Способ томографического исследования микроскопических объектов и сканирующий микроскоп для его осуществления

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью электромагнитного излучения с последующим получением изображения исследуемого объекта, а именно к способам сканирования и устройствам для томографического исследования двумерной структуры плоских объектов. Способ включает сканирование объекта контроля пучком электромагнитного излучения при дискретном изменении углового положения объекта контроля относительно пучка электромагнитного излучения, регистрацию интенсивности излучения, прошедшего через объект контроля в процессе сканирования, и обработку полученной информации с последующим восстановлением на ее основе структуры объекта. При сканировании формируют пучок электромагнитного излучения с дискретно изменяемыми размерами поперечного сечения пучка, при этом изменение одного из поперечных размеров сечения пучка производят на величину, соответствующую требуемой разрешающей способности, регистрацию интенсивности излучения осуществляют после каждого изменения поперечного размера сечения пучка, а при обработке вычисляют разность величин двух последовательно зарегистрированных интенсивностей с получением множества значений, используемых для восстановления структуры объекта. Технический результат - повышение разрешающей способности сканирующего микроскопа. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Группа изобретений относится к области исследования материалов с помощью электромагнитного излучения с последующим получением изображения исследуемого объекта, а именно к способам сканирования и устройствам для томографического исследования двумерной структуры плоских объектов.

Известен способ радиационной вычислительной томографии, заключающийся в облучении исследуемого объекта потоком ионизирующего излучения, регистрации прошедшего через объект контроля излучения при заданном количестве траекторий при относительном и угловом перемещении "сборки" детекторов и исследуемого объекта, преобразовании зарегистрированных сигналов и восстановлении томографического изображения с использованием ЭВМ по определенному алгоритму. При этом излучение от точечного источника распространяется в виде веерного пучка и после прохождения через объект контроля регистрируется детекторами, расположенными на дуге окружности с центром в месте расположения источника излучения (см. патент на изобретение RU №2180745, МПК G01N 23/04).

Известный способ позволяет определить структуру объекта, в том числе и внутреннюю, однако разрешающая способность определяется размером детекторов и шагом сканирования и не может быть детальнее нескольких миллиметров.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ томографического контроля, заключающийся в сканировании веерным пучком от точечного источника излучения объекта контроля путем возвратно-поступательного перемещения и дискретного поворота объекта контроля, регистрации интенсивности излучения, прошедшего через объект контроля, с помощью матрицы детекторов с последующей обработкой в ЭВМ полученной информации и восстановлением на ее основе внутренней структуры объекта. Местоположение и размер интересующей локальной области внутри объекта контроля задают предварительно, вводят эту информацию в ЭВМ и осуществляют ускоренное сканирование объекта до момента пересечения границей локальной области крайнего луча веерного пучка, падающего на первый детектор матрицы, после чего проводят медленное сканирование с шагом сканирования, уменьшенным в K=D/D_Л раз, где D - размер объекта контроля, D_Л - размер локальной области. Время снятия отсчетов с детекторов уменьшают в К раз, при этом при регистрации задействуют только часть детекторов матрицы, определяемую размером локальной области (см. патент на изобретение RU №2097748, МПК G01N 23/04).

Вышеописанный способ позволяет повысить разрешающую способность до определенного уровня за счет уменьшения шага сканирования, однако геометрические размеры детекторов не обеспечивают требуемой разрешающей способности.

Известен конфокальный сканирующий томографический микроскоп, содержащий точечный первичный источник света, устройство перемещения исследуемого трехмерного объекта, линзу-конденсор, фокусирующую излучение от точечного первичного источника света в точке, расположенной внутри исследуемого трехмерного объекта, при его размещении на указанном устройстве перемещения, микрообъектив, формирующий изображение вторичного источника света, образованного при фокусировании излучения от точечного первичного источника света, точечную диафрагму, расположенную в плоскости изображения вторичного источника света, и детектор излучения. При этом детектор излучения размещен на расстоянии за точечной диафрагмой и выполнен в виде матрицы фотоприемников, а между точечной диафрагмой и матрицей фотоприемников размещен дифракционный оптический элемент (см. патент на изобретение RU №2140661, МПК G02B 21/00).

