JPH09210906A - 近接場顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定分解能、ＳＮ比および検出感度に優れた
近接場顕微鏡を提供する。 【解決手段】 照明用光源１０から出力された照明光Ａ
は、ビームエクスパンダ２１、反射鏡２２を経て、照明
用対物レンズ２３で集光されてプローブ３０の先端部に
照射される。プローブ３０の先端部と被測定物４０表面
との間で照明光Ａの照射に伴って発生した散乱光Ｂは、
集光用輪帯レンズ５０で平行光とされ、結像レンズ５２
で集光されて光検出器６０に到達し検出される。ここ
で、プローブ３０は、照明用対物レンズ２３から出力さ
れる照明光Ａの光路中にあって、その先端部は照明光Ａ
が集光される位置にある。また、照明用対物レンズ２３
と集光用輪帯レンズ５０とは同軸に配置されており、照
明用対物レンズ２３から出力された照明光Ａは被測定物
４０表面にほぼ垂直に照射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、先端部が先鋭化さ
れたプローブによって被測定物表面の局在場で光を散乱
し、その散乱光を検出することで近接場光学像の画像化
を行なう、反射型の無開口型・暗視野方式の近接場顕微
鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近接場顕微鏡は、被測定物の表面の局在
場で散乱された光を検出することにより、その被測定物
の表面の形状等を観察することができるものであり、高
いＳＮ比と分解能を有する光学顕微鏡として利用されて
いる。

【０００３】この近接場顕微鏡を分類すると、開口型と
無開口型とに分けられ、また、それぞれが透過型と反射
型とに分けられる。さらに、開口型は、開口照明方式や
全反射照明方式などに分けられ、無開口型は、明視野方
式、暗視野方式や全反射照明方式などに分けられる。

【０００４】図５は、従来の開口型の近接場顕微鏡の測
定原理図である。このうち、図５（ａ）は、反射型・開
口照明方式であり、照明用光源１から出力された照明光
Ａは、ビームスプリッタ２で一部が反射されて、プロー
ブ３内に導かれてその先端部から出力され被測定物４に
照射される。そして、被測定物４に照明光Ａが照射され
て発生した一部の散乱光Ｂは、再びプローブ３の先端部
に入射しその内部を導光し、ビームスプリッタ２を一部
透過して光検出器５で強度が検出される。

【０００５】また、図５（ｂ）は、透過型・全反射照明
方式であり、照明用光源１から出力された照明光Ａは、
被測定物４の裏面からプリズム６を介して入射して被測
定物４の裏面で全反射する。そして、被測定物４の表面
側に発生した散乱光Ｂは、プローブ３を経て光検出器５
で検出される。

【０００６】また、図５（ｃ）は、透過型・開口照明方
式であり、照明用光源１から出力された照明光Ａは、プ
ローブ３を経て被測定物４の表面に照射され、被測定物
４の裏面に発生した散乱光Ｂは、レンズ７で集光されて
光検出器５で検出される。

【０００７】これら開口型の何れのタイプの近接場顕微
鏡においても、プローブ３の開口面積を小さくして、照
明光Ａの照射面積または散乱光Ｂが受光される面積を小
さくすることによって、高い分解能を確保して、プロー
ブ３を含む光学系と被測定物４とを相対的に走査しなが
ら光検出器５で散乱光Ｂの強度を測定することにより、
被測定物４の表面の形状を測定する。

【０００８】図６は、従来の無開口型の近接場顕微鏡の
測定原理図である。このうち、図６（ａ）は、透過型・
全反射照明方式であり、照明用光源１から出力された照
明光Ａは、被測定物４の裏面からプリズム６を介して入
射して被測定物４の裏面で全反射し、被測定物４の表面
とプローブ８の先端部との間で発生した散乱光Ｂは、レ
ンズ７で集光されて光検出器５で検出される。

【０００９】また、図６（ｂ）は、反射型・暗視野方式
であり、照明用光源１から出力された照明光Ａは、レン
ズ７ａによって集光されてプローブ８と被測定物４とが
近接する領域に照射され、被測定物４の表面とプローブ
８の先端部との間で発生した散乱光Ｂは、レンズ７ｂで
集光されて光検出器５で検出される。このタイプの近接
場顕微鏡として、先端部の曲率半径が数十ｎｍ程度の金
属プローブを用いるものが提案され試作されている（井
上ら、応用物理学会・日本光学会・近接場光学研究グル
ープ、第４回研究討論会予稿集、pp.53-58、1995）。

