JPH07198732A - Near-field microscope - Google Patents

Near-field microscope

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Publication number
JPH07198732A
JPH07198732A JP35096193A JP35096193A JPH07198732A JP H07198732 A JPH07198732 A JP H07198732A JP 35096193 A JP35096193 A JP 35096193A JP 35096193 A JP35096193 A JP 35096193A JP H07198732 A JPH07198732 A JP H07198732A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
measurement sample
cantilever
probe
light
sample
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP35096193A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akira Yagi
明 八木
Tsugiko Takase
つぎ子 高瀬
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Priority to JP35096193A priority Critical patent/JPH07198732A/en
Publication of JPH07198732A publication Critical patent/JPH07198732A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To provide a near-field microscope which can perform high-resolution and high-sensitivity measurement against a refractive index distribution near the surface of a sample to be measured by detecting evanescent light locally existing near the surface of the sample without bringing the microscope into contact with the sample. CONSTITUTION:A near-field microscope is provided with a cantilever 26 equipped with a probe 24, evanescent light generating means 30, 32, 34, 36, and 38 which generate evanescent light near a sample 28 to be measured, vibrating means 40 and 42 which vibrate the cantilever 26 at a prescribed oscillation frequency, first detecting means 44, 45, 46, and 48 which detect the variation of the oscillation frequency, and servo means 50 and 52 which maintain the distance between the vibrational center of the cantilever 26 and the sample 28 at a fixed value. The microscope is also provided with a scanning means 54 which makes the probe 24 to scan the sample 28 in a non-contacting state, second detecting means 56 which detects the intensity of scattered light generated when the probe 24 comes into contact with the evanescent light, and image analyzing means 56, 58, 60, and 62 which analyzes the image of the refractive index distribution on the surface of the sample 28.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、測定試料の表面近傍に
発生するエバネッセント光の強度を検出することによっ
て、例えば測定試料の屈折率分布を測定するニアフィー
ルド顕微鏡に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a near-field microscope for measuring the refractive index distribution of a measurement sample by detecting the intensity of evanescent light generated near the surface of the measurement sample.

【0002】[0002]

【従来の技術】光学顕微鏡の分解能は、光の回折特性に
よって決まり、その回折限界によって波長より小さい物
体の像は観察できない。
2. Description of the Related Art The resolution of an optical microscope is determined by the diffraction characteristics of light, and an image of an object smaller than a wavelength cannot be observed due to its diffraction limit.

【0003】しかし上記のような光ではなく、微小空間
に局在した別形態の光を使うと、回折限界を越える分解
能が得られることが知られている。このような光のこと
をエバネッセント光と呼ぶ。
However, it is known that a resolution exceeding the diffraction limit can be obtained by using a different type of light localized in a minute space instead of the above light. Such light is called evanescent light.

【0004】1980年代後半以降、エバネッセント波
を用いることにより回折限界を超える分解能を有する光
学顕微鏡が提案されている。この顕微鏡は、近視野顕微
鏡(near field microscope)、又は、Photon−走査トン
ネル顕微鏡(PSTM)と呼ばれている。
Since the latter half of the 1980s, an optical microscope having a resolution exceeding the diffraction limit by using an evanescent wave has been proposed. This microscope is called a near field microscope or a Photon-scanning tunneling microscope (PSTM).

【0005】PSTMは、“波長より小さい寸法の領域
に局在し、自由空間を伝搬しない”というエバネッセン
ト波の特性を利用したものである。
PSTM utilizes the characteristic of an evanescent wave that "localizes in a region smaller than the wavelength and does not propagate in free space".

【0006】実際のPSTM測定において、まず、微小
物体(即ち、測定試料)の表面近傍に局在するエバネッ
セント光を光ピックアップ(即ち、プロ―ブ)を走査す
ることで散乱させて伝搬光(即ち、散乱光)に変換す
る。そして、この散乱光を検出して散乱光強度の地図を
作製することによって、微小物体に対する解像が成され
る。
In the actual PSTM measurement, first, evanescent light localized near the surface of a micro object (ie, measurement sample) is scattered by scanning an optical pickup (ie, probe) and propagated light (ie, , Scattered light). Then, by detecting the scattered light and creating a map of the scattered light intensity, the resolution of the minute object is formed.

【0007】図2には、一般的なPSTM装置の構成が
概略的に示されている。
FIG. 2 schematically shows the structure of a general PSTM device.

【0008】図2に示すように、測定試料2が、3次元
移動ステ―ジ4に倒立配置された表面6aの清浄なプリ
ズム6上に載置されている。
As shown in FIG. 2, a measurement sample 2 is placed on a clean prism 6 having a surface 6a which is placed upside down on a three-dimensional moving stage 4.

【0009】このような状態において、半導体レーザ8
からレンズ10及び反射ミラー12を介して導光された
レーザー光をプリズム6の表面6aに対して全反射条件
を満たす角度で入射させる。
In such a state, the semiconductor laser 8
The laser light guided through the lens 10 and the reflection mirror 12 is incident on the surface 6a of the prism 6 at an angle satisfying the condition of total reflection.

