JP4540254B2 - 走査型近接場光学顕微鏡 - Google Patents
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Description
【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関し、特に、低コストで、小型で、セッティングがしやすく、高Ｓ／Ｎ比の走査型近接場光学顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
走査型近接場光学顕微鏡（以降、ＳＮＯＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｎｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅと表記）は、光の波長より小さい径の開口を先端部に持つプローブ、若しくは、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装置である。
【０００３】
この走査型近接場光学顕微鏡は、回折限界により分解能が制約される光学顕微鏡に比べ、上記の開口径若しくは先端部曲率半径（〜数十ｎｍ）程度の分解能まで得られるため、今後が期待されているものである。
【０００４】
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。その違いは、次の通りである。まず、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。一方、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。
【０００５】
これらの中、散乱型ＳＮＯＭは先端径を開口型の開口径に比べて小さくできるため、より高分解能型のＳＮＯＭとして期待されている。その動作を、図１０を参照にして説明すると、以下のようになる。
【０００６】
図１０は、プローブ、カンチレバーが光学的に不透明な散乱型のＳＮＯＭを示す図である。このタイプのＳＮＯＭは、例えば、Ｂ．Ｋｎｏｌｌ ａｎｄ Ｆ．Ｋｅｉｌｍａｎｎ，Ｓｃｉｅｎｃｅ ３９９（１９９９）ｐ．１３４等に記載されている。
【０００７】
プローブ２先端と試料１表面が十分近い一定距離の間隔を保つようにするため、原子間力顕微鏡（以降、ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）の原理を用いるのが一般的である。これは、プローブ２先端が試料１に近づくと、プローブ２先端と試料１との間に働く原子間力によって、プローブ２保持部材であるカンチレバー３が撓むことを利用し、常に一定の撓み量となるようにカンチレバー３〜試料１間をプローブ用のアクチュエーター４か試料台に取り付けたアクチュエーター２６を駆動することで垂直方向に動かして実現する（ＤＣモード）。
【０００８】
カンチレバー３の撓みの測定は、例えば光てこの原理を用いた検出器２５で行う。この他、プローブ用アクチュエーター４でプローブ２を上下若しくは試料１面と略平行方向に振動させておき、プローブ２先端の振幅が試料１表面との距離で変化することを使って、これが一定になるようにすることで間隔制御を行うこともできる（ＡＣモード）。
【０００９】
プローブ２は中心軸が試料１に略垂直になるように当て、カンチレバー３がそれに略垂直に設置されるときに、試料１面での滑りもなく、最も効率良く力がカンチレバー３の撓みに変換されるので、高い感度で距離制御ができる。しかし、カンチレバー３が試料１面に略平行に設置されると、試料１の凹凸によっては、カンチレバー３自身に試料１が接触することがあり得るので、約１０°傾けるのが普通である。
【００１０】
以上のような方法でプローブ２先端を試料１に近接させた状態で走査を行うが、走査にはコントローラー６により試料台に取り付けたアクチュエーター２６を作動させて試料３表面に略平行方向にラスタ走査を行う。
【００１１】
プローブ２先端への光の照射は、光源１６からの光を照射光学系２３によってプローブ２先端付近に照射することで行う。光源１６は、レーザー、キセノンランプ等にエクスパンダー、コリメーター等を適宜組み合わせて平行光を出射する。
【００１２】
光の照射により起きるプローブ２先端近傍からの散乱光を、集光レンズ９７、結像レンズ８を用いて集光させる。集光位置にピンホール１４を置くことによって、プローブ２先端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。ピンホール１４を通過した光は、光電子増倍管１５で電気信号に変換され、コンピューター１７で処理された後、測定結果としてモニター１８に表示される。
【００１３】
ピンホール１４に加え、カンチレバー３先端を加振させて距離制御を行う場合は、この振動によるプローブ２先端での光のモジュレーション（変調）を利用して光信号同期成分のみをロックイン検出器で検出することによりＳ／Ｎ比の向上も行われる。
【００１４】
以上の方法により、試料１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２先端径のオーダーにてその存在を表示することができる。
【００１５】
試料１上部に、対物レンズ７を配置し、結像レンズ９８を経て撮像素子９９により試料１上部を撮像し、その像を光学顕微鏡用モニター１００に表示して、試料１を通常の光学顕微観察できるようにすれば、ＳＮＯＭ観察のためのプローブ２の位置決めが容易となる。このような通常の光学顕微観察手段による観察系を持ち、適当な形状のプローブ２を使用することで、この対物レンズ７で検出系の集光レンズを兼ねるようにした散乱型ＳＮＯＭが特開平９−５４０９９号で開示されている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の散乱型走査型近接場光学顕微鏡は、不透明なプローブが使われることが多く、プローブ保持部もしばしば不透明である。このような不透明なプローブを利用するときには、別体の入射系で斜め方向から光を入射させていた。そのため、装置が大型になったり、また、照明光の調整が煩雑であったりするという問題があった。
【００１７】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コスト化、小型化を図ると共に、セッティングのしやすい走査型近接場光学顕微鏡を提供することである。さらに、このような構成での高Ｓ／Ｎ比化のための手段を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の走査型近接場光学顕微鏡は、照射光の中心波長より小さい先端径の鋭い先端を有する探針と、その探針を支える探針保持部材と、その探針先端を試料の略垂直上方から試料近傍に接近させる手段と、光源を含みその探針先端付近に光を照射する手段と、検出器を含みその探針先端付近からの光を検出する手段とを持つ光測定装置において、
試料の略垂直上方からの光学顕微観察手段を持ち、この光学顕微観察手段は試料に略垂直に配置された対物レンズを含み、
探針は、対物レンズの焦点位置付近で、探針の先端から中心波長以下の先端部を起点とする直線の少なくとも１本は探針及び探針保持部材に遮られることなく対物レンズの有効径の少なくとも一部を横切ることができるように配置され、
この対物レンズは探針先端に光を照射する手段の一部を兼ねることを特徴とするものである。
【００１９】
本発明のもう１つの走査型近接場光学顕微鏡は、照射光の中心波長より小さい先端径の鋭い先端を有する探針と、その探針を支える探針保持部材と、その探針先端を試料の略垂直上方から試料近傍に接近させる手段と、光源を含みその探針先端付近に光を照射する手段と、検出器を含みその探針先端付近からの光を検出する手段とを持つ光測定装置において、
試料の略垂直上方からの光学顕微観察手段を持ち、この光学顕微観察手段は試料に略垂直に配置された対物レンズを含み、