【００１０】また、図６（ｃ）は、透過型・明視野方式
であり、照明用光源１から出力された照明光Ａは、ビー
ムスプリッタ９ａで２分岐され、一方は反射鏡９ｃで反
射され参照光となり、他方は反射鏡９ｂで反射され、レ
ンズ７ａで集光されて被測定物４に照射される。一方、
被測定物４とその裏面に配置されたプローブ８の先端部
との間で発生した散乱光Ｂは、レンズ７ａおよび７ｂで
集光されて、ビームスプリッタ９ａで分岐され反射鏡９
ｃで反射された参照光と合波され、光検出器５で検出さ
れる。このタイプは、干渉を利用することにより、検出
感度と分解能との向上を図るものである（F.Zenhauser
n, etal., Science, Vol.269, pp.1083-1085, 25 Augus
t 1995 ）。

【００１１】これら無開口型の何れのタイプの近接場顕
微鏡においても、プローブ８の先端部を先鋭化して、散
乱光Ｂが発生する面積を小さくすることによって、高い
分解能を確保して、プローブ８を含む光学系と被測定物
４とを相対的に走査しながら光検出器５で散乱光Ｂの強
度を測定することにより、被測定物４の表面の形状を測
定する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】このような近接場顕微
鏡では、開口型においてはプローブの開口部の面積が小
さいほど、また、無開口型においてはプローブの先端部
が小さいほど、分解能の高い測定が可能となる。

【００１３】しかし、開口型の近接場顕微鏡において
は、照明光Ａまたは散乱光Ｂの光漏れや不透過などの問
題が発生するために、プローブ先端の開口部面積の微細
化には限界がある。したがって、２０ｎｍ程度の測定分
解能を得るにとどまる。これに対して、無開口型の近接
場顕微鏡においては、プローブの先端部の曲率半径を微
細化するのは比較的容易であり、実際に数ｎｍ程度の曲
率半径のものが得られており、高い測定分解能が期待さ
れている。しかし、無開口型であっても以下のような問
題点がある。

【００１４】すなわち、暗視野方式で照明光を照射する
場合（図６（ｂ））、照明光が斜め方向から照射される
ために、照明光の照射範囲が直径１００μｍ程度とな
り、近接場顕微鏡に必要な照射範囲つまり分解能程度
（数ｎｍ程度）に比較して非常に大きい。したがって、
照射効率が低く、高出力の照明用光源と高感度の光検出
器が必要となり、また、ＳＮ比が悪い。同様に、散乱光
を斜め方向からレンズによって集光する場合（図６
（ａ）、図６（ｂ））にも、被測定物の表面上の直径１
００μｍ程度の範囲から発生した散乱光を検出すること
になり、これもＳＮ比を悪くする要因となる。

【００１５】また、明視野方式で照明光を照射する場合
（図６（ｃ））、照明光の照射範囲は回折限界まで小さ
くすることができ照射効率は高い。しかし、プローブと
被測定物表面との間の散乱光よりも強い被測定物からの
鏡面反射光が検出されるために、ＳＮ比が非常に低く、
光検出器で検出した光強度の信号処理が困難となる。こ
の問題に対処するために、照明光の一部を分岐し、これ
と散乱光とを干渉させて両者の位相差を検出し、これに
よってＳＮ比の改善を図ることとが行なわれているが、
充分なＳＮ比は得られていない。

【００１６】本発明は、上記問題点を解消する為になさ
れたものであり、測定分解能、ＳＮ比および検出感度に
優れた近接場顕微鏡を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る近接場顕微
鏡は、(1) 第１の光束を出力する照明用光源と、(2)第
１の光束を入力し、所定位置に集光して照射する照明光
学系と、(3) 照明光学系の出力端と所定位置との間の第
１の光束のほぼ光軸上に配され、先鋭化された先端部が
所定位置に位置するプローブと、(4) 照明光学系の出力
端と同軸状に入力端を有し、プローブの先端部に近接し
て置かれた被測定物の表面とプローブの先端部との間で
第１の光束の照射に基づいて発生した第２の光束を入力
端に入力し、第２の光束に基づく第３の光束を出力する
集光光学系と、(5) 第３の光束の光量を検出する光検出
器と、を備えることを特徴とする。