【0010】この結果、プリズム6の表面6a上に載置
された測定試料2は、後述する散乱光のバックグランド
(背景光)が最小となるように、照明されることにな
る。
As a result, the measurement sample 2 placed on the surface 6a of the prism 6 is illuminated so that the background (background light) of scattered light, which will be described later, is minimized.

【0011】この結果、測定試料2の表面近傍には、下
記の表1の関係を有するエバネッセント光(E)が発生
する。
As a result, evanescent light (E) having the relationship shown in Table 1 below is generated near the surface of the measurement sample 2.

【0012】[0012]

【表1】 [Table 1]

【0013】このとき、先端を尖鋭化させた光ファイバ
ープローブ14をプリズム6の表面6aに近付けると、
光ファイバープローブ14によってエバネッセント光
(E)が散乱光に変換される。
At this time, when the optical fiber probe 14 having a sharpened tip is brought close to the surface 6a of the prism 6,
The optical fiber probe 14 converts the evanescent light (E) into scattered light.

【0014】散乱光は、光ファイバープローブ14を介
して光検出器16に導光され、散乱光強度の変化が検出
される。
The scattered light is guided to the photodetector 16 via the optical fiber probe 14, and the change in the scattered light intensity is detected.

【0015】光検出器16によって検出された散乱光強
度の変化は、対応した散乱光強度信号に変換された後、
Z位置制御機構18に出力される。
The change in scattered light intensity detected by the photodetector 16 is converted into a corresponding scattered light intensity signal,
It is output to the Z position control mechanism 18.

【0016】Z位置制御機構18は、散乱光強度信号に
基づいて、3次元移動ステ―ジ4をZ方向即ち光ファイ
バープローブ14方向に移動制御して、プリズム6上の
測定試料2を光ファイバープローブ14の先端と略同位
置に固定する。
The Z position control mechanism 18 controls the movement of the three-dimensional movement stage 4 in the Z direction, that is, the direction of the optical fiber probe 14 based on the scattered light intensity signal, and moves the measurement sample 2 on the prism 6 to the optical fiber probe 14. Fix it in the same position as the tip of.

【0017】このような状態において、マイクロコンピ
ューター20が、X/Y走査装置22を介して3次元移
動ステージ4をX/Y移動制御する。この結果、光ファ
イバープローブ14は、測定試料2に対して相対的にX
Y走査される。
In such a state, the microcomputer 20 controls the X / Y movement of the three-dimensional movement stage 4 via the X / Y scanning device 22. As a result, the optical fiber probe 14 moves relative to the measurement sample 2 in the X direction.
Y scanning is performed.

【0018】このとき、測定試料2の表面近傍に発生し
ているエバネッセント光(E)は、光ファイバープロー
ブ14によって散乱され、散乱光に変換される。
At this time, the evanescent light (E) generated near the surface of the measurement sample 2 is scattered by the optical fiber probe 14 and converted into scattered light.

【0019】この散乱光は、光検出器16によって光強
度に対する電気信号に変換された後、雑音やバックグラ
ンド除去等の画像処理が行われる。そして、XY走査量
に対する散乱光強度分布がPSTM画像として表示され
る。
The scattered light is converted into an electric signal corresponding to the light intensity by the photodetector 16, and then image processing such as noise and background removal is performed. Then, the scattered light intensity distribution with respect to the XY scanning amount is displayed as a PSTM image.

【0020】なお、光ファイバープローブ14は、先端
を鋭利に加工した誘電体や金属の針又は微小開口等を代
用することもできるが、光導波路を有し、散乱光を高効
率で収集でき且つ製作容易であるという利点がある。ま
た、シングルモ―ドの光ファイバ―をふっ酸を用いて化
学エッチングを行なうことによって、先端の曲率半径を
10nm以下、先端の尖り角を20°として実現され
る。
The optical fiber probe 14 may be replaced with a dielectric or metal needle having a sharpened tip or a minute opening, but it has an optical waveguide and can collect scattered light with high efficiency and can be manufactured. It has the advantage of being easy. Further, by chemically etching a single-mode optical fiber using hydrofluoric acid, the radius of curvature of the tip is 10 nm or less and the sharpness of the tip is 20 °.

【0021】また、上記PSTM画像を得るためには、
上記エバネッセント光(E)に対してプロ―ブ先端を走
査することで発生した散乱光が、測定試料2表面の大き
な凹凸によるバックグランド光成分から、識別できなけ
ればならない。このためには、プロ―ブ先端の尖り角が
小さく且つその曲率半径が測定試料2の半径程度である
ことが必要である。
To obtain the PSTM image,
The scattered light generated by scanning the probe tip with respect to the evanescent light (E) must be distinguishable from the background light component due to the large irregularities on the surface of the measurement sample 2. For this purpose, it is necessary that the sharpness of the tip of the probe is small and the radius of curvature thereof is about the radius of the measurement sample 2.

