JP2011021902A - プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】第１変位検出光学系、及び第２変位検出光学系にて被測定物における同一の箇所を容易に測定することができるプローブ顕微鏡の提供。
【解決手段】プローブ顕微鏡１は、被測定物Ｗに接触する探針２１を有するカンチレバー２と、第１の変位検出光学系３と、第２の変位検出光学系４と、対物レンズ７とを備える。第１の変位検出光学系３は、第１の光源３１と、カンチレバー２の変位を検出する第１の変位検出手段とを備える。第２の変位検出光学系４は、第２の光源４１と、被測定物Ｗの変位を検出する第２の変位検出手段とを備える。対物レンズ７は、カンチレバー２と、各光源３１，４１との間に配設され、第１の光源３１から射出される光の波長に対してカンチレバー２の位置を焦点とし、且つ、第２の光源４１から射出される光の波長に対して被測定物Ｗの位置を焦点とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、プローブ顕微鏡に関し、特に被測定物に接触する探針を有するカンチレバーの変位を検出するための第１の変位検出光学系と、被測定物の変位を検出するための第２の変位検出光学系とを備えるプローブ顕微鏡に関する。

従来、被測定物に接触する探針を有するカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出するための第１の変位検出光学系と、被測定物の変位を検出するための第２の変位検出光学系とを備え、被測定物の表面を走査することで被測定物の表面形状を観察するプローブ顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の走査型プローブ顕微鏡装置（プローブ顕微鏡）は、カンチレバーと、カンチレバーにレーザビームを照射することでカンチレバーの変位を検出するプローブ顕微鏡（第１の変位検出光学系）と、被測定物にレーザビームを照射することで被測定物の変位を検出するレーザ顕微鏡（第２の変位検出光学系）とを備えている。また、走査型プローブ顕微鏡装置は、レーザビームの方向を変更することによって、カンチレバーにレーザビームを照射する光路と、被測定物にレーザビームを照射する光路とを変換する光路変換部を備えている。そして、走査型プローブ顕微鏡装置は、光路変換部にて光路の変換をすることで、プローブ顕微鏡によるカンチレバーの変位の検出と、レーザ顕微鏡による被測定物の変位の検出とを切り替えている。

特開平７−１９８７３０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の走査型プローブ顕微鏡装置では、光路変換部にて光路の変換をすることで、プローブ顕微鏡によるカンチレバーの変位の検出と、レーザ顕微鏡による被測定物の変位の検出とを切り替えているので、被測定物における同一の箇所を測定することが困難であるという問題がある。また、プローブ顕微鏡、及びレーザ顕微鏡は、別体として構成されているので、走査型プローブ顕微鏡装置が大型化し、ひいては走査型プローブ顕微鏡装置の製造コストが増加するという問題がある。

本発明の目的は、第１変位検出光学系、及び第２変位検出光学系にて被測定物における同一の箇所を容易に測定することができ、第１変位検出光学系、及び第２変位検出光学系を一体化することができるプローブ顕微鏡を提供することにある。

本発明のプローブ顕微鏡は、被測定物に接触する探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を検出するための第１の変位検出光学系と、前記被測定物の変位を検出するための第２の変位検出光学系とを備え、前記被測定物の表面を走査することで前記被測定物の表面形状を観察するプローブ顕微鏡であって、前記第１の変位検出光学系は、前記カンチレバーに光を照射するための第１の光源と、前記第１の光源から射出され、前記カンチレバーにて反射される反射光を受光することで前記カンチレバーの変位を検出する第１の変位検出手段とを備え、前記第２の変位検出光学系は、前記被測定物に前記第１の光源と異なる波長の光を照射するための第２の光源と、前記第２の光源から射出され、前記被測定物にて反射される反射光を受光することで前記被測定物の変位を検出する第２の変位検出手段とを備え、前記カンチレバーと、前記各光源との間に配設され、前記第１の光源から射出される光の波長に対して前記カンチレバーの位置を焦点とし、且つ、前記第２の光源から射出される光の波長に対して前記被測定物の位置を焦点とする対物レンズを備えることを特徴とする。

