画像生成装置
【課題】簡易な装置構成で分解能が向上された試料のパターン像を得ること。
【解決手段】この画像生成装置１は、レーザ光を出射するレーザ光源３と、レーザ光の強度を変調させるレーザ出力制御部１１と、レーザ光の被測定物Ａへの照射位置を走査するレーザスキャナ５と、被測定物Ａに複数の空間変調パターンの照明光を照射するように制御する変調パターン制御部１５と、複数の空間変調パターンの照明光の照射に応じて被測定物Ａから生じる電気信号を検出する電気信号検出器７と、照明光の照射位置に関する照明位置情報と、検出された信号の特性に関する特性情報とが対応付けられた特性分布情報を含む２次元特性画像を生成する電気信号画像化部１７と、複数の空間変調パターンに対応して生成された複数の特性画像を基に、被測定物Ａのパターン画像を生成する画像データ演算部１９とを備える。
【解決手段】この画像生成装置１は、レーザ光を出射するレーザ光源３と、レーザ光の強度を変調させるレーザ出力制御部１１と、レーザ光の被測定物Ａへの照射位置を走査するレーザスキャナ５と、被測定物Ａに複数の空間変調パターンの照明光を照射するように制御する変調パターン制御部１５と、複数の空間変調パターンの照明光の照射に応じて被測定物Ａから生じる電気信号を検出する電気信号検出器７と、照明光の照射位置に関する照明位置情報と、検出された信号の特性に関する特性情報とが対応付けられた特性分布情報を含む２次元特性画像を生成する電気信号画像化部１７と、複数の空間変調パターンに対応して生成された複数の特性画像を基に、被測定物Ａのパターン画像を生成する画像データ演算部１９とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物に空間変調された光を照射することにより画像を生成する画像生成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体デバイス等に空間変調された光を照射してその結果生じた像を観察する光学装置が用いられている。例えば、下記特許文献１には、光源装置からの光を回折格子を通して試料に照射して、そのときの試料像をＣＣＤカメラで撮像する光学装置が記載されている。また、この光源装置は、回折格子を等速度で回折格子の縞と垂直な方向に移動しながら撮像することで複数の変調像を得た後に、それらの変調像を画像処理することで試料の像を形成する。また、下記特許文献２には、試料に空間変調された光を照射するために、照明光の光路中にＳＬＭ（Spatial Light Modulator）を配置した顕微鏡装置も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１１７０１０号公報
【特許文献２】特開２００７−１９９５７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の画像生成用の装置では、試料に空間変調された光を照射し、その結果生じた試料の像を、対物レンズや結像レンズ等を含む光学系を通じて撮像するため、最終的に生成する試料の二次元像の分解能を上げることに限界が生じる。すなわち、試料の二次元像の分解能は、光学系の光学的性能と二次元撮像装置のピクセル分解能と感度によって上限値が決まってしまう傾向にある。
【０００５】
そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、簡易な装置構成で分解能が向上された試料のパターン像を得ることが可能な画像生成装置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】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の画像生成装置は、被測定物の画像を生成する画像生成装置であって、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光の強度を変調させるレーザ変調部と、レーザ光の被測定物への照射位置を走査するレーザ走査部と、被測定物に複数の空間変調パターンの照明光を照射するように、レーザ変調部及びレーザ走査部を制御する制御部と、複数の空間変調パターンの照明光の照射に応じて被測定物から生じる信号を検出する検出部と、制御部によって制御された照明光の照射位置に関する照射位置情報と、照射位置におけるレーザ光の照射に応じて検出部によって検出された信号の特性に関する特性情報とが対応付けられた特性分布情報を生成し、空間変調パターンに対応して複数の特性分布情報を含む２次元特性画像を生成する信号生成部と、複数の空間変調パターンに対応して生成した複数の２次元特性画像を基に、被測定物のパターン画像を生成する画像処理部と、を備える。
【０００７】
このような画像生成装置によれば、レーザ光源から発せられたレーザ光が、レーザ変調部によってその強度が変調されると同時に、レーザ走査部によって、半導体デバイスや生物試料などの被測定物への照射位置が走査されながら、被測定物に照射される。このとき、制御部によって、被測定物に複数の２次元空間変調パターンの照明光が照射されるようにレーザ変調部およびレーザ走査部が制御されながら、検出部によって被測定物から生じる信号が検出される。さらに、信号生成部によって、それぞれの空間変調パターンに対応して、照明光の照射位置に関する情報とその照射位置における照明光の照射に応じて検出された信号の特性に関する情報が対応付けられた特性分布情報が生成されるとともに、それぞれの空間変調パターンに対応して２次元特性画像が生成され、画像処理部によって、複数の２次元特性画像を基に被測定物のパターン画像が生成される。これにより、被測定物からパターン画像を取得する際に対物レンズや結像レンズ等を含む光学系を通す必要がないので、試料のパターン像の分解能を容易に向上させることができる。それに加えて、被測定物に照射する照明光の空間変調パターンの位相および向きを容易に変更することができ、所望の位置および向きの高解像度画像を素早く得ることができる。
【０００８】
検出部は、被測定物から生じる電気信号を検出し、信号生成部は、照明光の照射位置情報と、電気信号の特性に関する特性情報とが対応付けられた特性分布情報を生成する、ことが好適である。この場合、被測定物へのレーザ光の照射に伴って生じる光起電流値等の電気特性を、被測定物におけるパターン像として取得することができ、半導体等の電気素子の特性解析の精度を向上させることができる。
【０００９】
また、検出部は、被測定物から生じる光信号を検出し、信号生成部は、照明光の照射位置情報と、光信号の特性に関する特性情報とが対応付けられた特性分布情報を生成する、ことも好適である。かかる構成を採れば、被測定物へのレーザ光の照射に伴って生じる反射光や蛍光等の光の特性を、被測定物における分解能が向上されたパターン像として取得することができる。
【００１０】
さらに、レーザ光源からのレーザ光は、被測定物において多光子吸収が可能な波長を含む、ことも好適である。こうすれば、被測定物に与える効果は、スポット形状を、2光子であれば2乗、3光子であれば3乗したものと同等となり、発生する信号は実効的に小さなスポットでスキャンしたと同じ事となり、変調の縞を細かくすることができ、分解能をさらに向上させることが可能となる。
【００１１】
またさらに、レーザ変調部は、レーザ光の強度を三角関数に従って変化するように変調させることも好適である。かかるレーザ変調部を備えれば、空間変調パターンの形成が容易になる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、簡易な装置構成で分解能が向上された試料のパターン像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る画像生成装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の変調パターン制御部によって規定される照明光の空間変調パターンを示す概念図である。
