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図面 (6)

課題

本発明の目的は、測定をより正確に行なえる近接場光学顕微鏡を提供することにある。

解決手段

試料の被測定面20に励起光24を、該被測定面20に対し斜め方向より照射する励起光照射手段12と、前記被測定面20の略真上に位置し、前記励起光照射手段12からの励起光24により該被測定面20に発生した近接場光26を散乱し、その散乱光集光するプローブ14と、前記プローブ14で採取された散乱光を分光し、分光スペクトル情報を得るスペクトル情報得手段16と、を備えたことを特徴とする近接場光学顕微鏡10。

概要

背景

近年、光分析において、一般的な光学顕微鏡あるいは電子顕微鏡に代えて、波長以下の空間分解能を実現することのできる近接場光学顕微鏡が、さまざまな分析に応用され始めている。この近接場光学顕微鏡は、いわゆるエバネッセント光を検出するものである。すなわち、微小試料平坦基板の上に置かれており、基板裏側から全反射が生じるような角度で光を入射させると、伝搬光はすべて反射するが、基板及び試料表面付近にはエバネッセント光と呼ばれる表面波が発生する。この表面波は物体表面の周りの光の波長以内の距離の領域に局在している。

そこで、先の鋭いプローブをエバネッセント光の場の中に差し込んでエバネッセント光の場を散乱させ、その散乱光強度を測定することにより、プローブ先端被測定試料面との距離を規定することができる。したがって、前記散乱光の強度が一定となるようにしつつ、プローブの走査を行うことにより、該プローブの先端位置は被測定試料面の凹凸を的確に反映するものとなる。

しかも、プローブ先端はエバネッセント光の場に存在するのみであり、試料そのものには接触していないため、試料に対し非接触、非破壊で、かつ光の波長の値より小さいものを観察できるものである。従来、このような近接場光学顕微鏡は、イルミネーションモード、前記コレクションモードイルミネーション−コレクションモード、散乱型等の各測定モードがある。前記イルミネーションモードは、励起光がプローブの内部に導入され、その先端部の尖鋭化された部分を被覆する金属に照射されると、エバネッセント光が発生し、該先端部の微小開口からしみ出したエバネッセント光を試料に照射し、試料による散乱光や発光集光し、検出している。

前記コレクションモードは、試料に直接励起光を照射し、被測定試料面に発生するエバネッセント光の場にプローブを進入させることでエバネッセント光を散乱させ、その散乱光や発光を集光し、検出している。前記イルミネーション−コレクションモードは、プローブによりエバネッセント光を被測定試料面に照射し、試料による反射光をプローブにより集光し、検出している。

前記散乱型は、試料の被測定面に励起レーザからの励起光を、該被測定面に対し斜め方向より照射し、被測定面に発生したエバネッセント光の場を金属製等のプローブで散乱し、励起レーザに対向配置された対物レンズ等で、その散乱光を集光し、検出している。このような近接場光学顕微鏡を用いることにより、光の波長の値より小さいものを観察することができる。

概要

本発明の目的は、測定をより正確に行なえる近接場光学顕微鏡を提供することにある。

試料の被測定面20に励起光24を、該被測定面20に対し斜め方向より照射する励起光照射手段12と、前記被測定面20の略真上に位置し、前記励起光照射手段12からの励起光24により該被測定面20に発生した近接場光26を散乱し、その散乱光を集光するプローブ14と、前記プローブ14で採取された散乱光を分光し、分光スペクトル情報を得るスペクトル情報得手段16と、を備えたことを特徴とする近接場光学顕微鏡10。

目的

しかしながら、前記各近接場光学顕微鏡にあっても、測定の正確さの点では更なる向上が望まれているものの、従来はこれを解決することのできる適切な技術が存在しなかった。本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は測定をより正確に行なえる近接場光学顕微鏡を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
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請求項1

試料の被測定面に励起光を、該被測定面に対し斜め方向より照射する励起光照射手段と、前記被測定面の略真上に位置し、前記励起光照射手段からの励起光により該被測定面に発生した近接場光散乱し、その散乱光集光するプローブと、前記プローブで採取された散乱光を分光し、分光スペクトル情報を得るスペクトル情報得手段と、を備え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記載の近接場光学顕微鏡において、前記励起光照射手段は、前記被測定面に照射される励起光の光軸が異なるように複数設けられ、該被測定面に非拡散性の励起光を照射する照射部を含み、前記各照射部よりの非拡散性の励起光を前記被測定面に照射したことを特徴とする近接場光学顕微鏡。

