JP2006029831A - 光ファイバプローブ、光検出装置、及び光検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光プローブを試料面に対し常に近接させる必要をなくして、光プローブと試料との接触の危険性をなくすることにより、測定時の走査速度を上げることができるようにして、測定範囲の拡大と測定時間の短縮をすること。
【解決手段】光源から射出された光を伝搬させるコアを有する光ファイバにおいて、該コア先端から光を射出する光プローブが形成されて成る光ファイバプローブであって、
上記光ファイバを伝搬する伝搬光の光軸に対する、上記光プローブの表面の一部又は全面における法線の傾斜角が、上記伝搬光の全反射角未満で、かつ０度より大きいことである。
【選択図】図１−１

Description

この発明は、ナノオーダの計測・加工を目的とした走査型プローブ顕微鏡に適用される光ファイバプローブ、光検出装置、及び光検出方法に関し、例えば半導体やバイオテクノロジー等の様々な分野において測定・評価装置として利用されるものである。

近年、ＳＴＭ(走査型トンネル顕微鏡)、ＡＦＭ(走査型原子間力顕微鏡)を始めとするＳＰＭ(走査型プローブ顕微鏡)技術により、ナノオーダの計測・加工が行われている。このＳＰＭの中にあって、回折限界以下の微小領域での光学的特性を検出することが可能な近接場光学顕微鏡は、バイオテクノロジーなど様々な分野での測定・評価装置として用いられている。また、上記の近接場光学顕微鏡の技術を応用した光記録装置や微細加工装置の研究開発も進められている。
この近接場光学顕微鏡では、回折限界以下の寸法の微細構造体をプローブとして用いて該プローブ先端部を照明することにより、その近傍に近接場光を発生させる。この状態でプローブを試料面上で走査させることにより、プローブ近傍に局在している近接場光と試料面との電磁気的な相互作用により散乱、あるいは試料面を透過した近接場光を検出することにより、試料面の光学的情報（光強度、スペクトル、偏光等）を得ることができる。

近接場光学顕微鏡では、一般に、コア周囲にクラッドが設けられた光ファイバの一端に先鋭化した上記コアを突出させた突出部を有し、当該突出部を例えばＡｕやＡｇ等の金属により被覆した光プローブを備え、光の波長を越えた分解能を有する光学像を得ることができる。
また、上記近接場光学顕微鏡によって試料の微小領域における物性を測定する場合には、試料表面の光の波長より小さい領域に局在するエバネッセント光を検出して、試料の形状を測定する。そして、全反射条件下で試料に光が照射されることにより生じたエバネッセント光を、上述した光プローブにより散乱させ散乱光に変換する。この散乱光は、光プローブが形成されている突出部を通じ光ファイバのコアに導かれ、光ファイバのもう一方の射出端に接続された検出器により検出される。即ち、この近接場光学顕微鏡は、光プローブにより散乱と検出の双方を行うことができる。
このような近接場光学顕微鏡用プローブについては、特許第３２３１６７５号公報、又は特開平１１−２７１３３９号公報等に記載されている。

従来の近接場光学顕微鏡においては、高分解能で測定することができるが、しかし、測定範囲が数１０μｍ程度と非常に狭いというデメリットがある。
近接場光学顕微鏡の分解能は、使用する光プローブの開口径により支配されるため、分解能を変えて物性測定を行う場合には、開口径の異なる低分解能用の光プローブを近接場光学顕微鏡へ別途配設する必要がある。低分解能用の光プローブ(開口径の大きいもの)を使用することで、測定範囲を広げることが可能であるが、光プローブから射出されるビームは大きい広がりを持つ光であるため、光プローブから射出した光を効率的に検出するためには光プローブを試料面に対し常に近接させていなければならず、光プローブと試料との接触の危険性があり、測定時の走査速度を上げることができない。そのため、測定範囲を拡大することは事実上難しい。

近年、シリコンウエハ欠陥検査等の用途において、先に示した低分解能での測定の後、近接場光を利用した高分解能での測定へ切り替えて、同じ試料の測定・検査を継続して行い得るようにすることが求められており、このような要求に対して、対物レンズによる観察系を含む通常の光学顕微鏡装置において、近接場光検出用光プローブを組み込んだ構成の検査装置（例えば、特開２０００−５５８１８号公報参照）が提案されている。
この公報に記載された検査装置は、対物レンズによる広範囲測定に基づいて物性測定を必要とする微小領域を特定して、この微小領域に対して近接場光検出用の光プローブを位置合わせした上で、近接場光測定を実施するものである。しかし、この検査装置においては、上述の特定微小領域への位置合わせは非常に困難であり、測定や検査に長時間を要することになる。

特許第３２３１６７５号公報 特開平１１−２７１３３９号公報 特開２０００−５５８１８号公報

本発明の課題は、光プローブを試料面に対し常に近接させる必要をなくして、光プローブと試料との接触の危険性をなくすることにより、測定時の走査速度を上げることができるようにして、測定範囲の拡大と測定時間の短縮を図ることである。（課題１）
また、通常の伝搬光を利用した広範囲測定と、近接場光を利用した高分解能測定の双方を同じ光プローブで実施し得るようにすることにより、困難な光プローブの位置合わせを簡単に行い得るようにすることである。（課題２）

上記課題に対する解決手段は、光ファイバから光プローブに伝搬させる光を、該光プローブの端面に対して全反射角未満で、かつ０度より大きい入射角度で入射させる構成とすることにより、該光プローブから射出させる光量を増大させ、該光プローブ先端から離れた位置に集光スポットを形成することが基本となるものである。

