(57)【要約】【課題】高い時間・空間分解能を持つ、近接場光学顕微鏡を提供する。【解決手段】入射光の光強度に応じて光透過率が変化する薄膜を有する透明基板の一方の側に測定対象となる試料を配置し、前記透明基板の他方の側から光スポットを照射することによって生じる近接場光を用いて、前記透明基板の一方の側から前記試料の特性を測定するように構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の光強度に応じて光透過率が変化する薄膜を有する透明基板の一方の側に測定対象となる試料を配置し、前記透明基板の他方の側から光スポットを照射することによって生じる近接場光を用いて、前記透明基板の一方の側から前記試料の特性を測定するように構成したことを特徴とする近接場光学顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の近接場光学顕微鏡において、前記試料の特性が、蛍光応答、吸収を含むことを特徴とする近接場光学顕微鏡。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の近接場光学顕微鏡において、前記薄膜の光透過率が、光スポットによって局所的に照射される光や、照射によって発生する熱によって上昇することを特徴とする近接場光学顕微鏡。
【請求項４】
請求項１、２又は３に記載の近接場光学顕微鏡において、前記試料の特性の測定を、前記光スポットを走査しながら行うことを特徴とする近接場光学顕微鏡。
【請求項５】
請求項１、２、３又は４に記載の近接場光学顕微鏡において、前記薄膜の光透過率変化を生起させる光源と、前記試料の特性を計測するための光源とを同一のものとしたことを特徴とする近接場光学顕微鏡。
【請求項６】
請求項１、２、３又は４に記載の近接場光学顕微鏡において、前記薄膜の光透過率変化を生起させる光源と、前記試料の特性を計測するための光源とを別個のものとしたことを特徴とする近接場光学顕微鏡。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の近接場光学顕微鏡において、前記薄膜を誘電体薄膜で挟んだことを特徴とする近接場光学顕微鏡。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の近接場光学顕微鏡において、前記透明基板が、前記薄膜と前記試料との間に配置された透明薄膜を有することを特徴とする近接場光学顕微鏡。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の近接場光学顕微鏡において、前記透明基板が、前記試料に接着する接着層を有することを特徴とする近接場光学顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近接場光学を用いた顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
生物の細胞や、高分子など、微細な構造を持つ試料の観察に使用されるタイプの顕微鏡として、レーザ走査型共焦点顕微鏡が存在する。レーザ走査にニポウディスクを用いるなどの工夫により、３００フレーム／秒程度の高速な走査が実現されている。このようなレーザ走査型共焦点顕微鏡は、光学系の工夫によって一般の光学顕微鏡よりも高い空間分解能を実現している。しかし、伝搬光を使う限り、回折限界という分解能上の限界が存在する。可視光を使用した場合の空間分解能は、約０．２μｍが限界である。
【０００３】
一方、光を用いた顕微鏡で回折限界以上の分解能を実現したものとして、走査型近接場光学顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，ＳＮＯＭ）があげられる。ＳＮＯＭは、光ファイバなどの先端をエッチングすることで、微小な開口を光ファイバ先端に形成し、そこから発生する近接場光で試料を走査して像を得ることができる。これにより、光の回折限界よりも小さい構造の像を得ることができる。しかしながらＳＮＯＭにおいては、プローブを物理的に走査して画像を取得するため、時間分解能が低いという問題が存在する。
【０００４】
近接場光源を用いて試料を計測する手法の他の例として、ユルゲン  ボイタン他による特開２００３−５２４７７９号公報「近接場光学方法で生物対象を分析する装置」において開示されている方法がある。これは、近接場光源を平面基板に組み込む形でアレイ状に配置し、生体試料をその上に直接配置するという計測手法である。しかしながらこの手法においては、光源が飛び飛びの場所に存在するため、生物対象の分析情報を空間的に連続な情報として取得することができないという問題が存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したことを鑑み、本発明の目的は、上記従来技術の問題を解決し、高い時間・空間分解能を持つ、近接場光学を用いた顕微鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による近接場光学顕微鏡は、入射光の光強度に応じて光透過率が変化する薄膜を有する透明基板の一方の側に測定対象となる試料を配置し、前記透明基板の他方の側から光スポットを照射することによって生じる近接場光を用いて、前記透明基板の一方の側から前記試料の特性を測定するように構成したことを特徴とする。本発明の近接場光学顕微鏡では、従来のように光ファイバプローブなどによって試料を走査するのではなく、試料ステージとなる透明基板上に配置した試料を、試料ステージ下側から光スポットで走査して測定する。透明基板には、入射光の光強度に応じて光透過率が変化する薄膜が設けられており、走査光スポットが照射された部分においてのみ光が薄膜を通過し、試料が光励起される。このとき、光スポットが照射された部分には光学的な開口が生じるが、開口のサイズは光スポットよりも小さいものになるため、開口から出てくる光は近接場光になる。これにより、光の回折限界によって限定されることなく、高い空間分解能が得られる。また、開口は光スポットが照射された場所に形成されるため、光スポット位置を調節することによって、任意の位置の試料応答を計測することができる。
【０００７】
前記試料の特性は、蛍光応答、吸収を含んでもよい。
【０００８】
前記薄膜の光透過率は、光スポットによって局所的に照射される光や、照射によって発生する熱によって上昇するようにしてもよい。
【０００９】
