JP2006313142A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】間欠ラスター走査に生じる振動ノイズが低減された走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】Ｙ走査信号の振幅値は、画像データを取得する画像取得時間Ｔｙｕの間だけ直線的に増加し、画像データの取得終了後直ちにほぼ０に戻る。一方、Ｘ走査信号の振幅値は常に一定で、画像データの取得時の振幅値のままである。
【選択図】図１０

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。

走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は機械的探針を機械的に走査して試料表面の情報を得る走査型顕微鏡であって、走査型トンネリング顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型電気容量顕微鏡（ＳＣａＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）、走査型熱顕微鏡（ＳＴｈＭ）などの総称である。

走査型プローブ顕微鏡は、機械的探針と試料とを相対的にＸＹ方向にラスター走査し、所望の試料領域の表面情報を機械的探針を介して得てモニターＴＶ上にマッピング表示する。

なかでもＡＦＭは、最も広く使用されている装置であり、機械的探針をその自由端に持つカンチレバー、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサー、機械的探針と試料とを相対的に走査するスキャナーを備えている。ＡＦＭは、生物試料のマニピュレーションや生物試料以外の試料の観察、加工なども行なうことが可能である。

最近では、液体中の生きた生物試料の動く様子が観察可能な生体動画観察用ＡＦＭが注目を集めている。この生体動画観察用ＡＦＭでは、その走査時間（１枚の画像を取得する時間）は遅くとも１秒以下、望ましくは０．１秒以下とされる。従来の生体用ＡＦＭの走査時間が数分〜数十分であることを考えると、生体動画観察用ＡＦＭは走査速度が非常に速い。従来の生体用ＡＦＭは静止画観察用であるのに対し、生体動画観察用ＡＦＭは動画観察が可能になっている。

生体用ＡＦＭでは、走査速度に関係なく、カンチレバーの振動特性から試料探針間に働く相互作用を検出する方式（ＡＣモード）を採用することが多い。それは、試料と探針の間に働く力を通常のモードに比べて弱く保つことができる利点があるからである。

図１は生体用ＡＦＭの一構成例を示すブロック図である。図１に示される構成は、生体用ＡＦＭの基本的な動作原理を説明するためのものであり、従来からある生体用ＡＦＭと生体動画観察用ＡＦＭの違いを示すものではない。

図１において、ステージ１２は撥水処理されており、液体１４を表面張力により保持できる。液体１４中には、Ｙスキャナー６とＸスキャナー７とＺスキャナー８に保持された試料９が配置される。言い換えれば、Ｚスキャナー８は試料を液体中で保持する試料台を兼ねている。Ｙスキャナー６は、コントローラー２から出力されるＹ走査信号に基づいてＹ駆動回路３により駆動され、試料９をＹ方向に走査する。またＸスキャナー７は、コントローラー２から出力されるＸ走査信号に基づいてＸ駆動回路４により駆動され、試料９をＸ方向に走査する。さらにＺスキャナー８は、コントローラー２から出力されるＺ制御信号に基づいてＺ駆動回路５により駆動され、試料９をＺ方向に走査する。

また液体１４中には、試料９と正対するように自由端に探針を有するカンチレバー１０が配置される。このカンチレバー１０は、ステージ１２上に設けられたホルダー１１に保持されている。ホルダー１１には圧電素子１３が設けられており、圧電素子１３はコントローラー２からの励振信号を受けて、カンチレバー１０を所定の振幅と周波数で機械的に振動させる。

ステージ１２は透過ガラス１６を備えており、ステージ１２の下部には、透過ガラス１６を介してカンチレバー１０の変位を検出するため、対物レンズ１７と光てこセンサー１８が配置されている。この光てこセンサー１８は、例えば特開２００２−８２０３７号公報に示されたものと同様に構成されており、対物レンズ１７を介して集束性のレーザー光１５をカンチレバー１０の自由端上に照射し、対物レンズ１７を介して取り込んだ反射光のスポット位置に基づいてカンチレバー１０の変位を検出する。

振幅検出回路１９は、光てこセンサー１８が出力するカンチレバー１０の変位信号の振幅値を算出し、算出したカンチレバー１０の振幅値を振幅信号としてＺ制御回路２０に出力する。つまり振幅検出回路１９は、カンチレバー１０の振動振幅を反映した信号を出力する。Ｚ制御回路２０は、振幅検出回路１９が出力する振幅信号を一定に保つようにＺスキャナー８をＺ方向に制御する。

