(57)【要約】デバイス内でデータ収集を実施するための装置が開示される。デバイスは、標本全体にわたって連続的な非ラスタパターンで走査プローブを操向する。データは、プローブと標本の間の相互作用に応答して収集され、データ集合を形成する。方向転換領域のない螺旋走査パターンが本発明の諸実施形態において使用され、走査パターン内に丸い隅部があるものも、ないものもある。
2006520022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
標本からデータを収集するための装置であって、
標本全体にわたって連続的な非ラスタパターンで操向されるプローブ手段と、
前記プローブと前記標本との間の相互作用に応答してデータを収集するデータ収集手段と
を備えたことを特徴とする装置。
【請求項２】
レーザ走査型共焦点顕微鏡をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
近接場走査型光学顕微鏡をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
原子力顕微鏡をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ走査型共焦点顕微鏡システムならびにビーム投影システムにおいて特定の応用例において非ラスタの連続的な螺旋パターンを使用して標本を走査する走査プローブの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学走査顕微鏡では、静止しているビームに対して標本を移動することによって、または静止している標本に対してビームを移動することによって、プローブを用いて標本が走査される。またはこれに替えて、一連の開口を含む回転円盤を光源と標本との間に配置し、それにより、標本の諸領域をパターン化された形で順次照明することができる。レーザ走査型共焦点顕微鏡の目的の１つは、戦略的に配置された開口を使用することにより、回折限界空間分解能（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｓｐａｔｉａｌ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）を実現することである。ここで、光学走査顕微鏡システムの一般的な特性は、詳しく考察されている（たとえば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３参照）。
【０００３】
共焦点顕微鏡が必要な応用例など多数の実例によって、固定された照明源に対し標本を移動する方法ではその移動が遅すぎてしまうことがわかっている。したがって、走査速度を高めるために、静止している標本を照明光で、通常はレーザビームで走査されるようになっている。光軸（Ｚ）に直交する平面内のＸ軸およびＹ軸に沿った照明光の移動は、一般に、閉ループガルバノメータおよび共鳴ガルバノメータ（ｃｌｏｓｅｄ  ｌｏｏｐ  ａｎｄ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒｓ）など機械デバイスによって空間内に配置されたミラーを使用して行われている。サンプルと（反射、屈折、蛍光などによって）相互作用する光は、逐次（すなわち、１点ずつ）収集され、イメージを形成するためにコンピュータのメモリ内で再構築される。この動作を実行するための一般的なパターンは、１つの軸（Ｘ方向）で直線に沿って迅速に走査し、次いでビームを直交軸（Ｙ方向）で１グリッド位置移動した後に、Ｘ軸で（順方向または逆方向で）平行な直線に沿った走査が続くことによって生成されたラスタパターンまたは２次元グリッドの形態である。このシーケンスを繰り返し適用することにより、矩形視野の２次元グリッドまたはラスタ走査されたイメージの構築が可能になる。そのようなイメージは、コンピュータ画面またはテレビジョンなど、２次元グリッドディスプレイとして編成された任意のデバイス上で容易に見ることができる。
【０００４】
