(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起可能な種類の構成物を含む目標物質の選択領域を、前記構成物を特定の励起状態に励起するために、照射する装置であって、
前記励起可能な種類と、
前記種類を励起できる放射の源と、
前記放射の源から発する放射を第１の放射ビームと第２の放射ビームに分離するためのスプリッタ装置と、
前記第１の放射ビームの経路における、前記第１の放射ビームの経路を通過する放射のパルスの伸張を作り出すようにした第１アセンブリと、
前記第１の放射ビームの放射が、第２アセンブリから発した後に、前記目標物質に到達するように、かつ前記目標物質内で前記強度分布がドーナツ形を有するように、前記第１の放射ビームの経路における、前記第１の放射ビームの経路を通過する前記ビームの強度分布の形状を変えるようにした第２アセンブリと、
前記２つの放射ビームが共通軸に沿って同一方向から前記目標物質に向けられるように、前記第１と第２アセンブリの双方を通過後に前記第１の放射ビームを前記第２の放射ビームに結合させるようにした第３アセンブリと、
を備え、
前記種類の前記構成物は、特定の波長の放射の短いパルスにより励起されるときに、多光子プロセスで、前記特定の励起状態に励起を受けるのに適し、
前記領域が前記特定の波長の前記放射のより長いパルスによって照射されるときに、前記短いパルスへの応答における前記特定の励起状態が減じられ、
前記第１の放射のパルスを伸張するプロセスが前記第２の放射で作り出される前記励起を減じることを許容し、かつ
前記第１及び第２の放射ビームの放射が実質的に同じ波長を有することを特徴とする照射装置。
【請求項２】
第１の放射ビームの前記パルスが、前記第１アセンブリを通過することにより増加した継続時間の間、前記第２の放射ビームにより前記目標物質に生じた励起を抑制するための抑制ビームとして作用する請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記第１の放射ビームの放射が、前記第３アセンブリを通過した後、前記第２の放射ビームの放射より前記共通軸から離れて置かれる請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記第１の放射ビームからの前記パルスのオンセットと前記第２の放射ビームのオフセットと間に遅延がある請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記励起可能な種類が特定の波長における光による多光子プロセスで蛍光発光に励起されることができ、かつ前記特定の波長と同一の波長の光による単光子で抑制されることができる請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記装置が走査顕微鏡であり、前記目標物質が前記走査顕微鏡によって調査される試料である請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記構成物の前記特定の励起状態が前記構成物が光を発する原因となり、前記第１の放射ビームからの光が前記構成物と相互に作用してこのように発せられた光を減少する請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記装置がフォトリソグラフィ像を創成するか又はナノサイズで製造される物体を形成し、前記目標物質がフォトリソグラフィのエマルジョンであって、前記特定の励起状態が前記エマルジョンにおいて永続する変化を生成する請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記第２の放射ビームからの放射が前記目標物質の１つのスポットに集まり、前記スポットは中心点を有し、かつ前記第１の放射ビームからの放射は前記スポットの前記中心点に実質的に重なる中心点をもつ最小部を有する強度分布付きパターンに合焦する請求項１記載の装置。
【請求項１０】
前記第１の放射ビームからの、前記最小部の前記中心点での前記光の強度が実質的にゼロである請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記第２の放射ビームが前記目標物質における一線に合焦する請求項１記載の装置。
【請求項１２】
励起可能な種類の構成物を含む目標物質の選択領域を、前記構成物を特定の励起状態に励起するために、照射する方法であって、
特定の波長の放射の短いパルスにより励起されるとき、多光子プロセスで、前記特定の励起状態に励起を受けるのに適した励起可能な種類の構成物を提供する工程と、
