспечивающим линейное перемещение образца в момент построения изображения, а приемник излучения совмещен с изображением щели и выполнен в виде линейки фотодетекторов, связанных с устройством построчного формирования изображения (см. патент на изобретение RU N°2018891, MПK G02B21/00).
Однако разрешающая способность известного устройства ограничена шириной щели, которая не может быть меньше 10 мкм для используемого излучения из-за возникновения дифракции.
Раскрытие изобретения Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа исследования наноразмерных либо микроскопических объектов с разрешением порядка 30 нм, а также устройства для реализации способа.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в повышении разрешающей способности сканирующего микроскопа.
Поставленная задача решается тем, что в способе томографического исследования объектов, включающем сканирование объекта контроля пучком электромагнитного излучения при дискретном изменении углового положения объекта контроля относительно пучка электромагнитного излучения, регистрацию интенсивности излучения, прошедшего через объект контроля в процессе сканирования, и обработку полученной информации с последующим восстановлением на ее основе структуры объекта, согласно техническому решению, при сканировании формируют пучок электромагнитного излучения с дискретно изменяемыми размерами поперечного сечения пучка, при этом изменение одного из поперечных размеров сечения пучка производят на величину, соответствующую требуемой разрешающей способности, регистрацию интенсивности излучения осуществляют после каждого изменения поперечного размера сечения пучка, а при обработке вычисляют разность величин двух последовательно зарегистрированных интенсивностей с получением множества значений, используемых для восстановления структуры объекта. Поперечное сечение пучка электромагнитного излучения представляет собой прямоугольник, ширина которого значительно меньше его длины, дискретные изменения поперечного размера сечения пучка по ширине осуществляют пошаговым последовательным сдвигом одной границы пучка от минимального до максимального значения или пошаговым последовательным сдвигом одной границы пучка от максимального до минимального значения соответственно, дискретные изменения поперечного размера сечения пучка по ширине осуществляют сонаправленным попеременным сдвигом противоположных границ пучка, обеспечивающих перемещение пучка по объекту.
Поставленная задача решается также тем, что в сканирующем микроскопе, содержащем источник излучения, размещенные по ходу лучей непрозрачный экран с щелью, предметный столик для размещения объекта исследования, снабженный устройством перемещения в плоскости сканирования, детектор излучения, соединенный с блоком обработки информации, согласно техническому решению, непрозрачный экран снабжен, по крайней мере, одной, подвижной в плоскости размещения непрозрачного экрана, щелевой заслонкой, обеспечивающей возможность изменения поперечных размеров щели. Непрозрачный экран снабжен устройством для его перемещения в плоскости, параллельной плоскости сканирования. Предметный столик выполнен с возможностью поворота в плоскости сканирования.
Краткое описание чертежей
Способ и устройство поясняются следующими чертежами. На фиг.l представлен схематичный вид сканирующего томографического микроскопа. На фиг.2 представлено изображение щели со сторонами а и b, образованной в непрозрачном экране.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - источник излучения;
2 - непрозрачный экран; 3 - щелевая заслонка;
4 - предметный столик;
5 - устройство перемещения непрозрачного экрана;
6 - устройство перемещения подвижной пластины;
7 - устройство перемещения предметного столика; 8 - детектор излучения;
9 - блок обработки информации.
Лучшие варианты осуществления изобретения
