JPH10253643A - 走査型近接場光学顕微鏡 - Google Patents
走査型近接場光学顕微鏡Info
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- JPH10253643A JPH10253643A JP9058013A JP5801397A JPH10253643A JP H10253643 A JPH10253643 A JP H10253643A JP 9058013 A JP9058013 A JP 9058013A JP 5801397 A JP5801397 A JP 5801397A JP H10253643 A JPH10253643 A JP H10253643A
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- G01Q60/22—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
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- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
- Y10S977/86—Scanning probe structure
- Y10S977/862—Near-field probe
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- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 波長以下の高分解能を有し、局所的な励起発
光測定が可能な近接 場光学顕微鏡を提供する。 【解決手段】 先端に直径が波長以下の微小開口部を有
する光導波プロ−ブ１と、圧電振動体２と交流電圧発生
手段３からなる加振部と、水晶振動子４と電流電圧増幅
回路５からなる振動検出部と、光導波プロ−ブを試料表
面に接近させる粗動機構６と、レンズ７、８と光検出器
９とからなる光検出手段と、Ｚ軸微動素子１１とＺサ−
ボ回路１２とからなる試料とプロ−ブ間の距離制御手段
と、ＸＹ微動素子１３とＸＹ走査回路１４とからなる２
次元走査手段と、測定信号の３次元画像化を行うデ−タ
処理手段１５とからなり、さらに、弾性体１６のバネ圧
で光導波プロ−ブ１を水晶振動子４に固定することとし
た査型近接場光学顕微鏡の構成とした。
光測定が可能な近接 場光学顕微鏡を提供する。 【解決手段】 先端に直径が波長以下の微小開口部を有
する光導波プロ−ブ１と、圧電振動体２と交流電圧発生
手段３からなる加振部と、水晶振動子４と電流電圧増幅
回路５からなる振動検出部と、光導波プロ−ブを試料表
面に接近させる粗動機構６と、レンズ７、８と光検出器
９とからなる光検出手段と、Ｚ軸微動素子１１とＺサ−
ボ回路１２とからなる試料とプロ−ブ間の距離制御手段
と、ＸＹ微動素子１３とＸＹ走査回路１４とからなる２
次元走査手段と、測定信号の３次元画像化を行うデ−タ
処理手段１５とからなり、さらに、弾性体１６のバネ圧
で光導波プロ−ブ１を水晶振動子４に固定することとし
た査型近接場光学顕微鏡の構成とした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、波長以下の光学分
解能を有する走査型近接場光学顕微鏡に関する。さら
に、半導体素子等の局所励起発光現象を低温下で測定す
るための走査型近接場光学顕微鏡に関する。
解能を有する走査型近接場光学顕微鏡に関する。さら
に、半導体素子等の局所励起発光現象を低温下で測定す
るための走査型近接場光学顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、波長以下の光学分解能を有する光
学顕微鏡としては、いわゆる走査型近接場光学顕微鏡が
知られている。この種の顕微鏡の例としては、近距離場
走査光学顕微鏡が「特開平４−２９１３１０、近距離場
走査光学顕微鏡及びその用途、ロバート・エリック・ベ
ツトズイツグ」、「特開平６−５０７５０、力検知手段
を含む走査型顕微鏡、ロバート・エリック・ベツトズイ
ツグ」に開示されている。また、試料を冷却できる低温
走査型近接場光学顕微鏡の例としては、ロバート・Ｄ・
グローバー等により、Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕ
ｍ．６５（３）、１９９４、６２６〜６３１ページに開
示されている。さらに、水晶振動子を用いた近接場光学
顕微鏡の例としては、カレド・カライ等により、Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６６（１４）、１９９５、１
８４２〜１８４４ページに開示されている。以下、これ
らの装置の概略を述べる。
学顕微鏡としては、いわゆる走査型近接場光学顕微鏡が
知られている。この種の顕微鏡の例としては、近距離場
走査光学顕微鏡が「特開平４−２９１３１０、近距離場
走査光学顕微鏡及びその用途、ロバート・エリック・ベ
ツトズイツグ」、「特開平６−５０７５０、力検知手段
を含む走査型顕微鏡、ロバート・エリック・ベツトズイ
ツグ」に開示されている。また、試料を冷却できる低温
走査型近接場光学顕微鏡の例としては、ロバート・Ｄ・
グローバー等により、Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕ
ｍ．６５（３）、１９９４、６２６〜６３１ページに開
示されている。さらに、水晶振動子を用いた近接場光学
顕微鏡の例としては、カレド・カライ等により、Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６６（１４）、１９９５、１
８４２〜１８４４ページに開示されている。以下、これ
らの装置の概略を述べる。
【０００３】近距離場走査光学顕微鏡は、ＮＳＯＭとも
呼ばれる。図２は従来の「近距離場走査光学顕微鏡」の
概略図である。光ファイバー３１０の先端をテーパー状
７０に加工する。テーパー状のプローブの先端には波長
以下の開口が形成されている。ＸＹＺステージ５０上に
試料台２０が設置されている。試料台の上には試料３０
がセットされている。ＸＹＺ微動素子４０を用いて、試
料表面に接近して保持し、一定領域をラスター走査す
る。光ファイバープローブ７０を微動素子４０を用い
て、試料面と平行に振動させる。プローブ先端には試料
表面からの水平方向の力すなわちシアーフォースが働
き、プローブの振動状態が変化する。プローブ７０の振
動状態の測定には、位置制御用のレーザー光（図では省
略）を先端に照射し、プローブ７０の影をレンズ９０と
光検出器３０で検出することで行う。シアーフォースを
一定に保持するように、すなわち、振幅変化または位相
変化を一定に保持するように微動素子４０を用いて、試
料表面とプローブ先端の距離を制御する。試料からの距
離に応じてシアーフォースが急速に減衰することを利用
して、試料表面とプローブ先端との距離をナノメーター
のオーダーで一定に制御できる。この状態でレーザー光
６０をレンズ１５０を用いてファイバー３１０に導入
し、先端の開口より試料表面を照射する。反射光または
透過光の一部を従来の光学系（図では省略）により検出
する。以上説明したように、ＮＳＯＭの分解能は、プロ
ーブ先端の開口の大きさに依存する。波長以下の開口
（例えば、１００ｎｍ以下）は容易に製作でき、このた
め、波長以下の高分解能が実現できる。
呼ばれる。図２は従来の「近距離場走査光学顕微鏡」の
概略図である。光ファイバー３１０の先端をテーパー状
７０に加工する。テーパー状のプローブの先端には波長
以下の開口が形成されている。ＸＹＺステージ５０上に
試料台２０が設置されている。試料台の上には試料３０
がセットされている。ＸＹＺ微動素子４０を用いて、試
料表面に接近して保持し、一定領域をラスター走査す
る。光ファイバープローブ７０を微動素子４０を用い
て、試料面と平行に振動させる。プローブ先端には試料
表面からの水平方向の力すなわちシアーフォースが働
き、プローブの振動状態が変化する。プローブ７０の振
動状態の測定には、位置制御用のレーザー光（図では省
略）を先端に照射し、プローブ７０の影をレンズ９０と
光検出器３０で検出することで行う。シアーフォースを
一定に保持するように、すなわち、振幅変化または位相
変化を一定に保持するように微動素子４０を用いて、試
料表面とプローブ先端の距離を制御する。試料からの距
離に応じてシアーフォースが急速に減衰することを利用
して、試料表面とプローブ先端との距離をナノメーター
