JP5105486B2 - 対象物の画像を生成するための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、位相が時間的に変化するパターンで対象物を照明可能な照明モジュールと、パターンの位相変化中に対象物の複数の記録を実施する記録モジュールと、記録から画像を生成する処理モジュールとを備えた、対象物の画像を生成する装置に関する。さらに本発明は、位相が時間的に変化するパターンで対象物を照明する工程と、位相変化中の対象物を複数回記録する工程と、記録からの画像を生成する工程とを備えた、対象物の画像を生成する方法に関する。このような装置および方法は、しばしばレーザ顕微鏡検査の分野で使用される。

遠距離場において、または画像エリアの部分的な照明（例えばライン照明）の場合に、共焦点の深度弁別を達成するために、照明の構成を使用できることが知られている。その場合、構造化された照明の位相変位により、深度弁別された光学的断面を算定し、それによって対象物の所望の画像を生成することが可能である。これは例えば、エム．エー．エー．ニールら（Ｍ．Ａ．Ａ．Ｎｅｉｌ ｅｔ ａｌ．）「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｏｂｔａｉｎｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｅｃｔｉｏｎｉｎｇ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌｉｇｈｔ ｉｎ ａ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ」Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２２（２４）１９９７年、１９０５〜１９０７頁に記載されているように、０°、１２０°、および２４０°での３つの位相画像によって達成可能である。

照明の構成においては、照明用ビーム経路内の格子、コヒーレントな部分ビームの干渉、または回折性光学素子の使用が提案されている。これらは融通性の無さという欠点を生じさせる。なぜなら一般的に、レーザ顕微鏡の対物レンズを交換する際には、構成部分も交換する必要があるからである。そのために通常は、別の格子を設け、またはコヒーレントな部分ビームの干渉を変更し、または別の回折性の光学素子を使用しなければならない。

解像度の向上を達成するには、照明側の対物レンズのほぼ限界周波数での構成が必要である。これは大抵、変調度および／または照明側の効率が低い場合にしか達成されない。
さらに、非線形的な試料相互作用を達成すべき場合には、一般的に低い照明強度（特に前述の解像度向上の際の照明側の低い効率）は不利である。

このため本発明の課題は、上記の欠点が完全と言えるほど克服できるように、冒頭に挙げた種類の画像生成装置および冒頭に挙げた種類の画像生成方法を改善することである。

この課題は、冒頭に挙げた種類の装置において、照明モジュールが光ビームを対象物の上で移動させ、ビームがスキャンしながらパターンを生じさせるように光ビームの強度を移動に同期して変調させることによって解決される。

パターンによって予め定められた周波数および照明分布に関係なく、常に完全な変調（変調度１）が達成可能である。さらにパターンに関係なく照明強度の最大化が可能であり、これは特に、非線形的な相互作用の場合に有利である。この最大化は、特に回折によって制限された合焦を実施することによって達成可能である。それは例えば、点状または線状の焦点である。

試料の上または中に生じさせるパターンは、好ましくは周期的なパターン（周期的な強度分布）とすることができる。これにより、特に容易に、記録から対象物の画像（つまり特に、所望の深度弁別された光学的断面）を算定または生成することが可能である。

記録モジュールは、ビームの移動に同期して、光ビーム（または光学的ビーム）によって発生した試料放射を空間分解して検出する平面検出器を備えることができる。試料放射とは、試料の上または中に合焦され試料の上を移動される光ビームと試料の相互作用によって発生する放射である。それは特に、蛍光、反射光、ルミネセンス光、散乱光、および／または透過光であり得る。

平面検出器は、マトリクス検出器またはライン検出器として形成可能である。
照明モジュールは、時間的に線形に、または時間的に周期的にも、位相を変化させることが可能である。周期的な変化としては、特にサイン形またはコサイン形の位相変化を実施し得る。

照明モジュールは、強度変調のために光学スイッチを備えていてもよく、特にＡＯＭ（音響光学変調器）またはＥＯＭ（電気光学変調器）を使用可能である。
さらに、この装置は、対象物内の様々な深度での対象物の照明を、その深さでのビームの合焦によって行い、様々な深度のそれぞれで、複数の記録を実行し、それによって処理モジュールが対象物の様々な深度からの画像を生成できるように、照明モジュールと、記録モジュールと、処理モジュールとを制御する制御モジュールを備えることができる。もちろん様々な深度からの画像は、３次元表示の生成にも利用可能である。

照明モジュールは、互いに間隔をあけて対象物上に合焦させ、対象物の上を移動される複数の光ビームを発生させることが可能であり、その際、ビームがスキャンしながらパターンを生じさせるようにビームの強度を移動に同期して変化させる。互いに間隔をあけた複数のビームを使用することにより、対象物を時間的により速く照明可能である。

