JPH09257813A - プローブ走査型近接場光学顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 生体試料等を液体中で観測することができ、
しかも、測定精度の高いプローブ走査型近接場光学顕微
鏡を提供する。 【構成】 波長の異なる２種類の照明光を発生する第１
の照明光源１と第２の照明光源２と、上記第１の照明光
源１からの第１の波長の照明光を導いて試料板３上の試
料４に照射する光学系５と、光ファイバからなる光プロ
ーブ６と、上記試料板３を３次元方向に移動させるピエ
ゾ移動台７と、このピエゾ移動台７を制御するＮＯＭ制
御部８と、このＮＯＭ制御部８に各検出出力を供給する
第１及び第２の光検出部９，１０を備える。上記ＮＯＭ
制御部８は、各光検出部９，１０の一方の検出出力とし
て得られる散乱光強度が所定値となるように上記光プロ
ーブ６の検出端部６Ｂと上記試料４表面との相対距離を
制御しながら上記検出端部６Ｂで上記試料４表面を走査
するように上記ピエゾ移動台７を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体表面に局在す
るエバネッセント場の散乱光を検出して物体の形状を測
定するプローブ走査型近接場光学顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、物体の表面形状を高分解能で測定
する顕微鏡としては、物体表面の光の波長より小さい領
域にに局在するエバネッセント場の散乱光を検出して物
体の形状を測定するプローブ走査型の近接場光学顕微鏡
（ＮＯＭ：Near-field OpticalMicroscope）が、従来の
光学顕微鏡の回折限界を超えた分解能をもつ超高分解能
光学顕微鏡として知られている。

【０００３】原理的には、例えば図５に示すように、全
反射条件下で光波長以下の大きさの試料３０の裏面から
試料表面を照射すると試料表面には表面形状に応じてエ
バネッセント場が発生する。プローブ走査型近接場光学
顕微鏡では、このエバネッセント場の光強度を測定する
エバネッセント光の波長以下の開口をもつ検出端部３１
を形成した光プローブ３２で検出することにより、従来
の光学顕微鏡の回折限界を超えた分解能を得ることがで
きる。

【０００４】従来のプローブ走査型近接場光学顕微鏡
は、図６に示すように、半導体レーザ４０からのレーザ
光を試料３０の裏面から照射させる光学系４１と、試料
３０の表面に局在するエバネッセント場を散乱させてそ
の散乱光を集光する光プローブ３２と、光プローブ３２
からの光を検出する第１の光検出器４５と、ＮＯＭ制御
器４８による制御に基づいて試料板４２を３次元方向に
移動させるピエゾ移動台４９と、上記光プローブ３２を
振動させるピエゾ振動子５０と、上記光プローブ３２の
検出端部３１と試料３０との間で作用する原子間力によ
る上記光プローブ３２の振動量の変化を光学的に検出す
るためのガス（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザ５１及び第２の光検
出器５２などを備えていた。

【０００５】上記ピエゾ振動子５０により振動される上
記光プローブ３２は、その検出端部３１と試料３０との
間で原子間力が作用することにより、上記検出端部３１
と試料３０との距離に応じて剪断応力が変るので振動量
も変化する。上記第２の光検出器５２は、上記ガス（Ｈ
ｅ−Ｎｅ）レーザ５１から上記光プローブ３２に照射さ
れた測定用のレーザ光を検出することにより、上記光ロ
ーブ３２の振動量に応じた検出出力を得て、この検出出
力を上記ＮＯＭ制御器４８に供給する。そして、上記Ｎ
ＯＭ制御器４８は、上記第２の光検出器５２により得ら
れる検出出力に基づいて、上記光プローブ３２の振動量
が所定量すなわち上記光プローブ３２の検出端部３１と
試料３０との間で一定の原子間力が作用する距離を保持
するように、上記ピエゾ移動台４９により上記試料板４
２の高さ位置を制御しながら、上記試料板４２を２次元
方向に移動させる制御を行う。これにより、上記光プロ
ーブ３２は、その検出端部３１と試料３０との間で一定
の原子間力が作用する距離を保持した状態で、上記試料
３０の表面を走査することになる。

