(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）焦点付け可能な照明エネルギーを供給するエネルギー源と、
（ｂ）コアと入射端と出射端とから成り、エネルギー源からの照明エネルギーが入射端によって受け入れられ、コアを通過し、出射端に導かれて該出射端から現れるよう成された単一モードの第１エネルギーガイドと、
（ｃ）（ｉ）該出射端から現れた照明エネルギーの少なくとも一部を集束させて、使用時に物体と交差する回折限界スポットにし、（ii）スポット内の照明エネルギーと物体との相互作用の結果生じる及び／又はスポット内での照明エネルギーの透過の結果生じるスポットからの出力エネルギーを回収し、（iii）回収された出力エネルギーを再び回折限界スポットに集束させる、共焦形式に構成された収束手段と、
（ｄ）回収された出力エネルギーを検知のため方向付けるエネルギースプリッターと、
（ｅ）コアと、その位置におけるコアによって与えられる開口の平均直径が0.6×λ/N.A.未満である入射端と、出力端とから成り、前記エネルギースプリッターにより方向付けられ前記集束手段によって回折限界スポットに集束された出力エネルギーが点検出のため前記入射端におけるコアに供給されるよう成された第２エネルギーガイド（ここでλは出力エネルギーの波長、N.A.は焦点位置すなわち第２エネルギーガイドの入射端位置において前記集束手段によって画定される錐角の半角を用いて定義される該集束手段の開口数である）と、
（ｆ）前記第２エネルギーガイドのコアを通過しその出力端から現れた出力エネルギーを検知する検知器とから成る回折限界共焦点顕微鏡。
【請求項２】
第１エネルギーガイドが第２エネルギーガイドから成る、請求項１に記載の顕微鏡。
【請求項３】
前記第２エネルギーガイドが単一モードのエネルギーガイドである、請求項１に記載の顕微鏡。
【請求項４】
前記エネルギースプリッターが波長依存的スプリッターより成る、請求項１に記載の顕微鏡。
【請求項５】
前記エネルギースプリッターが偏光依存的であって、かつ前記顕微鏡が照明エネルギーを偏光するために設けられた偏光子を更に具備する、請求項１に記載の顕微鏡。
【請求項６】
照明エネルギーを少なくとも部分的に円偏光させ、かつ偏光依存的エネルギースプリッターを通って戻る出力エネルギーを少なくとも部分的に直線偏光させるよう、偏光依存的エネルギースプリッターとスポットとの間の、偏光した照明エネルギーと出力エネルギーの光路内に配置した偏光装置を更に含む、請求項５に記載の顕微鏡。
【請求項７】
（ａ）焦点付け可能な照明エネルギーを供給するエネルギー源と、
（ｂ）コアと入射端と出射端とから成り、エネルギー源からの照明エネルギーが入射端によって受け入れられ、コアを通過し、出射端に導かれて該出射端から現れるよう成された単一モードエネルギーガイドと、
（ｃ）（ｉ）該出射端から現れた照明エネルギーの少なくとも一部を集束させて、使用時に物体と交差する回折限界スポットにし、（ii）スポット内の照明エネルギーと物体との相互作用の結果生じる及び／又はスポット内での照明エネルギーの透過の結果生じるスポットからの出力エネルギーを回収し、（iii）回収された出力エネルギーを再び回折限界スポットに集束させる、共焦形式に構成された集束手段と、
（ｄ）回収された出力エネルギーを検知のため方向付けるエネルギースプリッターと、
（ｅ）開口の平均直径が0.6×λ/N.A.未満である検知用開口と検知素子とを有して、エネルギースプリッターによって方向付けられ集束手段によって回折限界スポットに集束された出力エネルギーが前記検知用開口に位置づけられるよう成された、出力エネルギーを検知する検知器（ここでλは出力エネルギーの波長、N.A.は焦点位置すなわち検知用開口の開口位置において前記集束手段によって画定される錐角の半角を用いて定義される該集束手段の開口数である）とから成る、回折限界共焦点顕微鏡。
【請求項８】
前記検知用開口がピンホール開口である、請求項７に記載の顕微鏡。
【請求項９】
コアと、その位置におけるコアによって提供される開口の平均直径が0.6×λ/N.A.未満である入射端と、出力端とから成る第２のエネルギーガイドを更に有し、かつ前記検知用開口の開口が第２エネルギーガイドの入射端における前記コアであって、前記第２エネルギーガイドは、前記エネルギースプリッターにより方向付けられ前記集束手段によって回折限界スポットに集束された出力エネルギーが点検出のためその入射端に位置する前記コアに供給されるよう配置されている（ここでλは出力エネルギーの波長、N.A.は焦点位置すなわち第２エネルギーガイドの入射端位置において前記集束手段によって画定される錐角の半角を用いて定義される該集束手段の開口数である）、請求項７に記載の顕微鏡。
【請求項１０】
前記エネルギースプリッターが波長依存的スプリッターよりなる、請求項７に記載の顕微鏡。
【請求項１１】
前記エネルギースプリッターが偏光依存的であって、前記顕微鏡が照明エネルギーを偏光するために設けられた偏光子を更に含む、請求項７に記載の顕微鏡。
【請求項１２】
照明エネルギーを少なくとも部分的に円偏光させ、かつ偏光依存的エネルギースプリッターを通って戻る出力エネルギーを少なくとも部分的に直線偏光させるよう、偏光依存的エネルギースプリッターとスポットとの間の、偏光した照明エネルギーと出力エネルギーの光路内に配置した偏光装置を更に含む、請求項10に記載の顕微鏡。
【請求項１３】
（ａ）焦点付け可能な照明エネルギーを供給するエネルギー源と、
（ｂ）コアと、入射端と、その位置のコアによって与えられる開口の平均直径が0.6×λ/N.A.未満である出射端とから成り、エネルギー源からの照明エネルギーが入射端によって受け入れられ、コアを通過し、出射端に導かれて該出射端におけるコアから現れるよう成された単一モードエネルギーガイドと、