のオーダーで一定に制御できる。この状態でレーザー光
６０をレンズ１５０を用いてファイバー３１０に導入
し、先端の開口より試料表面を照射する。反射光または
透過光の一部を従来の光学系（図では省略）により検出
する。以上説明したように、ＮＳＯＭの分解能は、プロ
ーブ先端の開口の大きさに依存する。波長以下の開口
（例えば、１００ｎｍ以下）は容易に製作でき、このた
め、波長以下の高分解能が実現できる。
【０００４】図３は従来の「低温走査型近接場光学顕微
鏡」の概略図である。Ｃは試料と試料走査用のピエゾ圧
電スキャナーであり、Ｄは光ファイバープローブと振動
用ピエゾ圧電素子である。光ファイバープローブはテー
パー状に加工され、先端には波長以下の開口が形成され
ている。光ファイバープローブを振動用ピエゾ圧電素子
を用いて、試料面と平行に振動させる。プローブ先端に
は試料表面からの水平方向の力すなわちシアーフォース
が働き、プローブの振動状態が変化する。プローブの振
動状態の測定には、レーザー光を用いる。Ａはダイオー
ドレーザーであり、Ｂはレンズ、Ｆはホトダイオード検
出器である。位置制御用のレーザー光を光ファイバープ
ローブ先端に照射し、プローブの影をレンズと検出器で
検出する。
鏡」の概略図である。Ｃは試料と試料走査用のピエゾ圧
電スキャナーであり、Ｄは光ファイバープローブと振動
用ピエゾ圧電素子である。光ファイバープローブはテー
パー状に加工され、先端には波長以下の開口が形成され
ている。光ファイバープローブを振動用ピエゾ圧電素子
を用いて、試料面と平行に振動させる。プローブ先端に
は試料表面からの水平方向の力すなわちシアーフォース
が働き、プローブの振動状態が変化する。プローブの振
動状態の測定には、レーザー光を用いる。Ａはダイオー
ドレーザーであり、Ｂはレンズ、Ｆはホトダイオード検
出器である。位置制御用のレーザー光を光ファイバープ
ローブ先端に照射し、プローブの影をレンズと検出器で
検出する。
【０００５】シアーフォースを一定に保持するように、
すなわち、振幅変化または位相変化を一定に保持するよ
うにピエゾ圧電スキャナーＣを用いて、試料表面とプロ
ーブ先端の距離を制御する。試料からの距離に応じてシ
アーフォースが急速に減衰することを利用して、試料表
面とプローブ先端との距離をナノメーターのオーダーで
一定に制御できる。この状態で近接場光測定用レーザー
光（図では省略）をファイバーＤに導入し、先端の開口
より試料表面を照射する。反射光の一部を従来の光学系
（図では省略）により検出する。分解能は、プローブ先
端の開口の大きさに依存し、波長以下の開口（例えば、
１００ｎｍ以下）は容易に製作できるため、波長以下の
高分解能が実現できる。試料の冷却にはクライオスタッ
トを用いる。Ｅはクライオスタットのチャンバーと光学
窓である。試料をクライオスタットの内部に配置するこ
とで、試料を液体ヘリウム温度に冷却できる。このよう
な構成により試料を冷却した状態での近接場光測定が可
能となっている。
すなわち、振幅変化または位相変化を一定に保持するよ
うにピエゾ圧電スキャナーＣを用いて、試料表面とプロ
ーブ先端の距離を制御する。試料からの距離に応じてシ
アーフォースが急速に減衰することを利用して、試料表
面とプローブ先端との距離をナノメーターのオーダーで
一定に制御できる。この状態で近接場光測定用レーザー
光（図では省略）をファイバーＤに導入し、先端の開口
より試料表面を照射する。反射光の一部を従来の光学系
（図では省略）により検出する。分解能は、プローブ先
端の開口の大きさに依存し、波長以下の開口（例えば、
１００ｎｍ以下）は容易に製作できるため、波長以下の
高分解能が実現できる。試料の冷却にはクライオスタッ
トを用いる。Ｅはクライオスタットのチャンバーと光学
窓である。試料をクライオスタットの内部に配置するこ
とで、試料を液体ヘリウム温度に冷却できる。このよう
な構成により試料を冷却した状態での近接場光測定が可
能となっている。
【０００６】図４は従来の「水晶振動子を用いた近接場
光学顕微鏡」の主要部の概略図である。４００は光ファ
イバープローブ、４１０は水晶振動子である。光ファイ
バープローブを水晶振動子に接着する。水晶振動子を振
動用ピエゾ素子（図では省略）で共振させる。水晶振動
子の振動により、光ファイバープローブは振動する。プ
ローブの先端が試料に接近すると、プローブ先端には試
料表面からの水平方向の力すなわちシアーフォースが働
き、水晶振動子の振動状態が変化する。水晶の圧電効果
による発生電荷を測定することで、水晶振動子の振動状
態を測定する。シアーフォースを一定に保持するよう
に、すなわち、水晶振動子の出力の振幅変化または位相
変化を一定に保持するようにピエゾ圧電スキャナー（図
では省略）を用いて、試料表面とプローブ先端の距離を
制御する。試料からの距離に応じてシアーフォースが急
速に減衰することを利用して、試料表面とプローブ先端
との距離をナノメーターのオーダーで一定に制御でき
る。
光学顕微鏡」の主要部の概略図である。４００は光ファ
イバープローブ、４１０は水晶振動子である。光ファイ
バープローブを水晶振動子に接着する。水晶振動子を振
動用ピエゾ素子（図では省略）で共振させる。水晶振動
子の振動により、光ファイバープローブは振動する。プ
ローブの先端が試料に接近すると、プローブ先端には試
料表面からの水平方向の力すなわちシアーフォースが働
き、水晶振動子の振動状態が変化する。水晶の圧電効果
による発生電荷を測定することで、水晶振動子の振動状
態を測定する。シアーフォースを一定に保持するよう
に、すなわち、水晶振動子の出力の振幅変化または位相
変化を一定に保持するようにピエゾ圧電スキャナー（図
では省略）を用いて、試料表面とプローブ先端の距離を
制御する。試料からの距離に応じてシアーフォースが急
速に減衰することを利用して、試料表面とプローブ先端
との距離をナノメーターのオーダーで一定に制御でき
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の走査型近接場顕微鏡では、以下に述べるような欠点
があった。近距離場走査光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）では、
シアーフォース検出のためにレーザー光を光プローブ先
端近傍の試料表面に照射し、その反射光中のプローブ先
端像（影）を検出している。このため、反射光量が試料
表面の形状、反射率に影響されやすく、振動振幅の測定
が困難であり、正確な表面形状測定が困難となってい
た。また、レーザー光の位置合わせが容易でなく、デー
タの再現性に問題があった。また、試料表面の測定領域
に、光プローブからの励起光以外にシアーフォース検出
用のレーザー光を照射するため、バックグラウンドノイ
ズの増大を招き、またノイズ除去も困難である。さらに
分光測定では、シアーフォース用レーザー光の波長近傍
の測定が不可能になる他、シアーフォース用レーザー光
の除去に光学フィルター等が必要となり、検出に寄与す
る発光光量の減少を招き、データのＳ／Ｎ比の低下を生
じることが問題となっていた。
来の走査型近接場顕微鏡では、以下に述べるような欠点
があった。近距離場走査光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）では、
シアーフォース検出のためにレーザー光を光プローブ先
端近傍の試料表面に照射し、その反射光中のプローブ先
端像（影）を検出している。このため、反射光量が試料
表面の形状、反射率に影響されやすく、振動振幅の測定
が困難であり、正確な表面形状測定が困難となってい
た。また、レーザー光の位置合わせが容易でなく、デー
タの再現性に問題があった。また、試料表面の測定領域
に、光プローブからの励起光以外にシアーフォース検出
用のレーザー光を照射するため、バックグラウンドノイ
ズの増大を招き、またノイズ除去も困難である。さらに
分光測定では、シアーフォース用レーザー光の波長近傍
の測定が不可能になる他、シアーフォース用レーザー光
の除去に光学フィルター等が必要となり、検出に寄与す
る発光光量の減少を招き、データのＳ／Ｎ比の低下を生
じることが問題となっていた。
【０００８】低温走査型近接場光学顕微鏡では、上記、
近距離場走査光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）と同様に、シアー
フォース検出のためにレーザー光を用いるため、振動振
幅の測定が困難であり、正確な表面形状測定が困難とな
っていた。また、レーザー光の位置合わせが容易でな
く、データの再現性に問題があった。また、試料表面の
