JPH10170522A

JPH10170522A - 光測定装置

Info

Publication number: JPH10170522A
Application number: JP33172696A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Sasaki; 靖夫佐々木
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1996-12-12
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 1998-06-26

Abstract

(57)【要約】【課題】光検出器の受信信号からノイズとなる散乱源か
らの散乱光による干渉的なバックグラウンドノイズを除
去することのできる光測定装置、より詳細には散乱モー
ドＳＮＯＭ装置を提供すること。【解決手段】本発明の光測定装置は、周波数ω₁で振幅
変調する第１の光とその光にコヒーレントでかつその振
幅が時間的に変動のない第２の光との混合光にそれらの
光とコヒーレントな第３の光を合波干渉させるための光
学系と、その合波干渉光の出力光強度を検出する光検出
器と、第１の光と第３の光との相対的位相差を変化させ
るための位相差変化手段と、第１の光と第３の光との異
なる相対的位相差に対応した前記光検出器の出力値の前
記周波数ω₁の振動成分に基づいて、第１の光の振幅を
求める演算手段とを備えたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ノイズ源からの散
乱光による干渉的なバックグラウンドノイズを除去でき
る光測定装置に関し、より詳細には試料表面近傍に形成
された光の近接場を探針を用いて走査して試料の光学的
な情報を測定する際に、ノイズ源からの散乱光による干
渉的なバックグラウンドノイズを除去できる走査型近接
場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）に関する。

【０００２】

【従来の技術】ここでは、本発明の光測定装置が適用可
能な走査型プローブ顕微鏡の場合について述べる。

【０００３】走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、プロ
ーブ（探針）を試料表面に１μｍ以下まで近接させた時
に両者間に働く相互作用を検出しながらプローブを試料
表面方向（ＸＹ方向）あるいは試料表面方向及び高さ方
向（ＸＹＺ方向）に走査して、その相互作用の二次元マ
ッピングを行う装置の総称であり、例えば、走査型トン
ネリング顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型近接場光顕微鏡
（ＳＮＯＭ）を含んでいる。

【０００４】この中でＳＮＯＭは、特に１９８０年代後
半以降、エバネッセント波を検出す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として、生体試料
の蛍光測定や、フォトニクス用材料、素子の評価（誘電
体光導波路各種特性評価、半導体量子ドットの発光スペ
クトルの測定、半導体面発光素子の諸特性の評価など）
等への応用をめざして盛んに開発が進められている。Ｓ
ＮＯＭは、基本的には試料に光を照射した状態で鋭い探
針を近づけ、試料の近傍の光の場（近接場）の状態を検
出する装置である。

【０００５】１９９３年１２月２１日付けでＢｅｔｚｉ
ｇ等に付与された米国特許第５，２７２，３３０号は、
先端が細く加工されたプローブに光を導入することによ
りプローブ先端の微小開口の近傍にエバネッセント場を
発生させ、このエバネッセント場を試料に接触させ、エ
バネッセント場と試料の接触により発生した光を、試料
の下に配置された光検出器で検出し、透過光強度の二次
元マッピングを行なうＳＮＯＭを開示している。

【０００６】このＳＮＯＭでは、先端が細く加工された
光ファイバーやガラス棒あるいは水晶探針のように棒状
のプローブが用いられている。このプローブを改良した
ものとして、先端以外が金属膜で被われた棒状のプロー
ブが既に市販されており入手可能である。このプローブ
は、棒状のプローブ例えば先端が細く加工された光ファ
イバーやガラス棒あるいは水晶探針を回転させながら、
斜め後方から金属を蒸着して作製される。このプローブ
を用いたＳＮＯＭは、金属がコートされていないプロー
ブを用いたＳＮＯＭに比べて、横方向（ＸＹ方向）の解
像力が向上している。

【０００７】一方、ＡＦＭは、試料表面の凹凸情報を得
る装置として、ＳＰＭのなかで最も普及している。ＡＦ
Ｍは、カンチレバーの先端に支持された探針が試料表面
に近づけられたときに探針に働く力に応じて変位するカ
ンチレバーの変位を、例えば光学式の変位センサにより
検出して、間接的に試料表面の凹凸情報を得る。ＡＦＭ
の一例は例えば特開昭６２−１３０３０２号公報に開示
されている。

【０００８】このＡＦＭにおける試料と探針先端間の相
互作用力の検出により試料表面の凹凸を測定する技術は
他のＳＰＭ装置にも応用されており、試料と探針間の距
離を一定に保つ、いわゆるレギュレーションを行なう手
段として用いられている。

【０００９】Ｎ．Ｆ．ｖａｎＨｕｌｓｔ等はＡｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６２（５）Ｐ．４６１（１９
９３）において、窒化シリコン製のＡＦＭ用カンチレバ
ーを用い、ＡＦＭ測定により試料表面の凹凸を測定しな
がら、試料の光学情報を検出する新しいＳＮＯＭを提案
している。この装置では、試料は内部全反射プリズムの
上に置かれ、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光が全反射プリズム側か
ら試料に照射され、試料が励起され、エバネッセント光
場が試料表面近傍に形成される。ついで、このエバネッ
セント光場にカンチレバー先端に支持された窒化シリコ
ン製の探針が差し入れられると、局在波であるエバネッ
セント光が伝搬波である散乱光に変換され、その一部が
Ｈｅ−Ｎｅレーザ光の波長に対して殆ど透明な窒化シリ
コン製の探針内部を伝搬し、カンチレバーの裏側に透過
してくる。この光は、カンチレバーの上方に配置された
レンズにより集光され、このレンズに対して探針先端と
共役な位置に配置されたピンホールを経て光電子増倍管
で検出され、光電子増倍管からＳＮＯＭ信号が出力され
る。

【００１０】ここでＳＮＯＭ信号の検出の間、通常のＡ
ＦＭ測定と同様に、光学式変位検出センサーによってカ
ンチレバーの変位が測定されており、例えば、この変位
を一定値に保つように圧電体スキャナーが高さ方向にフ
ィードバック制御されている。従って、一回の走査の間
に、走査信号とＳＮＯＭ信号とに基づいてＳＮＯＭ測定
が行なわれると共に走査信号とフィードバック制御信号
とに基づいてＡＦＭ測定が行なわれる。

【００１１】Ｂｅｔｚｉｇ等のＳＮＯＭやＮ．Ｆ．ｖａ
ｎＨｕｌｓｔ等のＳＮＯＭでは、いずれもプローブの
先端は光学的に透明である必要がある。また、横方向分
解能の高いＳＮＯＭ像を得るためには、プローブは金属
コートの施されたものが望ましい。しかし、先端に微小
な開口を持つ金属コートの施されたプローブを大量に、
しかも均一に作製するのは容易ではない。超解像が期待
されるＳＮＯＭには、通常の光学顕微鏡で実現可能な分
解能を越える分解能が求められ、これを実現するために
は、プローブ先端の開口の直径は０．１μｍ以下である
ことが必要であり、特に直径０．０５μｍ以下であるこ
とが好ましい。この様な開口径を再現性よく作製するこ
とは極めて難しい。

【００１２】また、開口を通してプローブ内に入射する
光量は、開口半径の二乗に比例して少なくなるので、Ｓ
ＮＯＭ像の横方向分解能を上げる目的で開口径を小さく
すると、検出される光量が減少して検出系のＳ／Ｎ比が
悪くなる、というトレードオフの問題が存在する。

【００１３】さらに、Ｎ．Ｆ．ｖａｎＨｕｌｓｔ等の
ＳＮＯＭでは、窒化シリコン製の探針を透過した光を検
出しているので、短波長域のエバネッセント光を検出す
ることが難しい。例えば、窒化シリコン膜はシリコンと
窒素のストイキオメトリーが３対４のものでも４５０ｎ
ｍ以下の波長で分光透過率が急激に低下する。カンチレ
バー用の窒化シリコン膜には、低ストレスの窒化シリコ
ン膜を得るため、シリコンの割合を増やしたものが一般
に用いられる。このようなシリコンリッチな窒化シリコ
ン膜では、短波長域での分光透過率の低下は一層激し
い。従って、シリコンリッチな窒化シリコン製のカンチ
レバーを用いた短波長域でのＳＮＯＭ測定は、殆ど不可
能であるか、測定できても極めてＳ／Ｎ比の悪いものと
なる。

【００１４】そこでプローブの先端に開口を必要としな
い新しいＳＮＯＭが提案されている。このＳＮＯＭで
は、プローブの先端に開口が不要なため、前述した開口
作製の難しさやトレードオフの問題に直面しなくて済
む。この新しいＳＮＯＭは、探針の外側を伝搬する散乱
光をＳＮＯＭ情報として検出するため、散乱モードＳＮ
ＯＭとも呼ばれる。この検出方式のため、短波長域のエ
バネッセント光の検出の難しさの問題にも直面しなくて
済む。

【００１５】特開平６−１３７８４７号公報（河田ら）
は散乱モードＳＮＯＭを開示している。このＳＮＯＭ
は、試料表面に形成されたエバネッセント光を先端が鋭
く加工されたプローブで散乱させて伝搬光に変換し、こ
の伝搬光すなわち散乱光をプローブの側方に配置された
集光レンズと光電検出器を用いて検知し、この検知信号
に基づいて試料の光学情報を得ている。

【００１６】河田らは、第４２回日本応用物理学関係連
合講演会（予稿集Ｎｏ．３、９１６頁、１９９５年３
月）において、ＳＴＭの金属探針をプローブに使用し、
ＳＴＭにより試料と探針間の距離制御を行ないながら、
試料表面に発生したエバネッセント光が金属探針先端で
散乱されたために発生する伝搬光を、探針と試料の横方
向から観察するようにしてＳＴＭ観察と散乱モードでＳ
ＮＯＭ観察を行なえる装置を開示している。また、第４
３回日本応用物理学関係連合講演会（予稿集Ｎｏ．３、
８８７頁、１９９６年３月）ではエバネッセント光でな
く、試料の上方から斜入射した伝搬光の金属探針先端−
試料間の多重散乱でもＳＮＯＭ観察が可能であることを
報告している。

