[go: up one dir, main page]

JPH09189707A - Near field scanning optical microscope and scanning probe microscope - Google Patents

Near field scanning optical microscope and scanning probe microscope

Info

Publication number
JPH09189707A
JPH09189707A JP8002171A JP217196A JPH09189707A JP H09189707 A JPH09189707 A JP H09189707A JP 8002171 A JP8002171 A JP 8002171A JP 217196 A JP217196 A JP 217196A JP H09189707 A JPH09189707 A JP H09189707A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
probe
light
sample
optical
objective lens
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP8002171A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Onada
毅 小灘
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Optical Co Ltd filed Critical Olympus Optical Co Ltd
Priority to JP8002171A priority Critical patent/JPH09189707A/en
Publication of JPH09189707A publication Critical patent/JPH09189707A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q20/00Monitoring the movement or position of the probe
    • G01Q20/02Monitoring the movement or position of the probe by optical means

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To easily prevent mixing of the light used far an AFM (inter-atmomic force microscope)-dedicated optical system with the detection light of an NSOM (near field scanning optical microscope), etc., by easily securing a space for placing an objective lens required for the optical microscope for selecting a measuring area in a sample, coping with it. SOLUTION: A probe 3 is made to scan while it keeps a certain distance from a sample 15. For controlling them, the detection light of an NSOM from the probe 3 is used. Since the light of optical near field interaction from the probe 3 is used, the other light source is not required, and there is no spatial constraint on an objective lens caused by installation of the other optical system, and an objective lens 4 of high magnification can easily be used, and alignment of the sample 15 is easily performed. Both the change of relative distance between the emission position of the light emitted from the probe 3 and a detection optical system, or the change of emission direction of light can be applied for detecting the displacement of the probe 3.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型近接場光学
顕微鏡及び、走査型プローブ顕微鏡に関するもので、よ
り詳しくは、被観察物体(試料)に近接したプローブを
被観察物体(試料)に対して相対的に走査し、被観察物
体近傍での光を検出することにより被観察物体の光学的
特性を測定する顕微鏡、乃至被観察物体(試料)とプロ
ーブの間に働く力を測定する場合の顕微鏡に適用して好
適な顕微鏡に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning near-field optical microscope and a scanning probe microscope. More specifically, a probe close to an object to be observed (sample) is attached to the object to be observed (sample). When measuring the force acting between the microscope or the object to be observed (sample) and the probe, the optical characteristics of the object to be observed are detected by scanning relative to each other and detecting the light in the vicinity of the object to be observed. The present invention relates to a microscope suitable for application to a microscope.

【0002】[0002]

【従来の技術】回折限界により分解能が制約される光学
顕微鏡に比べ、開口が光の波長より小さいプローブもし
くは先端の曲率半径の大きさが同様に小さいプローブを
試料と相対的に走査させて試料の微小領域の光学特性を
測定する走査型近接場光学顕微鏡(以下、NSOM(Ne
ar-Field Scanning Optical Microscope))とも表記す
る)は、プローブ先端の径(〜数十nm)程度までの分
解能が得られるため、工業及び医学分野での応用が期待
されている。
2. Description of the Related Art Compared with an optical microscope whose resolution is limited by the diffraction limit, a probe whose aperture is smaller than the wavelength of light or a probe whose tip has a similarly small radius of curvature is scanned relative to the sample. Scanning near-field optical microscope (hereinafter NSOM (Ne
(also referred to as ar-Field Scanning Optical Microscope)) is expected to be applied in the industrial and medical fields, since resolution up to the diameter of the probe tip (up to several tens of nm) can be obtained.