このような構成において、コントローラー２からの励振信号を受けて、圧電素子１３がカンチレバー１０を所定の振幅とカンチレバー１０の機械的共振周波数で励振させる。そして光てこセンサー１８によりカンチレバー１０の振幅を検出し、カンチレバー１０の振動振幅が一定になるようにＺ制御回路２０とＺ駆動回路５によりＺスキャナー８に保持された試料９をＺ方向（試料９の法線方向）に制御する。同時にＹ駆動回路３によりＹスキャナー６をＹ方向に駆動し、さらにＸ駆動回路４によりＸスキャナー７をＸ方向に駆動し、試料９を二次元走査する。このときのＺ制御回路２０の出力すなわちＺスキャナー８のＺ方向への印加電圧信号を画像データ取込部２１を介してホストコンピューター１によりデータ取得し、そのデータを試料表面の凹凸信号として画像形成する。

生体動画観察用ＡＦＭはＸＹ方向の走査方法に特徴がある。以下、従来の生体用ＡＦＭと生体動画観察用ＡＦＭの走査方法の違いについて説明する。

まず従来の生体用ＡＦＭの走査方法について説明する。図２と図６はＡＦＭにおけるＸＹ走査の軌跡を示している。図２と図６において、走査線は見やすさを重視して少なく描かれているが、実際の走査線の数は一般に１２８〜５１２程度である。

図２は、一般的なラスター走査を示しており、画像データの取得は１方向（＋Ｘの方向）でのみ行なう。このラスター走査に対応した走査信号を図３に示す。図３において、上段はＹ走査信号、中断はＸ走査信号、下段は画像データ取込指令信号を示している。Ｔｆは描画周期を示しており、これはフレームレートの逆数に等しい。フレームレートは１秒間に描く画像の枚数であり、その単位はｆｐｓ（frame per second）である。また、Ｔｙは１回のラスター走査にかかる時間、Ｔｙｕは１画像（１フレーム）の画像取得時間、Ｔｙｄは描画完了位置から次の描画基準位置に戻る時間、ＴｘはＸ走査周期、ＴｘｕはＸ走査の画像データを取得する方向の移動時間、Ｔｓは１回のＸ走査における画像データの取得にかかる時間を示している。

この方式では、図３に示されるように、ラスター走査を連続して繰り返して観察を行なう。この方法は連続ラスター走査と呼ばれ、Ｔｆ＝Ｔｙ＝Ｔｙｕ＋Ｔｙｄとなるのが特徴である。一般的にはＴｘｕ＝Ｔｘ／２あるが、図４に示されるように、画像データを取得する方向とその逆方向とで移動速度が異なる場合もある。同様に、ＴｘｕとＴｓについても、図５に示されるように、描画領域よりも走査領域を大きく取る（オーバー走査する）場合があり、Ｔｘｕ＝Ｔｓになるとは限らない。

図６は、双方向のラスター走査を示しており、Ｙ走査の両方向で画像データの取得を行なう方式である。これも画像データの取得は１方向（＋Ｘの方向）でのみ行なう。このラスター走査に対応した走査信号を図７に示す。図７において、上段はＹ走査信号、中断はＸ走査信号、下段は画像データ取込指令信号を示している。また、Ｔｙは１回のラスター走査にかかる時間、Ｔｙｕ＝Ｔｙｄ＝Ｔｙ／２は１画像（１フレーム）の画像取得時間、ＴｘはＸ走査周期、ＴｘｕはＸ走査の画像データを取得する方向の移動時間、Ｔｓは１回のＸ走査における画像データの取得にかかる時間を示している。

この方式でも、図７に示されるように、ラスター走査を連続して繰り返して観察を行なう。この双方向のラスター走査方式では、描画完了位置から次の描画基準位置に戻る時間Ｔｙｄが必要ないため、一般的なラスター走査方式と比較して若干高速に連続観察できる。

次に生体動画観察用ＡＦＭの走査方法について簡単に説明する。生体動画観察用ＡＦＭでは、上述した連続ラスター走査と連続双方向ラスター走査のほかに、従来の生体用ＡＦＭにはない間欠ラスター走査という方法を用いることが多い。これは、動く生体試料の形を明確に捉えるために画像取得時間（１フレームの取込時間）を短くし、動画データの容量（動画ファイルの容量）を抑えるためにフレームレートを低くする方法であり、動く生体試料の長時間観察に適している。

図８は、間欠ラスター走査に対応した走査信号を示している。図８において、Ｔｆは描画周期を示しており、これはフレームレートの逆数に等しい。フレームレートは１秒間に描く画像の枚数であり、その単位はｆｐｓ（frame per second）である。また、Ｔｙは１回のラスター走査にかかる時間、Ｔｙｕは１画像（１フレーム）の画像取得時間、Ｔｙｄは描画完了位置から次の描画基準位置に戻る時間を示している。図８から分かるように、間欠ラスター走査は、Ｔｆ＞Ｔｙ＝Ｔｙｕ＋Ｔｙｄとなるのが特徴であり、これにより動画データの容量（動画ファイルの容量）が抑えられる。