〔解決手段１〕（請求項１に対応）
上記課題１を解決するために講じた解決手段１は、光源から射出された光を伝搬させるコアを有する光ファイバにおいて、該コア先端から光を射出する光プローブが形成されて成る光ファイバプローブであって、
上記光ファイバを伝搬する伝搬光の光軸に対する、上記光プローブの表面の一部又は全面における法線の傾斜角が、上記伝搬光の全反射角未満で、かつ０度より大きいことである。
〔作 用〕
光ファイバから光プローブに伝搬した光を、光プローブの表面（端面）に対して、全反射角未満であって、かつ０度より大きい入射角度で入射させる構造とすることにより、光プローブから射出される光量を増大させ、光プローブの先端から離れた位置に高い光強度の集光スポットを形成することができる。

〔解決手段２〕（請求項２に対応）
上記課題２を解決するために講じた解決手段２は、光源から射出された光を伝搬させるコアを有する光ファイバにおいて、該コア先端から光を射出する光プローブが形成され、かつ該光プローブの表面が遮光性被覆層で被覆されて成る光ファイバプローブであって、
上記光ファイバを伝搬する伝搬光の光軸に対する、上記光プローブの表面の一部又は全面における法線の傾斜角が、上記伝搬光の全反射角未満で、かつ０度より大きいことである。
〔作 用〕
光ファイバから光プローブに伝搬した光を、光プローブの表面（端面）に対して、全反射角未満であって、かつ０度より大きい入射角度で入射させる構造とすると共に、該光プローブの表面（端面）を遮光性被覆膜で被覆した構造とすることによって、該光プローブから射出される光量を増大させ、その先端から離れた位置に光強度の高い集光スポットを形成し、かつ、該光プローブの先端近傍に近接場光を発生させることができる。

〔解決手段３〕（請求項３に対応）
上記課題１を解決するために講じた解決手段３は、光を射出する光源と、
該光源から射出された光を伝搬させるコアを有する光ファイバにおいて、該コア先端から光を射出する光プローブが形成されて成る光ファイバプローブと、
上記コアを伝搬する伝搬光による光スポットが試料の被測定面に形成されるように、上記光ファイバプローブと上記試料のいずれか一方を他方に対して近接離間する方向へ移動させる移動制御手段と、
上記被測定面からの戻り光を検出する検出手段とを備える光検出装置において、
上記光ファイバを伝搬する伝搬光の光軸に対する、上記光プローブの表面の一部又は全面における法線の傾斜角が、上記伝搬光の全反射角未満で、かつ０度より大きいことである。
〔作 用〕
光プローブの先端から離れた位置に集光スポットを形成することができる光ファイバプローブを適用することによって、試料からの戻り光を効率的に取得することができる。また、光プローブを試料の被測定面に対し常に近接させる必要がないので、該光プローブと試料との接触の危険性がなく、測定時の走査速度を上げることができ、測定範囲を拡大することができる。

〔実施態様１〕（請求項４に対応）
実施態様１は、上記解決手段３の光検出装置において、光スポットの形状が所望の形状になるように、光源から射出される光の波長を制御する波長制御手段を備えることである。
〔作 用〕
光プローブに入射する光の波長を制御する波長制御手段を備えることにより、所望する光スポット径や集光位置を得ることができる。

〔実施態様２〕（請求項５に対応）
実施態様２は、上記解決手段３又は実施態様１の光検出装置において、光スポットの形状が所望の形状になるように、傾斜角が所定の値に設定されている光ファイバプローブを備えていることである。
〔作用〕
光プローブの端面の傾斜角が所定の値に設定されている光ファイバプローブを備えることにより、所望する光スポット径や集光位置を得ることができる。

〔実施態様３〕（請求項６に対応）
実施態様３は、上記解決手段３、実施態様１、又は実施態様２の光検出装置において、光スポットの形状が所望の形状になるように、光プローブのコア突出部の根元の径が所定の値に設定されている光ファイバプローブを備えていることである。
〔作 用〕
光プローブのコア突出部の根元の径が所定の値に設定されている光ファイバプローブを備えることにより、所望する光スポット径や集光位置を得ることができる。

〔解決手段４〕（請求項７に対応）
上記課題１を解決するために講じた解決手段４は、光源から光を射出し、
光ファイバを伝搬する伝搬光の光軸に対する、光プローブの表面の一部又は全面における法線の傾斜角が、上記伝搬光の全反射角未満で、かつ０度より大きく形成されて成る光ファイバプローブのコアに、上記光源から射出された光を伝搬させ、
上記コアを伝搬する伝搬光による光スポットが試料の被測定面に形成されるように、上記光ファイバプローブと上記試料のいずれか一方を他方に対して近接離間する方向へ移動させ、
上記被測定面からの戻り光を検出する光検出方法である。
〔作 用〕
光プローブの先端から離れた位置に集光スポットを形成することによって、試料からの戻り光を効率的に取得することができる。また、光プローブを試料の被測定面に対し常に近接させる必要がないので、該光プローブと試料との接触の危険性がなく、測定時の走査速度を上げることができ、測定範囲を拡大することができる。

〔実施態様４〕（請求項８に対応）
実施態様４は、上記解決手段４の光検出方法において、光スポットの形状が所望の形状になるように、光源から射出される光の波長を制御することである。
〔作 用〕
光プローブに入射する光の波長を制御することにより、所望する光スポット径や集光位置を得ることができる。