【図３】図１の変調パターン制御部によって規定される照明光の空間変調パターンを示す概念図である。
【図４】図１の変調パターン制御部によって規定される照明光の空間変調パターンを示す概念図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る画像生成装置の構成を示すブロック図である。
【図６】図５の画像生成装置の光信号検出器の周辺の詳細構成を示す概略構成図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る画像生成装置の構成を示すブロック図である。
【図８】図７の画像生成装置の光信号検出器の周辺の詳細構成を示す概略構成図である。
【図９】本発明の変形例である光学系を示す概略構成図である。
【図１０】本発明の変形例であるレーザ光源を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る画像生成装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る画像生成装置１の構成を示すブロック図である。図１に示す画像生成装置１は、半導体デバイス等の電気素子である被測定物に対して複数の空間変調パターンに基づいて照明光を走査し、それに応じて被測定物Ａから生じる電気信号の複数の特性分布を検出し、それらの複数の特性分布を基にして被測定物の高解像度パターン像を得るための装置である。この画像生成装置１は、レーザ光を出射するレーザ光源３と、レーザスキャナ（レーザ走査部）５と、被測定物Ａから生じる電気信号を検出する電気信号検出器（検出部）７と、レーザ光源３からのレーザ光を被測定物Ａに向けて導光する光学系９と、レーザ光源３の出力強度を制御するレーザ出力制御部（レーザ変調部）１１と、レーザスキャナ５の動作を制御するスキャナ制御部１３と、被測定物Ａに照射される空間変調パターンを制御する変調パターン制御部１５と、電気信号検出器７によって検出された電気信号の電気特性を画像化する電気信号画像化部（信号生成部）１７と、電気信号画像化部１７によって生成された画像化信号を用いて被測定物Ａのパターン画像を生成する画像データ演算部（画像処理部）１９とを備えている。
【００１６】
詳細には、光学系９は、リレーレンズ２１、ミラー２３、及び対物レンズ２５から構成されている。リレーレンズ２１は、レーザスキャナ５によって照射角度が振られたレーザ光を対物レンズ２５まで効率よく導くための光学系であり、対物レンズ２５の射出瞳をレーザスキャナ５の反射面に投影することにより、レーザスキャナ５を反射されたレーザ光を対物レンズ２５に確実に到達させる役割を有する。ここでは、ミラー２３は用いなくてもよい。
【００１７】
レーザスキャナ５は、レーザ光の進行方向を変更することによりその照射位置を２次元的に走査させる光学装置である。すなわち、レーザスキャナ５は、リレーレンズ２１に向けて入射するレーザ光の入射角度を変更することにより、光学系９を介して照射されるレーザ光の照射位置を、被測定物Ａの表面上で２次元的に走査させる。このようなレーザスキャナ５としては、互いの回転軸が直交する２つのミラーを有し、それらの回転角が電気的に制御可能にされたガルバノメータミラーを用いることができる。その他、レーザスキャナ５としては、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラー、ＡＯＤ（音響光学偏向器）、レゾナントスキャナ（共振型ガルバノメータスキャナ）、ＥＯスキャナ（電気光学的光偏向器）等を採用することもできる。
【００１８】
ここで、レーザ光源３から出力されるレーザ光の強度は、レーザ光源３に接続されたレーザ出力制御部１１からの制御信号によって変調可能に構成されており、レーザスキャナ５によるレーザ光の被測定物Ａの表面の照射位置は、レーザスキャナ５に接続されたスキャナ制御部１３からの制御信号によって変更可能に構成されている。さらに、レーザ出力制御部１１およびスキャナ制御部１３には変調パターン制御部１５が接続され、変調パターン制御部１５によって、被測定物Ａに予め決められた複数の空間変調パターンに基づいて照明光が走査されるように、レーザ出力制御部１１およびスキャナ制御部１３が制御される。
【００１９】
次に、図２〜図４を参照して、変調パターン制御部１５によって規定される照明光の空間変調パターンについて例示する。
【００２０】
図２〜４には、変調パターン制御部１５によって規定された空間変調パターンの被測定物Ａに対する照射状態を示している。図２に示すように、まず、変調パターン制御部１５は、被測定物Ａの平面に沿った所定方向であるＸ軸方向に沿ってレーザ光の照射位置を移動させるように制御すると同時に、Ｘ軸方向の強度分布が三角関数（ｓｉｎ関数、又はｃｏｓ関数）に従って周期的に増減するようにレーザ光の照射強度を変調させる。同図において、矢印は、レーザ照射位置の変更状態を示している。これにより、Ｘ軸方向に沿って幅Ｗ１で周期的に変調された帯状照射パターンＬ１が形成される。続けて、変調パターン制御部１５は、Ｘ軸に垂直なＹ軸に沿った方向にレーザ照射位置をずらした後に、レーザ光の照射位置のＸ軸方向に沿った移動とレーザ光強度の変調を制御して帯状照射パターンＬ１の形成を繰り返す。その結果、Ｙ軸方向に沿った所望のピッチＷ１の縞模様を有する空間変調パターンを生成することができる。なお、レーザ光の強度は、周期的なＯＮ―ＯＦＦで変調されてもよい。
【００２１】
また、図３に示すように、変調パターン制御部１５は、Ｘ軸に沿った帯状照射パターンＬ２の空間的な位相を、Ｙ軸方向において隣接するパターン間で徐々にシフトさせるようにレーザ光強度の変調を制御することもできる。この場合は、Ｙ軸方向に対して所望の角度θ２だけ傾斜する所望のピッチＷ２の縞模様に近似される空間変調パターンを生成することができる。さらに、図４に示すように、変調パターン制御部１５は、Ｘ軸に沿った１回のレーザ光の走査の間のレーザ光の照射強度を均一にし、Ｙ軸方向に配列される複数の帯状照射パターン間で照射強度が変調されるように制御することもできる。この場合、Ｘ軸方向に沿った所望のピッチＷ３の縞模様を有する空間変調パターンを生成することができる。なお、空間変調パターンとしては、ｎ回回転対称(ｎは３以上)の縞状パターンがよい。
【００２２】
上記のような空間変調パターンを有する照明光の照射タイミングに合わせて、電気信号検出器７は、被測定物Ａから生じる光起電流等の電気信号を検出する。例えば、電気信号検出器７は、レーザ光の照射に応じて生じる光起電流の電流値等の特性値を、被測定物Ａの２端子間の電圧変化として検出する。電気信号画像化部１７は、電気信号検出器７及び変調パターン制御部１５に接続されており、電気信号検出器７によって検出された特性値を画像化する。すなわち、電気信号画像化部１７は、特性値が検出された時の被測定物Ａ上のレーザ光の照射位置をＸＹ座標などの照射位置情報として特定する。そして、電気信号画像化部１７は、その照射位置情報と、該当の照射位置におけるレーザ光の照射に応じて検出された電気信号の特性値に関する特性情報とが対応付けられた特性分布情報を生成する。さらに、電気信号画像化部１７は、被測定物Ａに照射されたそれぞれの空間変調パターンに対応して、複数の特性分布情報を含む２次元特性画像を生成する。例えば、電気信号画像化部１７は、各特性値が被測定物Ａ上の座標毎に配列された２次元の特性画像信号を生成する。図２〜図４に示すような空間変調パターンが時間的に連続して形成される場合には、電気信号画像化部１７は、それぞれの空間変調パターン毎に別々の特性画像を生成する。
