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特表2022-520996デジタル式画像形成処理を備えるモジュール式走査共焦点光学プロファイル顕微鏡
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-04-04
(54)【発明の名称】デジタル式画像形成処理を備えるモジュール式走査共焦点光学プロファイル顕微鏡
(51)【国際特許分類】
G02B 21/00 20060101AFI20220328BHJP
G02B 21/36 20060101ALI20220328BHJP
G02B 21/06 20060101ALI20220328BHJP
G01N 21/64 20060101ALI20220328BHJP
【ＦＩ】
G02B21/00
G02B21/36
G02B21/06
G01N21/64 E
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021549210
(86)(22)【出願日】2020-01-17
(85)【翻訳文提出日】2021-10-19
(86)【国際出願番号】 US2020013986
(87)【国際公開番号】W WO2020176173
(87)【国際公開日】2020-09-03
(31)【優先権主張番号】16/286,038
(32)【優先日】2019-02-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＪＡＶＡ
(71)【出願人】
【識別番号】510239406
【氏名又は名称】ワシントン ステイト ユニバーシティー
(74)【代理人】
【識別番号】100141173
【弁理士】
【氏名又は名称】西村 啓一
(72)【発明者】
【氏名】マクラスキー マシュー ダグラス
【テーマコード（参考）】
2G043
2H052
【Ｆターム（参考）】
2G043AA04
2G043BA16
2G043CA04
2G043DA02
2G043EA01
2G043EA13
2G043FA02
2G043HA01
2G043JA03
2G043KA09
2G043LA03
2H052AA08
2H052AA09
2H052AB01
2H052AC04
2H052AC15
2H052AC18
2H052AC27
2H052AC33
2H052AC34
2H052AD09
2H052AD20
2H052AD34
2H052AF14
2H052AF25
(57)【要約】
【解決手段】
一実施形態において、モジュール式共焦点光学顕微鏡内に構成された合焦レンズ手段の光軸に対して非同一線上に電磁放射線源を方向付けるように配置されたビームステアリング手段であって、合焦された非同一線上に方向付けられた電磁放射線源は、試験体における１または複数の標的部位の画像形成の基礎のために使用される、ビームステアリング手段と、試験体における１または複数の標的部位までのビーム経路に沿った複合共焦点面に構成された少なくとも１の整列された検出器であって、画像形成基礎を使用して１または複数の標的部位の焦点と画像品質を維持するために、自動補正情報を提供するようにさらに構成され、並びにＮ＝２×２の配列からＮ＝２１×２１の配列までの画素範囲において合成開口を構成するハイスループットを提供する、整列された検出器と、を備える、モジュール式共焦点顕微鏡が開示される。
【選択図】図１Ａ
一実施形態において、モジュール式共焦点光学顕微鏡内に構成された合焦レンズ手段の光軸に対して非同一線上に電磁放射線源を方向付けるように配置されたビームステアリング手段であって、合焦された非同一線上に方向付けられた電磁放射線源は、試験体における１または複数の標的部位の画像形成の基礎のために使用される、ビームステアリング手段と、試験体における１または複数の標的部位までのビーム経路に沿った複合共焦点面に構成された少なくとも１の整列された検出器であって、画像形成基礎を使用して１または複数の標的部位の焦点と画像品質を維持するために、自動補正情報を提供するようにさらに構成され、並びにＮ＝２×２の配列からＮ＝２１×２１の配列までの画素範囲において合成開口を構成するハイスループットを提供する、整列された検出器と、を備える、モジュール式共焦点顕微鏡が開示される。
【選択図】図１Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
モジュール式共焦点顕微鏡であって、電磁放射線源と、
前記モジュール式共焦点顕微鏡内に構成された合焦レンズ手段の光軸に対して非同一線上に前記電磁放射線源を方向付けるように配置されたビームステアリング手段と、
試験体における１または複数の標的部位までのビーム経路に沿った複合共焦点面に構成された少なくとも１の整列された検出器と、
前記試験体の１または複数の前記標的部位の２次元特性、および／または、３次元特性を特定するように構成された、少なくとも１の前記整列された検出器に接続されたプロセッサと、
を備え、
合焦されて非同一線上に方向付けられた前記電磁放射線源は、前記試験体における１または複数の前記標的部位の画像形成基礎のために使用され、
前記整列された検出器は、前記画像形成基礎を使用して１または複数の前記標的部位の焦点と画像品質を維持するために、自動補正情報を提供するように構成され、
前記整列された検出器は、少なくともＮ＝２×２の配列の画素範囲において合成開口を構成するハイスループットを提供する、
ことを特徴とするモジュール式共焦点顕微鏡。
【請求項2】
構成された前記合成開口は、Ｎ＝２×２の配列からＮ＝１０１×１０１の配列までの画素範囲にある、請求項１記載のモジュール式共焦点顕微鏡。
【請求項3】
構成された前記合成開口は、Ｎ＝２×２の配列からＮ＝２１×２１の配列までの画素範囲にある、請求項１記載のモジュール式共焦点顕微鏡。
【請求項4】
前記プロセッサに接続された、ステアリングミラー、または、ｘ－ｙ－ｚステージは、前記試験体をスキャンするように方向付けされる、請求項１記載のモジュール式共焦点顕微鏡。
【請求項5】
少なくとも１の前記整列された検出器は、２次元整列された電荷結合検出器（ＣＣＤ）である、請求項１記載のモジュール式共焦点顕微鏡。
【請求項6】
２次元整列された前記電荷結合検出器（ＣＣＤ）は、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）、ＥＭＣＣＤ、またはｓＣＭＯＳから選択される、請求項１記載のモジュール式共焦点顕微鏡。
【請求項7】
長距離ダイクロイックミラービームスプリッタと、立方体スプリッタと、ハーフミラーと、プリズムと、音響光学ビームスプリッタ（ＡＯＢＳ）と、から選択されるビームスプリッタを備える、請求項１記載のモジュール式共焦点顕微鏡。
【請求項8】
電磁照明源と、前記電磁照明源を受け取るように配置されたマイクロレンズアレイと、
複数の標的部位に複数のサブビームを集めて焦点を合わせるように構成された光学レンズ手段と、
第２ビーム経路に沿って構成され、さらに、誘導された反射光、および／または、合焦された複数の前記サブビームからの信号により提供される放出光により、結果としての複数の部位を画像形成するように構成された少なくとも１の整列された検出器と、
前記標的部位の２次元特性、および／または、３次元特性を特定するように構成された、少なくとも１の前記整列された検出器に接続されたプロセッサと、
を備え、
受け取られた前記電磁照明源は、前記マイクロレンズアレイにより第１ビーム経路に沿い隣接して走る複数の前記サブビームへと再構成され、
前記光学レンズ手段は、複数の前記標的部位に複数の前記サブビームを集めて焦点を合わせた後に、前記誘導された反射光、および／または、複数の前記標的部位のそれぞれからの前記放出光を集めて、前記第２ビーム経路に沿って方向付けし、
前記整列された検出器は、少なくともＮ＝２×２の配列の画素範囲において合成開口を構成するハイスループットを提供する、
ことを特徴とするモジュール式マイクロレンズアレイ共焦点顕微鏡。
【請求項9】
構成された前記合成開口は、Ｎ＝２×２の配列からＮ＝１０１×１０１の配列までの画素範囲にある、請求項８記載のモジュール式マイクロレンズアレイ共焦点顕微鏡。
【請求項10】
構成された前記合成開口は、Ｎ＝２×２の配列からＮ＝２１×２１の配列までの画素範囲にある、請求項８記載のモジュール式マイクロレンズアレイ共焦点顕微鏡。
【請求項11】
前記光学レンズ手段の光軸に対して非同一線上に電磁放射線源を方向付けるように配置されたビームステアリング手段と、前記試験体における１または複数の前記標的部位までのビーム経路に沿った複合共焦点面に構成された少なくとも１の前記整列された検出器と、
を備え、
合焦されて非同一線上に方向付けされた前記電磁放射線源は、前記試験体における１または複数の前記標的部位の画像形成基礎のために使用され、
前記整列された検出器は、前記画像形成基礎を使用して１または複数の前記標的部位の焦点と画像品質を維持するために、自動補正情報を提供するように構成される、
請求項８記載のモジュール式マイクロレンズアレイ共焦点顕微鏡。
【請求項12】
長距離ダイクロイックミラービームスプリッタと、立方体スプリッタと、ハーフミラーと、プリズムと、音響光学ビームスプリッタ（ＡＯＢＳ）と、から選択されるビームスプリッタを備える、請求項８記載のモジュール式マイクロレンズアレイ共焦点顕微鏡。
【請求項13】
永続光伝導（ＰＰＣ）を誘導するために、モジュール式共焦点顕微鏡を使用して材料を調整する方法であって、永続光伝導を示す試験体における１または複数の標的部位を画像形成すると同時に調整するためにモジュール式共焦点顕微鏡を組み込む工程と、
電磁放射線源により提供される所定の発光スペクトルを選択する工程と、
前記モジュール式共焦点顕微鏡の共焦点幾何学的構造を介して初期接触点に照射する工程と、
照射を維持しながら、前記照射への前記試験体の曝露の経路を描くように前記試験体を平行移動させる工程と、
を含み、
前記モジュール式共焦点顕微鏡は、
前記電磁放射線源と、
前記モジュール式共焦点顕微鏡内に構成された合焦レンズ手段の光軸に対して非同一線上に前記電磁放射線源を方向付けるように配置されたビームステアリング手段と、
前記試験体における１または複数の前記標的部位までのビーム経路に沿った複合共焦点面に構成された少なくとも１の整列された検出器と、
前記試験体の１または複数の前記標的部位の２次元特性、および／または、３次元特性を特定するように構成された、少なくとも１の前記整列された検出器に接続されたプロセッサと、
を備え、
合焦されて非同一線上に方向付けられた前記電磁放射線源は、前記試験体における１または複数の前記標的部位の画像形成基礎のために使用され、
前記整列された検出器は、前記画像形成基礎を使用して１または複数の前記標的部位の焦点と画像品質を維持するために、自動補正情報を提供するように構成され、
前記整列された検出器は、少なくともＮ＝２×２の配列の画素範囲において合成開口を構成するハイスループットを提供する、
ことを特徴とするモジュール式共焦点顕微鏡を使用して材料を調整する方法。
【請求項14】
構成された前記合成開口は、Ｎ＝２×２の配列からＮ＝１０１×１０１の配列までの画素範囲にある、請求項１３記載のモジュール式共焦点顕微鏡を使用して材料を調整する方法。
【請求項15】
構成された前記合成開口は、Ｎ＝２×２の配列からＮ＝２１×２１の配列までの画素範囲にある、請求項１３記載のモジュール式共焦点顕微鏡を使用して材料を調整する方法。
【請求項16】
永続光伝導を示す前記試験体は、酸化物である、請求項１３記載のモジュール式共焦点顕微鏡を使用して材料を調整する方法。
【請求項17】
前記試験体は、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）と酸化亜鉛（ＺｎＯ）から選択される少なくとも１の材料である、請求項１６記載のモジュール式共焦点顕微鏡を使用して材料を調整する方法。
【請求項18】
永続光伝導を示す前記試験体は、窒化ガリウム（ＧａＮ）と、窒化ガリウムインジウムヒ素（ＧａＩｎＮＡｓ）と、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）と、から選択されるＩＩＩ－Ｖ族半導体材料である、請求項１３記載のモジュール式共焦点顕微鏡を使用して材料を調整する方法。
【請求項19】
前記材料は、少なくとも１年間、永続光伝導（ＰＰＣ）を示す、請求項１３記載のモジュール式共焦点顕微鏡を使用して材料を調整する方法。
【請求項20】
前記材料は、最高で１２００℃までにおいてアニール処理される、請求項１３記載のモジュール式共焦点顕微鏡を使用して材料を調整する方法。
【請求項21】
