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1. WO2020009220 - 顕微観察装置、顕微観察方法および顕微観察装置の製造方法

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明 細 書

発明の名称 顕微観察装置、顕微観察方法および顕微観察装置の製造方法

技術分野

0001  

背景技術

0002  

先行技術文献

特許文献

0003  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0004   0005  

課題を解決するための手段

0006   0007   0008   0009   0010   0011  

発明の効果

0012  

図面の簡単な説明

0013  

発明を実施するための形態

0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056  

符号の説明

0057  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6  

図面

1   2A   2B   3A   3B   4   5   6   7  

明 細 書

発明の名称 : 顕微観察装置、顕微観察方法および顕微観察装置の製造方法

技術分野

[0001]
 本発明は、顕微観察装置、顕微観察方法および顕微観察装置の製造方法に関する。

背景技術

[0002]
 従来の光学顕微鏡とは異なり、結像や拡大縮小といった光学系の調整および観察対象の走査を要することなく、観察対象の全体を簡易に観察できる観察方法が提案されている(特許文献1)。

先行技術文献

特許文献

[0003]
特許文献1 : 特開2018-42283号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0004]
 特許文献1に記載の観察方法は、観察対象に励起光を照射し、観察対象からの蛍光を観察することまでは想定していない。
[0005]
 本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、励起光が照射された観察対象からの蛍光を利用した観察を行うことができる顕微観察装置および顕微観察方法、また、そのような顕微観察装置の製造方法を提供することである。

課題を解決するための手段

[0006]
 本発明の一態様によれば、観察対象に励起光を照射して前記観察対象から生じる蛍光を観察する顕微観察装置であって、前記観察対象に励起光を照射する光源と、半導体基板と、前記半導体基板に形成された複数の受光部と、前記半導体基板および前記複数の受光部を覆う保護層と、前記保護層上に形成され、金属を含む第1偏光手段と、前記保護層および前記金属粒子を覆う酸化物平坦化層と、前記酸化物平坦化層上に形成された樹脂平坦化層と、前記樹脂平坦化層上に形成され、前記複数の受光部のそれぞれに前記観察対象からの蛍光を導く複数の樹脂製マイクロレンズと、前記光源と前記観察対象との間に配置される第2偏光手段と、を備え、前記第1偏光手段および前記第2偏光手段の偏光特性は、前記第2偏光手段を通過した励起光が前記第1偏光手段でカットされるように構成される、顕微観察装置が提供される。
[0007]
 本発明の別の態様によれば、観察対象に励起光を照射して前記観察対象から生じる蛍光を観察する顕微観察装置であって、前記観察対象に励起光を照射する光源と、複数の受光部と、前記複数の受光部のそれぞれに前記観察対象からの蛍光を導く非結像レンズ系と、前記観察対象と前記受光部との間に配置される第1偏光手段と、前記光源と前記観察対象との間に配置される第2偏光手段と、を備え、前記第1偏光手段および前記第2偏光手段の偏光特性は、前記第2偏光手段を通過した前記励起光が前記第1偏光手段でカットされるように構成される、顕微観察装置が提供される。
[0008]
 前記非結像レンズ系の上方に配置され、底面が前記第2偏光手段である載置部を備えてもよい。
[0009]
 前記光源と前記受光部との間に、結像用および拡大縮小用のレンズ系が配置されないのが望ましい。
[0010]
 また、本発明の別の態様によれば、観察対象に励起光を照射して前記観察対象から生じる蛍光を観察する顕微観察装置を製造する方法であって、前記観察対象に励起光を照射する光源、および、前記光源に取り付けられた第1偏光手段を有する光源ユニットと、複数の受光部、前記複数の受光部のそれぞれに前記観察対象からの蛍光を導く非結像レンズ系、および、前記受光部の上方に配置される第2偏光手段を有する受光ユニットと、を、前記第1偏光手段および前記第2偏光手段の偏光特性によって、前記第1偏光手段を通過した前記励起光が前記第2偏光手段でカットされるよう、取り付ける、顕微観察装置の製造方法が提供される。
[0011]
 また、本発明の別の態様によれば、観察対象に励起光を照射して前記観察対象から生じる蛍光を観察する顕微観察方法であって、顕微観察装置における非結像レンズ系の上方に配置された載置部に観察対象を載置することと、光源から第1偏光手段を介して励起光を前記観察対象に照射することと、前記第1偏光手段を通過した励起光を第2偏光手段の偏光特性を利用してカットしつつ、前記観察対象からの蛍光を前記非結像レンズ系によって前記受光部に導くことと、を備える顕微観察方法が提供される。

