(57)【要約】      （修正有）【課題】プローブと試料との相互の相対的な動作によって、試料を分析するための走査型プローブ顕微鏡において、プローブと試料との間のギャップをモニタリングするユニット、および方法を提供する。【解決手段】走査形プローブ顕微鏡１は、試料６とプローブ１１との間のギャップ６２の実質的に水平な側方視における画像を検出するための検出ユニット６０を備える。【選択図】図１
2018084582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブ（１１）と試料（６）との相互の相対的な動作によって、試料（６）を分析するための走査型プローブ顕微鏡（１）、特に原子間力顕微鏡、であって、
当該走査型プローブ顕微鏡（１）は、
前記試料（６）と前記プローブ（１１）との間のギャップ（６２）の実質的に水平な側方視における画像を検出するための検出ユニット（６０）を備える、
走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記実質的に水平な側方視における画像は、５°未満、特に２°未満の角度で検出される、
請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
詳しくは少なくとも３ｍｍ、より詳しくは少なくとも５ｍｍ、の初期距離から、詳しくは１ｍｍ未満の最終距離まで、前記ギャップ（６２）の検出された前記画像に基づいて、前記プローブ（１１）及び前記試料を互いに接近させるために、前記プローブ（１１）及び前記試料（６）の少なくとも一方を動作させるために構成された駆動ユニット（６３）を備える、
請求項１又は２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記駆動ユニット（６３）は、前記初期距離から中間距離までを第１速度で、その後、前記中間距離から前記最終距離までを前記第１速度よりも小さい第２速度で、特に前記ギャップ（６２）の検出された前記画像に基づいて、前記プローブ（１１）及び前記試料（６）を相互に接近させるために、前記プローブ（１１）及び前記試料（６）の少なくとも一方を動作させるために構成されている、
請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記検出ユニット（６０）は、再調整することなく、異なるサイズの試料（６）に対する前記ギャップ（６２）のサイズを検出できるように構成されている、
請求項１乃至４のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
電磁放射（６６）によって、前記ギャップ（６２）を、特に実質的に水平な側方位置から照射するように構成された照射ユニット（６４）を備える、
請求項１乃至５のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
以下の特徴のうち少なくとも１つを含む走査型プローブ顕微鏡であって、
前記検出ユニット（６０）及び前記照射ユニット（６４）は、前記電磁放射（６６）が前記照射ユニット（６４）から前記ギャップ（６２）を経由して前記検出ユニット（６０）まで伝搬するように、前記試料（６）及び前記プローブ（１１）の対向する両側に配置され、
前記照射ユニット（６４）は、前記ギャップ（６２）を均一に照射するために構成され、
前記照射ユニット（６４）と前記検出ユニット（６０）との間の光路が折り畳まれていない直線の光路である、又は
前記照射ユニット（６４）と前記検出ユニット（６０）との間の光路が折り畳まれた、特に１つ又は２つの折りたたみ位置を含む、光路である、
請求項６記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
特に少なくとも部分的に前記ギャップ（６２）と前記検出ユニット（６０）との間にある、光学系（６８）を備える、
請求項１乃至７のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記光学系（６８）はテレセントリック光学系であって、特に前記ギャップ（６２）と前記検出ユニット（６０）との間の距離に依存しない倍率をする提供するテレセントリック光学系である、
請求項８記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記光学系は、少なくとも１つのレンズ（７０）、詳しくは２つのレンズを備え、
より詳しくは前記少なくとも１つのレンズ（７０）が、前記検出ユニット（６０）から、前記少なくとも１つのレンズ（７０）の焦点距離に対応する距離（ｆ）に位置する、
請求項８又は９記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
検出された前記画像に基づいて、前記試料（6）と前記プローブ（11）との間の距離の定量値を特定するために構成された特定ユニット（８０）を備える、
請求項１乃至１０記載のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
前記プローブ（１１）及び前記試料（６）からなるアレイの周りに配置された少なくとも２つの検出ユニット（６０）を備え、
各検出ユニット（６０）は、別の方向から前記ギャップ（６２）の実質的に水平な側方視を検出するために配置される、
請求項１乃至１１のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
前記検出ユニット（６０）、特に均一な強度を有する電磁放射（６６）の一連の平行光線を生成するための研磨されたプリズムに沿って伝搬する電磁放射（６６）を操作するために構成された光学的操作ユニット（７４）を備える、
請求項１乃至１２のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１４】
走査型プローブ顕微鏡（１）のプローブ（１１）と試料（６２）との間のギャップ（６２）をモニタリングする方法であって、
実質的に水平な側方視において、前記ギャップ（６２）の画像を検出するステップを含む、
方法。
【請求項１５】
前記プローブ（１１）及び前記試料（６）は、前記ギャップ（６２）の検出された前記画像に基づいて互いに関して接近する、
請求項１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に関し、詳しくは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に関係する。また本発明は、走査型プローブ顕微鏡の、プローブと試料との間のギャップをモニタリングする方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＰＭ又はＡＦＭでは、試料表面の走査に先行して、通常の場合、２回の進行ステップが行われる。第一の粗い進行ステップ（coarse engagement step）においては、カンチレバー型のプローブが、試料表面上方の数ｍｍ（或いは数ｃｍ）の位置から、試料表面上方の１ｍｍ未満（例えば数１００μｍ）の位置まで移動される。このステップの後に、精密な進行ステップが開始される。つまり、カンチレバーは、測定のための最終的な開始位置に達するまで、数μｍずつ段階的に移動される。