【０００６】一方、第１の光検出器４５は、上記光プロ
ーブ３２により集光された散乱光を検出して、上記散乱
光の強度を表わす光強度信号を上記ＮＯＭ制御器４８に
供給する。そして、上記ＮＯＭ制御器４８は、上記光プ
ローブ３２による試料３０の走査位置を示す座標情報と
上記光強度信号とから、上記散乱光の強度を上記走査位
置の関数として表わすことにより、上記試料の形状や構
造を示す画像情報を生成して、この画像情報を画像表示
部６０に表示する。

【０００７】上述の図５に示したプローブ走査型近接場
光学顕微鏡の原理的な動作は、試料３０の表面に局在す
るエバネッセント場を光プローブ３２の検出端部３１で
散乱させ、その散乱光を集光して第１の光検出器４５で
検出することから、Collection mode（Ｃモード）と呼
ばれる。

【０００８】このＣモードに対し、図７に示すように、
光プローブにより照明光を検出端部に導くことにより、
上記照明光の波長以下の大きさに先鋭化された上記検出
端部の表面にエバネッセント場を発生し、このエバネッ
セント場を試料で散乱させ、その散乱光の強度を測定す
るようにしたプローブ走査型近接場光学顕微鏡の原理的
な動作も知られている。この動作は、エバネッセント場
で試料を照明するのでIllumination mode（Ｉモード）
と呼ばれる。

【０００９】上記エバネッセント場の光強度は、試料表
面から遠ざかるにつれて減少する。ミー散乱理論による
と、その減少の度合いを示す「しみだしの厚み」は試料
が光波長以下の大きさであれば、波長には依存せず、試
料の大きさに依存する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
プローブ走査型近接場光学顕微鏡では、上記光プローブ
３２の検出端部３１で試料３０を走査するにあたり、上
記光プローブ３２の検出端部３１と試料３０との間で一
定の原子間力が作用する距離を保持するように、上記試
料板４２の高さ位置を制御していたが、上記検出端部３
１と試料３０との間で一定の原子間力が作用する距離
は、エバネッセント場の光強度が一定となる距離とは必
ずしも一致しないので、試料の観測結果を画像解析する
のに、複雑な処理を必要とするという問題点があった。
また、上記光プローブ３２を振動させて、その振動量を
光学的に検出することにより、上記光プローブ３２の検
出端部３１と試料３０との間に作用する原子間力を検出
していたので、上記振動量を光学的に検出するための照
明光の漏成分がエバネッセント場の光強度を検出するた
めの散乱光の集光成分に混入して雑音となってしまうと
いう問題点があった。さらに、上記光プローブ３２の検
出端部３１を液体中に挿入した場合には、上記液体の粘
性により光プローブ３２を十分に振動させることができ
ず、上記光プローブ３２の検出端部３１と試料３０との
距離を制御することができないので、生体試料等を液体
中で観測できないという問題点があった。

【００１１】本発明は、上述のような問題点に鑑みてな
されたものであり、測定精度の高いプローブ走査型近接
場光学顕微鏡を提供することを目的とする。また、本発
明の他の目的は、生体試料等を液体中で観測することが
できるプローブ走査型近接場光学顕微鏡を提供すること
にある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係るプローブ走
査型近接場光学顕微鏡は、第１の波長の照明光を発生す
る第１の照明光源と、第２の波長の照明光を発生する第
２の照明光源と、上記第１の照明光源からの第１の波長
の照明光を導いて試料に照射し、上記第１の波長の照明
光によるエバネッセント場を上記試料表面に発生させる
光学系と、先端を先鋭化させた検出端部を有し、上記試
料表面に発生する上記第１の波長の照明光によるエバネ
ッセント場を上記検出端部で散乱させて、その散乱光を
集光するとともに、上記第２の照明光源からの第２の波
長の照明光を導いて上記検出端部表面に上記第２の波長
の照明光によるエバネッセント場を発生し、該第２の波
長の照明光によるエバネッセント場で上記試料を照明す
る光プローブと、上記光プローブにより集光された上記
第１の波長の照明光によるエバネッセント場の散乱光を
検出する第１の光検出手段と、上記第２の波長の照明光
によるエバネッセント場の上記試料による散乱光を集光
して検出する第２の光検出手段と、上記第１又は第２の
光検出手段の一方の検出出力として得られる散乱光強度
が所定値となるように上記光プローブの検出端部と上記
試料表面との相対距離を制御しながら上記検出端部で上
記試料表面を走査するように上記試料と光プローブとの
相対位置関係を変化させる走査手段と、上記第１又は第
２の光検出手段の他方の検出出力として得られる散乱光
強度を上記走査手段による走査位置の関数として画像表
示する画像表示信号を生成する画像処理手段とを備えこ
とを特徴とする。

