JP2001324440A - 走査型近接場光学顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、比較的小さな開口数を持つ集光レン
ズを使用していても大きな角度で広がる散乱光を率よく
検出することができるようにした走査型近接場光学顕微
鏡を提供するを提供する。 【解決手段】本発明の一態様によると、試料に光を照射
する手段と、試料にプローブを近接させ走査する走査手
段と、照射により発生した散乱光を集光するもので、そ
れぞれ、異なる光軸を持った複数の集光光学系と、前記
複数の集光光学系にそれぞれ設けられた複数の散乱光検
出機構とを有することを特徴とする走査型近接場光学顕
微鏡が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は走査型近接場光学顕
微鏡に係り、特に、試料に近接したプローブを試料に対
して相対的に走査し、プローブ先端と近傍にある試料に
光を照射し、その散乱光を検出することによって試料の
光学的特性を測定する測定装置としての走査型近接場光
学顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】回折限界により分解能が制約される光学
顕微鏡に比べ、光の波長より小さい径の開口を先端部に
持つプローブ、もしくは光の波長より小さい曲率を持つ
先鋭化された無開口の先端部を持つプローブを試料近傍
にて試料と相対的に走査させて試料の微小領域の光学情
報を測定する走査型近接場光学顕微鏡（以降、ＳＮＯ
Ｍ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｎｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｏｐｔ
ｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅと表記）は、前述の開
口径もしくは先端部曲率半径（〜数１０ｎｍ）程度の分
解能まで得られるため、今後が期待されている。

【０００３】このようなＳＮＯＭは、プローブの種類に
よって分けることができるが、大きく分けると、上述し
たように開口を持つ開口型と、無開口の散乱型とに分け
られる。

【０００４】その違いは、開口型は開口を通して光を試
料に照射したり、試料からの光を開口を通して検出して
試料の光学情報を得るようになっているのに対し、散乱
型は外部からの入射光により試料表面に生ずる局所電場
を、先鋭化したプローブ先端にて散乱させ、その散乱光
を検出することによって試料の光学情報を得るようにな
っている点にある。

【０００５】これらのタイプの内、開口型の開口を通し
て試料からの光を検出するタイプ以外は、プローブ先端
を近接させた試料に、何らかの手段で光を照射したとき
に発生する散乱光をレンズ等を用いた通常の光学系で構
成された集光光学系にて集光するようになっている。

【０００６】この散乱光は、試料の材質や微細な表面形
状によってある種のパターンをとって広がって行くが、
一般にその広がり角は大きいので、通常、集光光学系に
は光学顕微鏡の対物レンズなどの、比較的に大きく広が
る光まで取り込めるものを集光レンズとして使用するこ
とが行われている。

【０００７】また、光学顕微鏡の対物レンズを集光レン
ズとして使用する利点は、光路を分岐させて撮像素子を
置くことにより、測定の他、試料位置調整や確認等のた
めの観察も行うことも比較的に容易にできるということ
にもある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような、通常の光学系を用いてプローブ近傍からの散乱
光を検出するＳＮＯＭには、以下のような問題がある。

【０００９】すなわち、集光レンズとして用いる対物レ
ンズは、プローブやプローブの制御装置の存在のため、
対物レンズと試料までの距離が比較的大きい、いわゆる
動作距離の長いものを使用しなくてはならなっている。

【００１０】開口数の大きな、大きな広がり角の散乱を
取り込む集光効率の高い対物レンズは、一般に、動作距
離が短いために使用するのが難しく、比較的に小さな開
口数をもつ対物レンズで検出することになってしまう。

【００１１】また、プローブやプローブの制御装置が改
善され、使用する対物レンズへの制約が無くなったとし
も、大気中に置いて観察する対物レンズは、散乱光の広
がり角は、せいぜい１２０〜１４０゜の頂角を持った円
錐の範囲程度をカバーするものであり、それ以上の角度
で広がる光を捉えることはできない。

【００１２】さらに、プローブ先端を近接させた試料へ
光を入射させるときの入射角は、いろいろな条件によっ
て変える場合があり、それに伴い散乱光の内、上述の対
物レンズで捉えることができる範囲を超えた部分に、そ
の光量の大部分が広がる可能性もある。

