WO2013157419A1 - 複合型顕微鏡 - Google Patents

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WO2013157419A1
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sample
cantilever
microscope
illumination light
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酒井　信明
良嗣 植草
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オリンパス株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
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    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
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    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/06—Means for illuminating specimens

Definitions

  • the present invention relates to a combined microscope of an optical microscope and a scanning probe microscope.
  • a scanning probe microscope is a scanning microscope that obtains information on the surface of a sample by mechanically scanning a mechanical probe with a scanning mechanism, and includes a scanning tunneling microscope (STM) and an atomic force microscope (AFM). , Scanning magnetic force microscope (MFM), scanning near-field light microscope (SNOM), etc.
  • the scanning probe microscope raster-scans the mechanical probe and the sample relatively in the XY directions, obtains surface information of a desired sample region via the mechanical probe, and displays the mapping on the monitor TV.
  • the AFM is the most widely used device, and cantilever having a mechanical probe at its free end, an optical displacement sensor for detecting the displacement of the cantilever, and relatively scanning the mechanical probe and the sample.
  • a scanning mechanism is provided as a main mechanical mechanism.
  • the optical displacement sensor an optical lever type optical displacement sensor is most widely used because of its simple structure and high displacement detection sensitivity.
  • the cantilever is irradiated with a light beam with a diameter of several ⁇ m to several tens of ⁇ m, and the reflection direction of the reflected light changes according to the warp of the lever using a two-part optical detector, etc.
  • the probe operation is captured and output as an electrical signal. While controlling the scanning mechanism in the Z direction so that this output is constant, the scanning mechanism is similarly scanned in the XY direction, thereby mapping and displaying the uneven state of the sample surface on the computer monitor.
  • AFM On-Fet al., a scanning mechanism having a high scanning speed, a soft cantilever having a high resonance frequency, and an optical lever type optical displacement sensor capable of detecting the displacement of the cantilever are exemplified.
  • the scanning frequency required for the scanning mechanism is 1 kHz
  • the scanning frequency in the Y direction is 10 Hz
  • the scanning frequency in the Z direction is 100 kHz.
  • the spring constant is 1 N / m or less and the resonance frequency is 300 kHz or more.
  • the size of such a cantilever is as extremely small as about one-tenth that of a commercially available cantilever.
  • a cantilever made of silicon nitride has a length of 10 ⁇ m, a width of 2 ⁇ m, and a thickness of 0.1 ⁇ m.
  • the spring constant is 0.1 N / m, the resonance frequency in the atmosphere is 1.2 MHz, and the resonance frequency in the liquid is about 400 kHz.
  • an optical displacement sensor a condensing optical system in which the spot diameter of convergent light is several ⁇ m or less is required to detect a very small cantilever displacement.
  • a small cantilever that is soft and has a high resonance frequency can be used for high-speed observation of a biological sample by AFM and that a scanning mechanism that performs high-speed scanning is provided.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-82036 discloses a composite microscope combining an inverted optical microscope observation and AFM that meets such a demand.
  • the AFM in the composite microscope disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-82036 is a sample scan type that scans a sample in XYZ with respect to a cantilever.
  • the sample scan type AFM since the sample and its scanning mechanism are provided on the opposite side of the objective lens with the stage in between, it is difficult to irradiate illumination light for optical observation from the opposite side of the objective lens.
  • illumination for optical observation is generally performed by illumination from the objective lens side, that is, incident bright field illumination. This incident bright field illumination is suitable for a high-contrast sample, but is not suitable for a low-contrast sample such as a biological sample.
  • AFM In contrast to the sample scan type, AFM also has a lever scan type that scans the sample with a cantilever in XYZ. Although this lever scan type AFM has few restrictions on the sample and the sample substrate, the scanning object tends to be heavy, and in that case, there is a restriction on the observation speed.
  • An object of the present invention is to provide a composite microscope combining an optical microscope capable of suitably illuminating a low-contrast sample and a lever scan type AFM. .
  • the present invention is a combined microscope of an optical microscope and a scanning probe microscope, comprising a stage for supporting a sample substrate holding a sample, a substrate, a cantilever supported by the substrate, and a free end of the cantilever
  • a cantilever chip provided with a probe, the probe facing the sample substrate, the substrate tilted with respect to the sample substrate, and the probe with respect to the sample substrate
  • a scanner that scans three-dimensionally, a displacement sensor that optically detects the displacement of the cantilever, and illumination light for observation by the optical microscope is irradiated between the substrate and the sample substrate to the sample.
  • an illumination light source is irradiated between the substrate and the sample substrate to the sample.
  • a composite microscope combining an optical microscope capable of suitably illuminating a low contrast sample and a lever scan type AFM.
