JPH11248721A

JPH11248721A - 近接場光学顕微鏡

Info

Publication number: JPH11248721A
Application number: JP5178398A
Authority: JP
Inventors: Masafumi Kiguchi; 雅史木口; Midori Katou; 美登里加藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-03-04
Filing date: 1998-03-04
Publication date: 1999-09-17

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】光波長以下の物質の定量分析や顕微分光を可能
とする。【解決手段】探針を用いて試料表面を走査しながら光強
度を測定する近接場光学顕微鏡において、積分球を用い
て全方位角に放射された光強度を測定する。積分球の一
部が着脱可能な機構を有し、試料と探針の位置関係を調
整するための観察機構を、その取り外した部分から挿入
あるいは接近せしめる機構を有し、探針、および試料と
探針の距離を制御する機構を共に着脱可能部分か着脱不
可能部分かどちらか一方に配置する。照明光に対して透
明な材質よりなり、その表面に照明光に対して不透明も
しくは照明光を反射する材質の皮膜を形成し、先端にお
いて皮膜に光波長以下の微小開口を設けた探針を用い
る。照明光に対して不透明な材質よりなり、先端に照明
光を通すための微小開口を設けない探針を用いる

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光の回折限界を超
えた分解能を有する光学顕微鏡に関わり、顕微分析装
置，顕微分光装置に利用される。この顕微分析装置，顕
微分光装置は、微小異物分析や生体試料や有機試料の観
察，同定に用いられる。

【０００２】

【従来の技術】従来、光の回折限界を超える分解能を有
する光学顕微鏡として近接場光学顕微鏡が開発されてい
る。近接場光学顕微鏡については、例えば米国特許4604
520 号や特開平6−137847 号などに詳しく記されてい
る。

【０００３】まず、近接場光学顕微鏡の原理について簡
単に説明する。波長より十分小さい微小開口に光を通そ
うとすると、光は殆ど透過せずエバネッセント波として
微小開口近傍にしみだす。この微小開口近傍に局在化し
た光を近接場と呼ぶ。近接場に試料を持ってくると、境
界条件が変化することによりエバネッセント波は、反
射，散乱され伝播光として放射されるのでこれを信号と
して観測できる。探針の先端に微小開口を設け、探針と
試料の距離を近接場領域に保ちながら試料表面を走査
し、各位置での信号強度を測定し画像化することにより
試料の形状を反映する像を得ることができ、その分解能
はほぼ微小開口の大きさとなる。

【０００４】エバネッセント波により試料を励起し、発
生する蛍光やラマン光，高調波光などの２次光を観測す
れば、蛍光顕微鏡や顕微ラマン装置，非線形光学顕微装
置としても利用できる。また、通常に光照射された試料
表面のごく近傍には局在化した電磁場が存在するので、
金属針などの探針でこの局在場を散乱させてその散乱光
強度を観測すれば、微小開口を用いずとも高分解能を有
する光顕微鏡が実現できる。

【０００５】しかし、いずれの方式でも近接場光学顕微
鏡の信号強度は試料の形状，屈折率、ならびに吸収係数
により変化するため、得られた像は、試料の形状，屈折
率，吸収係数の情報が混ざった物となってしまう。一
方、試料の分析や同定を行うためには、試料の吸収スペ
クトル、或いは特定の波長での吸収量を示す像を観測す
る必要があるが、近接場光学顕微鏡を用いた場合には形
状や屈折率の影響を大きく受けるために正しい吸収スペ
クトル、或いは吸収像を観測できないという問題があっ
た。更に、吸収係数を定量的に求めることもできないた
め、定量分析もできなかった。

【０００６】また、近接場光学顕微鏡を用いて試料を局
所的に励起し、試料からの蛍光などの２次光を画像化す
る場合にも、やはり試料の形状や屈折率により励起強度
が変化するので、得られる蛍光強度が変化することにな
り、蛍光強度から蛍光物の量を求めるなどといった定量
的な測定ができないという問題もあった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、回折
限界を超える分解能で、光吸収や蛍光，ラマン光を定量
的に観測できる顕微鏡を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】試料による光吸収量を正
しく知るためには、試料に照射した光量と、散乱や屈折
により試料を透過，反射ならびに散乱した光量を同時に
測定して、その差を求めればよい。ここで、散乱や屈折
により試料を透過，反射，散乱した光量を全て測定する
ために積分球を用いる。