【００２３】
電気信号画像化部１７によって生成された複数の特性画像は、画像データ演算部１９によって画像処理が施される。例えば、画像データ演算部１９は、被測定物Ａの表面にＹ軸方向に沿った縞模様の空間変調パターンを、所望の周波数で空間位相を変化させながら照射させ、複数の特性画像を得る。そのとき得られる複数の特性画像は、照明光による縞模様と被測定物Ａの構造に起因する特性画像とのモアレ（干渉縞）成分として得られ、被測定物Ａの微細構造に起因する空間高周波成分は、モアレとして低周波成分に変換され現れる。そこで、画像データ演算部１９は、複数の特性画像から得られた特性分布から、照射された空間変調パターンの周波数情報をもとに、実際の被測定物Ａの構造に起因する本来の特性分布画像を生成する。そして、画像データ演算部１９は、４方位に沿った複数の空間変調パターンを、所望の周波数で空間位相を変化させながら照射させ、同様の画像処理をおこなうことで複数の特性分布画像を作成し、複数の特性分布画像から４方位に解像度が高められた高解像度のパターン画像を生成することができる。
【００２４】
以上説明した画像生成装置１によれば、レーザ光源３から発せられたレーザ光が、レーザ出力制御部１１によってその強度が変調されると同時に、レーザスキャナ５によって被測定物Ａへの照射位置が走査されながら、被測定物Ａに照射される。このとき、変調パターン制御部１５によって、被測定物Ａに複数の２次元空間変調パターンの照明光が照射されるようにレーザ出力制御部１１およびレーザスキャナ５が制御されながら、電気信号検出器７によって被測定物Ａから生じる電気信号が検出される。さらに、電気信号画像化部１７によって、それぞれの空間変調パターンに対応して、照明光の照射位置に関する情報とその照射位置における照明光の照射に応じて検出された電気信号の特性に関する情報が対応付けられた特性分布情報が生成されるとともに、それぞれの空間変調パターンに対応して２次元特性画像が生成され、画像データ演算部１９によって、複数の２次元特性画像を基に被測定物Ａのパターン画像が生成される。これにより、被測定物Ａからパターン画像を取得する際に対物レンズや結像レンズ等を含む光学系を通す必要がないので、試料のパターン像の分解能を容易に向上させることができる。
【００２５】
また、画像生成装置１によれば、回折格子等を駆動する複雑な駆動機構を必要とせずに、被測定物Ａの高解像度パターン画像を簡易に取得することができる。つまり、本実施形態では簡単な光学系とレーザスキャナ等を搭載するだけで済む。それに加えて、変調パターン制御部１５の制御によって、被測定物に照射する照明光の空間変調パターンの位相および向きを容易に変更することができ、所望の位置および向きの高解像度画像を素早く得ることができる。これに対して、空間変調パターン生成用としてＳＬＭ（Spatial Light Modulator）を用いた従来装置では、任意の方向に任意の角度で回折させるためには非常に微細なＳＬＭが必要となる。例えば、試料上に投影する縞の位相を３種類に変更する場合は、解像限界の縞の本数×３の一軸方向のピクセル数が必要となる。さらに、軸に対する斜め方向にも縞を形成したい場合には、ピクセル形状が矩形であるために、縞のピッチにピクセルを合わせるのにさらに３倍のピクセル数が必要になる。その結果、従来装置では高価なＳＬＭが必要になる。また、ＳＬＭにおける光の透過／反射ロスや、ピクセルの継ぎ目におけるロス、０次光、高次光の問題も発生する。
【００２６】
さらに、レーザ光を２次元的に走査して変調する手法を取ることにより、被測定物Ａが２光子吸収などの多光子吸収を起こすものや、第２次高調波（SHG）を発生するものなど、非線形な反応を示すものに対しては、それらの反応が起こりやすい。その結果、例えば２光子吸収などを利用すればさらに高分解能化された画像化も可能になる。
【００２７】
さらに、レーザ出力制御部１１がレーザ光の強度を三角関数に従って変化するように変調させるので、空間変調パターンの形成が容易になる。
【００２８】
［第２実施形態］
図５は、本発明の第２実施形態に係る画像生成装置１０１の構成を示すブロック図である。同図に示す画像生成装置１０１は、半導体デバイス等の被測定物に対して複数の空間変調パターンの照明光を照射し、それに応じて被測定物Ａから生じる反射光を光信号として検出し、その光信号の特性分布を基にして被測定物の高解像度パターン像を得るための装置である。この画像生成装置１０１の第１実施形態との相違点は、電気信号検出器７及び電気信号画像化部１７の代わりに、光信号検出器１０７及び光信号画像化部１１７を備える点である。
【００２９】
すなわち、光信号検出器１０７は、被測定物Ａから生じる反射光等を光信号として検出する。例えば、光信号検出器１０７は、反射光の強度等の特性値を電気信号として出力する光電子増倍管や光電管等の光電変換器である。また、光信号画像化部１１７は、光信号検出器１０７によって検出された光信号の特性値に関する特性情報と、その特性値が検出された時の被測定物Ａ上のレーザ光の照射位置情報とが対応付けられた特性分布情報から、複数の特性分布情報を含む２次元特性画像(特性画像)を、複数の空間変調パターンごとに生成する。
【００３０】
図６には、画像生成装置１０１の光信号検出器１０７の周辺の詳細構成を示している。同図に示すように、光ファイバで構成されるレーザ光源３の出射口及び光信号検出器１０７と、レーザスキャナ５の間にはビームスプリッタ３１が配置されている。このビームスプリッタ３１は、レーザスキャナ５を経て入射する被測定物Ａからの反射光および散乱光を透過して光信号検出器１０７に導くと同時に、レーザ光源３からのレーザ光を反射してレーザスキャナ５を経由して被測定物Ａ側に導くことにより、反射光および散乱光の光路をレーザ光の光路と分離する。このようなビームスプリッタ３１としては、反射率および透過率が１：１の関係を有するハーフミラーや８：２等の所定の関係を有するものが用いられる。また、レーザ光が所定の偏光成分を有する場合には、ビームスプリッタ３１として、偏光ビームスプリッタを用いることもできる。この場合は、偏光ビームスプリッタと対物レンズ２５との間に、１／４波長板を挿入する。これにより、偏光ビームスプリッタ側から直線偏光のレーザ光が入射した場合に、円偏光に変換して被測定物Ａに照射することができるとともに、被測定物Ａからの反射光が再び１／４波長板を透過する際に、その反射光を入射時とは９０度異なる直線偏光に変換することができる。その結果、反射光を偏光ビームスプリッタに透過させて光信号検出器１０７側に導くことができる。
【００３１】
また、光信号検出器１０７とビームスプリッタ３１との間には、空間フィルタ３５と集光レンズ３３とが配置されている。空間フィルタ３５は、レーザ光源３のファイバの端面と共役な位置に置かれて共焦点光学系を形成し、そのフィルタ径がファイバ端面と共役な面に作られるビームスポット径とほぼ等しくなるように設定されている。この空間フィルタ３５は、被測定物Ａから光学系を経て戻ってきた反射散乱光のうち、焦点から外れた部分からの反射散乱成分を遮断する。
【００３２】
以上説明した画像生成装置１０１によれば、被測定物Ａへの空間変調パターンの照射に伴って生じる反射散乱光の特性を、被測定物における分解能が向上されたパターン像として取得することができる。それに加えて、変調パターン制御部１５の制御によって、被測定物に照射する照明光の空間変調パターンの位相および向きを容易に変更することができ、所望の位置および向きの高解像度イメージ画像を素早く得ることができる。
【００３３】
［第３実施形態］