例えば、１回のラスター走査にかかる時間が３３ｍｓ、フレームレートが３０ｆｐｓの連続走査を行なった場合、３０分観察を続けると画像数は５４０００に及ぶ。ところが、１回のラスター走査にかかる時間が３３ｍｓ、フレームレートが１ｆｐｓの間欠ラスター走査を行なった場合には、画像数は１８００に抑えられる。また試料と探針の相対的な走査が最小限に抑えられるので、試料が受けるダメージも低減できる。このように、間欠ラスター走査は長時間観察に適した走査法であると言える。

しかし間欠ラスター走査には、図９に示されるように、Ｘ走査信号が描画周期Ｔｆのパルス信号（信号α）のように振る舞い、描画周期Ｔｆのパルス信号の高調波成分が振動ノイズとなって観察を妨げるという不具合がある。生体動画観察用ＡＦＭのフレームレート（１秒間に描く画像の枚数、単位はｆｐｓ（frame per second））が１〜３０ｆｐｓであることを考えると、このパルス信号の高調波成分は、１Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲のほぼすべてに生じることになる。生体動画観察用ＡＦＭの装置本体の合成が非常に高いとしても、多数の部品から構成される機械装置である限り、数Ｈｚ〜数ｋＨｚの範囲には少なくとも１つの共振周波数が存在し、パルス信号の高調波成分がその共振を励起してしまう。つまり、周期Ｔｆのパルス信号が振動ノイズを発生させる。

本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、間欠ラスター走査に生じる振動ノイズが低減された走査型プローブ顕微鏡を提供することである。

本発明は、尖った先端を持つ探針を試料に近接させた状態で、探針と試料を相対的にラスター走査しながら試料の表面との間に発生する物理量を検出することにより画像情報を得る走査型プローブ顕微鏡であり、前記ラスター走査を制御する走査制御部と、前記走査制御部から出力されるＸ走査信号に応じて前記試料と前記探針のどちらか一方をＸ方向（ラスター走査の走査線方向）に走査するＸ走査手段と、前記走査制御部から出力されるＹ走査信号に応じて前記試料と前記探針のどちらか一方をＹ方向に走査するＹ走査手段と、前記Ｘ走査信号に同期して画像データを取得する画像データ取得部とを備えており、画像取得時間Ｔｙｕ［ｓ］とフレームレートＮ［ｆｐｓ］にはＴｙｕ＜１／Ｎの関係があり、画像データの取得開始前と終了後の所定時間の間は前記Ｘ走査信号の振幅値が０でないことを特徴とする。

本発明によれば、間欠ラスター走査に生じる振動ノイズが低減された走査型プローブ顕微鏡が提供される。

以下、図１０〜図２２を参照しながら本発明の実施形態について説明する。続く実施形態における走査型プローブ顕微鏡の構成はハード的には図１に示した従来のものと同じであり、従来のものとは走査信号が相違している。

＜第一実施形態＞
図１０は、本発明の第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡における走査信号を示している。図１０において、Ｔｆは描画周期を示し、これはフレームレートの逆数に等しい。またＴｙｕは画像取得時間を示し、これは１画像（１フレーム）の画像を描く時間である。

本実施形態の走査は間欠走査であり、画像取得時間Ｔｙｕと［ｓ］とフレームレートＮ［ｆｐｓ］の間にはＴｙｕ＜１／Ｎの関係がある。Ｙ走査信号の振幅値は、画像データを取得する画像取得時間Ｔｙｕの間だけ直線的に増加し、画像データの取得終了後直ちにほぼ０に戻る。一方、Ｘ走査信号の振幅値は常に一定（≠０）で、画像データの取得時の振幅値のままである。

このため、Ｘ走査信号にパルス信号のような高調波成分がなくなり、振動ノイズの発生が防止される。従って、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、液中生体を低ノイズで動画観察できる。

本実施形態では、Ｙ走査信号の振幅値は、画像データの取得終了後直ちにほぼ０に戻るが、画像データの取得終了後の所定時間の間に段階的に減少してほぼ０に戻ってもよい。

＜第二実施形態＞
図１１は、本発明の第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡における走査信号を示している。図１１において、Ｔｆは描画周期を示し、これはフレームレートの逆数に等しい。また、Ｔｙｕは画像取得時間を示している。

本実施形態の走査は間欠走査であり、画像取得時間Ｔｙｕと［ｓ］とフレームレートＮ［ｆｐｓ］の間にはＴｙｕ＜１／Ｎの関係がある。Ｙ走査信号の振幅値は、画像データを取得する画像取得時間Ｔｙｕの間だけ直線的に増加し、画像データの取得終了後直ちにほぼ０に戻る。一方、Ｘ走査信号の振幅値は、画像データの取得開始前の一定時間Ｔｘｓの間にほぼ０から段階的に直線的に増加して画像データの取得時の振幅値になり、画像取得時間Ｔｙｕの間は一定で、画像データの取得終了後の一定時間Ｔｘｅの間に画像データの取得時の振幅値から段階的に直線的に減少してほぼ０になる。

