(57)【要約】  物体の解像度が向上された走査画像は、集束プローブビーム（２２）によって物体（１２）を走査するための照射アーム（１４）および物体からの光を受光するための検出アーム（１６）を具備する走査型レーザ顕微鏡（１０）によって生成される。検出アームは、複数のピクセルに関するピクセルデータを生成するために、物体（１２）からの光を集光し、検出する検出器（３４）を具備する。さらに、検出アームは、走査されたピクセル位置に関する波面データを生成するために、物体からの光の位相の変動を検知するための波面センサ（３６）を具備する。各ピクセル位置において集光された光の波面形状から、そのピクセル位置の小規模の特徴部から集光されていない散乱光に対応する高い周波数スペクトルが決定される。関心領域の解像度が向上された画像は、走査されたピクセル位置の高い周波数スペクトルに基づいて生成される。
2007500881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集束プローブビームを用いて物体を走査するための照射アームと、
前記物体から光を受光するための検出アームであって、複数のピクセルのそれぞれに関するピクセルデータを生成するために、前記物体からの光を集光して検出するための検出器および前記複数のピクセルのそれぞれに関する波面データを生成するために、前記物体からの光の位相の変動を検知するための波面センサを具備する前記検出アームと、
各ピクセルに関するピクセルデータおよび各ピクセルに関する波面データに基づいて、前記複数のピクセルに関する画像データを生成するためのデータプロセッサと、
を具備する走査型レーザ顕微鏡。
【請求項２】
前記検出アームは、
前記物体から光を集光するための対物レンズおよび
前記対物レンズからの光を前記検出器に向けられる第１のビームおよび前記波面センサに向けられる第２のビームに分割するためのビームスプリッタ、
を具備する、請求項１に記載の走査型レーザ顕微鏡。
【請求項３】
前記波面センサは、
前記第２のビームをスポットのアレイに集束するためのマイクロレンズアレイおよび
前記スポットを検知するための検出器アレイ、
を具備する、請求項２に記載の走査型レーザ顕微鏡。
【請求項４】
前記データプロセッサは、前記検出器アレイから受信されたセンサ信号から前記波面データを生成する、請求項３に記載の走査型レーザ顕微鏡。
【請求項５】
前記データプロセッサは、前記波面データから前記波面データに関連するピクセル位置の小規模の特徴部から集光されていない散乱光に関する情報を導出し、前記情報に基づき、解像度が向上された画像のための画像データを生成する、請求項４に記載の走査型レーザ顕微鏡。
【請求項６】
前記データプロセッサは、解析的拡張を用いて前記情報を導出する、請求項５に記載の走査型レーザ顕微鏡。
【請求項７】
前記データプロセッサからの画像データに基づいて、前記物体の画像を表示するためのディスプレイをさらに具備する、請求項１に記載の走査型レーザ顕微鏡。
【請求項８】
前記データプロセッサは、前記ピクセルデータに基づいて第１の画像データを生成し、前記波面データに基づいて第２の画像データを生成する、請求項７に記載の走査型レーザ顕微鏡。
【請求項９】
前記ディスプレイは、前記第１の画像データに基づいて、前記物体の第１の解像度の画像を表示し、前記第２の画像データに基づいて、前記物体の関心領域の第２のより高い解像度の画像を表示する、請求項８に記載の走査型レーザ顕微鏡。
【請求項１０】
前記データプロセッサは、前記第２の画像データを生成するために、前記照射アームを制御し、前記関心領域を走査する、請求項９に記載の走査型レーザ顕微鏡。
【請求項１１】
前記データプロセッサは、前記第１の画像データに基づき、前記関心領域を選択する、請求項１０に記載の走査型レーザ顕微鏡。
【請求項１２】
前記データプロセッサは、ユーザ入力に基づき、前記関心領域を選択する、請求項１０に記載の走査型レーザ顕微鏡。
【請求項１３】
前記照射アームは、
光ビームを生成するためのレーザと、
前記光ビームを前記物体における入射集束スポットに集束するためのレンズと、
前記入射集束スポットを前記物体を横切って走査するための走査光学素子と、を具備する、請求項１に記載の走査型レーザ顕微鏡。