【０００９】近接場光学顕微鏡の場合、透過光，反射
光、或いは散乱光といった放射光の放射角や放射光強度
の角度依存性が、試料の形状や屈折率により変化するた
め、限られた開口の集光系を用いてこれら放射光を観測
すれば、得られた像は試料の形状や屈折率の影響を受け
てしまう。そこで、積分球を用いて全方位角に放射され
た光をすべて集めてその光量を測定し、照明光量からの
減少分を求めれば、それは試料により吸収されたものと
なる。なお、照明光はフィードバックをかけて安定化に
するか、あるいはその一部をビームスプリッタ等で分け
て強度を測定して補正すれば、照明光量は一定とみなす
ことが可能になる。

【００１０】実際には、探針や試料の保持具等が積分球
内に存在するので、これらの光吸収量をあらかじめ補正
しておく必要がある。このためには、試料を置かない状
態で像を測定しておき、これを基準として、試料を置い
た場合の変化分を求めればよい。また、用いる光波長に
対して吸収の無い基板上に試料を塗布し、試料が無くガ
ラス基板が露出した部分を一部設けておき、透明基板の
部分の信号を基準として試料部分での信号減少量を観測
する方法もある。更に、基板としては特に透明でなくて
も吸収係数が既知であれば校正が可能である。

【００１１】上述の方法は、探針として微小開口がある
もの、つまり用いる光波長に対して透明な探針、例えば
半導体やガラス等を尖鋭加工した針を金属などで皮膜
し、先端に開口を設けた探針を用いる場合にも、探針と
して微小開口を設けないもの、つまり金属探針，半導体
探針等を用いる場合にも適用することが可能である。

【００１２】ただし、微小開口から光を照射する方式の
近接場光学顕微鏡の場合、微小開口を通じて反射する光
も存在するので、この反射光量も測定する必要がある。
この場合には、積分球によって集めた光量と微小開口か
らの反射光量の和が、上述と同様に試料があるときと無
いときで変化する分を求めればよい。

【００１３】これをもう少し詳しく説明する。探針に入
射した光は微小開口に向かい、僅かは伝播光として透過
するが、多くは微小開口近傍のエバネッセント波として
微小開口からしみだし、探針皮膜に吸収されるもの以外
は反射されて戻る。吸収の無い試料が微小開口近傍に存
在するときは、エバネッセント波が散乱されるので、反
射戻り光が減少する。この時には、積分球で集めた光強
度は増加しており、探針皮膜に吸収される光量変化は無
視できるので、積分球で集めた光強度と反射戻り光強度
の和、つまり信号強度は一定である。一方、吸収のある
試料の場合には、信号強度が試料によって吸収された分
だけ透明試料の場合の信号強度より減少する。よって、
透明部分と吸収部分の信号強度の差が、試料の吸収量に
相当する。既知の試料により校正すれば、信号強度の減
少量より吸収係数を求めることができる。

【００１４】試料の微小部分の光吸収量は少ないため、
単に全光量を測定してもＳＮ比の高い信号を得られない
場合が多い。また、試料が大きいあるいは厚い場合に
は、反射，散乱，透過した光が探針先端近傍部分、すな
わち観測部分以外の部分で吸収されるため、観測部分で
の吸収情報をうまく得られないという問題が生じる。こ
れらの問題を解決するためには、探針を振動させて探針
先端と試料の距離を変調し、これに同期して変化する光
量をロックインアンプ等を用いて観測すればよい。

【００１５】探針先端と試料の距離が近接場領域内にあ
る場合とない場合の差が観測されるので、探針先端近傍
の吸収係数を高ＳＮ比で得ることが可能となる。この
時、探針先端と試料の距離が近接場領域内にあるような
振幅で探針を振動させても、探針先端と試料の距離によ
り信号強度は変化するので、その差をとることにより同
様の機能が実現できる。

【００１６】通常、探針の走査にはピエゾを用いるので
観察領域を広くとることはできない。よって、試料が一
様でない場合には、光学顕微鏡等を用いて探針のおおよ
その位置を合わせる必要がある。しかし、積分球内に試
料と探針を入れると、この試料の観察位置の調整が困難
になる。そこで、積分球の一部を着脱できるようにして
おき、外した状態で光学顕微鏡を接近させるか、或いは
その窓から長焦点の光学顕微鏡で覗くことにより、試料
と探針の位置関係を観察できるようにしておくと便利で
ある。

