(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の透明基板上に、中心から半径方向に向けて同心円状に不透明帯と透明帯とを交互に配したフレネルゾーンプレートの上面に垂直照射された平面波の一部が、該フレネルゾーンプレートから擾乱を受けることなく前記フレネルゾーンプレートの下方に配設された試料にそのまま垂直入射するように、当該フレネルゾーンプレートに透過窓を形成したことを特徴とする複合照射機能をもつフレネルゾーンプレート。
【請求項２】
前記透明窓は、前記透明基板に面抜部分を設けることによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の複合照射機能をもつフレネルゾーンプレート。
【請求項３】
前記透過窓は、前記不透明帯が形成されないように、又は、形成されたものが取り除かれるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の複合照射機能をもつフレネルゾーンプレート。
【請求項４】
平板状の透明基板上に、中心から半径方向に向けて同心円状に不透明帯と透明帯とを交互に配したフレネルゾーンプレートの上面に垂直照射された平面波の一部が、該フレネルゾーンプレートから擾乱を受けることなく前記フレネルゾーンプレートの下方に配設された試料にそのまま垂直入射するように、当該フレネルゾーンプレートの一部分を軸方向に切除したことを特徴とする複合照射機能をもつフレネルゾーンプレート。
【請求項５】
切除した前記フレネルゾーンプレートの一部分は、当該フレネルゾーンプレートの略半分であることを特徴とする請求項４に記載の複合照射機能をもつフレネルゾーンプレート。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の複合照射機能をもつフレネルゾーンプレートを複合照射レンズとして使用する対物レンズをもたないＸ線顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透明基板上に中心から半径方向に向けて不透明帯と透明帯とを交互に配した複合照射機能をもつフレネルゾーンプレート及びそのフレネルゾーンプレートを複合照射レンズとして使用した対物レンズをもたないＸ線顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線を光源として物体の高分解能透過像を得るＸ線顕微鏡の中には、対物レンズにフレネルゾーンプレート（Fresnel’s zone plate）を使用するものがある（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
このフレネルゾーンプレートは、図６に示すように、Ｘ線を透過する透明基板上に、中心から数えてｎ番目の円の半径Ｒｎがｎの平方根に比例するような多数の同心円輪群を作り、中心から半径方向に向けて不透明帯（黒色輪）と透明帯（白色輪）とを交互に配したものであり、軟Ｘ線領域やＸ線領域の光に対して非常に有効なレンズ材として機能する。  【０００４】
また、このフレネルゾーンプレートは、最外周の不透明帯の幅（いわゆる、最外殻ゾーン幅）を小さくすることにより、分解能を向上させることができ、微細加工技術の進歩により、現在では、１μｍオーダーの分解能を有するフレネルゾーンプレートを作製することが可能である。
【特許文献１】特開平１０−１０４４００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、フレネルゾーンプレート作製の微細加工技術には限界があるため、フレネルゾーンプレートの最外周の不透明帯の幅を小さくするだけでは、１μｍを超えるような高分解能の像を得ることは困難であるという問題点があった。【０００６】
また、従来のフレネルゾーンプレートを用いたＸ線顕微鏡の光学系では、集光用フルネルゾーンプレートが試料の直前に配置され、試料の観察領域を覆うため、フレネルゾーンプレートから出射した球面波を、試料に照射する試料照射波として使用していた。すなわち、従来のフレネルゾーンプレートには、フレネルゾーンプレートから出射した球面波（参照波）をＸ線顕微鏡の記録面に照射すると同時に、位相に乱れがない平面波を試料に照射するという機能（複合照射機能）を持つものがなかった。そのため、従来はフレネルゾーンプレートから擾乱を受けた球面波の一部が試料照射波として使用されており、これも高分解能の像を得ることを困難にする一つの要因となっていた。【０００７】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、最外周の不透明帯の幅を小さくすることができない場合でも、分解能を向上させることができる複合照射機能をもつフレネルゾーンプレート及び該フレネルゾーンプレートを複合照射レンズとして使用した対物レンズを持たないＸ線顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の複合照射機能をもつフレネルゾーンプレートは、平板状の透明基板上に、中心から半径方向に向けて同心円状に不透明帯と透明帯とを交互に配したフレネルゾーンプレートの上面に垂直照射された平面波の一部が、該フレネルゾーンプレートから擾乱を受けることなく前記フレネルゾーンプレートの下方に配設された試料にそのまま垂直入射するように、当該フレネルゾーンプレートに透過窓を形成したことを特徴としている。
