JPH06194500A - Ｘ線顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 軟Ｘ線領域の６５〜４３．７ÅのＸ線および
紫外線を用いて、生体サンプル等の透過Ｘ線顕微鏡像を
撮像する際に、紫外線をサンプルに直接照射して、良好
なコントラストの透過Ｘ線顕微鏡像を得る。 【構成】 Ｎｄ：ＹＡＧレーザ51、コンデンサレンズ5
4、対物レンズ55、紫外線カットフィルタ56、検出器57
等によりＸ線光路を構成し、両レンズ間に配置したサン
プル58に、紫外線レーザ59が発生する紫外線を直接照射
する紫外線光路を設ける。この紫外線光路は、集光レン
ズ60によって収束光線にした紫外線をサンプルに直接照
射するから、Ｘ線光学系によって紫外線が蹴られたりた
紫外線の発散光線が検出器に検出されて白色ノイズにな
る不具合は生じず、サンプル表面上における紫外線の光
束密度が高くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軟Ｘ線領域のＸ線を用
いて生体サンプル等の透過Ｘ線顕微鏡像を撮像する、Ｘ
線顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、Ｘ線光源やＸ線光学素子の研究開
発が進んでおり、それらを応用するシステム１つとして
Ｘ線顕微鏡が提案されている。このようなＸ線顕微鏡と
しては、図14に示すようなウォルタ型の斜入射光学系
や、図15に示すような回折を利用したフレネルゾーンプ
レートや、図16に示すような２枚の球面鏡に多層膜をコ
ーティングしたシュワルツシルド型の直入射光学系等
の、多種類の結像素子を利用した顕微鏡システムが提案
されている。このようなＸ線顕微鏡において、特に軟Ｘ
線を用いるものは、電子線を用いる場合に比べて生体試
料に与えるダメージが少ないため生体を生きたまま高解
像度かつ無染色で観察可能であり、最近になって生物顕
微鏡への応用が注目されている。

【０００３】ウォルタ型の斜入射光学系は、Ｆ１，Ｆ２
を回転双曲面とＦ１，Ｆ３を焦点とする回転楕円面とを
組み合わせて構成した筒形の反射光学系である。円錐曲
線を回転して得た曲面では一方の焦点を発した光が他方
の焦点に集光するので、図14の物点Ｆ３を発した光が楕
円面で反射してＦ１に集まろうとするが、その途中に双
曲面があるため像点Ｆ２に集光し、楕円の焦点Ｆ２から
Ｆ１（双曲面の焦点でもある）を経てＦ２へ向かう、焦
点間移動の経路を取ることになる。フレネルゾーンプレ
ートは、同心円を内周側から数えたときのナンバーの平
方根に半径が比例するように多数の同心円を描き、それ
ら同心円が形成する輪帯を交互に透過性、非透過性にし
た光学素子である。図15において図示しない平行ビーム
を左方からフレネルゾーンプレートに入射すると、焦点
距離ｆだけ離れた前側焦点に虚像、後側焦点に実像がで
きる。シュワルツシルド型の直入射光学系は、中央部に
開口を有する凹面鏡と凸面鏡とを、凸面鏡が凹面鏡の開
口に対向するように向き合わせて配置した２枚の反射鏡
より成り、物点を発した光は凹面鏡、次いで凸面鏡の順
に反射して像点に集束する。

【０００４】軟Ｘ線領域の中では特に、λ＝４３．７Å
〜２３．６Åの波長領域は、炭素の吸収が最も多く、か
つ酸素および水素より成る水分子に対して高い透過率を
有していることから、主な構成要素が炭素であるタンパ
ク質（生体組織等）の透過顕微鏡像を水中であっても良
好なコントラストで観察することができる。現在、各研
究機関では、λ＝４３．７Å〜２３．６Åの波長領域で
高いスペックを有する光学素子、光源、検出器等の開発
を進めている。

【０００５】上記波長領域は、上述のように生体観察用
に適しているが、この波長領域において高いスペックを
有する光学素子等を製作するためには以下の問題点があ
り、その第１の問題点は、特に上記波長域において優れ
た特性を有するＸ線多層膜反射鏡やフィルタを製作する
のが後述するように難しいことである。すなわち、高い
反射率を有する多層膜反射鏡を設計する際には、可能な
限り屈折率の差が大きい２種類の物質を交互に堆積する
必要があるが、上記波長領域ではいかなる物質も屈折率
が１に近くなるため、屈折率の差が大きくなるように２
種類の物質を選択することが困難である。ここで、Ｎｉ
／Ｓｃ、Ｎｉ／Ｔｉ等、多少の反射率を期待し得る物質
を用いることも考えられているが、その場合、蒸着する
際に結晶化しやすいため均一に製膜するのが困難である
上に、現行の製膜技術においてはλ＝４３．７Å〜２
３．６Åの波長領域で直入射反射鏡を製作しようとする
と多層膜の１周期が２０Å以下となって多層膜自体の製
作が困難になる。また、この波長領域は、炭素のＸ線に
対する吸収率が高くなるので有機材料をフィルタとして
用いることができず、フィルタ材料の選択範囲が狭い。
したがって、Ｘ線顕微鏡システムにおいて、何らかの形
でＸ線多層膜鏡やフィルタを利用することが構成上避け
られないことから、上記多層膜鏡やフィルタの問題点が
上記波長域の軟Ｘ線を利用するときの障害となる。