（ｃ）（ｉ）該出射端におけるコアから現れた照明エネルギーの少なくとも一部を集束させて、使用時に物体と交差する回折限界スポットにし、（ii）スポット内の照明エネルギーと物体との相互作用の結果生じるスポットからの出力エネルギーを回収し、（iii）回収された出力エネルギーを点検出のため該出射端のコアにおいて再び回折限界スポットに集束させる、共焦形式に構成された集束手段（ここでλは出力エネルギーの波長、N.A.は焦点位置すなわち出射端位置において前記集束手段によって画定される錐角の半角を用いて定義される該集束手段の開口数である）と、
（ｄ）出力エネルギーを前記コア内から回収し検知のため方向付ける、前記エネルギーガイドと光学的に結合されたエネルギー分割・結合手段と、
（ｅ）回収し方向付けられた出力エネルギーを検知する検知器とから成る回折限界反射共焦点顕微鏡。
【請求項１４】
物体内及びその周辺で回折限界スポットを走査するために、出射端をｘ及び／或いはｙ及び／或いはｚ方向に移動させるスキャナーを更に具備する、請求項13に記載の顕微鏡。
【請求項１５】
前記スキャナーが、圧電性スタック、マグネットコア／マグネットコイルの組み合せ、機械的バイブレーター、電磁式バイブレーター、機械的、または電気機械的位置決め機構、或いは、音響カップラである、請求項14に記載の顕微鏡。
【請求項１６】
前記エネルギーガイドの入射端とエネルギー分割・結合手段とが、エネルギー源よりの照明エネルギーの一部をエネルギーガイドのコアに方向付け、かつエネルギーガイドのコア内の出力エネルギーの一部を検知器に方向付けることのできる、ひとつのエネルギースプリッターを共有している、請求項13又は14に記載の顕微鏡。
【請求項１７】
前記エネルギースプリッターが波長依存的エネルギースプリッターよりなる、請求項16に記載の顕微鏡。
【請求項１８】
前記エネルギースプリッターは偏光依存的であり、照明エネルギーを偏光させる偏光子を更に含む、請求項16に記載の顕微鏡。
【請求項１９】
照明エネルギーを少なくとも部分的に円偏光し、かつ偏光依存的エネルギースプリッターを通って戻る出力エネルギーを少なくとも部分的に直線偏光させるよう、偏光依存的エネルギースプリッターとスポットとの間の、偏光した照明エネルギーと出力エネルギーの光路内に配置した偏光装置を更に含む、請求項18に記載の顕微鏡。
【請求項２０】
前記エネルギースプリッターが、エネルギーガイド・カップラよりなる、請求項16に記載の顕微鏡。
【請求項２１】
前記エネルギーガイド・カップラが、溶融双円錘テーパー・カップラ、研磨ブロック・カップラ、ボトルドエッチ・カップラ、ファイバーの入口と出口にピグテールを有するバルク光学型・カップラ、或いは、フォトリソグラフィ、またはイオン拡散製造技術に基づくプレーナー型導波路装置である、請求項20に記載の顕微鏡。
【請求項２２】
物体内及びその周辺でスポットを走査するために、出射端におけるコアの像を集束手段に対して動かすエネルギースキャナーを含む、請求項13に記載の顕微鏡。
【請求項２３】
エネルギースキャナーが、可動エネルギーリフレクター、電気エネルギー装置、或いは、音響エネルギー装置である、請求項22に記載の顕微鏡。
【請求項２４】
物体内及びその周辺でスポットを走査するために、集束手段を出射端に対して動かすスキャナーを更に含む、請求項13に記載の顕微鏡。
【請求項２５】
物体内及びその周辺でスポットを走査するために、出射端と集束手段との組み合せを物体に対して動かすスキャナーを更に含む、請求項13に記載の顕微鏡。
【請求項２６】
物体内及びその周辺でスポットを走査するために、物体をｘ及び／或いはｙ及び／或いはｚ方向に動かすスキャナーを更に含む、請求項１、７或いは13に記載の顕微鏡。
【請求項２７】
物体に関する情報を提供するため、検知器よりの信号を記憶して分析する装置を更に含む、請求項１から26にいずれかに記載のマイクロスコープ。
【請求項２８】
物体に関する情報を提供するため、検知器からの信号及びスキャナーからの信号を記憶して分析する装置を更に含む、請求項14、22、24或いは25に記載の顕微鏡。
【請求項２９】
物体に関する情報を提供するため、検知器からの信号、及び、使用時にはスキャナーによる被駆動対象の位置を表すスキャナーからの信号を記憶して分析する装置を更に含む、請求項26に記載の顕微鏡。
【請求項３０】
前記エネルギー源が、遠紫外と遠赤外とを含む遠紫外から遠赤外までにわたる波長領域の波長の電磁波放射源よりなり、前記エネルギーガイドが光ファイバである、請求項１から29のいずれかに記載の顕微鏡。
【請求項３１】
以下の手順からなる物体に関する情報を提供するための物体の走査方法。（ａ）コアと、入射端と、その位置のコアによって与えられる開口の平均直径が0.6×λ/N,A.未満である出射端とから成る単一モードエネルギーガイドを用いて、エネルギー源からの照明エネルギーを該入射端から受け入れ、コアを通過させ、出射端に導き、該出射端におけるコアから現れるよう導くこと。（ｂ）該出射端から現れた照明エネルギーの少なくとも一部を集束させて使用時に物体と交差する回折限界スポットにすること。（ｃ）スポット内の照明エネルギーと物体との相互作用の結果生じる及び／又はスポット内での照明エネルギーの透過の結果生じるスポットからの出力エネルギーを集束手段を用いて集束させて該出射端におけるコア上において回折限界スポットにすること。（ｄ）該出射端のコアに入力された出力エネルギーを検知して該相互作用及び／又は該透過を表す信号を提供すること。（ｅ）前記単一モードエネルギーガイドの出射端におけるコアから現れる照明エネルギーを再度集束させ、その中心部の少なくとも一部を物体と交差する他の回折限界スポットにすること。（ｆ）前記手順（ｂ）〜（ｄ）を繰り返すこと。（ｇ）前記手順（ｅ）〜（ｆ）を繰り返すこと。ここでλは出力エネルギーの波長、N.A.は焦点位置すなわち出射端におけるコア位置において前記集束手段によって画定される錐角の半角を用いて定義される該集束手段の開口数である。