前記材料は、水蒸気下でアニール処理される、請求項１３記載のモジュール式共焦点顕微鏡を使用して材料を調整する方法。
【請求項22】
特定の電荷を有する所望の生物細胞を、調整されたＰＰＣ材料の表面上に付着させる工程を含む、請求項１３記載のモジュール式共焦点顕微鏡を使用して材料を調整する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
●関連出願の相互参照
本願は、米国特許法第１１９条３５の下、「Ｕｓｉｎｇ ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｔｏ ｗｒｉｔｅ ａ ｌｏｗ－ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｐａｔｈ ｉｎ ＳｒＴｉＯ３」の名称にて２０１８年２月２６日に出願された米国特許仮出願第６２／６３５，１３４号の優先権の利益を主張するものであり、仮出願は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
本願は、米国特許法第１１９条３５の下、「Ｕｓｉｎｇ ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｔｏ ｗｒｉｔｅ ａ ｌｏｗ－ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｐａｔｈ ｉｎ ＳｒＴｉＯ３」の名称にて２０１８年２月２６日に出願された米国特許仮出願第６２／６３５，１３４号の優先権の利益を主張するものであり、仮出願は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
【0002】
●政府権益
本発明は、全米科学財団により授与されたＤＭＲ１５６１４１９の下、国庫補助により為された。政府は、本発明において一定の権利を有する。
本発明は、全米科学財団により授与されたＤＭＲ１５６１４１９の下、国庫補助により為された。政府は、本発明において一定の権利を有する。
【0003】
本明細書における実施の形態は、共焦点顕微鏡を使用した、アーチファクトの迅速で非常に正確な画像形成、および／または、検出に関する。特に、本明細書において開示される共焦点顕微鏡のアレンジメント、および、技術を使用する本実施の形態は、広視野画像形成、アーチファクト検出、および、永続光伝導を示す材料の調整を対象とする。
【背景技術】
【0004】
●関連分野の説明
共焦点レーザ走査顕微鏡法（ＣＬＳＭ）は、生命科学において広く使用される成熟した技術である。共焦点レーザ走査顕微鏡法は、細胞、組織、微生物バイオフィルム、および脳切片についての詳細な情報を得るために使用されている。蛍光染料による細胞の標識は、光学画像のコントラストを提供する好ましい技術である。生物医学的研究に加えて、共焦点顕微鏡は、角膜疾患、皮膚癌、および他の状態を検出する臨床的可能性を有する。
共焦点レーザ走査顕微鏡法（ＣＬＳＭ）は、生命科学において広く使用される成熟した技術である。共焦点レーザ走査顕微鏡法は、細胞、組織、微生物バイオフィルム、および脳切片についての詳細な情報を得るために使用されている。蛍光染料による細胞の標識は、光学画像のコントラストを提供する好ましい技術である。生物医学的研究に加えて、共焦点顕微鏡は、角膜疾患、皮膚癌、および他の状態を検出する臨床的可能性を有する。
【0005】
ＣＬＳＭの有益な面は、焦点が合っていない光を退け、その結果として、鮮明で高解像度の画像を得るために、そのような器具を使用する点にある。広視野の蛍光顕微鏡により、試験体の広いエリアが光照射される。試験体の１のエリアから放出された光子は、別の位置へ散乱され、または、拡散され、そしてカメラにより収集される。この結果として、重要な細部を不明瞭にする「ボケ（ｈａｚｅ）」が生じる。ＣＬＳＭは、例えば、試験体のある点から点までを横切るレーザでスキャンされ、収集されたデータからの画像を再構築することにより、蛍光のブレの問題を解決する。その上、３次元（３Ｄ）用途の場合、焦点が合っていない特徴部は、各画像面に不鮮明なボケが加えられ、結果としてコントラストを低下させる。
【0006】
そのような技術により作製された高品質な画像は、通常、単式顕微鏡において２００，０００ドルを超える費用がかかる。スキャニングアレンジメントにおける主な費用は、レーザを試料へと導き、放出された光を検出器へと戻るように誘導する、スキャン／デスキャンシステムである。光学構成要素は、厳しい許容範囲に配置されなければならない。加えて、検出器（典型的には、光電子増倍管、または、ＰＭＴ）は、高圧電源を必要とする。高性能の共焦点顕微鏡は、生物医学研究施設ではおなじみであるが、多くの個人の研究者、小さい企業、または大学生の団体では手が届かない。その上、顕微鏡は、携帯式でないため、現地または限定された空間でのその使用が制限される。
【0007】
さらにＣＬＳＭは、合焦された小さいレーザビームが試験体をスキャンするたびにデジタル画像が逐一構築されるため、本質的に遅い。例えば、現在実施されているような、そのような光学走査装置では、取得時間は、２００×２００点の画像で、およそ１５分である。一般的に、これは、ほとんどの生物学的画像形成アプリケーションにおいて十分な信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を得るために長い積分時間を必要とする分光学的マップの作製にとって問題ではない。しかし、ハイスループットが必要な場面では、このようなスキャン時間は望ましくない。
【0008】
共焦点レーザ走査顕微鏡システムに関する背景情報は、Ｍａｔｈｅｗ Ｄ． ＭｃＣｌｕｓｋｅｙにより「Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｆｏｃａｌ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｆｉｌｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」の名称で２０１３年９月５日に出願された特許文献１に記載され、権利請求されている。それには、「…ある特定の共焦点顕微鏡は、広視野顕微鏡よりも高い光学解像度を有することができる。しかしながら、そのような共焦点顕微鏡は、いくつかの欠点を有する。例えば、そのような共焦点顕微鏡におけるピンホールは、試料からの光信号に円形開口関数を適用するアナログ計算機として機能する。同ピンホールは、焦点のあった光信号を通過させるが、試料についての多くの情報を運ぶかもしれない焦点の合っていない信号を退ける。下記においてより詳細に説明されるように、本技術のいくつかの実施の形態は、試料からの光信号の実質的にビームプロファイル全体をモニタする。モニタされたビームプロファイルは、既存の共焦点顕微鏡よりも試料について追加の情報、および／または、より正確な情報をもたらすように、モデル化することができる。」と記載されている。
【0009】
前述の時間取得、および、スループットの問題に対処するための別の技術は、走査ディスク共焦点顕微鏡（ＳＤＣＭ）であり、それは、整列された回転するピンホールディスクアレイに光の焦点を合わせるために、回転するマイクロレンズアレイを使用する。連結されたマイクロレンズアレイおよびピンホールアレイディスクは、約５，０００～１０，０００ｒｐｍで回転されるため、視野（ＦＯＶ）は、いくらかの時間、合焦されたレーザビームスポットにより光照射される。ある用途では、蛍光が励起され、同時に試料の複数の点から画像が形成される。
【0010】
しかしながら、回転ディスクの回転とカメラの露光時間が、ＦＯＶ内の全ての位置で、カメラ露光時間の間に同じ回数のレーザビーム露光を受けて、結果としてアーチファクトの画像をもたらすように連動しないという問題が存在する。その上、ピンホールアレイディスク上の複数のピンホールの存在は、他の焦平面からの焦点の合っていない光が、隣接するピンホールに入る原因になる。これは、ｚ軸の解像度を損ない、ｚ軸の解像度に関してＳＤＣＭをＣＬＳＭに劣らせる。ＣＬＳＭの別の望ましくない面は、マルチカラーアプリケーションが、複数のカメラ、ダイクロイックミラー、およびフィルタホイールの必要性により、複雑になり得るということである。単式カメラを採用することができ、フィルタホイールは、異なる蛍光体を順番に励起し、検出するために迅速に切り替えることができるが、これは、複数プローブの高速取得を妨げる。
【0011】
光の焦点をピンホールに合わせるためにピンホールアレイディスクに対合されたマイクロレンズアレイディスクについて開示する走査ディスク共焦点顕微鏡システムに関する背景情報は、Ｆａｖｒｏ ｅｔ ａｌ．により１９９１年７月２３日に「Ｃｏｎｆｏｃａｌ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ」の名称で出願された特許文献２に説明され、権利請求されている。それには、「…本発明は、試験体の一部に光照射する光源と、光源と試験体との間に配置された開口プレートとを含む共焦点顕微鏡を提供する。同開口プレートは、光源から試験体の一部の上に放出された光の一部を通過させるための開口部を含む。同光の一部の焦点を同開口プレートの開口の上に合わせるための手段が、光源と開口プレートとの間に配置される。試験体の一部に光照射するために、開口を通過した光の焦点を試験体の上に合わせるための対物手段が開口プレートと試験体との間に配置される。試験体の一部に照射される光により作製された画像を収集するために、光照射された試験体の一部に光学的に接続された手段が提供される。光の一部の焦点を開口プレートの開口の上に合わせることにより、開口プレートに向けて方向付けされた光のほとんどが、開口プレートを通過し、結果として、開口プレートを通る光の伝達効率を増加させる。本発明の好ましい実施の形態において、同合焦手段は、フレネルゾーンプレートを含む。代替の実施の形態において、同合焦手段は、フレネルレンズ、マイクロレンズ、またはマイクロファンネル集光器を含む。」と記載されている。
【0012】
ピンホールアレイディスクに接続されたマイクロレンズアレイを開示する共焦点顕微鏡システムに関する追加のバックグラウンド情報は、Ｈｅｌｌ ｅｔ ａｌ．により２００４年１１月３日に「Ｔｗｏ Ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ Ａｒｒａｙｓ Ａｎｄ ａ Ｐｉｎｈｏｌｅ Ｄｉａｐｈｒａｇｍ Ａｒｒａｙ」の名称で出願された特許文献３において説明され、権利請求されている。それには、「共焦点顕微鏡は、照明光の光束を、いくつかの測定点において同時に試料に光照射する複数の収束する部分的光束へと分割する、複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、照明光のビーム経路や試料の光照射に由来し、照明光に関して逆方向において捕捉される、試料光のビーム経路とを分離するビームスプリッタと、試料光のビーム経路に配置された複数のピンホールダイアフラムを有し、照明光を分割するマイクロレンズアレイのマイクロレンズに対応する、ピンホールダイアフラムアレイと、照明光を分割するマイクロレンズアレイのマイクロレンズに対応する複数のマイクロレンズを有するさらなるマイクロレンズアレイと、を含む。照明光を分割するマイクロレンズアレイの同マイクロレンズおよびさらなるマイクロレンズのマイクロレンズは、試料光のビーム経路に配置される。上記ビームスプリッタは、照明光を分割する上記マイクロレンズアレイと上記さらなるマイクロレンズアレイとの間に配置され、並びに上記ピンホールダイアフラムアレイの上記ピンホールダイアフラムは、照明光を分割する上記マイクロレンズアレイと上記さらなるマイクロレンズアレイとの間に配置されない。」と記載されている。
【0013】
前述の時間取得およびスループット問題に対処するための別の技術は、格子共焦点顕微鏡、しばしば構造化照明顕微鏡（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＩＭ）と呼ばれる技術であり、レンズまたはスキャニングを伴わない広視野の方法、である。そのようなシステム／方法論は、格子パターンを画像平面上に投影するために、光源と試料との間での励起光経路における可動式格子パターンの配置を頼りにする。蛍光試料の３つの画像が、３つの異なる位置における水平線の格子を用いて記録される。その計算は、焦点の合っていない光を除去し、焦点の合っている情報のみを含む単一の画像を後に残すものである。「通常の（ｒｅｇｕｌａｒ）」広視野画像も、同３つの画像を一緒にまとめることにより、計算することができる。
【0014】
