(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料との相互作用による散乱光を検出する近接場光学顕微鏡装置において、
前記散乱光を検出する光検出装置を複数備え、前記複数の光検出装置における少なくとも一組の光検出装置が、前記試料に対し略等距離に配列され、該一組の光検出装置の差分信号に基づいて、前記試料の特性を解析するようにしたことを特徴とする近接場光学顕微鏡装置。
【請求項２】
前記複数の光検出装置における少なくとも一組の光検出装置が、前記試料に対し求心状に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の近接場光学顕微鏡装置。
【請求項３】
前記複数の光検出装置における少なくとも一組の光検出装置が、前記試料に対し対向位置に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の近接場光学顕微鏡装置。
【請求項４】
前記試料の特性は、該試料の形状、構造、材質に関するものであることを特徴とする請求項１に記載の近接場光学顕微鏡装置。
【請求項５】
前記複数の光検出装置からの出力を演算する処理装置を有することを特徴とする請求項１に記載の近接場光学顕微鏡装置。
【請求項６】
前記処理装置の出力を記憶する記憶装置を有することを特徴とする請求項５に記載の近接場光学顕微鏡装置。
【請求項７】
前記記憶装置は、前記処理装置の出力を２次元的に配列する機能を有することを特徴とする請求項６に記載の近接場光学顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は近接場光学を利用した近接場光学顕微鏡装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近接場光学顕微鏡のプローブは、主に光ファイバーの先端を先鋭化し金属膜を蒸着等により付加し、先端に微小開口を設けたプローブで構成されている。
この光ファイバープローブに照明光を導波させ、先端微小開口にエバネセント波を発生させ、エバネセント波と試料を近接させると、試料との相互作用によりエバネセント波が散乱光に変換される。この散乱光の強度を検出することにより、試料の微小な形状や構造、微小領域の材質分布を検出することができる。
【０００３】
最もシンプルな系は、照明光用の光ファイバープローブと散乱光の検出用の光ファイバープローブを兼用する系である。微小開口で拾った散乱光を光ファイバープローブで導波させ、ハーフミラーにより入射照明光と分離して散乱光強度を検出することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、微小開口を介した照明と散乱光検出であるため、変換効率、結合効率が低く、微弱光検出となり、ＳＮ比（以下、ＳＮＲと記す）が非常に悪いことが知られている。
そのため、試料を全反射プリズムの全反射面上に置き、全反射面のエバネセント波と試料の相互作用による散乱光を、光ファイバープローブで拾う方式も提案されており、全反射プリズムの照明光の強度を高くすることで、散乱光の強度を高くできるという検討もなされている。
ところが、この方式の場合は、全反射プリズム上に配置できる試料のみに適用可能で、形状や材質に対しその適用範囲は非常に限られたものとなってしまうという点に問題がある。
また、上記の従来の方式では、試料の形状や構造と、材質の違いを区別することができないため、例えば微小な凹凸と、平面だが微小な材質の違いがある場合に同じ出力が得られその同定が不可能であった。
このように、上記従来例では、微弱光検出のためＳＮＲが悪く、計測できる条件、対象が限られ、また、試料の形状や構造と、材質の区別がつかないため、測定できる対象がさらに限定されるという点に問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、上記従来例のものにおける課題を解決し、解析できる試料の対象が限定されることがなく、安価で、ＳＮＲの良い高性能の近接場光学顕微鏡装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するため、近接場光学顕微鏡装置をつぎのように構成したことを特徴とするものである。
すなわち、本発明の近接場光学顕微鏡装置は、試料との相互作用による散乱光を検出する近接場光学顕微鏡装置において、
前記散乱光を検出する光検出装置を複数備え、前記複数の光検出装置における少なくとも一組の光検出装置が、前記試料に対し略等距離に配列され、該一組の光検出装置の差分信号に基づいて、前記試料の特性を解析するようにしたことを特徴としている。
また、本発明の近接場光学顕微鏡装置は、前記複数の光検出装置における少なくとも一組の光検出装置が、前記試料に対し求心状に配列されていることを特徴としている。
また、本発明の近接場光学顕微鏡装置は、前記複数の光検出装置における少なくとも一組の光検出装置が、前記試料に対し対向位置に配列されていることを特徴としている。