【００１８】この近接場顕微鏡は以下のように作用す
る。照明用光源から出力された第１の光束は、照明光学
系を経て所定位置に集光され照射される。その所定位置
には、プローブの先鋭化された先端部が配置されてお
り、そのプローブの先端部と被測定物とが近接配置され
た位置に第１の照明光が照射されると、これらの間の相
互作用によって第２の光束が発生する。この第２の光束
は集光光学系に入力されて、第３の光束として出力さ
れ、その光量が光検出器で検出される。このような近接
場顕微鏡においては、無開口型のプローブが使用される
ので、高い測定分解能が得られる。また、第１の光束は
暗視野照明方式で所定位置に照射されるので、第１の光
束の鏡面反射光が光検出器で検出されることはなく、高
いＳＮ比が得られる。また、照明光学系によって第１の
光束が被測定物に対して垂直に照射されるので、回折限
界まで集光されて照射効率がよく、小型・低出力の照明
用光源を使用しても高い検出感度が得られる。

【００１９】ここで、プローブは、照明光学系の出射端
の光学素子と一体に構成されてもよいし、集光光学系の
入射端の光学素子と一体に構成されてもよく、この場合
には、これらの相対的位置関係が固定されて取り扱いが
容易になる。また、プローブは、先端部が金属材料で構
成されると、曲率半径の小さい先端部を形成することが
できるので、高い測定分解能が得られる。

【００２０】照明光学系は、第１の光束のうちの所定の
偏光成分のみを透過させる偏光手段を備えてもよいし、
また、集光光学系は、第３の光束のうちの所定の偏光成
分のみを透過させる偏光手段を備えてもよい。この場合
には、被測定物の偏光特性分布が測定される。

【００２１】集光光学系は、被測定物の表面とプローブ
の先端部との間で第１の光束が散乱されて発生した散乱
光を、第２の光束として入力し第３の光束として出力す
ることとしてもよい。この場合には、被測定物の表面形
状が測定される。

【００２２】被測定物は蛍光物質を含むとともに、照明
用光源は、蛍光物質を励起する励起光を第１の光束とし
て出力し、集光光学系は、第２の光束のうち第１の光束
の散乱光を遮断し蛍光物質から発生した蛍光を透過させ
る励起光吸収フィルタを備え、励起光吸収フィルタから
出力された蛍光を第３の光束として出力することとして
もよい。この場合には、被測定物の蛍光物質濃度分布が
測定される。

【００２３】照明光学系は、第１の光束の一部を分岐し
て第４の光束として出力する光束分岐手段を備え、集光
光学系は、第２の光束と第４の光束とを干渉させる光束
干渉手段を備え、光束干渉手段により干渉して形成され
た光束を第３の光束として出力することとしてもよい。
この場合には、被測定物表面の光学特性分布が測定され
る。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施の形態を詳細に説明する。尚、図面の説明におい
て同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省
略する。

【００２５】（第１の実施形態）先ず、第１の実施形態
について説明する。図１は、第１の実施形態に係る近接
場顕微鏡の構成図である。

【００２６】照明用光源１０は、例えばレーザ光源であ
り、照明光Ａを出力する。この照明用光源１０から出力
された照明光Ａは、照明光学系を経て被測定物４０表面
の所定位置に照射される。すなわち、照明光Ａは、ビー
ムエクスパンダ２０で所定の径の光束に整形され、偏光
子２１を経て、反射鏡２２で反射され、照明用対物レン
ズ２３で集光されて、被測定物４０表面の所定位置に照
射される。

【００２７】この照明用対物レンズ２３の照明光出射側
には、プローブ３０が配置されている。このプローブ３
０は、先端部が金属からなり先鋭化（例えば、曲率半径
が数ｎｍ〜１０ｎｍ程度）されており、被測定物４０の
表面に近接される。照明用対物レンズ２３から出射され
た照明光Ａは、プローブ３０の周囲を伝搬して、プロー
ブ３０の先端部と被測定物４０とが近接する領域に集光
される。