〔解決手段５〕（請求項９に対応）
上記課題２を解決するために講じた解決手段５は、光を射出する光源と、
上記光源から射出された光を伝搬させるコアを有する光ファイバにおいて、該コア先端から光を射出する光プローブが形成され、かつ該光プローブの表面が遮光性被覆層で被覆されて成る光ファイバプローブと、
上記コアを伝搬する伝搬光、又は上記コア先端から滲出する近接場光のいずれかによる光スポットが、試料の被測定面に形成されるように、上記光ファイバプローブと上記試料のいずれか一方を他方に対して近接離間する方向へ移動させる移動制御手段と、
上記被測定面からの戻り光を検出する検出手段とを備える光検出装置において、
上記光ファイバを伝搬する伝搬光の光軸に対する、上記光プローブの表面の一部又は全面における法線の傾斜角が、上記伝搬光の全反射角未満で、かつ０度より大きいことである。
〔作 用〕
上記光ファイバプローブを適用することによって、光プローブの先端から離れた位置にコアを伝搬する伝搬光による光スポットを形成することができると共に、該光プローブの先端近傍に近接場光による光スポットを形成することができる。また、移動制御手段により上記光ファイバプローブと試料を相対的に近接離間させて、伝搬光による光スポットと近接場光による光スポットを、試料の被測定面に形成させることができるので、伝搬光を利用する伝搬光測定(低分解能・広範囲測定)と近接場光を利用する近接場光測定(高分解能測定)の双方を一本のプローブにより行うことができる。

〔実施態様５〕（請求項１０に対応）
実施態様５は、上記解決手段５の光検出装置において、光源から射出される光の波長を、少なくとも遮光性被覆層又は傾斜角に応じて設定すべき値に制御する波長制御手段を備えることである。
〔作 用〕
光プローブに入射される光の波長が、遮光性被覆層又は傾斜角に応じて上記波長制御手段により制御されるので、伝搬光測定時において、所望の光スポット径、光強度、及び集光位置を得ることができる。また、近接場光測定時においては、高い近接場光強度を得ることができる。

〔実施態様６〕（請求項１１に対応）
実施態様６は、上記実施態様５の光検出装置において、波長制御手段により制御された光の波長が、遮光性被覆層の光透過率を最大値又はその近傍の値とする波長であることである。
〔作 用〕
上記実施態様５の作用と同じである。

〔実施態様７〕（請求項１２に対応）
実施態様７は、上記解決手段５、実施態様５、又は実施態様６の光検出装置において、光スポットの形状が所望の形状になるように、傾斜角が所定の値に設定されている光ファイバプローブを備えていることである。
〔作 用〕
光プローブの端面の傾斜角を所定の値に設定することにより、所望する光スポット径や集光位置を得ることができる。

〔実施態様８〕（請求項１３に対応）
実施態様８は、上記解決手段５、又は実施態様５〜実施態様７のいずれかの光検出装置において、光スポットの形状が所望の形状になるように、光プローブのコア突出部の根元の径が所定の値に設定されている光ファイバプローブを備えていることである。
〔作 用〕
光プローブのコア突出部の根元の径を所定の値に設定することにより、所望する光スポット径や集光位置を得ることができる。

〔解決手段６〕（請求項１４に対応）
上記課題２を解決するために講じた解決手段６は、光源から光を射出し、
光ファイバを伝搬する伝搬光の光軸に対する、光プローブの表面の一部又は全面における法線の傾斜角が、上記伝搬光の全反射角未満で、かつ０度より大きく形成され、さらに光プローブの表面が遮光性被覆層で被覆されて成る光ファイバプローブのコアに、上記光源から射出された光を伝搬させ、
上記コアを伝搬する伝搬光、又は上記コア表面から滲出する近接場光のいずれかによる光スポットが、試料の被測定面に形成されるように、上記光ファイバプローブと上記試料のいずれか一方を他方に対して近接離間する方向へ移動させ、
上記被測定面からの戻り光を検出する光検出方法である。
〔作 用〕
光源から射出された光を光ファイバプローブのコアに伝搬させて、光プローブの先端から離れた位置にコアを伝搬する伝搬光による光スポットを形成することができると共に、該光プローブの先端近傍に近接場光による光スポットを形成することができる。また、上記光ファイバプローブと試料を相対的に近接離間させて、伝搬光による光スポットと近接場光による光スポットを、上記試料の被測定面に形成されることができるので、伝搬光を利用する伝搬光測定(低分解能・広範囲測定)と近接場光を利用する近接場光測定(高分解能測定)を一本のプローブにより行うことができる。

〔実施態様９〕（請求項１５に対応）
実施態様９は、上記解決手段６の光検出方法において、光源から射出される光の波長を、少なくとも遮光性被覆層又は傾斜角に応じて設定すべき値に制御することである。
〔作 用〕
光プローブに入射する光の波長を遮光性被覆層又は傾斜角に応じて設定すべき値に制御するので、伝搬光測定時において、所望する光スポット径、光強度、及び集光位置を得ることができ、また近接場光測定時において高い近接場光強度を得ることができる。

〔実施態様１０〕（請求項１６に対応）
実施態様１０は、上記解決手段６又は実施態様９の光検出方法において、光源から射出される光の波長を、遮光性被覆層の光透過率を最大値又はその近傍の値とする波長に制御することである。
〔作 用〕
上記実施態様９の作用と同じである。

本発明の効果を主な請求項毎に整理すると、次ぎのとおりである。
(１) 請求項１に係る発明
光ファイバから光プローブに伝搬した光の該光プローブ表面（端面）に対する入射角度を限定することにより、該光プローブから射出された光はその先端から離れた位置において、高い光強度の集光スポットを形成することができる。
(２) 請求項２に係る発明
光ファイバから光プローブに伝搬した光の該光プローブ表面（端面）に対する入射角度を限定すると共に、該光プローブの表面（端面）を遮光性被覆膜で被覆したことによって、該光プローブから射出された光はその先端から離れた位置において高い光強度の集光スポットを形成し、かつ、該光プローブ先端近傍において近接場光を発生させることができる。