【００１７】探針と試料の距離を制御する機構に例えば
光テコを使っている場合には、積分球の一部の着脱によ
って光テコ用の光軸がずれるなどの影響を防ぐ必要があ
る。そのため、これらの機構と探針は、積分球の着脱に
伴って分離されない位置、つまり分割される積分球のど
ちらか一方に配置されていなければならない。試料の観
察位置の観察の他の方法としては、ズーム機能を有する
テレビカメラを配置してもよいし、積分球内にファイバ
ースコープを導入し、外部テレビカメラで観察してもよ
い。これらは不要な吸収体となるので、吸収測定の場合
には遠ざけたり取り外したりして、外した積分球の一部
を装着する。

【００１８】蛍光等の２次光を観測する場合には、２次
光と照明光を同時に観測し、２次光強度を照明光強度で
割り算することにより、蛍光量を定量的に求めることが
できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】（実施例１）本発明の一実施例
を、図１を用いて説明する。積分球は上部１０１と下部
102よりなり、ねじにより分離することができる。積分
球の内壁は吸収測定したい光波長における吸収が無い散
乱体で塗装されている。積分球上部１０１は、図では省
略されているが、台１２０上の支柱１１４に固定されて
いる。積分球上部101には穴があいており、支柱１１４
に固定された探針保持具１１５と試料保持具１０３が挿
入されている。

【００２０】試料１４０は試料保持具１０３により固定
されており、試料保持具１０３は粗動機構も有するピエ
ゾステージ１０４によりＸ，Ｙ，Ｚ軸で動かすことがで
きる。先鋭化した光ファイバの先端１ミリメートルをほ
ぼ直角に曲げて、アルミ皮膜を施し、先端に５０ナノメ
ートルの開口を設けた探針１０５は、ピエゾ１０６を介
して探針支持具１１５に固定されている。試料と探針の
距離を一定に保つために、良く知られた非接触原子間力
顕微鏡と同様のサーボをかける。つまり、ピエゾ１０６
を用いて探針１０５を固有振動数近傍で上下に約５０ナ
ノメートルの振幅で振動させ、その振動振幅を光テコを
用いて検出し、探針と試料の接近による固有振動数のず
れに伴う振幅変化が一定になるようにピエゾステージ１
０４のＺ軸を調節している。

【００２１】光テコは波長８３０ナノメートルの半導体
レーザ１０７を探針１０５に照射し、探針１０５の振動
に伴う反射ビーム１０９のずれを２分割フォトダイオー
ド１０８で検出する。この光テコ用のレーザ光を通すた
めに、積分球上部１０１には小さな窓１２１と１２２が
設けてある。半導体レーザ１０７と２分割フォトダイオ
ード１０８は積分球上部１０１に微動位置決め機構を介
して固定されている。

【００２２】照明光は波長可変レーザを用いた。照明光
はファイバ１３１に入射され、光合分波器１３０を通
り、ファイバ１３３を介して探針１０５に導かれ先端開
口に達し、試料１４０に照射される。試料により散乱，
反射された光、および試料を透過した光は積分球１０
１，１０２の内壁で何度も反射され、受光器１１０に入
射し、電気信号に変換される。探針１０５の微小開口よ
り戻った光は光合分波器１３０によりファイバ１３２に
導かれるので、これを受光器にて電気信号に変換する。

【００２３】図１では省略されているが、これら２つの
受光器の前には光テコ用のレーザ光波長を除くフィルタ
が入っており、光テコ用の光の散乱光を受光しないよう
にしている。また、これら２つの光電変換信号は、ロッ
クインアンプを用いて探針１０５の振動周波数で同期検
波される。ピエゾステージ１０４をＸ，Ｙ走査させなが
ら、その位置でのＺ軸へのサーボ信号を画像化すること
で試料の形状像を得、同時に光信号を画像化することで
吸収像を得る。また、吸収分光を行う際には光源の波長
を掃引している。