前記種類を励起するのに十分に短いパルスを作り出すための前記種類を励起できる放射の源を提供する工程と、
前記放射の源から発する放射を第１の放射ビームと第２の放射ビームに分離する工程と、
前記第１の放射ビームのパルスをパルス継続時間を増加するように伸張する工程と、
少なくとも１つの最小部を有する強度分布でビームを創成するように前記第１の放射ビームを整形する工程と、
前記パルスの伸張と前記パルスの整形の工程によって前記第１の放射ビームが変形した後、前記第１の放射ビームを前記第２の放射ビームに結合させて結合ビームを作る工程と、
前記第１の放射ビームと前記第２の放射ビームの結合ビームの成分が共通軸に沿って向かい、かつ前記目標物質内で実質的に同一の波長を有するように、前記目標物質に前記結合ビームを向ける工程と
を含み、
前記特定の励起状態は測定可能な効果を有し、前記領域が前記特定の波長の前記放射のより長いパルスによって照射されるときに前記測定可能な効果が減じられ、かつ前記第１の放射のパルスを伸張するプロセスが前記第２の放射ビームの放射で作り出される前記励起を減じることを許容することを特徴とする照射方法。
【請求項１３】
前記第１の放射ビームの伸張したパルスによって前記励起状態を抑制する付加的な工程を含む請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の放射ビームの前記短いパルスが前記第１の放射ビームの伸張したパルスの前に前記目標物質に到来する請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の放射ビームのパルスを伸張する工程が前記第１の放射ビームの光を色分散する工程を含む請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
前記結合ビームの全ての放射が前記放射の源で作られた請求項１２記載の方法。
【請求項１７】
前記第１と第２の放射ビームとを結合する工程の後で、前記第１の放射ビームからの結合したビームの放射が、前記第２の放射ビームの放射より前記共通軸から離れて置かれる請求項１２記載の方法。
【請求項１８】
前記測定可能な効果は励起に続く測定可能な光の生成であって、前記第１の放射ビームの放射がそのように生成された光を減少する請求項１２記載の方法。
【請求項１９】
前記方法がマイクロリソグラフィ又はナノファブリケーションの分野に関し、前記目標物質がフォトリソグラフィのエマルジョンであって、前記測定可能な効果が前記エマルジョンにおける永続する変化である請求項１２記載の方法。
【請求項２０】
前記第２の放射ビームからの放射が前記目標物質の１つのスポットに集まり、前記スポットは中心点を有し、かつ前記第１の放射ビームからの放射は前記スポットの前記中心点に実質的に重なる中心点をもつ最小部を有する強度分布付きパターンに合焦する請求項１２記載の方法。
【請求項２１】
前記第１の放射ビームからの、前記最小部の前記中心点での前記放射の強度が実質的にゼロである請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記第２の放射が前記目標物質における一線に合焦する請求項１２記載の方法。
【請求項２３】
前記第１及び第２の放射ビームの放射が実質的に同じ波長を有する請求項１２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は２００５年１月１６日付米国仮特許出願Ｎｏ．６０／６４４，５９７、２００５年１月１６日付米国仮特許出願Ｎｏ．６０／６４４，６２９、２００５年４月５日付米国仮特許出願Ｎｏ．６０／６６９，３０２に優先し、参照することによりそのすべての開示を包含する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は結像装置に関するもので、更に具体的にはアッベ(Abbe)の分解能限界よりも細かい分解能を有する蛍光顕微鏡及びマイクロリソグラフィ露光装置に関する。更に具体的には、本発明は、試料又はマイクロリソグラフィ感光エマルジョンを第１の波長の点又は線で走査し、第２の波長で放射することにより、点又は線の周辺部分の励起を減少させ、それによって装置の分解能を改良する、誘導放出制御顕微鏡法及びマイクロリソグラフィ露光装置のような装置における改良に関する。
【背景技術】
【０００３】
