JPH09297099A - カラー近接場光学顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】被測定試料の色彩を観察できるカラー近接場光
学顕微鏡を実現する。 【解決手段】近接場光学顕微鏡の照明光源に白色光を用
い，３原色の光強度を各々測定して，カラー画像化す
る。具体的には、プローブ６の先端を試料に数十ナノメ
ートルの距離まで接近させて試料１５を照明する。試料
による反射光を色消しレンズ７で平行光とし、ダイクロ
イックミラー８用いて色分離し、ミラー１７とレンズ９
で３つの光電子増倍管１０に各々導く。コントローラ１
１を用いてプリズム表面とプローブ先端の距離を変えず
にｘ−ｙ面で２次元掃引して光電子増倍管の出力をＲＧ
Ｂ信号として取り込み，画像コントローラ１２ヲ用いて
カラー画像化し，モニター１８で表示する。 【効果】被測定試料の色彩を観察することができるた
め，物の判別が直感的に行えるようになる。また，色の
違いを利用した異物の識別を迅速に行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，生体試料観察，微
小結晶観察，薄膜材料観察，半導体検査等に使用される
近接場光学顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】近接場光学顕微鏡は，従来の顕微鏡とは
異なり，回折限界以下の分解能を実現することができる
ため，ナノメートル或いはそれ以下の大きさを有する像
の観察が可能である。その具体的な装置構成は，特開昭
５０-１２１３１０号公報や特開平４-２８６０４６号公
報等に記載されている。これには，通常，単色のレーザ
を光源として用い，試料に照射して，その透過または反
射光強度変化を測定することにより，試料形状を得てい
る。さらに，レーザ照射に伴う発光を分光するというこ
とも行われている。しかし，これらの方法では，試料そ
のものの色彩に関する情報を得ることは不可能であっ
た。

【０００３】また，近接場光学顕微鏡を用いて，試料の
吸収や透過等の光学的特性を測定する手段が，特開平５
-３４３０４６号公報等に記載されている。しかし，こ
れらは，分光分析等を目的としたものであり，カラー画
像を得るということはできなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】光の波長，すなわち数
百ナノメートル以下の分解能で像観察する手段として
は，走査型電子顕微鏡，透過型電子顕微鏡，原子間力顕
微鏡，走査型トンネル顕微鏡等が存在する。これらの超
解像顕微鏡は，すべて試料の形状等を観察できるが，そ
の色彩を観察することは不可能であった。

【０００５】本発明の目的は，像の形状だけでなく，そ
の色彩も同時に観察できるカラー近接場光学顕微鏡を実
現することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】近接場光学顕微鏡におい
て，白色光，あるいはそれに準ずるスペクトル幅の広い
光を照明光源として用いて試料に照射し，試料を透過あ
るいは，試料から反射される光を，光の３原色に分解し
てその強度を測定し，画像化することで，カラーの像を
得ることが可能となる。

【０００７】回折限界を越える分解能を有する近接場光
学顕微鏡としては，波長以下の大きさを有する開口を試
料に開口径と同程度の距離まで接近させ，開口から光を
照射し，試料を透過あるいは，試料より反射する光をレ
ンズ等で集光してその強度を測定する方法と，試料を裏
面あるいは表面から照明し，波長以下の大きさを有する
開口あるいは先端径を有するガラスプローブ，または球
体や金属等の探針などの微小体を，試料に開口径と同程
度の距離まで接近させ，プローブ等によって散乱あるい
は検出される光の強度を測定する方法とがある。どちら
の場合でも，照明に用いる光を白色光あるいはそれに準
ずるスペクトル幅の広い光とし，３つの光電変換器を用
意し，観測する光をそれぞれＲＧＢの色フィルタを通し
てからその各々の強度を測定すれば，カラーの像を得る
ことができる。３原色の信号を同時に測定することによ
り，試料の経時変化，観察場所のずれ，或いは，試料と
プローブ間距離の変化などの掃引毎の違いを排除してカ
ラー画像を得ることができる。

【０００８】また，経時変化の無い試料を対象とし，観
察場所のずれや試料プローブ間距離の変化などが無視で
きるような倍率で観察する場合には，照明光源を色フィ
ルタを通してから，試料に照射し，その透過光あるいは
反射光強度を測定して，一つの色に対する像を観察し，
後に色フィルタを替えて，同様の測定を行うことで，Ｒ
ＧＢの３原色に対する像を順次観察し，後にこれらの像
を重ねることによりカラー像を得ることもできる。

