(57)【要約】      （修正有）【課題】高分解能を維持しつつ感度を上げ、観察対象による微小な反射光強度、偏光或いは位相などの変化を高感度に検出する。【解決手段】測定用レーザー光Ｌinを出射するレーザー光源３０と、近接場光を生成させて観測対象物９０の表面に入射し、且つ上記観測対象物９０からの反射光ＬＲ２を上記光学開口２２から導波し、上記光学開口２２から導波された上記観測対象物９０からの反射光ＬＲ２の干渉成分を含む検出光ＬＲｏｕｔを後端側開口２１を介して出射する光学開口プローブ２０と、上記光学開口プローブ２０の先端と観測対象物９０との相対距離を周期的に変化させる固体振動子６０と、上記固体振動子６０により与えられる上記光学開口プローブ２０の先端と観測対象物９０との相対距離の変化周期に同期した上記検出光ＬＲｏｕｔに含まれる各反射膜の干渉成分を検出するロックインアンプ５０とからなる反射型近接場光検出光学系８０を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定用レーザー光を出射するレーザー光源と、
先端に上記測定用レーザ光の波長よりも短い径の光学開口とその周囲に反射面が設けられた構造を有し、後端側開口を介して入力される上記測定用レーザ光を導波して上記光学開口から近接場光を生成させて観測対象物表面に入射し、且つ上記観測対象物からの反射光を上記光学開口から導波し、上記後端側から導波された上記測定用レーザ光の上記反射面による反射光と、上記光学開口から導波された上記観測対象物からの反射光の干渉成分を含む検出光を後端側開口を介して出射する光学開口プローブと、
上記光学開口プローブの先端と観測対象との相対距離を周期的に変化させる振動付与手段と、
上記光学開口プローブの後端側開口から出射される検出光を受光して電気信号に変換する光電変換手段と、
上記光電変換手段により得られる電気信号を同期検波することにより、上記振動付与手段により与えられる上記光学開口プローブの先端と観測対象との相対距離の変化周期に同期した上記検出光に含まれる各反射光の干渉成分を検出する同期検波手段と
を備えることを特徴とする反射型近接場光検出光学系。
【請求項２】
上記振動付与手段は、上記光学開口プローブの先端を軸方向と交差する方向に振動させる固体振動子からなることを特徴とする請求項１記載の反射型近接場光検出光学系。
【請求項３】
上記振動付与手段は、上記光学開口プローブの先端を軸方向に振動させる固体振動子からなることを特徴とする請求項１記載の反射型近接場光検出光学系。
【請求項４】
測定用レーザー光を出射するレーザー光源と、
先端に上記測定用レーザ光の波長よりも短い径の光学開口とその周囲に反射面が設けられた構造を有し、後端側開口を介して入力される上記測定用レーザ光を導波して上記光学開口から近接場光を生成させて観測対象物表面に入射し、且つ上記観測対象物からの反射光を上記光学開口から導波し、上記後端側から導波された上記測定用レーザ光の上記反射面による反射光と、上記光学開口から導波された上記観測対象物からの反射光の干渉成分を含む検出光を後端側開口を介して出射する光学開口プローブと、
上記光学開口プローブの先端と観測対象との相対距離を周期的に変化させる振動付与手段と、
上記光学開口プローブの後端側開口から出射される検出光を受光して電気信号に変換する光電変換手段と、
上記光電変換手段により得られる電気信号を同期検波することにより、上記振動付与手段により与えられる上記光学開口プローブの先端と観測対象との相対距離の変化周期に同期した上記検出光に含まれる各反射光の干渉成分を検出する同期検波手段と
からなる反射型近接場光検出光学系を備えることを特徴とする反射型近接場光学顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近接場光を利用して試料の表面情報や光学的情報等を測定する反射型近接場光検出光学系及び反射型近接場光学顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、通常の光学レンズを用いる集光系の検出分解能の限界を打破する新しい集光方式として、近接場光が注目を集めている。近接場光は、微小光学開口近傍に形成される非伝播性の電磁場（エバネセント場）である。