  • FIG. 1 shows a composite microscope according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view of the cantilever chip shown in FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the cantilever chip and the condenser lens shown in FIG. 1 as seen from different directions.
  • FIG. 4 is an enlarged view of the cantilever chip, the condenser lens, and the illumination light source shown in FIG.
  • FIG. 5 shows the path of the cantilever chip, illumination light source, and illumination light shown in FIG.
  • FIG. 6 shows the path of the cantilever chip, illumination light source, and illumination light shown in FIG.
  • FIG. 7 shows a modification of the composite microscope according to the first embodiment.
  • FIG. 8 shows another modification of the composite microscope according to the first embodiment.
  • FIG. 9 shows a composite microscope according to the second embodiment.
  • FIG. 10 shows an enlarged view of the cantilever chip, condenser lens, and illumination light source shown in FIG.
  • FIG. 11 shows another configuration that can be substituted for the illumination light
  • FIG. 1 shows the configuration of the composite microscope of the present embodiment.
  • the composite microscope of the present embodiment includes an inverted optical microscope that is an optical microscope and an atomic force microscope (AFM) that is a scanning probe microscope.
  • AFM atomic force microscope
  • the inverted optical microscope includes a microscope body 20, a microscope stage 21, an objective lens 22, a revolver 23, a half mirror 24, a mirror 25, a CCD camera 26, a television monitor 27, and an epi-illumination light source 28.
  • a sample substrate 2 such as a slide glass is supported on the microscope stage 21, and the sample 1 and the solution 4 are held on the sample substrate 2.
  • the inverted optical microscope is mainly used for in-liquid optical observation of the sample 1.
  • the AFM includes a cantilever chip 3, an XYZ scanner 6, an optical lever type displacement sensor 10, a case 30 that holds the XYZ scanner 6 and the optical lever type displacement sensor 10, and a column for supporting the case 30 above the microscope stage 21. 31, a controller 14, and a computer 15.
  • the cantilever chip 3 includes a substrate 3a, a cantilever 3b supported by the substrate 3a, and a probe 3c provided at the free end of the cantilever 3b.
  • the ratio of the size of the substrate 3a and the cantilever 3b is close to that shown in FIGS. 2 and 3, and the cantilever chip 3 in FIG. 1 has a large cantilever 3b for explanation.
  • the XYZ scanner 6 includes a cantilever chip holder 7, a Z scanner 8, and an XY scanner 9.
  • the cantilever chip holder 7 holds the probe 3 c facing the sample substrate 2 and the substrate 3 a inclined with respect to the sample substrate 2.
  • the cantilever tip holder 7 is held at the free end of the Z scanner 8.
  • the Z scanner 8 is held by an XY scanner 9.
  • the Z scanner 8 and the XY scanner 9 work together to scan the cantilever chip 3 with respect to the sample substrate 3 three-dimensionally.
  • the cantilever chip 3 is designed such that the inclination angle of the substrate 3a with respect to the sample substrate 2 is 5 degrees to 15 degrees, preferably 10 degrees to 15 degrees. In the present embodiment, description will be made assuming that the angle is, for example, 15 degrees.
  • inclination with respect to the sample substrate 2 and “inclination with respect to the sample substrate 2” are synonymous with “inclination with respect to the microscope stage 21” and “inclination with respect to the microscope stage 21”. That is, they can be replaced with each other.
  • the inclination of the substrate 3a with respect to the sample substrate 2 more precisely means the inclination of the main surface of the substrate 3a with respect to the sample substrate mounting surface of the microscope stage 21.
  • the main surface of the substrate 3a is the largest plane of the substrate 3a, that is, the plane on the side where the probe 3c protrudes.
  • the optical lever type displacement sensor 10 includes a laser light source 11, a condensing lens 12, and an optical detector 13.
  • the laser light source 11 emits detection light
  • the condenser lens 12 converges the detection light emitted from the laser light source 11, and converges near the free end of the surface opposite to the surface of the cantilever 3b including the probe 3c.
  • the light is irradiated, and the photodetector 13 receives the reflected light from the cantilever 3b and detects the free end of the cantilever 3b, that is, the displacement of the probe 3c.
  • the housing 30 includes a window glass 5 for protecting the optical lever displacement sensor 10 from the solution 4.
  • the Z scanner 8 is held by the XY scanner 9 and is XY scanned.
  • the condenser lens 12 is also held by the XY scanner 9 and is XY scanned together with the Z scanner 8. Therefore, the condensing lens 12 and the cantilever chip 3 are simultaneously XY scanned by the same displacement by the XY scanner 9. In this way, the XY scanner 9, the Z scanner 8, the cantilever chip holder 7, the cantilever chip 3, and the condenser lens 12 constitute a detection light tracking type lever scanning mechanism.
  • the XYZ scanner 6 and the optical lever type displacement sensor 10 are connected to a controller 14 and controlled by a computer 15.
