特表 2023-509611 レーザースキャンシステム

(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】2023-03-09

(54)【発明の名称】レーザースキャンシステム

(51)【国際特許分類】

   G02B 21/06 20060101AFI20230302BHJP

   B23K 26/082 20140101ALI20230302BHJP

   G02B 26/12 20060101ALI20230302BHJP

   G02B 26/10 20060101ALI20230302BHJP

   G02B 26/06 20060101ALI20230302BHJP

   G02B 26/08 20060101ALI20230302BHJP

【ＦＩ】

G02B21/06

B23K26/082

G02B26/12

G02B26/10 104A

G02B26/06

G02B26/08 E

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022539353

(86)(22)【出願日】2020-12-23

(85)【翻訳文提出日】2022-08-08

(86)【国際出願番号】 AU2020051418

(87)【国際公開番号】W WO2021127733

(87)【国際公開日】2021-07-01

(31)【優先権主張番号】2019904929

(32)【優先日】2019-12-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】AU

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】522254228

【氏名又は名称】ジ オーストラリアン ナショナル ユニバーシティ

(74)【代理人】

【識別番号】100121706

【弁理士】

【氏名又は名称】中尾 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128705

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 幸雄

(74)【代理人】

【識別番号】100147773

【弁理士】

【氏名又は名称】義村 宗洋

(72)【発明者】

【氏名】リ ヨンシャオ

(72)【発明者】

【氏名】リー ウェイ ミン

(72)【発明者】

【氏名】リム イェン ジン

【テーマコード（参考）】

2H045

2H052

2H141

4E168

【Ｆターム（参考）】

2H045AA01

2H045AB25

2H045BA13

2H052AA07

2H052AC15

2H052AC34

2H052AF25

2H141MA11

2H141MA27

2H141MB24

2H141MB51

2H141MC01

2H141MF11

2H141MG10

2H141MZ12

4E168CB04

4E168EA15

4E168EA16

(57)【要約】

視野上でレーザーをスキャンする方法（および方法に対応する装置）であって、以下を含む方法。視野の最初のサブエリア上でレーザービームをラスタライズする。レーザービームを視野の第２のサブエリアに偏向させる。視野の第２のサブエリアにわたってレーザービームをラスタライズする。そして、レーザービームによって生成された画像情報をキャプチャして、視野の各サブエリアについて、ラスタライズされたレーザービームが複数の画像セグメントを画定するようにする。各セグメントについて、画像補正を計算し、セグメントに対して計算された画像補正に従ってレーザーに補正を適用する。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

視野上でレーザーをスキャンする方法であって、
レーザービームを生成するためのレーザーを提供し、
前記視野の最初のサブエリア上で前記レーザービームをラスタライズし、
前記レーザービームを前記視野の第２のサブエリアに偏向させ、
前記視野の前記第２のサブエリアで前記レーザービームをラスタライズし、
前記視野の各サブエリアについて、前記ラスタライズされたレーザービームが複数の画像セグメントを画定するように、前記レーザービームによって生成された画像情報をキャプチャし、
各前記セグメントについて、画像補正を計算し、前記セグメントに対して計算された前記画像補正に従って前記レーザーに補正を適用する
ことを含む方法。

【請求項2】

請求項１に記載の方法であって、
各前記補正および／または各前記セグメントにタイムスタンプを適用すること
をさらに含む方法。

【請求項3】

請求項２に記載の方法であって、
対応する前記セグメントが前記レーザーによってスキャンされているときに前記補正を適用するステップ
をさらに含む方法。

【請求項4】

前記視野が標的と関連する、請求項１から３のいずれかに記載の方法であって、
対物レンズを使用して、前記レーザービームを前記標的に集束させること
をさらに含む方法。

【請求項5】

前記画像補正を計算することには、波面マスクを導出することを含む、請求項１から４のいずれかに記載の方法。

【請求項6】

各前記補正は、対応する波面マスクを含む、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記画像補正の計算には、各前記セグメントごとに、画像ベースの波面検知ループの繰り返しを適用する、請求項１から６のいずれかに記載の方法。

【請求項8】

前記補正の適用は、変形可能なミラーを調整することを含む、請求項１から７のいずれかに記載の方法。

【請求項9】

前記レーザービームのラスタライズには、前記レーザービームを、ｘ軸に対応する第１の方向、およびｙ軸に対応する第２の方向に移動させることを含む、請求項１から８のいずれかに記載の方法。

【請求項10】

前記ｘ軸方向へのレーザービームの移動が、前記ｙ軸方向へのレーザービームの移動よりも速い、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記レーザービームを視野の前記第２のサブエリアに偏向させることは、前記レーザービームを前記ｙ軸の方向に偏向させることを含む、請求項９または請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

変形可能なミラーが、前記ｙ軸における前記レーザービームの動きと同期している、請求項９から１１のいずれかに記載の方法。

【請求項13】

前記セグメントが実質的に前記視野をカバーするように、各前記セグメントが前記ｘ軸および前記ｙ軸の唯一の部分に関連付けられている、請求項９から１２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項14】

各前記サブエリアが、前記視野の同じエリアをカバーする、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項15】

前記第１のサブエリアは、前記第２のサブエリアとは、前記視野の異なる領域をカバーする、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項16】