ここで、波長の長い光が対物レンズに入射したときの焦点距離は、対物レンズの色収差の影響によって波長の短い光が対物レンズに入射したときの焦点距離よりも長くなる。したがって、第１の光源から射出される光の波長、及び第２の光源から射出される光の波長に対する対物レンズの焦点距離は、対物レンズに用いられる硝材によって定めることができる。
本発明によれば、プローブ顕微鏡は、第１の光源から射出される光の波長に対してカンチレバーの位置を焦点とし、且つ、第２の光源から射出される光の波長に対して被測定物の位置を焦点とする対物レンズを備えるので、カンチレバーに光を照射する光路と、被測定物に光を照射する光路とを同じ光路とすることができる。したがって、第１変位検出光学系、及び第２変位検出光学系にて被測定物における同一の箇所を容易に測定することができ、第１変位検出光学系、及び第２変位検出光学系を一体化することができる。

本発明では、前記第２の光源から射出される光の波長に対する前記対物レンズの焦点を、前記探針の先端位置とすることが好ましい。
このような構成によれば、第２の変位検出手段は、カンチレバーの探針を被測定物に接触させている状態で被測定物の変位を検出することができる。したがって、プローブ顕微鏡は、第１の変位検出光学系、及び第２の変位検出光学系にてカンチレバー、及び被測定物の変位を同時に検出することができる。

本発明では、前記第２の光源から射出される光の波長に対する前記対物レンズの焦点を、前記探針の先端位置より前記被測定物側の位置とすることが好ましい。
このような構成によれば、第２の変位検出手段は、カンチレバーの探針と、被測定物とを離間させている状態で被測定物の変位を検出することができる。したがって、第２の変位検出光学系にて被測定物の変位を検出しているときに、カンチレバーの探針、及び被測定物の接触を防止することができ、探針の破損を防止することができる。

本発明では、前記各変位検出光学系は、所定の位置に設けられ、前記各光源から射出される光を反射する参照面を備え、前記各変位検出手段は、前記参照面にて反射される光と、前記反射光との干渉光に基づいて、変位を検出することが好ましい。
このような構成によれば、前述したプローブ顕微鏡と同様の作用効果を奏することができる。

本発明では、前記各変位検出光学系は、前記反射光を所定の位置に集光する結像レンズと、前記結像レンズにて集光される光を透過させるピンホールとを備え、前記各変位検出手段は、前記ピンホールを透過する光に基づいて、変位を検出することが好ましい。
このような構成によれば、前述したプローブ顕微鏡と同様の作用効果を奏することができる。

本発明では、前記結像レンズは、アクロマートレンズであることが好ましい。
このような構成によれば、アクロマートレンズは、透過する光の波長によって焦点の位置が変化しないので、各変位検出光学系は、第１の光源から射出される光と、第２の光源から射出される光とを切り替えることによって、結像レンズ、ピンホール、及び変位検出手段を共用することができる。したがって、プローブ顕微鏡の部品点数を削減することができる。

本発明では、前記第２の光源から射出され、前記被測定物にて反射される反射光を所定の位置に集光する結像レンズと、前記結像レンズにて集光される光を受光することで前記被測定物を観察する観察手段を備えることが好ましい。
このような構成によれば、プローブ顕微鏡は、第２の変位検出光学系にて被測定物の変位を検出するとともに、観察手段にて結像レンズの焦点距離に応じた倍率で被測定物を拡大して観察することができる。

本発明の第１実施形態に係るプローブ顕微鏡を示す模式図。 前記実施形態における第１の光源から射出される光が対物レンズに入射したときの焦点距離と、第２の光源から射出される光が対物レンズに入射したときの焦点距離との関係を示す図。 前記実施形態における代表的な硝材ＢＫ７の波長ごとの屈折率を示す図。 本発明の第２実施形態に係るプローブ顕微鏡の要部を示す模式図。 本発明の第３実施形態に係るプローブ顕微鏡を示す模式図。 前記実施形態におけるカンチレバーの探針を被測定物に接触させた状態におけるプローブ顕微鏡を示す模式図。 本発明の第４実施形態に係るプローブ顕微鏡の第１の変位検出光学系における光路を示す模式図。 前記実施形態におけるプローブ顕微鏡の第２の変位検出光学系における光路を示す模式図。 本発明の第５実施形態に係るプローブ顕微鏡を示す模式図。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るプローブ顕微鏡１を示す模式図である。なお、図１では、鉛直上方向を＋Ｚ軸とし、このＺ軸と直交する２軸をそれぞれＸ，Ｙ軸としている。以下の図面においても同様である。
プローブ顕微鏡１は、図１に示すように、被測定物Ｗに接触する探針２１を有するカンチレバー２と、第１の変位検出光学系３と、第２の変位検出光学系４と、各変位検出光学系３，４を一体化するための共用光学系５と、参照ミラー６と、対物レンズ７と、ＰＣ（Personal Computer）８とを備え、Ｘ軸、及びＹ軸方向に被測定物Ｗの表面を走査することで被測定物Ｗの表面形状を観察するものである。