このＡＭ変調された走査波形のピーク値が描く軌跡は、図１２に示されるように、台形信号（信号β）になる。このため、描画周期Ｔｆの高調波成分が抑えられ、振動ノイズの発生が低減される。従って、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、液中生体を低ノイズで動画観察できる。さらに、Ｘスキャナー７の駆動が間欠的に停止されるので、Ｘスキャナー７の疲労、探針の磨耗や汚れの付着、試料が受けるダメージが減される。

図１３は、第二実施形態の変形例におけるＸ走査信号を示している。この変形例の走査では、Ｘ走査信号の振幅値は、画像データの取得開始前の一定時間Ｔｘｓの間にほぼ０から段階的にＳ字曲線状に増加して画像データの取得時の振幅値になり、画像取得時間Ｔｙｕの間は一定で、画像データの取得終了後の一定時間Ｔｘｅの間に画像データの取得時の振幅値から段階的にＳ字曲線状に減少してほぼ０になる。

このＡＭ変調された走査波形のピーク値が描く軌跡は、角が丸められた台形信号（信号γ）になる。このため、描画周期Ｔｆの高調波成分がより良く抑えられ、振動ノイズの発生がさらに低減される。

本実施形態では、Ｙ走査信号の振幅値は、画像データの取得終了後直ちにほぼ０に戻るが、画像データの取得終了後の所定時間の間に、例えば一定時間Ｔｘｅの間に、段階的に減少してほぼ０に戻ってもよい。

＜第三実施形態＞
図１４は、第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。この図１４において、図１に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材である。言い換えれば、本実施形態の装置は、図１の装置と比較して、Ｚ制御回路３０と走査信号が相違している。以下、図１に関連して説明済みの部材の詳しい説明は省略し、相違部分に重点をおいて説明する。

図１４において、Ｚ制御回路３０は、振幅検出回路１９が出力するカンチレバーの振幅信号を一定に保つようにＺスキャナー８をＺ方向に制御する。コントローラー２は、制御ＯＮ／ＯＦＦ指令信号３１によりＺ制御回路３０の制御機能を作動または停止させる。Ｚ制御回路３０は、制御機能が停止されると、Ｚ駆動回路５へ最低レベルの信号を出力し、Ｚスキャナー８は変位が最小の状態（試料９とカンチレバー１０の探針が最も離れた状態）になる。

図１５は、第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡の走査信号を示すものである。図１５において、Ｔｆは描画周期を示し、これはフレームレートの逆数に等しい。またＴｙｕは１画像（１フレーム）の画像取得時間を示している。この走査では、図６に示す走査信号と同様にＴｆ＞Ｔｙ＝Ｔｙｕ＋Ｔｙｄの関係がある。言い換えれば、画像取得時間Ｔｙｕ［ｓ］とフレームレートＮ［ｆｐｓ］の間にＴｙｕ＜１／Ｎの関係がある。また、Ｙ方向は画像データを取得するときだけ動く間欠走査になっているが、Ｘ走査信号は画像データを取得しない区間にあっても途切れることなく継続的に出力される。Ｙ走査信号の振幅値は、画像データを取得する画像取得時間Ｔｙｕの間だけ直線的に増加し、画像データの取得終了後直ちにほぼ０に戻る。一方、Ｘ走査信号の振幅値は常に一定（≠０）で、画像データの取得時の振幅値のままである。

制御ＯＮ／ＯＦＦ指令信号３１は矩形形状の信号であり、Ｙ走査信号に同期して切り替わる。従って、Ｚ制御回路３０はＹ走査信号に同期して制御機能が作動または停止される。Ｚ制御回路３０の制御機能は、画像データを取得しない区間のすべてにわたり停止される。

これにより、Ｘ走査信号にパルス信号のような高調波成分がなくなり、Ｘ走査信号の間欠動作に起因する振動ノイズの発生が完全に防止される。従って、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、液中生体を低ノイズで動画観察できる。

さらに、制御ＯＮ／ＯＦＦ指令信号３１の波形グラフに示されるように、画像データを取得するとき以外は制御機能がＯＦＦ、すなわち試料９とカンチレバー１０の探針が最も離れた状態になる。これにより、画像データを取得するとき以外はカンチレバー１０の探針と試料９が接触しなくなり、探針の磨耗や汚れの付着が最小限に留められる。さらに試料が受けるダメージも低減される。

上述した説明では、Ｚ制御回路３０の制御機能は画像データを取得しない区間のすべてにおいて停止されているが、Ｚ制御回路３０の制御機能は画像データを取得しない区間の一部において停止されてもよい。