米国特許Ｎｏ．５，７３１，５８８（特許文献１）においてＨｅｌｌ 及びＷｉｃｈｍａｎｎが、また米国特許Ｎｏ．５，７７７，３４２（特許文献２），米国特許Ｎｏ．５，８６６，９１１（特許文献３），米国特許Ｎｏ．５，９５２，６６８（特許文献４）及び米国特許Ｎｏ．６，２５９，１０４（特許文献５）においてＢａｅｒが、分解能を改良するために、誘導放出を使って走査蛍光顕微鏡における励起点の周辺部分における励起を抑制することを提案した。この方法において、点はある波長（励起波長）の光パルスで励起され、続いて第２の波長（抑制波長）の光パルスにより抑制される。この技術はしばしば誘導放出抑制(stimulated emission depletion)顕微鏡法又はＳＴＥＤ顕微鏡法と呼ばれる。この方法はＳｔｅｆａｎ Ｈｅｌｌの研究室からいろいろな論文で発表されているように実験的に立証されている。
【０００４】
誘導放出を含まないが、励起した点又は線の周辺部分における励起を低減するために第２のビームと対にして試料に励起ビームを供給し、それによってより鮮明な中央最大部が得られるように励起した点又は線を「彫刻する」点ではＳＴＥＤに共通する、ＳＴＥＤに関連するその他の技術が提案されている。ここでは「ＳＴＥＤ類似」と呼ぶことにするこのような代替技術の例は、励起状態制御顕微鏡法(excited state depletion microscopy)(Hell 及びKroug, Appl. Phys. B. 60: 495(95))で、その際に削るビームパルスは励起パルスの前に発生し、彫刻ビームパルスに露光された分子をそれに続く励起パルスによる励起に対して一時的に不感にする。更に適切な波長の光パルスによって蛍光体と非蛍光体との間を切り替えることができるタンパク質及び色素分子を用いる、いろいろなＳＴＥＤ類似の技術が提案されている。
【０００５】
ＳＴＥＤ及びＳＴＥＤ類似技術は大いに改良された分解能を約束するものの、異なる波長の極度に短い２つのパルスを互いに同期させて試料に供給する必要があり、この技術が超分解能の実用的な手段として受け入れられるための障害となっている。異なる波長の２つの同期したパルス出力ビームを１個の入力レーザから生成するためのいろいろな提案がなされている（例えば、特許文献３）が、このような提案は、２つのビームがレーザを出るときには同じ波長を持っていても変換後に試料に到達するときには異なる波長を持つように、これらのビームの１つ又は両方の波長を変換する周波数逓倍結晶又は光学的パラメトリック発振器のような周波数変換装置を必要とする。費用と複雑さを機器に加える他に、周波数変換装置のあるものは１つの周波数においてのみ最適であるように設計されていて、このことはシステムの汎用性を制限する。更に異なる励起及び抑制波長を扱うためにこの技術は結像光学系が色消しであることを必要とする。更にこの技術が広く採用されることを妨げている要因として、異なる波長の２つの同期したパルスを試料に供給するための装置の複雑さのため、実装が現在の走査顕微鏡のモジュール構造にうまく適合しない、専用集積機器の形態となることである。
【特許文献１】米国特許Ｎｏ．５，７３１，５８８
【特許文献２】米国特許Ｎｏ．５，７７７，３４２
【特許文献３】米国特許Ｎｏ．５，８６６，９１１
【特許文献４】米国特許Ｎｏ．５，９５２，６６８
【特許文献５】米国特許Ｎｏ．６，２５９，１０４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的の１つは、試料に投射される彫刻ビームが励起ビームと同じ波長を有するようなＳＴＥＤ及びＳＴＥＤ類似の顕微鏡法又はマイクロリソグラフィを実現することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、周波数変換又はレーザ同期のための部品を必要としない顕微鏡を提供することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、励起及び抑制に必要な波長が１つだけで、これにより結像光学系における色分散補正に対する必要性を低減する、顕微鏡を提供することである。
【０００９】
更に本発明の他の目的は、現有の多光子顕微鏡の所有者に費用の大幅な節約をもたらすような、現有多光子顕微鏡へのモジュール式に付加できる顕微鏡を提供することである。
【００１０】
更に本発明の他の目的は、励起の波長を特定の蛍光体の特性に合わせる一方で、ＳＴＥＤ及びＳＴＥＤ類似の顕微鏡法の分解能の利点を提供することである。
【００１１】
更なる本発明の他の目的は本開示において明らかとなろう。
【００１２】