視野上でレーザーをスキャンするためのシステムであって、
レーザービームを生成するためのレーザーと、
視野の第１のサブエリアにわたって前記レーザービームをラスタライズするための第１の可動デフレクターと、
前記第１の可動デフレクターが前記視野の第２のサブエリアをラスタライズするように、前記レーザービームを偏向させるための第２の可動デフレクターと、
ターゲットと相互作用する前記レーザービームによって生成された画像情報をデジタル化するための画像デジタイザと、
前記画像デジタイザによって生成された画像情報を、前記視野の各前記サブエリアについて、ラスタライズされた前記レーザービームが複数の画像セグメントを画定するようにキャプチャするためのコンピュータプロセッサであって、各前記セグメントの画像補正を計算するコンピュータプロセッサと、
さらに、計算された前記画像補正に従って、前記レーザービームに補正を適用するための光学補正要素と
を含むシステム。

【請求項17】

３つの可動ミラーを含む、請求項１６に記載のシステム。

【請求項18】

請求項１７に記載のシステムであって、
前記視野の前記サブエリアにわたって前記レーザービームをラスタライズするための前記第１の可動デフレクターが、回転する多角形ミラーおよび第１のガルバニックミラーを含み、
前記視野の前記第２のサブエリアをラスタライズするために前記レーザービームを偏向させるための前記第２の可動デフレクターは、第２のガルバニックミラーを含む
システム。

【請求項19】

前記回転する多角形ミラーが前記レーザービームをｘ軸に移動させ、前記第１のガルバニックミラーが前記レーザービームをｙ軸に移動させる、請求項１８に記載のシステム。

【請求項20】

前記第２のガルバニックミラーの動きは、前記レーザービームを前記ｙ軸の方向に偏向させ、それによって、前記レーザービームを前記視野の第２のサブエリアに偏向させる、請求項１８または請求項１９に記載のシステム。

【請求項21】

前記プロセッサが各前記セグメントの前記画像補正を計算する、請求項１６から２０のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項22】

前記プロセッサが各前記セグメントおよび各前記補正にタイムスタンプを適用する、請求項１６から２１のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項23】

前記レーザービームを前記ターゲットに集束させるための対物レンズをさらに備える、請求項１６から２２のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項24】

前記光学補正要素が変形可能ミラーである、請求項１６から２３のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項25】

前記変形可能ミラーが、前記ｘ軸または前記ｙ軸のうちの１つにおける前記レーザービームの動きと同期している、請求項２４に記載のシステム。

【請求項26】

各前記サブエリアが、前記視野の同じエリアをカバーする、請求項１６から２５のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項28】

前記第１のサブエリアは、前記第２のサブエリアとは、前記視野の異なる領域をカバーする、請求項１６から２５のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項29】

視野上でレーザービームをスキャンする方法であって、
前記視野の複数のサブエリア内で前記レーザービームを順次ラスタースキャンするステップであって、前記サブエリアは前記視野の第１の方向に配置されているステップと、
各前記サブエリアについて複数の画像セグメントを定義するステップであって、特定の前記サブエリアの前記画像セグメントは前記第１の方向に垂直な、視野の第２の方向に配置されているステップと、
各前記画像セグメントの画像情報をキャプチャするステップであって、前記画像情報は前記レーザービームによる視野の照明と関連づけられているステップと、
各前記セグメントについて画像補正を計算するステップであって、前記画像補正は、前記レーザービームが、対応する前記セグメント上で次にラスタースキャンされる際に前記レーザービームを補正できるように構成されているステップと
を含む方法。

【請求項30】

請求項２９に記載の方法であって、
後に前記レーザービームをラスタースキャンするとき、前記セグメントごとに、前記光学補正要素を使用して計算された前記補正を前記レーザービームに適用するステップ
をさらに含む方法。

【請求項31】

視野上でレーザーをスキャンするためのシステムであって、
レーザービームを生成するためのレーザーと、
前記レーザービームをラスタースキャンするための第１の可動デフレクターと、
前記レーザービームを偏向させて、視野の複数のサブエリアであって、視野の第１の方向に配置されているサブエリアを順次ラスタースキャンするための第２の可動デフレクターと、
各画像セグメントの画像情報であって、前記レーザービームによる前記視野の照明と関連づけられている前記画像情報をキャプチャするように構成された画像キャプチャ手段と、
プロセッサと、を含み、
前記プロセッサは、
特定の前記サブエリアの画像セグメントが、前記第１の方向に垂直な、前記視野の前記第２の方向に配置されている各前記サブエリアについて、複数の前記画像セグメントを画定し、
各前記画像セグメントの前記画像情報であって、前記レーザービームによる前記視野の照明と関連付けられている前記画像情報をキャプチャし、
各前記セグメントについて、前記レーザービームが対応する前記セグメント上で次にラスタースキャンされるときに、前記レーザービームの補正を可能にするように構成されている画像補正を計算する
ように構成されているシステム。

【請求項32】

請求項３１に記載のシステムであって、
前記レーザービームを補正するための光学補正要素をさらに備え、
前記プロセッサは、後に前記レーザービームをラスタースキャンするとき、各前記セグメントについて計算された前記補正を、前記レーザービームに適用するなど、前記光学補正要素を制御するように構成されている
システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

実施形態は、顕微鏡、レーザーリソグラフィー、レーザー書き込み、レーザー彫刻、および対応するレーザースキャン方法などの光学システムに使用するための、レーザースキャンシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

光、その他の電磁放射が操作されるいずれのシステムにおいても、システムの能力を制限する多数の要因が存在する。例えば、光学系において、最も重要なものの一つは、試料中の異なる位置における屈折率の変化である場合がある。他の例としては、光学トレイン内の光歪み（レーザースキャンユニットや像面湾曲）が挙げられる。これらの変化により、空間および／または時間の経過とともにシステムから最良の結果を得ることが困難になることがある。