【0022】このような条件を満たす光ファイバープロ
―ブ14を、測定試料2に対して上記曲率半径程度の距
離を保って走査させると、測定試料2の微細構造から生
ずる減衰距離の短いエバネッセント光成分が除去され
る。このようにPSTMは、測定試料2表面の微細な凹
凸の空間周波数の中から、帯域フィルタ―のように、プ
ロ―ブ先端の曲率半径に対応する細かさをもつ成分を選
択的に抽出する装置であるということもでき、その分解
能はプロ―ブ先端の曲率半径と尖り角で決定される。
When the optical fiber probe 14 satisfying the above conditions is scanned with respect to the measurement sample 2 while keeping a distance of about the above radius of curvature, the evanescent light component having a short attenuation distance caused by the fine structure of the measurement sample 2 is obtained. Are removed. As described above, the PSTM is an apparatus for selectively extracting a component having a fineness corresponding to the radius of curvature of the probe tip, such as a bandpass filter, from the spatial frequency of fine irregularities on the surface of the measurement sample 2. It can be said that the resolution is determined by the radius of curvature and the sharpness of the probe tip.

【0023】[0023]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のPSTM法では、光ファイバープローブ14と測定試
料2とを接触させた状態で、光ファイバープローブ14
の位置制御が行われているため、測定試料2の表面近傍
に局在化しているエバネッセント光(E)を高精度に検
出することが困難であるという問題が存する。
As described above, in the conventional PSTM method, the optical fiber probe 14 is kept in contact with the optical fiber probe 14 and the measurement sample 2.
Since the position control is performed, it is difficult to detect the evanescent light (E) localized near the surface of the measurement sample 2 with high accuracy.

【0024】また、光ファイバープローブ14を測定試
料2に接触させている関係上、光ファイバープローブ1
4の先端形状が変化して、測定分解能を一定に保持する
ことが困難になってしまうという問題もある。
Since the optical fiber probe 14 is in contact with the measurement sample 2, the optical fiber probe 1
There is also a problem that the shape of the tip of No. 4 changes and it becomes difficult to keep the measurement resolution constant.

【0025】更に、測定試料2の表面の屈折率変化が小
さい場合、定常的なエバネッセント光強度の変化も小さ
いため、S/N比を一定の許容範囲に維持させておくこ
とが困難になるという問題が発生する。
Further, when the change in the refractive index of the surface of the measurement sample 2 is small, the steady change in the evanescent light intensity is also small, so that it becomes difficult to keep the S / N ratio within a certain allowable range. The problem occurs.

【0026】そして、上述したような問題が発生する結
果、測定試料2の表面の屈折率分布を高精度に測定する
ことが困難になってしまうという問題が生じる。
As a result of the above-mentioned problems, it becomes difficult to measure the refractive index distribution on the surface of the measurement sample 2 with high accuracy.

【0027】本発明は、このような課題を解決するため
になされており、その目的は、測定試料に対して非接触
走査を行うことによって、測定試料の表面近傍に局在化
するエバネッセント光を高精度に検出でき、且つ、測定
試料表面の屈折率分布を高分解能及び高感度に測定でき
るニアフィールド顕微鏡を提供することにある。
The present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to perform emissive light localized in the vicinity of the surface of a measurement sample by performing non-contact scanning on the measurement sample. It is an object of the present invention to provide a near-field microscope that can detect with high accuracy and can measure the refractive index distribution on the surface of a measurement sample with high resolution and high sensitivity.

【0028】[0028]

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明のニアフィールド顕微鏡は、その自由
端表面に探針を有するカンチレバーと、所定の測定試料
をセット可能であって且つ前記測定試料の表面近傍にエ
バネッセント光を発生させるエバネッセント光発生手段
と、前記カンチレバーを所定の振動周波数で振動させる
振動手段と、前記カンチレバーの自由端裏面にレーザー
光を照射し且つ前記自由端裏面から反射したレーザー光
の光学的特性に基づいて、前記探針と前記測定試料との
間の相互作用により生じる前記振動周波数の変化を検出
する第1の検出手段と、前記第1の検出手段によって検
出された第1の検出信号に基づいて、前記カンチレバー
の振動中心と前記測定試料との間の距離を一定に維持さ
せるサーボ手段と、前記第1の検出手段によって検出さ
れた第1の検出信号に基づいて、前記探針を前記測定試
料に対して相対的に非接触走査させる走査手段と、前記
測定試料の表面近傍に発生した前記エバネッセント光に
前記探針が接することによって発生した散乱光の強度を
検出する第2の検出手段と、この第2の検出手段によっ
て検出された第2の検出信号に基づいて、前記測定試料
の表面の屈折率分布を画像解析する画像解析手段とを備
える。
In order to achieve such an object, the near-field microscope of the present invention is capable of setting a cantilever having a probe on its free end surface and a predetermined measurement sample, and Evanescent light generating means for generating evanescent light in the vicinity of the surface of the measurement sample, vibrating means for vibrating the cantilever at a predetermined vibration frequency, and irradiating the free end back surface of the cantilever with laser light and from the back surface of the free end. First detection means for detecting a change in the vibration frequency caused by interaction between the probe and the measurement sample based on the optical characteristics of the reflected laser light, and detection by the first detection means Servo means for maintaining a constant distance between the vibration center of the cantilever and the measurement sample based on the generated first detection signal. A scanning unit for scanning the probe relative to the measurement sample in a non-contact manner based on a first detection signal detected by the first detection unit; and the scanning unit generated near the surface of the measurement sample. The surface of the measurement sample based on second detection means for detecting the intensity of scattered light generated when the probe comes into contact with the evanescent light and the second detection signal detected by the second detection means. Image analysis means for image-analyzing the refractive index distribution of the.

