(57)【要約】【課題】磁化の方向を特定可能なカー効果顕微鏡を提供する。【解決手段】本発明のカー効果顕微鏡は、第１プローブ光（６ｘ）を試料に第１方向に入射し、第２プローブ光（６ｙ）を前記第１方向と異なる第２方向に入射可能に構成されたプローブ光入射手段（１、２）と、第１プローブ光（６ｘ）が前記試料によって反射されて生成される第１反射光（７ｘ）と、第２プローブ光（６ｙ）が前記試料によって反射されて生成される第２反射光（７ｙ）から、前記試料の各位置における磁化の方向を特定する磁化方向特定手段（３、４）とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１プローブ光を試料に第１方向に入射し、第２プローブ光を前記第１方向と異なる第２方向に入射可能に構成されたプローブ光入射手段と、
前記第１プローブ光が前記試料によって反射されて生成される第１反射光と、第２プローブ光が前記試料によって反射されて生成される第２反射光から、前記試料の各位置における磁化の方向を特定する磁化方向特定手段
とを具備する
カー効果顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載のカー効果顕微鏡であって、
前記第１方向は、前記試料の表面に垂直な第１平面の面内に、前記試料の表面に垂直な垂直方向に対して斜めに規定され、
前記第２方向は、前記第１平面に垂直な第２平面の面内に、前記垂直方向に対して斜めに規定され、
前記磁化方向特定手段は、前記試料の前記磁化の、前記第１平面及び前記試料の表面の両方の面内にある方向についての方向余弦を前記第１反射光から特定し、前記試料の前記磁化の、前記第２平面及び前記試料の表面の両方の面内にある方向についての方向余弦を前記第２反射光から特定する
カー効果顕微鏡。
【請求項３】
請求項１に記載のカー効果顕微鏡であって、
前記プローブ光入射手段は、前記第１プローブ光及び前記第２プローブ光を、時分割で前記試料に入射するように構成された
カー効果顕微鏡。
【請求項４】
請求項１に記載のカー効果顕微鏡であって、
前記プローブ光入射手段は、
前記第１プローブ光を生成するために使用される第１レーザ光を生成する第１半導体レーザと、
前記第２プローブ光を生成するために使用される第２レーザ光を生成する第２半導体レーザ
とを備える
カー効果顕微鏡。
【請求項５】
請求項４に記載のカー効果顕微鏡であって、
前記プローブ光入射手段は、更に、
前記第１レーザ光を通過し、又は遮断する第１シャッターと、
前記第２レーザ光を通過し、又は遮断する第２シャッター
とを備え、
前記第１シャッターと前記第２シャッターは、前記第１プローブ光及び前記第２プローブ光が時分割で前記試料に入射されるように、それぞれ前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光を通過し、又は遮断する
カー効果顕微鏡。
【請求項６】
請求項１に記載のカー効果顕微鏡であって、
前記第１プローブ光及び前記第２プローブ光のそれぞれが２重変調されている
カー効果顕微鏡。
【請求項７】
請求項１に記載のカー効果顕微鏡であって、
前記プローブ光入射手段は、第３プローブ光を前記第１方向及び前記第２方向と異なる第３方向に入射可能に構成され、
前記磁化方向特定手段は、前記試料の前記磁化の方向を、前記第３プローブ光が前記試料によって反射されて生成される第３反射光から特定する
カー効果顕微鏡。
【請求項８】
請求項７に記載のカー効果顕微鏡であって、
前記第１方向は、前記試料の表面に垂直な第１平面の面内に、前記試料の表面に垂直な垂直方向に対して斜めに規定され、
前記第２方向は、前記第１平面に垂直な第２平面の面内に、前記垂直方向に対して斜めに規定され、
前記第３方向は、前記垂直方向に規定され、
前記磁化方向特定手段は、前記第１反射光から、前記試料の磁化の、前記第１平面と前記試料の表面の両方の面内の方向についての方向余弦を特定し、前記第２反射光から、前記試料の磁化の、前記第２平面と前記試料の表面の両方の面内の方向についての方向余弦を特定し、前記第３反射光から、前記試料の磁化の、前記垂直方向についての方向余弦を特定する
カー効果顕微鏡。
【請求項９】
請求項１に記載のカー効果顕微鏡であって、
更に、
表示装置
を具備し、
前記磁化方向特定手段は、前記試料の各位置における磁化の方向を示す表示画像を前記表示装置に表示する
カー効果顕微鏡。
【請求項１０】
請求項９に記載のカー効果顕微鏡であって、
更に、
前記試料に可変の外部磁界を印加する外部磁界印加装置を備え、
前記磁化方向特定手段は、前記外部磁界印加装置によって前記外部磁界が変化されている間に逐次に前記試料の各位置における磁化の方向を特定し、特定された前記磁化の方向を動画として前記表示装置に表示する
カー効果顕微鏡。
【請求項１１】
請求項２に記載のカー効果顕微鏡であって、
更に、
前記試料に可変の外部磁界を印加する外部磁界印加装置と、
前記第１反射光のカー回転角又は楕円率と前記外部磁界との対応関係から、前記試料の磁化の前記第１平面及び前記試料の表面の両方の面内にある方向についての磁化曲線を得る磁化曲線測定手段
とを具備する
カー効果顕微鏡。
【請求項１２】
請求項１に記載のカー効果顕微鏡であって、
前記プローブ光入射手段は、
単一の光源と、
前記光源によって生成された光の光路を切り換えることによって前記第１プローブ光及び前記第２プローブ光を生成する偏向機構
とを備える
カー効果顕微鏡。
【請求項１３】
請求項１に記載のカー効果顕微鏡であって、
前記磁化方向特定手段は、
前記第１反射光及び前記第２反射光の撮像画像を取得する撮像装置と、
前記撮像画像から前記試料の各位置における磁化の方向を特定する演算装置
とを備え、
前記演算装置は、前記撮像画像における各画素の輝度と前記試料の各位置における磁化の方向との対応関係を示す対応データを予め保存しており、前記撮像画像における各画素の輝度と前記対応データから、前記試料の各位置における磁化の方向を特定する
カー効果顕微鏡。
【請求項１４】
請求項１に記載のカー効果顕微鏡であって、
前記磁化方向特定手段は、
前記第１反射光及び前記第２反射光の撮像画像を取得する撮像装置と、
前記撮像画像から前記試料の各位置における磁化の方向を特定する演算装置
とを備え、
前記演算装置は、前記撮像画像における各画素の輝度と前記第１反射光及び前記第２反射光のカー回転角又は楕円率との対応関係を示す対応データを予め保存しており、前記撮像画像における各画素の輝度と前記対応データから、前記第１反射光及び前記第２反射光のカー回転角又は楕円率を特定し、特定された前記カー回転角又は楕円率から前記試料の各位置における磁化の方向を特定する
カー効果顕微鏡。
【請求項１５】
請求項１に記載のカー効果顕微鏡であって、
更に、前記試料に外部磁界を印加する外部磁界印加装置を備え、
前記プローブ光入射手段は、
前記第１プローブ光及び前記第２プローブ光を前記試料に入射し、前記試料によって反射された前記第１反射光及び前記第２反射光を前記磁化方向特定手段に入射する対物レンズと、
前記外部磁界印加装置によって前記対物レンズに印加される漏れ磁界によるファラデー効果をキャンセルするためのファラデー効果補正装置
とを備えている
カー効果顕微鏡。
【請求項１６】
請求項１５に記載のカー効果顕微鏡であって、
前記対物レンズは、
前記試料に直接に対向し、前記第１プローブ光、前記第２プローブ光、前記第１反射光及び前記第２反射光が通過する第１レンズと、
前記第１プローブ光、前記第２プローブ光、前記第１反射光及び前記第２反射光が通過する第２レンズ
とを含み、
前記ファラデー効果補正装置は、前記第２レンズに補正用磁界を印加する補正電磁石を含む
カー効果顕微鏡。
【請求項１７】
請求項１６に記載のカー効果顕微鏡であって、
前記ファラデー効果補正装置は、更に、前記補正電磁石に駆動電流を供給する駆動電流供給手段を含み、
前記駆動電流供給手段は、前記外部磁界印加装置が発生する前記外部磁界に応じて、前記補正電磁石に前記駆動電流を供給する
カー効果顕微鏡。
【請求項１８】
プローブ光を試料を入射するプローブ光入射手段と、
前記プローブ光が前記試料によって反射されて生成される反射光から、前記試料の磁化を特定する磁化方向特定手段
とを具備し、
前記磁化方向特定手段は、前記プローブ光を前記試料に入射し、前記試料によって反射された前記反射光を前記磁化方向特定手段に入射する対物レンズと、
前記外部磁界印加装置によって前記対物レンズに印加される漏れ磁界によるファラデー効果をキャンセルするためのファラデー効果補正装置
とを備える
カー効果顕微鏡。
【請求項１９】