【請求項１４】
物体のピクセル位置にわたって集束光スポットを走査するための照射アームと、
照射されたピクセル位置からの光を集光するための対物レンズと、
各ピクセル位置において前記集光された光の波形形状を検知するための波面センサと、
各ピクセル位置における前記検知された波形形状からそのピクセル位置に関する画像情報を導出するためのデータプロセッサと、
前記ピクセル位置に関して導出された前記画像情報に基づいて、前記物体の画像を表示するためのディスプレイと、
を具備する走査型顕微鏡。
【請求項１５】
前記波面センサは、
前記第２のビームをスポットのアレイに集束するためのマイクロレンズアレイおよび
前記スポットを検知するための検出器アレイ、
を具備する、請求項１４に記載の走査型レーザ顕微鏡。
【請求項１６】
前記データプロセッサは、前記波面形状から前記波面形状に関連する前記ピクセル位置の小規模の特徴部からの集光されていない散乱光に関する空間周波数情報を導出し、前記空間周波数情報に基づき、解像度が向上された画像のための画像情報を生成する、請求項１４に記載の走査型顕微鏡。
【請求項１７】
前記データプロセッサは、解析的拡張を用いて前記空間周波数情報を導出する、請求項１６に記載の走査型顕微鏡。
【請求項１８】
前記データプロセッサは、前記関心領域を走査するために、前記照射アームを制御する、請求項１４に記載の走査型顕微鏡。
【請求項１９】
前記データプロセッサは、前記関心領域を自動的に選択する、請求項１８に記載の走査型顕微鏡。
【請求項２０】
前記データプロセッサは、ユーザ入力に基づいて前記関心領域を選択する、請求項１８に記載の走査型顕微鏡。
【請求項２１】
前記照射アームは、
光ビームを生成するためのレーザと、
前記光ビームを前記物体における前記集束光スポットに集束するためのレンズと、
前記集束光スポットを前記物体を横切って走査するための走査光学素子と、
を具備する、請求項１４に記載の走査型顕微鏡。
【請求項２２】
物体の高解像度撮像の方法であって、
複数のピクセル位置における光強度を表すピクセルデータを生成するために、前記物体を走査し、
前記ピクセルデータに基づいて前記物体の画像を表示し、
前記画像の関心領域を選択し、
前記関心領域を走査し、
前記関心領域の各ピクセル位置に関してそのピクセル位置における波面形状データを生成し、
前記関心領域における前記ピクセル位置からの前記波面形状データに基づいて前記関心領域の各ピクセル位置に関する画像データを生成し、
前記画像データに基づいて前記関心領域の画像を表示すること、を含む方法。
【請求項２３】
関心領域を選択することは、ユーザ入力に基づいている、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
関心領域を選択することは、前記ピクセルデータの解析に基づいている、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記関心領域の各ピクセル位置に関する画像データを生成することは、各ピクセル位置の小規模の特徴部からの集光されていない散乱光に対応する高い周波数スペクトルを導出し、前記高い周波数スペクトルに基づいて前記画像データを生成することを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
物体の解像度が向上された走査画像を生成するための方法であって、
小規模の特徴部を有する前記物体の関心領域を識別し、
集束光ビームを用いて前記関心領域におけるピクセル位置を走査し、
前記走査されたピクセル位置からの光を集光し、
前記走査されたピクセル位置から前記集光された光の波面形状を検知し、
各ピクセル位置から前記集光された光の前記波面形状から、その走査されたピクセル位置の小規模の特徴部からの集光されていない散乱光に対応する高い周波数スペクトルを決定し、
前記走査されたピクセル位置の前記高い周波数スペクトルに基づき、前記関心領域の解像度が向上された画像を形成すること、を含む方法。
【請求項２７】
物体の画像を生成する方法であって、
入射集束スポットを用いて前記物体を照射し、
前記物体の低い空間周波数特徴部から回折された光を集光し、
前記集光された光の強度を測定し、
