(57)【要約】      （修正有）【課題】光デバイスにおいて、生成されたキャリヤのライフタイム及び空間的な移動特性を容易に把握する顕微鏡を提供する。【解決手段】顕微鏡１は、観測対象である試料５０においてキャリヤを生成させる励起光を射出する第１光源１１と、試料５０に照射する照明光を射出する第２光源１２と、励起光を所定の空間的な分布にパターン化してパターン化された励起光を生成するパターン制御器１６と、パターン化された励起光が試料５０に照射された所定時間後に照明光が試料５０に照射されるように第１光源１１が励起光を照射するタイミング及び第２光源１２が照明光を照射するタイミングを制御する時間制御器２４と、パターン化された励起光によって生成されたキャリヤに基づく試料５０の屈折率変化の分布に応じてパターン化された照明光を撮像する撮像装置２２と、を備える。【選択図】図１
2020140037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観測対象である試料においてキャリヤを生成させる励起光を射出する第１光源と、
前記試料に照射する照明光を射出する第２光源と、
前記励起光を所定の空間的な分布にパターン化してパターン化された励起光を生成するパターン制御器と、
前記パターン化された励起光が前記試料に照射された所定時間後に、前記照明光が前記試料に照射されるように、前記第１光源が前記励起光を照射するタイミング及び前記第２光源が前記照明光を照射するタイミングを制御する時間制御器と、
前記パターン化された励起光によって生成された前記キャリヤに基づく前記試料の屈折率変化の分布に応じてパターン化された照明光を撮像する撮像装置と、を備える顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の顕微鏡において、
前記時間制御器は、パルス状の前記励起光を射出するように前記第１光源を制御し、パルス状の前記照明光を射出するように前記第２光源を制御する、顕微鏡。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の顕微鏡において、
前記時間制御器は、前記第１光源に前記励起光を射出させる処理、及び前記第２光源に前記照明光を射出させる処理を、前記所定時間をずらしながら複数回繰りかえさせ、
前記撮像装置は、複数回射出された前記照明光に基づいて、屈折率変化の分布に応じてパターン化された前記照明光の時間変化を撮像する、顕微鏡。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の顕微鏡において、
前記試料の屈折率変化の分布に応じてパターン化された前記照明光に基づいて、前記キャリヤの移動度及びライフタイムを算出する演算部をさらに備える、顕微鏡。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の顕微鏡において、
前記パターン制御器は、前記所定の空間的な分布を任意に変化させることが可能である、顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光触媒、光燃料、及び太陽電池などのような光デバイスが知られている。光デバイスに光が照射されるとキャリヤ（電子及びホール）が生成される。光デバイスにおいては、生成されたキャリヤを有効に利用することが重要である。そのため、光デバイスにおいて、生成後のキャリヤのライフタイム及び空間的な移動特性を観測できることが求められている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、観測対象の対象物にレーザ光を照射して励起した後、照明光として機能するレーザ光を対象物に照射し、照明光によって生じる蛍光を観測することで、励起後の対象物の動的な変化を観測する発明が開示されている。
【０００４】
光デバイスにおいて生成されたキャリヤの空間的な移動特性を表す指標としては、移動度などがある。
【０００５】
近年の光デバイスは、粉体の半導体基板を用いたものが多い。図１１に粉体の半導体基板の概念図を示す。このような粉体の半導体基板に、図１２に示すように励起光を照射すると、キャリヤとして電子及びホールが生成される。図１２おいては、電子を「ｅ」として示し、ホールを「ｈ」として示している。
【０００６】
図１１に示すように、粉体の半導体基板は、結晶で構成された半導体基板とは異なり一様ではなく、局所的にクラックなどの多種多様な欠陥が存在しうる。また、粉体の半導体基板は、多くの界面を有し、生成されたキャリヤは界面にトラップされる。そのため、生成されたキャリヤのライフタイムは多様であり、また、生成されたキャリヤの移動度も粉体の半導体基板の局所的な構造に依存する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−９９９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光デバイスにおいて、生成されたキャリヤのライフタイム及び空間的な移動特性を容易に把握できることが求められている。