  • the observation result can be processed by the computer 15 and displayed on the monitor TV.
  • the cantilever 3b and the condenser lens 12 are configured as described below in order to increase the observation speed.
  • the cantilever 3b is a cantilever made of, for example, silicon nitride, and has a very small shape with a length of 10 ⁇ m, a width of 2 ⁇ m, and a thickness of 0.1 ⁇ m.
  • the condenser lens 12 a small and lightweight lens having a diameter of 10 mm or less, preferably 5 mm or less is used in order to enable high-speed scanning.
  • 3 and 4 show schematic layouts of the cantilever chip 3, the condenser lens 12, and the like.
  • the length of the substrate 3a is about 3 mm and the width is about 1.6 mm.
  • the condenser lens 12 has an NA of about 0.4, a diameter of about 5 mm, and a focal length of about 5 mm.
  • the substrate 3 a is held at an angle of about 15 degrees with respect to the sample substrate 2.
  • the housing 30 has an inclined surface 30a inclined with respect to the sample substrate 2 behind the substrate 3a of the cantilever chip 3 (on the opposite side of the cantilever 3b with respect to the substrate 3a). is doing.
  • the inclination angle of the inclined surface 30a with respect to the sample substrate 2 is not less than the inclination angle of the substrate 3a with respect to the sample substrate 2, that is, not less than 15 degrees.
  • the inclined surface 30a is substantially parallel to the substrate 3a. That is, the inclined surface 30 a forms an angle of about 15 degrees with respect to the sample substrate 2.
  • An illumination light source 32 is held on the inclined surface 30a.
  • the illumination light source 32 emits illumination light for observation with an inverted optical microscope.
  • the illumination light source 32 includes a light source lamp 33 and a condenser lens 34.
  • the AFM is configured as a lever scan type, so there are few restrictions on the sample 1 and the sample substrate 2.
  • the illumination light source 32 is provided between the substrate 3 a and the sample substrate 2 from the opposite side of the objective lens 22 with respect to the microscope stage 21, particularly from the rear of the substrate 3 a of the cantilever chip 3. Sample 1 is illuminated through.
  • Such illumination mainly illuminates the sample 1 obliquely from the direction of the cantilever chip 3 and includes dark field illumination and oblique illumination.
  • Dark field illumination and oblique illumination are effective illumination methods for low-contrast samples and are suitable for observation of fine structures. That is, the sample 1 is illuminated by an illumination method suitable for a low-contrast sample.
  • the reflected illumination light from the substrate 3a and the cantilever 3b is irradiated onto the sample 1 as shown in FIG. In some cases, such reflected illumination light enables observation with bright field illumination.
  • the high-intensity white LED has high luminous efficiency, low heat generation, and small size.
  • the illumination light source 32 may be replaced with, for example, a small high-intensity white LED 35 as shown in FIG.
  • the illumination light of the high-intensity white LED 35 is directly applied to the sample without generating convergent light by a condenser lens or the like.
  • the illumination light source 32 (or the high-intensity white LED 35) may be held by a holding member 36 provided on the microscope stage 21, for example, instead of being held by the inclined surface 30a.
  • the illumination light source 32 may be replaced with another illumination light source having a plurality of light emitting elements (high brightness white LEDs) 50, 51, 52 as shown in FIG.
  • the plurality of light emitting elements 50, 51, 52 are arranged behind the substrate 3 a so that their optical axes extend from the sample 1. Thereby, the illumination light quantity can be increased. This is a very effective method in a composite microscope in which the distance between the sample substrate 2 and the microscope stage 21 and the housing 30 is short.
  • FIG. 9 shows the configuration of the composite microscope of this embodiment.
  • the composite microscope of the present embodiment is the same as the composite microscope of the first embodiment shown in FIG. 1 except that the housing and the illumination light source are different.
  • the housing 40 has an inclined surface 40 a inclined with respect to the sample substrate 2 behind the substrate 3 a of the cantilever chip 3.
  • the inclination angle of the inclined surface 40a with respect to the sample substrate 2 is equal to or less than the inclination angle of the substrate 3a with respect to the sample substrate 2, that is, 15 degrees or less, for example, about 7 to 8 degrees.
  • the inclined surface 40a is mirror-finished. That is, the inclined surface 40a is a mirror surface.
  • the housing 40 has a surface 40b parallel to the sample substrate 2 behind the inclined surface 40a.
  • the illumination light source 41 is held on the surface 40b.
  • the illumination light source 41 includes a light source lamp 42 and a condenser lens 43.
  • the illumination light emitted from the illumination light source 41 can be reflected by the inclined surface 40a and guided to the sample 1.
