WO2018109803A1

WO2018109803A1 - 原子間力顕微鏡

Info

Publication number: WO2018109803A1
Application number: PCT/JP2016/086900
Authority: WO
Inventors: 由佳香田; 酒井　信明
Original assignee: オリンパス株式会社
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2018-06-21

Abstract

原子間力顕微鏡は、ＸＹ可動台（１３）と、前記ＸＹ可動台をＸＹ平面に平行な面内でＸＹ走査させるＸＹスキャナ（１４）と、前記ＸＹ可動台に固定端が保持され、自由端にカンチレバーを保持し、前記カンチレバー（１７）を前記ＸＹ平面に垂直なＺ軸に沿ってＺ走査させるＺスキャナ（１５）と、前記カンチレバーの変位を光学的に検出する光学式変位センサを備えている。前記光学式変位センサは、前記ＸＹ可動台に保持された集光レンズ（１２）を含んでいる。前記集光レンズは、入射する検出光を集光し、集束されたスポットを有する検出光を生成し、生成された検出光を前記カンチレバーに照射する。原子間力顕微鏡はさらに、Ｚ走査に起因する前記照射エリアの位置の前記カンチレバーに沿った移動を、Ｚ走査に応じて抑えるＺ走査追従システムを備えている。

Description

原子間力顕微鏡

　本発明は、原子間力顕微鏡、特に生物試料の観察に用いられる原子間力顕微鏡に関する。

　走査型プローブ顕微鏡(ＳＰＭ)は、機械的探針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)、走査型電気容量顕微鏡(ＳＣａＭ)、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、機械的探針と試料とを相対的にＸＹ方向にラスター走査し、試料の所望とする表面情報を機械的探針を介して得てディスプレイ上にマッピング表示することができる。

　なかでも原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭと呼ぶ）は、最も広く使用されている装置であり、機械的探針（プローブ）をその自由端に持つカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサと、カンチレバーと試料とを相対的に走査するスキャナを備えている。

　近年では、光学顕微鏡に搭載可能であり、生体試料の動く様子が観察できる光顕搭載型の生体動画観察用ＡＦＭが注目を集めている。この光顕搭載型の生体動画観察用ＡＦＭでは、光学顕微鏡による観察を妨げないように試料を走査させずに、試料に対してカンチレバーをＸＹＺの３方向に高速に走査させるカンチレバースキャンタイプ（プローブスキャンタイプとも呼ぶ）の走査機構が求められる。

　このようなカンチレバースキャンタイプの走査機構、およびそれを備えるＡＦＭは、例えば特開２０１２－１８５０６６号公報に示されている。

　この従来例の走査機構は、カンチレバーの変位を検出するための検出光が有する集光スポット（以下、スポットと呼ぶ）が、ＸＹ方向において（ＸＹ走査において）、カンチレバーに対して高精度に追従する検出光追従型となっている。

　従来例に係る検出光追従型の走査機構においては、カンチレバーは、ＸＹ方向だけでなく、Ｚ方向にも走査される。

　しかしながら、従来例に係る検出光追従型の走査機構においては、スポットがカンチレバーに対して、ＸＹ方向の走査においては高精度に追従できるが、Ｚ方向の走査においては追従自体ができない。そのために、カンチレバーがＺ方向に走査されると、Ｚ走査に起因するカンチレバーとスポットに位置ズレが生じ、その影響によりＡＦＭの観察精度を落とすという問題がある。カンチレバーのＺ方向の走査量が大きいほど、その影響は大きくなる。

　本発明の目的は、カンチレバースキャンタイプの走査機構を備えるＡＦＭにおいて、言い換えれば検出光追従型の走査機構を備えるＡＦＭにおいて、Ｚ走査に起因するカンチレバーとスポットの位置ズレの影響が抑えられ、それにより高精度に観察可能であるＡＦＭを提供することである。

　本発明は、探針を有するカンチレバーを用いて試料の物理情報を得る原子間力顕微鏡に関する。原子間力顕微鏡は、ＸＹ可動台と、ＸＹ可動台をＸＹ平面に平行な面内でＸＹ走査させるＸＹスキャナと、ＸＹ可動台に固定端が保持され、自由端にカンチレバーを保持し、カンチレバーをＸＹ平面に垂直なＺ軸に沿ってＺ走査させるＺスキャナと、カンチレバーの変位を光学的に検出する光学式変位センサを備えている。光学式変位センサは、ＸＹ可動台に保持された集光レンズを含んでいる。集光レンズは、入射する検出光を集光し、集束されたスポットを有する検出光を生成し、生成された前記検出光をカンチレバーに照射することで前記カンチレバー上に照射エリアを生成する。原子間力顕微鏡は、Ｚ走査に起因する前記照射エリアの位置の前記カンチレバーに沿った移動を、Ｚ走査に応じて抑えるＺ走査追従システムを備えている。

　本発明によれば、Ｚ走査に起因するカンチレバーとスポットの位置ズレの影響が抑えられた原子間力顕微鏡が提供される。

図１は、第一の実施形態による原子間力顕微鏡の構成を概略的に示している。図２は、図１に示されたスポット走査コントローラの構成を概略的に示している。図３は、カンチレバーに照射される検出光を示している。図４Ａは、Ｚ走査によりカンチレバーのＺ軸に沿った位置が移動された様子を示している。図４Ｂは、Ｚ走査によるカンチレバーのＺ軸に沿った移動により、カンチレバーに照射される検出光の照射エリアの位置が移動された様子を示している。図５は、カンチレバーの移動量とカンチレバーに照射される検出光の照射エリアの位置の移動量の関係を示す図である。図６は、図１のスポット位置スキャナが、集光レンズに向けて出射される検出光の集光レンズに対する出射角度を変化させた様子を示している。図７は、図６のスポット位置スキャナの動作原理を説明するための光路図である。図８Ａは、図６のスポット位置スキャナの構成例を示している。図８Ｂは、図６のスポット位置スキャナの別の構成例を示している。図８Ｃは、図６のスポット位置スキャナのまた別の構成例を示している。図９Ａは、光源がコリメートレンズに対して、コリメートレンズの光軸に垂直な面に沿って変位されたことにより、カンチレバーに照射される検出光の照射エリアの位置が移動された様子を示している。図９Ｂは、図９Ａに示された光源の変位により、カンチレバーに照射される検出光の照射エリアの位置が移動された様子を示している。図１０は、光源をコリメートレンズに対して、コリメートレンズの光軸に垂直な面に沿って変位させることにより、集光レンズにより集光された検出光のカンチレバーに照射される位置のＺ走査に起因するカンチレバーに沿った移動が抑えられることを説明するための図である。図１１は、第一の実施形態の変形例によるスポット位置スキャナの構成例を示している。図１２は、第二の実施形態による原子間力顕微鏡の構成を概略的に示している。図１３は、図１２に示されたスポット走査コントローラの構成を概略的に示している。図１４Ａは、Ｚ走査によりカンチレバーのＺ軸に沿った位置が移動された様子を示している。図１４Ｂは、Ｚ走査によるカンチレバーのＺ軸に沿った移動により、カンチレバーに照射される検出光の照射エリアの位置が移動されたことに加えて、照射エリアの径が大きくなった様子を示している。図１５は、図１２のスポット位置スキャナが、集光レンズに向けて出射される検出光の集光レンズに対する拡がり角度を変化させた様子を示している。図１６は、図１５のスポット位置スキャナの動作原理を説明するための光路図である。図１７Ａは、図１５のスポット位置スキャナの構成例を示している。図１７Ｂは、図１５のスポット位置スキャナの別の構成例を示している。図１８は、光源が、コリメートレンズに対して、コリメートレンズの光軸に沿って変位されたことにより、カンチレバーに照射される検出光の照射エリアの大きさが変化された様子を示している。図１９は、光源をコリメートレンズに対して、コリメートレンズの光軸に沿って変位させることにより、カンチレバーに照射される検出光の照射エリアの大きさのＺ走査に起因する変化が抑えられることを説明するための図である。図２０Ａは、第二の実施形態の第一の変形例によるスポット位置スキャナの構成例を示している。図２０Ｂは、第二の実施形態の第一の変形例によるスポット位置スキャナの別の構成例を示している。図２１は、第二の実施形態の第二の変形例によるスポット位置スキャナの構成例を示している。図２２は、第三の実施形態による原子間力顕微鏡の構成を概略的に示している。図２３は、図２２に示されたスポット走査コントローラの構成を概略的に示している。図２４Ａは、図２２のスポット位置スキャナの構成例を示している。図２４Ｂは、図２２のスポット位置スキャナの別の構成例を示している。

　＜第一の実施形態＞
　本発明の原子間力顕微鏡の第一の実施形態について、図１ないし図１０を用いて以下に説明する。原子間力顕微鏡は、探針を有するカンチレバーを用いて試料の物理情報を得る装置である。図１は、本実施形態による原子間力顕微鏡の構成を概略的に示している。

　図１に示されるように、原子間力顕微鏡は、ＸＹ可動台１３と、ＸＹ可動台１３をＸＹ平面に平行な面内でＸＹ走査させるＸＹスキャナ１４と、カンチレバー１７をＸＹ平面に垂直なＺ軸に沿ってＺ走査させるＺスキャナ１５と、メインコントローラ２０と、ホストコンピュータ２１とを備えている。

　ＸＹ可動台１３は、ＸＹスキャナ１４の自由端に保持されている。ＸＹスキャナ１４は、その固定端が図示しない筐体に保持され、メインコントローラ２０から出力されるＸＹ走査信号に従ってＸＹ平面に平行な面内で伸縮動作をする。これにより、ＸＹ可動台１３は、ＸＹスキャナ１４によってＸＹ平面に平行な面内でＸＹ走査される。

　より詳しくは、ＸＹスキャナ１４は、Ｘ軸に沿って伸縮動作するＸスキャナと、Ｙ軸に沿って伸縮動作するＹスキャナを含んでいる。ＸスキャナとＹスキャナが独立して伸縮動作することによって、ＸＹ可動台１３がＸＹ平面に平行な面内でＸＹ走査される。

　Ｚスキャナ１５は、固定端がＸＹ可動台１３に保持され、自由端にカンチレバー１７を保持している。カンチレバー１７は、その自由端に探針１７ｂを有し、カンチレバーチップ１７ａに保持されている。カンチレバー１７は、カンチレバーチップ１７ａとホルダ１６を介してＺスキャナ１５の自由端に保持される。

　Ｚスキャナ１５は、メインコントローラ２０に含まれるＺ制御コントローラ２２から出力されるＺ走査信号に従って、ＸＹ平面に垂直なＺ軸に沿って伸縮動作をする。これにより、カンチレバー１７は、Ｚスキャナ１５によりＸＹ平面に垂直なＺ軸に沿ってＺ走査される。

　カンチレバー１７はＺスキャナ１５に保持され、Ｚスキャナ１５はＸＹ可動台１３に保持されているため、カンチレバー１７はＸＹスキャナ１４によりＸＹ平面に平行な面内でＸＹ走査される。すなわち、カンチレバー１７は、ＸＹスキャナ１４によりＸＹ走査され、Ｚスキャナ１５によりＺ走査される。

　カンチレバー１７に対向する位置には、試料台３１に載置された試料３０が配置される。カンチレバー１７は、探針１７ｂと試料３０との相互作用によって変形が生じる。すなわち、カンチレバー１７が変位する。

　原子間力顕微鏡はまた、カンチレバー１７の変位を光学的に検出する光学式変位センサを備えている。光学式変位センサは、検出光１１を生成して出射する検出光出射器１０と、検出光出射器１０から出射される検出光１１を集光してカンチレバー１７に照射する集光レンズ１２と、カンチレバー１７の背面からの反射光を受光してカンチレバー１７の変位を検出する分割フォトディテクタ１９とを有している。