発明の効果

[0012]
 励起光が照射された観察対象からの蛍光を利用した観察を行うことができる。

図面の簡単な説明

[0013]
[図1] 本発明に係る顕微観察の概念を説明する図。
[図2A] 偏光手段3,4の関係を模式的に示す図。
[図2B] 偏光手段3,4の関係を模式的に示す図。
[図3A] 一実施形態に係る顕微観察装置100の概略構成を示す断面図。
[図3B] 図3Aの顕微鏡観察装置100を含む顕微鏡観察システムのシステム構成図。
[図4] 受光ユニット60の一部拡大図。
[図5] 図3の変形例である受光ユニット60の一部拡大断面図。
[図6] 図3の別の変形例である受光ユニット60の一部拡大断面図。
[図7] 顕微観察装置100を用いた顕微観察システムを模式的に示す電気ブロック図。

発明を実施するための形態

[0014]
 図1は、本発明に係る顕微観察の概念を説明する図である。顕微観察装置100は、光源1と、受光部2と、偏光手段3,4とを備えている。光源1は観察対象Tに対して励起光L1を照射する。観察対象Tは励起光L1によって励起され蛍光L2を発する。受光部2は観察対象Tからの蛍光L2を受け、電気信号に変換する。電気信号に基づいて画像を形成することで観察対象Tを観察できる。
[0015]
 ここで、光源1からの励起光L1に比べて観察対象Tからの蛍光L2は弱いことが多い。そのため、仮に光源1からの励起光L1が受光部2に達すると、励起光L1の影響が強すぎて、蛍光L2を利用した正確な観察が困難となる。
[0016]
 そこで、本発明では、光源1と受光部2との間に2つの偏光手段3,4を設ける。偏光手段3,4は、例えば電気的あるいは機械的に偏光作用を切り替えることができる。そして、偏光手段3,4の偏光特性を利用して、光源1側の偏光手段3を通過した励起光L1が受光部2側の偏光手段4によってカットされるようにする。
[0017]
 一例として、図2Aに模式図を示すように、光源1側の偏光手段3が所定方向(同図では縦方向)の直線偏光のみを通過させ、受光部2側の偏光手段4が異なる方向(同図では横方向)の直線偏光のみを通過させるように偏光手段3,4を構成・配置することができる。
[0018]
 別の例として、図2Bに模式図を示すように、光源1側の偏光手段3が所定方向(同図では時計回り)の円偏光のみを通過させ、受光部2側の偏光手段4が反対方向(同図では反時計回り)の円偏光のみを通過させるように偏光手段3,4を構成・配置してもよい。
[0019]
 以下、顕微観察装置100の具体的な構成例を説明する。
 図3Aは、一実施形態に係る顕微観察装置100の概略構成を示す断面図である。顕微観察装置100は、光源ユニット50と、受光ユニット60とを備えている。
[0020]
 光源ユニット50は、図1に示した光源1と、偏光手段3とを一体化したものである。
[0021]
 受光ユニット60は、半導体基板11と、複数のフォトダイオード層12と、保護層13と、金属粒子14と、酸化物平坦化層15と、樹脂平坦化層16と、複数のマイクロレンズ17と、載置部18とを有する。
[0022]
 半導体基板11はシリコン基板などである。フォトダイオード層12は半導体基板11に形成された不純物拡散層であり、例えばn型の半導体基板11に対してp型の不純物を注入することによってpn接合によるフォトダイオードを形成する。複数のフォトダイオード層12が互いに離間してマトリクス状に形成され、図1における受光部2を構成する。なお、受光部2は入射される光に対して光電変換を行うものであればよく、必ずしもフォトダイオード層12である必要はない。
[0023]
 保護層13は、例えばシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜であり、フォトダイオード層12および半導体基板11の露出した部分を覆っている。