【００１７】また、Ｂａｃｈｅｌｏｔ等はＯｐｔ．Ｌｅ
ｔｔ．２０（１９９５）Ｐ．１９２４で、やはり開口プ
ローブを使わず、また、上方からの伝搬光による散乱モ
ードＳＮＯＭ装置を報告している。

【００１８】上述のように試料の上方から斜入射した伝
搬光を用いた場合も、探針先端によって試料表面近傍の
光の場から散乱光が発生したものと考えられる。よって
本明細書においては、前述の全反射プリズム側からレー
ザ光を入射して形成される試料表面近傍の光の場、即ち
エバネッセント場、及び、試料上方からレーザ光を斜入
射して形成される試料表面近傍の光の場を共に「近接
場」と表現する。

【００１９】以上のように様々なタイプのＳＮＯＭ装置
が開示されているが、特に散乱モードＳＮＯＭに著しい
が、探針以外に強い散乱源があるとそこからの散乱光を
拾うため、像のＳ／Ｎが悪くなるという欠点を持ってい
る。これを克服するために以下の方法がよく使われてい
る。即ち探針を試料表面近傍で縦振動させると、探針が
試料に近づいたときだけ探針−試料間多重散乱が起こる
ので、この信号は時間的に振動する。一方、散乱源から
の散乱光は時間的に一定である。そこで、フォトマルチ
プライヤー（ＰＭ）等で受信した信号のうち、探針の振
動数に同期した信号強度の振幅をロックインアンプ等で
とりだし、かつ、散乱源からの光強度を引くことで探針
のみからの信号を得ることができるというものである。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
方法によっては散乱源からの信号をうまく除去すること
はできない。その理由を以下に説明する。今、探針−試
料間からの光の複素振幅をＡ、ノイズとなる散乱源から
のそれをＢとする。探針−試料間からの光とノイズとな
る散乱源からの光とは互いにコヒーレント（可干渉）で
あるので、ＰＭでの受信信号は、両者の複素振幅を足し
合わせたものの絶対値の二乗で表される光強度に比例す
る。その光強度からノイズとなる散乱源からの光のみの
光強度を引くと｜Ａ＋Ｂ｜²−｜Ｂ｜²＝｜Ａ｜²＋２
｜Ａ｜｜Ｂ｜ｃｏｓα（αはＡとＢの位相差）となり、
期待された｜Ａ｜²にはならない。従って例えば強い１
点の散乱源がある場合、上述の方法を用いてもＳＮＯＭ
像には散乱源からの距離に応じた干渉的なバックグラウ
ンドノイズが現れる。

【００２１】本発明の目的は、ＰＭ等の光検出器の受信
信号から上記のような散乱源からの散乱光による干渉的
なバックグラウンドノイズを除去することのできる光測
定装置を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する第１
の発明による光測定装置は、周波数ω₁で振幅変調する
第１の光と前記第１の光にコヒーレントで、かつ、その
振幅が時間的に変動のない第２の光との混合光から、前
記第１の光の振幅を測定する光測定装置において、前記
混合光に前記第１、第２の光とコヒーレントな第３の光
を合波干渉させるための光学系と、前記合波干渉光の出
力光強度を検出する光検出器と、前記第１の光と第３の
光との相対的位相差を変化させるための位相差変化手段
と、前記第１の光と第３の光との異なる相対的位相差に
対応した前記光検出器の複数の出力値の前記周波数ω₁
の振動成分に基づいて、前記第１の光の振幅を求める演
算手段と、を備えたことを特徴とする。

【００２３】この発明の原理を以下に示す。上記混合光
と、これらとコヒーレントな第３の光とを光学系を用い
て合波干渉させると、光検出器の直後の受信信号の出力
は以下のように与えられる。｜（Ａ（１＋ｓｉｎ（ω₁ｔ））／２）＋Ｂ＋Ｃｅｘｐ（ｉｄ）｜² （１）ここでＡ、Ｂ、Ｃはそれぞれ第１、第２、第３の光の複
素振幅、ｄは第１の光と第３の光との相対的位相差、ω
₁は第１の光の振幅変調の周波数、ｔは時間、ｉは虚数
単位である。この中で周波数ω₁の振動成分ｆ（ω₁）
は、係数部分をｇ（ｄ）として、ｆ（ω₁）＝ｇ（ｄ）（ｓｉｎ（ω₁ｔ））／２＝（２｜Ａ｜²＋Ａ（Ｂ＋Ｃｅｘｐ（ｉｄ））^＊＋Ａ^＊（Ｂ＋Ｃｅｘｐ（ｉｄ）））（ｓｉｎ（ω₁ｔ））／２＝（２｜Ａ｜²＋（ＡＢ^＊＋Ａ^＊Ｂ）＋（ＡＣ^＊ｅｘｐ（−ｉｄ）＋Ａ^＊Ｃｅｘｐ（ｉｄ）））（ｓｉｎ（ω₁ｔ））／２（２）ＡとＣの位相差をβとすれば、（２）式のｇ（ｄ）に相
当する部分の第３項は、｜Ａ｜｜Ｃ｜（ｅｘｐ（ｉβ）ｅｘｐ（−ｉｄ）＋ｅｘ
ｐ（−ｉβ）ｅｘｐ（ｉｄ））＝２｜Ａ｜｜Ｃ｜ｃｏｓ
（β−ｄ）よって、周波数ω₁の振動成分ｆ（ω₁）の係数部分ｇ
（ｄ）は以下のように表せる。ｇ（ｄ）＝２｜Ａ｜²＋（ＡＢ^＊＋Ａ^＊Ｂ）＋２｜Ａ｜｜Ｃ｜ｃｏｓ（β−ｄ）（３）ここで、Ａ^＊、Ｂ^＊、（Ｂ＋Ｃｅｘｐ（ｉｄ））^＊はそ
れぞれＡ、Ｂ、（Ｂ＋Ｃｅｘｐ（ｉｄ））の複素共役を
表す。よって第１の光と第３の光との相対的位相差ｄを
位相差変化手段で変化させると、周波数ω₁の振動成分
の係数ｇ（ｄ）は上記（３）式の第３項のみが変化す
る。つまり第１項と第２項は定数とみなすことができ
る。よって演算手段で例えば相対的位相差ｄの異なる２
個の係数ｇ（ｄ）の値の差をとれば（３）式の第３項の
みが得られ、またこのような（３）式第３項のみとなる
演算結果をいくつか組み合わせてβに関する項を消去す
ることによって、第１の光の振幅｜Ａ｜を求めることが
できる。（第３の光の複素振幅Ｃは予め求められるので
演算によって消去できる。）以上のように、位相差変化
手段で相対的位相差を変化させながら合波干渉出力を光
検出器で取り込み、演算手段によってこれらの相対的位
相差の異なる測定値の周波数ω₁の振動成分の係数を演
算処理することで、ノイズとなる散乱源からの散乱光に
よる干渉的なバックグラウンドノイズを除去して第１の
光の振幅｜Ａ｜を求めることができる。

【００２４】上記目的を達成する第２の発明による光測
定装置は、前記第１の発明に記載の光測定装置におい
て、前記演算手段は、前記位相差変化手段が前記相対的
位相差を変化させた時の、各々異なる前記相対的位相差
に対応する前記光検出器の少なくとも３個の出力値を取
り込み、それらの出力値から前記周波数ω₁で振動する
成分を抽出し、前記周波数ω₁の振動成分に基づいて前
記第１の光の振幅を求める演算手段であることを特徴と
する。

【００２５】この発明の原理を以下に示す。上記位相差
変化手段で相対的位相差を変化させながら、各相対的位
相差に対応する光検出器の少なくとも３個の合波干渉出
力値を取り込み、それらの出力値から周波数ω₁で振動
する成分を抽出すると、相対的位相差ｄが離散的な３個
の値となる前述の（３）式（係数ｇ（ｄ））が得られ
る。ｇ（−ｄ₁）＝２｜Ａ｜²＋（ＡＢ^＊＋Ａ^＊Ｂ）＋２｜Ａ｜｜Ｃ｜ｃｏｓ（β＋ｄ₁）＝Ｐ（４）ｇ（−ｄ₂）＝２｜Ａ｜²＋（ＡＢ^＊＋Ａ^＊Ｂ）＋２｜Ａ｜｜Ｃ｜ｃｏｓ（β＋ｄ₂）＝Ｑ（５）ｇ（−ｄ_３）＝２｜Ａ｜²＋（ＡＢ^＊＋Ａ^＊Ｂ）＋２｜Ａ｜｜Ｃ｜ｃｏｓ（β＋ｄ₃）＝Ｒ（６）ここで−ｄ₁、−ｄ₂、−ｄ₃は相異なる相対的位相
差、またＰ、Ｑ、Ｒは光検出器で取り込まれた合波干渉
出力値の周波数ω₁で振動する成分の係数ｇ（ｄ）の実
測値である。（４）式と（５）式の差、及び（４）式と
（６）式の差をとると、ｇ（−ｄ₁）−ｇ（−ｄ₂）＝Ｓ（ｃｏｓ（β＋ｄ₁）−ｃｏｓ（β＋ｄ₂））＝Ｓ（Ｔｃｏｓβ−Ｕｓｉｎβ）＝Ｐ−Ｑ（７）ｇ（−ｄ₁）−ｇ（−ｄ₃）＝Ｓ（ｃｏｓ（β＋ｄ₁）−ｃｏｓ（β＋ｄ₃））＝Ｓ（Ｖｃｏｓβ−Ｗｓｉｎβ）＝Ｐ−Ｒ（８）但し、Ｓ＝２｜Ａ｜｜Ｃ｜（９）また、Ｔ＝ｃｏｓｄ₁−ｃｏｓｄ₂、Ｕ＝ｓｉｎｄ₁−ｓｉｎｄ₂、Ｖ＝ｃｏｓｄ₁−ｃｏｓｄ₃、Ｗ＝ｓｉｎｄ₁−ｓｉｎｄ₃ （１０）ここで（７）式と（８）式よりＳｃｏｓβ＝（（Ｐ−Ｑ）Ｗ−（Ｐ−Ｒ）Ｕ）／（ＴＷ−ＵＶ）（１１）Ｓｓｉｎβ＝（（Ｐ−Ｑ）Ｖ−（Ｐ−Ｒ）Ｔ）／（ＴＷ−ＵＶ）（１２）さらに（１１）式と（１２）式の２乗和をとると、Ｓ²（ｃｏｓ²β＋ｓｉｎ²β）＝Ｓ^２＝（（（Ｐ−Ｑ）Ｗ−（Ｐ−Ｒ）Ｕ）²＋（（Ｐ−Ｑ）Ｖ−（Ｐ−Ｒ）Ｔ）²）／（ＴＷ−ＵＶ）² （１３）よって｜Ｃ｜²、即ち参照光の光強度を予め測定してお
けば、（９）、（１０）、（１３）式より第１の光の振
幅を求めることができる。よって、位相差変化手段で相
対的位相差を変化させながら合波干渉出力を光検出器で
取り込み、演算手段によってこれらの相対的位相差の異
なる少なくとも３個の測定値の周波数ω ₁の振動成分の
係数を演算処理することで、ノイズとなる散乱源からの
散乱光による干渉的なバックグラウンドノイズを除去し
て第１の光の振幅｜Ａ｜を求めることができる。尚、合
波干渉出力値２個と散乱光のみの場合の光検出器の出力
値１個の計３個を用いて上述の演算処理を行っても同様
な効果を得ることができる。即ち、これは（３）式にお
いて第３項が零となる相対的位相差を持つ係数値１個
と、第３項が零ではない係数値２個とを組み合わせる場
合に等しい。