前記試料の特性の測定を、前記光スポットを走査しながら行うようにしてもよい。
【００１０】
前記薄膜の光透過率変化を生起させる光源と、前記試料の特性を計測するための光源とを同一のものとしてもよい。
【００１１】
前記薄膜の光透過率変化を生起させる光源と、前記試料の特性を計測するための光源とを別個のものとしてもよい。このようにすれば、計測するための光の波長選択性を高めることができる。
【００１２】
好適には、前記薄膜を誘電体薄膜で挟む。このようにすれば、薄膜の光透過率変化過程を安定化することができる。
【００１３】
好適には、前記透明基板は、前記薄膜と前記試料との間に配置された透明薄膜を有する。このような透明薄膜を適切な膜厚にすれば、試料が光スポットによって発生する熱によってダメージを受けることを防ぐことができる。
【００１４】
好適には、前記透明基板は、前記試料に接着する接着層を有する。このようにすれば、試料を透明基板に固定することが容易になり、安定的な分析が可能になる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、試料の蛍光応答や光の吸収などの光学的な測定及び分析において、近接場光で平面を走査することができるため、従来の光学的測定では回折限界のために制限されていた空間分解能を飛躍的に向上させることができる。また、従来のように走査方法として光ファイバなどのプローブを使用せず、光線のみを走査する方法を採用するため、走査速度を向上することができ、時間分解能を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の近接場光学顕微鏡の構成の一例を示す図である。本近接場光学顕微鏡は、試料ステージ１０と、光スポット走査機構２０と、撮像装置３０と、レンズ５０とを具える。試料ステージ１０上に、測定対象となる試料４０を配置する。
【００１７】
試料ステージ１０は、入射光の強度に応じて複素屈折率が非線形的に変化し、それによって光透過率が変化する非線形光学薄膜１０１を具る。非線形光学薄膜１０１を、例えばアンチモンや酸化銀など、既知の非線形光学薄膜材料で形成することができる。光の照射によって発生する熱によって光透過率が変化する材料を使用してもよい。試料ステージ１０は、好適には、非線形光学薄膜１０１を挟む透明な誘電体薄膜１０２及び１０３をさらに備える。誘電体薄膜１０２は、近接場光が届く範囲よりも薄く形成し、非線形光学薄膜１０１と試料４０との間隔を一定に保つ。誘電体薄膜１０２は、光スポットによって生じる熱によって試料４０がダメージを受けないような厚さに選択することが望ましい。試料ステージ１０の上面に試料４０に対して接着性を有する接着層を設け、試料４０を固定しやすくしてもよい。
【００１８】
光スポット走査機構２０は、光学系部分と走査機構部分の２つの要素から構成される。光学系部分は、レーザ光源と、光源からのレーザ光を集光して薄膜１０１上に照射するための光スポットを形成するための光学系を具える。走査機構部分は、前記光スポットの位置を薄膜１０１の表面上であるＸ−Ｙ方向に動かして薄膜１０１上を走査するためのミラーと、このミラーの駆動部分とを具える。他の実施例において、光スポットは固定し、試料ステージ１０をＸ−Ｙ方向に動かすことによって走査を行ってもよい。
【００１９】
撮像装置３０は、試料ステージ１０を介して走査機構２０と反対側に位置する。レンズ５０を、試料ステージ１０と撮像装置３０との間に配置する。試料４０としては、微細な構造を持つ試料が好適であり、例えば生体組織から単離された細胞や培養細胞が考えられる。
【００２０】
図２は、光スポットを照射して近接場光を発生する原理を説明するための図である。図１と同じ参照符は同様の要素を示す。光スポット走査機構２０は、光スポットを非線形光学薄膜１０１上において走査する。レーザ光によるスポット光の強度分布はガウス分布をなしている。そのため、非線形光学薄膜１０１上で光学的な開口を形成するためのしきい値を超える光強度の領域は、図２に示すようにスポット光の大きさよりも小さい。そのため、回折限界のサイズまで絞られたスポット光は、非線形光学薄膜１０１上に回折限界よりも小さいサイズの開口を形成する。この開口により、スポット光が照射された領域から近接場光が生じる。したがって、光スポット走査機構２０によって光スポットを非線形光学薄膜１０１上で走査することにより、近接場光で平面を走査することができる。他の実施例において、前記光学的な開口を形成するための光スポットを発生する光源と、前記開口によって近接場光を発生するための光を発生する光源とを別々に設け、測定に使用する光の波長選択性を高めるようにしてもよい。
【００２１】
図３は、本発明による近接場光学顕微鏡の動作を説明する図である。図１と同じ参照符は同様の要素を示す。上述したように、光スポット走査機構２０によって非線形光学薄膜１０１にスポット光を照射することにより、非線形光学薄膜１０１に光学的な開口が形成される。その開口が光の回折限界よりも小さいため、スポット照射光による近接場光が発生する。この近接場光で試料４０を励起することによって回折限界以下の領域で非常に局所的な領域から放射される光を蛍光応答信号として、レンズ５０によって集光し、撮像装置３０によって測定する。この測定結果を分析することにより、前記回折限界以下の領域で非常に局所的な領域からの蛍光応答、及び光吸収のデータを取得することができる。撮像装置３０で得たデータと、そのときの光スポット走査機構２０によってスポット光が照射されている位置のＸ、Ｙ座標値とを合成することによって、試料４０の蛍光応答を２次元的な蛍光応答分布像として再構成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の近接場光学顕微鏡の構成の一例を示す図である。
【図２】光スポットを照射して近接場光を発生する原理を説明するための図である。
【図３】本発明による近接場光学顕微鏡の動作を説明する図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０  試料ステージ
２０  光スポット走査機構
３０  撮像装置
４０  試料
１０１  非線形光学薄膜
１０２、１０２  誘電体薄膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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