しかしながら、そのような方法の制限は、遅いことであり、試料がより厚い場合、計算のために必要な格子パターンが、ボケにおいて失われ得、多くの場合、画像における潜在する残留格子バターンに起因して、アーチファクトが残存し、並びに、画像が減算されるため、そのような、方法／システムは、ノイズを生じる傾向にある。その上、同方法は、単一の共焦点スライスを生成するために３つの連続する画像を頼りにするため、方法論として、試料が、３つの画像フレームのそれぞれの間の時間において移動することができるような、迅速で動的な、生きた細胞の画像形成にとって好適ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0015】
【特許文献1】米国特許第９，８９１，４２２号
【特許文献2】米国特許第５，１６２，９４１号
【特許文献3】米国特許出願公開第２００５／００９４２６１（Ａ１）号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
したがって、上記において説明したもの以外の新規の面を有し、広視野の高品質画像をハイスループットにおいて提供することができる、携帯式共焦点光学顕微鏡システムが必要とされる。加えて、本明細書の実施の形態および対応する方法は、現在のシステムよりはるかに低価格であり、共焦点顕微鏡の恩恵を提供する。それは、ハイエンドＣＬＳＭとは異なり、携帯式で、占有面積が小さく、可動部の数を最小限にする。本明細書の実施の形態は、そのようなニーズを対象とする。
【課題を解決するための手段】
【0017】
第１態様において、モジュール式共焦点顕微鏡であって、電磁放射線源と、モジュール式共焦点顕微鏡内に構成された合焦レンズ手段の光軸に対して非同一線上に電磁放射線源を方向付けるように配置されたビームステアリング手段であって、合焦されて非同一線上に方向付けられた電磁放射線源は、試験体における１または複数の標的部位の画像形成基礎のために使用される、ビームステアリング手段と、試験体における１または複数の標的部位までのビーム経路に沿った複合共焦点面に構成された少なくとも１の整列された検出器であって、画像形成基礎を使用して１または複数の標的部位の焦点と画像品質を維持するために、自動補正情報を提供するようにさらに構成され、Ｎ＝２×２の配列からＮ＝２１×２１の配列までの画素範囲において合成開口を構成するハイスループットを提供する、整列された検出器と、試験体の１または複数の標的部位の２次元特性、および／または、３次元特性を特定するように構成された、少なくとも１の整列された検出器に接続されたプロセッサと、を備える、モジュール式共焦点顕微鏡が開示される。
【0018】
本発明の第２態様において、電磁照明源と、電磁照明源を受け取るように配置されたマイクロレンズアレイであって、受け取られた電磁照明源は、マイクロレンズアレイにより第１ビーム経路に沿い隣接して走る複数のサブビームへと再構成される、マイクロレンズアレイと、複数の標的部位に複数のサブビームを集めて焦点を合わせるように構成された光学レンズ手段であって、複数の標的部位に複数のサブビームを集めて焦点を合わせた後に、誘導された反射光、および／または、複数の標的部位のそれぞれからの放出光を集めて、第２ビーム経路に沿って方向付けする、光学レンズ手段と、第２ビーム経路に沿って構成され、さらに、誘導された反射光、および／または、合焦された複数のサブビームからの信号により提供される放出光により、結果としての複数の部位を画像形成するように構成された少なくとも１の整列された検出器であって、Ｎ＝２×２の配列からＮ＝２１×２１の配列までの画素範囲において合成開口を構成するハイスループットを提供する、整列された検出器と、標的部位の２次元特性、および／または、３次元特性を特定するように構成された、少なくとも１の整列された検出器に接続された、プロセッサと、を備える、モジュール式マイクロレンズアレイ共焦点顕微鏡が開示される。
【0019】
本発明の第３態様において、永続光伝導を示す試験体における１または複数の標的部位を画像形成すると同時に調整するためにモジュール式共焦点顕微鏡を組み込む工程であって、モジュール式共焦点顕微鏡は、電磁放射線源と、モジュール式共焦点顕微鏡内に構成された合焦レンズ手段の光軸に対して非同一線上に電磁放射線源を方向付けるように配置されたビームステアリング手段であって、合焦されて非同一線上に方向付けられた電磁放射線源は、試験体における１または複数の標的部位の画像形成基礎のために使用される、ビームステアリング手段と、試験体における１または複数の標的部位までのビーム経路に沿った複合共焦点面に構成された少なくとも１の整列された検出器であって、画像形成基礎を使用して１または複数の標的部位の焦点と画像品質を維持するために、自動補正情報を提供するようにさらに構成され、Ｎ＝２×２の配列からＮ＝２１×２１の配列までの画素範囲において合成開口を構成するハイスループットを提供する、整列された検出器と、試験体の１または複数の標的部位の２次元特性、および／または、３次元特性を特定するように構成された、少なくとも１の整列された検出器に接続されたプロセッサと、を備える、組み込む工程と、光源により提供される所定の発光スペクトルを選択する工程と、モジュール式共焦点顕微鏡の共焦点幾何学的構造を介して初期接触点に照射する工程と、照射を維持しながら、照射への試験体の曝露の経路を描くように試験体を平行移動させる工程と、を含む、モジュール式共焦点顕微鏡を使用して材料を調整する、方法が開示される。
【0020】
したがって、本明細書において開示されるように、実施の形態は、ハイスループットにおいて広視野の高品質画像を提供する。加えて、本明細書の実施の形態および対応する方法は、現在のシステムよりはるかに低価格であって、共焦点顕微鏡の恩恵を提供する。それは、ハイエンドＣＬＳＭとは異なり、携帯式で、占有面積が小さく、可動部の数を最小限にする。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1A】デジタル画像処理を備えるモジュール式マイクロレンズアレイ共焦点光学顕微鏡（ＣＯＰ）システムの実施の形態を示す。
【図1B】合成開口として作動するＣＣＤアレイにより画像形成された蛍光レーザ誘導スポットを示す。
【図2A】光源（すなわち、レーザ）を、試験体上に合焦されたスポットの配列に分割するマイクロレンズアレイの概念を示す。
【図2B】ＣＣＤアレイにより画像形成されたマイクロレンズアレイから生じる蛍光スポットを示す。
【図2C】強度値に変換されたマイクロレンズアレイから生じる蛍光スポットを示す。
【図2D】レーザアレイ照明スポットのスキャンを示す。
【図2E】試験体全体を網羅した後の画像の状態を示す。
【図3】図３Ａは、デジタル画像処理能力を有するモジュール式走査共焦点光学顕微鏡（ＣＯＰ）の追加の実施の形態を示す。図３Ｂは、同時に画像形成／処理しながら、本明細書におけるいずれかの顕微鏡の実施の形態が焦点上に留まることを可能にするための、軸はずれ合焦／画像形成技術を示す。図３Ｃは、図３Ｂに示された軸はずれ合焦／画像形成技術に基づくＣＣＤアレイ画像の平行移動およびデフォーカス（信号強度減少）の一般原理を示す。
【図4】光ファイバ検出曲線における測定された軸方向応答曲線およびＣＣＤベースの検出画素クロッピングサイズを示す。
【図5】光ファイバ共焦点スキャンによるチップキャリア試験体の画像を示す。特に、同画像は、光ファイバ検出からの取得された強度マップをプロットすることにより得られる３ｍｍ×３ｍｍのチップキャリア上の１００μｍ×１００μｍのエリアの画像である。
【図6A】ＣＣＤベースの検出結果と比較するためのファイバ画像形成を示す。
【図6B】２×２Ｎ画素クロップサイズのＣＣＤベースの検出結果を示す。
【図6C】６×６Ｎ画素クロップサイズのＣＣＤベースの検出結果を示す。
【図6D】１１×１１Ｎ画素クロップサイズのＣＣＤベースの検出結果を示す。
【図6E】２１×２１Ｎ画素クロップサイズのＣＣＤベースの検出結果を示す。
【図6F】３１×３１Ｎ画素クロップサイズのＣＣＤベースの検出結果を示す。
【図6G】４１×４１Ｎ画素クロップサイズのＣＣＤベースの検出結果を示す。
【図6H】５１×５１Ｎ画素クロップサイズのＣＣＤベースの検出結果を示す。
【図6I】１０１×１０１Ｎ画素クロップサイズのＣＣＤベースの検出結果を示す。
【図7A】特定のＹ位置での、極性マーカＯの水平幅を示すための同極性マーカと、様々なピンホールサイズの電極（ＡＢ）とを貫く水平線の強度プロファイルを示す。
【図7B】特定のＸ位置での、極性マーカＯの垂直幅を示すための同極性マーカと、様々なピンホールサイズの電極（ＡＢ）とを貫く垂直線の強度プロファイルを示す。
【図7C】光ファイバの事例および２１×２１画素のピンホールサイズを有するＣＣＤの事例において測定されたＸおよびＹ範囲全体の電極の全幅プロファイルを示す。
【図8】４０５ｎｍ光への曝露後のＳＴＯ試料の抵抗を示す。測定は、暗所において行った。光照射前の試料の抵抗は、約１ＭＸであった。
【図9】ＫＢｒと混合した、６日間の大気曝露後のＳｒＯ粉末の吸収スペクトルを示す。ＫＢｒと混合した開封したばかりのＳｒＯ粉末をレファレンスとして使用した。
【図10】真空下、１／２気圧水素ガス、または酸素ガス下において０．１ｇのＳｒ（ＯＨ）２と共にアニール処理したＳＴＯの低温（１２５Ｋ）ＩＲスペクトルを示す。光曝露前のスペクトルを吸光度プロットのためのレファレンスとして使用した。
【図11】水蒸気中においてアニール処理したＳＴＯの低温（１２５Ｋ）ＩＲスペクトルを示す。光曝露前のスペクトルをレファレンスとして使用した。
【発明を実施するための形態】
【0022】
本明細書における発明の説明において、暗黙するか、または明確に理解されるか、または述べられない限り、単数形において現れる単語は、その複数形を包含し、複数形において現れる単語は、その単数形を包含することは理解されよう。その上、暗黙するか、または明確に理解されるか、または述べられない限り、本明細書において説明される任意の所定の成分または実施の形態に対して、その成分に対して一覧される可能な候補または代替策は、概して、個別に、またはお互いに組み合わせて使用してもよいことは理解されよう。その上、本明細書において示される図は、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではなく、要素のいくつかは、単に、本発明の明瞭化のために描かれ得ることは理解されるべきである。さらに、参照番号は、対応する要素または類似する要素を示すために、様々な図の間で繰り返される場合もある。さらに、暗黙するか、または明確に理解されるか、または述べられない限り、そのような候補または代替策の任意の一覧は、単に例示であって、限定ではないことは理解されるであろう。加えて、特に明記されない限り、本明細書および特許請求の範囲において使用される、原料、成分、反応条件などの量を表す数字は、用語「約」により修飾されるとして理解されるべきである。
【0023】
したがって、相反することが示されない限り、本明細書および添付の特許請求の範囲において説明される数値パラメータは、本明細書において提示される主題により得ようとする所望の特性に応じて変わり得る近似である。少なくとも、特許請求の範囲に対する均等論の適用を制限しようとするものではなく、少なくとも、各数値パラメータは、報告される有効数字の数を考慮して、並びに通常の丸め手法を適用することにより、解釈されるべきである。本明細書で提示される主題における広い範囲を説明する数値範囲およびパラメータは、近似であるにもかかわらず、特定の実施例において説明される数値は、可能な限り正確に報告される。しかしながら、いかなる数値も、本質的に、それぞれの試験測定において見出される標準的な偏差の結果として必然的に生じるある特定の誤差を含む。
【0024】
●概説
本明細書において開示される有益な実施の形態は、物理的ピンホールを材料科学の応用で置き換えるためにＣＣＤカメラを使用する、モジュール式走査共焦点顕微鏡である。ＣＣＤにより収集されたデータは、試験体の画像を得るために、を処理される。記録されたＣＣＤ画像において有効画素数を選択することにより、仮想のピンホールが作製される。
本明細書において開示される有益な実施の形態は、物理的ピンホールを材料科学の応用で置き換えるためにＣＣＤカメラを使用する、モジュール式走査共焦点顕微鏡である。ＣＣＤにより収集されたデータは、試験体の画像を得るために、を処理される。記録されたＣＣＤ画像において有効画素数を選択することにより、仮想のピンホールが作製される。
【0025】
従来の共焦点顕微鏡の構成とは区別して、それを除いた、本明細書において開示される別の有益な実施の形態は、物理的ピンホールを材料科学の応用で置き換えるためにＣＣＤカメラを使用するが、例えば、ハイスループットでの広視野スキャン／画像形成などを可能にするために、試料体上に合焦されたスポットの配列へとレーザを分割するため、固定されたマイクロレンズアレイも組み入れた、モジュール式共焦点光学顕微鏡である。