【００２６】上記目的を達成する第３の発明による光測
定装置は、前記第１の発明に記載の光測定装置におい
て、前記演算手段は、前記位相差変化手段が前記相対的
位相差を変化させた時の前記光検出器の出力値を各相対
的位相差が２Ｎπ＋γ、（１／２＋２Ｎ）π＋γ、（１
＋２Ｎ）π＋γ、（３／２＋２Ｎ）π＋γ（Ｎは整数、
０≦γ≦２π）となる４点で取り込み、それぞれの出力
値から前記周波数ω₁で振動する成分を抽出し、前記周
波数ω₁の４点の振動成分に基づいてその相対的位相差
の差がπとなる組み合わせの前記出力値の差の２乗和を
演算して前記第１の光の振幅を求める演算手段であるこ
とを特徴とする。

【００２７】この発明の原理を以下に説明する。上記位
相差変化手段で相対的位相差を変化させながら、相対的
位相差ｄが２Ｎπ＋γ、（１／２＋２Ｎ）π＋γ、（１
＋２Ｎ）π＋γ、（３／２＋２Ｎ）π＋γ（Ｎは整数、
０≦γ≦２π）となる４点で光検出器の合波干渉出力値
（受信信号）を演算手段に取り込み、それぞれ周波数ω
₁で振動する成分を抽出すると、その係数ｇ（ｄ）は
（３）式をもちいて、ｇ（２Ｎπ＋γ）＝２｜Ａ｜²＋（ＡＢ^＊＋Ａ^＊Ｂ）＋２｜Ａ｜｜Ｃ｜ｃｏｓ（β−γ）（１４）ｇ（（１／２＋２Ｎ）π＋γ）＝２｜Ａ｜²＋（ＡＢ^＊＋Ａ^＊Ｂ）＋２｜Ａ｜｜Ｃ｜ｓｉｎ（β−γ）（１５）ｇ（（１＋２Ｎ）π＋γ）＝２｜Ａ｜²＋（ＡＢ^＊＋Ａ^＊Ｂ）−２｜Ａ｜｜Ｃ｜ｃｏｓ（β−γ）（１６）ｇ（（３／２＋２Ｎ）π＋γ）＝２｜Ａ｜²＋（ＡＢ^＊＋Ａ^＊Ｂ）−２｜Ａ｜｜Ｃ｜ｓｉｎ（β−γ）（１７）となる。この中で相対的位相差ｄの差がπとなる組み合
わせの係数ｇ（ｄ）の差をとる。即ち（１４）式と（１
６）式の差及び（１５）式と（１７）式の差を計算する
と、ｇ（２Ｎπ＋γ）−ｇ（（１＋２Ｎ）π＋γ）＝４｜Ａ｜｜Ｃ｜ｃｏｓ（β−γ）（１８）ｇ（（１／２＋２Ｎ）π＋γ）−ｇ（（３／２＋２Ｎ）π＋γ）＝４｜Ａ｜｜Ｃ｜ｓｉｎ（β−γ）（１９）（１８）式と（１９）式の２乗和をとると、（４｜Ａ｜｜Ｃ｜ｃｏｓ（β−γ））² ＋（４｜Ａ｜｜Ｃ｜ｓｉｎ（β−γ））² ＝１６｜Ａ｜²｜Ｃ｜² （２０）｜Ｃ｜²、即ち参照光の光強度を予め測定しておけば、
（２０）式より第１の光の振幅を求めることができる。
よって、位相差変化手段で相対的位相差を変化させなが
ら合波干渉出力を光検出器で取り込み、演算手段によっ
てこれらの相対的位相差の異なる測定値の周波数ω₁の
振動成分の係数を演算処理することで、ノイズとなる散
乱源からの散乱光による干渉的なバックグラウンドノイ
ズを除去して第１の光の振幅｜Ａ｜を求めることができ
る。

【００２８】上記目的を達成する第４の発明による光測
定装置は、前記第１の発明に記載の光測定装置におい
て、前記演算手段は、前記位相差変化手段が前記相対的
位相差を連続的に２π以上に亘って変化させた時の前記
光検出器の出力値から前記周波数ω₁で振動する成分を
抽出し、前記周波数ω₁の振動成分の係数の最大値と最
小値との差を演算して前記第１の光の振幅を求める演算
手段であることを特徴とする。

【００２９】この発明の原理を以下に示す。上記位相差
変化手段で相対的位相差を連続的に２π以上に亘って変
化させながら、各相対的位相差に対応する光検出器の合
波干渉出力値を連続的に取り込み、その出力値から周波
数ω₁で振動する成分の係数の最大値と最小値を抽出す
ると、それらは前述の（３）式（係数ｇ（ｄ））をもち
いて、ｇ（ｄ）ｍａｘ＝２｜Ａ｜²＋（ＡＢ^＊＋Ａ^＊Ｂ）＋２｜Ａ｜｜Ｃ｜（２１）ｇ（ｄ）ｍｉｎ＝２｜Ａ｜²＋（ＡＢ^＊＋Ａ^＊Ｂ）−２｜Ａ｜｜Ｃ｜（２２）両者の差をとるとｇ（ｄ）ｍａｘ−ｇ（ｄ）ｍｉｎ＝４｜Ａ｜｜Ｃ｜（２３）｜Ｃ｜²、即ち参照光の光強度を予め測定して｜Ｃ｜を
求めておけば、（２３）式より第１の光の振幅を求める
ことができる。よって、位相差変化手段で相対的位相差
を連続的に２π以上に亘って変化させながら合波干渉出
力を光検出器で取り込み、演算手段によってこれらの相
対的位相差の異なる測定値の周波数ω₁の振動成分の係
数の最大値と最小値を演算処理することで、ノイズとな
る散乱源からの散乱光による干渉的なバックグラウンド
ノイズを除去して第１の光の振幅｜Ａ｜を求めることが
できる。

【００３０】上記目的を達成する第５の発明による光測
定装置は、周波数ω₁で振幅変調する第１の光と前記第
１の光にコヒーレントでかつその振幅が時間的に変動の
ない第２の光との混合光から、前記第１の光の振幅を測
定する光測定装置において、前記混合光に、前記第１、
第２の光とコヒーレントでかつ第１の光に対して周波数
差ｅを有する第３の光を合波干渉させる光学系と、前記
合波干渉光の出力光強度を検出する光検出器と、前記光
検出器の出力から、前記混合光と第３の光との差周波｜
ω₁−ｅ｜または和周波｜ω₁＋ｅ｜で振動する成分を
抽出して、前記第１の光の振幅を求める演算手段とを備
えたことを特徴とする。