【０００３】
ただし、時間を節約するために、第一の粗い進行ステップは、高速に、しかしながらカンチレバーが過度に速く移動することなく、且つ試料に過度に接近することなく、従ってカンチレバーの先端及び／又は試料が損傷することなく実行されることが望ましい。
【０００４】
従って、走査型プローブ顕微鏡システムでは、プローブ及び試料が最終的な進行処理手順に先行して、プローブと試料とが近接した位置にあることが望ましい。この進行は、一般的に、緩慢なプロセスであり、その持続時間は、カバーする必要があるギャップに合わせて線形に変化し、従って、機器のスループットを改善するためには、このプロセスの持続時間及びこの初期ギャップのサイズを最小にすることが望ましい。カンチレバーが試料に向かって移動している間、又は試料がカンチレバーに向かって移動している間は、注意が払われるべきである。何故ならば、カンチレバーが試料と誤って接触することによって、先端及び／又は試料及び／又は機器が損傷する虞があるからである。詳しくは、非常に研磨された又は透明な試料の場合には、試料の高さを判断することが困難な場合もある。更に、機器によって、測定できる試料の垂直方向の寸法が大きい場合には、カンチレバーと試料の離隔距離を制御するステージによって、カバーされる距離も同様に大きくなくてはならない。この場合、低い高さの試料に関しては、位置のフィードバックの信頼性が高くなければ、粗い接近時間が長くなる可能性があり、またオペレータが過度に慎重になる可能性がある。
【０００５】
機器が許容する試料の水平方向の寸法も大きく、且つ高さの変動が顕著な場合には、オペレータは、横方向への平行移動の際に、高い特徴部に衝突しないようにも注意を払うべきである。
【０００６】
このコンテキストにおいて、オペレータは、以下のいずれかを行わなければならない：
‐  粗い接近を現場で目視によって、モニタリングする。これは、試料／測定ヘッドが良く見えること要求し、このことは通常の場合、システム周囲のいずれかのエンクロージャの開放を伴う。システムは、この動作によって、（温度、周囲雰囲気、圧力、汚染に対して）不安定になる可能性がある。
‐  （一般的に顕微鏡光学系で）試料とプローブとを、上から見下ろした焦点を比較することによって、接近をモニタリングする。これは、例えば、マテリアルが透明であるか、又は非常に研磨されており、且つ表面が汚染されていない場合のように、上面のフォーカシングが容易でない場合には、衝突に繋がる可能性がある。それらのタイプの表面（極めて汚れがなく、光学的に平坦である）は、ＳＰＭでは普通である。このことは、試料の領域の一部が顕微鏡光学系の被写界深度を超える傾斜の度合いをその試料が有しており、従って、全ての視野を一度にフォーカシングできない場合にも問題になる。
‐  試料及びプローブの側方且つ上方の位置から接近をモニタリングする。従って、関心の対象となる領域の急峻で斜めのビューがもたらされる。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の課題は、損傷の危険がなく、且つ高速に、試料に対して相対的に走査型プローブ顕微鏡のプローブを接近させることができるようにすることである。
【０００８】
上記の課題を解決するために、独立請求項による、走査型プローブ顕微鏡、及び走査型プローブ顕微鏡の、プローブと試料との間のギャップをモニタリングする方法が提供される。
【０００９】
本発明の１つの実施例によれば、プローブと試料とを相互に相対的に移動させることによって、試料を分析するための走査型プローブ顕微鏡が提供され、この走査型プローブ顕微鏡は、実質的に水平な側方視（side view）で、試料とプローブとの間のギャップの画像を検出するための、又はそのような画像を検出するために構成された検出ユニットを備えている（検出ユニットにより捕捉されたギャップの画像が、ギャップの実質的に水平な側方視に対応する限り、検出ユニットの水平方向のアライメントは含まれても良いし、含まれていなくても良い）。
【００１０】
本発明の別の実施例によれば、走査型プローブ顕微鏡の、プローブと試料との間のギャップをモニタリングする方法が提供され、この方法は、実質的に水平な側方視でギャップの画像を検出するステップを備えている。
【００１１】
本明細書のコンテキストにおいて、語句「実質的に水平な側方視」とは、詳しくは、試料とプローブとが垂直方向において、離隔されている場合に、検出ユニットが、完全な水平方向からは著しく偏差しない有効な視野方向に沿って、プローブと試料との間のギャップの画像を検出できるように、検出ユニットが構成されていることを表していると考えられる。これには、０°の完全に水平な視野角が含まれるか、又はギャップの正確な寸法の事実上正確な検出がこの視野方向から可能である、そのような小さい視野角が含まれると考えられる。当業者であれば、アライメントの公差等に起因して、完全に水平方向の整列又は視野方向から僅かな偏差が存在する可能性があることが分かる。
【００１２】
本発明の１つの例示的実施形態によれば、プローブと試料との間のギャップを、信頼性が高いやり方で正確に検出することができ、その結果、少なくともプローブ及び試料の相互に相対的な粗い調整を短時間で成すことができる走査型プローブ顕微鏡が提供される。このことは、詳しくはギャップが誤って又は不正確に特定されたことによって、プローブと試料とが過度に接近することに起因する、プローブ及び試料の意図しない衝突によって、プローブ及び／又は試料が損傷するリスクを一切生じさせることなく、達成できる。大きい斜めの視野角とは異なり、正確に水平な又はほぼ水平なビューでギャップの画像を取得することによって、プローブと試料との間のギャップの正確な寸法を、容易且つ高速に、また高い信頼性で特定できる。この特定された情報は、反復的に検出することもでき、試料とプローブを接近させる処理手順の制御のために使用できる。
【００１３】
より詳細には、本発明の例示的実施形態は、リアル側方視センサを、即ち（カメラ、センサ等を含みうる）観察システムの形態の検出ユニットを提供する。このリアル側方視センサは、場面（scene）の水平なビュー、即ちプローブ（例えば、カンチレバーの先端）と試料表面との間のギャップの形態の関心の対象となるエリアの水平なビューを捕捉できる。このコンテキストにおいて、「水平な」とは、光学的検出経路が測定システムのｘｙ平面に対して平行であるか、又は少なくとも実質的に平行であることを表していると考えられる（ｚ方向は、プローブ及び／又は試料ステージの垂直方向の移動の方向である）。従って、水平には、僅かに勾配があるか又は傾斜している方向又は平面も含まれる。水平な平面からの偏差は、好ましくは５°未満、詳しくは２°未満、又はそれどころか１°未満、特に好ましくは０．５°未満であるべきである。水平なビューは、観察装置又は検出ユニット（例えば、１つ又は複数のカメラ）自体が別個の水平な平面に配置されていることを必ずしも要求しないとみなされるべきである。何故ならば、折り曲げられた光路も実現できるからである。
