(57)【要約】装着された一つの光プローブにより、通常の伝搬光を利用した広範囲測定と近接場光を利用した高分解能測定の双方を実現するため、出射開口Ｄが設けられるように遮光性被覆層３３が形成されてなる光プローブ１３、或いは、コア３１先端を遮光性被覆層３３で被覆した光プローブ１３のコア３１に出射された光を伝搬させ、被測定面２ａに対して光プローブ１３を近接離間する方向へ移動させることにより、コア３１を伝搬した伝搬光或いは出射開口Ｄから滲出した近接場光の何れかに基づくスポットを被測定面上２ａに形成させ、当該スポットに基づく光を検出する。
2005003737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバプローブの先端を被測定面へ対向させ、上記光ファイバプローブからの光によるスポットを被測定面上に形成させるとともに、上記被測定面からの光を上記光ファイバプローブにより検出する光検出装置において、
上記光ファイバプローブのコアを伝搬した伝搬光を利用した広範囲測定モードと、上記光ファイバプローブのコアを滲出した近接場光を利用した高分解能測定モードとを有することを特徴とする光検出装置。
【請求項２】
上記光ファイバプローブ先端と上記被測定面との距離に基づき、上記広範囲測定モードと上記高分解能測定モードとを切り替えることを特徴とする請求の範囲第１項記載の光検出装置。
【請求項３】
上記距離が所定値を超えている場合には上記広範囲測定モードに切り替え、上記距離が上記所定値以下の場合には上記高分解能測定モードへ切り替えることを特徴とする請求の範囲第２項記載の光検出装置。
【請求項４】
上記光ファイバプローブのコア先端の中心部に形成されている出射開口の直径のサイズに対応させた上記距離に基づき、上記広範囲測定モードと上記高分解能測定モードとを切り替えることを特徴とする請求の範囲第２項記載の光検出装置。
【請求項５】
上記広範囲測定モードと上記高分解能測定モードとを切り替える際に、上記光ファイバプローブと上記被測定面との距離を変更させる距離変更手段を備えることを特徴とする請求の範囲第２項記載の光検出装置。
【請求項６】
上記光ファイバプローブは、上記コア先端の中心部に出射開口が形成されてなることを特徴とする請求の範囲第２項記載の光検出装置。
【請求項７】
上記光ファイバプローブは、上記コア先端に遮光性被覆層が形成されてなることを特徴とする請求の範囲第１項記載の光検出装置。
【請求項８】
上記広範囲測定モードにより被測定面からの光を検出した後に、上記高分解能測定モードへ切り替えることを特徴とする請求の範囲第１項記載の光検出装置。
【請求項９】
上記伝搬光を出射する光源と、上記光源から出射される光の波長を制御する波長制御手段とをさらに備えることを特徴とする請求の範囲第１項記載の光検出装置。
【請求項１０】
上記波長制御手段は、上記光源から出射される光の波長を、上記広範囲測定モードと上記高分解能測定モードとの間で切り替えることを特徴とする請求の範囲第９項記載の光検出装置。
【請求項１１】
上記光ファイバプローブは、上記コア先端の中心部に出射開口が設けられるように遮光性被覆層が形成されてなり、上記波長制御手段は、上記光源から出射される光の波長を、上記遮光性被覆層の材質に基づいて決定された波長に制御することを特徴とする請求の範囲第９項記載の光検出装置。
【請求項１２】
上記伝搬光を出射する光源と、上記光源から出射された伝搬光をモニタリングする光モニタリング手段をさらに備えることを特徴とする請求の範囲第９項記載の光検出装置。
【請求項１３】
光ファイバプローブの先端を被測定面へ対向させ、上記光ファイバプローブからの光によるスポットを被測定面上に形成されるとともに、上記被測定面からの光を上記光ファイバプローブにより検出する光検出方法において、上記光ファイバプローブのコアを伝搬した伝搬光を利用した広範囲測定モードと、上記光ファイバプローブのコアを滲出した近接場光を利用した高分解能測定モードとを有することを特徴とする光検出方法。
【請求項１４】
上記光ファイバプローブ先端と上記被測定面との距離に基づき、上記広範囲測定モードと上記高分解能測定モードとを切り替えることを特徴とする請求の範囲第１３項記載の光検出方法。
【請求項１５】