前記集光された光の波面情報に基づき、前記物体の高い空間周波数特徴部を導出し、
前記導出された高い空間周波数特徴部に基づき、前記物体の解像度が向上された画像を表示すること、を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型レーザ顕微鏡に関する。さらに詳細には、本発明は、走査されたピクセル位置から波面データを収集するための波面センサを備えた改良型走査型レーザ顕微鏡に関する。波面センサから収集された波面データを用いて、解像度が向上された画像を生成することができる。
【背景技術】
【０００２】
周知の走査型レーザ顕微鏡は、照射アームおよび検出アームを具備している。照射アームが、試料または物体を横切って走査される集束プローブビームを生成する。ピクセルごとに画像を構築するために、走査と同期して反射、散乱または放射される光が集光され、検出される。顕微鏡の検出アームは、（蛍光撮像用または光ルミネッセンス撮像用の）スペクトルフィルタ、（共焦点撮像用の）空間フィルタおよび／または（偏光撮像用の）偏光検光子を具備していてもよい。
【０００３】
走査型レーザ顕微鏡の検出アームは、照射されたスポットから回折光を集光する対物レンズを具備する。対物レンズは、低い空間周波数特徴部、言い換えれば入射集束スポットの領域内で物体の比較的大きく、ゆっくり変化する特徴部から回折される光を集光する。光はまた、集束スポットの領域内で物体の急激に変化する特徴部として定義される高い空間周波数特徴部から回折される。高い空間周波数特徴部からの光は高い角度にわたって散乱し、対物レンズの直径の外側となるため、集光されない。
【０００４】
従来の走査型レーザ顕微鏡において、各ピクセルに関して検出器に入射する全体的なビームが検出される。これは、検出ビームの空間積分を意味する。そのような検出ビームの量は、物体から回折される光を集光する対物レンズの性能に制限される。伝統的な回折限界は、顕微鏡の解像度を決定し、集光される光の積分に基づいている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一部の周知の走査型レーザ顕微鏡において、ハルトマン−シャック波面センサ（ＨＳＷＳ）が、光学収差を補正するために、ビームの波面形状を測定するために追加されている。ハルトマン−シャック波面センサは、ＣＣＤカメラなどのマイクロレンズアレイおよびセンサアレイを具備する。マイクロレンズアレイの各レンズは、入射フィールドをサンプリングし、センサアレイの一部の上にスポットを集束する。センサアレイによって検出される各スポットの強度は、サンプリングフィールドの強度を示し、各スポットの変位はその部分領域におけるフィールドの位相の勾配（すなわち局所的な波面勾配）を示す。ハルトマン−シャック波面センサからの波面形状情報は、存在する任意の撮像収差を低減するために、顕微鏡の照射アームにおける変形可能なミラーを駆動するために用いられる。試料が変形する媒体によって撮像される場合には、波面センサおよび変形可能なミラーを用いることができることは有利である。一例が、撮像対象の物体が球面収差を生じる厚いガラスプレートの下にある場合である。他の用途としては、天文学および眼科学が挙げられる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
簡単に言えば、本発明は、１）集束プローブビームを用いて物体を走査するための照射アーム、２）物体から光を受光するための検出アーム（該検出アームはａ）複数のピクセルのそれぞれに関するピクセルデータを生成するために、物体からの光を集光して検出するための検出器およびｂ）複数のピクセルのそれぞれに関する波面データを生成するために、物体からの光の位相の変動を検知するための波面センサを具備する）、および３）各ピクセルに関するピクセルデータおよび各ピクセルに関する波面データに基づいて、複数のピクセルに関する画像データを生成するためのデータプロセッサを具備する走査型レーザ顕微鏡を提供する。
【０００７】