【００３１】この発明の原理を以下に示す。上記混合光
と、これらとコヒーレントな第３の光とを光学系を用い
て合波干渉させると、光検出器の直後の受信信号の出力
は以下のように与えられる。｜（Ａ（１＋ｓｉｎ（ω₁ｔ））／２）＋Ｂ＋Ｃｅｘｐ（ｉｅｔ）｜²（２４）ここでＡ、Ｂ、Ｃはそれぞれ第１、第２、第３の光の複
素振幅、ｅは第１の光と第３の光との周波数差、ω₁は
第１の光の振幅変調の周波数、ｔは時間、ｉは虚数単位
である。この中で周波数ω₁の振動成分ｆ（ω₁）は、
係数部分をｇ（ｅ）として、ｆ（ω₁）＝ｇ（ｅ）（ｓｉｎ（ω₁ｔ））／２＝（２｜Ａ｜²＋Ａ（Ｂ＋Ｃｅｘｐ（ｉｅｔ））^＊＋Ａ^＊（Ｂ＋Ｃｅｘｐ（ｉｅｔ）））（ｓｉｎ（ω₁ｔ））／２＝（２｜Ａ｜²＋（ＡＢ^＊＋Ａ^＊Ｂ）＋（ＡＣ^＊ｅｘｐ（−ｉｅｔ）＋Ａ^＊Ｃｅｘｐ（ｉｅｔ）））（ｓｉｎ（ω₁ｔ））／２（２５）ＡとＣの位相差をβとすれば、（２５）式は以下のよう
に変形される。ｆ（ω₁）＝（２｜Ａ｜²＋（ＡＢ^＊＋Ａ^＊Ｂ）＋２｜Ａ｜｜Ｃ｜ｃｏｓ（β−ｅｔ））（ｓｉｎ（ω₁ｔ））／２＝（２｜Ａ｜²＋（ＡＢ^＊＋Ａ^＊Ｂ））（ｓｉｎ（ω₁ｔ））／２＋｜Ａ｜｜Ｃ｜（ｓｉｎ（β−（ｅ−ω₁）ｔ） −ｓｉｎ（β−（ｅ＋ω₁）ｔ））／２（２６）ここで、Ａ^＊、Ｂ^＊、（Ｂ＋Ｃｅｘｐ（ｉｅｔ））^＊は
それぞれＡ、Ｂ、（Ｂ＋Ｃｅｘｐ（ｉｅｔ））の複素共
役を表す。周波数ω₁の振動成分ｆ（ω₁）には（２
６）式のように第１の光と第３の光との差周波｜ω₁−
ｅ｜または和周波｜ω₁＋ｅ｜で振動する成分が現れ
る。この和周波または差周波成分を演算手段で抽出して
その係数を演算処理することによってノイズとなる散乱
源からの散乱光による干渉的なバックグラウンドノイズ
を除去して第１の光の振幅｜Ａ｜を求めることができ
る。

【００３２】上記目的を達成する第６の発明による光測
定装置は、鋭い先端を有する探針を試料近傍に接近させ
るとともに探針先端−試料間付近にコヒーレント光を照
射して、前記試料近傍に形成される光の場に前記探針が
存在することによって発生する散乱光を検出すること
で、前記試料の持つ光学情報を検出する光測定装置にお
いて、前記探針を試料表面近くで試料表面に略垂直に周
波数ω₁にて振動させて、探針先端−試料間での散乱光
の光振幅を変調する光振幅変調手段と、前記光振幅変調
手段によって振幅変調された探針先端−試料間からの散
乱光を含む前記コヒーレント光の照射領域で発生する散
乱光に対してコヒーレントな参照光を合波干渉させる光
学系と、前記合波干渉光の出力光強度を検出する光検出
器と、前記探針先端−試料間からの散乱光と前記参照光
との相対的位相差を変化させるための位相差変化手段
と、前記探針先端−試料間からの散乱光と前記参照光と
の異なる相対的位相差に対応した前記光検出器の複数の
出力値の前記周波数ω₁の振動成分に基づいて、前記探
針先端−試料間からの散乱光の振幅を求める演算手段と
を備えたことを特徴とする。

【００３３】この発明の原理を以下に示す。光振幅変調
手段で前記探針を試料表面近くで試料表面に略垂直に周
波数ω₁にて振動させて、探針先端−試料間での散乱光
の光振幅を変調し、この変調された散乱光を含む前記コ
ヒーレント光の照射領域で発生する散乱光に対してコヒ
ーレントな参照光を光学系を用いて合波干渉させ、その
干渉光の光出力強度を光検出器にて検出する。このとき
位相差変化手段で探針先端−試料間からの散乱光と参照
光との相対的位相差を変化させて、その異なる相対的位
相差に対応した光検出器の複数の出力値の周波数ω₁の
振動成分から演算手段で第１の発明と同様の原理で、ノ
イズとなる散乱源からの散乱光による干渉的なバックグ
ラウンドノイズを除去して前記探針先端−試料間からの
散乱光の振幅｜Ａ｜を求めることができる。

【００３４】上記目的を達成する第７の発明による光測
定装置は、前記第６の発明に記載の光測定装置におい
て、前記演算手段は、前記位相差変化手段が前記相対的
位相差を変化させた時の、各相対的位相差に対応する前
記光検出器の少なくとも３個の出力値を取り込み、それ
らの出力値から前記周波数ω₁で振動する成分を抽出
し、前記周波数ω₁の振動成分に基づいて前記探針先端
−試料間からの散乱光の振幅を求める演算手段であるこ
とを特徴とする。

【００３５】この発明は第２の発明と同様の原理によっ
て、ノイズとなる散乱源からの散乱光による干渉的なバ
ックグラウンドノイズを除去して前記探針先端−試料間
からの散乱光の振幅｜Ａ｜を求めることができる。

【００３６】上記目的を達成する第８の発明による光測
定装置は、前記第６の発明に記載の光測定装置におい
て、前記演算手段は、前記位相差変化手段が前記相対的
位相差を変化させた時の前記光検出器の出力値を各相対
的位相差が２Ｎπ＋γ、（１／２＋２Ｎ）π＋γ、（１
＋２Ｎ）π＋γ、（３／２＋２Ｎ）π＋γ（Ｎは整数、
０≦γ≦２π）となる４点で取り込み、それぞれの出力
値から前記周波数ω₁で振動する成分を抽出し、前記周
波数ω₁の４点の振動成分に基づいてその相対的位相差
の差がπとなる組み合わせの前記出力値の差の２乗和を
演算して前記探針先端−試料間からの散乱光の振幅を求
める演算手段であることを特徴とする。

【００３７】この発明は第３の発明と同様の原理によっ
て、ノイズとなる散乱源からの散乱光による干渉的なバ
ックグラウンドノイズを除去して前記探針先端−試料間
からの散乱光の振幅｜Ａ｜を求めることができる。

【００３８】上記目的を達成する第９の発明による光測
定装置は、前記第６の発明に記載の光測定装置におい
て、前記演算手段は、前記位相差変化手段が前記相対的
位相差を連続的に２π以上に亘って変化させた時の前記
光検出手段の出力値から前記周波数ω₁で振動する成分
を抽出し、前記周波数ω₁の振動成分の係数の最大値と
最小値との差を演算して前記探針先端−試料間からの散
乱光の振幅を求める演算手段であることを特徴とする。

【００３９】この発明は第４の発明と同様の原理によっ
て、ノイズとなる散乱源からの散乱光による干渉的なバ
ックグラウンドノイズを除去して前記探針先端−試料間
からの散乱光の振幅｜Ａ｜を求めることができる。

【００４０】上記目的を達成する第１０の発明による光
測定装置は、鋭い先端を有する探針を試料近傍に接近さ
せるとともに探針先端−試料付近にコヒーレント光を照
射して、前記試料近傍に形成される光の場に前記探針が
存在することによって発生する散乱光を検出すること
で、前記試料の持つ光学情報を検出する光測定装置にお
いて、前記探針を試料表面近くで試料表面に略垂直に周
波数ω₁にて振動させて、探針先端−試料間での散乱光
の光振幅を変調する光振幅変調手段と、前記光振幅変調
手段によって振幅変調された探針先端−試料間からの散
乱光を含む前記コヒーレント光の照射領域で発生する散
乱光に対してコヒーレントでありかつ前記探針先端−試
料間からの散乱光に対して周波数差ｅを有する参照光を
合波干渉させる光学系と、前記合波干渉光の出力光強度
を検出する光検出器と、前記光検出器の出力から、前記
探針先端−試料間からの散乱光と参照光との差周波｜ω
₁−ｅ｜または和周波｜ω₁＋ｅ｜で振動する成分を抽
出して、前記探針先端−試料間からの散乱光の振幅を求
める演算手段とを備えたことを特徴とする。

【００４１】この発明の原理を以下に示す。上記光振幅
変調手段で前記探針を試料表面近くで試料表面に略垂直
に周波数ω ₁にて振動させて、探針先端−試料間での散
乱光の光振幅を変調し、この変調された散乱光を含む前
記コヒーレント光の照射領域で発生する散乱光に対して
周波数差ｅを有するコヒーレントな参照光を光学系を用
いて合波干渉させ、その干渉光の光出力強度を光検出器
にて検出する。このとき探針先端−試料間からの散乱光
と参照光との差周波｜ω₁−ｅ｜または和周波｜ω₁＋
ｅ｜で振動する成分から演算手段で第５の発明と同様の
原理で、ノイズとなる散乱源からの散乱光による干渉的
なバックグラウンドノイズを除去して前記探針先端−試
料間からの散乱光の振幅｜Ａ｜を求めることができる。

【００４２】上述した発明の説明において、第６の発明
以降の発明の最も好ましい適用例は、後述する実施形態
から明らかなように、散乱モードでの走査型近接場光顕
微鏡（ＳＮＯＭ）である。

【００４３】

【発明の実施の形態】以下に本発明の光測定装置を散乱
モード走査型近接場光顕微鏡（散乱モードＳＮＯＭ）に
適用した例について図面を利用して説明する。（装置構成）本実施形態の散乱モード走査型近接場光
顕微鏡は、図３に示すようなシリコン製のいわゆるテト
ラヘドラルタイプのカンチレバーチップ１００を有して
おり、これは詳細には支持部１０３と、支持部１０３か
ら延びるカンチレバー１０１と、カンチレバー１０１の
先端に設けられた四面体形状の探針１０２とを有してい
る。カンチレバー１０１の形状は図３（Ａ）に示すよう
に短冊の先に二等辺三角形が継ぎ足された形をしてお
り、探針１０２は図３（Ｂ）に示すように探針先端１０
６がカンチレバー１０１の先端１０５の真下に位置する
ように設けられている。またカンチレバー１０１の背面
（探針が設けられた側とは反対側）には高反射膜として
アルミニウム膜１０４がコーティングされている。