測定領域に、シアーフォース検出用のレーザー光を照射
するため、バックグラウンドノイズの増大を招き、さら
に分光測定では、シアーフォース用レーザー光の波長近
傍の測定が不可能になる他、シアーフォース用レーザー
光の除去に光学フィルター等が必要となり、検出に寄与
する発光光量の減少を招き、データのＳ／Ｎ比の低下を
生じることが問題となっていた。さらに、試料がクライ
オスタット内にあり、シアーフォース検出用のレーザー
等の光学系がクライオスタットの外部にあることから、
光学窓によるレーザー光量の減衰が生じやすく、測定を
困難にしていた。また、低温のヘリウムガスまたは液体
ヘリウムのフローによるレーザー光の揺らぎが生じやす
く、光プローブの位置制御が困難となっていた。また、
反射ミラーを用いた集光光学系を用いているため、収差
を除去することが困難であり、像のぼけが問題となって
いた。
近距離場走査光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）と同様に、シアー
フォース検出のためにレーザー光を用いるため、振動振
幅の測定が困難であり、正確な表面形状測定が困難とな
っていた。また、レーザー光の位置合わせが容易でな
く、データの再現性に問題があった。また、試料表面の
測定領域に、シアーフォース検出用のレーザー光を照射
するため、バックグラウンドノイズの増大を招き、さら
に分光測定では、シアーフォース用レーザー光の波長近
傍の測定が不可能になる他、シアーフォース用レーザー
光の除去に光学フィルター等が必要となり、検出に寄与
する発光光量の減少を招き、データのＳ／Ｎ比の低下を
生じることが問題となっていた。さらに、試料がクライ
オスタット内にあり、シアーフォース検出用のレーザー
等の光学系がクライオスタットの外部にあることから、
光学窓によるレーザー光量の減衰が生じやすく、測定を
困難にしていた。また、低温のヘリウムガスまたは液体
ヘリウムのフローによるレーザー光の揺らぎが生じやす
く、光プローブの位置制御が困難となっていた。また、
反射ミラーを用いた集光光学系を用いているため、収差
を除去することが困難であり、像のぼけが問題となって
いた。
【０００９】水晶振動子を用いた近接場光学顕微鏡で
は、水晶振動子と光ファイバーの接着部が極めて微小領
域（例えば、一辺が約１００μｍの正方形部分）となり
やすく、接着作業が困難であった。また、接着量および
硬化度、接着部位などにより、水晶振動子の素子特性が
変化しやすく、再現性よい振動子センサーを得ることが
困難となっていた。このため、工業用の目的では利用が
困難となっていた。また、光プローブの交換時には、水
晶振動子と共に交換しなければならず、コストアップと
ともに再現性のある近接場光学測定が不可能となってい
た。
は、水晶振動子と光ファイバーの接着部が極めて微小領
域（例えば、一辺が約１００μｍの正方形部分）となり
やすく、接着作業が困難であった。また、接着量および
硬化度、接着部位などにより、水晶振動子の素子特性が
変化しやすく、再現性よい振動子センサーを得ることが
困難となっていた。このため、工業用の目的では利用が
困難となっていた。また、光プローブの交換時には、水
晶振動子と共に交換しなければならず、コストアップと
ともに再現性のある近接場光学測定が不可能となってい
た。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の走査型近接場光
学顕微鏡は、先端に直径が波長以下の微小開口部を有す
る光導波プローブと、圧電振動体と交流電圧発生手段か
らなる加振部と、水晶振動子と電流電圧増幅回路からな
る振動検出部と、光導波プローブを試料表面に接近させ
る粗動機構と、レンズと光検出器とからなる光検出手段
と、Ｚ軸微動素子とＺサーボ回路とからなる試料とプロ
ーブ間の距離制御手段と、ＸＹ微動素子とＸＹ走査回路
とからなる２次元走査手段と、測定信号の３次元画像化
を行うデータ処理手段とから構成され、弾性体のバネ圧
で光導波プローブを水晶振動子に固定することを特徴と
する走査型近接場光学顕微鏡とした。そしてこのような
構成をとることにより、波長以下の高分解能を有し、局
所的な励起発光測定が可能な近接場光学顕微鏡を提供す
る。さらに、試料を冷却する手段がさらに含まれること
を特徴とする走査型近接場光学顕微鏡とすることで、低
温下で波長以下の高分解能を有し、局所的な励起発光測
定が可能な近接場光学顕微鏡を提供する。
学顕微鏡は、先端に直径が波長以下の微小開口部を有す
る光導波プローブと、圧電振動体と交流電圧発生手段か
らなる加振部と、水晶振動子と電流電圧増幅回路からな
る振動検出部と、光導波プローブを試料表面に接近させ
る粗動機構と、レンズと光検出器とからなる光検出手段
と、Ｚ軸微動素子とＺサーボ回路とからなる試料とプロ
ーブ間の距離制御手段と、ＸＹ微動素子とＸＹ走査回路
とからなる２次元走査手段と、測定信号の３次元画像化
を行うデータ処理手段とから構成され、弾性体のバネ圧
で光導波プローブを水晶振動子に固定することを特徴と
する走査型近接場光学顕微鏡とした。そしてこのような
構成をとることにより、波長以下の高分解能を有し、局
所的な励起発光測定が可能な近接場光学顕微鏡を提供す
る。さらに、試料を冷却する手段がさらに含まれること
を特徴とする走査型近接場光学顕微鏡とすることで、低
温下で波長以下の高分解能を有し、局所的な励起発光測
定が可能な近接場光学顕微鏡を提供する。
【００１１】
【実施の形態】図１は、本発明の走査型近接場光学顕微
鏡の概略図である。本発明の走査型近接場光学顕微鏡
は、先端に直径が波長以下の微小開口部を有する光導波
プローブ１と、圧電振動体２と交流電圧発生手段３から
なる加振部と、水晶振動子４と電流電圧増幅回路５から
なる振動検出部と、光導波プローブを試料表面に接近さ
せる粗動機構６と、レンズ７、８と光検出器９とからな
る光検出手段と、Ｚ軸微動素子１１とＺサーボ回路１２
とからなる試料とプローブ間の距離制御手段と、ＸＹ微
動素子１３とＸＹ走査回路１４とからなる２次元走査手
段と、測定信号の３次元画像化を行うデータ処理手段１
５とから構成され、さらに、弾性体１６のバネ圧で光導
波プローブ１を水晶振動子４に固定する。
鏡の概略図である。本発明の走査型近接場光学顕微鏡
は、先端に直径が波長以下の微小開口部を有する光導波
プローブ１と、圧電振動体２と交流電圧発生手段３から
なる加振部と、水晶振動子４と電流電圧増幅回路５から
なる振動検出部と、光導波プローブを試料表面に接近さ
せる粗動機構６と、レンズ７、８と光検出器９とからな
る光検出手段と、Ｚ軸微動素子１１とＺサーボ回路１２
とからなる試料とプローブ間の距離制御手段と、ＸＹ微
動素子１３とＸＹ走査回路１４とからなる２次元走査手
段と、測定信号の３次元画像化を行うデータ処理手段１
５とから構成され、さらに、弾性体１６のバネ圧で光導
波プローブ１を水晶振動子４に固定する。
【００１２】光導波プローブを水平に振動させながら試
料表面近傍に接近させると、プローブ先端にシアーフォ
ースが働き、プローブの振動振幅が減少する。プローブ
と水晶振動子とはバネ圧で固定され一体として作動する
ため、プローブの振動振幅の減少は水晶振動子の振動振
幅の減少となる。水晶振動子の振動振幅の減少は、出力
電流の減少となり電流電圧増幅回路で検出される。水晶
振動子の出力電流を一定にするように、Ｚ軸微動素子と
Ｚサーボ回路により試料とプローブとの距離を制御する
ことで、プローブ先端が試料面から一定の距離に保たれ
る。このような状態で試料を励起するための光を光導波
プローブ内に導入し、プローブ先端の開口より試料表面
の局所領域に照射するか、または試料からの光を光プロ
ーブでピックアップする。光プローブを試料面内で相対
的に２次元走査し、３次元画像化を行うようにした。さ
らに、試料を冷却する手段が含まれることで低温下での
走査型近接場光学顕微鏡の構成とした。
料表面近傍に接近させると、プローブ先端にシアーフォ
ースが働き、プローブの振動振幅が減少する。プローブ
と水晶振動子とはバネ圧で固定され一体として作動する
ため、プローブの振動振幅の減少は水晶振動子の振動振
幅の減少となる。水晶振動子の振動振幅の減少は、出力
電流の減少となり電流電圧増幅回路で検出される。水晶
振動子の出力電流を一定にするように、Ｚ軸微動素子と
Ｚサーボ回路により試料とプローブとの距離を制御する
ことで、プローブ先端が試料面から一定の距離に保たれ
る。このような状態で試料を励起するための光を光導波
プローブ内に導入し、プローブ先端の開口より試料表面
の局所領域に照射するか、または試料からの光を光プロ