Однако известное устройство, предназначенное для сканирования трехмерных объектов, характеризуется невысокой разрешающей способностью.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является конфокальный сканирующий микроскоп, содержащий блок источника излучения, размещенные по ходу лучей в оптическом тракте микроскопа непрозрачный экран с щелью, конфокально установленные первое и второе фокусирующие устройства, а также размещенный в общей фокальной плоскости этих устройств предметный столик, снабженный средством перемещения в данной плоскости, и расположенный в плоскости изображения приемник излучения. С целью унификации и упрощения конструкции микроскопа для обеспечения получения изображения в широком спектральном диапазоне с сохранением допустимого энергетического воздействия на исследуемый образец непрозрачный экран с щелью выполнен неподвижным, щель выполнена прямоугольной формы, предметный столик снабжен устройством, обеспечивающим линейное перемещение образца в момент построения изображения, а приемник излучения совмещен с изображением щели и выполнен в виде линейки фотодетекторов, связанных с устройством построчного формирования изображения (см. патент на изобретение RU №2018891, МПК G02B 21/00).

Однако разрешающая способность известного устройства ограничена шириной щели, которая не может быть меньше 10 мкм для используемого излучения из-за возникновения дифракции.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая группа технических решений, является создание способа исследования наноразмерных либо микроскопических объектов с разрешением порядка 30 нм, а также устройства для реализации способа.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой группы изобретений, заключается в повышении разрешающей способности сканирующего микроскопа.

Поставленная задача решается тем, что в способе томографического исследования объектов, включающем сканирование объекта контроля пучком электромагнитного излучения при дискретном изменении углового положения объекта контроля относительно пучка электромагнитного излучения, регистрацию интенсивности излучения, прошедшего через объект контроля в процессе сканирования, и обработку полученной информации с последующим восстановлением на ее основе структуры объекта, согласно техническому решению при сканировании формируют пучок электромагнитного излучения с дискретно изменяемыми размерами поперечного сечения пучка, при этом изменение одного из поперечных размеров сечения пучка производят на величину, соответствующую требуемой разрешающей способности, регистрацию интенсивности излучения осуществляют после каждого изменения поперечного размера сечения пучка, а при обработке вычисляют разность величин двух последовательно зарегистрированных интенсивностей с получением множества значений, используемых для восстановления структуры объекта. Поперечное сечение пучка электромагнитного излучения представляет собой прямоугольник, ширина которого значительно меньше его длины, дискретные изменения поперечного размера сечения пучка по ширине осуществляют пошаговым последовательным сдвигом одной границы пучка от минимального до максимального значения или пошаговым последовательным сдвигом одной границы пучка от максимального до минимального значения соответственно, дискретные изменения поперечного размера сечения пучка по ширине осуществляют сонаправленным попеременным сдвигом противоположных границ пучка, обеспечивающих перемещение пучка по объекту. Поставленная задача решается также тем, что в сканирующем микроскопе, содержащем источник излучения, размещенные по ходу лучей непрозрачный экран с щелью, предметный столик для размещения объекта исследования, снабженный устройством перемещения в плоскости сканирования, детектор излучения, соединенный с блоком обработки информации, согласно техническому решению непрозрачный экран снабжен, по крайней мере, одной, подвижной в плоскости размещения непрозрачного экрана, щелевой заслонкой, обеспечивающей возможность изменения поперечных размеров щели. Непрозрачный экран снабжен устройством для его перемещения в плоскости, параллельной плоскости сканирования. Предметный столик выполнен с возможностью поворота в плоскости сканирования.

Группа изобретений поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 представлен схематичный вид сканирующего томографического микроскопа.