Для исследования внутренней структуры микроскопических объектов часто используют различные виды конфокальных микроскопов. Их недостаток состоит в том, что получаемые изображения внутренних сечений объекта не являются томографическими, так как в каждой точке они представляют собой луч-суммы. Для получения количественных данных о внутренней структуре исследуемых объектов необходимо использовать алгоритмы томографической реконструкции. Заявляемое техническое решение томографического сканирующего микроскопа предназначено для реализации способа сканирования с высокой разрешающей способностью. Томографический сканирующий микроскоп представляет собой устройство, состоящее из нескольких электрически соединенных между собой конструктивных узлов. Микроскоп содержит источник электромагнитного излучения 1, обеспечивающий направленное распространение пучка электромагнитных волн различных частотных диапазонов и интенсивности, непрозрачный экран 2 с щелью (отверстием), предназначенный для формирования пучка излучения с необходимым поперечным сечением. Щель в экране выполнена прямоугольной формы и частично закрыта, по крайней мере, одной непрозрачной для излучения подвижной заслонкой 3, снабженной устройством ее перемещения 6 в плоскости экрана. Щелевая заслонка 3 представляет собой плоскую деталь в форме пластины со скошенным торцом. Устройство 6, перемещающее заслонку 3, представляет собой пластину из пьезокерамики, электрически соединенную с блоком обработки информации 9. Поперечные размеры щели изменяют путем передвижения подвижной пластины по непрозрачному экрану. Минимальные и максимальные размеры щели определяются величиной смещения щелевой заслонки в определенный момент времени. Непрозрачный экран 2 закреплен на устройстве перемещения 5, обеспечивающем как угловое, так и возвратно-поступательное его перемещение для изменения положения щели относительно исследуемого объекта. За экраном 2 на расстоянии от непрозрачного экрана, определяемом длиной волны используемого электромагнитного излучения и требуемой разрешающей способностью, расположен предметный столик 4, выполненный с возможностью закрепления на нем исследуемого объекта. Например, при длине волны 0,65 мкм предметный столик располагают на расстоянии 10 мкм от экрана. Предметный столик 4 закреплен на устройстве перемещения 7, электрически соединенном с блоком обработки информации 9. За предметным столиком 4 расположен детектор излучения 8, прошедшего через исследуемый объект, предназначенный для преобразования излучения, попадающего на фоточувствительный элемент в электрический заряд. Детектор 8 представляет собой, например, фотоприемник с фоточувствительным элементом, и расположен на таком расстоянии от предметного столика, чтобы все прошедшее излучение попало на фоточувствительный элемент. Фотоприемник (детектор) 8, регистрирующий интенсивность излучения от источника, соединен с блоком обработки информации 9, например, электронно- вычислительной машиной (ЭВМ). Таким образом, все основные устройства, входящие в состав заявляемого микроскопа электрически соединены с блоком обработки информации 9, который предназначен для обработки массивов значений, зарегистрированных фотоприемником и восстановления структуры исследуемого объекта на основе алгоритма, построенного по методу обратного преобразования Радона. Непрозрачный экран и предметный столик закреплены на соответствующих устройствах перемещения таким образом, что возможно изменение углового или линейного положения щели, выполненной в экране и изменение углового или линейного положения исследуемого объекта.
Способ томографического исследования микроскопических объектов заключается в следующем. Исследуемый объект помещают и закрепляют на предметном столике 4, расположенном между непрозрачным экраном 2 и детектором излучения 8. Затем включают источник излучения 1, электромагнитную волну от которого направляют на исследуемый объект через протяженную щель прямоугольной формы (со сторонами а и b, при этом a»b), выполненную в непрозрачном для используемой длины волны экране 2. Щель имеет форму прямоугольника, один из поперечных размеров которого (ширина или длина) может быть изменен, тем самым достигается изменение поперечных размеров сечения пучка, проходящего сквозь щель. Размеры щели обеспечивают свободное прохождение излучения от источника без дифракционных искажений. Сформированный таким образом пучок электромагнитного излучения попадает на исследуемый объект и происходит сканирование. Интенсивность излучения, прошедшего через исследуемый объект, уменьшается в зависимости от структуры исследуемого объекта. Ослабленное таким образом излучение регистрируют в фотоприемнике 8, размеры фоточувствительной