【０００９】
先行文献１に記載の発明は、一点一点スキャニングしながら照明光を対象物に照射して蛍光を観測する方法であるため、測定に時間がかかり、対象物の特性を容易に把握することができない。
【００１０】
本発明の目的は、光デバイスにおいて、生成されたキャリヤのライフタイム及び空間的な移動特性を容易に把握することができる顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一実施形態に係る顕微鏡は、観測対象である試料においてキャリヤを生成させる励起光を射出する第１光源と、前記試料に照射する照明光を射出する第２光源と、前記励起光を所定の空間的な分布にパターン化してパターン化された励起光を生成するパターン制御器と、前記パターン化された励起光が前記試料に照射された所定時間後に、前記照明光が前記試料に照射されるように、前記第１光源が前記励起光を照射するタイミング及び前記第２光源が前記照明光を照射するタイミングを制御する時間制御器と、前記パターン化された励起光によって生成された前記キャリヤに基づく前記試料の屈折率変化の分布に応じてパターン化された照明光を撮像する撮像装置と、を備える。
【００１２】
また、本発明の一実施形態に係る顕微鏡において、前記時間制御器は、パルス状の前記励起光を射出するように前記第１光源を制御し、パルス状の前記照明光を射出するように前記第２光源を制御してもよい。
【００１３】
また、本発明の一実施形態に係る顕微鏡において、前記時間制御器は、前記第１光源に前記励起光を射出させる処理、及び前記第２光源に前記照明光を射出させる処理を、前記所定時間をずらしながら複数回繰りかえさせ、前記撮像装置は、複数回射出された前記照明光に基づいて、屈折率変化の分布に応じてパターン化された前記照明光の時間変化を撮像してもよい。
【００１４】
また、本発明の一実施形態に係る顕微鏡において、前記試料の屈折率変化の分布に応じてパターン化された前記照明光に基づいて、前記キャリヤの移動度及びライフタイムを算出する演算部をさらに備えてもよい。
【００１５】
また、本発明の一実施形態に係る顕微鏡において、前記パターン制御器は、前記所定の空間的な分布を任意に変化させることが可能であってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の一実施形態に係る顕微鏡によれば、光デバイスにおいて、生成されたキャリヤのライフタイム及び空間的な移動特性を容易に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る顕微鏡の構成例を示すブロック図である。
【図２】パターン化された励起光の分布の例を示す図である。
【図３】照明光がパターン化される様子を説明するための概念図である。
【図４】励起光及び照明光が照射されるタイミングを説明するための図である。
【図５】励起光の照射直後の屈折率変化の空間的な分布及び励起光が照射されてから所定時間経過後の屈折率変化の空間的な分布の一例を示す図である。
【図６】励起光及び照明光が進行する様子を示す概念図である。
【図７】図６に示す範囲Ｒを拡大した図である。
【図８】試料を撮像した様子（実施例１）の時間経過を示す図である。
【図９】図８のデータに基づいて算出したライフタイム及び拡散係数をマッピングした様子を示す図である。
【図１０】試料を撮像した様子（実施例２）の時間経過を示す図である。
【図１１】粉体の半導体基板の概念図である。
【図１２】粉体の半導体基板に励起光が照射されキャリヤが生成された様子を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係る顕微鏡１の構成例を示すブロック図である。顕微鏡１は、図１に示す試料５０を観測対象として観測する顕微鏡である。
【００２０】
顕微鏡１が観測する試料５０は、例えば、光触媒、光燃料、及び太陽電池などの光デバイスであってよい。試料５０は、粉体の半導体によって構成される基板、すなわち、半導体微粒子基板であってよい。半導体微粒子基板の材料は、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化鉄（Ｆｅ2Ｏ3）、酸化銅（Ｃｕ2Ｏ）、硫化鉛（ＰｂＳ）又は硫化カドミウム（ＣｄＳ）などであってよい。
【００２１】
顕微鏡１は、第１光源１１と、第２光源１２と、ビームエクスパンダ１３と、ビームエクスパンダ１４と、ミラー１５と、パターン制御器１６と、ダイクロイックミラー１７と、レンズ１８と、対物レンズ１９と、結像用対物レンズ２０と、結像光学レンズ２１と、撮像装置２２と、演算部２３と、時間制御器２４とを備える。図１において、各構成要素を接続する実線は主に光の経路を示し、破線は主に通信線又は信号線を示す。
【００２２】