(３) 請求項３に係る発明
光プローブの先端から離れた位置に集光スポットを形成できる光ファイバプローブの適用により、試料からの戻り光を効率的に取得することができる。また、光プローブを試料の被測定面に対し常に近接させる必要がなく、該光プローブと試料との接触の危険性がないので、測定時の走査速度を上げることができ、測定範囲の拡大や測定時間の短縮が可能になる。
(４) 請求項４に係る発明
光プローブに入射する光の波長を制御することにより、所望する光スポット径や集光位置を得ることができるので、適切な測定分解能を選択することが可能である。

(５) 請求項５に係る発明
光プローブの端面の傾斜角が所定の値に設定されることにより、所望する光スポット径や集光位置を得ることができるので、適切な測定分解能を選択することが可能である。
(６) 請求項６に係る発明
光プローブのコア突出部の根元の径が所定の値に設定されることにより、所望する光スポット径や集光位置を得ることができるので、適切な測定分解能を選択することが可能である。

(７) 請求項７に係る発明
光プローブ先端から離れた位置に集光スポットを形成できるので、試料からの戻り光を効率的に取得することができる。また、光プローブを試料の被測定面に対し常に近接させる必要がなく、該光プローブと試料との接触の危険性がないので、測定時の走査速度を上げることができ、測定範囲の拡大や測定時間の短縮が可能になる。
(８) 請求項８に係る発明
光プローブに入射する光の波長を制御することにより、所望する光スポット径や集光位置を得ることができるので、適切な測定分解能を選択することが可能である。

(９) 請求項９に係る発明
光プローブの先端から離れた位置に伝搬光による光スポットを形成し、該光プローブの先端近傍に近接場光による光スポットを形成すると共に、光ファイバプローブと試料を相対的に近接離間させて、伝搬光による光スポットと近接場光による光スポットを、該試料の被測定面に形成させることができるので、伝搬光を利用する伝搬光測定と近接場光を利用する近接場光測定の双方を一本の光プローブで切り替えて行うことができるので、切り換えに時における光プローブの困難な位置合わせが不要であり、測定・検査の高速化を実現することが可能である。
上記伝搬光測定においては、試料からの戻り光を効率的に取得することができると共に、測定時の走査速度を上げることができるので、測定範囲の拡大や測定時間の短縮が可能になる。また、近接場光測定においては、高分解能の測定を行うことができる。

(１０) 請求項１０及び請求項１１に係る発明
光プローブに入射する光の波長が、遮光性被覆層又は傾斜角に応じて制御されることにより、伝搬光測定時において、所望の光スポット径、光強度、及び集光位置を得ることができ、また、近接場光測定時においては、高い近接場光強度を得ることができる。これにより、伝搬光測定時に適切な測定分解能を選択することができ、また、近接場光測定時にＳ／Ｎの高い検出信号を得ることができる。
(１１) 請求項１２に係る発明
光プローブの端面の傾斜角を所定の値に設定することにより、所望する光スポット径や集光位置を得ることができるので、適切な測定分解能を選択することが可能である。
(１２) 請求項１３に係る発明
光プローブのコア突出部の根元の径を所定の値に設定することにより、所望する光スポット径や集光位置を得ることができるので、適切な測定分解能を選択することが可能である。

(１３) 請求項１４に係る発明
光源から射出された光を光ファイバプローブのコアに伝搬させて、光プローブの先端から離れた位置に伝搬光による光スポットを形成することができると共に、該光プローブの先端近傍に近接場光による光スポットを形成することができる。また、上記光ファイバプローブと試料を相対的に近接離間させて、伝搬光による光スポットと近接場光による光スポットを、上記試料の被測定面に形成させることができるので、伝搬光を利用する伝搬光測定(低分解能・広範囲測定)と近接場光を利用する近接場光測定(高分解能測定)の双方を一本のプローブにより行うことができる。これにより、伝搬光測定から近接場光測定へ切り換える時、光プローブの困難な位置合わせが不要であり、測定・検査の高速化を実現することが可能である。
上記伝搬光測定においては、試料からの戻り光を効率的に取得することができると共に、測定時の走査速度を上げることができるので、測定範囲の拡大や測定時間の短縮が可能になる。また、近接場光測定においては、高分解能の測定を行うことができる。

(１４) 請求項１５及び請求項１６に係る発明
光プローブに入射する光の波長を遮光性被覆層又は傾斜角に応じて設定すべき値に制御することにより、伝搬光測定時において、所望する光スポット径、光強度、及び集光位置を得ることができるので、適切な測定分解能を選択することができる。また、近接場光測定時において、高い近接場光強度を得ることができるので、Ｓ／Ｎの高い検出信号を得ることが可能である。

光プローブと試料との接触の危険性をなくして、測定時の走査速度を上げることにより、測定範囲の拡大と測定時間の短縮を図るという目的を、光ファイバを伝搬する伝搬光に対する光プローブの表面（端面）の傾きを特定することにより実現した。

本発明の実施例１（請求項１、請求項３〜８に対応）に関する光検出装置の概要及び測定過程について、図１−１〜図３を参照しながら説明する。
図１−１は光ファイバプローブを用いた光検出装置の模式図であり、図１−２は光ファイバプローブの拡大断面図である。また、図２及び図３は光ファイバプローブの特性を示すグラフである。
図１−１に示されている光検出装置１は、例えば試料の微小領域における光学物性を測定する近接場光学顕微鏡等に適用され、光を射出する光源１１と、該光源１１から射出された光の光路中に配置された偏光ビームスプリッタ１２と、該偏光ビームスプリッタ１２を透過した光の光路中に配置された１／４波長板１８と、該１／４波長板１８を通過した光を集光して試料２の被測定面２aに照射する光ファイバプローブ１３と、該被測定面２aからの戻り光を検出する光検出器１４とを備えている。