請求項１８に記載のカー効果顕微鏡であって、
前記対物レンズは、
前記試料に直接に対向し、前記プローブ光と前記反射光が通過する第１レンズと、
前記プローブ光と前記反射光が通過する第２レンズ
とを含み、
前記ファラデー効果補正装置は、前記第２レンズに補正用磁界を印加する補正電磁石を含む
カー効果顕微鏡。
【請求項２０】
第１プローブ光を試料に第１方向に入射するステップと、
第２プローブ光を前記第１方向と異なる第２方向に入射するステップと、
前記第１プローブ光が前記試料によって反射されて生成される第１反射光と、第２プローブ光が前記試料によって反射されて生成される第２反射光から、前記試料の各位置における磁化の方向を特定するステップ
とを具備する
磁化方向測定方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の磁化方向測定方法であって、
更に、
第３プローブ光を前記第１方向及び前記第２方向と異なる第３方向に入射するステップを具備し、
前記試料の各位置における磁化の方向は、前記第１反射光及び前記第２反射光に加え、前記第３プローブ光が前記試料によって反射されて生成される第３反射光から特定される
磁化方向測定方法。
【請求項２２】
請求項２０に記載の磁化方向測定方法であって、
前記試料の各位置における磁化の方向を特定するステップは、
前記第１反射光及び前記第２反射光の撮像画像を取得するステップと、
前記撮像画像から前記試料の各位置における磁化の方向を特定するステップ
とを備え、
当該磁化方向測定方法は、更に、前記撮像画像における各画素の輝度と前記試料の各位置における磁化の方向との対応関係を示す対応データを用意するステップを具備し、
前記試料の各位置における磁化の方向は、前記撮像画像における各画素の輝度と前記対応データから特定される
磁化方向測定方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の磁化方向測定方法であって、
前記対応データを用意するステップは、
磁性材料の薄膜を含む校正用試料に前記磁性材料の抗磁界よりも大きい外部磁界を、その方向を変化させながら印加することにより、前記磁性材料の磁化の方向を変化させるステップと、
前記磁性材料の磁化の方向が変化されている間に、前記校正用試料に第１校正用プローブ光及び第２校正用プローブ光を入射するステップと、
前記校正用試料によって前記第１校正用プローブ光及び前記第２校正用プローブ光が反射されて生成された第１校正用反射光及び第２校正用反射光の撮像画像を取得するステップと、
前記第１校正用反射光及び前記第２校正用反射光の前記撮像画像における輝度から前記対応データを生成するステップ
とを備える
磁化方向測定方法。
【請求項２４】
請求項２０に記載の磁化方向測定方法であって、
前記試料の各位置における磁化の方向を特定するステップは、
前記第１反射光及び前記第２反射光の撮像画像を取得するステップと、
前記撮像画像から前記試料の各位置における磁化の方向を特定するステップ
とを備え、
当該磁化方向測定方法は、更に、前記撮像画像における各画素の輝度と前記第１反射光及び前記第２反射光のカー回転角又は楕円率との対応関係を示す対応データを用意するステップを具備し、
前記試料の各位置における磁化の方向は、前記撮像画像における各画素の輝度と前記対応データから特定される
磁化方向測定方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の磁化方向測定方法であって、
前記対応データを用意するステップは、
ファラデー効果を発現するファラデーガラス板を含む校正用試料に、磁界を、前記ファラデーガラス板に垂直な方向に、前記磁界の強度を変化させながら印加するステップと、
前記磁界が印加されている間に、前記校正用試料に第１校正用プローブ光及び第２校正用プローブ光を入射するステップと、
前記校正用試料によって前記第１校正用プローブ光及び前記第２校正用プローブ光が反射されて生成された第１校正用反射光及び第２校正用反射光の撮像画像を取得するステップと、
前記第１校正用反射光及び前記第２校正用反射光の撮像画像における輝度から前記対応データを生成するステップ
とを備える
磁化方向測定方法。
【請求項２６】
磁性材料の薄膜を含む校正用試料に前記磁性材料の抗磁界よりも大きい外部磁界を、その方向を変化させながら印加することにより、前記磁性材料の磁化の方向を変化させるステップと、
前記磁性材料の磁化の方向が変化されている間に、前記校正用試料に第１校正用プローブ光及び第２校正用プローブ光を入射するステップと、
前記校正用試料によって前記第１校正用プローブ光及び前記第２校正用プローブ光が反射されて生成された第１校正用反射光及び第２校正用反射光の撮像画像を取得するステップと、
前記第１校正用反射光及び前記第２校正用反射光の前記撮像画像における輝度から、前記撮像画像における各画素の輝度と前記磁化の方向の対応関係を示す対応データを生成するステップ
とを具備する
カー効果顕微鏡校正方法。
【請求項２７】
ファラデー効果を発現するファラデーガラス板を含む校正用試料に、磁界を、前記ファラデーガラス板に垂直な方向に、前記磁界の強度を変化させながら印加するステップと、
前記磁界が印加されている間に、前記校正用試料に校正用プローブ光を入射するステップと、
前記校正用試料によって前記校正用プローブ光が反射されて生成された校正用反射光の撮像画像を取得するステップと、
前記校正用反射光の撮像画像における輝度から、前記撮像画像における各画素の輝度と前記反射光のカー回転角との対応関係を示す対応データを生成するステップ
とを具備する
カー効果顕微鏡校正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カー効果顕微鏡、磁化方向測定方法、及びカー効果顕微鏡校正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カー効果顕微鏡は、磁性材料が直線偏光の光を反射するときに、反射光の偏光面が磁性材料の磁化の大きさに応じて回転する現象（カー効果）を利用して磁性材料の磁区構造を観察し、又は、磁性材料の磁気的な特性を得る装置である（特許文献１参照）。カー効果顕微鏡は、典型的には、光源と、偏光子と、試料に対向する対物レンズと、検光子と、検出装置から構成される。検出装置としてはＣＣＤカメラのような撮像装置や、フォトダイオードのような光電変換素子が使用される。
【０００３】
カー効果顕微鏡の動作原理は、概略的には、以下のとおりである。光源によって発生された光を偏光子に入射することによって、直線偏光を有するプローブ光が発生され、そのプローブ光が対物レンズを介して試料に入射される。試料によってプローブ光が反射され、これにより、反射光が生成される。反射光の偏光面は、カー効果によってプローブ光の偏光面から回転される。偏光面の回転角、即ち、カー回転角は、試料の磁化のプローブ光方向成分の大きさと試料の磁気光学係数に依存している。試料によって反射された反射光は、対物レンズを介して検光子に入射され、検光子を通過した光は、検出装置に入射される。検光子を通過する光の強度分布は、試料の磁化のプローブ光方向成分の大きさの分布に対応しているから、検光子を通過した光から磁区構造の像を取得し、また、試料の磁化の大きさの分布を得ることができる。
【０００４】
従来のカー効果顕微鏡の一つの問題は、磁化の、ある一方向の成分の大きさしか検出できない、即ち、磁化の方向を特定することができない点である。磁化の方向は、磁性材料の特性を知る上で重要な情報であり、従って、磁性材料の評価においては、試料の各位置の磁化の方向を特定できることが望ましい。しかしながら、発明者が知る限りにおいて、磁化の方向を特定する機能を有するカー効果顕微鏡は存在しない。
【特許文献１】特開２００６−１１３５２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の目的は、カー効果顕微鏡によって磁化の方向を特定するための技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付記されている。但し、付記された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。
【０００７】