　検出光出射器１０は、実質的に平行な検出光１１を生成して集光レンズ１２に向けて出射する。検出光出射器１０は、図示しない筐体に保持されている。

　集光レンズ１２は、ＸＹ可動台１３に保持されている。集光レンズ１２は、ＸＹスキャナ１４によりＸＹ走査されるが、Ｚ走査はされない。集光レンズ１２は、少なくとも一つのレンズを含んでいる。すなわち、集光レンズ１２は、一つのレンズで構成されてもよく、また、複数のレンズで構成されてもよい。集光レンズ１２は、入射する平行光の検出光１１を集光し、集束光の検出光１８を生成し、生成された検出光をカンチレバー１７に照射することでカンチレバー１７上に照射エリアを生成する。

　集光レンズ１２により集光された検出光１８は、図３に示されるように、中心軸１８ａと、集束されたスポット１８ｂと、スポット領域１８ｃを有している。スポット領域１８ｃは、焦点深度の領域を示し、その中心軸１８ａに沿った中心にスポット１８ｂがある。

　スポット１８ｂのスポット径と焦点深度は、検出光１１の波長や集光レンズ１２の性能などにより決まる。ここでスポット径をＷ、焦点深度をＨとおく。スポット径Ｗは、例えば、検出光１１の波長が１μｍ、集光レンズ１２の開口数（Ｎ.Ａ.）が０．５とすると、１μｍ程度から３μｍ程度となる。また焦点深度Ｈは、例えば、検出光１１の波長が１μｍ、集光レンズ１２の開口数（Ｎ.Ａ.）が０．５とすると、２μｍ程度から４μｍ程度となる。スポット領域１８ｃにおいては、その領域幅は焦点深度Ｈと同じであるため、そのビーム径は、ほぼスポット径Ｗとみなすことができる。従ってスポット領域１８ｃの領域のビーム径は１μｍ程度から３μｍ程度となり、またスポット領域１８ｃの領域幅は、焦点深度Ｈと同じで２μｍ程度から４μｍ程度となる。

　検出光１８は、図１に示されるように、集光レンズ１２からカンチレバー１７上に照射される。詳しくは、カンチレバー１７の背面上（探針１７ｂが設けられている側と反対側の面）に、カンチレバー１７の背面がスポット領域１８ｃと重なるように照射される。望ましくは、検出光１８は、カンチレバー１７の背面とスポット１８ｂが一致するように照射される。このとき、カンチレバー１７の背面上に照射されるビーム径は、すなわち、照射エリアは、スポット径Ｗとほぼ同じになる。つまり、集光レンズ１２は入射する検出光１１を集光し、集光されたスポットを有する検出光１８を生成し、生成された検出光１８をカンチレバー１７に照射することでカンチレバー１７の背面上に照射エリアを生成する。

　カンチレバー１７は、ＸＹスキャナ１４によりＸＹ走査され、Ｚスキャナ１５によりＺ走査される。一方で、集束されたスポット１８ｂは、集光レンズ１２と同様に、ＸＹスキャナ１４によりＸＹ走査されるが、Ｚ走査はされない。このため、Ｚ走査によって、スポット１８ｂに対してカンチレバー１７は、Ｚ軸に沿った位置がズレる。すなわち、Ｚ走査に起因するカンチレバー１７とスポット１８ｂの位置ズレが生じる。

　検出光１８はカンチレバー１７の背面により反射され、この反射光は、分割フォトディテクタ１９に入射する。分割フォトディテクタ１９は、カンチレバー１７の背面からの反射光を受光し、カンチレバー１７の変位を検出する。検出されたカンチレバー１７の変位は、カンチレバーの変位信号としてメインコントローラ２０に含まれるＺ制御コントローラ２２に出力される。

　Ｚ制御コントローラ２２は、例えばカンチレバー１７の変位信号を一定に維持するようなＺ走査信号を生成する。Ｚ制御コントローラ２２は、Ｚ走査信号によりＺスキャナ１５を制御する。

　メインコントローラ２０は、ＸＹ走査信号によりＸＹスキャナ１４を制御する。メインコントローラ２０は、さらに、Ｚ走査信号に基づいて試料３０の物理情報を生成する。

　ホストコンピュータ２１は、メインコントローラ２０を制御するためのものであり、メインコントローラ２０により生成された試料３０の物理情報を表示する。

　以上から分かるように、本実施形態は、カンチレバースキャンタイプ（検出光追従型）の走査機構を備えた原子間力顕微鏡を構成している。このような原子間力顕微鏡は、ＸＹ方向の走査においては高精度に追従できるが、Ｚ方向の走査においては追従自体ができない。

　さらに本実施形態の原子間力顕微鏡は、スポット位置スキャナ４０とスポット走査コントローラ２３で構成されたＺ走査追従システムを備えている。このＺ走査追従システムは、Ｚ走査に起因するカンチレバー１７とスポット１８ｂの位置ズレの影響を抑える機能を有している。Ｚ走査に起因するカンチレバー１７とスポット１８ｂの位置ズレの影響とは、「カンチレバー１７に照射される検出光１８の照射エリアの位置のＺ走査に起因するカンチレバー１７に沿った移動」のことである。すなわち、このＺ走査追従システムは、「カンチレバー１７に照射される検出光１８の照射エリアの位置のＺ走査に起因するカンチレバー１７に沿った移動」を抑える機能を有している。言い換えれば、Ｚ走査追従システムは、「Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動」をＺ走査に応じて抑える機能を有している。なお照射エリアの位置とは、例えば、照射エリアの面の重心位置をいう。

　スポット位置スキャナ４０は、検出光出射器１０に含まれている。スポット位置スキャナ４０は、メインコントローラ２０に含まれるスポット走査コントローラ２３により制御される。スポット位置スキャナ４０は、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを動かすように、すなわちカンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させるように動作する。このスポット位置スキャナ４０の動作は、メインコントローラ２０に含まれるスポット走査コントローラ２３から出力されるスポット位置制御信号に基づいて行われる。

　スポット走査コントローラ２３は、Ｚ制御コントローラ２２により生成されたＺ走査信号に基づいて、Ｚ走査に応じたスポット位置制御信号を生成する。すなわち、スポット走査コントローラ２３は、スポット位置スキャナ４０をＺ走査に応じて制御し、スポット位置スキャナ４０は、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させる。

　Ｚ走査追従システムにおいては、スポット走査コントローラ２３がスポット位置スキャナ４０をＺ走査に応じて制御し、スポット位置スキャナ４０がカンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させることにより、「Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動」をＺ走査に応じて抑えることが可能になっている。

　メインコントローラ２０、走査コントローラ２３、Ｚ制御コントローラ２２における演算や制御は、電子回路や(ハードウェア型)プロセッサ、メモリ、ソフトウェア等の協働により行われる。

　ここで、「Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動」について、図４Ａと図４Ｂを用いて説明する。

　図４Ａにおいて、カンチレバー１７とＸ軸の成す角度をθ_１、検出光１８の中心軸１８ａとＺ軸の成す角度をθ_２とし、カンチレバー１７の背面とスポット領域１８ｃが重なっている状態を初期状態とする。このときのカンチレバー１７のＺ軸に沿った位置を位置Ａとし、位置Ａでのカンチレバー１７の背面上に照射される検出光１８の照射エリアを、図４Ｂに示すように照射エリア５０ａとする。このとき照射エリア５０ａの径は、スポット１８ｂの径とほぼ同じになる。

　そしてカンチレバー１７のＺ軸に沿った位置が、Ｚスキャナ１５のＺ走査によって位置Ａから位置Ｂまで距離Ｚだけ移動したとする。この走査量Ｚは、本実施形態においては、スポット領域１８ｃの領域幅である焦点深度Ｈよりも小さいものとし、位置Ｂでのカンチレバー１７の背面上に照射される検出光１８の照射エリアを、図４Ｂに示すように照射エリア５０ｂとする。この照射エリア５０ｂの径は、カンチレバー１７の走査量Ｚがスポット領域１８ｃの領域幅である焦点深度Ｈよりも小さく、カンチレバー１７の背面とスポット領域１８ｃが重なっているため、照射エリア５０ａの径とほぼ同じになる。すなわち、位置Ａでのカンチレバー１７の背面上に照射される照射エリア５０ａの径と、位置Ｂでのカンチレバー１７の背面上に照射される照射エリア５０ｂの径と、スポット１８ｂの径が実質的に同じになる。従って、カンチレバー１７の走査量Ｚがスポット領域１８ｃの領域幅である焦点深度Ｈよりも小さい場合は、カンチレバー１７の背面上に照射される検出光１８の照射エリア径に変化は無いとみなせる。

　しかしながら、カンチレバー１７の背面上に照射される検出光１８の照射エリアの位置は、照射エリア５０ａから照射エリア５０ｂに距離Ｓだけ移動してしまう。この移動距離Ｓは、図５より次式（１）で表せる。

　この式（１）より、この照射エリアの移動距離Ｓは、理論的には、θ_２＝０のとき、すなわち検出光１８の中心軸１８ａとＺ軸の成す角度がゼロのとき、Ｓ＝０となる。しかしながら実際には（実際の装置では）、ほとんどの場合、検出光１８の中心軸１８ａとＺ軸の成す角度がちょうどゼロになることはなく、｜θ_２｜＞０とみなせる。そして｜θ_２｜＞０のとき、すなわち検出光１８の中心軸１８ａとＺ軸の成す角度の絶対値がゼロよりも大きいときは、照射エリアは式（１）に従って距離Ｓだけ移動する。照射エリアの移動距離Ｓは、検出光１８の中心軸１８ａとＺ軸の成す角度の絶対値がゼロよりも大きいほど、さらに走査量Ｚが大きいほど、大きくなる。

　カンチレバー１７の背面上に照射される検出光１８の照射エリアの位置が、照射エリア５０ａから照射エリア５０ｂに距離Ｓだけ移動することを、「Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動」という。この「Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動」は、Ｚ走査に起因するスポット１８ｂに対するカンチレバー１７の位置ズレが引き起こしているため、「Ｚ走査に起因するスポット１８ｂに対するカンチレバー１７の位置ズレによって生じる、カンチレバー１７の背面に照射される検出光１８の照射エリアの位置の、カンチレバー１７に沿った移動」と言い換えることもできる。これは、ＡＦＭの観察精度を落とす原因になる。

　例えば、本発明の原子間力顕微鏡に限らず、一般的なＡＦＭにおいては、カンチレバー１７とＸ軸の成す角度θ_１は、５度ないし２０度であり、検出光１８の中心軸１８ａとＺ軸の成す角度θ_２は、カンチレバー１７の背面上に照射される照射エリア径を最小にするために、カンチレバー１７とＸ軸の成す角度θ_１とほぼ同じにすることが多い。この場合、式（１）は、次式（２）となる。

　走査量Ｚが１μｍのとき、つまり、検出光１１の波長が１μｍかつ集光レンズ１２の開口数（Ｎ.Ａ.）が０．５のときの焦点深度Ｈよりも小さいとき、照射エリアの移動距離Ｓは、０．０９μｍないし０．３４μｍとなる。ナノメートルの分解能が要求されるＡＦＭにおいて、カンチレバー１７の背面上に照射される照射エリアの位置が数百ナノメートルも移動することは大きな問題となる。

　この問題を解決するために、スポット位置スキャナ４０が、Ｚスキャナ１５のＺ走査に応じて、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させることで、Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動をＺ走査に応じて抑える。

　このスポット位置スキャナ４０において、Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動をＺ走査に応じて抑える動作について、図６ないし図１０を用いて説明する。

　まず、図６に示すように、スポット位置スキャナ４０は、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する出射角度を変化させるように動作する。それにより、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させる。

　このスポット位置スキャナ４０の動作原理について、図７に示す光路図で簡単に説明する。

　図７の左側においては、発光点ＥＰから出た発散光は、レンズＬ１を通過することにより平行光に変えられ、続いて、レンズＬ２を通過することにより集束光に変えられ、集光点ＦＰに集光する。