[0024]
 金属粒子14はフォトダイオード層12より小さい粒子であり、保護層13上に形成される。半導体基板11上あるいはフォトダイオード層12上に直接金属粒子14を形成してもよいが、保護層13を設けるのが望ましい。複数の金属粒子14が図1における偏光手段4として機能する。図1を用いて説明したように、偏光手段4は偏光手段3を通過した励起光をカットするように構成される。
[0025]
 酸化物平坦化層15は、例えばシリコン酸化膜であり、金属粒子14および保護層13の露出した部分を覆っている。樹脂平坦化層16は酸化物平坦化層15上に形成される。樹脂平坦化層16上に樹脂製で複数のマイクロレンズ17がマトリクス状に形成される。酸化物平坦化層15上に直接マイクロレンズ17を形成してもよいが、樹脂平坦化層16を設けることで、マイクロレンズ17を樹脂平坦化層16に密着させることができる。
[0026]
 マイクロレンズ17のそれぞれはフォトダイオード層12のそれぞれの直上に形成される。1つのフォトダイオード層12と、対応する1つのマイクロレンズ17とで画素が構成される。マイクロレンズ17は非結像レンズ系であり、フォトダイオード層12上に結像する必要はなく、特定の視野角θ(後述)から入射する光をフォトダイオード層12に導くものである。なお、マイクロレンズ17以外の視野角制御が可能な任意の層を適用してもよい。
[0027]
 載置部18は観察対象Tが載置される部分であり、例えばマイクロレンズ17上に形成され樹脂製で板状のものであってもよいし、マイクロレンズ17に埋め込まれる液状あるいは固体状のものであってもよい。
[0028]
 なお、載置部18、樹脂平坦化層16、酸化物平坦化層15および保護層13は、少なくとも観察対象Tからの蛍光を透過させることができる。また、顕微観察装置100には、光源1とフォトダイオード層12との間に結像用あるいは拡大縮小用のレンズ系を設ける必要はない。
[0029]
 光源ユニット50と受光ユニット60とを取り付けることで顕微観察装置100が製造される。より具体的には、光源ユニット50における偏光手段3および受光ユニット60における偏光手段4の偏光特性によって、偏光手段3を通過した励起光が偏光手段4でカットされるよう、光源ユニット50と受光ユニット60とを取り付ける。
[0030]
 図3Bは、図3Aの顕微鏡観察装置100を含む顕微鏡観察システムのシステム構成図である。図示のように、顕微鏡観察システムは、光源1を制御する光源制御部71と、偏光手段3(および/または偏光手段4)の偏光作用を電気的あるいは機械的に切り替える偏光制御部72と、受光ユニット60を制御する受光ユニット制御部73と、全体制御装置70とを備えている。全体制御装置70は、光源制御部71、偏光制御部72および受光ユニット制御部73を制御するものであり、例えばパーソナルコンピュータやマイクロコンピュータによって構成される。
[0031]
 このような顕微観察装置100を用い、次のようにして顕微観察が行われる。まず、観察対象Tを載置部18上に載置する。次いで、光源1から偏光手段3を介して励起光を観察対象Tに向かって照射する。光源1からの励起光のうち特定の偏光状態のもののみが偏光手段3を通過し、観察対象Tに到達する。
[0032]
 観察対象Tは励起光によって励起されて蛍光を発する。この蛍光は各マイクロレンズ17によって、対応するフォトダイオード層12に導かれる。
[0033]
 一方、光源1から偏光手段3を通過した励起光は金属粒子14から構成される偏光手段4によってカットされ、フォトダイオード層12にはほとんど到達しない。
[0034]