現行技法は、慣性を有するビーム誘導（ｂｅａｍ−ｄｉｒｅｃｔｉｎｇ）デバイスがその移動を瞬間的に開始または停止することができないため非効率となる。各線分の端部で、新しい線の走査を開始するため、ビームを後戻りさせ、または方向転換させるように導かなければならない。この時間中に、有用でないデータが収集される。この後戻りまたは方向転換に時間を要することから、最終的に時間分解能（すなわち、単位時間当たりで収集することができるイメージの数）が制限されることとなる。この手法を用いて達成される最大の走査速度によって、５１２×５１２ピクセル以下を含むイメージが３０フレーム／秒程度の速度で獲得される。走査される領域の次元を減らすことによって、より速い速度を達成することができる。しかし、各次元内の点の数を削減した結果空間分解能が損なわれる場合でも、方向転換に時間を要することによって、最大時間分解能が厳しく制限されることとなる。空間分解能と速度とをバランスさせるため、ビームが単に１本の線に沿って往復で送られる、いわゆる「線走査」となる。線走査中ですら、「方向転換」モードでかなりの時間が費やされる。
【０００５】
高速走査共焦点顕微鏡のための他の手法では、移動する機械部分を有していない音響光学ビーム偏向器（ＡＯＤ）デバイスが、走査スピードを高めるためのビーム操向デバイスとして実施されている。しかし、この手法は、ＡＯＤデバイスの使用は、その小さな偏向角と光学特性によって制限を受ける。具体的には、異なる波長の光が、異なる角度で偏向される。したがって、標本内の同じスポットを、異なる波長の光で同時に照明することは困難であり、蛍光顕微鏡の場合、標本から到来する光は、ＡＯＤを通過した後で、標本に向かって送られる光と同じ経路に沿って移動しない。その結果、ＡＯＤデバイスは、一般に、標本から到来する光の経路内に配置されず、真の共焦点顕微鏡に必要とされるように、標本内のイメージ平面から発する光を、検出器の正面に配置されたピンホール部で合焦することはできない。それどころか、光はしばしばスリットを通過し、これにより、より多くの焦点外れの光が検出器に達することとなる。この手法では、光学性能がスピードのために犠牲にされる。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，６０６，１５３号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２７１，９１６号明細書
【非特許文献１】Theory and Practice of Scanning Optical Microscopy, Tony Wilson and Colin Sheppard (Academic Press, New York, 1984)
【非特許文献２】Confocal Microscopy, edited by Tony Wilson (Academic Press, New York, 1990)
【非特許文献３】Handbook of Biological Confocal Microscopy, edited by James B. Pawley (Plenum Press, New York, 1990)およびその中で参照されている論文
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
１秒未満の期間全体にわたって変化が起こるような任意のプロセスの観察を含むいくつかの応用例において、今までより速い走査スピードが達成されることから有用となる。さらに、高解像度リソグラフィまたはイメージ投影システムなど、走査型ビームを使用し空間的に編成された形で表面に影響を及ぼすプロセスにとって、このより速い走査速度は有用となる。したがって、空間分解能など撮像性能を犠牲にすることなしに、標本および／または表面が走査される速度を高めることが求められている。
【０００８】
Ｍａｒｘｅｒらの米国特許は、対象物が螺旋パターンで移動される表面検査用システムについて記載している（特許文献１および２参照）。この移動の目的は、円形ウェハを検査するとき移動する距離を最小限に抑えること、また散乱光を検出するための光学構成を単純化することである。しかし、このシステムは、高いフレームレートでイメージを収集するように設計されておらず、一般に、ステージを移動するだけで対象物を移動するどのシステムでも、ビームを操向することを必要とする走査より、かなり走査が遅くなる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、非ラスタ走査パターンを使用し、走査顕微鏡など撮像デバイス、またはマスクレスリソグラフィを実施するために使用されるものなどビーム投影システム内で、高速プローブ操向およびデータ収集を実施する。事実上主に正弦波である、各次元内でプローブ操向デバイスを導くための波形を使用することにより、いくつかの利点を有する連続的な螺旋走査パターンが生成される。