области которого превышают размеры щели. На выходе фотоприемника получают первый усредненный сигнал, соответствующий проведенному измерению, значение которого фиксируют в блоке обработки информации 9 для проведения дальнейших преобразований. После этого увеличивают поперечный размер (ширину b) щели на величину Δ, соответствующую требуемому разрешению (около нескольких нм). Минимальный размер величины изменения ширины щели Δ зависит от чувствительности детектора излучения 8. Прошедшее через увеличенную щель и исследуемый объект излучение вновь регистрируют в детекторе излучения с получением второго усредненного сигнала, значение которого также фиксируют в блоке обработки информации 9. Последовательно зафиксированные в блоке 9 значения подвергают преобразованиям по определенному алгоритму для получения значения, соответствующего излучению, прошедшему через щель шириной Δ. Из значения, зафиксированного и соответствующего второму сигналу, вычитают значение, зафиксированное и соответствующее первому сигналу. В результате получают значение, соответствующее излучению, способному пройти через щель шириной Δ.
Итерацию повторяют, отодвигая подвижную щелевую заслонку и увеличивая поперечный размер щели в экране на величину 2Δ, ЗΔ, 4Δ и т.д. В результате получают одномерный массив значений усредненных сигналов для участков исследуемого объекта площадью aχΔ, смещенных относительно области первого измерения на расстояние 2Δ, ЗΔ, 4Δ и т.д. соответственно. Максимальная ширина щели описывается выражением b+nΔ, где п - максимальное количество изменений ширины щели, зависящее от характеристик детектора излучения, в частности, порога насыщения фотоприемника, при достижении которого сигнал от излучения, прошедшего через щель aχ(b+nΔ) не отличается от сигнала, полученного при размерах щели aχ(b+[n+l]Δ).
Изменение размеров щели можно осуществить другим способом. Это становится возможным при организации непрозрачного экрана с щелью, снабженного двумя, противоположно размещенными относительно отверстия в экране подвижными пластинами 3. После регистрации первого усредненного сигнала, прошедшего через щель с размерами aχb, и второго усредненного сигнала, прошедшего через щель с размерами aχ(b+Δ), полученными в результате смещения одной щелевой заслонки в сторону увеличения размера щели на величину Δ, изменяют размеры щели следующим образом: сдвигают другую, оппозитно расположенную, щелевую заслонку в сторону уменьшения изменяемого размера щели на величину Δ. После этого также регистрируют излучение детектором 8 и итерации повторяют дальше. В результате использования такого варианта изменения размеров щели, сканирование объекта происходит последовательно через щели с изменяемым поперечным размером b, b+Δ, b, b+Δ и т.д.
При необходимости проведения исследования объектов, имеющих размеры, превышающие диапазон расширения щели, исследуемый объект перемещают вместе с предметным столиком и сканирование продолжают до получения полноценной картины.
После завершения сканирования с линейными изменениями размеров щели производят поворот непрозрачного экрана относительно исследуемого объекта на определенный угол и повторяют все предыдущие действия. Сканирование исследуемого объекта с изменением поперечных размеров щели производят после каждого углового смещения непрозрачного экрана и, как следствие, углового смещения щели в экране. В результате получают массив значений сигнала на выходе детектора излучения, соответствующих определенному угловому и линейному смещению. После проведения преобразований с массивом полученных значений, получают двумерную структуру исследуемого объекта.