ーブでピックアップする。光プローブを試料面内で相対
的に２次元走査し、３次元画像化を行うようにした。さ
らに、試料を冷却する手段が含まれることで低温下での
走査型近接場光学顕微鏡の構成とした。
【００１３】上記のように、光導波プローブと試料との
距離制御を水晶振動子の振動振幅を用いて行うことで、
近距離場走査光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）、および低温走査
型近接場光学顕微鏡のような位置制御用レーザーが不要
となり、レーザー光の位置および反射光量の変動による
データの不正確さ、およびヘリウムガスまたは液体ヘリ
ウムのゆらぎによるレーザー光の変動でデータが変質す
るような問題を回避できる。また、試料面に位置制御用
のレーザーを照射することがないため、近接場光学測定
時のバックグラウンドノイズが増大することがない。ま
た、分光測定時には、位置制御用レーザーの波長の光を
除去するために光学フィルターが不要となり、分光デー
タの波長領域が広く確保でき、また検出光量の減少によ
るデータのＳ／Ｎ比の低下の問題を回避できる。また、
弾性体のバネ圧で光導波プローブを水晶振動子に固定す
ることで、従来の水晶振動子を用いた近接場光学顕微鏡
で問題となっていた接着の変動によるデータの変動がな
く、また、プローブ交換時にはプローブのみ交換すれば
よいため、同一の水晶振動子が使用でき、測定条件の再
現性、さらにデータの再現性を高めることが可能であ
る。また、プローブ交換のみであるため、低コストであ
り、かつ困難な接着が不要となり、取り扱いが極めて簡
単になる。さらに、試料を冷却する手段がさらに含まれ
ることで、低温下での走査型近接場光学顕微鏡が実現で
きる。位置制御用レーザー不要なため、データの正確さ
の向上、および再現性の向上が可能である。また、低温
下での近接場光学測定による分光データのＳ／Ｎ比向
上、測定波長領域の拡大が実現できる。
距離制御を水晶振動子の振動振幅を用いて行うことで、
近距離場走査光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）、および低温走査
型近接場光学顕微鏡のような位置制御用レーザーが不要
となり、レーザー光の位置および反射光量の変動による
データの不正確さ、およびヘリウムガスまたは液体ヘリ
ウムのゆらぎによるレーザー光の変動でデータが変質す
るような問題を回避できる。また、試料面に位置制御用
のレーザーを照射することがないため、近接場光学測定
時のバックグラウンドノイズが増大することがない。ま
た、分光測定時には、位置制御用レーザーの波長の光を
除去するために光学フィルターが不要となり、分光デー
タの波長領域が広く確保でき、また検出光量の減少によ
るデータのＳ／Ｎ比の低下の問題を回避できる。また、
弾性体のバネ圧で光導波プローブを水晶振動子に固定す
ることで、従来の水晶振動子を用いた近接場光学顕微鏡
で問題となっていた接着の変動によるデータの変動がな
く、また、プローブ交換時にはプローブのみ交換すれば
よいため、同一の水晶振動子が使用でき、測定条件の再
現性、さらにデータの再現性を高めることが可能であ
る。また、プローブ交換のみであるため、低コストであ
り、かつ困難な接着が不要となり、取り扱いが極めて簡
単になる。さらに、試料を冷却する手段がさらに含まれ
ることで、低温下での走査型近接場光学顕微鏡が実現で
きる。位置制御用レーザー不要なため、データの正確さ
の向上、および再現性の向上が可能である。また、低温
下での近接場光学測定による分光データのＳ／Ｎ比向
上、測定波長領域の拡大が実現できる。
【００１４】
【実施例】以下に、この発明の実施例を説明する． ［実施例１］図５は、本発明の走査型近接場光学顕微鏡
の実施例１の概略図である。低温下での透過型の走査型
近接場光学顕微鏡としての実施例を示した。
の実施例１の概略図である。低温下での透過型の走査型
近接場光学顕微鏡としての実施例を示した。
【００１５】水晶振動子４と圧電振動体２は、水晶振動
子ホルダー２５に接着固定されている。圧電振動体とし
ては板状のＰＺＴ素子を、水晶振動子としては時計用の
水晶振動子を用いた。ＰＺＴ素子に交流電圧を印加する
とＰＺＴ素子が振動し、水晶振動子を強制振動させる。
振動周波数を水晶振動子の共振周波数（例えば３２．７
ｋＨｚ）にすると、水晶振動子が共振する。水晶振動子
が振動すると、圧電効果により水晶振動子の電極に電荷
が誘起され、電流として電流電圧増幅回路により検出さ
れる。水晶振動子の振動振幅に比例した電流が発生する
ため、検出された電流により水晶振動子の振動状態が測
定できる。圧電振動体としてはＰＺＴ板の他、円筒形の
ＰＺＴスキャナーや積層ＰＺＴ板などが考えられ、いず
れも本発明に含まれる。また、水晶振動子としては時計
用以外の水晶振動子も本発明に含まれる。
子ホルダー２５に接着固定されている。圧電振動体とし
ては板状のＰＺＴ素子を、水晶振動子としては時計用の
水晶振動子を用いた。ＰＺＴ素子に交流電圧を印加する
とＰＺＴ素子が振動し、水晶振動子を強制振動させる。
振動周波数を水晶振動子の共振周波数（例えば３２．７
ｋＨｚ）にすると、水晶振動子が共振する。水晶振動子
が振動すると、圧電効果により水晶振動子の電極に電荷
が誘起され、電流として電流電圧増幅回路により検出さ
れる。水晶振動子の振動振幅に比例した電流が発生する
ため、検出された電流により水晶振動子の振動状態が測
定できる。圧電振動体としてはＰＺＴ板の他、円筒形の
ＰＺＴスキャナーや積層ＰＺＴ板などが考えられ、いず
れも本発明に含まれる。また、水晶振動子としては時計
用以外の水晶振動子も本発明に含まれる。
【００１６】光導波プローブ１は、弾性体１６のバネ圧
で水晶振動子に固定される。光導波プローブとしては、
シングルモード光ファイバーの先端を化学エッチング
し、テーパー状に加工した後、先端の開口部を除いて、
アルミニウム薄膜をテーパー部分に形成したものを用い
た。光導波プローブとしては、マルチモード光ファイバ
ーやガラスピペットをテーパー状に加工したものも考え
られ、本発明に含まれる。また、テーパー加工方法につ
いては、化学エッチングの他、機械的研磨や加熱延伸加
工も考えられ、本発明に含まれる。金属薄膜コーティン
グについては、アルミニウムの他、金や白金などの貴金
属類、あるいは、多層膜、合金薄膜なども考えられ、本
発明に含まれる。開口の大きさについては、測定に用い
る光の波長以下になるように形成する。本発明では、１
００ｎｍ以下の開口を形成した。開口の大きさについて
は、光量を必要とする場合は、より大きくなり１５０〜
２００ｎｍ程度が望ましい。一方、高分解能を必要とす
る場合、２０〜５０ｎｍ程度が望ましい。このように開
口については、２０〜３００ｎｍの大きさが考えられ、
いずれも本発明に含まれる。弾性体としては、ステンレ
ス鋼の板バネを用いた。水晶振動子は力検出感度が高い
ため、弾性体のバネ定数は小さいものが望ましい。本発
明では、厚さ１００μｍ、幅１ｍｍ、長さ１０ｍｍの片
持ちバネを用いた。弾性体としては、この他、りん青銅
の板バネやコイル状のバネ、シリコンゴムなどのゴム類
などが考えられ、いずれも本発明に含まれる。また、光
導波プローブ自身のバネ性を生かして固定することも可
能であり、本発明に含まれる。バネ固定の場合、バネ圧
のめあすとしては、水晶振動子の振動特性すなわちＱ値
を利用する。光導波プローブを固定しない場合、水晶振
動子のＱ値は、例えば、３０００程度である。光導波プ
ローブをバネ固定すると、Ｑ値は５００以下になる。走
査型近接場光学顕微鏡として望ましいＱ値は１００〜４
００程度である。Ｑ値がこの範囲になるようにバネ圧を
調整する。
で水晶振動子に固定される。光導波プローブとしては、
シングルモード光ファイバーの先端を化学エッチング
し、テーパー状に加工した後、先端の開口部を除いて、
アルミニウム薄膜をテーパー部分に形成したものを用い
た。光導波プローブとしては、マルチモード光ファイバ
ーやガラスピペットをテーパー状に加工したものも考え
られ、本発明に含まれる。また、テーパー加工方法につ
いては、化学エッチングの他、機械的研磨や加熱延伸加
工も考えられ、本発明に含まれる。金属薄膜コーティン
グについては、アルミニウムの他、金や白金などの貴金
属類、あるいは、多層膜、合金薄膜なども考えられ、本
発明に含まれる。開口の大きさについては、測定に用い
る光の波長以下になるように形成する。本発明では、１
００ｎｍ以下の開口を形成した。開口の大きさについて
は、光量を必要とする場合は、より大きくなり１５０〜
２００ｎｍ程度が望ましい。一方、高分解能を必要とす