【００２８】ここで、照明用対物レンズ２３は、被測定
物４０表面にほぼ垂直に照明光Ａを集光・照射するの
で、照明光Ａの照射範囲を回折限界まで狭くすることが
可能である。すなわち、照射範囲の径φは、照明光Ａの
波長λと照明用対物レンズ２３の開口数ＮＡとを用い
て、 φ≒λ／ＮＡ … (1) なる式で表される値まで小さくすることができる。ここ
で、波長λ＝５５０ｎｍとし開口数ＮＡ＝０．９とする
と、照射範囲φ≒６１０ｎｍであり、これを従来技術に
おける照射範囲φ＝１００μｍと比較すると、照射効率
が２×１０⁴ 倍以上向上することになる。したがって、
照明用光源１０は小型・低出力のものでも利用可能であ
る。

【００２９】プローブ３０の先端部と被測定物４０との
間の領域に集光照射された照明光Ａは、プローブ３０の
先端部と被測定物４０との間の相互作用によって、プロ
ーブ３０の先端部の形状と曲率半径および両者の距離に
応じて散乱光Ｂを発生する。この散乱光Ｂは、集光光学
系を経て、光検出器６０に入射して強度が検出される。
すなわち、発生した散乱光Ｂは、集光用輪帯レンズ５０
に入射して平行光とされ、反射鏡２２の周囲を通過し、
偏光子５１を経て、結像レンズ５２で集光されて、光検
出器６０に入射する。ここで、散乱光Ｂを入射する集光
用輪帯レンズ５０は、プローブ３０の先端部と被測定物
４０表面とが近接する位置に焦点位置を有し、照明用対
物レンズ２３と同軸に配された輪帯形状のレンズであ
る。したがって、散乱光Ｂは、高い集光効率で得られ、
反射鏡２２から照明用対物レンズ２３へ向かう照明光Ａ
の周囲を平行光として伝搬して偏光子５１に至る。

【００３０】そして、照明光Ａの入射光軸に垂直な方向
に被測定物４０を２次元走査することにより、被測定物
４０の表面形状を測定することができる。或いは、照明
光学系（照明用対物レンズ２３、反射鏡２２など）、集
光光学系（集光用輪帯レンズ５０など）およびプローブ
３０を一体として走査しても、同様に被測定物４０の表
面形状を測定することができる。

【００３１】このように、集光用輪帯レンズ５０と照明
用対物レンズ２３とを別のものとし、集光用輪帯レンズ
５０と照明用対物レンズ２３とを同軸に配置したので、
照明用対物レンズ２３から出射された照明光Ａが被測定
物４０表面で鏡面反射して集光用輪帯レンズ５０に入射
することはない。すなわち、暗視野方式の照明が可能と
なり、高いＳＮ比が得られる。

【００３２】また、照明用対物レンズ２３および集光用
輪帯レンズ５０それぞれの光学軸は、被測定物４０の表
面に対して垂直であり、照明用対物レンズ２３は、照明
光Ａの照射範囲を回折限界まで絞ることができ、また、
集光用輪対レンズ５０は、散乱光Ｂを高効率に集光する
ことができる。

【００３３】また、偏光子２１および５１は、被測定物
４０の偏光特性を検出するために設けられたものであ
る。すなわち、照明光Ａは、偏光子２１の光学軸の方位
によって決まる直線偏光成分のみが被測定物４０に照射
され、散乱光Ｂは、偏光子５１の光学軸の方位によって
決まる直線偏光成分のみが光検出器６０に検出される。
さらに、波長板等を備えることにより、任意の方向の偏
光特性を検出することができる。なお、偏光特性まで求
めないのであれば、これらは不要である。

【００３４】また、プローブ３０は、照明用対物レンズ
２３と一体構成されているのが好ましく、更に、集光用
輪帯レンズ５０とも一体構成されているのが好ましい。
これら３者は常に相対的位置関係が固定されて使用され
るため、これらが一体として形成されていれば本装置の
扱いが容易となる。

【００３５】なお、被測定物４０を載置し走査するＸＹ
ステージ、プローブ３０と被測定物４０との間隙を調整
するＺステージ、照明用対物レンズ２３および集光用輪
帯レンズ５０から光検出器６０の受光面に到るまでの光
学系を外界の外乱光から遮蔽するための鏡筒、光検出器
６０の出力を入力してＸＹステージの走査位置に応じて
２次元画像化する画像処理部などについては図中の記載
を省略した。

