JP2000088734A - 多方位同時検出光集光器および走査型近接場顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 走査型近接場顕微鏡に用いる光集光系におい
て、複数の光導波路または光検出器を搭載できる多方位
同時検出光集光器を使う事で、得られる光情報の中か
ら、これまで不可能であった、凹凸、材質などに依存し
た成分を分離する事が可能にする。 【解決手段】 ドーム１に設けられた導波路穴２に端面
を平坦に壁開くした光ファイバー１５を差し込む事で、
ある立体角の光情報を同時に複数観察できる。多方位同
時検出光集光器１４自体は対象物の透過側にも反射側に
も設置する事が可能である。情報部分をきりとったタイ
プの多方位同時検出光集光器１４では光てこを使用する
事も可能である。それらの光情報を演算処理する事によ
り凹凸、材質に依存した成分を分離する事が可能でな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は被測定物表面を光照
射もしくは光励起することにより、固体表面のナノメー
トル領域における形状観察や光物性測定を行うことを目
的とする走査型近接場顕微鏡に使用する光集光系と走査
型近接場顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】対物レンズもしくはカセグレンタイプの
対物レンズなど、レンズ光学系を用い大きな立体角で光
を検出する走査型近接場顕微鏡がある。走査型近接場顕
微鏡は光プローブを対象物表面で走査させることで画像
を形成する方法で、光学分解能は光の輝点のサイズで決
まるため、小さく微弱な点光源の光を検出するため、大
きな立体角で光を集められる手法を用い効率を上げてい
るのである。また対物レンズの置く方向を変えて角度に
依存した光学像を得るという事も可能である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし従来の光検出法
と走査型光プローブ顕微鏡では光学像をとりあえず高分
解能で観察することはできても、その光学像が包含する
情報を十分理解することは困難である。すなわち簡単の
ために光学顕微鏡を例にすると、光学顕微鏡で得られる
像には対象物の凹凸が明暗となって像となるものもあれ
ば、対象物の材質が違うので明暗となって像となるも
の、対象物に蛍光物質があるための検出光をフィルター
を通すことにより明暗となって像となるものなど、光の
明暗の原因となるものがあればそれらが混在していても
分離されることなく、なんらかの形を成した像として現
れる。蛍光顕微鏡の世界ではこれらを分離するため、も
しくは際立たせるために、微分干渉法・蛍光法など開発
されている。同じ光を画像化する走査型光プローブ顕微
鏡においてもこういった事情は同じ事で、対象物を観察
する結果、その起因が何であるのか知ることは重要で、
シグナルから情報を分離する手法を開発する必要があ
る。

【０００４】ナノメートルの分解能で微小領域を観察す
る走査型近接場顕微鏡では、これらに加え、対象物表面
の形状が光像に影響を及ぼすためより問題は複雑であ
る。また対物レンズの置く方向を変えて角度に依存した
光学像を得るという事も可能ではあるが、複数回同じ操
作を行って角度に依存した光学像を得る方法では走査位
置の再現性の問題、対象物の変化の問題などがあり、同
時に観察する必要がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の多方位同時検出
光集光器によれば、対象物を複数個の光導波路もしくは
検出器で同時に光を検出するので走査位置の再現性の問
題、対象物の変化の問題は解消される。透過側、反射側
どちらにも設置でき、また得られた個々のシグナルを積
算することで従来の光学系を用いた光検出法としても利
用できるし、それぞれのシグナル同士を演算処理して画
像化する事で対象物の表面形状、材質の違いなどに由来
する情報を分離し対象物の真の物性を観察する事ができ
る。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。 ［実施の形態１］図１（Ａ）は本発明の実施の形態１に
かかわる多方位同時検出光集光器をななめ上から見た図
を示したものである。ドーム１の中心に向かうように導
波路穴２があけられている。導波路穴２には端面を平ら
に壁開させた光ファイバーを差し込む。光ファイバーの
反対の末端側にはそれぞれ光検出器が光学的に接続され
ている。取り付け冶具３により走査型近接場顕微鏡筐体
に固定しドームの中心に光プローブが来るようにセティ
ングする。光プローブは光てこ法ではなく、水晶振動子
を用いた自己検出法で対象物との距離を制御する。この
方法は光てこ法と異なり、光プローブに検出用レーザー
を集光するなどの操作が必要ないので取り扱いが簡便で
ある。このモデルでは導波路穴２が１３個もうけられて
おり同時に１３方向から光を検出でき、それぞれ画像化
できる。これら同時検出した光シグナルを積算させる事
により、大きな立体角の光シグナルを取得した事にな
り、微弱な光信号の検出感度を上げるために使用する事
も可能である。この方法は従来のレンズ光学系を用いた
光集光器より効率が良くコンパクトな構成となる。