る場合、２０〜５０ｎｍ程度が望ましい。このように開
口については、２０〜３００ｎｍの大きさが考えられ、
いずれも本発明に含まれる。弾性体としては、ステンレ
ス鋼の板バネを用いた。水晶振動子は力検出感度が高い
ため、弾性体のバネ定数は小さいものが望ましい。本発
明では、厚さ１００μｍ、幅１ｍｍ、長さ１０ｍｍの片
持ちバネを用いた。弾性体としては、この他、りん青銅
の板バネやコイル状のバネ、シリコンゴムなどのゴム類
などが考えられ、いずれも本発明に含まれる。また、光
導波プローブ自身のバネ性を生かして固定することも可
能であり、本発明に含まれる。バネ固定の場合、バネ圧
のめあすとしては、水晶振動子の振動特性すなわちＱ値
を利用する。光導波プローブを固定しない場合、水晶振
動子のＱ値は、例えば、３０００程度である。光導波プ
ローブをバネ固定すると、Ｑ値は５００以下になる。走
査型近接場光学顕微鏡として望ましいＱ値は１００〜４
００程度である。Ｑ値がこの範囲になるようにバネ圧を
調整する。
【００１７】水晶振動子ホルダー２５はＸＹＺ微動素子
１１、１３に固定される。微動素子としては、ＸＹＺの
３軸スキャナーが一体となった円筒形ピエゾ圧電素子を
用いた。微動素子としては、この他、Ｚ軸とＸＹ軸が分
離したピエゾスキャナーや電歪素子を用いたものが考え
られ、本発明に含まれる。この他、ピエゾステージや平
行バネを用いたステージ、１軸ピエゾ素子をＸＹＺの３
軸に配置し一体化したトライポッド形圧電素子、積層形
のピエゾスキャナーなどが考えられ、いずれも本発明に
含まれる。
１１、１３に固定される。微動素子としては、ＸＹＺの
３軸スキャナーが一体となった円筒形ピエゾ圧電素子を
用いた。微動素子としては、この他、Ｚ軸とＸＹ軸が分
離したピエゾスキャナーや電歪素子を用いたものが考え
られ、本発明に含まれる。この他、ピエゾステージや平
行バネを用いたステージ、１軸ピエゾ素子をＸＹＺの３
軸に配置し一体化したトライポッド形圧電素子、積層形
のピエゾスキャナーなどが考えられ、いずれも本発明に
含まれる。
【００１８】光導波プローブの試料１７への接近には粗
動機構６を用いる。試料としては、フォトルミネセンス
現象を生じる半導体薄膜を用いた。この他試料として、
無機薄膜、生物試料、有機薄膜などで光透過性のあるも
のを用いる。試料の作成方法としては、例えば、真空蒸
着法によるもの、揮発性溶媒に分散した微粒子状の試料
をガラス面に展開する方法、ＣＶＤ法などが用いられ
る。粗動機構としては、ステッピングモーターと減速ギ
ヤ、粗動ネジ、リニアガイドからなる粗動機構を用い
た。粗動機構については、この他に、Ｚステージにステ
ッピングモーターを付加したものや、圧電素子を用いた
ステージ、例えばインチワーム機構などやＺステージと
圧電素子を組み合わせたステージなどが考えられ、いず
れも本発明に含まれる。
動機構６を用いる。試料としては、フォトルミネセンス
現象を生じる半導体薄膜を用いた。この他試料として、
無機薄膜、生物試料、有機薄膜などで光透過性のあるも
のを用いる。試料の作成方法としては、例えば、真空蒸
着法によるもの、揮発性溶媒に分散した微粒子状の試料
をガラス面に展開する方法、ＣＶＤ法などが用いられ
る。粗動機構としては、ステッピングモーターと減速ギ
ヤ、粗動ネジ、リニアガイドからなる粗動機構を用い
た。粗動機構については、この他に、Ｚステージにステ
ッピングモーターを付加したものや、圧電素子を用いた
ステージ、例えばインチワーム機構などやＺステージと
圧電素子を組み合わせたステージなどが考えられ、いず
れも本発明に含まれる。
【００１９】レーザー光源１９から出射したレーザー光
をレンズ２１で集光し、光導波プローブ１に導入する。
レーザー光は、プローブ１の先端開口より出射し、試料
１７を照射する。レーザー光源としては、波長４８８ｎ
ｍのアルゴンイオンレーザーを用いた。試料がレーザー
光によって励起され、フォトルミネセンス現象により発
光する。この発光は、プローブ先端の開口近傍のみで生
じ、レンズ７とミラー２２、レンズ８で集光され、光検
出器９で検出される。レンズは、単レンズの他、組み合
わせレンズも考えられ、本発明に含まれる。光検出器と
しては、光電子増倍管を用いた。この他に、ＣＣＤ素子
やシリコンフォトダイオード、シリコンアバランシェフ
ォトダイオード、ゲルマニウム検出器などが考えられ、
本発明に含まれる。光検出器９の信号は、ＸＹ走査信号
と共にデータ処理手段１５へ入力され、３次元画像化さ
れる。データ処理手段としては、電子計算機とＣＲＴ表
示体を用いた。データ処理手段としてはこの他、ストレ
ージオシロスコープや電子計算機と液晶表示体の組み合
わせなど種々の方法が考えられるが、いずれも本発明に
含まれる。
をレンズ２１で集光し、光導波プローブ１に導入する。
レーザー光は、プローブ１の先端開口より出射し、試料
１７を照射する。レーザー光源としては、波長４８８ｎ
ｍのアルゴンイオンレーザーを用いた。試料がレーザー
光によって励起され、フォトルミネセンス現象により発
光する。この発光は、プローブ先端の開口近傍のみで生
じ、レンズ７とミラー２２、レンズ８で集光され、光検
出器９で検出される。レンズは、単レンズの他、組み合
わせレンズも考えられ、本発明に含まれる。光検出器と
しては、光電子増倍管を用いた。この他に、ＣＣＤ素子
やシリコンフォトダイオード、シリコンアバランシェフ
ォトダイオード、ゲルマニウム検出器などが考えられ、
本発明に含まれる。光検出器９の信号は、ＸＹ走査信号
と共にデータ処理手段１５へ入力され、３次元画像化さ
れる。データ処理手段としては、電子計算機とＣＲＴ表
示体を用いた。データ処理手段としてはこの他、ストレ
ージオシロスコープや電子計算機と液晶表示体の組み合
わせなど種々の方法が考えられるが、いずれも本発明に
含まれる。
【００２０】クライオスタット１８を用いて、試料温度
を液体ヘリウム温度程度（例えば５Ｋ）に冷却した。光
測定は、クライオスタットの光学窓２４をとうして行
う。用いたクライオスタットは、ヘリウムガスフローに
よる冷却機構を有している。このため、短時間（約３０
分）で試料温度を室温から液体ヘリウム温度まで冷却で
きる。試料を冷却する手段としては、この他に、銅など
の金属を冷却し、真空中の試料に接触させて冷却する方
法や液体ヘリウムの断熱膨張を利用した機械式冷凍機な
どが考えられるが、いずれも本発明に含まれる。以上の
ような構成により、試料の温度を液体ヘリウム温度程度
に冷却した状態で、試料表面に、光導波プローブの波長
以下の開口よりレーザー光を照射し、フォトルミネセン
ス現象により発光させ、レンズで集光し、光検出器で検
出できた。光導波プローブを試料面内で走査することに
より、試料面内の発光分布を波長以下の高分解能で測定
できた。
を液体ヘリウム温度程度（例えば５Ｋ）に冷却した。光
測定は、クライオスタットの光学窓２４をとうして行
う。用いたクライオスタットは、ヘリウムガスフローに
よる冷却機構を有している。このため、短時間（約３０
分）で試料温度を室温から液体ヘリウム温度まで冷却で
きる。試料を冷却する手段としては、この他に、銅など
の金属を冷却し、真空中の試料に接触させて冷却する方
法や液体ヘリウムの断熱膨張を利用した機械式冷凍機な
どが考えられるが、いずれも本発明に含まれる。以上の
ような構成により、試料の温度を液体ヘリウム温度程度
に冷却した状態で、試料表面に、光導波プローブの波長
以下の開口よりレーザー光を照射し、フォトルミネセン
ス現象により発光させ、レンズで集光し、光検出器で検
出できた。光導波プローブを試料面内で走査することに
より、試料面内の発光分布を波長以下の高分解能で測定
できた。
【００２１】［実施例２］図６は、本発明の走査型近接
場光学顕微鏡の実施例２の概略図である。低温下での反
射型の走査型近接場光学顕微鏡としての実施例を示し
た。レーザー光源１９をカップリング２１によって光導
波プローブ１に導入する。光導波プローブの先端開口よ
り試料１７に照射する。試料からのルミネセント光をレ
ンズ７、ミラー２３、２２と光学窓２４を介して、レン
ズ８で集光する。光検出器９で検出し、データ処理手段
１５で３次元の画像化を行う。試料表面の測定領域の移
動は、試料のＸＹステージ２６を用いて行う。ＸＹステ
ージとしては、ピエゾ駆動方式のＸＹステージを用い
た。ＸＹステージとしては、この他、ステッピングモー
ターとＸＹステージを組み合わせたステージなどが考え
られるが、本発明に含まれる。その他の構成は、実施例
１に示した内容のものを用いた。以上のような構成によ
り、試料の温度を液体ヘリウム温度程度に冷却した状態
で、試料表面に、光導波プローブの波長以下の開口より