【０００６】また仮に、上記第１の問題点を解決して生
体の透過顕微鏡像の撮像に最適な上記波長域のＸ線を結
像し得る光学系を実現したとしても、以下に述べるよう
に生体サンプルの観察時に、吸収によるコントラスト低
下の、第２の問題点が発生する。すなわち、生体サンプ
ルの軟Ｘ線吸収率は、サンプルの厚み、サンプル内に存
在する炭素の密度および使用するＸ線の波長によって決
定されるため、炭素密度が高くかつ厚い生体サンプルを
観察する場合には、生体サンプルに入射したＸ線の大部
分は吸収されてしまい、得られる生体透過顕微鏡像は、
全体的に暗くかつコントラストの無いものになってしま
う。逆に、炭素密度が低くかつ薄い生体サンプルを観察
する場合には、生体サンプルに入射したＸ線の大部分は
透過してしまい、得られる生体透過顕微鏡像は、全体的
に明るくかつコントラストの無いものになってしまう。

【０００７】上記コントラストの問題の対策としては、
生体サンプル内の炭素密度を人為的に変化させるのは不
可能なので、生体サンプルの厚みを調整するか、あるい
はλ＝４３．７Å〜２３．６Åの波長領域内で使用する
Ｘ線の波長を調整する方法に限られる。ここで、観察対
象の生体サンプルの厚みを調整する方法は、ミクロトー
ム等の熟練を要する精密加工機を用いてサンプルを切断
し、試行錯誤によって最適なサンプル厚を決定する必要
があり、実用的ではない。また、使用するＸ線の波長を
調整する方法は、ゾーンプレートやシュワルツシルド型
光学系等の波長分散性を有する光学素子を使用する場合
に、光学素子の大幅な設計変更やレイアウト変更が避け
られず、現実的ではない。

【０００８】現在、上記方法とは異なる方法として、λ
＝４３．７Å〜２３．６Åの波長領域以外の領域（例え
ばλ＝６５〜４３．７Åの波長領域）のＸ線を使用して
コントラストが非常に高く、かつ特定のタンパク質の分
子の顕微鏡像を選択的に得られる方法が提案されてお
り、その原理を図７および図８によって説明する。図７
（ａ）〜（ｆ）は夫々、炭素原子がＸ線を吸収する際の
電子の状態の遷移を経時的に表わしており、同図（ａ）
は基底状態の炭素原子の電子配列を示している。この状
態からＸ線照射により１Ｓ電子を電離させると、第１遷
移により同図（ｂ）に示すように炭素原子は１Ｓ軌道に
空孔を残した状態になる。この状態は同図（ｃ）に示す
ようにエネルギー的に極めて不安定であるため、２Ｐ電
子が１Ｓ軌道に遷移する第２遷移により同図（ｄ）に示
す安定状態になる。さらに、炭素原子が例えばタンパク
質等の分子の構成要素である場合には、同図（ｅ）に示
すように２Ｐ軌道に空孔を生じた状態になっているの
で、炭素原子は第３遷移により周囲の元素等から電子を
捕獲し、同図（ｆ）に示すように当初と同一の基底状態
に復帰する。このような遷移の過程において、通常は第
１遷移による吸収を利用してタンパク質の透過顕微鏡像
を撮像して観察するが、その際にＸ線波長が炭素の吸収
端波長よりも長いと、Ｘ線がタンパク質に吸収されない
ため、得られる透過顕微鏡像のコントラストが極端に劣
化する。

【０００９】ここで、上記遷移の順序を逆にした場合に
ついて考察してみると、以下に述べるようにＸ線波長が
炭素の吸収端波長よりも長い場合であってもコントラス
トの極めて良好な透過顕微鏡像を撮像することができ
る。すなわち、まず、図８（ａ）に示す基底状態から上
記第３遷移の逆過程により２Ｐ電子を電離または励起さ
せて同図（ｂ）の電子状態を実現する。次に、この状態
から上記第２遷移の逆過程により同図（ｃ）に示すよう
にＸ線によって１Ｓ電子をまだ空いている２Ｐ軌道に励
起する。この遷移過程は、炭素の吸収端波長よりも低い
光子エネルギーのＸ線（つまり炭素の吸収端波長よりも
長波長のＸ線）により実現可能であり、この遷移過程を
経た後は同図（ｄ）に示す状態になる。