  • the illumination light source 41 illuminates the sample 1 through the space between the substrate 3 a and the sample substrate 2 from behind the substrate 3 a of the cantilever chip 3. Therefore, the same effect as the first embodiment can be obtained.
  • the illumination light source 41 can be separated relatively far from the sample 1 and the substrate 3a. This increases the size of the illumination light source 41 and the degree of freedom in layout design. Further, the influence of heat generated by the illumination light source 41 can be reduced.
  • the light source lamp 42 is desirably a small high-intensity white LED.
  • the illumination light source 41 may be replaced with a high-intensity white LED, and the sample may be directly irradiated without generating convergent light by a condenser lens or the like.
  • the illumination light source 41 (or the high-intensity white LED) may be held by a holding member provided on the microscope stage 21 or the like, for example, instead of being held by the surface 40b.
  • the illumination light source 41 may be replaced with another illumination light source having a plurality of light emitting elements (high brightness white LEDs) 50, 51, 52 as shown in FIG.
  • the plurality of light emitting elements 50, 51, 52 are arranged behind the substrate 3 a so that their optical axes extend from the sample 1. Thereby, the illumination light quantity can be increased. This is a very effective method in a composite microscope in which the distance between the sample substrate 2 and the microscope stage 21 and the housing 40 is short.
  • TV monitor 28 ... epi-illumination light source, 30 ... casing, 30a ... inclined surface, 31 ... support, 32 ... illumination light source 33 ... Light source lamp, 34 ... Condenser lens, 35 ... High brightness white LED, 36 ... Holding member, 40 ... Housing, 40a ... Inclination , 40b ... surface, 41 ... illumination source, 42 ... light source lamp, 43 ... condenser lens, 50, 51, 52 ... illumination source.

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Abstract

　倒立型光学顕微鏡の顕微鏡ステージ２１上には試料基板２が支持され、試料基板２には試料１と溶液４が保持される。ＡＦＭはカンチレバーチップ３とＸＹＺスキャナ６を備えている。カンチレバーチップ３は、サブストレートに支持されたカンチレバーと、カンチレバーの自由端に設けられたプローブを備えている。カンチレバーチップホルダ７は、プローブを試料基板２に対向させ、かつ、サブストレートを試料基板２に対して傾斜させてカンチレバーチップ３を保持し、Ｚスキャナ８とＸＹスキャナ９はカンチレバーチップ３を試料基板２に対して三次元的に走査する。照明光源３２は、カンチレバーチップ３のサブストレートと試料基板２の間を通して試料１を照明する。