【0029】[0029]

【作用】カンチレバーを振動させつつ、走査手段を介し
てサーボ手段を駆動制御することによって、探針を測定
試料に対して相対的に非接触走査させて、測定試料表面
全体の屈折率分布が測定される。
By operating the servo means through the scanning means while vibrating the cantilever, the probe is relatively contactlessly scanned with respect to the measurement sample, and the refractive index distribution on the entire surface of the measurement sample is measured. To be done.

【0030】[0030]

【実施例】以下、本発明の一実施例に係るニアフィール
ド顕微鏡について、図1を参照して説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A near field microscope according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.

【0031】図1に示すように、本実施例のニアフィー
ルド顕微鏡は、その自由端表面に探針24を有するカン
チレバー26と、所定の測定試料28をセット可能であ
って且つ測定試料28の表面近傍にエバネッセント光
(図示しない)を発生させるエバネッセント光発生手段
(30,32,34,36,38)と、カンチレバー2
6を所定の振動周波数で振動させる振動手段(40,4
2)と、カンチレバー26の自由端裏面にレーザー光を
照射し且つ自由端裏面から反射したレーザー光の光学的
特性に基づいて、探針24と測定試料28との間の相互
作用により生じる上記振動周波数の変化を検出する第1
の検出手段(44,45,46,48)と、この第1の
検出手段によって検出された第1の検出信号に基づい
て、カンチレバー26の振動中心と測定試料28との間
の距離を一定に維持させるサーボ手段(50,52)
と、上記第1の検出手段によって検出された第1の検出
信号に基づいて、探針24を測定試料28に対して相対
的に非接触走査させる走査手段54と、測定試料28の
表面近傍に発生したエバネッセント光に探針24が接す
ることによって発生した散乱光の強度を検出する第2の
検出手段56と、この第2の検出手段56によって検出
された第2の検出信号に基づいて、測定試料28の表面
の屈折率分布を画像解析する画像解析手段(56,5
8,60,62)とを備えている。
As shown in FIG. 1, the near-field microscope of this embodiment is capable of setting a cantilever 26 having a probe 24 on its free end surface and a predetermined measurement sample 28, and the surface of the measurement sample 28. Evanescent light generating means (30, 32, 34, 36, 38) for generating evanescent light (not shown) in the vicinity and the cantilever 2
Vibrating means (40, 4) for vibrating 6 at a predetermined vibration frequency.
2) and the above-mentioned vibration caused by the interaction between the probe 24 and the measurement sample 28 on the basis of the optical characteristics of the laser light that is irradiated onto the back surface of the free end of the cantilever 26 and reflected from the back surface of the free end. First to detect changes in frequency
Of the detection means (44, 45, 46, 48) and the first detection signal detected by the first detection means, the distance between the vibration center of the cantilever 26 and the measurement sample 28 is made constant. Servo means to maintain (50, 52)
And a scanning means 54 for relatively non-contact scanning the probe 24 with respect to the measurement sample 28 based on the first detection signal detected by the first detection means, and a vicinity of the surface of the measurement sample 28. Based on the second detection means 56 for detecting the intensity of scattered light generated by the probe 24 coming into contact with the generated evanescent light, and the second detection signal detected by the second detection means 56, measurement is performed. Image analysis means (56, 5) for image-analyzing the refractive index distribution on the surface of the sample 28.
8, 60, 62).

【0032】なお、探針24及びカンチレバー26は、
観察領域の光に対して光学的に透明である部材(例え
ば、窒化シリコン)から成る。
The probe 24 and the cantilever 26 are
It is made of a member (for example, silicon nitride) that is optically transparent to the light in the observation area.