図７は、本発明の第３実施形態に係る画像生成装置２０１の構成を示すブロック図である。同図に示す画像生成装置２０１は、細胞等の被測定物に対して複数の空間変調パターンの励起光を照射し、それに応じて被測定物Ａから生じる微弱な蛍光を光信号として検出し、その光信号の特性分布を基にして被測定物の高解像度パターン像を得るための装置である。この画像生成装置２０１は、光信号検出器の周辺の構成が第２実施形態と異なる。
【００３４】
すなわち、光信号検出器２０７としては、微弱な蛍光の強度等の特性値を電気信号として出力することが可能な光電子増倍管等の光電変換器が用いられる。また、図８に示すように、レーザ光源３の出射口及び光信号検出器２０７と、レーザスキャナ５の間にはビームスプリッタの代わりにダイクロイックミラー４１が配置される。このダイクロイックミラー４１は、レーザスキャナ５を経て入射する被測定物Ａからの蛍光を透過して光信号検出器２０７に導くと同時に、レーザ光源３からのレーザ光を反射してレーザスキャナ５を経由して被測定物Ａ側に導くことにより、蛍光の光路をレーザ光の光路と分離する。このダイクロイックミラー４１は、励起光をレーザスキャナ５に向けて反射し、被測定物Ａから生じた蛍光を透過する機能を有し、短波長反射および長波長透過の光学特性を有する誘電体多層膜を含むミラーである。
【００３５】
また、レーザ光源３とダイクロイックミラー４１との間には、励起波長選択用フィルタ４３が設けられている。この励起波長選択用フィルタ４３は、被測定物Ａの蛍光励起特性に合わせ、レーザ光源３の波長からその特性に合う波長を選択するために設けられる。
【００３６】
さらに、光信号検出器２０７とダイクロイックミラー４１との間には、バリアフィルタ４５が設けられる。このバリアフィルタ４５は、光信号検出器２０７による蛍光の検出時に、光信号検出器２０７に向けて励起光が到達しないように励起光をカットする。このバリアフィルタは、励起光の波長成分を吸収、反射することによりカットし、蛍光の波長成分を透過させる性質を有し、長波長透過性を有するハイパスフィルタ、又は、蛍光の波長成分のみを透過させるバンドパスフィルタである。
【００３７】
このような画像生成装置２０１によれば、被測定物Ａへの空間変調パターンの照射に伴って生じる蛍光の特性を、被測定物における分解能が向上されたパターン像として取得することができる。それに加えて、変調パターン制御部１５の制御によって、被測定物に照射する照明光の空間変調パターンの位相および向きを容易に変更することができ、所望の位置および向きの高解像度イメージ画像を素早く得ることができる。
【００３８】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、被測定物Ａに照射される空間変調パターンのコントラストを上げるために、照明光を導光するための光学系の構成として、図９に示すような構成を採用してもよい。
【００３９】
詳細には、レーザ光源３とレーザスキャナ５との間にアキシコン２１１およびコンバータレンズ２１２を挿入してもよい。アキシコン２１１は、円錐形のプリズムであり、レーザ光源３から出射された断面円形の平行ビームを断面がリング状のビームに変換する光学素子である。コンバータレンズ２１２は、アキシコン２１１から出射されたリング状のビームをレーザスキャナ５上に円周状に投影させるレンズである。このような照明光用の光学系を用いることで、レーザ光源３からのレーザ光を対物レンズ２５の瞳位置でリング状に形成することができる。これにより、被測定物Ａの表面でのレーザ光スポットの半値幅を小さくすることができ、レーザビームをエアリディスク径で走査する場合の空間変調パターンのコントラストの低下を防止することができる。
【００４０】
また、画像生成装置１，１０１，２０１のレーザ光源３としては、図１０に示すように、被測定物Ａにおける２光子励起等の多光子励起を観察可能な構成が採用されてもよい。具体的には、レーザ光源３として、被測定物Ａにおいて２光子吸収が可能な波長を発光波長として含む超短パルスレーザ３ａと、その出力を変調させるレーザ変調器３ｂとから成る構成を採用し、レーザ光源３とレーザスキャナ５の間にレーザ光から所望の波長成分を選択する励起波長選択用フィルタ３０１を挿入する。２光子励起は本来の励起光の波長の２倍の波長の２つの光子によって電子が励起されて蛍光を発する現象である。そのため、励起波長選択用フィルタ３０１は、蛍光試料の励起波長の２倍の波長の光を透過させるように機能する。このようなレーザ光源３を用いれば、波長の長いエネルギの低い光を使えるため、試料に与えるダメージを抑え、しかも、試料透過性もよく、深いところまで光を到達させ、２光子吸収の特徴である、励起個所の３次元局所性を生かした励起ができる。また、２光子励起の特徴として、２倍の波長でありながら、１倍の波長と同等の分解能が得られ、さらに本技術と組み合わせることで、高解像度化が期待できる。
なお、図１０に示したレーザ光源３の構成を、画像生成装置２０１と組み合わせて使用した場合には、ダイクロイックミラー４１及びバリアフィルタ４５をその機能が異なるものに変更する必要がある。すなわち、ダイクロイックミラー４１としては、レーザ光源３側から入射した長波長の励起光をレーザスキャナ５に向けて反射し、被測定物Ａから生じた短波長の蛍光を透過するような機能を有し、長波長反射および短波長透過の光学特性を有するダイクロイックミラーが使用される。また、バリアフィルタ４５としては、励起光の長波長成分を吸収、反射することによりカットし、蛍光の短波長成分を透過させる性質を有し、短波長透過性を有するローパスフィルタ、又は、蛍光の波長成分のみを透過させるバンドパスフィルタが使用される。
【符号の説明】
【００４１】
１，１０１，２０１…画像生成装置、３…レーザ光源、５…レーザスキャナ（レーザ走査部）、７…電気信号検出器（検出部）、１１…レーザ出力制御部（レーザ変調部）、１５…変調パターン制御部、１７…電気信号画像化部（信号生成部）、１９…画像データ演算部（画像処理部）、１０７，２０７…光信号検出器（検出部）、１１７…光信号画像化部（信号生成部）、Ａ…被測定物。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物に空間変調された光を照射することにより画像を生成する画像生成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体デバイス等に空間変調された光を照射してその結果生じた像を観察する光学装置が用いられている。例えば、下記特許文献１には、光源装置からの光を回折格子を通して試料に照射して、そのときの試料像をＣＣＤカメラで撮像する光学装置が記載されている。また、この光源装置は、回折格子を等速度で回折格子の縞と垂直な方向に移動しながら撮像することで複数の変調像を得た後に、それらの変調像を画像処理することで試料の像を形成する。また、下記特許文献２には、試料に空間変調された光を照射するために、照明光の光路中にＳＬＭ（Spatial Light Modulator）を配置した顕微鏡装置も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１１７０１０号公報
【特許文献２】特開２００７−１９９５７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の画像生成用の装置では、試料に空間変調された光を照射し、その結果生じた試料の像を、対物レンズや結像レンズ等を含む光学系を通じて撮像するため、最終的に生成する試料の二次元像の分解能を上げることに限界が生じる。すなわち、試料の二次元像の分解能は、光学系の光学的性能と二次元撮像装置のピクセル分解能と感度によって上限値が決まってしまう傾向にある。
【０００５】
そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、簡易な装置構成で分解能が向上された試料のパターン像を得ることが可能な画像生成装置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】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の画像生成装置は、被測定物の画像を生成する画像生成装置であって、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光の強度を変調させるレーザ変調部と、レーザ光の被測定物への照射位置を走査するレーザ走査部と、被測定物に複数の空間変調パターンの照明光を照射するように、レーザ変調部及びレーザ走査部を制御する制御部と、複数の空間変調パターンの照明光の照射に応じて被測定物から生じる信号を検出する検出部と、制御部によって制御された照明光の照射位置に関する照射位置情報と、照射位置におけるレーザ光の照射に応じて検出部によって検出された信号の特性に関する特性情報とが対応付けられた特性分布情報を生成し、空間変調パターンに対応して複数の特性分布情報を含む２次元特性画像を生成する信号生成部と、複数の空間変調パターンに対応して生成した複数の２次元特性画像を基に、被測定物のパターン画像を生成する画像処理部と、を備える。
【０００７】
このような画像生成装置によれば、レーザ光源から発せられたレーザ光が、レーザ変調部によってその強度が変調されると同時に、レーザ走査部によって、半導体デバイスや生物試料などの被測定物への照射位置が走査されながら、被測定物に照射される。このとき、制御部によって、被測定物に複数の２次元空間変調パターンの照明光が照射されるようにレーザ変調部およびレーザ走査部が制御されながら、検出部によって被測定物から生じる信号が検出される。さらに、信号生成部によって、それぞれの空間変調パターンに対応して、照明光の照射位置に関する情報とその照射位置における照明光の照射に応じて検出された信号の特性に関する情報が対応付けられた特性分布情報が生成されるとともに、それぞれの空間変調パターンに対応して２次元特性画像が生成され、画像処理部によって、複数の２次元特性画像を基に被測定物のパターン画像が生成される。これにより、被測定物からパターン画像を取得する際に対物レンズや結像レンズ等を含む光学系を通す必要がないので、試料のパターン像の分解能を容易に向上させることができる。それに加えて、被測定物に照射する照明光の空間変調パターンの位相および向きを容易に変更することができ、所望の位置および向きの高解像度画像を素早く得ることができる。
【０００８】
検出部は、被測定物から生じる電気信号を検出し、信号生成部は、照明光の照射位置情報と、電気信号の特性に関する特性情報とが対応付けられた特性分布情報を生成する、ことが好適である。この場合、被測定物へのレーザ光の照射に伴って生じる光起電流値等の電気特性を、被測定物におけるパターン像として取得することができ、半導体等の電気素子の特性解析の精度を向上させることができる。
【０００９】
また、検出部は、被測定物から生じる光信号を検出し、信号生成部は、照明光の照射位置情報と、光信号の特性に関する特性情報とが対応付けられた特性分布情報を生成する、ことも好適である。かかる構成を採れば、被測定物へのレーザ光の照射に伴って生じる反射光や蛍光等の光の特性を、被測定物における分解能が向上されたパターン像として取得することができる。
【００１０】
さらに、レーザ光源からのレーザ光は、被測定物において多光子吸収が可能な波長を含む、ことも好適である。こうすれば、被測定物に与える効果は、スポット形状を、2光子であれば2乗、3光子であれば3乗したものと同等となり、発生する信号は実効的に小さなスポットでスキャンしたと同じ事となり、変調の縞を細かくすることができ、分解能をさらに向上させることが可能となる。
【００１１】
またさらに、レーザ変調部は、レーザ光の強度を三角関数に従って変化するように変調させることも好適である。かかるレーザ変調部を備えれば、空間変調パターンの形成が容易になる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、簡易な装置構成で分解能が向上された試料のパターン像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る画像生成装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の変調パターン制御部によって規定される照明光の空間変調パターンを示す概念図である。
【図３】図１の変調パターン制御部によって規定される照明光の空間変調パターンを示す概念図である。
【図４】図１の変調パターン制御部によって規定される照明光の空間変調パターンを示す概念図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る画像生成装置の構成を示すブロック図である。
【図６】図５の画像生成装置の光信号検出器の周辺の詳細構成を示す概略構成図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る画像生成装置の構成を示すブロック図である。
【図８】図７の画像生成装置の光信号検出器の周辺の詳細構成を示す概略構成図である。
【図９】本発明の変形例である光学系を示す概略構成図である。
【図１０】本発明の変形例であるレーザ光源を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る画像生成装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る画像生成装置１の構成を示すブロック図である。図１に示す画像生成装置１は、半導体デバイス等の電気素子である被測定物に対して複数の空間変調パターンに基づいて照明光を走査し、それに応じて被測定物Ａから生じる電気信号の複数の特性分布を検出し、それらの複数の特性分布を基にして被測定物の高解像度パターン像を得るための装置である。この画像生成装置１は、レーザ光を出射するレーザ光源３と、レーザスキャナ（レーザ走査部）５と、被測定物Ａから生じる電気信号を検出する電気信号検出器（検出部）７と、レーザ光源３からのレーザ光を被測定物Ａに向けて導光する光学系９と、レーザ光源３の出力強度を制御するレーザ出力制御部（レーザ変調部）１１と、レーザスキャナ５の動作を制御するスキャナ制御部１３と、被測定物Ａに照射される空間変調パターンを制御する変調パターン制御部１５と、電気信号検出器７によって検出された電気信号の電気特性を画像化する電気信号画像化部（信号生成部）１７と、電気信号画像化部１７によって生成された画像化信号を用いて被測定物Ａのパターン画像を生成する画像データ演算部（画像処理部）１９とを備えている。
【００１６】
詳細には、光学系９は、リレーレンズ２１、ミラー２３、及び対物レンズ２５から構成されている。リレーレンズ２１は、レーザスキャナ５によって照射角度が振られたレーザ光を対物レンズ２５まで効率よく導くための光学系であり、対物レンズ２５の射出瞳をレーザスキャナ５の反射面に投影することにより、レーザスキャナ５を反射されたレーザ光を対物レンズ２５に確実に到達させる役割を有する。ここでは、ミラー２３は用いなくてもよい。
【００１７】
レーザスキャナ５は、レーザ光の進行方向を変更することによりその照射位置を２次元的に走査させる光学装置である。すなわち、レーザスキャナ５は、リレーレンズ２１に向けて入射するレーザ光の入射角度を変更することにより、光学系９を介して照射されるレーザ光の照射位置を、被測定物Ａの表面上で２次元的に走査させる。このようなレーザスキャナ５としては、互いの回転軸が直交する２つのミラーを有し、それらの回転角が電気的に制御可能にされたガルバノメータミラーを用いることができる。その他、レーザスキャナ５としては、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラー、ＡＯＤ（音響光学偏向器）、レゾナントスキャナ（共振型ガルバノメータスキャナ）、ＥＯスキャナ（電気光学的光偏向器）等を採用することもできる。