　ここで図７の右側に示すように、発光点ＥＰが、レンズＬ１の光軸に垂直な面に沿った方向Ｍに、すなわちレンズＬ１の光軸に直交する方向Ｍに移動量ｍだけ移動したとする。このとき、レンズＬ１から出た光は、レンズＬ２に対して出射角度が変わる。その結果、集光点ＦＰは、レンズＬ２の光軸に垂直な面に沿った方向Ｎに、すなわちレンズＬ２の光軸に直交する方向Ｎに移動される。この方向Ｎは、方向Ｍに対して逆向きとなる。発光点ＥＰの移動量ｍと集光点ＦＰの移動量ｎの関係は、レンズＬ１とレンズＬ２の光学特性により決まる。

　発光点ＥＰの移動量ｍと集光点ＦＰの移動量ｎの関係式は、レンズＬ１の焦点距離をｆ_１、レンズＬ２の焦点距離をｆ_２とした場合、次式（３）で表せる。

　スポット位置スキャナ４０は、この関係式に基づいて、Ｚ走査に応じて、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する出射角度を変化させ、それによりＺ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動をＺ走査に応じて抑える。

　スポット位置スキャナ４０は、図８Ａに示すスポット位置スキャナ４０Ａのように構成されてよい。スポット位置スキャナ４０Ａは、少なくとも、筐体４８と、例えば半導体ＬＤなどの光源４１と、少なくとも一つのレンズを含むコリメートレンズ４２を備えている。コリメートレンズ４２は、光源４１からの出射光を平行光に変える機能を有している。コリメートレンズ４２は、一つのレンズで構成されてもよく、また、複数のレンズで構成されてもよい。またこのスポット位置スキャナ４０は、図示しない「絞り」や「フィルター」等の光学素子を備えていてもよい。

　スポット位置スキャナ４０Ａはさらに、光源４１をコリメートレンズ４２に対して変位させる第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ４３と、コリメートレンズ４２を光源４１に対して変位させる第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ４４の両方を備えている。変位アクチュエータ４３は、その固定端が筐体４８に保持され、その自由端に光源４１を保持している。変位アクチュエータ４４は、その固定端が筐体４８に保持され、その自由端にコリメートレンズ４２を保持している。

　このスポット位置スキャナ４０Ａは、変位アクチュエータ４３が光源４１を、変位アクチュエータ４４がコリメートレンズ４２を、コリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿ってそれぞれ逆向きに変位させることで、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する出射角度を変化させ、カンチレバー１７に対するスポット１８ｂを変位させることが可能になっている。

　第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ４３、または第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ４４、あるいはそれら両方には、スポット位置制御信号が供給される。変位アクチュエータ４３、または変位アクチュエータ４４、あるいはそれら両方は、スポット位置制御信号に基づいて、スポット走査コントローラ２３により制御され、光源４１、またはコリメートレンズ４２、あるいはそれら両方をそれぞれ変位させる。

　スポット位置スキャナ４０は、図８Ｂに示すスポット位置スキャナ４０Ｂや図８Ｃに示すスポット位置スキャナ４０Ｃのように変形が可能である。スポット位置スキャナ４０Ｂは、第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ４４を備えておらず、第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ４３だけで、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する出射角度を変化させる。またスポット位置スキャナ４０Ｃは、第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ４３を備えておらず、第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ４４だけで、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する出射角度を変化させる。

　すなわち、スポット位置スキャナ４０は、少なくとも、筐体４８と、例えば半導体ＬＤなどの光源４１と、少なくとも一つのレンズを含むコリメートレンズ４２を備えている。スポット位置スキャナ４０はさらに、光源４１をコリメートレンズ４２に対してコリメートレンズの光軸と垂直な面に沿って変位させる第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ４３と、コリメートレンズ４２を光源４１に対してコリメートレンズの光軸と垂直な面に沿って変位させる第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ４４との少なくとも一方を備えている。第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ４３および第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ４４は、それぞれ、スポット走査コントローラ２３によって制御される。スポット位置スキャナ４０は、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する出射角度を変化させることで、カンチレバー１７に対するスポット１８ｂを変位させることが可能になっている。

　スポット位置スキャナ４０においては、スポット位置スキャナ４０Ａ、スポット位置スキャナ４０Ｂ、スポット位置スキャナ４０Ｃは、すべてスポット１８ｂを変位させることが可能になっているが、スポット位置スキャナ４０Ａだけが変位アクチュエータを二つ備えている。このため、スポット１８ｂを大きく変位させたい場合は、スポット位置スキャナ４０Ａの構成が適している。

　次に、カンチレバー１７に対するスポット１８ｂの変位の向きと、第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ４３による光源４１の変位の向き、および第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ４４によるコリメートレンズ４２の変位の向きの関係を、スポット位置スキャナ４０が図８Ｂに示すスポット位置スキャナ４０Ｂの場合を例に説明する。

　図９Ａに示すように、光源４１が、コリメートレンズ４２に対して、コリメートレンズ４２の光軸４２ａに垂直な面に沿った方向Ｒに、すなわちコリメートレンズ４２の光軸４２ａに直交する方向Ｒに第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ４３により変位されたとする。このとき、コリメートレンズ４２から出た検出光１１の集光レンズ１２に対する出射角度が変わる。その結果、スポット１８ｂは、集光レンズ１２の光軸１２ａに垂直な面に沿った方向Ｌに、すなわち集光レンズ１２の光軸１２ａに直交する方向Ｌに変位する。この方向Ｌは、方向Ｒに対して逆向きとなる。ことのきカンチレバー１７の背面上に照射される照射エリア５０ａの位置は、図９Ｂに示すように、カンチレバー１７の伸長方向の探針１７ｂ側へ移動される。

　図８Ｃに示すスポット位置スキャナ４０Ｃにおいては、スポット位置スキャナ４０Ｂの場合と同じ方向Ｌの向きにスポット１８ｂを変位させたい場合は、第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ４４は、コリメートレンズ４２を、光源４１に対して、方向Ｒに対して逆向きに、すなわち方向Ｌの向きに変位させる。

　次に、スポット位置スキャナ４０が、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させる向きと、Ｚスキャナ１５のＺ走査の関係について、スポット位置スキャナ４０が図８Ｂに示すスポット位置スキャナ４０Ｂの場合を例に説明する。

　図１０において、カンチレバー１７のＺ軸に沿った位置がＺスキャナ１５のＺ走査によって実線の矢印の向きである方向Ｄに移動する場合は、図４に示したように、カンチレバー１７の背面上に照射される照射エリアの位置が、照射エリア５０ａから照射エリア５０ｂに距離Ｓだけ、カンチレバー１７の背面上を伸長方向の根元側へ移動してしまう。

　一方、図１０において、第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ４３が、光源４１をコリメートレンズ４２に対して、コリメートレンズ４２の光軸４２ａに垂直な面に沿って実線の矢印の向きである方向Ｒに変位させると、図９に示したように、スポット１８ｂは、集光レンズ１２の光軸１２ａに垂直な面に沿った方向Ｌに、すなわち、照射エリア５０ａがカンチレバー１７の背面上を伸長方向の根元側とは逆の探針１７ｂ側へ移動する。

　従って、カンチレバー１７のＺ軸に沿った位置がＺスキャナ１５のＺ走査によって実線の矢印の向きである方向Ｄに移動する場合は、変位アクチュエータ４３によって、光源４１をコリメートレンズ４２に対して、コリメートレンズ４２の光軸４２ａに垂直な面に沿って実線の矢印の向きである方向Ｒに変位させることで、検出光１８のカンチレバー１７に照射される検出光１８の照射エリアの位置のＺ走査に起因するカンチレバー１７に沿った移動を抑えることができる。

　また、図１０において、カンチレバー１７のＺ軸に沿った位置がＺスキャナ１５のＺ走査によって点線の矢印の向きである方向Ｕに移動する場合には、変位アクチュエータ４３によって、コリメートレンズ４２を光源４１に対して、コリメートレンズ４２の光軸４２ａに垂直な面に沿って点線の矢印の向きである方向Ｌに変位させことで、カンチレバー１７に照射される検出光１８の照射エリアの位置のＺ走査に起因するカンチレバー１７に沿った移動を抑えることができる。

　なお、図８Ｃに示すスポット位置スキャナ４０Ｃにおいては、カンチレバー１７のＺ軸に沿った位置がＺスキャナ１５のＺ走査によって方向Ｄに移動する場合は、変位アクチュエータ４４によって、コリメートレンズ４２を光源４１に対して、コリメートレンズ４２の光軸４２ａに垂直な面に沿って、方向Ｒに対して逆向きの方向Ｌの向きに変位させることで、Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動を抑えることができる。

　また、カンチレバー１７のＺ軸に沿った位置がＺスキャナ１５のＺ走査によって方向Ｕに移動する場合は、変位アクチュエータ４４によって、コリメートレンズ４２を光源４１に対して、コリメートレンズ４２の光軸４２ａに垂直な面に沿って、方向Ｌに対して逆向きの方向Ｒの向きに変位させることで、Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動を抑えるこができる。

　次に、スポット位置スキャナ４０がカンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させるときの光源４１の移動量とＺスキャナ１５のＺ走査量の関係と、スポット走査コントローラ２３の構成と動作について、スポット位置スキャナ４０が図８Ｂに示すスポット位置スキャナ４０Ｂの場合を例に説明する。

　光源４１の移動量に対するスポット１８ｂの変位量は、すなわち光源４１の移動量に対するカンチレバー１７の背面上に照射される照射エリア５０ａの移動量は、図７を用いて説明した原理と同様に、コリメートレンズ４２と集光レンズ１２の光学特性により決まる。

　例えば、コリメートレンズ４２の焦点距離と集光レンズ１２の焦点距離が、それぞれ、図７で示したレンズＬ１の焦点距離ｆ_１とレンズＬ２の焦点距離ｆ_２と同じであるとする。このとき、前述した式（１）で示した移動量Ｓは、式（３）で示した移動量ｎに相当するため、走査量Ｚと光源４１の移動量ｍの関係は、次式（４）で表すことができる。

　スポット走査コントローラ２３は、図２に示すように、Ｚ走査量算出部２３ａと、パラメータ格納部２３ｃと、演算部２３ｂを備えている。パラメータ格納部２３ｃは、スポット位置制御信号の生成に必要な情報を格納している。Ｚ走査量算出部２３ａは、Ｚ走査信号と、パラメータ格納部２３ｃに格納された情報を用いて演算することで、Ｚ走査量を算出し、演算部２３ｂに供給する。演算部２３ｂは、Ｚ走査量算出部２３ａにて算出されたＺ走査量と、パラメータ格納部２３ｃに格納された情報を用いて演算することで、スポット位置制御信号を生成し、出力する。

　Ｚ走査量算出部２３ａでの算出式と、パラメータ格納部２３ｃに格納された情報と、演算部２３ｂで行われる演算式について、以下に説明する。

　まず、パラメータ格納部２３ｃに格納された情報は、Ｚスキャナ１５の単位電圧当たり変位量、コリメートレンズ４２の焦点距離、集光レンズ１２の焦点距離、カンチレバー１７とＸ軸の成す角度、検出光１８の中心軸１８ａとＺ軸の成す角度、変位アクチュエータ４３の単位電圧当たりの変位量を含んでいる。ここで、Ｚスキャナ１５の単位電圧当たり変位量をＰ_ｚ[ｍ／Ｖ]、コリメートレンズ４２の焦点距離をｆ_１[ｍ]、集光レンズ１２の焦点距離をｆ_２[ｍ]、カンチレバー１７とＸ軸の成す角度をθ_１[ｄｅｇ]、検出光１８の中心軸１８ａとＺ軸の成す角度をθ_２[ｄｅｇ]、変位アクチュエータ４３の単位電圧当たりの変位量をＰ_ｍ[ｍ／Ｖ]とおく。