【0026】
本明細書における実施の形態の別の新規態様は、開示される実施の形態のいずれかに対して、光照射／画像形成のために使用される入力光源（例えば、レーザ光源）は、調査／調整される試験体／試料の画像形成を開始するために、対物レンズの光軸に対してわずかに非同一線上に（例えば、最大で約１度まで）方向付けすることができる。そのような構成により、元々はそのように画像形成されるが、その後は平行移動、および／または、傾斜させた試料面は、構成されたＣＣＤアレイでの画素数において示されるような（ｘ、ｙ）でのデフォーカス、および、平行移動を示す画像を結果として生じさせる。そのような新規の技術は、焦点を維持し、データ収集の不完全性を緩和するために、本明細書の顕微鏡の構成により有益に使用される。特に、何らかの理由で、試料における最初に画像形成される部位が平行移動する場合（例えば、共焦点顕微鏡の合焦対象物に関してＺ方向において移動する平面）、または、スキャンの際に、スキャンされるエリアの表面が均一でない場合、そのような事象は、適切な焦点を維持するように、自動補正され、結果として、多くの場合、顕微鏡が作動している間のデフォーカスに起因して、画素オフセット、および、信号強度低下をモニタすることによりリアルタイムで画像形成することができる。
【0027】
したがって、開示される全ての実施の形態において、本明細書において開示される方法論および対応するシステムは、広視野顕微鏡と共焦点顕微鏡の間の懸け橋を表す。そして、有益な態様は、反射画像形成だけでなく、通常はハードピンホールが典型的な共焦点幾何学構造に位置される場所で操作される整列されたＣＣＤアレイにより収集されるような試験体により放出された誘導蛍光の画像形成も含む。
【0028】
加えて、本明細書における構成は、２次元画像形成にとって有益であると同時に、本明細書における実施の形態は、同様に、３次元光学セクショニングが可能であり、その場合、薄い均一な層での画像のレンダリングを、所望の対象の３次元表示へとデジタル的に積み重ねることができる。本明細書における実施の形態を使用するそのような方法論の例としては、蛍光染料で処理されているか、または、適切な照明の下で蛍光を発するように遺伝子組み換えされている生物試験体の画像形成する能力が挙げられる。
【0029】
反射および蛍光による画像形成は、本明細書における好ましい実施の形態であると同時に、本発明全体の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書における光学画像形成および材料の処理／調整のために、本明細書の実施の形態を利用することができることも理解されるべきである。例えば、本明細書における実施の形態は、適切な光子がエリアに記録されるのを確実にするために、同時に標的を画像形成しつつ、永続光伝導（以下において詳細に説明される）を示す特定の広いバンドギャップ（２．９ｅＶ超）材料を処理／調整することができる。少なくとも１年間持続し、多くの場合には永久に持続するそのような永続光伝導材料は、多くの場合、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３またはＳＴＯ）を含むが、様々な他の酸化物材料、例えば、これらに限定されるわけではないが、酸化亜鉛（ＺｎＯ）など、を含むこともできる。ＩＩＩ－Ｖ半導体材料、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化ガリウムインジウムヒ素（ＧａＩｎＮＡｓ）、およびガリウムヒ素（ＧａＡｓ）など、も、本明細書において開示されるように、調整／処理することができる。
【0030】
●詳細な説明
ここで、再び図を参照すると、図１Ａは、本発明の実施の形態による、概して数字１００により表される、デジタル画像処理を備えるモジュール式マイクロレンズアレイ共焦点光学顕微鏡（ＣＯＰ）システムの一般的概略図である。図１Ａに示されるように、図１ＡのＣＯＰ顕微鏡システム（１００）は、電磁波源２、少なくとも１のレンズシステム４、第１ステアリングミラー６、ダイクロイックミラー８、リレーレンズ１２（チューブレンズ）、対物レンズ１４、光学フィルタ１７、および検出器１８、多くの場合、相補型金属酸化膜半導体（「ＣＭＯＳ」）検出器を含むための２次元電荷結合検出器（ＣＣＤ）（例えば、８ｂｉｔダイナミックレンジ、画素サイズ５．６μｍ×５．６μｍのＤＭＫ ６４０×４８０画素アレイ）、並びにシステム１００の操作においてユーザを支援するためのコントローラ／プロセッサ１０２を含む。実用的な例の実施の形態として、顕微鏡は、約１．５フィート（４６ｃｍ）の高さ、および１平方フィート（３０×３０ｃｍ２）未満の占有面積である。別のアレンジメントとして、広範囲伝達のために赤色ＬＥＤが使用される（図示されず）。ビームスプリッタ３１８は、コーティングされていない光学構成要素と、コーティングされたスプリッタ（例えば、多重波長選択性（ダイクロイック）を提供するための電子ビーム蒸着された層状コーティングスプリッタまたは任意の層状コーティングオプティック）、立方体スプリッタ、ハーフミラー、プリズム、および／または、他の好適な構成要素を含むことができる。
ここで、再び図を参照すると、図１Ａは、本発明の実施の形態による、概して数字１００により表される、デジタル画像処理を備えるモジュール式マイクロレンズアレイ共焦点光学顕微鏡（ＣＯＰ）システムの一般的概略図である。図１Ａに示されるように、図１ＡのＣＯＰ顕微鏡システム（１００）は、電磁波源２、少なくとも１のレンズシステム４、第１ステアリングミラー６、ダイクロイックミラー８、リレーレンズ１２（チューブレンズ）、対物レンズ１４、光学フィルタ１７、および検出器１８、多くの場合、相補型金属酸化膜半導体（「ＣＭＯＳ」）検出器を含むための２次元電荷結合検出器（ＣＣＤ）（例えば、８ｂｉｔダイナミックレンジ、画素サイズ５．６μｍ×５．６μｍのＤＭＫ ６４０×４８０画素アレイ）、並びにシステム１００の操作においてユーザを支援するためのコントローラ／プロセッサ１０２を含む。実用的な例の実施の形態として、顕微鏡は、約１．５フィート（４６ｃｍ）の高さ、および１平方フィート（３０×３０ｃｍ２）未満の占有面積である。別のアレンジメントとして、広範囲伝達のために赤色ＬＥＤが使用される（図示されず）。ビームスプリッタ３１８は、コーティングされていない光学構成要素と、コーティングされたスプリッタ（例えば、多重波長選択性（ダイクロイック）を提供するための電子ビーム蒸着された層状コーティングスプリッタまたは任意の層状コーティングオプティック）、立方体スプリッタ、ハーフミラー、プリズム、および／または、他の好適な構成要素を含むことができる。
【0031】
例示される実施の形態において、コントローラ／プロセッサ１０２は、マイクロレンズアレイ共焦点光学顕微鏡（ＣＯＰ）１０１と通信する（二重矢印によりも示されるように）。コントローラ／プロセッサ１０２は、本明細書で開示される実例の構成のために、機器制御、データ解析などを提供するための、ネットワークサーバ、デスクトップコンピュータ、および／または、既知のタイプの様々な回路部品の他の好適なコンピューティングデバイス、例えば、これらに限定されるわけではないが、一般用または専用プロセッサ（デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ））、ファームウェア、ソフトウェア、および／または、ハードウェア回路部品など、を含むことができる。
【0032】
そのような実例のコンピューティングデバイスの使用において、本明細書において開示されるように、組み込まれた個々のソフトウェアモジュール、コンポーネント、およびルーチンは、ソースコードとしてＣ、Ｃ＃、Ｃ＋＋、Ｊａｖａ、および／または、他の好適なプログラミング言語で書かれたコンピュータプログラム、プロシージャ、またはプロセスであり得ることも理解されるべきであることは留意されたい。画像処理およびデータ解析は、多くの場合、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）、および、Ｏｒｉｇｉｎ（登録商標）において行われる。コンピュータプログラム、プロシージャ、またはプロセスは、中間体、オブジェクトコード、またはマシンコードにコンパイルされ、上記において説明した好適な実例コンピューティングデバイスのいずれかによる実行のために提示され得る。ソース、中間体、および／または、オブジェクトコード、並びに関連するデータの様々な実装は、１または複数のコンピュータ可読記憶媒体、例えば、リードオンリーメモリ、ランダムアクセスメモリ、磁気ディスク記憶媒体、光学記憶媒体、フラッシュメモリデバイス、および／または、他の好適な媒体など、に格納され得る。本発明の態様により、コンピュータ可読媒体は、当業者により理解される既知の媒体を意味し、それらは、マシン／コンピュータ／プロセッサが読み取る（スキャン／感知する）ことができ、同マシン／コンピュータ／プロセッサのハードウェア、および／または、ソフトウェアが解釈することができる形態において提供されるコード化された情報を有する。本明細書で使用される場合、用語「コンピュータ可読記憶媒体」は、伝搬信号それ自体を除くことも理解されるべきである。
【0033】
上記に一覧した構成要素のいずれも、多くの場合、汚染から特定の構成要素を保護するために、および／または、輸送および設置が容易な統合されたコンパクトなシステムを有するように連結する目的のため、ハウジング１５に収納されるか、またはハウジング１５に連結されることは留意されたい。図１Ａのシステム１００の構成要素ごとの説明は、例示の目的のために有益であると同時に、本明細書で開示される特定の実施の形態を使用する場合、光学顕微鏡／分光法の分野の当業者により既知であり、並びに理解されるような、図示された他の様々な構成要素（例示的構成要素のために図３Ａの説明を参照されたい）を有する他の代替の商業的、および、カスタムの構成を組み込むことも可能であることは理解されるべきであることも留意されたい。
【0034】
上記において述べたそれらの構成要素に関してより詳細には、電磁波源２は、多くの場合、実質的に、単色源、より多くの場合にはレーザ光源（本明細書の以下では４）、例えば、波長可変レーザ光源など、で構成されるが、発光ダイオード、ハロゲンランプ、水銀ランプ、および／または、特定の用途（画像形成、蛍光発光など）のための所望の周波数帯を有し、必要な強度を提供するように構成された照明ビームを生成するように構成される（例えば、フィルタリングにより）任意の他の好適なタイプの光源（例えば、白色光源）でもあり得る。例示的な非限定的蛍光の用途において、多くの場合、レーザ光源２は、多くの場合にマイクロレンズアレイ（本明細書の以下において４）であるレンズシステム４により受け取られるように構成された緑色レーザビーム（例えば、５３２ｎｍの波長において４．５ｍＷのレーザダイオード）であるが、必ずしもそうとは限らない。
【0035】
ＣＣＤ画像を解析することにより、図２Ｃに示されるように、各レーザスポットから生じる発光特徴は、多くの場合、強度値５２（画素）に変換される。さらに、図２Ｄは、ステアリングミラー６（例えば、ピアゾスキャニングミラー）をスキャンすること、または図１Ａに示されるｘ－ｙ－ｚステージ１９を、サブレンズ４’のピッチのサブ増分である適切な工程様式により操作すること、のどちらかによりスキャンされるレーザアレイ５４を示す。レーザアレイは、各（ｘ、ｙ）点が網羅されるように試験体をスキャンする。この例示的な非限定的実施例に対するアプローチは、ハイエンド共焦点システムと同等な取得時間を可能にしつつ、同時に、約１００ピンホール／検出器（４×５グリッドの場合）測定を効率的に実施する。
【0036】
しかしながら、追加のアレンジメントは、所望であれば、垂直方向スキャニングのための圧電対物スキャナおよび、水平方向スキャニング、および／または、ｚ軸方向スキャニングのための圧電ナノポジショニングステージを含むことができることは留意されたい。さらに、ｘ－ｙ－ｚステージ１９は、多くの場合、動力化された直線ステージ構成（例えば、ステッパモータ駆動式直線ステージ）であるが、大きなエリアの平行移動のために、動力化されたポジショニングと組み合わせて、手動でのポジショニングも利用可能である。当業者に既知であり理解されるステージを使用した実例のステッピング操作は、側方に約０．１マイクロメートルであるが、ビームコンディショニング、コレクション、およびフォーカシングオプティクス、例えば、リレーレンズ１２、対物レンズ１４、およびマイクロレンズ４’レンズアレイ（例えば、アレイ４’直径、ｆ＃など）により試験体１に提供される照明特性に応じて、任意のより大きい工程増分も対応可能である。図２Ｅは、結果的に網羅される試験体１全体の表面の結果を示す。