【００３６】（第２の実施形態）次に、第２の実施形態
について説明する。本実施形態は、第１の実施形態に係
る近接場顕微鏡を蛍光顕微鏡に応用したものである。図
２は、第２の実施形態に係る近接場顕微鏡の構成図であ
る。

【００３７】本実施形態においては、照明用光源１０
は、被測定物４０に含まれる蛍光物質を励起して蛍光を
発生させることができる励起光を照明光Ａとして出力す
る。この照明光Ａは、照明光学系を経て被測定物４０に
照射される。すなわち、照明光Ａは、ビームエクスパン
ダ２０によって所定の径の光束に整形され、二重円錐鏡
２４で輪帯光とされ、輪帯反射鏡２５で反射され、照明
用輪帯レンズ２６で集光されて、被測定物４０の表面上
の所定位置に照射される。

【００３８】ここで、二重円錐鏡２４は、その断面形状
が図３に示されるように、円錐の側面に反射鏡が形成さ
れた円錐鏡２４Ａと、円錐台の内側面に反射鏡が形成さ
れた円錐台内壁鏡２４Ｂとからなり、入射端２４ａに入
射した照明光Ａを先ず円錐鏡２４Ａの反射面で反射さ
せ、続いて円錐台内壁鏡２４Ｂの内側面で反射させ、出
射端２４ｂに輪帯光として出力するものである。また、
輪帯反射鏡２５は、二重円錐鏡２４で形成された輪帯形
状の照明光Ａを照明用輪帯レンズ２６に向けて反射させ
るものであり、中央に孔部が設けられて後述する蛍光Ｃ
をその孔部を通過させるものである。また、照明用輪帯
レンズ２６は、輪帯反射鏡２５から到達した輪帯形状の
照明光Ａを集光して、被測定物４０の所定位置に照射す
るものである。

【００３９】そして、照明光Ａが照射される被測定物４
０の位置には、プローブ３０の先鋭化された先端部が近
接配置されている。照明光Ａは、このプローブ３０の先
端部と被測定物４０とが近接する位置に集光照射され
て、これらの間隙で散乱され、これに伴って発生した光
束Ｃは、集光用対物レンズ５３に集光される。

【００４０】この集光用対物レンズ５３は、照明用輪帯
レンズ２６とは同軸であって、照明用輪帯レンズ２６の
中央の孔部の位置に配置されている。また、集光用対物
レンズ５３の光束入射側の中央には、プローブ３０が配
置されている。これら、照明用輪帯レンズ２６、集光用
対物レンズ５３およびプローブ３０は、相対的位置関係
は常に一定であるので、これら三者は一体として構成さ
れるのが好適である。

【００４１】また、この集光用対物レンズ５３に入射す
る光束Ｃには、このプローブ３０の先端部と被測定物４
０とが近接する位置に集光照射されてこの間隙で散乱さ
れた散乱光と、被測定物４０に含まれる蛍光物質から発
生した蛍光とが含まれる。そして、この光束Ｃは、集光
光学系を経て光検出器６０に到達する。すなわち、この
集光用対物レンズ５３に入射して平行光とされた光束Ｃ
は、輪帯反射鏡２５の中央の孔部を通過し、吸収フィル
タ５４で光束Ｃに含まれる蛍光のみが透過し、結像レン
ズ５２で集光されて、光検出器６０で検出される。ここ
で、吸収フィルタ５４は、照明光Ａの波長成分の光束を
遮断して透過させないが、被測定物４０中の蛍光物質か
ら発生した蛍光の波長成分の光束を透過させるものであ
る。したがって、光検出器６０は、蛍光のみを検出する
ことになる。

【００４２】そして、この光検出器６０が検出する蛍光
の強度は、プローブ３０の先端部と被測定物４０との間
の距離、および、被測定物４０の照明光Ａが照射されて
いる位置における蛍光物質の濃度に依存するものであ
る。したがって、被測定物４０を、照明光Ａの入射光軸
に垂直な方向に、照明光学系、集光光学系およびプロー
ブ３０に対して相対的に２次元走査することにより、被
測定物４０の表面形状と蛍光物質の濃度分布との情報が
得られる。特に、被測定物４０の表面が平坦であれば、
被測定物４０の表面近傍における蛍光物質の濃度分布が
得られる。そして、その測定分解能は、プローブ３０の
先端部の曲率半径によって決まり、その曲率半径程度の
分解能が得られる。特に、プローブ３０の先端部を金属
で構成すれば、数ｎｍから数十ｎｍ程度の分解能が達成
される。