第１光源１１は、励起光を射出する。ここで、励起光とは、試料５０に照射されたときに、試料５０においてキャリヤ（電子及びホール）を生成させることが可能な光である。第１光源１１は、例えばレーザ光源であってよい。第１光源１１が射出する励起光の波長は、試料５０の特性に応じて適切に選択された波長であってよい。第１光源１１が射出する励起光の波長は、例えば、３５５ｎｍであってよい。
【００２３】
第２光源１２は、照明光を射出する。ここで、照明光とは、試料５０を観測するために試料５０に照射される光である。詳細については後述するが、第２光源１２は、第１光源１１から励起光が射出されてから所定時間が経過したタイミングで、照明光を射出する。第２光源１２は、例えばレーザ光源であってよい。第２光源１２が射出する照明光の波長は、試料５０の特性に応じて適切に選択された波長であってよい。第２光源１２が射出する照明光の波長は、例えば、５３２ｎｍであってよい。
【００２４】
ビームエクスパンダ１３は、第１光源１１から入射された励起光のビーム径を拡大する。ビームエクスパンダ１３によってビーム径が拡大された励起光は、ミラー１５に入射される。
【００２５】
ビームエクスパンダ１４は、第２光源１２から入射された照明光のビーム径を拡大する。ビームエクスパンダ１４によってビーム径が拡大された照明光は、ダイクロイックミラー１７に入射される。
【００２６】
ミラー１５は、ビームエクスパンダ１３から入射された励起光を反射する。ミラー１５によって反射された励起光は、パターン制御器１６に入射される。
【００２７】
パターン制御器１６は、ミラー１５から入射された励起光を、試料５０において所定の空間的な分布にパターン化する。すなわち、パターン制御器１６は、一様に分布した励起光から強度もしくは位相のコントラストのついた励起光を生成する。試料５０における所定の空間的な分布は、例えば、格子状の分布、又は縞状の分布などであってよい。パターン制御器１６によってパターン化された励起光は、ダイクロイックミラー１７に入射される。
【００２８】
図２に、パターン化された励起光の空間的な分布の例を示す。図２（ａ）は、格子状の分布の一例である。図２（ｂ）は、縞状の分布の一例である。図２（ａ）及び図２（ｂ）において、濃度の濃さが励起光の強度に対応する。すなわち、濃度が濃い部分は励起光の強度が大きく、濃度が薄い部分は励起光の強度が小さい。なお、格子状の分布、及び縞状の分布は一例であり、所定の空間的な分布は、その他の分布であってもよい。
【００２９】
パターン制御器１６は、例えば、空間光位相変調器、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、又はマスクパターンなどであってよい。適切なデバイスを選択することにより、パターン制御器１６は、励起光の所定の空間的な分布を、任意に変化させることが可能である。
【００３０】
パターン制御器１６は、所定の空間的な分布そのものが試料５０に照射されるように励起光をパターン化してもよいし、所定の空間的な分布のフーリエ変換像が試料５０に照射されるように励起光をパターン化してもよい。
【００３１】
ダイクロイックミラー１７は、特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過する光学デバイスである。ダイクロイックミラー１７は、励起光の波長の光を反射し、照明光の波長の光を透過する特性を有する。
【００３２】
ダイクロイックミラー１７は、パターン制御器１６から入射されたパターン化された励起光を反射する。ダイクロイックミラー１７によって反射されたパターン化された励起光は、レンズ１８に入射される。
【００３３】
ダイクロイックミラー１７は、ビームエクスパンダ１４から入射された照明光を透過する。ダイクロイックミラー１７によって透過された照明光は、レンズ１８に入射される。
【００３４】
レンズ１８は、ダイクロイックミラー１７から入射されたパターン化された励起光を、集光したのち、拡大して、レンズ１８の焦点距離と対物レンズ１９の焦点距離の和の距離離れたところに配置された、対物レンズ１９に入射させる。
【００３５】
レンズ１８は、ダイクロイックミラー１７から入射された照明光を、集光したのち、拡大して、レンズ１８の焦点距離と対物レンズ１９の焦点距離の和の距離離れたところに配置された、対物レンズ１９に入射させる。
【００３６】
対物レンズ１９は、試料５０の所望の領域が照射されるように、レンズ１８から入射されたパターン化された励起光を整形する。対物レンズ１９によって整形されたパターン化された励起光は、試料５０に照射される。
【００３７】
試料５０にパターン化された励起光が照射されると、試料５０においてキャリヤ（電子及びホール）が生成される。試料５０においては、励起光の強度が大きいところで多数のキャリヤが生成される。すなわち、試料５０において、励起光の強度の大きいところは生成されたキャリヤの密度が大きくなる。
【００３８】