【００１４】
以下では、走査型プローブ顕微鏡及び方法の別の実施例を説明する。
【００１５】
１つの実施形態においては、実質的に水平な側方視の画像が、水平な軸線に対して５°未満、詳しくは２°未満の角度で検出される。完全に水平な側方視からの非常に僅かな角度不一致であれば、試料とプローブとの間のギャップの寸法に関して、有意な信頼性が高い情報を依然として取得できることが分かった。検出ユニットの完全に水平な配置からの比較的小さい偏差が許容されることによって、僅かな不正確性を許容する走査型プローブ顕微鏡が提供される。詳しくは、約５°未満の偏差では、ギャップ検出の精度及びエラーのない粗い調整について過度に妥協することなく、システムの高速なアライメントが実現される。
【００１６】
１つの実施形態においては、走査型プローブ顕微鏡は駆動ユニットを備え、駆動ユニットは、ギャップの検出された画像に基づいて、例えば少なくとも３ｍｍ（詳しくは少なくとも５ｍｍ）の初期距離から、例えば１ｍｍ未満の最終距離まで、プローブ及び試料を互いに接近させるために、プローブ及び／又は試料を動作させるために構成されている。従って、駆動ユニットは、プローブと試料との間の所望の距離の調整（詳しくは粗い調整）を、高速且つ高い信頼性で成すことができる。検出された画像から導出できる、特定されたギャップサイズを考慮して、既に僅かな距離になるまでのそれら２つの構成要素の接近を制御することによって、プローブと試料とが不所望に衝突するリスクはなくなる。水平に検出されたギャップサイズを考慮して、ギャップサイズを非常に正確に特定することができ、また調整（例えば粗い調整）を非常に精確に、且つ高い信頼性で成すことができる。従って、実際の走査型プローブ顕微鏡検査を非常に高速に開始できる。
【００１７】
１つの実施形態においては、駆動ユニットが、初期距離から中間距離までを第１速度で、その後中間距離から最終距離までを第１速度よりも小さい第２速度で、プローブ及び試料を互いに接近させるために、プローブ及び／又は試料を動作させるために構成されている。このより緩慢な接近運動を、プローブ（詳しくはカンチレバー）の撓みを測定することによって、即ちプローブの先端と試料表面との間の原子力又は分子力を検出して、距離を計算することによって、制御できる。付加的又は代替的に、第２速度での運動も、ギャップの検出された画像を基礎とすることができるか、又はギャップの検出された画像から特定できる。
【００１８】
１つの実施形態においては、初期距離から中間距離までの接近を達成する駆動ユニットの一部を、１つの駆動ステージ（例えばモータ駆動式の駆動ステージ）として実施できる。中間距離から最終距離までの接近を達成する駆動ユニットの一部を、２つの駆動ステージの組み合わせとして実施することができ、例えば駆動ステージが初期距離から中間距離までの接近のために付加的なステージ（例えば、ピエゾステージ）と組み合わされて使用される。この実施形態によれば、上述の粗い調整に続いて、精密な調整を行うことができ、この精密な調整は、残存する不可避の不正確性の結果としての、プローブと試料の不所望な衝突を阻止するために、より低い速度で行われるべきである。接近処理手順を、プローブ及び試料を素早く接近させることができる第１部分と、続いてより低い速度で接近が継続される第２処理手順に分割する。検出ユニットの実質的に水平な側方視における、ギャップサイズ特定の改善された精度に起因して、第１速度を上昇させることができるか、又は第２精密調整の開始を遅らせることができる。このことは、実験を始める前の走査型プローブ顕微鏡の準備の全体の処理手順を加速させる。
【００１９】
１つの実施形態においては、オペレータによって、手動で、又は制御ユニットの制御下で自動的に動作するように、駆動ユニットが構成されている。検出された画像が人間のオペレータに対して表示されると、人間のオペレータは、実際の実験を開始する前に、プローブと試料との間の距離を高い信頼性で調整できる。この接近処理手順中にギャップの画像の検出を継続しながら、オペレータは、接近処理手順の経過を再トレースすることができ、従って、プローブと試料との間の距離を高い信頼性で調整できる。代替的に、画像処理（例えば画像認識）等によって、自動的に検出することもできる特定されたギャップサイズを、走査型プローブ顕微鏡分析を開始する前のプローブと試料との間の開始位置の機械制御式の調整のための基礎とすることができる。いずれのアプローチも、正確な側方視から検出されたギャップの画像を考慮して、高い信頼性で行うことができる。
【００２０】
１つの実施形態においては、検出ユニットが、光学系の再調整を要することなく、異なるサイズの試料に関するギャップ（即ち、プローブと試料との間の距離）のサイズ又は寸法を検出できるように構成されている。そのような実施形態においては、検出ユニットが、広範な範囲にわたり画像及びギャップサイズを検出できるように構成されている。例えば、走査型プローブ顕微鏡を、３０ｍｍまでの厚さを有している試料を用いて動作するために構成できる。これによって、検出ユニットの光学系を一度取り付ければ、試料のサイズ及び／又は形状、又はプローブと試料との間の開始距離が変化する場合であっても、そのアライメントを頻繁に修正することなく維持できる。この光学系の再調整をしなくて済むことによって、ユーザは、故障又は不正確性が生じにくいまま、走査型プローブ顕微鏡を操作できる。詳しくは、テレセントリック光学系の非常に好ましい実現形態は、そのような試料を用いた測定を容易にする。
【００２１】
１つの実施形態においては、走査型プローブ顕微鏡が、電磁放射によって、ギャップを、詳しくは実質的に水平なサイド位置から照射するために構成された照射ユニットを備えている。検出ユニットと同様に、照射ユニットにより生成された電磁放射ビームが、実質的に水平な伝播方向でギャップに沿って又はギャップの周囲に伝播する限り、照射ユニットを水平にアライメントしても良いし、しなくても良い。これは、詳しくは照射ユニットとギャップとの間に、折り曲げられたビームパスを含んでも良いし、含まなくても良い。そのような照射ユニットは、ギャップを照射し、それによって、検出される（１つ又は複数の）画像における、ギャップと、プローブ及び試料との間のコントラストを改善するために、電磁放射（詳しくは可視光、代替的には紫外線放射又は赤外線放射）を放出できる。この措置を講じることによって、画像におけるギャップの識別の精度を改善することができ、またそれによって、プローブと試料との間の距離の調整を改善できる。（上記において、検出ユニットに関して説明したように）照射ユニットも実質的に水平なサイド位置に配置されている場合には、電磁放射ビームを、照射ユニットと検出ユニットとの間で実質的に直線的な方向に沿って伝播させることができる。このことは、検出の高い精度に付加的に寄与する。しかしながら、周囲からの十分な光が存在する別の実施形態においては、照射ユニットを省略することも可能であることを言及しておく。
【００２２】