【０００３】
微小光学開口は光学プローブの光出射部に設けられ、光学開口の周囲は好ましくは反射体によって被覆されている。これは、開口以外の部分からの漏れ光が被検体へ入射するのを防止するためである。エバネセント場中に被検体表面を近接して配置すると、近接場相互作用により伝播性の散乱光が生じる。この散乱光の強度または位相は、被検体表面の光学情報を担うため、通常の検出手段によって被検体表面の情報を得ることができる。
【０００４】
近接場光を利用したときの分解能は、エバネセント場のサイズで決定される。例えば、光ファイバー先端を絞り込み、数１０ｎｍの光学開口を残して先端部を金属などの反射体で被覆した場合、分解能は光学開口と同程度の数１０ｎｍにすることができる。このため、従来の対物レンズを用いた集光系よりも格段に分解能が向上する（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３４０７７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、近接場光学顕微鏡の空間分解能は開口の大きさで決まるため、分解能を上げるためには開口を小さくする必要があるが、開口を小さくすると検出できる光量が激減するため感度良く測定することは難しくなる。
【０００７】
一方で、光学顕微鏡のコントラストを上げる目的で、レーザー顕微鏡やそれをさらに発展させた光ヘテロダインレーザー顕微鏡が作られた。物質表面の凹凸をコントラスト良く観察することが可能になったが、回折限界には制限されるため空間分解能は光学顕微鏡と同程度である。
【０００８】
近接場光学顕微鏡は高分解能だがコントラストはあまり良くなく、一方でレーザー顕微鏡は高コントラストだが空間分解能で劣る。これまでの技術では、高分解能と高コントラストは両立できていなかった。これらを両立するためには、レーザー顕微鏡では回折限界による制限のため今以上の高分解能化は不可能なので、近接場光学顕微鏡の高分解能を維持しつつ感度を上げる必要がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の問題点に鑑み、高分解能を維持しつつ感度を上げ、観察対象による微小な反射光強度、偏光或いは位相などの変化を高感度に検出することができるようにした反射型近接場光検出光学系及び反射型近接場光学顕微鏡を提供することにある。
【００１０】
本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では、例えば、開口型近接場光学顕微鏡を局所照射集光モード（Illumination-Collection mode）で使用し、プローブ先端から戻ってくる光を光検出器で電気信号に変換した後、ロックインアンプ検出するにあたり、プローブ先端と観察対象との相対距離を周期的に変化させることにより、プローブ先端の開口を介して集光される観察対象からの微弱な反射信号光に変調を施し、ロックインアンプでは、この変調周波数もしくはその２倍の周波数に同期した信号成分を検出する。
【００１２】
プローブ先端から戻ってくる光には、開口近傍での近接場による微弱な信号光と、プローブ先端に形成された開口の周期の反射面からの強い反射光（＝参照光）が混合されており、信号光と参照光の光干渉が生じる。プローブの振動に伴って信号光のみがわずかに変化すると、参照光との光干渉によりその変化が大幅に増幅されるため、信号光を高感度に検出することができる。
【００１３】