本発明による対象物の画像生成装置は、特に顕微鏡として形成される。この顕微鏡は走査型レーザ顕微鏡であり得る。
上記の課題はさらに、冒頭に挙げた種類の方法であり、照明工程において、強度が時間的に変調される光ビームを対象物の上で移動させ、その際、ビームがスキャンしながらパターンを生じさせるように光ビームの移動と強度変調を同期させることが可能である方法によって解決される。

この方法により、パターンの形状に関係なく常に完全な変調（変調度１）が達成可能である。さらに、パターンに関係なく照明強度を最大化することが可能である。例えばビームを、特に点状または線状に、回折によって制限されて合焦させることが可能である。このパターンは、特に周期的なパターンであり得る。

さらに、例えば照明モジュールの光学素子（例えば対物レンズ）の交換により必要な場合に、パターンを素早く変化させることが可能である。
特に、対象物を記録するために、ビームの移動に同期して、ビームによって発生される試料放射を空間分解して検出することが可能である。このために従来の位置分解する検出器が使用可能である。特にライン検出器または平面検出器が使用可能である。

位相の時間的変化は、例えば線形にまたは周期的に行われ得る。特にコサイン形またはサイン形の時間的な位相変化が実施可能である。
照明工程、記録工程、および生成工程は、複数回の実施が可能であり、その際、様々な照明工程において、試料の様々な深度にビームの合焦を実施することにより、試料の様々な深度からの画像が生成可能である。もちろん、これらの画像は、試料の３次元画像を生成するためにも利用可能である。

さらに、この方法において、強度が時間的に変調できる複数の光ビームを、互いに間隔をあけて対象物上に合焦させ、共に対象物の上を移動させ、その際、ビームがスキャンしながらパターンを生じさせるようにビームの移動と強度変調を同期させる。複数のビームを使用することにより、パターンをより速く生じさせることが可能で、これによって、全体的に画像生成が加速される。

本発明による対象物の画像生成方法は、特に顕微鏡検査方法である。この顕微鏡検査方法は、走査型レーザ顕微鏡検査方法であり得る。
光ビームには、ここでは特に波長がＵＶ領域からＩＲ領域の光ビームが考慮される（例えば３００ｎｍ〜１．５μｍの範囲）。

以下に、例として添付された図１に基づき本発明をさらに詳しく説明する。
図１に示された実施形態では、対象物の画像生成装置は走査型レーザ顕微鏡として形成されており、ビーム発生モジュール１と、スキャン・モジュール２と、対物レンズ３と、記録モジュール４と、処理モジュール５と、制御モジュール６とを含んでいる。

ビーム発生モジュール１がレーザ・ビームＳ１を発生させ、このレーザ・ビームが、スキャン・モジュール２ならびにスキャン・モジュール２と対物レンズ３の間に接続されたビーム・スプリッタ７を介し、かつ対物レンズ３を介して、試料８上に向けられ、その際、スキャン・モジュール２が、試料８上でレーザ・ビームを偏向させる。

ビーム発生モジュール１は、スキャン・モジュール２および対物レンズ３と共に照明モジュールを形成しており、この照明モジュールは、発生されたレーザ・ビームまたはレーザ光線束Ｓ１を、試料８の上または好ましくは所定の深度に合焦させ偏向させる。ここで説明している実施形態では、回折によって制限された点状の合焦を実施する。スキャン・モジュール２は、試料を平面的に照明するために、レーザ・ビームＳ１を２つの異なる方向に偏向させる。以下でさらに詳しく説明するように、ビーム発生モジュール１は、合焦されたレーザ・ビームＳ１が、試料の上または中で所定の位置的な強度変化を伴う照明を生じさせるように、スキャン・モジュール２の偏向に同期して、強度変調されたレーザ・ビームＳ１を発生させる。これは試料の上または中にパターンを結像させる。さらに加えて、パターンの位相を時間的に変化させる。

このように変調されたレーザ・ビーム（または光ビーム）Ｓ１を発生させるために、ビーム発生モジュール１は、強度変調のための光学スイッチ９およびビーム整形のための光学系１０が後段に接続されたレーザ８を含んでいる。制御モジュール６は、所望の照明パターンが生じ、その位相が（好ましくは周期的に）変化するように、ビーム発生モジュール１（ここでは光学スイッチ９およびスキャン・モジュール２）を制御する。この照明パターン自体が、好ましくは位置的に周期的なパターンでもあり得る。

このように照明された試料８内では、変調されたレーザ・ビームＳ１と試料８の相互作用に基づいて試料光Ｓ２が発生し、この試料光は、対物レンズ３およびビーム・スプリッタ７を介して記録モジュール４に達する。ここで記録モジュールは、記録光学系１１および検出器１２を含んでいる。点状の合焦により、常に試料の一点のみが照明され、この点の試料光Ｓ２が検出器１２によって記録される。こうして生成されたデータは処理モジュール５に送られ、この処理モジュールは、様々な位相位置での様々な記録に基づき、深度弁別された断面を算定可能である。