本発明のカー効果顕微鏡は、第１プローブ光（６ｘ）を試料に第１方向に入射し、第２プローブ光（６ｙ）を前記第１方向と異なる第２方向に入射可能に構成されたプローブ光入射手段（１、２）と、第１プローブ光（６ｘ）が前記試料によって反射されて生成される第１反射光（７ｘ）と、第２プローブ光（６ｙ）が前記試料によって反射されて生成される第２反射光（７ｙ）から、前記試料の各位置における磁化の方向を特定する磁化方向特定手段（３、４）とを具備する。第１反射光（７ｘ）、及び第２反射光（７ｙ）は、前記試料の各位置における磁化の、異なる方向の成分に関する情報を含んでおり、従って、このようなカー効果顕微鏡では、前記試料の各位置における磁化の方向を特定することができる。
【０００８】
好適には、前記第１方向は、前記試料の表面に垂直な第１平面の面内に、前記試料の表面に垂直な垂直方向に対して斜めに規定され、前記第２方向は、前記第１平面に垂直な第２平面の面内に、前記垂直方向に対して斜めに規定される。磁化方向特定手段（３、４）は、前記試料の前記磁化の、前記第１平面及び前記試料の表面の両方の面内にある方向についての方向余弦を前記第１反射光（７ｘ）から特定し、前記試料の前記磁化の、前記第２平面及び前記試料の表面の両方の面内にある方向についての方向余弦を前記第２反射光（７ｙ）から特定する。本明細書において、「方向余弦」を「特定」するとは、方向余弦そのものの値を算出するのみならず、方向余弦に対応する値（例えば、方向余弦に比例する値）を算出することをも含む意味で使用されていることに留意されたい。
【０００９】
前記プローブ光入射手段（１、２）は、前記第１プローブ光（６ｘ）及び前記第２プローブ光（６ｙ）を、時分割で前記試料に入射するように構成されることが好ましい。
【００１０】
プローブ光を異なる方向に入射するためのプローブ光入射手段としては、前記第１プローブ光（６ｘ）を生成するために使用される第１レーザ光（１８ｘ）を生成する第１半導体レーザ（１１ｘ）と、前記第２プローブ光（６ｙ）を生成するために使用される第２レーザ光（１８ｙ）を生成する第２半導体レーザ（１１ｙ）とが使用され得る。この場合、プローブ光入射手段（１、２）は、更に、前記第１レーザ光（１８ｘ）を通過し、又は遮断する第１シャッター（１９ｘ）と、前記第２レーザ光（１８ｙ）を通過し、又は遮断する第２シャッター（１９ｙ）とを備えてもよい。この場合、前記第１シャッター（１９ｘ）と前記第２シャッター（１９ｙ）は、前記第１プローブ光（６ｘ）及び前記第２プローブ光（６ｙ）が時分割で前記試料に入射されるように、それぞれ前記第１レーザ光（１８ｘ）及び前記第２レーザ光（１９ｘ）を通過し、又は遮断することが好ましい。
【００１１】
また、前記第１プローブ光（６ｘ）及び前記第２プローブ光（６ｙ）のそれぞれは、２重変調されることが好ましい。
【００１２】
前記試料の各位置における磁化の３次元的な方向を特定するためには、前記プローブ光入射手段（１、２）は、第３プローブ光（６ｚ）を前記第１方向及び前記第２方向と異なる第３方向に入射可能に構成されることが好適である。この場合、前記磁化方向特定手段（３、４）は、前記試料の前記磁化の方向を、前記第３プローブ光（６ｚ）が前記試料によって反射されて生成される第３反射光（７ｚ）から特定する。
【００１３】
この場合、前記第３方向は、前記試料の表面に垂直な垂直方向に規定され、前記磁化方向特定手段（３、４）は、前記第１反射光（７ｘ）から、前記試料の磁化の前記第１平面と前記試料の表面の両方の面内の方向についての方向余弦を特定し、前記第２反射光（７ｙ）から、前記試料の磁化の前記第２平面の面内の方向の成分を特定し、前記第３反射光（７ｚ）から、前記試料の磁化の、前記垂直方向の成分を特定することが好ましい。
【００１４】
本発明のカー効果顕微鏡が、更に、表示装置（５）を具備する場合には、前記磁化方向特定手段（３、４）は、前記試料の各位置における磁化の方向を示す表示画像を前記表示装置（５）に表示することが好ましい。
【００１５】
この場合、当該カー効果顕微鏡は、更に、前記試料に可変の外部磁界を印加する外部磁界印加装置を備え、且つ、磁化方向特定手段（３、４）は、前記外部磁界印加装置によって前記外部磁界が変化されている間に、逐次に、前記試料の各位置における磁化の方向を特定し、特定された前記磁化の方向を動画として前記表示装置（５）に表示することが好ましい。
【００１６】
また、当該カー効果顕微鏡は、更に、前記試料に可変の外部磁界を印加する外部磁界印加装置と、前記第１反射光（７ｘ）のカー回転角又は楕円率と前記外部磁界との対応関係から、前記試料の磁化の前記第１平面及び前記試料の表面の両方の面内にある方向についての磁化曲線を得る磁化曲線測定手段（３、４）を備えることが好ましい。
【００１７】
他の実施形態では、プローブ光入射手段（１、２）は、単一の光源（１１）と、前記光源（１１）によって生成された光の光路を切り換えることによって前記第１プローブ光（６ｘ）及び前記第２プローブ光（６ｙ）を生成する偏向機構（４７）とを備えることが好ましい。
【００１８】
一実施形態では、前記磁化方向特定手段（３、４）は、前記第１反射光（７ｘ）及び前記第２反射光（７ｙ）の撮像画像を取得する撮像装置（３３）と、前記撮像画像から前記試料の各位置における磁化の方向を特定する演算装置（４）とを備えている。この場合、演算装置（４）は、前記撮像画像における各画素の輝度と前記試料の各位置における磁化の方向との対応関係を示す対応データを予め保存しており、前記撮像画像における各画素の輝度と前記対応データから、前記試料の各位置における磁化の方向を特定することが好ましい。
【００１９】
また、前記演算装置（４）が、前記撮像画像における各画素の輝度と前記第１反射光（７ｘ）及び前記第２反射光（７ｙ）のカー回転角との対応関係を示す対応データを予め保存しており、前記撮像画像における各画素の輝度と前記対応データから、前記第１反射光（７ｘ）及び前記第２反射光（７ｙ）のカー回転角を特定し、特定された前記カー回転角から前記試料の各位置における磁化の方向を特定することも好ましい。
【００２０】
当該カー効果顕微鏡が、更に、前記試料に外部磁界を印加する外部磁界印加装置を備え、且つ、プローブ光入射手段（１、２）が、第１プローブ光（６ｘ）及び第２プローブ光（６ｙ）を前記試料に入射し、前記試料によって反射された前記第１反射光及び前記第２反射光（７ｙ）を前記磁化方向特定手段に入射する対物レンズ（２３）を備えている場合、当該カー効果顕微鏡は、前記外部磁界印加装置によって前記対物レンズに印加される漏れ磁界によるファラデー効果をキャンセルするためのファラデー効果補正装置（５４、５６）を備えていることが好ましい。
【００２１】
一実施形態では、前記対物レンズ（２３）は、前記試料に直接に対向し、前記第１プローブ光（６ｘ）、前記第２プローブ光（６ｙ）、前記第１反射光（７ｘ）及び前記第２反射光（７ｙ）が通過する第１レンズ（Ｌ１）と、前記第１プローブ光（６ｘ）、前記第２プローブ光（６ｙ）、前記第１反射光（７ｘ）及び前記第２反射光（７ｙ）が通過する第２レンズ（Ｌ２）とを含み、前記ファラデー効果補正装置（５４、５６）は、前記第２レンズ（Ｌ２）に補正用磁界を印加する補正電磁石（５４）を含むことが好ましい。
【００２２】
好適な一実施形態では、前記ファラデー効果補正装置（５４、５６）は、更に、前記補正電磁石に駆動電流を供給する駆動電流供給手段（５６）を含み、前記駆動電流供給手段（５６）は、前記外部磁界印加装置が発生する前記外部磁界に応じて、前記補正電磁石（５４）に前記駆動電流を供給する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、磁化の方向を特定可能なカー効果顕微鏡を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（カー効果顕微鏡の構成）
図１は、本発明の一実施形態のカー効果顕微鏡の光学系の構成を示す図である。図１のカー効果顕微鏡は、試料Ｓの磁化の３次元的な方向を特定する、即ち、磁化のｘ方向、ｙ方向、ｚ方向それぞれについての方向余弦を特定するための構成を有している。本明細書において、「方向余弦」を「特定」するとは、方向余弦そのものの値を算出するのみならず、方向余弦に対応する値（例えば、方向余弦に比例する値）を算出することをも含む意味で使用されることに留意されたい、本実施形態の説明では、ｘ軸は、試料Ｓの表面の面内の特定の方向に規定され、ｙ軸は、試料Ｓの表面の面内であり、且つ、ｘ軸に垂直な方向に規定され、ｚ軸は、ｘ軸、ｙ軸の両方に垂直な方向、即ち、試料Ｓの表面に垂直な方向に規定されていることに留意されたい。
【００２５】
より具体的には、図１のカー効果顕微鏡は、概略的には、入射光学系１と、落射光学系２と、検出光学系３と、演算装置４と、表示装置５とで構成されている。
【００２６】