【0003】

「補償光学」は、システムに影響を与える光学特性の小さな変化を補正するため、１つまたは複数のアクティブな光学コンポーネントを使用することを示すためによく使用される用語である。一般に、これには、補正する光学収差の範囲を決定し、補正を計算し、そしてその補正を実施することが含まれる。

【0004】

必要な補正を決定するためのさまざまな方法がある。一例は波面検出器に拠るものだが、これは、焦点が合っていない光から生じる不正確性の影響を受けやすい。波面センサーを使用する場合、２Ｄアレイ上の各検出器間のダークノイズ、バックグラウンドノイズ、およびクロストークのレベルが、上記システムのパフォーマンスを制限する可能性がある。

【0005】

多くの既存の補正アプローチは、サンプルの歪みにオンザフライで適応することができない。スキャンを一時停止するか、固定のスキャンフィールドに制限するかしないと、空間的に変化する収差をオンザフライで達成することはできない。

【発明の概要】

【0006】

一実施形態は、視野にわたってレーザービームをスキャンする方法を提供し、この方法は、以下を含む。
レーザービームを生成するためのレーザーを提供し、
視野の最初のサブエリア上でレーザービームをラスタライズし、
レーザービームを視野の第２のサブエリアに偏向させ、
視野の２番目のサブエリアでレーザービームをラスタライズし、
視野の各サブエリアについて、ラスタライズされたレーザービームが複数の画像セグメントを画定するように、レーザービームによって生成された画像情報をキャプチャし、
各セグメントについて、画像補正を計算し、セグメントに対して計算された画像補正に従ってレーザーに補正を適用する。

【0007】

補正は、セグメント毎にあってもよい。

【0008】

各セグメントおよび各補正は、時刻記録してもよい。時刻記録は、セグメントがスキャンされる相対時間を記録することを含み得る。対応セグメントがラスタライズされるとき、レーザーへの補正を対応セグメントに適用できるように、相対時間はセグメントのシーケンスを確立するであろう。

【0009】

この方法は、対応セグメントがレーザーによってスキャンされているときに補正を適用するステップをさらに含み得る。

【0010】

視野はターゲットと関係していてもよい。この方法は、ラスタライズミラーなどの１つまたは複数の光学要素に対してターゲットを移動させることを含んでもよいし、あるいは／加えて、この方法は、ターゲットに対して光学要素を移動させることを含んでもよい。光学素子は、対物レンズを含み得る。視野は、光学要素に相対するターゲットの所与の位置に画定することができる。したがって、実施形態では、セグメントがスキャンされている間、ターゲットも光学要素も動かされない。

【0011】

画像セグメントと補正の間の時間相関は、補正への時分割多重アプローチをもたらす可能性がある。時分割多重アプローチを使用すると、特定の目的位置の有効視野を広げることが容易になる。時分割多重アプローチを使用すると、レーザー強度の向上が促進される場合がある。視野をセグメント化することにより、空間的に異なる領域に対して、異なる補正を、異なる時間に適用できる。

【0012】

実施形態は、システムの異なる光学特性および／またはターゲットの異なる光学特性に適用される、異なる補正を提供できる。

【0013】

画像補正の計算は、波面マスクを導出することを含み得る。各補正は、対応する波面マスクを含み得る。

【0014】

画像補正の計算は、各セグメントについて、反復的な画像ベースの波面検知ループを適用することを含み得る。ループは、測定された強度に適用される山登りアルゴリズムを含み得る。測定強度は、各セグメントについて測定され得る。画像補正の計算は、各セグメントのゼルニケモードを識別し、識別されたゼルニケモードに基づいて１つまたは複数の波面マスクを導出することを含み得る。

【0015】

補正を適用することは、変形可能なミラーを調整することを含み得る。変形可能なミラーは、対応する波面マスクに従って調整できる。

【0016】

適用される唯一の光学的補正は、変形可能なミラーによって適用され得る。

【0017】

レーザービームをラスタライズすることは、レーザービームを２つの方向に動かすことを含み得る。レーザービームは、ｘ軸に対応する第１の方向およびｙ軸に対応する第２の方向に移動することができる。ｘ軸方向へのレーザービームの動きは、ｙ軸方向へのレーザービームの動きよりも速くてよい。実施形態では、ｘ軸およびｙ軸は互いに直交しており、ターゲットの平面内にある。実施形態ではターゲットの平面内のシステムの光学特性に差がないので、ｘ軸およびｙ軸は任意に選択できる。

【0018】

レーザービームを視野の第２のサブエリアに偏向させることは、レーザービームをｙ軸の方向に偏向させることを含み得る。

【0019】

変形可能なミラーは、ｙ軸におけるレーザービームの動きと同期させることができる。したがって、実施形態は、ビデオフレームレート（約５μｓの滞留時間で毎秒約２０フレーム）で収差補正を達成するほどの、高速変形可能ミラーを必要としないかもしれない。一実施形態では、変形可能ミラーは、毎秒２００個の波形マスクを実装できる。変形可能なミラーは、３０から５０個のアクチュエータを有し得る。一実施形態では、変形可能ミラーは、約４０個のアクチュエータを備えればよい。同期は、画像情報がキャプチャされた時間とともに、キャプチャされた画像情報を保存することを含み得る。次いで、セグメントのラスタライズ時に対応する時間にレーザーに補正を適用することで、セグメントに対応する画像情報に補正を適用できる。すべてのセグメントに対応する画像情報の相対的なタイミングを比較することによって、システムは、各補正をレーザーに適用するためのシーケンスおよびタイミングを決定できることを理解されたい。