レーザー光を照射し、フォトルミネセンス現象により発
光させ、レンズで集光し、光検出器で検出できた。光導
波プローブを試料面内で走査することにより、試料面内
の発光分布を波長以下の高分解能で測定できた。
場光学顕微鏡の実施例２の概略図である。低温下での反
射型の走査型近接場光学顕微鏡としての実施例を示し
た。レーザー光源１９をカップリング２１によって光導
波プローブ１に導入する。光導波プローブの先端開口よ
り試料１７に照射する。試料からのルミネセント光をレ
ンズ７、ミラー２３、２２と光学窓２４を介して、レン
ズ８で集光する。光検出器９で検出し、データ処理手段
１５で３次元の画像化を行う。試料表面の測定領域の移
動は、試料のＸＹステージ２６を用いて行う。ＸＹステ
ージとしては、ピエゾ駆動方式のＸＹステージを用い
た。ＸＹステージとしては、この他、ステッピングモー
ターとＸＹステージを組み合わせたステージなどが考え
られるが、本発明に含まれる。その他の構成は、実施例
１に示した内容のものを用いた。以上のような構成によ
り、試料の温度を液体ヘリウム温度程度に冷却した状態
で、試料表面に、光導波プローブの波長以下の開口より
レーザー光を照射し、フォトルミネセンス現象により発
光させ、レンズで集光し、光検出器で検出できた。光導
波プローブを試料面内で走査することにより、試料面内
の発光分布を波長以下の高分解能で測定できた。
【００２２】［実施例３］図７は、本発明の走査型近接
場光学顕微鏡の実施例３の概略図である。低温下の反射
型の走査型近接場光学顕微鏡としての実施例を示した。
レーザー光源１９から出た光は光変調器２７によって周
期的に振幅変調を受ける。光変調器としては、音波によ
る光変調器（ＡＯモジュレータ）を用いた。光変調器と
しては、この他、電界による光変調器（ＥＯモジュレー
タ）やモーターで光チョッパーを回転させる機械式モジ
ュレータなどが考えられ、いずれも本発明に含まれる。
変調されたレーザー光は、カップリング２１によって光
導波プローブ１に導入する。光導波プローブの先端開口
より試料１７に照射する。試料からのルミネセント光を
レンズ７、ミラー２３、２２と光学窓２４を介して、レ
ンズ８で集光する。集光された光は、ハーフミラー３１
で２方向に分岐し、光検出器９と分光分析装置２９で測
定される。ハーフミラーは、場合によっては、ダイクロ
イックミラーで置き換えることも可能であり、また、分
光用の光量確保のため、ミラーを使用しないことも考え
られる。光検出器９によって検出された光は、ロックイ
ンアンプを用いて、Ｓ／Ｎ比よく測定され、データ処理
手段１５で３次元の画像化を行う。試料表面の測定領域
の移動は、試料のＸＹステージ２６を用いて行う。ＸＹ
ステージとしては、ピエゾ駆動方式のＸＹステージを用
いた。ＸＹステージとしては、この他、ステッピングモ
ーターとＸＹステージを組み合わせたステージなどが考
えられるが、本発明に含まれる。その他の構成は、実施
例１に示した内容のものを用いた。
場光学顕微鏡の実施例３の概略図である。低温下の反射
型の走査型近接場光学顕微鏡としての実施例を示した。
レーザー光源１９から出た光は光変調器２７によって周
期的に振幅変調を受ける。光変調器としては、音波によ
る光変調器（ＡＯモジュレータ）を用いた。光変調器と
しては、この他、電界による光変調器（ＥＯモジュレー
タ）やモーターで光チョッパーを回転させる機械式モジ
ュレータなどが考えられ、いずれも本発明に含まれる。
変調されたレーザー光は、カップリング２１によって光
導波プローブ１に導入する。光導波プローブの先端開口
より試料１７に照射する。試料からのルミネセント光を
レンズ７、ミラー２３、２２と光学窓２４を介して、レ
ンズ８で集光する。集光された光は、ハーフミラー３１
で２方向に分岐し、光検出器９と分光分析装置２９で測
定される。ハーフミラーは、場合によっては、ダイクロ
イックミラーで置き換えることも可能であり、また、分
光用の光量確保のため、ミラーを使用しないことも考え
られる。光検出器９によって検出された光は、ロックイ
ンアンプを用いて、Ｓ／Ｎ比よく測定され、データ処理
手段１５で３次元の画像化を行う。試料表面の測定領域
の移動は、試料のＸＹステージ２６を用いて行う。ＸＹ
ステージとしては、ピエゾ駆動方式のＸＹステージを用
いた。ＸＹステージとしては、この他、ステッピングモ
ーターとＸＹステージを組み合わせたステージなどが考
えられるが、本発明に含まれる。その他の構成は、実施
例１に示した内容のものを用いた。
【００２３】以上のような構成により、試料の温度を液
体ヘリウム温度程度に冷却した状態で、試料表面に、光
導波プローブの波長以下の開口よりレーザー光を照射
し、フォトルミネセンス現象により発光させ、レンズで
集光し、光検出器で検出できた。光導波プローブを試料
面内で走査することにより、試料面内の発光分布を波長
以下の高分解能で測定できた。
体ヘリウム温度程度に冷却した状態で、試料表面に、光
導波プローブの波長以下の開口よりレーザー光を照射
し、フォトルミネセンス現象により発光させ、レンズで
集光し、光検出器で検出できた。光導波プローブを試料
面内で走査することにより、試料面内の発光分布を波長
以下の高分解能で測定できた。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように、この発明では、先
端に直径が波長以下の微小開口部を有する光導波プロー
ブと、圧電振動体２と交流電圧発生手段３からなる加振
部と、水晶振動子４と電流電圧増幅回路５からなる振動
検出部と、光導波プローブを試料表面に接近させる粗動
機構６と、レンズ７、８と光検出器９とからなる光検出
手段と、Ｚ軸微動素子１１とＺサーボ回路１２とからな
る試料とプローブ間の距離制御手段と、ＸＹ微動素子１
３とＸＹ走査回路１４とからなる２次元走査手段と、測
定信号の３次元画像化を行うデータ処理手段１５とから
構成され、さらに、弾性体１６のバネ圧で光導波プロー
ブ１を水晶振動子４に固定することとした。
端に直径が波長以下の微小開口部を有する光導波プロー
ブと、圧電振動体２と交流電圧発生手段３からなる加振
部と、水晶振動子４と電流電圧増幅回路５からなる振動
検出部と、光導波プローブを試料表面に接近させる粗動
機構６と、レンズ７、８と光検出器９とからなる光検出
手段と、Ｚ軸微動素子１１とＺサーボ回路１２とからな
る試料とプローブ間の距離制御手段と、ＸＹ微動素子１
３とＸＹ走査回路１４とからなる２次元走査手段と、測
定信号の３次元画像化を行うデータ処理手段１５とから
構成され、さらに、弾性体１６のバネ圧で光導波プロー
ブ１を水晶振動子４に固定することとした。
【００２５】上記のように、光導波プローブと試料との
距離制御を水晶振動子の振動振幅を用いて行うことで、
近距離場走査光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）、および低温走査
型近接場光学顕微鏡のような位置制御用レーザーが不要
となり、レーザー光の位置および反射光量の変動による
データの不正確さ、およびヘリウムガスまたは液体ヘリ
ウムのゆらぎによるレーザー光の変動でデータが変質す
るような問題を回避できる。また、試料面に位置制御用
のレーザーを照射することがないため、近接場光学測定
時のバックグラウンドノイズが増大することがない。ま
た、分光測定時には、位置制御用レーザーの波長の光を
除去するために光学フィルターが不要となり、分光デー
タの波長領域が広く確保でき、また検出光量の減少によ
るデータのＳ／Ｎ比の低下の問題を回避できる。また、
弾性体のバネ圧で光導波プローブを水晶振動子に固定す
ることで、従来の水晶振動子を用いた近接場光学顕微鏡
で問題となっていた接着の変動によるデータの変動がな
く、また、プローブ交換時にはプローブのみ交換すれば
よいため、同一の水晶振動子が使用でき、測定条件の再
現性、さらにデータの再現性を高めることが可能であ
る。また、プローブ交換のみであるため、低コストであ
り、かつ困難な接着が不要となり、取り扱いが極めて簡
単になる。さらに、試料を冷却する手段がさらに含まれ
ることで、低温下での走査型近接場光学顕微鏡が実現で
きる。位置制御用レーザー不要なため、データの正確さ
の向上、および再現性の向上が可能である。また、低温
下での近接場光学測定による分光データのＳ／Ｎ比向
上、測定波長領域の拡大が実現できるようになった。
距離制御を水晶振動子の振動振幅を用いて行うことで、
近距離場走査光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）、および低温走査
型近接場光学顕微鏡のような位置制御用レーザーが不要