【００１０】この状態は、上記第１遷移により基底状態
から直接１Ｓ電子を電離させた図７（ｂ）の場合と全く
同一になるが、この方法において電子を電離または励起
させるのに要するエネルギーは５ｅＶ（波長に換算する
と２００ｎｍ）程度であるので、紫外線レーザ等を利用
することができる。一方、１Ｓ電子を２Ｐ軌道に励起す
るために要するエネルギーは電離させる場合よりも約１
０〜２０ｅＶ程度低い値になる。したがって、基底状態
の炭素原子の２Ｐ電子を電離する過程と、１Ｓの電子を
２Ｐ軌道に励起する過程の２段階の過程により、炭素の
吸収端波長よりも長い波長のＸ線を用いた場合にもタン
パク質の透過顕微鏡像を得ることができる。

【００１１】上記遷移の順序を逆にした方法は、J.H.Kl
ems によって下記の優位性を定量的に確認されている
（J.K.Klems Phys.Rew Vol 43 (1991) p2041〜2045参
照）。第１に、炭素吸収端波長よりも長い波長のＸ線を
利用できるので、多層膜を製作する際に、光学定数が優
れかつ製膜しやすいＷ／Ｃ等の材料が選択可能であり、
しかもこれらの材料はその性質等の研究が進んでおり使
用実績もある。第２に、タンパク質の種類により，２Ｐ
電子の電離または励起エネルギーが異なるので、特定の
タンパク質の炭素原子のみを選択的に電離または励起す
ることができる。さらに、その電離に続く１Ｓから２Ｐ
への電子遷移のエネルギーが量子的に一義的に決まるこ
とから、この大きさの光子エネルギーを有するＸ線をプ
ローブとすることにより、特定のタンパク質の透過顕微
鏡像を観察することができる。その際、コントラスト
は、図９に示すような特性を示し、λ＝４３．７Å〜２
３．６Åの波長領域を用いる従来の方法に比べて１桁以
上高くなる。

【００１２】上述した原理を用いる方法は、今までに提
案されている従来のＸ線顕微鏡システムに若干の変更を
加えることにより容易に実現することができる。すなわ
ち、従来のＸ線顕微鏡は、図10の基本概念図に示すよう
に、光源１、集光レンズ２、サンプル３、対物レンズ
４、フィルタ５および検出器６を同一光路上に配置して
成る。この中で使用する対物レンズとしては、一般に、
ゾーンプレートやシュワルツシルド光学系等の波長分散
型と、ウォルタ型のような白色光を集光する斜入射鏡型
との２種類に分かれるが、白色光源およびウォルタ型対
物レンズを用いるシステムの場合、検出器に至る光路中
に分光器を設ける必要がある。また、検出器としては、
マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）やＣＣＤ等の撮
像素子が使用されるが、白色光源を使用する場合には、
紫外領域より長い波長の迷光をカットするためにＢｅ等
の薄膜フィルタを設けるのが一般的である。なお、上記
光学系は真空容器内に収納される。

【００１３】このような従来のＸ線顕微鏡システムに、
J.H.Klems の提案している方法を適用するのは極めて容
易であり、図11の基本概念図に示すように、紫外線光源
８、集光レンズ７および紫外線反射鏡９を追加するだけ
でよい。このシステムは、基本的には、サンプル３およ
び対物レンズ２間に紫外線反射鏡９を挿入したこと以外
は上記従来システムと同一であり、紫外線反射鏡９とし
ては、Ｂｅ等の薄膜より成り６５〜４３．７Åの波長領
域で十分な透過率を有しかつ紫外域の光線に対して十分
な反射率を有するものを選択するものとし、それにより
紫外線反射鏡９はＸ線フィルタとしての機能を有するこ
とになる。このシステムにおいて図７の第２遷移の逆過
程に対応する光子エネルギーのＸ線を用いて透過顕微鏡
像を撮像する際には、同時に外部の紫外線光源８からの
紫外線を紫外線反射鏡９で反射させてサンプルに照射す
ることにより、特定のタンパク質の炭素２Ｐ電子を電離
または励起することができ、J.H.Klems の提案したＸ線
顕微法が実現可能となる。この場合、紫外線反射鏡９
は、検出器６にとってはノイズとなる、紫外領域よりも
長い波長の迷光をカットする作用を果たすことになる。

【００１４】上記システムはさらに、生体サンプルに対
するＸ線の吸収率を人為的かつ簡易に調整し得るので、
生体サンプルの厚みや使用するＸ線の波長を調整せずに
透過Ｘ線顕微鏡像のコントラストを任意に選択し得る利
点を有している。すなわち、上記方法によれば、生体サ
ンプルのＸ線吸収率は、図８（ｃ）に示すような紫外線
照射を経た後に２Ｐ軌道に空孔を有する炭素の数に比例
し、２Ｐ軌道に空孔を有する炭素の数は、照射した紫外
線の強度に比例することから、生体サンプルに照射する
紫外線の強度（光量）を調整することにより容易に生体
サンプルのＸ線吸収率を変化させることができ、その調
整によって最適なコントラストを有する透過Ｘ線顕微鏡
像が得られる。なお、紫外線光源によりサンプルに紫外
線照射を行った場合の透過Ｘ線顕微鏡像と、紫外線照射
を行なわなかった場合の透過Ｘ線顕微鏡像とを夫々撮像
して、それらから差分画像を作成することにより、炭素
以外の元素による吸収に起因するバックグラウンド（ノ
イズ）を除去することが可能になり、純粋な炭素のみの
透過Ｘ線顕微鏡像を優れたコントラスト比で得ることが
できる。