【００２４】試料１０３の取り替えは、積分球下部１０
２を取り外して行う。この際、スライド用ノブ１１３を
回して光学顕微鏡１５１を試料１０３に接近させ、裏面
より探針先端のおよその位置決めを行う。観察光学顕微
鏡１５１にはテレビカメラ１５２が付けられており、モ
ニタを見ながらこの作業を行う。光テコ用の半導体レー
ザビームを探針に当てる走査も同様にして行うことがで
きる。調整が済んだ後、顕微鏡１５１を遠ざけて、積分
球下部１０２を図１のように取り付け、探針１０５と試
料１４０を接近させて走査を行い、試料観察を開始す
る。なお、受光器１１０の前には遮蔽板１１１が設けら
れ、強い反射光が受光器に直接入射しないようにしてい
る。ここでは位置調整用に落射照明型の光学顕微鏡を用
いたが、内部に別に照明用光源を入れるか別途設けた窓
を通じて外部より照明して、透過観察してもよい。ま
た、光テコの機構は積分球外部に設置したが、内部に設
置し、外部から手動あるいは電動等で微動調整できるよ
うにしてもよい。

【００２５】本実施例において、受光器１１０の前に置
く光学フィルタを、照明光を透過させず蛍光や高調波を
透過させるものに換えると蛍光測定や高調波測定が可能
となる。しかし、前述のように励起光強度が形状等で変
化するので、別の受光器160を設けて、励起光つまり照
明光強度と２次光強度を同時に測定し、後者を前者で割
り算する方がよい。ここでは、２つの受光器と２つのロ
ックインアンプを用意し、ロックインアンプの出力をリ
レースイッチを用いて順次コンピュータに取り込み、割
り算を行った。

【００２６】ここで、ロックインアンプの積算時間はリ
レースイッチの切換時間より十分長く、かつ一画素あた
りに探針が存在する時間より十分短く設定した。なお、
受光器１６０には蛍光波長のみを透過する光学フィルタ
を設けた。

【００２７】更に、受光器１１０、または受光器１６
０、またはその両方の代わりに分光器を設置するか、或
いは光ファイバを取り付けて光を外部の分光器に導き、
分光することにより、蛍光分光やラマン分光も可能とな
る。また、試料照明光を白色光や多波長光源としてもよ
い。

【００２８】（実施例２）本発明の別の実施例を、図２
を用いて説明する。構成はほぼ実施例１と同様であり、
図２には特に強調すべき部分のみ描かれている。本実施
例では、積分球が縦方向に２つの部分２０１と２０２に
分割されている。部分２０１が支柱１１４に固定されて
いる。また、レンズ２１１を有するファイバスコープ２
１０がアタッチメント２１２により部分２０１に固定さ
れている。ファイバスコープ２１０の他端にはテレビカ
メラ（図示略）が装着されており、探針と試料の位置関
係を観察できるようになっている。

【００２９】このファイバスコープはアタッチメント２
１２を外すことにより取り外し可能となっており、測定
時にはアタッチメント２１２部分に積分球２０１と同じ
内部塗装された蓋（図示略）を装着する。これにより、
吸収測定時にファイバスコープ２１０から光が逃げ出す
ことが無くなる。ここでは、ファイバスコープを用いた
が、長焦点の顕微鏡を用いて外部から位置合わせ観察を
行ってもよい。また、ファイバスコープは下から挿入し
たが、上から挿入してもよい。その際には光テコのビー
ム調整が行いやすいという効果がある。

【００３０】更に、このように縦に分割した場合には、
実施例１と同様に外部から光学顕微鏡を接近せしめる際
に、基板上部を斜めから観察する配置が可能になるの
で、不透明の基板あるいは不透明の試料を用いる場合に
も位置合わせができるようになるという効果もある。

【００３１】（実施例３）本発明の別の実施例を、図３
を用いて説明する。構成はほぼ実施例１と同様である。
積分球は上部３０１と下部３０２に分離でき、本実施例
では下部３０２が支柱１１４に固定されている。試料や
探針の交換は、上部３０１を取り外して行う。本実施例
では、光ファイバ探針ではなく、通常の原子間力顕微鏡
のカンチレバー型探針３３０を用いた。

【００３２】図３では省略されているが、探針３３０は
上下に振動させて光テコ方式により試料探針間距離が制
御されている。窓３２２は光テコのビーム調整、ならび
に試料探針位置合わせのために、長焦点顕微鏡を用いて
覗くためのものであり、吸収測定時には、実施例２と同
様に蓋をする構造になっている。