＜第四実施形態＞
図１６は、第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。この図１６において、図１に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材である。言い換えれば、本実施形態の装置は、図１の装置と比較して、Ｚ制御回路４０と走査信号が相違している。以下、図１に関連して説明済みの部材の詳しい説明は省略し、相違部分に重点をおいて説明する。

Ｚ制御回路４０は、振幅検出回路１９が出力するカンチレバーの振幅信号Ｖampを一定に保つようにＺスキャナー８をＺ方向に制御する。Ｚ制御回路４０は、コントローラー２から供給される制御基準信号Ｖrefとカンチレバーの振幅信号Ｖampを比較し、両信号が一致するようにＺスキャナー８をＺ方向に制御する。本実施形態では制御基準信号Ｖrefに特徴があるため、まずは制御基準信号Ｖrefについて以下に詳しく説明する。

本実施形態に示す走査型プローブ顕微鏡では、カンチレバー１０を所定の振幅、共振周波数近傍の周波数で機械的に振動させた状態で試料９と接触させる。そして、カンチレバー１０の探針と試料９との相互作用によるカンチレバー１０の振動振幅の変化が一定となるよう制御する。制御基準信号Ｖrefは、相互作用によるカンチレバー１０の振動振幅の変化の目標値を示す信号であり、その目標値はフォースカーブにより設定される。そこでまずフォースカーブについて説明する。

図１７Ａ〜図１７Ｃは、図１６に示すカンチレバー１０と試料９の位置関係を紙面上下方向に反転させて示している。

図１７Ａは、カンチレバー１０の探針と試料９が離れている状態を示している。ここで、カンチレバー１０と試料９の距離をＺ、圧電素子１３により加振されたカンチレバー１０の振動振幅をｘ０、カンチレバー１０の探針の長さをＬとすると、Ｚ＞ｘ０＋Ｌが成り立つ。

図１７Ｂは、図１７Ａの状態からカンチレバー１０と試料９を近づけ、カンチレバー１０の探針と試料９が接触し始めた状態を示している。ここではＺ＝ｘ０＋Ｌが成り立ち、このときのＺをＺ０とおく。すなわちＺ０＝ｘ０＋Ｌである。

図１７Ｃは、図１７Ｂの状態からカンチレバー１０と試料９をさらに近づけ、カンチレバー１０の探針と試料９を適度に接触させた状態を示している。このときカンチレバー１０の振動振幅はｘｃに減少する。ここではＺ＝ｘｃ＋Ｌ＜ｘ０＋Ｌ＝Ｚ０が成り立つ。

図１８Ａは、「カンチレバー１０と試料９の距離とカンチレバー１０の振動振幅の関係」を示すグラフであり、これがフォースカーブと呼ばれるものである。

図１８Ａにおいて、縦軸はカンチレバー１０の振動振幅、横軸はカンチレバー１０と試料９の距離を示している。このグラフに示されるように、カンチレバー１０と試料９を近づけていく際、カンチレバー１０と試料９の距離がＺ０になるまではカンチレバー１０の振動振幅は一定値ｘ０であり、カンチレバー１０と試料９の距離がＺ０よりも小さくなると（カンチレバー１０の探針と試料９を接触させると）カンチレバー１０の振動振幅はｘ０よりも小さくなる。

ここで、制御におけるカンチレバー１０の振動振幅の変化の目標値としてｘｃを設定する。ｘｃはカンチレバー１０の探針と試料９を適度に接触させた状態のときのカンチレバー１０の振動振幅であり、ｘ０の７０％〜９５％程度の大きさにするのが一般的である。このとき、光てこセンサー１８のセンサー感度をＳ［ｎｍ／Ｖ］とおくと、「振幅検出回路１９から出力されるカンチレバーの振幅信号Ｖampの大きさ（電圧値）」と「カンチレバー１０と試料９との距離」の関係は、図１８Ｂに示されるグラフとなる。すなわち、カンチレバー１０の振動振幅がｘ０のときカンチレバーの振幅信号Ｖampの大きさ（電圧値）はｘ０／Ｓ、カンチレバー１０の振動振幅がｘｃのときカンチレバーの振幅信号Ｖampの大きさ（電圧値）はｘｃ／Ｓとなる。

次に制御基準信号Ｖrefについて説明する。

上述では相互作用によるカンチレバー１０の振動振幅の変化の目標値をｘｃとおいた。つまりカンチレバーの振幅信号Ｖampの大きさ（電圧値）の目標値はｘｃ／Ｓとなる。Ｚ制御回路４０は制御基準信号Ｖrefとカンチレバーの振幅信号Ｖampを比較し、両信号が一致するように制御するので、カンチレバーの振動振幅を所望の値（ｘｃ）にするには制御基準信号Ｖrefの大きさ（電圧値）をｘｃ／Ｓに設定すればよい。