本発明の一目的は、単位時間当たりに投影または獲得されるデータポイントの数および／またはフレームの数を増すことによって、走査および／またはデータ収集の速度を最適化することである。共焦点顕微鏡の応用例では、これらの高い走査速度が、回折限界空間分解能を達成する能力を犠牲にすることなしに得ることができる。また、本発明は、滑らかな移動を生み出し、性能を最大化し、電気機械走査デバイスに対する損耗を低減する。本発明はまた、ソフトウェア制御のロケーション（すなわち、パン（ｐａｎｎｉｎｇ）、拡大（すなわち、ズーム）、空間分解能および時間分解能を可能にする。また、プローブ位置／向きを決定するためにソフトウェアアルゴリズムおよび位置フィードバック信号を使用することにより、本発明は、ピクセル位置の割当ての空間精度を最適化する。本発明ではまた、ユーザは、連続スケールから時間分解能と空間分解能の間で選択を行うことが可能となる。各走査の開始点と終点が同じ位置付近であるため、本発明ではまた、反復して自動の知的なプローブ操向制御が容易となる。
【００１０】
本発明の一実施態様において、走査パターンは、中心位置で開始し所望の半径に対して外に螺旋を描くアルキメデスの螺旋（Ａｒｃｈｉｍｅｄｅｓ’ｓｐｉｒａｌ）を使用する。次いで、ビーム方向が方向転換され、螺旋は、内向きに螺旋を描き、第１の螺旋によって生成された線間のほぼ中間で間隙を充たす第２のアルキメデスの螺旋に、連続的な形で接続される。そのパターンは、データを収集する際に中断することなしにプロセスを繰り返すことができる中心位置で終了する。代替の実施態様において、走査パターンは、指定された半径に対して外に螺旋を描くアルキメデスの螺旋を使用する。次いでそのパターンは、方向を変えることなしに、シーケンスを再び開始することができる中心へ連続的に内向きに螺旋を描く。撮像中の時間分解能を最大化するために、外向き螺旋および内向き螺旋中に収集されたデータを使用し、別個のフレームまたはイメージを生成することができる。その結果は、走査後イメージを生み出すために必要とされる加速度を最小限に抑え、望ましくない領域に投影する、または望ましくない領域から収集して時間を失うことがない、またはほとんどないシリアルデータストリームを生成する、ある種類の螺旋走査パターンである。諸実施態様において、本発明は、螺旋パターンの一部分が歪められ、丸い螺旋パターンより大きな使用可能エリアをもたらす、実質的に矩形の螺旋パターンを組み込むことができる。
【００１１】
本発明の諸技法は、ビーム操向および／または走査が１つずつ（すなわち、逐次）の形で実施される様々な他の投影デバイスまたはプローブデバイスに適用することができる。マスクレスリソグラフィまたはイメージ投影システムなど諸応用例では、ビームを高速で操向することも、強度を調節（ｍｏｄｕｌａｔｅ）することもできる。レーザ走査型共焦点顕微鏡または走査プローブ顕微鏡など、他の実施態様において、エネルギーまたは粒子のビームは、データ収集中に螺旋にすることができる。他の実施態様において、ステージは静止して維持され、機械プローブが、螺旋パターンを使用して移動される。他の実施態様において、ビームまたはプローブは静止したままとなり、サンプルに添着されたステージが螺旋パターンで移動される。本発明の諸実施態様は、これらの制御を様々な空間次元において組み合わせる。
【００１２】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図と共に以下の詳細な説明を読めば、理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
ビーム操向デバイスが動作することができる速度は、主に移動を発生するために必要とされる力の量により制限される。移動は、ａ＝ｆ／ｍから計算することができるが、ｆは加えられた力であり、ｍは移動する物体（たとえば、ミラーや任意の取付け構成部品）の質量であり、ａは加速度（変位の２次時間微分（ｓｅｃｏｎｄ  ｔｉｍｅ  ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ））である。力は、ガルバノメータなど電気機械デバイス内で変位を生み出すように、電気エネルギーによって生成することができる。そのようなビーム操向デバイスによって占有される小さな容積内で電力を生成および放散する能力が制限されることから、移動の最大速度が決められる。ビーム操向デバイスのサイズを伸張しようと試みる場合、摩擦と慣性があることから質量に対してさらに制限が課され、または高変位速度での力発生装置（ｆｏｒｃｅ  ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ  ｄｅｖｉｃｅ）とミラーアセンブリとの間のリンクはより複雑となる。ピーク力を低く保つために、（角加速度を含む、各次元における）加速度を最小限に抑えることが必要となる。ピーク加速度を低く保つための最適な波形は、正弦曲線である。