別の態様において、本発明は、１）物体のピクセル位置にわたって集束光スポットを走査するための照射アームと、２）照射されたピクセル位置から光を集光するための対物レンズと、３）各ピクセル位置で集光された光の波形形状を検知するための波面センサと、４）各ピクセル位置で検知された波形形状からそのピクセル位置に関する画像情報を導出するためのデータプロセッサと、５）ピクセル位置に関して導出された画像情報に基づいて、物体の画像を表示するためのディスプレイと、を具備する走査型顕微鏡を提供する。
【０００８】
別の態様において、本発明は、物体の高解像度撮像の方法であって、１）複数のピクセル位置における光強度を表すピクセルデータを生成するために、物体を走査し、２）ピクセルデータに基づいて物体の画像を表示し、３）画像の関心領域を選択し、４）関心領域を走査し、５）関心領域の各ピクセル位置に関してそのピクセル位置における波面形状データを生成し、６）関心領域におけるピクセル位置からの波面形状データに基づいて関心領域の各ピクセル位置に関する画像データを生成し、７）画像データに基づいて関心領域の画像を表示することを含む方法を提供する。
【０００９】
別の態様において、本発明は、物体の解像度が向上された走査画像を生成するための方法であって、１）小規模の特徴部を有する物体の関心領域を識別し、２）集束光ビームを用いて関心領域におけるピクセル位置を走査し、３）走査されたピクセル位置からの光を集光し、４）走査されたピクセル位置から集光された光の波面形状を検知し、５）各ピクセル位置から集光された光の波面形状から、その走査されたピクセル位置の小規模の特徴部からの集光されていない散乱光に対応する高い周波数スペクトルを決定し、５）走査されたピクセル位置の高い周波数スペクトルに基づき、関心領域の解像度が向上された画像を形成することを含む方法を提供する。
【００１０】
別の態様において、本発明は、物体の画像を生成する方法であって、１）入射集束スポットを用いて物体を照射し、２）物体の低い空間周波数特徴部から回折された光を集光し、３）集光された光の強度を測定し、４）集光された光の波面情報に基づき、物体の高い空間周波数特徴部を導出し、５）導出された高い空間周波数特徴部に基づき、物体の解像度が向上された画像を表示することを含む方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、物体の関心領域からの光の位相の変動を検知するための波面センサを具備する改良型走査型レーザ顕微鏡である。位相の変動は、関心領域においてそれぞれの走査されたピクセル位置で集光された光に関する波面形状を示す。波面形状から、集光されていない散乱光に対応する高い周波数スペクトルを導出することができる。この散乱光は、走査されたピクセル位置の小規模の特徴部によって生成される。次に、関心領域の解像度が向上された画像が、走査されたピクセル位置の高い周波数スペクトルに基づいて生成される。
【００１２】
本発明は、走査型レーザ顕微鏡の検出アームにおいて集光された光には、一般に用いられているものより多くの情報が含まれるという認識に基づいている。従来の検出と並行して波面センサを用いることによって、波面センサによって集光された光によって表される測定可能なスペクトルからシステムのカットオフを超える空間周波数スペクトルの部分を決定することができる。導出されたより高い空間周波数の情報を用いて、関心領域の向上した画像を生成することができる。
【００１３】
図１は、走査された物体１２（または試料）の選択された領域の解像度が向上された画像を提供する走査型レーザ顕微鏡１０のブロック図である。走査型レーザ顕微鏡１０は、照射アーム１４、検出アーム１６、コンピュータ１８および画像ディスプレイ２０を具備する。
【００１４】
照射アーム１４は、物体１２を横切って走査される集束プローブビーム２２を提供する。照射アーム１２は、レーザ２４、ビーム２０を２次元で走査するための光ビーム走査光学素子２６および物体１２上の集束スポットＳにビーム２２を集束するための集束レンズ２８を具備する。
【００１５】
検出アーム１６は、対物レンズ３０、ビームデスキャン光学素子３１、ビームスプリッタ３２、検出器３４および波面センサ３６を具備する。対物レンズ３０は、ビーム３８として物体１２からの反射、散乱および放射される光を集光する。ビームデスキャン光学素子３１は、軸上にビームが戻るようにさせる。ビームスプリッタ３２は、集光された光ビーム３８を第１のビーム３８Ａおよび第２のビーム３８Ｂに分離する。検出器３４は第１のビーム３８Ａを受光し、波面センサ３６は第２のビーム３８Ｂを受光する。
