| 研究課題/領域番号 |
25390088
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
豊田 光紀 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (40375168)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | 軟X線 / 顕微鏡 / 結像論 / フレネル数 |
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| 研究概要 |
波長3-30nm程度の軟X線領域において、生体や磁性材料などナノ構造が動的に変化する試料をCCD 検出器(画素径10μm)で実時間観察するには、顕微鏡の心臓部となる対物鏡に1000倍を超える高い結像倍率が求められる。代表者は凹凸球面ミラーで構成したSchwarzschild 光学系に凹面鏡を付加した２段結像による超高倍率対物鏡を独自に考案した。新型対物鏡では、高倍率（x1400）に加え、軸外収差も補正による広い視野(直径160μm)が期待できる。代表者は高倍率対物鏡の開発の過程で、その結像特性が従来の低倍率光学系と異なること発見し、その原因がフーリエ結像論が仮定する平面波近似の破綻によることを見出した。高倍率対物鏡の結像特性を正しく理解するためには、結像理論を新たに構築する必要がある。そのため、本研究では、高倍率対物鏡の結像特性を、実験的に検証するとともに、得たデータを援用し、フレネル数が減少した結像光学系の結像特性を定式化することを目的とする。25年度は、微小点物体や周期格子等のテストパターンを対物鏡で観察し、その結像特性を実験的に確認するためのテストベンチの構築を行った。これまでの研究より、フレネル数減少の効果は、主に物体面や像面(観察面)を光軸方向に移動した場合に顕著に現れることがわかっている。このためテストベンチでは、物体面上のテストパターンを光軸方向に焦点深度の1/10以下精度で微動する精密ステージが必要となる。精密ステージは、光軸垂直方向を真空用パルスモータで、光軸方向をピエゾ素子で駆動するものを多元研技術室と共同で開発した。予備実験の結果、開発した精密ステージでは、光軸垂直方向で1μm、光軸方向で30nm程度の高精度が得られることを確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究では、高倍率対物鏡の結像特性を、実験的に検証することを第１の目的としている。25年度は、その実証実験に必要となるテストベンチの構築が概ね順調に進展しているため。
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| 今後の研究の推進方策 |
26年度以降は、構築したテストベンチにより得た実験データをもとに、フレネル数が減少する高倍率対物鏡の結像特性を定量的に表現できるモデルを構築する。
従来のフーリエ結像論では、光学系で生じる2 回の回折(物体面から入射瞳、および射出瞳から像面)でともに平面波近似が成り立つことを仮定している。高倍率対物鏡では、物体面から入射瞳への回折では平面波近似が成り立つ一方で、射出瞳から像面への回折では、上述したように、回折球面波の曲率が無視できなくなる。結像の定式化には、2 回目の回折積分に球面波の影響を取り込む必要がある。テストベンチで集積した実験データを援用し、球面波の位相効果を十分な精度で近似する実用的な解析表現を見出す。
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| 次年度の研究費の使用計画 |
結像実験用テストベンチの構築では、予備実験により光源および照明光学系の光量が仕様値よりも大きく、導入を予定していた冷却CCDカメラを用いなくとも十分なS/N比でテストパターンの観察が行えることが分かった。一方で、上述の真空ステージの開発では研究開始後の詳細な機構検討の結果、現有品よりも大容量の真空ポンプが必要であることが分かり、これを新規導入したため。
26 年度には、高倍率対物鏡の結像特性を表現するモデルを構築する。この検証のため、数値計算用ワークステーションを備品導入する。また、結像実験用テストベンチの構成用の光学部品および機械部品を消耗品として購入する。
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