Работа заявляемого сканирующего микроскопа осуществляется следующим образом. Все конструктивные узлы микроскопа располагают на требуемом расстоянии друг от друга в зависимости от применяемого типа электромагнитного излучения и степени разрешения сканирования. Исследуемый объект размещают и закрепляют на предметном столике. Перед предметным столиком с объектом размещают непрозрачный экран с отверстием. При помощи устройства 7 предметный столик 4 перемещают таким образом, чтобы предназначенная для исследования область объекта располагалась под отверстием в непрозрачном экране 2. Щелевой заслонкой 3 частично закрывают отверстие в экране 2 таким образом, чтобы осталась минимально возможная узкая щель, обеспечивающая беспрепятственное прохождение лучей от источника 1 на исследуемый объект, расположенный на предметном столике 4. Затем инициируют излучение от источника 1 и направляют его в сторону размещения объекта исследования. Излучение проходит сквозь щель. При этом формируется поперечное сечение пучка излучения, который проходит через исследуемый объект. Детектор излучения 8, расположенный за предметным столиком с объектом, регистрирует усредненное излучение, попавшее на его фоточувствительную область. Значение выходного сигнала f0 с детектора излучения 8 фиксируют в блоке обработки информации 9 для дальнейшей обработки. После этого включают устройство 6, перемещающее заслонку 3 на величину Δ, соответствующую требуемому разрешению, в сторону увеличения поперечного размера щели, образованной в непрозрачном экране. При этом все остальные компоненты заявляемого устройства оставляют неподвижными. Вновь регистрируют усредненное излучение, прошедшее через исследуемый объект и попавшее на фоточувствительную область детектора излучения 8. Значение выходного сигнала fi фиксируют в блоке обработки информации 9, после чего производят следующие вычисления: проводят вычитание значений предыдущего сигнала fо из последнего зарегистрированного f\. Результат вычислений Δfi фиксируют в блоке обработки информации 9 вместе с соответствующими координатами щели. После этого включают устройство 6, перемещающее ту же подвижную заслонку 3 на такую же величину Δ, тем самым увеличивая ширину щели до величины b+2Δ, и повторяют процесс регистрации излучения и фиксации значений сигнала f2, вычисления разности значений f2 и f\, сопоставления результату вычислений Δf2 соответствующим координатам щели. Описанные действия повторяют до увеличения размера щели на максимально возможную величину, которую определяют по уровню восприимчивости фоточувствительной области детектора излучения. В результате получают массив значений, каждое из которых сопоставлено определенным координатам щели и описывает определенную часть исследуемого объекта. По окончании процесса линейного сканирования подвижную заслонку 3 перемещают в исходное положение и включают устройство 5, для перемещения непрозрачного экрана 2 в сторону перемещения подвижной заслонки при расширении щели. Затем повторяют цикл линейного сканирования с аналогичным изменением размеров щели и получением еще одного массива значений выходного сигнала. Таким образом, передвигая непрозрачный экран в плоскости его размещения, меняя тем самым линейное местоположение щели, осуществляют первый этап сканирования объекта, результатом которого является массив значений Δf, полученных по результатам вычислений и преобразований измеренных значений выходных сигналов, зарегистрированных фоточувствительной областью детектора излучения.
После этого включают устройство 5, поворачивающее непрозрачный экран 2 на заданный угол (0,01° до 1°), и получают новый ряд (одномерную матрицу) значений Δf, соответствующих новому углу поворота экрана 2 относительно предметного столика 4 с размещенным на нем объектом. Количество угловых положений определяется величиной разрешения и может меняться от 180 до нескольких тысяч. После проведения таких измерений, получают массив значений (многомерная матрица) Δf, над которым производят математические вычисления методом обратного преобразования Радона, в результате которых восстанавливают двумерную структуру исследуемого образца.
В заявляемом сканирующем микроскопе возможно использование источников излучения в широком диапазоне длин волн - от инфракрасного до рентгеновского, с применением соответствующего фотодетектора. Пример конкретного выполнения