上記光源１１は、電源装置（図示せず）を介して受給した駆動電源により光を発振する。また、光波長変換部１７では、光源１１から射出される光の波長を切り替えることが可能であり、後に述べるように、該光波長変換部１７は波長を変更することによって光スポット径を制御する際に使用することができる。
上記偏光ビームスプリッタ１２は、光源１１から射出された光を透過させて、１／４波長板１８を経て試料２の被測定面２aへ導くと共に、該被測定面２aからの戻り光を反射させて光検出器１４へ導くものである。
上記光源１１から射出された直線偏光の光は、１／４波長板１８を通過して円偏光となり、光プローブのコア３１へ入射される。また、被測定面２aから反射して戻ってくる円偏光の光は、再び１／４波長板１８を通過した場合に、光源から射出された光の偏光方向と異なる直線偏光となるため、上述したように偏光ビームスプリッタ１２で反射されることになる。因みに、この偏光ビームスプリッタ１２の代替として、通常のビームスプリッタを用いても良い。

光ファイバプローブ１３は、光導波部２１と突出部２２を備えている。該光導波部２１は、コア３１の周囲にクラッド３２が設けられた光ファイバにて構成されている。該コア３１とクラッド３２は、それぞれ二酸化シリコン系ガラスから成り、ゲルマニウムやリン等を添加することによって、コア３１よりもクラッド３２の屈折率が低くなるように組織制御されている。
上記突出部２２は光導波部２１の一端においてクラッド３２から突出させたコア２０aにて構成されている。この突出させたコア２０aは、図１−１に示すように先端に至るまで徐々に先細りになるような勾配が設けられている円錐形状となっている。

図１−１に示された光検出装置における光プローブ１３の拡大図を図１−２(ａ)に示している。この図に基づいて、光プローブ１３の突出部２２の形状について説明する。
コア３１内を伝搬する光４１(以下、伝搬光という)は、光プローブ１３に達した後、突出部２２を介して光プローブ外に射出される。ここで、光プローブ１３の表面２２aは、円錐テーパ形状であり、表面２２aの法線４３と伝搬光の光軸４２との成す角θ（以下、傾斜角θという）が、伝搬光における全反射角未満であり、かつ０度より大きい形状に形成されている。このことにより、光プローブ１３に入射した伝搬光４１の大部分が屈折光として光プローブ１３の外部に射出され、射出された光は光プローブ１３の先端から数１００ｎｍ〜数μｍ程度離れた位置において集光し、高い光強度を有する光スポットを形成する。
また、図１−２(ａ)に示されている円錐テーパ形状を成す光プローブの代替として、図１−２(ｂ)に示すように、光プローブ１３の表面２２aが、その表面２２aの法線４３と伝搬光４１の光軸４２との成す角θ（以下、傾斜角θという）が、伝搬光における全反射角未満であり、かつ０度より大きい曲面形状を成す光プローブとしてもよい。

光プローブ１３において、その先端から離れた位置において集光し、高い光強度を有する光スポットを形成する現象は、傾斜角θが伝搬光における全反射角未満であるときの固有の現象である。従来の傾斜角θが全反射角以上に形成されてなる光プローブにおいては、光強度は光プローブ先端部近傍で最も高くなるが、光プローブ先端から離れるにつれ急速に低下し、光強度の低い光スポットしか形成し得ない。
図２において、光プローブ１３の各傾斜角に対応する、光プローブ先端と集光スポットとの距離の推移についてその一例を示す。この図に示されている特性は、コア２０aの根元の径Ｄが２μｍ、屈折率が１.５３で射出媒質が空気であり、全反射角４０°を境にそれを下回る入射角度（傾斜角）においては、光プローブ１３の先端から数１００ｎｍ〜数μｍ程度離れた位置において集光することを表している。

上記光スポット径は、クラッドから突出させたコア２０aの根元の径Ｄ、傾斜角θ、及び伝搬光４１の波長によって制御することができる。このことを利用して、必要な測定分解能と同程度の光スポット径となるように該コア２０aの根元の径Ｄ、傾斜角θ、及び伝搬光４１の波長を決定する。
光スポット径を小さくする場合は、上記コア２０aの根元の径Ｄを小さくし、傾斜角θを大きくすると共に、伝搬光に波長の短い光を用いることにより実現することができる。逆に、光スポット径を大きくする場合には、コア２０aの根元の径Ｄを大きく、傾斜角θを小さくして、伝搬光に波長の長い光を用いればよい。

図３において、光プローブ１３の傾斜角が１０°であり、コア２０aの根元の径Ｄが２μｍ、屈折率が１.５３で射出媒質が空気である場合であって、伝搬光の波長を変化させたときの光スポット径の推移についての一例を示している。
任意のスポット径を形成する一例として数値の具体例を示すと、屈折率が１.５のコア２０aから空気中に光が射出される場合において、光スポット径を０.４μｍ（半値全幅）に制御したいときは、コア２０aの根元の径Ｄを２μｍ、傾斜角２０°、伝搬光の波長を０.４μｍとすれば良い。因みに、この場合においては、光プローブ先端と集光スポットとの距離は１.２μｍとなる。

