JP2000146803A - 近接場光学顕微鏡 - Google Patents
近接場光学顕微鏡Info
- Publication number
- JP2000146803A JP2000146803A JP10327725A JP32772598A JP2000146803A JP 2000146803 A JP2000146803 A JP 2000146803A JP 10327725 A JP10327725 A JP 10327725A JP 32772598 A JP32772598 A JP 32772598A JP 2000146803 A JP2000146803 A JP 2000146803A
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- Japan
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- probe
- signal
- light
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- Pending
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- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】厚みを有する試料表面の顕微蛍光測定における
定量性を向上する。 【解決手段】微小開口付探針を用いて試料表面を走査し
ながら蛍光強度を測定する近接場光学顕微鏡において、
探針を試料面と垂直方向に振動させ、光てこ法、光学干
渉法、水晶振動法、もしくはピエゾ検出法等を用いて探
針の振動を検出し、その振動に同期して変化する蛍光強
度を同期検波する機構を有する。
定量性を向上する。 【解決手段】微小開口付探針を用いて試料表面を走査し
ながら蛍光強度を測定する近接場光学顕微鏡において、
探針を試料面と垂直方向に振動させ、光てこ法、光学干
渉法、水晶振動法、もしくはピエゾ検出法等を用いて探
針の振動を検出し、その振動に同期して変化する蛍光強
度を同期検波する機構を有する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光の回折限界を超
えた分解能を有する光学顕微鏡に関わり、顕微分析装
置，顕微分光装置に利用される。この顕微分析装置，顕
微分光装置は、微小異物分析や生体試料や有機試料の観
察，同定に用いられる。
えた分解能を有する光学顕微鏡に関わり、顕微分析装
置，顕微分光装置に利用される。この顕微分析装置，顕
微分光装置は、微小異物分析や生体試料や有機試料の観
察，同定に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】従来、光の回折限界を超える分解能を有
する光学顕微鏡として近接場光学顕微鏡が開発されてい
る。近接場光学顕微鏡については、例えばUSP4604520や
特開平6−137847 号などに詳しく記されている。
する光学顕微鏡として近接場光学顕微鏡が開発されてい
る。近接場光学顕微鏡については、例えばUSP4604520や
特開平6−137847 号などに詳しく記されている。
【０００３】まず、近接場光学顕微鏡の原理について簡
単に説明する。波長より十分小さい微小開口に光を通そ
うとすると、光は殆ど透過せずエバネッセント波として
微小開口近傍に染み出す。この微小開口近傍に局在化し
た光を近接場と呼ぶ。近接場に試料を持ってくると、エ
バネッセント波により試料が励起され、蛍光やラマン光
などの２次光を放射するので、これを光電子増倍管など
で観測できる。探針と試料の距離を近接場領域に保ちな
がら試料表面を走査し、各位置での２次光強度を測定す
ることにより、２次光強度分布の画像化が可能となる。
単に説明する。波長より十分小さい微小開口に光を通そ
うとすると、光は殆ど透過せずエバネッセント波として
微小開口近傍に染み出す。この微小開口近傍に局在化し
た光を近接場と呼ぶ。近接場に試料を持ってくると、エ
バネッセント波により試料が励起され、蛍光やラマン光
などの２次光を放射するので、これを光電子増倍管など
で観測できる。探針と試料の距離を近接場領域に保ちな
がら試料表面を走査し、各位置での２次光強度を測定す
ることにより、２次光強度分布の画像化が可能となる。
【０００４】しかし、厚みのある試料で、表面より深い
部分にも蛍光体がある場合には、これらも励起され、蛍
光を発する。この深い部分では励起光は広がっているの
で、上述のように画像化した場合にはコントラストの強
弱で表面にある蛍光試料との区別はできるが、深い部分
からの蛍光がバックグラウンドとなってしまう。深い部
分の発光部が一様に分布していない場合には、バックグ
ラウンドも一様にならず、そのため、表面部分にある蛍
光強度の大きさを正しく知ることはできないという問題
があった。
部分にも蛍光体がある場合には、これらも励起され、蛍
光を発する。この深い部分では励起光は広がっているの
で、上述のように画像化した場合にはコントラストの強
弱で表面にある蛍光試料との区別はできるが、深い部分
からの蛍光がバックグラウンドとなってしまう。深い部