【0020】

実施形態では、反復アプローチが画像補正の計算に適用される。レーザーに適用される補正は、反復のたびに更新され得る。

【0021】

各サブエリアは、視野の同じエリアをカバーしてもよいし、第１のサブエリアは、第２のサブエリアとは、視野の異なる領域をカバーしてもよい。

【0022】

さらなる実施形態は、視野にわたってレーザービームをスキャンするためのシステムを提供する。このシステムは、以下を備える。
レーザービームを生成するためのレーザーと、
視野の第１のサブエリアにわたってレーザービームをラスタライズするための第１の可動デフレクターと、
第１の可動デフレクターが視野の第２のサブエリアをラスタライズするように、レーザービームを偏向させるための第２の可動デフレクターと、
ターゲットと相互作用するレーザービームによって生成された画像情報をデジタル化するための画像デジタイザと、
画像デジタイザによって生成された画像情報を、視野の各サブエリアについて、ラスタライズされたレーザービームが複数の画像セグメントを画定するようにキャプチャするためのコンピュータプロセッサであって、各セグメントの画像補正を計算するコンピュータプロセッサと、
さらに、計算された画像補正に従ってレーザービームに補正を適用するための光学補正要素。

【0023】

システムは、サブエリアをラスタライズするための３つの可動デフレクターを備え得る。可動デフレクターは、３つのスキャニングミラーで構成される。システムは、回転するポリゴンミラーおよび２つのガルバニックミラーを含み得る。視野のサブエリアにわたってレーザービームをラスタライズするための第１の可動デフレクターは、回転する多角形ミラーと第１のガルバニックミラーを含み得る。視野の第２のサブエリアをラスタライズするためにレーザービームを偏向させるための第２の可動デフレクターは、第２のガルバニックミラーを含み得る。

【0024】

視野はターゲットと関係していてもよい。ターゲットが、ラスタライズミラーなどの１つまたは複数の光学要素に対して移動可能であってもよいし、あるいは／加えて、光学要素が、ターゲットに対して移動可能であってもよい。光学素子は、対物レンズを含み得る。視野は、光学要素に相対するターゲットの所与の位置に画定することができる。したがって、実施形態では、セグメントがスキャンされている間、ターゲットも光学要素も動かされない。

【0025】

レーザービームをラスタライズすることは、レーザービームを２つの方向に動かすことを含み得る。レーザービームは、ｘ軸に対応する第１の方向およびｙ軸に対応する第２の方向に移動することができる。ラスタライズ中のｘ軸方向のレーザービームの動きは、ｙ軸方向のレーザービームの動きよりも速くてよい。

【0026】

ラスタライズ中、回転するポリゴンミラーはレーザービームをｘ軸に移動し、最初のガルバニックミラーはレーザービームをｙ軸に移動し得る。ｘ軸およびｙ軸は、互いに直交し得る。

【0027】

第２のガルバニックミラーの動きは、レーザービームをｙ軸の方向に偏向させ、それにより、レーザービームを視野の第２のサブエリアに偏向させることができる。

【0028】

プロセッサは、各セグメントの画像補正を計算できる。画像補正は、計算された波面マスクであり得る。

【0029】

プロセッサは、各セグメントおよび各補正にタイムスタンプを適用し得る。

【0030】

プロセッサは、対応セグメントがレーザーによってスキャンされているときに、補正を適用できる。

【0031】

画像セグメントと補正の間の時間相関は、補正への時分割多重アプローチをもたらす可能性がある。時分割多重アプローチを使用すると、特定の目的位置の有効視野を広げることが容易になる。視野をセグメント化することにより、空間的に異なる領域に対して、異なる補正を、異なる時間に適用できる。

【0032】

実施形態は、システムの異なる光学特性に適用される、異なる補正を提供できる。

【0033】

画像補正の計算は、波面マスクを導出することを含み得る。各補正は、対応する波面マスクを含み得る。

【0034】

実施形態は、画像化性能を改善できる。例えば、点像分布関数、空間－帯域幅積、および/または蛍光強度は、検出信号を光学的に分割することなく、既知の配置と比較して改善できる。したがって、実施形態は、波面検出器の感度または画像分割器の数によって制限されない可能性がある。

【0035】

画像補正の計算は、各セグメントについて、反復的な画像ベースの波面検知ループを適用することを含み得る。ループは、山登りアルゴリズムを含み得る。画像補正の計算は、各セグメントのゼルニケモードを識別し、識別されたゼルニケモードに基づいて１つまたは複数の波面マスクを導出することを含み得る。

【0036】

光学補正要素は、変形可能なミラーを含み得る。変形可能なミラーは、対応する波面マスクに従ってプロセッサによって調整されるよう、適応化され得る。

【0037】

光学補正要素は、変形可能なミラーで構成できる。システムは、ただ１つの変形可能なミラーまたは他の補償光学要素を含み得る。変形可能ミラーは、低解像度の変形可能ミラーであり得る。変形可能ミラーは、高速の変形可能ミラーであり得る。一実施形態では、変形可能ミラーは、毎秒２００個の波形マスクを実装するよう、適応化されている。変形可能なミラーは、３０から５０個のアクチュエータを有し得る。一実施形態では、変形可能ミラーは、約４０個のアクチュエータを備えればよい。

【0038】

実施形態は、点像分布関数の完全な、またはほぼ完全な回復を伴って、画像化視野を拡張できる。

【0039】

光学補正要素は、デジタルマイクロミラー、および／または空間光変調器を含み得る。

【0040】

変形可能なミラーは、ｙ軸におけるレーザービームの動きと同期させてもよいし、ｘ軸の動きと同期させてもよい。したがって、実施形態は、ビデオフレームレート（約５μｓの滞留時間で毎秒約２０フレーム）で収差補正を達成するほどの、高速変形可能ミラーを必要としないかもしれない。