【００１４】
加速度を最小限に抑えるために正弦波形を使用することに加えて、ミラーなど多数の電気機械デバイスおよび他の操向デバイスを、正弦曲線の制御信号と共に効率的に動作するように設計することができる。これは、特に、慣性力が上述の加速度に関係し、復元力が変位に関係し、２次微分方程式として表すことができる関係を発生するときに可能となる。周波数領域内の共鳴特性を利用することにより、そのようなデバイスの性能は、正弦波形を使用して、より高い周波数全体にわたって大きく伸ばすことができる。
【００１５】
正弦波形を使用し、走査プロセスにおいてＸ移動とＹ移動を共に導く場合、リサージュパターンによって特徴付けられるように、楕円パターンが形成される。同じ周波数を使用し、正弦曲線間の位相差９０°でＸ移動およびＹ移動を制御すると、円が生成される。２次元エリアが走査されるほぼ正弦波形のパターンを生成するために、円の半径は、連続的に、しかしゆっくりと変わるようにすることができる。デカルト（ｘ，ｙ）座標では、ｘ＝ａ・ｔ・ｓｉｎ（ｔ）、ｙ＝ａ・ｔ・ｃｏｓ（ｔ）として表すことができ、ただし、ａは、パターンが中心位置から、または中心位置に向かっていかに速く螺旋を描くかを制御する定数であり、ｔは独立変数（すなわち、この場合には時間）である。極座標（ｒ，θ）では、これは単にｒ＝ａ・θと表すことができる。生成されるパターンは、アルキメデス螺旋と呼ばれる。
【００１６】
２次元視野を効率的に走査するために螺旋パターンを使用することができるいくつかの方法がある。パターン間のほとんどの差異は、順次螺旋が組み合わされ、連続的な波形と均一な空間カバレージを生み出す一方、同時に加速度（特にピーク加速度）を最小限に抑える方法の中に生ずる。結合された螺旋パターンの一例が図１に示されており、外向き螺旋と、それに続く、外向き螺旋によって生成された線分間の中間にある内向き螺旋とがある（内向き螺旋に比較して外向き螺旋を半回転オフセットさせることによって数学的に実施されている）。２つの螺旋は、ピーク加速度が生成される単一の方向転換領域によって接続される。一般に使用されるラスタ走査は、比較すると線分当たり２つの方向転換領域を必要とし、典型的なイメージは約５００本の線からなる（１０００個の方向転換／フレーム）。図１に示されている螺旋パターンは、フレーム当たり単一の方向転換を生成する。図１では、サンプルは、塗り潰された菱形記号によって表された位置にビームが位置するとき収集される。方向転換領域１０を除いて、各サンプル期間中にカバーされる空間エリアは、視野全体にわたってほぼ同じである。また、サンプルエリアは、概して円形の視野全体にわたって均一に分布する。それと共に、これらの属性により、本発明の一目的、すなわち、各領域内でビーム停留時間が等しい、均一な視野のカバレージが可能となる。共焦点顕微鏡応用例では、不規則な停留時間は、標本の不均一なフォトブリーチングを引き起こす場合があり、リソグラフィ応用例では、フォトレジストコーティングの不均一な化学特性を引き起こす可能性がある。
【００１７】
図２Ａおよび図２Ｂは、図１の螺旋を生成するために使用されるＸ制御信号およびＹ制御信号を示す。これらは、一般的には、コンピュータ内のデジタル−アナログインターフェースによって生成され、電気機械ビーム操向デバイスに印加される電圧（または電流）である。トレースの中点部の方向転換領域を除いて、波形は、徐々に変わる振幅／周波数変調正弦波形からなる。
【００１８】
著しい加速度が方向転換領域内で発生する可能性がある。力を内向きに向けて（すなわち、中心位置に向かって）保ち、走査デバイスが外向き加速度により「逃げる」傾向を低減するために、最外郭螺旋を最初に生成し、その後に最内郭螺旋が続くことが好ましい。次いで、方向転換領域１０の領域（図１参照）は、主に内向き指向力（ｉｎｗａｒｄ−ｐｏｉｎｔｉｎｇ  ｆｏｒｃｅｓ）によって生成され、ビーム操向デバイスの制御を失う可能性を低減する。ピーク加速度を低減するための別の方法は、この遷移ゾーン内のＸ波形およびＹ波形のそれぞれをスムージングする（すなわち、低域通過ろ波する）ことである。これは、より高いイメージフレームレートで特に重要になる。図１および図２の螺旋にには、方向転換領域内のサンプル点同士がより接近して空間分離されることから明らかなように、少量のスムージングを適用している。螺旋の内向きビーム経路と外向きビーム経路の差は、いくつかのガルバニック走査デバイスを加速する際に必要とされる力により、わずかに異なる可能性がある。内向き螺旋または外向き螺旋についてａ項に小さな（すなわち、１に近い）補正率を乗じることにより、そのような差を補正することができる。