ところで従来の走査型プローブ顕微鏡では、制御基準信号は一定値（ＤＣ信号）であり、従って電圧値ｘｃ／Ｓが出力され続ける。これに対して本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、制御基準信号Ｖrefの値は適宜変更される。

図１９は、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡における制御基準信号ＶrefとＸＹ走査信号を示している。図１９に示されるように、制御基準信号ＶrefはＹ走査信号に同期して増減する信号であり、ｘｎ／Ｓとｘｃ／Ｓの二つの値を交互に繰り返し取る。ここでｘｎ／Ｓ＞ｘｃ／Ｓである。制御基準信号ＶrefはＹ走査信号に同期して切り替わる矩形形状の信号であってもよいが、好ましくは、Ｙ走査信号に同期して緩やかに切り替わる台形形状の信号であるとよい。制御基準信号Ｖrefは、矩形形状の信号の場合には、画像データを取得しない区間のすべてにおいて大きい値（ｘｎ／Ｓ）を取り、台形形状の信号の場合には、画像データを取得しない区間の一部において大きい値（ｘｎ／Ｓ）を取る。ここでｘｎは、図１８Ａに示されるように、カンチレバー１０の基本となる振動振幅ｘ０よりも大きい値であり、実際にカンチレバー１０がこの振動振幅で振動することはない。つまりこの目標値（ｘｎ／Ｓ）を制御基準信号Ｖrefに出力させても、Ｚ制御回路４０では制御をかけることができず、Ｚスキャナー８の変位が最小の状態（試料９とカンチレバー１０の探針が最も離れた状態）になる。これは、第三実施形態で制御機能を停止したときと同等の状態である。

制御基準信号Ｖrefは、画像データを取得するときは従来の走査型プローブ顕微鏡と同様にｘｃ／Ｓの値を取り、画像データを取得しないときはｘｎ／Ｓの値となる。つまり画像データを取得するときは制御機能を作動させている状態となり、画像データを取得しないときは制御機能を停止している状態と等しく、試料９とカンチレバー１０の探針が最も離れた状態になる。また、ｘｃ／Ｓからｘｎ／Ｓへの切り替えは時間Ｔｉｅをかけて緩やかに行なわれる。さらにｘｎ／Ｓからｘｃ／Ｓへの切り替えも時間Ｔｉｓをかけて緩やかに行なわれる。ＴｉｅとＴｉｓは同じ値であってもよい。

以上より、本実施形態では、図６に示す走査信号と同様にＴｆ＞Ｔｙ＝Ｔｙｕ＋Ｔｙｄの関係がある。言い換えれば、画像取得時間Ｔｙｕ［ｓ］とフレームレートＮ［ｆｐｓ］の間にＴｙｕ＜１／Ｎの関係がある。また、Ｙ方向は画像データを取得するときだけ動く間欠走査になっているが、Ｘ走査信号は画像データを取得しない区間にあっても途切れることなく継続的に出力される。Ｙ走査信号の振幅値は、画像データを取得する画像取得時間Ｔｙｕの間だけ直線的に増加し、画像データの取得終了後直ちにほぼ０に戻る。一方、Ｘ走査信号の振幅値は常に一定（≠０）で、画像データの取得時の振幅値のままである。

これにより、Ｘ走査信号にパルス信号のような高調波成分がなくなり、Ｘ走査信号の間欠動作に起因する振動ノイズの発生が完全に防止される。従って、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、液中生体を低ノイズで動画観察できる。

さらに、本実施形態では、制御基準信号Ｖrefが二つの値が緩やかに切り替わる台形状の信号になっているので、第三実施形態の利点に加え、制御機能の作動と停止の切り替え動作が緩やかに行なわれる。これは制御の安定性向上につながる。

図２０は第四実施形態の変形例における制御基準信号ＶrefとＸＹ走査信号を示している。制御基準信号Ｖrefはｘｎ／Ｓとｘｃ／Ｓの二つの値を滑らかに切り替えるＳ字台形状の信号になっている。これによれば、制御機能の作動と停止の切り替え動作が滑らかに行なわれる。これは制御のより安定性向上につながる。

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。

例えば、図２１に示されるように、Ｘ走査信号は、三角波のエッジを潰して滑らかにした波形に変更されてよい。この場合、描画領域よりも走査領域を大きく取るオーバー走査（Ｔｘｕ＞Ｔｓ）が必要になるが、Ｘ走査信号そのものがつくる高調波成分が低減される。その結果、振動ノイズがさらに低減される。

また別の例としては、図２２に示されるように、Ｙ走査信号は、画像データを取得しない区間をすべて使って戻されてよい。すなわちＴｙｄ＝Ｔｆ−Ｔｙｕとされてよい。このようにすると、Ｙ走査信号の高調波成分も低減され、振動ノイズがさらに低減される。