【０００７】図１（Ｂ）は多方位同時検出光集光器をな
なめ下から見た図である。ドーム内側４は半径４ｍｍ
で、図に見られる１／４球面の中に直径２ｍｍの光ファ
イバー端面１３個配列している。このことにより従来の
ものと異なり角度の異なる光学像が同時に観察できる。
光ファイバーの反対側の末端にはそれぞれ分光器を光学
的に接続し光検出すれば、角度に依存したスペクトルを
同時に測定することも可能である。また多方位同時検出
光集光器を試料上面におけば、不透明な対象物の反射光
学系における角度依存性の光像が観察できる。 ［実施の形態２］図２（Ａ）は本発明の実施の形態２に
かかわる多方位同時検出光集光器をななめ上から見た図
を示したものである。図１同様、ドーム１の中心に向か
うように導波路穴２があけられているが、輝点に対して
水平に近い角度のみ導波路穴２がある。その他の構成は
基本的に図１と同じでドーム１の上方を切り取った形状
をしている。作用として図１と異なる点は光プローブの
対象物との距離制御に光てこ方式を用いる事もできる点
である。光てこ方式を用いる事で溶液中の対象物観察が
可能となる。また光プローブを対象物に対して接触させ
たまま走査させるコンタクトモード方式で光プローブの
対象物との距離制御する事が可能となり、複数の光像と
同時に対象物表面の摩擦情報などを観察する事が可能と
なる。また多方位同時検出光集光器を対象物の上側（反
射側）に設置して光像を観察した場合には、光プローブ
自身の影により、輝点に対して垂直に近い角度には光が
来ないことがわかっているので、垂直に近い角度を設け
ず、光てこ方式を採用するメリットを優先したものであ
る。もちろん水晶振動子を用いた自己検出法をもちいて
も構わない。図２（Ｂ）は多方位同時検出光集光器をな
なめ下から見た図である。ドーム内側４は半径５ｍｍ
で、導波路穴２には端面を平らに壁開させた光ファイバ
ーが差し込まれる。直径１ｍｍの光ファイバー端面が２
段にアレイ状に２６個配列している。このことにより従
来のものと異なり角度の異なる光学像が同時に観察でき
る。光ファイバーの反対側の末端に、それぞれ分光器を
光学的に接続し光検出すれば角度に依存したスペクトル
の同時測定を行うことも可能である。 ［実施の形態３］図３は本発明の実施の形態３にかかわ
る多方位同時検出光集光器１４を搭載した走査型近接場
顕微鏡の構成図を示している。図２の実施の形態２に示
したドームの上部分を切り取った多方位同時検出光集光
器を反射光学系として用いたものである。鈎状の光プロ
ーブ５を振動手段であるバイモルフ６に設置し、鈎状の
光プローブ５の先端を対象物７に対して垂直に振動さ
せ、光プローブ５の先端と対象物７の表面の間に作用す
る原子間力あるいはその他の相互作用に関わる力を光プ
ローブ５の振動特性の変化として変位検出手段８で検出
し、鈎状の光プローブ５の先端と対象物７の表面の間隔
を一定に保つようにコントローラー９で制御しながら、
ＸＹＺ移動機構１０により対象物７を走査して表面形状
を測定する構成である。鈎状の光プローブ５に外部のレ
ーザー１３から光を導くことにより開口１１から対象物
７に光を照射することができる。多方位同時検出光集光
器１４には光ファイバー１５が差し込まれていて、対象
物７に作用した光を光学特性測定光検出手段１２まで導
き検出することによって同時に微小領域の光学特性の測
定を行うことができる。図中には光ファイバー１５を２
本しか描いていないが実際には２６本あり、異なる角度
・方位から検出されたシグナルはコントローラー９で演
算処理する事で対象物７の表面凹凸に依存した情報、材
質に依存した情報等を分離する事ができる。図３は試料
７の反射面で測定光を検出する透過型の構成を示した
が、透過側で測定光を検出する透過型の構成も可能であ
る。また、通常、変位検出手段８としては光てこを用い
られるが、圧電体を有する光プローブを用いることで変
位検出手段８は不要となる。