【００４４】探針１０２先端近傍で発生する散乱光を高
いＳ／Ｎで検出するには、カンチレバーチップ１００の
形状は重要なファクターである。後述するようにカンチ
レバー１０１の背面側に散乱光を集光する集光光学系
（対物レンズ等）を設ける場合には、カンチレバー１０
１と探針１０２との接合部のカンチレバー先端側と両横
側に広がる突出部のない上記のテトラヘドラルタイプの
カンチレバーチップ１００を用いることで、探針１０２
先端近傍で発生した散乱光が、カンチレバー１０１の先
端部の周縁で散乱や回折されることなく集光光学系で集
光されるため、高いＳ／Ｎで散乱光を検出することがで
きる。このような高いＳ／Ｎで散乱光の検出を実現する
カンチレバーチップは、上記のテトラヘドラルタイプに
限られるものではなく、カンチレバーと探針との接合部
の先端側と両横側に広がる突出部のない構造のカンチレ
バーチップであれば、同等の効果が得られる。

【００４５】上述のカンチレバーチップ１００は、図１
に示されるように超音波振動子７９５を介してチップ保
持具３５により試料１の上方に支持されている。カンチ
レバーチップ１００は光振幅変調手段である超音波振動
子７９５とそれを駆動する高周波電源７９６とにより高
周波電源７９６の周波数ω₁で加振される。

【００４６】また本実施形態の散乱モードＳＮＯＭは、
カンチレバー１０１の自由端の変位を検出する光てこ式
の変位センサーを有している。これは図１に示すように
カンチレバー１０１に光を照射する半導体レーザー７
と、カンチレバー１０１からの反射光を受ける二分割フ
ォトディテクター８とを有している。半導体レーザー７
から射出されたレーザー光はカンチレバー１０１に照射
され、カンチレバー１０１背面に設けられたアルミニウ
ム膜１０４で反射され、二分割フォトディテクター８に
入射する。アルミニウム膜１０４は光を良好に反射し、
これは高いＳ／Ｎでの変位検出に貢献する。カンチレバ
ー１０１の自由端の変位は、二分割フォトディテクター
８に対する反射光の入射位置の変化を引き起こし、二分
割フォトディテクター８の受光部の出力の比を変動させ
る。従って、二分割フォトディテクター８の各受光部の
出力の差を調べることによって、カンチレバー１０１の
自由端の変位が求められ、間接的にではあるが探針１０
２の変位が求められる。光てこの代わりに臨界角方式の
変位センサーを利用しても良い。

【００４７】また図１に示される試料テーブル４０１と
圧電チューブスキャナ６の周辺部分の詳細な構造は図４
に示される。図４において圧電チューブスキャナー６は
ベース４１２の上に固定されており、圧電チューブスキ
ャナー６の上端には試料テーブル４０１が固定されてい
る。ベース４１２の端部には支柱部４１４が設けられ、
支柱部４１４の上部には水平に延びるアーム４１６が設
けられている。アーム４１６の先端部には内部全反射プ
リズム３が固定されており、内部全反射プリズム３は試
料テーブル４０１の内部空間に配置され、試料テーブル
４０１の上面中央に設けられた開口から露出されてい
る。試料１が載置されたスライドガラス２は、内部全反
射プリズム３の上面に適量のマッチングオイル４を垂ら
し、試料テーブル４０１の上に載置される。この結果、
図１に示されるように、スライドガラス２と内部全反射
プリズム３の間にマッチングオイル４が介在し、両者は
光学的に結合される。図４に示される構造体は、図１に
模式的に描かれているように、粗動ステージ５の上に配
置される。粗動ステージ５は、コンピューター１１によ
り制御される粗動ステージ駆動回路３６によって駆動さ
れ、図４の構造体を三次元的に粗く移動させる。これに
よって、試料１と探針１０２の間の大まかな位置合わせ
が行なわれ、また、試料１と探針１０２の間の距離が粗
調整される。

【００４８】試料１の測定のための精密な走査は次のよ
うになされる。図１において、圧電チューブスキャナー
６は、制御回路９とコンピューター１１により制御され
るスキャナー駆動回路１０によって駆動され、試料テー
ブル４０１を三次元的に精密に移動させる。よって、試
料テーブル４０１に栽置されたスライドガラス２の上の
試料１が、探針１０２に対して相対的に三次元的に移動
されることになるので、探針１０２が試料１の表面を横
切って精密に走査され、また、試料１の先端と探針１０
２の表面の間の距離が微調整される。本明細書において
は、探針が試料表面に沿って移動する走査をＸＹ走査、
探針先端と試料表面の間の距離の調整をＺ制御と表現す
る。先に図４を参照して説明したように、内部全反射プ
リズム３はアーム４１６によって試料テーブル４０１と
は独立に支持されているので、測定のための精密な走査
の間、内部全反射プリズム３は試料テーブル４０１の移
動に影響されることなく不動に保たれる。

【００４９】また本実施形態の装置は、コヒーレント光
を照射して探針と試料の間に光の場（近接場）を発生さ
せる近接場発生装置を備えている。この近接場発生装置
は、試料の斜め下方から内部全反射プリズム３を介して
レーザ光を照射して伝搬せずに局在するエバネッセント
光を発生させるエバネッセント光発生装置と、試料の斜
め上方から試料にレーザ光を直接照射する直接照射型近
接場発生装置とを有しており、試料の厚さや物性等諸特
性により、そのいずれかを選択し動作させる。以下にエ
バネッセント光発生装置と直接照射型近接場発生装置に
ついて詳述する。

【００５０】エバネッセント光発生装置は、図１におい
て、レーザー光源１３、フィルター１４、レンズ１５、
二つのミラー１６と１７、内部全反射プリズム３を有し
ている。レーザー光源１３には例えば出力２５ｍＷのア
ルゴンレーザーが使用される。レーザー光源１３から射
出されたレーザー光は、フィルター１４を通過した後、
レンズ１５により平行ビームに変換される。この平行レ
ーザービームは、ミラー１６とミラー１７で順に反射さ
れた後、内部全反射プリズム３にその上面（即ちスライ
ドガラス２と試料１の界面まはた試料１と大気の界面）
で全反射する角度で入射される。この結果、試料１の表
面近傍にエバネッセント光が発生する。また平行レーザ
ビームの光路中に１／２波長板１８を挿入して回転させ
ることで、必要に応じて平行レーザビームの偏光方向を
変化させる。これは後述する散乱光と参照光の合波干渉
の際に両者を効率よく干渉させるときに必要となる場合
がある。

【００５１】また、直接照射型近接場発生装置は、図１
のレーザー光源１３、フィルター１４、レンズ１５、二
つのミラー１６と１７及び図示しないミラー１７の移動
及び回転装置（例えば直進ステージと回転ステージ）を
有しており、エバネッセント光発生装置の場合と同様に
して得られた平行レーザビームを、ミラー１６で反射さ
せた後、前述の移動及び回転装置によって位置と角度を
変更したミラー１７で反射させて、試料１の斜め上方か
ら試料１と探針１０２の近傍に照射するように構成され
ている（図２（Ａ−１））。また近接場発生装置として
は、照明光源と照明光集光レンズとの間に環状絞りを置
いて中心直接光を遮断し、対物レンズに入斜しない斜光
線で試料を照明する公知の暗視野照明装置を使っても良
い。

【００５２】尚、図１の構成においては、カンチレバー
チップ１００は、内部全反射プリズム３へ入射する平行
レーザビームのプリズム３上面への投影像に対して、カ
ンチレバー１０１の長手軸のプリズム３上面への投影像
が平行になる位置関係に配置されている。しかしながら
カンチレバーチップ１００は、エバネッセント光に探針
１０２が進入したときに発生するＭｉｅ散乱の上述の平
行レーザビームの進行方向に強く発生する散乱光が検出
可能であれば、どのような向きで配置されてもよい。特
に上述の２つの投影像が直交する位置関係で配置されれ
ば強く発生する散乱光を効率よく検出でき、高いＳ／Ｎ
で散乱光を検出できる。

【００５３】また本発明の装置では、探針先端近傍で発
生した散乱光をカンチレバーの上方に配置した対物レン
ズによって集光し、これと参照光とを光学系を用いて合
波干渉させて、その干渉出力を光検出器で検出する。ま
た参照光の光路中には位相差変化手段としてポッケルス
セル等の位相変化素子が挿入され、参照光の位相を変化
させることができる。以下に詳細な構成を説明する。

【００５４】図１に示されるように、内部全反射プリズ
ム３の上方には、試料１及び探針１０２を間に挟んで対
物レンズ１９が配置されている。対物レンズ１９は探針
１０２先端の頂角よりも大きい開口角を有している。こ
こで、開口角は、対物レンズ１９の焦点から入射瞳の直
径に対して張る角度を指し、別の言い方をすれば、対物
レンズ１９に入射する光束の最大錐角のことであり、そ
の半角の正弦が対物レンズ１９の開口数である。対物レ
ンズ１９の上方には回転できる偏光子３６０が配置さ
れ、散乱光の特定偏光成分を選択できる。その上方には
散乱光検出鏡筒２２２が配置されており、散乱光検出鏡
筒２２２は対物レンズ１９と共働して散乱光検出光学系
を構成している。散乱光検出光学系は、局在光であるエ
バネッセント光に探針１０２が進入したときに発生する
散乱光を検出する。

【００５５】散乱光検出鏡筒２２２は、レンズ群２０、
ピンホール２１、光検出器である光電子増倍管２２を有
している。ピンホール２１は、対物レンズ１９とレンズ
群２０に対して、探針１０２の先端と光学的に共役な位
置に配置されている。これにより、探針１０２の先端近
傍で発生された散乱光以外の成分をできるだけカットし
ている。