請求項２に記載の複合照射機能をもつフレネルゾーンプレートは、請求項１に記載の複合照射機能をもつフレネルゾーンプレートであって、透明窓は、透明基板に面抜部分を設けることによって形成されていることを特徴としている。
請求項３に記載の複合照射機能をもつフレネルゾーンプレートは、請求項１に記載の複合照射機能をもつフレネルゾーンプレートであって、透過窓は、不透明帯が形成されないように、又は、形成されたものが取り除かれるように形成されていることを特徴としている。
【０００９】
請求項４に記載の複合照射機能をもつフレネルゾーンプレートは、平板状の透明基板上に、中心から半径方向に向けて同心円状に不透明帯と透明帯とを交互に配したフレネルゾーンプレートの上面に垂直照射された平面波の一部が、該フレネルゾーンプレートから擾乱を受けることなく前記フレネルゾーンプレートの下方に配設された試料にそのまま垂直入射するように、当該フレネルゾーンプレートの一部分を軸方向に切除したことを特徴としている。
請求項５に記載の複合照射機能をもつフレネルゾーンプレートは、請求項４に記載の複合照射機能をもつフレネルゾーンプレートであって、切除した前記フレネルゾーンプレートの一部分は、当該フレネルゾーンプレートの略半分であることを特徴としている。
【００１０】
請求項６に記載の対物レンズをもたないＸ線顕微鏡は、請求項１乃至４のいずれかに記載の複合照射機能をもつフレネルゾーンプレートを複合照射レンズとして使用する対物レンズをもたないＸ線顕微鏡である。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１及び請求項６の発明によれば、フレネルゾーンプレートに透過窓を形成したことにより、該フレネルゾーンプレートの下方に配設された試料に対して、位相に乱れがない完全な平面波（例えば、軟Ｘ線の平面波）を垂直入射させることができる。そのため、フレネルゾーンプレートから出射した波の一部を平面波として試料に入射させるフレネルゾーンプレートを使用した場合のように、試料に入射する平面波の位相が乱れることがなく、結果として、フレネルゾーンプレートの最外周の不透明帯の幅を小さくすることなく分解能を向上させることができる。よって、最外周の不透明帯の幅をできるだけ小さくすると共に、透過窓を形成することにより、０．１μｍを超える高分解能の像を得ることが可能である。
【００１２】
請求項２及び請求項６の発明によれば、フレネルゾーンプレートの一部分を軸方向に切除したことにより、該フレネルゾーンプレートの下方に配設された試料に対して、位相に乱れがない完全な平面波を垂直入射させることができる。そのため、上記と同様に、試料に入射する平面波の位相が乱れることがないため、最外周の不透明帯の幅を小さくすることなく分解能を向上させることができる。よって、最外周の不透明帯の幅をできるだけ小さくすると共に、フレネルゾーンプレートの一部分を切除してフレネルゾーンプレート及びフレネルゾーンプレートを切除した領域に対して平面波を入射させるようにすることで、０．１μｍを超える高分解能の像を得ることが可能である。
【００１３】
請求項５の発明によれば、切除する一部分をフレネルゾーンプレートの略半分とすることにより、切除したフレネルゾーンプレートもＸ線顕微鏡の複合照射レンズとして使用することができる。すなわち、１枚のフレネルゾーンプレートから、より高分解能の２枚のフレネルゾーンプレートを作製することができ、フレネルゾーンプレートの作製コストを低減させることができる。また、フレネルゾーンプレートに透過窓を形成する場合に比べて、フレネルゾーンプレートの作製が容易になるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づき説明する。図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る複合照射機能をもつフレネルゾーンプレート（ＦＺＰ：Fresnel’s zone plate）１の平面図であり、図１（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。この複合照射機能をもつフレネルゾーンプレート（以下、単に「フレネルゾーンプレート」という。）１は、図示するように、Ｘ線を透過する平板状の透明基板２上に、中心から数えてｎ番目の円の半径Ｒｎがｎの平方根に比例するような多数の同心円輪群を作り、中心から半径方向に向けて同心円状に不透明帯３と透明帯４とを交互に配したものである。ここで、複合照射機能とは、フレネルゾーンプレートから出射した球面波（参照波）をＸ線顕微鏡の記録面に照射すると同時に、位相に乱れのない平面波を試料に照射する機能である。【００１５】
