(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ装置と、ターゲットにレーザを照射して生成したレーザプラズマによりＸ線を発生させるＸ線発生装置と、光電変換面と、電子イメージ拡大装置と、電子線検出素子と、画像処理装置を備え、前記電子イメージ拡大装置が前記光電変換面に発生する電子を引き出す陽極と、対物レンズとして作用する第１の電磁コイルと投射レンズとして作用する第２の電磁コイルを有し電子群を拡大して所定の面に結像させるＸ線顕微鏡装置であって、試料を前記光電変換面に密着して設置し該試料の背後から前記Ｘ線発生装置で発生したＸ線を照射すると、透過したＸ線により前記光電変換面に電子像を形成し、前記電子イメージ拡大装置が該電子像から放出される電子を前記Ｘ線発生装置と反対の方向に引き出し拡大した電子像を前記電子線検出素子の面に結像させ、前記画像処理装置が該電子線検出素子面に形成された電子像を可視像として提示することを特徴とするＸ線顕微鏡装置。
【請求項２】
前記Ｘ線発生装置が、発生したＸ線をそのまま前記光電変換面に照射することを特徴とする請求項１記載のＸ線顕微鏡装置。
【請求項３】
前記Ｘ線発生装置が、Ｘ線集光素子を備えて、発生したＸ線を集光して前記光電変換面に照射することを特徴とする請求項１記載のＸ線顕微鏡装置。
【請求項４】
前記ターゲットはＸ線を透過する薄膜で形成したターゲットカバーで保護されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＸ線顕微鏡装置。
【請求項５】
前記ターゲットカバーは２．３ｎｍから４．４ｎｍのＸ線を有効に透過するものであることを特徴とする請求項４記載のＸ線顕微鏡装置。
【請求項６】
前記レーザ装置のレーザビームの方向と前記電子イメージ拡大装置における電子ビームの方向が平行であって、前記レーザ装置と前記電子イメージ拡大装置が隣接して設置されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のＸ線顕微鏡装置。
【請求項７】
前記レーザ装置のレーザビーム軸と前記電子イメージ拡大装置における電子ビーム軸が水平面内にあることを特徴とする請求項６記載のＸ線顕微鏡装置。
【請求項８】
前記レーザ装置のレーザビーム軸と前記電子イメージ拡大装置における電子ビーム軸が鉛直面内にあることを特徴とする請求項６記載のＸ線顕微鏡装置。
【請求項９】
前記電子イメージ拡大装置の下に前記レーザ装置を配置し、さらに該レーザ装置の下に該レーザ装置の電源装置と前記Ｘ線顕微鏡装置に真空を供給する真空源装置を配置することを特徴とする請求項８記載のＸ線顕微鏡装置。
【請求項１０】
前記電子イメージ拡大装置における電子ビーム軸が鉛直であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のＸ線顕微鏡装置。
【請求項１１】
前記Ｘ線発生装置が前記電子イメージ拡大装置の上に配置されていることを特徴とする請求項１０記載のＸ線顕微鏡装置。
【請求項１２】
前記Ｘ線発生装置が前記電子イメージ拡大装置の下に配置されていることを特徴とする請求項１０記載のＸ線顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線顕微鏡装置に関し、特に密着試料のＸ線像を拡大して観察するＸ線顕微鏡装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長が短く透過力の強いＸ線を光源として物体の高分解能透過像を得るＸ線顕微鏡には、Ｘ線結像素子を用いる方式と用いない方式がある。Ｘ線結像素子には、フレネル・ゾーンプレートや斜入射ミラーなどがあるが、収束力が小さくＸ線拡大光学系の焦点距離が長くなるため装置の全長が大きくなる。最高の性能を有するゾーンプレート方式は、現在５０ｎｍの分解能が得られているが、集光効率が悪いため放射光のような強力光源を必要とする。また、Ｘ線結像素子は像拡大率を任意に調整するズーミング機能を持たせることが困難なため、対象物の観察位置を特定するためには光学顕微鏡など他の像拡大装置を併用する必要があり、操作が煩雑であった。