分の発光部が一様に分布していない場合には、バックグ
ラウンドも一様にならず、そのため、表面部分にある蛍
光強度の大きさを正しく知ることはできないという問題
があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、厚み
のある試料でも、回折限界を超える分解能で、その表面
における蛍光，ラマン光強度分布を定量的に観測できる
顕微鏡を提供することにある。
のある試料でも、回折限界を超える分解能で、その表面
における蛍光，ラマン光強度分布を定量的に観測できる
顕微鏡を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明においては、探針を振動させて試料の距離を
変調し、それに同期して変化する２次光成分のみを観測
する。
に、本発明においては、探針を振動させて試料の距離を
変調し、それに同期して変化する２次光成分のみを観測
する。
【０００７】微小開口部には、空中伝播しないエバネッ
セント光と、空中伝播する伝播光とが存在する。その強
度比は開口径に依存し、観察を重ねるうちにも開口径は
摩耗などにより変わってくるため、強度比をきちんと見
積もることは難しい。
セント光と、空中伝播する伝播光とが存在する。その強
度比は開口径に依存し、観察を重ねるうちにも開口径は
摩耗などにより変わってくるため、強度比をきちんと見
積もることは難しい。
【０００８】伝播光は、表面より奥の試料も励起してし
まうので、上記課題を解決するためには、エバネッセン
ト光と伝播光の切り分けを行う必要がある。エバネッセ
ント光は、開口より遠ざかるにつれて、指数関数的に強
度が減衰し、開口半径程度の距離にのみ強く存在してい
る。探針と試料の距離が、この開口半径より小さいとき
には、試料表面はエバネッセント光と伝播光との両方で
試料が励起され、奥の部分は伝播光のみで励起されるこ
とになる。一方、探針と試料の距離が開口半径より大き
いときには、表面部分も奥の部分も伝播光のみで励起さ
れることになる。
まうので、上記課題を解決するためには、エバネッセン
ト光と伝播光の切り分けを行う必要がある。エバネッセ
ント光は、開口より遠ざかるにつれて、指数関数的に強
度が減衰し、開口半径程度の距離にのみ強く存在してい
る。探針と試料の距離が、この開口半径より小さいとき
には、試料表面はエバネッセント光と伝播光との両方で
試料が励起され、奥の部分は伝播光のみで励起されるこ
とになる。一方、探針と試料の距離が開口半径より大き
いときには、表面部分も奥の部分も伝播光のみで励起さ
れることになる。
【０００９】探針の開口半径は一般には波長より十分小
さいので、奥の部分の照射部分、および奥の部分からの
信号強度は、両者の場合、つまり探針と試料の距離が開
口半径より近づいているときと離れているときとでほぼ
同じになる。そこで、前者の条件で測定した信号強度か
ら後者の条件で測定した信号強度を引き算すれば、表面
からの信号強度のみを得ることができる。
さいので、奥の部分の照射部分、および奥の部分からの
信号強度は、両者の場合、つまり探針と試料の距離が開
口半径より近づいているときと離れているときとでほぼ
同じになる。そこで、前者の条件で測定した信号強度か
ら後者の条件で測定した信号強度を引き算すれば、表面
からの信号強度のみを得ることができる。
【００１０】そのために、探針を奥行き方向に振動させ
て、試料との距離に変調をかけ、それに同期した信号を
ロックイン増幅器を用いて検出すればよい。このとき、
ロックイン増幅器の参照信号として、探針を振動させる
ためのピエゾ素子を駆動する信号を用いるのが簡単では
あるが、探針が試料表面に近づいて力を受けることによ
り振動位相がずれるため、ロックイン検出するときにそ
のずれが観測信号として見えてしまう。
て、試料との距離に変調をかけ、それに同期した信号を
ロックイン増幅器を用いて検出すればよい。このとき、
ロックイン増幅器の参照信号として、探針を振動させる
ためのピエゾ素子を駆動する信号を用いるのが簡単では
あるが、探針が試料表面に近づいて力を受けることによ
り振動位相がずれるため、ロックイン検出するときにそ
のずれが観測信号として見えてしまう。
【００１１】これを防ぐためには、実際に探針の振動に
完全に同期した信号を用いる必要がある。探針の振動
は、光てこ方式，光干渉方式，水晶振動子法，ピエゾ検
出方式など、一般的に用いられる方法を用いて簡単に検
出できるので、こうして得られた信号をロックイン増幅
器の参照信号として用いればよい。探針の振動振幅は、
探針開口半径より大きくする必要があるが、開口径の作
製ばらつきや、前述のような探針開口径の経時変化を考
えると、大き目に設定しておくことが望ましい。
完全に同期した信号を用いる必要がある。探針の振動
は、光てこ方式，光干渉方式，水晶振動子法，ピエゾ検
出方式など、一般的に用いられる方法を用いて簡単に検
出できるので、こうして得られた信号をロックイン増幅
器の参照信号として用いればよい。探針の振動振幅は、
探針開口半径より大きくする必要があるが、開口径の作
製ばらつきや、前述のような探針開口径の経時変化を考
えると、大き目に設定しておくことが望ましい。
【００１２】しかし、伝播光は試料表面と探針との間で