【０００８】また、図３は鈎状の光プローブ５を振動さ
せる装置構成を示したが、バイモルフ６を振動させない
か、バイモルフ６を使用しない装置構成とし、コンタク
トモードのＡＦＭとして測定を行うことも可能である。
振動させない方式では得る事ができない摩擦情報も観察
する事が可能である。さらに、これらの装置にプローブ
と試料が液体中に保持されるように液だめの覆いを設け
ることで液中における測定を行うことができる。

【０００９】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に記載されるような効果を奏する。多方位
同時検出光集光器を走査型近接場顕微鏡に使用する事
で、光プローブから出射される光と対象物表面が作用し
た結果生じる光を、任意の立体角から同時に検出する事
ができる。得られた光シグナルを積算して用いる事は、
微弱な光を検出する効率として考えると、従来のレンズ
系を用いた集光系より向上することになる。また調整が
容易でコンパクトな設計となる。得られた光シグナルを
別々に画像化すると、多方向からの同時光イメージング
を行うことができる。またそれぞれのシグナルを演算処
理する事によってイメージングを行うと、シグナルの中
に包含された表面凹凸情報、表面材料情報などに依存し
ない光像を分離して表示することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１にかかわる多方位同時検
出光集光器を示した図である。

【図２】本発明の実施の形態２にかかわる多方位同時検
出光集光器を示した図である。

【図３】本発明の実施の形態３にかかわる多方位同時検
出光集光器を搭載した走査型プローブ顕微鏡を示した構
成図である。

【符号の説明】

１・・・ドーム ２・・・導波路穴 ３・・・取り付け冶具 ４・・・ドーム内側 ５・・・鈎状の光プローブ ６・・・バイモルフ ７・・・対象物 ８・・・変位検出手段 ９・・・コントローラー １０・・・ＸＹＺ移動機構 １１・・・開口 １２・・・光学特性測定光検出手段 １３・・・レーザー １４・・・多方位同時検出光集光器 １５・・・光ファイバー

フロントページの続き (72)発明者 江川 明 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者 本間 克則 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA51 DD02 FF00 FF44 GG04 HH13 JJ01 JJ08 JJ24 LL01 LL03 LL67 MM02 PP04 PP24

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 走査型近接場顕微鏡に使用する光集光系
   であって、点光源からの光を多方位から同時検出するこ
   とを特徴とする多方位同時検出光集光器。
2. 【請求項２】 前記多方位同時検出光集光器は、任意の
   立体角の光を複数の光導波路を設ける事によって、光を
   検出器まで導き検出することを特徴とする請求項１記載
   の多方位同時検出光集光器。
3. 【請求項３】 前記多方位同時検出光集光器は、任意の
   立体角の光を複数の光検出器を設ける事によって、光を
   検出することができることを特徴とする請求項１記載の
   多方位同時検出光集光器。
4. 【請求項４】 前記多方位同時検出光集光器は、対象と
   なる試料の透過側から光を検出する事を特徴とする請求
   項１から３のいずれかに記載の多方位同時検出光集光
   器。
5. 【請求項５】 前記多方位同時検出光集光器は、対象と
   なる試料の反射側から光を検出する事を特徴とする請求
   項１から３のいずれかに記載の多方位同時検出光集光
   器。
6. 【請求項６】 前記多方位同時検出光集光器は、複数の
   検出した光シグナルを積算することにより、光検出の感
   度を上げる事を特徴とする請求項１から５のいずれかに
   記載の多方位同時検出光集光器。
7. 【請求項７】 複数の光導波路から同時に得られる光シ
   グナルをそれぞれ記憶し、演算処理する事により、シグ
   ナルの中から情報を分離できることを特徴とする走査型
   近接場顕微鏡。
8. 【請求項８】 複数の光導波路から同時に得られる光シ
   グナルをそれぞれ記憶し、演算処理する事により、シグ
   ナルの中から情報を分離するために前記多方位同時検出
   光集光器を備えたことを特徴とする請求項７記載の走査
   型近接場顕微鏡。