 これにより、フォトダイオード層12に入る光は観察対象Tからの蛍光が支配的となり、当該光を電気信号に変換することで、観察対象Tを観察できる。このように、光源1とフォトダイオード層12との間に、偏光手段3と、金属粒子14から構成される偏光手段4と配置された状態で励起光を観察対象Tに照射することで、励起光の影響を抑えて蛍光を利用した観察が可能となる。
[0035]
 図4は、受光ユニット60の一部拡大断面図である。顕微観察装置100は、マイクロレンズ17の頂点から所定の距離L以内に配置される観察対象Tを撮影できるものである。ここで、所定の距離Lとは、マイクロレンズ17の視野角θおよびフォトダイオード層12の間隔Pにより決定される距離である。以下に、所定の距離Lについて説明する。
[0036]
 観察対象Tを撮影できる条件は、図4に示すように、1つのフォトダイオード層12によって導かれるべき観察対象Tの撮影面の距離をS、フォトダイオード層12の間隔をPとして、以下のように表現される。
 2×S≦P・・・(式1)
[0037]
 撮影面の距離Sが上記式1を満足しない場合、観察対象Tからの光は、本来受光されるフォトダイオード層12において受光される他、当該フォトダイオード層12に隣接する他のフォトダイオード層12においても受光されてしまうこととなり、顕微観察装置100は観察対象Tを、いわゆるピンボケした状態で撮影してしまう。
[0038]
 ここで、観察対象Tの撮影面の距離Sは、マイクロレンズ17の視野角をθ、マイクロレンズ17の頂点から観察対象Tまでの距離をLとして、以下のように表現される。
 tanθ=S/L・・・(式2)
[0039]
 以上の式1および式2より、マイクロレンズ17の頂点から観察対象Tまでの距離Lは、以下のように表現される。
 L≦P/(2×tanθ)・・・(式3)
[0040]
 式3より、本実施形態に係る顕微観察装置100は、マイクロレンズ17の頂点からの距離Lが、P/(2×tanθ)以内に配置される観察対象Tを撮影できる。言い換えると、マイクロレンズ17の頂点からの距離LがP/(2×tanθ)以内となるよう観察対象Tを載置部18上に載置すれば、結像操作を行わなくても、ピンボケすることはない。
[0041]
 例えば、フォトダイオード層12の間隔P=1.76μm(S=0.88μm)、θ=10degである場合、L≦5μmとなるため、顕微観察装置100は、マイクロレンズ17の頂点からの距離Lが5μm以内に配置された観察対象Tを撮影することができる。
[0042]
 フォトダイオード層12の間隔P=3.52μm(S=1.76μm)、θ=10degである場合、L≦10μmとなるため、顕微観察装置100は、マイクロレンズ17の頂点からの距離Lが10μm以内に配置された観察対象Tを撮影することができる。
[0043]
 フォトダイオード層12の間隔P=17.64μm(S=8.82μm)、θ=10degである場合、L≦50μmとなるため、顕微観察装置100は、マイクロレンズ17の頂点からの距離Lが50μm以内に配置された観察対象Tを撮影することができる。
[0044]
 なお、以上に説明したように、本実施形態に係る顕微観察装置100は、マイクロレンズ17の頂点からの距離Lが、P/(2×tanθ)以内に配置される観察対象Tを撮影することができるものである。したがって、載置部18の表面上で観察する場合の載置部18の厚さは、P/(2×tanθ)以内である必要がある。また、載置部18の内部に観察対象Tがある場合は、マイクロレンズ17の頂点からの距離Lが、P/(2×tanθ)以内に配置される観察対象Tを撮影できる。
[0045]