試料５０においてキャリヤが生成されると、生成されたキャリヤの密度に応じて、試料５０の屈折率が変化する。ここでいう屈折率の変化とは、励起光が照射される前の時点からの屈折率の変化である。励起光の強度の大きいところは、生成されたキャリヤの密度が大きくなるため、屈折率変化が大きくなる。また、励起光の強度の小さいところは、生成されたキャリヤの密度が小さくなるため、屈折率変化が小さくなる。試料５０にはパターン化された励起光が照射されるため、生成されたキャリヤの密度は空間的な分布を有する。従って、試料５０において、生成されたキャリヤに基づく屈折率変化も空間的な分布を有する。ここで、試料５０において屈折率変化が空間的な分布を有するとは、試料５０において屈折率が空間的な分布を有するということと同義である。励起光が照射される前の時点からの屈折率変化が大きいところは屈折率変化が大きく、励起光が照射される前の時点からの屈折率変化が小さいところは屈折率変化が小さい。
【００３９】
対物レンズ１９は、試料５０の所望の領域が照射されるように、レンズ１８から入射された照明光を整形する。対物レンズ１９によって整形された照明光は、試料５０に照射される。
【００４０】
試料５０に照射された照明光は、試料５０における屈折率変化の分布に応じてパターン化される。ここで、照明光がパターン化されるとは、試料５０における屈折率変化の空間的な分布に応じて、試料５０を通過した照明光の強度が空間的な分布を有するようになることをいう。屈折率変化の空間的な分布は、試料５０に励起光が照射された直後は、パターン化された励起光の空間的な分布とほぼ同等である。試料５０に励起光が照射されてから所定時間経過した後は、生成されたキャリヤが消滅又は拡散しているため、そのようなキャリヤの消滅・移動を反映した空間的な分布となっている。
【００４１】
照明光のパターン化は、試料５０における屈折率変化の分布に基づいて、照明光が回折したり、屈折したり、又は散乱されたりすることによって引き起こされる。
【００４２】
図３を参照して、照明光がパターン化される様子について説明する。図３に示す試料５０において、濃度が濃いところは、励起光によって生成されたキャリヤの濃度が大きいところである。また、濃度が薄いところは、励起光によって生成されたキャリヤの濃度が小さいところである。従って、図３の試料５０において、濃度が濃いところは屈折率変化が大きく、濃度が薄いところは屈折率変化が小さい。
【００４３】
図３に示すように試料５０が屈折率変化の分布を有すると、試料５０はレンズのような効果を有する。そのため、試料５０は、試料５０に入射された照明光を回折、屈折、又は散乱させる。これにより、試料５０に入射された照明光は、試料５０を通過する際に、屈折率変化の分布に応じた光強度の分布を有するようにパターン化される。換言すれば、試料５０に入射された照明光は、試料５０を通過する際に、キャリヤ密度の分布に応じた光強度の分布を有するようにパターン化される。
【００４４】
図３に示す例においては、屈折率がＸ方向に沿ってほとんど変化していない領域を通過する照明光１０１は、試料５０を、ほぼ真っ直ぐ通過する。これに対し、屈折率がＸ方向に沿って変化している領域を通過する照明光１０２は、経路が曲げられて試料５０を通過する。
【００４５】
再び図１に戻って説明を続ける。
【００４６】
結像用対物レンズ２０は、試料５０を通過した照明光を結像させるための初段のレンズである。結像用対物レンズ２０を通過した照明光は、結像光学レンズ２１に入射される。
【００４７】
なお、試料５０を通過した励起光は、結像用対物レンズ２０の前段に設置されたフィルタ（図示せず）によって通過を阻止されてよい。例えば、励起光が紫外線の波長を有する場合、結像用対物レンズ２０の前段に設置されるフィルタは、ＵＶフィルタであってよい。励起光を阻止するフィルタが設置される場所は、結像用対物レンズ２０の前段に限らず、試料５０の後段のいずれかの場所に設置されればよい。
【００４８】
結像光学レンズ２１は、結像用対物レンズ２０から入射された照明光を結像させる。結像光学レンズ２１によって結像された照明光は、撮像装置２２に入射される。
【００４９】
撮像装置２２は、結像光学レンズ２１から入射された照明光を撮像する。撮像装置２２は、結像光学レンズ２１から入射された照明光の全体又はその一部を撮像することができる。これにより、撮像装置２２は、試料５０における屈折率変化の空間的な分布に応じてパターン化された照明光を撮像することができる。撮像装置２２は、例えば、撮像素子として、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）又はＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）を用いたカメラであってよい。
【００５０】
試料５０における屈折率変化の空間的な分布はキャリヤ密度の空間的な分布に対応しているため、撮像装置２２は、屈折率変化の空間的な分布に応じてパターン化された照明光を撮像することにより、試料５０におけるキャリヤ密度の空間的な分布を検出することができる。
【００５１】
撮像装置２２は、パターン化された照明光の全体又はその一部を一度に撮像するため、例えば試料５０内のキャリヤ密度を一点一点スキャニングしながら撮像する方法に比べて、高速に試料５０内のキャリヤ密度の空間的な分布を測定することができる。