請求項3

請求項2記載の近接場光学顕微鏡において、前記照射部は、被測定面を反射してきた直ぐ前段の照射部からの光を受光し、該被測定面に照射する反射ミラーであることを特徴とする近接場光学顕微鏡。

請求項4

請求項3記載の近接場光学顕微鏡において、前記各反射ミラーへの入光及び出光方向が、他の反射ミラーへの入光及び出光方向とは異なるように、複数の反射ミラーが設置されたことを特徴とする近接場光学顕微鏡。

請求項5

請求項3又は4記載の近接場光学顕微鏡において、入光の順序が最終となる反射ミラーは、被測定面を反射してきた直ぐ前段の反射ミラーからの光を、入光方向とは逆方向に返光し、前段の反射ミラーを逆の順序で辿らせることを特徴とする近接場光学顕微鏡。

技術分野

0001

本発明は近接場光学顕微鏡、特に励起光照射機構検出光集光機構、及び該検出光の分析機構の改良に関する。

背景技術

0002

近年、光分析において、一般的な光学顕微鏡あるいは電子顕微鏡に代えて、波長以下の空間分解能を実現することのできる近接場光学顕微鏡が、さまざまな分析に応用され始めている。この近接場光学顕微鏡は、いわゆるエバネッセント光を検出するものである。すなわち、微小試料平坦基板の上に置かれており、基板裏側から全反射が生じるような角度で光を入射させると、伝搬光はすべて反射するが、基板及び試料表面付近にはエバネッセント光と呼ばれる表面波が発生する。この表面波は物体表面の周りの光の波長以内の距離の領域に局在している。

0003

そこで、先の鋭いプローブをエバネッセント光の場の中に差し込んでエバネッセント光の場を散乱させ、その散乱光強度を測定することにより、プローブ先端被測定試料面との距離を規定することができる。したがって、前記散乱光の強度が一定となるようにしつつ、プローブの走査を行うことにより、該プローブの先端位置は被測定試料面の凹凸を的確に反映するものとなる。

0004

しかも、プローブ先端はエバネッセント光の場に存在するのみであり、試料そのものには接触していないため、試料に対し非接触、非破壊で、かつ光の波長の値より小さいものを観察できるものである。従来、このような近接場光学顕微鏡は、イルミネーションモード、前記コレクションモードイルミネーション−コレクションモード、散乱型等の各測定モードがある。前記イルミネーションモードは、励起光がプローブの内部に導入され、その先端部の尖鋭化された部分を被覆する金属に照射されると、エバネッセント光が発生し、該先端部の微小開口からしみ出したエバネッセント光を試料に照射し、試料による散乱光や発光集光し、検出している。

0005

前記コレクションモードは、試料に直接励起光を照射し、被測定試料面に発生するエバネッセント光の場にプローブを進入させることでエバネッセント光を散乱させ、その散乱光や発光を集光し、検出している。前記イルミネーション−コレクションモードは、プローブによりエバネッセント光を被測定試料面に照射し、試料による反射光をプローブにより集光し、検出している。

0006

前記散乱型は、試料の被測定面に励起レーザからの励起光を、該被測定面に対し斜め方向より照射し、被測定面に発生したエバネッセント光の場を金属製等のプローブで散乱し、励起レーザに対向配置された対物レンズ等で、その散乱光を集光し、検出している。このような近接場光学顕微鏡を用いることにより、光の波長の値より小さいものを観察することができる。

発明が解決しようとする課題

0007

しかしながら、前記各近接場光学顕微鏡にあっても、測定の正確さの点では更なる向上が望まれているものの、従来はこれを解決することのできる適切な技術が存在しなかった。本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は測定をより正確に行なえる近接場光学顕微鏡を提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

前記目的を達成するために本発明にかかる近接場光学顕微鏡は、励起光照射手段と、プローブと、スペクトル情報得手段と、を備えることを特徴とする。ここで、前記励起光照射手段は、試料の被測定面に励起光を、該被測定面に対し斜め方向より照射する。また、前記プローブは、前記被測定面の略真上に位置し、前記励起光照射手段からの励起光により該被測定面に発生した近接場光を散乱し、その散乱光を集光する。

0009

前記スペクトル情報取得手段は、前記プローブで採取された散乱光を分光し、分光スペクトル情報を得る。ここにいう散乱光とは、例えばフォトルミネッセンス光ラマン散乱光などをいう。なお、本発明において、前記励起光照射手段は、前記被測定面に照射される励起光の光軸が異なるように複数設けられ、該被測定面に非拡散性の励起光を照射する照射部を含み、前記各照射部よりの非拡散性の励起光を前記被測定面に照射することが好適である。