【００１９】
図３中の３Ａ〜３Ｃは、方向転換領域がない、代替の連続螺旋パターンを示す。走査パターンは、指定された半径に対して外に螺旋を描き、方向を変えることなしに、シーケンスを再び開始することができる中心へ連続的に内向きに螺旋を描く。内向き螺旋と外向き螺旋から別々のイメージを生成することができる（図３中の３Ａおよび３Ｂ）。このパターンおよびシーケンスは、最高フレームレートにとって最適である。この方法では、すべての偶数フレームについての螺旋データ集合の位置が、奇数フレームについてのサンプル位置と幾分異なることが若干欠点となる。これは、代償として最大フレームレートを半分にすることによって、内向き螺旋サンプルと外向き螺旋サンプルとの組合せから単一のフレームを計算することによって回避することができる（図３中の３Ｃ）。
【００２０】
図４Ａおよび図４Ｂは、それぞれ、図３に示されている螺旋パターンを生成するために使用されるＸ制御信号およびＹ制御信号を示す。制御信号は、一般的には、ビーム操向デバイスを高い周波数で駆動するために最適化された、徐々に変わる振幅／周波数変調正弦波形からなる。
【００２１】
（方向転換領域内を除いて）ほとんどの場合、螺旋に沿ってサンプル点間が均一な距離となるようにすることが望ましい。走査型顕微鏡では、この距離は、サンプル期間中に走査されるエリアの一方の軸に対応する。走査されるエリアの他方の軸の寸法は、（主に対物レンズの開口数と、照明システムの点広がり関数とによって示される照明スポットのサイズによって左右される。螺旋に沿って均一な距離を計算するための解析解は、数学的に困難である。螺旋に沿った距離の積分は、２世紀よりも前にアルキメデスによって部分的に解決されたが（同名である理由）、今日にいたっても完全には解決されていない。しかし、数的には、隣接するサンプル点間の距離Δｄを計算することは可能である。すなわち、
【００２２】
【数１】
2006520022.tif 000003
【００２３】
ここで、ｔが独立変数であり、座標（ｘｉ−１，ｙｉ−１）が、螺旋に沿ったサンプル点ｔｉ−１として計算されている場合には、座標（ｘｉ，ｙｉ）にある次の値ｔｉは、連続する近似スキームによって計算することができる。値ｔｉ−１で開始し、最初に、所望の分離より常に大きい一時的なｔ値を選ぶことにより、ある範囲を確立することができる。実際の増分を約２倍する、増分Δｔ＝ｔｉ−ｔｉ−１についての簡単な式の一例は、
【００２４】
【数２】
2006520022.tif 000004
【００２５】
であり、ただし、ｔｉ−１は順番に表され、Δｄは、所望の分離距離である。次いで、その範囲の２つの終点間の中間にあるｔの値を、上記の距離のための式を使用してテストすることができる。その範囲は、その距離が所望の分離より大きいか、それとも小さいかに基づいて、半分に分割することができる。この二等分探索プロセスは、所望の精度が達成されるまで繰り返すことができる。
【００２６】
いくつかの螺旋投影／撮像応用例（たとえば、マスクレスリソグラフィ）では、各サンプル位置でビーム強度を制御することが望ましい。ビーム変調は、様々な方法（たとえば、シャッタ、ＡＯＤ）で実施することができ、現代の固体レーザの電子変調は、パターン投影のための理想的な方法を提供する。変調は、正確な強度制御を生み出すために、オン／オフすることも、連続（すなわち、アナログ）モードにあるものとすることもできる。異なる波長を有する複数のビームを別々に変調し、組み合わせることにより、多色表示を投影することも可能である。各螺旋位置でデータを獲得するためにも、複数の表示イメージを同時に獲得することが必要となる可能性がある。データ獲得によって得られるものには、（たとえば、光学フィルタを使用する）異なる波長での強度値、または獲得された信号の何らかの他の属性（たとえば、偏光特性、蛍光寿命測定中の励起と発光の間の時間遅延）が含まれる可能性がある。
【００２７】
