JPH03136001A - アパーチャ及びそれを用いた光学走査顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、作製・消去及び光軸合せが容易なアパーチャ
及びそれを用いた光学走査顕微鏡に関する。

〈従来の技術〉 微小物の非破壊１１！測手段の中で広く用いられている
光学［微鏡では、原理的に対物レンズの開口数で分解能
が決まり、光の波長程度が分解能の限界となっている。

そして、この分解能の向上をねらった手段として、光を
スポット状にして試料に照射して該光スポットを試料面
上で走査し、各スポットでの応答から試料の２次元像を
構成する光学走査ａｙａ鋺がある。しかし、光学走査顕
微鏡の分解能は光スポットの大きさで決まるために光顕
微鏡と同様に対物レンズの開口数で決まり、原理的な限
界は光の波長程度である。ところが、かかる分解能の限
界を破る光学走査顕微鏡として、近接視Ｉ！Ｐａｍ鏡及
び共焦点形顕微鏡が提案されている。

ここで、近接視野顕微鏡は、光の波長よりも小さなアパ
ーチャ　（開口）を試料に近接して配置することにより
、試料面上のスポット径をその波長よりも小さくして分
解能の向上を図るものである。但し、アパーチャを通過
した光は回折により拡がるため、試料とアパーチャとの
間隔をアパーチャ径以下にしなければならない。すなわ
ち、近接視ｕ頭ｍ鏡においてアパーチャ径と同程度の分
解能を向上させるためには、アパーチャ径を小さくし且
つ試料と１パーチヤとの間隔をアパーチャ径と同程度以
下にしなければならず、例えば可視光領域で分解能を向
上させるためには１０”ｎｍオーダ以下のアパーチャ径
及び間隔が必要となる。そして、試料の２次元像を得る
ためには、各スポット位置で上記間隔を一定に保ちつつ
アパーチャあるいは試料を走査しなければならない。

一方、共焦点形顕微鏡は、光源からの光を１パーチヤで
絞り込んで試料に照射し、試料からの透過光あるいは反
射光が対物レンズにより結像する位置にアパーチャを設
け、光スポットの中心部のみを取り出して分解能向上を
図るものである。

このような近接視舒顛ｍ＊や共焦点形顕微鏡も含め、光
スポットを走査して光学情報を観測する位置には微小な
アパーチャが含まれている。そして、かかるアパーチャ
は従来、光の透過率の低い物体にエツチング等の化学的
方法あるいは機械的方法で穴を設けることにより形成さ
れている。

なお、以上の説明において、光スポットの大きさはその
強度が最大値の１／ｅ”（ｅは自然対数の底）になる直
径で定義し、以下においてもこの定義を用いる。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、従来の方法によると、例えば近接視野顕
微鏡や共焦点形顕徹鏡で要求されるようなミクロンオー
ダ以下の開口径を有するアパーチャを形成するのは容易
ではな（、また、光軸合せが困難であるという問題があ
る。例えば現状の共焦点形顕微鏡では上述したように作
製したミクロンオーダのアパーチャを用いるため、特に
問題となる。すなわち、第８図に示すように、アパーチ
ャ０１の中心と光０２の光軸０３とを一致させるのが困
難である。

一方、近接視＊ａ微鏡においては、透明体を不透明体で
覆うと共にこの不透明体に光の波長より小さいアパーチ
ャを設けたチップを作製し、該チップと試料との間隔が
一定になるようにトンネル電流で制御して光スポットを
走査する方法が提案されている。しかし、この方法にお
いてもチップの作製が簡単でない上にチップの寿命が短
いという問題がある。

また、波長よりも径の小さいアパーチャが一様に分布し
たパターンと試料とを点接触させて反射光を測定し、試
料を走査して像を得る方法があるが、この方法で゛は分
解能がアパーチャの径ではなくアパーチャの分布で決ま
るため、分解能が低（なってしまうという問題がある。

したがって、可視領域での近接視野顕微鏡を確立した観
測法とするには、アパーチャと試料との間隔を一定に保
ちながら光スポットを走査する方法及びアパーチャのよ
り容易な作製法の出現が強く望まれている。

本発明はこのような事情に鑑み、作製・消去並びに光軸
合せが容易なアパーチャ及びそれを用いた光学走査顕微
鏡を提供することを目的とする。

く課題を解決するための手段〉 上記目的を達成する本発明に係るアパーチャは光ビーム
により複素屈折率を制御できる物質から成ることを特徴
とし、また、光学走査顕微鏡は、光ビーム走査手段とし
てアパーチャを有する光学走査顕微鏡において、上記ア
パーチャが光ビームにより複素屈折率を制御できる物質
から成ることを特徴とする。