【0033】エバネッセント光発生手段は、測定試料2
8をセット可能な表面30aを有するプリズム30(例
えば90°プリズム)と、例えば気体レーザーや半導体
レーザー等のレーザー光源32と、このレーザー光源3
2から出力されたレーザー光をプリズム30方向に導光
する光ファイバーケーブル34と、この光ファイバーケ
ーブル34の出射端から出射したレーザー光をプリズム
30の表面30aに集光させるコリメーターレンズ36
と、レーザー光をプリズム30の表面30aに対して全
反射条件を満たす角度で入射させるように、プリズム3
0と光ファイバーケーブル34の出射端との相対位置や
レーザー光の入射角度等を調整する調整機構38とを備
えている。
The evanescent light generating means is the measurement sample 2
A prism 30 (for example, a 90 ° prism) having a surface 30a on which 8 can be set, a laser light source 32 such as a gas laser or a semiconductor laser, and the laser light source 3
The optical fiber cable 34 for guiding the laser light output from the optical fiber 2 toward the prism 30 and the collimator lens 36 for condensing the laser light emitted from the emission end of the optical fiber cable 34 on the surface 30a of the prism 30.
And the laser beam is incident on the surface 30a of the prism 30 at an angle satisfying the condition of total reflection.
0 and an adjusting mechanism 38 for adjusting the relative position between the output end of the optical fiber cable 34 and the incident angle of the laser light.

【0034】なお、測定試料28は、プリズム30との
間の屈折率のマッチングをとるためのマッチングオイル
(図示しない)を介してプリズム30の表面30a上に
セットされている。
The measurement sample 28 is set on the surface 30a of the prism 30 through a matching oil (not shown) for matching the refractive index with the prism 30.

【0035】振動手段は、所定の振動周波数信号(即
ち、Z軸変調信号)を出力可能なZ軸変調信号発生装置
40と、Z軸変調信号に基づいて、カンチレバー26を
Z方向即ち測定試料28に対して垂直方向に振動させる
圧電アクチュエータ42とを備えている。
The vibrating means includes a Z-axis modulation signal generator 40 capable of outputting a predetermined vibration frequency signal (that is, a Z-axis modulation signal), and the cantilever 26 in the Z direction, that is, the measurement sample 28 based on the Z-axis modulation signal. And a piezoelectric actuator 42 that vibrates in a direction perpendicular to the.

【0036】第1の検出手段は、所定のレーザー光をカ
ンチレバー26の自由端裏面に向けて出射可能な例えば
半導体レーザー44と、この半導体レーザー44からの
レーザー光の反射効率を上げ且つこのレーザー光のエバ
ネッセント光への混入を防ぐように、カンチレバー26
の先端部に設けられた半導体レーザー反射面(金属コー
ト)45と、この半導体レーザー反射面45から反射し
たレーザー光を受光して、その光量変化に基づいた電気
信号を出力可能な2分割フォトディテクタ46と、この
2分割フォトディテクタ46から出力された電気信号に
基づいて、探針24と測定試料28との間の相互作用に
よって生じるカンチレバー26の振動周波数の変化を検
出するロックインアンプ48とを備えている。
The first detecting means is, for example, a semiconductor laser 44 capable of emitting a predetermined laser beam toward the back surface of the free end of the cantilever 26, and the efficiency of reflection of the laser beam from the semiconductor laser 44 and the laser beam. Of the cantilever 26 to prevent it from mixing with the evanescent light
A semiconductor laser reflecting surface (metal coat) 45 provided at the tip of the laser, and a two-divided photodetector 46 capable of receiving the laser light reflected from the semiconductor laser reflecting surface 45 and outputting an electric signal based on the change in the light quantity. And a lock-in amplifier 48 that detects a change in the vibration frequency of the cantilever 26 caused by the interaction between the probe 24 and the measurement sample 28 based on the electric signal output from the two-divided photodetector 46. There is.

【0037】なお、2分割フォトディテクタ46は、カ
ンチレバー26が変位していないときのレーザー光のス
ポット位置が基準位置(即ち、2分割線上)となるよう
に、構成されている。
The two-divided photodetector 46 is constructed so that the spot position of the laser light when the cantilever 26 is not displaced is the reference position (that is, on the two-division line).

【0038】従って、この状態において、両受光面(図
示しない)から出力される電流値は互いに等しいものと
なる。そして、カンチレバー26が変位して、上記スポ
ット位置がシフトすると、両受光面から出力される電流
値は相対的に変化する。
Therefore, in this state, the current values output from both light receiving surfaces (not shown) are equal to each other. When the cantilever 26 is displaced and the spot position is shifted, the current values output from both light receiving surfaces are relatively changed.

【0039】ロックインアンプ48は、この変化した電
流値に基づいてカンチレバー26の変位を検出し、その
検出データを後述するサーボ手段(50,52)に出力
する機能を有する。
The lock-in amplifier 48 has a function of detecting the displacement of the cantilever 26 based on the changed current value and outputting the detection data to the servo means (50, 52) described later.

【0040】サーボ手段は、プリズム30を3次元移動
可能に倒立保持するスキャナ50と、ロックインアンプ
48から出力された検出データに基づいて、カンチレバ
ー26の振動中心と測定試料28との間の距離を一定に
維持させるように、スキャナ50を駆動制御するZサー
ボ回路52とを備えている。
The servo means is a scanner 50 that holds the prism 30 upside down so that it can move three-dimensionally, and the distance between the vibration center of the cantilever 26 and the measurement sample 28 based on the detection data output from the lock-in amplifier 48. And a Z-servo circuit 52 for driving and controlling the scanner 50 so as to maintain the constant value.