【請求項３２】
物体に関する情報を提供するために、検知された信号を記憶して分析する手順を更に含む、請求項31に記載の物体の走査方法。
【請求項３３】
物体に関する情報を提供するために、検知された信号、及び物体に対するスポットの位置を記憶して分析する手順を更に含む、請求項31に記載の物体の走査方法。
【請求項３４】
前記エネルギーガイドが光ファイバーであり、かつ、照明エネルギー及び出力エネルギーが、遠紫外と遠赤外とを含む遠紫外から遠赤外までにわたる波長領域の波長の電磁波である、請求項31に記載の物体の走査方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、回折限界共焦マイクロスコープ、回折限界反射共焦マイクロスコープ、及び物体の走査方法に関する。
背景技術
従来の反射共焦マイクロスコープの図式的図面が図１に示されている。レーザー１よりのレーザー光線は、顕微鏡対物レンズ２により機械的ピンホール３に焦点付けられる。本明細書における“機械的ピンホール”という表現は、通常金属製のシートに設けた従来にピンホールを意味する。ポンホール３より拡張光線ビームは、ビームを偏光させる偏光ビームスプリッター８とビームを円偏光させる４分の１波長板７を通過する前に、レンズ４により視準される。ビームはその後、高品質顕微鏡対物レンズ５により、物体６上に回折限界スポットとして焦点付けられる。物体６により反射され、散乱される光線は、ビームを視準する対物レンズ５により回収される。物体６により反射された光線は円偏光のままであるので、４分の１波長板７を通過して戻る時に再び直線偏光とされるが、その偏光方向は、初めの偏光ビームの偏光方向と垂直な方向である。物体６により散乱された光線の偏光はランダムであり、４分の１波長板７の影響を受けない。偏光方向が90度だけ回転した、物体６により反射されてきた光線は、再び偏光ビームスプリッター８により方向付けされる。物体６により散乱された光線の一部も、同じように偏光ビームスプリッター８により再方向付けされる。再方向付けされた光線は、画像化素子９により、検知器ピンホール10上に焦点付けられる。検知器11は、ピンホール10を通過する光線の量を測定する。物体６は、ステージ12により、ｘ、ｙ、及びｚ方向に、機械的に走査される。
反射共焦マイクロスコープの操作の基本は、単純化した共進マイクロスコープ配列を図式的に示した図２を調べれば分かる。機械的ピンホール点光源15は、高品質光学素子16により、物体17上に集束される。照明するピンホールのサイズ15は、物体17に当たる光線が、光線の波長と高品質光学素子16の特性により大きさが決まる回折限界スポットパターンを形成するように、選択される。表面により反射され、散乱される光線は、高品質光学素子16により回収され、ビームスプリッター13により、ピンホール検知器14上に再方向付けられる。解像度を最大限にするために、検知器14上のピンホールのサイズは、その上に集束される回折限界スポットの第１の最小限よりもわずかに小さくなるように選択される。
図２を用いて上で説明した共焦配列により、従来のマイクロスコープに対し約0.4の解像度のゲインが得られることになる。環を使用することにより、この解像度ゲインは従来のマイクロスコープに対し約0.7まで増加する。加えて、この共進マイクロスコープは、従来のマイクロスコープと比較して、被写界深度がはるかに低減されているので、焦点外情報の画像からの除去が可能となっている。これにより、粗い、屈曲した、或いは部分的に透明な表面を適正に画像とすることができるようになっている。
ひとつの物体の画像を得るためには、その物体（或いは、マイクロスコープ）をｘ、ｙ、及びｚ方向に走査し、ｚ方向走査において得られた最大の信号をｘ、ｙ位置における光輝度とする。生物学的細胞にような部分的に透明な物体からは、三次元情報を引き出すことができる。解像度に妥協することなく、画像化できるエリアのサイズに限界はない。共焦マイクロスコープよりの信号は、電子的画像エンハンスメントには扱いやすいものであるということに留意すべきである。
機械的ピンホールは、開口にたまるほこりの影響を受け易い。共焦マイクロスコープの機械的ピンホール内にほんのわずかでもほこりがあると、結果としての光の場が、もはや回転対称ではなくなり、収差が生じるので問題となる。更に、従来の共焦マイクロスコープにおける機械的ピンホール、或いは、何らかの他の素子の僅かなアライメントミスは、機械的ピンホールから放射される光ビームに非対称強度分布を引き起こし、これによりまた、収差が引き起こされる。
発明の目的
回折限界共焦マイクロスコープを提供することが本発明の目的である。
回折限界反射共焦マイクロスコープを提供することが本発明の別の目的である。
更なる目的は、物体の走査方法を提供することである。
発明の開示
本発明の第１の実施例に従えば、以下のものよりなる回折限界共焦マイクロスコープが提供される。
焦点付け可能な照明エネルギーを供給するためのエネルギー源。
単一モード・エネルギーガイド。前記エネルギーガイドは、コアと入射端と出射端とからなり、エネルギー源よりの照明エネルギーが、入射端により受信され、コア内にカップリングされ、出射端に導かれて、出射端におけるコアより現れるように成されている。
コアより現れる照明エネルギーの少なくとも一部を集束させて、使用時に物体と交差する中心部を有する回折限界スポットにする第１集束手段。
使用時における物体の存在下で、スポット内の照明エネルギーと物体との相互作用の結果として生じる、及び／または、スポット内での照明エネルギーの透過の結果として生じる、スポットからの出力エネルギーを回収する第２集束手段。
開口と検知素子とを有する検知器。
第２集束手段は、前記中心部を開口に集束させる。本共焦マイクロスコープは、被写界深度をかなりの程度低減し、それによって、開口上に得る中心部の画像から、焦点外情報をかなりの程度、除去できる。これにより、検知器は出力エネルギーを検知する。