第１の変位検出光学系３は、カンチレバー２の変位を検出するためのものであり、共用光学系５、及び参照ミラー６を含んで構成される。なお、図１では、第１の変位検出光学系３における光路を実線で示している。以下の図面においても同様である。この第１の変位検出光学系３は、＋Ｚ軸方向側に配設され、カンチレバー２に光を照射するための第１の光源３１と、第１の光源３１から射出される光を平行化するコリメータレンズ３２と、共用光学系５を介して入射した光を所定の位置に集光する結像レンズ３３と、結像レンズ３３にて集光される光の強度を検出する光検出素子３４とを備える。

第２の変位検出光学系４は、被測定物Ｗの変位を検出するためのものであり、共用光学系５、及び参照ミラー６を含んで構成される。なお、図１では、第２の変位検出光学系４における光路を破線で示している。以下の図面においても同様である。この第２の変位検出光学系４は、−Ｘ軸方向側に配設され、被測定物Ｗに第１の光源３１と異なる波長の光を照射するための第２の光源４１と、第２の光源４１から射出される光を平行化するコリメータレンズ４２と、共用光学系５を介して入射した光を所定の位置に集光する結像レンズ４３と、結像レンズ４３にて集光される光の強度を検出する光検出素子４４とを備える。
なお、光検出素子３４，４４による検出の結果は、ＰＣ８に出力されて処理される。すなわち、本実施形態では、第１の変位検出手段は、光検出素子３４と、ＰＣ８とで構成され、第２の変位検出手段は、光検出素子４４と、ＰＣ８とで構成されている。

共用光学系５は、ビームスプリッタ５１，５２と、バンドパスフィルタ５３とを備える。
各ビームスプリッタ５１，５２は、入射する光の一部を界面５１１，５２１にて反射させるとともに、他の一部を透過させるものであり、それぞれ同一の機能を有している。
バンドパスフィルタ５３は、第１の光源３１から射出され、光検出素子３４に至る光と、第２の光源４１から射出され、光検出素子３４に至る光とを界面５３１にて分離する機能を有している。具体的に、界面５３１は、第１の光源３１から射出される光を透過させ、第２の光源４１から射出される光を反射させる。
参照ミラー６は、所定の位置に設けられ、入射した光を反射する参照面６Ａを有している。

対物レンズ７は、カンチレバー２と、各光源３１，４１との間に配設され、各変位検出光学系３，４で共用している。また、対物レンズ７は、第１の光源３１から射出される光の波長λ１に対してカンチレバー２の位置を焦点とし、且つ、第２の光源４１から射出される光の波長λ２に対して探針２１の先端位置を焦点とするように設計され、配置されている。すなわち、カンチレバー２の探針２１を被測定物Ｗに接触させている状態では、対物レンズ７は、第２の光源４１から射出される光の波長λ２に対して被測定物Ｗの位置を焦点とするように設計され、配置されている。

なお、本実施形態では、各波長λ１，λ２の関係は、λ１＜λ２とされている。これは、波長の長い光が対物レンズ７に入射したときの焦点距離は、対物レンズ７の色収差の影響によって波長の短い光が対物レンズ７に入射したときの焦点距離よりも長くなるためである。ここで、各波長λ１，λ２に対する対物レンズ７の焦点距離は、対物レンズ７に用いられる硝材によって定まる。以下、これらの選定について説明する。

図２は、第１の光源３１から射出される光が対物レンズ７に入射したときの焦点距離ｆと、第２の光源４１から射出される光が対物レンズ７に入射したときの焦点距離との関係を示す図である。
第１の光源３１から射出される光の波長λ１に対する焦点距離ｆ、及び第２の光源４１から射出される光の波長λ２に対する焦点距離のシフト量を、図２に示すように、δｆとすると、シフト量δｆは、以下の式（１）で表される。なお、ｎ_１は、波長λ１における対物レンズ７の屈折率であり、ｎ_２は、波長λ２における対物レンズ７の屈折率である。