上記光プローブ１３は、プローブ制御部１５に装着されている。このプローブ制御部１５は、例えば３軸アクチュエータ等により構成され、光プローブ１３を試料２の被測定面２aに対して近接離間させる方向に移動させたり、あるいは水平方向に走査させることができる。なお、このプローブ制御部１５は、光プローブ１３を被測定面２aに対して近接離間する方向に移動させる代わりに、被測定面２aを光プローブ１３に対して近接離間する方向へ移動させても良い。
上記光検出器１４は、被測定面２aからの戻り光を受光し光電変換することにより、輝度信号を生成する。この光検出器１４により生成された輝度信号を基に作成した画像は、表示装置（図示せず）上に表示される。ユーザは、この表示装置上に表示される画像に基づき、被測定面２aの詳細を測定又は観察することができる。
但し、被測定面２aからの戻り光の検出に関して、試料２が光透過性を有している場合には、光検出器１４を試料２に対して光プローブ１３の反対側に配置して、光を検出するように構成しても良い。

以上のような構成から成る光検出装置１における測定過程について、図１−１を参照しながら概説する。
光源１１から射出された直線偏光成分を有する波長λの光は、偏光ビームスプリッタ１２を透過し、１／４波長板１８により偏光成分を制御された上で、光プローブ１３へ入射される。光プローブ１３に入射された光は、そのままコア３１内を伝搬し、光プローブ１３から射出された光は、光プローブ１３の先端から離れた位置で集光し、光スポットを形成する。
ここで、プローブ制御部１５により、光プローブ１３を試料２の被測定面２aに対して近接離間させる方向に移動させて、前述した集光により形成された光スポットの位置に被測定面２aの位置を一致させる。この際に用いられる光プローブ先端と集光スポットとの距離の情報については、予め実験等によって取得しておく。
次に、プローブ制御部１５により、光プローブ１３を被測定面２aに対して水平方向に走査することによって、先に説明した光プローブ１３から射出された光により生じる被測定面２aからの戻り光を光検出器１４において受光する。これによって、ユーザは、被測定面２aの詳細な光学物性情報を表示装置（図示せず）上に表示される画像から得ることができる。

なお、光プローブ１３を被測定面２aに対して水平方向に走査する際、光プローブ１３の被測定面２aに対する高さを一定とすることにより、かかる測定中において近接離間方向への制御が不要となる。先に示した光プローブ先端と集光スポットとの距離(数１００ｎｍ〜数μｍ程度)と相俟って、より高速な走査が可能となり、測定時間の大幅な短縮につながる。更に、従来の近接場光測定時と比較した場合、一測定点あたりの測定範囲が広いから、同じ測定点数や測定ライン(走査ライン)数において広範囲の測定を実現することができる。
更に、光プローブ１３からの射出光が集光していない場合と比較して、被測定面２aからより多くの戻り光を得ることができ、その結果、Ｓ／Ｎの向上に伴う高コントラストな測定結果をユーザに提供することができる。
以上のことにより、効率的な光検出、及び高速かつ広範囲測定が可能である光検出装置を実現することができる。

本発明の実施例２（請求項２及び請求項９〜１６に対応）に関する光検出装置の概要及び測定過程について、図４及び図５を参照しながら説明する。図４は別の光ファイバプローブを用いた光検出装置の模式図であり、図５は遮光性被覆層の光透過率についての説明図である。
この実施例２の光検出装置３は、伝搬光測定と近接場光測定の双方を可能にしたものであり、この構成要素においては、光プローブ１９が遮光性被覆層３３で被覆されている点が、上記実施例１の光検出装置１（図１−１参照）と異なる構成である。この構成の違いによって、伝搬光測定に加えて近接場光測定も可能となっている。

次に、近接場光測定（高分解能測定）についての構成と動作を説明する。
光源１１から射出された直線偏光成分を有する光は、偏光ビームスプリッタ１２を透過し、１／４波長板１８により偏光成分を制御された上で、光プローブ１９へ入射される。光プローブ１９に入射された光は、そのままコア３１内を伝搬して、光プローブ１９の遮光性被覆層３３に入射する。このとき、遮光性被覆層３３の射出端側にエバネッセント波としての近接場光が滲出する。近接場光が滲出している状態で、プローブ制御部１５により、光プローブ１９を試料２の被測定面２aに対し近接する方向に移動させる。このとき、光プローブ１９の先端と被測定面２aとの距離が、光源から射出される光の波長λの１／４以下となる場合において、光プローブ１９から滲出した近接場光が被測定面２a上に照射され、被測定面２a上には近接場光による微小な光スポットが形成される。光スポットを形成した近接場光は、遮光性被覆層３３を透過してコア３１を経て光検出器１４に導かれる。このようにして、被測定面２aの高分解能測定を行うことができる。
ここで、遮光性被覆層３３は、如何なる材質であってもよいが、表面プラズモン共鳴による近接場光の増強効果が得られること、及び化学的安定性に優れていることからＡｕ薄膜とすることが望ましい。Ａｕ薄膜の場合、光源１１から射出される波長を選択することによって、近接場光の増強効果が得られ、その結果、近接場光発生効率とＳ／Ｎの向上を図ることができる。一般に、近接場光増強効果が顕著に現れる波長としては、例えばＡｕにおいては５００〜６００ｎｍ程度である。

次に、伝搬光測定についての構成及び動作を説明する。
遮光性被覆層３３を有している光プローブ１９においても、該遮光性被覆層３３の材質、層厚さ、又は光源１１から射出される波長を選定することによって、先に示した遮光性被覆層を有しない光プローブ１３の場合（上記実施例１と図１−１を参照）と同様の伝搬光測定が可能である。
例えば、遮光性被覆層３３の材質をＡｕとし、薄膜を８０ｎｍ以下とした場合、遮光性被覆層が無い場合と比較して多少の光強度の低下は伴うものの、光プローブ１９の先端から数１００ｎｍ〜数μｍ程度離れた位置において、集光及び高い光強度を有する光スポットの形成を確認することができる。