【００４３】さらに、照明用輪帯レンズ２６は照明光Ａ
を回折限界近くまで効率よく照射し、さらに、集光用対
物レンズ５３はプローブ３０の先端付近で発生した光束
Ｃを効率よく集光するので、照明用光源１０を低出力で
小型のものを利用しても、光検出器６０においては十分
な強度の蛍光を受光することができる。

【００４４】なお、照明光学系および集光光学系を自己
蛍光が殆どない無蛍光材料（例えば、合成石英）で構成
し、また、集光光学系の入射側に照明光Ａを吸収する吸
収フィルタを設けることにより、自己蛍光ノイズを極め
て少なくすることができるので、微弱な蛍光をも検出す
ることができる。

【００４５】（第３の実施形態）次に、第３の実施形態
について説明する。本実施形態は、第１の実施形態に係
る近接場顕微鏡を干渉顕微鏡に応用したものである。図
４は、第３の実施形態に係る近接場顕微鏡の構成図であ
る。

【００４６】本実施形態においては、照明光Ａは可干渉
性を有することが必要であるため、照明用光源１０はレ
ーザ光源が用いられる。また、照明用光源１０から出力
された照明光Ａが照明光学系（ビームスプリッタ２０、
偏光子２１、反射鏡２２および照明用対物レンズ２３）
を経て被測定物４０表面上のプローブ３０の先端部が近
接する位置に照射されるのは、第１の実施形態とほぼ同
様である。ただし、第１の実施形態と異なり、照明光学
系の途中にビームスプリッタ（光束分岐手段）７０が設
けられている。このビームスプリッタ７０は、偏光子２
１の出力側に設けられ、照明光Ａの一部を分岐して、こ
れを参照光Ｄとして取り出す。そして、この参照光Ｄ
は、参照光学系（詳細は後述）に入力される。

【００４７】また、被測定物４０表面上のプローブ３０
の先端部が近接する位置で発生した散乱光Ｂが、集光光
学系（集光用輪帯レンズ５０、偏光子５１および結像レ
ンズ５２）を経て光検出器６０に到るのも、第１の実施
形態とほぼ同様である。ただし、集光光学系の途中に輪
帯ビームスプリッタ７４が設けられ、輪帯ビームスプリ
ッタ７４を透過した散乱光Ｂと、参照光学系を経て輪帯
ビームスプリッタ７４に到達して反射された参照光Ｄと
が干渉して光検出器６０に入射する点が、第１の実施形
態と異なる。

【００４８】ビームスプリッタ７０で分岐された参照光
Ｄは、参照光学系を経て輪帯ビームスプリッタ７４に入
力する。すなわち、分岐生成された参照光Ｄは、光路長
調整手段７１を通過し、反射鏡７２で反射され、ＮＤフ
ィルタ７３で所定割合だけ透過し、二重円錐鏡２４で輪
帯光とされ、輪帯ビームスプリッタ７４に入力する。

【００４９】ここで、光路長調整手段７１は、参照光Ｄ
の光路長を調整して、散乱光Ｂおよび参照光Ｄそれぞれ
について照明用光源１０から輪帯ビームスプリッタ７４
に到るまでの光路長の差を小さくするものであり、例え
ば、１個または２個以上の反射鏡を組み合わせて、参照
光Ｄをこれら反射鏡間で反射させて所定の光路長を得る
ようにしてもよい。これによって、輪帯ビームスプリッ
タ７４を出力した散乱光Ｂおよび参照光Ｄは効率よく干
渉することができる。また、ＮＤフィルタ７３は、参照
光Ｄの光量を調整して、輪帯ビームスプリッタ７４に到
達した散乱光Ｂの光量とほぼ等しくするものであり、こ
れによって、散乱光Ｂおよび参照光Ｄのコントラストの
優れた干渉が得られる。なお、二重円錐鏡２４は、第２
の実施形態で述べたものと同じである。