探針は、対物レンズの焦点位置付近で、探針の先端から中心波長以下の先端部を起点とする直線の少なくとも１本は探針及び探針保持部材に遮られることなく対物レンズの有効径の少なくとも一部を横切ることができるように配置され、
この対物レンズは探針先端に光を照射する手段の一部を兼ね、
探針を利用した光変調手段を持ち、
光検出手段は変調に同期した成分を検出する手段を含むことを特徴とするものである。
【００２０】
これらにおいて、光を照射する手段は、散乱除去手段を含むことが望ましい。
【００２１】
その場合に、その散乱除去手段は光源と対物レンズの間に配置され、光軸を含む遮光手段であることが望ましい。
【００２２】
また、照射光束断面に位相分布を与える手段を持つものであってもよい。
【００２３】
その場合に、少なくとも光軸に対称な２点に２分の１の波長の位相差を与えるものとすることができる。
【００２４】
以上において、入射光は単色光で、入射光と異なる波長の光で検出するようにしてもよい。
【００２５】
その入射光と異なる波長の光は、例えばラマン散乱光又はルミネセンス光である。
【００２６】
また、以上において、対物レンズは検出手段の一部も兼ねるようにすることもできる。
【００２７】
また、検出手段は試料反射光除去手段を含むものとすることもできる。
【００２８】
その場合に、試料反射光除去手段は対物レンズと検出器の間に配置され、試料面での反射光を遮光する遮光手段とすることができる。
【００２９】
その場合、検出光断面に位相分布を与える手段を持つようにすることもできる。
【００３０】
そして、少なくとも光軸に対称な検出光断面の２点に２分の１の波長の位相差を与えるものとすることができる。
【００３１】
以上において、試料とプローブを相対的に走査する走査手段と、プローブを試料近傍に維持するフィードバック手段と、各点での結果を記憶する記憶手段と、その結果を表示する表示手段を持つように構成することができる。
【００３２】
【発明実施の形態】
以下に、本発明の走査型近接場光学顕微鏡の特徴を説明した後、その実施例を図面を参照にして説明する。なお、各図面に関する説明において、同一の符号で用いられるものは同様の機能を持つ要素であることを表す。
【００３３】
（第１実施例）
図１に第１実施例について示す。本実施例でも、試料１に対するプローブ２、プローブ保持部材として使われるカンチレバー３の位置関係は従来技術で述べた構成と同様である。ただし、本実施例では、従来技術における観察光学系を照明光学系としても使用している点に特徴がある。
【００３４】
本実施例においては、従来技術における観察光学系、すなわち、対物レンズ７と、対物レンズ７で平行にされた試料１からの光束を撮像素子９９上に結像する結像レンズ９８と、撮像素子９９で撮像された試料１の像を表示する光学顕微鏡用モニター１００とからなる観察光学系を照明光学系としても使用するため、対物レンズ７と結像レンズ９８の間にハーフミラー９２が配置されている。これにより、光源装置１６からの光が対物レンズ７に導かれる。光源装置１６の光源としては、レーザーやキセノンランプが用いられる。また、光源装置１６には、エクスパンダーやコリメーター等の光学系が設けられている。そして、その光源から射出した光束が対物レンズ７の瞳を満たすように、この光学系によって光束径の拡大・縮小が行われている。
【００３５】
上記のような構成をとることにより、従来技術で観察光学系とは別に設けていた照明光学系２３（図１０）が不要になる。そのため、装置全体がコンパクトに構成されたＳＮＯＭを実現することができる。また、照明光学系が不要になったことで、試料１の周囲に空き空間が増える。そのため、検出光学系（集光レンズ９７、結像レンズ８、ピンホール１４、光電子増倍管１５を配置する際の自由度が増える。この結果、例えば、最も検出感度が高い位置に検出光学系を配置することもできる。
【００３６】
本実施例では、対物レンズ７を介して照明が行われるので、プローブ２の先端への照明は略垂直方向から行われる。ここで、プローブ２の先端に照明光を到達させるために、本実施例では、大きな開口数を有する対物レンズ７を用いている。また、プローブ２は、プローブ２の先端部から基底部（すなわち、カンチレバー３と接している部分）を結ぶ線を対物レンズ７側に延長したとき、この延長した線が対物レンズ７の有効径の少なくとも一部を横切るような形状を少なくとも備えている。言い換えると、プローブ２は、上記の延長した線と対物レンズ７の光軸Ｏで決まる開口数が、対物レンズ７の開口数よりも小さくなるような形状を備えている必要がある。
【００３７】
例えば、図２（ａ）に下から見た斜視図、同（ｂ）に側面図を示すプローブＡ１は従来のプローブで、形状は三角錐である。このプローブＡ１の先端部Ａ２から基底部Ａ３を結ぶ線の中、例えば稜線Ｌ１は対物レンズの光軸Ｏと平行であるので、先端部Ａ２から基底部Ａ３を結んだ線、すなわち稜線Ｌ１の延長線は対物レンズ７の有効径内に到達する。したがって、対物レンズ７を射出した照明光の中、矢印（図２（ｂ））で示す開口数の大きい照明光がプローブＡ１の面Ａ４、Ａ５に到達する。この結果、従来と同様に散乱光を利用した検出ができる。
【００３８】
また、図３に示すように、プローブＢ１の形状が円錐の場合、プローブＢ１の先端部Ｂ２から基底部Ｂ３を結ぶ線Ｌ２は円錐の母線になる。したがって、この母線Ｌ２と対物レンズ７の光軸Ｏとのなす角度をθ１、対物レンズ７の最大開口数で決まる角度をθ２としたときに、プローブＢ１の形状をθ１＜θ２となるような円錐形にすれば、矢印で示す開口数の大きい照明光がプローブＢ１の円錐面に到達する。よって、このような形状のプローブＢ１でも、従来と同様に散乱光を利用した検出ができる。
【００３９】
図１に戻って、照明光の照射により起きるプローブ２先端近傍からの散乱光を、集光レンズ９７と結像レンズ８を用いて集光させる。集光位置にピンホール１４を置くことによって、プローブ２先端近傍以外からの信号をカットし、周囲からの光ノイズを減らしている。ピンホール１４を通過した光は、光電子増倍管１５で電気信号に変換され、カンチレバー３先端の振動と同期した光信号成分のみをロックイン検出器９３で検出し、コンピューター１７で処理された後、測定結果としてモニター１８に表示される。同期信号検出を行っているため、しない場合に比べてＳ／Ｎ比良く画像を得ることができる。
【００４０】
以上の方法によりプローブ２先端での散乱光だけを取得することができ、試料１に材質の異なる物質が混ざっていたりした場合には、この散乱光量等に変動が生ずるので、プローブ２先端径のオーダーにてその存在を表示することができる。
【００４１】
また、光電子増倍管１５を分光器で置き換え、スキャンを行いながら各点に対応して散乱光のラマンスペクトル又はルミネッセンススペクトル、又は、それらの中の１波長のデータを蓄積、表示することで、ラマンＳＮＯＭ、又は、ルミネッセンスＳＮＯＭ画像が得られる。この場合、カンチレバー３等からの不要な散乱は波長が異なるため、ラマン、ルミネッセンスのデータに影響を与えないので、同期検出はなくてもＳ／Ｎ比の高い画像が得られる。また、ラマン信号が弱くてラマンＳＮＯＭ像をとるのに時間がかかりすぎる場合は、例えばＡＦＭ画像又は光学顕微鏡像だけをとって関心のある領域又は点を選択し、アクチュエーター２６でその領域を走査すれば、高分解能画像が得られ、また、その点に移動してラマン信号をとれば、微少領域でのラマン信号が得られる、
（第２実施例）
図４に第２実施例について示す。本実施例も、第１実施例と同じように、観察光学系と照明光学を一体で構成している。ただし、本実施例は、光源装置１６とハーフミラー９２の間に、遮光手段１０６を配置している点に特徴がある。遮光手段１０６は、図５に示すように、遮光部１０１と開口部１０２で構成されている。遮光手段１０６が光路中に配置されたときに、照明光学系の光軸と交わる位置１０４から偏心した位置に開口部１０２が設けられている。しかも、開口部１０２の位置は、遮光手段１０６に照射される照明光束の範囲１０３よりも内側になっている。
【００４２】