【0037】
その後、光照射された一意の標的のアレイは、光学情報（例えば、反射による画像形成情報（すなわち、電磁波源２レーザスポットを画像形成する）、および／または、蛍光）を提供し、それは、戻り経路２３に沿って、対物レンズ１４、リレーレンズ１２、目的の波長を透過するように構成されたダイクロイックスプリッタ８を通り、多くの場合、ハウジング１５内の１または複数の窓（詳述されていない）、１または複数のバンドパスフィルタ１７を通って、次いで、ＣＣＤ検出器１８上のそれぞれの画素へと方向付けされる。
【0038】
電荷結合検出器（ＣＣＤ）１８は、受け取ったビーム信号の断面積と等しくまたはより大きくなるように設計された検出エリア、または、光検出器１８における複数のビーム信号を包含するエリア、により構成することができることに留意されたい。多くの場合、検出器に対するエリア自体は、受け取ったビーム信号または複数のビーム信号のエリアよりも少なくとも５倍大きい。検出器１８は、ｘ軸、ｙ軸、またはｚ軸のうちの少なくとも１に沿って移動するように、動力化された制御（例えば、ステッパ制御（図示されず））によって構成され、それにより、検出器１８は、共焦点方法において試験体１の画像形成を最大化することができる。しかしながら、それは、他の所望の技術のためにシステム１００により提供される設計された焦点結像面から離れて配置することもできる。結果として、信号ビームにより満たされた光検出器９０および７０の検出エリアの割合は、目標値（例えば、約０．０１、約０．０２、約０．０３、約０．０４、約０．０５、約０．０６、約０．０７、約０．０８、約０．０９、または約１．０）まで増加させてもよい。
【0039】
操作中、コントローラ１０２は、（ユーザまたは自動制御により）照明源２に照明用のビーム３を生じさせる。その後、マイクロレンズアレイ４は、概して図１Ａに示されるように、レーザ光源２のビーム３を受け取るように構成される。マイクロレンズアレイ４は、多くの場合、サブレンズ４’（マイクロレンズ）の２次元（２Ｄ）格子、より多くの場合には４×５の格子、において構成され、その場合、サブレンズ４’（レンズレット）のそれぞれは、レーザ光源２による初期波面を、スポットの配列（例えば、５２）へと変更する。個々のサブレンズ４’の実例寸法は、数マイクロメートルから数十マイクロメートルまでの範囲の少なくとも１の寸法（例えば、直径）を含む。
【0040】
システム１００の操作におけるマイクロレンズ４の役割をより良く理解するために、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄ、図２Ｅは、この態様を示している。特に、マイクロレンズアレイ４の格子パターンは、レーザを、対応するスポットのアレイ（サブビーム５０（図２Ａを参照されたい））へと分割し、結果として図２Ｂ、図２Ｃにおける受け取られて画像形成された最終的なスポット５２、５２’を生じるように、試験体１上に焦点を合わせられる。特に、図２Ｂは、電荷結合検出器１８により画像形成されるように示された蛍光スポット５２を誘導するため、結果として生じる共焦点照明エリアの格子に対する、結果として生じる４×５（単純化のため１列が表される）を示している。
【0041】
さらにより詳細には、マイクロレンズアレイ４により提供されるそれぞれのサブレンズ４’は、（点線の楕円内に示される）その収集された量の光源２の光の焦点を、設計された焦平面５５（点線の楕円内に示される）に合わせ、焦平面５５は、この実例実施の形態において、マイクロレンズアレイ４’により方向付けされた全ての光の収集のために適切なレンズ直径を有する構成されたリレーレンズ１２のための焦平面に対応する。しかしながら、リレーレンズ１２は有益であると同時に、本明細書における実施の形態は、所望のすべての効果を結果として生じる、当技術分野において既知の任意の化合物光学アレンジメントも含むことができる。結論を言えば、ビーム光源２による波面は、マイクロレンズアレイ４内に構成されたそれぞれのサブレンズ４’（レンズレット）により、スポット（例えば、５２）の配列（格子パターン）へと変更され、それは、初期ビーム経路２１に沿って方向付けされる別々のチャンネルとして機能する。
【0042】
本明細書における実施の形態の例示目的のため、図１Ｂは、受け取られた最終的ないくつかの蛍光画像（スポット５２）を示しており、それは、サブビーム５０の４×５の格子により光照射されることにより生じる（図２Ａを参照されたい）。しかしながら、特定のマイクロレンズアレイ４により提供されるサブビーム５０の数は、２０の格子（すなわち、フレームワーク）のみには限定されず、少なくとも２から２０までの、所望の場合はさらに２０超の、いくつかの格子フレームワークを含むことができる。
【0043】
マイクロレンズアレイ４のさらにより良い理解のため、構成された各サブレンズ４’は、新たな光源として作動するように、別々のチャンネルを形成する。個々の別々のチャンネルは、同アレイ（格子）構成に起因して、干渉効果（クロストーク）を避けるために、空間的に離間される。その結果、最終的に、結果として別々の一意の照明部位を生じ、その結果、別々の結像チャンネルを生じて、お互いに隣接して位置される複数の共焦点顕微鏡のように動作する。したがって、マイクロレンズアレイ４を通過した後、ビーム経路２１に沿って方向付けされた隣接する別々のチャンネルは、最終的に、一意の部位において試験体１に光照射するように、対物レンズ１４により受け取られ、かつ、方向付けられるように、ステアリングミラー６（例えば、ピエゾスキャニングミラー）により受け取られてダイクロイック構成要素８（多くの場合、蛍光用途のためのロングパスダイクロイックミラー）へと方向付けし直される。
【0044】
蛍光実例の実施の形態において、実用的な実施の形態を実証するために利用された試験体１を、６００～７５０ｎｍの範囲で蛍光する赤色染料で標識した。この例証のために蛍光について説明するが、所望の場合、試験体１の標的（すなわち、光源２が光照射する領域）からの反射を利用できることも理解されるべきである。したがって、励起波長（例えば、５３２ｎｍ）でのサブビーム５０の格子により提供される複数の一意の標的において光照射される試験体１に関して、実質的にこの特定の染料から生じる放出光は、例えば、図１Ｂの画像により示されるように、結果として、６００ｎｍから７５０ｎｍの間の誘導蛍光を生じた。その後、誘導された放出光は、顕微鏡対物レンズ１４の共焦点幾何学構造により再収集され、次いで、放出光線は、望ましくない信号を軽減するため、特定の発光バンドをさらに減衰させるダイクロイックミラー８およびフィルタ１７（例えば、エッジフィルタ、ノッチフィルタなど）を通過するように、リレーレンズ１２により方向付けし直された。フィルタ１７を通過する許容された発光バンド（例えば、６００ｎｍ－７５０ｎｍ）は、次いで、望ましくは、ＣＣＤ上に画像形成され（図１Ｂにグリッドスポットとして示されている）、多くの場合、通常は、標準的な共焦点顕微鏡タイプの幾何学的構造においてハードピンホール開口を収容する平面に位置される。
【0045】
ダイクロイックミラー８に関して、光学構成要素は、固定動作態にある（すなわち、特定の反射および透過光学周波数帯のために設計される）一方で、単一パラメータ蛍光および洗練されたマルチチャンネル画像形成が、本明細書における実施の形態のいずれかにより好ましい動作のモードである場合、ダイクロイックミラー８を変更することなく、より良い簡便性を提供するために、ダイクロイックミラー８およびさらにフィルタ１７は、オペレータ／消費者が所望する場合、音響光学ビームスプリッタ（Ａｃｏｕｓｔｏ－Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ：ＡＯＢＳ）および関連するドライブエレクトロニクス（図示されず）で置き換えることができる。そのような実例の構成／動作において、ユーザは、コントローラ／プロセッサ１０２を使用して、特定の光源２から、励起のために１セットの色を選択する。その後、コントローラ／プロセッサ１０２は、自動的にプログラミングに基づいて、ラインを試験体１上へと方向付けさせ、並びに、この非限定的な実施の形態の場合、所望の蛍光発光を伝達するように、ＡＯＢＳを操作することができる。さらに、そのようなＡＯＢＳ構成要素は、反射アレンジメントのためにも利用することができる。したがって、この実施例において、例えば、異なる照明波長を使用する（例えば、チューナブルレーザまたは高強度白色光源を使用する）、様々な発光蛍光体は、有害な遅延がなく、迅速に画像形成することができる。
【0046】
別の実例となるアレンジメントとして、画像形成されたスポット５２のそのような配列も、その後、ガウス関数に正確に近似することができる。従来のＣＬＳＭの動作をエミュレートする別の選択肢は、各配列ポイントにおいて仮想ピンホールを定義することである。例えば、光照射の格子パターンに一致する設計になる格納式ハードピンホールアレンジメント（図示されず）を利用することができるが、各配列ポイントでの仮想ピンホールは、実質的に全ての光子のコレクションを保存し、それは、特に、全ての光子が求められる蛍光アレンジメントにおいて有益である。
【0047】
特に、ＣＣＤは、複数の仮想合成ピンホールとして動作するように構成することができ、それにより、迅速なＣＣＤの時間取得アーキテクチャの使用によりハイスループットの方式において信号雑音比（ＳＮＲ）を向上させるために、最大数の放出光子を収集することができる。Ｓ／Ｎ比が依然として不十分な場合、光源２の照明電力を増加させることもでき、および／または、より良好な光感応性カメラ、例えば、ＥＭＣＣＤおよびｓＣＭＯＳ技術など、を用いることもできる。例えば、ｓＣＭＯＳ技術は、多くの場合、読み取りノイズ、ダイナミックレンジ、またはフレームレートを悪化させることなく、（より）大きな視野を可能にするだけでなく、さらにより高い解像度を有する、５．５メガ画素センサを含む。その上、そのようなセンサは、１．３電子ｒｍｓまで読み取りノイズを下げて、１００完全フレーム／秒を達成することができ、その全ては、本明細書において開示される任意の実施の形態と共に有益に用いられる。
【0048】
ここで再び図３Ａを参照すると、示された実施の形態は、概して数字３００により参照されるような、デジタル画像処理能力を有するモジュール式走査共焦点光学顕微鏡（ＣＯＰ）の構成要素のさらなる詳細を伴う別の実例の構成である。図３Ａの説明は、下記において説明される実施例において、構成における構成要素、および、さらなる詳細を概説するであろう。
【0049】
したがって、図３Ａに示されるように、デジタル共焦点光学顕微鏡３００は、多くの場合、（ＣＣＤ３１２として構成される光検出器を含むために）、照明源３０２と、１または複数の光検知器３０６および３０８とを含む。他の構成要素は、（所望の場合、上記において説明されるようなＡＯＢＳを含むために）、対物レンズ３１４と、ダイクロイックビームスプリッタ３１８と、を含む。ある特定の実施の形態において、デジタル共焦点光学プロファイル顕微鏡３００は、図１Ａに対して上記において同様に説明されるように、必要に応じて、ｘ軸、ｙ軸、またはｚ軸のうちの少なくとも１に沿って、対物レンズ３１４に対して試験体１を運搬および移動するように構成された平行移動ステージを含むことができる。
【0050】
デジタル共焦点光学顕微鏡３００は、全ての制御可能な構成要素、例えば、照明源３０２、光検知器３０６および３０８、並びに／あるいは、構成された可動式ステージ構成要素（例えば、ＰＺＴステージ３１１および平行移動ステージ３１６）など、に作動的に連結される、上記において同様に説明されるような、コントローラ／プロセッサ１０２も含むことができる。他の実施の形態において、デジタル共焦点光学プロファイル顕微鏡３００は、さらに、スキャニングミラー、および／または、光照射の焦点を特定の位置（ｘ、ｙ）の試験体１上に合わせるように構成された他の好適な光学構成要素も含むことができる。さらなる実施の形態において、デジタル共焦点光学プロファイル顕微鏡３００は、さらに、フレーム、接眼レンズ、ダイアフラム、および／または、以下の実施例においていくらか詳述されるような、他の好適な機械的／光学的構成要素も含むことができる。
【0051】
照明源３０２（図１の実施の形態に対して上記において同様に説明されるように）は、電磁波源、例えば、これらに限定されるわけではないが、レーザ、発光ダイオード、レーザダイオード、ハロゲンランプ、水銀ランプ、および／または、所望の光学特性を有する照明ビーム（図示されず）を生成するように構成された他の好適なタイプの光源など、を含むことができる。照明用のビームは、当業者により理解されるように、多くの場合は球状だが、平坦、および／または、他の好適なプロファイルも含むことができる、ビーム形状パラメータを有するように、操作され得る。