Description

複合型顕微鏡
　本発明は、光学顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡の複合型顕微鏡に関する。
　走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、走査機構によって機械的プローブを機械的に走査して試料表面の情報を得る走査型顕微鏡であって、走査型トンネリング顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）などの総称である。走査型プローブ顕微鏡は、機械的プローブと試料とを相対的にＸＹ方向にラスター走査し、機械的プローブを介して所望の試料領域の表面情報を得て、モニターＴＶ上にマッピング表示する。
　なかでもＡＦＭは最も広く使用されている装置であって、機械的プローブをその自由端にもつカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサーと、機械的プローブと試料を相対的に走査する走査機構を主要な機械機構として備えている。その光学式変位センサーとしては、構成が簡単でありかつ高い変位検出感度を有することから、光てこ式の光学式変位センサーが最も広く使われている。カンチレバー上に直径数μｍから数十μｍの光束を照射し、その反射光の反射方向がレバーの反りに応じて変化するのを二分割光ディテクタなどによりとらえて、カンチレバーの自由端にある機械的プローブの動作をとらえ電気信号として出力する。この出力が一定になるように走査機構をＺ方向に制御しながら、同じく走査機構をＸＹ方向に走査することにより、コンピュータのモニター上に試料表面の凹凸の状態をマッピング表示する。
　このようなＡＦＭでは、液体中の生物試料を観察する場合、倒立型光学顕微鏡と組み合わせて観察することが一般的である。倒立型光学顕微鏡観察は、試料の知見を得るだけでなく、試料の特定部位にカンチレバーを位置決めするときにも有効だからである。
　生物試料の動く様子を観察しようとしたとき、ＡＦＭに求められるのは観察速度である。この用途では１秒以内、望ましくは０．１秒以内に一画面を得られると良い。このようなＡＦＭの高速化を行おうとしたとき、ＡＦＭ装置の電気回路周りについては現在市販されている装置でも可能なレベルに達しており、課題となるところは機械機構にある。特に、走査速度の速い走査機構や、柔らかくかつ共振周波数の高いカンチレバーや、そのカンチレバーの変位を検出できる光てこ式の光学式変位センサーが挙げられる。
　例えば、Ｘ方向１００画素、Ｙ方向１００画素の画像を０．１秒で取り込むとき、走査機構に求められるＸ方向の走査周波数は１ｋＨｚ、Ｙ方向の走査周波数は１０Ｈｚ、Ｚ方向の走査周波数は１００ｋＨｚ以上に達する。
　そして生物試料の観察に適した高い周波数のカンチレバーとしては、バネ定数が１Ｎ／ｍ以下であって、共振周波数は３００ｋＨｚ以上が望ましい。このようなカンチレバーの寸法は現在市販されているカンチレバーに比べて１０分の１程度と極めて小さいものとなり、例えば窒化シリコン製のカンチレバーで、長さ１０μｍ、幅２μｍ、厚さ０．１μｍとなる。そのバネ定数は０．１Ｎ／ｍ、大気中の共振周波数は１．２ＭＨｚ、液体中での共振周波数は４００ｋＨｚ前後となる。
　さらに光学式変位センサーとしては、極めて小さいカンチレバーの変位を検出するために収束光のスポット径が数μｍ以下となる集光光学系が要求される。
　以上に説明したように、生物試料のＡＦＭによる高速観察には、柔らかくて共振周波数の高い小さなカンチレバーが使用可能であるとともに、高速走査をする走査機構を備えていることが望ましい。
　特開２００２－８２０３６号公報は、このような要望に応える倒立型光学顕微鏡観察とＡＦＭを組み合わせた複合型顕微鏡を開示している。
特開２００２－８２０３６号公報
　特開２００２－８２０３６号公報に開示された複合型顕微鏡におけるＡＦＭは、カンチレバーに対して試料をＸＹＺに走査する試料スキャンタイプである。試料スキャンタイプのＡＦＭでは、試料とその走査機構がステージを間に挟んで対物レンズの反対側に設けられるため、光学観察のための照明光を対物レンズの反対側から照射することは難しい。試料スキャンタイプのＡＦＭでは、一般に、光学観察のための照明は、対物レンズ側からの照明すなわち落射明視野照明によっておこなわれる。この落射明視野照明は、高コントラストの試料には適しているが、生物試料などの低コントラストの試料には適していない。
　ＡＦＭには、試料スキャンタイプとは反対に、試料に対してカンチレバーをＸＹＺに走査するレバースキャンタイプのものもある。このレバースキャンタイプのＡＦＭは、試料や試料基板に対する制約が少ないものの、走査対象物が重くなる傾向があり、その場合には観察速度の制約がある。
　本発明の目的は、このような現状を鑑みて成されたものであり、低コントラストの試料を好適に照明し得る光学顕微鏡とレバースキャンタイプのＡＦＭを組み合わせた複合型顕微鏡を提供することである。