【００１３】また、「光学の原理」（Ｂｏｒｎ．Ｗｏｌ
ｆ：束海大学出版）などに解説されているように、試料
として単純な微小球物質を考えた場合でも、材質や大き
さをパラメータとして、散乱光強度が特定方向へ極大値
を持ったり、特定方向にて１方向の偏光成分しか持たな
かったりする。

【００１４】このことから判るように、試料近くに置い
たプローブ先端近傍からの散乱光はプローブ、試料の形
状や光学的特性によりその散乱光の強度や偏光成分が方
向によって異なっている。

【００１５】従って、複数の特定方向への散乱光を測定
することによって試料の特性の差異をみることができる
が、現状の技術では実現が難しい。

【００１６】本発明は、上記の欠点を改善することを課
題としているものである。

【００１７】すなわち、本発明は、上記の事情に鑑みて
なされたもので、前記の問題を解決するために、大きな
角度で広がる散乱光に対しても対応できるように、集光
光学系に十分な開口数を取るため、複数の集光光学系と
して複数の集光レンズを用いることによって合成開口的
に開口数を大きくする構成をとるとともに、複数の集光
レンズのそれぞれに複数の散乱光検出機構を接続し、こ
れらの検出機構からの出力を合成した出力をいることに
よって、比較的小さな開口数を持つ集光レンズを使用し
ていても大きな角度で広がる散乱光を率よく検出するこ
とができるようにした走査型近接場光学顕微鏡を提供す
ることを目的とする。

【００１８】また、複数の集光レンズによって得られた
信号を別個に出力させるようにしておき、集光レンズの
それぞれを特定方向に光軸を向けて設置することによっ
て、試料の差異による散乱光のピーク方向の変化を測定
することも可能となるようにした走査型近接場光学顕微
鏡を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明によると、上記課
題を解決するために、（１） 試料に光を照射する手段
と、試料にプローブを近接させ走査する走査手段と、照
射により発生した散乱光を集光するもので、それぞれ、
異なる光軸を持った複数の集光光学系と、前記複数の集
光光学系にそれぞれ設けられた複数の散乱光検出機構
と、を有することを特徴とする走査型近接場光学顕微鏡
が提供される。

【００２０】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（２） 前記複数の集光光学系はさらに観察
手段を有していることを特徴とする（１）に記載の走査
型近接場光学顕微鏡が提供される。

【００２１】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（３） 前記複数の散乱光検出機構と前記観
察手段を切り替える機構を設けたことを特徴とする
（２）に記載の走査型近接場光学顕微鏡が提供される。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明についての特色を説
明しながら、本発明の実施の形態を添付図面を参照して
説明するものとする。

【００２３】尚、各図面の説明において同一の符号で用
いられたものは同等の機能を持つ要素であることを表し
ている。

【００２４】以下、実施の形態を挙げながら説明する。

【００２５】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１実施の形態による走査型近接場光学顕微鏡についての
構成を示している。

【００２６】まず、この第１実施の形態による走査型近
接場光学顕微鏡の構成およびその動作を説明する。

【００２７】ここでは、散乱型のＳＮＯＭについて説明
するものとする。

【００２８】この第１実施の形態による走査型近接場光
学顕微鏡では、プローブ先端２の位置制御に、光てこの
原理を用いたプローブ位置検出器５を用いている。

【００２９】このプローブ位置検出器５によって、プロ
ーブ先端２の変位の検出を行い、その検出信号をもと
に、コントローラ７により、アクチュエータ４を試料３
の面に垂直な方向に動作させ、プローブ先端２と試料３
表面が十分に近い一定距離の間隔を保つように制御を行
っている。

【００３０】この場合、加振器６により、プローブを上
下に振動させておき、プローブ先端２の振幅が試料２の
表面との距離で変化すること使って間隔制御を行うこと
もできる。

【００３１】走査には、コントローラ７により、アクチ
ュエータ４を作動させて試料３の表面に略平行方向にラ
スタ走査を行う方式を用いている。

【００３２】アクチュエータ４は、例えば、ピエゾ素子
でできており、コントローラにより、入力電圧を変化さ
せることによって試料３をＸ−Ｙ−Ｚの各方向に動かせ
るようになっている。