【0041】走査手段は、スキャナ50を駆動制御し
て、探針24を測定試料28に対して相対的に非接触走
査させるXY走査回路54を備えている。
The scanning means is provided with an XY scanning circuit 54 for driving and controlling the scanner 50 to relatively non-contact scan the probe 24 with respect to the measurement sample 28.

【0042】第2の検出手段は、測定試料28の表面近
傍に発生したエバネッセント光に、探針24が接するこ
とによって発生した散乱光を受光して、その光量に対応
した電気信号を出力する光電変換素子56を備えてい
る。
The second detecting means receives the scattered light generated by the contact of the probe 24 with the evanescent light generated near the surface of the measurement sample 28, and outputs an electric signal corresponding to the amount of light. A conversion element 56 is provided.

【0043】また、光電変換素子56の集光効率を上げ
るために、光電変換素子56は、対物レンズ64の光軸
とほぼ同軸上に配置され、更に、この対物レンズ64を
通過する散乱光が、光電変換素子56の受光面で焦点を
結ぶように、光電変換素子56と対物レンズ64との距
離は、調整される。この光電変換素子56と対物レンズ
64との距離の調整は、手動で調整するか、もしくは、
これを調整するような調整機構(図示しない)を設ける
ことによって行われる。
Further, in order to improve the light collection efficiency of the photoelectric conversion element 56, the photoelectric conversion element 56 is arranged substantially coaxially with the optical axis of the objective lens 64, and further, the scattered light passing through this objective lens 64 is The distance between the photoelectric conversion element 56 and the objective lens 64 is adjusted so that the light receiving surface of the photoelectric conversion element 56 is focused. The distance between the photoelectric conversion element 56 and the objective lens 64 can be adjusted manually, or
This is done by providing an adjusting mechanism (not shown) for adjusting this.

【0044】画像解析手段は、光電変換素子56から出
力された電気信号に基づいて、エバネッセント光の強度
の相対値を検出するように、カンチレバー26の振動周
波数に同期した交流成分(AC成分)を検出するロック
インアンプ58と、光電変換素子56から出力された電
気信号に基づいて、エバネッセント光全体の強度を検出
するように、カンチレバー26の振動周波数よりも充分
に低い周波数成分(即ち、直流成分(DC成分))のみ
を選択検出するローパスフィルタ60と、ロックインア
ンプ58又はローパスフィルタ60から出力された検出
信号に画像処理を施して、測定試料28の表面の屈折率
分布を画像化する画像解析装置62とを備えている。
The image analysis means detects an AC component (AC component) synchronized with the vibration frequency of the cantilever 26 so as to detect the relative value of the intensity of the evanescent light based on the electric signal output from the photoelectric conversion element 56. Based on the lock-in amplifier 58 for detection and the electric signal output from the photoelectric conversion element 56, a frequency component (that is, a DC component) sufficiently lower than the vibration frequency of the cantilever 26 is detected so as to detect the intensity of the entire evanescent light. (DC component)) and an image that images the refractive index distribution on the surface of the measurement sample 28 by performing image processing on the detection signal output from the lock-in amplifier 58 or the low-pass filter 60 that selectively detects only the (DC component)). And an analysis device 62.

【0045】以下、本実施例の動作について説明する。The operation of this embodiment will be described below.

【0046】まず、プリズム30の表面30aに入射す
るレーザー光は、調整機構38によって、常時、プリズ
ム30の表面30aに対して全反射条件を満たす角度で
入射するように調整されているものとする。
First, it is assumed that the laser light incident on the surface 30a of the prism 30 is constantly adjusted by the adjusting mechanism 38 so as to be incident on the surface 30a of the prism 30 at an angle satisfying the condition of total reflection. .

【0047】このような状態において、レーザー光源3
2から出射されたレーザー光は、光ファイバケーブル3
4を介してコリメーターレンズ36に導光される。
In such a state, the laser light source 3
The laser light emitted from 2 is the optical fiber cable 3
The light is guided to the collimator lens 36 via 4.

【0048】コリメーターレンズ36は、レーザー光を
所定径の平行光に変換した後、プリズム30の表面30
aに入射させる。
The collimator lens 36 converts the laser light into parallel light having a predetermined diameter, and then the surface 30 of the prism 30.
It is incident on a.

【0049】プリズム30の表面30aに入射したレー
ザー光によって、測定試料28の表面近傍には、エバネ
ッセント光(図示しない)が発生する。
The evanescent light (not shown) is generated near the surface of the measurement sample 28 by the laser light incident on the surface 30a of the prism 30.