【0041】

各サブエリアは、視野の同じエリアをカバーしてもよいし、第１のサブエリアは、第２のサブエリアとは、視野の異なる領域をカバーしてもよい。

【0042】

さらなる実施形態は、視野上でレーザービームをスキャンする方法を含み、以下のステップを含む。
視野の複数のサブエリア内でレーザービームを順次ラスタースキャンする。ここで、サブエリアは視野の第１の方向に配置されている。
各サブエリアについて複数の画像セグメントを定義する。ここで、特定のサブエリアの画像セグメントは、第１の方向に垂直な、視野の第２の方向に配置されている。
各画像セグメントの画像情報であって、レーザービームによる視野の照明と関連づけられた画像情報をキャプチャする。
各セグメントについて画像補正を計算する。ここで、画像補正は、レーザービームが対応セグメント上で次にラスタースキャンされる際に、レーザービームを補正できるように構成されている。

【0043】

別のさらなる実施形態は、視野にわたってレーザーをスキャンするためのシステムであって、以下を含む。
レーザービームを生成するためのレーザー。
レーザービームをラスタースキャンするための第１の可動デフレクター。
レーザービームを偏向させて、視野の複数のサブエリアを順次ラスタースキャンするための第２の可動デフレクター。ここで、サブエリアは視野の第１の方向に配置されている。
各画像セグメントの画像情報であって、レーザービームによる視野の照明と関連づけられている画像情報をキャプチャするように構成された画像キャプチャ手段。
以下の通り構成されたプロセッサ：
各サブエリアについて複数の画像セグメントを画定する。ここで、特定のサブエリアの画像セグメントは、第１の方向に垂直な、視野の第２の方向に配置されている。
各画像セグメントの画像情報であって、レーザービームによる視野の照明と関連付けられている画像情報をキャプチャする。
各セグメントについて、画像補正を計算する。ここで、画像補正は、レーザービームが対応セグメント上で次にラスタースキャンされるときに、レーザービームの補正を可能にするよう構成されている。

【0044】

なお、実施形態は、既存のレーザースキャンシステムに後付けできる。

【図面の簡単な説明】

【0045】

以下の添付の図面を参照しつつ、実施形態を説明する。

【図1】一実施形態に係るレーザースキャン型顕微鏡の光学要素の概略図。

【図2】図１のレーザースキャン型顕微鏡の電子部品の概略図。

【図3】図１のレーザースキャン型顕微鏡の視野の画像のセグメンテーションを示す図。

【図4】一実施形態に係るレーザーをスキャンする方法を示す図。

【図5】一実施形態に係る画像セグメントと波面マスク間の相関関係を示す図。

【図6】図１のレーザースキャン型顕微鏡の視野のさらなるセグメンテーションを示す図。

【図7】視野の複数のセグメントとサブエリア、およびそれぞれについて計算された波面マスクを示す図。

【図8】さまざまなセグメントに対するさまざまな波面補正の効果を示す図。

【図9A】補正なしのフォトリソグラフィープロセスの結果を示す図。

【図9B】補正ありのフォトリソグラフィープロセスの結果を示す図。

【図9C】図９Ａおよび図９Ｂの選択された部分の強度プロファイルを示す図。

【図10】ビーズの未補正画像と補正画像間で、強度プロファイルと解像度の改善を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0046】

図１は、レーザースキャン型顕微鏡１０を示している。レーザースキャン型顕微鏡１０は、顕微鏡の光学要素を通してサンプル１２にレーザービームを向け、光電子増倍管３４を用いて画像情報を収集することによって、ターゲットのサンプルステージ１４上のサンプル１２を画像化するために使用される。この実施形態は、光電子増倍管３４を利用するが、光学情報を電子情報に変換するための他の任意のデバイスを代わりに使用できることを理解されたい。

【0047】

顕微鏡１０は、図示のように、レーザービームを生成するレーザー１６を含む。変形可能ミラー１８は、波面マスクを適用して、顕微鏡１０、使用中のサンプル１２を保持するターゲット、および／または周囲環境における光学収差を補正するために使用される。実施形態は補償光学に関連し、補償光学の分野から知ることのできる実施形態の側面は、本明細書では詳細に説明されないことを理解されたい。

【0048】

レーザービームをスキャンするため、以下に説明する方法で多角形スキャンミラー２２が使用される。２つのガルバニックミラー２６および２８もまた、ターゲット１２に対するレーザービームの位置を変更するために使用される。Ｙ軸ガルバニックミラー２６は、ｙ軸（図１の図面の平面内で垂直方向）におけるレーザービームの方向を変更し、一方、ｘ軸ガルバニックミラー２８は、ｘ軸（図1の図面の平面に出入りする方向）におけるレーザービームの方向を変更する。

【0049】

開示の実施形態では、顕微鏡１０は、レーザービームを集束および方向付ける３組のテレスコーピングレンズ２０、２４、および３０を含む。フィルタ３２（この実施形態では、ダイクロイック・ロングパス・フィルタ）は、放出された蛍光信号を光電子増倍管３４に反射する。対物レンズ３６は、顕微鏡１０の光学要素を通過したレーザービームをターゲット１２に集束させる。そして、画像情報は、光電子増倍管３４によってキャプチャされる。