【００１８】
ここで、レーザ光源３から出力されるレーザ光の強度は、レーザ光源３に接続されたレーザ出力制御部１１からの制御信号によって変調可能に構成されており、レーザスキャナ５によるレーザ光の被測定物Ａの表面の照射位置は、レーザスキャナ５に接続されたスキャナ制御部１３からの制御信号によって変更可能に構成されている。さらに、レーザ出力制御部１１およびスキャナ制御部１３には変調パターン制御部１５が接続され、変調パターン制御部１５によって、被測定物Ａに予め決められた複数の空間変調パターンに基づいて照明光が走査されるように、レーザ出力制御部１１およびスキャナ制御部１３が制御される。
【００１９】
次に、図２〜図４を参照して、変調パターン制御部１５によって規定される照明光の空間変調パターンについて例示する。
【００２０】
図２〜４には、変調パターン制御部１５によって規定された空間変調パターンの被測定物Ａに対する照射状態を示している。図２に示すように、まず、変調パターン制御部１５は、被測定物Ａの平面に沿った所定方向であるＸ軸方向に沿ってレーザ光の照射位置を移動させるように制御すると同時に、Ｘ軸方向の強度分布が三角関数（ｓｉｎ関数、又はｃｏｓ関数）に従って周期的に増減するようにレーザ光の照射強度を変調させる。同図において、矢印は、レーザ照射位置の変更状態を示している。これにより、Ｘ軸方向に沿って幅Ｗ１で周期的に変調された帯状照射パターンＬ１が形成される。続けて、変調パターン制御部１５は、Ｘ軸に垂直なＹ軸に沿った方向にレーザ照射位置をずらした後に、レーザ光の照射位置のＸ軸方向に沿った移動とレーザ光強度の変調を制御して帯状照射パターンＬ１の形成を繰り返す。その結果、Ｙ軸方向に沿った所望のピッチＷ１の縞模様を有する空間変調パターンを生成することができる。なお、レーザ光の強度は、周期的なＯＮ―ＯＦＦで変調されてもよい。
【００２１】
また、図３に示すように、変調パターン制御部１５は、Ｘ軸に沿った帯状照射パターンＬ２の空間的な位相を、Ｙ軸方向において隣接するパターン間で徐々にシフトさせるようにレーザ光強度の変調を制御することもできる。この場合は、Ｙ軸方向に対して所望の角度θ２だけ傾斜する所望のピッチＷ２の縞模様に近似される空間変調パターンを生成することができる。さらに、図４に示すように、変調パターン制御部１５は、Ｘ軸に沿った１回のレーザ光の走査の間のレーザ光の照射強度を均一にし、Ｙ軸方向に配列される複数の帯状照射パターン間で照射強度が変調されるように制御することもできる。この場合、Ｘ軸方向に沿った所望のピッチＷ３の縞模様を有する空間変調パターンを生成することができる。なお、空間変調パターンとしては、ｎ回回転対称(ｎは３以上)の縞状パターンがよい。
【００２２】
上記のような空間変調パターンを有する照明光の照射タイミングに合わせて、電気信号検出器７は、被測定物Ａから生じる光起電流等の電気信号を検出する。例えば、電気信号検出器７は、レーザ光の照射に応じて生じる光起電流の電流値等の特性値を、被測定物Ａの２端子間の電圧変化として検出する。電気信号画像化部１７は、電気信号検出器７及び変調パターン制御部１５に接続されており、電気信号検出器７によって検出された特性値を画像化する。すなわち、電気信号画像化部１７は、特性値が検出された時の被測定物Ａ上のレーザ光の照射位置をＸＹ座標などの照射位置情報として特定する。そして、電気信号画像化部１７は、その照射位置情報と、該当の照射位置におけるレーザ光の照射に応じて検出された電気信号の特性値に関する特性情報とが対応付けられた特性分布情報を生成する。さらに、電気信号画像化部１７は、被測定物Ａに照射されたそれぞれの空間変調パターンに対応して、複数の特性分布情報を含む２次元特性画像を生成する。例えば、電気信号画像化部１７は、各特性値が被測定物Ａ上の座標毎に配列された２次元の特性画像信号を生成する。図２〜図４に示すような空間変調パターンが時間的に連続して形成される場合には、電気信号画像化部１７は、それぞれの空間変調パターン毎に別々の特性画像を生成する。
【００２３】
電気信号画像化部１７によって生成された複数の特性画像は、画像データ演算部１９によって画像処理が施される。例えば、画像データ演算部１９は、被測定物Ａの表面にＹ軸方向に沿った縞模様の空間変調パターンを、所望の周波数で空間位相を変化させながら照射させ、複数の特性画像を得る。そのとき得られる複数の特性画像は、照明光による縞模様と被測定物Ａの構造に起因する特性画像とのモアレ（干渉縞）成分として得られ、被測定物Ａの微細構造に起因する空間高周波成分は、モアレとして低周波成分に変換され現れる。そこで、画像データ演算部１９は、複数の特性画像から得られた特性分布から、照射された空間変調パターンの周波数情報をもとに、実際の被測定物Ａの構造に起因する本来の特性分布画像を生成する。そして、画像データ演算部１９は、４方位に沿った複数の空間変調パターンを、所望の周波数で空間位相を変化させながら照射させ、同様の画像処理をおこなうことで複数の特性分布画像を作成し、複数の特性分布画像から４方位に解像度が高められた高解像度のパターン画像を生成することができる。
【００２４】
以上説明した画像生成装置１によれば、レーザ光源３から発せられたレーザ光が、レーザ出力制御部１１によってその強度が変調されると同時に、レーザスキャナ５によって被測定物Ａへの照射位置が走査されながら、被測定物Ａに照射される。このとき、変調パターン制御部１５によって、被測定物Ａに複数の２次元空間変調パターンの照明光が照射されるようにレーザ出力制御部１１およびレーザスキャナ５が制御されながら、電気信号検出器７によって被測定物Ａから生じる電気信号が検出される。さらに、電気信号画像化部１７によって、それぞれの空間変調パターンに対応して、照明光の照射位置に関する情報とその照射位置における照明光の照射に応じて検出された電気信号の特性に関する情報が対応付けられた特性分布情報が生成されるとともに、それぞれの空間変調パターンに対応して２次元特性画像が生成され、画像データ演算部１９によって、複数の２次元特性画像を基に被測定物Ａのパターン画像が生成される。これにより、被測定物Ａからパターン画像を取得する際に対物レンズや結像レンズ等を含む光学系を通す必要がないので、試料のパターン像の分解能を容易に向上させることができる。
【００２５】
また、画像生成装置１によれば、回折格子等を駆動する複雑な駆動機構を必要とせずに、被測定物Ａの高解像度パターン画像を簡易に取得することができる。つまり、本実施形態では簡単な光学系とレーザスキャナ等を搭載するだけで済む。それに加えて、変調パターン制御部１５の制御によって、被測定物に照射する照明光の空間変調パターンの位相および向きを容易に変更することができ、所望の位置および向きの高解像度画像を素早く得ることができる。これに対して、空間変調パターン生成用としてＳＬＭ（Spatial Light Modulator）を用いた従来装置では、任意の方向に任意の角度で回折させるためには非常に微細なＳＬＭが必要となる。例えば、試料上に投影する縞の位相を３種類に変更する場合は、解像限界の縞の本数×３の一軸方向のピクセル数が必要となる。さらに、軸に対する斜め方向にも縞を形成したい場合には、ピクセル形状が矩形であるために、縞のピッチにピクセルを合わせるのにさらに３倍のピクセル数が必要になる。その結果、従来装置では高価なＳＬＭが必要になる。また、ＳＬＭにおける光の透過／反射ロスや、ピクセルの継ぎ目におけるロス、０次光、高次光の問題も発生する。