【００１３】本発明に係るプローブ走査型近接場光学顕
微鏡において、上記光学系は、例えば偏光素子を備え
る。また、本発明に係るプローブ走査型近接場光学顕微
鏡は、例えば、上記試料が載置される上記第１の波長の
照明光に対して透明な試料板と、上記試料を囲むように
上記試料板上に載置された環体とを備え、 上記環体内
側に液体を満たし、該液体中に上記試料を位置させて、
試料の観測を行う。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るプローブ走査
型近接場光学顕微鏡の好適な実施の形態について図面を
参照しながら詳細に説明する。本発明に係るプローブ走
査型近接場光学顕微鏡は、例えば図１に示すように構成
される。

【００１５】この図１に示したプローブ走査型近接場光
学顕微鏡は、物体表面に局在するエバネッセント場を検
出して物体の形状を測定するものであって、波長の異な
る２種類の照明光を発生する第１の照明光源１と第２の
照明光源２と、上記第１の照明光源１からの第１の波長
の照明光を導いて試料板３上の試料４に照射する光学系
５と、光ファイバからなる光プローブ６と、上記試料板
３を３次元方向に移動させるピエゾ移動台７と、このピ
エゾ移動台７を制御するＮＯＭ制御部８と、このＮＯＭ
制御部８に各検出出力を供給する第１及び第２の光検出
部９，１０を備える。

【００１６】上記第１の照明光源１は、例えば波長が６
８５ｎｍのレーザ光を発生する半導体レーザ１Ａやレン
ズ１Ｂなどからなる。この第１の照明光源１により発生
された波長が６８５ｎｍのレーザ光すなわち第１の波長
の照明光は、上記光学系５に入射され、この光学系５を
介して上記試料板３の下側から該試料板３上の試料４に
照射される。これにより、上記試料板３の表面には、上
記第１の波長の照明光によるエバネッセント場は発生す
る。

【００１７】すなわち、上記光学系５は、上記第１の照
明光源１からの第１の波長の照明光を導いて試料に照射
し、上記第１の波長の照明光によるエバネッセント場を
上記試料４の表面に発生させる。また、上記第２の照明
光源２は、例えば波長が４８８ｎｍのレーザ光を発生す
るガス（Ａｒ⁺ ）レーザ２Ａや音響光学変調器（ＡＯ
Ｍ：Acoustc Optic Modulator ）２Ｂ、開口板２Ｃ、レ
ンズ２Ｄなどからなる。この第２の照明光源２により発
生された波長が４８８ｎｍのレーザ光すなわち第２の波
長の照明光は、ダイクロイックミラー１１を介して上記
光プローブ６の基端側開口６Ａから該光プローブ６に入
射され検出端部６Ｂに導かれる。

【００１８】上記光プローブ６は、その検出端部６Ｂが
上記第１及び第２の照明光の各波長よりも小さい形状に
先鋭化されており、上記第１の波長の照明光による上記
試料４表面に発生したエバネッセント場を上記検出端部
６Ｂで散乱させ、その散乱光を上記検出端部６Ｂの開口
を介して集光する。そして、この光プローブ６は、集光
した上記第１の波長の照明光によるエバネッセント場の
散乱光を上記基端側開口６Ａに導いて、該基端側開口６
Ａから出射する。さらに、この光プローブ６は、その基
端側開口６Ａから入射された第２の波長の照明光を上記
検出端部６Ｂに導くことにより、上記第２の波長の照明
光によるエバネッセント場を上記検出端部６Ｂの表面に
発生させ、このエバネッセント場で上記試料を照明す
る。