図３は、代表的な硝材ＢＫ７の波長ごとの屈折率を示す図である。
例えば、対物レンズ７に用いられる硝材をＢＫ７とし、波長λ１を６５６ｎｍ、波長λ２を７８０ｎｍとし、シフト量δｆをカンチレバー２の位置から探針２１の先端位置までの長さ１５μｍとして、前述した式（１）に代入すると、以下の式（２）に示すように、波長λ１に対する対物レンズ７の焦点距離ｆは、２．５６ｍｍとなる。

すなわち、対物レンズ７に用いられる硝材をＢＫ７とし、波長λ１を６５６ｎｍ、波長λ２を７８０ｎｍとした場合には、波長λ１に対する焦点距離ｆ＝２．５６ｍｍの対物レンズ７を採用することによって、対物レンズ７は、第１の光源３１から射出される光の波長λ１に対してカンチレバー２の位置を焦点とし、且つ、第２の光源４１から射出される光の波長λ２に対して探針２１の先端位置を焦点とすることができる。

次に、変位検出光学系３における光路、すなわち第１の光源３１から光検出素子３４に至る光路について、図１を参照して説明する。
第１の光源３１から射出された光は、コリメータレンズ３２にて平行化され、ビームスプリッタ５１に入射する。ビームスプリッタ５１に入射した光の一部は、界面５１１を透過してビームスプリッタ５２に入射する。ビームスプリッタ５２に入射した光の一部は、界面５２１にて参照ミラー６に向かって反射され、他の一部は、界面５２１を透過して対物レンズ７に入射する。対物レンズ７に入射した光は、波長λ１に対する対物レンズ７の焦点の位置であるカンチレバー２の背面に集光される。

そして、参照ミラー６の参照面６Ａにて反射された光（以下、参照光とする）、及びカンチレバー２にて反射された反射光（以下、測定光とする）は、ビームスプリッタ５２に入射する。ビームスプリッタ５２に入射した参照光の一部は、界面５２１を透過し、ビームスプリッタ５２に入射した測定光の一部は、界面５２１にて反射される。したがって、参照光、及び測定光は、合成されて干渉光となってバンドパスフィルタ５３に入射する。バンドパスフィルタ５３に入射した干渉光は、界面５３１を透過して結像レンズ３３に入射する。結像レンズ３３に入射した干渉光は、所定の位置に集光される。結像レンズ３３にて集光される干渉光は、光検出素子３４に入射する。光検出素子３４は、ＰＣ８による制御の下、結像レンズ３３にて集光される干渉光を検出し、ＰＣ８は、検出された干渉光の強度に基づいてカンチレバー２の変位を検出する。すなわち、第１の変位検出手段は、第１の光源３１から射出され、カンチレバー２にて反射される反射光を受光することでカンチレバー２の変位を検出する。

また、変位検出光学系４における光路、すなわち第２の光源４１から光検出素子４４に至る光路について説明する。
第２の光源４１から射出された光は、コリメータレンズ４２にて平行化され、ビームスプリッタ５１に入射する。ビームスプリッタ５１に入射した光の一部は、界面５１１にて反射され、ビームスプリッタ５２に入射する。ビームスプリッタ５２に入射した光の一部は、界面５２１にて参照ミラー６に向かって反射され、他の一部は、界面５２１を透過して対物レンズ７に入射する。対物レンズ７に入射した光は、波長λ２に対する対物レンズ７の焦点の位置である探針２１の先端位置に集光される。

そして、参照ミラー６の参照面６Ａにて反射された光（以下、参照光とする）、及び被測定物Ｗにて反射された反射光（以下、測定光とする）は、ビームスプリッタ５２に入射する。ビームスプリッタ５２に入射した参照光の一部は、界面５２１を透過し、ビームスプリッタ５２に入射した測定光の一部は、界面５２１にて反射される。したがって、参照光、及び測定光は、合成されて干渉光となってバンドパスフィルタ５３に入射する。バンドパスフィルタ５３に入射した干渉光は、界面５３１にて反射され、結像レンズ４３に入射する。結像レンズ４３に入射した干渉光は、所定の位置に集光される。結像レンズ４３にて集光される干渉光は、光検出素子４４に入射する。光検出素子４４は、ＰＣ８による制御の下、結像レンズ４３にて集光される干渉光を検出し、ＰＣ８は、検出された干渉光の強度に基づいて被測定物Ｗの変位を検出する。すなわち、第２の変位検出手段は、第２の光源４１から射出され、被測定物Ｗにて反射される反射光を受光することで被測定物Ｗの変位を検出する。