【0050】

図１に示されるレーザースキャン型顕微鏡１０は、本発明の用途の一例にすぎないことを理解されたい。追加の実施形態が、他のタイプの顕微鏡、および、以下に説明するように、顕微鏡以外の分野での用途を見出すと理解されるべきである。

【0051】

図２は、顕微鏡１０の電子的要素を示している。変形可能ミラー１８、多角形ミラー２２、およびガルバニックミラー２６および２８は、プロセッサ４０に接続されている（例えば、パーソナルコンピューティングユニットの形態で）。プロセッサ４０は、クロック４４に取り付けられた中央処理装置４２を含む。プロセッサ４０は、情報を記憶するために使用される記憶装置４６に取り付けられている。光電子増倍管３４は、光電子増倍管３４によってキャプチャされた画像情報がプロセッサによって操作され、記憶装置４６に記憶され得るように、プロセッサ４０に接続されている。

【0052】

図２に示されているプロセッサ４０および他の電子的要素は、概略形式でのみ示されている。したがって、例えば、クロック４４は、中央処理装置４２の一部として提供され得るか、またはそれとは別に提供され得る。さらに、プロセッサ４０および記憶装置４６は、代わりに、ネットワークを介して顕微鏡１０に接続された別個の場所に提供され得、さらなる例として、クラウドコンピューティングとして提供され得ることを理解されたい。

【0053】

クロック４４は、画像情報と、ポリゴンミラー２２およびガルバニックミラー２６と２８の相対位置、ならびに変形可能ミラー１８の動作を、以下に説明する方法で同期できるように、タイミング機構を提供する。

【0054】

図３は、対物レンズ３６によって提供される視野のサブエリアまたは部分５０を表すスキャン画像情報を示している。図示されているように、部分５０は、ｘ軸（水平）およびｙ軸（垂直）を有する。回転する多角形ミラー２２は、ｘ軸でレーザービームをスキャンし、Ｙ軸ガルバニックミラー２６は、ｙ軸でレーザービームをスキャンする。したがって、サブエリア５０のスキャン画像情報は、特定の列を形成する多数のスキャン画像情報の行から成る。したがって、サブエリア５０は、回転する多角形ミラー２２およびＹ軸ガルバニックミラー２６の組み合わされた作用によって、レーザーでラスタースキャンされる。

【0055】

次に、本発明の実施形態は、これらのスキャンされた行のいくつかを一緒にグループ化することによって、サブエリア５０のセグメント５２を定義する。図３に示される実施形態では、５つのセグメント５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄおよび５２Ｅが存在する。図示のように、各セグメント５２は、複数のスキャンされた行から構成される。たとえば、セグメント５２Ａは行１から１０２とし、セグメント５２Ｅは行４０９から５１２とし、中間行は残りのセグメント５２Ｂ、５２Ｃ、および５２Ｄに割り当てられる。隣接するセグメント５２は、隣接する行の間で境界付けられるのが望ましい。例えば、セグメント５２Ａは行１０２で終了し、セグメント５２Ｂは行１０３で開始する。そうすれば、セグメント５２は、サブエリア５０全体をカバーする。

【0056】

一実施形態によれば、サブエリア５０を定義するためのスキャンプロセスの間、Ｘ軸ガルバニックミラー２８は静止したままである。しかしながら、図６を参照して以下で詳しく説明するように、スキャンプロセスがサブエリア５０のコラムの底部に到達すると、ガルバニックミラー２８は、レーザービームを隣接するサブエリア５０に移動し、レーザービームは隣接するサブエリアをスキャンする。図６には、サブエリア５０Ａ、５０Ｂ、および５０Ｃが示され、それぞれに５つのセグメント５２Ａ（Ａ）から５２Ｆ（Ｃ）がある。したがって、図では、特定のセグメント５２がある行とある列に関連付けられており、括弧内の値は、５０Ａ－５０Ｃの中の特定のサブエリアを表している。

【0057】

図４は、図１に示されるスキャン型レーザー顕微鏡１０を使用してレーザーをスキャンする方法８０を示す。最初のステップであるステップ８２で、サンプルはレーザービームでスキャンされ、対応する画像情報が記憶装置４６に記憶される。このステップの間、回転ポリゴンミラー２２とガルバニックミラー２６および２８は、上記のように複数の隣接するコラムをスキャンすることによって、対物レンズ３６によって提供される視野をスキャンするために共同する。

【0058】

一実施形態では、視野は、レーザービームをサンプル１２に集束させる対物レンズ３６によって画定される。視野は、対物レンズ３６の所与の位置に対して提供される。

【0059】

次のステップ、ステップ８４では、セグメントが規定される。このステップでは、セグメントに割り当てるスキャンの行数が決定される。このステップには、潜在的な視野のどれだけを処理する必要があるかの決定も含まれる場合がある。セグメントサイズの規定は、回転するポリゴンミラー２２とガルバニックミラー２６および２８の相対速度を決定する。各セグメントの画像情報がデジタル化されて保存されるとき、時計４４によって提供されるタイムスタンプがそのセグメント用に保存される。これにより、各セグメントの補正を追って同期できる。

【0060】

セグメントサイズは、ターゲットおよび／またはシステムの光学的特性に応じて選択できることを理解されたい。特に、現在視野の最適な補正を見つけるため、セグメントサイズが変更されることがある。したがって、ラスター化中にセグメントサイズが変更される場合がある。