入射光学系１は、プローブ光６ｘ、６ｙ、６ｚを生成する機能を有している。ここでプローブ光６ｘ、６ｙ、６ｚは、それぞれ、試料Ｓの磁化のｘ方向、ｙ方向、ｚ方向それぞれについての方向余弦を特定するために使用されるプローブ光である。詳細には、入射光学系１は、３つのレーザダイオード１１ｘ、１１ｙ、１１ｚと、レンズ１２ｘ、１２ｙ、１２ｚと、ミラー１３、１４と、ハーフミラー１５、１６と、偏光子１７とを備えている。レーザダイオード１１ｘ、１１ｙ、１１ｚは、それぞれ、レーザ光１８ｘ、１８ｙ、１８ｚを生成する光源として使用される。レーザダイオード１１ｘによって生成されたレーザ光１８ｘは、レンズ１２ｘに入射され、レンズ１２ｘを通過したレーザ光１８ｘは、ミラー１３及びハーフミラー１６によって反射されて偏光子１７に入射される。偏光子１７によってレーザ光１８ｘから所望の向きの偏光面を有する直線偏光が取り出され、プローブ光６ｘとして出射される。一方、レーザダイオード１１ｙによって生成された光１８ｙはレンズ１２ｙに入射され、レンズ１２ｙを通過したレーザ光１８ｙは、ミラー１３及びハーフミラー１５によって反射されて偏光子１７に入射される。偏光子１７によって光１８ｙから所望の偏光面を有する直線偏光が取り出されてプローブ光６ｙとして出射される。同様に、レーザダイオード１１ｚによって生成された光１８ｚはレンズ１２ｚに入射され、レンズ１２ｘを通過したレーザ光１８ｚは、更にハーフミラー１５、１６を通過して偏光子１７に入射される。偏光子１７によって光１８ｚから所望の直線偏光の成分が取り出され、プローブ光６ｚとして放出される。プローブ光６ｘ、６ｙ、６ｚの光軸は、互いに平行であるが、その位置は一致しない。
【００２７】
落射光学系２は、プローブ光６ｘ、６ｙ、６ｚを試料Ｓに所望の方向に入射し、更に、試料Ｓからの反射光７ｘ、７ｙ、７ｚを検出光学系３に入射する機能を有している。本実施形態では、落射光学系２に、スミスミラー法が採用されている。これは、スミスミラー法は、光軸の位置が異なるプローブ光６ｘ、６ｙ、６ｚを試料Ｓに向かわせる上で好適な構成を有しているからである。より具体的には、落射光学系２は、スミスミラー２１と、ハーフミラー２２と、対物レンズ２３とを備えている。入射光学系１から入射したプローブ光６ｘ、６ｙ、６ｚは、スミスミラー２１及びハーフミラー２２によって反射されて対物レンズ２３に入射される。対物レンズ２３は、プローブ光６ｘ、６ｙ、６ｚを試料Ｓに入射し、また、試料Ｓからの反射光７ｘ、７ｙ、７ｚを、ハーフミラー２２を介して、検出光学系３に入射する。
【００２８】
検出光学系３は、検光子３１と、結像レンズ３２と、ＣＣＤカメラ３３とを備えている。反射光７ｘ、７ｙ、７ｚは、検光子３１及び結像レンズ３２を介してＣＣＤカメラ３３に入射される。ＣＣＤカメラ３３は、入射された反射光７ｘ、７ｙ、７ｚの撮像画像を撮像し、演算装置４に送る。撮像画像の各画素の輝度は、反射光７ｘ、７ｙ、７ｚのスポットの各位置における光強度を示している。ＣＣＤカメラ３３は、シャッタ（図示されない）を備えており、所望の時間にのみ、反射光７ｘ、７ｙ、７ｚの撮像画像を撮像可能であるように構成されている。
【００２９】
演算装置４は、ＣＣＤカメラ３３によって撮像された反射光７ｘ、７ｙ、７ｚの撮像画像を処理する。詳細には、演算装置４は、反射光７ｘ、７ｙ、７ｚの撮像画像から、それぞれ、試料Ｓの各位置における磁化のｘ方向、ｙ方向、ｚ方向それぞれについての方向余弦を特定する。加えて、演算装置４は、反射光７ｘ、７ｙ、７ｚの撮像画像を処理して表示装置５に表示されるべき表示画像を生成する。表示装置５は、演算装置４から送られてきた表示画像を表示する。
【００３０】
試料Ｓの磁化のｘ成分、ｙ成分、ｚ成分を特定可能にするために、本実施形態のカー効果顕微鏡の入射光学系１及び落射光学系２は、プローブ光６ｘ、６ｙ、６ｚを試料Ｓの同一の位置に、且つ、互いに異なる方向から試料Ｓに入射するように構成されている。図２は、プローブ光６ｘ、６ｙ、６ｚが入射される方向、及び反射光７ｘ、７ｙ、７ｚが反射される方向を示す図である。
【００３１】
図２に示されているように、プローブ光６ｘは、ｚ−ｘ平面に平行で、且つ、ｚ軸に対して斜めである方向に入射される。即ち、プローブ光６ｘの入射方向は、プローブ光６ｘ及び反射光７ｘで規定される入射面が、ｚ−ｘ平面に平行であるように調整される。このような方向にプローブ光６ｘが入射されると、図３（ａ）に示されているように、試料Ｓの磁化Ｍによって発生される磁界のｘ成分Ｈｘによる縦カー効果のために、反射光７ｘの偏光面が、プローブ光６ｘの偏光面から回転する。後述されるように、反射光７ｘの偏光面の回転角（即ち、反射光７ｘのカー回転角）から、試料Ｓの磁化Ｍの方向の、ｘ方向についての方向余弦が特定される。
【００３２】
プローブ光６ｘをｚ−ｘ平面に平行な方向に入射するために、図４（ａ）に示されているように、入射光学系１と落射光学系２の各光学素子は、プローブ光６ｘが、対物レンズ２３の光軸からはずれ、且つ、対物レンズ２３の胴付面（対物レンズ２３の根元の当り面）のｘ’軸上に規定された所定位置に入射されるように調節される。ここで、ｘ’−ｙ’座標系は、対物レンズ２３の胴付面に規定された、対物レンズ２３の光軸の位置を原点とする座標系であり、ｘ’軸は、実空間のｘ軸に対応する軸であり、ｙ’軸は、実空間のｙ’軸に対応する軸である。
【００３３】
図２を再度に参照して、プローブ光６ｙは、ｙ−ｚ平面に平行で、ｚ軸に対して斜めである方向に入射される。このような方向にプローブ光６ｙが入射されると、図３（ｂ）に示されているように、試料Ｓの磁化Ｍによって発生される磁界のｙ成分Ｈｙによる縦カー効果のために、反射光７ｙの偏光面が、プローブ光６ｘの偏光面から回転する。後述されるように、反射光７ｘのカー回転角から、試料Ｓの磁化Ｍのｙ方向についての方向余弦が特定される。プローブ光６ｙをｙ−ｚ平面に平行な方向に入射するために、図４（ｂ）に示されているように、入射光学系１と落射光学系２の各光学素子は、プローブ光６ｙが、対物レンズ２３の光軸からはずれ、且つ、対物レンズ２３の胴付面のｙ’軸上に規定された所定位置に入射されるように調節される。
【００３４】
図２を再度に参照して、プローブ光６ｚは、ｚ軸に平行な方向に入射される。このような方向にプローブ光６ｚが入射されると、図３（ｃ）に示されているように、試料Ｓの磁化Ｍによって発生される磁界のｚ成分Ｈｚによる極カー効果のために、反射光７ｚの偏光面が、プローブ光６ｚの偏光面から回転する。反射光７ｚの偏光面の回転は、反射光７ｘ、７ｙとは異なり、極カー効果によって引き起こされることに留意されたい。後述されるように、反射光７ｚのカー回転角から試料Ｓの磁化Ｍのｚ方向についての方向余弦が特定される。プローブ光６ｚをｚ軸に平行な方向に入射するために、図４（ｃ）に示されているように、入射光学系１と落射光学系２の各光学素子は、対物レンズ２３の光軸が、プローブ光６ｚの光軸に一致するように調節される。
【００３５】
（カー効果顕微鏡の動作）
続いて、図１の実施形態のカー効果顕微鏡の動作、特に、試料Ｓの磁化Ｍの方向の、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向についての方向余弦の特定方法について説明する。
試料Ｓの各位置の磁化Ｍのｘ方向についての方向余弦を得る場合、レーザダイオード１１ｘに駆動電流が供給され、プローブ光６ｘが試料Ｓに入射される。既述のように、プローブ光６ｘは、ｚ−ｘ平面に平行で、且つ、ｚ軸に対して斜めである方向に入射される。試料Ｓによってプローブ光６ｘが反射されて生成された反射光７ｘは検光子３１に入射され、ＣＣＤカメラ３３により、検光子３１を通過した反射光７ｘの撮像画像が撮像される。反射光７ｘの撮像画像の各画素の輝度は、試料Ｓの各位置における磁化Ｍのｘ方向についての方向余弦に対応している。なぜなら、検光子３１を通過した反射光７ｘの強度は、反射光７ｘのカー回転角（又は反射光７ｘの楕円率）によって決定され、反射光７ｘのカー回転角（又は反射光７ｘの楕円率）は、試料Ｓの磁化Ｍによって生成される磁界のｘ成分Ｈｘによって決定され、磁界のｘ成分Ｈｘは試料Ｓの磁化Ｍのｘ成分Ｍｘ、即ち、ｘ方向についての方向余弦によって決定されるためである。反射光７ｘの撮像画像は演算装置４に送られ、演算装置４は、反射光７ｘの撮像画像の各画素の輝度から試料Ｓの各位置における磁化Ｍのｘ方向についての方向余弦を特定する。
【００３６】
同様に、試料Ｓの各位置の磁化Ｍのｙ方向についての方向余弦を得る場合、レーザダイオード１１ｙに駆動電流が供給され、プローブ光６ｙが試料Ｓに入射される。上述の通り、プローブ光６ｙは、ｙ−ｚ平面に平行で、且つ、ｚ軸に対して斜めである方向に入射される。ＣＣＤカメラ３３により、検光子３１を通過した反射光７ｙの撮像画像が撮像され、反射光７ｙの撮像画像は、演算装置４に送られる。演算装置４は、反射光７ｙの撮像画像の各画素の輝度から試料Ｓの各位置における磁化Ｍのｙ方向についての方向余弦を決定する。