開口は、ピンホール・開口であってもよい。
開口は、第２エネルギーガイドのコア内に焦点付けられる出力エネルギーを検知する出射端を同様に備えたコアを有する、第２エネルギーガイドのエネルギー入射端におけるコアであってもよい。
第２エネルギーガイドは、多重モード・エネルギーガイドでも、単一モード・エネルギーガイドであってもよい。
本発明の第２の実施例に従えば、以下のものよりなる、回折限界共焦マイクロスコープが提供される。
焦点付け可能な照明エネルギーを供給するためのエネルギー源。
単一モード・エネルギーガイド。前記エネルギーガイドは、コアと入射端と出射端とからなり、エネルギー源よりの照明エネルギーが、入射端により受信され、コア内にカップリングされ、出射端に導かれて、出射端におけるコアより現れるように成されている。
コアより現れる照明エネルギーの少なくとも一部を集束すなわち焦点付けて、使用時には物体に交差する中心部を有する回折限界スポットにする第１集束手段。
使用時の物体の存在下で、スポット内の照明エネルギーと物体との相互作用の結果として生じる、及び／または、スポット内での照明エネルギーの透過の結果として生じる、スポットからの出力エネルギーを回収する第２集束手段。
検知素子を有する検知器。
第２集束手段は、スポット内の照明エネルギーの中心部を検知素子上に集束させる。本共焦マイクロスコープは、被写界深度をかなりの程度低減し、それによって、検知素子上に得る中心部の画像から、焦点外情報をかなりの程度、除去できる。これにより、検知器は出力エネルギーを検知する。
典型的には、第１と第２の実施例のマイクロスコープは、更に、出力エネルギーを検知器に方向付けるために、出射端におけるコアとスポットとの間のエネルギー路内に配置されるエネルギースプリッターを含み、照明路と出力エネルギー路は、スポットとスプリッターとの間で実質的に同じである。
一般的には、第１、第２集束手段は、エネルギー焦点付け素子を共有している。
エネルギースプリッターは、波長依存性のあるスプリッターであってもよい。
一般的に、第２実施例のマイクロスコープにおいては、前記エネルギースプリッターは偏光依存的であって、照明エネルギーを偏光するために設けられた偏光子を更に含んでいる。
第２実施例のマイクロスコープは、また、照明エネルギーを少なくとも部分的に円偏光させ、かつ、偏光依存的エネルギースプリッターを通って戻る出力エネルギーを少なくとの部分的に直線偏光させるために、偏光依存的エネルギースプリッターとスポットとの間の、偏光した照明エネルギーと出力エネルギーの光路内に配置した偏光装置を含んでいてもよい。
本発明の第３の実施例に従えば、以下のものよりなる、回折限界反射共焦マイクロスコープが提供される。
焦点付け可能な照明エネルギーを供給するためのエネルギー源。
コア、入射端、及び出射端よりなる単一モード・エネルギー・ガイド。
前記エネルギーガイドは、エネルギー源よりの照明エネルギーが、入射端により受信され、コア内にカップリングされ、出射端にガイドされて、出射端におけるコアより現れるように成されている。
コアより出現する照明エネルギーの少なくとも一部を焦点付けて、使用時には物体に交差する中心部を有する回折限界スポットにし、スポット内の照明エネルギーと物体との相互作用の結果として生じる出力エネルギーを回収し、出力エネルギーの少なくとも一部を出射端におけるコアに方向付ける役割をなしている集束手段。
検知器。
コアから出力エネルギーを引き出して検知器の方に方向付けるエネルギーエマネータ、すなわちエネルギー分割・結合（スプリッティング・カップリング）手段。
前記集束手段は、中心部を出射端におけるコアに集束させる。本共焦マイクロスコープは、被写界深度をかなりの程度低減し、それによって、コア上に得る中心部の画像から、焦点外情報をかなりの程度、除去できる。
以下のコメントが、第３の実施例に当てはまる。
第３の実施例の回折限界反射共焦マイクロスコープは、物体内及びその周囲で回折限界スポットを走査するために、出口端部をｘ及び／或いはｙ及び／或いはｚ方向に移動させるために、出口端部に隣接して配置された走査手段を含むこともできる。走査手段は、圧電性スタック、マグネットコア／マグネットコイルの組合せ、機械的バイブレーター、電気機械的バイブレーター、機械的、または電気機械的位置決め機構、サーボモーターのような機械的、または電気機械的走査機構、音響カップラ、その他適切な手段であってもよい。
一般的に、レシーバーとエネルギー分割・結合（スプリッティング・カップリング）手段は、エネルギー源よりの照明エネルギーの一部をエネルギーガイドのコアに方向付け、かつ、エネルギーガイドのコア内の出力エネルギーの一部を検知器に方向付けることのできる、ひとつのエネルギースプリッターを共有している。典型的には、前記エネルギースプリッターは、波長依存的エネルギースプリッターよりなる。このエネルギースプリッターは、光ファイバー・カップラのようなエネルギーガイド・カップラであってもよい。光ファイバー・カップラは、溶融双円錐テーパー・カップラ、研磨ブロック・カップラ、ボトルドエッチ・カップラ、ファイバーの入口と出口がピグテールになったバルク光学型・カップラ、フォトリソグラフィ、またはイオン拡散加工技術に基づくプレーナ型導波路装置、或いは、類似のカップラであってもよい。
また、反射共焦マイクロスコープは、照明エネルギーを偏光させる偏光子を更に含んでいてもよく、前記エネルギースプリッターは偏光依存的である。照明エネルギーを少なくとも部分的に円偏光させ、かつ、偏光依存的エネルギースプリッターを通り抜けて戻る出力エネルギーを少なくとも部分的に直線偏光させるために、偏光した照明エネルギーと出力エネルギーの路内の、偏光依存的エネルギースプリッターとスポットとの間に配置した偏光装置を含むこともできる。