このような遮光手段１０６を照明光学系中に配置すると、光源装置１６から射出した照明光の中、開口部１０２を通過した照明光のみが対物レンズ７に入射する。このとき、開口部１０２は照明光学系の光軸から偏心した位置に設けられているので、開口部１０２を通過した照明光束は対物レンズ７の光軸Ｏから離れた位置に入射することになる。そのため、対物レンズ７から射出された照明光は、開口数の大きな範囲の光束、すなわち、対物レンズ７の光軸Ｏに対して大きく傾いた光束となるから、プローブ２の先端部を照射することができる。しかも、開口部１０２を通過した照明光以外の照明光は、遮光部１０１で遮光されるので、第１実施例のようにカンチレバー３を照明することがない。このように、本実施例の構成だと、カンチレバー３における照明光の散乱が生じないため、よりＳ／Ｎ比の高い検出が可能になる。
【００４３】
本実施例では、プローブ２の先端部のみを照明するために遮光手段１０６を用いたが、光源装置１６で遮光手段１０６と同じような作用を実現することができる。例えば、光源装置１６に設けられているコリメータで対物レンズ７の有効径より小さい光束を生成し、光源の位置を調整可能なステージにより光源位置を移動させて、対物レンズ７の光軸Ｏに対して偏心した位置に上記光束が入射するようにしてもよい。
【００４４】
そして、この照明光の照射により起きるプローブ２先端近傍からの散乱光を、集光レンズ９７を用いて集光させる。集光位置にピンホール１４を置くことによって、プローブ２先端近傍以外からの信号をカットし、周囲からの光ノイズを減らしている。ピンホール１４を通過した光は、光電子増倍管１５で電気信号に変換され、カンチレバー３先端の振動と同期した光信号成分のみをロックイン検出器９３で検出し、コンピューター１７で処理された後、測定結果としてモニター１８に表示される。同期信号検出を行っているため、しない場合に比べてＳ／Ｎ比良く画像を得ることができる。
【００４５】
以上の方法によりプローブ２先端での散乱だけを取得することができ、試料１に材質の異なる物質が混ざっていたりした場合には、この散乱光量等に変動が生ずるので、プローブ２先端径のオーダーにてその存在を表示することができる。
【００４６】
また、遮光手段１０６として、図６のような構成の遮光手段を用いることもできる。図６の遮光手段は、開口部１０２が２つあり、これらが軸１０４に対して対称に配置されている。そして、一方の開口部には通過する光の位相をλ／２遅らせる（あるいは進める）１／２波長板１０５が配置されている（λは波長）。このような構成にすると、開口部１０２を通過した各々の照明光は、図７に示すように、対物レンズ７の光軸Ｏから偏心した位置に入射する。ここで、図の矢印の方向の違いは、偏光方向は同じであるが、位相が異なることを示している。対物レンズ７から射出した各々の照明光は、開口数の大きな範囲の光束であるため、両方共プローブ２の先端部に到達する。プローブ２の先端部では両方の照明光が合成されるが、このとき、光軸に沿う方向に偏光した光が生じる。この方向に偏光した光は、試料１との相互作用が最も強い光と考えられるため、よりＳ／Ｎ比の高い検出が可能になる。プローブ２先端の形状によっては、他の偏光が適当であることも考えられるが、開口間の位相差を適宜変えることにより任意の偏光を発生させることができる。また、光源はレーザーであればすでに偏光しているが、光源により適宜偏光回転手段、偏光子のような偏光制限手段を併用してもよい。
【００４７】
（第３実施例）
図８に第３実施例について示す。試料１に対するプローブ２、プローブ保持部材として使われるカンチレバー３の位置関係は従来技術で述べた構成と同様である。プローブ２先端と試料１表面が十分近い一定距離の間隔を保つようにし、走査する方法は、従来技術と同様である。本実施例では、ＡＣモードによる距離制御を利用する。
【００４８】
プローブ２先端への光の照射は、光源装置１６からの光を対物レンズ７と結像レンズ９８の間に配置されたハーフミラー９２を介して対物レンズ７に導き、プローブ２先端付近に照射することで行う。光源装置１６は、レーザー、キセノンランプ等にエクスパンダー、コリメーター等を適宜組み合わせて平行光を出射する。
【００４９】
光の照射により起きるプローブ２先端近傍からの散乱光を再び対物レンズ７で受け、ハーフミラー９２を透過させ、対物レンズ７と結像レンズ９８の間に配置された別のハーフミラー９１で反射させ、結像レンズ８により集光させる。この構成により、さらにコンパクトな構成の散乱型ＳＮＯＭが実現される。
【００５０】
結像レンズ８の集光位置にピンホール１４を配置することによって、プローブ２先端近傍以外をカットし、周囲からの光ノイズを減らしている。ピンホール１４を通過した光は、光電子増倍管１５で電気信号に変換され、カンチレバー３先端の振動と同期した光信号成分のみをロックイン検出器９３で検出し、コンピューター１７で処理された後、測定結果としてモニター１８に表示される。同期信号検出を行っているため、しない場合に比べてＳ／Ｎ比良く画像を得ることができる。
【００５１】
照明光の入射径路上には、略垂直に置かれたプローブ２背面とその付近のカンチレバー３先端を避けるため、光軸Ｏから離れた部分のみ開けて残り部分は遮光した遮光手段１０６が置かれていて、カンチレバー３先端やプローブ２の先端以外での光の散乱を避けるようにしている。この構成によりさらにＳ／Ｎ比向上の効果がある。
【００５２】
また、検出光の光路上には、入射光の試料面での反射光を避ける遮光手段１０７が置かれていて、反射光によるノイズを避けている。これによりさらにＳ／Ｎ比向上の効果がある。
【００５３】
以上の構成により、プローブ２先端での散乱だけを取得することができ、試料１に材質の異なる物質が混ざっていたりした場合には、この散乱光量等に変動が生ずるので、プローブ２先端径のオーダーにてその存在を表示することができる。
【００５４】
また、遮光板１０６として図６のような形状のものを使い、開口部１０２を通った光束がカンチレバー３等に当たらないように適宜遮光板１０６を回転させ、ま、検出側にも同様な遮光手段１０７を用い、入射側遮光板１０６からの光束の試料面での反射光が遮光されるように適宜回転させると、プローブ２先端付近で図７で示したような光が発生し、検出側開口部には図９のような互いに逆向きの偏光が戻り、この偏光成分だけを選択的に検出することができる。なぜなら、この偏光の一方は１／２波長板１０５で偏光の向きが逆転するので、光電子増倍管１５上でお互いに強め合い、一方、プローブ２先端で同じ面内に偏光した成分があれば、これは逆に１／２波長板１０５で打ち消し合う関係になるからである。理想的な形状のプローブでは、この向きの偏光が試料１とより強く相互作用し、強いコントラストを発生させると考えられているので（Ｂ．Ｋｎｏｌｌ ａｎｄＦ．Ｋｅｉｌｍａｎｎ，Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ １８２（２０００）ｐ．３２１）、本方法はＳ／Ｎ比向上の効果がある。プローブ２先端の形状によっては、他の偏光が適当であることも考えられるが、開口間の位相差を適宜変えることにより任意の偏光を発生させることができる。また、光源はレーザーであればすでに偏光しているが、光源により適宜偏光回転手段、偏光子のような偏光制限手段を併用してもよい。Ｓ／Ｎ比向上のために必要に応じて検出側に偏光制限手段を入れてもよい。
【００５５】
以上の本発明の走査型近接場光学顕微鏡は例えば次のように構成することができる。
【００５６】
〔１〕 照射光の中心波長より小さい先端径の鋭い先端を有する探針と、その探針を支える探針保持部材と、その探針先端を試料の略垂直上方から試料近傍に接近させる手段と、光源を含みその探針先端付近に光を照射する手段と、検出器を含みその探針先端付近からの光を検出する手段とを持つ光測定装置において、
試料の略垂直上方からの光学顕微観察手段を持ち、この光学顕微観察手段は試料に略垂直に配置された対物レンズを含み、
探針は、対物レンズの焦点位置付近で、探針の先端から中心波長以下の先端部を起点とする直線の少なくとも１本は探針及び探針保持部材に遮られることなく対物レンズの有効径の少なくとも一部を横切ることができるように配置され、