【０００３】
Ｘ線結像素子を用いない方式には、点光源の近くに試料を置いて光源から発散して試料を透過したＸ線の投影像を観察する投影拡大法と、感光板に試料を密着させてＸ線を照射し、現像後に適当な光学系でＸ線像を拡大して観察する密着法がある。
投影拡大法は、Ｘ線源の大きさによる半影ぼけと試料による回折ぼけを避けることができないため、分解能の実用的な限界は０．１〜０．２μｍ程度とされる。
【０００４】
一方、密着法は、Ｘ線拡大光学系を使用しないので収差が無く試料と感光板が密着しているためぼけが小さいので、原理的に容易に高分解能画像を得ることができる。密着法の分解能は、感光剤の粒子の大きさにより決まり、高分解能のＸ線レジストを使用すれば１０ｎｍ以下の分解能も得られる。しかし、現状では感度が極めて低いため強力なＸ線源が必要となる。また、Ｘ線画像を拡大して観察するためには、真空容器から感光板を取り出し現像した上で、さらに別の光学顕微鏡などで観察するので、繁雑な作業を必要とする。また、感光板を取り出すたびに真空容器の真空を破る必要があるため、多数のＸ線画像を連続的に取得することができない。
【０００５】
なお、特開平１−１１７２５２号公報や特開平８−２９６００号公報には、試料にＸ線を照射して得られるＸ線像をＸ線結像素子により拡大して光電変換面に投影し、形成される電子像を電磁コイルを用いて拡大して蛍光板に投影し、形成された光学像をカメラで撮像して観察するＸ線顕微鏡が開示されている。開示の方法によれば、Ｘ線拡大と電子拡大と光学拡大を利用するため、現像や別の顕微鏡による拡大観察を必要とせず、リアルタイムで極めて高倍率の拡大像を得ることができる。
しかし、開示発明のＸ線顕微鏡は、Ｘ線拡大光学系を利用するため装置が大型になるので、狭い場所に設置して利用することができない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、ぼけが無くて鮮明なＸ線像を得ることができる密着法を利用し、小型で取扱の容易なＸ線顕微鏡を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のＸ線顕微鏡装置は、レーザ装置と、ターゲットにレーザを照射して生成したレーザプラズマによりＸ線を発生させるＸ線発生装置と、光電変換面と、電子イメージ拡大装置と、電子線検出素子と、画像処理装置を備え、本装置の電子イメージ拡大装置は、光電変換面に発生する電子を引き出す陽極と、対物レンズとして作用する第１の電磁コイルと投射レンズとして作用する第２の電磁コイルを有して電子群を拡大して所定の面に結像させる。
本Ｘ線顕微鏡装置は、試料を光電変換面に密着して設置し、試料の背後からＸ線発生装置で発生したレーザプラズマＸ線を照射すると、透過したＸ線により光電変換面に電子像を形成する。すると、電子イメージ拡大装置が電子像から放出される電子をＸ線発生装置と反対の方向に引き出し、拡大した電子像を電子線検出素子面に結像させる。さらに、画像処理装置が電子線検出素子面に形成された電子像を可視像として提示することを特徴とする。
【０００８】
本発明のＸ線顕微鏡装置は、Ｘ線を試料に照射して透過Ｘ線により形成されるＸ線像を拡大するＸ線光学系を利用するものと異なり、Ｘ線光学系を使用しないため装置全体が小型になり、また試料を光電変換面に密着してセットするのでぼけのないＸ線透過像を得ることができる。
さらに、このＸ線像を金薄膜とヨウ化セシウム膜やアンチモンセシウム膜の２層構造体薄膜などの光電変換素子により電子像に変換し、照射面の裏側から放出される電子流を電磁コイルを用いた電子イメージ拡大装置により拡大して蛍光面やＣＣＤ素子面など電子線検出素子面に投影し、撮像して可視像化する。このようにして、現像などの手間をかけずに、リアルタイムで高分解能のＸ線透過画像を得ることができる。