更に、遮光性被覆層３３の複素屈折率の分散特性を考慮して、光透過率を最大値、又はその近傍の値とする波長を選択することにより、光プローブ１９から射出される光の光強度を向上させることができる。一般に、光透過率分布は、図５に示すような凸形状を成している。ここで、光透過率を最大値の近傍の値とする波長とは、光透過率が最大値Ｔ_０の１／２の値Ｔ_１となる波長をλ_１１,λ_１２とした場合の、λ_１１以上でλ_１２以下の波長帯（図５の網掛け部分）に収まる波長のことをいう。
例えば、遮光性被覆層３３がＡｕの場合には、４８０〜７００ｎｍ程度の波長帯に収まる波長の光を選択することが望ましい。
光プローブ１９の表面のコア２０aにおける傾斜角及び根元径Ｄと、光スポット径との相関については、遮光性被覆層を有しない光プローブ１３（図１−１参照）とほぼ同様であるため、先の実施例１に示した内容に準じる。
また、測定過程についても上記実施例１において説明した動作と同様であって、伝搬光測定においては、上記実施例１と同様に、効率的な光検出、及び高速かつ広範囲測定が可能である。

以上のことから、光検出装置３においては、装着された一つの光プローブ１９を試料２の被測定面２aに対して近接離間する方向に移動させることによって、伝搬光によるスポット又は近接場光によるスポットを、選択的に切り替えて被測定面２a上に形成させることができるため、一つの光プローブ１９を用いることにより、伝搬光を利用した広範囲測定と近接場光を利用した高分解能測定の双方を実現することができる。
上述のように、近接場光を利用した高分解能測定を実現し得る測定システムにおいて、広範囲測定のみに使用する光プローブを別途配置する必要がなくなるから、装置の規模、又は台数の縮減を図ることが可能となり、ひいては製造コストを大幅に削減することも可能となる。

次に、伝搬光を利用した広範囲の測定から、近接場光を利用した高分解能の測定へ切り替えて、同一試料の測定を継続して実施する過程について、図４を参照しながら説明する。
光源１１から射出された直線偏光成分を有する波長λの光は、偏光ビームスプリッタ１２を透過して、１／４波長板１８により偏光成分を制御された上で、光プローブ１９へ入射される。光プローブ１９に入射された光は、そのままコア３１内を伝搬し、該光プローブ１９から射出された光は、該光プローブ１９の先端から離れた位置において集光して、光スポットを形成する。
ここで、プローブ制御部１５により、光プローブ１９を試料２の被測定面２aに対して近接離間させる方向に移動させて、前述した集光により形成された光スポットの位置に被測定面２aを一致させる。この際に用いられる光プローブ先端と集光スポットとの距離の情報については、予め実験等により取得しておくものである。

さらに、プローブ制御部１５により、光プローブ１９を被測定面２aに対して水平方向に走査することによって、先に説明した光プローブ１９から射出された光により生じる被測定面２aからの戻り光を光検出器１４において受光する。これによって、ユーザは、被測定面２aの詳細な光学物性情報を表示装置（図示せず）上に表示される画像から得ることができる。
そして、ユーザは、表示装置（図示せず）上の画像から得た被測定面２aの光学物性情報から、より詳細な物性測定を必要とする微小領域を特定して、当該領域へ光プローブ１９を水平方向に走査させて位置合わせを行い、当該領域のみを対象として、先に説明した近接場光測定(高分解能測定)を実施する。
以上の動作により、伝搬光を利用した広範囲の測定から近接場光を利用した高分解能の測定へ切り替えて、同一試料の測定を継続して行う場合において、利用する光プローブを付け替えることなく、広範囲の測定と同軸での高分解能の測定が可能となるため、ユーザは煩雑な作業を強いられることなく、所望の微小領域に対して既に位置合わせ済みの光プローブの位置において、高分解能測定を実現することができる。

は、本発明の光ファイバプローブを用いた光検出装置の実施例を説明する模式図である。 は、本発明の光ファイバプローブの拡大断面図である。(ａ)は突出コアの表面が円錐テーパ形状のものであり、(ｂ)は突出コアの表面が曲面形状のものである。 は、光プローブの突出コア表面の傾斜角の変化に対する、光プローブ先端と集光スポットとの距離の変化を説明する図である。 は、光プローブの突出コア表面の傾斜角が１０°の場合において、伝搬光の波長の変化に対する光スポット径の変化を説明する図である。 は、本発明の別の光ファイバプローブを用いた光検出装置の他の実施例を説明する模式図である。 は、遮光性被覆層の波長の変化に対する光透過率分布について説明する図である。

符号の説明

１，３‥‥光検出装置 ２‥‥試料
２a‥‥試料の被測定面
１１‥‥光源 １２‥‥偏光ビームスプリッタ
１３，１９‥‥光ファイバプローブ（光プローブ）
１４‥‥光検出器 １５‥‥プローブ制御部
１７‥‥光波長変換部 １８‥‥１／４波長板
２０a‥‥クラッドから突出させたコア ２１‥‥光導波部
２２‥‥突出部 ２２a‥‥光プローブの表面
３１‥‥コア ３２‥‥クラッド
３３‥‥遮光性被覆層
４１‥‥光（伝搬光） ４２‥‥伝搬光の光軸
４３‥‥法線
Ｄ‥‥突出させたコアの根元の径