【0061】

ステップ８６で、セグメントの処理が開始される。このプロセスは最初のセグメントから始まり、すべてのセグメントが処理されるまで次のセグメントを繰り返しロードする。ステップ８８でメトリック（この場合は強度）が計算され、次のステップであるステップ９０で、山登りアルゴリズムを使用して波面が推定される。山登り法は、ゼルニケモードの最初の１３次（チップ、チルト、ピストンを含まない）を低次（Ｚ４）から高次（Ｚ１５）にかけて移動して、各補正に最適なゼルニケマスクのセットを特定することで実現される。各ステップは、ゼルニケ振幅の０．０５ステップ値とする。最適化では、測定された強度（高いほど良い）が考慮されるが、各ポイント間の勾配（各測定間の差）は考慮されない。

【0062】

ステップ値は、特定の要件を満たすために変更される場合があることを認識されたい。

【0063】

ステップ９２で、ゼルニケモードの振幅が設定される。ステップ９４で、現在のセグメントに対応する波面マスクが生成され、記憶装置４６に記憶される。したがって、画像補正の計算には、セグメントごとに、反復的な画像ベースの波面検知ループを適用することが含まれる。

【0064】

次に、プロセスはステップ８６に戻り、そこで次のセグメントが考慮され、プロセスは再びステップ８８、９０、９２、および９４を循環して、次のセグメントの波面マスクを生成する。このようにして、各セグメントの波面マスクが生成される。

【0065】

動作中、サンプルは継続的にスキャンされる。したがって、以前に波面マスクが生成されて保存されたセグメントがスキャンされているとプロセッサが判断すると、プロセッサはその波面マスクを使用して変形可能ミラーを変形し、それによる波面マスクを適用してそのセグメントの収差を補正する。図５に示されるように、波面マスク１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃ、１０２Ｄ、および１０２Ｅは、セグメント５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄ、および５２Ｅに対応する。

【0066】

一実施形態では、各セグメント５２について、決定された波面マスク１０２は、各スキャン中に連続的に更新される。例えば、セグメント５２は、計算された波面マスク１０２を使用して画像化され、（例えば、ディスプレイまたはデータストアへの）出力を生成することができる。セグメント５２のこの新しく得られた画像はまた、（本明細書に記載された実施形態の通り）新しい波面マスク１０２を決定するために利用され得る。都合がよいことに、この新しく決定された波面マスク１０２は、以前の波面マスク１０２で生成された画像から決定されるので、より正確な補正を生成することができる。そのような補正プロセスは、サンプル１２の画像化中に進行し得る。ほとんどの場合、結果として得られる画像は継続的に改善されることが期待できるが、後続のキャプチャの改善はわずかである。何回かの更新の後、最大の効果的な補正が得られる場合もある。

【0067】

図６は、スキャンサブエリア５０がオフセットされる方法を示している。中間の列は、上記で図３に示されているサブエリア５０に対応する。Ｘ軸ガルバニックミラー２８は、ｘ軸にオフセットを提供するように制御され、それによって、異なるサブエリア５０を画定する。例えば、サブエリア５０Ａは、それ自体がサブエリア５０Ｃに対してオフセットされているサブエリア５０Ｂに対してオフセットされている。一連のオフセットを適用することにより、システムはスキャンされた有効視野を有利に拡張できる。これは、変形可能ミラー１８を介した異なる補正が、ｘ方向の視野の範囲にわたって必要とされることが予想されるためである。これは、ｙ方向で必要なさまざまな補正に似ているが、ｙ方向の差異は、ラスタースキャンの方向によって自然に考慮されている。有利なことに、ｘ軸を異なるサブエリア５０に分割することにより、視野はｘ方向およびｙ方向の両方で十分に補正され、サンプル１２の改善された画像化が可能になる。

【0068】

図７は、複数のサブエリア５０Ａ－５０Ｊが２次元グリッドに画定されている例を示している。示されるように、各サブエリア５０Ａ－５０Ｊは５つのセグメント５２を含み、したがって、結果として、５０のセグメント５２が存在する。各セグメント５２を、計算された波面マスク１０２とともに示す。見ての通り、各セグメント５２は、対応する画像エリア特有のひずみに依存した、固有の波面マスク１０２を持つ。

【0069】

図７は、視野を、個別の領域（すなわち、セグメント５２）に分割し、各領域で固有の波面マスク１０２を決定することで、比較的広い領域が画像化可能である（すなわち、視野が比較的高い）という利点を示している。本発明の利点は、波面マスク１０２の決定数と動作速度のバランスが取れることであろう。個別の多数の固有波面マスク１０２は、例えば、ビデオレベルのフレームレート（例えば、毎秒２０フレーム）を維持しながら、有用な補償光学的補正を、優位に可能にするであろう。

【0070】

図７に示されるように、各セグメント５２のサイズ（すなわち、視野内の範囲）は変化し得る。例えば、セグメント５２Ａは、セグメント５２Ｂとは異なるサイズである。この図では、セグメントサイズはｘ方向で変化し、ラスタースキャン時のラインの長さ（つまり、レーザースキャン）に本質的に対応している。一実施形態では、セグメント５２あたりの線の数も変えることができる。これにより、ｙ方向のサイズが変更される。一実施形態では、線の長さおよび線の数の変更を各セグメント５２に適用することができ、それにより、ｘ方向およびｙ方向の両方でセグメント５２のサイズの変更を可能にする。

【0071】

図８は、２つのセグメント５２、ＴＭｙ_１とＴＭｙ_５で測定されたさまざまな改善量を示している。ここで、「軸方向ＦＷＨＭ」（「半値全幅」）が低いほど解像度が高いこと、つまり結果の改善を示し、また蛍光強度が高いほど、結果が改善されていることを示している。ＴＭｙ_１とＴＭｙ_５の両方で、測定された各パラメータは、波面補正なしの場合（「ＲＡＯなし」）と比較して、波面補正（「ＲＡＯ」）によって改善されているが、ＴＭｙ_５の場合、改善ははるかに顕著である。図８を生成するために測定された実際のサンプルでは、ＴＭｙ_５に必要な波面補正はＴＭｙ_１よりも複雑であった。これは収差がより複雑であったためである。