【００３７】
同様に、試料Ｓの各位置の磁化Ｍのｚ方向についての方向余弦を得る場合、レーザダイオード１１ｚに駆動電流が供給され、プローブ光６ｚが試料Ｓに入射される。ＣＣＤカメラ３３により、検光子３１を通過した反射光７ｚの撮像画像が撮像され、反射光７ｚの撮像画像は、演算装置４に送られる。演算装置４は、反射光７ｚの撮像画像の各画素の輝度から試料Ｓの各位置における磁化Ｍのｚ方向についての方向余弦を決定する。以上の方法により、試料Ｓの各位置の磁化Ｍのｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の方向余弦、即ち、試料Ｓの各位置の磁化Ｍの方向が特定される。
【００３８】
方向余弦の特定においては、方向余弦そのものの値を求めても良く、方向余弦に一対一に対応する値（例えば、方向余弦に比例する値）を求めてもよい。方向余弦に一対一に対応する値は、方向余弦と同様に磁化の方向を表すから、方向余弦そのものの値の代わりに方向余弦に一対一に対応する値を用いることは、技術的に等価である。
【００３９】
プローブ光６ｘ、６ｙ、６ｚは、（同時ではなく）時分割で照射されることが好ましい。プローブ光６ｘ、６ｙ、６ｚを互いに干渉しないように発生すれば（例えば、プローブ光６ｘ、６ｙ、６ｚを互いに異なる波長になるように発生すれば）、原理的には、プローブ光６ｘ、６ｙ、６ｚを同時に照射しても、試料Ｓの各位置の磁化Ｍのｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の方向余弦を特定可能である。しかしながら、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の方向余弦をより正確に特定するという観点では、プローブ光６ｘ、６ｙ、６ｚは別々に照射されることが好ましい。互いに異なる波長を有するプローブ光６ｘ、６ｙ、６ｚを同時に試料Ｓに照射した場合、カー効果によるカー回転角は、波長に対して依存性を有するため、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の方向余弦を正確に特定するためには、波長に応じた補正を行う必要がある。これは、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の方向余弦をより正確に特定する観点から好ましくない。
【００４０】
演算装置４は、試料Ｓの各位置の磁化Ｍの方向を示す表示画像を生成し、表示装置５に表示する。一実施形態では、演算装置４は、試料Ｓの各位置の磁化Ｍの方向を、色によって表す表示画像を表示装置５に表示する。このような表示画像は、最も簡単には、表示画像の各画素の３原色（赤、緑、青）それぞれの階調を、それぞれ、反射光７ｘ、７ｙ、７ｚの撮像画像の各画素の輝度に一致させることによって生成可能である。例えば、表示画像の各画素の赤の階調が反射光７ｘの撮像画像の各画素の輝度に一致するように決定され、緑の階調が反射光７ｙの撮像画像の各画素の輝度に一致するように決定され、青の階調が反射光７ｚの撮像画像の各画素の輝度に一致するように決定される。このようにして生成された表示画像は、試料Ｓに生成される磁区それぞれの磁化の方向が色によって図示され、したがって、各磁区の方向を直感的に把握しやすい。
【００４１】
試料Ｓの各位置の磁化Ｍの方向を、小さな矢印として表示することも可能である。この場合、演算装置４は、試料Ｓの３Ｄ画像を表示し、更に、３Ｄ画像の各位置に、当該位置の磁化Ｍの方向を表す小さな矢印を重ねて表示する。これにより、試料Ｓの各位置における磁化Ｍの方向を視覚的に把握することができる。試料Ｓの各位置の磁化Ｍの方向の図示は、各位置の色及び矢印の両方を用いて行うことも可能である。
【００４２】
試料Ｓの磁化Ｍのｚ成分Ｍｚは、必要がなければ測定しなくてもよい。即ち、試料Ｓの表面の面内における磁化Ｍの方向のみが測定されてもよい。測定対象が、膜厚の薄い膜である場合、試料Ｓの磁化Ｍの方向は、多くの場合、試料Ｓの表面の面内方向（即ち、ｘ−ｙ平面に平行な方向）にある。このような場合、磁化Ｍのｚ成分Ｍｚは測定する必要はない。磁化Ｍのｚ成分Ｍｚを測定しない場合には、プローブ光６ｚを発生するための光学素子（例えば、レーザダイオード１１ｚ及びレンズ１２ｚ）がカー効果顕微鏡から取り除かれてもよい。図５は、試料Ｓの磁化Ｍのｘ方向、ｙ方向の方向余弦のみが特定される場合における、表示装置５に表示される表示画像の例を示す。図５の表示画像では、試料Ｓの各位置の磁化Ｍの方向が、色及び矢印によって図示されている（なお、特許庁のシステムの制約上、図５は、グレースケールで図示されていることに留意されたい）。
【００４３】
外部磁界を、その大きさ及び／又は方向を変動させながら試料Ｓに印加する場合には、外部磁界による試料Ｓの各位置の磁化Ｍの方向の変化を動画として表示することも可能である。図６Ａは、試料Ｓの各位置の磁化Ｍの方向の変化を動画として表示する場合のカー効果顕微鏡の動作タイミングの例を示すタイミングチャートである。図６Ａの動作では、試料Ｓに印加される外部磁界は、階段状に増加され、外部磁界の増加と同期して、反射光７ｘ、７ｙ、７ｚの撮像画像が逐次に撮像される。
【００４４】
詳細には、ある大きさの外部磁界Ｈ１が試料Ｓに印加され、この状態で、レーザダイオード１１ｘ、１１ｙ、１１ｚに、順次に駆動電流が供給される。これにより、プローブ光６ｘ、６ｙ、６ｘが、順次に試料Ｓに入射される。レーザダイオード１１ｘ、１１ｙ、１１ｚへの駆動電流の供給に同期して、ＣＣＤカメラ３３のシャッタが開かれる。これにより、反射光７ｘ、７ｙ、７ｚの撮像画像が順次に撮像され、外部磁界Ｈ１が試料Ｓに印加された状態での、試料Ｓの各位置の磁化Ｍの方向が特定される。
【００４５】
続いて、外部磁界Ｈ１よりも大きな外部磁界Ｈ２が試料Ｓに印加され、この状態で、レーザダイオード１１ｘ、１１ｙ、１１ｚに、順次に駆動電流が供給される。更に、レーザダイオード１１ｘ、１１ｙ、１１ｚへの駆動電流の供給に同期して、ＣＣＤカメラ３３のシャッタが開かれる。これにより、反射光７ｘ、７ｙ、７ｚの撮像画像が順次に撮像され、外部磁界Ｈ２が試料Ｓに印加された状態での、試料Ｓの各位置の磁化Ｍの方向が特定される。以下同様の手順により、外部磁界の大きさを変化させながら、試料Ｓの各位置の磁化Ｍの方向が特定され、これにより、試料Ｓの各位置の磁化Ｍの方向の変化が動画として表示される。
【００４６】
試料Ｓの磁化Ｍのｘ方向、ｙ方向の方向余弦のみが特定される場合（即ち、試料Ｓの表面の面内における磁化Ｍの方向のみが測定される場合）も、同様にして、外部磁界による試料Ｓの各位置の磁化Ｍの方向の変化を動画として表示することが可能である。図６Ｂは、試料Ｓの表面の面内における磁化Ｍの方向を動画として表示する場合のカー効果顕微鏡の動作タイミングを示すタイミングチャートである。試料Ｓに印加される外部磁界は、階段状に増加され、外部磁界の増加と同期して、レーザダイオード１１ｘ、１１ｙに駆動電流が供給される。レーザダイオード１１ｘ、１１ｙへの駆動電流の供給に同期して、ＣＣＤカメラ３３のシャッタが開かれ、これにより、反射光７ｘ、７ｙの撮像画像が逐次に撮像される。反射光７ｘ、７ｙの撮像画像から、磁化Ｍの方向を示す表示画像が逐次に生成されて表示装置５に表示される。
【００４７】
また、本実施形態のカー効果顕微鏡においては、外部磁界の大きさを変化させながら測定を行うことにより、試料Ｓの所望位置の磁化の所望方向についての磁化曲線を得ることができる。反射光７ｘ、７ｙ、７ｚのカー回転角θｋ（又は楕円率η）は、それぞれ、試料Ｓの磁化のｘ成分、ｙ成分、ｚ成分に一対一に対応しているから、反射光７ｘ、７ｙ、７ｚのカー回転角θｋ（又は楕円率η）の外部磁界に対する依存性を示す曲線は、磁化曲線と等価である。従って、外部磁界の大きさに対するカー回転角θｋ（又は楕円率η）の変化を測定することにより、磁化曲線を得ることができる。磁化曲線の算出は、演算装置４によって行われる。
【００４８】
図７Ａ、図７Ｂは、得られた磁化曲線の例を示す図である。詳細には、図７Ａは、試料Ｓの磁化の、ｘ方向についての磁化曲線を示しており、図７Ｂは、ｘ方向についての磁化曲線を示している。図７Ａ、図７Ｂの磁化曲線の取得において、外部磁界はｘ軸方向に印加されており、外部磁界の大きさを変化させながら反射光７ｘ、７ｙのカー回転角θｋが測定されている。図７Ａ、図７Ｂの磁化曲線では、カー回転角θｋは、外部磁界が充分に大きい場合のカー回転角θｋｓａｔによって規格化されている。磁化曲線を取得することは、試料Ｓの特性評価において有用である。