【０００９】プローブとして光ファイバを加工して先鋭
化したものを用いる場合がある。試料への照明光の伝
播，あるいは試料からの検出光の伝播を効率的かつ再現
性良く行うためには，シングルモードファイバを用いる
ことが望ましい。白色光を伝播させる場合には，波長の
短い青色でシングルモードとなるようなコア径のファイ
バを用いれば良い。ただし，この場合には，緑や赤の光
に対しては伝搬損失が大きくなるので，ファイバ長はな
るべく短くすることが望ましい。

【００１０】プローブと試料の距離を制御する方法とし
て，光強度，トンネル電流，原子間力，或いはシェアフ
ォースを用いる方法などが考案されている。これらの方
法と組み合わせれば，カラー像と形状を同時に観察する
ことが可能である。このようにして，得られた２枚の画
像を計算機等で処理すれば，試料のカラー図を描くこと
ができる。つまり，形状測定のデータから形状の鳥瞰図
を描き，その形状の各々の対応する場所に，観察された
色と同じ色を塗るようにすると，日常見慣れた解りやす
い図となる。

【００１１】また，試料の凹凸がプローブ開口の大きさ
より十分薄い場合には，試料を置いている基板とプロー
ブの距離を，試料に当たらず，かつ近接場領域の範囲で
一定にして掃引してもよい。この場合は，試料の凹凸を
同時測定できないが，得られるカラー像は，通常の顕微
鏡の観察像と似たものになる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の一実施例を，図１を用い
て説明する。試料台１は，ｘ，ｙ，ｚの３次元で掃引す
るためのピエゾ駆動ステージ２に配置されている。キセ
ノンランプ３より発せられた光を色消しレンズ４で，光
ファイバ５に導入する。プローブ６は光ファイバを加熱
延伸して先端を尖らせた後，アルミを斜方蒸着して先端
に数十ナノメートルの開口を形成した。プローブ６の片
端は，ファイバコネクタ１６を用いて光ファイバ５に接
続されている。この時用いた光ファイバは，青色でシン
グルモードとなるよう，４μｍのコア径の物を用いた。
プローブ６の先端を試料に数十ナノメートルの距離まで
接近させて試料１５を照明する。試料による反射光を色
消しレンズ７で平行光とし，ダイクロイックミラー８を
用いて色分離し，ミラー１７とレンズ９で３つの光電子
増倍管１０に各々導く。コントローラ１１を用いてプリ
ズム表面とプローブ先端の距離を変えずにｘ-ｙ面で２
次元掃引して光電子増倍管の出力をＲＧＢ信号として取
り込み，画像コントローラ１２を用いてカラー画像化
し，モニター１８で表示する。画像コントローラ１２
は，コントローラ１１により掃引に同期して発生するト
リガ信号に同期させて，ＲＧＢの信号強度をサンプリン
グし，フレームメモリに記憶する機能を持つ。ここで
は，チョッパ１３で照明光を強度変調し，ロックインア
ンプ１４を用いて，信号を同期検波している。開口が比
較的大きなプローブを用いた時や照明光強度が大きい時
など，検出光強度が大きくとれる場合には，これを省略
できる。

【００１３】試料台１を，透明ガラスなどの可視光域で
透明な材料を用いて作製し，光検出用レンズ７を，試料
の透過側に配置することで，同様にして透過光像を得る
こともできる。生体試料などの透明性の高い試料には，
この方式は有用である。

【００１４】ここでは，光電子増倍管を用いたが，アバ
ランシェ・フォトダイオード等の固体素子を用いてもよ
い。また，ダイクロイックミラー８を用いて色分離する
代わりに，回折格子や分散プリズムを用いても良い。ま
た，光源にキセノンランプを用いたが，白熱電球や，非
線形光学効果を利用したピコ秒或いはフェムト秒白色光
を用いてもよい。

【００１５】本発明の別の実施例を，図２を用いて説明
する。試料１４は，可視光域で透明なプリズム２１上に
置かれている。白色ランプ３より発せられた光を色消し
レンズ４で導き，試料面とプリズムの境界面で全反射す
るように照明している。プローブ６を試料に数十ナノメ
ートルの距離まで接近させ，プローブによりピックアッ
プされた光を実施例１と同様に色分離し，プローブ６を
掃引してカラー画像を得る。