このような本実施形態によれば以下の効果がある。
（１）プローブ顕微鏡１は、第１の光源３１から射出される光の波長λ１に対してカンチレバー２の位置を焦点とし、且つ、第２の光源４１から射出される光の波長λ２に対して被測定物Ｗの位置を焦点とする対物レンズ７を備えるので、カンチレバー２に光を照射する光路と、被測定物Ｗに光を照射する光路とを同じ光路とすることができる。したがって、第１変位検出光学系３、及び第２変位検出光学系４にて被測定物Ｗにおける同一の箇所を容易に測定することができ、第１変位検出光学系３、及び第２変位検出光学系４を一体化することができる。
（２）第２の変位検出手段は、カンチレバー２の探針２１を被測定物Ｗに接触させている状態で被測定物Ｗの変位を検出することができる。したがって、プローブ顕微鏡１は、第１の変位検出光学系３、及び第２の変位検出光学系４にてカンチレバー２、及び被測定物Ｗの変位を同時に検出することができる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態を図面に基づいて説明する。
図４は、本発明の第２実施形態に係るプローブ顕微鏡１Ａの要部を示す模式図である。具体的に、図４（Ａ）は、カンチレバー２の探針２１を被測定物Ｗに接触させている状態を示す図であり、図４（Ｂ）は、カンチレバー２の探針２１を被測定物Ｗから離間させている状態を示す図である。
なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

前記第１実施形態では、対物レンズ７は、第１の光源３１から射出される光の波長λ１に対してカンチレバー２の位置を焦点とし、且つ、第２の光源４１から射出される光の波長λ２に対して探針２１の先端位置を焦点とするように設計され、配置されていた。これに対して、本実施形態では、対物レンズ７Ａは、図４に示すように、第１の光源３１から射出される光の波長λ１に対してカンチレバー２の位置を焦点とし、且つ、第２の光源４１から射出される光の波長λ２に対して探針２１の先端位置より被測定物Ｗ側の位置を焦点とするように設計され、配置されている点で異なる。

例えば、対物レンズ７Ａに用いられる硝材をＢＫ７とし、波長λ１を４０５ｎｍ、波長λ２を７８０ｎｍとし、波長λ１に対する対物レンズ７Ａの焦点距離ｆを３０ｍｍとして、前述した式（１）に代入すると、シフト量δｆは、１．１ｍｍとなる。したがって、シフト量δｆをカンチレバー２の位置から探針２１の先端位置までの長さ１５μｍより大きくすることができるので、対物レンズ７Ａは、第１の光源３１から射出される光の波長λ１に対してカンチレバー２の位置を焦点とし、且つ、第２の光源４１から射出される光の波長λ２に対して探針２１の先端位置より被測定物Ｗ側の位置を焦点とすることができる。

カンチレバー２の探針２１を被測定物Ｗに接触させた状態とすると、図４（Ａ）に示すように、被測定物Ｗの表面は、波長λ２に対する対物レンズ７Ａの焦点位置にないので、第２の変位検出光学系４は、被測定物Ｗの変位を検出することができない。
これに対して、被測定物Ｗの表面をＺ軸方向に沿って移動させて、被測定物Ｗの表面、及び波長λ２に対する対物レンズ７Ａの焦点位置を一致させた状態とすると、図４（Ｂ）に示すように、第２の変位検出光学系４は、被測定物Ｗの変位を検出することができる。

このような本実施形態においても、前記第１実施形態における（１）と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（３）光検出素子４４は、カンチレバー２の探針２１と、被測定物Ｗとを離間させている状態で被測定物Ｗの変位を検出することができる。したがって、第２の変位検出光学系４にて被測定物Ｗの変位を検出しているときに、カンチレバー２の探針２１、及び被測定物Ｗの接触を防止することができ、探針２１の破損を防止することができる。

〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態を図面に基づいて説明する。
図５は、本発明の第３実施形態に係るプローブ顕微鏡１Ｂを示す模式図である。
前記第１実施形態では、プローブ顕微鏡１は、各変位検出手段は、参照ミラー６の参照面６Ａにて反射された参照光と、測定光との干渉光に基づいて、変位を検出していた。これに対して、本実施形態では、プローブ顕微鏡１Ｂは、図５に示すように、各変位検出光学系３Ｂ，４Ｂを備え、各変位検出光学系３Ｂ，４Ｂは、前記第１実施形態における参照ミラー６に代えて、ピンホール３５，４５を備えている。そして、各変位検出手段は、ピンホール３５，４５を透過する光に基づいて、変位を検出する点で異なる。具体的に、本実施形態では、共焦点方式を採用することによって、各変位検出光学系３Ｂ，４Ｂは、カンチレバー２、及び被測定物Ｗの変位を検出する。

ピンホール３５は、結像レンズ３３の焦点位置に設けられ、カンチレバー２の背面、及び波長λ１に対する対物レンズ７Ａの焦点位置を一致させた状態とすると、結像レンズ３３にて集光される光を透過させる。
ピンホール４５は、結像レンズ４３の焦点位置に設けられ、被測定物Ｗの表面、及び波長λ２に対する対物レンズ７Ａの焦点位置を一致させた状態とすると、結像レンズ４３にて集光される光を透過させる。

次に、変位検出光学系３Ｂにおける光路について説明する。
第１の光源３１から射出された光は、図５に示すように、コリメータレンズ３２、ビームスプリッタ５１，５２、及び対物レンズ７Ａを介してカンチレバー２にて反射され、対物レンズ７Ａ、及びビームスプリッタ５２を介してバンドパスフィルタ５３に入射する。バンドパスフィルタ５３に入射した反射光は、界面５３１を透過して結像レンズ３３に入射する。結像レンズ３３に入射した反射光は、所定の位置に集光される。結像レンズ３３にて集光される反射光は、ピンホール３５を介して光検出素子３４に入射する。光検出素子３４は、ＰＣ８による制御の下、結像レンズ３３にて集光される反射光を検出し、ＰＣ８は、検出された反射光の強度に基づいてカンチレバー２の変位を検出する。すなわち、第１の変位検出手段は、第１の光源３１から射出され、カンチレバー２にて反射される反射光を受光することでカンチレバー２の変位を検出する。

また、変位検出光学系４Ｂにおける光路について説明する。なお、被測定物Ｗの表面、及び波長λ２に対する対物レンズ７Ａの焦点位置は一致した状態であるものとする。
第２の光源４１から射出された光は、コリメータレンズ４２、ビームスプリッタ５１，５２、及び対物レンズ７Ａを介して被測定物Ｗにて反射され、対物レンズ７Ａ、及びビームスプリッタ５２を介してバンドパスフィルタ５３に入射する。バンドパスフィルタ５３に入射した反射光は、界面５３１にて反射され、結像レンズ４３に入射する。結像レンズ４３に入射した反射光は、所定の位置に集光される。結像レンズ４３にて集光される反射光は、ピンホール４５を介して光検出素子４４に入射する。光検出素子４４は、ＰＣ８による制御の下、結像レンズ４３にて集光される反射光を検出し、ＰＣ８は、検出された反射光の強度に基づいて被測定物Ｗの変位を検出する。すなわち、第２の変位検出手段は、第２の光源４１から射出され、被測定物Ｗにて反射される反射光を受光することで被測定物Ｗの変位を検出する。

図６は、カンチレバー２の探針２１を被測定物Ｗに接触させた状態におけるプローブ顕微鏡１Ｂを示す模式図である。
カンチレバー２の探針２１を被測定物Ｗに接触させた状態とすると、図６に示すように、被測定物Ｗの表面、及び波長λ２に対する対物レンズ７Ａの焦点位置は一致せず、ピンホール４５は、結像レンズ４３にて集光される光を透過させることができなくなるので、第２の変位検出光学系４Ｂは、被測定物Ｗの変位を検出することができない。

したがって、変位検出光学系３Ｂにてカンチレバー２の変位を検出する場合には、光検出素子３４にて検出される光の強度を一定とするように、すなわちカンチレバー２の背面、及び波長λ１に対する対物レンズ７Ａの焦点位置を一致させた状態とするように、被測定物ＷをＺ軸方向に沿って移動させる。そして、変位検出光学系３Ｂは、被測定物Ｗの移動量をカンチレバー２の変位として検出する。
また、変位検出光学系４Ｂにて被測定物Ｗの変位を検出する場合には、光検出素子４４にて検出される光の強度を一定とするように、すなわち被測定物Ｗの表面、及び波長λ２に対する対物レンズ７Ａの焦点位置を一致させた状態とするように、被測定物ＷをＺ軸方向に沿って移動させる。そして、変位検出光学系４Ｂは、被測定物Ｗの移動量を被測定物Ｗの変位として検出する。