また、電子イメージ拡大装置は、電磁コイルの電流を調整することにより画像倍率を連続的に変更することができるので、微細な対象を観察する場合にも低い倍率で目標位置を確認してから倍率を上げて目的の画像を得るようにすれば小さな対象を的確にとらえて観察することができる。
【０００９】
なお、Ｘ線発生装置として、放射光光源を使用することができる。放射光光源は狭い波長領域の極めて強いＸ線を発生するので、感度の低い光電変換素子を使用しても十分に鮮明なＸ線透過画像を得ることができる。
また、Ｘ線発生装置は、従来よく使用されてきた、熱電子を加速して金属ターゲットに衝突させてＸ線を得る電子線励起Ｘ線源や、大容量コンデンサーの放電を利用する放電励起Ｘ線源を利用しても良いことはいうまでもない。
さらに、細く絞ったレーザを固体あるいは気体のターゲットに照射してプラズマを発生させ、このプラズマから発生するＸ線を使用するレーザプラズマＸ線を利用することもできる。
レーザプラズマＸ線源を利用するときは、比較的小さなレーザ装置を用いて構成することができるため、Ｘ線顕微鏡装置全体が小型に構成することができる。
【００１０】
また、レーザプラズマＸ線源で発生するＸ線は、Ｘ線光学素子で集光して光電変換面上の試料に照射するようにすると、弱い光源でもコントラストの良い画像を得ることができる。もちろん、十分に強い光源を使用するときは、発生したＸ線を収束しないでそのまま試料に照射しても良いことはいうまでもない。
なお、Ｘ線を透過する薄膜で形成したターゲットカバーをターゲットを覆うように設置して、ターゲットから放出される粒子がターゲットを収納する真空容器中に飛散しないようにすることが好ましい。照射Ｘ線の性質が異なると同じ試料でも異なる画像を得ることができるため、目的に応じてターゲットを取り替えて観察できるようにすることが好ましい。ターゲット金属を換えるときにターゲットカバーも一緒に取り替えれば、真空容器内の汚染を防止することができる。
なお、ターゲットカバーはレーザの入射位置に窓を設けてレーザの減衰を防止するようにすることが好ましい。
また、生物試料の観察に用いるときは、いわゆるウォータウインドウといわれる２．３ｎｍから４．４ｎｍの領域のＸ線を有効に透過する窒化ケイ素や炭素材料などで形成したターゲットカバーを用いるようにすることが好ましい。
【００１１】
また、本発明のＸ線顕微鏡装置は、小型な装置に構成し、設置場所を選ばず比較的狭い場所にも設置可能にして、様々な利用分野に活用できるようにすることが好ましい。このため、レーザ装置のレーザビームの方向と電子イメージ拡大装置における電子ビームの方向が平行になるようにして、レーザ装置と電子イメージ拡大装置を隣接して設置するようにすることにより、設置面積の大幅な削減が可能になる。
なお、レーザ装置のレーザビーム軸と電子イメージ拡大装置の電子ビーム軸が水平面内にあるように構成すると、設置時や再使用時の位置調整が容易になる。
また、レーザ装置のレーザビーム軸と電子イメージ拡大装置の電子ビーム軸が鉛直面内にあるようにすると、さらに設置面積の削減をすることができる。
このとき、電子イメージ拡大装置の下にレーザ装置を配置し、さらにレーザ装置の下にレーザ電源装置と真空源装置を配置するようにすると、装置全体がコンパクトに収まり、小さな設置空間に据え付けて利用することができる。
【００１２】
また、電子イメージ拡大装置における電子ビーム軸が鉛直になるように配置すると、重量のある電磁コイルが重力で位置ずれを起こして光軸が変化して焦点位置がずれて画像のピントぼけなどを引き起こすような不具合が無くなり、良質な画像を得ることができる。