１つの実施形態においては、照射ユニットと検出ユニットとの間の光路が折り曲げられていない直線的な光路である（そのような光路の一部については図４を参照されたい）。そのような構成は、ハードウェアに関する非常に僅かな労力でもって実現することができ、また光学アーチファクトが生じにくい。
【００２３】
別の実施形態においては、照射ユニットと検出ユニットとの間の光路が折り曲げられた光路であり、詳しくは１つの折り曲げ位置（図２参照）又は２つの折り曲げ位置（図１参照）を備えている。そのような実施形態は、詳しくは、線形の部分を実現不可能にするか、又は不適当なものにする、装置コンポーネントに関する制約が存在する場合には有利である。そのようなシナリオにおいては、（走査型プローブ顕微鏡のコンポーネントにより占有されていない）任意の自由空間領域を、照射ユニット及び／又は検出ユニットを収容するために使用できる。１つの折り曲げ位置は、照射ユニットと、プローブと試料との間のギャップと、の間の光路を折り曲げることができる。付加的又は代替的に、別の折り曲げ位置は、プローブと試料との間のギャップと、検出ユニットと、の間の光路を折り曲げることができる。
【００２４】
１つの実施形態においては、検出ユニット及び照射ユニットが、試料及びプローブの対向する両側（opposing sides）に配置されており、その結果、電磁放射は照射ユニットからギャップを介して検出ユニットへと伝搬する。ギャップを介する伝播中に、照射ユニット及び検出ユニットを電磁放射の伝播方向に沿って配置できることを言及しておく。しかしながら、代替的に、電磁放射の伝播方向を変更する、１つ又は複数の偏向ミラー又は他の光学要素（例えば、レンズ、プレート、ウェッジ及び／又はプリズム）を実現することが可能であり、それによって、検出ユニット及び／又は照射ユニットの実際の配置を、ギャップ通過中の電磁放射ビームの伝播方向から異ならせることができる。前者の実施形態は、故障もしにくく、また照射ユニットから検出ユニットまでの経路からの電磁放射ビームの強度を過度に制限しない非常に短い光路を許容し、また後者の実施形態は、検出ユニット及び／又は照射ユニットをどこに配置するかについてのより高い自由度を提供する
１つの実施形態においては、照射ユニットが、ギャップを均一に照射するために構成されている。本願のコンテキストにおいて、「均一に照射する」という語句は、詳しくは、電磁放射ビームの強度が実質的に又は完全に、ギャップの距離全体にわたり同一であり、例えば、ギャップの距離にわたり偏差が１０％未満であることを表している。この措置を講じることによって、ギャップの不均一な照射の結果生じるあらゆる光学アーチファクトを阻止できる。そのような光学アーチファクトは、画像からのギャップ及びそのサイズの特定に誤りをもたらす可能性がある。（試料又はカンチレバー型のプローブのいずれも認識できない）何もない場面においては、（詳しくはギャップの距離にわたる）強度の異なるレベルとして、均一性からの何らかの偏差がセンサ又は検出ユニットによって、明らかになる。この何もない画像のコントラストは、その場面において、認識できる物体の光学密度に関する限界を設定する。つまり、例えば透明又は半透明な試料が装置に配置される場合には、人間のオペレータ又はコンピュータアルゴリズムによる試料の境界の検出が高い信頼性及び精度を有することを保証するために、結果として生じる画像のコントラストは、照射の不均一性よりも著しく高くあるべきである。
【００２５】
種々の実施形態により均一な照射をどのように達成するかについて、種々の可能性が存在する。１つの実施形態においては、このことを達成する光学素子が、電磁放射の伝播経路に配置されている、研磨された表面を備えたプリズムである。別の実施形態においては、均一な照射を、拡散性の表面のスタックとして実施できるディフューザによって、達成できる。ディフューザを、透過幾何学において、実現できるか（つまり光ビームはディフューザを通過して伝播し、それによって、均一になるか、より一層均一になる）、又は反射幾何学において、実現できる（つまり光ビームはディフューザにおいて、反射され、それによって、均一になる）。更に別の実施例においては、均一な照射を、光導体として機能するファイバ束を実現することによって、得ることができる。上述の各実施形態においては、例えば電磁放射源として、発光ダイオードを使用できる。
【００２６】
１つの実施形態においては、走査型プローブ顕微鏡が、検出ユニットとギャップとの間に光学系を備えている。そのような光学系は、１つ又は複数の光学素子、例えばレンズ、ミラー、絞り、ビームスプリッタ等を含むことができる。そのような光学系は、放射ビームが検出ユニット（例えばＣＭＯＳ検出器又はＣＣＤ検出器又はフォトダイオードのアレイ）に到達する前に、放射ビームを操作できる。
【００２７】
非常に好ましい実施形態においては、光学系がテレセントリック光学系であり、詳しくはギャップと検出ユニットとの間の距離に依存しないか、又は（詳しくは１０％を上回らない偏差で）実質的に依存しない倍率を提供するテレセントリック光学系である。テレセントリック光学系が実現されている場合には、テレセントリック系を試料から遠く離れた位置に配置できる。これによって、正確な側方視の実現が著しく簡略化される。何故ならば、これによって、多くの幾何学的な実施形態においては光学系を試料及びプローブの非常に近くに位置決めすることができない装置のサイズに関する制約条件が満たされるからである。しかしながら、テレセントリック光学系が使用される場合には、テレセントリック光学系により捕捉される画像におけるギャップのサイズを縮小することなく、光学系と、試料、プローブ及びそれらの間のギャップのアレンジメントと、の間の距離は、遠く離すことができる。これは、テレセントリック光学系の特徴を表しており、検出ユニットにより捕捉される画像に現れるギャップサイズは、検出ユニットの画像検出表面とギャップの位置との間の距離には実質的に依存しない。テレセントリック光学系を実現するそのような非常に好ましい実施形態によって、アライメント不良、公差等に対して非常にロバストであるギャップ検出アーキテクチャを得ることができる。テレセントリック光学系は、ギャップのサイズが、ギャップと検出ユニットの位置との間の距離に依存しないように、ギャップの画像を検出ユニットの感光性検出器にマッピングする特性を有している。またテレセントリック光学系を設けることによって、光学系又は走査型プローブ顕微鏡の素子全体を頻繁に再調整しなくて済む。
【００２８】
例示的実施形態によるテレセントリック光学系において、実現できるテレセントリックレンズは、入射瞳及び出射瞳が無限遠にある複合レンズである。前のケースでは、ギャップの正射影図が形成される。このことは、光学系が主光線を、即ちシステムの前後それぞれで、光軸に対して平行な光線を選択することを意味している。レンズをテレセントリックにする簡単なやり方は、開口絞りをレンズの焦点のうちの１つに配置することである。無限遠にある入射瞳は、レンズ物体空間をテレセントリックにし、その結果、画像倍率は、検出ユニットの視野内のギャップの距離又は位置に依存しない。
【００２９】