【0050】このとき、Z軸変調信号発生装置40から
出力された振動周波数信号に基づいて、圧電アクチュエ
ータ42は、カンチレバー26をZ方向(即ち測定試料
28に対して略垂直方向)に所定の振動周波数で振動さ
せる。
At this time, based on the vibration frequency signal output from the Z-axis modulation signal generator 40, the piezoelectric actuator 42 causes the cantilever 26 to vibrate in the Z direction (that is, substantially perpendicular to the measurement sample 28) by a predetermined vibration. Vibrate at a frequency.

【0051】このとき、半導体レーザー44からカンチ
レバー26の半導体レーザー反射面45に向って出射さ
れたレーザー光は、かかる半導体レーザー反射面45で
反射した後、2分割フォトディテクタ46に照射され、
光量変化に対応した電気信号に変換される。
At this time, the laser light emitted from the semiconductor laser 44 toward the semiconductor laser reflecting surface 45 of the cantilever 26 is reflected by the semiconductor laser reflecting surface 45, and then is irradiated on the two-divided photodetector 46.
It is converted into an electric signal corresponding to the change in light quantity.

【0052】ロックインアンプ48は、Z軸変調信号発
生装置40から出力された振動周波数信号に基づいて、
カンチレバー26の振動周波数変化を検出して、その検
出データをZサーボ回路52に出力する。
The lock-in amplifier 48, based on the vibration frequency signal output from the Z-axis modulation signal generator 40,
A change in vibration frequency of the cantilever 26 is detected and the detection data is output to the Z servo circuit 52.

【0053】Zサーボ回路52は、検出データに基づい
て、カンチレバー26の振動中心と測定試料28との間
の距離を一定に維持させるように、スキャナ50を駆動
制御する。
The Z servo circuit 52 drives and controls the scanner 50 based on the detection data so as to keep the distance between the vibration center of the cantilever 26 and the measurement sample 28 constant.

【0054】この結果、探針24は、測定試料28に対
して非接触状態で振動されることになる。
As a result, the probe 24 is vibrated in a non-contact state with the measurement sample 28.

【0055】この状態において、エバネッセント光に探
針24が接することによって発生した散乱光は、対物レ
ンズ64によって光電変換素子56に集光され、その光
量に対応した電気信号に変換される。
In this state, the scattered light generated by the probe 24 coming into contact with the evanescent light is condensed on the photoelectric conversion element 56 by the objective lens 64 and converted into an electric signal corresponding to the amount of light.

【0056】光電変換素子56から出力された電気信号
は、ロックインアンプ58又はローパスフィルタ60に
入力される。
The electric signal output from the photoelectric conversion element 56 is input to the lock-in amplifier 58 or the low-pass filter 60.

【0057】ロックインアンプ58は、入力された電気
信号に基づいて、エバネッセント光の強度の相対値を検
出するように、カンチレバー26の振動周波数に同期し
た交流成分(AC成分)を検出する。
The lock-in amplifier 58 detects an AC component (AC component) synchronized with the vibration frequency of the cantilever 26 so as to detect the relative value of the intensity of the evanescent light based on the input electric signal.

【0058】ロックインアンプ58から出力された検出
信号は、画像解析装置62に入力される。
The detection signal output from the lock-in amplifier 58 is input to the image analysis device 62.

【0059】画像解析装置62は、入力された検出信号
に対して画像処理を施し、測定試料28の表面の屈折率
分布を画像化する。
The image analysis device 62 subjects the input detection signal to image processing to image the refractive index distribution on the surface of the measurement sample 28.

【0060】一方、ローパスフィルタ60は、入力され
た電気信号に基づいて、エバネッセント光全体の強度を
検出するように、カンチレバー26の振動周波数よりも
充分に低い周波数成分(即ち、直流成分(DC成分))
のみを選択検出する。
On the other hand, the low-pass filter 60 detects a total intensity of the evanescent light on the basis of the input electric signal so that the frequency component (that is, the DC component (DC component) sufficiently lower than the vibration frequency of the cantilever 26 is detected. ))
Only select and detect.

【0061】ローパスフィルタ60から出力された検出
信号は、画像解析装置62に入力され、同様に、画像処
理が施される。
The detection signal output from the low-pass filter 60 is input to the image analysis device 62 and similarly subjected to image processing.

【0062】このような処理は、全ての走査領域に亘っ
て行われる。即ち、カンチレバー26を振動させつつ、
XY走査回路54を介してスキャナ50を駆動制御する
ことによって、探針24を測定試料28に対して相対的
に非接触走査させて、測定試料28表面全体の屈折率分
布が測定される。
Such processing is performed over the entire scanning area. That is, while vibrating the cantilever 26,
By driving and controlling the scanner 50 through the XY scanning circuit 54, the probe 24 is relatively contactlessly scanned with respect to the measurement sample 28, and the refractive index distribution on the entire surface of the measurement sample 28 is measured.