На фиг.2 представлено изображение щели со сторонами a и b, образованной в непрозрачном экране.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - источник излучения;

2 - непрозрачный экран;

3 - щелевая заслонка;

4 - предметный столик;

5 - устройство перемещения непрозрачного экрана;

6 - устройство перемещения подвижной пластины;

7 - устройство перемещения предметного столика;

8 - детектор излучения;

9 - блок обработки информации.

Для исследования внутренней структуры микроскопических объектов часто используют различные виды конфокальных микроскопов. Их недостаток состоит в том, что получаемые изображения внутренних сечений объекта не являются томографическими, так как в каждой точке они представляют собой луч-сумму. Для получения количественных данных о внутренней структуре исследуемых объектов необходимо использовать алгоритмы томографической реконструкции. Заявляемое техническое решение томографического сканирующего микроскопа предназначено для реализации способа сканирования с высокой разрешающей способностью. Томографический сканирующий микроскоп представляет собой устройство, состоящее из нескольких электрически соединенных между собой конструктивных узлов. Микроскоп содержит источник электромагнитного излучения 1, обеспечивающий направленное распространение пучка электромагнитных волн различных частотных диапазонов и интенсивности, непрозрачный экран 2 с щелью (отверстием), предназначенный для формирования пучка излучения с необходимым поперечным сечением. Щель в экране выполнена прямоугольной формы и частично закрыта, по крайней мере, одной непрозрачной для излучения подвижной заслонкой 3, снабженной устройством ее перемещения 6 в плоскости экрана. Щелевая заслонка 3 представляет собой плоскую деталь в форме пластины со скошенным торцом. Устройство 6, перемещающее заслонку 3, представляет собой пластину из пьезокерамики, электрически соединенную с блоком обработки информации 9. Поперечные размеры щели изменяют путем передвижения подвижной пластины по непрозрачному экрану. Минимальные и максимальные размеры щели определяются величиной смещения щелевой заслонки в определенный момент времени. Непрозрачный экран 2 закреплен на устройстве перемещения 5, обеспечивающем как угловое, так и возвратно-поступательное его перемещение для изменения положения щели относительно исследуемого объекта. За экраном 2 на расстоянии от непрозрачного экрана, определяемом длиной волны используемого электромагнитного излучения и требуемой разрешающей способностью, расположен предметный столик 4, выполненный с возможностью закрепления на нем исследуемого объекта. Например, при длине волны 0,65 мкм предметный столик располагают на расстоянии 10 мкм от экрана. Предметный столик 4 закреплен на устройстве перемещения 7, электрически соединенном с блоком обработки информации 9. За предметным столиком 4 расположен детектор излучения 8, прошедшего через исследуемый объект, предназначенный для преобразования излучения, попадающего на фоточувствительный элемент в электрический заряд. Детектор 8 представляет собой, например, фотоприемник с фоточувствительным элементом, и расположен на таком расстоянии от предметного столика, чтобы все прошедшее излучение попало на фоточувствительный элемент. Фотоприемник (детектор) 8, регистрирующий интенсивность излучения от источника, соединен с блоком обработки информации 9, например, электронно-вычислительной машиной (ЭВМ). Таким образом, все основные устройства, входящие в состав заявляемого микроскопа электрически соединены с блоком обработки информации 9, который предназначен для обработки массивов значений, зарегистрированных фотоприемником, и восстановления структуры исследуемого объекта на основе алгоритма, построенного по методу обратного преобразования Радона. Непрозрачный экран и предметный столик закреплены на соответствующих устройствах перемещения таким образом, что возможно изменение углового или линейного положения щели, выполненной в экране, и изменение углового или линейного положения исследуемого объекта.