【００５０】このように、二重円錐鏡２４から出力した
輪帯形状の参照光Ｄは、輪帯ビームスプリッタ７４に入
射して反射される。また、プローブ３０の先端部付近で
発生した散乱光Ｂは、輪帯ビームスプリッタ７４に入射
して透過する。そして、参照光Ｄと散乱光Ｂとは、輪帯
ビームスプリッタ７４から出力したときには波面が一致
しており、両者間の位相差に応じた干渉を生ずる。この
干渉光が光検出器６０で検出される。

【００５１】この干渉光の強度すなわち参照光Ｄと散乱
光Ｂとの位相差は、プローブ３０の先端部と被測定物４
０表面との間の距離、および、被測定物４０の表面近傍
の光学特性に応じたものである。したがって、被測定物
４０を、照明光学系、集光光学系およびプローブ３０に
対して、相対的に２次元走査することによって、被測定
物４０の表面の形状と光学特性に関する情報を得ること
ができる。特に、被測定物４０の表面が平坦である場合
には、被測定物４０の表面近傍の光学特性の２次元分布
を得ることができる。さらに、照明用光源１０として波
長可変のレーザ光源を用いれば、被測定物４０の表面近
傍の光学特性について分光計測も可能である。

【００５２】本実施形態においても、プローブ３０の先
端部の曲率半径を小さくすることができるので高い分解
能が得られる。また、照明用対物レンズ２３によって回
折限界近くまで絞った照射光Ａの照射がなされるので高
効率の測定が可能となる。また、暗視野照明方式である
ので、ＳＮ比の優れた測定が可能である。なお、偏光子
２１および５１は、被測定物４０の偏光特性を検出する
ために設けられたものである。また、照明用対物レンズ
２３、集光用輪帯レンズ５０およびプローブ３０は一体
化されているのが好ましい。

【００５３】本発明は、上記実施形態に限定されるもの
ではなく種々の変形が可能である。例えば、照明光学
系、集光光学系および参照光学系の一部は光ファイバ束
を用いてもよい。すなわち、第１の実施形態において、
照明用光源１０から出力された照明光Ａを、光ファイバ
束の入射端に入射してその光ファイバ束の内部を導光さ
せて出射端から出射する。そして、この光ファイバ束か
ら出力された照明光Ａは、照明用対物レンズ２３で集光
されて、プローブ３０の先端部に集光照射される。ま
た、プローブ３０の先端部で発生した散乱光Ｂは、集光
用輪帯レンズ５０で集光された後、入射端が輪帯形状に
形成された別の光ファイバ束に入射し、これによって結
像レンズ５２に導かれ、結像レンズ５２で光検出器５０
の受光面に集光される。他の実施形態においても同様に
可能である。このように、光ファイバ束を用いれば、本
装置の取り扱いが容易となり、また、外乱光の入射を防
ぐことができてＳＮ比の向上にも好都合である。

【００５４】

【発明の効果】以上、詳細に説明したとおり本発明によ
れば、照明用光源から出力された第１の光束は、照明光
学系を経て所定位置に集光され照射される。その所定位
置には、プローブの先鋭化された先端部が配置されてお
り、そのプローブの先端部と被測定物とが近接配置され
た位置に第１の照明光が照射されると、これらの間の相
互作用によって第２の光束が発生する。この第２の光束
は集光光学系に入力されて、第３の光束として出力さ
れ、その光量が光検出器で検出される。

【００５５】このように、無開口型のプローブが使用さ
れるので、数ｎｍ程度の高い測定分解能が得られる。ま
た、第１の光束は暗視野照明方式で所定位置に照射され
るので、第１の光束の鏡面反射光が光検出器で検出され
ることはなく、高いＳＮ比が得られる。また、照明光学
系によって第１の光束が被測定物に対して垂直に照射さ
れるので、回折限界まで集光されて照射効率がよく、小
型・低出力の照明用光源を使用しても高い検出感度が得
られる。

【００５６】また、プローブが、照明光学系や集光光学
系と一体に構成されると、装置の取り扱いが容易にな
り、また、先端部を金属で構成すると曲率半径を小さく
することができるので、高い測定分解能が得られる。ま
た、照明光学系や集光光学系に偏光手段が備えられる場
合には、被測定物の光学特性も測定することができる。