【００１５】上記J.H.Klems の提案したＸ線顕微法の原
理を応用した従来例としては、例えば図12および図13に
示すものがある。図12の従来例は、シンクロトロン放射
光源（ＳＯＲ光源）11をＸ線光源とし、Ｘ線光学系とし
てフレネルゾーンプレートを使用して構成したものであ
り、ＳＯＲ光源11、分光器12、コンデンサレンズ14、サ
ンプル13、対物レンズ15および検出器16より成るＸ線光
路中のコンデンサレンズ14および対物レンズ15はフレネ
ルゾーンプレートより成るものを用いている。この従来
例はさらに、サンプル13および対物レンズ15間に厚さ３
０００Å程度のＢｅ薄膜19をＸ線光軸に対し４５°をな
すように配置するとともに、顕微鏡外部に紫外線レーザ
光源18、集光レンズ17およびウェッジ10より成る紫外線
光路を設け、紫外線レーザ光をＢｅ薄膜19で反射させて
サンプル13を背面より照射するようにしてある。このと
きＢｅ薄膜19は、検出器（ＭＣＰ）16に紫外線等の迷光
が入射しないように遮蔽する作用も果たす。

【００１６】上記システムは、紫外線光路中に紫外線光
軸と直交方向に移動し得るウェッジ10を設け、このウェ
ッジ10を紫外線に対する吸収率が十分高い物質（例えば
ＢＫ７；ガラス）としているので、ウェッジ10を移動す
ることによりウェッジ21を通過する紫外線の光路長を変
化させて、サンプルに照射する紫外線量を調整すること
ができる。したがって、Ｘ線照射と同時に光量を調整し
た紫外線をサンプルに照射することにより、上記原理に
基づく良好なコントラスト比でタンパク質の透過Ｘ線顕
微鏡像を得ることができる。

【００１７】また、図13の従来例は、光源をＮｄ：ＹＡ
Ｇレーザ等を用いたレーザプラズマ光源とし、Ｘ線コン
デンサレンズ22をウォルタ型ミラーとし、Ｘ線対物レン
ズ24をシュワルツシルド光学系とし、光検出器26をマイ
クロチャンネルプレート（ＭＣＰ）としてＸ線光路を構
成したものであり、上記以外の部分の作用は基本的には
上記図10の従来例と同様である。この従来例の上記従来
例との相違点は、Ｘ線発生のために集光レンズ30を介し
てターゲット21を撃つＮｄ：ＹＡＧレーザ20からのレー
ザ光の一部をハーフミラー27で分岐して利用するように
紫外線光路を構成していることであり、ハーフミラー27
で分岐したレーザ光は、偏光子32で光量を調整され、Ｋ
ＤＰ結晶25で紫外波長域の４倍高調波に変換されてから
ミラー28、集光レンズ31を経て紫外線反射ミラー29に照
射される。この従来例は、上記従来例に比べて紫外線レ
ーザ等の光源が不要になる利点がある他、上記シュワル
ツシルド光学系に優れた特性を有するＷ／Ｃ多層膜を用
いることにより、波長４５Åの直入射において２００層
を積層した場合、ほぼ３０％の反射率が得られ、明るい
Ｘ線光学系を構成することができる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】上記２つの従来例は、
J.H.Klems の提案したＸ線顕微法の原理に基づいて良好
なコントラスト比の透過Ｘ線顕微鏡像を得るためには、
サンプルに紫外線を適切な状態で照射することが前提条
件となる。しかしながら、上記各従来例は、紫外線反射
鏡およびＸ線フィルタとして作用するＢｅ薄膜を経てサ
ンプルに紫外線を拡散光で照射するため、サンプル表面
上におけるフォトンフラックス（光束密度）が小さくな
り、サンプル内の炭素の２Ｐ電子を効果的に電離または
励起することができず、透過Ｘ線顕微鏡像のコントラス
トが低下して画質が劣化する。また、前記サンプル上に
照射した拡散光の紫外線の一部が真空容器内で散乱する
ため、検出器に入射した迷光が撮像した透過Ｘ線顕微鏡
像に取り込まれて白色ノイズとなり、画質が劣化する。