透明基板２は、Ｘ線を容易に透過する例えばＳｉＮ（窒化シリコン）等で構成されている。透明基板２の形状及び寸法は、特に限定されるものではないが、本実施形態においては、水平方向の断面が円形の平板状に形成されており、直径が０．６２５ｍｍ程度、厚さが０．５μｍ程度に形成されている。【００１６】
不透明帯３は、Ｘ線等の光を透過しない部分であり、透明基板２上に、例えば、Ｔａの平板を同心円状に配して形成したものであり、ここでは、最内周半径（最内周の不透明帯３の半径）が７．０７１μｍ程度、ゾーン数（不透明帯３の数と透明帯４の数の合計数）が１９５２程度、そして、分解能を向上させるために、最外殻ゾーン幅（最外周の不透明帯３の線幅）が８０ｎｍ程度、となるように形成されている。なお、この不透明帯３を構成する材料は特に限定されるものではなく、Ｘ線を透過しないものであれば、Ｔａの代わりに他の材料を用いてもよい。なお、このフレネルゾーンプレート１は、微細加工技術（例えば、スパッタリング蒸着法、イオンビームスパッタリング法、電子ビームリソグラフィ法等）により作製することができる。【００１７】
以下、フレネルゾーンプレート１を複合照射レンズとして使用した対物レンズをもたないＸ線顕微鏡５の光学系について説明するが、一般的なＸ線顕微鏡が当然に備える構成要素についてはその説明を省略し、本発明の実施形態に係るＸ線顕微鏡５の主要構成要素について主に説明する。【００１８】
図２は、本発明の実施の形態に係るフレネルゾーンプレート１を複合照射レンズとして使用するＸ線顕微鏡５のフーリエ変換ホログラフィ結像光学系を概略的に示した図である。ここで、複合照射レンズとは、Ｘ線顕微鏡の記録面に参照波としての球面波を照射すると同時に、試料に位相が乱れていない平面波を照射するという、平面波と球面波を同時に照射する機能をもつ照射レンズである。【００１９】
このＸ線顕微鏡５は、生態試料に対するダメージが少なく、生態を高解像度且つ無染色で観測できるという特性を有する軟Ｘ線を光源とし、複合照射レンズにフレネルゾーンプレート１を使用して物体の高分解能透過像を得る装置である。このＸ線顕微鏡５が複合照射レンズとして使用するフレネルゾーンプレート１は、図示するように、フレネルゾーンプレート１の上面に垂直照射された軟Ｘ線の平面波の一部が、フレネルゾーンプレート１から擾乱を受けることなく該フレネルゾーンプレート１の下方に配設された試料６にそのまま垂直入射するように、フレネルゾーンプレート１に透過窓７が形成されたものである。この透過窓７の大きさは特に限定されるものではないが、フレネルゾーンプレート１の下方に位置する試料６の大きさに合わせて形成する。つまり、フレネルゾーンプレート１の上方から垂直照射された平面波の一部が、フレネルゾーンプレート１の影響で散乱することなく、そのまま試料６の上面全体に垂直入射するだけの大きさに形成する。【００２０】
また、透過窓７は図６に示すように、従来のフレネルゾーンプレートから切除加工によって透過窓７の面抜部分を形成したり、若しくは、予め透過窓７の面抜部分が形成されるように、フレネルゾーンプレート１を形成加工するのが好ましい。しかし、透過窓７は、フレネルゾーンプレートを切抜いて形成しているものに限定されることなく、例えば、上述の微細加工技術により、該透過窓７の部分の前記不透明帯３が、形成されないように、若しくは、形成されたものが取除かれるように、該透過窓７を形成したものでもよく、これらも、本願発明に含まれるものとする。透過窓７は、フレネルゾーンプレートの下方に配設された試料６に平面波が垂直入射できるように形成されていれば、上述したものに限定されるものではない。【００２１】
なお、このＸ線顕微鏡５は、複合照射レンズとして機能するフレネルゾーンプレート１を支持するプレート支持部材（不図示）を備えており、該プレート支持部材を移動させることによりフレネルゾーンプレート１の位置を上下や前後左右に微調整することができるように構成されている。【００２２】
また、フレネルゾーンプレート１の下方には、試料６を支持する試料ステージ８が設けられており、該試料ステージ８を移動させることにより、試料６の位置を上下や前後左右に微調整することができるように構成されている。【００２３】