この対物レンズは探針先端に光を照射する手段の一部を兼ねることを特徴とする走査型近接場光学顕微鏡。
【００５７】
〔２〕 照射光の中心波長より小さい先端径の鋭い先端を有する探針と、その探針を支える探針保持部材と、その探針先端を試料の略垂直上方から試料近傍に接近させる手段と、光源を含みその探針先端付近に光を照射する手段と、検出器を含みその探針先端付近からの光を検出する手段とを持つ光測定装置において、
試料の略垂直上方からの光学顕微観察手段を持ち、この光学顕微観察手段は試料に略垂直に配置された対物レンズを含み、
探針は、対物レンズの焦点位置付近で、探針の先端から中心波長以下の先端部を起点とする直線の少なくとも１本は探針及び探針保持部材に遮られることなく対物レンズの有効径の少なくとも一部を横切ることができるように配置され、
この対物レンズは探針先端に光を照射する手段の一部を兼ね、
探針を利用した光変調手段を持ち、
光検出手段は変調に同期した成分を検出する手段を含むことを特徴とする走査型近接場光学顕微鏡。
【００５８】
〔３〕 前記光を照射する手段は、散乱除去手段を含むことを特徴とする上記１又は２記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００５９】
〔４〕 前記散乱除去手段は前記光源と前記対物レンズの間に配置され、光軸を含む遮光手段であることを特徴とする上記３記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００６０】
〔５〕 照射光束断面に位相分布を与える手段を持つことを特徴とする上記３記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００６１】
〔６〕 少なくとも光軸に対称な２点に２分の１の波長の位相差を与えることを特徴とする上記５記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００６２】
〔７〕 入射光は単色光で、入射光と異なる波長の光で検出することを特徴とする上記１から６の何れか１項記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００６３】
〔８〕 前記入射光と異なる波長の光はラマン散乱光又はルミネセンス光であることを特徴とする上記７記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００６４】
〔９〕 前記対物レンズは検出手段の一部も兼ねることを特徴とする上記１から８の何れか１項記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００６５】
〔１０〕 前記検出手段は試料反射光除去手段を含むことを特徴とする上記１から９の何れか１項記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００６６】
〔１１〕 前記試料反射光除去手段は前記対物レンズと前記検出器の間に配置され、前記試料面での反射光を遮光する遮光手段であることを特徴とする上記１０記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００６７】
〔１２〕 検出光断面に位相分布を与える手段を持つことを特徴とする上記１１記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００６８】
〔１３〕 少なくとも光軸に対称な検出光断面の２点に２分の１の波長の位相差を与えることを特徴とする上記１２記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００６９】
〔１４〕 前記試料と前記プローブを相対的に走査する走査手段と、前記プローブを前記試料近傍に維持するフィードバック手段と、各点での結果を記憶する記憶手段と、その結果を表示する表示手段を持つことを特徴とする上記１から１３の何れか１項記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００７０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、位置決め用に設置された光学顕微鏡部の一部を構成する対物レンズを入射系の一部として利用することで、入射系と光学顕微鏡部を一体化し、低コスト化、小型化を図ると共に、セッティングのしやすい走査型近接場光学顕微鏡を提供することができ、さらに、高Ｓ／Ｎ比な走査型近接場光学顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の走査型近接場光学顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】三角錐形状のプローブにおいて本発明の原理により散乱光が検出できることを説明するための図である。
【図３】円錐形状のプローブにおいて本発明の原理により散乱光が検出できることを説明するための図である。
【図４】本発明の第２実施例の走査型近接場光学顕微鏡の構成を示す図である。
【図５】本発明で用いる遮光手段の１つの形状を示す図である。
【図６】本発明で用いる別の遮光手段の形状を示す図である。
【図７】図６の遮光手段を用いた場合の照明光の偏光の様子を示す図である。
【図８】本発明の第３実施例の走査型近接場光学顕微鏡の構成を示す図である。
【図９】図６の遮光手段を用いた場合の照明光と検出光の偏光の様子を示す図である。
【図１０】従来の走査型近接場光学顕微鏡の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…試料
２…プローブ
３…カンチレバー
４…アクチュエーター（プローブ用）
６…コントローラー
７…対物レンズ
８…結像レンズ（検出系）
１４…ピンホール
１５…光電子増倍管
１６…光源（光源装置）
１７…コンピューター
１８…モニター
２３…照射光学系
２５…検出器
２６…アクチュエーター（試料台用）
９１…ハーフミラー（検出側）
９２…ハーフミラー（照射側）
９３…ロックイン検出器
９７…集光レンズ（検出系）
９８…結像レンズ
９９…撮像素子
１００…光学顕微鏡用モニター
１０１…遮光部
１０２…開口部
１０３…照明光束の範囲
１０４…光軸と交わる位置（軸）
１０５…１／２波長板
１０６…遮光手段（遮光板：照射側）
１０７…遮光手段（遮光板：検出側）
Ｏ…対物レンズの光軸
Ａ１…プローブ
Ａ２…プローブの先端部
Ａ３…プローブの基底部
Ａ４、Ａ５…プローブの面
Ｂ１…プローブ
Ｂ２…プローブの先端部
Ｂ３…プローブの基底部
Ｌ１…稜線
Ｌ２…円錐の母線
【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関し、特に、低コストで、小型で、セッティングがしやすく、高Ｓ／Ｎ比の走査型近接場光学顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
走査型近接場光学顕微鏡（以降、ＳＮＯＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｎｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅと表記）は、光の波長より小さい径の開口を先端部に持つプローブ、若しくは、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装置である。
【０００３】
この走査型近接場光学顕微鏡は、回折限界により分解能が制約される光学顕微鏡に比べ、上記の開口径若しくは先端部曲率半径（〜数十ｎｍ）程度の分解能まで得られるため、今後が期待されているものである。
【０００４】