【００１９】上記第１の光検出部９は、上記光プローブ
６の基端側開口６Ａからの入射光すなわち該光プローブ
６の検出端部６Ｂにより集光された上記第１の波長の照
明光によるエバネッセント場の散乱光が上記ダイクロイ
ックミラー１１を介して導かれる。すなわち、上記ダイ
クロイックミラー１１は、この第２の照明光源２により
発生された第２の波長の照明光を透過し、上記第１の波
長の照明光によるエバネッセント場の散乱光を反射する
ようになっている。そして、上記第１の光検出部９は、
上記第１の波長の照明光をレンズ９Ａで集光して光検出
器９Ｂで検出することにより、上記第１の波長の照明光
によるエバネッセント場の光強度を示す検出出力を上記
ＮＯＭ制御部８に供給するようになっている。

【００２０】また、上記第２の光検出部１０は、上記光
プローブ６の検出端部６Ｂの表面に発生した上記第２の
波長の照明光によるエバネッセント場の上記試料４によ
る散乱光をレンズ１０Ａで集光して光検出器１０Ｂで検
出することにより、上記第２の波長の照明光によるエバ
ネッセント場の光強度を示す検出出力を上記ＮＯＭ制御
部８に供給するようになっている。

【００２１】ここで、上記各光検出器９Ｂ，１０Ｂとし
ては、例えば光電子倍増管（ＰＭＴ：PHTOMULTIPLIER T
UBE）が使用される。このプローブ走査型近接場光学顕
微鏡では、上記各光検出器９Ｂ，１０Ｂの一方の検出出
力が上記試料４の表面から上記光プローブ６の検出端部
６Ｂまでの距離の制御に用いられ、他方の検出出力が上
記試料の観測に用いられる。

【００２２】すなわち、このプローブ走査型近接場光学
顕微鏡において、Ｉモードで試料の観測を行う場合に
は、上記ＮＯＭ制御部８は、上記試料４の表面に発生し
た上記第１の波長の照明光によるエバネッセント場の光
強度を示す上記第１の光検出部９による検出出力により
上記試料４の表面から上記光プローブ６の検出端部６Ｂ
までの距離を測定し、上記第１の光検出部９による検出
出力が所定レベルとなるように、上記ピエゾ移動台７に
より上記試料板４の高さ位置を帰還制御しながら、上記
試料板３を２次元方向に移動させる制御を行う。これに
より、上記光プローブ６は、上記試料４の表面に発生し
た上記第１の波長の照明光によるエバネッセント場の光
強度となる一定の高さ位置に上記検出端部６Ｂを保持し
た状態で、上記試料４の表面を走査することになる。

【００２３】そして、上記ＮＯＭ制御部８は、上記光プ
ローブ６の検出端部６Ｂで上記試料４の表面を走査する
ことにより上記第２の光検出部１０に得られる検出出
力、すなわち上記第２の波長の照明光によるエバネッセ
ント場の光強度を示す検出出力と、上記光プローブ６に
よる試料４の走査位置を示す座標情報とから、上記エバ
ネッセント場の光強度を上記走査位置の関数として表わ
すことにより、上記試料４の形状や構造を示す画像情報
を生成し、この画像情報を画像表示部１２で表示する。

【００２４】また、このプローブ走査型近接場光学顕微
鏡において、Ｃモードで試料の観測を行う場合には、上
記ＮＯＭ制御部８は、上記試料４を照明する上記第２の
波長の照明光によるエバネッセント場の光強度を示す上
記第２の光検出部１０による検出出力に基づいて上記試
料４の表面から上記光プローブ６の検出端部６Ｂまでの
距離を測定し、上記第２の光検出部１０による検出出力
が所定レベルとなるように、上記ピエゾ移動台７により
上記試料板３の高さ位置を帰還制御しながら、上記試料
板３を２次元方向に移動させる制御を行う。これによ
り、上記光プローブ６は、上記第２の波長の照明光によ
るエバネッセント場の光強度が一定となる高さ位置に上
記検出端部６Ｂを保持した状態で、上記試料４の表面を
走査することになる。