【0003】このNSOMの光情報を取り込む方法に
は、試料裏面から照明光を入射し試料表面側に生じるエ
バネッセント波等をプローブにて取り入れるタイプ、試
料表面から照明光を入射させ、試料による散乱光を微小
開口のプローブにて取り入れるタイプ、微小開口のプロ
ーブから照明光を射出させ、試料による透過光や散乱光
を取り入れるタイプ等、幾つかの種類が存在するが、走
査方法、特に、試料に対して一定の距離を保って、相対
的にプローブを走査させる方法については、例えば次の
ように大きく2つに分かれる。
As a method of capturing the optical information of the NSOM, a type in which illumination light is incident from the back surface of the sample and an evanescent wave or the like generated on the surface side of the sample is captured by a probe, the illumination light is incident from the surface of the sample, and scattered light by the sample There are several types, such as a type that captures light with a probe with a minute aperture, a type that emits illumination light from a probe with a minute aperture and captures transmitted light and scattered light from the sample. The method of relatively scanning the probe while maintaining a constant distance is, for example, roughly divided into the following two.

【0004】一つは、上記の如く試料裏面から照明光を
入射し試料表面側に生じるエバネッセント波等をプロー
ブにて取り入れるタイプなどで研究されているもので、
梅田等による「エバネッセント減衰波の2次微分特性」
(近接場光学研究グループ第一回研究討論会 予稿集
1994)(文献1)に示される、検出されたエバネッ
セント波の減衰曲線から試料とプローブの距離を測定
し、これに従い試料に対して一定の距離を保つ方法であ
る。もう一つは、van Hulst 等による“A COMBINED NEA
R FIELD OPTICAL AND FORCE MICROSCOPE”(Scanning M
icroscopy Vol.7,No.3(1993)第78
9〜792頁)(文献2)や、特開平6−160719
号公報(文献3)で示されているようなAFM(原子間
力顕微鏡)などの方法を利用するもので、試料とプロー
ブの間に働く力により生ずるプローブの変位を検出する
方法である。
One is a type in which illumination light is incident from the back surface of the sample as described above and an evanescent wave or the like generated on the surface side of the sample is taken in by a probe.
Umeda et al. "Second-order differential characteristics of evanescent damped waves"
(Proceedings of the 1st Research Symposium of Near Field Optics Research Group
1994) (Reference 1), the distance between the sample and the probe is measured from the attenuation curve of the detected evanescent wave, and a certain distance is maintained with respect to the sample accordingly. The other is “A COMBINED NEA” by van Hulst and others.
R FIELD OPTICAL AND FORCE MICROSCOPE ”(Scanning M
icroscopy Vol. 7, No. 3 (1993) 78th
9-792) (reference 2) and Japanese Patent Laid-Open No. 6-160719.
A method such as AFM (Atomic Force Microscope) as disclosed in Japanese Patent Publication (Reference 3) is used, and is a method of detecting the displacement of the probe caused by the force acting between the sample and the probe.

【0005】前者のエバネッセント波の減衰曲線を利用
する方法は、NSOMの検出光を直接利用しているの
で、他の光学系を必要としないが、屈折率が変化してい
る試料に対して使用する場合は、この減衰曲線のパラメ
ータも変化するため、試料と相対的に走査させながら、
その一点一点において試料と垂直にプローブを動かし、
その場所でのパラメータを測定しなければならない。こ
れに対し、後者のAFMを利用する方法は、このような
ことは必要ないが、別にプローブの変位を測定する光学
系を付加することになる。上記の方法のうち、測定時間
などの問題から、現在のところAFMによる方式が採ら
れることが一般的である。
The former method using the attenuation curve of the evanescent wave does not require any other optical system because it directly uses the detection light of NSOM, but it is used for a sample whose refractive index is changing. If this is done, the parameters of this attenuation curve will also change, so while scanning relative to the sample,
Move the probe perpendicular to the sample at each point,
You have to measure the parameters at that location. On the other hand, the latter method using the AFM does not require such a thing, but additionally adds an optical system for measuring the displacement of the probe. Of the above methods, the AFM method is generally used at present because of problems such as measurement time.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般的
に用いられているAFMによる方式には、以下の問題が
存在する。即ち、走査型プローブ顕微鏡は、一般に走査
範囲が狭いため試料中の観察したい部分を探すことが難
しい。そこでまた、光学顕微鏡を組み合わせて使用する
とよいが、しかし、この場合、AFMのプローブの変位
を測定する光学系がプローブ周りに存在するため、光学
顕微鏡の対物レンズを置くスペースを確保するのが困難
となってしまう。また、この光学系によって用いられる
光がNSOMの検出光と混ざるためこれを分離する機構
が必要な装置構成ともなる。
However, the generally used AFM method has the following problems. That is, since the scanning probe microscope generally has a narrow scanning range, it is difficult to find a portion to be observed in the sample. Therefore, it is also preferable to use a combination of an optical microscope, but in this case, since an optical system for measuring the displacement of the probe of the AFM exists around the probe, it is difficult to secure a space for placing the objective lens of the optical microscope. Will be. Further, since the light used by this optical system mixes with the detection light of NSOM, a mechanism for separating the light is required.