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。その違いは、次の通りである。まず、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。一方、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。
【０００５】
これらの中、散乱型ＳＮＯＭは先端径を開口型の開口径に比べて小さくできるため、より高分解能型のＳＮＯＭとして期待されている。その動作を、図１０を参照にして説明すると、以下のようになる。
【０００６】
図１０は、プローブ、カンチレバーが光学的に不透明な散乱型のＳＮＯＭを示す図である。このタイプのＳＮＯＭは、例えば、Ｂ．Ｋｎｏｌｌ ａｎｄ Ｆ．Ｋｅｉｌｍａｎｎ，Ｓｃｉｅｎｃｅ ３９９（１９９９）ｐ．１３４等に記載されている。
【０００７】
プローブ２先端と試料１表面が十分近い一定距離の間隔を保つようにするため、原子間力顕微鏡（以降、ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）の原理を用いるのが一般的である。これは、プローブ２先端が試料１に近づくと、プローブ２先端と試料１との間に働く原子間力によって、プローブ２保持部材であるカンチレバー３が撓むことを利用し、常に一定の撓み量となるようにカンチレバー３〜試料１間をプローブ用のアクチュエーター４か試料台に取り付けたアクチュエーター２６を駆動することで垂直方向に動かして実現する（ＤＣモード）。
【０００８】
カンチレバー３の撓みの測定は、例えば光てこの原理を用いた検出器２５で行う。この他、プローブ用アクチュエーター４でプローブ２を上下若しくは試料１面と略平行方向に振動させておき、プローブ２先端の振幅が試料１表面との距離で変化することを使って、これが一定になるようにすることで間隔制御を行うこともできる（ＡＣモード）。
【０００９】
プローブ２は中心軸が試料１に略垂直になるように当て、カンチレバー３がそれに略垂直に設置されるときに、試料１面での滑りもなく、最も効率良く力がカンチレバー３の撓みに変換されるので、高い感度で距離制御ができる。しかし、カンチレバー３が試料１面に略平行に設置されると、試料１の凹凸によっては、カンチレバー３自身に試料１が接触することがあり得るので、約１０°傾けるのが普通である。
【００１０】
以上のような方法でプローブ２先端を試料１に近接させた状態で走査を行うが、走査にはコントローラー６により試料台に取り付けたアクチュエーター２６を作動させて試料３表面に略平行方向にラスタ走査を行う。
【００１１】
プローブ２先端への光の照射は、光源１６からの光を照射光学系２３によってプローブ２先端付近に照射することで行う。光源１６は、レーザー、キセノンランプ等にエクスパンダー、コリメーター等を適宜組み合わせて平行光を出射する。
【００１２】
光の照射により起きるプローブ２先端近傍からの散乱光を、集光レンズ９７、結像レンズ８を用いて集光させる。集光位置にピンホール１４を置くことによって、プローブ２先端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。ピンホール１４を通過した光は、光電子増倍管１５で電気信号に変換され、コンピューター１７で処理された後、測定結果としてモニター１８に表示される。
【００１３】
ピンホール１４に加え、カンチレバー３先端を加振させて距離制御を行う場合は、この振動によるプローブ２先端での光のモジュレーション（変調）を利用して光信号同期成分のみをロックイン検出器で検出することによりＳ／Ｎ比の向上も行われる。
【００１４】
以上の方法により、試料１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２先端径のオーダーにてその存在を表示することができる。
【００１５】
試料１上部に、対物レンズ７を配置し、結像レンズ９８を経て撮像素子９９により試料１上部を撮像し、その像を光学顕微鏡用モニター１００に表示して、試料１を通常の光学顕微観察できるようにすれば、ＳＮＯＭ観察のためのプローブ２の位置決めが容易となる。このような通常の光学顕微観察手段による観察系を持ち、適当な形状のプローブ２を使用することで、この対物レンズ７で検出系の集光レンズを兼ねるようにした散乱型ＳＮＯＭが特開平９−５４０９９号で開示されている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の散乱型走査型近接場光学顕微鏡は、不透明なプローブが使われることが多く、プローブ保持部もしばしば不透明である。このような不透明なプローブを利用するときには、別体の入射系で斜め方向から光を入射させていた。そのため、装置が大型になったり、また、照明光の調整が煩雑であったりするという問題があった。
【００１７】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コスト化、小型化を図ると共に、セッティングのしやすい走査型近接場光学顕微鏡を提供することである。さらに、このような構成での高Ｓ／Ｎ比化のための手段を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の走査型近接場光学顕微鏡は、照射光の中心波長より小さい先端径の鋭い先端を有する探針と、その探針を支える探針保持部材と、その探針先端を試料の略垂直上方から試料近傍に接近させる手段と、光源を含みその探針先端付近に光を照射する手段と、検出器を含みその探針先端付近からの光を検出する手段とを持つ光測定装置において、
試料の略垂直上方からの光学顕微観察手段を持ち、この光学顕微観察手段は試料に略垂直に配置された対物レンズを含み、
探針は、対物レンズの焦点位置付近で、探針の先端から中心波長以下の先端部を起点とする直線の少なくとも１本は探針及び探針保持部材に遮られることなく対物レンズの有効径の少なくとも一部を横切ることができるように配置され、
この対物レンズは探針先端に光を照射する手段の一部を兼ねることを特徴とするものである。
【００１９】
本発明のもう１つの走査型近接場光学顕微鏡は、照射光の中心波長より小さい先端径の鋭い先端を有する探針と、その探針を支える探針保持部材と、その探針先端を試料の略垂直上方から試料近傍に接近させる手段と、光源を含みその探針先端付近に光を照射する手段と、検出器を含みその探針先端付近からの光を検出する手段とを持つ光測定装置において、
試料の略垂直上方からの光学顕微観察手段を持ち、この光学顕微観察手段は試料に略垂直に配置された対物レンズを含み、
探針は、対物レンズの焦点位置付近で、探針の先端から中心波長以下の先端部を起点とする直線の少なくとも１本は探針及び探針保持部材に遮られることなく対物レンズの有効径の少なくとも一部を横切ることができるように配置され、
この対物レンズは探針先端に光を照射する手段の一部を兼ね、
探針を利用した光変調手段を持ち、
光検出手段は変調に同期した成分を検出する手段を含むことを特徴とするものである。
【００２０】
これらにおいて、光を照射する手段は、散乱除去手段を含むことが望ましい。
【００２１】
その場合に、その散乱除去手段は光源と対物レンズの間に配置され、光軸を含む遮光手段であることが望ましい。
【００２２】
また、照射光束断面に位相分布を与える手段を持つものであってもよい。
【００２３】
その場合に、少なくとも光軸に対称な２点に２分の１の波長の位相差を与えるものとすることができる。
【００２４】
以上において、入射光は単色光で、入射光と異なる波長の光で検出するようにしてもよい。
【００２５】
その入射光と異なる波長の光は、例えばラマン散乱光又はルミネセンス光である。
【００２６】
また、以上において、対物レンズは検出手段の一部も兼ねるようにすることもできる。
【００２７】
また、検出手段は試料反射光除去手段を含むものとすることもできる。
【００２８】
その場合に、試料反射光除去手段は対物レンズと検出器の間に配置され、試料面での反射光を遮光する遮光手段とすることができる。
【００２９】
その場合、検出光断面に位相分布を与える手段を持つようにすることもできる。