となり、レーザー光の位置および反射光量の変動による
データの不正確さ、およびヘリウムガスまたは液体ヘリ
ウムのゆらぎによるレーザー光の変動でデータが変質す
るような問題を回避できる。また、試料面に位置制御用
のレーザーを照射することがないため、近接場光学測定
時のバックグラウンドノイズが増大することがない。ま
た、分光測定時には、位置制御用レーザーの波長の光を
除去するために光学フィルターが不要となり、分光デー
タの波長領域が広く確保でき、また検出光量の減少によ
るデータのＳ／Ｎ比の低下の問題を回避できる。また、
弾性体のバネ圧で光導波プローブを水晶振動子に固定す
ることで、従来の水晶振動子を用いた近接場光学顕微鏡
で問題となっていた接着の変動によるデータの変動がな
く、また、プローブ交換時にはプローブのみ交換すれば
よいため、同一の水晶振動子が使用でき、測定条件の再
現性、さらにデータの再現性を高めることが可能であ
る。また、プローブ交換のみであるため、低コストであ
り、かつ困難な接着が不要となり、取り扱いが極めて簡
単になる。さらに、試料を冷却する手段がさらに含まれ
ることで、低温下での走査型近接場光学顕微鏡が実現で
きる。位置制御用レーザー不要なため、データの正確さ
の向上、および再現性の向上が可能である。また、低温
下での近接場光学測定による分光データのＳ／Ｎ比向
上、測定波長領域の拡大が実現できるようになった。
【図１】本発明の走査型近接場光学顕微鏡の概略図であ
る。
る。
【図２】従来の「近距離場走査光学顕微鏡」の概略図で
ある。
ある。
【図３】従来の「低温走査型近接場光学顕微鏡」の概略
図である。
図である。
【図４】従来の「水晶振動子を用いた近接場光学顕微
鏡」の概略図である。
鏡」の概略図である。
【図５】本発明の走査型近接場光学顕微鏡の実施例１の
概略図である。
概略図である。
【図６】本発明の走査型近接場光学顕微鏡の実施例２の
概略図である。
概略図である。
【図７】本発明の走査型近接場光学顕微鏡の実施例３の
概略図である。
概略図である。
１ 光導波プローブ ２ 圧電振動体 ３ 交流電圧発生手段 ４ 水晶振動子 ５ 電流電圧増幅回路 ６ 粗動機構 ７，８ レンズ ９ 光検出器 １１ Ｚ軸微動素子 １２ Ｚサーボ回路 １３ ＸＹ微動素子 １４ ＸＹ走査回路 １５ データ処理手段 １６ 弾性体 １７ 試料 １８ クライオスタット １９ レーザー光源 ２１ レンズ ２２，２３ ミラー ２４ 光学窓 ２５ 水晶振動子ホルダー ２６ ＸＹステージ ２７ 光変調器 ２８ ロックインアンプ ２９ 分光分析装置
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１０年１月１６日
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項９
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００３】近距離場走査光学顕微鏡は、ＮＳＯＭとも
呼ばれる。図２は従来の「近距離場走査光学顕微鏡」の
概略図である。光ファイバ−３１０の先端をテ−パ−状
７０に加工する。テ−パ−状のプロ−ブの先端には波長
以下の開口が形成されている。ＸＹＺステ−ジ５０上に
試料台２０が設置されている。試料台の上には試料３０
がセットされている。ＸＹＺ微動素子４０を用いて、試
料表面に接近して保持し、一定領域をラスタ−走査す
る。光ファイバ−プロ−ブ７０を微動素子４０を用い
て、試料面に対して平行に振動させる。プロ−ブ先端に
は試料表面からの水平方向の力すなわちシア−フォ−ス
が働き、プロ−ブの振動状態が変化する。プロ−ブ７０
の振動状態の測定には、位置制御用のレ−ザ−光（図で
は省略）を先端に照射し、プロ−ブ７０の影をレンズ９
０と光検出器３０で検出することで行う。シア−フォ−
スを一定に保持するように、すなわち、振幅変化量また
は位相変化量を一定に保持するように微動素子４０を用
いて、試料表面とプロ−ブ先端の距離を制御する。試料
からの距離に応じてシア−フォ−スが急速に減衰するこ
とを利用して、試料表面とプロ−ブ先端との距離をナノ
メ−タ−のオ−ダ−で一定に制御できる。この状態でレ
−ザ−光６０をレンズ１５０を用いてファイバ−３１０
に導入し、先端の開口より試料表面を照射する。反射光
または透過光の一部を従来の光学系（図では省略）によ
り検出する。以上説明したように、ＮＳＯＭの分解能
は、プロ−ブ先端の開口の大きさに依存する。波長以下
の開口（例えば、１００ｎｍ以下）は容易に製作でき、
このため、波長以下の高分解能が実現できる。
呼ばれる。図２は従来の「近距離場走査光学顕微鏡」の
概略図である。光ファイバ−３１０の先端をテ−パ−状
７０に加工する。テ−パ−状のプロ−ブの先端には波長
以下の開口が形成されている。ＸＹＺステ−ジ５０上に
試料台２０が設置されている。試料台の上には試料３０
がセットされている。ＸＹＺ微動素子４０を用いて、試
料表面に接近して保持し、一定領域をラスタ−走査す
る。光ファイバ−プロ−ブ７０を微動素子４０を用い
て、試料面に対して平行に振動させる。プロ−ブ先端に
は試料表面からの水平方向の力すなわちシア−フォ−ス
が働き、プロ−ブの振動状態が変化する。プロ−ブ７０
の振動状態の測定には、位置制御用のレ−ザ−光（図で
は省略）を先端に照射し、プロ−ブ７０の影をレンズ９
０と光検出器３０で検出することで行う。シア−フォ−
スを一定に保持するように、すなわち、振幅変化量また
は位相変化量を一定に保持するように微動素子４０を用
いて、試料表面とプロ−ブ先端の距離を制御する。試料
からの距離に応じてシア−フォ−スが急速に減衰するこ
とを利用して、試料表面とプロ−ブ先端との距離をナノ
メ−タ−のオ−ダ−で一定に制御できる。この状態でレ
−ザ−光６０をレンズ１５０を用いてファイバ−３１０
に導入し、先端の開口より試料表面を照射する。反射光
または透過光の一部を従来の光学系（図では省略）によ
り検出する。以上説明したように、ＮＳＯＭの分解能
は、プロ−ブ先端の開口の大きさに依存する。波長以下
の開口（例えば、１００ｎｍ以下）は容易に製作でき、
このため、波長以下の高分解能が実現できる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００４】図３は従来の「低温走査型近接場光学顕微
鏡」の概略図である。Ｃは試料と試料走査用のピエゾ圧
電スキャナ−であり、Ｄは光ファイバ−プロ−ブと振動
用ピエゾ圧電素子である。光ファイバ−プロ−ブはテ−
パ−状に加工され、先端には波長以下の開口が形成され
ている。光ファイバ−プロ−ブを振動用ピエゾ圧電素子
を用いて、試料面に対して平行に振動させる。プロ−ブ
先端には試料表面からの水平方向の力すなわちシア−フ
ォ−スが働き、プロ−ブの振動状態が変化する。プロ−
ブの振動状態の測定には、レ−ザ−光を用いる。Ａはダ
イオ−ドレ−ザ−であり、Ｂはレンズ、Ｆはホトダイオ
−ド検出器である。位置制御用のレ−ザ−光を光ファイ
バ−プロ−ブ先端に照射し、プロ−ブの影をレンズと検
出器で検出する。
鏡」の概略図である。Ｃは試料と試料走査用のピエゾ圧
電スキャナ−であり、Ｄは光ファイバ−プロ−ブと振動
用ピエゾ圧電素子である。光ファイバ−プロ−ブはテ−
パ−状に加工され、先端には波長以下の開口が形成され
ている。光ファイバ−プロ−ブを振動用ピエゾ圧電素子
を用いて、試料面に対して平行に振動させる。プロ−ブ
先端には試料表面からの水平方向の力すなわちシア−フ
ォ−スが働き、プロ−ブの振動状態が変化する。プロ−
ブの振動状態の測定には、レ−ザ−光を用いる。Ａはダ
イオ−ドレ−ザ−であり、Ｂはレンズ、Ｆはホトダイオ
−ド検出器である。位置制御用のレ−ザ−光を光ファイ
バ−プロ−ブ先端に照射し、プロ−ブの影をレンズと検
出器で検出する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００５】シア−フォ−スを一定に保持するように、
すなわち、振幅変化量または位相変化量を一定に保持す
るようにピエゾ圧電スキャナ−Ｃを用いて、試料表面と
プロ−ブ先端の距離を制御する。試料からの距離に応じ
てシア−フォ−スが急速に減衰することを利用して、試
料表面とプロ−ブ先端との距離をナノメ−タ−のオ−ダ
−で一定に制御できる。この状態で近接場光測定用レ−
ザ−光（図では省略）をファイバ−Ｄに導入し、先端の
開口より試料表面を照射する。反射光の一部を従来の光
学系（図では省略）により検出する。分解能は、プロ−
ブ先端の開口の大きさに依存し、波長以下の開口（例え
ば、１００ｎｍ以下）は容易に製作できるため、波長以