１つの実施形態においては、光学系が少なくとも１つのレンズ、詳しくは２つのレンズを備えている。光学系がレンズを１つだけ備えている場合には、光学系を通過する伝播に起因する電磁放射ビームの強度の損失を非常に小さいものに留めることができる。従って、ギャップの検出された画像の高い品質を得ることができ、その結果、ギャップのサイズ、形状等の特定を非常に精確なものにすることができる。しかしながら、２つのレンズが実装されている場合には、光学アーチファクトを強く抑制することができ、またギャップの非常に正確な画像を、検出ユニットに投影できる。
【００３０】
好ましい実施形態においては、少なくとも１つのレンズのうちの１つが、このレンズの焦点距離に少なくとも実質的に相当する、検出ユニットからの距離に配置されている。この措置を講じることによって、検出された画像におけるギャップのサイズは、ギャップと検出ユニットとの間の距離とは全く無関係になる。
【００３１】
１つの実施形態においては、走査型プローブ顕微鏡は、検出された画像に基づいて、試料とプローブとの間の距離の定量値を特定するために構成された特定ユニットを含んでいる。プローブと試料との間のそのような定量的な距離を特定することによって、プローブと試料との間の相互の空間的な関係の調整を非常に高速に行うことができる。そのような特定を、画像処理により行うことができるか、又はギャップの検出された画像の表示画面にスケールも表示することによって、オペレータが手動で行うことができる。距離を特定することよって、簡潔で自動的に処理可能なパラメータを決定することができ、このパラメータは調整処理手順のために高価値（high value）でありうる。
【００３２】
１つの実施形態において、走査型プローブ顕微鏡は、プローブ及び試料からなるアレイの周りに配置された少なくとも２つの検出ユニットを備えることができ、各検出ユニットは、別の方向からギャップの実質的に水平な側方視を検出するために配置されている。従って、少なくとも２つの検出ユニットを、試料及びプローブからなるアレイの周りに配置することができ、それぞれが、別の方向から実質的に水平な側方視を検出する。これによって、プローブと試料との間の位置の調整が非常に簡便且つ精確になる。
【００３３】
１つの実施形態においては、走査型プローブ顕微鏡は、（例えばギャップから）検出ユニットに向かう電磁放射の伝播を操作するために構成されている光学的操作ユニット、詳しくは均一な強度を有している電磁放射の一連の平行な光線を生成するための研磨されたプリズムを備えている。一連の平行な光ビームを生成することによって、照射及び検出処理手順を非常に正確なものにすることができる。光学アーチファクトを強く抑制できる。
【００３４】
１つの実施形態においては、走査型プローブ顕微鏡が、原子間力顕微鏡として構成されている。しかしながら他のタイプの走査型プローブ顕微鏡に、プローブと試料との間のギャップを検出するための検出ユニットも同様に装備させることができる。本発明の１つの実施例により実現できる、そのような代替的な走査型プローブ顕微鏡に関する１つの例は、走査型トンネル顕微鏡であり、この走査型トンネル顕微鏡では、励起電流がチップ（tip）に供給され、その結果、トンネル効果に起因して、測定された応答電流は、チップと試料との間に存在する実際の力に依存する。
【００３５】
本発明の実施例により実現できる走査型プローブ顕微鏡の別の例は、走査型近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）、チップ増強ラマン分光（ＴＥＲＳ）顕微鏡、又は磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）である。
【００３６】
本発明の上記において、定義した態様及び更なる態様は、以下に説明する実施例より明らかになり、それらの態様をそれらの実施例を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の例示的実施形態による走査型プローブ顕微鏡を示す図である。
【図２】本発明の例示的実施形態による走査型プローブ顕微鏡の光学系の種々の横断面図を例示する図である。
【図３】本発明の例示的実施形態による走査型プローブ顕微鏡の光学系の種々の横断面図を例示する図である。
【図４】本発明の例示的実施形態による走査型プローブ顕微鏡の光学系の種々の横断面図を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図面の説明は、模式的なものである。異なる図面において、類似又は同一の構成要素は、同一の参照符号を備える。
【００３９】
図面を参照して例示的実施形態がよる詳細に説明される前に、いくつかの基本的考察が要約される。それに基づいて本発明の例示的実施態様が開発された。
【００４０】
本発明の例示的な実施形態によれば、走査型プローブ顕微鏡の試料とプローブとの間の高速の粗いアプローチを支援する側方視センサが提供される。そのような実施形態は、粗い接近動作を助けるために試料‐プローブ分離（separation）の信頼性の高いビューを提供できる。本発明の好ましい実施例は、試料とプローブとの間の場面テレセントリックビューを提供する。試料が透明層を含むときでも、このビューは良好なコントラストを提供し、試料とカンチレバーの間の距離の正確な測定を可能にする。本発明の実施形態は従来のシステムと比較して大きい視野を提供し、より大きい試料がシステムで調査されることができる。本発明の実施形態から得られるビューは、自動処理及び器具の自動又は遠隔誘導と適切に互換性を持つ。走査型プローブ顕微鏡装置において、真の側方視（即ち、斜めのビューの代わりに上下軸から正確に又は約９０°）を使用することにより、オペレータはプローブと試料との間の距離をモニタリングすることができる。システムの光学部品は側方視軸に配置されてもよいし、配置されなくてもよく、その軸に沿って見られるビューが捉えられればよい。側方視システムの光軸に関して複数の試料‐プローブ位置に対して距離を正確に判断できるために、適切な真の側方視光学はテレセントリックである。
【００４１】
一実施形態では、側方視システムの出力は、オペレータへの入力として、及び／又は自動化された手順（例えば、試料への粗いアプローチ、衝突回避機構など）への入力として使用できる。他の実施形態では、側方視システムの出力を、（試料チャンバの開放による）温度、圧力及び／又は湿度などの条件の不安定化及び付加的待機時間を回避する、機器の遠隔操作に使用できる。プローブと試料との間の距離及び試料の幾何学的形状についての定量的情報を提供するために、側方視の出力を較正することも可能である。試料ナビゲーションの安全性とスピードを向上させるために、直交方向を見る２つの側方視システムを組み合わせることも可能である。
【００４２】
本発明の実施形態の側方視システムは、予想される範囲の試料高さをカバーする均一照射の光源（例えば、ＬＥＤアレイ、ディフューザ、光ガイド）を実現できる。一実施形態において、側方視・テレセントリック光学部品は、視野全体にわたって均一な強度を有する一連の平行光を生成するために、研磨されたガラス・プリズムと組み合わせることができる。本発明の好ましい実施例は、センサ／レンズからの対象物の距離及びシステムの視野内の対象物の位置から独立した倍率を提供する、物体空間（object-space）テレセントリック光学系を使用する。