特別の配列においては、偏光子は、照明エネルギー源と偏光依存的エネルギースプリッターとの間に配置することができ、或いは、エネルギー源を固有的に偏光してもよく、又は、偏光依存的エネルギースプリッターは、通過する照明エネルギーを偏光し、それによって、スプリッターから放出される照明エネルギーは、直線偏光した照明エネルギーとなる。この配列において、照明エネルギーを円偏光させ、かつ、偏光依存的エネルギースプリッターを通り抜けて戻る出力エネルギーを、直線偏光した照明エネルギーと垂直の方向に直線偏光するために、４分の１波長装置のような偏光装置が、偏光した照明エネルギーと出力エネルギーの路内の、偏光依存的エネルギースプリッターと物体との間に配置される。
物体内及びその周囲でスポットを走査するために、集束手段に対して相対的に、出射端におけるコアの画像を動かすために、エネルギースキャナーが、集束手段と出射端とに関わり合ってもよい。典型的には、エネルギースキャナーは、移動可能リフレクター、電気エネルギー装置、或いは、音響エネルギー装置である。
スキャナーは、物体内及びその周囲でスポットを走査するために、出射端に対して相対的に集束手段を動かすものであってもよい。
第１から第３の実施例においては、スキャナーは、物体内及びその周囲でスポットを走査するために、物体に対して相対的に出射端と集束手段の組み合せを動かすようであってもよい。別の代替案においては、物体内及びその周囲でスポットを走査するために、物体をｘ及び／或いはｙ及び／或いはｚ方向に動かすスキャナーが含まれる。
第１から第３の実施例は、物体に関する情報を提供するために、検知器からの信号を記憶、分析する装置をさらに含むこともできる。
第１から第３の実施例は、スキャナーを有する場合には、物体に関する情報を提供するために、使用の際にはスキャナーにより動かされる被駆動対象の位置を示す、スキャナーよりの信号と検知器よりの信号を記憶、分析する装置を更に含むこともできる。
この記憶、分析装置は、典型的にはコンピューターである。コンピューターは、表面プロフィール情報を提供でき、又、例えば、粗い表面の高解像度焦点内画像を得ることができる。
本発明の第４の実施例に従えば、以下のものよりなる、物体に関する情報を提供するための、物体の走査方法が提供される。
（ａ）コア、入射端、及び出射端よりなる単一モード・エネルギーガイドの出射端におけるコアよりの照明エネルギーを、物体に交差する中心部を有する回折限界スポット内に焦点付けること。
（ｂ）スポットの中心部を出射端におけるコアに集束させ、それにより、スポット内の照明エネルギーと物体との間の相互作用の結果として生じる出力信号を回収する。ここにおいて、得られる画像は、被写界深度がかなりの程度低減された画像であって、それにより、コア上に得る中心部の画像から、焦点外情報を除去することがかなりの程度可能になっている。
（ｃ）前記の相互作用を示す信号を提供するために、出口端部におけるコアに入る出力エネルギーを検知すること。
（ｄ）中心部の領域の少なくとも一部を、物体に交差する他のスポットとして焦点付けるため、単一モード・エネルギーガイドの出射端におけるコアよりの照明エネルギーを再焦点付けすること。
（ｅ）手順（ｂ）、及び（ｃ）を繰り返すこと。
（ｆ）手順（ｄ）、及び（ｅ）を繰り返すこと。
第４実施例の方法は、典型的には、物体に関する情報を提供するために、検知された信号を記憶し分析することを含む。
代替的に、第４実施例の方法は、物体に関する情報を提供するために、物体に対するスポットの位置、及び検知された信号を記憶し分析することを含む。
一般的に、第１から第４の実施例においては、開口上に集光乃至集束される中心部からの出力エネルギーにより形成される集束手段の開口数NA、出力エネルギーの波長λ、及び開口、検知素子、或いはコアの平均直径ｄは、以下の式により関係付けられる。
NA＜0.6×λ/d
以下のコメントは、第１から第４の実施例に対して当てはまる。エネルギーガイドは、フレキシブルであり得、又、エネルギー・ファイバーであることができる。
エネルギー源は、中性子、プロトン、電子ビーム、或いは、アルファ粒子のビームのような物質粒子線、音波のような音響波、或いは、ガンマ線、Ｘ線、紫外光線、可視光線、赤外線、又は、マイクロ波といったような電磁放射線を供給することができる。一般に、エネルギー源は、遠紫外から遠赤外、及びこの両者を包含する波長領域の波長の電磁放射線の発生源であり、エネルギーガイドは光ファイバーである。
光源の例としては、タングステン・フィラメント源のような白熱源、ナトリウムやヨウ素蒸気ランプを包含するハロゲンランプのような蒸気ランプ、キセノンアークランプや水銀アークランプのような放電ランプ、フォトダイオード、超放射性ダイオード、発光ダイオード、レーザー・ダイオード、エレクトロルミネセンス光源のような固体光源、アルゴンレーザー、アルゴン／クリプトンレーザー、ネオンレーザー、ヘリウムネオンレーザー、キセノンレーザー、クリプトンレーザーのような希ガスレーザー、一酸化炭素、二酸化炭素レーザー、カドミウム、すず、水銀、或いはセレニュームイオンレーザーのような金属イオンレーザー、鉛塩レーザー、銅、金蒸気レーザーのような金属蒸気レーザー、窒素レーザー、ルビーレーザー、ヨウ素レーザー、ネオジムガラス、ネオジムYAGレーザー、ローダミン640、キトンレッド620、ローダミン590ダイを採用するダイレーザーのようなダイレーザー、及び濃厚液処理ファイバーレーザーが含まれる。
エネルギーガイドは、フレキシブル、単一モード光ファイバーであってもよい。例えば、適正な屈折率プロフィールを与えられる633nmの波長において単一モードである５ミクロン・コア・ファイバー。ステップインデックス光ファイバーは、開口数NA、ファイバーコア半径ａ、及び光の波長λが、以下の関係に従う場合に単一モードとなる。
２×π×NA×a/λ≦2.405