【００１６】光検出における別の実施例を，図３を用い
て説明する。実施例１と２と同様に試料を透過，あるい
は反射してきた光を，微動機構を有するレンズ３１を用
いて，図のように配置された光電子増倍管３２に導く。
光電子増倍管３２の前には，赤，緑，青の３色分離用フ
ィルタ３３がそれぞれ配置されている。赤，緑，青では
光ファイバのカップリング損失や伝搬損失，さらに光電
子増倍管の感度が異なり，白色試料，或いは透明試料を
観察した場合でも，それぞれの色毎の信号強度が異な
る。レンズ３１を微動機構を用いて動かすことにより，
３つの光電子増倍管に入射する光強度のバランスを変化
させ，それぞれの信号強度を調整することができる。信
号強度は光電子増倍管の印可電圧を変化させて増倍率を
変えることによっても調整することが可能となる。しか
し，極端に増倍率を変えると，３つの信号のＳＮ比が違
ってしまう。このような場合には，入射光量のバランス
の調整を組み合わせれば，各色の信号のＳＮ比を違える
ことなく信号強度を調整することができる。ホワイトバ
ランスの調整には，画像処理回路に通常設けられるホワ
イトバランス調整回路を用いるが，この回路の調整範囲
を越える部分は，上記入射光量のバランスと印可電圧と
を調整することで補正することができる。

【００１７】本方法によると，一つの色あたりの信号強
度は約１／３になってしまうが，コリメート系や高価な
ダイクロイックミラー８を省略できるので，装置構成を
簡単化でき，部品，調整コストを低減できる。さらに，
固体光電変換素子の場合，３色分離用フィルタと一体で
同一基板上に作製することが可能であるので，より低コ
スト化が可能となる。

【００１８】本発明の別の実施例を，図４を用いて説明
する。構成は，実施例１とほぼ同様であり，光ファイバ
に入射する前に，回転式ホルダー４１に入れた３色分離
フィルタ３３を配置し，容易に交換できるようにしてい
る。赤，緑，青の３色分離フィルタ３３を替えてｘ-ｙ
掃引を３回行い，それぞれＲＧＢの画像を観察し，後に
コンピュータ処理によりこれを重ねて，１つのカラー画
像を得ている。この場合には，光検出には光電子増倍管
１０を１つにすることができる。経時変化の無い試料に
ついては，この方法を用いることで，装置構成を簡単に
することができる。ここでは，照明光を色分離したが，
照明光を白色とし，検出光を３色分離して測定しても同
様の画像を得ることが可能である。

【００１９】形状像とカラー像の同時測定の実施例を図
５を用いて説明する。実施例２と同様の構成に，シェア
フォースフィードバック機構を付加し，シェアフォース
フィードバックを用いて，試料とプローブ間距離を数ナ
ノメートルに制御しながら，形状とカラー像を同時にと
った。図５には，シェアフォースフィードバックに必要
な部分のみが抜粋してしめされている。シェアフォース
フィードバックは，プローブ６をピエゾ５１で共振周波
数近傍で振動させ，プローブ６に赤外半導体レーザ５２
を照射し，その影をフォトダイオード５３で受光し，ピ
エゾの振動周波数のバンドパス増幅器５４を通したの
ち，その振幅を測定する。試料とプローブが接近する
と，プローブが力を受けて共振周波数がずれ，フォトダ
イオードの信号強度が減少する。この減少量を一定にす
るように，ピエゾ駆動ステージ２のｚ方向の距離を用い
て制御することで，試料とプローブ間距離を一定に制御
できる。フォトダイオード５３の前には，可視カット赤
外透過フィルタ５５を儲けて，照明光の影響を受けない
ようにしている。図６は，赤色色素をドープした直径５
０ナノメートルのポリスチレン球と青色色素をドープし
た直径９０ナノメートルのポリスチレン球をガラスプリ
ズム上にまばらにまいた試料を観測した図である。計算
機により，シェアフォース像，つまり形状図を鳥瞰図と
し，おのおの対応する場所に対応する色をつけた。図５
では，実施例２の構成で記述されているが，実施例１の
構成でも全く同様に行うことができる。