Изготовлен сканирующий микроскоп, в котором в качестве источника излучения использована йодная лампа с длиной волны от 206 до 500 нм производства фирмы LKB (Swеdеп). В качестве непрозрачного экрана использована пластина из кремния. В экране методами микролитографии выполнена щель в виде отверстия размером 3*3 мм, частично закрытого пластиной (заслонка) из кремния размером 3x5 мм. Для перемещения подвижной заслонки в плоскости размещения непрозрачного экрана использован пьезодвигатель PQYY из пьезоэлектрической керамики марки PIC 151 производства фирмы Рhуsiсаl Iпstrumепt (Gеrmапу), обеспечивающий максимальное перемещение 100 мкм с дискретным шагом 1 нм. Для перемещения непрозрачного экрана относительно предметного столика с исследуемым объектом использован пьезодвигатель PQYY с аналогичными характеристиками. В качестве устройства для углового смещения непрозрачного экрана использован прецизионный поворотный столик марки NR360S производства фирмы ТhоrLаbs USA, обеспечивающий максимальное угловое смещение 360° с дискретным шагом менее 0,01°. Для обеспечения перемещения предметного столика использован нанопозиционер марки MAX301 производства фирмы ТhоrLаbs USA, обеспечивающий максимальное перемещение 4 мм с точностью 5 нм. В качестве детектора излучения использован фотоэлектронный умножитель марки R6925 производства фирмы Наmаmаtsu, обладающий следующими характеристиками: темновой ток анода менее 5 нА, анодная чувствительность 1250 А/лм, диапазон спектральной чувствительности 200-800 нм. Данное устройство обеспечивает получение двумерного изображения исследуемого объекта (среза бактериальных клеток) с разрешением не ниже 30 нм.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ томографического исследования объектов, включающий сканирование объекта пучком электромагнитного излучения при дискретном изменении углового положения объекта относительно пучка электромагнитного излучения, регистрацию интенсивности излучения, прошедшего через объект в процессе сканирования, и обработку полученной информации с последующим восстановлением на ее основе структуры объекта, отличающийся тем, что при сканировании формируют пучок электромагнитного излучения с дискретно изменяемыми размерами поперечного сечения пучка, при этом изменение одного из поперечных размеров сечения пучка производят на величину, соответствующую требуемой разрешающей способности, регистрацию интенсивности излучения осуществляют после каждого изменения поперечного размера сечения пучка, а при обработке вычисляют разность величин двух последовательно зарегистрированных интенсивностей с получением множества значений, используемых для восстановления структуры объекта.
2. Способ по п. I5 отличающийся тем, что поперечное сечение пучка электромагнитного излучения представляет собой прямоугольник, ширина которого значительно меньше его длины.
3. Способ по п.l, отличающийся тем, что дискретные изменения поперечного размера сечения пучка по ширине осуществляют пошаговым последовательным сдвигом одной границы пучка от минимального до максимального значения или пошаговым последовательным сдвигом одной границы пучка от максимального до минимального значения соответственно.
4. Способ по п.l, отличающийся тем, что дискретные изменения поперечного размера сечения пучка по ширине осуществляют сонаправленным попеременным сдвигом противоположных границ пучка, обеспечивающих перемещение пучка по объекту.
5. Сканирующий микроскоп, содержащий источник излучения, размещенные по ходу лучей непрозрачный экран с щелью, предметный столик для размещения объекта исследования, снабженный устройством перемещения в плоскости сканирования, детектор излучения, соединенный с блоком обработки информации, отличающийся тем, что непрозрачный экран снабжен, по крайней мере, одной, подвижной в плоскости размещения непрозрачного экрана, щелевой заслонкой, обеспечивающей возможность изменения поперечных размеров щели.
6. Сканирующий микроскоп по п.5, отличающийся тем, что непрозрачный экран снабжен устройством для его перемещения в плоскости, параллельной плоскости сканирования.
7. Сканирующий микроскоп по п.5, отличающийся тем, что предметный столик выполнен с возможностью поворота в плоскости сканирования.
PCT/RU2010/000243 2009-05-15 2010-05-14 Способ томографического исследования микроскопических объектов и сканирующий микроскоп для его осуществления WO2010131996A1 (ru)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE112010002007T DE112010002007T5 (de) 2009-05-15 2010-05-14 Verfahren zur tomographischen untersuchung vonmikroskopischen objekten und abtastmikroskopzur durchführung dessen
US13/296,676 US8384901B2 (en) 2009-05-15 2011-11-15 Method for the tomographic examination of microscopic objects and a scanning microscope for the implementation thereof