Способ томографического исследования микроскопических объектов заключается в следующем. Исследуемый объект помещают и закрепляют на предметном столике 4, расположенном между непрозрачным экраном 2 и детектором излучения 8. Затем включают источник излучения 1, электромагнитную волну от которого направляют на исследуемый объект через протяженную щель прямоугольной формы (со сторонами a и b, при этом a>>b), выполненную в непрозрачном для используемой длины волны экране 2. Щель имеет форму прямоугольника, один из поперечных размеров которого (ширина или длина) может быть изменен, тем самым достигается изменение поперечных размеров сечения пучка, проходящего сквозь щель. Размеры щели обеспечивают свободное прохождение излучения от источника без дифракционных искажений. Сформированный таким образом пучок электромагнитного излучения попадает на исследуемый объект и происходит сканирование. Интенсивность излучения, прошедшего через исследуемый объект, уменьшается в зависимости от структуры исследуемого объекта. Ослабленное таким образом излучение регистрируют в фотоприемнике 8, размеры фоточувствительной области которого превышают размеры щели. На выходе фотоприемника получают первый усредненный сигнал, соответствующий проведенному измерению, значение которого фиксируют в блоке обработки информации 9 для проведения дальнейших преобразований. После этого увеличивают поперечный размер (ширину b) щели на величину Δ, соответствующую требуемому разрешению (около нескольких нм). Минимальный размер величины изменения ширины щели Δ зависит от чувствительности детектора излучения 8. Прошедшее через увеличенную щель и исследуемый объект излучение вновь регистрируют в детекторе излучения с получением второго усредненного сигнала, значение которого также фиксируют в блоке обработки информации 9. Последовательно зафиксированные в блоке 9 значения подвергают преобразованиям по определенному алгоритму для получения значения, соответствующего излучению, прошедшему через щель шириной Δ. Из значения, зафиксированного и соответствующего второму сигналу, вычитают значение, зафиксированное и соответствующее первому сигналу. В результате получают значение, соответствующее излучению, способному пройти через щель шириной Δ. Итерацию повторяют, отодвигая подвижную щелевую заслонку и увеличивая поперечный размер щели в экране на величину 2Δ, 3Δ, 4Δ и т.д. В результате получают одномерный массив значений усредненных сигналов для участков исследуемого объекта площадью а×Δ, смещенных относительно области первого измерения на расстояние 2Δ, 3Δ, 4Δ и т.д. соответственно. Максимальная ширина щели описывается выражением b+nΔ, где n - максимальное количество изменений ширины щели, зависящее от характеристик детектора излучения, в частности порога насыщения фотоприемника, при достижении которого сигнал от излучения, прошедшего через щель а×(b+nΔ), не отличается от сигнала, полученного при размерах щели а×(b+[n+1]Δ).

Изменение размеров щели можно осуществить другим способом. Это становится возможным при организации непрозрачного экрана с щелью, снабженного двумя, противоположно размещенными относительно отверстия в экране подвижными пластинами 3. После регистрации первого усредненного сигнала, прошедшего через щель с размерами a×b, и второго усредненного сигнала, прошедшего через щель с размерами а×(b+Δ), полученными в результате смещения одной щелевой заслонки в сторону увеличения размера щели на величину Δ, изменяют размеры щели следующим образом: сдвигают другую, оппозитно расположенную, щелевую заслонку в сторону уменьшения изменяемого размера щели на величину Δ. После этого также регистрируют излучение детектором 8 и итерации повторяют дальше. В результате использования такого варианта изменения размеров щели сканирование объекта происходит последовательно через щели с изменяемым поперечным размером b, b+Δ, b, b+Δ и т.д.

При необходимости проведения исследования объектов, имеющих размеры, превышающие диапазон расширения щели, исследуемый объект перемещают вместе с предметным столиком и сканирование продолжают до получения полноценной картины.

После завершения сканирования с линейными изменениями размеров щели производят поворот непрозрачного экрана относительно исследуемого объекта на определенный угол и повторяют все предыдущие действия. Сканирование исследуемого объекта с изменением поперечных размеров щели производят после каждого углового смещения непрозрачного экрана и, как следствие, углового смещения щели в экране. В результате получают массив значений сигнала на выходе детектора излучения, соответствующих определенному угловому и линейному смещению. После проведения преобразований с массивом полученных значений получают двумерную структуру исследуемого объекта.