上記距離が所定値を超えている場合には上記広範囲測定モードに切り替え、上記距離が上記所定値以下の場合には上記高分解能測定モードへ切り替えることを特徴とする請求の範囲第１４項記載の光検出方法。
【請求項１６】
上記光ファイバプローブのコア先端の中心部に形成されている出射開口の直径のサイズに対応させた上記距離に基づき、上記広範囲測定モードと上記高分解能測定モードとを切り替えることを特徴とする請求の範囲第１４項記載の光検出方法。
【請求項１７】
上記広範囲測定モードと上記高分解能測定モードとを切り替える際に、上記光ファイバプローブと上記被測定面との距離を変更させる距離変更ステップを有することを特徴とする請求の範囲第１４項記載の光検出方法。
【請求項１８】
上記コア先端の中心部に出射開口が形成された光ファイバプローブにより上記被測定面からの光を検出することを特徴とする請求の範囲第１３項記載の光検出方法。
【請求項１９】
上記コア先端に遮光性被覆層が形成された光ファイバプローブにより上記被測定面からの光を検出することを特徴とする請求の範囲第１３項記載の光検出方法。
【請求項２０】
上記広範囲測定モードにより被測定面からの光を検出した後に、上記高分解能測定モードへ切り替えることを特徴とする請求の範囲第１３項記載の光検出方法。
【請求項２１】
上記伝搬光を出射する出射ステップと、上記出射ステップにおいて出射した光の波長を制御する波長制御ステップとをさらに有することを特徴とする請求の範囲第１３項記載の光検出方法。
【請求項２２】
上記波長制御ステップでは、上記出射ステップにおいて出射した光の波長を、上記広範囲測定モードと上記高分解能測定モードとの間で切り替えることを特徴とする請求の範囲第２１項記載の光検出方法。
【請求項２３】
上記出射開口が設けられるように遮光性被覆層が形成された光ファイバプローブにより上記被測定面からの光を検出し、上記波長制御ステップでは、上記出射ステップにおいて出射した光の波長を、上記遮光性被覆層の材質に基づいて決定された波長に制御することを特徴とする請求の範囲第２１項記載の光検出方法。
【請求項２４】
上記伝搬光を出射する出射ステップと、上記出射ステップにおいて出射した伝搬光をモニタリングする光モニタリングステップとをさらに有することを特徴とする請求の範囲第１３項記載の光検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、近接場領域に発生する近接場光を利用して物性を測定する光学顕微鏡等に適用される光検出装置及び方法に関する。
本出願は、日本国において２００３年７月８日に出願された日本特許出願番号２００３−１９３６８０を基礎として優先権を主張するものであり、この出願は参照することにより、本出願に援用される。
【背景技術】
【０００２】  近年、微細加工技術の発展を基盤として、単一分子光メモリ、単一電子デバイスといったナノメートルサイズの微細構造を有する素子が実用化されようとしている。ナノメートルサイズの分解能を有する近接場光学顕微鏡は、上述した素子の開発或いは評価に欠かせない技術として注目されている。この近接場光学顕微鏡は、例えば試料からの発光或いは透過光の光強度、波長、偏光等を検出することにより、試料から得られる発光や透過光から試料の物性を知ることができる。
近接場光学顕微鏡は、コアの周囲にクラッドが設けられた光ファイバの一端に先鋭化した上記コアを突出させた突出部を有し、当該突出部に例えばＡｕやＡｇ等の金属により被覆された光プローブを備え、光の波長を超えた分解能を有する光学像を得ることができる。すなわち、かかる近接場光学顕微鏡を利用することにより、ナノメートル級の分解能で試料の微小領域における物性を測定することに加え、書込みや読出し等のメモリ操作、さらには光加工等も行うことが可能となる。この近接場光学顕微鏡に用いられる上述の光プローブについては、既に開示されている。
ちなみに、この近接場光学顕微鏡により試料の微小領域における物性を測定する場合には、試料表面の光の波長より小さい領域に局在するエバネッセント光を検出して試料の形状を測定する。そして、全反射条件下で試料に光が照射されることにより生じたエバネッセント光を上述した光プローブにより散乱させて散乱光に変換する。この変換された散乱光は、光プローブが形成されている突出部を通じて光ファイバのコアに導かれ、光ファイバのもう一方の出射端に接続された検出器により検出される。すなわちこの近接場光学顕微鏡は、突出部の設けられた光プローブにより散乱と検出の双方を行うことができる。