【0007】本発明は、以上のような点に鑑みたもので
あり、上述のような不利等を改善し、改良された走査型
近接場光学顕微鏡及び走査型プローブ顕微鏡を提供しよ
うというものである。
The present invention has been made in view of the above points, and it is an object of the present invention to provide the improved scanning near-field optical microscope and scanning probe microscope by improving the disadvantages described above. .

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明によって、被観察
物体に光を照射する手段と、該被観察物体の光近接場の
強度を検出する手段とを備え、光近接場相互作用を起こ
すためのプローブを前記被観察物体と一定の距離を保ち
ながら相対的に走査させ、前記被観察物体の光学的特性
を測定する走査型近接場光学顕微鏡であって、前記プロ
ーブによって発生する光近接場相互作用による光信号を
用いることによって、前記プローブと前記被観察物体の
相対的距離を制御することを特徴とする走査型近接場光
学顕微鏡が提供される。また、試料とプローブの間に働
く力により生ずるプローブの変位、またはプローブの共
振振動数の変化を検出することで、両者の相対的距離を
制御する走査型プローブ顕微鏡であって、前記検出をす
る手段に、前記プローブ上に設けた発光点の変化を検出
することを用いることを特徴とする走査型プローブ顕微
鏡が提供される。
According to the present invention, means for irradiating an object to be observed with light and means for detecting the intensity of the optical near field of the object to be observed are provided to cause an optical near field interaction. Is a scanning near-field optical microscope that measures the optical characteristics of the object to be observed by scanning the probe relative to the object to be observed while maintaining a constant distance, A scanning near-field optical microscope is provided, which is characterized in that the relative distance between the probe and the object to be observed is controlled by using the optical signal generated by the action. A scanning probe microscope that controls the relative distance between the sample and the probe by detecting the displacement of the probe or the change in the resonance frequency of the probe caused by the force acting between the sample and the probe, A scanning probe microscope is provided, characterized in that the means for detecting the change of a light emitting point provided on the probe is used.

【0009】本発明においては、観察対象の試料に対し
てプローブを近接させ相対的にこれを走査させ、プロー
ブと試料の距離を制御する場合に、次のような点に注目
したものである。一般に、AFMによる方式の場合、走
査範囲が狭いため試料中の観察したい部分を探すことが
難しいことから、光学顕微鏡を組み合わせて使用しよう
とすると、AFMのプローブの変位を測定する専用の光
学系がプローブ周りに存在するため、光学顕微鏡の対物
レンズを置くスペースなどを確保するのが困難で、また
その光学系によって用いられる光がNSOMの検出光と
混ざるなどする。ところが、試料に近接したプローブが
原子間力によって撓むというのは、要するにプローブ先
端部である光近接場相互作用を起こす部分が試料に引き
つけられ、その位置が変位していることである。また、
プローブからの射出光の射出方向は、プローブが撓むと
傾くことにもなる。従って、これらを測ることでもプロ
ーブと試料の距離制御ができることになる。
In the present invention, attention is paid to the following points when the probe is brought close to the sample to be observed and is relatively scanned to control the distance between the probe and the sample. Generally, in the case of the AFM method, it is difficult to find a portion to be observed in the sample due to a narrow scanning range. Therefore, when an optical microscope is used in combination, a dedicated optical system for measuring the displacement of the AFM probe is used. Since it exists around the probe, it is difficult to secure a space for placing the objective lens of the optical microscope, and the light used by the optical system mixes with the detection light of NSOM. However, the reason that the probe in the vicinity of the sample is bent by the interatomic force is that the portion of the probe tip portion that causes the optical near-field interaction is attracted to the sample and its position is displaced. Also,
The emission direction of the emitted light from the probe also tilts when the probe bends. Therefore, by measuring these, the distance between the probe and the sample can be controlled.