【００４９】
なお、試料Ｓへの外部磁界の印加は、例えば、図８に示されている磁界印加装置によって実現され得る。図７の磁界印加装置は、概略的には、ｘ軸用電磁石５１と、ｙ軸用電磁石５２とで構成される。ｘ軸用電磁石５１には電流Ｉｘが供給されており、ｘ軸用電磁石５１は、ｘ軸方向に外部磁界ＨｘＥを発生する。ｘ軸用電磁石５１を取り囲むようにｙ軸用電磁石５２が設けられている。ｙ軸用電磁石５２には電流Ｉｙが供給されており、ｙ軸用電磁石５２は、ｙ軸方向に外部磁界ＨｙＥを発生する。試料Ｓ（図７には図示されていない）は、ｘ軸用電磁石５１の間に設置される。図７の磁界印加装置によれば、電流Ｉｘ、Ｉｙを制御することにより、ｘ−ｙ平面に平行な任意の方向の外部磁界を試料Ｓに印加することができる。
【００５０】
測定に使用されるプローブ光６ｘ、６ｙ、６ｘは、２重変調されることが好ましい。これは、プローブ光６ｘ、６ｙ、６ｘそれぞれのコヒーレンスを低下させ、試料Ｓの磁化Ｍの方向の測定精度を向上させる。プローブ光６ｘ、６ｙ、６ｘのコヒーレンスが過剰に高いと、カー効果顕微鏡の光学素子で不所望に反射した光と、プローブ光６ｘ、６ｙ、６ｘ及び／又は反射光７ｘ、７ｙ、７ｚとが干渉し、これにより、試料Ｓの磁化Ｍの方向の精度が低下してしまう。不所望な干渉による精度の低下を防ぐためには、プローブ光６ｘ、６ｙ、６ｘが２重変調され、プローブ光６ｘ、６ｙ、６ｘのコヒーレンスが低下されることが好ましい。図９は、プローブ光６ｘ、６ｙ、６ｘが２重変調されたときのプローブ光６ｘ、６ｙ、６ｘの強度の波形を示す図である。２重変調されたプローブ光６ｘ、６ｙ、６ｘの強度は、周波数ｆ１を有する矩形波が、更に、周波数ｆ２で変調された波形を有している。ここで、周波数ｆ２は、周波数ｆ１よりも極めて高い周波数である。典型的には、周波数ｆ１は、１００ｋＨｚオーダの周波数であり、周波数ｆ２は、数十ＭＨｚオーダの周波数である。このような強度波形を有するプローブ光６ｘ、６ｙ、６ｘは、同様の波形の駆動電流を流すことによって生成可能である。
【００５１】
（変形例）
図６Ａ、図６Ｂの動作では、プローブ光の入射方向の切り換え（即ち、プローブ光６ｘ、６ｙ、６ｚの切り換え）は、レーザダイオード１１ｘ、１１ｙ、１１ｚへの駆動電流の供給を制御することによって行われているが、図１０Ａに示されているように、プローブ光の入射方向の切り換えが、シャッター１９ｘ、１９ｙ、１９ｚによって行われることも可能である。シャッター１９ｘ、１９ｙ、１９ｚは、レーザ光１８ｘ、１８ｙ、１８ｚを通過又は遮断し、これにより、プローブ光６ｘ、６ｙ、６ｚの照射を制御する機能を有している。プローブ光６ｘを試料Ｓに入射する場合、シャッター１９ｘが開かれ、シャッター１９ｙ、１９ｚが閉じられる。同様に、プローブ光６ｙを試料Ｓに入射する場合、シャッター１９ｙが開かれ、シャッター１９ｘ、１９ｚが閉じられる。更に、プローブ光６ｚを試料Ｓに入射する場合、シャッター１９ｚが開かれ、シャッター１９ｘ、１９ｙが閉じられる。シャッター１９ｘ、１９ｙ、１９ｚとしては、メカニカルシャッターのみならず、液晶変調器や、電気光学効果（ＥＯ効果）を用いるＥＯ変調器、音響光学効果（ＡＯ効果）を用いるＡＯ変調器が使用可能である。
【００５２】
また、図１０Ｂに示されているように、３つのレーザダイオード１１ｘ、１１ｙ、１１ｚの代わりに、プローブ光の光路を切り換える偏向機構が設けられ、これにより、プローブ光の入射方向が切り換えられることが可能である。詳細には、図１０のカー効果顕微鏡の入射光学系１Ａは、光源４１と、コンデンサレンズ４２と、開口絞り４３と、視野絞り４４と、コリメータレンズ４５と、ミラー４６と、可動ミラー４７と、リレーレンズ４８と、偏光子４９とを備えている。光源４１が発生した光は、コンデンサレンズ４２と、開口絞り４３と、視野絞り４４と、コリメータレンズ４５を介してミラー４６に入射され、更に、ミラー４６によって反射されて可動ミラー４７に入射される。可動ミラー４７は、ｘ軸及びｚ軸を中心として回転可能に構成されている。可動ミラー４７によって反射された光は、リレーレンズ４８を介して偏光子４９に入射され、偏光子４９から出射された光が、プローブ光６ｘ、６ｙ、６ｚとして使用される。可動ミラー４７及びリレーレンズ４８の位置は、対物レンズ２３の前側焦点からリレーレンズ４８の主点までの光路長と、リレーレンズ４８の主点から可動ミラー４７までの光路長とが、いずれも、リレーレンズ４８の焦点距離と一致するように定められている。図１０のカー効果顕微鏡の落射光学系２、検出光学系３の構成は、図１のカー効果顕微鏡と同様である。
【００５３】
入射光学系１Ａは、可動ミラー４７を回転させることによって、プローブ光の光路を切り換えるように構成されている。可動ミラー４７が向く方向を適切に決定することにより、光源４１によって発生された光は、その光軸が対物レンズ２３の光軸に一致するように入射される。これにより、プローブ光６ｚがｚ軸に平行に入射される。既述のように、プローブ光６ｚをｚ軸に平行に入射することにより、試料Ｓの磁化Ｍのｚ成分Ｍｚを特定可能である。以下では、プローブ光６ｚがｚ軸に平行に入射されるような可動ミラー４７の向きを、基本方向と呼ぶこととする。
【００５４】
可動ミラー４７を基本方向からｚ軸を中心に回転させることにより、光源４１によって発生された光は、対物レンズ２３の胴付面の、対物レンズ２３の光軸からはずれ、且つ、ｘ’軸上に規定された所定位置に入射される（図４（ａ）参照）。これにより、プローブ光６ｘが、ｚ−ｘ平面に平行で、且つ、ｚ軸に対して斜めである方向に入射される。既述のように、プローブ光６ｘをｚ−ｘ平面に平行で、且つ、ｚ軸に対して斜めである方向に入射することにより、試料Ｓの磁化Ｍのｘ成分Ｍｘを特定可能である。
【００５５】
また、可動ミラー４７を基本方向からｘ軸を中心に回転させることにより、プ光源４１によって発生された光は、対物レンズ２３の胴付面の、対物レンズ２３の光軸からはずれ、且つ、ｙ’軸上に規定された所定位置に入射される（図４（ｂ）参照）。これにより、プローブ光６ｙが、ｙ−ｚ平面に平行で、且つ、ｚ軸に対して斜めである方向に入射される。既述のように、プローブ光６ｙをｙ−ｚ平面に平行で、且つ、ｚ軸に対して斜めである方向に入射することにより、試料Ｓの磁化Ｍのｙ成分Ｍｙを特定可能である。
【００５６】
このように、図１０Ｂのカー効果顕微鏡の構成でも、試料Ｓの磁化の３次元的な方向、即ち、磁化Ｍのｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の方向余弦を特定することができる。
【００５７】
（カー効果顕微鏡の校正）
図１、図１０Ａ、図１０Ｂのカー効果顕微鏡では、理論的には、下記のようにして磁化Ｍのｘ方向、ｙ方向、ｚ方向についての方向余弦、即ち、磁化Ｍの方向を得ることができる。ＣＣＤカメラ３３によって撮像された撮像画像の輝度と、反射光のカー回転角との関係は、下記の式（１）で表される：
【数１】
2008224907.tif 000003
ここで、θは検光子３１の消光位置からの角度であり、±θｋは試料Ｓの反射光のカー回転角であり、ａはＣＣＤカメラ３３の感度であり、Ｅ２は、プローブ光の光量であり、Ｆは、検出光学系３の消光比の逆数であり、ｔはＣＣＤカメラ３３の露光時間であり、Ｄは、ＣＣＤカメラ３３の電気的なオフセットである。
【００５８】
式（１）から、試料Ｓのカー効果によって生じる輝度変化ΔＢは、
【数２】
2008224907.tif 000004
と表される。θ、θｋが小さく、従って、ｓｉｎ２θ≒２θ、ｓｉｎ２θｋ≒２θｋと近似できる範囲では、式（２）は、
【数３】
2008224907.tif 000005
と表される。したがって、輝度変化ΔＢから反射光のカー回転角θｋを算出し、カー回転角θｋから磁化Ｍのｘ方向、ｙ方向、ｚ方向についての方向余弦、即ち、磁化Ｍの方向を得ることが可能である。また、反射光のカー回転角θｋと、反射光の楕円率ηは、一対一に対応する等価なパラメータであるから、輝度変化ΔＢから反射光の楕円率ηを算出し、楕円率ηから磁化Ｍのｘ方向、ｙ方向、ｚ方向についての方向余弦を得ることができることは、当業者には容易に理解されよう。
【００５９】
しかしながら、測定系の調整状況によっては、カー回転角θｋ（又は楕円率η）を、充分な精度で得ることができない場合がある。式（２’）には、多くのパラメータ、即ち、ＣＣＤカメラ３３の感度ａ、プローブ光の光量Ｅ２、ＣＣＤカメラ３３の露光時間ｔ、及び、検光子３１の消光位置からの角度θが含まれている。測定系の精度が充分でなく、このために、カー回転角θｋ（又は楕円率η）を算出するために使用されるパラメータの誤差が大きいと、カー回転角θｋ（又は楕円率η）、即ち、磁化Ｍの方向を、充分な精度で得ることができない。
