(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブから対象物に光を照射する光プローブを用いた走査型近接場顕微鏡であって、
前記対象物からの反射光の導波方向を規制する光導波路を別体として複数設けた光集光系と、
前記光導波路の、対象物と相対する側とは反対側に、それぞれ光検出器が設けた光検出系と、から構成され、
前記光集光系および光検出系が、前記光プローブの変位検出を阻害しないように配置されたことを特徴とする走査型近接場顕微鏡。
【請求項２】
前記各光検出器が検出した光シグナルの複数又は全部を積算する請求項１に記載の走査型近接場顕微鏡。
【請求項３】
前記各光検出器が検出した光シグナルの複数又は全部を記憶・演算処理するシグナルの中から情報を分離する請求項１または２に記載の走査型近接場顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は被測定物表面を光照射もしくは光励起することにより、固体表面のナノメートル領域における形状観察や光物性測定を行うことを目的とする走査型近接場顕微鏡に使用する光集光系と走査型近接場顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
対物レンズもしくはカセグレンタイプの対物レンズなど、レンズ光学系を用い大きな立体角で光を検出する走査型近接場顕微鏡がある。走査型近接場顕微鏡は光プローブを対象物表面で走査させることで画像を形成する方法で、光学分解能は光の輝点のサイズで決まるため、小さく微弱な点光源の光を検出するため、大きな立体角で光を集められる手法を用い効率を上げているのである。また対物レンズの置く方向を変えて角度に依存した光学像を得るという事も可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし従来の光検出法と走査型光プローブ顕微鏡では光学像をとりあえず高分解能で観察することはできても、その光学像が包含する情報を十分理解することは困難である。すなわち簡単のために光学顕微鏡を例にすると、光学顕微鏡で得られる像には対象物の凹凸が明暗となって像となるものもあれば、対象物の材質が違うので明暗となって像となるもの、対象物に蛍光物質があるための検出光をフィルターを通すことにより明暗となって像となるものなど、光の明暗の原因となるものがあればそれらが混在していても分離されることなく、なんらかの形を成した像として現れる。蛍光顕微鏡の世界ではこれらを分離するため、もしくは際立たせるために、微分干渉法・蛍光法など開発されている。同じ光を画像化する走査型光プローブ顕微鏡においてもこういった事情は同じ事で、対象物を観察する結果、その起因が何であるのか知ることは重要で、シグナルから情報を分離する手法を開発する必要がある。
【０００４】
ナノメートルの分解能で微小領域を観察する走査型近接場顕微鏡では、これらに加え、対象物表面の形状が光像に影響を及ぼすためより問題は複雑である。また対物レンズの置く方向を変えて角度に依存した光学像を得るという事も可能ではあるが、複数回同じ操作を行って角度に依存した光学像を得る方法では走査位置の再現性の問題、対象物の変化の問題などがあり、同時に観察する必要がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の多方位同時検出光集光器によれば、対象物を複数個の光導波路もしくは検出器で同時に光を検出するので走査位置の再現性の問題、対象物の変化の問題は解消される。透過側、反射側どちらにも設置でき、また得られた個々のシグナルを積算することで従来の光学系を用いた光検出法としても利用できるし、それぞれのシグナル同士を演算処理して画像化する事で対象物の表面形状、材質の違いなどに由来する情報を分離し対象物の真の物性を観察する事ができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［実施の形態１］
図１（Ａ）は本発明の実施の形態１にかかわる多方位同時検出光集光器をななめ上から見た図を示したものである。ドーム１の中心に向かうように導波路穴２があけられている。導波路穴２には端面を平らに壁開させた光ファイバーを差し込む。光ファイバーの反対の末端側にはそれぞれ光検出器が光学的に接続されている。取り付け冶具３により走査型近接場顕微鏡筐体に固定しドームの中心に光プローブが来るようにセッティングする。光プローブは光てこ法ではなく、水晶振動子を用いた自己検出法で対象物との距離を制御する。この方法は光てこ法と異なり、光プローブに検出用レーザーを集光するなどの操作が必要ないので取り扱いが簡便である。このモデルでは導波路穴２が１３個もうけられており同時に１３方向から光を検出でき、それぞれ画像化できる。これら同時検出した光シグナルを積算させる事により、大きな立体角の光シグナルを取得した事になり、微弱な光信号の検出感度を上げるために使用する事も可能である。この方法は従来のレンズ光学系を用いた光集光器より効率が良くコンパクトな構成となる。
【０００７】
図１（Ｂ）は多方位同時検出光集光器をななめ下から見た図である。ドーム内側４は半径４ｍｍで、図に見られる１／４球面の中に直径２ｍｍの光ファイバー端面１３個配列している。
このことにより従来のものと異なり角度の異なる光学像が同時に観察できる。光ファイバーの反対側の末端にはそれぞれ分光器を光学的に接続し光検出すれば、角度に依存したスペクトルを同時に測定することも可能である。また多方位同時検出光集光器を試料上面におけば、不透明な対象物の反射光学系における角度依存性の光像が観察できる。