ところで、上述の如き近接場光学顕微鏡は、高い分解能で測定ができるものの測定範囲が数十μｍと非常に狭いというデメリットがある。一方、通常の伝搬光を用いるレーザ顕微鏡は、広範囲の測定ができる一方で、近接場光学顕微鏡等と比較して分解能が劣るという問題点がある。
また、近接場光学顕微鏡の分解能は、使用する光プローブの開口径により支配されるため、分解能を変えて物性測定を行う場合には、開口径の異なる低分解能用の光プローブを近接場光学顕微鏡へ別途配設する必要がある。このため、近接場光を利用した高分解能の測定へ切り替える場合において、利用する光プローブを常時付け替える必要性が生じ、ユーザの過大な労力を解消することができず、物性測定を望む微小領域に対して既に合わせ込んだ光プローブの位置がずれてしまうという問題点もあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  上述の如き従来の実状に鑑み、本発明の目的は、装着された一つの光プローブにより、通常の伝搬光を利用した広範囲測定と、近接場光を利用した高分解能測定の双方を実現することができる光検出装置及び方法を提供することにある。
すなわち、本発明に係る光検出装置は、上述の課題を解決するために、光ファイバプローブの先端を被測定面へ対向させ、光ファイバプローブからの光によるスポットを被測定面上に形成させるとともに、被測定面からの光を上記光ファイバプローブにより検出する光検出装置において、光ファイバプローブのコアを伝搬した伝搬光を利用した広範囲測定モードと、光ファイバプローブのコアを滲出した近接場光を利用した高分解能測定モードとを有する。
本発明を適用した光検出方法は、上述の課題を解決するために、光ファイバプローブの先端を被測定面へ対向させ、光ファイバプローブからの光によるスポットを被測定面上に形成されるとともに、被測定面からの光を光ファイバプローブにより検出する光検出方法において、光ファイバプローブのコアを伝搬した伝搬光を利用した広範囲測定モードと、光ファイバプローブのコアを滲出した近接場光を利用した高分解能測定モードとを有する。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】図１は、本発明を適用した光検出装置の構成例を示す図である。
【図２】図２は、広範囲測定並びに高分解能測定につき説明するための図である。
【図３】図３は、光源から出射される光の波長λが８３０ｎｍである場合における光プロファイルを示す図である。
【図４】図４は、光源から出射される光の波長λが６８０ｎｍである場合における光プロファイルを示す図である。
【図５】図５は、光源から出射される光の波長λを広範囲測定時と高分解能測定時との間で切り替える場合につき説明するための図である。
【図６】図６は、出射開口Ｄの直径ｔに対する光プロファイルの関係を示す図である。
【図７】図７は、出射開口を設けない構成とした光プローブにつき説明するための図である。
【図８】図８は、本発明を適用した光検出装置の他の構成につき説明するための図である。
【図９】図９は、本発明を適用した光検出装置に配設される光プローブの他の構成につき説明するための図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】  以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明は、例えば図１に示すような光検出装置１に適用される。この光検出装置１は、例えば試料の微小領域における物性を測定する近接場光学顕微鏡等に適用され、光を出射する光源１１と、光源１１から出射された光の光路中に配された偏光ビームスプリッタ１２と、偏光ビームスプリッタ１２を透過した光の光路中に配された１／４波長板１８と、１／４波長板１８を通過した光を集光して試料２における被測定面２ａへ照射する光プローブ１３と、被測定面２ａからの戻り光を検出する光検出器１４とを備えている。
光源１１は、図示しない電源装置を介して受給した駆動電源に基づき光を発振し、後述する各測定モードに応じて出射する光の波長を切り替えることができる光波長変換部１７が接続されている。