本発明に係る反射型近接場光検出光学系は、測定用レーザー光を出射するレーザー光源と、先端に上記測定用レーザ光の波長よりも短い径の光学開口とその周囲に反射面が設けられた構造を有し、後端側開口を介して入力される上記測定用レーザー光を導波して上記光学開口から近接場光を生成させて観測対象物表面に入射し、且つ上記観測対象物からの反射光を上記光学開口から導波し、上記後端側から導波された上記測定用レーザー光の上記反射面による反射光と、上記光学開口から導波された上記観測対象物からの反射光の干渉成分を含む検出光を後端側開口を介して出射する光学開口プローブと、上記光学開口プローブの先端と観測対象との相対距離を周期的に変化させる振動付与手段と、上記光学開口プローブの後端側開口から出射される検出光を受光して電気信号に変換する光電変換手段と、上記光電変換手段により得られる電気信号を同期検波することにより、上記振動付与手段により与えられる上記光学開口プローブの先端と観測対象との相対距離の変化周期に同期した上記検出光に含まれる各反射光の干渉成分を検出する同期検波手段とを備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る反射型近接場光検出光学系において、上記振動付与手段は、例えば、上記光学開口プローブの先端を軸方向と交差する方向に振動させる固体振動子からなる。
【００１５】
また、本発明に係る反射型近接場光検出光学系において、上記振動付与手段は、例えば、上記光学開口プローブの先端を軸方向に振動させる固体振動子からなることを特徴とする。
【００１６】
さらに、本発明に係る反射型近接場光学顕微鏡は、測定用レーザー光を出射するレーザー光源と、先端に上記測定用レーザ光の波長よりも短い径の光学開口とその周囲に反射面が設けられた構造を有し、後端側開口を介して入力される上記測定用レーザー光を導波して上記光学開口から近接場光を生成させて観測対象物表面に入射し、且つ上記観測対象物からの反射光を上記光学開口から導波し、上記後端側から導波された上記測定用レーザ光の上記反射面による反射光と、上記光学開口から導波された上記観測対象物からの反射光の干渉成分を含む検出光を後端側開口を介して出射する光学開口プローブと、上記光学開口プローブの先端と観測対象との相対距離を周期的に変化させる振動付与手段と、上記光学開口プローブの後端側開口から出射される検出光を受光して電気信号に変換する光電変換手段と、上記光電変換手段により得られる電気信号を同期検波することにより、上記振動付与手段により与えられる上記光学開口プローブの先端と観測対象との相対距離の変化周期に同期した上記検出光に含まれる各反射光の干渉成分を検出する同期検波手段とからなる反射型近接場光検出光学系を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、プローブ先端と観察対象との相対距離を周期的に変化させることにより、プローブ先端の開口を介して集光される観察対象からの微弱な反射信号光に変調を施し、この微弱な反射信号光と、プローブ先端に設けられた光学開口の周囲の反射面で反射して戻る光（参照光）の干渉を利用して、微弱な反射信号光の強度、偏光、もしくは位相のわずかなずれを増幅して高感度に検出することができる。
【００１８】
本発明では、簡易な光学配置により、従来の反射型近接場光学顕微鏡における信号強度を２〜３桁増強することが可能であり、観察対象表面のナノスケール微小構造、微細な屈折率分布の高感度検出を実現することができ、本発明を次世代の光ディスクの読み出しに応用することによって、超高密度光ディスクの実現が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。
【００２０】
本発明は、例えば図１に示すような構成の反射型近接場光学顕微鏡１００に適用される。
【００２１】
この反射型近接場光学顕微鏡１００は、観測対象物９０が載置され、３軸方向にナノメートルオーダの移動が可能なピエゾステージ１０と、このピエゾステージ１０に載置された観測対象物９０の表面近傍位置に先端部分が位置するように配置された光学開口プローブ２０と、上記観測対象物９０の表面に照射する測定用レーザー光Ｌinを出射するレーザー光源３０を備え、上記レーザー光源３０から出射された測定用レーザー光Ｌinが反射鏡３１及びビームスプリッタ３２を介して上記光学開口プローブ２０の後端側開口２１から当該光学開口プローブ２０に入力されるようになっている。
【００２２】