【００５６】また、散乱光に参照光を合波干渉させるた
めの光学系はハーフミラー７００、ミラー７０３、７０
４、７０５及びハーフミラープリズム３０を有してお
り、近接場発生装置中のレーザ光源１３の出射光をハー
フミラー７００で分割したものを参照光として、ミラー
７０３、７０４、７０５を介してハーフミラープリズム
３０に入射させ、散乱光と合波干渉させている。また散
乱光と参照光を効率よく合波干渉させるために、参照光
の光路中にビーム強度を調節するためのアッテネーター
（光強度減衰器）７０１と、参照光の偏光方向と偏光子
３６０で選択した散乱光の偏光方向が一致するように調
節するための１／２波長板７０２とを配置している。ま
た参照光の光路中に、位相差変化手段として印可電界に
比例して屈折率が変化するポッケルスセルのように透過
光の位相を連続可変できる位相変化素子７１１を挿入し
て参照光と散乱光の相対的位相差を変化させる。尚、相
対的位相差を離散的に変化させる場合には、位相差変化
手段として複数の位相板（図示せず）を組み合わせて用
いても良い。例えば相対的位相差を０度、９０度、１８
０度、２７０度と変化させて測定を行う場合には１／４
波長位相板と１／２波長位相板を組み合わせて用いれば
よい。

【００５７】光検出器である光電子増倍管２２は、光電
子増倍管用高圧電原２３に接続されており、受光した干
渉光の光強度に応じた電気信号を出力する。演算手段は
乗算器７９７、ローパスフィルター７４０、コンピュー
タ１１を有している。光電子増倍管２２からの出力信号
は、アンプ２４で増幅され、カンチレバーチップ１００
に接続された光振幅変調手段である超音波振動子７９５
を駆動する高周波電源７９６の出力と、ＤＢＭ等の乗算
器７９７でかけあわされ、さらにそのＤＣ成分だけをロ
ーパスフィルター７４０で取り出すことで周波数ω₁の
振動成分の係数ｇ（ｄ）が抽出される。得られた係数ｇ
（ｄ）はコンピュータ１１に取り込まれ、さらに演算処
理される。

【００５８】尚、連続可変の位相変化素子７１１で相対
的位相差を連続的に２π以上に亘って変化させた時の光
電子増倍管２２の出力値から、演算手段によって周波数
ω₁で振動する成分の係数を抽出し、かつ、前記周波数
ω₁の振動成分の係数の最大値と最小値との差を演算し
て、さらにこの結果を演算処理する場合においては、演
算手段は図２（Ｃ−１）に示すように、ローパスフィル
ター７５０の後段に最大最小検出回路７５１と差動増幅
器７５２をさらに配置して、ローパスフィルター７５０
で周波数ω₁の振動成分の係数ｇ（ｄ）のＤＣ成分だけ
をとりだした後に、コンピュータ１１で指示された時間
内（最大値と最小値が必ず含まれるような測定時間）の
最大値及び最小値を最大最小検出回路７５１によって検
出し、検出した最大値と最小値の差を差動増幅器７５２
によって得て、その結果をコンピュータ１１へ出力し、
さらに演算処理を行うように構成しても良い。また、最
大最小検出回路７５１と差動増幅器７５２の作用をコン
ピュータ１１内部でソフトウェアによって行ってもよ
い。

【００５９】また本実施形態の装置は、顕微鏡接眼鏡筒
２８と顕微鏡照明鏡筒２５を有しており、両者は対物レ
ンズ１９の上方に配置されたハーフミラープリズム３０
によって対物レンズ１９と光学的に結合されており、顕
微鏡接眼鏡筒２８は対物レンズ１９と共働して光学顕微
鏡を構成し、顕微鏡照明鏡筒２５は対物レンズ１９と共
働して照明光学系を構成する。光学顕微鏡は、試料１の
種々の光学的観察に利用される他に、試料１の観察箇所
の特定、観察箇所への探針１０２の位置合わせ、変位セ
ンサーのレーザー光のカンチレバー１０２への照射位置
の確認に利用される。尚、観察場所の特定、変位センサ
ー用レーザー光の照射位置の確認が可能であれば、実体
顕微鏡、ルーペ、電子顕微鏡等、他の手段を用いても構
わない。以下では本発明の光学顕微鏡を使った場合につ
いて詳しく述べる。

【００６０】顕微鏡照明鏡筒２５は明視野照明用ハーフ
ミラープリズム３７０と暗視野照明用ハーフミラープリ
ズム９１０（図５参照）とを有しており、そのいずれか
一方が選択的に光路上に配置される。また顕微鏡照明鏡
筒２５は光ファイバー２６を介して照明光源２７に接続
されている。

【００６１】顕微鏡接眼鏡筒２８は、観察面の高さを調
整するためのステージ２９に取り付けられており、ステ
ージ２９により上下方向に適宜移動される。顕微鏡接眼
鏡筒２８には、画像を取得するためのＣＣＤカメラ３２
が取り付けられており、ＣＣＤカメラ３２に取得された
画像はＣＣＤカメラコントロールユニット３３に送られ
モニターテレビ３４に表示される。

【００６２】照明光源２７で発せられた照明光は、光フ
ァイバー２６、顕微鏡照明鏡筒２５、レンズ３１、ハー
フミラープリズム３０、対物レンズ１９を経由して、試
料１に照射される。試料１からの光は、対物レンズ１
９、ハーフミラープリズム３０、レンズ３１、ハーフミ
ラープリズム３７０、ミラープリズム３７１を経由し
て、接眼顕微鏡鏡筒２８に入射し、ＣＣＤカメラ３２の
受光面に結像される。ＣＣＤカメラ３２が取得した画像
はモニターテレビ３４に表示される。（作用と効果）
本実施形態の装置では、ＳＮＯＭ測定と同時にＡＦＭ測
定が行なわれる。つまり、一回の走査の間にＳＮＯＭ情
報の取得とＡＦＭ情報の取得が行なわれる。ＡＦＭ測定
は、探針先端と試料表面の間のＺ制御の仕方によって色
々なモードがあるが、ここではカンチレバーの先端部に
設けられた探針に微小な振動を与えるダイナミックモー
ドを利用する。本実施形態ではカンチレバーチップ１０
０をそれに接続された超音波振動子７９５を用いて振動
させることで、カンチレバーチップ１００を構成するカ
ンチレバー１０１の先端部に設けられた探針１０２を、
試料１表面にほぼ垂直な方向に一定の振幅で振動させ
る。そして試料１表面に探針１０２先端が十分に近づい
たときにはこの振動振幅が減衰することを利用して、探
針１０２が試料１表面を横切るＸＹ走査の間に、探針１
０２が一定の振動振幅を維持し、かつ、探針１０２−試
料１間の距離が一定に保たれるように探針１０２のＺ制
御を行う。このようなＺ制御を行うために本装置では前
述の変位センサを構成する２分割フォトディテクター８
の測定値から制御回路９によってＺ方向の位置に関する
制御信号を生成し、コンピュータ１１で生成されるＸＹ
走査信号と共にスキャナ駆動回路１０に送り圧電チュー
ブスキャナ６を駆動している。このＺ制御のために制御
回路９で生成されるＺ方向の位置に関する制御信号は即
ちＡＦＭ情報であり、Ｚ制御のためにスキャナー駆動回
路１０に送られると同時にコンピューター１１に取り込
まれ、その内部で生成されるＸＹ走査信号と合わせて処
理される。このようにして、試料１表面の凹凸を表現す
るＡＦＭ像が形成される。

【００６３】またＳＮＯＭ測定は、次のように行われ
る。上述のＸＹ走査の間に、試料１表面近傍の各点にお
いて参照光の位相をポッケルスセル等の連続可変の位相
変化素子７１１によって変化させながら、散乱光と参照
光との合波干渉出力を光電子増倍管２２で検出する。そ
の検出信号の中から、相対的的位相差の異なる少なくと
も３個の合波干渉出力値の周波数ω₁の振動成分の係数
ｇ（ｄ）を乗算器７９７とローパスフィルター７４０と
を用いて抽出する。これは検出信号と超音波振動子７９
５を駆動する高周波電源７９６の出力とを乗算器７９７
で掛け合わせ、さらにローパスフィルター７４０を通す
ことで実行され、即ち超音波振動子７９５の高周波電源
７９６から印加した高周波信号（周波数ω₁）により加
振された探針１０２の振動周波数ω₁の振動成分の係数
ｇ（ｄ）が抽出される。これらの相対的的位相差の異な
る少なくとも３個の係数ｇ（ｄ）はコンピュータ１１に
取り込まれ、（９）、（１０）、（１３）式と与えた相
対的位相差と予め測定しておいた参照光の光強度を用い
て演算処理され、散乱光の振幅が求められ、これとＸＹ
走査信号とを合わせることで、散乱源によるノイズのな
い、試料表面の光学情報を表現するＳＮＯＭ像が形成さ
れる。ＡＦＭ像とＳＮＯＭ像はモニター１２に一緒に表
示される。

【００６４】また試料１表面近傍の各点において相対的
位相差が０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜のようにπ
／２ずつ異なる４個の合波干渉出力値の振動周波数ω₁
の振動成分の係数ｇ（ｄ）を上述と同様にして求めて、
これらをコンピュータ１１によって予め測定しておいた
参照光の光強度とともに（１４）式から（２０）式にも
とづいて演算処理することで散乱光の振幅を求めてもよ
い。

【００６５】また試料１表面近傍の各点において連続可
変の位相変化素子７１１で相対的位相差を連続的に２π
以上に亘って変化させた時の光電子増倍管２２の合波干
渉出力値から、周波数ω₁で振動する成分の係数を上述
と同様にして求めたのち、この中からその係数の最大値
と最小値を最大最小検出回路７５１で求めて、求めた最
大値と最小値との差を差動増幅器７５２によって得て、
その結果をコンピュータ１１によって（２３）式と予め
測定しておいた参照光の光強度に基づいて演算処理して
散乱光の振幅を求めてもよい。このとき最大最小検出回
路７５１と差動増幅器７５２の作用は（２１）、（２
２）式で表されるものであるから、この作用を（２
１）、（２２）式を実現するコンピュータ１１内部のソ
フトウェアによって実行してもよい。

【００６６】ただし上記の測定においてはカンチレバー
の振動に対して検出される合波干渉光信号が線形に反応
するわけではないので、振動を充分小さくして変位対光
強度がほぼ線形に応答する範囲で測定する必要がある。