　Ｚ走査量算出部２３ａで求めるＺ走査量Ｚ[ｍ]は、Ｚ走査信号の時間ｔにおける電圧Ｖ_０[Ｖ]と、Ｚスキャナ１５の単位電圧当たり変位量Ｐ_ｚ[ｍ／Ｖ]から算出できる。Ｚ走査量算出部２３ａは、Ｚ[ｍ]を、Ｚ走査信号を受けて、時間ｔにおけるＺ走査信号の電圧Ｖ_０[Ｖ]を検出し、Ｚスキャナ１５の単位電圧当たり変位量Ｐ_ｚ[ｍ／Ｖ]を掛けて求める。つまり、Ｚ走査量算出部２３ａでの算出式は次式（５）になる。

　式（５）により、式（４）に記載した光源４１の移動量ｍは次式（６）で表せる。

　一方、光源４１の移動量ｍは、変位アクチュエータ４３の単位電圧当たりの変位量Ｐ_ｍ[ｍ／Ｖ]と、時間ｔにおけるスポット位置制御信号の電圧Ｖ_１[Ｖ]により、次式（７）で表せる。

　そして演算部２３ｂにおける演算式は、スポット位置制御信号の時間ｔにおけるスポット位置制御信号の電圧をＶ_１[Ｖ]として、式（６）と式（７）より、次式（８）に表せる。

　演算部２３ｂでは、式（８）に示す演算により、スポット位置制御信号を生成し、出力する。

　スポット位置スキャナ４０が図８Ｃに示すスポット位置スキャナ４０Ｃの場合については、変位アクチュエータ４４が、変位アクチュエータ４３とは逆向きに動作するように配置されており、変位アクチュエータ４４の単位電圧当たりの変位量をＰ_ｍ’[ｍ／Ｖ]とすると、スポット走査コントローラ２３の演算部２３ｂは、式（８）のＰ_ｍをＰ_ｍ’に置き換えた式に基づいて演算を行う。

　またスポット位置スキャナ４０が図８Ａに示すスポット位置スキャナ４０Ａの場合については、変位アクチュエータ４４が、変位アクチュエータ４３とは逆向きに動作するように配置されており、変位アクチュエータ４４の単位電圧当たりの変位量をＰ_ｍ’[ｍ／Ｖ]とすると、スポット走査コントローラ２３の演算部２３ｂは、式（８）のＰ_ｍを（Ｐ_ｍ＋Ｐ_ｍ’）に置き換えた式に基づいて演算を行う。

　以上のように、スポット位置スキャナ４０は、Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動を抑えるように、第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ４３と第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ４４の少なくとも一方によって、光源４１とコリメートレンズ４２の少なくとも一方を、コリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿って変位させ、それにより、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する出射角度を変化させ、カンチレバー１７に対するスポット１８ｂを変位させる。

　スポット位置スキャナ４０は、上述したスポット１８ｂを変位させる動作を、スポット位置制御信号に基づいて行う。このスポット位置制御信号は、Ｚスキャナ１５に入力されるＺ走査信号に基づいて生成される。このようにスポット位置スキャナ４０は、スポット位置制御信号に基づいて、すなわちＺ走査に応じて、スポット走査コントローラ２３により制御される。従ってスポット位置スキャナ４０は、Ｚ走査に応じて、スポット走査コントローラ２３により制御され、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させることで、Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動を抑えるように動作する。

　本実施形態では、コリメートレンズ４２は１枚のレンズからなる例を示したが、２枚以上のレンズを用いて同じ機能を果たしてもよい。

　<変形例>
　第一の実施形態のスポット位置スキャナ４０においては、次の変形が可能である。図１１は、変形例であるスポット位置スキャナ４０Ｄを示している。図１１において、図８に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。

　スポット位置スキャナ４０Ｄは、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する出射角度を変化させるように動作する。それにより、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂが変位する。その結果、Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動をＺ走査に応じて抑えることができる。

　スポット位置スキャナ４０Ｄは、少なくとも、筐体６８と、例えば半導体ＬＤなどの光源４１と、少なくとも一つのレンズを含むコリメートレンズ４２を備えている。

　スポット位置スキャナ４０Ｄはさらに、コリメートレンズ４２から出射される検出光１１を集光レンズ１２に向けて反射するミラー６２と、ミラー６２の角度を変化させるように動作する回転アクチュエータ６３を備えている。回転アクチュエータ６３には、スポット位置制御信号が供給される。回転アクチュエータ６３は、スポット位置制御信号を出力するスポット走査コントローラ２３により制御される。回転アクチュエータ６３は、その固定端が筐体６８に保持され、その回転軸６３ａの周りにミラー６２を回転可能に保持し、ミラー６２を、回転軸６３ａを中心に回転動作をさせることができる。

　このスポット位置スキャナ４０Ｄは、すなわちＺ走査に応じたスポット走査コントローラ２３からのスポット位置制御信号に基づいて制御される。スポット走査コントローラ２３においては、スポット位置スキャナ４０Ｂと比べて、パラメータ格納部２３ｃに格納された情報と、演算部２３ｂで行われる演算式が異なる。

　まず、パラメータ格納部２３ｃに格納された情報は、Ｚスキャナ１５の単位電圧当たり変位量、集光レンズ１２の焦点距離、カンチレバー１７とＸ軸の成す角度、検出光１８の中心軸１８ａとＺ軸の成す角度、回転アクチュエータ６３の単位電圧当たりの回転角を含んでいる。ここで、Ｚスキャナ１５の単位電圧当たり変位量をＰ_ｚ[ｍ／Ｖ]、集光レンズ１２の焦点距離をｆ_２[ｍ]、カンチレバー１７とＸ軸の成す角度をθ_１[ｄｅｇ]、検出光１８の中心軸１８ａとＺ軸の成す角度をθ_２[ｄｅｇ]、回転アクチュエータ６３の単位電圧当たりの回転角をθ_ｍ[ｄｅｇ／Ｖ]とおく。

　このとき、演算部２３ｂにおける演算式は、スポット位置制御信号の時間ｔにおけるスポット位置制御信号の電圧をＶ２[Ｖ]として、式（１）と式（５）より次式（９）で表せる。

　演算部２３ｂは、式（９）に示す演算により、スポット位置制御信号を生成し、出力する。

　スポット位置スキャナ４０Ｄにおいては、回転変位アクチュエータ６３がミラー６２を回転させ、検出光１１の反射角を変化させることで、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する出射角度を変化させ、それにより、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂが変位する。その結果、Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動をＺ走査に応じて抑えることができる。

　この変形例においては、ミラー６２を使用することで光学的なリレーが可能になり、第一の実施形態で示した図７の構成と比べて、スポット位置スキャナ４０の形状や配置について、設計の自由度が高くなる。

　＜第二の実施形態＞
　以下、第二の実施形態について、図１２ないし図１９を用いて説明する。図１２ないし図１９において、図１ないし図１０それぞれに示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、また、第一の実施形態の説明で用いた図および部材については、その詳しい説明は省略する。

　本実施形態の原子間力顕微鏡は、図１２に示されるように、スポット位置スキャナ７０とスポット走査コントローラ２５で構成されたＺ走査追従システムを備えている。このＺ走査追従システムは、Ｚ走査に起因するカンチレバー１７とスポット１８ｂの位置ズレの影響を抑える機能を有している。本実施形態におけるＺ走査に起因するカンチレバー１７とスポット１８ｂの位置ズレの影響とは、「カンチレバー１７に照射される検出光１８の照射エリアの位置のＺ走査に起因するカンチレバー１７に沿った移動」に加え、「カンチレバー１７に照射される検出光１８の照射エリアの大きさのＺ走査に起因する変化」のことである。すなわち、このＺ走査追従システムは、「カンチレバー１７に照射される検出光１８の照射エリアの位置のＺ走査に起因するカンチレバー１７に沿った移動」を抑える機能と「カンチレバー１７に照射される検出光１８の照射エリアの大きさのＺ走査に起因する変化」を抑える機能の両方を有している。言い換えれば、Ｚ走査追従システムは、「Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動」をＺ走査に応じて抑える機能と、「Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化」をＺ走査に応じて抑える機能の両方を有している。

　スポット位置スキャナ７０は、検出光出射器１０に含まれている。スポット位置スキャナ７０は、メインコントローラ２４に含まれるスポット走査コントローラ２５により制御される。スポット位置スキャナ７０は、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを動かすように、すなわちカンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させるように動作する。このスポット位置スキャナ７０の動作は、メインコントローラ２４に含まれるスポット走査コントローラ２５から出力される第一のスポット位置制御信号と第二のスポット位置制御信号に基づいて行われる。

　スポット走査コントローラ２５は、Ｚ制御コントローラ２２により生成されたＺ走査信号に基づいて、Ｚ走査に応じた第一のスポット位置制御信号と第二のスポット位置制御信号を生成する。すなわち、スポット走査コントローラ２５は、スポット位置スキャナ７０をＺ走査に応じて制御し、スポット位置スキャナ７０は、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させる。

　Ｚ走査追従システムにおいては、スポット走査コントローラ２５がスポット位置スキャナ７０をＺ走査に応じて制御し、スポット位置スキャナ７０がカンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させることにより、「Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動」と、「Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化」を抑えることが可能になっている。

　メインコントローラ２４、走査コントローラ２５、Ｚ制御コントローラ２２における演算や制御は、電子回路や(ハードウェア型)プロセッサ、メモリ、ソフトウェア等の協働により行われる。

　ここで、Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化について、図１４Ａと図１４Ｂを用いて説明する。

　図１４Ａにおいて、カンチレバー１７とＸ軸の成す角度をθ_１、検出光１８の中心軸１８ａとＺ軸の成す角度をθ_２とし、カンチレバー１７の背面とスポット領域１８ｃが重なっている状態を初期状態とする。このときのカンチレバー１７のＺ軸に沿った位置を位置Ａとし、位置Ａでのカンチレバー１７の背面上に照射される検出光１８の照射エリアを、図１４Ｂに示すように照射エリア５０ａとする。このとき照射エリア５０ａの径は、スポット１８ｂの径とほぼ同じになる。

　そしてカンチレバー１７のＺ軸に沿った位置が、Ｚスキャナ１５のＺ走査によって位置Ａから位置Ｃまで距離Ｚ’だけ移動したとする。この走査量Ｚ’は、本実施形態においては、スポット領域１８ｃの領域幅である焦点深度Ｈよりも大きいものとし、位置Ｃでのカンチレバー１７の背面上に照射される検出光１８の照射エリアを、図１４Ｂに示すように照射エリア５０ｃとする。

　このとき、カンチレバー１７の走査量Ｚ’がスポット領域１８ｃの領域幅である焦点深度Ｈよりも大きく、カンチレバー１７がスポット領域１８ｃから外れてしまうために、カンチレバー１７の背面上に照射される検出光１８の照射エリアの位置が照射エリア５０ａから照射エリア５０ｃに距離Ｓ’だけ移動することに加え、照射エリア５０ｃの径すなわち大きさが照射エリア５０ａの径すなわち大きさよりも大きくなる。

　この照射エリア径の変化、すなわち、照射エリアの大きさの変化は、走査量Ｚ’が大きいほど、大きくなる。

　Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化が大きい場合は、検出光１８がカンチレバー１７に納まらなくなり、その結果、検出光１８のカンチレバー１７の背面からの反射光の形状が変化し、分割フォトディテクタ１９によるカンチレバー１７の変位の検出感度を変化させる。また、検出光１８の一部が試料３０に照射され、試料３０が光毒性を有する生体試料であれば、それに影響を与えてしまう。

　本実施形態のスポット位置スキャナ７０においては、Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化を抑えるように動作するため、Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化が大きい場合に効果がある。