【0052】
ビームスプリッタ３１８（例えば、ＡＯＢＳを含むための）は、照明源３０２から照明用のビームを受け取るように位置決めされる。好ましい動作のモードであるように、ビームスプリッタ３１８は、図１Ａに対して上記において同様に説明されるように、照明源３０２により提供される照明ビーム（図示されず）を、対物レンズ３１８の使用により試験体１へと方向付けするように構成される。ビームスプリッタ３１８は、図１Ａに対して上記において説明されるように、対物レンズ３１８、および／または、任意の他の仲介する光学構成要素、例えば、チューブ（リレー）レンズ（図示されず）など、により方向付けされるように、試験体１からの反射されたビーム、および／または、蛍光を発するビーム（図示されず）を受け取るようにも位置決めされる。次いで、ビームスプリッタ５４は、下記の実施例の説明において詳細に説明されるように、受け取ったビーム（反射されたビーム、および／または、蛍光を発するビーム）を、光検出器ＣＣＤアレイ３１２、および／または、任意の他の光学検出素子（例えば、光検出器３０６、３０８）に向けて方向付けするように構成される。
【0053】
ビームスプリッタ３１８は、コーティングされていない光学構成要素と、コーティングされたスプリッタ（例えば、多重波長選択性（ダイクロイック）を提供するための電子ビーム蒸着された層状コーティングスプリッタ、または任意の層状コーティングオプティック）、立方体スプリッタ、ハーフミラー、プリズム、および／または、他の好適な構成要素を含むことができる。上記において説明されるように、所望であれば、ビームスプリッタ３１８は、構成された音響光学ビームスプリッタ（ＡＯＢＳ）であり得る。
【0054】
デジタル共焦点光学プロファイル顕微鏡１００は、信号ビームの光学情報を直接検出する標準的な共焦点アレンジメントにおいて、ピンホールが典型的に構成されるであろう場所に、新規の様式におけるＣＣＤが存在するため、物理的なピンホールを必ずしも含むわけではないことは理解されるべきである。ＣＣＤ１３１２アレイは、例えば、下記において説明されるように、多くの場合、上記において説明されるように、相補型金属酸化膜半導体（「ＣＭＯＳ」）検出器、ＥＭＣＣＤおよびｓＣＭＯＳ技術などを含むために、任意の所望の２次元電荷結合アレイを含む。
【0055】
図３Ａにおける電荷結合検出器（ＣＣＤ）３１２は、図１Ａの実施の形態に対して上記において同様に述べたように、受け取ったビーム信号の断面積と等しくまたはより大きくなるように設計された検出エリアにより構成することができる。多くの場合、検出器に対するエリア自体は、受け取ったビーム信号のエリアよりも少なくとも５倍大きい。電荷結合検出器（ＣＣＤ）３１２は、ｘ軸、ｙ軸、またはｚ軸のうちの少なくとも１に沿って移動するように、動力化された制御（例えば、ステッパ制御（図示されず））により構成してもよく、それにより、電荷結合検出器（ＣＣＤ）３１２は、共焦点方法において試験体１の画像形成を最大化することができる。しかしながら、それは、他の所望の技術に対してシステム３００により提供される設計された焦点結像面から離れて配置することもできる。結果として、信号ビームにより満たされた光検出器９０および７０の検出エリアの割合は、目標値（例えば、約０．０１、約０．０２、約０．０３、約０．０４、約０．０５、約０．０６、約０．０７、約０．０８、約０．０９、または約１．０）まで増加させてもよい。
【0056】
さらなる実施の形態において、デジタル共焦点光学プロファイル顕微鏡３００は、共焦点モード、および／または、共焦点プロファイルモード下において動作するように構成してもよい。そのような実践形態において、２つのモードは、独立してまたは同時に（例えば、並行して）動作され得る。例えば、デジタル共焦点光学プロファイル顕微鏡３００は、格納式ピンホール（図示されず）を含んでもよい。共焦点モード下において、格納式ピンホールは、フィルタにかけるため、または少なくとも焦点外の信号を減らすために、電荷結合検出器（ＣＣＤ）３１２の間に位置決めされ得る。あるいは、共焦点プロファイルモード下において、格納式ピンホールは、信号ビームのプロファイルを検出するために、電荷結合検出器（ＣＣＤ）３１２の間の光学経路から除かれ得る。
【0057】
本明細書において開示される任意のモジュール式共焦点顕微鏡に組み入れることができる別の非常に有益なアレンジメントが、図３Ｂおよび図３Ｃに示される。概して、理論に束縛されることなく、並びに同技術の例示目的のために共焦点顕微鏡３００を使用することにより、光照射／画像形成のために使用される入力光源（例えば、レーザ光源３０２）は、光学的に調査／調整されることが望まれる試験体／試料の画像形成を開始するために、対物レンズ３１４、および、適切であれば、例えば手動のステアリング３２６、３２７、を使用する任意の他の収集／合焦したオプティクスの光軸（破線として表される）に対してわずかに非同一線上において（例えば、最大で約１度まで）方向付けすることができる。
【0058】
図３Ｂに関連してそのような構成であるため、元々は画像形成されるが、その後は距離Ｚにおいて平行移動され（Ｔとして示される平面を参照されたい）、および／または、傾斜された試料面（Ｉ）は、結果として、強度損失を示す（例えば、デフォーカスにより）画像を生じるであろうし、並びに、構成されたＣＣＤ３１２アレイ（図３Ｃを参照されたい）におけるシフト画素数（図３Ｃを参照されたい）において証明されるように、（ｘ、ｙ）における平行移動も示す。そのような新規の技術は、焦点を維持し、データ収集の不完全性を緩和するために、本明細書の顕微鏡構成により有益に使用される。特に、有益なことに、何らかの理由で、試料における最初に画像形成される部位が平行移動する場合（例えば、共焦点顕微鏡合焦対象物に関してＺ方向において移動する平面において）、またはスキャンの際に、スキャンされるエリアの表面が平滑でない場合、そのような事象は、適切な焦点を維持するように、自動補正され得る。したがって、そのような事象は、多くの場合、顕微鏡が作動している間のデフォーカスに起因して、画素オフセットおよび信号強度低下をモニタすることによりリアルタイムで画像形成することができる。
【0059】
本開示を全般的に提供したが、同じことが、特に明記されない限り説明のために提示され、本開示を限定することを意図しない、以下の実施例を参照することにより、より容易に理解されるであろう。
【0060】
●実施例
光源モジュールは、５３２ｎｍ波長において４．５ｍＷのコリメートレーザダイオード３０２であった。Ｇｌａｎ－Ｔａｙｌｏｒ偏光子Ｐ１ ３２３および半波長板３２４で作製されたビーム減衰ユニットは、入射レーザ出力を調節するために使用される。ケプラータイプのビーム拡大器３２５は、顕微鏡の対物レンズ３１４（Ｚｅｉｓｓ ＬＤ Ｐｌａｎ－Ｎｅｏ ｆｌｕｏｒ ２０×／０．４Ｃｏｒｒ）の背面開口をわずかに上回って満たすように、レーザビームを拡大する。直径５０μｍの共焦点ピンホール（詳述されず）は、空間フィルタとして機能する内部焦点において挿入される。次いで、拡大されたビームは、第１ビームステアリングミラー３２６および第２ビームステアリングミラー３２７により、多くの場合、第１濃度フィルタ３２９およびビームスプリッタ３１８キューブ（または、ダイクロイックミラー、例えば、ＡＯＢＳなど）を通って、主要な顕微鏡光学縦列へと誘導される。次いで、反射された（または放出された）光は、様々なビームスプリッタキューブ３３４、３３５により、カメラ検出モジュール４００、５００および光ファイバ検出モジュール６００へと方向付けされる。
光源モジュールは、５３２ｎｍ波長において４．５ｍＷのコリメートレーザダイオード３０２であった。Ｇｌａｎ－Ｔａｙｌｏｒ偏光子Ｐ１ ３２３および半波長板３２４で作製されたビーム減衰ユニットは、入射レーザ出力を調節するために使用される。ケプラータイプのビーム拡大器３２５は、顕微鏡の対物レンズ３１４（Ｚｅｉｓｓ ＬＤ Ｐｌａｎ－Ｎｅｏ ｆｌｕｏｒ ２０×／０．４Ｃｏｒｒ）の背面開口をわずかに上回って満たすように、レーザビームを拡大する。直径５０μｍの共焦点ピンホール（詳述されず）は、空間フィルタとして機能する内部焦点において挿入される。次いで、拡大されたビームは、第１ビームステアリングミラー３２６および第２ビームステアリングミラー３２７により、多くの場合、第１濃度フィルタ３２９およびビームスプリッタ３１８キューブ（または、ダイクロイックミラー、例えば、ＡＯＢＳなど）を通って、主要な顕微鏡光学縦列へと誘導される。次いで、反射された（または放出された）光は、様々なビームスプリッタキューブ３３４、３３５により、カメラ検出モジュール４００、５００および光ファイバ検出モジュール６００へと方向付けされる。
【0061】
カメラモジュール４００は、反射光、および／または、放出光（例えば、蛍光）パターンを収集するために、垂直アームにおける整列された検出器ＣＣＤ１ ３１２（Ｔｈｅ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｓｏｕｒｃｅ， ＤＭＫ ２３Ｕ６１８の白黒カメラ）を含み、同パターンは、多くの場合、後の画像処理のために６４０×４８０解像度ビットマップとして保存される。５３２ｎｍのラインフィルタ３３７（またはノッチフィルタ）は、反射されたレーザ光のみを通過させるために、前面に位置される。カメラモジュール５００は、広視野検査および初期位置決めのために使用される水平アームにおける配列された検出器ＣＣＤ２ ３１２’（Ｔｈｅ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｓｏｕｒｃｅ、ＤＦＫ ２３Ｕ２７４カラーカメラ）を含み、並びにレーザ光がカメラに入るのを防ぐために、５３２ｎｍのノッチフィルタ３３９（またはラインフィルタ）を使用する。２００ｍｍの焦点長チューブレンズ３４２、３４３を両方のアームにおいて使用する。
【0062】
ファイバ検出モジュール６００は、光を直径２５μｍのマルチモードファイバ３５０に接続させるために、４倍オリンパス顕微鏡対物レンズ３４８を使用し、それは、光検出器３５１により収集される透過光に対して共焦点ピンホールとしての機能を果たす。モーションモジュールは、垂直方向スキャンのために圧電対物スキャナ（Ｐｈｙｓｉｋ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ、ＰＩＦＯＣ１ Ｐ７２５．４ＣＤ）を、並びに、水平方向スキャンのために圧電ナノポジショニングステージ（Ｐｈｙｓｉｋ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ、Ｐ－６１１．２Ｓ）を使用する（両方とも３５２として示される）。大きなエリアの平行移動のために、動力化されたスキャンテーブル（Ｐｈｙｓｉｋ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ、ＫＴ－１２０）、および３軸手動ステージ（概して両方とも３１６で表される）を使用する。加えて、光検出器３６０によるビームコリメーションおよび強度モニタリングのために、シアリング干渉計３５６を使用する。適切であれば、追加の光学減光フィルタ（例えば、３６５、３６６）が位置決めされる。
【0063】
多くの場合、ただし、必ずではないが、設計が光学的にシンプルで光学的な収差の影響を受けにくいため、レーザスキャニングの代わりに試料スキャニングが使用される。さらに、試料をスキャンする顕微鏡の視野（ＦＯＶ）は、顕微鏡の光学設計を変更せずに、独立して選択することができる。記録された画像上の目的の領域（Ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ：ＲＯＩ）を選択することにより、仮想ピンホール（ＣＣＤ１ ３１２および／またはＣＣＤ２ ３１２’を使用する）を生成することができる。ＲＯＩは、共焦点原理に従う試料面上の回折限界スポットに対応する画素のみが含まれる。多くの場合、以下において説明されるように、下記においても説明されるＮ値の選択を伴う仮想ピンホール（合成開口）として、Ｎ×Ｎ画素の正方形ピンホールが利用される。仮想ピンホールを越えて、追加のコントラストを引き出すために画像が解析される。スキャンが完了した後、記録された画像を、それらの空間座標と同じ順序で保存する。次いで、記録された画像からの情報をデコンボリューションするためにコンピュータプログラムを使用する。
【0064】
●２次元スキャン