なお、Ｘ線発生装置は、電子イメージ拡大装置の上に配置されていて電子ビームが上から下に走行するようになっていても、下に配置されていて電子ビームが下から上に走行するようになっていてもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
【００１４】
【実施例１】
図１は本実施例のＸ線顕微鏡装置を示す概念構成図である。
本実施例のＸ線顕微鏡装置は、Ｘ線発生装置１と光電変換面２と電子イメージ拡大装置３と電子線検出素子４と画像処理装置５を備える。
Ｘ線発生装置１は、ターゲット１１を収める真空室１２とレーザ装置１３と集光レンズ１４からなり、レーザ発生装置１３で発生するレーザ１５を集光レンズ１４で収束して真空室１２の入射ノズル１６から射入してターゲット１１の表面に照射する。すると、ターゲット１１の金属がレーザ光により急速に加熱されてプラズマ化し、Ｘ線１７を発生する。
【００１５】
なお、ターゲット１１の周囲はターゲットカバー１９で囲ってターゲット金属の粒子が周囲に飛散して付着することを防止するようにしてもよい。ターゲットカバー１９は発生したＸ線１７が透過しやすい材料を用いる必要があり、たとえばベリリウム膜やプラスチック膜などで形成する。また、レーザの入射位置には開口を設けて、ターゲット１１を照射するレーザ光１５が遮断されないようにすることが好ましい。
【００１６】
ターゲット１１で発生したＸ線１７は、真空室１２の放射ノズル１８を通じて外部に放出され、光電変換面２に照射する。光電変換面２の表面には測定対象の試料６が密着貼付されていて、光電変換面２には試料６が遮断した部分が陰となったＸ線像が形成される。光電変換面２は、たとえば金薄膜とヨウ化セシウムやアンチモンセシウムの膜の２層構造体薄膜などの光電変換機能を持った膜で、電子イメージ拡大装置３のＸ線透過膜で形成された入射窓の内側に形成されている。光電変換面２は、Ｘ線が入射した位置で入射Ｘ線の強度に対応した量の光電子を表面に放出し、Ｘ線画像に対応した電子像を形成する。
【００１７】
電子イメージ拡大装置３は、光電変換面２を内側に貼付したＸ線入射窓３１と加速陽極３２と電磁コイル３３，３４，３５を備えたものである。加速陽極３２により光電変換面２の内側表面に放出される光電子を電子イメージ拡大装置側に加速し、第１の電磁コイル３３と第２の電磁コイル３４により拡大して、所定の距離にある面状の電子線検出素子４上に結像させる。
第１の電磁コイル３３は、光電変換面２上に形成される電子像を拡大する対物レンズとして作用し、第２の電磁コイル３４は対物レンズで拡大されて形成される電子像の実像をさらに拡大して電子線検出素子４の入射面に結像させるための投射レンズとして作用する。第１電磁コイル３３と第２電磁コイル３４の電流を調整することにより、光電変換面２と電子線検出素子４の間の距離に相当する焦点距離を変更せずに倍率を変更することができる。
【００１８】
電子線検出素子４にＸ線が入射すると素子が感光して画像ノイズになる。Ｘ線は直進して容易に進路を曲げることができないので、電子線検出素子４を電子イメージ拡大装置の軸から外れたところに電子線検出素子４を設けて、第２コイルと電子線検出素子４の間に備えた第３の電磁コイル３５により電子線３６を偏向させて、電子線検出素子４の面上に結像するようにしている。なお、Ｘ線は電磁コイルでは曲がらないため、電子線検出素子４に入射しないので、画像のノイズは大幅に減少する。
なお、電子イメージ拡大装置３における電子線３６が存在する部分は真空容器３８の内に納められている。
【００１９】
電子線検出素子４は、電子像を可視像化する機能素子で、たとえばマイクロチャンネルプレートとその後方に設けられた蛍光面で構成して人が観察できる可視像にしたり、さらに、蛍光面の後方に設けられたリレーレンズを内蔵する光学系とＣＣＤカメラにより電気信号化するように構成することができる。
電子線検出素子４により電気信号化された画像信号は画像処理装置５に送られ、適当な画像処理を施すことにより測定の目的に適った画像としてモニター上に表示することができる。