【００１６】
動作において、集束ビーム２２は物体１２を横切って走査され、光３８が集光され、第１のビーム３８Ａの強度が検出器３４によって同期して検出される。その結果、ビーム２２によって走査された各ピクセル位置から受信された第１のビーム３８Ａの積分された強度を表すピクセルデータは、検出器３４によってコンピュータ１８に提供される。ピクセルデータは、ディスプレイ２０上に表示される画像データを生成するために、コンピュータ１８によって処理される。
【００１７】
次に、ユーザが、より高い解像度で表示するために、画像内の関心領域を選択することができる。この選択は、たとえば、ディスプレイ上の関心領域の周囲のボックスを表示することによって行われる。
【００１８】
続いて、コンピュータ１８は、照射アーム１４に関心領域内にビーム２２を走査させる。関心領域内のそれぞれの走査されたピクセル位置において、第２のビーム３８Ｂの波面測定が、波面センサ３６によって行われ、コンピュータ１８に提供される。波面センサ３６は、ハルトマン−シャック波面センサ（ＨＳＷＳ）であることが好ましい。このセンサは、第２のビーム３８Ｂをサンプリングし、各部分領域をスポットに集束するマイクロレンズ（または小型レンズ）アレイからなる。これは、ＣＣＤカメラまたは検出器アレイによって検出されるスポットのアレイを形成する。続いて、スポットの強度および局所的な移動が、検出器アレイからの検出器信号に基づいて測定される。各スポットの強度を用いて、入射フィールドの大きさを計算することができ、スポットの局所的な移動は波面センサ３６における波面勾配の測定値である。スポットの強度および局所的な移動は、米国特許第６，４７７，２７３号明細書に記載される重心積分技術、米国特許出願公開第２００３／００２５９４２  Ａ１号明細書に記載の自動閾値技術および２００１年４月２６日に公開の係属中の出願番号、ＷＯ２００１  ２９７５６号および２０００年３月３１日に出願の米国特許出願第０９／５４０，４７２号明細書に記載のオートグリッド解析（いずれの特許もスリーエム・イノベイティブ・プロパティズ・カンパニー（３Ｍ  Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  Ｃｏｍｐａｎｙ）に譲渡されている）をはじめとするコンピュータ１８を用いた複数の技術によって測定されることができる。
【００１９】
ビーム３８Ｂの実際の波面は、複数ある任意の適切なアルゴリズムによって局所的な移動から計算されることができる。例としては、Ｗ．Ｈ．サウスウェル（Ｗ．Ｈ．Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌ）著、「Ｗａｖｅ−ｆｒｏｎｔ  ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ  ｆｒｏｍ  ｗａｖｅ−ｆｒｏｎｔ  ｓｌｏｐｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ」、ＪＯＳＡ  第７０巻、第８号、９９８頁（１９８０）によって提示されている。次に、波面センサ３６における波面は、周知の回折式の適用によって対物レンズ３０における波面に関連付けられることができる。これらの計算は、コンピュータ１８によって行われる。処理における次のステップは、対物レンズ３０における波面を物体１２におけるフィールドに関連付けることを必要とする。一旦、物体１２におけるフィールに関する画像情報が関心領域内のピクセル位置のそれぞれに関して得られると、コンピュータ１８は画像データを集め、関心領域内のピクセル位置から得られた波面形状データに基づく関心領域の解像度が向上された画像またはより高い解像度の画像をディスプレイ２０に生成させる。
【００２０】