【００４３】
テレセントリック光学系の構成要素は、ピンホール、１つ以上のレンズ、平行光線を確保する光学部品、均一照射を生成する電磁放射線源、及び検出ユニットとしてのライトーカメラ・アレンジメントであり得る。好ましい実施態様においては、電磁放射ビームの伝搬路は光源から、ディフューザを通り抜け又はディフューザに向かって（through or to a diffusor）、プローブと試料との間のギャップに至り、そして、そこからセンサに向かう。その結果、光は、試料‐カンチレバー・ギャップを通過しセンサに到達する。このアレンジメントでは、固体部分とそれら間のギャップとのコントラストが、非常に高い。
【００４４】
本発明の他の実施形態は、試料の同じ側に、又はある角度で、光源及びセンサを配置できる。そのようなアレンジメントにおいて、センサが受信する光は、試料からの反射であることがある。これは、試料についてより多くの詳細を提供できる。他の例示的実施形態は、２つ又は複数の光源を実装できる。第１光源は光路が試料‐カンチレバー・ギャップを通過し、センサに到達するように配置されてもよい。第２光源は、試料の同じ側又はある角度に配置されてもよい。このようなアレンジメントでは、センサが受信する光は、試料から反射できる。また、このような実施形態は、試料についてより多くの詳細を提供できる。
【００４５】
固体部分と空気との間で高いコントラストを有することは、オペレータが固体部分端部を特定するのを助ける。更に、側方視センサにより取得された場面が、マシンビジョン及び／又は器具の自動制御のための入力として使用される場合、画像のどの領域が試料又はカンチレバーに対応するのかを自動的に検出するために使用される閾値は、画像のコントラストに直接関係する。
【００４６】
好ましい実施形態では、光源は、センサ又は検出ユニットによって、視界にとらえられる（seen）全ての場面をカバーする領域にわたって均一である。空の場面（即ち、試料又はカンチレバーが視認でいない）では、均質性からの任意の偏差は、センサによって、異なる強度のレベルとして検知され得る。この空の画像のコントラストは、場面上で認識可能な対象物の光学濃度の限界を設定する。即ち、例えば、透明又は半透明の試料が器具内に置かれた場合、結果として得られる画像のコントラストは、照射不均一性よりも著しく高くなければならないか、又は人間のオペレータ又はコンピュータアルゴリズムのいずれかによる試料境界の検出は信頼できない。
【００４７】
一実施形態では、カンチレバーと試料との間のギャップをモニタリングする方法が提供される。更に、５ｍｍより大きい（又は１０ｍｍ又は２０ｍｍより大きい）距離から、１ｍｍより小さい距離（又は更に０．５ｍｍ又は０．１ｍｍより小さい距離）まで、チップと試料との間の相対距離を移動させる方法が提供される。別の実施形態では、微細な進行（fine engagement）が実際的でないほど大きい距離から、微細な進行が１分以内に取られる距離へ、カンチレバーを試料に迅速に接近させる方法が提供される。更に、大きな垂直視野を有する試料に関してセットアップが固定され、種々の垂直試料高さに対する配置を調整し又は再構成する必要性を排除する装置が提供さる。また、レンズ歪み補正、場面ステッチングなどを行うことも可能である。
【００４８】
図１は、本発明の例示的実施形態による、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）として実施されている走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）１を示す。走査型プローブ顕微鏡１においては、プローブ１１の伸長、即ち、試料６の表面に沿って移動するときのプローブ１１（突出チップ５を有するカンチレバー７として具現化できる）の位置又は形状の変化は、光センサシステムにより検出される。この状況では、電磁放射線源２（例えば、レーザ源）は、一次電磁放射ビーム１３（特に光ビーム）を放出し、集束ユニット１２（１つ以上の光学レンズのアレイとして具現化されてもよい）を経由してプローブ１１上へ伝搬する。二次電磁放射ビーム３は、プローブ１１の上側表面における一次電磁放射ビーム１３の反射によって、発生する。二次電磁放射ビーム３は、光反応性（photosensitive）及び位置反応性（position sensitive）の検出器１０へ伝播する（特に、二次電磁放射ビーム３は、偏向ミラー１４又は別の光偏向素子によって、検出器１０上へ偏向され得る）。測定プローブ１１が（図１による垂直方向における位置変化をトリガリングできる）アクチュエータ４により移動されるとき、及び／又は測定プローブ１１がその形状を変化させるとき、レーザ光の変更は位置反応性検出器１０により検出されることができる。試料ホルダ５４上に又は直接試料支持部１７上に配置された、分析中の又は特徴づけられるべき試料６と、プローブ１１の測定チップ５（カンチレバーチップとも称されうる）の相互作用に依存して、プローブ１１の応答は変化し、検出器１１の対応する領域は二次電磁放射ビーム３により衝突される（impinged）。検出器信号は評価ユニット８において、処理される。試料表面６の生成された高解像度画像は表示ユニット９により表示されることができる。試料６の表面は測定チップ５（即ち、プローブ１１の反応性チップ５）により走査されることができる。試料支持部１７は、水平面内で（即ち、図示されたｚ方向に垂直なｘ方向及びｙ方向に）移動できる。したがって、走査型プローブ顕微鏡１は、プローブ１１による試料６の表面の走査によって、試料６に関する表面情報を特定する役割を果たす。従って、走査型プローブ顕微鏡１では、プローブ１１と試料６とを相対的に移動させることにより、試料６を分析できる。
【００４９】
図１からわかるように、走査型プローブ顕微鏡１は、試料６とプローブとの間のギャップ６２の実質的に水平な側方視における画像を検出するように構成された検出ユニット６０（ＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳカメラなどのカメラを含み得る）を備える。ギャップ６２のこの実質的に水平な側方視は、（図示のｚ方向に垂直に配置された）水平軸に対して２°未満の角度で伝搬する光ビーム（電磁放射ビーム６６参照）により検出される。より正確には、検出ユニット６０は、実質的に水平方向に沿ってギャップ６２を見るときに捉えられるように、垂直方向に離間した（ｚ方向参照）試料６とプローブ１１との間のギャップ６２の画像を検出するように構成される。検出ユニット６０は、試料６及びプローブ１１に近接する走査型プローブ顕微鏡１の様々な素子の位置決めの制約を満たすために、ここでは二重に折り畳まれた光路（ミラー３１，３３参照）の端部に配置されているが、検出ユニット６０により捕捉されるギャップ６２の画像は、ミラー３１、３３間のギャップ６２の領域内で実質的に水平に伝搬する電磁放射ビーム６６により画定される、折り畳まれていない、完全に水平な光路の端部に、検出ユニット６０が配置された場合に捕捉されるであろう画像と等しい。図１に示される真の側方視検出アーキテクチャのため、検出ユニット６０は、走査型プローブ顕微鏡１の光学系を再調整することなく、異なるサイズの試料６のギャップ６２の垂直サイズを検出できるように構成される。例えば、３０ｍｍまで又はそれ以上の寸法を有する試料６を正確に検出できる。