【００２５】そして、上記ＮＯＭ制御部８は、上記光プ
ローブ６で上記試料４の表面を走査することにより上記
第２の光検出部１０に得られる検出出力、すなわち上記
第１の波長の照明光により上記試料の表面に発生したエ
バネッセント場の光強度を示す検出出力と、上記光プロ
ーブ６による試料４の走査位置を示す座標情報とから、
上記エバネッセント場の光強度を上記走査位置の関数と
して表わすことにより、上記試料４の形状や構造を示す
画像情報を生成し、この画像情報を画像表示部１２で表
示する。

【００２６】このような構成のプローブ走査型近接場光
学顕微鏡では、上記試料４の表面から上記光プローブ６
の検出端部６Ｂまでの距離を上記第１の波長の照明光に
よるエバネッセント場又は上記第２の波長の照明光によ
るエバネッセント場の光強度を利用して測定して、一定
の距離を保持するように上記ピエゾ移動台７により上記
試料板３の高さ位置を帰還制御した状態で上記試料４の
表面を走査するので、高い観測精度を確保することがで
き、試料の観測結果を画像解析するのに、複雑な処理を
必要としない。

【００２７】なお、上記ピエゾ移動台７は、上記試料板
３を３次元方向に移動させる代わりに、上記光プローブ
６の検出端部６Ｂを３次元方向に移動させるようにして
もよい。また、上記第２の光検出部１０は、上記第２の
波長の照明光によるエバネッセント場の上記試料４によ
る散乱光を上記試料板３の下側で検出する代わりに、試
料４の上側で後方散乱光を検出するようにしてもよい。
この場合、上記試料板３は、上記第１の波長の照明光に
対して透明であればよい。

【００２８】また、上記プローブ走査型近接場光学顕微
鏡において、Ｃモードで試料の観測を行う場合には、図
１に示すように、試料４の光学的特性に対応する偏光素
子５Ａを上記光学系５中に挿入して、入射光の偏光を変
えて上記試料４の観測を行うようにしてもよい。

【００２９】また、このプローブ走査型近接場光学顕微
鏡では、上記試料４の表面から上記光プローブ６の検出
端部６Ｂまでの距離を検出するのに、上記光プローブ６
を振動させる必要がないので、上記試料４として生体試
料等を液体中で観測することができる。

【００３０】ここで、上記試料４として生体試料等を液
体中で観測する場合には、図２に示すように、例えば、
上記試料４が載置される試料板３上に上記試料４を囲む
ように環体１２を載置し、この環体１２内側に例えば水
などの液体１３を満たし、該液体１３中に上記試料４を
位置させる。

【００３１】このように環体１２内側に液体１３を満た
すことによって、上記液体１３の表面張力に抗して上記
光プローブ６の検出端部６Ｂを上記液体１３中に容易に
挿入することができる。なお、試料は照明光の波長以下
の大きさであるから、試料板上に試料を含む液体を滴下
して、その液体中に試料を位置させることもできるので
あるが、試料板上に滴下した液体は、その表面張力によ
り球形状になり、その液体中に上記光プローブ６の検出
端部６Ｂを挿入しようとしても、上記液体表面張力によ
り挿入を拒まれてしまう。

【００３２】ここで、上記エバネッセント場の光強度を
利用して、上記試料４の表面から上記光プローブ６の検
出端部６Ｂまでの距離を測定した結果を図３に破線で示
し、また、従来の原子間力を利用して測定した結果を図
３中に実線で示す。さらに、上記光プローブ６の検出端
部６Ｂに異物が付着した異常状態での、上記試料４の表
面から上記光プローブ６の検出端部６Ｂまでの距離を測
定した結果を図４に示す。この図４から明らかなよう
に、上記光プローブ６の検出端部６Ｂに異物が付着した
異常状態において、上記エバネッセント場の光強度を利
用した測定結果は、従来の原子間力を利用した測定結果
と比較して感度が極端に落ちてしまい、上述の位置制御
を行うことができなくなるので、異常状態を容易に判別
することができる。

【００３３】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明に係るプロ
ーブ走査型近接場光学顕微鏡では、試料の表面から光プ
ローブの検出端部までの距離を第１の波長の照明光によ
るエバネッセント場又は第２の波長の照明光によるエバ
ネッセント場の光強度を利用して測定して、走査手段に
より、試料の表面から光プローブの検出端部までの距離
を一定に保持するように帰還制御した状態で上記試料の
表面を走査するので、高い観測精度を確保することがで
きる。従って、試料の観測結果を画像解析するのに、複
雑な処理を必要としない。