ここで、光ビームにより複素屈折率を制御できる物質と
は、光ビームを照射することにより複素屈折率の虚数部
、実数部、又は虚数部及び実数部の両方を変化させるこ
とができる物質をいう。かかる物質でアパーチャを形成
する膜（す下、アパーチャ形成膜という）を作製した場
合、光ビームを照射することによゆアパーチャ形成膜の
透過率、屈折率などを変化させて、実質的なアパーチャ
を作製することができる。

例えば、アパーチャ形成膜として、反射率が低く光照射
により複素屈折率の虚数部が減少する、すなわち光照射
により吸収率が減少してこれに応じて透過率が増大する
という性質を有する物質を用いた場合、該アパーチャ形
成膜にガラス型強度分布の光スポットを短時間照射する
と、光スポットの中心から離れるほど透過率が減少し、
開口径が光スポツト径より小さいアパーチャと同様の効
果を該アパーチャ形成膜に持たせることができる。

このように、本発明によると光ビームの照射により光ス
ポツト径より小さい開口径のアパーチャを実質的に作製
することができ、アパーチャの機械的な作製が不要とな
る。また、この場合、アパーチャを形成する光と１１３
１する光とが同一光路上にあれば、アパーチャの光軸合
せが不要である。さらに、アパーチャ形成膜を複素屈折
率が可逆的に変化する物質とすれば光照射により作製し
たアパーチャの消去が可能であり、作製・消去を繰り返
すことにより実質的にアパーチャを移動することができ
、光ビームのみの移動で走査ができるようになる。

このようなアパーチャは従来の１パーチヤに置き替えろ
ことができ、特に近接視ＷｆＷＪ４黴鏡や共焦点形顕微
鏡などの光学走査顛黴鏡に用いて有用である。

く実　施　例〉 息下、本発明を実施例に基づいて説明する。

アパーチャ形成膜として、次に示す構造式を有する１’
　、　３’　、　３’−トリメチル−６−ヒドロキシス
ピロピランを用いた例を示す。

このスピロピランは、紫外光あるいは可視光の照射によ
り構造変化が生じ、複素屈折率の虚数部が可逆的に変化
する性質、すなわち紫外光照射により透過率が低くなる
と共にその後可視光を照射することに高くなるという性
質を有している。また、この透過率の増大は可逆的であ
り、紫外光照射により、透過率が増大した部分を元にも
どすことができる。

例えば、上記スピロピランを３０００オングストローム
の厚みに真空蒸着した場合、波長３６０　ｎｍの紫外線
照射で波長４５０　ｎｍから６５０　ｎｍに亘る領域に
透過率５％以下の着色部が生じ、この部分に波長４８８
　ｎｍの可視光を照射することで透過率９５％以上の１
パーチヤを形成することができる。

すなわち、第１図に示すように、上記スピロピランから
成るアパーチャ形成膜１１に光ビーム１２を照射すると
そのスポット径よりも小さい透過部１３を形成すること
ができる。

例えば、このときのアパーチャ形成膜１１上の光スポッ
トの強度分布が第２ＦＩ！Ｊに示すものとする（スポッ
ト径＝ａ）と、光照射が短時間の場合、アパーチャ形成
膜１１には光スポットの強度分布に応じて第３図に示す
ような透過率分布が生じる。ここで、透過率が最大の部
分すが第１図の透過部１３に相当する。

そして、かかる透過率分布を有するアパーチャ形成膜１
１を通過して試料に達する光の強度分布は第２図に第３
図を乗じたものにほぼ等しく、第４図に示すようになる
（スポット径＝Ｃ）。このように光ビーム１２のスポッ
ト径はアパーチャ形成膜１１の通過によりａからＣと小
さくなり、アパーチャとしての効果が得られていること
になる。

このように本実施例によれば可視光の照射によ９実質的
に７パーチヤを作製することができ、機械的作製が不要
となる。またこのとき、透過部１３の中心軸と光ビーム
１２の光軸１４とは一致するので、観測する光が光ビー
ム１２であれば光軸合せも不要となる。さらに、透過部
１３は再度紫外光を照射することにより消去することが
できるので、消去後光ビーム１２を移動させて再び照射
するととにより、透過部１３を実質的に移動することが
できる。したがって、これを繰り返すことにより光ビー
ム１２をスポット径Ｃで走査することが可能となる。