【００５０】
更に、走査型プローブ顕微鏡１は、空間的なプローブ‐試料関係の粗調整及び／又はその後の微調整の観点から、ギャップ６２の検出された画像に基づいて、及び任意付加的に検出器１０から得られる情報に基づいて、例えば１０ｍｍの初期距離から例えば０．２ｍｍの最終距離まで、相互に接近するプローブ１１及び試料６のために、プローブ１１に対して試料６を駆動し又は移動させるための駆動ユニット６３を有する。具体的には、駆動ユニット６３は、粗調整の観点からプローブ１１及び試料６を相互に接近させるために、プローブ１１に対して試料６を、初期距離から中間距離まで第１速度で移動させるために構成されており、そのために検出されたギャップ６２の画像が使用されることができる。
【００５１】
あるいは、駆動ユニット６３は、粗調整の観点からプローブ１１及び試料６を相互に接近させるために、試料６に対してプローブ１１を、初期距離から中間距離まで第１速度で移動させるために構成されていてもよく、そのために検出されたギャップ６２の画像が使用されることができる。
【００５２】
その後、プローブ１１及び試料６は更に、中間距離から最終距離まで、第１速度よりも遅い第２速度で、例えば検出器１０からのデータに基づいて、接近する。粗調整は、検出ユニット６０により検出された真の側方視に基づいて正確に求められた、ギャップ６２の正確なサイズ情報を用いて、プローブ１１及び試料６の不所望な衝突のリスクを伴うことなく、高い第１速度で実行されることができる。駆動ユニット６３は、ユーザによって、手動で操作されるか、又は制御ユニット８４（プロセッサなど）の制御下で自動的に操作され得る。制御ユニット８４は走査型プローブ顕微鏡１の動作を制御することができ、このために、参照符号４、８、６０、６３、７２及び８０による要素の中の少なくとも一部に接続される。
【００５３】
更に、走査型プローブ顕微鏡１は、図１による二重折り返し光路を介して実質的に水平な側方位置から電磁放射線６６、例えば可視光ビームで、ギャップ６２を照射するように構成された照射ユニット６４を含む。したがって、照射ユニット６４と検出ユニット６０との間の光路は、２つの反射ミラー３１，３３により画定される２つの折り畳み位置を含む折り畳まれた光路である。検出ユニット６０及び照射ユニット６４は、中間位置にギャップ６２により離間された試料６及びプローブ１１を有する２重折り畳み光路の対向端に配置される。したがって、電磁放射６６は、照射ユニット６４からミラー３１を介し、ギャップ６２及びミラー３５を介して検出ユニット６０に伝搬する。有利には、照射ユニット６４は、その全幅にわたって実質的に同一の強度でギャップ６２を均一に照射するように構成される。
【００５４】
光学系６８は、ギャップ６２と検出ユニット６０との間に配置され、好ましくは、ギャップ６２と検出ユニット６０との間の距離に依存しないで倍率を提供するテレセントリック光学系として構成される。テレセントリック光学系６８は、レンズ７０の焦点距離に対応する検出ユニット６０までの距離に配置されたレンズ７０を含む。
【００５５】
特定ユニット（determining unit）８０は、検出部６０により検出された画像を示す画像データを備え、検出された画像に基づいて、試料６とプローブ１１との間の距離又はギャップサイズの定量値を決定するために構成されている。この値は、制御ユニット８４に供給されてもよく、制御ユニット８４による駆動ユニット６３の制御の基礎として役立ち得る。任意の処理ユニット７２は、検出ユニット６０により生成された複数の水平検出画像を処理するように構成される。代替的に又は付加的に、検出された画像は画面（screen）上に表示されてもよく、したがってオペレータにより観察されてもよい。
【００５６】
光学的操作ユニット７４は、均一な強度を有する電磁放射線６６の一連の平行光線を生成するために、ギャップ６２から検出ユニット６０に向かって伝搬する電磁放射線６６を操作するように設けられ、構成されている。
【００５７】
検出ユニット６０は、垂直又はＺアライメントに使用される情報を提供するカメラを含むことができる。一実施形態では、このカメラは、試料表面の画像を生成するのではなく、プローブ１１と試料６との間の垂直距離を観察又は測定する。この情報は、カンチレバー型プローブ１１を試料６に向かって安全に接近させるために使用できる。一実施形態では、検出ユニット６０は、試料６又はプローブ１１の特徴ではなく、ギャップ６２の画像を検出する。これは、図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡１の、光源、カメラ、及び他のコンポーネントの固定されたセットアップによって、達成できる。これらの構成要素は、ＡＦＭフレーム及び／又は試料保持コンポーネント（即ち、ステージのベース）に関して固定された位置を有することができる。
【００５８】
以下、走査型プローブ顕微鏡１の動作について説明する。実際の走査型プローブ顕微鏡測定を開始する前に、試料６とカンチレバー７との相互の位置合わせを調整する必要がある。このために、試料６とカンチレバー７との間の望ましくない衝突又は衝撃の損傷を回避できるように、試料６及びカンチレバー７は最初に例えば１０ｍｍの十分に遠い距離（high distance）に配置される。続いて、駆動ユニット６３は、試料６とカンチレバー７が例えば１ｍｍの相互距離に達するまで、先ず、相対的に早い第１速度での粗調整によって、試料６とカンチレバー７とを接近させる。試料６とカンチレバー７とを互いに向けてどれだけ近づけられるかについての情報を得るために、試料６とカンチレバー７との間のギャップ６２の画像が検出される。このために、照射ユニット６４は、電磁放射ビーム６６として光ビームを放射する。ミラー３１による偏向の後、電磁放射ビーム６６は、試料６とカンチレバー７との間のギャップ６２を通って伝播し、その後さらなるミラー３３に当たる。ビーム調整は予めビーム操作部７４で行われることができる。レンズ７０を通過した後、電磁放射ビーム６６は検出ユニット６０に到達し、ここで電磁放射ビーム６６が画像の形態で検出される。この検出された画像に基づいて、ギャップ６２に関する情報並びにその形状及びサイズが特定ユニット８０により決定されてもよい。この特定の結果は、例えば制御ユニット８４を介して、ギャップ６２の特定されたサイズに基づいて粗調整を実行できる駆動ユニット６３に供給されてもよい。ミラー３１と３３との間の電磁放射ビーム６６の水平方向の伝搬により、ギャップ６２の水平画像が検出ユニット６０により検出されることができる。しかしながら、検出ミラー３１及び３３の存在のおかげで、検出ユニット６０並びに照射ユニット６４を、そのようなユニットを収容するために小さい空間しか存在しない試料‐プローブ領域に関して、間隔をあけて配置することが可能である。照射ユニット６４は、発光ダイオード又は発光ダイオードのアレイとすることができる。ギャップ６２の照射の均一性を向上させるために、照射ユニット６４とギャップ６２との間にディフューザ３７等を配置してもよい。上述した走査型プローブ顕微鏡１により捕捉されたギャップ６２の真横の（true horizontal）側方視により、ギャップ６２のサイズは高い精で特定されることができ、試料−プローブ調整も非常に正確に行うことができる。