偏光ビームスプリッタ１２は、光源１１から出射された光を透過させて、被測定面２ａへ導くとともに、被測定面２ａからの戻り光を反射させて光検出器１４へ導く。この偏光ビームスプリッタ１２を透過した光は、１／４波長板１８へ入射される。
ちなみに、この偏光ビームスプリッタ１２の代替として、通常のビームスプリッタを用いてもよい。
１／４波長板１８は、通過する光にπ／２の位相差を与えるものである。光源１１から出射された直線偏光の光は、１／４波長板１８を通過して円偏光となり、そのまま光プローブのコア３１へ入射される。また被測定面２ａを反射して戻ってくる円偏光の光は、この１／４波長板１８を通過した場合に、光源から出射された光の偏光方向と異なる直線偏光となるため、上述した偏光ビームスプリッタ１２を反射することになる。
光プローブ１３は、光導波部２１と、突出部２２とを備えている。光導波部２１は、コア３１の周囲にクラッド３２が設けられた光ファイバより構成される。コア３１及びクラッド３２は、それぞれＳｉＯ２系ガラスからなり、Ｆ、ＧｅＯ２、Ｂ２Ｏ３等を添加することにより、コア３１よりもクラッド３２の屈折率が低くなるように組織制御されている。
突出部２２は、光導波部２１の一端においてクラッドから突出させたコア２０ａより構成されている。この突出させたコア２０ａは、図１に示すように先端部１３に至るまで徐々に先細になるような勾配が設けられて構成される。この突出させたコア２０ａの中心部には出射開口Ｄが設けられている。出射開口Ｄの直径ｔは、伝搬モード、透過屈折率、さらには光効率に基づいて決定される。
また、この光プローブ１３は、コア３１を伝搬する光（以下、伝搬光という）を出射開口Ｄを介して出射する。この出射された伝搬光は、距離ｈが、光源から出射される光の波長λ／４より大きい場合において、被測定面２ａ上に照射されることになる。この伝搬光を利用して被測定面２ａを測定する場合につき、以下、広範囲測定という。
また光プローブ１３において、出射開口Ｄの端面からエバネッセント波としての近接場光が滲み出す。この滲み出した近接場光は、出射開口Ｄと被測定面２ａの距離ｈが、光源から出射される光の波長λ／４以下にある場合において、この被測定面２ａ上に照射されることになる。この近接場光を利用して被測定面２ａを測定する場合につき、以下、高分解能測定という。
なお、この広範囲測定と高分解能測定の分類については、上述のモード間干渉型の光の波長に対する距離ｈの関係に基づき分類する場合に限定されるものではなく、例えば出射開口Ｄに対する距離ｈの関係に基づき分類してもよい。このとき、距離ｈが出射開口Ｄ以内である場合に高分解能測定とし、また距離ｈが出射開口Ｄより大きい場合に広範囲測定としてもよい。
ちなみに光プローブ１３を構成する光ファイバの表面には、突出させたコア２０ａの中心部に光出射開口Ｄが設けられるように、遮光性被覆層３３が形成されている。この遮光性被覆層３３は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ等の遮光性材料からなる薄膜より構成され、外気との接触による酸化促進を抑えるべく、化学的安定性を有するＡｕを特に用いるようにしてもよい。
なお、この光プローブ１３は、さらにプローブ制御部１５に装着されている。このプローブ制御部１５は、例えば２軸アクチュエータ等により構成され、光プローブ１３を被測定面２ａに対して近接離間する方向に移動させ、或いは水平方向に走査させる。なお、このプローブ制御部１５は、光プローブ１３を被測定面２ａに対して近接離間する方向に移動させる代わりに、被測定面２ａを光プローブ１３に対して近接離間する方向へ移動させてもよい。
光検出器１４は、被測定面２ａからの戻り光を受光して光電変換することにより、輝度信号を生成する。この光検出器１４により生成された輝度信号を基に作成した画像は、図示しないディスプレイ上に表示される。ユーザは、図示しないディスプレイ上に表示される画像に基づき、被測定面２ａの詳細を測定，観察することができる。
このような構成からなる光検出装置１において、光源１１から出射された直線偏光成分を有する波長λの光は、偏光ビームスプリッタ１２を透過し、１／４波長板１８により偏光成分を制御された上で、光プローブ１３へ入射される。光プローブ１３に入射された光は、そのままコア３１内を伝搬する。