【0010】しかも、どちらを用いるにせよ、プローブ
による光近接場相互作用の光を用いいることができるこ
とから、他の専用の光源をも必要としない。よって、外
部の専らプローブと試料の相対的距離制御の用に供する
ような光学系(例えば、比較例図7の検出系用光源1
6、集光レンズ17、光位置検出素子18等参照)を設
置することによる不利、特に対物レンズへの空間的な制
約等もなくなって、結果、対物レンズを配するスペース
等も容易に確保し得、光学顕微鏡を組み合わせて使用す
る場合も、高倍の対物レンズの使用もできるし、それ故
にまた、試料の位置合わせも容易にする装置構成とする
ことを可能ならしめる。また、この場合において、プロ
ーブの光近接場相互作用を起こす部分は試料の近傍であ
り、プローブからの射出光を測定するための対物レンズ
のベスト位置と光学顕微鏡観察でのベスト位置は、使用
する対物レンズの性能上同等な位置に合わすことも容易
に可能ならしめる。これにより、前述したような不利等
を回避しつつ、AFMのプローブの変位を測定する光学
系とNSOMの検出光学系を共通とすることのできる改
良された装置構成が達成される。
Whichever is used, since light of optical near-field interaction by the probe can be used, no other dedicated light source is required. Therefore, an optical system dedicated to control the relative distance between the external probe and the sample (for example, the detection system light source 1 of the comparative example FIG. 7) is used.
6, the condensing lens 17, the optical position detecting element 18, etc.), there are no disadvantages, in particular, there are no spatial restrictions on the objective lens, and as a result, a space for arranging the objective lens can be easily secured. As a result, it is possible to use a high-magnification objective lens when using a combination of optical microscopes, and therefore it is also possible to provide an apparatus configuration that facilitates the alignment of the sample. In this case, the portion of the probe that causes the optical near-field interaction is near the sample, and the best position of the objective lens for measuring the light emitted from the probe and the best position for optical microscope observation are used. It is possible to easily adjust the position of the objective lens at the same position in terms of performance. As a result, an improved device configuration can be achieved in which the optical system for measuring the displacement of the probe of the AFM and the detection optical system of the NSOM can be used in common while avoiding the disadvantages described above.

【0011】本発明では、これら変化量を測定するの
に、例えばプローブ先端部の光近接場相互作用を起こす
部分の変位を測定するのに対物レンズを利用し、該部分
が焦点位置にあるときと焦点位置からレンズ方向に近づ
いたときと、焦点位置から遠く離れる方向に変位したと
きに、それぞれ対物レンズの射出光が平行光束、発散
光、集束光と変化することを全反射プリズムなどを用い
て検出して、プローブの変位を測定することによって、
実現する(例えば図2)。また、プローブからの射出光
方向が変化すると、対物レンズからの射出光は光軸がず
れることを利用して分割デテクタなどで検出すれば、プ
ローブの撓みによる射出光方向の変化量を測定できる
(例えば図3(b))。
In the present invention, an objective lens is used to measure these changes, for example, to measure the displacement of the portion of the probe tip that causes optical near-field interaction, and when that portion is at the focal position. Using a total reflection prism, it is possible to change the light emitted from the objective lens into a parallel light beam, a divergent light beam, and a converging light beam when the lens moves from the focus position toward the lens direction and away from the focus position. By measuring the displacement of the probe,
Realized (eg, FIG. 2). Further, when the direction of the emitted light from the probe changes, the amount of change in the emitted light direction due to the bending of the probe can be measured by detecting the emitted light from the objective lens with a split detector utilizing the fact that the optical axis shifts. For example, FIG. 3B.