また、本発明の近接場光学顕微鏡装置は、前記試料の特性は、該試料の形状、構造、材質に関するものであることを特徴としている。
また、本発明の近接場光学顕微鏡装置は、前記複数の光検出装置からの出力を演算する処理装置を有することを特徴としている。
また、本発明の近接場光学顕微鏡装置は、前記処理装置の出力を記憶する記憶装置を有することを特徴としている。
また、本発明の近接場光学顕微鏡装置は、前記記憶装置は、前記処理装置の出力を２次元的に配列する機能を有することを特徴としている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、上記したように、複数の光検出装置によって試料特性のうちの特定のものにおける位相のずれを検出し、それを処理装置により演算し、あるいは記憶装置に記憶させることによって、試料の特性を解析することができるから、様々な試料の特性と解析対象に最適化した検出が可能となり、解析できる試料の対象が限定されることがなく、安価で、ＳＮＲの良い高性能の近接場光学顕微鏡装置を実現することができる。
【０００８】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
本発明の実施例１における光検出系を図１に基づいて説明する。
図１は２つの検出装置を配置した場合の模式図である。
同図において、１は光ヘッド、２は光ファイバープローブ、３、５は光検出用センサレンズ、４、６は光検出器、７はレーザー、８はコリメータレンズ、９は照明光、１０は試料、１１は処理装置、１２は記憶装置、１３は画像モニターである。
レーザー７からの光はコリメータレンズ８により、光ファイバープローブにカップリングされ照明光９として内部を導波し、一部がファイバープローブ先端の微小開口からエバネセント波に変換される。
本実施例では光ファイバープローブは試料面（ＸＹ面）にほぼ垂直に設定されている。
エバネセント波は試料１０と近接場領域で相互作用し、一部が散乱光に変換される。その散乱光はセンサレンズ３、５を介して、それぞれ光検出器４、６に入射し光電変換される。２つの光検出系はＺＸ面内でＺ軸に対しθ1、θ2の角度に設定され、距離もｌ1，ｌ2に設定されている。なお本実施例では、光検出器４、６に到達する散乱光の範囲は、センサレンズ３、５の瞳位置で規定されるため、光検出系の距離ｌ1，ｌ2は散乱光を拾うためファイバープローブ２の先端からセンサレンズの瞳位置である。光検出器４、６の出力は処理装置１１で差分がとられ、Ａ／Ｄ変換される。
処理装置１１は、不図示のＸＹＺエンコーダの出力により、光検出器４、６の差分信号をマッピングして記憶装置１２に記憶する。処理装置１１は、必要に応じて記憶装置１２からそれらのデータを読み出し、画像モニター１３に表示することができる。
【０００９】
本実施例では、２つの光検出系の角度、距離とも等しい対称位置に、θ1＝θ2、ｌ1＝ｌ2に設定している。
このような構成により、試料１０の形状・構造、材質の対称性をＳＮＲ良く検出することが実現する。
すなわち、試料１０の形状・構造、材質が略ＺＸ面内でＺ軸対称性を持っているとすると、プローブ２がその対称軸上にある場合は、対称位置にある２つの検出系の出力の差分信号は、形状・構造、材質要素の同相成分は取り除かれ、異相、逆相成分のみが差分検出される。すなわち信号内の余分なＤＣ成分も取り除かれ、ＡＣ成分が２倍の振幅で検出できる。
【００１０】
実際にはこの試料１０の対称性をリファレンスとして、そこからのズレ量が検出できると考えて良い。つまり、Ｘ方向に走査する中で、対称軸から離れた位置ではズレ量が大きく出力され、出力が小さい場合は対称軸の近傍にファイバープローブがあると判断できる。
このように構成することにより、従来では検出できなかった情報を得ることが可能となる。
さらに、形状・構造が対称で、材質に非対称成分があれば、その成分のみがそのまま出力として得られる。また逆に材質に非対称性が無く、形状・構造に非対称があれば、その非対称性のみが出力されるため、従来は微弱光で不要な成分の中に埋もれ区別ができなかった特性の解析が、本発明により可能になる。
このように本発明によれば、従来検出が難しかった信号を空間的な差分検出により良好にＳＮＲを取り出すことが可能となり、正確な試料の情報を得ることができ、また近接場光学顕微鏡装置の適用範囲を拡大することができる。
【００１１】
［実施例２］
図２は、本発明の実施例２の光検出系の構成を示すものである。
本実施例は実施例１に対し、２つの光検出系を対向位置ではなく、同じ側に隣接して配置して構成したものである。実施例１と同部番のものは説明を省略する。図２において距離ｌ1、角度θ1に配置されたセンサレンズ２１と光検出器２３からなる第１の光検出系の出力と、距離ｌ2、角度θ2に配置されたセンサレンズ２２と光検出器２４からなる第２の光検出系の出力の差分は、本実施例ではｌ1＝ｌ2で、（θ1−θ2）が微小であるので、ほぼ同じ散乱光を空間的微分、角度微分した出力となる。従って、試料１０の空間的、角度的分布の勾配を直接検出できるため、試料１０の形状・構造、材質の空間的、角度的微小分布をＳＮＲよく検出することが可能となる。