Работа заявляемого сканирующего микроскопа осуществляется следующим образом. Все конструктивные узлы микроскопа располагают на требуемом расстоянии друг от друга в зависимости от применяемого типа электромагнитного излучения и степени разрешения сканирования. Исследуемый объект размещают и закрепляют на предметном столике. Перед предметным столиком с объектом размещают непрозрачный экран с отверстием. При помощи устройства 7 предметный столик 4 перемещают таким образом, чтобы предназначенная для исследования область объекта располагалась под отверстием в непрозрачном экране 2. Щелевой заслонкой 3 частично закрывают отверстие в экране 2 таким образом, чтобы осталась минимально возможная узкая щель, обеспечивающая беспрепятственное прохождение лучей от источника 1 на исследуемый объект, расположенный на предметном столике 4. Затем инициируют излучение от источника 1 и направляют его в сторону размещения объекта исследования. Излучение проходит сквозь щель. При этом формируется поперечное сечение пучка излучения, который проходит через исследуемый объект. Детектор излучения 8, расположенный за предметным столиком с объектом, регистрирует усредненное излучение, попавшее на его фоточувствительную область. Значение выходного сигнала f₀ с детектора излучения 8 фиксируют в блоке обработки информации 9 для дальнейшей обработки. После этого включают устройство 6, перемещающее заслонку 3 на величину Δ, соответствующую требуемому разрешению, в сторону увеличения поперечного размера щели, образованной в непрозрачном экране. При этом все остальные компоненты заявляемого устройства оставляют неподвижными. Вновь регистрируют усредненное излучение, прошедшее через исследуемый объект и попавшее на фоточувствительную область детектора излучения 8. Значение выходного сигнала f₁ фиксируют в блоке обработки информации 9, после чего производят следующие вычисления: проводят вычитание значений предыдущего сигнала f₀ из последнего зарегистрированного f₁. Результат вычислений Δf₁ фиксируют в блоке обработки информации 9 вместе с соответствующими координатами щели. После этого включают устройство 6, перемещающее ту же подвижную заслонку 3 на такую же величину Δ, тем самым увеличивая ширину щели до величины b+2Δ, и повторяют процесс регистрации излучения и фиксации значений сигнала f₂, вычисления разности значений f₂ и f₁, сопоставления результату вычислений Δf₂ соответствующим координатам щели. Описанные действия повторяют до увеличения размера щели на максимально возможную величину, которую определяют по уровню восприимчивости фоточувствительной области детектора излучения. В результате получают массив значений, каждое из которых сопоставлено определенным координатам щели и описывает определенную часть исследуемого объекта. По окончании процесса линейного сканирования подвижную заслонку 3 перемещают в исходное положение и включают устройство 5 для перемещения непрозрачного экрана 2 в сторону перемещения подвижной заслонки при расширении щели. Затем повторяют цикл линейного сканирования с аналогичным изменением размеров щели и получением еще одного массива значений выходного сигнала. Таким образом, передвигая непрозрачный экран в плоскости его размещения, меняя тем самым линейное местоположение щели, осуществляют первый этап сканирования объекта, результатом которого является массив значений Δf, полученных по результатам вычислений и преобразований измеренных значений выходных сигналов, зарегистрированных фоточувствительной областью детектора излучения.

После этого включают устройство 5, поворачивающее непрозрачный экран 2 на заданный угол (0,01° до 1°), и получают новый ряд (одномерную матрицу) значений Δf, соответствующих новому углу поворота экрана 2 относительно предметного столика 4 с размещенным на нем объектом. Количество угловых положений определяется величиной разрешения и может меняться от 180 до нескольких тысяч. После проведения таких измерений получают массив значений (многомерная матрица) Δf, над которым производят математические вычисления методом обратного преобразования Радона, в результате которых восстанавливают двумерную структуру исследуемого образца.

Пример конкретного выполнения.