【００１９】本発明は、サンプルに紫外線を適切な状態
で照射し得るＸ線顕微鏡を提供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】この目的のため、本発明
は、生体サンプルに対し６５〜４３．７Åの波長域のＸ
線および紫外線を照射し、該生体サンプルを透過したＸ
線を検出して当該生体サンプルの透過Ｘ線顕微鏡像を撮
像するＸ線顕微鏡において、前記Ｘ線顕微鏡の光路を真
空に保持する真空容器内に紫外線導入用の光学窓を設
け、該光学窓から紫外線を収束光線または平行光線で前
記サンプルに照射するように構成したことを特徴とする
ものである。

【００２１】

【作用】本発明によれば、真空容器内に設けた光学窓か
らサンプルに紫外線を照射する際には、紫外線を収束光
線または平行光線にしているから、フォトンフラックス
が小さくなったり拡散光の紫外線の一部が真空容器内で
散乱して白色ノイズとなる不具合は生じず、コントラス
トの低下が防止されて良好な画質の透過Ｘ線顕微鏡像が
得られる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき詳細に
説明する。図１は本発明のＸ線顕微鏡の第１実施例の構
成を示すシステム図である。この実施例のＸ線顕微鏡
は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ51が発生するレーザ光を集光レ
ンズ52で集光してターゲット53に衝突させることにより
Ｘ線を発生するレーザプラズマＸ線光源と、コンデンサ
レンズ54、対物レンズ55、紫外線カットフィルタ56およ
び検出器57を有しＸ線を斜めからサンプル58に照射して
透過Ｘ線顕微鏡像を得るＸ線光路と、紫外線レーザ59が
発生するレーザ光を集光レンズ60により集光して真空容
器62内のサンプル58に直接照射する紫外線光路とを具
え、結像型Ｘ線顕微鏡として構成されている。なお、上
記各光路の構成要素の内、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ51、集光
レンズ52、紫外線レーザ59および集光レンズ60以外の構
成要素は真空容器62内に収容され、真空容器62の、Ｎ
ｄ：ＹＡＧレーザ51および紫外線レーザ59からのレーザ
光が透過する部分には、透過窓62a および62b が設けら
れている。

【００２３】上記コンデンサレンズ54としては、斜入射
型の回転楕円鏡を使用するものとし、また対物レンズと
してはシュワルツシルド光学系を使用するものとし、そ
の表面にはＮｉ／Ｃ、Ｗ／Ｃ等の炭素系の多層膜をコー
ティングして、６５〜４３．７Åの波長領域において該
光学系の透過率が最大になるようにしている。さらに上
記光学窓62b としては、約２００ｎｍ以上の長波長の紫
外線の透過率が高い物質（ダイヤモンド、蛍石等）を用
いて構成している。

【００２４】次に、検出器（ＭＣＰ）57からの画像信号
を処理する、画像信号処理システムを図２によって説明
する。この画像信号処理システムは、Ｘ線顕微鏡システ
ム全体を制御するホストコンピュータ71を具えるととも
に、入射したＸ線をＭＣＰ57、フォスファ72で可視化
し、レンズ73を介して透過Ｘ線顕微鏡像を撮像するＴＶ
カメラシステム74と、ＴＶカメラシステム74からの２種
類（紫外線を照射したものおよび照射しないもの）の映
像信号をＡ／Ｄコンバータ75-1および75ー2でデジタル化
した画像データを夫々格納するフレームメモリ76ー1およ
び76ー2と、フレームメモリ76ー1および76ー2の画像データ
の各画素の差分を取って得られたデジタル差分信号をホ
ストコンピュータ71に入力する差分回路77と、ホストコ
ンピュータ71からの指令に基づきフレームメモリ76ー1お
よび76ー2にデータ出力タイミングのトリガ信号を出力す
るデータセレクタ回路78と、ホストコンピュータ71から
の入力信号に基づいてタンパク質等の透過Ｘ線顕微鏡像
を表示するＣＲＴ79等を具えて成る。なお、ホストコン
ピュータ71は、ＴＶカメラシステム74のトリガ信号およ
びＮｄ：ＹＡＧレーザ51のＱスイッチ信号を出力すると
ともに、紫外線レーザ59のＱスイッチ信号をディレイ回
路81によって調整されたタイミングで出力する。

【００２５】次に、この第１実施例のＸ線顕微鏡によ
る、透過Ｘ線顕微鏡像の撮像について説明する。まず、
ホストコンピュータ71は、レーザ発光のタイミングを調
整するＱスイッチ信号によってＱスイッチング動作を制
御して紫外線レーザ59が発生する紫外線の光量を制御
し、良好なコントラストの透過Ｘ線顕微鏡像が得られる
ような光量の紫外線がサンプル58に照射されるように調
整する。その後、ホストコンピュータ71は、Ｎｄ：ＹＡ
Ｇレーザ51にＱスイッチ信号を出力し、その信号を受け
たＮｄ：ＹＡＧレーザ51はレーザ光を発生する。このレ
ーザ光は集光レンズ52および透過窓62a を経てターゲッ
ト53に衝突し、Ｘ線を発生させる。ホストコンピュータ
71は、このＸ線の発生に同期させて、ＴＶカメラシステ
ム74およびフレームメモリ76ー1に夫々トリガ信号を出力
する。これにより、フレームメモリ76ー1には、紫外線を
照射した場合に得られる映像信号である、生体サンプル
の炭素の透過Ｘ線顕微鏡像をデジタル化した画像データ
ａが格納される。 次に、ホストコンピュータ71は、紫
外線レーザ59に対し、紫外線がサンプル58に全く照射さ
れないようにする指令信号を発するとともに、上記と同
様にしてＴＶカメラシステム74およびフレームメモリ76
ー2に夫々トリガ信号を出力する。これにより、フレーム
メモリ76ー2には、紫外線を照射しない場合に得られる映
像信号である、生体サンプルの炭素以外の元素の透過Ｘ
線顕微鏡像をデジタル化した画像データｂが格納され
る。