このような本実施形態においても、前記第２実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。

〔第４実施形態〕
以下、本発明の第４実施形態を図面に基づいて説明する。
図７は、本発明の第４実施形態に係るプローブ顕微鏡１Ｃの第１の変位検出光学系３Ｃにおける光路を示す模式図である。図８は、プローブ顕微鏡１Ｃの第２の変位検出光学系４Ｃにおける光路を示す模式図である。

前記第３実施形態では、プローブ顕微鏡１Ｂは、各変位検出光学系３Ｂ，４Ｂと、共用光学系５とを備え、各変位検出光学系３Ｂ，４Ｂは、結像レンズ３３，４３と、光検出素子３４，４４と、ピンホール３５，４５とを備え、共用光学系５は、バンドパスフィルタ５３を備えていた。
これに対して、本実施形態では、プローブ顕微鏡１Ｃは、図７、及び図８に示すように、各変位検出光学系３Ｃ，４Ｃと、共用光学系５Ｃとを備え、各変位検出光学系３Ｃ，４Ｃは、結像レンズとしてのアクロマートレンズ１３と、光検出素子１４と、ピンホール１５とを備え、共用光学系５は、前記第３実施形態におけるバンドパスフィルタ５３を備えていない点で異なる。なお、ピンホール１５は、アクロマートレンズ１３の焦点位置に設けられている。

変位検出光学系３Ｃにてカンチレバー２の変位を検出する場合には、図７に示すように、第１の光源３１からのみ光を射出する。
また、変位検出光学系４Ｃにて被測定物Ｗの変位を検出する場合には、図８に示すように、第２の光源４１からのみ光を射出する。

このような本実施形態においても、前記第３実施形態と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（４）アクロマートレンズ１３は、透過する光の波長によって焦点の位置が変化しないので、各変位検出光学系３Ｃ，４Ｃは、第１の光源３１から射出される光と、第２の光源４１から射出される光とを切り替えることによって、アクロマートレンズ１３（結像レンズ）、ピンホール１５、及び光検出素子１４を共用することができる。したがって、プローブ顕微鏡１Ｃの部品点数を削減することができる。

〔第５実施形態〕
以下、本発明の第５実施形態を図面に基づいて説明する。
図９は、本発明の第５実施形態に係るプローブ顕微鏡１Ｄを示す模式図である。
本実施形態では、プローブ顕微鏡１Ｄは、図９に示すように、ビームスプリッタ５２、及びバンドパスフィルタ５３の間に配設され、バンドパスフィルタ５３と同一の機能を有するバンドパスフィルタ９１と、第２の光源４１から射出され、被測定物Ｗにて反射される反射光を所定の位置に集光する結像レンズ９２と、結像レンズ９２にて集光される光を受光することで被測定物Ｗを観察する観察手段としてのカメラ９３とを備えている点で前記第３実施形態と異なる。

具体的に、第２の光源４１から射出された光は、コリメータレンズ４２、ビームスプリッタ５１，５２、及び対物レンズ７Ａを介して被測定物Ｗにて反射され、対物レンズ７Ａ、及びビームスプリッタ５２を介してバンドパスフィルタ９１に入射する。バンドパスフィルタ９１に入射した反射光は、界面９１１にて反射され、結像レンズ９２に入射する。結像レンズ９２に入射した反射光は、所定の位置に集光される。結像レンズ９２にて集光される反射光は、カメラ９３に入射する。カメラ９３は、ＰＣ８による制御の下、結像レンズ９２にて集光される反射光を検出し、検出された反射光に基づいて被測定物Ｗを観察する。
なお、カメラ９３にて観察される像の拡大率は、対物レンズ７Ａの焦点距離と、結像レンズ９２の焦点距離との関係で定まる。例えば、対物レンズ７Ａの焦点距離を３０ｍｍとし、結像レンズ９２の焦点距離を３００ｍｍとすれば、拡大率は１０倍（３００ｍｍ／３０ｍｍ）となる。