【0012】以上の原理を利用すれば、他の形式のプロ
ーブ顕微鏡、例えばAFMにてプローブに螢光色素を付
け落射照明などで発光させ、検出系にてフィルタをかけ
て螢光のみを検出することで同様なプローブ周りの制約
をなくす装置構成をとることが可能となる。以上の方法
は、プローブの変位により直接プローブと試料との距離
を検出する態様で実施できるが、プローブを試料に垂直
な方向に加振しながら走査し、試料に近接したときの振
動応答が変化することを利用する、いわゆるタッピング
モードを採用するときの検出系としても応用可能であ
る。
Using the above principle, a probe microscope of another type, for example, an AFM, attaches a fluorescent dye to the probe to emit light by epi-illumination, and a detection system filters to detect only the fluorescent light. This makes it possible to adopt a device configuration that eliminates the same restrictions around the probe. The above method can be performed in a mode in which the distance between the probe and the sample is directly detected by the displacement of the probe, but the vibration response changes when the probe is scanned while being excited in the direction perpendicular to the sample, It can also be applied as a detection system when a so-called tapping mode is used.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態のいく
つかを図面に基づき説明する。図1及び図2は、本発明
の一実施例を示すものであり、またプローブの変位検出
については全反射の特性を用いる構成を例示したもので
ある。本例においては、図1,2に示す如くに、プロー
ブ1と、光検出用の対物レンズ4と、光を分岐させる光
分岐ミラー5と、三角プリズム7と、参照符号8,9,
10を附して示すフォトデテクタA,B,Cとを備える
とともに、結像レンズ13と、撮像素子14とを備え
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Some embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 and 2 show an embodiment of the present invention, and exemplify a configuration in which the total reflection characteristic is used for detecting the displacement of the probe. In this example, as shown in FIGS. 1 and 2, a probe 1, an objective lens 4 for detecting light, a light splitting mirror 5 for splitting light, a triangular prism 7, and reference numerals 8, 9,
The photodetectors A, B, and C shown with 10 are provided, and an imaging lens 13 and an image pickup device 14 are provided.

【0014】フォトデテクタ(A)8、フォトデテクタ
(B)9、フォトデテクタ(C)10は信号処理系と接
続し、フォトデテクタ(C)10へは、光分岐ミラー5
で反射し、かつ三角プリズム7で反射した検出光を入射
させる。一方、フォトデテクタ(A)8とフォトデテク
タ(B)9の2つのフォトデテクタは、一対のものとし
て、図示のように、三角プリズム7の背面に対向配置
し、それらの検出出力は信号処理系へ与えられ、プロー
ブ1の先端部2の位置の検出、制御の用に供される。
The photodetector (A) 8, the photodetector (B) 9, and the photodetector (C) 10 are connected to a signal processing system, and the optical branch mirror 5 is connected to the photodetector (C) 10.
The detection light reflected by and also reflected by the triangular prism 7 is made incident. On the other hand, the two photo detectors of the photo detector (A) 8 and the photo detector (B) 9 are arranged as a pair as shown in FIG. And is used for detecting and controlling the position of the tip 2 of the probe 1.