【００３３】プローブ先端２への光の照射は、レーザー
光等の光源１０からの光を入射光学系９よつて照射させ
ることによって行う。

【００３４】この光の照射により起きるプローブ先端２
近傍からの散乱光を、集光レンズ１１１を用いて集光さ
せる。

【００３５】散乱光の集光位置にピンホール１３１を置
くことによって、プローブ先端２近傍以外からの光をカ
ットし、周囲からの光ノイズを減らしている。

【００３６】ピンホール１３１を通過した光は、光電変
換素子１４１によって電気信号に変換される。

【００３７】この電気信号は、増幅器１５１によって増
幅されるとともに、コンピュータ１６で処理されたの
ち、測定結果としてモニタ１７に表示される。

【００３８】試料３に材質の異なる物質が混ざっていた
りした場合には、散乱光量等に変動が生ずるので、プロ
ーブ先端２径のオーダーにて、その存在を表示すること
ができる。

【００３９】本実施の形態では、プローブ近傍２からの
散乱光を検出するのに、複数の集光レンズ１１１、１１
２を用い、それぞれ、光電変換素子１４１、１４２、増
幅器１５１、１５２によって電気信号となった出力をコ
ンピュータ１６にて処理した後、モニタ１７上に画像化
して表示する。

【００４０】各集光レンズ１１１、１１２による検出信
号は、別個に表示させることも、幾つかの出力を合わせ
て表示させることもできる。

【００４１】集光レンズ１１１単体では、開口数が小さ
く、集光効率を大きくする必要があれば２つの集光レズ
１１１、１１２のそれそれで検出された信号を合計して
出力するようにする。

【００４２】また、試料３の形状や材質の変化等によっ
て散乱光強度パターンが変化し、その極大値をと方向が
変わるような場合には、２つの集光レンズ１１１、１１
２の検出信号を別々に表示、あるいは、その信号の差や
比を表示させることによって、検出ができるようにな
る。

【００４３】尚、集光レズ１１１、１１２を位置合わせ
などの試料観察にも利用し、ハーフミラー１９１、１９
２により光路を分岐させて撮像素子８１、８２を置くこ
とによって観察用モニタ１８で観察することができるよ
うになっている。

【００４４】この場合、ハーフミラー１９１、１９２の
代わりに可動式のミラーを置き、その切換えによって光
電変換素子と撮像素子とを排他的に利用させるようにも
することができる。

【００４５】そして、ハーミラー１９１、１９２による
同時利用では、試料の観察を行いながら測定が可能とな
る。

【００４６】また、光電変換素子と撮像素子との排他利
用では、試料の観察と測定とを同時には行うことができ
ないが、ハーフミラー等で光量を２分しないため、測定
光量のロスが少なく、散乱光量が小さいときなどに有効
である。

【００４７】（第２の実施の形態）図２は、本発明の第
２実施の形態による走査型近接場光学顕微鏡についての
構成を示している。

【００４８】次に、この第２実施の形態による走査型近
接場光学顕微鏡の構成およびその動作を説明する。

【００４９】ここでは、散乱型のＳＮＯＭについて説明
するものとする。

【００５０】この第２実施の形態による走査型近接場光
学顕微鏡は、集光光学系の光軸の傾きを可変にしたもの
である。

【００５１】集光レンズ１１２は、プローブ先端２位置
を中心に回転できるようになっており、試料や測定目的
などによって、その傾きを変えるようになっている。

【００５２】本実施の形態では、集光レンズ１１１、１
１２で集光された光は、光ファイバ２０１、２０２を使
って離れた場所に設置してある光電変換素子１４１、１
４２に入射するようになっている。

【００５３】この際、光ファイバ２０１、２０２のコア
径の大きさが、ピンホール１３１、１３２の役目をたし
ている。

【００５４】光電変換素子１４１、１４２を集光レンズ
１１１、１１２から離して置いたことにより、一体化し
た場合にくらべ、傾きを変えるための回転機構の構造や
占有スペースの点で有利にすることできる。