螺旋パターンからのサンプル後データが、概してほとんどの表示デバイスの２次元グリッドまたは「ラスタ」構造と位置合わせされないことから、イメージを（たとえば、コンピュータ画面上で）生成するために実用上、いくつかの点を考慮する必要がある。螺旋パターン内で収集されたサンプルをラスタ空間にマップするための要件を図５に示す。この場合、蛍光で標識された花粉粒（図６）は、図５に塗り潰された菱形２０によって表された螺旋位置でサンプルされたものである。
【００２８】
螺旋データ集合と、コンピュータモニタ画面やテレビジョン画面など表示デバイスに適したピクセルの２次元グリッドとの間で変換する方法の１つは、最も近いサンプル点の加重平均を使用することである。これは、各２次元表示ピクセルに最も近いｎ個のサンプル済み（すなわち、螺旋）データ点を見つけることによって実行することができる。螺旋点の位置と表示ピクセルの位置の間の距離に対して（たとえば、反比例して）螺旋データ点を重み付けすることにより、グリッド表示内で滑らかに遷移する螺旋データの正確な表現を生成することができる。また、適切な重み付けを行う際は、各位置での重み係数の和が、確実に１に、またはコントラストゲインが望ましい場合、何らかの定数値になるようにする。たとえば、発明者らは、４〜５個の最も近い点を使用すると適切なイメージが生成されることを見出している。図５の位置２０で収集されたデータサンプルの、図６に示されているラスタピクセルへのマッピングは、この方法を使用して実行されたものである。
【００２９】
螺旋データ集合を２次元表示にマップするための第２の一般的な方法は、各サンプル済み（すなわち、螺旋）データ点に最も近いｎ個の２次元表示ピクセルを見つけることによるものである。第１のスキームの場合と同様に、近くのラスタピクセルに対する、新たに獲得された各サンプルの影響を、螺旋点の位置と表示ピクセルの位置の間の距離に対して（たとえば、反比例して）重み付けすることができる。さらに、ピクセルが最後に更新されてから経過した時間を考慮することができる。このスキーマの利点は、ラスタイメージを生成するために必要とされるほとんどの計算を、各サンプルが獲得されたとき、１点ずつ実行することができることである。
【００３０】
螺旋データをラスタイメージにマップするためのスキーマの有意な利点は、サンプルされる「螺旋」データ点の数を、表示ピクセルの数から独立したものとすることができることである。高い時間分解能（すなわち、高いフレームレート）が望ましい場合には、螺旋パターンに沿った少数のデータ点により、ほぼ円形の視野内で、概して均一なサンプル分布を生成することができる。高い空間分解能が望ましい場合には、より多くの螺旋、ならびにその螺旋に沿ったより多くのデータ点を選択する。高速な動的挙動を追跡し、または空間的／時間的な数学モデルを用いて比較を行うと、螺旋パターンを使用して過不足のない空間分解能を選択する一方、時間分解能を最大化することができる。イメージおよびフレームレート当たりサンプル点の数は、連続スケール上で任意の値となるように選ぶことができる（すなわち、単一点を追加する、または減ずることができる）。最大値は、正弦曲線の走査周波数と信号収集制限によって左右されるだけであり、表示デバイスの特性によって左右されない。
【００３１】
走査型共焦点顕微鏡と共に螺旋パターンを使用する一例で計算すると、（十分なフォトンを収集するために）各サンプルが停留時間０．５マイクロ秒を必要とし、適切な空間分解能のために２０００サンプルが必要とされる場合、フレームレート１０００フレーム／秒を達成することができることになる。より高いフレームレートですら、完全にソフトウェア制御下で（すなわち、ハードウェアを修正することなく）選ぶことができる。これに対しラスタ（すなわち、グリッド）パターンを使用する最大の２次元走査速度のほうが、概して、今日の顕微鏡において１桁以上遅くなる。
【００３２】
螺旋法の別の有意な利点は、電気機械走査デバイスからの実際の位置フィードバック信号を使用し、収集された各サンプルの（ｘ，ｙ）位置を示すことである。これは、より高いフレームレートで、コマンド電圧と（位置センサを使用して測定された）実際の位置との間に大きな差があるとき特に重要である。様々な周波数で動作して、あるいは温度の変化または摩耗によりしばしば発生するものなど、走査デバイスの性能のどの変化も、位置フィードバック信号を使用して迂回することができる。また、レンズ、またはビーム経路の他の構成部品によって生成される空間収差に対して、補正を行なうことができる。位置フィードバックを用いる螺旋法を使用すると、もはや、正確なグリッド位置に応答するために時間、またはデータサンプルの位置を正確に制御する要件はない。あらゆるフレーム内のあらゆる位置が、サンプルごとに決定される（また、連続スケール上で調整することができる）。したがって、データ獲得を制御するためにピクセルクロック信号を生成する必要がなく、ラスタ走査システムの方向転換間隔中に発生するような非線形速度の期間中に得られるデータを廃棄する必要もない。