【００３４】また、このプローブ走査型近接場光学顕微
鏡では、上記試料の表面から上記光プローブの検出端部
までの距離を検出するのに、上記光プローブを振動させ
る必要がないので、上記試料として生体試料等を液体中
で観測することができる。さらに、試料として生体試料
等を液体中で観測する場合には、上記試料が載置される
上記第２の波長の照明光に対して透明な試料板上に上記
試料を囲むように環体を載置し、この環体内側に液体を
満たし、該液体中に上記試料を位置させることによっ
て、上記液体の表面張力に抗して上記光プローブの検出
端部を上記液体中に容易に挿入することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプローブ走査型近接場光学顕微鏡
の構造を示すブロック図である。

【図２】上記プローブ走査型近接場光学顕微鏡により液
体中で生体試料を観測する場合の腰部構造を示す側面図
である。

【図３】エバネッセント場の光強度を利用して、試料の
表面から光プローブの検出端部までの距離を測定した結
果と、従来の原子間力を利用して測定した結果を示す図
である。

【図４】上記光プローブの検出端部に異物が付着した異
常状態での、上記試料の表面から上記光プローブの検出
端部までの距離を測定した結果を示す図である。

【図５】プローブ走査型近接場光学顕微鏡のＣモードの
動作原理を模式的に示す図である。

【図６】従来のプローブ走査型近接場光学顕微鏡の構造
を示す図である。

【図７】プローブ走査型近接場光学顕微鏡のＩモードの
動作原理を模式的に示す図である。

【符号の説明】

１ 第１の照明光源、２ 第２の照明光源、３ 試料
板、４ 試料、５ 光学系、６ 光プローブ、６Ｂ 検
出端部 ７ ピエゾ移動台、８ ＰＳＴＭ制御部、９
第１の光検出部、１０ 第２の光検出部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の波長の照明光を発生する第１の照
   明光源と、 第２の波長の照明光を発生する第２の照明光源と、 上記第１の照明光源からの第１の波長の照明光を導いて
   試料に照射し、上記第１の波長の照明光によるエバネッ
   セント場を上記試料表面に発生させる光学系と、 先端を先鋭化させた検出端部を有し、上記試料表面に発
   生する上記第１の波長の照明光によるエバネッセント場
   を上記検出端部で散乱させて、その散乱光を集光すると
   ともに、上記第２の照明光源からの第２の波長の照明光
   を導いて上記検出端部表面に上記第２の波長の照明光に
   よるエバネッセント場を発生し、該第２の波長の照明光
   によるエバネッセント場で上記試料を照明する光プロー
   ブと、 上記光プローブにより集光された上記第１の波長の照明
   光によるエバネッセント場の散乱光を検出する第１の光
   検出手段と、 上記第２の波長の照明光によるエバネッセント場の上記
   試料による散乱光を集光して検出する第２の光検出手段
   と、 上記第１又は第２の光検出手段の一方の検出出力として
   得られる散乱光強度が所定値となるように上記光プロー
   ブの検出端部と上記試料表面との相対距離を制御しなが
   ら上記検出端部で上記試料表面を走査するように上記試
   料と光プローブとの相対位置関係を変化させる走査手段
   と、 上記第１又は第２の光検出手段の他方の検出出力として
   得られる散乱光強度を上記走査手段による走査位置の関
   数として画像表示する画像表示信号を生成する画像処理
   手段とを備えことを特徴とするプローブ走査型近接場光
   学顕微鏡。
2. 【請求項２】 上記光学系は偏光素子を備えることを特
   徴とする請求項１記載のプローブ走査型近接場光学顕微
   鏡。
3. 【請求項３】 上記試料が載置される上記第１の波長の
   照明光に対して透明な試料板と、上記試料を囲むように
   上記試料板上に載置された環体とを備え、 上記環体内側に液体を満たし、該液体中に上記試料を位
   置させることを特徴とする請求項１記載のプローブ走査
   型近接場光学顕微鏡。