このような本実施形態においても、前記第３実施形態と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（５）プローブ顕微鏡１Ｄは、第２の変位検出光学系４Ｂにて被測定物Ｗの変位を検出するとともに、カメラ９３にて結像レンズ９２の焦点距離に応じた倍率で被測定物Ｗを拡大して観察することができる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。また、前記各実施形態を組み合わせることは自由である。
例えば、前記第１〜３，５実施形態では、プローブ顕微鏡１，１Ａ，１Ｂ，１Ｄは、バンドパスフィルタ５３を備えていたが、第１の光源から射出される光と、第２の光源から射出される光とを切り替えることによって、バンドパスフィルタを省略することができる。
前記各実施形態では、第２の光源４１は、−Ｘ軸方向側に配設されていたが、＋Ｘ軸方向側に配設されていてもよい。なお、この場合には、ビームスプリッタ５１における界面５１１の向きを反転させればよい。

本発明は、プローブ顕微鏡に利用でき、特に、被測定物に接触する探針を有するカンチレバーの変位を検出するための第１の変位検出光学系と、被測定物の変位を検出するための第２の変位検出光学系とを備えるプローブ顕微鏡に好適に利用することができる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…プローブ顕微鏡
２…カンチレバー
３，３Ｂ，３Ｃ…第１の変位検出光学系
４，４Ｂ，４Ｃ…第２の変位検出光学系
６Ａ…参照面
７，７Ａ…対物レンズ
８…ＰＣ（第１の変位検出手段、及び第２の変位検出手段）
１３…アクロマートレンズ
１４…光検出素子（第１の変位検出手段、及び第２の変位検出手段）
１５，３５，４５…ピンホール
２１…探針
３１…第１の光源
３３，４３，９２…結像レンズ
３４…光検出素子（第１の変位検出手段）
４１…第２の光源
４４…光検出素子（第２の変位検出手段）
９３…カメラ（観察手段）

Claims (7)

1. 被測定物に接触する探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を検出するための第１の変位検出光学系と、前記被測定物の変位を検出するための第２の変位検出光学系とを備え、前記被測定物の表面を走査することで前記被測定物の表面形状を観察するプローブ顕微鏡であって、
   前記第１の変位検出光学系は、
   前記カンチレバーに光を照射するための第１の光源と、
   前記第１の光源から射出され、前記カンチレバーにて反射される反射光を受光することで前記カンチレバーの変位を検出する第１の変位検出手段とを備え、
   前記第２の変位検出光学系は、
   前記被測定物に前記第１の光源と異なる波長の光を照射するための第２の光源と、
   前記第２の光源から射出され、前記被測定物にて反射される反射光を受光することで前記被測定物の変位を検出する第２の変位検出手段とを備え、
   前記カンチレバーと、前記各光源との間に配設され、前記第１の光源から射出される光の波長に対して前記カンチレバーの位置を焦点とし、且つ、前記第２の光源から射出される光の波長に対して前記被測定物の位置を焦点とする対物レンズを備えることを特徴とするプローブ顕微鏡。
2. 請求項１に記載のプローブ顕微鏡において、
   前記第２の光源から射出される光の波長に対する前記対物レンズの焦点を、前記探針の先端位置とすることを特徴とするプローブ顕微鏡。
3. 請求項１に記載のプローブ顕微鏡において、
   前記第２の光源から射出される光の波長に対する前記対物レンズの焦点を、前記探針の先端位置より前記被測定物側の位置とすることを特徴とするプローブ顕微鏡。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のプローブ顕微鏡において、
   前記各変位検出光学系は、
   所定の位置に設けられ、前記各光源から射出される光を反射する参照面を備え、
   前記各変位検出手段は、前記参照面にて反射される光と、前記反射光との干渉光に基づいて、変位を検出することを特徴とするプローブ顕微鏡。
5. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のプローブ顕微鏡において、
   前記各変位検出光学系は、
   前記反射光を所定の位置に集光する結像レンズと、
   前記結像レンズにて集光される光を透過させるピンホールとを備え、
   前記各変位検出手段は、前記ピンホールを透過する光に基づいて、変位を検出することを特徴とするプローブ顕微鏡。
6. 請求項５に記載のプローブ顕微鏡において、
   前記結像レンズは、アクロマートレンズであることを特徴とするプローブ顕微鏡。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載のプローブ顕微鏡において、
   前記第２の光源から射出され、前記被測定物にて反射される反射光を所定の位置に集光する結像レンズと、
   前記結像レンズにて集光される光を受光することで前記被測定物を観察する観察手段を備えることを特徴とするプローブ顕微鏡。

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