［実施の形態２］
図２（Ａ）は本発明の実施の形態２にかかわる多方位同時検出光集光器をななめ上から見た図を示したものである。図１同様、ドーム１の中心に向かうように導波路穴２があけられているが、輝点に対して水平に近い角度のみ導波路穴２がある。その他の構成は基本的に図１と同じでドーム１の上方を切り取った形状をしている。作用として図１と異なる点は光プローブの対象物との距離制御に光てこ方式を用いる事もできる点である。光てこ方式を用いる事で溶液中の対象物観察が可能となる。また光プローブを対象物に対して接触させたまま走査させるコンタクトモード方式で光プローブの対象物との距離制御する事が可能となり、複数の光像と同時に対象物表面の摩擦情報などを観察する事が可能となる。また多方位同時検出光集光器を対象物の上側（反射側）に設置して光像を観察した場合には、光プローブ自身の影により、輝点に対して垂直に近い角度には光が来ないことがわかっているので、垂直に近い角度を設けず、光てこ方式を採用するメリットを優先したものである。もちろん水晶振動子を用いた自己検出法をもちいても構わない。
図２（Ｂ）は多方位同時検出光集光器をななめ下から見た図である。ドーム内側４は半径５ｍｍで、導波路穴２には端面を平らに壁開させた光ファイバーが差し込まれる。直径１ｍｍの光ファイバー端面が２段にアレイ状に２６個配列している。このことにより従来のものと異なり角度の異なる光学像が同時に観察できる。光ファイバーの反対側の末端に、それぞれ分光器を光学的に接続し光検出すれば角度に依存したスペクトルの同時測定を行うことも可能である。
［実施の形態３］
図３は本発明の実施の形態３にかかわる多方位同時検出光集光器１４を搭載した走査型近接場顕微鏡の構成図を示している。図２の実施の形態２に示したドームの上部分を切り取った多方位同時検出光集光器を反射光学系として用いたものである。鈎状の光プローブ５を振動手段であるバイモルフ６に設置し、鈎状の光プローブ５の先端を対象物７に対して垂直に振動させ、光プローブ５の先端と対象物７の表面の間に作用する原子間力あるいはその他の相互作用に関わる力を光プローブ５の振動特性の変化として変位検出手段８で検出し、鈎状の光プローブ５の先端と対象物７の表面の間隔を一定に保つようにコントローラー９で制御しながら、ＸＹＺ移動機構１０により対象物７を走査して表面形状を測定する構成である。鈎状の光プローブ５に外部のレーザー１３から光を導くことにより開口１１から対象物７に光を照射することができる。多方位同時検出光集光器１４には光ファイバー１５が差し込まれていて、対象物７に作用した光を光学特性測定光検出手段１２まで導き検出することによって同時に微小領域の光学特性の測定を行うことができる。図中には光ファイバー１５を２本しか描いていないが実際には２６本あり、異なる角度・方位から検出されたシグナルはコントローラー９で演算処理する事で対象物７の表面凹凸に依存した情報、材質に依存した情報等を分離する事ができる。
図３は試料７の反射面で測定光を検出する反射型の構成を示したが、透過側で測定光を検出する透過型の構成も可能である。また、通常、変位検出手段８としては光てこを用いられるが、圧電体を有する光プローブを用いることで変位検出手段８は不要となる。
【０００８】
また、図３は鈎状の光プローブ５を振動させる装置構成を示したが、バイモルフ６を振動させないか、バイモルフ６を使用しない装置構成とし、コンタクトモードのＡＦＭとして測定を行うことも可能である。振動させない方式では得る事ができない摩擦情報も観察する事が可能である。
さらに、これらの装置にプローブと試料が液体中に保持されるように液だめの覆いを設けることで液中における測定を行うことができる。
【０００９】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
多方位同時検出光集光器を走査型近接場顕微鏡に使用する事で、光プローブから出射される光と対象物表面が作用した結果生じる光を、任意の立体角から同時に検出する事ができる。得られた光シグナルを積算して用いる事は、微弱な光を検出する効率として考えると、従来のレンズ系を用いた集光系より向上することになる。また調整が容易でコンパクトな設計となる。得られた光シグナルを別々に画像化すると、多方向からの同時光イメージングを行うことができる。またそれぞれのシグナルを演算処理する事によってイメージングを行うと、シグナルの中に包含された表面凹凸情報、表面材料情報などに依存しない光像を分離して表示することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかわる多方位同時検出光集光器を示した図である。
【図２】  本発明の実施の形態２にかかわる多方位同時検出光集光器を示した図である。
【図３】本発明の実施の形態３にかかわる多方位同時検出光集光器を搭載した走査型プローブ顕微鏡を示した構成図である。
【符号の説明】
１・・・ドーム
２・・・導波路穴
３・・・取り付け冶具
４・・・ドーム内側
５・・・鈎状の光プローブ
６・・・バイモルフ
７・・・対象物
８・・・変位検出手段
９・・・コントローラー
１０・・・ＸＹＺ移動機構
１１・・・開口
１２・・・光学特性測定光検出手段
１３・・・レーザー
１４・・・多方位同時検出光集光器
１５・・・光ファイバー
【図１】
0003905229.tif 000002
【図２】
0003905229.tif 000003
【図３】
0003905229.tif 000004