　照射エリア５０ａから照射エリア５０ｃへの距離Ｓ’の移動、すなわち検出光１８のカンチレバーに照射される位置がカンチレバーに沿って移動することは、第一の実施形態で説明したように、Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動のことである。従って、本実施形態の原子間力顕微鏡においては、Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動を抑えるだけでなく、Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化を抑えることもできる。

　このスポット位置スキャナ７０において、Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化を抑える動作について、図１５ないし図１９を用いて説明する。

　このスポット位置スキャナ７０は、図１５に示すように、Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化を抑えるために、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する拡がり角度を変化させる。すなわち、スポット位置スキャナ７０は、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する拡がり角度を変化させ、それにより、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させ、Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化を抑える。

　このスポット位置スキャナ７０の動作原理について、図１６に示す光路図で簡単に説明する。

　図１６の左側においては、発光点ＥＰから出た発散光は、レンズＬ１を通過することにより平行光に変えられ、続いて、レンズＬ２を通過することにより集束光に変えられ、集光点ＦＰに集光する。

　ここで図１６の右側に示すように、発光点ＥＰが、レンズＬ１の光軸に沿った方向Ｇに移動したとする。このとき、レンズＬ１から出た光は、レンズＬ２に対して拡がり角度が変わる。その結果、集光点ＦＰは、レンズＬ２の光軸に沿った方向Ｇ’に移動される。この方向Ｇ’は、方向Ｇと同じ向きとなる。発光点ＥＰの移動量ｇに対する集光点ＦＰの移動量ｇ’の関係は、レンズＬ１とレンズＬ２の光学特性により決まる。

　発光点ＥＰの移動量ｇと集光点ＦＰの移動量ｇ’の関係は、レンズＬ１の焦点距離をｆ_１、レンズＬ２の焦点距離をｆ_２とし、発光点ＥＰの移動量ｇがレンズＬ１、Ｌ２の焦点距離ｆ_１、ｆ_２よりも十分に小さい場合、次式（１０）で近似できる。

　スポット位置スキャナ７０は、この関係式に基づいて、Ｚ走査に応じて、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する拡がり角度を変化させ、それによりカンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させ、Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化を抑える。

　スポット位置スキャナ７０は、図１７Ａに示すスポット位置スキャナ７０Ａや、図１７Ｂに示すスポット位置スキャナ７０Ｂのように、少なくとも、筐体７８と、例えば半導体ＬＤなどの光源４１と、少なくとも一つのレンズを含むコリメートレンズ４２とを備えている。

　スポット位置スキャナ７０はさらに、光源４１とコリメートレンズ４２の一方をコリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿った方向に変位させる第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７３と、光源４１とコリメートレンズ４２の他方をコリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向に変位させる第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７４を備えている。

　具体的には、スポット位置スキャナ７０Ａは、コリメートレンズ４２をコリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿った方向に変位させる第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７３と、光源４１をコリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向に変位させる第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７４を備えている。

　一方、スポット位置スキャナ７０Ｂは、光源４１をコリメートレンズ４２の光軸４２ａに垂直な面に沿った方向に変位させる第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７３と、コリメートレンズ４２をコリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向に変位させる第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７４を備えている。

　第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７３には、第一のスポット位置制御信号が供給され、第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７４には、第二のスポット位置制御信号が供給される。変位アクチュエータ７３と変位アクチュエータ７４は、それぞれ、第一のスポット位置制御信号と第二のスポット位置制御信号に基づいて、スポット走査コントローラ２５により制御され、光源４１とコリメートレンズ４２を変位させる。

　変位アクチュエータ７３と変位アクチュエータ７４は、それぞれ、固定端と、その固定端に対して変位する自由端を有している。

　図１７Ａに示すスポット位置スキャナ７０Ａにおいては、変位アクチュエータ７３は、その固定端が筐体７８に保持され、自由端にコリメートレンズ４２を保持し、コリメートレンズ４２をコリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿った方向に変位させる。また、変位アクチュエータ７４は、その固定端が筐体７８に保持され、自由端に光源４１を保持し、光源４１をコリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向に変位させる。

　図１７Ｂに示すスポット位置スキャナ７０Ｂにおいては、変位アクチュエータ７３は、その固定端が筐体７８に保持され、自由端に光源４１を保持し、光源４１をコリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿った方向に変位させる。また、変位アクチュエータ７４は、その固定端が筐体７８に保持され、自由端にコリメートレンズ４２を保持し、コリメートレンズ４２をコリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向に変位させる。

　図１７Ａに示すスポット位置スキャナ７０Ａは、変位アクチュエータ７３がコリメートレンズ４２を、コリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿った方向に変位させることで、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する出射角度を変化させ、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させることが可能になっている。

　さらに、変位アクチュエータ７４が光源４１を、コリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿って変位させることで、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する拡がり角度を変化させ、カンチレバー１７に対するスポット１８ｂを変位させることが可能になっている。

　また、図１７Ｂに示すスポット位置スキャナ７０Ｂは、変位アクチュエータ７３が光源４１を、コリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿った方向に変位させることで、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する出射角度を変化させ、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させることが可能になっている。

　さらに、変位アクチュエータ７４がコリメートレンズ４２を、コリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿って変位させることで、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する拡がり角度を変化させ、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させることが可能になっている。

　すなわち、スポット位置スキャナ７０は、少なくとも、筐体７８と、例えば半導体ＬＤなどの光源４１と、少なくとも一つのレンズを含むコリメートレンズ４２と、光源４１とコリメートレンズ４２の一方をコリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿った方向に変位させる第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７３と、光源４１とコリメートレンズ４２の他方をコリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向に変位させる第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７４とを備えている。

　そして第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７３が、光源４１とコリメートレンズ４２の一方をコリメートレンズの光軸と垂直な面に沿った方向に変位させることで、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する出射角度を変化させ、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させることが可能になっている。

　さらに第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７４が、光源４１とコリメートレンズ４２の他方をコリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿って変位させることで、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する拡がり角度を変化させ、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させることが可能になっている。

　次に、スポット位置スキャナ７０が図１７Ａに示すスポット位置スキャナ７０Ａの場合を例に、カンチレバー１７に対するスポット１８ｂの変位の向きと、第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７４による光源４１の移動の向きの関係を説明する。

　なお、カンチレバー１７に対するスポット１８ｂの変位の向きと、第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７３によるコリメートレンズ４２の移動の向きの関係は、第一の実施形態と同じであるため、ここでは説明を省略する。

　図１８に示すように、光源４１を、コリメートレンズ４２に対して、コリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向Ａに、第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７４により変位させたとする。このとき、コリメートレンズ４２から出た検出光１１の集光レンズ１２に対する拡がり角度が変わる。その結果、スポット１８ｂは、集光レンズ１２の光軸１２ａに沿った方向А’に変位する。方向Ａと方向Ａ’は同じ向きである。スポット１８ｂが変位する方向Ａ’は、Ｚ軸に沿った－Ｚの向きの成分を含んでいる。光源４１の移動量に対するスポット１８ｂの変位量は、主にコリメートレンズ４２と集光レンズ１２の光学特性により決まる。

　例えば、コリメートレンズ４２の焦点距離と集光レンズ１２の焦点距離が、それぞれ、図１６で示したレンズＬ１の焦点距離ｆ_１とレンズＬ２の焦点距離ｆ_２と同じであるとする。このとき、光源４１の移動量ｇとスポット１８ｂの変位量ｇ’は、前述した式（１０）で示した関係になる。

　図１７Ｂに示すスポット位置スキャナ７０Ｂにおいては、スポット位置スキャナ７０Ａの場合と同じ方向Ａ’の向きにスポット１８ｂを変位させたい場合は、第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７４は、コリメートレンズ４２を、光源４１に対して、方向Аと逆向きに変位させる。

　次に、スポット位置スキャナ７０が、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させる向きと、Ｚスキャナ１５のＺ走査の関係について、スポット位置スキャナ７０が図１７Ａに示すスポット位置スキャナ７０Ａの場合を例に説明する。

　図１９において、カンチレバー１７のＺ軸に沿った位置がＺスキャナ１５のＺ走査によって実線の矢印の向きである方向Ｄに移動する場合は、カンチレバー１７が、スポット１８ｂに対し、Ｚ軸に沿った－Ｚの向きの成分を含んだ向きに移動する。

　一方、第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７４が、光源４１をコリメートレンズ４２に対して、コリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿って実線の矢印の向きである方向Ａに変位させると、図１８に示したように、スポット１８ｂは、集光レンズ１２の光軸１２ａに沿った方向Ａ’に変位する。方向Ａ’は、Ｚ軸に沿った－Ｚの向きの成分を含んでいる。このときの変位量ｇ’は、式（１０）で示した関係になる。

　従って、カンチレバー１７のＺ軸に沿った位置がＺスキャナ１５のＺ走査によって実線の矢印の向きである方向Ｄに移動する場合は、変位アクチュエータ７４によって、光源４１をコリメートレンズ４２に対して、コリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿って実線の矢印の向きである方向Ａに変位させることで、カンチレバー１７に対するスポット１８ｂのＺ軸に沿った位置ズレが低減され、その結果、カンチレバー１７とスポット１８ｂの位置ズレの影響、すなわちＺ走査に起因する照射エリアの大きさの変化を抑えることができる。

　また、図１８において、カンチレバー１７のＺ軸に沿った位置がＺスキャナ１５のＺ走査によって点線の矢印の向きである方向Ｕに移動する場合には、変位アクチュエータ７４によって、光源４１をコリメートレンズ４２に対して、コリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿って点線の矢印の向きである方向Ｆに変位させることで、Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化を抑えることができる。

　以上のように、スポット位置スキャナ７０は、Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化を抑えるように、第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７４によって、光源４１とコリメートレンズ４２の一方を、コリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿って変位させ、それにより、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する拡がり角度を変化させ、カンチレバー１７に対するスポット１８ｂを変位させる。

　次に、スポット位置スキャナ７０がカンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させるときの光源４１の移動量とＺスキャナ１５のＺ走査量の関係と、スポット走査コントローラ２５の構成と動作について、スポット位置スキャナ７０が図１７Ａに示すスポット位置スキャナ７０Ａの場合を例に説明する。

　Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化を抑えるためには、スポット１８ｂの変位量ｇ’を、カンチレバー１７のスポット１８ｂに対する移動量Ｑと同じにする必要がある。

　カンチレバー１７のスポット１８ｂに対する移動量Ｑは、カンチレバー１７のＺ軸に沿った位置がＺスキャナ１５のＺ走査によって実線の矢印の向きである方向ＤにＺ〔ｍ〕だけ移動するとき、検出光１８の中心軸１８ａとＺ軸の成す角度をθ_２として、次式（１１）で表すことができる。

　従って、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させるときの光源４１の移動量ｇとＺスキャナ１５のＺ走査量の関係式は、式（１０）と式（１１）から、次式（１２）で表すことができる。

　スポット走査コントローラ２５は、図１３に示すように、Ｚ走査量算出部２３ａと、パラメータ格納部２５ｃと、演算部２３ｂと、演算部２５ｄを備えている。

　Ｚ走査量算出部２３ａと演算部２３ｂは、第一の実施形態の図２で示したものと同じものである。

　パラメータ格納部２５ｃは、第一のスポット位置制御信号の生成に必要な情報と、第二のスポット位置制御信号の生成に必要な情報を格納している。Ｚ走査量算出部２３ａは、Ｚ走査信号と、パラメータ格納部２３ｃに格納された情報を用いて演算することで、Ｚ走査量を算出し、演算部２３ｂと演算部２５ｄに供給する。

　演算部２３ｂは、Ｚ走査量算出部２３ａにて算出されたＺ走査量と、パラメータ格納部２５ｃに格納された情報を用いて演算することで、第一のスポット位置制御信号を生成し、出力する。第一のスポット位置制御信号は、Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動を抑えるためのものであり、第一の実施形態におけるスポット位置制御信号と同じである。