【００５５】集光レンズ１１１、１１２から光ファイバ
２０１、２０２で光電変換素子１４１、１４２を離した
ことによって、光ファイバ２０１、２０２と光電変換素
子１４１、１４２の間に分光器などの寸法、重量共に大
きい装置を置くことも可能となる。

【００５６】集光光学系１１１、１１２の傾きが変えら
れるため、測定前のプローブ１のセッティングのときな
どに傾きを変えて使用することもできる。

【００５７】ＳＮＯＭにおいては、プローブ先端２での
光散乱の状態は、測定のＳ／Ｎや分解能に関係する重要
なポイントであるので、１方向からの観察では良く判ら
ないことが多い。

【００５８】本実施の形態のように、１つの集光レンズ
１１１の光軸が垂直だったときに、もう１つの集光レン
ズ１１２の光軸の傾きを水平に近い角度にし、プローブ
先端２近傍を２方向から観察することによって、プロー
ブ先端２近傍での散乱具合を水平方向と垂直方向から確
かめられ、この結果からプローブ１の良否を判断するこ
とが容易となる。

【００５９】もちろん、プローブ先端２の観察用を目的
として、観察機構のみを接続して集光レンズを置くとい
うこともできる。

【００６０】プローブ先端２を観察するには、その寸法
からいって、集光レンズ１１１、１１２の光学的分解能
が１μｍ以下でないとはっきりとはわかりにくい。

【００６１】観察に使用する波長は０．５μｍ程度と考
えると、レイリーの分解能の式から、集光レンズ１１
１、１１２の開口数は０．３以上でないと、この目的に
は適さないことが判る。

【００６２】（第３の実施の形態）図３は、本発明の第
３実施の形態による走査型近接場光学顕微鏡についての
構成を示している。

【００６３】つぎに、この第３実施の形態による走査型
近接場光学顕微鏡の構成およびその動作を説明する。

【００６４】ここでは、散乱型のＳＮＯＭについて説明
するものとする。

【００６５】この第３実施の形態による走査型近接場光
学顕微鏡は、複数の波長成分を持つ光源１０からの光を
試料３へ照射し、プローブ先端２近傍からの散乱光を検
出するものである。

【００６６】これは、例えば、試料３の特性をみるた
め、可視光と赤外光とを同時に使って測定する際などに
使用する。

【００６７】複数の光を使用する際、光の波長が大きく
異なると、散乱光の散乱パターンの変化も大きく、散乱
方向による光強度のピークもずれる。

【００６８】そこで、各波長毎に集光効率の最も効率の
高い方向に、それぞれの集光レンズ１１１、１１２の光
軸をあわせることによって効率の良い測定を行うことが
できる。

【００６９】集光レンズ１１１、１１２によって集光さ
れた光は、波長フィルタ２１１、２１２を通して測光す
る波長が選択される。

【００７０】もちろん、一つの波長に対して複数の集光
レンズを用いて実質的な集光光学系の開口数を大きくす
ることもできる。

【００７１】また、波長フィルタ２１１、２１２に代え
て、偏光板を入れることによって、散乱光の内、特定方
向の光成分を測定することもできる。

【００７２】以上、この発明について説明した第１乃至
第３の実施の形態の各構成は、各種の変形、変更が可能
である。

【００７３】例えば、集光レンズの本数は２本に限定さ
れるものではなく、利用目的によって増やすことができ
る。

【００７４】また、各実施の形態では、散乱型のプロー
ブを使用し、光てこ方式によるプローブ位置制御の例で
説明したが、プローブの位置制御に光干渉などの他のセ
ンサを使用することでも、プローブを開口型のものにし
ても、本質的に変わらず同じ効果が得られる。

【００７５】そして、上述したような実施の形態で示し
た本明細書には、特許請求の範囲に示した請求項１乃至
３以外にも、以下に付記１乃至付記７として示すような
発明が含まれている。

【００７６】（付記１） 少なくとも１つの集光光学系
の光軸の傾きが可変であることを特徴とする請求項１乃
至ら３に記載の走査型近接場光学顕微鏡。

【００７７】（付記２） 複数の波長を持つ光を試料に
照射すること特徴とする請求項１乃至３、および付記１
に記載の走査型近接場光学顕微鏡。

【００７８】（付記３） 少なくとも、１つの集光光学
系の開口数が０．３以上であることを特徴とした請求項
１ないし３、および付記１と付記２に記載の走査型近接
場光学顕微鏡。