【００３０】
そして、少なくとも光軸に対称な検出光断面の２点に２分の１の波長の位相差を与えるものとすることができる。
【００３１】
以上において、試料とプローブを相対的に走査する走査手段と、プローブを試料近傍に維持するフィードバック手段と、各点での結果を記憶する記憶手段と、その結果を表示する表示手段を持つように構成することができる。
【００３２】
【発明実施の形態】
以下に、本発明の走査型近接場光学顕微鏡の特徴を説明した後、その実施例を図面を参照にして説明する。なお、各図面に関する説明において、同一の符号で用いられるものは同様の機能を持つ要素であることを表す。
【００３３】
（第１実施例）
図１に第１実施例について示す。本実施例でも、試料１に対するプローブ２、プローブ保持部材として使われるカンチレバー３の位置関係は従来技術で述べた構成と同様である。ただし、本実施例では、従来技術における観察光学系を照明光学系としても使用している点に特徴がある。
【００３４】
本実施例においては、従来技術における観察光学系、すなわち、対物レンズ７と、対物レンズ７で平行にされた試料１からの光束を撮像素子９９上に結像する結像レンズ９８と、撮像素子９９で撮像された試料１の像を表示する光学顕微鏡用モニター１００とからなる観察光学系を照明光学系としても使用するため、対物レンズ７と結像レンズ９８の間にハーフミラー９２が配置されている。これにより、光源装置１６からの光が対物レンズ７に導かれる。光源装置１６の光源としては、レーザーやキセノンランプが用いられる。また、光源装置１６には、エクスパンダーやコリメーター等の光学系が設けられている。そして、その光源から射出した光束が対物レンズ７の瞳を満たすように、この光学系によって光束径の拡大・縮小が行われている。
【００３５】
上記のような構成をとることにより、従来技術で観察光学系とは別に設けていた照明光学系２３（図１０）が不要になる。そのため、装置全体がコンパクトに構成されたＳＮＯＭを実現することができる。また、照明光学系が不要になったことで、試料１の周囲に空き空間が増える。そのため、検出光学系（集光レンズ９７、結像レンズ８、ピンホール１４、光電子増倍管１５を配置する際の自由度が増える。この結果、例えば、最も検出感度が高い位置に検出光学系を配置することもできる。
【００３６】
本実施例では、対物レンズ７を介して照明が行われるので、プローブ２の先端への照明は略垂直方向から行われる。ここで、プローブ２の先端に照明光を到達させるために、本実施例では、大きな開口数を有する対物レンズ７を用いている。また、プローブ２は、プローブ２の先端部から基底部（すなわち、カンチレバー３と接している部分）を結ぶ線を対物レンズ７側に延長したとき、この延長した線が対物レンズ７の有効径の少なくとも一部を横切るような形状を少なくとも備えている。言い換えると、プローブ２は、上記の延長した線と対物レンズ７の光軸Ｏで決まる開口数が、対物レンズ７の開口数よりも小さくなるような形状を備えている必要がある。
【００３７】
例えば、図２（ａ）に下から見た斜視図、同（ｂ）に側面図を示すプローブＡ１は従来のプローブで、形状は三角錐である。このプローブＡ１の先端部Ａ２から基底部Ａ３を結ぶ線の中、例えば稜線Ｌ１は対物レンズの光軸Ｏと平行であるので、先端部Ａ２から基底部Ａ３を結んだ線、すなわち稜線Ｌ１の延長線は対物レンズ７の有効径内に到達する。したがって、対物レンズ７を射出した照明光の中、矢印（図２（ｂ））で示す開口数の大きい照明光がプローブＡ１の面Ａ４、Ａ５に到達する。この結果、従来と同様に散乱光を利用した検出ができる。
【００３８】
また、図３に示すように、プローブＢ１の形状が円錐の場合、プローブＢ１の先端部Ｂ２から基底部Ｂ３を結ぶ線Ｌ２は円錐の母線になる。したがって、この母線Ｌ２と対物レンズ７の光軸Ｏとのなす角度をθ１、対物レンズ７の最大開口数で決まる角度をθ２としたときに、プローブＢ１の形状をθ１＜θ２となるような円錐形にすれば、矢印で示す開口数の大きい照明光がプローブＢ１の円錐面に到達する。よって、このような形状のプローブＢ１でも、従来と同様に散乱光を利用した検出ができる。
【００３９】
図１に戻って、照明光の照射により起きるプローブ２先端近傍からの散乱光を、集光レンズ９７と結像レンズ８を用いて集光させる。集光位置にピンホール１４を置くことによって、プローブ２先端近傍以外からの信号をカットし、周囲からの光ノイズを減らしている。ピンホール１４を通過した光は、光電子増倍管１５で電気信号に変換され、カンチレバー３先端の振動と同期した光信号成分のみをロックイン検出器９３で検出し、コンピューター１７で処理された後、測定結果としてモニター１８に表示される。同期信号検出を行っているため、しない場合に比べてＳ／Ｎ比良く画像を得ることができる。
【００４０】
以上の方法によりプローブ２先端での散乱光だけを取得することができ、試料１に材質の異なる物質が混ざっていたりした場合には、この散乱光量等に変動が生ずるので、プローブ２先端径のオーダーにてその存在を表示することができる。
【００４１】
また、光電子増倍管１５を分光器で置き換え、スキャンを行いながら各点に対応して散乱光のラマンスペクトル又はルミネッセンススペクトル、又は、それらの中の１波長のデータを蓄積、表示することで、ラマンＳＮＯＭ、又は、ルミネッセンスＳＮＯＭ画像が得られる。この場合、カンチレバー３等からの不要な散乱は波長が異なるため、ラマン、ルミネッセンスのデータに影響を与えないので、同期検出はなくてもＳ／Ｎ比の高い画像が得られる。また、ラマン信号が弱くてラマンＳＮＯＭ像をとるのに時間がかかりすぎる場合は、例えばＡＦＭ画像又は光学顕微鏡像だけをとって関心のある領域又は点を選択し、アクチュエーター２６でその領域を走査すれば、高分解能画像が得られ、また、その点に移動してラマン信号をとれば、微少領域でのラマン信号が得られる、
（第２実施例）
図４に第２実施例について示す。本実施例も、第１実施例と同じように、観察光学系と照明光学を一体で構成している。ただし、本実施例は、光源装置１６とハーフミラー９２の間に、遮光手段１０６を配置している点に特徴がある。遮光手段１０６は、図５に示すように、遮光部１０１と開口部１０２で構成されている。遮光手段１０６が光路中に配置されたときに、照明光学系の光軸と交わる位置１０４から偏心した位置に開口部１０２が設けられている。しかも、開口部１０２の位置は、遮光手段１０６に照射される照明光束の範囲１０３よりも内側になっている。
【００４２】
このような遮光手段１０６を照明光学系中に配置すると、光源装置１６から射出した照明光の中、開口部１０２を通過した照明光のみが対物レンズ７に入射する。このとき、開口部１０２は照明光学系の光軸から偏心した位置に設けられているので、開口部１０２を通過した照明光束は対物レンズ７の光軸Ｏから離れた位置に入射することになる。そのため、対物レンズ７から射出された照明光は、開口数の大きな範囲の光束、すなわち、対物レンズ７の光軸Ｏに対して大きく傾いた光束となるから、プローブ２の先端部を照射することができる。しかも、開口部１０２を通過した照明光以外の照明光は、遮光部１０１で遮光されるので、第１実施例のようにカンチレバー３を照明することがない。このように、本実施例の構成だと、カンチレバー３における照明光の散乱が生じないため、よりＳ／Ｎ比の高い検出が可能になる。
【００４３】
本実施例では、プローブ２の先端部のみを照明するために遮光手段１０６を用いたが、光源装置１６で遮光手段１０６と同じような作用を実現することができる。例えば、光源装置１６に設けられているコリメータで対物レンズ７の有効径より小さい光束を生成し、光源の位置を調整可能なステージにより光源位置を移動させて、対物レンズ７の光軸Ｏに対して偏心した位置に上記光束が入射するようにしてもよい。
【００４４】