 なお、以上説明した図3の受光ユニット60では、受光部2を構成するフォトダイオード層12と、マイクロレンズ17との間に、偏光手段4を構成する金属粒子14を形成する例を示したが、偏光手段4の位置に特に制限はない。例えば、金属粒子14に代えて、偏光作用パターン、具体的には反射・吸収作用のある樹脂あるいは金属パターンを適用してもよい。金属パターンであれば、公知の半導体プロセスを適用できる。また、パターンを用いなくとも偏光性を有する材料を用いてもよい。
[0046]
 図5は、図3の変形例である受光ユニット60の一部拡大断面図である。この受光ユニット60は、マイクロレンズ17を覆うように樹脂平坦化層16上に偏光手段4が形成される。そして、偏光手段4上に載置部18が配置される。この受光ユニット60では、マイクロレンズ17と観察対象Tとの間に偏光手段4が配置されることとなる。
[0047]
 図6は、図3の別の変形例である受光ユニット60の一部拡大断面図である。この受光ユニット60は、シャーレ18’が載置部としてマイクロレンズ17の上方に配置される。そして、そのシャーレ18’の底面が偏光手段4となっている。この場合も、マイクロレンズ17と観察対象Tとの間に偏光手段4が配置されることとなる。
[0048]
 図7は、顕微観察装置100を用いた顕微観察システムを模式的に示す電気ブロック図である。顕微観察システムは、顕微観察装置100、信号処理回路であるロジック回路部200、および、表示装置300によって構成される。
[0049]
 ロジック回路部200は、顕微観察装置100のフォトダイオード層12による光電変換により得られた電圧信号(raw data)に対して色補正(ホワイトバランス、カラーマトリクス)、ノイズ補正(ノイズリダクション、傷補正)、画質補正(エッジ強調、ガンマ補正)など所定の信号処理を施し、信号処理された電圧信号を画像信号として出力する。
[0050]
 本実施形態においては、顕微観察装置100に結像用あるいは拡大縮小用のレンズ系が含まれないため、ロジック回路部200には、このようなレンズ収差の補正やシェーディング補正するための補正回路はなくてよい。
[0051]
 このようなロジック回路部200は、例えば半導体基板11において、フォトダイオード層12が形成された領域の周囲に形成することによって受光ユニット60に内蔵させてもよいし、受光ユニット60とは別基板に設けられた、受光ユニット60とは別部品あってもよい。
[0052]
 また、表示装置300はロジック回路部200から出力される画像信号に基づいて観察対象Tの画像を形成し、表示する。表示装置300は顕微観察装置100の載置部18に配置された観察対象Tの全体を一度にリアルタイム表示できる。
[0053]
 以上説明したように、本実施形態では、光源1と受光部2との間に2つの偏光手段3,4を配置し、偏光手段3を通過した光源1からの励起光が偏光手段4によってカットされ、受光部2にほとんど達しないようにする。そのため、励起光の影響を抑えて観察対象Tからの蛍光を利用した観察を行うことができる。
[0054]
 なお、通常の顕微観察装置(例えば、光学顕微鏡)には、結像用や拡大縮小用のレンズ系が設けられる。そのため、このような顕微観察装置に偏光手段を設けると、観察対象Tからの蛍光は、偏光手段を通過する際に弱くなり、上記レンズ系を通過する際にさらに弱くなる。そのため、蛍光を利用した観察を行う際には、偏光手段を設けるようなことは行われない。
[0055]
 しかしながら、本実施形態の構成によれば、顕微観察装置100は結像用や拡大縮小用のレンズ系を備えないため、偏光手段4を設けることが可能となる。しかも、ピントや倍率調整といった光学系の調整や、観察対象Tの走査を要することなく、観察対象Tの全体を簡易に観察できる。
[0056]
 上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲とすべきである。

符号の説明

[0057]
1 光源
2 受光部
3,4 偏光手段
11 半導体基板
12 フォトダイオード層
13 保護層
14 金属粒子
15 酸化膜平坦化層
16 樹脂平坦化層
17 マイクロレンズ
18 載置部
18’ シャーレ
50 光源ユニット
60 受光ユニット
70 全体制御装置
71 光源制御部
72 偏光制御部
73 受光ユニット制御部
100 顕微観察装置
200 ロジック回路
300 表示装置

請求の範囲

[請求項1]
 観察対象に励起光を照射して前記観察対象から生じる蛍光を観察する顕微観察装置であって、
 前記観察対象に励起光を照射する光源と、
 半導体基板と、
 前記半導体基板に形成された複数の受光部と、
 前記半導体基板および前記複数の受光部を覆う保護層と、
 前記保護層上に形成され、金属を含む第1偏光手段と、
 前記保護層および前記金属粒子を覆う酸化物平坦化層と、
 前記酸化物平坦化層上に形成された樹脂平坦化層と、
 前記樹脂平坦化層上に形成され、前記複数の受光部のそれぞれに前記観察対象からの蛍光を導く複数の樹脂製マイクロレンズと、
 前記光源と前記観察対象との間に配置される第2偏光手段と、を備え、
 前記第1偏光手段および前記第2偏光手段の偏光特性は、前記第2偏光手段を通過した励起光が前記第1偏光手段でカットされるように構成される、顕微観察装置。
[請求項2]
 観察対象に励起光を照射して前記観察対象から生じる蛍光を観察する顕微観察装置であって、
 前記観察対象に励起光を照射する光源と、
 複数の受光部と、
 前記複数の受光部のそれぞれに前記観察対象からの蛍光を導く非結像レンズ系と、
 前記観察対象と前記受光部との間に配置される第1偏光手段と、
 前記光源と前記観察対象との間に配置される第2偏光手段と、を備え、
 前記第1偏光手段および前記第2偏光手段の偏光特性は、前記第2偏光手段を通過した前記励起光が前記第1偏光手段でカットされるように構成される、顕微観察装置。
[請求項3]
 前記非結像レンズ系の上方に配置され、底面が前記第2偏光手段である載置部を備える、請求項2に記載の顕微観察装置。
[請求項4]
 前記光源と前記受光部との間に、結像用および拡大縮小用のレンズ系が配置されない、請求項1乃至3のいずれかに記載の顕微観察装置。
[請求項5]
 観察対象に励起光を照射して前記観察対象から生じる蛍光を観察する顕微観察装置を製造する方法であって、
 前記観察対象に励起光を照射する光源、および、前記光源に取り付けられた第1偏光手段を有する光源ユニットと、
 複数の受光部、前記複数の受光部のそれぞれに前記観察対象からの蛍光を導く非結像レンズ系、および、前記受光部の上方に配置される第2偏光手段を有する受光ユニットと、を、
 前記第1偏光手段および前記第2偏光手段の偏光特性によって、前記第1偏光手段を通過した前記励起光が前記第2偏光手段でカットされるよう、取り付ける、顕微観察装置の製造方法。
[請求項6]
 観察対象に励起光を照射して前記観察対象から生じる蛍光を観察する顕微観察方法であって、
 顕微観察装置における非結像レンズ系の上方に配置された載置部に観察対象を載置することと、
 光源から第1偏光手段を介して励起光を前記観察対象に照射することと、
 前記第1偏光手段を通過した励起光を第2偏光手段の偏光特性を利用してカットしつつ、前記観察対象からの蛍光を前記非結像レンズ系によって前記受光部に導くことと、を備える顕微観察方法。

図面

[ 図 1]

[ 図 2A]

[ 図 2B]

[ 図 3A]

[ 図 3B]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]