【００７９】（付記４） プローブと、前記プローブの
先端を試料に近接して配置する機構と、前記試料の表面
と略平行方向に前記試料を走査させる機構と、前記試料
と前記プローブの先端の距離を制御する機構と、光源
と、前記光源からの光を前記プローブの先端を近接させ
た前記試料の一部分に照射する照射機構と、前記照射機
構からの照射により生じた散乱光を集光する集光光学系
と、前記プローブの先端近傍からの光のみを検出するよ
うにした検出機構と、前記検出機構により検出した信号
を画像化する機構と、前記試料を観察する観察機構とを
持つ、いわゆる走査型近接場光学顕微鏡であって、前記
集光光学系は、互いに、相異なる光軸を持った複数の集
光光学系を持ち、それぞれの集光光学系は、前記検出機
構もしくは前記観察機構の少なくとも一方に接続されて
いることを特徴とした走査型近接場光学顕微鏡。

【００８０】（付記５） 少なくとも１つの集光光学系
の光軸の傾きは可変であることを特徴とした付記４に記
載の走査型近接場光学顕微鏡。

【００８１】（付記６） 前記試料へ照射する光の波長
を複数使用可能としたことを特徴とした付記４またはに
記載の走査型近接場光学顕微鏡。

【００８２】（付記７） 少なくとも１つの集光光学系
の開口数は０．３以上であることを特徴とした付記４乃
至６に記載の走査型近接場光学顕微鏡。

【００８３】

【発明の効果】従って、以上説明したように、本発明に
よれば、大きな角度で広がる散乱光に対しても対応でき
るように、集光光学系に十分な開口数を取るため、複数
の集光光学系として複数の集光レンズを用いることによ
って合成開口的に開口数を大きくする構成をとるととも
に、複数の集光レンズのそれぞれに複数の散乱光検出機
構を接続し、これらの検出機構からの出力を合成した出
力をいることによって、比較的小さな開口数を持つ集光
レンズを使用していても大きな角度で広がる散乱光を率
よく検出することができるようにした走査型近接場光学
顕微鏡を提供することができる。

【００８４】また、本発明によれば、複数の集光レンズ
によって得られた信号を別個に出力させるようにしてお
き、集光レンズのそれぞれを特定方向に光軸を向けて設
置することによって、試料の差異による散乱光のピーク
方向の変化を測定することも可能となるようにした走査
型近接場光学顕微鏡を提供することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１実施の形態による走査型
近接場光学顕微鏡についての構成を示す図である。

【図２】図２は、本発明の第２実施の形態による走査型
近接場光学顕微鏡についての構成を示す図である。

【図３】図３は、本発明の第３実施の形態による走査型
近接場光学顕微鏡についての構成を示す図である。

【符号の説明】

１…プローブ、 ２…プローブ先端、 ３…試料、 ４…アクチュエータ、 ５…プローブ位置検出器、 ６…加振器、 ７…コントローラ、 ９…入射光学系、 １０…光源、 １１１，１１２…集光レンズ、 １３１…ピンホール、 １４１，１４２…光電変換素子、 １５１，１５２…増幅器、 １６…コンピュータ、 １７…モニタ、 １８…観察用モニタ、 １９１，１９２…ハーフミラー、 ８１，８２…撮像素子、 ２０１，２０２…光ファイバ、 ２１２，２１２…波長フィルタ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料に光を照射する手段と、 試料にプローブを近接させ走査する走査手段と、 照射により発生した散乱光を集光するもので、それぞ
   れ、異なる光軸を持った複数の集光光学系と、 前記複数の集光光学系にそれぞれ設けられた複数の散乱
   光検出機構と、 を有することを特徴とする走査型近接場光学顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記複数の集光光学系はさらに観察手段
   を有していることを特徴とする請求項１に記載の走査型
   近接場光学顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記複数の散乱光検出機構と前記観察手
   段を切り替える機構を設けたことを特徴とする請求項２
   に記載の走査型近接場光学顕微鏡。