　演算部２５ｄは、Ｚ走査量算出部２３ａにて算出されたＺ走査量と、パラメータ格納部２５ｃに格納された情報を用いて演算することで、第二のスポット位置制御信号を生成し、出力する。第二のスポット位置制御信号は、Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化を抑えるためのものである。

　演算部２３ｂによる第一のスポット位置制御信号を生成については、第一の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

　ここでは、演算部２５ｄによる第二のスポット位置制御信号の生成について、すなわち、パラメータ格納部２５ｃに格納された情報と、演算部２５ｄで行われる演算式について、以下に説明する。

　まず、パラメータ格納部２５ｃに格納された情報は、Ｚスキャナ１５の単位電圧当たり変位量、コリメートレンズ４２の焦点距離、集光レンズ１２の焦点距離、カンチレバー１７とＸ軸の成す角度、検出光１８の中心軸１８ａとＺ軸の成す角度、変位アクチュエータ７３の単位電圧当たりの変位量、変位アクチュエータ７４の単位電圧当たりの変位量を含んでいる。

　なお、変位アクチュエータ７３は、第一の実施形態の図８Ｃに示した変位アクチュエータ４４と同じ単位電圧当たりの変位量であるものとし、演算部２３ｂによる第一のスポット位置制御信号の生成に使用される。

　パラメータ格納部２５ｃに格納された情報の中で、演算部２５ｄで使用する情報は、コリメートレンズ４２の焦点距離、集光レンズ１２の焦点距離、検出光１８の中心軸１８ａとＺ軸の成す角度、変位アクチュエータ７４の単位電圧当たりの変位量である。

　ここで、コリメートレンズ４２の焦点距離をｆ_１[ｍ]、集光レンズ１２の焦点距離をｆ_２[ｍ]、検出光１８の中心軸１８ａとＺ軸の成す角度をθ_２[ｄｅｇ]、変位アクチュエータ７４の単位電圧当たりの変位量をＰｇ[ｍ／Ｖ]とおく。

　Ｚ走査量算出部２３ａで求めるＺ走査量Ｚ[ｍ]は、式（５）で求められる。

　式（５）により、式（１２）に記載した光源４１の移動量ｇは次式（１３）で表せる。

　一方、光源４１の移動量ｇは、変位アクチュエータ７４の単位電圧当たりの変位量Ｐｇ[ｍ／Ｖ]と、時間ｔにおける第二のスポット位置制御信号の電圧Ｖ_３[Ｖ]により、次式（１４）で表せる。

　そして演算部２５ｄにおける演算式は、第二のスポット位置制御信号の時間ｔにおける第二のスポット位置制御信号の電圧をＶ_３[Ｖ]として、式（１３）と式（１４）より、次式（１５）で表せる。

　演算部２５ｄは、式（１５）に示す演算により、第二のスポット位置制御信号を生成し、出力する。

　スポット位置スキャナ７０は、スポット１８ｂを変位させる動作を、第一のスポット位置制御信号と第二のスポット位置制御信号に基づいて行う。

　スポット位置スキャナ７０が図１７Ｂに示すスポット位置スキャナ７０Ｂの場合については、変位アクチュエータ７４が、図１７Ａに示すスポット位置スキャナ７０Ａの変位アクチュエータ７４とは逆向きに動作するように配置されているため、スポット走査コントローラ２５の演算部２５ｄは、スポット位置スキャナ７０Ａと同じ式（１５）に基づいて演算を行う。

　第二のスポット位置制御信号は、本実施形態で説明したＺ走査に起因する照射エリアの大きさの変化を抑えるように生成され、第一のスポット位置制御信号は、第一の実施形態で説明した、Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動を抑えるように生成される。

　第一のスポット位置制御信号は、第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７３に供給され、変位アクチュエータ７３は、第一のスポット位置制御信号に基づいて、光源４１またはコリメートレンズ４２の一方を移動させる。

　第二のスポット位置制御信号は、第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７４に供給され、変位アクチュエータ７４は、第二のスポット位置制御信号に基づいて、光源４１またはコリメートレンズ４２の他方を移動させる。

　このようにスポット位置スキャナ７０は、第一のスポット位置制御信号と第二のスポット位置制御信号に基づいて、すなわちＺ走査に応じて、動作する。

　従って、スポット位置スキャナ７０は、第一のスポット位置制御信号と第二のスポット位置制御信号に基づいて、すなわちＺ走査に応じて、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させ、それにより、Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動と、Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化を抑えるように動作する。

　本実施形態のスポット位置スキャナ７０においては、第一の実施形態と同じ効果を有するとともに、カンチレバー１７に照射される検出光１８の照射エリアの大きさのＺ走査に起因する変化を抑えるように動作するため、Ｚ走査量が大きく、カンチレバー１７に照射される検出光１８の照射エリアの大きさのＺ走査に起因する変化が大きい場合にも効果がある。

　＜第一の変形例＞
　第二の実施形態のスポット位置スキャナ７０は、図２０Ａと図２０Ｂに示す変形が可能である。図２０Ａは、第二の実施形態の第一の変形例によるスポット位置スキャナの構成例を示している。図２０Ｂは、第二の実施形態の第一の変形例によるスポット位置スキャナの別の構成例を示している。図２０Ａと図２０Ｂにおいて、図１７に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。

　以下に示すスポット位置スキャナ７０の第一の変形例は、Ｚ走査に応じて、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させ、それにより、Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動と、Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化を抑えるように動作する。

　図２０Ａに示すスポット位置スキャナ７０Ｃは、少なくとも、筐体７８と、例えば半導体ＬＤなどの光源４１と、少なくとも一つのレンズを含むコリメートレンズ４２とを備えている。スポット位置スキャナ７０Ｃはさらに、光源４１をコリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿った方向に変位させる第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７３と、光源４１をコリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向に変位させる第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７４を備えている。

　第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７３には、第一のスポット位置制御信号が供給され、第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７４には、第二のスポット位置制御信号が供給される。

　本変形例の第一のスポット位置制御信号と第二のスポット位置制御信号は、それぞれ、図１７Ａで示したスポット位置スキャナ７０Ａで使用する第一のスポット位置制御信号と第二のスポット位置制御信号と同じものである。

　変位アクチュエータ７３と変位アクチュエータ７４は、それぞれ、固定端と、その固定端に対して変位する自由端を有している。変位アクチュエータ７３は、その固定端が筐体７８に保持され、自由端に変位アクチュエータ７４を保持している。また、変位アクチュエータ７４は、その固定端が変位アクチュエータ７３に保持され、自由端に光源４１を保持している。変位アクチュエータ７３は、変位アクチュエータ７４を介して光源４１をコリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿った方向に変位させる。変位アクチュエータ７４は、光源４１をコリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向に変位させる。

　変位アクチュエータ７３は、第一のスポット位置制御信号に基づいて動作する。また変位アクチュエータ７４は、第二のスポット位置制御信号に基づいて動作する。

　従って、スポット位置スキャナ７０Ｃは、変位アクチュエータ７３が光源４１をコリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿って変位させることで、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する出射角度を変化させるように動作する。それにより、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させることが可能になり、Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動を抑えることができる。

　さらに、変位アクチュエータ７４が光源４１をコリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向に変位させることで、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する拡がり角度を変化させるように動作する。それにより、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させることが可能になり、Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化を抑えることができる。

　ここで、変位アクチュエータ７３と変位アクチュエータ７４の位置関係は、逆になってもよい。すなわち、変位アクチュエータ７４の固定端が筐体７８に保持され、自由端に変位アクチュエータ７３を保持し、変位アクチュエータ７３は、その固定端が変位アクチュエータ７４に保持され、自由端に光源４１を保持してもよい。

　また、図２０Ｂに示すスポット位置スキャナ７０Ｄは、少なくとも、筐体７８と、例えば半導体ＬＤなどの光源４１と、少なくとも一つのレンズを含むコリメートレンズ４２とを備えている。スポット位置スキャナ７０Ｄはさらに、コリメートレンズ４２をコリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿った方向に変位させる第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７３と、コリメートレンズ４２をコリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向に変位させる第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７４を備えている。

　変位アクチュエータ７３と変位アクチュエータ７４は、それぞれ固定端と、その固定端に対して変位する自由端を有している。変位アクチュエータ７３は、その固定端が筐体７８に保持され、自由端に変位アクチュエータ７４を保持している。また、変位アクチュエータ７４は、その固定端が変位アクチュエータ７４に保持され、自由端にコリメートレンズ４２を保持している。変位アクチュエータ７３は、変位アクチュエータ７３を介してコリメートレンズ４２をコリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿った方向に変位させる。変位アクチュエータ７４は、コリメートレンズ４２をコリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向に変位させる。

　従って、スポット位置スキャナ７０Ｄは、変位アクチュエータ７３がコリメートレンズ４２をコリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿って変位させることで、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する出射角度を変化させるように動作する。それにより、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させることが可能になり、Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動を抑えることができる。

　さらに、変位アクチュエータ７４がコリメートレンズ４２をコリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向に変位させることで、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する拡がり角度を変化させるように動作する。それにより、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させることが可能になり、Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化を抑えることができる。

　ここで、変位アクチュエータ７３と変位アクチュエータ７４の位置関係は、逆になってもよい。すなわち、変位アクチュエータ７４の固定端が筐体７８に保持され、自由端に変位アクチュエータ７３を保持し、変位アクチュエータ７３は、その固定端が変位アクチュエータ７４に保持され、自由端にコリメートレンズ４２を保持してもよい。

　すなわち、第一の変形例のスポット位置スキャナ７０Ｄは、少なくとも、筐体７８と、例えば半導体ＬＤなどの光源４１と、少なくとも一つのレンズを含むコリメートレンズ４２とを備えている。スポット位置スキャナ７０Ｄはさらに、光源４１とコリメートレンズ４２のどちらか一方である変位対象を変位させる二つの変位アクチュエータを備えている。二つの変位アクチュエータの一方は、コリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿った方向に変位対象を変位させる第一の変位アクチュエータであり、二つの変位アクチュエータの他方は、コリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向に変位させる変位対象を第二の変位アクチュエータである。

　以上のように、スポット位置スキャナ７０Ｃおよびスポット位置スキャナ７０Ｄは、Ｚ走査に応じて、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させ、それにより、Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動と、Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化を抑えるように動作する。

　この第一の変形例においては、第二の実施形態で示した図１７の構成と比べて、二つの変位アクチュエータが変位させる対象物が共通になり、一つになるため、設計および製造の自由度が高い。

　＜第二の変形例＞
　第二の実施形態のスポット位置スキャナ７０は、さらに図２１に示す変形が可能である。図２１は、第二の実施形態の第二の変形例を示している。図２１において、図１７に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。

　以下に示すスポット位置スキャナ７０の第二の変形例は、Ｚ走査に応じて、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させ、それにより、Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動と、Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化を抑えるように動作する。

　スポット位置スキャナ７０Ｅは、少なくとも、筐体８８と、例えば半導体ＬＤなどの光源４１と、少なくとも一つのレンズを含むコリメートレンズ４２とを備えている。スポット位置スキャナ７０Ｅはさらに、コリメートレンズ４２から出射される検出光１１を集光レンズ１２に向けて反射するミラー８２と、ミラー８２の角度を変化させるように動作する回転アクチュエータ８３と、光源４１をコリメートレンズ４２に対してコリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向に変位させる変位アクチュエータ８４を備えている。

　回転アクチュエータ８３は、その固定端が筐体８８に保持され、その回転軸８３ａの周りにミラー８２を回転可能に保持し、ミラー８２を、回転軸８３ａを中心に回転動作をさせる。

　スポット位置スキャナ７０Ｅは、回転変位アクチュエータ８３がミラー８２を回転させ、検出光１１の反射角を変化させることで、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する出射角度を変化させるように動作する。それにより、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させることが可能になり、Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動を抑えることができる。