あるいは、ビーム発生モジュール１は、試料８内に線状の焦点を発生させるように形成されてもよい。この場合、スキャン・モジュール２は、線状の焦点の延長方向に垂直に偏向を引き起こすように形成されるので、やはり試料全体がスキャンされながら照明される。この場合、常にまっすぐに照明された線状の区間からの試料光を位置分解して検出し得るように、検出器１２は、少なくとも１つの線状の検出器でもなければならない。

前述の異なる位相位置（例えば０°、１２０°、および２４０°）での記録の他に、試料光Ｓ２の同相分および試料光Ｓ２の異相分を、記録モジュール４内で空間的に分離して、両方の部分を２つの異なる検出器（例えば位置分解するライン検出器）上に向けることも可能である。例えば独国特許出願公開第１０２５４１３９号明細書に詳細に記載されているように、照明パターンの変化数が多い場合、その同相および異相の両方の信号から、深度弁別された光学的断面を算定することも可能である。同相分と異相分の空間的分離は、特に独国特許出願公開第１０２５４１３９号明細書の図４に関して記載されているのと同じ方法で実施可能である。

走査型レーザ顕微鏡として形成された対象物の画像生成装置を示す図。

Claims (16)

1. 対象物の画像を生成するための装置であって、
   位相が時間的に変化するパターンで該対象物を照明可能な照明モジュール（１）と、
   該パターンの該位相変化中に該対象物の複数の記録を実行する記録モジュール（４）と、
   該記録から該画像を生成する処理モジュール（５）とを備える装置において、
   該照明モジュール（１）を制御して、光ビーム（Ｓ１）を該対象物の上で移動させて、該ビームがスキャンしながら該パターンを生じさせるように該光ビームの強度を該光ビームの移動に同期して変調させる制御モジュール（６）を備えることを特徴とする装置。
2. 前記照明モジュール（１）が、前記ビーム（Ｓ１）を前記試料上に回折によって制限されて合焦させることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記照明モジュール（１）が、前記光ビーム（Ｓ１）を前記試料上に、点状または線状に合焦させることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記記録モジュール（４）が、前記ビーム（Ｓ１）の前記移動に同期して、前記ビームによって発生した試料放射（Ｓ２）を空間分解して検出する平面検出器（１２）を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記平面検出器（１２）が、マトリクス検出器またはライン検出器として形成されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記照明モジュール（１）が、前記位相を時間的に線形にまたは周期的に変化させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記照明モジュール（１）が、前記強度変調のための光学スイッチ（９）を備えていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記対象物内の様々な深度での前記対象物の前記照明を、前記深度への前記ビームの合焦によって行い、前記様々な深度のそれぞれで、複数の記録を実行することにより、前記処理モジュール（５）が前記対象物の様々な深度からの画像を生成できるように、前記制御モジュール（６）は、前記照明モジュールと、前記記録モジュールと、前記処理モジュールと（１、４、５）を制御することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置。
9. 複数の光ビームを発生させ、互いに間隔をあけて前記対象物上に合焦させ、前記対象物の上で移動させ、その際、前記ビームがスキャンしながら前記パターンを生じさせるように、前記ビームの前記強度を前記移動に同期して変化させるように前記制御モジュール（６）が前記照明モジュール（１）を制御することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の装置。
10. 対象物の画像を生成するための方法であって、
    照明モジュール（１）により位相が時間的に変化する周期的なパターンで該対象物を照明する工程と、
    該位相変化中の該対象物を複数回記録する工程と、
    該記録から該画像を生成する工程とを備える方法において、
    制御モジュール（６）により前記照明モジュール（１）を制御して、強度が時間的に変調される光ビームを該対象物の上で移動させ、その際、該ビームがスキャンしながら該パターンを生じさせるように該光ビームの該移動に同期して該光ビームの強度を変調させることを特徴とする方法。
11. 前記ビームが、前記照明工程において回折によって制限されて合焦されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記ビームが、前記照明工程において点状または線状に合焦されることを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。
13. 前記対象物の前記記録のために、前記ビームの前記移動に同期して、前記ビームによって発生される試料放射を空間分解して検出することを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記位相の前記時間的変化が、線形にまたは周期的に行われることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記照明工程、前記記録工程、および前記生成工程が複数回実施され、その際、前記様々な照明工程において、前記試料の様々な深度に前記光ビームの合焦が行われ、それによって、前記試料の前記様々な深度からの画像が生成できることを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記制御モジュール（６）により前記照明モジュール（１）を制御して、強度が時間的に変調される複数の光ビームを、互いに間隔をあけて前記対象物上に合焦し、該複数の光ビームを共に前記対象物の上で移動させ、その際、該ビームがスキャンしながら前記パターンを生じさせるように、該光ビームの該移動に同期して該光ビームの強度を変調させることを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載の方法。

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