図２は、検出アーム１６をさらに詳細に示している。さらに詳細には、照射アーム１４におけるビーム２２は、集束レンズ２８によって、物体１２におけるピクセル位置上のスポットＳに集束されることを示している。物体１２の回折光は、ビーム３８を生成するために、検出アーム１６の対物レンズ３０によって収集される。ビームスプリッタ３２は、ビーム３８を第１のビーム３８Ａおよび第２のビーム３８Ｂに分割する。検出器３４は、レンズ４０、空間フィルタ４２、レンズ４４および光検出器４６によって形成される積分型共焦点検出器である。図２において、光検出器４６は、微分位相コントラスト（ＤＰＣ）撮像を可能にする分割型検出器として示されているが、１つの同型の光検出器を用いてもよい。検出器３４はまた、非共焦点検出器などの他の形態を取ってもよい。波面センサ３６は、小型レンズアレイ４８およびＣＣＤ検出器アレイ５０によって形成されるハルトマン−シャック波面センサである。
【００２１】
図２に示されているように、物体１２におけるピクセル位置に入射するビーム２２は、複素場｜Ｕ１｜ｅｊφ１として数学的に特徴付けられてもよい。式中、｜Ｕ１｜は場の大きさであり、φ１は場の位相である。ピクセル位置における物体１２の空間情報は、複素変数ｔによって表されてもよい。その結果、入射ビーム２８の結果として物体１２から回折される光は、空間情報ｔおよび入射ビーム｜Ｕ１｜ｅｊφ１の積であるｔ｜Ｕ１｜ｅｊφ１である。
【００２２】
対物レンズ３０は、ビーム３８を生成するために、物体１２からの回折光を集光し、平行光線化する。ビーム３８の量は、｜Ｕ２｜ｅｊφ２として特徴付けられてもよい。
【００２３】
物体１２の初期走査中、入射ビーム２２は、物体１２のピクセル位置のそれぞれを横切って走査される。物体１２からの回折光は対物レンズ３０によって集光され、ビーム３８はビームスプリッタ３２に向けられる。ビーム３８は、ビーム３８Ａおよび３８Ｂに分割される。この第１の走査中、各ピクセル位置におけるピクセル強度を生成するために、ビーム３８Ａの積分される強度は、検出器３４によって検出される。
【００２４】
図３Ａは、物体１２として用いられる試験試料の画像を示す。試験試料は、ガラス基板上のクロム特徴部を含む。図３Ａにおいて、矩形のボックス６０は、さらなる解析のために選択された関心領域Ｒの周囲に描かれている。この選択は、ディスプレイ２０上の画像を精査し、関心領域Ｒの周囲のボックス６０を描くユーザによって手動で行われることができる。あるいは、画像における局所的な変動のコンピュータ解析に基づいて、さらなる解析のために、領域は、コンピュータ１８によって自動的に選択されてもよい。コンピュータ１８による自動選択の１つの技術は、ゾーベル画像解析フィルタを適用し、そのフィルタを用いて高いスコアを有する領域を選択することである。いずれの場合も、必要である場合に限り、小規模の特徴部を伴う領域および特徴部の縁にある領域に対して付加的な解析を行ってもよい。図３Ａの画像の中心における略平坦な領域などの大きな均一の領域は、さらに解析しなくてもよい。
【００２５】
図３Ｂは、図３Ａのボックス６０内の関心領域Ｒの拡大図である。一旦、関心領域が識別されると、入射ビーム２２は、物体１２にわたって再走査されるが、このときは関心領域のみが走査される。各ピクセル位置において、波面データが、波面センサ３６を用いて収集される。図３Ｂにおいて、一例のピクセル位置Ｐが、矩形のボックス６２の中に示されている。
【００２６】
波面センサ３６は、関心領域内で走査される各ピクセル位置に関してスポットのアレイの形で画像を生成する。図３Ｃは、図３Ｂのピクセル位置Ｐから生成されるＨＳＷＳ画像６４の例を示す。
【００２７】
図３Ｄは、図３ＣのＨＳＷＳ画像６４の部分領域６６を示す。図３Ｄにおいて分かるように、個別のスポットの強度は異なり、スポットの位置の移動もまた検出可能である。各ピクセル位置において、スポット強度およびスポット位置の移動を測定して格納することができ、それによってＨＳＷＳ画像が生成される。
【００２８】
スポットの移動（位相勾配）および強度情報から、波面強度および波面形状の両方を決定することができる。図３Ｅは、特定のピクセル位置に関する瞳を横切る位相のグラフ６８を示す。本発明は、従来の回折限界より勝る顕微鏡１０の解像度を向上するさらなる情報を提供するために、この位相情報を利用する。
【００２９】