0010

また、本発明において、前記照射部は、被測定面を反射してきた直ぐ前段の照射部からの光を受光し、該被測定面に照射する反射ミラーであることも好適である。また、本発明において、前記各反射ミラーへの入光及び出光方向が、他の反射ミラーへの入光及び出光方向とは異なるように、複数の反射ミラーが設置されることも好適である。

0011

さらに、本発明において、入光の順序が最終となる反射ミラーは、被測定面を反射してきた直ぐ前段の反射ミラーからの光を、入光方向とは逆方向に返光し、前段の反射ミラーを逆の順序で辿らせることも好適である。

発明を実施するための最良の形態

0012

以下、図面に基づき本発明の好適な実施形態について説明する。図1には本発明の一実施形態にかかる近接場光学顕微鏡10の概略構成が示されている。同図に示す顕微鏡10は、励起光照射手段12と、プローブ14と、スペクトル情報取得手段16を備える。

0013

前記励起光照射手段12は、試料室18の外部の斜め上方に配置されている。そして、レーザ光(非拡散性の励起光)24を試料室18の入射窓22を介して試料の被測定面20に、該被測定面に対し斜め上方より照射している。前記プローブ14は、先端部14aに微小開口が構成されたプローブからなり、該先端部14aが被測定面20のすぐ真上に位置し、被測定面20にレーザ光24を照射して発生した近接場光を散乱し、そのラマン散乱光26を集光する。

0014

前記スペクトル情報取得手段16は、分光器28と、検出器30と、コンピュータ本体32を備える。そして、プローブ14により採取されたラマン散乱光26は、分光器28により分離される。該分光器28により分離されたラマン散乱光26は、検出器30により検出され、分光器28の波長情報と共に、コンピュータ本体32に記憶される。

0015

なお、本実施形態において、制御用光学系34は、試料の被測定面20にレーザ光24を照射して発生した近接場光を散乱し、そのレイリー散乱光42を検出し、その出力に基づき、ステージコントローラ36は、レイリー散乱光42強度が一定となるようにプローブ14のZ軸方向位置を制御しつつ、被測定面20をXY方向(光軸と略直交する方向)に走査する。これにより、コンピュータ本体32は、ステージコントローラ36より各測定点のX,Y座標、各測定点における被測定面の高低情報を、また各測定点における被測定面のスペクトル情報ないし成分情報を、それぞれ得て、ディスプレイ40に表示する。

0016

ところで、本実施態様にかかる近接場光学顕微鏡10によれば、一般的な光学顕微鏡や電子顕微鏡に比較し、光の波長の値より小さいものを観察できるが、測定の正確さは、まだまだ改善の余地が残されている。そこで、本発明において、第一に特徴的なことは、被測定面に励起光を、該被測定面に対し斜め方向より照射し、該被測定面の略真上のプローブにより被測定面に発生した近接場光を散乱し、その散乱光を集光し、該プローブで採取された散乱光を分光し、分光スペクトル情報を得たことである。

0017

このために本実施形態においては、図2に拡大して示されるように、励起光照射手段としてのレーザ12を試料の被測定面20に対し斜め上方に配置し、プローブ14の先端部を被測定面20のすぐ真上に配置している。そして、このプローブ14の後段にスペクトル情報取得手段16を設けている。そして、レーザ12からのレーザ光24をプローブ14の外部の斜め上方より照射し、これによって発生した近接場光をプローブ14の先端部で散乱しその散乱光のうちラマン散乱光を採取し、スペクトル情報取得手段16によりそのラマン散乱光を分光し、分光スペクトル情報を得ている。

0018

この結果、測定をより正確に行なえる。この測定の正確さ向上機構の詳細については未だ不明な点もあるが、図2に示されるようなレーザ12、プローブ14の光学配置を採用すると、被測定面20に励起光24を照射し、該被測定面20に発生した近接場光を散乱し、そのレイリー散乱光42は、プローブ14の外方に反射して出ていくので、被測定面20の略真上にプローブ14の先端部を位置させると、ラマン散乱光26のみを良好に採取することができる。さらに後段のスペクトル情報取得手段16により、そのラマン散乱光を分光し、分光スペクトル情報が得られので、測定を正確に行なえるためと考えられる。

0019

より具体的には、高感度を得るためには、強い励起光を用いることが一般に考えられる。しかしながら、本発明者らによれば、一般的なイルミネーションモード、或いはイルミネーション−コレクションモードで動作する近接場光学顕微鏡では、プローブからエバネッセント光を被測定面に照射している。このため、強力な励起光がプローブ内を通過すると、プローブ自体からの発光が被測定面に照射され、スペクトルに重なるので、測定の障害となる場合がある。