さらに、本実施形態ではカンチレバーの振動振幅を所定の値になるよう制御しているが、カンチレバーの振動周波数や位相を制御する走査型プローブ顕微鏡に対しても効果がある。

生体用ＡＦＭの一構成例を示すブロック図である。 一般的なラスター走査の軌跡を示している。 図２に示されるラスター走査に対応した走査信号を示している。 画像データを取得する方向とその逆方向とで移動速度が異なるＸ走査信号を示している。 オーバー走査におけるＸ走査信号と画像データ取込指令信号を示している。 双方向のラスター走査の軌跡を示している。 図６に示されるラスター走査に対応した走査信号を示している。 間欠ラスター走査に対応した走査信号を示している。 図８に示されたＸ走査信号とその走査波形のピーク値が描く軌跡を示している。 本発明の第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡における走査信号を示している。 本発明の第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡における走査信号を示している。 図１１に示されたＸ走査信号とその走査波形のピーク値が描く軌跡を示している。 本発明の第二実施形態の変形例におけるＸ走査信号とその走査波形のピーク値が描く軌跡を示している。 第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。 第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡の走査信号を示している。 第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。 図１６に示されるカンチレバーの探針と試料が離れている状態を示している。 図１７Ａの状態からカンチレバーと試料が近づけられ、カンチレバーの探針と試料が接触し始めた状態を示している。 図１７Ｂの状態からカンチレバーと試料がさらに近づけられ、カンチレバーの探針と試料が適度に接触した状態を示している。 カンチレバーと試料の距離とカンチレバーの振動振幅の関係を示すグラフ（フォースカーブ）を示している。 カンチレバーと試料の距離とカンチレバーの振幅信号の大きさ（電圧値）との関係を示している。 第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡における制御基準信号とＸＹ走査信号を示している。 第四実施形態の変形例における制御基準信号とＸＹ走査信号を示している。 第一実施形態〜第四実施形態に適用可能な別のＸ走査信号を示している。 第一実施形態〜第四実施形態に適用可能な別のＹ走査信号を示している。

符号の説明

１…ホストコンピューター、２…コントローラー、３…Ｙ駆動回路、４…Ｘ駆動回路、５…Ｚ駆動回路、６…Ｙスキャナー、７…Ｘスキャナー、８…Ｚスキャナー、９…試料、１０…カンチレバー、１１…ホルダー、１２…ステージ、１３…圧電素子、１４…液体、１５…レーザー光、１６…透過ガラス、１７…対物レンズ、１８…センサー、１９…振幅検出回路、２０…Ｚ制御回路、２１…画像データ取込部、３０…Ｚ制御回路、３１…制御ＯＮ／ＯＦＦ指令信号、４０…Ｚ制御回路。

Claims (19)