集束手段は、顕微鏡対物レンズ、反射レンズ、及び／或いは、ホログラフ光学素子を包含する、屈折ガラスレンズであってもよい。エネルギーが、紫外から遠赤外線の範囲以外の周波数、或いは、別のタイプのエネルギーである場合には、光学焦点素子の代わりに、類似の焦点素子が使用される。
本発明の特定の回折限界共焦マイクロスコープは、機械的ピンホール／光源の組み合せの代わりに、単一モード光ファイバー／光源を利用する。既に指摘したように、機械的ピンホールは、開口にたまるほこりに特に敏感である。機械的ピンホールの開口のほんの少しでもほこりがつくと、こうしたピンホールからの光線は、もはや回転対称ではなくなり、システムに収差が生じてしまい、問題となる。ほこりは、光ファイバーの光の入り口、及び出口端部につき易いが、クリーニングは比較的簡単で、必要であれば除去することもできる。
既に上で指摘したように、機械的ピンホール／光源の組み合せは、アライメントを正確に行うことが難しい。機械的ピンホールが適正にアライメントされない場合は、共焦マイクロスコープの解像度に大きな影響を与え、結果として回折スポットの位置が変則となり、深度調査、及び他の調査の精度の面で重大な結果をもたらす。それに対して、単一モード光ファイバー／光源の組み合せが適正にアライメントされない場合には、ファイバーの出口端部からの光源の光強度は低下するが、発生する光線は依然として円形対称である。
単一モード光ファイバーと光源との一体的組み合せを反射共焦マイクロスコープに利用する場合には、比較的困難な仕事である光源に対する光ファイバーのアライメントの問題が効率的に除去される。この後者の組み合せは、共焦マイクロスコープへ搭載する必要のある、分離した光学コンポーネントの数をも減少させる。加えて、単一モード光ファイバー／レーザーダイオードの一体的組み合せが使用される場合には、一体化したフィードバック検知器を具備するレーザーダイオードを利用することができ、これにより、レーザーダイオードの出力をモニター、制御することが可能となる。類似的に、一体化した光ファイバー／検知器を利用すれば、検知器に対する光ファイバーのアライメントの必要性を効果的に除去できる。
反射共焦マイクロスコープにおける、単一モード光ファイバー／光源、及び光ファイバー／検知器の組み合せの更なる利点は、光源、検知器、及び関連するエレクトロニクスが、偏光子、集束レンズ、集束レンズシステムといったような光学的ハードウェアから離れて配置できるということである。特に有利な点は、光源と検知器が物体から離れて配置される場合には、これらの温度制御が簡単にでき、寿命、精度、及び信頼性が向上する。これは、厳しい産業環境下での使用に特に有益である。
【図面の簡単な説明】
図１は、従来の回折限界共焦マイクロスコープを図式的に示した図である。
図２は、簡略化した回折限界共焦マイクロスコープ配列を図式的に示した図である。
図３は、本発明による回折限界共焦マイクロスコープを図式的に示した図である。
図４は、本発明による他の回折限界共焦マイクロスコープを図式的に示した図である。
図５は、本発明により更に他の回折限界共焦マイクロスコープを図式的に示した図である。
図６は、他の回折限界反射共焦マイクロスコープ配列を図式的に示した図である。
本発明の最良の態様及び他の態様
図３について述べると、回折限界反射共焦マイクロスコープ30は、焦点素子32の一方の側に配置されたレーザー31を有する。レーザー31からのレーザー光は、素子32に落ち、単一モード光ファイバー34の光受信端部33上に焦点付けられる。ファイバー34は、光出口端部35を有する。視準レンズ36は、出口端部35から出てくる照明レーザー光を視準するよう配置される。偏光ビームスプリッター37は、視準レンズ36により視準された照明レーザー光を偏光するよう配置される。４分の１波長板38は、ビームスプリッター37より出現する偏光された照明レーザー光を円偏光にするよう配置される。高品質顕微鏡対物レンズ39は、波長板38を通過してきた円偏光した照明レーザー光を焦点付けて、物体40に交差する回折限界スポットにするよう配置される。スポット内の照明レーザー光と物体40との相互作用の結果として生ずる出力光は、対物レンズ39により回収され、コリメートされた出力光を生成するために視準される。視準された出力光は、４分の１波長板38を通り抜ける。物体40よりの出力光は４分の１波長板38を通り抜ける。この出力光の一部は、偏光ビームスプリッター37により、集束レンズ41上に反射される。集束レンズ41は、ビームスプリッター37により反射された出力光を、第２光ファイバー43の光受信端部42上に焦点付ける為に配置される。集束レンズ41と対物レンズ39は、照明レーザー光の回折限界スポットパターンの中心部を、ファイバー43の光受信端部42におけるコア上に集束させるように配置されている。ここにおいて、ファイバー・コア上に焦点付けられる中心部出力光により作られる集束レンズ41の開口数NA、出力光の波長λ、及びファイバー43の光受信端部42におけるファイバー・コアの平均直径ｄは、以下の式により関連付けられる。
NA＝0.36×λ/d
光検知器45は、第２光ファイバー43の出口端部44より出現する出力光を検知するために配置される。
使用の際には、レーザー31よりの照明レーザー光は、焦点素子32上に落ち、焦点素子32は、照明レーザー光を単一モード光ファイバー34の光受信端部33上に焦点付ける。ファイバー34の光受信端部33のコアに集められた照明レーザー光は、ファイバー34を通過して、出口端部35から出てくる。出口端部35はピンホールとしての役割を効果的に果たす。出口端部35より現れる照明レーザー光は、照明レーザー光を視準する視準レンズ36を通過する。視準された照明レーザー光は、ビームスプリッター37を通過し、直線偏光された、視準された照明レーザー光として現れる。この直線偏光された、視準された照明レーザー光は、それから、波長板38を通過する。波長板38より現れる視準された照明レーザー光は、円偏光されていて、顕微鏡対物レンズ39を通過する。顕微鏡対物レンズ39は、照明レーザー光を焦点付けて、物体40に交差する回折限界スポットとする。スポット内の照明レーザー光と物体40との相互作用の結果として生ずる出力光は、対物レンズ39により回収され、視準される。視準された出力光は、４分の１波長板38を通過する。物体40により反射され、４分の１波長板38を通過してきた出力光は、直線偏光された照明レーザー光に対して垂直な方向に直線偏光している。従って、この出力光は、偏光ビームスプリッター37により集束レンズ41上に反射される。