そして、この照明光の照射により起きるプローブ２先端近傍からの散乱光を、集光レンズ９７を用いて集光させる。集光位置にピンホール１４を置くことによって、プローブ２先端近傍以外からの信号をカットし、周囲からの光ノイズを減らしている。ピンホール１４を通過した光は、光電子増倍管１５で電気信号に変換され、カンチレバー３先端の振動と同期した光信号成分のみをロックイン検出器９３で検出し、コンピューター１７で処理された後、測定結果としてモニター１８に表示される。同期信号検出を行っているため、しない場合に比べてＳ／Ｎ比良く画像を得ることができる。
【００４５】
以上の方法によりプローブ２先端での散乱だけを取得することができ、試料１に材質の異なる物質が混ざっていたりした場合には、この散乱光量等に変動が生ずるので、プローブ２先端径のオーダーにてその存在を表示することができる。
【００４６】
また、遮光手段１０６として、図６のような構成の遮光手段を用いることもできる。図６の遮光手段は、開口部１０２が２つあり、これらが軸１０４に対して対称に配置されている。そして、一方の開口部には通過する光の位相をλ／２遅らせる（あるいは進める）１／２波長板１０５が配置されている（λは波長）。このような構成にすると、開口部１０２を通過した各々の照明光は、図７に示すように、対物レンズ７の光軸Ｏから偏心した位置に入射する。ここで、図の矢印の方向の違いは、偏光方向は同じであるが、位相が異なることを示している。対物レンズ７から射出した各々の照明光は、開口数の大きな範囲の光束であるため、両方共プローブ２の先端部に到達する。プローブ２の先端部では両方の照明光が合成されるが、このとき、光軸に沿う方向に偏光した光が生じる。この方向に偏光した光は、試料１との相互作用が最も強い光と考えられるため、よりＳ／Ｎ比の高い検出が可能になる。プローブ２先端の形状によっては、他の偏光が適当であることも考えられるが、開口間の位相差を適宜変えることにより任意の偏光を発生させることができる。また、光源はレーザーであればすでに偏光しているが、光源により適宜偏光回転手段、偏光子のような偏光制限手段を併用してもよい。
【００４７】
（第３実施例）
図８に第３実施例について示す。試料１に対するプローブ２、プローブ保持部材として使われるカンチレバー３の位置関係は従来技術で述べた構成と同様である。プローブ２先端と試料１表面が十分近い一定距離の間隔を保つようにし、走査する方法は、従来技術と同様である。本実施例では、ＡＣモードによる距離制御を利用する。
【００４８】
プローブ２先端への光の照射は、光源装置１６からの光を対物レンズ７と結像レンズ９８の間に配置されたハーフミラー９２を介して対物レンズ７に導き、プローブ２先端付近に照射することで行う。光源装置１６は、レーザー、キセノンランプ等にエクスパンダー、コリメーター等を適宜組み合わせて平行光を出射する。
【００４９】
光の照射により起きるプローブ２先端近傍からの散乱光を再び対物レンズ７で受け、ハーフミラー９２を透過させ、対物レンズ７と結像レンズ９８の間に配置された別のハーフミラー９１で反射させ、結像レンズ８により集光させる。この構成により、さらにコンパクトな構成の散乱型ＳＮＯＭが実現される。
【００５０】
結像レンズ８の集光位置にピンホール１４を配置することによって、プローブ２先端近傍以外をカットし、周囲からの光ノイズを減らしている。ピンホール１４を通過した光は、光電子増倍管１５で電気信号に変換され、カンチレバー３先端の振動と同期した光信号成分のみをロックイン検出器９３で検出し、コンピューター１７で処理された後、測定結果としてモニター１８に表示される。同期信号検出を行っているため、しない場合に比べてＳ／Ｎ比良く画像を得ることができる。
【００５１】
照明光の入射径路上には、略垂直に置かれたプローブ２背面とその付近のカンチレバー３先端を避けるため、光軸Ｏから離れた部分のみ開けて残り部分は遮光した遮光手段１０６が置かれていて、カンチレバー３先端やプローブ２の先端以外での光の散乱を避けるようにしている。この構成によりさらにＳ／Ｎ比向上の効果がある。
【００５２】
また、検出光の光路上には、入射光の試料面での反射光を避ける遮光手段１０７が置かれていて、反射光によるノイズを避けている。これによりさらにＳ／Ｎ比向上の効果がある。
【００５３】
以上の構成により、プローブ２先端での散乱だけを取得することができ、試料１に材質の異なる物質が混ざっていたりした場合には、この散乱光量等に変動が生ずるので、プローブ２先端径のオーダーにてその存在を表示することができる。
【００５４】
また、遮光板１０６として図６のような形状のものを使い、開口部１０２を通った光束がカンチレバー３等に当たらないように適宜遮光板１０６を回転させ、ま、検出側にも同様な遮光手段１０７を用い、入射側遮光板１０６からの光束の試料面での反射光が遮光されるように適宜回転させると、プローブ２先端付近で図７で示したような光が発生し、検出側開口部には図９のような互いに逆向きの偏光が戻り、この偏光成分だけを選択的に検出することができる。なぜなら、この偏光の一方は１／２波長板１０５で偏光の向きが逆転するので、光電子増倍管１５上でお互いに強め合い、一方、プローブ２先端で同じ面内に偏光した成分があれば、これは逆に１／２波長板１０５で打ち消し合う関係になるからである。理想的な形状のプローブでは、この向きの偏光が試料１とより強く相互作用し、強いコントラストを発生させると考えられているので（Ｂ．Ｋｎｏｌｌ ａｎｄＦ．Ｋｅｉｌｍａｎｎ，Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ １８２（２０００）ｐ．３２１）、本方法はＳ／Ｎ比向上の効果がある。プローブ２先端の形状によっては、他の偏光が適当であることも考えられるが、開口間の位相差を適宜変えることにより任意の偏光を発生させることができる。また、光源はレーザーであればすでに偏光しているが、光源により適宜偏光回転手段、偏光子のような偏光制限手段を併用してもよい。Ｓ／Ｎ比向上のために必要に応じて検出側に偏光制限手段を入れてもよい。
【００５５】
以上の本発明の走査型近接場光学顕微鏡は例えば次のように構成することができる。
【００５６】
〔１〕 照射光の中心波長より小さい先端径の鋭い先端を有する探針と、その探針を支える探針保持部材と、その探針先端を試料の略垂直上方から試料近傍に接近させる手段と、光源を含みその探針先端付近に光を照射する手段と、検出器を含みその探針先端付近からの光を検出する手段とを持つ光測定装置において、
試料の略垂直上方からの光学顕微観察手段を持ち、この光学顕微観察手段は試料に略垂直に配置された対物レンズを含み、
探針は、対物レンズの焦点位置付近で、探針の先端から中心波長以下の先端部を起点とする直線の少なくとも１本は探針及び探針保持部材に遮られることなく対物レンズの有効径の少なくとも一部を横切ることができるように配置され、
この対物レンズは探針先端に光を照射する手段の一部を兼ねることを特徴とする走査型近接場光学顕微鏡。
【００５７】
〔２〕 照射光の中心波長より小さい先端径の鋭い先端を有する探針と、その探針を支える探針保持部材と、その探針先端を試料の略垂直上方から試料近傍に接近させる手段と、光源を含みその探針先端付近に光を照射する手段と、検出器を含みその探針先端付近からの光を検出する手段とを持つ光測定装置において、
試料の略垂直上方からの光学顕微観察手段を持ち、この光学顕微観察手段は試料に略垂直に配置された対物レンズを含み、
探針は、対物レンズの焦点位置付近で、探針の先端から中心波長以下の先端部を起点とする直線の少なくとも１本は探針及び探針保持部材に遮られることなく対物レンズの有効径の少なくとも一部を横切ることができるように配置され、
この対物レンズは探針先端に光を照射する手段の一部を兼ね、
探針を利用した光変調手段を持ち、
光検出手段は変調に同期した成分を検出する手段を含むことを特徴とする走査型近接場光学顕微鏡。
【００５８】
〔３〕 前記光を照射する手段は、散乱除去手段を含むことを特徴とする上記１又は２記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００５９】