【００５２】
演算部２３は、撮像装置２２が撮像したパターン化された照明光のデータを、撮像装置２２から取得する。演算部２３は、撮像装置２２から取得したパターン化された照明光のデータに基づいて、試料５０に生成されたキャリヤの移動度及びライフタイムを算出する。
【００５３】
演算部２３は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサとして構成されてよい。
【００５４】
演算部２３が撮像装置２２から取得したパターン化された照明光のデータは、試料５０を照明光が通過した時点における、試料５０内のキャリヤ密度の空間的な分布を反映している。
【００５５】
演算部２３は、試料５０内のキャリヤ密度（Ｎ）に基づいて、拡散係数（Ｄ）及びライフタイム（τ）を算出する。演算部２３は、例えば下記の数式（１）を用いて、拡散係数（Ｄ）及びライフタイム（τ）を算出してよい。
【００５６】
【数１】
2020140037.tif 000003
【００５７】
演算部２３は、数式（１）による演算をする際、撮像装置２２が励起光と照明光の時間差が異なるタイミングで撮像した複数の照明光のデータを用いる。
【００５８】
演算部２３は、例えば、試料５０内のキャリヤ密度（Ｎ）に基づいて、数式（１）のフィッティングを行うことにより、拡散係数（Ｄ）及びライフタイム（τ）を算出してよい。
【００５９】
演算部２３は、数式（１）で算出した拡散係数に基づいて、例えば下記の数式（２）を用いて、移動度（μ）を算出してよい。数式（２）は、アインシュタインの関係式とも称される関係式である。
【００６０】
【数２】
2020140037.tif 000004
ここで、ｑは試料５０において生成されたキャリヤの電荷である。ｋBはボルツマン定数である。Ｔは試料５０の絶対温度である。
【００６１】
時間制御器２４は、第１光源１１が射出する励起光が試料５０に照射された所定時間後に、第２光源１２が照射する照明光が試料５０に照射されるように、第１光源１１が励起光を照射するタイミング、及び第２光源１２が照明光を照射するタイミングを制御する。
【００６２】
時間制御器２４が、第１光源１１が励起光を照射するタイミング、及び第２光源１２が照明光を照射するタイミングを制御する様子の一例を図４に示す。
【００６３】
図４に示す例においては、時間制御器２４は、時刻ｔ０において、パルス状の信号を第１光源１１に出力し、第１光源１１にパルス状の励起光を射出させる。時間制御器２４は、時刻ｔ０から所定時間後の時刻ｔ１において、パルス状の信号を第２光源１２に出力し、第２光源１２にパルス状の照明光を射出させる。
【００６４】
図４に示すパルス幅は任意の幅であってよいが、パルス幅を短くすることにより、撮像装置２２によって撮像される試料５０の屈折率変化した画像の時間分解能を高くすることができる。例えば、パルス幅を３ｎｓのような短時間のパルス幅とすると、時間分解能を３ｎｓという高時間分解能にすることができる。
【００６５】
時間制御器２４は、第１光源１１にパルス状の励起光を射出させた直後に、第２光源１２にパルス状の照明光を射出させてよい。これにより、撮像装置２２は、励起光が試料５０に照射された直後の屈折率変化の空間的な分布を撮像することができる。また、時間制御器２４は、第１光源１１にパルス状の励起光を射出させた所定時間後に、第２光源１２にパルス状の照明光を射出させてよい。これにより、撮像装置２２は、励起光が試料５０に照射されてから所定時間経過後の屈折率変化の空間的な分布を撮像することができる。なお、上述の説明においては、「励起光が試料５０に照射された直後」と「励起光が試料５０に照射されてから所定時間経過後」とを分けて記載しているが、「励起光が試料５０に照射されてから所定時間経過後」との表現には、「励起光が試料５０に照射された直後」のタイミングも含まれていてよい。
【００６６】
図５に、パターン制御器１６によって励起光が格子状の空間的な分布にパターン化された場合の試料５０における屈折率変化の空間的な分布を示す。図５（ａ）は、試料５０に励起光が照射された直後の試料５０における屈折率変化の空間的な分布を、撮像装置２２が撮像した様子を示す。図５（ｂ）は、試料５０に励起光が照射されてから所定時間経過後の試料５０における屈折率変化の空間的な分布を、撮像装置２２が撮像した様子を示す。
【００６７】
図５（ｂ）の分布を見ると、図５（ａ）に示す励起光の照射直後に比べて、各格子点の付近において屈折率変化が大きい領域、すなわちキャリヤ密度が高い領域が広がっている。これは、試料５０に励起光が照射されてから所定時間が経過する間に、格子点付近で生成されたキャリヤが周辺に拡散したことを示している。
【００６８】
時間制御器２４は、第１光源１１にパルス状の励起光を射出させ、第２光源１２にパルス状の照明光を射出させる処理を、図４に示す時刻ｔ０から時刻ｔ１までの所定時間の間隔をずらしながら複数回繰りかえさせてよい。これにより、撮像装置２２は、パターン化された励起光が試料５０に照射された後の、屈折率変化の空間的な分布を、異なるタイミングで複数枚撮像することができる。すなわち、撮像装置２２は、パターン化された励起光が試料５０に照射された後の、屈折率変化の空間的な分布の時間変化を撮像することができる。