具体的に蛍光顕微鏡法の分野に適用される説明のための実施例において前記の目的が達成され、また前記の問題が解決されるが、ここで実現される本原理はまたマイクロリソグラフィ、微細加工及び光学的情報の記憶と取り出しなどの本発明のその他の応用にも適用できる。顕微鏡で調べる試料は、特定の波長における多光子吸収により蛍光発光に励起されることができ、このような蛍光発光がこの同じ波長の光による単光子過程により抑制することができる、色素で染色される。モードロック・チタン-サファイアレーザのような短くパルス化されたレーザからの光は２つの部分に分割され、その１つは数ピコ秒より長くはないパルスとして試料の点に導かれ、多光子吸収によりその点における色素を励起する。パルスの第２の部分は群速度分散を導入するために、例えばよく知られているプリズム、回折格子又は分散媒質中（例えば光ファイバー）の大きな光路長を用いた手段によって数ピコ秒から数百ピコ秒のパルス幅に引き伸ばされ、この引き伸ばされたパルスは、実質的にゼロ強度の点を有している、励起パルスに続いて励起する点の上に結像するパターンに空間的に整形される。このゼロ強度の点を実質的に励起された点の中央最大部に重畳させることにより、また抑制ビームの強度をこの中央点からの距離に従って急速に立ち上げることにより、抑制がそれによって励起点の中央最大部からの距離に従って増加し、その直径を減少させ、それにより分解能を増加させる。励起点及び抑制点は試料の上を走査し、各抑制パルスに続いて点から発生する蛍光を測定し、技術的に良く知られている走査共焦点及び多光子顕微鏡法の結像技術を使って試料の結像を形成するのに用いる。
【００１３】
本発明の１つの態様に従って、励起可能な種類の構成物を含む目標物質の選択領域を、前記構成物を特定の励起状態に励起するために、照射する装置を提供する。この装置は、前記励起可能な種類と、前記種類を励起できる放射の源と、前記放射の源から発する放射を第１の放射ビームと第２の放射ビームに分離するためのスプリッタ装置と、前記第１の放射ビームの経路における、前記第１の放射ビームの経路を通過する放射のパルスの伸張を作り出すようにした第１アセンブリと、前記第１の放射ビームの放射が、第２アセンブリから発した後に、前記目標物質に到達するように、かつ前記目標物質内で前記強度分布がドーナツ形を有するように、前記第１の放射ビームの経路における、前記第１の放射ビームの経路を通過する前記ビームの強度分布の形状を変えるようにした第２アセンブリと、前記２つの放射ビームが共通軸に沿って同一方向から前記目標物質に向けられるように、前記第１と第２アセンブリの双方を通過後に前記第１の放射ビームを前記第２の放射ビームに結合させるようにした第３アセンブリとを備え、前記種類の前記構成物は、特定の波長の放射の短いパルスにより励起されるときに、多光子プロセスで、前記特定の励起状態に励起を受けるのに適し、前記領域が前記特定の波長の前記放射のより長いパルスによって照射されるときに、前記短いパルスへの応答における前記特定の励起状態が減じられ、前記第１の放射のパルスを伸張するプロセスが前記第２の放射で作り出される前記励起を減じることを許容し、かつ前記第１及び第２の放射ビームの放射が実質的に同じ波長を有することを特徴とする。この装置はまた前記目標物質に第１の放射ビームの放射及び第２の放射ビームの放射を導くための手段を含む。第１の放射ビームの放射及び第２の放射ビームの放射を導くための手段は、第１の放射ビームの放射が構成物を前記の特定の励起状態に励起するのに適するように、また第２の放射ビームの放射が選択領域での特定の励起状態にない構成物に対する特定の励起状態にある励起構成物の比を減少させるのに適するように構成される。更に装置は目標物質への第１の放射ビームの放射の強度分布と第２の放射ビームの放射の強度分布とが著しく異ならせることができる。この装置は目標物質において第１の放射ビームの放射と第２の放射ビームの放射が同じ波長を有することを提供する要素を含む。
【００１４】
本発明の他の態様に従って、励起可能な種類の構成物を含む目標物質の選択領域を、前記構成物を特定の励起状態に励起するために、照射する方法を提供する。この方法は、特定の波長の放射の短いパルスにより励起されるとき、多光子プロセスで、前記特定の励起状態に励起を受けるのに適した励起可能な種類の構成物を提供する工程と、前記種類を励起するのに十分に短いパルスを作り出すための前記種類を励起できる放射の源を提供する工程と、前記放射の源から発する放射を第１の放射ビームと第２の放射ビームに分離する工程と、前記第１の放射ビームのパルスをパルス継続時間を増加するように伸張する工程と、少なくとも１つの最小部を有する強度分布でビームを創成するように前記第１の放射ビームを整形する工程と、前記パルスの伸張と前記パルスの整形の工程によって前記第１の放射ビームが変形した後、前記第１の放射ビームを前記第２の放射ビームに結合させて結合ビームを作る工程と、前記第１の放射ビームと前記第２の放射ビームの結合ビームの成分が共通軸に沿って向かい、かつ前記目標物質内で実質的に同一の波長を有するように、前記目標物質に前記結合ビームを向ける工程とを含み、前記特定の励起状態は測定可能な効果を有し、前記領域が前記特定の波長の前記放射のより長いパルスによって照射されるときに前記測定可能な効果が減じられ、かつ前記第１の放射のパルスを伸張するプロセスが前記第２の放射ビームの放射で作り出される前記励起を減じることを許容することを特徴とする。