したがって、ユーザは、プレート支持部と試料ステージ８の両方又はいずれか一方を移動させることにより、フレネルゾーンプレート１の透過窓７と試料ステージ８の試料６の水平方向の位置合わせを容易に行うことができる。【００２４】
このように、フレネルゾーンプレート１の透過窓７と試料ステージ８の位置合わせが行われた後に、図外の光源（例えば、指向性の強いシンクロトロン光源）からＸ線（軟Ｘ線）の平面波がフレネルゾーンプレート１の上面に垂直照射されると、その平面波はフレネルゾーンプレート１により集光され、フレネルゾーンプレート１から出射した集光波により点光源Ｏが形成される。なお、試料ステージ８には、ＰＨ（ピンホール）９が設けられており、フレネルゾーンプレート１から出射した集光波から不要な次数の回折光が除去される。そして、この点光源Ｏから参照波（球面波）１０が出射する。なお、この点光源Ｏは、記録面（観察面）１１からの距離が、記録面１１から試料６までの距離と等しくなる位置に形成される。また、フレネルゾーンプレート１に軟Ｘ線を照射する光源としては、レーザプラズマ光源や電子線励起型Ｘ線管等を使用してもよい。更にまた、例えば、光源に可視光を用いれば、光学顕微鏡に用いることも可能である。【００２５】
一方、フレネルゾーンプレート１の透過窓７に向けて垂直照射された平面波は、フレネルゾーンプレート１により集光されることなく透過窓７を介して直進し、点光源Ｏと同一平面上で且つ水平方向に見て透過窓７と同じ位置に配設された試料６の上面に試料照射波としてそのまま垂直入射する。そして、試料６からは、物体波（球面波）１２が出射する。【００２６】
続いて、試料６を通過した物体波１２と試料６を通過していない参照波１０は、記録面１１において干渉し、該記録面１１に干渉縞が形成される。なお、試料６と記録面１１は、記録面１１で物体波１２及び参照波１０の複素振幅（位相及び振幅）が、それぞれ試料６及び参照波点光源Ｏの複素振幅のフーリエ変換像になるように、言い換えれば、フーリエ変換ホログラフィ光学系が形成されるように、それぞれ配設されている。このように、光波の干渉作用を利用し、物体波１２の複素振幅（位相及び振幅）の情報を記録面１１に記録することにより、ホログラム（hologram）が光学的に形成される。【００２７】
なお、このようにして得られたホログラムを、図外のコンピュータにより、フーリエ変換ホログラフィ法を適用して一回フーリエ変換することにより、試料６の拡大構造を再生することができる。【００２８】
図３は、従来のフレネルゾーンプレート（図中のＦＺＰ）をビームスプリッターとして使用したフーリエ変換ホログラフィ結像系を例示した図である。なお、このフレネルゾーンプレートは、透過窓７が形成されていない点を除いて、フレネルゾーンプレート１と同様に形成されたものである。図示する光学系では、軟Ｘ線の平面波が垂直照射されたフレネルゾーンプレートがビームスプリッターとして機能し、フレネルゾーンプレートからは、集光波とともに平面波（以下、「透過０次光」という。）が出射し、出射した透過０次光が試料照射波として試料に垂直入射する。【００２９】
ここで、図２に示す試料６に垂直入射する平面波と、図３に示す試料に垂直入射する透過０次光とを比較すると、図３に示す試料には、フレネルゾーンプレートの不透明帯の存在により位相が乱れた透過０次光が試料照射波として垂直入射し、図２に示す試料６には、上記のように透過窓７を介してフレネルゾーンプレート１によって位相が乱れていない平面波が完全な状態で試料照射波として試料６に垂直入射する。このように、従来のフレネルゾーンプレートは、位相が乱れた透過０次光が試料照射波として試料に垂直入射するため、記録面に形成されるホログラムに悪影響を及ぼし、結果として再生像の分解能を低下させるという問題があった。【００３０】
したがって、フレネルゾーンプレート１によれば、ビームスプリッターとしてフレネルゾーンプレートを機能させ、該フレネルゾーンプレートを透過した透過０次光を試料照射波として試料に垂直入射させる従来のＸ線顕微鏡のように、フレネルゾーンプレートにより擾乱を受けて位相が乱れた平面波が試料に垂直入射することがないため、従来のフレネルゾーンプレートを使用する場合に比べてより高分解能の像（０．１μｍを超える再生像）を得ることができる。【００３１】
なお、本実施形態においては、フレネルゾーンプレート１に対して透過窓７を形成する場合について説明したが、透過窓７を形成せず、フレネルゾーンプレート１の上面に垂直照射された平面波の一部が、フレネルゾーンプレート１から擾乱を受けることなくフレネルゾーンプレート１の下方に配設された試料６にそのまま垂直入射するように、フレネルゾーンプレート１において試料６に対応する位置に不透明帯３を設けないようにしてもよい。但し、この場合、垂直照射された平面波が透明帯４を通過するため、若干位相が乱れて分解能を低下させるおそれがある。そのため、本実施形態において説明したように、透過窓７を形成する方が好適である。【００３２】