　本発明は、光学顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡の複合型顕微鏡であって、試料を保持した試料基板を支持するステージと、サブストレートと、前記サブストレートに支持されたカンチレバーと、前記カンチレバーの自由端に設けられたプローブを備えたカンチレバーチップと、前記プローブを前記試料基板に対向させ、かつ、前記サブストレートを前記試料基板に対して傾斜させて保持するとともに、前記プローブを前記試料基板に対して三次元的に走査するスキャナと、前記カンチレバーの変位を光学的に検出する変位センサーと、前記光学顕微鏡による観察のための照明光を、前記サブストレートと前記試料基板の間を通して前記試料に照射する照明光源とを備えている。
　本発明によれば、低コントラストの試料を好適に照明し得る光学顕微鏡とレバースキャンタイプのＡＦＭを組み合わせた複合型顕微鏡が提供される。
図１は、第一実施形態による複合型顕微鏡を示している。 図２は、図１に示されたカンチレバーチップの斜視図である。 図３は、図１に示されたカンチレバーチップと集光レンズを別の方向から見た拡大図である。 図４は、図１に示されたカンチレバーチップと集光レンズと照明光源の拡大図である。 図５は、図１に示されたカンチレバーチップと照明光源と照明光の経路を示している。 図６は、図１に示されたカンチレバーチップと照明光源と照明光の経路を示している。 図７は、第一実施形態による複合型顕微鏡の変形例を示している。 図８は、第一実施形態による複合型顕微鏡の別の変形例を示している。 図９は、第二実施形態による複合型顕微鏡を示している。 図１０は、図９に示されたカンチレバーチップと集光レンズと照明光源を拡大して示している。 図１１は、第一実施形態と第二実施形態の照明光源に代替可能な別の構成を示している。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
　＜第一実施形態＞
　本実施形態の複合型顕微鏡の構成を図１に示す。
　図１に示すように、本実施形態の複合型顕微鏡は、光学顕微鏡である倒立型光学顕微鏡と、走査型プローブ顕微鏡である原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を備えている。
　倒立型光学顕微鏡は、顕微鏡鏡体２０、顕微鏡ステージ２１、対物レンズ２２、レボルバー２３、ハーフミラー２４、ミラー２５、ＣＣＤカメラ２６、テレビモニター２７、落射照明光源２８を備えている。顕微鏡ステージ２１上には、スライドガラス等の試料基板２が支持され、試料基板２には試料１と溶液４が保持される。倒立型光学顕微鏡は、主に、試料１の液中光学観察に用いられる。
　ＡＦＭは、カンチレバーチップ３、ＸＹＺスキャナ６、光てこ式変位センサー１０、ＸＹＺスキャナ６と光てこ式変位センサー１０を保持した筐体３０、筐体３０を顕微鏡ステージ２１の上方に支持するための支柱３１、コントローラ１４、コンピュータ１５を備えている。
　カンチレバーチップ３は、図２に示すように、サブストレート３ａと、サブストレート３ａに支持されたカンチレバー３ｂと、カンチレバー３ｂの自由端に設けられたプローブ３ｃを備えている。
　サブストレート３ａとカンチレバー３ｂの大きさの比は、図２と図３に示したものが実際のものに近く、図１のカンチレバーチップ３は、説明のためにカンチレバー３ｂを大きく描いている。
　ＸＹＺスキャナ６は、カンチレバーチップホルダ７とＺスキャナ８とＸＹスキャナ９を備えている。カンチレバーチップホルダ７は、プローブ３ｃを試料基板２に対向させ、かつ、サブストレート３ａを試料基板２に対して傾斜させて保持する。カンチレバーチップホルダ７はＺスキャナ８の自由端に保持されている。Ｚスキャナ８はＸＹスキャナ９に保持されている。Ｚスキャナ８とＸＹスキャナ９は共働してカンチレバーチップ３を試料基板２に対して三次元的に走査する。
　カンチレバーチップ３は、図３と図４に示すように、試料基板２に対するサブストレート３ａの傾斜角は、５度ないし１５度、望ましくは１０度ないし１５度になるように設計されている。本実施形態では、例えば１５度であるとして説明する。
　ここで、「試料基板２に対する傾斜」や「試料基板２に対して傾斜」するなどは、「顕微鏡ステージ２１に対する傾斜」や「顕微鏡ステージ２１に対して傾斜」するなどと同義である。つまり、これらは互いに置き換え可能である。また、例えば、試料基板２に対するサブストレート３ａの傾斜は、より正確には、顕微鏡ステージ２１の試料基板載置面に対するサブストレート３ａの主面の傾斜を意味している。またサブストレート３ａの主面は、サブストレート３ａの最も大きい平面である、プローブ３ｃが突出している側の平面を指している。
　光てこ式変位センサー１０は、レーザ光源１１と集光レンズ１２と光ディテクタ１３を備えている。レーザ光源１１は、検出光を射出し、集光レンズ１２は、レーザ光源１１から射出された検出光を収束させ、プローブ３ｃを備えたカンチレバー３ｂの面の反対側の面の自由端近くに収束光を照射し、光ディテクタ１３は、カンチレバー３ｂからの反射光を受光して、カンチレバー３ｂの自由端すなわちプローブ３ｃの変位を検出する。
　筐体３０は、光てこ式変位センサー１０を溶液４から保護するための窓ガラス５を備えている。