プローブ制御部１５は、高分解能測定時において、例えば図２（ａ）に示すように、上記距離ｈが波長λ／４以下となる領域（以下、近接場領域という）に光プローブ１３を近接方向に移動させる。その結果、出射開口Ｄの端面から滲み出した近接場光は、被測定面２ａ上に照射され、近接場光による微小なスポットが形成されることになる。
一方、プローブ制御部１５は、広範囲測定時において、例えば図２（ｂ）に示すように、上記距離ｈが波長λ／４より大きくなるように光プローブ１３を離間方向に移動させる。これによりコア内を伝搬する伝搬光がそのまま出射されて被測定面２ａ上へ照射され、伝搬光による大きなスポットが形成されることになる。
ちなみに、この被測定面２ａを反射した伝搬光又は近接場光はそれぞれ出射開口Ｄを介して再び光プローブ１３へ入射し、コア３１内を伝搬する。そしてこのコア３１を出射した伝搬光又は近接場光は、偏光ビームスプリッタ１２により反射されて光検出器１４へ導かれる。光検出器１４へ導かれた伝搬光又は近接場光は、ユーザによる測定を実現すべく、それぞれ輝度信号に変換されることになる。
ユーザは被測定面２ａ上に形成された伝搬光によるスポットに基づく画像、或いは近接場光によるスポットに基づく画像を図示しないディスプレイを介して視認することが可能となる。
すなわち、本発明を適用した光検出装置１では、装着された一つの光プローブ１３を被測定面２ａに対して近接離間する方向に移動させることにより、伝搬光によるスポット又は近接場によるスポットを選択的に切り替えて被測定面２ａ上に形成させることができるため、一つの光プローブ１３により、伝搬光を利用した広範囲測定と、近接場光を利用した高分解能測定の双方を実現することができる。
これにより、近接場光を利用した光分解能測定を実現し得る測定システムに、広範囲測定のみに使用する光プローブを別途配設する必要がなくなり、装置規模の小型化を図ることが可能になり、ひいては製造コストを大幅に削減することが可能となる。また広範囲測定から高分解能測定へ測定モードを切り替える際に、利用する光プローブを付け替える必要がなくなり、ユーザの過大な労力を解消することができる。
なお、この光検出装置１では、先ず光プローブ１３を被測定面２ａに対して離間方向に移動させて、伝搬光を被測定面２ａ上へ照射することにより、広範囲測定を実行し、次に光プローブ１３を被測定面２ａに近接させて近接場光を照射することにより、高分解能測定を実行するようにしてもよい。
これにより、先ず広範囲測定時において試料表面を広範囲に亘りスキャンすることにより通常の光学顕微鏡と同様の原理で全体観察し、次に、より詳細な物性測定を望む微小領域を特定した上で、当該領域へ光プローブ１３を水平方向へ走査させて位置合わせを行い、上述の如き近接場光を利用した高分解能測定を実行することが可能となる。
特にこの広範囲測定において、伝搬光による物性測定を行う場合、光プローブ１３の被測定面２ａに対する高さを一定にすることができるため、かかる測定中において近接離間方向への制御が不要となる結果、より高速な測定が可能となり、さらには近接離間への制御帯域の観点において制約を少なくすることができるという利点がある。また、近接場光を用いる高分解能測定と比較して、一点あたりの測定範囲が広く、低分解能となるため、同じ測定点数において広範囲の測定を実現することができる。
また、特に装着された一つの光プローブ１３により、伝搬光と近接場光の２種類のスポットを被測定面２ａ上に形成可能な光検出装置１では、光プローブの付け替えを省略することができるため、広範囲測定時において微小領域に対して既に合わせ込んだ光プローブ１３の位置が、高分解能測定時においてずれることがなくなる。
特にこの被測定面２ａ上に形成される２種類のスポットの大きさが互いに異なることを利用して、狭い視野の高分解能測定像と広い視野の広範囲測定像を光プローブを付け替えることなく取得することができる。
なお、本発明を適用した光検出装置１では、出射開口Ｄからの距離ｄに応じた光プロファイルが各波長で異なることを利用し、さらに光源１１から出射される光の波長を制御することにより各種測定を実行するようにしてもよい。