上記ピエゾステージ１０は、ステージコントローラ１１を介してコンピュータ１２に接続されている。上記ステージコントローラ１１は、上記コンピュータ１２による制御に基づいて、上記ピエゾステージ１０をＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に任意に移動させる。
【００２３】
また、上記光学開口プローブ２０は、先鋭化されたテーパ状の反射面２３を有するテーパ部の先端に上記測定用レーザ光Ｌinの波長よりも短い径の光学開口２２が設けられた構造を有し、後端側開口２１に設けられたファイバカプラ２１Ａを介して測定用レーザー光Ｌinが入力されるとともに検出光ＬＲｏｕｔを出力するようになっている。ここで、この実施の形態では、先鋭化されたテーパ状の反射面２３が金属反射膜２３Ａにより形成されているが、後端側開口２１から入力された測定用レーザー光Ｌinを先端の先鋭化された先端の光学開口２３の周囲の部分で反射すればよく、金属反射膜２３Ａは空気層などであってもよい。
【００２４】
この光学開口プローブ２０は、図２に模式的に示すように、上記ファイバカプラ２１Ａを介して入力される上記測定用レーザー光Ｌinを導波して上記光学開口２２から近接場光を生成させて観測対象物９０の表面に入射し、且つ上記観測対象物９０からの反射光ＬＲ２を上記光学開口２２から導波し、上記後端側から導波された上記測定用レーザー光Ｌinの上記反射面２３による反射光ＬＲ１と、上記光学開口２２から導波された上記観測対象物９０からの反射光ＬＲ２の干渉成分を含む検出光ＬＲｏｕｔを上記ファイバカプラ２１Ａを介して出射する。
【００２５】
なお、上記レーザー光源３０としては、例えばＨｅ−Ｎｅレーザーが用いられている。
【００２６】
また、この反射型近接場光学顕微鏡１００は、上記ファイバカプラ２１Ａを介して出射された検出光ＬＲｏｕｔが上記ビームスプリッタ３２を介して入力される光検出器４０を備える。この光検出器４０は、上記検出光ＬＲｏｕｔを受光することにより、上記検出光ＬＲｏｕｔの光強度に応じた信号レベルの検出信号ＳＤをロックインアンプ５０に出力する。
【００２７】
さらに、この反射型近接場光学顕微鏡１００は、上記光学開口プローブ２０の先端と観測対象物９０の表面との相対距離を周期的に変化させる固体振動子６０を備える。この固体振動子６０は、例えばチューニングフォーククリスタルからなり、発振回路により構成されるチューニングフォークドライバ６１によって駆動され、上記光学開口プローブ２０の先端をその軸方向と交差する方向に周波数ｆで振動させるようになっている。
【００２８】
このチューニングフォークドライバ６１は、上記ステージコントローラ１１により上記ピエゾステージ１０をＺ軸方向に移動させて、上記光学開口プローブ２０の先端が観測対象物９０の表面に接近することによって生じる原子間力によって、発振出力レベルが変化する。この発振出力レベルの変化を図示しないフィルタにより取り出してシアフォース制御信号ＳＨＣとして上記ステージコントローラ１１に帰還することによって、上記光学開口プローブ２０の先端と観測対象物９０の表面との間の距離が一定になるように制御している。
【００２９】
また、上記チューニングフォークドライバ６１は、発振出力すなわち上記固体振動子６０の振動周波数で振動する発振信号を参照信号Ｆrefとして上記ロックインアンプ５０に供給している。
【００３０】
このような構成の反射型近接場光学顕微鏡１００では、上記光学開口プローブ２０の先端をその軸方向と交差する方向に周波数ｆで振動させることによって、上記光学開口プローブ２０の先端と観測対象物９０の表面との相対距離が所定の周期（１／ｆ）で変化するので、上記光学開口２２から導波された上記観測対象物９０からの反射光ＬＲ２は、上記周波数ｆで変調されたものとなる。
【００３１】
上記光学開口プローブ２０は、上記後端側から導波された上記測定用レーザー光Ｌinの上記反射面２３による反射光ＬＲ１と、上記光学開口２２から導波された上記観測対象物９０からの上記周波数ｆで変調された反射光ＬＲ２の干渉成分を含む検出光ＬＲｏｕｔを上記ファイバカプラ２１Ａを介して出射する。
【００３２】