【００３３】探針３３０は開口を持たないので、吸収測
定用の照明光３２０は窓３２２より導入され、探針先端
部に集光され試料１４０表面を照明する。図では省略さ
れているが、照明光３２０は照射位置調整機構を有する
光ファイバにより光源から導かれ、レンズで集光され
る。この位置合わせも上記長焦点顕微鏡を用いて行う。
試料１４０の吸収が少ない場合には殆どの光３２０は試
料を透過し、積分球側面で散乱される。これが直接受光
器３０４に入射することを防ぐため、また探針３３０に
よる強い散乱が直接受光器１１０に入射することを防ぐ
ために、遮蔽板３０３を設けた。

【００３４】本実施例では探針として半導体を加工した
原子間力顕微鏡の探針を用いたが、金属探針を用いても
よい。

【００３５】

【発明の効果】本発明を用いれば、回折限界を超えた吸
収分光，蛍光分光などを定量的に行うことができるの
で、ナノメートルサイズの試料の定量分析が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の近接場光学顕微鏡の概略構
成図。

【図２】本発明の他の実施例の近接場光学顕微鏡の概略
構成図。

【図３】本発明の他の実施例の近接場光学顕微鏡の概略
構成図。

【符号の説明】

１０１…積分球上部、１０２…積分球下部、１０３…試
料保持具、１０４…ピエゾステージ、１０５…探針、１
０６…ピエゾ、１０７…半導体レーザ、１０８…２分割
フォトダイオード、１０９…レーザビーム、１１０…受
光器、１１１…遮蔽板、１１３…スライド用ノブ、１１
４…支柱、１１５…探針保持具、１２０…台、１２１，
１２２…窓、１３０…光合分波器、１３１，１３２，１
３３…光ファイバ、１４０…試料、１５１…顕微鏡筒、
１５２…テレビカメラ、１６０…受光器、２０１，２０
２…積分球部分、２１０…ファイバスコープ、２１１…
レンズ、２１２…アタッチメント、３０１…積分球上
部、３０２…積分球下部、３０３…遮蔽板、３２０…試
料照明光、３２１，３２２…窓、３３０…カンチレバー
型探針。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料を光により照明する機構と、探針と、
試料と探針の距離を制御しながら走査する機構と、試料
を透過または試料により反射もしくは散乱した光、或い
は試料からの２次光を信号として観測する機構と、観測
信号を画像化する機構よりなる近接場顕微鏡において、
特に、探針と試料を積分球内に設置し、試料を透過した
光と試料により反射，散乱した光を積分球により集めて
観測することを特徴とする近接場光学顕微鏡。
【請求項２】請求項１に記載の近接場光学顕微鏡におい
て、特に積分球の一部が着脱可能な機構を有し、試料と
探針の位置関係を調整するための観察機構を、その取り
外した部分から挿入あるいは接近せしめる機構を有し、
探針、および試料と探針の距離を制御する機構を共に着
脱可能部分か着脱不可能部分かどちらか一方に配置した
ことを特徴とする近接場光学顕微鏡。
【請求項３】請求項１または２に記載の近接場光学顕微
鏡において、特に照明光に対して不透明な材質よりな
り、先端に照明光を通すための微小開口を設けない探針
を用いたことを特徴とする近接場光学顕微鏡。
【請求項４】請求項１または２に記載の近接場光学顕微
鏡において、特に照明光に対して透明な材質よりなり、
その表面に照明光に対して不透明もしくは照明光を反射
する材質の皮膜を形成し、先端において上記皮膜に光波
長以下の微小開口を設けた探針を用いたことを特徴とす
る近接場光学顕微鏡。
【請求項５】請求項３または４に記載の近接場光学顕微
鏡において、探針を振動せしめることにより、試料と探
針間の距離を変調し、その変調に同期して変化する光強
度を信号として測定することを特徴とする近接場光学顕
微鏡。
【請求項６】請求項４または５に記載の近接場光学顕微
鏡において、特に光を探針内に伝播せしめ、当該微小開
口より光を出射した光もしくは当該微小開口よりしみだ
した光を用いて試料を照明し、試料により吸収，散乱，
反射された光を、積分球で集めて観測すると共に、探針
に戻る光を同時に観測することを特徴とする近接場光学
顕微鏡。
【請求項７】請求項１から６のいずれかに記載の近接場
光学顕微鏡において、特に照明光を照射することにより
試料から放射される蛍光，ラマン光，高調波光等の２次
光を同時に測定する機構を有することを特徴とする近接
場光学顕微鏡。