この方法はまた第１の放射ビームの放射がこの物質を特定の励起状態に励起するのに適するように、また第２の放射ビームの放射が選択領域における特定の励起状態にない構成物に対する特定の励起状態にある構成物に対する比を減少させるのに適するように、第１の放射ビームの放射及び第２の放射ビームの放射を目標物質に導くことを含む。更にこの方法は、目標物質への第１の放射ビームの放射の強度分布と第２の放射ビームの放射の強度分布とが著しく異ならせることができる。この方法はまた目標物質において第１の放射ビームの放射と第２の放射ビームの放射が同じ波長を有するようにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の原理は添付の図面を参照して更に具体的に説明されよう。
【００１６】
図１は本発明の走査蛍光顕微鏡への実施例の断面図を示す。米国特許Ｎｏ．５，７７７，３４２（特許文献２）， ５，８６６，９１１（特許文献３）， ５，９５２，６６８（特許文献３） 及び ６，２５９，１０４（特許文献５）は以下の説明に有用な背景技術を含み、これを参照することによりここに組み込まれる。フェムト秒にパルス化されたチタンサファイアレーザからの光は回転可能な半波長板１に導かれ、通過したビームは偏向性のビームスプリッタ２に導かれる。ビームスプリッタ２から出るビームの１つであるビーム３は多光子励起に用いられる。ビーム３は、米国特許Ｎｏ．６，１７８，０４１で説明しているように、その開示は参照することによりここに組み込まれるが、４つの回折格子４，５，６及び７から成る、色分散を補償するアセンブリ上に導かれる。格子７から出るビームはレンズ８により、走査ヘッド１０に光を導く光ファイバ９の端に合焦する。格子４，５，６及び７により生じる負の色分散がファイバ９における正の分散を補償し、これによって、米国特許Ｎｏ．６，１７８，０４１で説明しているように、試料に導かれる短いパルス幅を維持する。走査ヘッド１０の内部では、ファイバ９の出口を出た光はレンズ１１により視準され、ミラー１２により反射されて走査手段１３上に、更に励起パルスを試料１５の点に合焦する対物レンズ１４に至る。
【００１７】
ビームスプリッタ２から出たビーム３’は抑制ビームを作るのに用いられる。ビーム３’は更にミラー１６及び１７に導かれるが、その位置はビーム３’の軸方向に動かして光路長を変化させ、それによって励起パルスのオフセットと抑制パルスのオンセットとの間の遅延時間を変化させることができる。ミラー１７を出たビームはミラー１８により負の分散を生じる４つの回折格子１９，２０，２１及び２２から成るアセンブリへと反射され、格子２２から出たビームはレンズ２３により光ファイバ２４の端に合焦する。格子１９，２０，２１及び２２のアセンブリにより生じた負の分散はファイバ２４により導入される正の分散より大きいか小さいかであり、それによってパルスは正味の伸張を受ける。その代わりに格子１９，２０，２１及び２２を正の分散を生じるような構成にすることもできる。ファイバ２４により導かれた引き伸ばされたパルスは、光ファイバ１：４スプリッタ２５により４つのファイバに均等に分割される。これらのファイバ２６，２７，２８及び２９から出た光は４つの同一のレンズにより視準され、そのうちレンズ３０及び３０’だけがこの図の平面にあり、図示されている。レンズ３０を出たビームはミラー３１によりレンズ３２上に反射され、レンズ３２を出る集束光は等辺プリズム３３に入り、ここで全内部反射がファイバ９の端から出る励起光の円錐の軸に平行に導かれ、ファイバ９の端と同じ平面にある点に合焦される。ファイバ２７，２８及び２９の端もまたこの同じ平面にある点に合焦され、これらの点はファイバ９の先端を中心とする正方形の４隅にある。
【００１８】
図２はプリズム３３における抑制光の光路の詳細を示す。光線は平面４０においてファイバ２６の端の像を形成するが、プリズム面４１からの全内部反射はその代わりにプリズムのチゼルエッジ４３に近接した位置４２に像を作る。図３はプリズム３３のようなプリズムの異なる位置の３次元的透視図を示し、チゼルエッジ４３を示す。これらのプリズムのそれぞれは、プリズムの１面が水平に、２つの切り口が水平面の辺と４５°をなし、切り口がほぼ触れそうになってチゼルエッジ４３を作るように置くことにより作ることができる。