図４は、物体１２が集束スポットＳにおいて集束光ビーム２２によって照射されるとき、どのようにして一部の光が対物レンズ３０によって集光され、他の光が集光されないかを示している。検出器３４および波面センサ３６の両方が、対物レンズ３０によって集光される光を直接解析することができるに過ぎない。物体１２からの散乱光７０は、集光されない。高い空間周波数特徴部（言い換えれば、物体１２上に照射されるピクセル位置の中の小さくて急激に変化する特徴部）は、高い角度で入射光を回折または散乱する。これらのより高い角度に散乱される光７０は、物体１２の高い空間周波数成分に関する情報を含むが、対物レンズ３０によって集光されないため、散乱光７０は失われる。
【００３０】
これらの高い空間周波数成分を決定することができる場合には、この従来の回折限界より勝る顕微鏡１０の解像度における増大を実現することができる。本発明は、波面センサ３６からのデータを用いた波形形状の解析によって、高い空間周波数成分に関する情報を導出し、より高い解像度の画像を生成するために用いることができるという認識に基づいている。
【００３１】
本発明の好ましい実施形態において、関心領域内のピクセル位置からの波面センサデータに基づいて、高い空間周波数成分を決定するために、解析的拡張が用いられる。解析的拡張は、システムのカットオフを超えるスペクトルの部分を決定するために、スペクトルの低い周波数部分における情報を用いることを必要とする。図５は、空間周波数の関数として周波数スペクトルの大きさのグラフを用いた解析的拡張の概念を示す。図５は、システムのカットオフ８２にまで及ぶ測定可能な低い周波数スペクトル８０を示している。システムのカットオフ８２を超えるより高い周波数において、３つの可能なスペクトル８４、８６および８８が示されている。
【００３２】
ここで考えられる場合には、システムのカットオフ８２は、レンズ３０の開口数ＮＡに関連付けられる対物レンズ３０の最大集光角度によって決定される。図５が示すように、（波面センサ３０によって測定された）低い周波数スペクトル８０に合致しうる複数の高い周波数スペクトル８４、８６および８８があってもよい。しかし、Ｊ．Ｌ．ハリス（Ｊ．Ｌ．Ｈａｒｒｉｓ）著、「Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒｅｓｏｌｖｉｎｇ  ｐｏｗｅｒ」、ＪＯＳＡ  第５４巻、第７号、９３１〜９３６頁（１９６４）に最初に示されたように、（電磁界に関して）空間周波数（または角度）スペクトルが解析的であり、（集束スポットＳの有限サイズによって）空間において境界を定める場合には、測定された低い周波数スペクトル８０に合致する一意の高い周波数スペクトル（たとえばスペクトル８６）がある。さらに、測定された低い周波数スペクトルからスペクトルの高い周波数部分を計算することができる。
【００３３】
対物レンズ３０は、光学情報に関する低域通過フィルタとして作用する。このフィルタは、回折光の角度スペクトルの先端を切り捨てる。しかし、測定可能なスペクトルが解析的であり、物体が空間において境界を定めることから、計算することができるスペクトルの一意の拡張である。このことは、より良好な解像度画像を生成するために、より高い空間周波数を導出することができることを意味している。
【００３４】
図６Ａ〜図６Ｃは、２次元の解析的拡張を示すグラフを示している。図６Ａはスペクトルの２次元の先端を切り捨てたガウス強度分布を示し、図６Ｂは２次元の解析的拡張ルーチンを用いて拡張される同一の強度の分布を示している。
【００３５】
図６Ｃは、２次元のスペクトルの１次元の断面を示している。元の「真の」スペクトルは、２次元のガウス分布であった。曲線９０は、波面センサ３６によって測定されるものと酷似した元のスペクトルの個別の試料点（円によって示される）をつなぐことによって生成された。図６Ｃに示されているように、試料点は、低い空間周波数によって正弦される帯域である。次に、これらの点が拡張スペクトル９２を生成するために、解析的拡張ルーチンへの入力として用いられた。拡張スペクトルは、曲線９０によって表された帯域の限定された測定値を超える元のスペクトルまたは「真の」スペクトルに合致する。これは、システムの帯域制限を超える情報を生成するために、解析的拡張を用いることができることを示している。本発明において、波面センサ３６からの情報は、散乱光を示す平面波の角度スペクトルの低い周波数部分であり、図４に示される高い角度の散乱光７０は、コンピュータ１８が解析的拡張を用いて解くことができるものである。