図３は、光源１１から出射される光の波長λが８３０ｎｍである場合における光プロファイルを示している。この図３に示すように、出射開口Ｄからの距離ｄ（＝７５０ｎｍ）における光プロファイルは、近接場領域における光プロファイルと比較してなだらかになっている。また、出射開口Ｄからの距離ｄ（＝７５０ｎｍ）における光のスポット径は、近接場領域における光のスポット径と比較して１．５倍に拡大している。
図４は、光源１１から出射される光の波長λが６８０ｎｍである場合における光プロファイルを示している。この図４に示すように、近接場領域における光プロファイルは、ツインピークとなっているのに対し、出射開口Ｄからの距離ｄが増加するに従ってシングルピークへと変化する。
上述のように光プロファイルが変化する理由としては、遮光性被覆層３３として適用するＡｕ、Ａｇ、Ａｌ等の遮光性材料の透過率が波長毎に異なることや、光プローブ１３におけるコア３１内部においてモード間干渉が発生していること等が挙げられる。
すなわち、本発明を適用した光検出装置１では、上述した光プロファイルの各波長間における差異を利用し、図５に示すように、光源１１から出射される光の波長λを光波長変換部１７により広範囲測定時と高分解能測定時との間で切り替える。例えば、この図５に示すように、高分解能測定時において光源１１から出射する光の波長を８３０ｎｍとすることにより、近接場領域において中央部分が先鋭化された光プロファイルが形成されることになり、出射開口Ｄから近接場光を効率よく滲出させることができる。
また、広範囲測定時において光源１１から出射する光の波長を６８０ｎｍとすることにより、距離ｄ（＝６００ｎｍ）においてスポット径の大きいシングルピークの光プロファイルが形成されることになる。これにより広範囲測定時において、コア３１内を伝搬する伝搬光を効率よく被測定面２ａへ照射させることができる。
すなわち、本発明を適用した光検出装置１では、形成される光プロファイルの波長依存性を利用して、各種測定を実行することができる。これにより、装着された一つの光プローブ１３におけるコア３１内に伝搬させる光の波長を制御することにより、近接場光によるスポット、又は伝搬光によるスポットを被測定面２ａ上に効率よく形成させることができ、伝搬光を利用した広範囲測定と、近接場光を利用した高分解能測定の双方を一つの光プローブ１３により効率よく実現することができる。
また、この光検出装置１では、光プローブ１３における出射開口Ｄの直径ｈを必要に応じて調整するようにしてもよい。
図６は、出射開口Ｄの直径ｔに対する光プロファイルの関係を示している。この図６に示すように、出射開口Ｄの直径ｔを２．０μｍとした場合における光プロファイルは、検出位置０μｍを中心としたピークを有することになる。また出射開口Ｄの直径ｔを１．４μｍとした場合には、検出位置０μｍを挟んで二つのピークが形成されるが、光強度の最大値は、直径ｔが２．０μｍの場合と比較して大きくなっている。
また、出射開口Ｄの直径ｔを１．０μｍとした場合には、検出位置０μｍに位置するピークと、検出位置±０．５μｍに位置するピークとを有する光プロファイルとなる。この光プロファイルによれば、検出位置０μｍに位置するピークの光強度の最大値に対して、検出位置±０．５μｍに位置するピークの光強度の最大値は小さくなっている。なお、検出位置０μｍに位置するピークの半値幅は、１５０ｎｍ程度となる。ちなみに、出射開口Ｄの直径ｔが５５０ｎｍであるときには、光出射開口Ｄの直径ｔが１．０μｍである場合よりも弱いピークのみ有するプロファイルとなる。
この図６に示す光プロファイルの関係に基づき、光検出装置１に適用する光プローブ１３の出射開口Ｄにつき、直径ｔを最適化して構成することができる。また、光プロファイルにおける出射開口Ｄに対する依存性を考慮しつつ、コア３１内に伝搬させる光の波長を制御することにより、広範囲測定時において伝搬光によるスポットを、また高分解能測定時において近接場光によるスポットを被測定面２ａ上に形成させることができる。
特に光検出装置１に適用する光プローブ１３では、０．９μｍ以上の直径ｔからなる出射開口を設けることも可能である。これにより、被測定面２ａを反射する戻り光の多くが出射開口Ｄへ入射されることになり、特に距離ｈが長くなる広範囲測定時において光検出器１４における受光光量の低下を抑えることができ、光電変換して得られる輝度信号のＳ／Ｎ比を改善することができる。