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009118267/28A RU2413204C2 (ru) 2009-05-15 2009-05-15 Способ томографического исследования микроскопических объектов и сканирующий микроскоп для его осуществления
RU2009118267 2009-05-15

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US13/296,676 Continuation US8384901B2 (en) 2009-05-15 2011-11-15 Method for the tomographic examination of microscopic objects and a scanning microscope for the implementation thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2010131996A1 true WO2010131996A1 (ru) 2010-11-18

Family

ID=43085209

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2010/000243 WO2010131996A1 (ru) 2009-05-15 2010-05-14 Способ томографического исследования микроскопических объектов и сканирующий микроскоп для его осуществления

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8384901B2 (ru)
DE (1) DE112010002007T5 (ru)
RU (1) RU2413204C2 (ru)
WO (1) WO2010131996A1 (ru)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3538941A4 (en) 2016-11-10 2020-06-17 The Trustees of Columbia University in the City of New York METHODS FOR FAST IMAGING OF HIGH RESOLUTION LARGE SAMPLES

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU765669A1 (ru) * 1978-04-19 1980-09-23 Предприятие П/Я А-3651 Колориметр
SU1138651A1 (ru) * 1982-12-29 1985-02-07 Хабаровский Филиал Государственного Дорожного Проектно-Изыскательского И Научно-Исследовательского Института "Гипродорнии" Спектральна марка дифракционного створофиксатора
SU1260683A1 (ru) * 1984-08-08 1986-09-30 Ташкентский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет Им.В.И.Ленина Устройство дл дистанционного измерени толщины и рассто ний
JPH05164969A (ja) * 1991-12-13 1993-06-29 Olympus Optical Co Ltd 試料観察方法及びその装置
RU2018891C1 (ru) * 1991-02-01 1994-08-30 Алексей Валерьевич Карнаухов Конфокальный сканирующий микроскоп
RU2097748C1 (ru) * 1994-03-16 1997-11-27 Войсковая часть 75360 Способ томографического контроля

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2140661C1 (ru) 1999-03-19 1999-10-27 Левин Геннадий Генрихович Способ конфокальной сканирующей трехмерной микроскопии и конфокальный сканирующий томографический микроскоп
RU2180745C2 (ru) 1999-03-22 2002-03-20 Войсковая часть 75360 Способ радиационной вычислительной томографии

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU765669A1 (ru) * 1978-04-19 1980-09-23 Предприятие П/Я А-3651 Колориметр
SU1138651A1 (ru) * 1982-12-29 1985-02-07 Хабаровский Филиал Государственного Дорожного Проектно-Изыскательского И Научно-Исследовательского Института "Гипродорнии" Спектральна марка дифракционного створофиксатора
SU1260683A1 (ru) * 1984-08-08 1986-09-30 Ташкентский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет Им.В.И.Ленина Устройство дл дистанционного измерени толщины и рассто ний
RU2018891C1 (ru) * 1991-02-01 1994-08-30 Алексей Валерьевич Карнаухов Конфокальный сканирующий микроскоп
JPH05164969A (ja) * 1991-12-13 1993-06-29 Olympus Optical Co Ltd 試料観察方法及びその装置
RU2097748C1 (ru) * 1994-03-16 1997-11-27 Войсковая часть 75360 Способ томографического контроля

Also Published As

Publication number Publication date
DE112010002007T5 (de) 2012-06-28
US20120133940A1 (en) 2012-05-31
RU2413204C2 (ru) 2011-02-27
RU2009118267A (ru) 2010-11-20
US8384901B2 (en) 2013-02-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DK1740975T3 (en) high-resolution imagery
JP6448649B2 (ja) 収集及び再構築技術を含む離調構成に基づく大視野位相差撮影法
Gann et al. Soft x-ray scattering facility at the Advanced Light Source with real-time data processing and analysis
US10224175B2 (en) Compressive transmission microscopy
AU2008252706B2 (en) Three dimensional imaging
KR20000069718A (ko) 위상 콘트라스트 결상에서의 위상복원
Vine et al. Ptychographic Fresnel coherent diffractive imaging
Berujon et al. X-ray pulse wavefront metrology using speckle tracking
US9086570B2 (en) Quantative phase imaging microscope and method and apparatus performing the same
Moroni et al. Charge-collection efficiency in back-illuminated charge-coupled devices
JP6900066B2 (ja) 顕微鏡観察方法及び透過型顕微鏡装置
RU2413204C2 (ru) Способ томографического исследования микроскопических объектов и сканирующий микроскоп для его осуществления
US20110001970A1 (en) Method and apparatus for providing image data
US5864599A (en) X-ray moire microscope
Takano et al. X-ray imaging of a small electron beam in a low-emittance synchrotron light source
EP3139156A1 (en) Dual phase grating interferometer for x-ray phase contrast imaging
Rodenburg Ptychography: early history and 3D scattering effects
Jacobsen et al. Zone-plate x-ray microscopy
WO2020178994A1 (ja) 顕微鏡観察方法、透過型顕微鏡装置、および走査透過型顕微鏡装置
Haw et al. 1D fast coded aperture camera
EP3845892B1 (en) X-ray scattering apparatus
US11894160B2 (en) Light field X-ray optics
JP7078815B2 (ja) Ｘ線撮影方法およびｘ線撮影装置
Dierolf Development of a Lensless Microscopy Technique for Imaging Cellular Structures
Lötgering Computational imaging methods for visible light and X-ray microscopy

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10775157

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 112010002007

Country of ref document: DE

Ref document number: 1120100020078

Country of ref document: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 10775157

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1