そして、ロックインアンプ５０は、光検出器４０により得られる上記検出光ＬＲｏｕｔの光強度に応じた信号レベルの検出信号ＳＤを上記チューニングフォークドライバ６１により与えられる上記固体振動子６０の振動周波数ｆの参照信号Ｆrefで同期検波することによって、上記振動周波数ｆに同期する信号成分、すなわち、上記反射光ＬＲ１と反射光ＬＲ２の位相のずれによって増幅された信号成分のみを測定信号ＭＳとして取り出し、この測定信号ＭＳを上記ステージコントローラ１１を介してコンピュータ１２に供給する。
【００３３】
上記コンピュータ１２は、上記ピエゾステージ１０をｘ軸方向及びＹ軸方向に移動させて、上記ピエゾステージ１０上の観測対象物９０の表面を上記光学開口プローブ２０の先端で走査することにより、上記観測対象物９０の表面情報として、上記ロックインアンプ５０により得られる測定信号ＭＳを蓄えて、例えば測定信号ＭＳによる画像をモニタ画面に表示する。
【００３４】
すなわち、この反射型近接場光学顕微鏡１００は、測定用レーザー光Ｌinを出射するレーザー光源３０と、先端に上記測定用レーザー光Ｌinの波長よりも短い径の光学開口２２とその周囲を被覆する反射面２３が設けられた構造を有し、後端側開口２１を介して入力される上記測定用レーザー光Ｌinを導波して上記光学開口２２から近接場光を生成させて観測対象物９０の表面に入射し、且つ上記観測対象物９０からの反射光ＬＲ２を上記光学開口２２から導波し、上記後端側から導波された上記測定用レーザー光Ｌinの上記反射面２３による反射光ＬＲ１と、上記光学開口２２から導波された上記観測対象物９０からの反射光ＬＲ２の干渉成分を含む検出光ＬＲｏｕｔを後端側開口２１を介して出射する光学開口プローブ２０と、上記光学開口プローブ２０の先端と観測対象物９０との相対距離を周期的に変化させる固体振動子６０と、上記光学開口プローブ２０の後端側開口２１から出射される検出光ＬＲｏｕｔを受光して電気信号に変換する光検出器４０と、上記光検出器４０による検出信号ＳＤとして得られる電気信号を同期検波することにより、上記固体振動子６０により与えられる上記光学開口プローブ２０の先端と観測対象物９０との相対距離の変化周期に同期した上記検出光ＬＲｏｕｔに含まれる各反射光ＬＲ１，ＬＲ２の干渉成分を検出するロックインアンプ５０とからなる反射型近接場光検出光学系８０を備える。
【００３５】
ここで、開口径４０ｎｍの光学開口プローブ２０を用いて、上記光学開口プローブ２０の先端をその軸方向と交差する方向に周波数ｆで振動させてその周波数ｆで検出出力を同期検波した本発明による方法と、検出出力をそのまま測定する従来の方法で、観測対象物９０として回折格子（３６００本／ｍｍ）を観測した結果を図３の（Ａ），（Ｂ）に示す。
【００３６】
従来の方法では、図３の（Ｂ）に示すように、ノイズに埋もれて回折格子は確認できないが、上記光学開口プローブ２０の先端をその軸方向と交差する方向に周波数ｆで振動させた本発明による方法によれば、図３の（Ａ）に示すように、ノイズに埋もれることなく回折格子を明瞭に観測することができた。
【００３７】
ここで、上述の反射型近接場光学顕微鏡１００では、光学開口プローブ２０の先端と観測対象物９０の表面との間の距離が一定になるように制御するためのシアフォース制御信号ＳＨＣを得るために光学開口プローブ２０の先端に微少振動を付与するための振動付与手段と、上記光学開口２２から導波された上記観測対象物９０からの反射光ＬＲ２を変調するため振動付与手段とを兼ねるチューニングフォーククリスタルからなる固体振動子６０を用いて、上記光学開口プローブ２０の先端をその軸方向と交差する方向に振動させたが、上記シアフォース制御信号ＳＨＣを得るための振動付与手段と、上記観測対象物９０からの反射光ＬＲ２を変調するため振動付与手段とは、個別のものとすることができる。
【００３８】
また、上記観測対象物９０からの反射光ＬＲ２を変調するため振動付与手段は、例えば、図４に示す反射型近接場光学顕微鏡２００のように、上記光学開口プローブ２０の先端をその軸方向に振動させるようにしてもよい。
【００３９】