【0072】

実施形態は、選択されたセグメントの波面最適化のため、ビデオの保存および再生に匹敵する速度（約２０ｆｐｓおよび約５μｓの滞留時間）で動作可能であり、スキャン速度を遅くしたり関心領域を減少させたりすることを必要としない可能性を秘める。

【0073】

一般に、本明細書に記載の実施形態による補正なしで、レーザースキャン型顕微鏡１０を使用してサンプル１２を画像化する場合、光学収差およびサンプル収差は、非等波面照明野をもたらす。本明細書に記載の実施形態は、理想的な等波面照明野を目指して照明野を有利に改善することができ、特に、波面マスク１０２が連続的に更新される実施形態は、等波面照明野を目指した波面マスク１０２の効果的な反復変更を提供できる。

【0074】

図１０は、毛細管内に浮遊しているビーズを画像化したものの強度のプロットを示している。上図は未補正のビーズ画像を示しており、右の画像のラインプロファイルは左の画像に示されている線に対応している。下は補正されたビーズ画像を示しており、右の画像のラインプロファイルは左の画像に示されている線に対応している。見ての通り、ピークは補正された画像でよりはっきりと示されており、ラインプロファイルには誤ったピークが含まれていない。

【0075】

実施形態の有効性（例えば、信号強度の改善によって測定される）は、セグメントの数と相関し得る。あるしきい値までは、セグメントの数が多いほど信号強度の改善が大きくなり、それを超えると、セグメントの数の増加に対する信号強度の改善を定量化することが困難になる。しかしながら、セグメントの数を増やすと、必要な処理リソースも増え、波面マスクの生成とリトリーブの間に遅れがある場合、実施形態の有用性が低下する可能性があり、特にスキャン対物レンズが使用される場合に問題である。したがって、処理されるセグメントの数と有用なフレームレートの間には、例えば、トレードオフが存在するかもしれない。

【0076】

レーザースキャン型顕微鏡に関連する実施形態が図示され、議論されてきたが、さらなる実施形態は、顕微鏡研究の分野外に用途を見出すことを理解されたい。例えば、フォトリソグラフィーの分野では、レーザースキャンが使用され、そのようなプロセスの間、対物レンズの視野にわたってレーザーの出力を最大化することが重要である可能性がある。そのような用途に実施形態を使用すれば、視野の異なるサブエリアまたは部分に異なる波面マスクを適用することによって、対物レンズの有効視野を拡張すること、および／またはレーザーの強度を高めることができる。対物レンズの有効視野を拡大すれば、ステージまたは対物レンズの動きを減らすことができ、精度が向上する可能性がある。レーザーの強度を高めれば、リソグラフィーまたは「レーザー書き込み」プロセスをより広範囲の材料および用途に効果的に適用できる。

【0077】

図９Ａおよび９Ｂは、ガラス毛細管内の蛍光ＵＶ硬化性接着剤に形成された２光子レーザー書き込み（すなわち、フォトリソグラフィー）パターンの結果を示している。この図は、蛍光条件下で得られた硬化接着剤を示しており、目に見える特徴は、先行するレーザー書き込みステップに対応している。図９Ａは、波面補正なしのレーザー書き込みの結果の画像を示しているのに対し、図９Ｂは、波面補正ありの書き込み結果を示している。図９Ｂの目に見える特徴は、波面マスク１０２を適用してレーザー書き込みプロセスの視野のセグメント５２を補正する本明細書に記載の実施形態が、（図９Ａと比較した場合）湾曲したガラス毛細管によって引き起こされる収差を補正することを示す。各スポット全体の残留蛍光強度によって示される通り、リソグラフィパターンの伸長は減り、レーザーパワーはより均等に分布する。図９Ｃは、拡大された未補正のレーザー書き込みフィーチャ（図９Ａ）と拡大された補正レーザー書き込みフィーチャ（図９Ｂ）の蛍光強度のプロットを示している。見ての通り、補正された画像について、過度な強度の改善と細かな特徴が示されている。波面補正は、各セグメント５２の波面マスク１０２を決定するために低出力レーザーを使用して行われることに留意されたい。レーザー書き込みは、続いて、十分な出力を備えたレーザーおよび決定された波面マスク１０２を使用して実行された。

【0078】

さらなる実施形態は、スキャンレーザーを使用する任意のシステムで用途を見出すことができることを理解されたい。たとえば、レーザー切除や距離測定の分野である。

【0079】

本明細書で先行技術の刊行物が参照される場合、そのような参照は、その刊行物がオーストラリアまたは他の国における当技術分野の一般的な知識の一部を形成することを認めるものではないことを理解されたい。

【0080】

以下の特許請求の範囲および前述の説明では、明示的な文言または必要な含意のために文脈が別途要求する場合を除いて、「comprise」という単語、または「comprises」あるいは「comprising」などの変形は、包括的意味で使用される。すなわち、記載された特徴の存在を特定するが、様々な実施形態におけるさらなる特徴の存在または追加を排除するものではない。同様に、「device」という用語は、広い意味で使用され、全体として提供される構成部分、および１つまたは複数の構成部分が互いに別個に提供される例示をカバーすることを意図している。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図10】

【国際調査報告】