なお、本発明を適用した光検出装置１では、あくまでの突出させたコア２０ａの中心部には出射開口Ｄが設けられている光プローブ１３を配設する場合を例にとり説明をしたが、かかる場合に限定されるものではない。例えば図７に示すように、突出させたコア２０ａ全面に遮光性被覆層３３ａを形成することにより出射開口を設けない構成とした光プローブ４３を配設するようにしてもよい。かかる構成において、コア３１を伝搬する光は、遮光性被覆層３３ａを透過することにより被測定面２ａ側に出射し、また被測定面２ａから入射された光は、遮光性被覆層３３ａを透過してコア３１へ導かれることになる。
このように出射開口を設けない構成とした光プローブ４３においても、プローブ表面に形成した遮光性被覆層３３ａと入射光が共鳴し、表面プラズモンが発生する。この表面プラズモンによってプローブ先端に近接場光を発生するので、高分解能測定が可能となる。また、被測定面２ａ上に発生させた近接場光やエバネッセント光をプローブ４３によって検出して測定を行うようにしてもよい。
このとき、光源から出射する光の波長として、遮光性被覆膜３３ａの材質に対して透過性の高い波長、又は透過性の低い波長の何れかを測定対象に応じて選択するようにしてもよい。これにより、光利用効率の向上を図ることが可能となる。なお、かかる場合における広範囲測定と高分解能測定の分類については、プローブと試料の距離ｈとすると、開口を有するプローブを使用する場合には、ｈが開口径以上の距離では広範囲測定、それ以下の場合では高分解能測定と分類してもよい。また、図７で示したような開口を設けない構成のプローブであれば距離ｈ≧コア先端２０ａの曲率半径、である場合に広範囲測定とし、また距離ｈ＜コア先端２０ａの曲率半径、である場合に高分解能測定としてもよい。
また、上述した光プローブ１３，４３の形状、遮光性被覆層３３の材質はいかなるものであってもよい。すなわち、被測定面２ａ上に形成させるスポットの形状や大きさに応じて、配設する光プローブ１３，４３の形状、材質を、上述した波長との関係において決定するようにしてもよい。
また、本発明を適用した光検出装置１は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、例えば図８に示すような光検出装置８に適用してもよい。この光検出装置８において、光検出装置１と同一の構成要素、部材に関しては、同一の番号を付して説明を省略する。
この光検出装置８は、光を出射する光源１１と、光源１１から出射された光のスポット径を制御する光結合光学系５３と、入射される光を分岐するファイバカプラー５１と、ファイバカプラー５１からの光を集光して試料２における被測定面２ａへ照射する光プローブ１３と、光プローブ１３に対して試料２を近接離間する方向へ移動させるＺ軸ステージ９と、被測定面２ａからの戻り光を検出する光検出器１４と、ファイバカプラーにより分岐された光をモニタリングするためのモニタ用パワーメータ５２とを備えている。
ファイバカプラー５１は、光源から出射された光を、光プローブ１３と、モニタ用パワーメータ５２とに分岐させるための機器であり、例えば両者に対して５０％：５０％に分岐する２対２のファイバカプラーを用いた場合、光路ｐから入射された光は、光路ｒ、ｓから各々５０％ずつ出射されることになる。光路ｓから出射される光の強度をモニタ用パワーメータ５２より検出し、検出した光の強度を基準として、光源１１と、ファイバカプラー５１における光路ｐに対する端面との距離を調整することにより、導光効率を調整することができる。また、光プローブ１３から出射される近接場光の強度を調整、推定することも可能となる。
上述した調整を完了させた後、光検出装置１と同様に光プローブ１３を用いて、滲出させた近接場光によるスポットを被測定面２ａ上に形成させる。また被測定面２ａから光プローブ１３への戻り光は、ファイバカプラー５１を通過する際において、その強度が５０％：５０％となるように分割され、一部は光検出器１４により検出されることになる。これにより、光検出装置１と同様の測定が実現されることになる。
ちなみに、この光検出装置８では、ファンクションジェネレータ（ＦＧ）５８を用いて光源１１に周波数変調をかけ，ロックインアンプ（ＬＩＡ）５９を用いてその周波数成分のみを検出することにより、外乱光を除去するようにしてもよいことは勿論である。