【００６７】次に、本実施形態の変形例について説明す
る。変形例においては、散乱光に対して周波数差を有す
る参照光を散乱光と合波干渉させるための光学系とし
て、図１の合波干渉光学系の参照光路中に、位相変化素
子７１１の代わりに図２（Ｂ−１）のように音響光学変
調器７２１と高周波電源７２２からなる周波数変調素子
を挿入した光学系を用いる。

【００６８】また、このとき演算手段の一部である図１
のＣ部は図２（Ｃ−２）のように構成されている。ここ
で光電子増倍管２２からの合波干渉出力信号と超音波振
動子７９５の高周波電源７９６の出力信号とを乗算器７
９７で掛け合わせた出力値に、さらに音響光学変調器７
２１の高周波電源７２２からの高周波信号を乗算器７６
０でかけ合わせて、ローパスフィルター７６１に出力す
る。するとローパスフィルター７６１からの出力値とし
て、散乱光と、これに対して周波数差ｅを持つ参照光と
の差周波｜ω₁−ｅ｜又は和周波｜ω₁＋ｅ｜で振動す
る成分の係数が得られる。これをコンピュータ１１に出
力し、さらに演算処理する。

【００６９】上記の構成を用いて前述と同様のＡＦＭ測
定をすると共に以下のようにしてＳＮＯＭ測定を行う。
上述のＸＹ走査の間に、試料１表面近傍の各点において
参照光の周波数を上述の高周波電源７２２によって駆動
される音響光学変調器７２１によって変化させて、散乱
光と参照光との合波干渉出力を光電子増倍管２２で検出
する。すると周波数ω₁の振動成分ｆ（ω₁）には（２
６）式のように散乱光と参照光との差周波｜ω₁−ｅ｜
または和周波｜ω₁＋ｅ｜で振動する成分が現れる。光
電子増倍管２２からの合波干渉出力信号と超音波振動子
７９５の高周波電源７９６の出力信号とを乗算器７９７
で掛け合わせた出力値に、さらに音響光学変調器７２１
の高周波電源７２２からの高周波信号を乗算器７６０で
かけ合わせて、ローパスフィルター７６１を通すこと
で、このような散乱光と、これに対して周波数差を持つ
参照光との差周波｜ω₁−ｅ｜又は和周波｜ω₁＋ｅ｜
で振動する成分の係数が得られる。この係数をコンピュ
ータ１１に取り込み、予め測定しておいた参照光の光強
度とこの係数より（２６）式に基づいて散乱光の振幅が
求められる。これとＸＹ走査信号とを合わせることで、
散乱源によるノイズのない、試料表面の光学情報を表現
するＳＮＯＭ像が形成される。ＡＦＭ像とＳＮＯＭ像は
モニター１２に一緒に表示される。

【００７０】尚、本変形例においては、乗算器７９７の
出力値をさらに乗算器７６０に入力して、散乱光と、こ
れに対して周波数差を持つ参照光との差周波｜ω₁−ｅ
｜又は和周波｜ω₁＋ｅ｜で振動する成分の係数を得て
いるが、先に光電子増倍管２２からの合波干渉出力信号
と音響光学変調器７２１の高周波電源７２２の高周波信
号（出力信号）とを掛け合わせた出力値に、さらに超音
波振動子７９５の高周波電源７９６からの高周波信号を
かけ合わせるように２つの高周波電源７２２、７９６の
高周波信号の出力先を変更するように構成してもよい。

【００７１】以上の実施形態とその変形例の説明におい
ては、受信信号からの周波数ω₁或いは差周波｜ω₁−
ｅ｜または和周波｜ω₁＋ｅ｜の振動成分の抽出に同一
の周波数を持つ信号を掛け合わせる、いわゆるホモダイ
ン検波を行っているが、異なる周波数を持つ信号を掛け
合わせる、いわゆるヘテロダイン検波を行っても同様の
効果が得られる。

【００７２】また上述の実施形態とその変形例の説明に
おいて、乗算器７９７と乗算器７６０にて、それぞれ光
電子増倍管２２からの受信信号と高周波電源７９６から
の高周波信号及びその出力値と高周波電源７２２からの
高周波信号を掛け合わせる際に、必要に応じて高周波信
号の信号経路中に、超音波振動子７９５及び音響光学変
調器７２１等による位相遅延を補償するための位相遅延
素子などの位相補償素子をいれてもよい。

【００７３】また上述の実施形態とその変形例の説明に
おいては、本発明の光測定装置を散乱モードＳＮＯＭに
適用した場合について述べたが、本発明はこれに限定さ
れるものではなく、例えば従来の技術で説明した光ファ
イバー等の透光性を有する探針を持つＳＮＯＭにも適用
できる。即ち、ノイズ源からの散乱光が透光性を有する
探針或いはその後段に設置された集光用の光学系を介し
て光検出器に混入する場合に、本発明の光測定装置を適
用することで光検出器の受信信号からノイズ源からの散
乱光による干渉的なバックグラウンドノイズを除去して
探針先端−試料間からの散乱光の振幅を求めることがで
きる。

【００７４】さらに本発明の光測定装置は、検出したい
信号光とノイズとなる光とが互いにコヒーレントな関係
にあるときに、これらの混合光の中から検出したい信号
光のみを検出する場合に有効である。例えばその適用例
として、光ビームを用いた移動体との相対距離或いはそ
の位置の測定装置がある。即ち、このような測定装置
は、測定装置から移動体にレーザ光を照射して、移動体
に設けられた反射装置からの反射光を測定装置に設けら
れた集光用の光学系を用いて集光して光検出器で検出
し、この検出された反射光をもとに移動体との正確な相
対距離或いは移動体の位置を測定する。このとき、測定
装置から照射されたレーザ光は遠方では拡散するので、
このレーザ光によって照射される領域は反射装置の周辺
部或いは移動体の外部にまで広がる場合がある。このよ
うな反射装置周辺部或いは移動体外部からの反射光は、
検出したい信号光に対してコヒーレントな関係にあり、
かつ、ノイズ光となりうる。よって本発明の光測定装置
を適用することで、上述の信号光とノイズ光の混合光で
ある光検出器の受信信号から、ノイズ光による干渉的な
バックグラウンドノイズを除去して検出したい信号光の
振幅を求めることができる。尚、この測定装置におい
て、周波数ω₁で第１の光、即ち信号光を振幅変調する
には、例えば移動体に設けられた反射装置を光ビームの
反射方向に周波数ω ₁で振動させてやればよい。

【００７５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように請求項１
の発明によれば、周波数ω₁で振幅変調する第１の光
と、その光にコヒーレントでかつその振幅が時間的に変
動のない第２の光との混合光に、これらとコヒーレント
な第３の光を、位相差変化手段で第１の光との相対的位
相差を変化させつつ光学系を用いて合波干渉させて、そ
の合波干渉出力を光検出器で取り込み、演算手段によっ
てこれらの相対的位相差の異なる測定値の周波数ω₁の
振動成分の係数を演算処理することで、光検出器の受信
信号からノイズとなる散乱源からの散乱光による干渉的
なバックグラウンドノイズを除去して第１の光の振幅を
求めることができる。

【００７６】また、請求項５の発明によれば、上述の混
合光に、これらとコヒーレントで、かつ、第１の光に対
して周波数差ｅを有する第３の光を光学系を用いて合波
干渉させ、その合波干渉出力を光検出器で取り込むと、
その受信信号の周波数ω₁の振動成分には第１の光と第
３の光との差周波｜ω₁−ｅ｜または和周波｜ω₁＋ｅ
｜で振動する成分が現れる。この和周波または差周波成
分の係数を演算手段で抽出して、さらに演算処理するこ
とによってノイズとなる散乱源からの散乱光による干渉
的なバックグラウンドノイズを除去して第１の光の振幅
を求めることができる。また本発明では合波干渉光強度
の測定回数は少なくとも１回行えばよいので、１点にお
ける測定時間は第１の発明を用いた場合よりも短時間で
すむ。

【００７７】また、請求項６の発明によれば、鋭い先端
を有する探針を試料近傍に接近させるとともに探針先端
−試料付近にコヒーレント光を照射して、試料近傍に形
成される光の場に探針が存在することによって発生する
散乱光を検出することで、試料の持つ光学情報を検出す
る光測定装置において、光振幅変調手段で探針を試料表
面近くで試料表面に略垂直に周波数ω₁にて振動させて
探針先端−試料間での散乱光の光振幅を変調し、かつ、
この変調された散乱光を含む前記コヒーレント光の照射
領域で発生する散乱光に対してコヒーレントな参照光
を、位相差変化手段で探針先端−試料間からの散乱光と
参照光との相対的位相差を変化させつつ光学系を用いて
合波干渉させ、その干渉光の光出力強度を光検出器にて
検出し、演算手段によってこれらの相対的位相差の異な
る測定値の周波数ω₁の振動成分の係数を演算処理する
ことで、光検出器の受信信号からノイズとなる散乱源か
らの散乱光による干渉的なバックグラウンドノイズを除
去して探針先端−試料間からの散乱光の振幅を求めるこ
とができる。

【００７８】さらに、請求項１０の発明によれば、上述
の試料の持つ光学情報を検出する光測定装置において、
光振幅変調手段で探針を試料表面近くで試料表面に略垂
直に周波数ω₁にて振動させて探針先端−試料間での散
乱光の光振幅を変調し、この変調された散乱光を含む前
記コヒーレント光の照射領域で発生する散乱光に対して
周波数差ｅを有するコヒーレントな参照光を光学系を用
いて合波干渉させ、その干渉光の光出力強度を光検出器
にて検出すると、その受信信号の周波数ω₁の振動成分
には探針先端−試料間からの散乱光と参照光との差周波
｜ω₁−ｅ｜または和周波｜ω₁＋ｅ｜で振動する成分
が現れる。この和周波または差周波成分の係数を演算手
段で抽出して、さらに演算処理することによってノイズ
となる散乱源からの散乱光による干渉的なバックグラウ
ンドノイズを除去して前記探針先端−試料間からの散乱
光の振幅を求めることができる。また本発明では試料表
面の各点における合波干渉光強度の測定回数は少なくと
も１回行えばよいので、試料表面全体を走査する場合に
必要な走査時間は、第６の発明を用いた場合の走査時間
よりも短時間ですむ。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用したＳＮＯＭ装置を説明する図で
ある。