【００６９】
例えば、時間制御器２４は、所定時間を１００ｎｓから１０００ｎｓまで１０ｎｓの間隔でずらしながら、第１光源１１にパルス状に励起光を射出させ、また、第２光源１２にパルス状の照明光を射出させる処理を繰りかえしてよい。この場合、撮像装置２２は、パターン化された励起光が試料５０に照射された後の、１００ｎｓから１０００ｎｓまで１０ｎｓの間隔の屈折率変化の空間的な分布の時間変化を撮像することができる。
【００７０】
本実施形態では、時間制御器２４は、マスタ時間制御器２５と、第１時間制御器２６と、第２時間制御器２７とを備える。
【００７１】
マスタ時間制御器２５は、基準となる時間を生成する。マスタ時間制御器２５は、第１光源１１に励起光を射出させるタイミングを制御する信号を第１時間制御器２６に出力する。マスタ時間制御器２５は、第２光源１２に照明光を射出させるタイミングを制御する信号を第２時間制御器２７に出力する。基準となる時間を生成するマスタ時間制御器２５によって第１時間制御器２６及び第２時間制御器２７が制御されるため、第１時間制御器２６及び第２時間制御器２７は同期して動作する。
【００７２】
マスタ時間制御器２５は、撮像装置２２が撮像するタイミングを制御する。マスタ時間制御器２５は、第２光源１２が照明光を射出した直後に撮像するように、撮像装置２２が撮像するタイミングを制御する。
【００７３】
第１時間制御器２６は、第１光源１１を制御して、第１光源１１に励起光を射出させる。第１時間制御器２６は、例えば任意の波形を生成できる関数発生器であってよい。第１時間制御器２６は、例えば所定のパルス幅の電圧パルスを第１光源１１に出力し、第１光源１１にパルス状の励起光を射出させる。
【００７４】
第１時間制御器２６は、マスタ時間制御器２５から受け取った制御信号に基づくタイミングで、第１光源１１に所定のパルス幅の電圧パルスを出力する。
【００７５】
第２時間制御器２７は、第２光源１２を制御して、第２光源１２に照明光を射出させる。第２時間制御器２７は、例えば任意の波形を生成できる関数発生器であってよい。第２時間制御器２７は、例えば所定のパルス幅の電圧パルスを第２光源１２に出力し、第２光源１２にパルス状の照明光を射出させる。
【００７６】
第２時間制御器２７は、マスタ時間制御器２５から受け取った制御信号に基づくタイミングで、第２光源１２に所定のパルス幅の電圧パルスを出力する。
【００７７】
続いて、図６を参照して、励起光及び照明光が進行する様子を示す。図６においては、図１に示した構成要素の一部のみを示し、他の構成要素は図示を省略している。また、図６においては、パターン制御器１６が縞状の空間的な分布に励起光をパターン化するように構成されている場合の例を示している。また、図６においては、パターン制御器１６が透過型の場合を示しているが、パターン制御器１６は、図１に示した反射型に限らず、図６に示すような透過型であってもよい。
【００７８】
励起光２０１は、パターン制御器１６によって縞状の空間的な分布にパターン化される。縞状の空間的な分布にパターン化された励起光２０１は、ダイクロイックミラー１７によって反射される。ダイクロイックミラー１７によって反射された励起光２０１は、レンズ１８及び対物レンズ１９を通過して試料５０に照射される。試料５０に縞状の空間的な分布にパターン化された励起光２０１が照射されることで、試料５０においてキャリヤが縞状に生成される。
【００７９】
照明光２０２は、ダイクロイックミラー１７を透過する。ダイクロイックミラー１７を透過した照明光２０２は、レンズ１８及び対物レンズ１９を通過して試料５０に照射される。試料５０に照射された照明光２０２は試料５０を通過する。照明光２０２が試料５０を通過する際、励起光２０１によって生成されたキャリヤに起因する屈折率変化の分布に応じて、照明光２０２はパターン化される。
【００８０】
図６においては図示を省略しているが、試料５０を通過した照明光２０２は、結像用対物レンズ２０及び結像光学レンズ２１を通過して撮像装置２２に到達する。
【００８１】
図７は、図６に示す領域Ｒ付近を拡大した図である。図７に示すように、縞状の空間的な分布にパターン化された励起光２０１は、ほぼ平行光として、試料５０に照射される。試料５０において励起光２０１が照射された付近においては、キャリヤ２０３が生成される。試料５０に照射された照明光２０２は、試料５０内の屈折率変化の分布に応じてパターン化される。
【００８２】
（実施例１）
顕微鏡１により、以下の条件で撮像したときの様子を実施例１として示す。
・試料：酸化チタンナノ粒子薄膜
・励起光のパターン：縞状
【００８３】
図８は、撮像装置２２によって、試料５０（酸化チタンナノ粒子薄膜）の一部領域を撮像した様子を示す図である。図８（ａ）は、励起光を照射した直後に撮像したデータである。図８（ｂ）は、励起光を照射してから１０μｓ後に撮像したデータである。図８（ｃ）は、励起光を照射してから２０μｓ後に撮像したデータである。図８（ｄ）は、励起光を照射してから３０μｓ後に撮像したデータである。図８（ｅ）は、励起光を照射してから４０μｓ後に撮像したデータである。