Изготовлен сканирующий микроскоп, в котором в качестве источника излучения использована йодная лампа с длиной волны от 206 до 500 нм производства фирмы LKB (Sweden). В качестве непрозрачного экрана использована пластина из кремния. В экране методами микролитографии выполнена щель в виде отверстия размером 3×3 мм, частично закрытого пластиной (заслонка) из кремния размером 3×5 мм. Для перемещения подвижной заслонки в плоскости размещения непрозрачного экрана использован пьезодвигатель PQYY из пьезоэлектрической керамики марки PIC 151 производства фирмы Physical Instrument (Germany), обеспечивающий максимальное перемещение 100 мкм с дискретным шагом 1 нм. Для перемещения непрозрачного экрана относительно предметного столика с исследуемьм объектом использован пьезодвигатель PQYY с аналогичными характеристиками. В качестве устройства для углового смещения непрозрачного экрана использован прецизионный поворотный столик марки NR360S производства фирмы ThorLabs USA, обеспечивающий максимальное угловое смещение 360° с дискретным шагом менее 0,01°. Для обеспечения перемещения предметного столика использован нанопозиционер марки МАХ301 производства фирмы ThorLabs USA, обеспечивающий максимальное перемещение 4 мм с точностью 5 нм. В качестве детектора излучения использован фотоэлектронный умножитель марки R6925 производства фирмы Hamamatsu, обладающий следующими характеристиками: темновой ток анода менее 5 нА, анодная чувствительность 1250 А/лм, диапазон спектральной чувствительности 200-800 нм. Данное устройство обеспечивает получение двумерного изображения исследуемого объекта (среза бактериальных клеток) с разрешением не ниже 30 нм.

В заявляемом сканирующем микроскопе возможно использование источников излучения в широком диапазоне длин волн - от инфракрасного до рентгеновского, с применением соответствующего фотодетектора.

1. Способ томографического исследования объектов, включающий сканирование объекта пучком электромагнитного излучения при дискретном изменении углового положения объекта относительно пучка электромагнитного излучения, регистрацию интенсивности излучения, прошедшего через объект в процессе сканирования, и обработку полученной информации с последующим восстановлением на ее основе структуры объекта, отличающийся тем, что при сканировании формируют пучок электромагнитного излучения с дискретно изменяемыми размерами поперечного сечения пучка, при этом изменение одного из поперечных размеров сечения пучка производят на величину, соответствующую требуемой разрешающей способности, регистрацию интенсивности излучения осуществляют после каждого изменения поперечного размера сечения пучка, а при обработке вычисляют разность величин двух последовательно зарегистрированных интенсивностей с получением множества значений, используемых для восстановления структуры объекта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поперечное сечение пучка электромагнитного излучения представляет собой прямоугольник, ширина которого значительно меньше его длины.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дискретные изменения поперечного размера сечения пучка по ширине осуществляют пошаговым последовательным сдвигом одной границы пучка от минимального до максимального значения или пошаговым последовательным сдвигом одной границы пучка от максимального до минимального значения соответственно.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что дискретные изменения поперечного размера сечения пучка по ширине осуществляют сонаправленным попеременным сдвигом противоположных границ пучка, обеспечивающих перемещение пучка по объекту.

5. Сканирующий микроскоп для осуществления способа по п.1, содержащий источник излучения, размещенные по ходу лучей непрозрачный экран с щелью, предметный столик для размещения объекта исследования, снабженный устройством перемещения в плоскости сканирования, детектор излучения, соединенный с блоком обработки информации, отличающийся тем, что непрозрачный экран снабжен, по крайней мере, одной подвижной щелевой заслонкой, обеспечивающей возможность изменения поперечных размеров щели, и устройством ее перемещения в плоскости непрозрачного экрана.

6. Сканирующий микроскоп по п.5, отличающийся тем, что непрозрачный экран снабжен устройством для его перемещения в плоскости, параллельной плоскости сканирования.

7. Сканирующий микроскоп по п.5, отличающийся тем, что предметный столик выполнен с возможностью поворота в плоскости сканирования.