次に、このアパーチャ形成膜１１を近接視野顕微鏡に適
用した例を第５図及び第６図に基づいて説明する。両図
に示すように、試料２１は保持機構２２により保持され
ており、アパーチャ形成膜１１は試料２１の上方に微小
な間隔をおいて同じく保持機構２２により保持されてい
る。ここで、保持機構２２は試料保持部と１パ一チヤ形
成膜保持部との他に、この保持部に保持されたアパーチ
ャ形成膜１１を上下方向に移動するアクチエエータ及び
アパーチャ形成膜１１と試料２１との間隔を測定する変
位計から構成されている。そして、アクチュエータ及び
変位計は波長の１／１０程度の分解能を有しており、ア
クチュエータは変位計が與定した変位によりフィードバ
ック制御されている。なお、波長の１７１０程度の分解
能を有するアクチュエータとしては例えばピエゾ駆動ア
クチュエータ、また、同程度の分解能を有する変位計と
しては光干渉変位計を例示することができる。

このような保持機構２２により保持された試料２１及び
アパーチャ形成膜１１は保持機構２３と共に微動機構２
３に搭載されており、これらは面に平行な方向へ移動さ
れるようになっている。

一方、アパーチャ形成膜１１の上方にはレンズ２４が設
けられており、アパーチャ形成膜１１にはレンズ２４を
介して紫外光源２５又は可視光源２６からの光が照射さ
れるようになっている。すなわち、紫外光源２５又は可
視光源２６からの光はハーフミラ−２７を介して八−フ
ミラー２８に導入され、このハーフミラ−２８により反
射されてレンズ２４に導入される。さらに、レンズ２４
及びハーフミラ−２８の上方には検出器２９が配されて
いる。

このような構成において試料２１を１１測するには、ま
ず、紫外光源２５から紫外光を発散光として照射し、ハ
ーフミラ−２７，２８及びレンズ２４を介してアパーチ
ャ形成膜１１上の広い範囲に紫外光を照射する（第５図
）。

このように予め紫外線を照射することにより、アパーチ
ャ形成膜１１は透過率５％以下の着色した状態となる。

次に、可視光源２６から可視光を平行光線として照射し
、ハーフミラ−２７，２８及びレンズ２４を介して１パ
ーチヤ形成膜１１上に集光させる。このとき、アパーチ
ャ形成膜１１上に得られるスポット径がレンズ２４で絞
ぼれる最小の径になるように、可視光源２６とレンズ２
４との位置関係を調整しておく。

この可視光の照射を短時間とすると、可視光はアパーチ
ャ形成膜１１により第２図〜第４図に示すような過程で
絞ぼられ、試料２１に照射される（第４図）。

このようにアパーチャ形成膜１１により絞ぼられた光が
回折により拡がらないようにするためにはアパーチャ形
成膜１１と試料２１との間隔を光のスポット径以下にす
る必要がある。本実施例では、保持機構２２内のアクチ
ュエータによりアパーチャ形成膜１１と試料２１との間
隔を最初に調整しておけばよく、以後の走査時には調整
は不要である。

このように１パーチヤ形成膜１１に上り絞ぼった可視光
を試料２１に照射し、その反射光の強度を検出器２９に
より検出する。

次に、再び紫外光源２５からの紫外光をアパーチャ形成
膜１１に照射して前操作で形成したアパーチャを消去し
た後、アパーチャ形成膜１１及び試料２１を微動機構２
３により面に平行な方向に移動する。そして、再び可視
光を照射し、アパーチャの形成、試料２１からの反射光
の検出を行う。これにより試料２１の異なる点における
情報が得られ、この操作を繰り返すことによゆ試料２１
の２次元像が得られる。

このように本実施例によれば、アパーチャ形成膜１１と
試料２１との相対的な位置関係を固定したまま光スポッ
トの走査が可能である。すなわち、両者の間隔を最初に
調整しておけば、以後は両者の位置関係は固定でき、各
観測点でのアパーチャ形成膜１１と試料２１との間隔の
開目は不要となる。勿論、上述したように光軸合せも不
要である。