【００６０】
このような困難性を克服するための一つの方法は、適切な校正を行うことである。以下では、カー効果顕微鏡の校正方法について議論する。
【００６１】
一の好適な方法は、磁化Ｍの方向と、ＣＣＤカメラ３３の撮像画像の輝度との間の対応関係を予め取得し、当該対応関係を示す対応データを演算装置４に保存しておくことである。磁化Ｍの方向と輝度との間の対応関係は、校正用試料として磁性材料の薄膜を使用し、当該校正用試料に外部磁界を印加しながらＣＣＤカメラ３３によって撮像画像を撮像することによって得ることができる。校正用試料の磁化を飽和させるのに充分な大きさの外部磁界（即ち、当該磁性材料の抗磁界よりも大きい外部磁界）をｘ−ｙ平面に平行に印加すれば、校正用試料の磁化Ｍを（ｘ−ｙ平面に平行な）所望の方向に向けることができる。外部磁界の方向を変化させながら、反射光７ｘ、７ｙの撮像画像を取得すれば、磁化Ｍの方向と、ＣＣＤカメラ３３の撮像画像の輝度との間の対応関係を得ることができる。実際に試料Ｓの磁化の方向の測定を行う場合には、ＣＣＤカメラ３３の撮像画像の各画素の輝度と、演算装置４に保存された対応データから、試料Ｓの各位置における磁化Ｍの方向が特定される。
【００６２】
図１１は、外部磁界を逐次に変化させることによって得られた、校正用試料の磁化の方向と、反射光７ｘ、７ｙの撮像画像の特定画素の輝度との関係を示すグラフである。図１１のグラフは、校正用試料の磁化の方向が＋ｘ方向と一致する場合に、θＭが０であるとして描かれている。プローブ光６ｘ、６ｙの光路の位置、及び、反射光７ｘ、７ｙの光路の位置は異なっているので、光学系の調整状況によっては、反射光７ｘ、７ｙの撮像画像の輝度の、磁化の角度θＭに対する平均値Ｂｘａｖｅ、Ｂｙａｖｅ、及び、輝度の振幅Ｂｘａｍｐ、Ｂｙａｍｐが相違する。
【００６３】
図１１のグラフから、反射光７ｘ、７ｙの撮像画像のそれぞれについて、輝度の（磁化Ｍの全方向に対する）平均値Ｂｘａｖｅ、Ｂｙａｖｅと、輝度の振幅Ｂｘａｍｐ、Ｂｙａｍｐを得ることができる。言い換えれば、反射光７ｘの撮像画像の特定画素の輝度Ｂｘ、及び反射光７ｙの撮像画像の当該特定画素の輝度Ｂｙは、下記式によって近似することができる：
Ｂｘ＝ＢｘａｍｐｃｏｓθＭ＋Ｂｘａｖｅ，      ・・・（３ａ）
Ｂｙ＝ＢｙａｍｐｓｉｎθＭ＋Ｂｙａｖｅ，      ・・・（３ｂ）
ここで、θＭは、外部磁界、即ち、校正用試料の磁化の方向を示している。
【００６４】
輝度Ｂｘ、Ｂｙを、平均値Ｂｘａｖｅ、Ｂｙａｖｅ及び振幅Ｂｘａｍｐ、Ｂｙａｍｐを用いて規格化すると、図１２に示されているように、磁化Ｍのｘ方向の方向余弦αとｙ方向の方向余弦βは、下記の式によって表される：
α＝ｃｏｓθＭ
＝（Ｂｘ−Ｂｘａｖｅ）／Ｂｘａｍｐ，      ・・・（３ａ’）
β＝ｓｉｎθＭ
＝（Ｂｙ−Ｂｙａｖｅ）／Ｂｙａｍｐ．      ・・・（３ｂ’）
【００６５】
式（３ａ’）、（３ｂ’）は、反射光７ｘ、７ｙの撮像画像の輝度と、磁化Ｍのｘ方向の方向余弦αとｙ方向の方向余弦βとの間の関係を示している。即ち、試料Ｓを測定して、反射光７ｘ、７ｙの撮像画像の特定画素の輝度がＢｘ、Ｂｙであった場合、試料Ｓの当該特定画素に対応する位置における磁化Ｍの方向の磁化Ｍのｘ方向の方向余弦αとｙ方向の方向余弦βとは、式（３ａ’）、（３ｂ’）によって得ることができる。言い換えれば、式（３ａ’）、（３ｂ’）を用いれば、反射光７ｘ、７ｙの撮像画像の各画素の輝度から、試料Ｓの各位置における磁化Ｍの方向を得ることができる。
【００６６】
好適な他の校正方法は、図１３に図示されているような反射型ファラデーガラスを校正用試料ＳＣとして使用し、これにより、カー回転角θｋ（又は楕円率η）と撮像画像の輝度との対応関係を予め計測しておく方法である。本実施形態では、校正用試料ＳＣは、ファラデーガラス板６１とアルミニウム薄膜６２とで構成されている。アルミニウム薄膜６２は、ファラデーガラス板６１に入射された光を反射するミラーとして機能する。プローブ光は、ファラデーガラス板６１に入射され、更にアルミニウム薄膜６２によって反射され、これにより、反射光が発生される。
【００６７】
校正用試料ＳＣで発現するファラデー効果による、反射光の偏向面の回転角（ファラデー回転角）は、下記式で表される：
【数４】
2008224907.tif 000006
ここで、Ｖは、ファラデーガラス板６１のベルデ定数であり、ｄは、ファラデーガラス板６１の厚さであり、Ｈは、ファラデーガラス板６１の法線方向に印加される磁界の大きさであり、αは、ファラデーガラス板６１の内部における、プローブ光の屈折角である。留意すべきことは、反射光のファラデー回転角θＦは、プローブ光の入射角に依存しないことである。ファラデー回転角θＦは、ファラデーガラス板６１のベルデ定数Ｖ及び厚さｄ、並びに、ファラデーガラス板６１の法線方向に印加される磁界Ｈのみで決定される。従って、ファラデーガラス板６１のベルデ定数Ｖ及び厚さｄを予め測定しておき、更に、既知の磁界Ｈをファラデーガラス板６１の法線方向に印加すれば、既知のファラデー回転角θＦで反射光の偏向面を回転させることができる。
【００６８】
このことを利用すれば、反射光のカー回転角θｋと撮像画像の輝度との対応関係を予め計測することができる。即ち、反射光の偏向面を所望のファラデー回転角θＦだけ回転させるような磁界Ｈを印加しながら校正用試料ＳＣにプローブ光を入射し、このときの撮像画像の輝度を測定すれば、反射光の偏向面の回転角がθＦであるときの撮像画像の輝度を知ることができる。磁界Ｈを変化させながら同様の測定を行えば、反射光の偏向面の回転角と撮像画像の輝度との対応関係を知ることができる。反射光の偏向面の回転角と撮像画像の輝度との対応関係は、即ち、反射光のカー回転角θｋと撮像画像の輝度との対応関係であるから、上記の測定により、カー回転角θｋと撮像画像の輝度との対応関係を示す対応データを得ることができる。この対応データを用いれば、撮像画像の輝度から、試料Ｓによるカー回転角θｋを知ることができる。カー回転角θｋと撮像画像の輝度との対応データを、反射光７ｘ、７ｙ、７ｚのそれぞれについて予め測定しておけば、反射光７ｘ、７ｙ、７ｚの撮像画像の輝度からカー回転角θｋを精度良く特定し、更に、カー回転角θｋから試料Ｓの磁化Ｍのｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の方向余弦を特定することができる。
【００６９】
（対物レンズのファラデー効果への対応）
図１、図１０Ａ、図１０Ｂのカー効果顕微鏡では、試料Ｓに外部磁界を印加したときに、対物レンズ２３においてファラデー効果により、プローブ光と反射光の偏向面が回転することがある。より具体的には、図１４を参照して、外部磁界印加電磁石５３によって試料Ｓに外部磁界を印加すると、対物レンズ２３の、特に試料Ｓに直接に対向する（即ち、最近接する）レンズＬ１には漏れ磁界ＨＬが印加され得る。漏れ磁界ＨＬは、多くの場合、プローブ光又は反射光の進行方向の成分Ｈａを有しており、且つ、レンズＬ１は、多くの場合、小さいとはいえファラデー効果を発現するようなガラスでできている。従って、ファラデー効果により、プローブ光及び反射光の偏向面は回転し得る。レンズＬ１によるプローブ光及び反射光の偏向面の回転角（ファラデー回転角）θＦ１は、下記式で表される：
θＦ１＝  ＶＬ１・Ｈａ・ｄ１，        ・・・（５）
ここで、ＶＬ１は、レンズＬ１のベルデ定数であり、Ｈａは、漏れ磁束の、プローブ光又は反射光の進行方向の成分であり、ｄ１は、プローブ光又は反射光が通過する位置におけるレンズＬ１の厚さである。検出光学系３では、レンズＬ１によるファラデー回転角θＦ１と、試料Ｓによるカー回転角θｋとが重畳されて観測されるため、レンズＬ１によるファラデー回転角θＦ１の存在は、試料Ｓによるカー回転角θｋの正確な測定の妨げになる。
【００７０】
このような問題に対処するためには、対物レンズ２３の他のレンズＬ２の近傍に、レンズＬ１のファラデー効果による偏光面の回転をキャンセルする補正電磁石５４を設けることが好適である。補正電磁石５４を用いてレンズＬ２に磁界を印加してレンズＬ２にファラデー効果を発現させることにより、レンズＬ１のファラデー効果による偏光面の回転を、レンズＬ２のファラデー効果による偏光面の回転によって打ち消すことができる。これにより、試料Ｓによるカー回転角θｋを正確に測定することが可能である。
【００７１】