【００８４】
図８（ａ）〜図８（ｅ）は、試料５０内における屈折率変化のパターンが時間的に変化していく様子を示している。すなわち、図８（ａ）〜図８（ｅ）は、試料５０内における屈折率変化の空間的な分布が時間的に変化していく様子を示している。図８（ａ）〜図８（ｅ）において、白い部分がキャリヤ密度の大きい部分を示し、黒い部分がキャリヤ密度の小さい部分を示す。図８（ａ）を参照すると、白い部分、すなわちキャリヤ密度が大きい部分が目立つが、図８（ｂ）〜図８（ｅ）と進むにつれて、白い部分が目立たなくなっていく。これは、時間の経過と共にキャリヤが消滅及び拡散していることを示していると考えられる。
【００８５】
図８（ａ）〜図８（ｅ）に示すように、顕微鏡１は、試料５０内の屈折率変化の空間的な分布が時間的に変化していく様子を測定することができる。
【００８６】
図９は、図８のデータに基づいて演算部２３がライフタイム及び拡散係数を算出し、図８に示した領域にマッピングした様子を示す図である。図９（ａ）は、ライフタイムをマッピングした様子を示す図である。図９（ｂ）は、拡散係数をマッピングした様子を示す図である。このようにマッピングすることで、顕微鏡１は、試料５０におけるライフタイム及び拡散係数の局所的な値を算出することができる。
【００８７】
図９（ａ）及び図９（ｂ）に示す試料５０内の領域は、縦１２０μｍ×横３６０μｍの領域である。図９（ａ）に示した領域におけるライフタイム（τ）の平均値は、３８μｓであった。図９（ｂ）に示した領域における拡散係数（Ｄ）の平均値は、０．５４μｍ2／μｓであった。
【００８８】
なお、図９に示す例において、顕微鏡１は、試料５０の特定の縞状の部分について、ライフタイム及び拡散係数をマッピングしているが、縞状にパターン化された励起光を照射する位置をずらしながら測定を繰りかえすことで、ライフタイム及び拡散係数を試料５０全体にマッピングすることができる。例えば、顕微鏡１は、ある縞状のパターンの励起光を試料５０に照射して屈折率変化の空間的な分布の時間変化を測定した後、今度は、元々照射していた縞状のパターンを平行にずらして試料５０に照射して測定する。顕微鏡１は、このずらしながらの測定を、試料５０の全体においてマッピングが可能となるまで、繰りかえしてよい。
【００８９】
（実施例２）
顕微鏡１により、以下の条件で撮像したときの様子を実施例２として示す。
・試料：光応答性液晶
・励起光のパターン：格子状
【００９０】
図１０は、撮像装置２２によって、試料５０（光応答性液晶）の一部領域を撮像した様子を示す図である。図１０（ａ）は、励起光を照射した直後に撮像したデータである。図１０（ｂ）は、励起光を照射してから２ｍｓ後に撮像したデータである。図１０（ｃ）は、励起光を照射してから４ｍｓ後に撮像したデータである。
【００９１】
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、試料５０内における屈折率変化のパターンが時間的に変化していく様子を示している。すなわち、図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、試料５０内における屈折率変化の空間的な分布が時間的に変化していく様子を示している。図１０（ａ）〜図１０（ｃ）において、白い部分が屈折率変化の大きい部分を示し、黒い部分が屈折率変化の小さい部分を示す。図１０（ａ）を参照すると、白い部分、すなわち屈折率変化が大きい部分が目立つが、図１０（ｂ）〜図１０（ｃ）と進むにつれて、白い部分が目立たなくなっていく。これは、時間の経過と共に屈折率変化が減少していることを示していると考えられる。
【００９２】
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）に示すように、顕微鏡１は、試料５０内の屈折率変化の空間的な分布が時間的に変化していく様子を測定することができる。
【００９３】
図１０に示したような格子状にパターン化された励起光の場合も、縞状にパターン化された励起光の場合と同様に、顕微鏡１は、格子状にパターン化された励起光を照射する位置をずらしながら測定を繰りかえすことで、試料５０全体においてライフタイム及び拡散係数をマッピングすることができる。
【００９４】
このように、本実施形態によれば、時間制御器２４は、パターン化された励起光が試料５０に照射された所定時間後に、照明光が試料５０に照射されるように、第１光源１１が励起光を照射するタイミング及び第２光源１２が照明光を照射するタイミングを制御する。また、撮像装置２２は、パターン化された励起光によって生成されたキャリヤに基づく試料５０の屈折率変化の分布に応じてパターン化された照明光を撮像する。これにより、顕微鏡１は、パターン化された照明光の撮像データに基づいて試料５０の局所におけるライフタイム及び移動度を解析して、試料５０のライフタイム及び移動度をマッピングすることができる。従って、本実施形態に係る顕微鏡１は、光デバイスなどの試料５０において、生成されたキャリヤのライフタイム及び空間的な移動特性を容易に把握することができる。