【００２０】
従来のＸ線顕微鏡は、試料中の観察場所を設定する場合に光学顕微鏡を併用した位置合わせを行う必要があり操作性が悪く調整に時間を要していた。しかし本実施例のＸ線顕微鏡装置を用いれば、電磁コイルのズーム機能を利用することにより簡単に観察場所を決めて拡大表示することができる。
また、従来の密着型Ｘ線顕微鏡はフィルムに密着した試料のＸ線透過像をフィルムに焼き付けるので収差が無く、このフィルムを取り出し現像定着して光学顕微鏡で拡大観察をするので高分解能の測定ができるが、手間と時間が掛かっていた。本実施例のＸ線顕微鏡装置ではこのような手間が要らず、リアルタイムで容易に高分解能の拡大観察が可能となる。
なお、本実施例のＸ線顕微鏡装置において、Ｘ線源として放射光光源や電子線励起Ｘ線源や放電励起Ｘ線源を用いても良いことはいうまでもない。
【００２１】
【実施例２】
図２は第２実施例のＸ線顕微鏡装置におけるＸ線発生部分の構成を拡大して示す概念図、図３は本実施例のＸ線顕微鏡装置の全体像を示す斜視図、図４は別の態様における全体像を示す斜視図、図５はさらに別の態様における全体像を示す斜視図であるである。本実施例のＸ線顕微鏡装置は、レーザ発生装置のレーザ光軸と電子イメージ拡大装置の電子線軸が平行になるように構成したもので、それ以外は上記第１実施例と差異がない。したがって、ここでは、図１と異なる部分について説明する。なお、図１におけるものと同じ機能を有する構成要素には同じ参照番号を付して説明の繰り返しを避けた。
【００２２】
本実施例のＸ線顕微鏡装置は、レーザ発生装置１３と金属ターゲット１１を収納する真空室１２の入射ノズル１６の間に入射角調整用ミラー２０を備えて、レーザ発生装置１３から放出されるＸ線１５を一度このミラー２０で反射させてからターゲット１１に入射させるようにしてある。
レーザ発生装置１３のレーザ軸と電子イメージ拡大装置３の電子ビーム軸３７が平行になるように配置しても、入射角調整用ミラー２０の面を調整してレーザが所定の角度でターゲット１１に入射するようにすると、ターゲット１１で発生するプラズマＸ線のうち観察に十分な量のＸ線が光電変換面２の前方に密着セットされた試料に照射するようになり、鮮明なＸ線像を得ることができる。
光電変換面２の電子イメージ拡大装置３側に形成される電子像は、加速陽極３２により引き出し加速され、電子レンズの作用により拡大して電子線検出素子４の面上に結像される。
【００２３】
本実施例のＸ線顕微鏡装置は、レーザ発生装置１３と電子イメージ拡大装置３を構成する長い部材を平行に配置することにより装置の全長を短くして全体として小型にして設置に必要な面積を減少させることができた。このため、設置場所の制約が緩和され、小さな試験室にも簡単に設置できるようになり、密着型Ｘ線装置を一層利用しやくすることに成功した。
なお、この構成では、プラズマＸ線源と試料の距離は１００ｍｍ以下にすることができる。
【００２４】
図３に示した本実施例のＸ線顕微鏡装置は、レーザ発生装置のレーザ光軸と電子イメージ拡大装置の電子線軸が平行で、１つの水平面内にあるように構成したものである。
真空排気装置を収納した第１の架台７とレーザ装置用電源を収納した第２の架台８が並置されていて、第２架台８の上には、入射角調整用ミラー２０などが収納された光学箱２２とレーザ装置１３が載置され、第１架台７の上にはＸ線ターゲット１１が収納されている真空室１２と電子線検出素子４を備えた電子イメージ拡大装置３と、さらに画像処理装置５が載置されている。
本配置は、全体が立体的に小さく纏まっており、狭い場所にも容易に設置できる。また、レーザ軸と電子ビーム軸は同じ平面内にあるため、装置のアライメント調整が容易である。
【００２５】
図４に示した配置例は、レーザ発生装置のレーザ光軸と電子イメージ拡大装置の電子線軸が平行になるようにした上、両軸が１つの鉛直面内にあるように構成したものである。