【００２６】
さらに、レーザ光を２次元的に走査して変調する手法を取ることにより、被測定物Ａが２光子吸収などの多光子吸収を起こすものや、第２次高調波（SHG）を発生するものなど、非線形な反応を示すものに対しては、それらの反応が起こりやすい。その結果、例えば２光子吸収などを利用すればさらに高分解能化された画像化も可能になる。
【００２７】
さらに、レーザ出力制御部１１がレーザ光の強度を三角関数に従って変化するように変調させるので、空間変調パターンの形成が容易になる。
【００２８】
［第２実施形態］
図５は、本発明の第２実施形態に係る画像生成装置１０１の構成を示すブロック図である。同図に示す画像生成装置１０１は、半導体デバイス等の被測定物に対して複数の空間変調パターンの照明光を照射し、それに応じて被測定物Ａから生じる反射光を光信号として検出し、その光信号の特性分布を基にして被測定物の高解像度パターン像を得るための装置である。この画像生成装置１０１の第１実施形態との相違点は、電気信号検出器７及び電気信号画像化部１７の代わりに、光信号検出器１０７及び光信号画像化部１１７を備える点である。
【００２９】
すなわち、光信号検出器１０７は、被測定物Ａから生じる反射光等を光信号として検出する。例えば、光信号検出器１０７は、反射光の強度等の特性値を電気信号として出力する光電子増倍管や光電管等の光電変換器である。また、光信号画像化部１１７は、光信号検出器１０７によって検出された光信号の特性値に関する特性情報と、その特性値が検出された時の被測定物Ａ上のレーザ光の照射位置情報とが対応付けられた特性分布情報から、複数の特性分布情報を含む２次元特性画像(特性画像)を、複数の空間変調パターンごとに生成する。
【００３０】
図６には、画像生成装置１０１の光信号検出器１０７の周辺の詳細構成を示している。同図に示すように、光ファイバで構成されるレーザ光源３の出射口及び光信号検出器１０７と、レーザスキャナ５の間にはビームスプリッタ３１が配置されている。このビームスプリッタ３１は、レーザスキャナ５を経て入射する被測定物Ａからの反射光および散乱光を透過して光信号検出器１０７に導くと同時に、レーザ光源３からのレーザ光を反射してレーザスキャナ５を経由して被測定物Ａ側に導くことにより、反射光および散乱光の光路をレーザ光の光路と分離する。このようなビームスプリッタ３１としては、反射率および透過率が１：１の関係を有するハーフミラーや８：２等の所定の関係を有するものが用いられる。また、レーザ光が所定の偏光成分を有する場合には、ビームスプリッタ３１として、偏光ビームスプリッタを用いることもできる。この場合は、偏光ビームスプリッタと対物レンズ２５との間に、１／４波長板を挿入する。これにより、偏光ビームスプリッタ側から直線偏光のレーザ光が入射した場合に、円偏光に変換して被測定物Ａに照射することができるとともに、被測定物Ａからの反射光が再び１／４波長板を透過する際に、その反射光を入射時とは９０度異なる直線偏光に変換することができる。その結果、反射光を偏光ビームスプリッタに透過させて光信号検出器１０７側に導くことができる。
【００３１】
また、光信号検出器１０７とビームスプリッタ３１との間には、空間フィルタ３５と集光レンズ３３とが配置されている。空間フィルタ３５は、レーザ光源３のファイバの端面と共役な位置に置かれて共焦点光学系を形成し、そのフィルタ径がファイバ端面と共役な面に作られるビームスポット径とほぼ等しくなるように設定されている。この空間フィルタ３５は、被測定物Ａから光学系を経て戻ってきた反射散乱光のうち、焦点から外れた部分からの反射散乱成分を遮断する。
【００３２】
以上説明した画像生成装置１０１によれば、被測定物Ａへの空間変調パターンの照射に伴って生じる反射散乱光の特性を、被測定物における分解能が向上されたパターン像として取得することができる。それに加えて、変調パターン制御部１５の制御によって、被測定物に照射する照明光の空間変調パターンの位相および向きを容易に変更することができ、所望の位置および向きの高解像度イメージ画像を素早く得ることができる。
【００３３】
［第３実施形態］
図７は、本発明の第３実施形態に係る画像生成装置２０１の構成を示すブロック図である。同図に示す画像生成装置２０１は、細胞等の被測定物に対して複数の空間変調パターンの励起光を照射し、それに応じて被測定物Ａから生じる微弱な蛍光を光信号として検出し、その光信号の特性分布を基にして被測定物の高解像度パターン像を得るための装置である。この画像生成装置２０１は、光信号検出器の周辺の構成が第２実施形態と異なる。
【００３４】
すなわち、光信号検出器２０７としては、微弱な蛍光の強度等の特性値を電気信号として出力することが可能な光電子増倍管等の光電変換器が用いられる。また、図８に示すように、レーザ光源３の出射口及び光信号検出器２０７と、レーザスキャナ５の間にはビームスプリッタの代わりにダイクロイックミラー４１が配置される。このダイクロイックミラー４１は、レーザスキャナ５を経て入射する被測定物Ａからの蛍光を透過して光信号検出器２０７に導くと同時に、レーザ光源３からのレーザ光を反射してレーザスキャナ５を経由して被測定物Ａ側に導くことにより、蛍光の光路をレーザ光の光路と分離する。このダイクロイックミラー４１は、励起光をレーザスキャナ５に向けて反射し、被測定物Ａから生じた蛍光を透過する機能を有し、短波長反射および長波長透過の光学特性を有する誘電体多層膜を含むミラーである。
【００３５】
また、レーザ光源３とダイクロイックミラー４１との間には、励起波長選択用フィルタ４３が設けられている。この励起波長選択用フィルタ４３は、被測定物Ａの蛍光励起特性に合わせ、レーザ光源３の波長からその特性に合う波長を選択するために設けられる。
【００３６】
さらに、光信号検出器２０７とダイクロイックミラー４１との間には、バリアフィルタ４５が設けられる。このバリアフィルタ４５は、光信号検出器２０７による蛍光の検出時に、光信号検出器２０７に向けて励起光が到達しないように励起光をカットする。このバリアフィルタは、励起光の波長成分を吸収、反射することによりカットし、蛍光の波長成分を透過させる性質を有し、長波長透過性を有するハイパスフィルタ、又は、蛍光の波長成分のみを透過させるバンドパスフィルタである。
【００３７】
このような画像生成装置２０１によれば、被測定物Ａへの空間変調パターンの照射に伴って生じる蛍光の特性を、被測定物における分解能が向上されたパターン像として取得することができる。それに加えて、変調パターン制御部１５の制御によって、被測定物に照射する照明光の空間変調パターンの位相および向きを容易に変更することができ、所望の位置および向きの高解像度イメージ画像を素早く得ることができる。
【００３８】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、被測定物Ａに照射される空間変調パターンのコントラストを上げるために、照明光を導光するための光学系の構成として、図９に示すような構成を採用してもよい。
【００３９】
詳細には、レーザ光源３とレーザスキャナ５との間にアキシコン２１１およびコンバータレンズ２１２を挿入してもよい。アキシコン２１１は、円錐形のプリズムであり、レーザ光源３から出射された断面円形の平行ビームを断面がリング状のビームに変換する光学素子である。コンバータレンズ２１２は、アキシコン２１１から出射されたリング状のビームをレーザスキャナ５上に円周状に投影させるレンズである。このような照明光用の光学系を用いることで、レーザ光源３からのレーザ光を対物レンズ２５の瞳位置でリング状に形成することができる。これにより、被測定物Ａの表面でのレーザ光スポットの半値幅を小さくすることができ、レーザビームをエアリディスク径で走査する場合の空間変調パターンのコントラストの低下を防止することができる。