【００３６】
拡張スペクトルが計算される空間周波数は、顕微鏡１０の特定の設計に左右される。第一に、拡張スペクトルにおける空間周波数の数は、（波面センサ３６によって測定されたスポットの数に対応する）元のスペクトルにおける空間周波数の数に等しい。第二に、拡張スペクトルが計算される最大空間周波数は、元のスペクトルにおける空間周波数測定の数と、それを超えると測定された信号が０に等しいと設定されてもよい「境界領域」の範囲に左右される。具体的に言えば、（−ｍ／２〜＋ｍ／２に及ぶ）ｘ方向においてｍ個の空間周波数測定値があり、集束スポットの中心から距離Ｍを超える信号がない場合には、解くことができる最大空間周波数はｆｍａｘ＝（ｍ／２）／Ｍである。
【００３７】
較正ターゲットにわたる種々の点において一連のＨＳＷＳ画像が得られた。図７Ａおよび図７Ｂは、較正ターゲットからのデータに基づいて再構成されたスポットを示している。図７ＡはＨＳＷＳデータから再構成された集束スポットを示し、図７Ｂは解析的拡張を用いて拡張されたＨＳＷＳデータによって再構成された同一スポットを示している。解析的拡張データから再構成された集束スポット（図７Ｂ）は、予測される収集されたＨＳＷＳデータ（図７Ａ）の集束スポットより相当狭い。しかし、収集されたようなＨＳＷＳデータであっても従来の走査型顕微鏡を用いて可能であるより多くの情報を得られる可能性があることは明白である。言い換えれば、収集されたようなデータが用いられる場合であっても、関心領域においてピクセルごとに波面センサ３６からのデータを用いて、より良好な解像度が実現される。解析的拡張は、画像のさらに良好な向上を提供する。
【００３８】
本発明の顕微鏡は、高い空間周波数特徴部を含む領域の解像度が向上された画像を提供する。関心領域が識別された後、物体が関心領域において走査される。走査された関心領域内の各ピクセル位置において収集された波面データは、表示用の画像を生成し、向上するために用いられる。
【００３９】
別の実施形態において、走査型レーザ顕微鏡１０は、照射アーム１４および検出アーム１６が個別である非折畳み式構成を有するものとして示されている。本発明は、光が物体から反射され、照射アームおよび検出アームが構成要素を共有する折畳み式構成にも等しく適用可能である。
【００４０】
本発明の種々の修正および変形は、本発明の範囲および原理を逸脱することなく、当業者には明白となるであろう。本発明は上記に記載された例示の実施形態に過度に制限するわけではないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の走査型レーザ顕微鏡のブロック図である。
【図２】走査型レーザ顕微鏡の検出アームをさらに詳細に示す図である。
【図３Ａ】識別された関心領域に関して、通常の検出を用いて走査された物体の共焦点画像を示す。
【図３Ｂ】関心領域の拡大画像であり、領域内のピクセル位置を示す。
【図３Ｃ】図３Ｂのピクセル位置からのＨＳＷＳ画像である。
【図３Ｄ】図３ＣのＨＳＷＳ画像の一部の拡大画像である。
【図３Ｅ】図３Ｃに示されたＨＳＷＳ波面データから計算された瞳を横切る位相のグラフである。
【図４】走査型レーザ顕微鏡における物体の入射集束スポットによって生成される光の回折を示す図である。
【図５】測定された低い周波数スペクトルに関連する一意の高い周波数スペクトルを識別するために、解析的拡張の利用を示す空間周波数スペクトルのグラフである。
【図６Ａ】２次元の先端を切り捨てたガウス強度分布を示す
【図６Ｂ】２次元の解析的拡張を用いて決定された拡張ガウス分布を示す。
【図６Ｃ】先端を切り捨てたスペクトルおよび拡張スペクトルの両方を示す図６Ａおよび図６Ｂの２次元の周波数スペクトルの断面を示す。
【図７Ａ】収集されたスペクトルの点拡がり関数を示す。
【図７Ｂ】対応する拡張スペクトルの点拡がり関数を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【国際調査報告】
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