　変位アクチュエータ８４は、その固定端が筐体８８に保持され、自由端に光源４１を保持し、光源４１をコリメートレンズ４２に対してコリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向に変位させる。

　スポット位置スキャナ７０Ｅは、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する拡がり角度を変化させるように動作する。それにより、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させることが可能になり、Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化を抑えることができる。

　スポット位置スキャナ７０Ｅは、変位アクチュエータ８４ではなく、コリメートレンズ４２を光源４１に対してコリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向に変位させる別の変位アクチュエータを用いて動作させてもよい。

　変位アクチュエータ８４は、第二のスポット位置制御信号に基づいて動作する。また回転アクチュエータ８３は、第一のスポット位置制御信号に基づいて動作する。

　本変形例の第二のスポット位置制御信号は、図１７Ａで示したスポット位置スキャナ７０Ａで使用する第二のスポット位置制御信号と同じものである。また、第一のスポット位置制御信号は、第一の実施形態の第一の変形例の図１１で使用したスポット位置制御信号と同じものである。

　以上のように、スポット位置スキャナ７０Ｅは、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する出射角度と拡がり角度を変化させることで、Ｚ走査に応じて、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させ、それにより、Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動と、Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化を抑えるように動作する。

　この第二の変形例においては、図１７Ａに示した第二の実施形態と同じ効果が得られる。

　＜第三の実施形態＞
　以下、第三の実施形態について、図２２ないし図２４を用いて説明する。図２２ないし図２４において、図１と図２と図２０それぞれに示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、また、第一の実施形態の説明で用いた図および部材については、その詳しい説明は省略する。

　本実施形態の原子間力顕微鏡は、図２２に示されるように、スポット位置スキャナ９０とスポット走査コントローラ２７で構成されたＺ走査追従システムを備えている。このＺ走査追従システムは、Ｚ走査に起因するカンチレバー１７とスポット１８ｂの位置ズレの影響を抑える機能を有している。すなわち、このＺ走査追従システムは、「カンチレバー１７に照射される検出光１８の照射エリアの位置のＺ走査に起因するカンチレバー１７に沿った移動」を抑える機能を有している。さらにＺ走査追従システムは、「カンチレバー１７に照射される検出光１８の照射エリアの大きさのＺ走査に起因する変化」を抑える機能を有している。言い換えれば、Ｚ走査追従システムは、「Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動」をＺ走査に応じて抑える機能と、「Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化」をＺ走査に応じて抑える機能の両方を有している。

　スポット位置スキャナ９０は、検出光出射器１０に含まれている。スポット位置スキャナ９０は、メインコントローラ２６に含まれるスポット走査コントローラ２７により制御される。スポット位置スキャナ９０は、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを動かすように、すなわちカンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させるように動作する。このスポット位置スキャナ９０の動作は、メインコントローラ２６に含まれるスポット走査コントローラ２７から出力されるスポット位置制御信号に基づいて行われる。

　スポット走査コントローラ２７は、Ｚ制御コントローラ２２により生成されたＺ走査信号に基づいて、Ｚ走査に応じたスポット位置制御信号を生成する。すなわちスポット走査コントローラ２７は、スポット位置スキャナ９０をＺ走査に応じて制御し、スポット位置スキャナ９０は、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させる。

　Ｚ走査追従システムにおいては、スポット走査コントローラ２７がスポット位置スキャナ９０をＺ走査に応じて制御し、スポット位置スキャナ９０がカンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させることにより、「Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動」と、「Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化」を抑えることが可能になっている。

　メインコントローラ２６、走査コントローラ２７、Ｚ制御コントローラ２２における演算や制御は、電子回路や(ハードウェア型)プロセッサ、メモリ、ソフトウェア等の協働により行われる。

　図２４Ａに示すスポット位置スキャナ９０Ａは、図２０Ａに示したスポット位置スキャナ７０Ｃが備える第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７３と第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７４の二つの変位アクチュエータを、一つの変位アクチュエータ９３に置き換えたものである。

　つまり図２４Ａに示すスポット位置スキャナ９０Ａは、第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ９３のみで、光源４１をコリメートレンズ４２に対してコリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿った方向とコリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向の両方の成分から合成される方向に変位させることができる。

　コリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿った方向とコリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向の両方の成分から合成される方向とは、例えば、図１０に示す方向Ｒと図１９に示す方向Ａで合成される方向ＲＡであり、また図１０に示す方向Ｌと図１９に示す方向Ｆで合成される方向ＬＦである。

　また図２４Ｂに示すスポット位置スキャナ９０Ｂは、図２０Ｂに示したスポット位置スキャナ７０Ｄが備える第一の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７３と第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ７４の二つの変位アクチュエータを、一つの変位アクチュエータ９３に置き換えたものである。

　つまり図２４Ｂに示すスポット位置スキャナ９０Ｂは、第二の変位アクチュエータである変位アクチュエータ９３のみで、コリメートレンズ４２を光源４１に対してコリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿った方向とコリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向の両方の成分から合成される方向に変位させることができる。

　変位アクチュエータ９３には、スポット位置制御信号が供給される。

　変位アクチュエータ９３は、スポット位置制御信号に基づいて、スポット走査コントローラ２７により制御され、光源４１とコリメートレンズ４２のどちらか一方を変位させる。

　次に、スポット位置スキャナ９０がカンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させるときの光源４１の移動量とＺスキャナ１５のＺ走査量の関係と、スポット走査コントローラ２７の構成と動作について、スポット位置スキャナ９０が図２４Ａに示すスポット位置スキャナ９０Ａの場合を例に説明する。

　スポット走査コントローラ２７は、図２３に示すように、Ｚ走査量算出部２３ａと、パラメータ格納部２７ｃと、演算部２７ｂを備えている。

　Ｚ走査量算出部２３ａは、第一の実施形態の図２で示したものと同じものである。

　パラメータ格納部２７ｃは、スポット位置制御信号の生成に必要な情報を格納している。Ｚ走査量算出部２３ａは、Ｚ走査信号と、パラメータ格納部２７ｃに格納された情報を用いて演算することで、Ｚ走査量を算出し、演算部２７ｂに供給する。

　演算部２７ｂは、Ｚ走査量算出部２３ａにて算出されたＺ走査量と、パラメータ格納部２７ｃに格納された情報を用いて演算することで、スポット位置制御信号を生成し、出力する。

　ここでは、演算部２７ｂによるスポット位置制御信号の生成について、すなわち、パラメータ格納部２７ｃに格納された情報と、演算部２７ｂで行われる演算式について、以下に説明する。

　まず、パラメータ格納部２７ｃに格納された情報は、Ｚスキャナ１５の単位電圧当たり変位量、コリメートレンズ４２の焦点距離、集光レンズ１２の焦点距離、カンチレバー１７とＸ軸の成す角度、検出光１８の中心軸１８ａとＺ軸の成す角度、変位アクチュエータ９３の単位電圧当たりの変位量を含んでいる。

　ここで、Ｚスキャナ１５の単位電圧当たり変位量をＰ_ｚ[ｍ／Ｖ]、コリメートレンズ４２の焦点距離をｆ_１[ｍ]、集光レンズ１２の焦点距離をｆ_２[ｍ]、カンチレバー１７とＸ軸の成す角度をθ_１[ｄｅｇ]、検出光１８の中心軸１８ａとＺ軸の成す角度をθ_２[ｄｅｇ]、変位アクチュエータ９３の単位電圧当たりの変位量をＰ_ｍg[ｍ／Ｖ]とおく。

　光源４１の移動量αは、式（６）で求めるｍと、式（１３）で求めるｇから、次式（１６）で表せる。

　また、光源４１をコリメートレンズ４２に対して変位させる方向、すなわち、コリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿った方向とコリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向の両方の成分から合成される方向を、コリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿った方向に対する角度で表すと、角度をφとして次式（１７）となる。

　一方、光源４１の移動量αは、変位アクチュエータ９３の単位電圧当たりの変位量Ｐ_ｍg[ｍ／Ｖ]と、時間ｔにおけるスポット位置制御信号の電圧Ｖ_４[Ｖ]により、次式（１８）で表せる。

　そして演算部２７ｂにおける演算式は、スポット位置制御信号の時間ｔにおけるスポット位置制御信号の電圧をＶ_４[Ｖ]として、式（１７）と式（１８）より、次式（１９）で表せる。

　演算部２７ｂでは、式（１９）に示す演算により、スポット位置制御信号を生成し、出力する。

　スポット位置スキャナ９０は、スポット１８ｂを変位させる動作を、スポット位置制御信号に基づいて行う。

　スポット位置スキャナ９０が図２４Ｂに示すスポット位置スキャナ９０Ｂの場合については、変位アクチュエータ９３が、図２４Ａに示すスポット位置スキャナ９０Ａの変位アクチュエータ９３とは逆向きに動作するように配置されているため、スポット走査コントローラ２７の演算部２７ｂでは、スポット位置スキャナ９０Ａと同じ式（１９）に基づいて演算を行う。

　詳しくは、図２４Ａに示すスポット位置スキャナ９０Ａの変位アクチュエータ９３を図２４Ａに示す方向ＲＡに動かすことと、図２４Ｂに示すスポット位置スキャナ９０Ｂを図２４Ｂに示す方向ＬＦに動かすことが等価であり、また、図２４Ａに示すスポット位置スキャナ９０Ａの変位アクチュエータ９３を図２４Ａに示す方向ＬＦに動かすことと、図２４Ｂに示すスポット位置スキャナ９０Ｂを図２４Ｂに示す方向ＲＡに動かすことが等価である。

　以上より、スポット位置スキャナ９０は、少なくとも、筐体９８と、例えば半導体ＬＤなどの光源４１と、少なくとも一つのレンズを含むコリメートレンズ４２を備えている。スポット位置スキャナ９０はさらに、光源４１とコリメートレンズ４２のどちらか一方をコリメートレンズ４２の光軸４２ａと垂直な面に沿った方向とコリメートレンズ４２の光軸４２ａに沿った方向の両方の成分から合成される方向に変位させる変位アクチュエータ９３を備えている。スポット位置スキャナ９０は、集光レンズ１２に向けて出射される検出光１１の集光レンズ１２に対する出射角度と拡がり角度を変化させることで、Ｚ走査に応じて、カンチレバー１７に対してスポット１８ｂを変位させ、それにより、Ｚ走査に起因する照射エリアの位置のカンチレバー１７に沿った移動と、Ｚ走査に起因する照射エリアの大きさの変化を抑えるように動作する。

　本実施形態においては、第二の実施形態と比較して、変位アクチュエータの数を減らすことができるため、設計および製造の自由度がより高い。

　本発明においては、検出光の中心軸とＺ軸の成す角度をＸＺ平面上に設けたが、これに限らない。例えば、検出光の中心軸とＺ軸の成す角度をＹＺ平面上に設けてもよいし、Ｚ軸に沿ったすべての平面上に設けてもよい。

　さらに本発明においては、カンチレバーは、ＸＹスキャナによりＸＹ走査され、ＺスキャナによりＺ走査されるが、集光レンズは、ＸＹスキャナによりＸＹ走査されるが、Ｚ走査はされない。

　従って、本発明の原子間力顕微鏡においては、集光レンズをＺスキャナによりＺ走査していないため、高速なＺ走査が可能になっている。その結果、試料に対してカンチレバーをＸＹＺの３方向に高速に走査させるカンチレバースキャンタイプの原子間力顕微鏡が提供できる。