次に、上記説明した実施の形態の変形例に係るフレネルゾーンプレート１３について説明する。なお、フレネルゾーンプレート１と同一構成のものについては同一番号を付してその説明を省略し、異なる点について主に説明する。【００３３】
図４（ａ）は、フレネルゾーンプレート１３の平面図であり、図４（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、図５は、フレネルゾーンプレート１３を複合照射レンズとして使用するＸ線顕微鏡５のフーリエ変換ホログラフィ結像光学系を概略的に示した図である。図示するように、フレネルゾーンプレート１３は、該フレネルゾーンプレート１３の上面に垂直照射された平面波の一部が、フレネルゾーンプレート１３から擾乱を受けることなくフレネルゾーンプレート１３の下方に配設された試料６にそのまま垂直入射するように、フレネルゾーンプレート１３の一部分を軸方向に切除したものである。なお、図４及び図５は、一部分として、図６に示すようなフレネルゾーンプレートの略半分を切除して得られたフレネルゾーンプレート１３を示したものであるが、切除する一部分の大きさは、試料６の大きさに合わせて適宜変更すればよい。これら、フレネルゾーンプレート１３は前述のように一部分を軸方向に切除してもよく、又は、予め該フレネルゾーンプレートの一部分が切除されたような形状に形成してもよく、それらは、フレネルゾーンプレートの下方に配設された試料６に平面波が垂直入射できるように形成されるものであれば、前述の方法に限定されるものではない。【００３４】
このフレネルゾーンプレート１３によれば、フレネルゾーンプレート１と同様に、位相が乱れていない完全な平面波を試料６に対して垂直入射させることができるので、従来のフレネルゾーンプレートに比べて、より高分解能の像を得ることができる。なお、上記のように、フレネルゾーンプレート１３は、フレネルゾーンプレートの一部分（本実施形態においては、略半分）を軸方向に切除することにより作製が可能であるため、透過窓７を形成するフレネルゾーンプレート１に比べて作製が容易であり、安価に作製することができる。【００３５】
また、上記のように、フレネルゾーンプレートの略半分を切除するようにすれば、フレネルゾーンプレート１３を作製するために切除した部分は、フレネルゾーンプレート１３とほぼ同一のものである。すなわち、図６に示すような１つのフレネルゾーンプレートから、フレネルゾーンプレート１３を２つ作製することができる。【００３６】
なお、本実施の形態で示したフレネルゾーンプレート１、フレネルゾーンプレート１３及びＸ線顕微鏡５の構成は、本発明に係るフレネルゾーンプレート及びＸ線顕微鏡の一態様にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で適宜設計変更できることは勿論であり、例えば、レーザ光を光源とする光学顕微鏡等としても実現可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、例えば、フレネルゾーンプレートやフレネルゾーンプレートを使用するＸ線顕微鏡のみならず、光源に可視光を用いた光学顕微鏡にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】（ａ）は、本発明の実施の形態に係るフレネルゾーンプレートの平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】フレネルゾーンプレートを複合照射レンズとして使用したＸ線顕微鏡の光学系を概略的に示した図である。
【図３】従来のフレネルゾーンプレートをビームスプリッターとして使用したフーリエ変換ホログラフィ結像系を例示した図である。
【図４】（ａ）は、本実施形態の変形例に係るフレネルゾーンプレートの平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】変形例に係るフレネルゾーンプレートを複合照射レンズとして使用したＸ線顕微鏡の光学系を概略的に示した図である。
【図６】従来のフレネルゾーンプレートを示した平面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１、１３    フレネルゾーンプレート
２    透明基板
３    不透明帯
４    透明帯
５    Ｘ線顕微鏡
６    試料
７    透過窓
【図１】
0004568801.tif 000002
【図２】
0004568801.tif 000003
【図３】
0004568801.tif 000004
【図４】
0004568801.tif 000005
【図５】
0004568801.tif 000006
【図６】
0004568801.tif 000007