【００２６】上記フレームメモリ76ー1の画像データは、
最終的に抽出したい炭素の透過Ｘ線顕微鏡像にノイズが
加わった信号であり、フレームメモリ76ー2の画像データ
ｂは、フレームメモリ76ー1の画像データａのバックグラ
ウンド（ノイズ）信号である。したがって、差分回路77
において各画素について両者の差分を取ることにより上
記ノイズが除去されることになり、純粋に炭素の透過Ｘ
線顕微鏡像のみを含む差分信号（ａ−ｂ）が得られる。
この差分信号（画像データ）は、ホストコンピュータ71
からＣＲＴ79に出力され、炭素の透過Ｘ線顕微鏡像が表
示される。

【００２７】次に、上記透過Ｘ線顕微鏡像の撮像の際に
サンプルに照射する紫外線の作用について詳細に説明す
る。本実施例では、コンデンサレンズまたは対物レンズ
の本体や、真空容器の枠に紫外線が蹴られないように、
サンプルに真空容器に設けた光学窓より紫外線を直接照
射する。その場合、紫外線光軸のＸ線光軸とのなす角度
および光学窓（透過窓）を設ける位置が問題となる。例
えば、サンプルをＸ線光軸と９０°をなすように配置し
てそのサンプルにＸ線光軸とのなす角度が極めて小さい
状態で紫外線を照射しようとすると、一般に、サンプル
およびコンデンサレンズ間の距離やサンプルおよび対物
レンズ間の距離は非常に短いことから、真空容器のいか
なる位置に光学窓を設けても紫外線がＸ線光学系で蹴ら
れるのが避けられない。この対策としては、紫外線光軸
のＸ線光軸とのなす角度またはサンプルのＸ線光軸との
なす角度を調整する方法があり、前者はこの第１実施例
に対応し、後者は後述する第２実施例に対応する。

【００２８】すなわち、この第１実施例は、サンプルを
Ｘ線光軸と９０°をなすように配置したまま、紫外線光
軸のＸ線光軸とのなす角度が４５°程度になるように紫
外線レーザ59、集光レンズ60を配置している。この場
合、紫外線レーザ59が発生した紫外線は光学窓62b より
真空容器62内に入射して収束光線でサンプルに照射され
るから、紫外線の拡散が防止されてＸ線光学系で紫外線
が蹴られることはなくなる。したがって、光束密度が高
まって十分な光量の紫外線がサンプルに照射されること
になり、上述したJ.H.Klems の提案したＸ線顕微法の原
理を実現する、良好なコントラストの透過Ｘ線顕微鏡像
が得られる。

【００２９】なお、この第１実施例では、紫外線をＸ線
入射側からサンプルに照射しているので、サンプル自体
がフィルタとしての機能を果たすことから、特別に迷光
カット用のフィルタを設けていないが、画像のＳ／Ｎ比
を向上させるため必要に応じてＸ線光軸上に適宜（例え
ばＸ線光軸上の対物レンズおよび検出器間に）設けても
よい。また、図１の構成ではＸ線光源として白色光を発
するレーザプラズマ光源を用いているので、波長および
レーザパワーを調整した紫外線レーザ59からの紫外線以
外の不所望な紫外線や可視光等がサンプルに照射される
惧れがあるため、Ｘ線光軸上のレーザプラズマ光源およ
びコンデンサレンズ間に紫外線カットフィルタ61を設け
ている。

【００３０】図３は本発明のＸ線顕微鏡の第２実施例の
構成を示すシステム図であり、上記第１実施例と同一の
部分には同一符号を付して説明を省略する。この第２実
施例は、紫外線光軸がＸ線光軸に対し９０°をなすよう
に紫外線レーザ59、集光レンズ60を配置するとともに、
サンプルをＸ線光軸に対し所定の角度（例えば４５°）
をなすように傾けて、サンプル面の法線がＸ線光軸と平
行にならないように配置している。この構成は、Ｘ線光
路上でコンデンサレンズ〜サンプル〜対物レンズ間の間
隔が極めて狭い場合に適している。なお、本実施例では
紫外線カットフィルタ61を対物レンズおよび検出器間に
設けている。