図４に示す反射型近接場光学顕微鏡２００は、光学開口プローブ２０の先端と観測対象物９０の表面との間の距離が一定になるように制御するためのシアフォース制御信号ＳＨＣを得るために光学開口プローブ２０の先端に微少振動を付与するためのピエゾ素子２６０、上記ピエゾ素子２６０を駆動するピエゾドライバ２６１、上記ピエゾ素子２６０により光学開口プローブ２０の先端に付与された微少振動を検出するために、上記光学開口プローブ２０の先端を被覆する金属反射膜２３Ａに外周側からレーザー光を照射する半導体レーザー２６２、上記金属反射膜２３Ａによる反射光を受光して検出する光検出器２６３、この光検出器２６３による検出信号が供給されるロックインアンプ２６４、上記光学開口２２から導波された上記観測対象物９０からの反射光ＬＲ２を変調するためチューニングフォーククリスタルからなる固体振動子１６０を備える。
【００４０】
上記ロックインアンプ２６４は、上記ピエゾ素子２６０を駆動するピエゾドライバ２６１から上記ピエゾ素子２６０の駆動信号が参照信号として供給されており、上記光検出器２６３の検出信号ＳＤを上記参照信号で同期検波することにより得られるシアフォース制御信号ＳＨＣをステージコントローラ１１に帰還する。
【００４１】
そして、この反射型近接場光学顕微鏡２００では、上記固体振動子１６０の振動方向が上記光学開口プローブ２０の軸方向（ｚ方向）に一致しており、上記光学開口プローブ２０の先端をその軸方向に周波数ｆで振動させることにより、上記観測対象物９０からの反射光ＬＲ２を周波数ｆで変調するようになっている。
【００４２】
なお、この反射型近接場光学顕微鏡２００における他の構成要素は、上述の反射型近接場光学顕微鏡１００と同じなので、図４中に同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００４３】
ここで、上述の反射型近接場光学顕微鏡１００及び反射型近接場光学顕微鏡２００では、チューニングフォーククリスタルからなる固体振動子６０，１６０により上記光学開口プローブ２０の先端を周波数ｆで振動させるようにしたが、チューニングフォーククリスタルに代えてピエゾ素子を用いるようにしてもよい。また、上記光学開口プローブ２０の先端と観測対象物９０との相対距離を周期的に変化させればよく、上記光学開口プローブ２０の先端を振動させる代わりに、ピエゾステージ１０を振動させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明を適用した反射型近接場光学顕微鏡の構成を示すブロック図である。
【図２】上記反射型近接場光学顕微鏡における光学開口プローブの先端部分の構造を模式的に示す断面図である。
【図３】開口径４０ｎｍの光学開口プローブ２０を用いて、上記光学開口プローブの先端をその軸方向と交差する方向に周波数ｆで振動させた本発明による方法と、振動させない従来の方法で、観測対象物として回折格子（３６００本／ｍｍ）を観測した結果を示す図である。
【図４】本発明を適用した反射型近接場光学顕微鏡の他の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  ピエゾステージ、１１  ステージコントローラ、１２  コンピュータ、２０  光学開口プローブ、２１  後端側開口、２１Ａ  ファイバカプラ、２２  光学開口、２３  反射面、２３Ａ  金属反射膜、３０  レーザー光源、３１  反射鏡、３２  ビームスプリッタ、４０  光検出器、５０  ロックインアンプ、６０，１６０  固体振動子、６１  チューニングフォークドライバ、８０  反射型近接場光検出光学系、９０  観測対象物、１００，２００  反射型近接場光学顕微鏡、２６０  ピエゾ素子、２６１  ピエゾドライバ、２６２  半導体レーザー、２６３  光検出器、２６４  ロックインアンプ、Ｌin  測定用レーザー光、ＬＲｏｕｔ  検出光、ＬＲ１，ＬＲ２  反射光、ＳＤ  検出信号、Ｆref  参照信号、ＳＨＣ  シアフォース制御信号、ＭＳ  測定信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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