前述のとおり実施の形態を使用する作業モードを例示するために、ＸおよびＹの両方に沿って０．５μｍ工程サイズでの２００×２００の総スキャンポイントによる、３ｍｍ×３ｍｍのチップキャリア試験体１上の１００μｍ×１００μｍのエリアの２次元スキャンを開始した。ＣＣＤ１ ２１２で記録された画像上のＮ×Ｎ画素のＲＯＩを網羅する最終的な画像を得た。Ｎｙｑｕｉｓｔ－Ｓｈａｎｎｏｎサンプリング定理は、解像可能な素子１つあたり少なくとも２画素を必要とする。最初に、２×２画素の正方形ピンホールを選択した。画像形成のために最適なピンホールサイズを特定するために、追加のクロッピングサイズ（Ｎ＝６、１１、２１、３１、４１、５１、１０１）を使用した。比較として、標準的な共焦点信号検出を表すために、光ファイバモジュールを利用した。同じ視野からの反射光を収集するために、直径２５μｍのマルチモードファイバ３５０を使用した。
前述のとおり実施の形態を使用する作業モードを例示するために、ＸおよびＹの両方に沿って０．５μｍ工程サイズでの２００×２００の総スキャンポイントによる、３ｍｍ×３ｍｍのチップキャリア試験体１上の１００μｍ×１００μｍのエリアの２次元スキャンを開始した。ＣＣＤ１ ２１２で記録された画像上のＮ×Ｎ画素のＲＯＩを網羅する最終的な画像を得た。Ｎｙｑｕｉｓｔ－Ｓｈａｎｎｏｎサンプリング定理は、解像可能な素子１つあたり少なくとも２画素を必要とする。最初に、２×２画素の正方形ピンホールを選択した。画像形成のために最適なピンホールサイズを特定するために、追加のクロッピングサイズ（Ｎ＝６、１１、２１、３１、４１、５１、１０１）を使用した。比較として、標準的な共焦点信号検出を表すために、光ファイバモジュールを利用した。同じ視野からの反射光を収集するために、直径２５μｍのマルチモードファイバ３５０を使用した。
【0065】
顕微鏡３００を利用する実施例の方法として、多くの場合、試験体１がスキャンされる前に、較正プロセスが実施される。この工程は、ファイバファセットおよびＣＣＤが対物レンズの焦平面に対応する共役面に存することを確実にするために実施される。
【0066】
図４は、光ファイバ応答曲線（ファイバ（Ｆｉｂｅｒ）として表される）の実施例の測定軸応答曲線を示しており、並びにＣＣＤベースの検出画素クロッピングサイズ（実際の画素合成開口サイズＮ＝（６、１１、２１、３１、４１、５１、１０１）で示される）のデータも示される。これらの比較的対称なプロットは、軸ゼロ／焦点が同じ共役面に対して光学的に整列されるというユーザ確信を可能にするために、共通の軸ゼロ／焦点（Ｚ－０において）を共有する。光ファイバ応答曲線（ファイバ）は、３１×３１までのＣＣＤプロットにおける応答曲線よりも比較的広いことは留意されたい。ＣＣＤのプロットにおいて、光ファイバ応答曲線の幅は、クロップサイズに従って増加した。半値全幅（ＦＷＨＭ）は、Ｎ＝２の場合は７μｍであり、Ｎ＝２１の場合は２５．７２μｍである。Ｎ＝３１×３１を超えると、明確なピークは見出されない。
【0067】
光ファイバ共焦点スキャンからの試験体１の幾何学的プロファイルを明らかにする強度マップが、下記において説明されるために示された、極性マーカ（Ｏ）、上部電極（ＴＥ）に対する幅マーカＡＢ、および、上部電極（ＢＥ）に対する幅ＣＤとして、図５に示されている。特に、図１の実施の形態は、同様に、同じ結果のそのような試験体１を画像形成できるが、図５は、図３の実施の形態を使用するチップキャリア試験体１の画像を示す。
【0068】
ＣＣＤベースの検出結果が、図６Ａ－６Ｉに示される。特に、図６Ａは、ファイバの画像形成を示し、図６Ｂは、２×２Ｎ画素のクロップサイズ（合成開口）を示し、図６Ｃは、Ｎ＝６×６画素のクロップサイズ（合成開口）を示し、図６Ｄは、Ｎ＝１１×１１画素のクロップサイズ（合成開口）を示し、図６Ｅは、２１×２１Ｎ画素のクロップサイズ（合成開口）を示し、図６Ｆは、３１×３１Ｎ画素のクロップサイズ（合成開口）を示し、図６Ｇは、４１×４１Ｎ画素のクロップサイズ（合成開口）を示し、図６Ｈは、５１×５１Ｎ画素のクロップサイズ（合成開口）を示し、並びに図６Ｉは、１０１×１１Ｎ画素のクロップサイズ（合成開口）を示す。同画像が、２×２画素アレイサイズから、２１×２１画素アレイ合成開口までの、最良または許容可能な解像度による明瞭さを有し、それは、図４の応答曲線の結果にも一致することに留意することは重要である。しかしながら、２×２画素アレイサイズから２１×２１画素サイズアレイ（すなわち、合成開口）までは有益であるが、６×６（例えば、図６Ｃを参照されたい）の事例は、２×２の事例（例えば、図６Ｂを参照されたい）に最も近い一致を与え、依然として、かなりの量の画素を維持することに留意することは重要である。
【0069】
したがって、下記において反復されるように、画素の６×６アレイ（例えば、図６Ｃを参照されたい）は、より複雑な解析および最良性能を必要とする３次元スキャンにとって好ましい最適のピンホールサイズであるが、２１×２１（例えば、図６Ｅを参照されたい）は、ファイバとＣＣＤ実験との間の意味のある比較と、少ない計算負荷とを必要とする２次元スキャンのためのピンホールアレイサイズである。また、ＰＩ－６１１の手動制御によるものも注目すべきである。レーザスポットが、点検カメラＣＣＤ２の側端において消失する場合、右上（ＴＥ）および左下（ＢＥ）電極の幅にわたって平行移動するための２Ｓ圧電ステージにおいて、図５に示されるように、電極幅ＡＢおよびＣＤの視覚的な評価を得た。すなわち、ＡＢは２８－２９μｍであり、ＣＤは２７－３０μｍである。
【0070】
代替の実施の形態である客観的アプローチとして、精選された線対の離合集散の代わりに、右上電極および左下電極、ＡＢ（ＴＥ）およびＣＤ（ＢＥ）の平均幅を計算するために、コンピュータプログラムを使用した。そのようなプログラムは、最初に、金メッキ電極およびマーカを基板から完全に分離するための閾値を計算し、次いで、各Ｘ位置またはＹ位置でのこれらの閾値を超える電極の幅を計算する。
【0071】
再び、図７Ａ、図７Ｂ、および図７Ｃを参照すると、図７Ａは、特定のＹ位置での、極性マーカＯ（図５を参照されたい）の水平幅を示すための極性マーカと、様々なピンホールサイズの電極（ＡＢ）とを貫く水平線の強度プロファイルを示し、図７Ｂは、特定のＸ位置での、極性マーカＯ（図５を参照されたい）の垂直幅を示すための同極性マーカと、様々なピンホールサイズの電極（ＡＢ）とを貫く垂直線の強度プロファイルを示し、その一方で、図７Ｃは、光ファイバの事例および２１×２１画素のピンホールサイズを有するＣＣＤの事例において測定されたＸおよびＹ範囲全体の電極の全幅プロファイルを示す。結果として、一連の幅値が得られる。
【0072】
図７Ｃの上半分は、各Ｙ位置での電極の最大水平幅を表す。図７Ｃの下半分は、各Ｘ位置での電極の最大垂直幅を表す。図７Ａおよび図７Ｂにおいて極性マーカ（Ｏ）の中央を貫く水平線および垂直線の強度プロファイルは、ピンホールサイズの増加に伴うコントラストの減少およびノイズの増加を示している。対物レンズ（例えば、Ｚｅｉｓｓ ＬＤ Ｐｌａｎ Ｎｅｏｆｌｕｏｒ ２０×／０．４ Ｃｏｒｒ）の焦平面における回折限界スポット径は、５３２ｎｍにおいて１．６２μｍである。回折限界スポットは、デジタル共焦点光学顕微鏡３００オプティクスにより、７×７画素により囲まれた、ＣＣＤ上の直径３９．５６μｍのエリアの上に投影される。光ファイバ検出アーム６００におけるファイバファセット３５０上の投影エリアは、８．９μｍの直径である。したがって、直径２５μｍのマルチモードファイバ３５０コアは、ＣＣＤの２０×２０画素の相当面績に対応する、２．８１×Ａｉｒｙユニット（ＡＵ）を囲む。
【0073】
ＣＣＤによるポイント検出の限界サイズであるＮ＝２×２の事例（例えば、図６Ｂを参照されたい）は、幅測定における偏差の最小幅を示す。より大きなピンホールサイズ、６×６（例えば、図６Ｃを参照されたい）および１１×１１（例えば、図６Ｄを参照されたい）、は、わずかにより大きい幅値を示すが、２×２の事例に匹敵する標準偏差値を維持する。Ｎ＝２１×２１の事例（例えば、図６Ｅを参照されたい）は、わずかなノイズの増加を示す。Ｎ＝３１×３１（例えば、図６Ｆを参照されたい）を超えると、ノイズレベルは大幅に増加し、右下位置のマーカの端部プロファイルがより一層丸くなるという事実から分かるように、解像度は低下する。広視野画像形成に対応する、Ｎ＝１０１×１０１の事例は、最も大きな標準偏差、および、最も高いノイズレベルを示す。
【0074】
より大きなピンホールの事例でのノイズの増加は、より多くの光子を受け取らない画素の包含の結果と考えられ、これらの画素は、読み込まれたノイズと、回折限界スポットの外側における暗電流ノイズにさらされ、これにより再構築された画像のノイズレベル全体を増加させるものである。光ファイバの事例は、その適度なコア直径サイズに起因して、より大きな数値を示す。理論上、微小ピンホールは、最良の空間解像度を与えることができるが、そのような小さなピンホールも、実際には、ノイズに対抗するために使用することができた光子を拒絶するということは理解されるべきである。
【0075】
しかしながら、上記において述べられるように、６×６の事例（例えば、図６Ｃを参照されたい）は、２×２の事例（例えば、図６Ｂを参照されたい）に最も近い一致を与え、並びに、依然として、かなりの量の画素を維持する。したがって、６×６（例えば、図６Ｃを参照されたい）は、より複雑な解析および最良性能を必要とする３次元スキャンにとって好ましい最適のピンホールサイズであるが、２１×２１（例えば、図６Ｅを参照されたい）は、ファイバとＣＣＤ実験との間の意味のある比較と、少ない計算負荷を必要とする２次元スキャンのための好ましいピンホールサイズである。
【0076】
●永続光伝導
ここで、永続光伝導を示す材料を処理／調整するプロセスを対象とする。アニール処理されたチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３またはＳＴＯ）の単結晶は、室温において永続光伝導（ＰＰＣ）を示す。例えば、図３Ａに示されるモジュール式共焦点実施形態を使用するサブギャップ光による光照射は、抵抗を３桁低下させ、それは、最長で１年以上持続する。ＩＲ分光分析および２点抵抗測定の結果は、１２００℃の水蒸気が、結果として大きなＰＰＣを生じる水素および酸素空孔群をもたらすことを示す。重水素置換実験は、光への曝露後に２水素中心が形成されることを証明した。したがって、本明細書において開示される共焦点アレンジメントを使用して管理されるサブ／バンドギャップ光（少なくとも２．９ｅＶ（例えば、４５０ｎｍ））により、置換水素は酸素部位を離れ、準安定Ｏ－Ｈ結合を形成する。
ここで、永続光伝導を示す材料を処理／調整するプロセスを対象とする。アニール処理されたチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３またはＳＴＯ）の単結晶は、室温において永続光伝導（ＰＰＣ）を示す。例えば、図３Ａに示されるモジュール式共焦点実施形態を使用するサブギャップ光による光照射は、抵抗を３桁低下させ、それは、最長で１年以上持続する。ＩＲ分光分析および２点抵抗測定の結果は、１２００℃の水蒸気が、結果として大きなＰＰＣを生じる水素および酸素空孔群をもたらすことを示す。重水素置換実験は、光への曝露後に２水素中心が形成されることを証明した。したがって、本明細書において開示される共焦点アレンジメントを使用して管理されるサブ／バンドギャップ光（少なくとも２．９ｅＶ（例えば、４５０ｎｍ））により、置換水素は酸素部位を離れ、準安定Ｏ－Ｈ結合を形成する。
【0077】
特に、特定のアニール処理は、永続光伝導（ＰＰＣ）を誘導し、その場合、２．９ｅＶ以上のエネルギーの光で処理された試料（試験体１）は、絶縁性から導電性へと移行した。導電性の変化は、３桁分であり、室温において生じ、一年以上にわたって安定である。導電性における驚くべき予想されない増加は、電気測定（図８を参照されたい）並びに、スペクトルの赤外線（ＩＲ）域におけるフリーキャリア吸収の増加により確認した。
【0078】
新規で有益な実施の形態として、例えば、本明細書において開示されるモジュール式共焦点アレンジメントを使用する、対物レンズの回折限界スポットサイズまでの正確な伝導経路は、抵抗試料上に光により描くことができる。試験体１は、所望の調整されたエリアに関して精度を確保するために、上記において開示される自動合焦手段を使用してモニタ（画像形成）することができる。したがって、本明細書の実施の形態を使用するプロセスは、ＰＰＣ、すなわち、導電性を誘導する。導電性が上昇した場合、いくらかの他の半導体材料（例えば、窒化ガリウム）を含むように、材料の表面における電荷は、増加する。そのようなプロセスは、調整された部位でのカチオン伝導性材料（例えば、Ａｇ＋１）の堆積を含むように、ＰＰＣ技術を光リソグラフィ用途および他の半導体用途などを結びつけることができる。追加の用途としては、半導体基板のＰＰＣ調整の際のバイオエレクトロニクス用途が挙げられ、特定の電荷を有する所望の細胞が、調整されたＰＰＣ材料の表面上に付着するであろう。