【００９５】
励起光によって生成されたキャリヤを検出する従来の方法として、フォトルミネッセンス法及び過渡吸収分光法が知られている。フォトルミネッセンス法は、生成されたキャリヤの発光変化を検出する方法であり、過渡吸収分光法は、生成されたキャリヤによる吸収変化を検出する方法である。フォトルミネッセンス法には、多くのキャリヤが非発光であるという欠点がある。また、過渡吸収分光法には、検出に用いる光の波長が、キャリヤが吸収する波長と一致しないと検出できないという欠点がある。これらの方法に対し、本実施形態に係る顕微鏡１は、生成されたキャリヤに基づく屈折率変化を検出する。屈折率変化は、キャリヤの生成に伴って起こる現象である。また、屈折率変化の測定は照明光の波長を特定の波長に限定しない。従って、本実施形態に係る顕微鏡１は、様々な試料５０に対して様々な波長の照明光を用いて、励起光によって生成されたキャリヤを検出することができる。
【００９６】
また、時間制御器２４は、パルス状の励起光を射出するように第１光源１１を制御し、パルス状の照明光を射出するように第２光源１２を制御してよい。このようにパルス状の光を用いることにより、本実施形態に係る顕微鏡１は、屈折率変化のパターンを高時間分解能で検出することができる。
【００９７】
本発明を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本発明に基づき種々の変形及び修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形及び修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部又はステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。また、本発明について装置を中心に説明してきたが、本発明は装置の各構成部が実行するステップを含む方法、装置が備えるプロセッサにより実行される方法、プログラム、又はプログラムを記録した記憶媒体としても実現し得るものである。本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。
【００９８】
例えば、図１においては、顕微鏡１が演算部２３を備える構成を示しているが、顕微鏡１は、演算部２３を備えていなくてもよい。この場合、例えば、撮像装置２２が外部の演算装置（例えばコンピュータなど）と通信を行って照明光のデータを外部の演算装置に送信し、外部の演算装置が、演算部２３と同等の処理を行ってもよい。
【００９９】
また、本実施形態においては、時間制御器２４は、第２光源１２がパルス状の照明光を射出するように第２光源１２を制御しているが、時間制御器２４は、第２光源１２が照明光を連続的に射出するように第２光源１２を制御してもよい。この場合、時間制御器２４は、励起光が試料５０に照射されてから所定時間後に撮像装置２２が照明光を撮像するように、撮像装置２２が照明光を撮像するタイミングを制御してよい。
【０１００】
また、本実施形態においては、試料５０が光デバイスである場合を例に挙げて説明したが、試料５０は、光デバイスに限定されない。試料５０は、例えば、光デバイス以外の半導体デバイスであってもよい。また、試料５０は、粉体の半導体によって構成される基板に限定されるものではなく、例えば、結晶構造の半導体基板であってもよい。
【符号の説明】
【０１０１】
１  顕微鏡
１１  第１光源
１２  第２光源
１３  ビームエクスパンダ
１４  ビームエクスパンダ
１５  ミラー
１６  パターン制御器
１７  ダイクロイックミラー
１８  レンズ
１９  対物レンズ
２０  結像用対物レンズ
２１  結像光学レンズ
２２  撮像装置
２３  演算部
２４  時間制御器
２５  マスタ時間制御器
２６  第１時間制御器
２７  第２時間制御器
５０  試料
１０１、１０２  照明光
２０１  励起光
２０２  照明光
２０３  キャリヤ
【図１】
2020140037.tif 000005
【図２】
2020140037.tif 000006
【図３】
2020140037.tif 000007
【図４】
2020140037.tif 000008
【図５】
2020140037.tif 000009
【図６】
2020140037.tif 000010
【図７】
2020140037.tif 000011
【図８】
2020140037.tif 000012
【図９】
2020140037.tif 000013
【図１０】
2020140037.tif 000014
【図１１】
2020140037.tif 000015
【図１２】
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