　Ｚスキャナ８は、ＸＹスキャナ９に保持されており、ＸＹ走査される。また集光レンズ１２も、ＸＹスキャナ９に保持されており、Ｚスキャナ８とともにＸＹ走査される。従って、集光レンズ１２とカンチレバーチップ３は、ＸＹスキャナ９により同時に同変位だけＸＹ走査される。このようにして、ＸＹスキャナ９とＺスキャナ８とカンチレバーチップホルダ７とカンチレバーチップ３と集光レンズ１２により検出光追従型のレバースキャン機構を構成している。
　ＸＹＺスキャナ６と光てこ式変位センサー１０は、コントローラ１４に接続され、コンピュータ１５により制御される。また観察結果はコンピュータ１５で処理されモニターＴＶ上に表示することができる。
　このように構成されたＡＦＭにおいては、観察速度を高速にするために、カンチレバー３ｂと集光レンズ１２は、以下に述べるように構成されている。
　カンチレバー３ｂは、例えば窒化シリコン製のカンチレバーで、長さ１０μｍ、幅２μｍ、厚さ０．１μｍと極めて小さい形状をしている。
　集光レンズ１２は、極めて小さいカンチレバー３ｂの変位を検出するために、収束光のスポット径が数μｍ以下となるようＮＡ＝０．４以上の光学特性を備えている。
　さらに集光レンズ１２は、高速走査を可能にするために、径が１０ｍｍ以下、望ましくは５ｍｍ以下の小型軽量のものが使用される。
　図３と図４は、カンチレバーチップ３や集光レンズ１２等の概略レイアウトを示している。図３と図４において、例えば、サブストレート３ａの長さは約３ｍｍ、幅は約１．６ｍｍである。また集光レンズ１２は、ＮＡ≒０．４、直径は約５ｍｍであり、その焦点距離は約５ｍｍである。サブストレート３ａは試料基板２に対して約１５度の角度で保持されている。
　筐体３０は、図４に示すように、カンチレバーチップ３のサブストレート３ａの後方（サブストレート３ａを基準にしてカンチレバー３ｂの反対側）に、試料基板２に対して傾斜した傾斜面３０ａを有している。試料基板２に対する傾斜面３０ａの傾斜角は、試料基板２に対するサブストレート３ａの傾斜角以上であり、すなわち１５度以上である。例えば、傾斜面３０ａは、サブストレート３ａにほぼ平行である。すなわち、この傾斜面３０ａは、試料基板２に対して約１５度の角度を成している。傾斜面３０ａには、照明光源３２が保持されている。照明光源３２は、倒立型光学顕微鏡による観察のための照明光を射出する。照明光源３２は、光源ランプ３３とコンデンサレンズ３４を備えている。
　このように構成された本実施形態の複合型顕微鏡においては、ＡＦＭがレバースキャンタイプで構成されているので、試料１や試料基板２に対する制約が少ない。
　また、図５に示すように、照明光源３２は、顕微鏡ステージ２１を基準にして対物レンズ２２の反対側から、特に、カンチレバーチップ３のサブストレート３ａの後方から、サブストレート３ａと試料基板２の間を通して試料１を照明する。
　このような照明は、試料１に対してカンチレバーチップ３の方向から、主に斜めに照明するものであり、暗視野照明や偏斜照明が含まれる。暗視野照明や偏斜照明は、低コントラストの試料に対して有効な照明方法であり、微細構造の観察に適している。つまり、試料１は、低コントラストの試料に好適な照明方によって照明される。
　また試料１を直接照明するだけでなく、図６に示すように、サブストレート３ａやカンチレバー３ｂからの反射照明光も試料１に照射されるため、効率よく照明できる。そのような反射照明光によって、明視野照明で観察できる場合もある。
　また、照明光源３２の光源ランプ３３には、小型の高輝度白色ＬＥＤを用いることが望ましい。これは、高輝度白色ＬＥＤの発光効率が高く、発熱が小さいこと、さらには小型であること等の理由による。
　また、照明光源３２は、図７に示すように、例えば小型の高輝度白色ＬＥＤ３５に置き換えられてもよい。高輝度白色ＬＥＤ３５の照明光は、コンデンサレンズ等により収束光を生成することなく、試料に直接照射される。
　さらに図８に示すように、照明光源３２（あるいは高輝度白色ＬＥＤ３５）は、傾斜面３０ａに保持される代わりに、例えば顕微鏡ステージ２１に設けられた保持部材３６に保持されてもよい。
　加えて、照明光源３２は、図１１に示すように、複数の発光素子（高輝度白色ＬＥＤ）５０，５１，５２を有する別の照明光源に置き換えられてもよい。複数の発光素子５０，５１，５２は、それらの光軸が試料１から広がって延びるように、サブストレート３ａの後方に配置されている。これにより照明光量を増やすことができる。これは、試料基板２や顕微鏡ステージ２１と筐体３０の間の距離が短い複合型顕微鏡においては、非常に有効な方法である。
　＜第二実施形態＞
　本実施形態の複合型顕微鏡の構成を図９に示す。図９に示すように、本実施形態の複合型顕微鏡は、筐体と照明光源が異なるほかは、図１に示す第一実施形態の複合型顕微鏡と同じである。
　筐体４０は、カンチレバーチップ３のサブストレート３ａの後方に、試料基板２に対して傾斜した傾斜面４０ａを有している。試料基板２に対する傾斜面４０ａの傾斜角は、試料基板２に対するサブストレート３ａの傾斜角以下であり、すなわち１５度以下であり、例えば約７～８度である。この傾斜面４０ａは、鏡面処理されている。つまり、傾斜面４０ａは鏡面である。
　さらに筐体４０は、傾斜面４０ａの後方に、試料基板２に平行な面４０ｂを有している。この面４０ｂには、照明光源４１が保持されている。照明光源４１は、図１０に示すように、光源ランプ４２とコンデンサレンズ４３を備えている。