【0015】また、結像レンズ13と撮像素子14は、
試料15を光学観察する光学顕微鏡の構成部分として設
けられる。ミラー5を透過した光像は結像レンズ13を
通して撮像素子14上に拡大像として結像し、撮像素子
14の出力は光学顕微鏡観察用モニタへ与えられ、その
光学顕微鏡像は、試料15の測定領域を選定等するとき
に、その試料15の測定部位の位置出しなどの用に供さ
れる。
Further, the imaging lens 13 and the image pickup device 14 are
It is provided as a component of an optical microscope for optically observing the sample 15. The optical image transmitted through the mirror 5 is formed as an enlarged image on the image pickup device 14 through the image forming lens 13, the output of the image pickup device 14 is given to the monitor for optical microscope observation, and the optical microscope image is measured of the sample 15. This is used for positioning the measurement site of the sample 15 when selecting a region.

【0016】上記プローブ1には、ここでは、微弱な力
でしなりやすいカンチレバー(片持ち梁)の先を尖ら
せ、先端部分に螢光色素をつけたものを使用している。
本例では、このように螢光色素を塗布したプローブ先端
部2とするが、勿論、微小な螢光ビーズ等をプローブの
先端につけたものも利用できる。また、上記に限らず、
プローブ上に何らかの手段により発光点を設ける構成を
採用できる。
As the probe 1, a probe having a cantilever (cantilever) which is easily bent by a weak force and whose tip is provided with a fluorescent dye is used as the probe 1.
In this example, the probe tip 2 coated with the fluorescent dye is used as described above, but it is of course possible to use a probe tip having fine fluorescent beads attached to the tip of the probe. Also, not limited to the above,
A configuration in which a light emitting point is provided on the probe by some means can be adopted.

【0017】NSOMとしては、本例では、図示の如く
試料15の裏面から全反射角以上にて螢光色素の励起波
長の光を入射させ、試料15の材質や形状に応じて生じ
たエバネッセント波の強弱によって微小なプローブ1の
当該先端部分2の発光強度が変化するのを検出し、信号
処理することによって像とする。エバネッセント波は試
料に垂直な方向に離れるに従って指数函数的に急速に強
度が減衰するため、プローブ1が存在しなければエバネ
ッセント波を光学系ではとらえることはできず、試料に
近接したプローブ1の先端部分2のみがその強度を受け
るので、試料上の電場はプローブ1の先端の大きさ程度
の分解能を得ることができる。なお、ここでは、光源、
及び試料15にその光源からの光を照射する手段は、図
示を省略してある。
In this example, as the NSOM, as shown in the figure, light of the excitation wavelength of the fluorescent dye is made incident from the back surface of the sample 15 at an angle of total reflection or more, and an evanescent wave generated according to the material and shape of the sample 15 is used. It is detected that the light emission intensity of the tip portion 2 of the minute probe 1 changes depending on the intensity of the signal, and an image is obtained by signal processing. Since the intensity of the evanescent wave rapidly decreases exponentially as it goes away in the direction perpendicular to the sample, the evanescent wave cannot be detected by the optical system without the probe 1, and the tip of the probe 1 close to the sample cannot be detected. Since only the portion 2 receives the intensity, the electric field on the sample can obtain a resolution as large as the size of the tip of the probe 1. In addition, here, the light source,
The means for irradiating the sample 15 with light from the light source is not shown.

【0018】AFMとしては、試料15とプローブ先端
2が接近することで、ファンデルワールス力等の近接場
力が働き、プローブ1がしなる。このしなりが或る一定
量になるように試料15とプローブ先端2の相対距離を
変化させて走査し、変化させた相対距離をプロットすれ
ば試料15の形状を測定できる。
As the AFM, when the sample 15 and the probe tip 2 come close to each other, a near-field force such as a van der Waals force works and the probe 1 bends. The shape of the sample 15 can be measured by scanning while changing the relative distance between the sample 15 and the probe tip 2 so that the bending becomes a certain amount and plotting the changed relative distance.