【００１９】
エッジ４３のようなこれらの４つのチゼルエッジが正方形の辺をなすように４つのこのようなプリズムを水平面に置くとき、これらは図１に示す装置に必要な相対位置にある。図４に示す図１の拡大した細部は、被覆を徐々に除去することによりファイバ９の端に傾斜をつけることができ、それによって先端では伝搬を維持するのに必要な芯と最少の被覆だけが残り、エッジがエッジ４３のようなチゼルエッジであるこの正方形にこの先端がぴったり適合している様子を示す。図５は、図の平面がファイバ９の先端４４及びファイバ２６，２７，２８及び２９の端の点の像４５，４６，４７及び４８を含む実像面に平行であるような平面図を示す。図５はこれらの点の像と励起ファイバ９の先端との間の関係を示す。
【００２０】
レンズ１１及び１３，及びミラー１２はこれらの点の像４５，４６，４７及び４８を試料１５の実像面に再結像させるが、試料に再結像したこれらの点の像は正方形の各隅にある。再結像した互いに対角に相対する点は１８０°の位相差を有し、それによって正方形の中心点において光は正確に打ち消され、これはまた試料に結像されるファイバ９の先端の中心点でもある。この位相調節は例えば所望の打ち消しができるまでファイバ２６をファイバ２９に対して動かすことにより行うことができる。参考文献で説明しているように、対角に相対して再結像されている点の像の１つの対からの光が残りの対からの光に干渉しないことが重要である。これを成立させる１つの方法は、例えば米国特許Ｎｏ．６，２５９，１０４（特許文献５）で説明しているように、再結像した点の像の隣り合う対の間の位相関係に９０°の位相差を持たせることであるが、必要な位相関係はまたファイバ２６，２７，２８及び２９の口をお互いに対して軸方向に動かすことにより生じさせることができる。結果として得られる位相は、試料の結像平面において４つの再結像した点の像のそれぞれからから時計方向に次に動くとき９０°の位相ずれを加えるとして記述できる。引用した参考文献は、相対する再結像した点の像からの光を打ち消すが、これらの相対する対の光は残りの対からの光に干渉することはできない、別の方法を説明している。
【００２１】
この寸法は再結像した点の像の中心とファイバ９の先端の試料における像の中心との間の距離が約２．３無次元光学単位（１光学単位の間隔は対物レンズの開口数と波長ベクトル ｋ＝  ２π／λ との積の逆数に等しい）となるように選択する。この形状寸法により、試料の実像平面において理論的にゼロ強度の中心点を持ち、この中心点から離れるに従って急速に強度が増加するようなドーナツ形の強度分布が生じる。
【００２２】
スチリル色素ＲＨ４１４は同じ波長、この場合７６０ｎｍにおける多光子励起及び抑制に対して適当であるように思われる。ＤｙｂａとＨｅｌｌによる論文(Appl, Optics. 42:5123 (03)) はこの波長の光が多光子蛍光励起に導くことを示している。同じ筆者によるそれ以前の論文(Phys. Rev. Lett 88:163902 (02))は、これと同じ色素が同じ波長近辺の光によるＳＴＥＤ抑制に感受性が高いことを示した。他にもＤｉＤを含む可能な候補の色素があり、現在単に探索されていないために知られていないが、同じ波長で多光子励起され、抑制される能力が色素の比較的一般的な特性であることが明らかになる可能性があると思われる。
【００２３】
上記の説明は励起された点から放射する光の測定及び励起された点の走査に基づく像の生成の事項を取り扱っていない。その理由はこの過程がよく知られている共焦点（例えばＢａｅｒ、米国特許Ｎｏ． ３，７０５，７５５）、多光子（例えばＤｅｎｋほか、米国特許Ｎｏ．５，０３４，６１３、その開示は参照によりここに組み込まれる）及び既に引用したＳＴＥＤ特許における過程と同じだからである。多光子及びＳＴＥＤ結像におけると同様に、励起された点から出る光は走査して共焦点ピンホールに結像させる、又は収集効率を上げるために走査又は共焦点ピンホールを通過することなく検出器の上に結像させることができる。
【００２４】
必要なゼロ強度の中心点（又は線、線による走査顕微鏡の場合）を持つ彫刻ビームを生成するための多数の代替方法が記述されており、彫刻ビームの波長が励起波長と同じであれば、このどれでも本発明に適用できる。これまでの説明では励起レーザを顕微鏡の走査ヘッドに結合するためにファイバを説明したが、本発明はまたレーザと走査ヘッドとの間に光ファイバを通る経路を含まない機器にも適用できる。
【００２５】