【００５９】
図２乃至４は、本発明の例示的実施形態による走査型プローブ顕微鏡１の光学系６８の異なる横断面図を例示する。
【００６０】
図２を参照すると、物体側テレセントリック側方視センサ又は光学系６８が示されている。図２には、照射ユニット６４と検出ユニット６０の感光性表面（light-sensitive surface）との間の光路は、走査型プローブ顕微鏡１の幾何学的形状の制約を満たすために、ミラー３３の実装の結果として折り畳まれている。しかし、代替的に、図１のような二重に折り畳まれた幾何形状（例えば２つのミラー３１，３３で実施する）、又は完全に長手方向の光路（そこでは、例えば、実施するためにミラーは必要がない）を有することも可能である。したがって、図２によれば、（均一照射を提供する）照射ユニット６４と検出ユニット６０との間の光路は、１つの折り畳み位置のみを含む折り畳まれた光路である。
【００６１】
図２に示すように、照射ユニット６４から水平に到来し、ギャップ６２を通過する光を、ミラー３３、プリズム又は任意の他の適切な光学素子によって、再び方向づけることができる。オペレータは、例えば、スクリーン（スケールを含むこともある）上で画像を見ることができ、マニュアルで試料６の表面に向かうプローブ１１の接近を制御できる。このプロセスもまた、制御ユニット８４等を含むことによって、半自動化又は完全自動化することもできる。検出ユニット６０は、ギャップ６２のサイズを測定し、この情報を処理することによって、プローブ１１及び／又は試料６の動作を制御できる。
【００６２】
照射ユニット６４（光源など）は、場面、即ちギャップ６２に水平に到着する均一照射ビーム又は電磁放射ビーム６６を生成する。図１とは対照的に、照射ユニット６４は、ギャップ６２の位置で電磁放射ビーム６６の伝播方向と一直線に配置され、ギャップ６２に垂直ではない。光源自体は（図２のように）必ずしもｘ‐ｙ平面に配置されている必要はないが、上方又は下方の任意の方向から到達する光はその平面に再方向付けすることができる。電磁放射ビーム６６は、試料６とプローブ１１との間のギャップ６２の実質的に均一な照射を確実にしなければならない。強度変動（intensity fluctuations）又は光残留（light remain）の変化が十分に小さい場合（入射光が過度に不均一にならないことを意味する）、透明物体でさえも高精度に検出できる。
【００６３】
入射電磁放射ビーム６６は、ｘ‐ｙ平面内の任意の方向又は任意の角度から到着できる。本発明の例示的な実施形態では、光源又は電磁放射線源６４（又は関連するミラー３１、プリズムなど）の適切な位置は、カメラ又は検出ユニット６０（又は関連するミラー３３、プリズムなど）に対向する反対側（diametrically opposite）にあり得る。
【００６４】
本発明の好ましい実施形態では、テレセントリック光学系６８を実施できる。このようなテレセントリック光学系６８は、物体空間（object space）内でテレセントリックであってもよい。このような光学構成の利点は、像平面上で、物体の像がその距離とは無関係に同じ大きさを有することである（図４参照）。換言すると、このようなテレセントリック構成には、遠近歪みはない。例示的な実施形態によるテレセントリック光学系６８は、基本的に、１つのレンズ７０で動作する（図１又は図４参照）。図２に示される構成は、２つのレンズ７０を備える。しかしながら、レンズ７０の数は、１つ又は２と異なることもできる。レンズ７０の下流には、開口９１が設けられており、電磁放射ビーム６６は検出ユニット６０に到達する前にそこを伝搬する。
【００６５】
図３は、本発明の例示的実施形態による走査型プローブ顕微鏡１の可能な光学系６８を示す。ピンホールカメラ４３から異なる距離にある３つの対象物（ｙ１、ｙ２、ｙ３参照）が示される。これらの対象物（ｙ１、ｙ２、ｙ３参照）はカンチレバー７と試料６との間のギャップ６２を表す。図３から分かるように、等しい寸法ｙ１＝ｙ２＝ｙ３を有するが、ピンホールカメラ４３から異なる距離に配置されている対象物は、検出スクリーン又は検出表面上に異なるサイズで結像される。図３の光学システム６８が実施されるときは、光学アーチファクトが含まれるのを防止するために、試料‐プローブ・アレンジメントが所定の位置に配置されるように配慮されなければならない。参照符号９３は投影中心を示し、対象物（ｙ１、ｙ２、ｙ３を参照）の像９５は同様に示される。ピンホールと検出表面の間の距離は、参照符号ｇで示される。
【００６６】
図４に示される光学系６８は、テレセントリック光学系６８を実施するための、本発明の好ましい実施形態に関する。図３の実施形態のように、図４の実施形態は、照射ユニット６４（図示せず）と検出ユニット６０との間の、折り畳まれていない直線光路である光路を実施する。
【００６７】
等しい寸法ｙ１＝ｙ２を有しているが、ピンホールカメラ４３から異なる距離に位置している２つの対象物（ｙ１、ｙ２参照）が示される。これらの対象物（ｙ１、ｙ２参照）はカンチレバー７（又はプローブ１１）と試料６との間のギャップ６２を示す。ピンホールカメラ４３及びレンズ７０のこの構成では、検出スクリーン上に結像されるべきギャップ６２の寸法は、ギャップ６２が第１位置（ｙ１参照）又は第２位置（ｙ２参照）にあるかどうかに依存しない。ギャップ６２のサイズは、従って、試料‐サンプル・アレンジメントの正確な位置にかかわらず、正確に決定されることができる。非常に有利には、レンズ７０とピンホールカメラ４３の開口４１との間の距離ｆは、レンズ７０の焦点距離に等しい。対象物（ｙ１、ｙ２参照）の像９５は、全ての同じ（又は実質的に同一）サイズを有する。
【００６８】
「なる（comprising）」という用語は他の要素又はステップを除外しない、そして、「１つ（”a” or ”an”）」が複数を除外しない点に留意する必要がある。また、異なる実施形態に関連して説明した要素も組み合わせることができる。
【００６９】
特許請求の範囲における参照符号は、特許請求の範囲を限定するものと解釈されるべきではないことにも留意すべきである。
【００７０】
本発明の実施は、図面に示され、上述された好ましい実施形態に限定されない。代わりに、基本的に異なる実施形態の場合であっても、示された解決法及び本発明による原理を使用する多数の変形が可能である。
【図１】
2018084582.tif 000003
【図２】
2018084582.tif 000004
【図３】
2018084582.tif 000005
【図４】
2018084582.tif 000006
【外国語明細書】
2018084582000001.pdf