また、本発明を適用した光検出装置１に配設される光ブローブは上述した実施の形態に限定されるものではなく、例えば図９に示すように、プローブ先端を２段テーパ形状にした光プローブ９３に代替してもよい。この光プローブ９３において上述した光プローブ１３と同一の構成要素、部材については、同一の番号を付すことにより、ここでの説明を省略する。
光プローブ９３は、コア３１の周囲にクラッド３２が設けられた光ファイバにより構成され、コア３１は、２段テーパとなるように仕上げられ、かかるコア３１並びにクラッド３２は、遮光性被覆膜３３により被覆されてなる。
ここでコア３１内を伝搬する伝搬光につき、遮光性被覆膜３３を透過可能な波長とした場合には、図９中１段目のテーパを透過して外部から出射した伝搬光が被測定面２ａ上にスポットを結び、広範囲測定が可能となる。これに対して、かかる伝搬光につき、遮光性被覆膜３３を透過不能な波長とした場合には、１段目のテーパによって伝搬光が２段目のテーパに集まり、近接場光が発生することとなる。このため、近接場光の発生効率を高めることができるとともに、より高分解能な測定が可能となる。
なお、この光プローブ９３のテーパは、近接場光の発生効率をより向上させるべく、また、先鋭化させることによりシアフォース分解能を高めるべく、３段以上の多段テーパ形状にしてもよいことは勿論である。
以上詳細に説明したように、本発明を適用した光検出装置及び方法は、出射開口が設けられるように遮光性被覆層が形成されてなる光ファイバプローブ、或いは、上記コア先端を遮光性被覆層で被覆した光ファイバプローブのコアに出射された光を伝搬させ、被測定面に対して光ファイバプローブを近接離間する方向へ移動させることにより、或いは上記被測定面を上記光ファイバプローブに対して近接離間する方向へ移動させることにより、コアを伝搬した伝搬光或いは出射開口から滲出した近接場光の何れかに基づくスポットを被測定面上に形成させ、当該スポットに基づく戻り光を検出する。
これにより、装着された一つの光プローブにより、通常の伝搬光を利用した測定と、近接場光を利用した測定を選択的に切り替えて実現することができる。このため、近接場光を利用した光分解能測定を実現し得る測定システムに、広範囲測定のみに使用する光プローブを別途配設する必要がなくなり、装置規模の小型化を図ることが可能になり、ひいては製造コストを大幅に削減することが可能となる。また広範囲測定から高分解能測定へ測定モードを切り替える際に、利用する光プローブを付け替える必要がなくなり、ユーザの過大な労力を解消することができる。
なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施例に限定されるものではなく、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な変更、置換又はその同等のものを行うことができることは当業者にとって明らかである。
【産業上の利用可能性】
【０００６】  以上詳細に説明したように、本発明を適用した光検出装置及び方法では、光ファイバプローブの先端を被測定面へ対向させ、光ファイバプローブからの光によるスポットを被測定面上に形成されるとともに、被測定面からの光を光ファイバプローブにより検出する光検出方法において、光ファイバプローブのコアを伝搬した伝搬光を利用した広範囲測定モードと、光ファイバプローブのコアを滲出した近接場光を利用した高分解能測定モードとを有する。
これにより、装着された一つの光プローブにより、通常の伝搬光を利用した測定と、近接場光を利用した測定を選択的に切り替えて実現することができる。このため、近接場光を利用した光分解能測定を実現し得る測定システムに、広範囲測定のみに使用する光プローブを別途配設する必要がなくなり、装置規模の小型化を図ることが可能になり、ひいては製造コストを大幅に削減することが可能となる。また広範囲測定から高分解能測定へ測定モードを切り替える際に、利用する光プローブを付け替える必要がなくなり、ユーザの過大な労力を解消することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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