同じ波長の伸張したパルスによる多光子励起及び抑制の同じ原理は走査ビーム顕微鏡法及び微細加工にも使用できる。マイクロリソグラフィについて目標は感光フィルム又はエマルジョン層における励起された点の周辺部分が永続的な変化をする前にそれを抑制することである。二光子で励起できる光酸発生剤分子ＢＳＢ−Ｓ２が７０５ｎｍから８００ｎｍの光を用いた二光子微細加工 (Zhou ほか Science 296: 1106(02)) に使用されている。この物質はまたこの一般的な波長領域において一光子により誘起される抑制について感受性が高い、比較的長寿命の一重項状態を有し、また永続的な変化をトリガする酸が解放される前に抑制を可能にするのに充分に長い寿命の励起一重項状態を有する。
【００２６】
図１の装置では励起と励起された点又は線の周辺部分における励起の抑制との両方に共通の波長を用いることができる。しかしファイバ２６，２７，２８及び２９の軸上の位置は９０°、１８０°、及び２７０°の位相差を作り出すために調整が必要であり、またこれらの位相を作り出す特定の距離は波長に比例するので、共通の波長を変更するときはいつもファイバを再調整しなければならない。図６に示す装置は波長を変更したとき機械的な再調整を必要としない位相差を作り出し、そのために本発明のより好ましい実施例である。図１における要素と同一である図６におけるこれらの要素には同じ参照番号が与えられている。違いもある。例えば、図１においてビームスプリッタから伝送される成分３は色分散手段を通り、それから光ファイバによって走査ヘッド１０への経路に導かれる。図６の装置においては、これとは対照的に介在する光ファイバがなく、その結果図１の装置で短い励起パルス幅を維持するためにファイバの逆の色分散を補償するのに必要な色分散手段も必要でない。励起ビームはその代わりミラー５１及び５２によって導かれ、分割されたミラー５４にある小さな透明の孔を通り、これについては次の項で詳しく説明するが、レンズ５３と５５によって実像平面３３に合焦される。図１に示すような、ファイバによる伝導と色分散手段による補償のシステムは既に説明したように調整が難しく、図６に示すようなこうしたファイバを使わない光伝導方法がおそらく共用波長を調整できるシステムにはより好ましい。
【００２７】
図１の装置のようにビームスプリッタ２からの反射出力３’から形成される図６の装置における励起・抑制ビームは、図１の装置のように同じ色分散手段と光ファイバを通過する。レンズ５６による視準化のあと、このビームはビ―ムを４つの４分割したパイの形をした断片５８，５９，６０，６１に分離する窪んだ角錐５７に導かれ、図７に示すようにＸ形の照射されない領域で分離される。角錐５７はガラスのような透明な材料でできた４つの三角形でできており、平行な面と三角形が接触する縁の空間を埋めるために面取りした縁とを持つ。図６の断面平面は角錐５７の２つの相対する三角形を２等分する。
【００２８】
それぞれのパイの形をしたビームの断片は、断片間の空間が誇張してある図８に示すように、分割されたミラー５４の別々の断片に導かれる。分割されたミラーの中央の孔６４は、４つのミラー断片の直角頂点で小さな面取りを作ることにより形成される。ビーム断片５８は例えばミラー断片６２に導かれ、ビーム断片６０はミラー断片６３に導かれる。分割されたミラー５４はビーム断片をレンズ５５の上に反射し、これは分割されたミラーとその中央の孔の実像を実像平面３３上に作る。したがって励起ビームの中心点の像が平面３３に形成され、４つのビーム断片の像により囲まれる。図６は要素間の関係を示してはいるが、その相対的寸法は示していない。各要素は、平面３３におけるビーム断片の「強度で重みづけられた中心点」の試料の合焦面における像が励起点の中心から約２．３光学単位であるように配置されなければならない。「強度で重みづけられた中心点」は、おおまかに言って、パイの形をした断片の各点において光強度に比例した単位面積あたりの質量を持つパイの平坦部の重心である。  
【００２９】
角錐５７が判り易いように図６の細部を拡大した図９に示すように、この角錐は内側の頂点である点７０の周りに回転することができる。角錐５７は２つの垂直な回転軸上で小さな角で回転できるが、この軸の双方が光軸に対して垂直で、その１つは図６及び図９の面に垂直である。図９から角錐が図に垂直な軸上で小さな角度で回転する場合、レンズ５６からの視準化されたビームの入射角は１つの角錐面で増加し、他の面では減少することが理解できよう。スネルの法則により屈折角もまた変化し、それによって回転した後の面７１のガラスを通ってビームが進む距離は、相対するビームが面７２を通って進む距離とは異なり、これによってビーム間の位相差を生じ、これは角錐の傾きに伴って増加する。