下の高分解能が実現できる。試料の冷却にはクライオス
タットを用いる。Ｅはクライオスタットのチャンバ−と
光学窓である。試料をクライオスタットの内部に配置す
ることで、試料を液体ヘリウム温度に冷却できる。この
ような構成により試料を冷却した状態での近接場光測定
が可能となっている。
すなわち、振幅変化量または位相変化量を一定に保持す
るようにピエゾ圧電スキャナ−Ｃを用いて、試料表面と
プロ−ブ先端の距離を制御する。試料からの距離に応じ
てシア−フォ−スが急速に減衰することを利用して、試
料表面とプロ−ブ先端との距離をナノメ−タ−のオ−ダ
−で一定に制御できる。この状態で近接場光測定用レ−
ザ−光（図では省略）をファイバ−Ｄに導入し、先端の
開口より試料表面を照射する。反射光の一部を従来の光
学系（図では省略）により検出する。分解能は、プロ−
ブ先端の開口の大きさに依存し、波長以下の開口（例え
ば、１００ｎｍ以下）は容易に製作できるため、波長以
下の高分解能が実現できる。試料の冷却にはクライオス
タットを用いる。Ｅはクライオスタットのチャンバ−と
光学窓である。試料をクライオスタットの内部に配置す
ることで、試料を液体ヘリウム温度に冷却できる。この
ような構成により試料を冷却した状態での近接場光測定
が可能となっている。
Claims (15)
- 【請求項１】 先端に直径が波長以下の微小開口部を有
する光導波プローブと、圧電振動体と交流電圧発生手段
からなる加振部と、水晶振動子と電流電圧増幅回路から
なる振動検出部と、光導波プローブを試料表面に接近さ
せる粗動機構と、レンズと光検出器とからなる光検出手
段と、Ｚ軸微動素子とＺサーボ回路とからなる試料とプ
ローブ間の距離制御手段と、ＸＹ微動素子とＸＹ走査回
路とからなる２次元走査手段と、測定信号の３次元画像
化を行うデータ処理手段とからなる走査型近接場光学顕
微鏡において、 ａ）弾性体のバネ圧で光導波プローブを水晶振動子に固
定することを特徴とする走査型近接場光学顕微鏡。 - 【請求項２】 試料を冷却する手段がさらに含まれるこ
とを特徴とする請求項１記載の走査型近接場光学顕微
鏡。 - 【請求項３】 試料を冷却する手段が液体ヘリウムを寒
剤とするクライオスタットであることを特徴とする請求
項２記載の走査型近接場光学顕微鏡。 - 【請求項４】 光導波プローブ内に導入し、光導波プロ
ーブ先端から試料表面を局所的に照射するためのレーザ
ー光源がさらに含まれることを特徴とする請求項３記載
の走査型近接場光学顕微鏡。 - 【請求項５】 レーザー光の周期的変調手段とロックイ
ン検出手段がさらに含まれることを特徴とする請求項４
記載の走査型近接場光学顕微鏡。 - 【請求項６】 試料表面の測定位置を移動できる試料ス
テージがさらに含まれることを特徴とする請求項４記載
の走査型近接場光学顕微鏡。 - 【請求項７】 試料を透過した光または試料表面の反射
光を集光するレンズをクライオスタットの試料室内に導
入することがさらに含まれることを特徴とする請求項４
記載の走査型近接場光学顕微鏡。 - 【請求項８】 試料からの発光を分光分析するための手
段がさらに含まれることを特徴とする請求項４記載の走
査型近接場光学顕微鏡。 - 【請求項９】 先端に直径が波長以下の微小開口部を有
する光導波プローブと、圧電振動体と交流電圧発生手段
からなる加振部と、水晶振動子と電流電圧増幅回路から
なる振動検出部と、光導波プローブを試料表面に接近さ
せる粗動機構と、レンズと光検出器とからなる光検出手
段と、Ｚ軸微動素子とＺサーボ回路とからなる試料とプ
ローブ間の距離制御手段と、ＸＹ微動素子とＸＹ走査回
路とからなる２次元走査手段と、測定信号の３次元画像
化を行うデータ処理手段とからなる走査型近接場光学顕
微鏡において、 ａ）光導波プローブを水晶振動子に接着固定し、 ｂ）試料を冷却する手段がさらに含まれることを特徴と
する請求項１記載の走査型近接場光学顕微鏡。 - 【請求項１０】 試料を冷却する手段が液体ヘリウムを
寒剤とするクライオスタットであることを特徴とする請
求項９記載の走査型近接場光学顕微鏡。 - 【請求項１１】 光導波プローブ内に導入し、光導波プ
ローブ先端から試料表面を局所的に照射するためのレー
ザー光源がさらに含まれることを特徴とする請求項１０
記載の走査型近接場光学顕微鏡。 - 【請求項１２】 レーザー光の周期的変調手段とロック
イン検出手段がさらに含まれることを特徴とする請求項
１１記載の走査型近接場光学顕微鏡。 - 【請求項１３】 試料表面の測定位置を移動できる試料
ステージがさらに含まれることを特徴とする請求項１１
記載の走査型近接場光学顕微鏡。 - 【請求項１４】 試料を透過した光または試料表面の反
射光を集光するレンズをクライオスタットの試料室内に
導入することがさらに含まれることを特徴とする請求項
１１記載の走査型近接場光学顕微鏡。 - 【請求項１５】 試料からの発光を分光分析するための
手段がさらに含まれることを特徴とする請求項１１記載
の走査型近接場光学顕微鏡。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05801397A JP3249419B2 (ja) | 1997-03-12 | 1997-03-12 | 走査型近接場光学顕微鏡 |
| US09/038,259 US6194711B1 (en) | 1997-03-12 | 1998-03-10 | Scanning near-field optical microscope |
| CA002229221A CA2229221A1 (en) | 1997-03-12 | 1998-03-11 | Scanning near-field optical microscope |
| DE69817239T DE69817239T2 (de) | 1997-03-12 | 1998-03-11 | Optisches Nahfeld-Rastermikroskop |
| EP98301808A EP0864899B1 (en) | 1997-03-12 | 1998-03-11 | Scanning near-field optical microscope |
| TW087103580A TW376448B (en) | 1997-03-12 | 1998-03-11 | Scanning near-field optical microscope |
| KR1019980008370A KR100534039B1 (ko) | 1997-03-12 | 1998-03-12 | 주사형근접장광학현미경 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05801397A JP3249419B2 (ja) | 1997-03-12 | 1997-03-12 | 走査型近接場光学顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10253643A true JPH10253643A (ja) | 1998-09-25 |
| JP3249419B2 JP3249419B2 (ja) | 2002-01-21 |
Family
ID=13072095
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05801397A Expired - Fee Related JP3249419B2 (ja) | 1997-03-12 | 1997-03-12 | 走査型近接場光学顕微鏡 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6194711B1 (ja) |
| EP (1) | EP0864899B1 (ja) |
| JP (1) | JP3249419B2 (ja) |
| KR (1) | KR100534039B1 (ja) |
| CA (1) | CA2229221A1 (ja) |
| DE (1) | DE69817239T2 (ja) |
| TW (1) | TW376448B (ja) |
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| KR20080069958A (ko) | 2005-08-24 | 2008-07-29 | 더 트러스티스 오브 보스턴 칼리지 | 나노 스케일 코메탈 구조물을 사용하는 태양 에너지 변환을위한 장치 및 방법 |
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