物体40により散乱されるランダム偏光の出力光は、実質的に、波長板38の影響を受けない。この出力光の一部は、偏光ビームスプリッター37により集束レンズ41上に反射される。レンズ41は、ビームスプリッター37により反射された出力光を、第２光ファイバー43の光受信端部42上に焦点付ける。光受信端部42のコアにより回収される出力光は、第２光ファイバー43を通過し、出口端部44よりの出現時に、光検知器により検知される。物体40上に関する表面プロフィール情報は、典型的には、物体40を前後に移動させることにより得られる。ある場合には、物体40を動かす代わりに、顕微鏡対物レンズ39を前後に移動させることが望ましい。最大光が検知器45において検知される位置は、典型的には、物体40の表面の位置に相応する。物体40は、その後、ｘ−ｙ平面の異なる場所に移動させることができ、この手順が繰り返される。ここでも、ある場合には顕微鏡対物レンズ39をｘ−ｙ平面において移動させることが望ましい。物体40の全表面は、物体40の異なるｘ−ｙ位置について上記の手順を繰り返すことによりマップ化できる。ｘ、及び／或いは、ｙ、及び／或いは、ｚ解像度を改善するために、一つ（或いは複数）の超解像度フィルターを、照明路、及び／或いは、検知路の実質的にどこにでも配置することができる。
図４に示した、これに代わる回折限界反射共焦マイクロスコープ50は、以下の点を除いては、図３に示されている共焦マイクロスコープ30と同じものである。すなわち、レーザー／焦点素子／ファイバー入口端部31、32、33は、一体化した単一モード／ファイバー光学ピグテール52を有するレーザー・ダイオード51に置き換えられ、ファイバー端部／検知器の組み合せ44、45は、一体化したファイバー光学ピグテール54を有する検知器53に置き換えられている。
図３に示したマイクロスコープ30に優るマイクロスコープ50の利点は、焦点素子32を用いず、レーザー31の、単一モード・ファイバー34の光受信端部33に対するアライメントの必要がないことである。一体化したファイバー光学ピグテール52がダイオード・レーザー51と同じパッケージに密封シールされているので、ほこりは、レーザー・ダイオード51と一体化した単一モードファイバー光学ピグテール52の間の光路に入ることはできない。加えて、レーザー・ダイオード51は、通常、一体化したフィードバック検知器を備えていて、それによってレーザー出力を決定できるようになっている。光検知器53と関わっている一体化ファイバー光学ピグテール54についての利点は、ファイバーに対する検知器の位置決めの必要がない点であり、また、図３に示した実施例において、出口端部44と検知器45の間の光路にほこりが入り込むことができた場合のようには、ほこりが光路中に入り込むことはできない点である。
図５に示した、さらに代替の回折限界反射共焦マイクロスコープ60においては、一体化した単一モード光ファイバー・ピグテール62を備えた超放射性ダイオード61が、指向性単一モード・ファイバー指向性カップラ64のポート63に融着接続されている。一体化ファイバー光学ピグテール62よりの照明光は、ポート65と66との間で分割される。カップラ64のポート65は、逆反射を避けように端部66Aにおいて終結されている。代わりに、ファイバー端部66Aは、超放射性ダイオード61の光パワーをモニターするために、検知器に結合させることもできる。ファイバー69の単一モード・ファイバー出口端部68より現れる照明光は、顕微鏡対物レンズ70により回収される。顕微鏡対物レンズ70は、有限のチューブ長を有し、物体71に交差する回折限界スポットを形成するよう配置されている。スポット内の照明光と物体71との相互作用の結果として生ずる出力光は、対物レンズ70により回収され、ファイバー端部68上に戻されて焦点付けられる。顕微鏡対物レンズ70は、照明光の回折限界スポットパターンの中心部を、ファイバー端部68におけるコア上に集束させる。ここにおいて、ファイバー・コア上に焦点付けられる中心部からの出力光により作られる対物レンズ70の開口数NA、出力光の波長λ、ファイバー69の光出口端部68におけるファイバー・コアの平均直径ｄは以下の式により関連付けられる。
NA＝0.3×λ/d
ファイバー69のコアにより回収される出力光は、単一モード・ファイバー指向性カップラ64のポート63と72との間で分割される。ポート72からの出力光は、一体化したファイバー光学ピグテール67を通過して検知器73に到る。圧電性スタック75がファイバー端部68に隣接するファイバー69に結合されている。
使用の際しては、超放射性ダイオード61よりの照明光は、一体化単一モード化ファイバー・ピグテール62を通過して、カップラ64のポート63に到る。カップラ64は、照明光をポート65とポート66とに分割する。照明光は、ポート66からファイバー69を通過して、単一モード・ファイバー出口端部68から現れ、顕微鏡対物レンズ70によって集束される。顕微鏡対物レンズ70は、照明光を焦点付け、物体71に交差する回折限界スポットとする。出力光は、スポット内の照明光と物体間の相互作用の結果として生じ、対物レンズ70により回収され、単一モード・ファイバー出口端部68上に焦点付けられる。ファイバー出口端部68におけるコアにより回収された光は、ファイバー69を通過し、カップラ64のポート66に到る。この出力光は、カップラ64のポート63とポート72とに分割される。ポート72よりの光は、一体化した光ファイバー・ピグテール67を通過し、光ダイオード73により検知される。