次に、アパーチャ形成膜を共焦点形顕微鏡に適用した例
を第７図に基づいて説明する。

同図に示すように、試料２１は保持機構２２Ａにより保
持された状態で微動機構２３に搭載されており、面に平
行な方向に移動できるようになっている。試料２１の上
方にはレンズ２４及びハーフミラ−２８が配されており
、可視光源２６からの可視光はハーフミラ−２８により
反射されてレンズ２４を介して試料２１に照射され、そ
の反射光はレンズ２４及びハーフミラ−２８を介して検
出器２９に入るようになっている。そして、アパーチャ
形成膜１１は予め紫外光を照射して、可視光により透過
率が増大する性質を持たせた状態で、可視光＃！２６及
び検出器２９の前方にそれぞれ配されている。

この構成においては、まず、可視光源２６から可視光を
照射することにより、第２図〜第４図に示した作用によ
りアパーチャ形成膜１１Ａ、ＩＩＢに所望の径のアパー
チャを形成する。すなわち、可視光はアパーチャ形成膜
１１Ａにより絞ぼられた状態で試料２１に照射され、そ
の反射光はアパーチャ形成膜１１Ｂでさらに絞ぼられて
検出器２９に入る。

このように所望の開口径を有するアパーチャを形成した
後、試料２１のｌＩ！測を行う。乙のｉｌｌ測はアパー
チャ形成膜１１Ａ、ＩＩＢに形成されたアパーチャの開
口径を大きくしないような可視光で行う必要があり、例
えば可視光源２６の出力を低くするか、光をチ賃ツビン
グするかして、可視光をハーフミラ−２８及びレンズ２
４を介して試料２１へ照射する。

このとき、可視光はアパーチャ形成膜１１Ａに形成され
た開口により絞ぼられた状態で試料２１に照射され、ま
た、その反射光はアパーチャ形成膜１１Ｂに形成された
開口により光スポットの中心部のみ取り出された状態で
検出器２９に入り、光強度が測定される。但し、各アパ
ーチャ形成膜１１Ａ、ＩＩＢは各対物レンズの結合位置
に配しておく必要がある。

このような測定を試料２１を微動機構２３により移動さ
せながら行い、各ｉｌｌ測点での試料２１からの反射光
の光強度を測定すれば、試料２１の２次元像を得ること
ができる。

本実施例においては、単に光を照射することにより各ア
パーチャ形成膜１１Ａ、ＩＩＢにアパーチャを形成する
ことができ、しかも光軸合せの必要がないので、作業が
非常に容易となる。

以上説明した各実施例では複素屈折率の虚数部が変化す
る物質によりアパーチャを形成した例を述べたが複素屈
折率の実数部が変化する物質、又は実数部及び虚数部が
変化する物質を用いても同様な効果が得られる。例えば
Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ，を用いると複素屈折率の実数部が
変化し、すなわち光路長が変化する性質を利用してアパ
ーチャを形成でき、また、例丸ばアモルファスＴｂＦｅ
薄膜を用いると、右円偏光と左円偏光とに対する屈折率
が異なる、すなわち偏光面が回転するという性質を利用
してアパーチャを形成できる。

また、アパーチャを適用した上記実施例は共に試料から
の反射光の強度を測定するものであったが、試料からの
偏光状態、位相等の強度以外の情報を測定するものにも
適用できる。さらに、検出器を試料の反対側において透
過光を測定するようにもできることは言うまでもない。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば複素屈折率の変化
する物質でアパーチャを作製することにより、アパーチ
ャの形成・消去並びに光軸合せが容易になり、光学走査
ｗｉ黴鏡に用いれば、装置の高分解能化・簡略化という
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の７パーチヤを概念的に示す説明図、第
２図〜第４図はその作用を示す説明図、第５図及び第６
図はそのアパーチャを適用した近接視野顕微鏡の一例を
示す構成図、第７図はそのアパーチャを適用した共焦点
形顕微鏡の一例を示す構成図、第８図は従来のアパーチ
ャを示す説明図である。 図面中、 １１、ＩＩＡ、ＩＩＢはアパーチャ形成膜、１２は光、 １３は透過部、 ２１は試料、 ２２．２２Ａは保持機構、 ２３は微動機構、 ２４はレンズ、 第１図 ５は紫外光源、 ６は可視光源、 ７．２８は八−フミラー ９は検出器である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光ビームにより複素屈折率を制御できる物質から
   成ることを特徴とするアパーチャ。
2. （２）光ビーム走査手段としてアパーチャを有する光学
   走査顕微鏡において、上記アパーチャが光ビームにより
   複素屈折率を制御できる物質から成ることを特徴とする
   光学走査顕微鏡。