【００５７】さらに、本発明に係る近接場顕微鏡は、被
測定物の表面形状を測定するだけでなく、被測定物に含
まれる蛍光物質の濃度分布を測定する蛍光顕微鏡にも応
用することができ、また、被測定物表面の光学特性分布
を測定する干渉顕微鏡にも応用することができる。いず
れの場合においても、測定分解能、ＳＮ比、照明効率お
よび検出感度に優れた測定が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係る近接場顕微鏡の構成図で
ある。

【図２】第２の実施形態に係る近接場顕微鏡の構成図で
ある。

【図３】二重円錐鏡の断面図である。

【図４】第３の実施形態に係る近接場顕微鏡の構成図で
ある。

【図５】従来の開口型の近接場顕微鏡の測定原理図であ
る。

【図６】従来の無開口型の近接場顕微鏡の測定原理図で
ある。

【符号の説明】

１０…照明用光源、２０…ビームエクスパンダ、２１…
偏光子、２２…反射鏡、２３…照明用対物レンズ、２４
…二重円錐鏡、２５…輪帯反射鏡、２６…照明用輪帯レ
ンズ、３０…プローブ、４０…被測定物、５０…集光用
輪帯レンズ、５１…偏光子、５２…結像レンズ、５３…
集光用対物レンズ、５４…吸収フィルタ、６０…光検出
器、７０…ビームスプリッタ、７１…光路長調整手段、
７２…反射鏡、７３…ＮＤフィルタ、７４…輪帯ビーム
スプリッタ、Ａ…照明光、Ｂ…散乱光、Ｃ…蛍光、Ｄ…
参照光。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の光束を出力する照明用光源と、 前記第１の光束を入力し、所定位置に集光して照射する
   照明光学系と、 前記照明光学系の出力端と前記所定位置との間の前記第
   １の光束のほぼ光軸上に配され、先鋭化された先端部が
   前記所定位置に位置するプローブと、 前記照明光学系の出力端と同軸状に入力端を有し、前記
   プローブの先端部に近接して置かれた被測定物の表面と
   前記プローブの先端部との間で前記第１の光束の照射に
   基づいて発生した第２の光束を前記入力端に入力し、前
   記第２の光束に基づく第３の光束を出力する集光光学系
   と、 前記第３の光束の光量を検出する光検出器と、 を備えることを特徴とする近接場顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記プローブは、前記照明光学系の出射
   端の光学素子と一体に構成される、ことを特徴とする請
   求項１記載の近接場顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記プローブは、前記集光光学系の入射
   端の光学素子と一体に構成される、ことを特徴とする請
   求項１記載の近接場顕微鏡。
4. 【請求項４】 前記プローブは、先端部が金属材料で構
   成される、ことを特徴とする請求項１記載の近接場顕微
   鏡。
5. 【請求項５】 前記照明光学系は、前記第１の光束のう
   ちの所定の偏光成分のみを透過させる偏光手段を備え
   る、ことを特徴とする請求項１記載の近接場顕微鏡。
6. 【請求項６】 前記集光光学系は、前記第３の光束のう
   ちの所定の偏光成分のみを透過させる偏光手段を備え
   る、ことを特徴とする請求項１記載の近接場顕微鏡。
7. 【請求項７】 前記集光光学系は、前記被測定物の表面
   と前記プローブの先端部との間で前記第１の光束が散乱
   されて発生した散乱光を、前記第２の光束として入力し
   前記第３の光束として出力する、ことを特徴とする請求
   項１記載の近接場顕微鏡。
8. 【請求項８】 前記被測定物は蛍光物質を含むととも
   に、 前記照明用光源は、前記蛍光物質を励起する励起光を前
   記第１の光束として出力し、 前記集光光学系は、前記第２の光束のうち前記第１の光
   束の散乱光を遮断し前記蛍光物質から発生した蛍光を透
   過させる励起光吸収フィルタを備え、前記励起光吸収フ
   ィルタから出力された前記蛍光を前記第３の光束として
   出力する、 ことを特徴とする請求項１記載の近接場顕微鏡。
9. 【請求項９】 前記照明光学系は、前記第１の光束の一
   部を分岐して第４の光束として出力する光束分岐手段を
   備え、 前記集光光学系は、前記第２の光束と前記第４の光束と
   を干渉させる光束干渉手段を備え、前記光束干渉手段に
   より干渉して形成された光束を前記第３の光束として出
   力する、 ことを特徴とする請求項１記載の近接場顕微鏡。