真空排気装置を収納した第１の架台７とレーザ装置電源を備えた第２の架台８を装置の長手方向に並べて配置し、２つの架台を跨ぐようにして入射角調整用ミラー２０を含んだレーザ発生装置１３を設け、さらにレーザ発生装置１３の上に、Ｘ線発生装置１の真空室１２と電子イメージ拡大装置３および画像処理装置５を搭載した。
このように構成機器を鉛直方向に配置すると、設置に必要な面積が著しく小さくなるので、色々な必要に応じて広く使用するためには有利である。
【００２６】
また、図５に示した配置例は、電子イメージ拡大装置３を鉛直に配置したものである。Ｘ線発生装置１３と光学箱２２が垂直に重なるように配置され、その前面にターゲットを収納した真空室１２と電子イメージ拡大装置３と電子線検出素子４が垂直に配置されている。電子線検出素子４で発生する画像信号はケーブルを介して画像処理装置５に送られ画像化してモニタ画面に表示される。
【００２７】
電子イメージ拡大装置３が横置きされている場合は、電子イメージ拡大装置３に大きな重力が掛かると、電子流軸に対して最も効果的な位置に据えられた電磁コイルの位置が軸に垂直な方向にずれることになる。すると電子イメージを拡大する段階で電子流軸が光学軸から偏倚するので電子が予定された位置に正確に収束することにならない。
【００２８】
しかし、図５に示した本実施例の配置例では、電磁コイルが鉛直に配置されているので、これら電磁コイルが重力により垂直方向に変位することがあるが、この場合でも電子流の軸位置に及ぼす影響は小さいので拡大収束する電子ビームに対して大きな影響を与えない。
このように、電子イメージ拡大装置３を鉛直に配置する方法は、装置性能が劣化することを防止する効果がある。
なお、電子イメージ拡大装置３の下に真空室１２を配置し、電子流を上方に放出させて拡大して、上端部に設ける電子線検出素子４の検出面上に収束させるようにしても、重力の影響を排除することができることはいうまでもない。
【００２９】
【発明の効果】
本発明のＸ線顕微鏡装置は、試料を光電変換面に密着させてＸ線像を形成し、電子イメージ拡大装置により直接拡大して表示するので、複雑な操作を用いないで簡単にかつリアルタイムでＸ線画像を観察することができる。
また、長大なＸ線光学系を利用しないため装置全体が小型に構成でき、設置場所を選ばない。また、レーザ軸と電子ビーム軸を平行に配置するようにすると、装置のさらなる小型化が可能になり、広く種々の分野で導入して利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施例のＸ線顕微鏡装置を示す概念構成図である。
【図２】本発明に係る第２実施例のＸ線顕微鏡装置におけるＸ線発生部分の構成を拡大して示す概念図である。
【図３】第２実施例のＸ線顕微鏡装置の全体像を示す斜視図である。
【図４】第２実施例に係る別のＸ線顕微鏡装置の全体像を示す斜視図である。
【図５】第２実施例に係るさらに別のＸ線顕微鏡装置の全体像を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…Ｘ線発生装置、２…光電変換面、３…電子イメージ拡大装置、４…電子線検出素子、５…画像処理装置、６…試料、７…第１架台、８…第２架台、１１…ターゲット、１２…真空室、１３…レーザ装置、１４…集光レンズ、１５…レーザ、１６…入射ノズル、１７…Ｘ線、１８…放射ノズル、１９…ターゲットカバー、２０…入射角調整用ミラー、２２…光学箱、３１…Ｘ線入射窓、３２…加速陽極、３３…対物レンズ電磁コイル、３４…投影レンズ電磁コイル、３５…偏向コイル、３６…電子線、３７…電子流軸、３８…真空容器
【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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