【0079】
図８は、露光前に約１ＭΩの抵抗であったＳＴＯ試料の２点抵抗測定を示している。４０５ｎｍ光による光照射の後、抵抗は、約１ｋΩまで下がった。抵抗を、少なくとも１年、暗所において測定した。データは、実験に基づいて、１７日および８００年の時間定数を用いて２つの指数関数の和に近似した。長期間の挙動は、驚くべきことに、そして予想外に、抵抗変化が室温において本質的に永久的であることを示している。
【0080】
大きなＰＰＣを達成するために、ＳｒＯ粉末を、ＳＴＯ試料と共に密封されたアンプルに入れ、真空下において１２００℃でアニール処理する。「ＳｒＯ」アニール処理の前の真空下でのアニール処理は、多くの場合、結晶を調整するために有益な工程である。真空アニール処理は、ＰＰＣを誘導するために酸素空孔を導入する。１２００℃でのアニール処理の際の水素および酸素の存在は、ＰＰＣにとって有益である。
繰り返すが、以下の実施例は、例示のために提供されるのであって、特に明記されない限り、本開示の限定であることを意図しない。
繰り返すが、以下の実施例は、例示のために提供されるのであって、特に明記されない限り、本開示の限定であることを意図しない。
【0081】
●実施例
●実験方法
ＳＴＯにおいてＰＰＣを誘導するアニール処理手法は、ＳＴＯのバルク単結晶を低真空下において０．５ｇの酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）粉末と共に溶融シリカアンプル内に封入する工程を伴う。アンプル内の試料空間は、約７．６ｃｍの長さ、および１．６ｃｍの直径を有する。アンプルを、１２００℃において１時間、水平管状炉においてアニール処理した。試料は即座に取り出され、暗所において周囲空気下で約１０分かけて冷された。ＩＲスペクトルは、Ｂｏｍｅｍ ＤＡ８真空フーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光計を使用して得られた。水銀カドミウムテルル（ＭＣＴ）検出器を使用して、室温において粉末スペクトルを得た。アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）検出器を用い、１ｃｍ－１の解像度においてジャニスクローズドサイクルヘリウムクライオスタットを使用して、低温スペクトルを得た。
●実験方法
ＳＴＯにおいてＰＰＣを誘導するアニール処理手法は、ＳＴＯのバルク単結晶を低真空下において０．５ｇの酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）粉末と共に溶融シリカアンプル内に封入する工程を伴う。アンプル内の試料空間は、約７．６ｃｍの長さ、および１．６ｃｍの直径を有する。アンプルを、１２００℃において１時間、水平管状炉においてアニール処理した。試料は即座に取り出され、暗所において周囲空気下で約１０分かけて冷された。ＩＲスペクトルは、Ｂｏｍｅｍ ＤＡ８真空フーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光計を使用して得られた。水銀カドミウムテルル（ＭＣＴ）検出器を使用して、室温において粉末スペクトルを得た。アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）検出器を用い、１ｃｍ－１の解像度においてジャニスクローズドサイクルヘリウムクライオスタットを使用して、低温スペクトルを得た。
【0082】
試料を移動させることなく、または真空を破ることなく露光が行えるように、４０５ｎｍ発光ダイオード（ＬＥＤ）をクライオスタットの中に位置させた。無水Ｓｒ（ＯＨ）２およびＳｒＯ粉末は、Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈから購入した。ＳｒＯ粉末および重水（Ｄ２Ｏ）を密封された容器（湿度室）に２日間入れることにより、重水素化された水酸化ストロンチウムＳｒ（ＯＤ）２を調製した。Ｄ２Ｏは、同湿度室において重水蒸気を形成し、それは、酸化ストロンチウムにより容易に吸収され、Ｓｒ（ＯＤ）２を形成した。湿度室に入れる前（１．０ｇ）、および、後（１．８ｇ）の同粉末の質量を測定した。質量における対応する増加は、同粉末が、ＳｒＯあたり約４つのＤ２Ｏ分子を吸収したことを示した。
【0083】
●結果
●ＳｒＯ粉末
１２００℃でのアニール処理の際のＳｒＯ粉末の存在は、大きなＰＰＣにとって重要であることが見出された。他の周囲条件、例えば、いかなる粉末も用いないＡｒ中でのアニール処理などは、結果として、高度にｎ型の材料をもたらした。１２００℃でのアニール処理は、新たに入手したＳｒＯ粉末を使用して実施された。試料は、アニール後、かつ、露光前に高抵抗状態にあるのではなく、むしろ導電性を示した（２点加圧インジウム接点により約３００倍）。このことは、最適なＰＰＣを得るために、ＳｒＯ粉末を周囲の大気中においてエージングしなければならないことを示している。
●ＳｒＯ粉末
１２００℃でのアニール処理の際のＳｒＯ粉末の存在は、大きなＰＰＣにとって重要であることが見出された。他の周囲条件、例えば、いかなる粉末も用いないＡｒ中でのアニール処理などは、結果として、高度にｎ型の材料をもたらした。１２００℃でのアニール処理は、新たに入手したＳｒＯ粉末を使用して実施された。試料は、アニール後、かつ、露光前に高抵抗状態にあるのではなく、むしろ導電性を示した（２点加圧インジウム接点により約３００倍）。このことは、最適なＰＰＣを得るために、ＳｒＯ粉末を周囲の大気中においてエージングしなければならないことを示している。
【0084】
十分に透明にするために、ＳｒＯ粉末をＫＢｒと混合し、加圧してペレットにした。新たに開封した瓶からの材料を、大気に６日間曝露させた材料と比較した。いくつかの追加のＩＲピークが、空気に曝露させた試料に現れ（図９を参照されたい）、ＩＲピークは、水酸化ストロンチウムＳｒ（ＯＨ）２、または、Ｓｒ（ＯＨ）２ｎＨ２Ｏ、並びに、炭酸ストロンチウムＳｒＣＯ３に帰属する。ＣＯ３
２－アニオンは、約１４４５ｃｍ－１を中心とする広い吸収バンドを有し、それは、非対称伸縮振動の結果と考えられ、その一方で、８６６ｃｍ－１および５９９ｃｍ－１の線は、曲げ振動である。３５９０ｃｍ－１のピークは、Ｓｒ（ＯＨ）２におけるＯＨ－１の伸縮モードに帰属し、その一方で、約２８３５ｃｍ－１を中心とする広い吸収は、Ｓｒ（ＯＨ）２ｎＨ２ＯにおけるＨ２Ｏの伸縮モードに帰属すると考えられる。このことは、ＳｒＯが、水および二酸化炭素を吸収し、それらが、高温アニール処理の際に放出され得ることを示している。
【0085】
●水酸化ストロンチウム
●ＰＰＣに対する証拠
水酸化ストロンチウムは、ＳｒＯ粉末における汚染物質種である。ＰＰＣに対する水酸化ストロンチウムの効果を試験するために、少量（０．１ｇ）の無水Ｓｒ（ＯＨ）２を、ＳｒＯを全く伴わずに、アンプルに入れた。水素－酸素トーチによる密封プロセスの際の水酸化ストロンチウム粉末の早期の分解を防ぐために、粉末を、アンプルにおけるヒートシンク付き端部に位置させた。次いで、同試料をアニール処理した。１２００℃において、Ｓｒ（ＯＨ）２は、ＳｒＯおよびＨ２Ｏへと分解する。
●ＰＰＣに対する証拠
水酸化ストロンチウムは、ＳｒＯ粉末における汚染物質種である。ＰＰＣに対する水酸化ストロンチウムの効果を試験するために、少量（０．１ｇ）の無水Ｓｒ（ＯＨ）２を、ＳｒＯを全く伴わずに、アンプルに入れた。水素－酸素トーチによる密封プロセスの際の水酸化ストロンチウム粉末の早期の分解を防ぐために、粉末を、アンプルにおけるヒートシンク付き端部に位置させた。次いで、同試料をアニール処理した。１２００℃において、Ｓｒ（ＯＨ）２は、ＳｒＯおよびＨ２Ｏへと分解する。
【0086】
この試料は、２つの方法により測定した場合、ＰＰＣを示す。第１に、露光は、試料を通過する透過光強度の劇的な減少を引き起こし、それは、自由キャリア吸収の大きな増加に対応する（図１０）。第２に、加圧したインジウム接点を使用する、室温での試料の２点抵抗は、表Ｉに示されるように、４００倍減少した。
【0087】
この結果は、高温の水蒸気がＰＰＣを引き起こすことができることを実証する。水およびその成分の役割をさらに調査するために、排気したアンプルを、０．１ｇのＳｒ（ＯＨ）２粉末と共に、約０．５気圧の水素または酸素のどちらかで再び満たした。水素リッチな大気においてアニール処理した試料は、ＰＰＣを示した（図１０を参照されたい）。ＰＰＣは、排気したアンプルでのアニール処理よりも劇的ではなく、２桁の抵抗変化であった（表Ｉ）。水素は、還元雰囲気であり、より多くの酸素空孔を導入することができ、その結果、より多くの自由キャリアを導入することにより、照明前の状態の抵抗を低下させる。対照的に、酸素リッチな雰囲気は、ＰＰＣを示さなかった（図１０）。これは、酸素空孔がＰＰＣにとって重要であるという結果に一致する。アニール処理の際の追加の酸素は、酸素空孔の形成を抑制し、結果として、感光性ではない抵抗材料をもたらす。
【0088】
●水
ＳＲ（ＯＨ）２アニール処理による結果は、水蒸気もＰＰＣにとって重要であることを示唆する。このことをさらに試験するため、ＳＴＯを、いかなる粉末も用いずに、水蒸気下においてアニール処理した。真空下での水の蒸発を最小限に抑えるために、０．０４ｇの水を凍結させ、試料と共にヒートシンク付きアンプル内に氷を入れた。約半分の水が、密封後に残り、それは、アニール処理の際の水蒸気の約１０－１５気圧の圧力に対応する。このアンプルを、標準状態下においてアニール処理した。試料は、ＰＰＣを示し、それは、水蒸気のみがＰＰＣの原因であることを示している（図１１）。３５３１ｃｍ－１の弱い線が観察されず、追加の３５４２ｃｍ－１の随伴線が観察されることを除いて、水素の線は、Ｓｒ（ＯＨ）２アニール処理において観察されるものと同様である。
ＳＲ（ＯＨ）２アニール処理による結果は、水蒸気もＰＰＣにとって重要であることを示唆する。このことをさらに試験するため、ＳＴＯを、いかなる粉末も用いずに、水蒸気下においてアニール処理した。真空下での水の蒸発を最小限に抑えるために、０．０４ｇの水を凍結させ、試料と共にヒートシンク付きアンプル内に氷を入れた。約半分の水が、密封後に残り、それは、アニール処理の際の水蒸気の約１０－１５気圧の圧力に対応する。このアンプルを、標準状態下においてアニール処理した。試料は、ＰＰＣを示し、それは、水蒸気のみがＰＰＣの原因であることを示している（図１１）。３５３１ｃｍ－１の弱い線が観察されず、追加の３５４２ｃｍ－１の随伴線が観察されることを除いて、水素の線は、Ｓｒ（ＯＨ）２アニール処理において観察されるものと同様である。
【0089】
上記に示される表Ｉは、露光前後でのアニール処理条件および２点抵抗測定のまとめを一覧にした。重水素置換試料は、光への曝露前に、より高い抵抗状態において始まる。アニール処理の際の水蒸気圧は、露光前に観察された抵抗値に相関する。これは、水が非常にわずかな酸化効果を有するためであり、それは、存在する酸素空孔の数を減少させるであろう。これらの測定に基づいて、ＰＰＣのためのモデルは、以下のとおりである。１２００℃での「水素リッチな」アニール処理の場合、試料は、（ＶＳｒ－Ｈ）およびＨＯ不純物を含有する。
【0090】
光への曝露の際、水素は、酸素部位から移動し、（ＶＳｒ－２Ｈ）を形成して、以下のように２つの電子を放出する。
【0091】
これは、結果として、（ＶＳｒ－Ｈ）－ＩＲ吸収ピーク（ＨＩ）の減少およびサイドバンド（ＶＳｒ－２Ｈ）０の増加を生じる。水素不足ＣＯ２アニール処理の場合、ほとんどのＳｒ空孔が不動態化する。ＰＰＣ反応は、以下により与えられる。
【0092】
これは、（ＶＳｒ－Ｈ）－ピークの増加と、（ＶＳｒ－２Ｈ）０サイドバンドの消失をもたらす。提案されるモデルは、実験的観察に対する１の非限定的な説明である。ＩＲにおいて観察されたＯ－Ｈ結合のいくらかは、空孔－水素複合体に起因しない。それらは、例えば、アクセプタ－水素対であり得る。その場合、電子も放出されるであろう。要点は、Ｈが、その置換部位を去る場合、酸素空孔は、浅い二重ドナーとして機能することができる。形成されたＯ－Ｈ結合は、室温において水素原子がその置換部位に戻るのを防ぐのに十分なくらい強い。
【図1A-1B】
【図2A-2C】
【図2D】
【図2E】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図6F】
【図6G】
【図6H】
【図6I】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【国際調査報告】