【００３３】
螺旋パターン手法は、（螺旋半径を制御することによる）拡大、（オフセットを追加することによる）ＸＹロケーション、空間分解能（すなわち、螺旋当たりのサンプル数、および螺旋の数）、および（サンプルの数およびサンプルレートを制御することによる）時間分解能すべてをソフトウェア制御下で実施することを可能にする。任意のこれらの特性の切替えは、たとえば、視野内で素早く移動し、または動的に変化する（または両方の組合せの）物体の追跡中に「ズームインする」ため、迅速に行うことができる。高いフレームレートでイメージを獲得し、かつ／または視野の選択された領域内で空間分解能を調整する能力は、高速ミサイルまたは動的に変化する粒子を追跡するために設計された撮像システムの重要な要素である。一例として、図７Ａおよび図７Ｂは、様々な螺旋分解能および様々なフレームレートを使用して収集されたイメージを示す。螺旋の数を減らすと、より高いフレームレートを達成することができ（図７Ａ）、一方、螺旋の数を増やすと、各イメージ内で、より高い空間分解能が生成される（図７Ｂ）。
【００３４】
本発明の代替の実施形態において様々な非ラスタパターンを使用することができる。たとえば、（特定の標本の形状、または他の分析ソフトウェアとの視野互換性のため）より矩形の視野が望ましい場合、下記の式３におけるｐ（または、べき指数）項を０と１の間の値に設定することができる。
【００３５】
ｘ＝ａ・ｔ・ｓｉｎｐ（ｔ）
ｙ＝ａ・ｔ・ｃｏｓｐ（ｔ）      （３）
ここで、ｐ＝０でのパターンは、伸張された方形であり、ｐ＝１は、図３中の３Ａ〜３Ｃの丸いパターンを計算するために使用されている。ｐ＝０．７および０．６を用いた中間の「方形螺旋」パターンを図８および図１２Ｂに示す。ｘ加速度とｙ加速度（それぞれΔ（Δｘ）およびΔ（Δｙ）に関係。図１２Ｂ参照）は共に、丸い隅部近くの領域内で幾分増大するが、多くの場合において、これらは、ビーム操向デバイスの性能仕様内で維持することができる。
【００３６】
図８は、サイン項およびコサイン項が０．７乗される、（図が見やすいように内向き螺旋が除去された）外向き螺旋を示す。個々のｘ制御信号およびｙ制御信号は、図９中の９Ａおよび９Ｂに示されている。このパターンは、均一な間隔を維持するが、方形視野の隅部を充填する。サンプル間の均一な距離のため、ΔｘとΔｙの全体的な振幅（図１０中の１０Ａおよび１０Ｂ）は、周波数から独立したものである。この種類のパターンでは、隅部領域内に（図１１中の１１Ａおよび１１Ｂに示されている、Δ（Δｘ）およびΔ（Δｙ）に比例する）増大した（しかし、特に外部螺旋の領域において管理可能な）加速度が認められる。
【００３７】
図１２Ａおよび図１２Ｂは、丸い（図１２Ａ）螺旋パターンと「方形」（図１２Ｂ）螺旋パターンによってカバーされる使用可能な矩形エリアを示す。図１２Ａおよび図１２Ｂ）の螺旋パターンのどちらも１８回転あり、同じ半径に達する。図１２Ｂの方形螺旋は、ｐ＝０．６を使用して計算されたものである。点線は、その領域内のピクセルすべてについて、最も近いサンプル点の強度推定値を合理的に計算することができるエリアを囲む。この例では、図１２Ｂの方形螺旋の使用可能な矩形エリアが、図１２Ａの丸い螺旋より３０％大きい。
【００３８】
図１３は、ハードウェアの例示的、全体的な構成と、螺旋撮像中のデータの流れとを示す。図１３に示されているハードウェア構成を使用する諸実施形態には、共焦点レーザ走査型顕微鏡、近接場顕微鏡、原子力顕微鏡が含まれる可能性がある。一実施形態において、螺旋パターンは、計算され、デジタル−アナログ変換器１００を介して走査デバイスに送られる。表示イメージを生成する際に使用するために、任意に走査デバイスの実際の位置座標を、アナログ−デジタル変換器１０２を介してコンピュータにフィードバックすることができる。走査デバイス１０４は、計算された螺旋コマンド信号に従って、ビームなどプローブ、および／またはサンプル１０８を移動する。サンプルから収集された信号（たとえば、光）は、カウンタ１１０（たとえば、フォトン計数）および／またはアナログ−デジタル変換１０２を使用して、コンピュータ１０６によって収集される。螺旋パターンを使用して、ビームまたはプローブを偏向すること、またはステージを移動することが可能な様々な撮像デバイスにおいて、自動方式を実施することができる。強度（たとえば、光）信号は、記憶および／または表示用の生データ集合を生成するために、位置座標（コマンドまたはフィードバック）と共に登録される。生螺旋データ集合は、上述のように、加重平均スキームを使用して、ラスタ端末上で表示することができる。単一で、またはビデオシーケンスとして表示されたイメージ１１２は、（螺旋パターンを反映して）概して円形の視野を示す。