　加えて本発明においては、カンチレバーの長さまたは幅が３μｍ以下のときに特に効果がある。Ｚ走査量が２μｍ以上の場合も効果が大きい。

Claims

　探針を有するカンチレバーを用いて試料の物理情報を得る原子間力顕微鏡であって、
　ＸＹ可動台と、
　前記ＸＹ可動台をＸＹ平面に平行な面内でＸＹ走査させるＸＹスキャナと、
　前記ＸＹ可動台に固定端が保持され、自由端に前記カンチレバーを保持し、前記カンチレバーを前記ＸＹ平面に垂直なＺ軸に沿ってＺ走査させるＺ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光学式変位センサを備えており、前記光学式変位センサは、前記ＸＹ可動台に保持された集光レンズを含んでおり、前記集光レンズは、入射する検出光を集光し、集束されたスポットを有する検出光を生成し、生成された前記検出光を前記カンチレバーに照射することで前記カンチレバー上に照射エリアを生成し、さらに、
　Ｚ走査に起因する前記照射エリアの位置の前記カンチレバーに沿った移動を、Ｚ走査に応じて抑えるＺ走査追従システムを備えている原子間力顕微鏡。
　前記Ｚ走査追従システムは、スポット位置スキャナとスポット走査コントローラを備えており、
　前記スポット位置スキャナは、Ｚ走査に起因する前記照射エリアの位置の前記カンチレバーに沿った移動を抑えるように動作し、
　前記スポット走査コントローラは、前記スポット位置スキャナをＺ走査に応じて制御する、請求項１に記載の原子間力顕微鏡。
　前記集光レンズに入射する前記検出光を生成し、生成された前記検出光を前記集光レンズに向けて出射する検出光出射器を備えており、
　前記スポット位置スキャナは、前記検出光出射器に含まれており、
　前記スポット位置スキャナは、前記カンチレバーに対して前記スポットを変位させるように動作し、
　前記Ｚ走査追従システムは、Ｚ走査に起因する前記照射エリアの位置の前記カンチレバーに沿った移動を、Ｚ走査に応じて抑える、請求項２に記載の原子間力顕微鏡。
　前記スポット位置スキャナは、前記集光レンズに向けて出射される前記検出光の前記集光レンズに対する出射角度を変化させることで、前記カンチレバーに対して前記スポットを変位させる、請求項３に記載の原子間力顕微鏡。
　前記スポット位置スキャナは、光源とコリメートレンズとを備えており、
　前記スポット位置スキャナはさらに、前記光源を前記コリメートレンズに対して前記コリメートレンズの光軸と垂直な面に沿って変位させる第一の変位アクチュエータと、前記コリメートレンズを前記光源に対して前記コリメートレンズの光軸と垂直な面に沿って変位させる第二の変位アクチュエータとの少なくとも一方を備えており、
　前記第一の変位アクチュエータと前記第二の変位アクチュエータは共に、前記スポット走査コントローラによって制御される、請求項４に記載の原子間力顕微鏡。
　前記スポット位置スキャナは、光源とコリメートレンズとを備え、
　前記スポット位置スキャナはさらに、前記検出光出射器から出射される前記検出光を前記集光レンズに向けて反射するミラーと、前記ミラーの角度を変化させる回転アクチュエータを備え、
　前記回転アクチュエータは、前記スポット走査コントローラによって制御される、請求項４に記載の原子間力顕微鏡。
　前記Ｚ走査追従システムは、さらに、Ｚ走査に起因する前記照射エリアの大きさの変化を抑える、請求項１に記載の原子間力顕微鏡。
　前記Ｚ走査追従システムは、スポット位置スキャナとスポット走査コントローラを備え、
　前記スポット位置スキャナは、Ｚ走査に起因する前記照射エリアの位置の前記カンチレバーに沿った移動と、Ｚ走査に起因する前記照射エリアの大きさの変化の両方を抑えるように動作し、
　前記スポット走査コントローラは、前記スポット位置スキャナをＺ走査に応じて制御する、請求項７に記載の原子間力顕微鏡。
　前記集光レンズに入射する前記検出光を生成し、生成された前記検出光を前記集光レンズに向けて出射する検出光出射器を備えており、
　前記スポット位置スキャナは、前記検出光出射器に含まれており、
　前記スポット位置スキャナは、前記カンチレバーに対して前記スポットを変位させるように動作し、
　前記Ｚ走査追従システムは、Ｚ走査に起因する前記照射エリアの位置の前記カンチレバーに沿った移動と、Ｚ走査に起因する前記照射エリアの大きさの変化の両方を抑える、請求項８に記載の原子間力顕微鏡。
　前記スポット位置スキャナは、前記集光レンズに向けて出射される前記検出光の前記集光レンズに対する出射角度を変化させ、さらに、前記集光レンズに向けて出射される前記検出光の拡がり角度を変化させることで、前記カンチレバーに対して前記スポットを変位させる、請求項９に記載の原子間力顕微鏡。
　前記スポット位置スキャナは、光源とコリメートレンズとを備えており、
　前記スポット位置スキャナはさらに、前記光源と前記コリメートレンズの一方を前記コリメートレンズの光軸と垂直な面に沿った方向に変位させる第一の変位アクチュエータと、前記光源と前記コリメートレンズの他方を前記コリメートレンズの光軸に沿った方向に変位させる第二の変位アクチュエータとを備えており、
　前記第一の変位アクチュエータと前記第二の変位アクチュエータは共に、前記スポット走査コントローラによって制御される、請求項１０に記載の原子間力顕微鏡。
　前記スポット位置スキャナは、光源とコリメートレンズとを備えており、
　前記スポット位置スキャナはさらに、前記光源と前記コリメートレンズのどちらか一方である変位対象を変位させる二つの変位アクチュエータを備えており、前記二つの変位アクチュエータの一方は、前記コリメートレンズの光軸と垂直な面に沿った方向に前記変位対象を変位させる第一の変位アクチュエータであり、前記二つの変位アクチュエータの他方は、前記コリメートレンズの光軸に沿った方向に前記変位対象を変位させる第二の変位アクチュエータであり、
　前記第一の変位アクチュエータと前記第二の変位アクチュエータは共に、前記スポット走査コントローラによって制御される、請求項１０に記載の原子間力顕微鏡。
　前記スポット位置スキャナは、光源とコリメートレンズとを備えており、
　前記スポット位置スキャナはさらに、前記検出光出射器から出射される前記検出光を前記集光レンズに向けて反射するミラーと、前記ミラーの角度を変化させる回転アクチュエータと、前記光源と前記コリメートレンズの一方を前記コリメートレンズの光軸に沿った方向に変位させる変位アクチュエータを備え、
　前記回転アクチュエータと前記変位アクチュエータは共に、前記スポット走査コントローラによって制御される、請求項１０に記載の原子間力顕微鏡。
　前記スポット位置スキャナは、光源とコリメートレンズとを備えており、
　前記スポット位置スキャナはさらに、前記光源と前記コリメートレンズのどちらか一方を前記コリメートレンズの光軸と垂直な面に沿った方向と前記コリメートレンズの光軸に沿った方向の両方の成分から合成される方向に変位させる変位アクチュエータを備えており、
　前記変位アクチュエータは、前記スポット走査コントローラによって制御される、請求項１０に記載の原子間力顕微鏡。
　探針を有するカンチレバーを用いて試料の物理情報を得る原子間力顕微鏡であって、
　ＸＹ可動台と、
　前記ＸＹ可動台をＸＹ平面に平行な面内でＸＹ走査させるＸＹスキャナと、
　前記ＸＹ可動台に固定端が保持され、自由端に前記カンチレバーを保持し、前記カンチレバーを前記ＸＹ平面に垂直なＺ軸に沿ってＺ走査させるＺ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光学式変位センサとを備えており、前記光学式変位センサは、前記ＸＹ可動台に保持された集光レンズを含んでおり、前記集光レンズは、入射する検出光を集光し、集束されたスポットを有する検出光を生成し、生成された前記検出光を前記カンチレバーに照射することで前記カンチレバー上に照射エリアを生成し、さらに、
　前記集光レンズに入射する前記検出光を生成し、生成された前記検出光を前記集光レンズに向けて出射する検出光出射器と、
　前記検出光出射器に含まれたスポット位置スキャナと、
　前記スポット位置スキャナをＺ走査に応じて制御するスポット走査コントローラとを備えており、
　前記スポット位置スキャナは、Ｚ走査に応じて、前記カンチレバーに対して前記スポットを変位させる、原子間力顕微鏡。
　前記スポット位置スキャナは、前記集光レンズに向けて出射される前記検出光の前記集光レンズに対する出射角度を変化させる、請求項１５に記載の原子間力顕微鏡。
　前記スポット位置スキャナは、光源とコリメートレンズとを備えており、
　前記スポット位置スキャナはさらに、前記光源を前記コリメートレンズに対して前記コリメートレンズの光軸と垂直な面に沿って変位させる第一の変位アクチュエータと、前記コリメートレンズを前記光源に対して前記コリメートレンズの光軸と垂直な面に沿って変位させる第二の変位アクチュエータとの少なくとも一方を備えており、
　前記第一の変位アクチュエータと前記第二の変位アクチュエータは共に、前記スポット走査コントローラによって制御される、請求項１６に記載の原子間力顕微鏡。
　前記スポット位置スキャナは、光源とコリメートレンズとを備えており、
　前記スポット位置スキャナはさらに、前記検出光出射器から出射される前記検出光を前記集光レンズに向けて反射するミラーと、前記ミラーの角度を変化させる回転アクチュエータを備え、
　前記回転アクチュエータは、前記スポット走査コントローラによって制御される、請求項１６に記載の原子間力顕微鏡。
　前記スポット位置スキャナは、さらに、Ｚ走査に応じて、前記集光レンズに向けて出射される前記検出光の拡がり角度を変化させる、請求項１６に記載の原子間力顕微鏡。
　前記スポット位置スキャナは、光源とコリメートレンズとを備えており、
　前記スポット位置スキャナはさらに、前記光源と前記コリメートレンズの一方を前記コリメートレンズの光軸と垂直な面に沿った方向に変位させる第一の変位アクチュエータと、前記光源と前記コリメートレンズの他方を前記コリメートレンズの光軸に沿った方向に変位させる第二の変位アクチュエータとを備えており、
　前記第一の変位アクチュエータと前記第二の変位アクチュエータは共に、前記スポット走査コントローラによって制御される、請求項１９に記載の原子間力顕微鏡。
　前記スポット位置スキャナは、光源とコリメートレンズとを備えており、
　前記スポット位置スキャナはさらに、前記光源と前記コリメートレンズのどちらか一方である変位対象を変位させる二つの変位アクチュエータを備え、前記二つの変位アクチュエータの一方は、前記コリメートレンズの光軸と垂直な面に沿った方向に前記変位対象を変位させる第一の変位アクチュエータであり、前記二つの変位アクチュエータの他方は、前記コリメートレンズの光軸に沿った方向に前記変位対象を変位させる第二の変位アクチュエータであり、
　前記第一の変位アクチュエータと前記第二の変位アクチュエータは共に、前記スポット走査コントローラによって制御される、請求項１９に記載の原子間力顕微鏡。
　前記スポット位置スキャナは、光源とコリメートレンズとを備えており、
　前記スポット位置スキャナはさらに、前記検出光出射器から出射される前記検出光を前記集光レンズに向けて反射するミラーと、前記ミラーの角度を変化させる回転アクチュエータと、前記光源と前記コリメートレンズの一方を前記コリメートレンズの光軸に沿った方向に変位させる変位アクチュエータを備えており、
　前記回転アクチュエータと前記変位アクチュエータは共に、前記スポット走査コントローラによって制御される、請求項１９に記載の原子間力顕微鏡。
　前記スポット位置スキャナは、光源とコリメートレンズとを備えており、
　前記スポット位置スキャナはさらに、前記光源と前記コリメートレンズのどちらか一方を前記コリメートレンズの光軸と垂直な面に沿った方向と前記コリメートレンズの光軸に沿った方向の両方の成分から合成される方向に変位させる変位アクチュエータを備えており、
　前記変位アクチュエータは、前記スポット走査コントローラによって制御される、請求項１９に記載の原子間力顕微鏡。