JP6208157B2 - 高分解能走査顕微鏡 - Google Patents
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Description
この手法では、スポットを回折限界で検出平面上に撮像することによって、分解能の向上が達成される。回折限界の撮像は、点スポットをエアリー・ディスクとして撮像する。この回折ディスクは、その構造が分解可能となるように検出平面内で捕捉される。したがって、顕微鏡の撮像性能に関して、検出側でオーバーサンプリングが行われる。点スポットの撮像の際に、エアリー・ディスクの形状が分解される。前述の文献に記載の、これに関するその開示が本明細書に完全に含まれる、回折構造の適切な評価によって、回折限界の2倍の分解能向上が達成される。
本発明の枠内では、試料上でサンプリングされるスポットが検出平面内に静止して撮像される。その後、検出平面からの放射線は非撮像的に再分配されて検出器アレイに導かれる。その際、「非撮像的」という概念は、検出平面内に存在する単一画像に関するものである。当然ながら、それにもかかわらず、この単一画像の個々の面領域を撮像原理に従って撮像することができる。その限りでは、検出器アレイと再分配素子との間には、完全に撮像する光学系が位置していてもよい。しかし、検出平面内に存在する単一画像は、再分配の際にそのようなものとして得られない。
なお、上述の特徴および以下にこれから説明される特徴は提示された組み合わせにおいてのみでなく、本発明の枠から逸脱することなく、他の組み合わせにおいて、もしくは単独でも使用可能である。
今では検出装置19が、個々のファセット31を支持するファセット・ミラー30を備えている。ファセット31は、画像17の分解能の点で、光ファイバー束入口22における光ファイバー21の端部に対応している。個々のファセット31は、その放射線入射の光軸に対する傾きの点で互いに異なっている。レンズ32およびミニレンズ・アレイ33、ならびにビーム重畳にのみ使用される偏向ミラー34とともに、各ファセット31は単一画像17の面部分を検出器アレイ24のピクセル25上に撮像する。その際、ファセット31の配向に応じて、検出器アレイ24を好ましくは2Dアレイとしてもよいが、検出器行も可能である。
既に言及したように、検出器アレイ24は、その幾何学的形状に関して、さらなる制限なく選定することができる。その場合、当然ながら、検出装置19内の再分配素子を対応する検出器アレイに適合させなければならない。画像17を分解するのに用いられる個々のピクセルは、究極的にはそのサイズに関して、検出器アレイ24によって規定されるのではなく、検出平面18からの放射線の再分配を行う素子によって規定される。エアリー・ディスクの場合、回折限界の撮像ではディスクの直径が、公式によれば1.22・λ/NAであり、ここで、λは撮像される放射線の平均の波長、NAは対物レンズ13の開口数である。その場合、半値幅は0.15・λ/NAである。高分解能を達成するには、検出の際の空間分解能をこの半値幅の2倍の大きさにする、すなわち半値幅を2度サンプリングすることで足りる。したがって、ファセット素子31あるいは光ファイバー束入口22における光ファイバー21の端部は、回折限界の単一画像の半値幅の、最大で半分の大きさであってもよい。もちろんこれは、光学系が対物レンズ13に応じて作用する撮像倍率の考慮した場合に有効である。つまり、もっとも単純な場合には、半値幅当たり検出平面18内の4×4アレイのピクセルで十分過ぎる程であろう。
Claims (19)
- 試料(2)の高分解能走査顕微鏡検査のための顕微鏡であって、
− 該試料(2)を照射するための照射装置(3)と、
− 該試料(2)上に少なくとも1つの点スポットもしくは線スポット(14)を走査させるための、および、該点スポットもしくは線スポット(14)を、撮像倍率のもとで検出平面(18)内に回折限界の静止単一画像(17)に撮像するための撮像装置(4)と、
− 該撮像倍率を考慮して該回折限界の単一画像(17)の半値幅の少なくとも2倍の大きさである空間分解能で、様々な走査位置について該検出平面(18)内の該単一画像(17)を捕捉するための検出装置(19)と、
− 該検出装置(19)のデータから、該走査位置の該単一画像の回折構造を評価するための、および、回折限界を超えて高められた分解能を有する該試料(2)の画像を生成するための評価装置(C)とを備えた顕微鏡において、
− 該検出装置(19)が、
− ピクセル(25)を備えており該単一画像(17)より大きい検出器アレイ(24)と、
− 該検出器アレイ(24)の上流に配置され、該検出平面(18)からの放射線を非撮像的に該検出器アレイ(24)の該ピクセル(25)上に分配する非撮像の再分配素子(20〜21;30〜34;30〜35)とを備え、
光ファイバー(21)からなる束(20)を含んでおり、該束が、前記検出平面(18)に配置され、ファイバーの端部を有する入口(22)と、該光ファイバー(21)が該入口(22)の幾何学的配置とは異なる幾何学的配置で前記検出器アレイ(24)の前記ピクセル(25)にて終端する出口(23)とを備え、前記入口のファイバーの端部は、回折限界の単一画像の半値幅の最大で半分の大きさである、顕微鏡。 - 前記光ファイバー(21)が、隣接して位置する前記ピクセル(25)の放射強度に応じたクロストークを最小化するために、前記出口(23)に隣接する前記光ファイバー(21)が前記入口(22)にも隣接するように、前記入口(22)から前記出口(23)まで延びていることを特徴とする、請求項1に記載の顕微鏡。