【００３０】
選択したどのような位相差、例えば励起の中心点の反対側の励起・抑制光の点に必要な１８０°の位相差、に対しても、また選択したどのような波長や、角錐を任意の角度だけ傾けることにより生じる、相対する面の間のどのような相対的遅延に対しても、分割されたミラーの断片の補償する並進運動が存在し、これはミラー回転（これは非常に小さな角度で並進運動を近似する）による遅延と組み合わされるとき１８０°の位相差を作るための正味遅延を復元する。角錐の傾きにより引き起こされる相対的遅延を１つの軸上に打点し、１８０°の正味遅延を作るためのミラー断片の補償するような動きを他の軸に打点したグラフを考えることが可能である。その結果得られたグラフは傾斜した線である。ビームの波長の変化はガラスを通る光の速度を変化させ、その結果としてこの打点した線の傾斜を変化させる。傾斜が異なるのでこの２つの線は選択した波長に対応してある点で交叉する。この交点の座標は両方の波長に対して正味遅延が１８０°であるような、角錐の傾きとミラー断片の調整により引き起こされた相対的遅延の対を示す。角錐がこのような遅延を生成するのに必要な角度に傾けられ、またミラー断片がそれに対応する位置に設定される場合、位相遅延が選択された両方の波長（これらは抑制光に対して望ましい波長帯を一括するために選択される）に対して正確に１８０°であるだけでなく、更にその間にあるすべての波長に対してほぼ１８０°である。これはよく知られた色消し補正の原理であり、この場合実行するのが特に容易である。その結果、図６の構成は図１の構成より簡単であるだけでなく、また位相遅延に対して実質的に色消しである。
【００３１】
このシステムを較正するためには、必要な位相遅延を作るのに３つの独立した自由度が必要であるが、角錐の回転は２つのそのような自由度を提供するだけであることを理解しなければならない。１つの可能な解は、４つの三角面のうち３つを一緒に固定し、第４の面を共通の頂点７０の周りに回転させることである。このような遅延の較正を角錐の製作の際に行い、使用時に微調整のため２つの利用可能な自由度を用いることが可能である。
【００３２】
位相調整を再較正する必要なく共通波長を変更できることに加えて、色消しの仕組みはまたパルスが圧縮及び伸張の副次効果としてスペクトル的に拡がるとき、拡がったパルスの各スペクトル成分が同じ位相遅延を持ち、その結果それぞれが中心点にゼロ強度の点を形成することを確実にする。固定した波長の機器であってもこれは分解能の若干の改善に貢献する可能性がある。
【００３３】
本開示は１つだけのＳＴＥＤ顕微鏡設計の説明例について単一波長ＳＴＥＤ顕微鏡法を説明したが、技術に詳しい専門家には、適切な蛍光体又は光増感剤が使用されれば本発明が、引用参考文献で説明されている、分解能増強に供される複数個の同時に結像される点及び点状ではなく線状の領域を持つ装置、及びこれから提案される装置を含む、しかしこれに限定されない、ＳＴＥＤ及びＳＴＥＤ類似の顕微鏡又はマイクロリソグラフィ露光装置に対する他の多くの設計のほぼどれにでも適用できることは明らかであろう。本発明の範囲は特定の説明例によってではなく、以下の請求項により限定されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は本発明を実施する顕微鏡の概略断面図である。
【図２】図２は図１に示すプリズムにおける光路の詳細を示す概略断面図である。
【図３】図３は図２に示すプリズムの３つの異なる位置の３次元的透視図である。
【図４】図４は図１の拡大した詳細を示す概略断面図である。
【図５】図５は図１，２，３，４のプリズムを示す平面図で、実像面は図の面内にある。
【図６】図６は装置の実施例の概略断面図である。
【図７】図７は図６の装置に示す窪んだ角錐から発生する４つのビーム部分を示す概略断面図である。
【図８】図８は図６の装置に示された装置中の分割ミラーの平面図である。
【図９】図９は図６の装置に示された窪んだ角錐の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  半波長板
２  ビームスプリッタ
４，５，６  回折格子
９、２４  光ファイバ
１５  試料
５４  分割されたミラー
５７  窪んだ角錐
５８．５９．６０，６１  ビーム断片
６２，６３  ミラー断片
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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