【００３１】この第２実施例は、サンプルを傾けて紫外
線をＸ線光軸に対し９０°の角度で照射するように構成
し、それにより紫外線がＸ線光学系で蹴られるのを防止
している点が第１実施例と相違するが、第１実施例と同
様の作用効果が得られる。なお、この第２実施例の構成
によって得られる４５°傾けたサンプルの透過Ｘ線顕微
鏡像は、検出器57の結像面にサンプルの１：（１／√
２）の斜影像が結像するので、取り込んだ画像をデジタ
ル化した後に、ソフトウエアまたは別に設けた図示しな
い演算回路により、座標変換等を用いて１：１の元の画
像に復元する必要があり、その復元処理の実施によって
Ｘ線光学系とサンプルとが近接した構成でも十分な紫外
線をサンプルに照射することが可能になる。

【００３２】図４は本発明のＸ線顕微鏡の第３実施例の
構成を示すシステム図であり、上記第１実施例と同一の
部分には同一符号を付して説明を省略する。この第３実
施例は、サンプルをＸ線光軸に対し９０°をなすように
配置するとともに紫外線光軸がＸ線光軸に対し９０°を
なすように紫外線レーザ59、集光レンズ60を配置し、紫
外線を真空容器62に設けた光学窓62b よりターゲット53
〜コンデンサレンズ54間に導入した後、紫外線ミラー68
で反射させてＸ線と平行な光線をコンデンサレンズ54の
中央部を経てサンプルに照射するように構成しており、
サンプル〜対物レンズ間には紫外線フィルタ69が設けら
れている。この第３実施例は、Ｘ線光学素子として斜入
射光学系の全反射鏡を用いる場合、斜入射光学系は輪帯
開口を有する光学系であるので中心部近傍の開口を全く
利用しないことを考慮して、この部分をサンプルへの紫
外線の導入に利用している。このとき、紫外線ミラー68
は、図４に示すように結像に関与するＸ線に干渉しない
位置に配置することにより、本来の紫外線導入の機能の
他に、結像に関与しないＸ線およびレーザプラズマ光源
からのデボリスをカットする機能を果たすことになる。

【００３３】この第３実施例は、紫外線をＸ線入射側か
ら平行光線でサンプルに照射するように構成し、それに
より紫外線がＸ線光学系で蹴られるのを防止している点
が第１実施例と相違するが、第１実施例と同様の作用効
果が得られる。なお、この第３実施例では紫外線を集光
せずにサンプルに照射しているが、必要に応じて集光レ
ンズを設けて収束光線で紫外線を照射するようにしても
よい。また、対物レンズに斜入射光学系を用いるＸ線顕
微鏡システムを用いる場合には、上記構成を検出器側か
ら紫外線を導入するように変更するだけで、適用するこ
とができる。

【００３４】図５は本発明のＸ線顕微鏡の第４実施例の
構成を示すシステム図であり、上記第２実施例と同一の
部分には同一符号を付して説明を省略する。この第４実
施例の第２実施例との相違点は、紫外線発生用のレーザ
光源を独立に設けずに、Ｘ線発生用のレーザ光源を共用
するようにしたことである。すなわち、Ｎｄ：ＹＡＧレ
ーザ51が発生した可視領域のレーザ光がターゲット53に
向かう光路の、集光レンズ52の手前にハーフミラー64を
設けてレーザ光の一部を直交方向に分岐させ、そのレー
ザ光を偏光子65で光量調整し、ＫＤＰ結晶66で紫外波長
域の４倍高調波に変換した後にミラー67で向きを90°変
えて透過窓62b から真空容器62内に入射するように構成
している。なお、真空容器内に入射した紫外線をサンプ
ルに照射する構成は第２実施例と同一である。

【００３５】この第４実施例においては、上記レーザ光
源の共用化に伴い、検出器（ＭＣＰ）57からの画像信号
を処理する画像信号処理システムの構成を図２のシステ
ムから一部変更する必要がある。すなわち、図６に示す
ように、ホストコンピュータ71から紫外線レーザへのＱ
スイッチパルス信号の出力を廃止し、代わりに偏光子65
を駆動する偏光子駆動回路80を設ける。この偏光子駆動
回路80は、サンプルに照射される紫外線の光量を良好な
透過Ｘ線顕微鏡像が得られる光量にするために、偏光子
65を回転駆動して紫外線発生に用いるレーザ光量を調整
する紫外線照射時の作用と、サンプルに紫外線が全く照
射されない角度に偏光子65を回転駆動する紫外線非照射
時の作用とをなす。

【００３６】この第４実施例は、上記第２実施例の作用
効果が得られる上に、レーザ光源の共用化によりコスト
ダウンが可能になり、さらに、画像信号処理システムに
おいてＸ線照射のタイミングと紫外線照射のタイミング
との同期が取りやすくなる効果も得られる。なお、この
第４実施例のレーザ光源共用化の構成は、第２実施例の
みならず、第１実施例および第３実施例にも適用可能で
あることは言うまでもない。