【００２０】ここでは，シェアフォースフィードバック
を用いているが，光強度，トンネル電流，原子間力等の
他のフィードバックシステムを用いてもよい。この時，
原子間力測定のための光テコ，あるいは形状測定のため
の光には，照明光と異なる波長の光を用いれば，フィル
タにより，照明光を除くことができ，照明光の影響を受
けない。また，カラー像にこれらのフィードバック用の
光が入り込むこともない。ここでは，可視光を照明光と
しているので，赤外光，または紫外光を用いれば良い
が，近赤外光半導体レーザは，高強度のものが低価格に
入手でき，また紫外光に比べて試料も損傷を受けづらい
ので，これが適している。

【００２１】

【発明の効果】本発明を用いれば，カラー像を得ること
ができるので，被測定物の色彩を知ることができ，物の
判別が直感的に行えるようになる。また，色の違いを利
用した異物の識別を迅速に行うことができる。例えば，
従来用いられてきた染色等の前処理をそのまま利用する
ことで，染色体などの生体試料の観察を従来より高倍率
で行うことができる。また，半導体プロセスの検査工程
において，埃などの付着異物が何であるか，色の違いか
ら判断したり，その存在の有無や場所を即座に識別した
りすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】反射型カラー近接場光学顕微鏡の構成図。

【図２】透過型カラー近接場光学顕微鏡の構成図。

【図３】光検出部の一実施例を示す図。

【図４】簡易型カラー近接場光学顕微鏡の構成図。

【図５】形状像とカラー像の同時観察の実施例の構成
図。

【図６】観察像の例を示す図。

【符号の説明】

１...試料台，２...ピエゾ駆動ステージ，３...キセノ
ンランプ，４...色消しレンズ，５...光ファイバ，
６...プローブ，７...色消しレンズ，８...ダイクロイ
ックミラー，９...レンズ，１０...光電子増倍管，１
１...コントローラ，１２...画像コントローラ，１
３...チョッパ，１４...ロックインアンプ，１５...被
測定試料，１６...光ファイバコネクタ，１７...ミラ
ー，１８...モニター，２１...透明プリズム，３１...
微動機構を有するレンズ，３２...光電子増倍管，３
３...３色分離用フィルタ，４１...回転式ホルダ，５
１...ピエゾ，５２...赤外半導体レーザ，５３...フォ
トダイオード，５４...バンドパス増幅器，５５...可視
カット赤外透過フィルタ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】近接場顕微鏡において，白色光，あるい
   は，それに準ずるスペクトル幅の広い光を用いて試料照
   明を行い，試料を透過あるいは試料から反射した光を３
   原色に分離して強度を測定し，カラー画像を得ることを
   特徴とするカラー近接場光学顕微鏡。
2. 【請求項２】請求項１に記載のカラー近接場光学顕微鏡
   において，上記資料照明のためのプローブとして青色で
   シングルモードとなるような光ファイバを用いることを
   特徴とするカラー近接場光学顕微鏡。
3. 【請求項３】請求項１又は２に記載のカラー近接場光学
   顕微鏡において，並べて配置された３色分離フィルター
   を有する３つの光電変換器と，３色分離したい光を導
   き，それぞれの光電変換器に入射する光量バランスを調
   整できる機構とを有し，当該光量バランスの調整と，光
   電変換器の印可電圧を変化させることによる増倍率の調
   整を組み合わせて，ホワイトバランスを調整することを
   特徴とするカラー近接場光学顕微鏡。
4. 【請求項４】請求項１又は２に記載のカラー近接場光学
   顕微鏡において，光路上に交換可能な３色分離フィルタ
   ーと一つの光電変換器とを有し，３色分離フィルターを
   替えて３色の画像を順次観察し，後にこれらを重ねてカ
   ラー画像とする機構を有することを特徴とするカラー近
   接場光学顕微鏡。
5. 【請求項５】請求項１から４のいずれかに記載のカラー
   近接場光学顕微鏡において，上記試料の形状と色を同時
   に測定し，得られた形状画像と色画像とを重ねて表示す
   る機能を有することを特徴とするカラー近接場光学顕微
   鏡。
6. 【請求項６】請求項５に記載のカラー近接場光学顕微鏡
   において，上記試料の形状の観察に用いるフィードバッ
   ク機構に上記試料照明と異なる波長の光を用いることを
   特徴とするカラー近接場光学顕微鏡。