【００３９】
図１４は、螺旋制御信号を生成し、螺旋イメージデータを獲得／記憶し、螺旋データを従来の（ラスタ）モニタ上で表示することが可能なアルゴリズムの全体的なフローチャートを示す。このアルゴリズムは、（たとえば、オンライン監視中の）高い表示フレームレートの、または（たとえば、オフライン表示中の）イメージ精度の必要に応じて、（上述のように）様々な技法を使用し、螺旋データをラスタイメージにマップすることができる。
【００４０】
光学顕微鏡応用例では、螺旋手法は、共焦点撮像のために、収集された光のデスキャニングが必要とされる単一フォトン活性化を必要とするか、または発光された光のデスキャニングを必要としないマルチフォトン活性化を使用する蛍光撮像に使用することができる。螺旋移動は、ミラーに結合された閉ループガルバノメータ、圧電作動２軸ミラー、ならびに単軸および２軸ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）マイクロミラーなど、いくつかのビーム操向デバイスを使用して実施することができる。それぞれの場合において、正弦曲線の制御波形により、ビーム操向の速度および精度を改善することが可能になる。
【００４１】
以上、連続的な非ラスタ走査パターンを使用して撮像を実施するための方法および装置について例示し、詳しく述べたが、本発明の諸実施形態に対して、本発明の精神から逸脱することなしに多数の修正を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】約１１００個の点と単一の方向転換領域を有する、塗り潰された菱形記号が、一定の時間速度（ｔｅｍｐｏｒａｌ  ｒａｔｅ）で収集された個々のサンプルの位置を表す、中程度の空間分解能の螺旋パターンの図である。
【図２Ａ】図１の螺旋を生成するために使用されるＸ制御信号の図である。
【図２Ｂ】図１の螺旋を生成するために使用されるＹ制御信号の図である。
【図３】３Ａは、方向転換領域がない、塗り潰された菱形記号がサンプル点の位置を表す、代替の連続螺旋パターンの図である。３Ｂは、方向転換領域がない、塗り潰された菱形記号がサンプル点の位置を表す、代替の連続螺旋パターンの図である。３Ｃは、方向転換領域がない、塗り潰された菱形記号がサンプル点の位置を表す、代替の連続螺旋パターンの図である。
【図４Ａ】図３の螺旋を生成するために使用されるＸ制御信号の図である。
【図４Ｂ】図３の螺旋を生成するために使用されるＹ制御信号の図である。
【図５】螺旋データ獲得シーケンスのサンプル位置の図である。
【図６】図５の螺旋データ点をラスタイメージにマップすることによって生成された蛍光花粉粒のイメージの図である。
【図７Ａ】より高い時間分解能（１０螺旋回転）を使用して収集された蛍光花粉粒のイメージの図である。
【図７Ｂ】より高い空間分解能（４０螺旋回転）を使用して収集された蛍光花粉粒のイメージの図である。
【図８】丸い隅部を有する非ラスタ走査パターンの図である。
【図９】９Ａは、図８に示されている走査パターンを生成するためのｘ制御信号の図である。９Ｂは、図８に示されている走査パターンを生成するためのｙ制御信号の図である。
【図１０】１０Ａは、Ｘ制御信号の全体的な振幅の図である。１０Ｂは、Ｙ制御信号の全体的な振幅の図である。
【図１１】１１Ａは、Ｘ制御信号の加速度の図である。１１Ｂは、Ｙ制御信号の加速度の図である。
【図１２Ａ】丸い螺旋パターンによってカバーされる矩形エリアの図である。
【図１２Ｂ】方形螺旋パターンによってカバーされる矩形エリアの図である。
【図１３】全般的なハードウェア構成、および螺旋撮像中の情報の流れをブロック図形態で示す図である。
【図１４】本発明の一実施形態におけるデータ獲得および表示のための実行シーケンスをフローチャート形態で示す図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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