Claims (16)

1. 光源から射出された光を伝搬させるコアを有する光ファイバにおいて、該コア先端から光を射出する光プローブが形成されて成る光ファイバプローブであって、
   上記光ファイバを伝搬する伝搬光の光軸に対する、上記光プローブの表面の一部又は全面における法線の傾斜角が、上記伝搬光の全反射角未満で、かつ０度より大きいことを特徴とする光ファイバプローブ。
2. 光源から射出された光を伝搬させるコアを有する光ファイバにおいて、該コア先端から光を射出する光プローブが形成され、かつ該光プローブの表面が遮光性被覆層で被覆されて成る光ファイバプローブであって、
   上記光ファイバを伝搬する伝搬光の光軸に対する、上記光プローブの表面の一部又は全面における法線の傾斜角が、上記伝搬光の全反射角未満で、かつ０度より大きいことを特徴とする光ファイバプローブ。
3. 光を射出する光源と、
   上記光源から射出された光を伝搬させるコアを有する光ファイバにおいて、該コア先端から光を射出する光プローブが形成されて成る光ファイバプローブと、
   上記コアを伝搬する伝搬光による光スポットが試料の被測定面に形成されるように、上記光ファイバプローブと上記試料のいずれか一方を他方に対して近接離間する方向へ移動させる移動制御手段と、
   上記被測定面からの戻り光を検出する検出手段とを備える光検出装置において、
   上記光ファイバを伝搬する伝搬光の光軸に対する、上記光プローブの表面の一部又は全面における法線の傾斜角が、上記伝搬光の全反射角未満で、かつ０度より大きいことを特徴とする光検出装置。
4. 上記光スポットの形状が所望の形状になるように、上記光源から射出される光の波長を制御する波長制御手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の光検出装置。
5. 上記光スポットの形状が所望の形状になるように、上記傾斜角が所定の値に設定されている光ファイバプローブを備えていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の光検出装置。
6. 上記光スポットの形状が所望の形状になるように、上記光プローブのコア突出部の根元の径が所定の値に設定されている光ファイバプローブを備えていることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれかに記載の光検出装置。
7. 光源から光を射出し、
   光ファイバを伝搬する伝搬光の光軸に対する、光プローブの表面の一部又は全面における法線の傾斜角が、上記伝搬光の全反射角未満で、かつ０度より大きく形成されて成る光ファイバプローブのコアに、上記光源から射出された光を伝搬させ、
   上記コアを伝搬する伝搬光による光スポットが試料の被測定面に形成されるように、上記光ファイバプローブと上記試料のいずれか一方を他方に対して近接離間する方向へ移動させ、
   上記被測定面からの戻り光を検出することを特徴とする光検出方法。
8. 上記光スポットの形状が所望の形状になるように、上記光源から射出される光の波長を制御することを特徴とする請求項７に記載の光検出方法。
9. 光を射出する光源と、
   上記光源から射出された光を伝搬させるコアを有する光ファイバにおいて、該コア先端から光を射出する光プローブが形成され、かつ該光プローブの表面が、該表面に近接場光を滲出させるための遮光性被覆層で被覆されて成る光ファイバプローブと、
   上記コアを伝搬する伝搬光、又は上記コア先端から滲出する近接場光のいずれかによる光スポットが、試料の被測定面に形成されるように、上記光ファイバプローブと上記試料のいずれか一方を他方に対して近接離間する方向へ移動させる移動制御手段と、
   上記被測定面からの戻り光を検出する検出手段とを備える光検出装置において、
   上記光ファイバを伝搬する伝搬光の光軸に対する、上記光プローブの表面の一部又は全面における法線の傾斜角が、上記伝搬光の全反射角未満で、かつ０度より大きいことを特徴とする光検出装置。
10. 上記光源から射出される光の波長を、少なくとも上記遮光性被覆層又は上記傾斜角に応じて設定すべき値に制御する波長制御手段を備えることを特徴とする請求項９に記載の光検出装置。
11. 上記波長制御手段により制御された光の波長が、上記遮光性被覆層の光透過率を最大値又はその近傍の値とする波長であることを特徴とする請求項１０に記載の光検出装置。
12. 上記光スポットの形状が所望の形状になるように、上記傾斜角が所定の値に設定されている光ファイバプローブを備えていることを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれかに記載の光検出装置。
13. 上記光スポットの形状が所望の形状になるように、上記光プローブのコア突出部の根元の径が所定の値に設定されている光ファイバプローブを備えていることを特徴とする請求項９〜請求項１２のいずれかに記載の光検出装置。
14. 光源から光を射出し、
    光ファイバを伝搬する伝搬光の光軸に対する、光プローブの表面の一部又は全面における法線の傾斜角が、上記伝搬光の全反射角未満で、かつ０度より大きく形成され、さらに光プローブの表面が遮光性被覆層で被覆されて成る光ファイバプローブのコアに、上記光源から射出された光を伝搬させ、
    上記コアを伝搬する伝搬光、又は上記コア表面から滲出する近接場光のいずれかによる光スポットが、試料の被測定面に形成されるように、上記光ファイバプローブと上記試料のいずれか一方を他方に対して近接離間する方向へ移動させ、
    上記被測定面からの戻り光を検出することを特徴とする光検出方法。
15. 上記光源から射出される光の波長を、少なくとも上記遮光性被覆層又は上記傾斜角に応じて設定すべき値に制御することを特徴とする請求項１４に記載の光検出方法。
16. 上記光源から射出される光の波長を、上記遮光性被覆層の光透過率を最大値又はその近傍の値とする波長に制御することを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載の光検出方法。