【００３７】なお、上記各実施例では、画像処理を直
接、ハードウエアの差分回路77で行うようにしている
が、差分回路を省略して、ホストコンピュータ71がフレ
ームメモリ76-1、76ー2から画像データを読み出してソフ
トウエア上で画像処理を行うようにしてもよい。また、
上記各実施例では、Ｘ線光路に斜入射型光学系およびシ
ュワルツシルド光学系を用いているが、これに限定され
るものではなく、ゾーンプレート等の他の結像光学系を
組み合わせてＸ線顕微鏡システムを構成してもよく、ま
た、Ｘ線光源としてレーザプラズマ光源を用いている
が、代わりにＳＯＲ光源や電子線管等の他の光源を用い
てもよい。

【００３８】また、上記各実施例では、対物レンズおよ
びコンデンサレンズに斜入射光学系を用いているが、そ
の場合にはコンデンサレンズに多層膜をコーティングし
て分光機能を持たせてもよい。さらに、上記各実施例の
紫外線光路に、図12の従来例のくさび型の紫外線フィル
タ（ウェッジ）を設けて紫外線光量の調整を行ったり、
紫外線光源としてＮｄ：ＹＡＧレーザの高調波を利用す
ることにより光源としての機能を高めるようにしてもよ
い。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、真
空容器内に設けた光学窓からサンプルに紫外線を照射す
る際には、紫外線を収束光線または平行光線にしている
から、フォトンフラックスが小さくなったり拡散光の紫
外線の一部が真空容器内で散乱して白色ノイズとなる不
具合は生じず、コントラストの低下が防止されて良好な
画質の透過Ｘ線顕微鏡像が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＸ線顕微鏡の第１実施例の構成を示す
システム図である。

【図２】第１実施例に用いる画像処理システムの構成を
示す図である。

【図３】本発明のＸ線顕微鏡の第２実施例の構成を示す
システム図である。

【図４】本発明のＸ線顕微鏡の第３実施例の構成を示す
システム図である。

【図５】本発明のＸ線顕微鏡の第４実施例の構成を示す
システム図である。

【図６】第４実施例に用いる画像処理システムの構成を
示す図である。

【図７】（ａ）〜（ｆ）は、Ｘ線顕微鏡の原理を説明す
るための図である。

【図８】（ａ）〜（ｄ）は、Ｘ線顕微鏡の原理を説明す
るための図である。

【図９】図８の原理の有効性を表わす特性図である。

【図１０】図７に対応するＸ線顕微鏡システムの基本概
念図である。

【図１１】図８に対応するＸ線顕微鏡システムの基本概
念図である。

【図１２】図１０のＸ線顕微鏡システムを具体化した従
来例の構成を示す図である。

【図１３】図１０のＸ線顕微鏡システムを具体化した他
の従来例の構成を示す図である。

【図１４】ウォルタ型の斜入射光学系を例示する図であ
る。

【図１５】フレネルゾーンプレートを例示する図であ
る。

【図１６】シュワルツシルド型の直入射光学系を例示す
る図である。

【符号の説明】

51 レーザ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ） 53 ターゲット 54 コンデンサレンズ 55 対物レンズ 57 検出器 58 サンプル（生体サンプル） 59 紫外線レーザ 62 真空容器 62a 、62b 透過窓（光学窓） 63 紫外線結像光学系

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【手続補正書】

【提出日】平成５年２月２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１０】この状態は、上記第１遷移により基底状態
から直接１Ｓ電子を電離させた図７（ｂ）の場合と全く
同一になるが、この方法において電子を電離または励起
させるのに要するエネルギーは数ｅＶ〜２０ｅＶ（波長
に換算すると１００ｎｍ〜２００ｎｍ）程度であるの
で、紫外線レーザ等を利用することができる。一方、１
Ｓ電子を２Ｐ軌道に励起するために要するエネルギーは
電離させる場合よりも数ｅＶ〜２０ｅＶ程度低い値にな
る。したがって、基底状態の炭素原子の２Ｐ電子を電離
する過程と、１Ｓの電子を２Ｐ軌道に励起する過程の２
段階の過程により、炭素の吸収端波長よりも長い波長の
Ｘ線を用いた場合にもタンパク質の透過顕微鏡像を得る
ことができる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 生体サンプルに対し６５〜４３．７Åの
   波長域のＸ線および紫外線を照射し、該生体サンプルを
   透過したＸ線を検出して当該生体サンプルの透過Ｘ線顕
   微鏡像を撮像するＸ線顕微鏡において、 前記Ｘ線顕微鏡の光路を真空に保持する真空容器内に紫
   外線導入用の光学窓を設け、該光学窓から紫外線を収束
   光線または平行光線で前記サンプルに照射するように構
   成したことを特徴とする、Ｘ線顕微鏡。