　このように構成された本実施形態の複合型顕微鏡においては、照明光源４１から出射された照明光を、傾斜面４０ａで反射させ、試料１に導くことができる。その結果、照明光源４１は、カンチレバーチップ３のサブストレート３ａの後方から、サブストレート３ａと試料基板２の間を通して試料１を照明する。従って、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
　さらに、本実施形態の複合型顕微鏡においては、照明光源４１を試料１やサブストレート３ａから比較的遠くに離すことができる。これにより、照明光源４１の大きさや配置設計の自由度が増す。さらに照明光源４１が発する熱の影響も低減できる。
　本実施形態では、第一実施形態と同様に、光源ランプ４２は、小型の高輝度白色ＬＥＤを用いることが望ましい。また、照明光源４１を高輝度白色ＬＥＤに置き換え、コンデンサレンズ等により収束光を生成することなく、試料に直接照射してもよい。さらに、照明光源４１（または高輝度白色ＬＥＤ）は、面４０ｂに保持される代わりに、例えば顕微鏡ステージ２１等に設けられた保持部材に保持されてもよい。加えて、照明光源４１は、図１１に示すように、複数の発光素子（高輝度白色ＬＥＤ）５０，５１，５２を有する別の照明光源に置き換えられてもよい。複数の発光素子５０，５１，５２は、それらの光軸が試料１から広がって延びるように、サブストレート３ａ後方に配置されている。これにより照明光量を増やすことができる。これは、試料基板２や顕微鏡ステージ２１と筐体４０の間の距離が短い複合型顕微鏡においては、非常に有効な方法である。
　これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施形態を適当に組み合わせた実施も含む。
１…試料、２…試料基板、３…カンチレバーチップ、３ａ…サブストレート、３ｂ…カンチレバー、３ｃ…プローブ、４…溶液、５…窓ガラス、６…ＸＹＺスキャナ、７…カンチレバーチップホルダ、８…Ｚスキャナ、９…ＸＹスキャナ、１０…式変位センサー、１１…レーザ光源、１２…集光レンズ、１３…光ディテクタ、１４…コントローラ、１５…コンピュータ、２０…顕微鏡鏡体、２１…顕微鏡ステージ、２２…対物レンズ、２３…レボルバー、２４…ハーフミラー、２５…ミラー、２６…ＣＣＤカメラ、２７…テレビモニター、２８…落射照明光源、３０…筐体、３０ａ…傾斜面、３１…支柱、３２…照明光源、３３…光源ランプ、３４…コンデンサレンズ、３５…高輝度白色ＬＥＤ、３６…保持部材、４０…筐体、４０ａ…傾斜面、４０ｂ…面、４１…照明光源、４２…光源ランプ、４３…コンデンサレンズ、５０，５１，５２…照明光源。

Claims (7)

  1. 　光学顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡の複合型顕微鏡であって、
    　試料を保持した試料基板を支持するステージと、
    　サブストレートと、前記サブストレートに支持されたカンチレバーと、前記カンチレバーの自由端に設けられたプローブを備えたカンチレバーチップと、
    　前記プローブを前記試料基板に対向させ、かつ、前記サブストレートを前記試料基板に対して傾斜させて前記カンチレバーチップを保持するとともに、前記カンチレバーチップを前記試料基板に対して三次元的に走査するスキャナと、
    　前記カンチレバーの変位を光学的に検出する変位センサーと、
    　前記光学顕微鏡による観察のための照明光を、前記サブストレートと前記試料基板の間を通して前記試料に照射する照明光源とを備えている、複合型顕微鏡。
  2. 　前記スキャナと前記光学式変位センサーを保持した筐体を有し、
    　前記筐体は、前記試料基板に対して傾斜した傾斜面を備え、前記試料基板に対する前記傾斜面の傾斜角は前記試料基板に対する前記サブストレートの傾斜角以上であり、
    　前記照明光源は、前記傾斜面と前記ステージの間を通して前記照明光を前記試料に照射する、請求項１に記載の複合型顕微鏡。
  3. 　前記照明光源は、前記傾斜面に保持されている、請求項２に記載の複合型顕微鏡。
  4. 　前記スキャナと前記光学式変位センサーを保持した筐体を有し、
    　前記筐体は、前記試料基板に対して傾斜した鏡面を備え、前記試料基板に対する前記鏡面の傾斜角は前記試料基板に対する前記サブストレートの傾斜角以下であり、
    　前記照明光源は、前記照明光を前記鏡面による反射を経て前記試料に照射する、請求項１に記載の複合型顕微鏡。
  5. 　前記照明光源は複数の発光素子を含み、前記複数の発光素子は、それらの光軸が前記試料から広がって延びるように配置されている、請求項１～請求項４のいずれかひとつに記載の複合型顕微鏡。
  6. 　前記試料基板に対する前記サブストレートの傾斜角は５度ないし１５度である、請求項１～請求項５のいずれかひとつに記載の複合型顕微鏡。
  7. 　前記光学顕微鏡は、前記試料基板を通して前記試料を観察する倒立型光学顕微鏡である、請求項１～請求項６のいずれかひとつに記載の複合型顕微鏡。
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