0020

そこで、本実施形態では、強い励起光を用いた場合の問題を解決するため、プローブの外部の斜め上方より試料の被測定面に励起光を、該被測定面に対し斜め上方より照射し、かつ被測定面のすぐ真上にプローブ14を位置させ、その後段にスペクトル情報取得手段16を設けている。この結果、本実施形態では、前述のようなレーザ12、プローブ14、スペクトル情報取得手段16の組合せによりはじめて、強い励起光を用いても、前記プローブ自体が発光してしまうのを防げるので、極微弱なラマン散乱光のみを良好に採取し、分光スペクトル情報を得ることできる。

0021

ここで、一般的な散乱型でも、被測定面に励起レーザからの励起光を、該被測定面に対し斜め上方より照射している。この場合、集光機構には、励起レーザに対向配置の対物レンズ等が一般に用いられる。しかしながら、強い励起光を用いると、やはり測定を正確に行なえない。この原因についても未だ不明な点があるが、本発明者らによれば、前記散乱型のように照射機構と集光機構を配置し、さらに該集光機構として対物レンズのように光選択性の低いものを用いたのでは、エバネッセント光の場の散乱光以外の散乱光が、対物レンズ等で集光されてしまい、バックグラウンドとして乗ってしまう。

0022

特に強い励起光を用いると、このような迷光の影響もより顕著に現れ、極微弱なラマン散乱光が埋もれてしまうためと考えられる。本実施形態では、前述のような強い励起光が照射可能なレーザ12、光選択性に優れたプローブ14、スペクトル情報取得手段16の組合せにより、この問題も解決している。このように本実施形態では、前述のようなレーザ12、プローブ14、スペクトル情報取得手段16の組合せにより、測定の正確さが向上されるが、さらに本発明者らによって、図2に示した励起光照射機構、集光機構を用いて測定を行なった場合の、より正確さを実現するための技術が検討された。

0023

すなわち、本発明者らによれば、前記図2に示したレーザ12、プローブ14の光学系配置では、一方向からの照明を行うと、照明に影ができる。この影が一般的な顕微鏡では問題とならない大きさであっても、波長の値より小さいものを観察する近接場光学顕微鏡では、プローブの影や被測定面の構造により照明に影ができる。このため、測定結果アーティファクトが乗ってしまい、測定の正確さの低減の原因となり得るので、このような影を低減することが、測定の正確さの向上につながる。

0024

そこで、本発明において、第二に特徴的なことは、励起光照射手段は、被測定面に照射される励起光の光軸が異なるように複数設けられ、該被測定面に非拡散性の励起光を照射する照射部を含んだことである。このために本実施形態においては、図3に拡大して示されるように複数のレーザ12a〜12d(照射部)を採用している。すなわち、レーザ12a〜12dが試料の被測定面20の周りに略等間隔で設けられている。

0025

そして、レーザ12a〜12dからの各レーザ光24a〜24dを、プローブ14の斜め上方より被測定面20に略同時に入射させている。この励起光24a〜24dによって生じたエバネッセント光の場をプローブ14の先端部で散乱し、そのラマン散乱光を、該被測定面20の略真上にあるプローブ14の先端部で集光している。この結果、本実施形態では、複数のレーザ12a〜12dからの各レーザ光24a〜24dにより被測定面20を多方向から略均一に照射するので、一方向より照明を行なった場合に比較し、照明に影ができるのを大幅に低減することできる。

0026

したがって、プローブ14の影や被測定面の構造による影を大幅に低減し、測定結果にアーティファクトが乗るのを大幅に低減することができるので、測定をより正確に行なえる。また、本発明においては、前記図3に示した励起光照射機構に代えて、まず一方向より励起光を試料の被測定面に照射し、該被測定面にて反射してきた光を折り返し励起光として再度、該被測定面に照射する反射ミラーを設けることも好ましい。このために本実施形態においては、図4に拡大して示されるように複数の反射ミラーとして、第一反ミラー44,第二反射ミラー46,最終反射ミラー48を設けることも好ましい。

0027

すなわち、第一反射ミラー44、第二反射ミラー46は、レーザ12からの一のレーザ光24を試料の被測定面20に照射し、該被測定面20にて反射してきた光を折り返して、再度被測定面20に照射しているが、該折り返される光は、はじめの光路からずれた方向から被測定面20に照射されるように、各鏡面の向きが調節されて設置されている。しかも、この第一反射ミラー44、第二反射ミラー46により被測定面20を反射してきた光が、前段までの光路を逆さまに辿るように、最終反射ミラー48が設置されている。