【００４０】
また、画像生成装置１，１０１，２０１のレーザ光源３としては、図１０に示すように、被測定物Ａにおける２光子励起等の多光子励起を観察可能な構成が採用されてもよい。具体的には、レーザ光源３として、被測定物Ａにおいて２光子吸収が可能な波長を発光波長として含む超短パルスレーザ３ａと、その出力を変調させるレーザ変調器３ｂとから成る構成を採用し、レーザ光源３とレーザスキャナ５の間にレーザ光から所望の波長成分を選択する励起波長選択用フィルタ３０１を挿入する。２光子励起は本来の励起光の波長の２倍の波長の２つの光子によって電子が励起されて蛍光を発する現象である。そのため、励起波長選択用フィルタ３０１は、蛍光試料の励起波長の２倍の波長の光を透過させるように機能する。このようなレーザ光源３を用いれば、波長の長いエネルギの低い光を使えるため、試料に与えるダメージを抑え、しかも、試料透過性もよく、深いところまで光を到達させ、２光子吸収の特徴である、励起個所の３次元局所性を生かした励起ができる。また、２光子励起の特徴として、２倍の波長でありながら、１倍の波長と同等の分解能が得られ、さらに本技術と組み合わせることで、高解像度化が期待できる。
なお、図１０に示したレーザ光源３の構成を、画像生成装置２０１と組み合わせて使用した場合には、ダイクロイックミラー４１及びバリアフィルタ４５をその機能が異なるものに変更する必要がある。すなわち、ダイクロイックミラー４１としては、レーザ光源３側から入射した長波長の励起光をレーザスキャナ５に向けて反射し、被測定物Ａから生じた短波長の蛍光を透過するような機能を有し、長波長反射および短波長透過の光学特性を有するダイクロイックミラーが使用される。また、バリアフィルタ４５としては、励起光の長波長成分を吸収、反射することによりカットし、蛍光の短波長成分を透過させる性質を有し、短波長透過性を有するローパスフィルタ、又は、蛍光の波長成分のみを透過させるバンドパスフィルタが使用される。
【符号の説明】
【００４１】
１，１０１，２０１…画像生成装置、３…レーザ光源、５…レーザスキャナ（レーザ走査部）、７…電気信号検出器（検出部）、１１…レーザ出力制御部（レーザ変調部）、１５…変調パターン制御部、１７…電気信号画像化部（信号生成部）、１９…画像データ演算部（画像処理部）、１０７，２０７…光信号検出器（検出部）、１１７…光信号画像化部（信号生成部）、Ａ…被測定物。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の画像を生成する画像生成装置であって、
レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光の強度を変調させるレーザ変調部と、
前記レーザ光の前記被測定物への照射位置を走査するレーザ走査部と、
前記被測定物に複数の空間変調パターンの照明光を照射するように、前記レーザ変調部及び前記レーザ走査部を制御する制御部と、
前記複数の空間変調パターンの照明光の照射に応じて前記被測定物から生じる信号を検出する検出部と、
前記制御部によって制御された前記照明光の照射位置に関する照射位置情報と、前記照射位置における前記レーザ光の照射に応じて前記検出部によって検出された信号の特性に関する特性情報とが対応付けられた特性分布情報を生成し、前記空間変調パターンに対応して複数の前記特性分布情報を含む２次元特性画像を生成する信号生成部と、
複数の前記空間変調パターンに対応して生成した複数の前記２次元特性画像を基に、前記被測定物のパターン画像を生成する画像処理部と、
を備えることを特徴とする画像生成装置。
【請求項２】
前記検出部は、前記被測定物から生じる電気信号を検出し、
前記信号生成部は、前記照明光の前記照射位置情報と、前記電気信号の特性に関する特性情報とが対応付けられた特性分布情報を生成する、
ことを特徴とする請求項１記載の画像生成装置。
【請求項３】
前記検出部は、前記被測定物から生じる光信号を検出し、
前記信号生成部は、前記照明光の前記照射位置情報と、前記光信号の特性に関する特性情報とが対応付けられた特性分布情報を生成する、
ことを特徴とする請求項１記載の画像生成装置。
【請求項４】
前記レーザ光源からの前記レーザ光は、被測定物において多光子吸収が可能な波長を含む、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の画像生成装置。
【請求項５】
前記レーザ変調部は、前記レーザ光の強度を三角関数に従って変化するように変調させる、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の画像生成装置。
【請求項１】
被測定物の画像を生成する画像生成装置であって、
レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光の強度を変調させるレーザ変調部と、
前記レーザ光の前記被測定物への照射位置を走査するレーザ走査部と、
前記被測定物に複数の空間変調パターンの照明光を照射するように、前記レーザ変調部及び前記レーザ走査部を制御する制御部と、
前記複数の空間変調パターンの照明光の照射に応じて前記被測定物から生じる信号を検出する検出部と、
前記制御部によって制御された前記照明光の照射位置に関する照射位置情報と、前記照射位置における前記レーザ光の照射に応じて前記検出部によって検出された信号の特性に関する特性情報とが対応付けられた特性分布情報を生成し、前記空間変調パターンに対応して複数の前記特性分布情報を含む２次元特性画像を生成する信号生成部と、
複数の前記空間変調パターンに対応して生成した複数の前記２次元特性画像を基に、前記被測定物のパターン画像を生成する画像処理部と、
を備えることを特徴とする画像生成装置。
【請求項２】
前記検出部は、前記被測定物から生じる電気信号を検出し、
前記信号生成部は、前記照明光の前記照射位置情報と、前記電気信号の特性に関する特性情報とが対応付けられた特性分布情報を生成する、
ことを特徴とする請求項１記載の画像生成装置。
【請求項３】
前記検出部は、前記被測定物から生じる光信号を検出し、
前記信号生成部は、前記照明光の前記照射位置情報と、前記光信号の特性に関する特性情報とが対応付けられた特性分布情報を生成する、
ことを特徴とする請求項１記載の画像生成装置。
【請求項４】
前記レーザ光源からの前記レーザ光は、被測定物において多光子吸収が可能な波長を含む、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の画像生成装置。
【請求項５】
前記レーザ変調部は、前記レーザ光の強度を三角関数に従って変化するように変調させる、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の画像生成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−８２６１（Ｐ２０１２−８２６１Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４２８８２（Ｐ２０１０−１４２８８２）
【出願日】平成２２年６月２３日（２０１０．６．２３）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２３日（２０１０．６．２３）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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