1. 尖った先端を持つ探針を試料に近接させた状態で、探針と試料を相対的にラスター走査しながら試料の表面との間に発生する物理量を検出することにより画像情報を得る走査型プローブ顕微鏡であって、
   前記ラスター走査を制御する走査制御部と、
   前記走査制御部から出力されるＸ走査信号に応じて前記試料と前記探針のどちらか一方をＸ方向（ラスター走査の走査線方向）に走査するＸ走査手段と、
   前記走査制御部から出力されるＹ走査信号に応じて前記試料と前記探針のどちらか一方をＹ方向に走査するＹ走査手段と、
   前記Ｙ走査信号に同期して画像データを取得する画像データ取得部とを備え、
   画像取得時間Ｔｙｕ［ｓ］とフレームレートＮ［ｆｐｓ］にはＴｙｕ＜１／Ｎの関係があり、画像データの取得開始前と終了後の所定時間の間は前記Ｘ走査信号の振幅値が０でないことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記Ｘ走査信号の振幅値が常に一定であること特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 前記Ｘ走査信号の振幅値が画像データの取得終了後の所定時間の間に段階的に減少してほぼ０になること特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 前記Ｘ走査信号の振幅値が直線的に減少すること特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 前記Ｘ走査信号の振幅値がＳ字曲線状に減少すること特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 前記Ｘ走査信号の振幅値が画像データの取得開始前の所定時間の間に段階的に増加してほぼ０から画像データの取得時の振幅値になること特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
7. 前記Ｘ走査信号の振幅値が直線的に増加すること特徴とする請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
8. 前記Ｘ走査信号の振幅値がＳ字曲線状に増加すること特徴とする請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
9. 前記Ｙ走査信号の値が、画像データの取得開始時から画像データの取得終了時にかけて連続して増加（または減少）し、画像データの取得終了時から画像データの取得開始時にかけて連続して減少（または増加）することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
10. 液体を保持する液体ステージと、
    自由端に前記探針を有するカンチレバーと、
    前記カンチレバーを前記液体中で保持するカンチレバーホルダーと、
    前記カンチレバーをその機械的共振周波数近傍で振動させるための加振手段と、
    集束性の光を前記カンチレバー自由端に焦点を合わせて照射してその変位を検出する変位検出手段と、
    前記変位検出手段の検出結果に基づいて前記カンチレバーの振動振幅を求める振幅取得手段と、
    試料を前記液体中で保持する試料台と、
    前記試料台または前記カンチレバーをＺ方向に微動させるためのＺ微動手段と、
    前記振幅取得手段で得られた前記カンチレバーの振動振幅に基づいて前記Ｚ微動手段を制御するＺ制御手段とをさらに備えていることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
11. 尖った先端を持つ探針を試料に近接させた状態で、探針と試料を相対的にラスター走査しながら試料の表面との間に発生する物理量を検出することにより画像情報を得る走査型プローブ顕微鏡であって、
    前記ラスター走査を制御する走査制御部と、
    前記走査制御部から出力されるＸ走査信号に応じて前記試料と前記探針のどちらか一方をＸ方向（ラスター走査の走査線方向）に走査するＸ走査手段と、
    前記走査制御部から出力されるＹ走査信号に応じて前記試料と前記探針のどちらか一方をＹ方向に走査するＹ走査手段と、
    前記Ｙ走査信号に同期して画像データを取得する画像データ取得手段とを備え、
    画像取得時間Ｔｙｕ［ｓ］とフレームレートＮ［ｆｐｓ］にはＴｙｕ＜１／Ｎの関係があり、画像データを取得しない区間にあっても前記Ｘ走査信号が継続的に出力されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
12. 液体を保持する液体ステージと、
    前記試料を液体中で保持する試料台と、
    自由端に前記探針を有するカンチレバーと、
    前記カンチレバーを前記液体中で保持するカンチレバーホルダーと、
    前記カンチレバーをその機械的共振周波数近傍で振動させるための加振手段と、
    集束性の光を前記カンチレバー自由端に焦点を合わせて照射して前記カンチレバーの振動状態を検出し、その振動状態を反映した信号を出力するための振動状態検出手段と、
    前記カンチレバーホルダーと前記試料台のどちらか一方をＺ方向に微動させるためのＺ微動手段と、
    前記振動状態検出手段の出力信号に基づいて前記Ｚ微動手段を制御するためのＺ制御手段と、
    前記Ｙ走査信号に同期して、前記Ｚ制御手段の制御機能を作動または停止させるための制御機能コントロール手段とをさらに備えていることを特徴とする請求項１１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
13. 画像データを取得しない一部またはすべての区間において、前記制御機能コントロール手段は前記Ｚ制御手段の制御機能を停止させること特徴とする請求項１２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
14. 前記振動状態検出手段は、前記カンチレバーの振動振幅を検出するための振幅検出手段を備え、その振動振幅を反映した信号を出力すること特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
15. 液体を保持する液体ステージと、
    前記試料を液体中で保持する試料台と、
    自由端に前記探針を有するカンチレバーと、
    前記カンチレバーを前記液体中で保持するカンチレバーホルダーと、
    前記カンチレバーをその機械的共振周波数近傍で振動させるための加振手段と、
    集束性の光を前記カンチレバー自由端に焦点を合わせて照射して前記カンチレバーの振動状態を検出し、その振動状態を反映した信号を出力するための振動状態検出手段と、
    前記カンチレバーホルダーと前記試料台のどちらか一方をＺ方向に微動させるためのＺ微動手段と、
    前記カンチレバーホルダーの所望の振動状態を示す基準信号を出力するための基準信号発生手段と、
    前記振動状態検出手段の出力信号と前記基準信号を比較し、それらが一致するように前記Ｚ微動手段を制御するためのＺ制御手段とをさらに備えており、
    前記基準信号の大きさが前記Ｙ走査信号に同期して増減することを特徴とする請求項１１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
16. 前記基準信号は、前記Ｙ走査信号に同期して、少なくとも２つの値を繰り返し取る信号であること特徴とする請求項１５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
17. 前記振動状態検出手段は、前記カンチレバーの振動振幅を検出するための振幅検出手段を備え、その振動振幅を反映した信号を出力すること特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
18. 前記基準信号は、大小の２つの値を繰り返し取るほぼ矩形形状の信号であり、画像データを取得する区間においては小さい値を取り、画像データを取得しない一部あるいはすべての区間においては大きい値を取ること特徴とする請求項１７に記載の走査型プローブ顕微鏡。
19. 前記基準信号は、大小の２つの値を繰り返し取るとともに、それらが緩やかに切り替わるほぼ台形形状の信号であり、画像データを取得する区間においては小さい値を取り、画像データを取得しない一部あるいはすべての区間においては大きい値を取ること特徴とする請求項１７に記載の走査型プローブ顕微鏡。

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