0028

すなわち、レーザ12からのレーザ光24は、
被測定面20へ照射(光路+x1)、
被測定面20から第一反射ミラー44へ(光路—x2)、
第一反射ミラー44から第二反射ミラー46へ(光路+x3)、
第二反射ミラー46から被測定面20へ再照射(光路+x4)
被測定面20から最終反射ミラー48へ(光路—x5)入射される。

0029

そして、最終反射ミラー44に入射した光は、前記〜を逆順に辿る。すなわち、
´最終反射ミラー48から被測定面20に再照射(光路+x5)
´被測定面20から第二反射ミラー46へ(光路−x4)
´第二反射ミラー46から第一反射ミラー44へ(光路+x3)
´第一反射ミラー44から被測定面20へ再照射(光路+x2)
´被測定面20から外部(光路−x1)へ導かれる。

0030

この結果、前記図4に示した光路を上方より見た図としての図5に示されるように、複数の反射ミラー44,46,48により、試料の被測定面20を異なる多方向、本実施形態では光路+x1,光路+x2,光路+x4,光路+x5の多方向から略均一に照射しているので、前記図3に示した励起光照射機構と同様、照明による影を大幅に低減する。

0031

しかも、最終反射ミラー48を設置することにより、一度照明を行なった被測定面20の対向側を確実に照明することができるので、該被測定面20の略全周囲をより均一に照明し、照明に影ができるのを極めて大幅に低減する。したがって、プローブの影や被測定面の構造による影を大幅に低減するので、測定結果にアーティファクトが乗るのを大幅に低減し、測定をより適正に行なえる。

0032

また、通常測定は、温度、湿度、圧力等の測定環境が一定に保たれている試料室内で行なわれる場合が多く、前記図3に示した励起光照射機構では、各励起光毎の入射窓を試料室に設ける必要がある。一方、前記4に示した構成では、一の入射窓を設けるだけで、前記図3に示した照射機構と同様の照明効果が得られるので、入射窓の設置数の増加等による測定環境の変動等を大幅に防ぐことができる。

0033

さらに、本実施形態では、被測定面側に励起光照射手段を配置することにより、その裏面側に設けた場合に比較し、光学系の設計自由度が向上される。すなわち、試料の被測定面の裏面側にはステージ、該ステージのコントローラ等も一般に配置されており、コレクションモード等のように比較的少ない光軸配置では、被測定面の裏面側より励起光を照射することも可能である。

0034

しかしながら、本実施形態のように励起光の光軸を多数配置する必要がある場合は、スペースの確保、設計の自由度等の点で、特に被測定面側に励起光照射手段を設け、該被測定面側より励起光を照明することが好ましい。ただし、図3に示した照射機構では、被測定面の裏面側に励起光照射手段を設け、その裏面側より照明することが可能である。

0035

また、前記図3に示した構成では、必要なレーザ光の数だけ複数のレーザを用い、これらのレーザからのレーザ光をそのまま試料に照射した例について説明したが、これに代えて、一ないし二以上のレーザを用い、該レーザからのレーザ光を分割して、所望の数のレーザ光を揃えてもよい。さらに、前記構成では検出光として被測定面の近接場光を散乱したラマン散乱光を想定した例について説明したが、フォトルミネッセンス光等にも適用できる。

発明の効果

0036

以上説明したように、本発明にかかる近接場光学顕微鏡によれば、試料の被測定面に励起光を該被測定面に対し斜め方向より照射する励起光照射手段と、プローブにより該被測定面の略真上に位置し、該励起光により被測定面に発生した近接場光を散乱し、その散乱光を集光するプローブと、該採取された散乱光を分光し、分光スペクトル情報を得るスペクトル情報取得手段を備えることとしたので、測定を正確に行なえる。また、本発明においては、前記励起光照射手段は、前記被測定面に照射される励起光の光軸が異なるように複数設けられ、該被測定面に非拡散性の励起光を照射する照射部を含むことにより、測定をより正確に行なえる。

図面の簡単な説明

0037

図1本発明の一実施形態にかかる近接場光学顕微鏡の説明図である。
図2本発明の一実施形態にかかる近接場光学顕微鏡において特徴的な励起光照射手段、プローブ、スペクトル情報取得手段の配置の説明図である。
図3図2に示した励起光照射手段のより好適な具体例の説明図である。
図4図3に示した励起光照射手段の変形例の説明図である。
図5図4に示した励起光照射手段を上方より見た説明図である。

--

0038

10近接場光学顕微鏡
12レーザ(励起光照射手段,照射部)
14プローブ
16スペクトル情報取得手段
20 被測定面
24レーザ光(励起光)
26ラマン散乱光(散乱光)
44,46,48反射ミラー(照射部)

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