- 前記再分配素子が、様々に傾けられたミラー素子(31)を備えたミラー(30)を含んでおり、該ミラーが、前記検出平面(18)からの放射線を前記検出器アレイ(24)の前記ピクセル(25)上に偏向させ、前記検出器アレイ(24)の前記ピクセル(25)が、該ミラー素子(31)の幾何学的配置とは異なる幾何学的配置を有していることを特徴とする、請求項1に記載の顕微鏡。
- 前記撮像装置(4)が、前記単一画像(17)のサイズを前記検出装置(19)のサイズに適合させるための、撮像方向において前記検出平面(18)の上流に配置されたズーム光学系(27)を備えていることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の顕微鏡。
- 前記照射装置(3)と前記撮像装置(4)とが走査装置(10)を共有しており、前記照射装置(3)が、前記撮像装置によって撮像された前記スポット(14)と一致する回折限界の点スポットもしくは線スポットで前記試料を照射し、前記ズーム光学系(27)もまた前記照射装置(3)の構成要素となるように前記ズーム光学系(27)が配置されていることを特徴とする、請求項4に記載の顕微鏡。
- 前記検出器アレイ(24)が、ライン検出器であることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の顕微鏡。
- 試料(2)の高分解能走査顕微鏡検査のための方法であって、
− 該試料(2)を照射し、
− 該試料(2)上を走査するように導かれる少なくとも1つの点スポットもしくは線スポット(14)を単一画像(17)に撮像し、その際、該スポット(14)を撮像倍率のもとで、回折限界で該単一画像(17)に撮像し、該単一画像(17)が検出平面(18)内に静止しており、
− 様々な走査位置について、該撮像倍率を考慮して該回折限界の単一画像(17)の半値幅の少なくとも2倍の大きさの空間分解能で該単一画像(17)を捕捉することにより、該単一画像(17)の回折構造を捕捉し、
− 各該走査位置について該単一画像(17)の該回折構造を評価し、回折限界を超えて高められた分解能を有する該試料(2)の画像を生成する方法において、
− ピクセル(25)を備えており、該単一画像(17)よりも大きい検出器アレイ(24)を設け、
− 前記検出平面(18)からの該単一画像の放射線を、非撮像的に該検出器アレイ(24)の該ピクセル(25)上に再分配し、
前記単一画像(17)の放射線を、光ファイバー(21)からなる束(20)を用いて再分配し、該束が、前記検出平面(18)に配置され、ファイバーの端部を有する入口(22)と、該光ファイバー(21)が該入口(22)の幾何学的配置とは異なる幾何学的配置で前記検出器アレイ(24)の前記ピクセル(25)にて終端する出口(23)とを備え、前記入口のファイバーの端部は、回折限界の単一画像の半値幅の最大で半分の大きさである、方法。 - 前記光ファイバー(21)を、隣接して位置する前記ピクセル(25)の放射強度に応じたクロストークを最小化するために、前記出口(23)に隣接する前記光ファイバー(21)が前記入口(22)にも隣接するように、前記入口(22)から前記出口(23)まで導くことを特徴とする、請求項7に記載の方法。
- 各前記光ファイバー(21)に個別に放射線を当てることによって前記光ファイバー(21)からなる前記束(20)および前記検出器アレイ(24)の較正を行い、隣接する前記光ファイバー(21)の前記出口(23)に割り当てられた前記ピクセル(25)における干渉信号を捕捉し、前記試料(2)の顕微鏡検査の際に隣接して位置する前記ピクセル(25)の放射強度に依存したクロストークを補正するために用いる較正マトリクスを作成することを特徴とする、請求項7に記載の方法。
- 前記単一画像(17)の放射線を、様々に傾けられたミラー素子(31)を備えたミラー(30)を用いて再分配し、その際、該ミラー(30)によって前記検出平面(18)からの放射線が前記検出器アレイ(24)の前記ピクセル(25)上に導かれ、前記検出器アレイ(24)の前記ピクセル(25)が、該ミラー素子(31)の幾何学的配置とは異なる幾何学的配置を有していることを特徴とする、請求項7に記載の方法。
- 前記検出器アレイ(24)として、ライン検出器を使用することを特徴とする、請求項7乃至10のいずれか1項に記載の方法。
- 前記検出器アレイ(24)の個々の前記ピクセル(25)の信号を、相互相関関数を用いて評価することによって、前記点スポットもしくは線スポット(14)の走査の移動方向を特定することを特徴とする、請求項7乃至11のいずれか1項に記載の方法。
- 前記試料(2)において前記点スポットもしくは線スポット(14)が静止している際に前記回折限界の単一画像(17)の時間的変化を特定および評価することによって、前記試料(2)における変化を捕捉することを特徴とする、請求項7乃至12のいずれか1項に記載の方法。
- 前記光ファイバー(21)は、多モード光ファイバーである、請求項1に記載の顕微鏡。
- 前記ミラー(30)は、ファセット・ミラー、DMD、または適応ミラーである、請求項3に記載の顕微鏡。
- 前記ライン検出器は、ラインAPDまたはラインPMTである、請求項6に記載の顕微鏡。
- 前記光ファイバー(21)は、多モード光ファイバーである、請求項7に記載の方法。
- 前記ミラー(30)は、ファセット・ミラー、DMD、または適応ミラーである、請求項10に記載の方法。
- 前記ライン検出器は、ラインAPDまたはラインPMTである、請求項11に記載の方法。
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