従って、形状・構造の微小分布による散乱光の勾配と、材質の微小領域の不均一性による散乱光の勾配との違いを検出する分解能が高くなるため、本発明により、それらを区別する解析能力が向上する。
実施例１に対し、本実施例では対称性のあると思われる試料１０よりは、微小な空間的、角度的分布をもつ試料の分析に適合している。
【００１２】
［実施例３］
図３は、本発明の実施例３の光検出系の構成の模式図である。
本実施例は前記実施例に対し、４つの光検出器を配置している。前記実施例と同部番のものは説明を省略する。
図３において、３１、３２、３３、３４は光検出器である。前記実施例のように各光検出器に各々センサレンズが付いてもよいが、センサレンズの瞳と同等の開口を持つ光検出器単体でも、本発明は成り立つ。部品数が減り調整箇所が減りコストダウンにつながるが、迷光やゴーストに弱い系となる。
光検出器３１と３２は実施例１と同様にＺＸ面内で対称な対向位置、距離ｌ1＝ｌ2、角度θ1＝θ2で配置されている。光検出器３３と３４はＹＺ面に対しαだけ傾いた面内で、ＺＸ面に対し対称な対向位置に配置され、距離はｌ3＝ｌ4＝ｌ1と光検出器３１、３２と同じであり、角度はθ3＝θ4で光検出器３３、３４とは異なる。各光検出系が求心状に配列されているのは、前記実施例と変わらない。
【００１３】
図４は、本実施例の光検出系をＸＹ平面に射影した構成の模式図である。
同図において、Ｘ方向に対称に配列された光検出器３１、３２の出力は、不図示の処理装置１１の中の差動アンプ４１により差分され、Ｘ方向のバランスの情報４４が出力される。また、Ｙ方向に配列された光検出器３３、３４の出力は、同じく差動アンプ４２で差分され出力４５を得る。ただし、光検出器３３、３４の配列はＺＸ平面に対して対称だが、ＹＺ平面に対しては同じＸ方向成分を持つため、その差動アンプ４２の出力は、単なるＹ方向のバランスではなく、斜めのバランスの情報４５となる。さらに出力４４と４５の差動をとった出力４６は、総合的な方向バランスの情報となるが、斜め成分を持つためバランス点をシフトしたことと等価になる。つまり、本実施例は、試料１０がＸ方向に方向性を持つことが予め予想される場合に、最適な配列と言える。
【００１４】
このように本実施例では、本発明が方向性を持つ試料にも最適化可能であることを示した。このことからわかるように、試料の方向性が複数の方向にある場合には、それに応じて検出系を増やし検出能力を高めた配置をとることが可能である。本発明により解析対象の範囲が増えることがよくわかる。
また、試料の方向性が形状・構造と材料にある場合のその区別も、前記施例に示した手法を適用することにより可能であることは言うまでもない。
【００１５】
以上の各実施例の説明では、光検出系の数が少ない実施例についてその構成と効果を明らかにしてきたが、本発明は本質的にこれらに限定を受けるものではない。
また、信号処理のプロセスが複雑になるが、距離ｌや角度θを対称位置から僅かにずらし、微分による検出成分を向上させることも可能で、解析したい試料の特性の予想される空間・角度勾配に最適化できるというのが本発明の特徴である。また、本発明によれば、単なる対称、対向位置に検出系を配置するだけでなく、その中間地点の検出系から得られる、位相のずれた情報から、試料の特性の方向性や方位、凹凸の方向までもが検出できることも明らかなことである。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数の光検出装置によって試料特性のうちの特定のものにおける位相のずれを検出し、それを処理装置により演算し、あるいは記憶装置に記憶させることによって、試料の特性を解析することができるから、様々な試料の特性と解析対象に最適化した検出が可能となり、解析できる試料の対象が限定されることがなく、安価で、ＳＮＲの良い高性能の近接場光学顕微鏡装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の光検出系の構成を示す模式図。
【図２】本発明の実施例２の光検出系の構成を示す模式図。
【図３】本発明の実施例３の光検出系の構成を示す模式図。
【図４】本発明の実施例３の光検出系をＸＹ平面に射影した構成の模式図。
【符号の説明】
１：光学ヘッド
２：光ファイバープローブ
３、５、２１、２２：センサレンズ
４、６、２３、２４、３１、３２、３３、３４：光検出器
７：レーザー
８：コリメータレンズ
９：照明光
１０：試料
１１：処理装置
１２：記憶装置
１３：画像モニター
４１、４２、４３：差動アンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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