〔４〕 前記散乱除去手段は前記光源と前記対物レンズの間に配置され、光軸を含む遮光手段であることを特徴とする上記３記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００６０】
〔５〕 照射光束断面に位相分布を与える手段を持つことを特徴とする上記３記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００６１】
〔６〕 少なくとも光軸に対称な２点に２分の１の波長の位相差を与えることを特徴とする上記５記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００６２】
〔７〕 入射光は単色光で、入射光と異なる波長の光で検出することを特徴とする上記１から６の何れか１項記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００６３】
〔８〕 前記入射光と異なる波長の光はラマン散乱光又はルミネセンス光であることを特徴とする上記７記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００６４】
〔９〕 前記対物レンズは検出手段の一部も兼ねることを特徴とする上記１から８の何れか１項記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００６５】
〔１０〕 前記検出手段は試料反射光除去手段を含むことを特徴とする上記１から９の何れか１項記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００６６】
〔１１〕 前記試料反射光除去手段は前記対物レンズと前記検出器の間に配置され、前記試料面での反射光を遮光する遮光手段であることを特徴とする上記１０記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００６７】
〔１２〕 検出光断面に位相分布を与える手段を持つことを特徴とする上記１１記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００６８】
〔１３〕 少なくとも光軸に対称な検出光断面の２点に２分の１の波長の位相差を与えることを特徴とする上記１２記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００６９】
〔１４〕 前記試料と前記プローブを相対的に走査する走査手段と、前記プローブを前記試料近傍に維持するフィードバック手段と、各点での結果を記憶する記憶手段と、その結果を表示する表示手段を持つことを特徴とする上記１から１３の何れか１項記載の走査型近接場光学顕微鏡。
【００７０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、位置決め用に設置された光学顕微鏡部の一部を構成する対物レンズを入射系の一部として利用することで、入射系と光学顕微鏡部を一体化し、低コスト化、小型化を図ると共に、セッティングのしやすい走査型近接場光学顕微鏡を提供することができ、さらに、高Ｓ／Ｎ比な走査型近接場光学顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の走査型近接場光学顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】三角錐形状のプローブにおいて本発明の原理により散乱光が検出できることを説明するための図である。
【図３】円錐形状のプローブにおいて本発明の原理により散乱光が検出できることを説明するための図である。
【図４】本発明の第２実施例の走査型近接場光学顕微鏡の構成を示す図である。
【図５】本発明で用いる遮光手段の１つの形状を示す図である。
【図６】本発明で用いる別の遮光手段の形状を示す図である。
【図７】図６の遮光手段を用いた場合の照明光の偏光の様子を示す図である。
【図８】本発明の第３実施例の走査型近接場光学顕微鏡の構成を示す図である。
【図９】図６の遮光手段を用いた場合の照明光と検出光の偏光の様子を示す図である。
【図１０】従来の走査型近接場光学顕微鏡の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…試料
２…プローブ
３…カンチレバー
４…アクチュエーター（プローブ用）
６…コントローラー
７…対物レンズ
８…結像レンズ（検出系）
１４…ピンホール
１５…光電子増倍管
１６…光源（光源装置）
１７…コンピューター
１８…モニター
２３…照射光学系
２５…検出器
２６…アクチュエーター（試料台用）
９１…ハーフミラー（検出側）
９２…ハーフミラー（照射側）
９３…ロックイン検出器
９７…集光レンズ（検出系）
９８…結像レンズ
９９…撮像素子
１００…光学顕微鏡用モニター
１０１…遮光部
１０２…開口部
１０３…照明光束の範囲
１０４…光軸と交わる位置（軸）
１０５…１／２波長板
１０６…遮光手段（遮光板：照射側）
１０７…遮光手段（遮光板：検出側）
Ｏ…対物レンズの光軸
Ａ１…プローブ
Ａ２…プローブの先端部
Ａ３…プローブの基底部
Ａ４、Ａ５…プローブの面
Ｂ１…プローブ
Ｂ２…プローブの先端部
Ｂ３…プローブの基底部
Ｌ１…稜線
Ｌ２…円錐の母線
Claims (5)
- 照射光の中心波長より小さい先端径の鋭い先端を有する探針と、その探針を支える探針保持部材と、その探針先端を試料の略垂直上方から試料近傍に接近させる手段と、光源を含みその探針先端付近に光を照射する手段と、検出器を含みその探針先端付近からの光を検出する手段とを持つ光測定装置において、
試料の略垂直上方からの光学顕微観察手段を持ち、この光学顕微観察手段は試料に略垂直に配置された対物レンズを含み、
探針は、対物レンズの焦点位置付近で、探針の先端から中心波長以下の先端部を起点とする直線の少なくとも１本は探針及び探針保持部材に遮られることなく対物レンズの有効径の少なくとも一部を横切ることができるように配置され、
この対物レンズは探針先端に光を照射する手段の一部を兼ね、
前記光を照射する手段は、散乱除去手段を含み、照射光束断面に位相分布を与える手段を持つことを特徴とする走査型近接場光学顕微鏡。 - 前記照射光束断面に位相分布を与える手段は少なくとも光軸に対称な２点に２分の１の波長の位相差を与えることを特徴とする請求項１記載の走査型近接場光学顕微鏡。
- 照射光の中心波長より小さい先端径の鋭い先端を有する探針と、その探針を支える探針保持部材と、その探針先端を試料の略垂直上方から試料近傍に接近させる手段と、光源を含みその探針先端付近に光を照射する手段と、検出器を含みその探針先端付近からの光を検出する手段とを持つ光測定装置において、
試料の略垂直上方からの光学顕微観察手段を持ち、この光学顕微観察手段は試料に略垂直に配置された対物レンズを含み、
探針は、対物レンズの焦点位置付近で、探針の先端から中心波長以下の先端部を起点とする直線の少なくとも１本は探針及び探針保持部材に遮られることなく対物レンズの有効径の少なくとも一部を横切ることができるように配置され、
この対物レンズは探針先端に光を照射する手段の一部を兼ね、
前記検出手段は試料反射光除去手段を含み、
前記試料反射光除去手段は前記対物レンズと前記検出器の間に配置され、前記試料面での反射光を遮光する遮光手段であり、
検出光断面に位相分布を与える手段を持つことを特徴とする走査型近接場光学顕微鏡。 - 前記検出光断面に位相分布を与える手段は少なくとも光軸に対称な検出光断面の２点に２分の１の波長の位相差を与えることを特徴とする請求項３記載の走査型近接場光学顕微鏡。
- 前記試料とプローブを相対的に走査する走査手段と、前記プローブを前記試料近傍に維持するフィードバック手段と、各点での結果を記憶する記憶手段と、その結果を表示する表示手段を持つことを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の走査型近接場光学顕微鏡。
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