レンズＬ２におけるファラデー回転角を適切に制御するためには、補正電磁石５４に供給される駆動電流を適切に制御する必要がある。図１５は、漏れ磁界ＨＬが、外部磁界印加電磁石５３に供給される駆動電流に比例する場合における、補正電磁石５４に供給される駆動電流の好適な制御系の一例を示している。図１５の構成では、外部磁界印加電磁石５３には、磁界印加電磁石用アンプ５５によって駆動電流が供給され、補正電磁石５４には、補正電磁石用アンプ５６によって駆動電流が供給される。制御コンピュータ５７は、磁界印加電磁石用アンプ５５が供給すべき駆動電流に比例した電圧レベルを有する外部磁界制御信号５８を、磁界印加電磁石用アンプ５５に供給する。分圧器５９は、外部磁界制御信号５８を分圧して補正電磁石制御信号６０を生成する。補正電磁石用アンプ５６は、補正電磁石制御信号６０の電圧レベルに応じた駆動電流を補正電磁石５４に供給する。
【００７２】
このような構成によれば、補正電磁石５４には、外部磁界印加電磁石５３に供給される駆動電流に比例する駆動電流、即ち、漏れ磁界ＨＬに比例する駆動電流が流され、これにより、レンズＬ２におけるファラデー回転角を適切に制御することができる。
【００７３】
一方、図１６は、漏れ磁界ＨＬが、外部磁界印加電磁石５３に供給される駆動電流に比例しない場合における、補正電磁石５４に供給される電流の好適な制御系の一例を示している。試料Ｓに印加される外部磁界（即ち、外部磁界印加電磁石５３に流される駆動電流）と、補正電磁石５４に流すべき駆動電流との対応関係が予め計測され、その対応関係が、テーブルデータとして制御用コンピュータ５７に保存される。制御用コンピュータ５７は、試料Ｓに印加されるべき外部磁界と当該テーブルデータから、補正電磁石５４に流すべき駆動電流を決定し、その駆動電流を指示する補正電磁石制御信号６０を補正電磁石用アンプ５６に供給する。補正電磁石用アンプ５６は、補正電磁石制御信号６０の電圧レベルに応じた駆動電流を補正電磁石５４に供給する。
【００７４】
このような構成によれば、試料Ｓに印加される外部磁界に応じた適切な駆動電流が補正電磁石５４に供給され、これにより、レンズＬ２におけるファラデー回転角を適切に制御することができる。
【００７５】
発明者は、補正電磁石５４に電流を流すことによってレンズＬ１におけるファラデー効果をキャンセルできることを、実験によって確かめた。図１７は、試料Ｓとしてルテニウム薄膜を用いたときにおける、外部磁界とＣＣＤカメラ３３によって撮像された撮像画像の所定の画素の輝度との関係を示すグラフである。
【００７６】
ルテニウムは非磁性体であるため、試料Ｓは、カー効果を発現しない。したがって、本来的には、外部磁界を印加しても輝度は変化しないはずである。しかしながら、実際には、（補正電磁石５４に駆動電流を流さない場合には）対物レンズ２３のレンズＬ１におけるファラデー効果によって輝度が変化してしまう。
【００７７】
このような輝度の変化は、補正電磁石５４に駆動電流を流すことによって抑制できた。発明者の実験系では、２０００（Ｏｅ）の外部磁界を試料Ｓに印加した場合には、４７ｍＡの駆動電流を補正電磁石５４に流すように制御系を調整することにより、外部磁界の印加による輝度が抑制された。これは、補正電磁石５４に駆動電流を流してレンズＬ２においてファラデー効果を発現させることにより、レンズＬ１のファラデー効果による偏光面の回転をキャンセルすることができることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態におけるカー効果顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】図２は、図１のカー効果顕微鏡における、プローブ光の入射方向と、反射光の反射方向とを示す図である。
【図３】図３は、図１のカー効果顕微鏡における、プローブ光の入射方向と、反射光の反射方向とを示す図である。
【図４】図４は、プローブ光の、対物レンズの胴付面における入射位置を示す図である。
【図５】図５は、表示装置に表示される表示画像の一例を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、磁化の３次元的な方向を動画によって表示する場合の、カー効果顕微鏡の動作タイミングを示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、磁化の２次元的な方向を動画によって表示する場合の、カー効果顕微鏡の動作タイミングを示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、図１のカー効果顕微鏡によって取得された、ｘ方向についての磁化曲線の例を示すグラフである。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図１のカー効果顕微鏡によって取得された、ｙ方向についての磁化曲線の例を示すグラフである。
【図８】図８は、外部磁界印加装置の構成の例を示す鳥瞰図である。
【図９】図９は、２重変調されたプローブ光の強度波形の例を示すグラフである。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明のカー効果顕微鏡の他の構成を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明のカー効果顕微鏡の更に他の構成を示す図である。
【図１１】図１１は、磁化の方向θＭと、撮像画像における輝度との対応関係を示すグラフである。
【図１２】図１２は、磁化の方向θＭと、磁化の方向の単位ベクトルのｘ成分、ｙ成分との関係を示すグラフである。
【図１３】図１３は、反射型ファラデーガラスを用いてカー効果顕微鏡の校正を行う手法を説明する図である。
【図１４】図１４は、外部磁界印加電磁石の漏れ磁束が対物レンズに印加されて発生するファラデー効果をキャンセルするためカー効果顕微鏡の構成を示す図である。
【図１５】図１５は、漏れ磁束が対物レンズに印加されて発生するファラデー効果をキャンセルするための制御系の構成を示す図である。
【図１６】図１６は、漏れ磁束が対物レンズに印加されて発生するファラデー効果をキャンセルするための制御系の他の構成を示す図である。
【図１７】図１７は、補正電磁石によって対物レンズのレンズに磁界を印加することにより、漏れ磁束が対物レンズに印加されて発生するファラデー効果をキャンセルできることを示す実験データのグラフである。
【符号の説明】
【００７９】
１、１Ａ：入射光学系
２：落射光学系
３：検出光学系
４：演算装置
５：表示装置
６ｘ、６ｙ、６ｚ：プローブ光
７ｘ、７ｙ、７ｚ：反射光
１１ｘ、１１ｙ、１１ｚ、１１：レーザダイオード
１２ｘ、１２ｙ、１２ｚ：レンズ
１３、１４：ミラー
１５、１６：ハーフミラー
１７：偏光子
１８ｘ、１８ｙ、１８ｚ：レーザ光
１９ｘ、１９ｙ、１９ｚ：シャッター
２１：スミスミラー
２２：ハーフミラー
２３：対物レンズ
３１：検光子
３２：結像レンズ
３３：ＣＣＤカメラ
４１：光源
４２：コンデンサレンズ
４３：開口絞り
４４：視野絞り
４５：コリメータレンズ
４６：ミラー
４７：可動ミラー
４８：リレーレンズ
４９：偏光子
５１：ｘ軸用電磁石
５２：ｙ軸用電磁石
５３：外部磁界印加電磁石
５４：補正電磁石
５５：磁界印加電磁石用アンプ
５６：補正電磁石用アンプ
５７：制御用コンピュータ
５８：外部磁界制御信号
５９：分圧器
６０：補正電磁石制御信号
Ｓ：試料
ＳＣ：校正用試料
【図１】
2008224907.tif 000007
【図２】
2008224907.tif 000008
【図３】
2008224907.tif 000009
【図４】
2008224907.tif 000010
【図６Ａ】
2008224907.tif 000011
【図６Ｂ】
2008224907.tif 000012
【図７Ａ】
2008224907.tif 000013
【図７Ｂ】
2008224907.tif 000014
【図８】
2008224907.tif 000015
【図９】
2008224907.tif 000016
【図１０Ａ】
2008224907.tif 000017
【図１０Ｂ】
2008224907.tif 000018
【図１１】
2008224907.tif 000019
【図１２】
2008224907.tif 000020
【図１３】
2008224907.tif 000021
【図１４】
2008224907.tif 000022
【図１５】
2008224907.tif 000023
【図１６】
2008224907.tif 000024
【図１７】
2008224907.tif 000025
【図５】
2008224907.tif 000026