【図２】（Ａ−１）は、図１のＳＮＯＭ装置において試
料上方よりレーザ光を照射する構成を説明する図であ
る。（Ｂ−１）は、本発明の変形例である周波数変調素
子を挿入した構成を説明する図である。（Ｃ−１）は、
図１のＳＮＯＭ装置において演算手段の構成の他の１例
を説明する図である。（Ｃ−２）は、本発明の変形例で
ある周波数変調素子を挿入した構成に対応する演算手段
の構成の１例を説明する図である。

【図３】図１のカンチレバーチップの詳細な構造を示す
図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面図を示す。

【図４】図１の試料テーブルと圧電チューブスキャナの
周辺部分の詳細な構造を示す図である。

【図５】図１のＳＮＯＭ装置の顕微鏡照明鏡筒に用いら
れる明視野照明用及び暗視野照明用ハーフミラープリズ
ムの構成を示す図である。

【符号の説明】

１試料２スライドガラス３内部全反射プリズム４マッチングオイル５粗動ステージ６圧電チューブスキャナ７半導体レーザ８二分割フォトデテクター９制御回路１０スキャナ駆動回路１１コンピューター１２モニター１３レーザ光源１４フィルター１５レンズ１６、１７ミラー１８１／２波長板１９対物レンズ２０レンズ群２１ピンホール２２光電子増倍管２３光電子増倍管用高圧電源２４アンプ２５顕微鏡照明鏡筒２６光ファイバー２７照明光源２８接眼顕微鏡鏡筒２９ステージ３０ハーフミラープリズム３１レンズ３２ＣＣＤカメラ３３ＣＣＤカメラコントロールユニット３４モニター３５チップ保持具３６粗動ステージ駆動回路１００カンチレバーチップ１０１カンチレバー１０２探針１０３支持部１０４アルミニュウム膜１０５カンチレバー先端１０６探針先端２２２散乱光検出鏡筒３６０偏光子３７０明視野照明用ハーフミラープリズム３７１ミラープリズム４０１試料テーブル４１２ベース４１４支持部４１６アーム７００ハーフミラー７０１アッテネーター（光強度減衰器）７０２１／２波長板７０３、７０４、７０５ミラー７１１位相変化素子７２１音響光学変調器７２２、７９６高周波電源７４０、７５０、７６１ローパスフィルター７５１最大最小検出回路７５２差動増幅器７６０、７９７乗算器７９５超音波振動子９１０暗視野照明用ハーフミラープリズム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周波数ω₁で振幅変調する第１の光と前記
第１の光にコヒーレントで、かつ、その振幅が時間的に
変動のない第２の光との混合光から、前記第１の光の振
幅を測定する光測定装置において、前記混合光に前記第１、第２の光とコヒーレントな第３
の光を合波干渉させるための光学系と、前記合波干渉光の出力光強度を検出する光検出器と、前記第１の光と第３の光との相対的位相差を変化させる
ための位相差変化手段と、前記第１の光と第３の光との異なる相対的位相差に対応
した前記光検出器の複数の出力値の前記周波数ω₁の振
動成分に基づいて、前記第１の光の振幅を求める演算手
段と、を備えたことを特徴とする光測定装置。
【請求項２】前記演算手段は、前記位相差変化手段が前
記相対的位相差を変化させた時の、各々異なる前記相対
的位相差に対応する前記光検出器の少なくとも３個の出
力値を取り込み、それらの出力値から前記周波数ω₁で
振動する成分を抽出し、前記周波数ω₁の振動成分に基
づいて前記第１の光の振幅を求める演算手段であること
を特徴とする請求項１に記載の光測定装置。
【請求項３】前記演算手段は、前記位相差変化手段が前
記相対的位相差を変化させた時の前記光検出器の出力値
を、各相対的位相差が２Ｎπ＋γ、（１／２＋２Ｎ）π
＋γ、（１＋２Ｎ）π＋γ、（３／２＋２Ｎ）π＋γ
（Ｎは整数、０≦γ≦２π）となる４点で取り込み、そ
れぞれの出力値から前記周波数ω₁で振動する成分を抽
出し、前記周波数ω₁の４点の振動成分に基づいてその
相対的位相差の差がπとなる組み合わせの前記出力値の
差の２乗和を演算して前記第１の光の振幅を求める演算
手段であることを特徴とする請求項１に記載の光測定装
置。
【請求項４】前記演算手段は、前記位相差変化手段が前
記相対的位相差を連続的に２π以上に亘って変化させた
時の前記光検出手段の出力値から、前記周波数ω₁で振
動する成分を抽出し、前記周波数ω₁の振動成分の係数
の最大値と最小値との差を演算して前記第１の光の振幅
を求める演算手段であることを特徴とする請求項１に記
載の光測定装置。
【請求項５】周波数ω₁で振幅変調する第１の光と前記
第１の光にコヒーレントで、かつ、その振幅が時間的に
変動のない第２の光との混合光から、前記第１の光の振
幅を測定する光測定装置において、前記混合光に、前記第１、第２の光とコヒーレントで、
かつ第１の光に対して周波数差ｅを有する第３の光を合
波干渉させる光学系と、前記合波干渉光の出力光強度を検出する光検出器と、前記光検出器の出力から、前記混合光と第３の光との差
周波｜ω₁−ｅ｜または和周波｜ω₁＋ｅ｜で振動する
成分を抽出して、前記第１の光の振幅を求める演算手段
と、を備えたことを特徴とする光測定装置。
【請求項６】鋭い先端を有する探針を試料近傍に接近さ
せるとともに探針先端−試料間付近にコヒーレント光を
照射して、前記試料近傍に形成される光の場に前記探針
が存在することによって発生する散乱光を検出すること
で、前記試料の持つ光学情報を検出する光測定装置にお
いて、前記探針を試料表面近くで試料表面に略垂直に周波数ω
₁にて振動させて、探針先端−試料間での散乱光の光振
幅を変調する光振幅変調手段と、前記光振幅変調手段によって振幅変調された探針先端−
試料間からの散乱光を含む前記コヒーレント光の照射領
域で発生する散乱光に対してコヒーレントな参照光を合
波干渉させる光学系と、前記合波干渉光の出力光強度を検出する光検出器と、前記探針先端−試料間からの散乱光と前記参照光との相
対的位相差を変化させるための位相差変化手段と、前記探針先端−試料間からの散乱光と前記参照光との各
々異なる相対的位相差に対応した前記光検出器の複数の
出力値の前記周波数ω₁の振動成分に基づいて、前記探
針先端−試料間からの散乱光の振幅を求める演算手段
と、を備えたことを特徴とする光測定装置。
【請求項７】前記演算手段は、前記位相差変化手段が前
記相対的位相差を変化させた時の、各々異なる前記相対
的位相差に対応する前記光検出器の少なくとも３個の出
力値を取り込み、それらの出力値から前記周波数ω₁で
振動する成分を抽出し、前記周波数ω₁の振動成分に基
づいて前記探針先端−試料間からの散乱光の振幅を求め
る演算手段であることを特徴とする請求項６に記載の光
測定装置。
【請求項８】前記演算手段は、前記位相差変化手段が前
記相対的位相差を変化させた時の前記光検出器の出力値
を、各相対的位相差が２Ｎπ＋γ、（１／２＋２Ｎ）π
＋γ、（１＋２Ｎ）π＋γ、（３／２＋２Ｎ）π＋γ
（Ｎは整数、０≦γ≦２π）となる４点で取り込み、そ
れぞれの出力値から前記周波数ω₁で振動する成分を抽
出し、前記周波数ω₁の４点の振動成分に基づいてその
相対的位相差の差がπとなる組み合わせの前記出力値の
差の２乗和を演算して前記探針先端−試料間からの散乱
光の振幅を求める演算手段であることを特徴とする請求
項６に記載の光測定装置。
【請求項９】前記演算手段は、前記位相差変化手段が前
記相対的位相差を連続的に２π以上に亘って変化させた
時の前記光検出手段の出力値から、前記周波数ω₁で振
動する成分を抽出し、前記周波数ω₁の振動成分の係数
の最大値と最小値との差を演算して前記探針先端−試料
間からの散乱光の振幅を求める演算手段であることを特
徴とする請求項６に記載の光測定装置。
【請求項１０】鋭い先端を有する探針を試料近傍に接近
させるとともに探針先端−試料付近にコヒーレント光を
照射して、前記試料近傍に形成される光の場に前記探針
が存在することによって発生する散乱光を検出すること
で、前記試料の持つ光学情報を検出する光測定装置にお
いて、前記探針を試料表面近くで試料表面に略垂直に周波数ω
₁にて振動させて、探針先端−試料間での散乱光の光振
幅を変調する光振幅変調手段と、前記光振幅変調手段によって振幅変調された探針先端−
試料間からの散乱光を含む前記コヒーレント光の照射領
域で発生する散乱光に対してコヒーレントでありかつ前
記探針先端−試料間からの散乱光に対して周波数差ｅを
有する参照光を合波干渉させる光学系と、前記合波干渉光の出力光強度を検出する光検出器と、前記光検出器の出力から、前記探針先端−試料間からの
散乱光と参照光との差周波｜ω₁−ｅ｜または和周波｜
ω₁＋ｅ｜で振動する成分を抽出して、前記探針先端−
試料間からの散乱光の振幅を求める演算手段と、を備え
たことを特徴とする光測定装置。