マイクロスコープ60は、圧電性スタック75を使用して、照明系の軸に沿って（ｚ方向）ファイバー端部68を前後に動かすことにより、物体71に関する表面プロフィール情報、或いは、物体71のスポット内の情報を得るために用いることができる。検知器73で最大光が検知される時の位置は、通常、物体71の表面に対応している。ファイバー端部68をｘ−ｙ平面で移動させることにより、ｘ−ｙ平面において物体71を走査することも可能である。マイクロスコープ30と50の場合と同様に、マイクロスコープ60においても、対物レンズ70、及び／或いは、物体71を、ｘ−ｙ、及びｚ方向に移動させることにより、物体71のプロフィールを得ることができる。この方法で、物体71の全表面をマップ化できる。
マイクロスコープ60の、マイクロスコープ50と30に優る利点は、以下の通りである。
1.ファイバー69の体積が小さいので、物体をきわめて迅速に走査することができる。
2.マイクロスコープ30及び50に比較して、マイクロスコープ60においては、必要な光学素子が少なくてすむ。光学素子が少ないために経済性が高まるということとは別に、相互関係をもって光学的に配置されなければならないのは、ファイバー端部68と対物レンズ70のただ２つの素子だけであるので、組み立て構造がより簡単になる。
3.マイクロスコープ30及び50と比較して、マイクロスコープ60のアライメントは極めて簡単である。これは、ファイバー端部68がファイバー光源とファイバー検知器の双方として機能することの結果である。更には、出口端部68のアライメントを誤ることはほとんどない。
指向性カップラ64が偏光分割カップラであり、ポート63に入る偏光した照明光が圧倒的にポート66に向けられるように超放射性ダイオード61が配置されているならば、物体71において、より高い照明輝度が得られる。更に、ファイバー出口端部68と対物レンズ70との間に４分の１波長板74が配置されているならば、ファイバー出口端部68に入る出力光は圧倒的にポート72から現れ、光ダイオード73に向かう。これは、レーザー・ダイオードは、典型的には、偏光光を発するからである。一体化した超放射性ダイオード61/ファイバー光学ピグテール62を、偏光ビーム分割カップラ64に対して正確に方向付けることにより、照明光は、圧倒的にカップラ・ポート66より出て、ファイバー69を通過し、偏光した状態でファイバー端部68より現れる。直線偏光した照明光は、４分の１波長板74を通過後、円偏光になる。物体71により反射される照明光は、４分の１波長板74を通過して戻る時に、照明光のそれと垂直に直線偏光される。であるから、ファイバー69を通過して、偏光ビーム分割カップラ64のポート66内に入る出力光は、圧倒的にファイバー67に沿うポート72を通過して、光ダイオード73により検知される。
４分の１波長板74を備え、偏光ビーム分割カップラ64を使用する利点は、照明光の一部を反射する物体71から結果として生じた信号が増加するということである。
図６に示した、代替の回折限界反射共焦マイクロスコープ80は、光学素子81が、ファイバー出口端部82と４分の１波長板83の間に配置されているということ以外は、図５に示した共焦マイクロスコープ60と同じである。更に、顕微鏡対物レンズ84は、無限遠矯正の顕微鏡対物レンズである。マイクロスコープ80のマイクロスコープ60に対する利点は、顕微鏡対物レンズ70においては、４分の１波長板74を備えた状態では、回折限界操作を維持することが難しいということである。図６のマイクロスコープ80において光学素子81を備えることにより、波長板83による照明光と出力光への収差の導入が避けられる。
産業上の利用分野
本発明の回折限界共焦マイクロスコープは、従来の共焦マイクロスコープにおいて振動が問題となるような環境下においても使用が可能である。なぜならば、アライメントがより簡単で、アライメントを維持する必要のある構成部品がより少ないからである。
加えて、本発明の共焦マイクロスコープの照明は、検知部品、電子部品は、既に詳述した集束手段などからなるエネルギー集束路の構成から離れた位置に配置できる。従ってこのとき、複雑な電気シールドを行う必要がなく、電気的にノイズの多い環境下でも操作可能となっている。
本発明の共焦マイクロスコープの特定の実施例においては、単一光ファイバー光源／検知器開口の新規な配列を使用しているので、ピンホールの非対称配置の原因となる小さなアライメントミスに敏感ではなく、そのために、従来の共焦マイクロスコープと違い、ピンホールの位置を継続的にモニターする必要がない。
エネルギーガイド、或いはエネルギー源として光が使用される場合には光ファイバーが、本発明の共焦マイクロスコープにおける照明光ガイドとして使用されている。このため、このようなマイクロスコープは維持がより簡単で、より信頼性が高い。なせならば、エネルギーガイド、特に、光ファイバーは、従来の共焦マイクロスコープに利用される機械的ピンホールよりもほこりからの汚染を受けにくいからである。
更には、本発明の共焦マイクロスコープに必要な構成部品は、より少ないので、本質的に製造費と維持費が安くなる。
更にその上、本発明の共焦マイクロスコープにおいて利用される単一光ファイバー光源／検知器開口の場合には、ファイバーの出口端部を単に振動させることにより、物体を迅速に走査することが可能である。このことにより、本発明の共焦マイクロスコープは、高解像度、回折限界操作を維持しながら、従来の共焦マイクロスコープよりも高速に画像化するために利用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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