干渉を起こし、その距離によって伝播光強度が周期的に
変化する。この変化は僅かではあるが、ロックイン検出
を行うと選択的に検出されるので、観測信号としては大
きな寄与を持つことになる。この寄与を抑えるために
は。振動振幅を用いる光波長の半分より小さくしておけ
ばよい。
干渉を起こし、その距離によって伝播光強度が周期的に
変化する。この変化は僅かではあるが、ロックイン検出
を行うと選択的に検出されるので、観測信号としては大
きな寄与を持つことになる。この寄与を抑えるために
は。振動振幅を用いる光波長の半分より小さくしておけ
ばよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】（実施例１）本発明の一実施例
を、図１を用いて説明する。微小開口付探針１０１は、
コア径４ミクロンの石英シングルモードファイバを、炭
酸ガスレーザで加熱延伸して先端を先鋭化させ、さらに
炭酸ガスレーザで先端をほぼ９０度に曲げて、カンチレ
バー型に成形し、クロムとアルミを斜蒸着して皮膜をつ
くり先端部に微小開口を設けたものを用いた。開口半径
は約４０ナノメートルであった。これを、ピエゾ素子１
０２に固定し、図の上下方向に探針１０１を振動させ
る。
を、図１を用いて説明する。微小開口付探針１０１は、
コア径４ミクロンの石英シングルモードファイバを、炭
酸ガスレーザで加熱延伸して先端を先鋭化させ、さらに
炭酸ガスレーザで先端をほぼ９０度に曲げて、カンチレ
バー型に成形し、クロムとアルミを斜蒸着して皮膜をつ
くり先端部に微小開口を設けたものを用いた。開口半径
は約４０ナノメートルであった。これを、ピエゾ素子１
０２に固定し、図の上下方向に探針１０１を振動させ
る。
【００１４】振動周波数は探針の固有振動数近辺とし、
探針と試料１１３が近づくことにより、固有振動数が変
化するため、探針の振動振幅が減少する。この振動を半
導体レーザ１０８と分割型フォトダイオード１０９によ
り構成した光てこ検出器を用いて、振幅が一定になるよ
うにコントローラ１１１を用いて、スキャナ１０３の高
さを変えて、試料−探針間距離を一定にするように制御
している。これは通常の非接触原子間力顕微鏡と同様で
ある。
探針と試料１１３が近づくことにより、固有振動数が変
化するため、探針の振動振幅が減少する。この振動を半
導体レーザ１０８と分割型フォトダイオード１０９によ
り構成した光てこ検出器を用いて、振幅が一定になるよ
うにコントローラ１１１を用いて、スキャナ１０３の高
さを変えて、試料−探針間距離を一定にするように制御
している。これは通常の非接触原子間力顕微鏡と同様で
ある。
【００１５】探針１０１に励起用レーザ光を導入し、試
料１１３を励起する。試料より放射された蛍光は対物レ
ンズ１０４で集められ、プリズム１０５を通して、分光
器１０６で波長選択され、光電子増倍管１０７で検出さ
れる。ここでは、励起光源としてヘリウム−カドミウム
レーザを用いた。
料１１３を励起する。試料より放射された蛍光は対物レ
ンズ１０４で集められ、プリズム１０５を通して、分光
器１０６で波長選択され、光電子増倍管１０７で検出さ
れる。ここでは、励起光源としてヘリウム−カドミウム
レーザを用いた。
【００１６】光電子増倍管１０７の出力信号は、ロック
イン増幅器１１０に入力される。ロックイン増幅器の参
照信号としては、上述の光てこの出力を用いている。ロ
ックイン増幅器の出力信号は、コントローラ１１１に入
力する。コントローラ１１１によりスキャナ１０３を走
査しながら、各位置でのロックイン増幅器の信号強度を
測定し、画像化装置１１２によって画像化している。
イン増幅器１１０に入力される。ロックイン増幅器の参
照信号としては、上述の光てこの出力を用いている。ロ
ックイン増幅器の出力信号は、コントローラ１１１に入
力する。コントローラ１１１によりスキャナ１０３を走
査しながら、各位置でのロックイン増幅器の信号強度を
測定し、画像化装置１１２によって画像化している。
【００１７】
【発明の効果】本発明を用いれば、回折限界を超えた蛍
光分光を定量的に行うことができるので、ナノメートル
サイズの試料の定量分析が可能となる。
光分光を定量的に行うことができるので、ナノメートル
サイズの試料の定量分析が可能となる。
【図１】本発明の一実施例の近接場光学顕微鏡の構成を
示すブロック図。
示すブロック図。
１０１…微小開口付探針、１０２…ピエゾ素子、１０３
…スキャナ、１０４…対物レンズ、１０５…プリズム、
１０６…分光器、１０７…光電子増倍管、108…半導体
レーザ、１０９…分割型フォトダイオード、１１０…ロ
ックイン増幅器、１１１…コントローラ、１１２…画像
化装置、１１３…試料。
…スキャナ、１０４…対物レンズ、１０５…プリズム、
１０６…分光器、１０７…光電子増倍管、108…半導体
レーザ、１０９…分割型フォトダイオード、１１０…ロ
ックイン増幅器、１１１…コントローラ、１１２…画像
化装置、１１３…試料。
フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA22 AA49 DD03 DD04 EE06 FF00 FF09 FF42 GG05 GG06 HH04 HH12 JJ00 JJ17 JJ18 JJ22 LL00 LL12 LL57 PP24 QQ00 SS13 2G043 AA01 AA03 CA07 DA06 EA01 EA03 FA02 FA03 GA02 GB01 GB03 GB19 HA01 JA01 JA05 KA09 LA02 MA01 NA01 NA13 2G059 AA05 DD13 EE03 EE07 FF03 GG01 JJ11 JJ12 KK02
Claims (2)
- 【請求項１】光を試料に照射するために先端に微小開口
を有する探針と、試料と探針の距離を制御しながら走査
する機構と、試料を透過した光、もしくは試料により反
射、または散乱した光、或いは試料からの２次光を信号
として観測する機構と、観測信号を画像化する機構より
なる近接場顕微鏡において、特に、探針を振動せしめて
試料との距離を変調し、光てこ法，光学干渉法，水晶振
動子法、もしくはピエゾ検出法等を用いて探針の振動を
検出し、その検出信号を同期検波用の参照信号として用
いて、信号を同期検波法により観測することを特徴とす
る近接場光学顕微鏡。 - 【請求項２】請求項１に記載の近接場光学顕微鏡におい
て、特に、探針の振動振幅が、探針先端の微小開口半径
より大きく、波長の半分より小さくすることを特徴とす
る近接場光学顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10327725A JP2000146803A (ja) | 1998-11-18 | 1998-11-18 | 近接場光学顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10327725A JP2000146803A (ja) | 1998-11-18 | 1998-11-18 | 近接場光学顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000146803A true JP2000146803A (ja) | 2000-05-26 |
Family
ID=18202298
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10327725A Pending JP2000146803A (ja) | 1998-11-18 | 1998-11-18 | 近接場光学顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000146803A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002340771A (ja) * | 2001-05-21 | 2002-11-27 | Olympus Optical Co Ltd | 走査型近接場光学顕微鏡 |
| US6559926B2 (en) | 2000-10-10 | 2003-05-06 | Canon Kabushiki Kaisha | Pattern forming apparatus and pattern forming method |
| CN111595787A (zh) * | 2020-06-08 | 2020-08-28 | 河北大学 | 基于光声谐振探测的太赫兹气体检测系统及方法 |
| CN116930130A (zh) * | 2023-09-19 | 2023-10-24 | 清华大学 | 基于探针扫描的纳区光致发光探测系统及方法 |
-
1998
- 1998-11-18 JP JP10327725A patent/JP2000146803A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6559926B2 (en) | 2000-10-10 | 2003-05-06 | Canon Kabushiki Kaisha | Pattern forming apparatus and pattern forming method |
| JP2002340771A (ja) * | 2001-05-21 | 2002-11-27 | Olympus Optical Co Ltd | 走査型近接場光学顕微鏡 |
| JP4540254B2 (ja) * | 2001-05-21 | 2010-09-08 | オリンパス株式会社 | 走査型近接場光学顕微鏡 |
| CN111595787A (zh) * | 2020-06-08 | 2020-08-28 | 河北大学 | 基于光声谐振探测的太赫兹气体检测系统及方法 |
| CN111595787B (zh) * | 2020-06-08 | 2023-01-06 | 河北大学 | 基于光声谐振探测的太赫兹气体检测系统及方法 |
| CN116930130A (zh) * | 2023-09-19 | 2023-10-24 | 清华大学 | 基于探针扫描的纳区光致发光探测系统及方法 |
| CN116930130B (zh) * | 2023-09-19 | 2024-01-09 | 清华大学 | 基于探针扫描的纳区光致发光探测系统及方法 |
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