【0063】このように本実施例のニアフィールド顕微
鏡によれば、サーボ手段(50,52)によってカンチ
レバー26の振動中心と測定試料28との間の距離を一
定に維持させながら、測定試料28表面に局在化してい
るエバネッセント光を高精度に検出することができる。
この結果、測定試料28表面の屈折率分布を高分解能且
つ高感度に測定することが可能となる。
As described above, according to the near-field microscope of the present embodiment, the surface of the measurement sample 28 is maintained while the distance between the vibration center of the cantilever 26 and the measurement sample 28 is kept constant by the servo means (50, 52). The evanescent light localized in the can be detected with high accuracy.
As a result, the refractive index distribution on the surface of the measurement sample 28 can be measured with high resolution and high sensitivity.

【0064】なお、本発明は、上述した実施例の構成に
限定されることはなく、当業者に自明な範囲内において
種々変更可能であることは言うまでもない。
It is needless to say that the present invention is not limited to the configuration of the above-mentioned embodiment and can be variously modified within the scope obvious to those skilled in the art.

【0065】[0065]

【発明の効果】本発明のニアフィールド顕微鏡によれ
ば、サーボ手段によってカンチレバーの振動中心と測定
試料との間の距離を一定に維持させながら、測定試料表
面に局在化しているエバネッセント光を高精度に検出す
ることができる。この結果、測定試料表面の屈折率分布
を高分解能且つ高感度に測定することが可能となる。
According to the near-field microscope of the present invention, the evanescent light localized on the surface of the measurement sample is enhanced while the distance between the vibration center of the cantilever and the measurement sample is kept constant by the servo means. It can be detected accurately. As a result, it becomes possible to measure the refractive index distribution on the surface of the measurement sample with high resolution and high sensitivity.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例に係るニアフィールド顕微鏡
の全体の構成を概略的に示すブロック図。
FIG. 1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a near-field microscope according to an embodiment of the present invention.

【図2】従来のニアフィールド顕微鏡の構成を概略的に
示す図。
FIG. 2 is a diagram schematically showing a configuration of a conventional near-field microscope.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

24…探針、26…カンチレバー、28…測定試料、3
0,32,34,36,38…エバネッセント光発生手
段、40,42…振動手段、44,45,46,48…
第1の検出手段、50,52…サーボ手段、54…走査
手段、56…第2の検出手段、56,58,60,62
…画像解析手段。
24 ... Probe, 26 ... Cantilever, 28 ... Measurement sample, 3
0, 32, 34, 36, 38 ... Evanescent light generating means, 40, 42 ... Vibrating means, 44, 45, 46, 48 ...
First detecting means, 50, 52 ... Servo means, 54 ... Scanning means, 56 ... Second detecting means, 56, 58, 60, 62
… Image analysis means.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 その自由端表面に探針を有するカンチレ
バーと、 所定の測定試料をセット可能であって且つ前記測定試料
の表面近傍にエバネッセント光を発生させるエバネッセ
ント光発生手段と、 前記カンチレバーを所定の振動周波数で振動させる振動
手段と、 前記カンチレバーの自由端裏面にレーザー光を照射し且
つ前記自由端裏面から反射したレーザー光の光学的特性
に基づいて、前記探針と前記測定試料との間の相互作用
により生じる前記振動周波数の変化を検出する第1の検
出手段と、 前記第1の検出手段によって検出された第1の検出信号
に基づいて、前記カンチレバーの振動中心と前記測定試
料との間の距離を一定に維持させるサーボ手段と、 前記第1の検出手段によって検出された第1の検出信号
に基づいて、前記探針を前記測定試料に対して相対的に
非接触走査させる走査手段と、 前記測定試料の表面近傍に発生した前記エバネッセント
光に前記探針が接することによって発生した散乱光の強
度を検出する第2の検出手段と、 この第2の検出手段によって検出された第2の検出信号
に基づいて、前記測定試料の表面の屈折率分布を画像解
析する画像解析手段とを備えることを特徴とするニアフ
ィールド顕微鏡。
1. A cantilever having a probe on the surface of its free end, an evanescent light generating unit capable of setting a predetermined measurement sample and generating evanescent light in the vicinity of the surface of the measurement sample, and the predetermined cantilever. Vibrating means for vibrating at a vibration frequency of, and based on the optical characteristics of the laser light that irradiates the free end back surface of the cantilever with laser light and is reflected from the free end back surface, between the probe and the measurement sample. A first detection unit that detects a change in the vibration frequency caused by an interaction between the first and second detection units, and a vibration center of the cantilever and the measurement sample based on a first detection signal detected by the first detection unit. The probe is moved forward based on the servo means for keeping the distance between them constant and the first detection signal detected by the first detection means. Scanning means for relatively non-contact scanning with respect to the measurement sample, and second detection means for detecting the intensity of scattered light generated by the probe coming into contact with the evanescent light generated near the surface of the measurement sample. A near-field microscope, comprising: and an image analysis unit for image-analyzing the refractive index distribution of the surface of the measurement sample based on the second detection signal detected by the second detection unit.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005099054A (en) * 2004-12-27 2005-04-14 Olympus Corp Fluorometer for micro matter

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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