【0019】プローブ先端2と試料15の相対距離を一
定に保つ方法として、プローブ先端にて光る螢光部分
(螢光色素を塗布したプローブ先端部)に焦点を合わせ
た対物レンズ4を用いる。対物レンズ4から見たプロー
ブ先端の発光する該螢光部分は、一般的なNSOMの場
合、回折限界以下のため大きさを持たない点光源と考え
られる。この点光源による対物レンズ4からの射出光は
三角プリズム7にて全反射されるが、これは、発光点が
合焦位置にある時に臨界角で反射するように設定されて
いる(図1)。本例では、かかる対物レンズ4はまた、
結像レンズ13によって撮像素子14上に拡大像を投影
することで試料15を光学観察するのにも使用され、ま
た、後述もするように、AFMのプローブの変位を測定
する光学系とNSOMの検出光学系を共通とするもので
ある。
As a method of keeping the relative distance between the probe tip 2 and the sample 15 constant, the objective lens 4 focused on the fluorescent portion (the probe tip coated with a fluorescent dye) that shines at the probe tip is used. In the case of a general NSOM, the fluorescent portion emitted from the tip of the probe viewed from the objective lens 4 is considered to be a point light source having no size because it is below the diffraction limit. The light emitted from the objective lens 4 by this point light source is totally reflected by the triangular prism 7, which is set so as to be reflected at the critical angle when the light emitting point is at the in-focus position (FIG. 1). . In this example, such objective lens 4 also
It is also used for optically observing the sample 15 by projecting a magnified image on the image sensor 14 by the imaging lens 13, and, as will be described later, the optical system for measuring the displacement of the probe of the AFM and the NSOM. The detection optical system is common.

【0020】以下、本例における試料15とプローブ1
との相対的な走査、及びそのときの相対的距離の制御等
について、2図も参照して、その原理構成も含め更に説
明する。走査については、基本的には、試料面にて全反
射するよう試料15の裏面から上記励起波長の光を入射
し、既述の如く観察対象物の試料15に応じてプローブ
1の螢光色素を付した先端部2の発光を行わせつつ試料
15に対して相対的に走査することによってなすことが
でき、これにより、上述の分解能をもって信号処理系で
像とすべきNSOMの光情報を得ることができる。しか
して、その走査中、プローブ1と試料15の距離を制御
するにあたって、上述したようなプローブ1のしなりに
よるプローブ1の当該先端部2の変位、即ちこの場合は
プローブ1のその先端位置で発光することとなる蛍光部
分によって生ずるその光を活用し、これを用いることに
よって当該プローブ上の部位の変化を検出、測定するよ
うにすることで、他に別途光源(専らプローブ変位の測
定を目的として付加されるような光学系での光源)等を
必要ともせずに、プローブ1と試料15の距離制御がで
きる。
Hereinafter, the sample 15 and the probe 1 in this example
The relative scanning with respect to and the control of the relative distance at that time will be further described with reference to FIG. Regarding scanning, basically, light of the above-mentioned excitation wavelength is made incident from the back surface of the sample 15 so as to be totally reflected on the sample surface, and as described above, the fluorescent dye of the probe 1 is selected according to the sample 15 of the observation object. This can be done by performing relative scanning with respect to the sample 15 while causing the tip end portion 2 marked with light emission to thereby obtain the optical information of NSOM to be an image in the signal processing system with the above-mentioned resolution. be able to. Then, in controlling the distance between the probe 1 and the sample 15 during the scanning, the displacement of the tip portion 2 of the probe 1 due to the bending of the probe 1 as described above, that is, in this case, the tip position of the probe 1 By utilizing the light generated by the fluorescent part that emits light and detecting and measuring the change of the site on the probe by using this, another light source (exclusively for measuring the displacement of the probe is used. The distance between the probe 1 and the sample 15 can be controlled without the need for a light source in an optical system, etc.

【0021】実際には、かかる変化量の測定をするの
に、上述の如くにプローブ先端部2にて光る螢光部分に
焦点を合わせた対物レンズ4を用い、そして、当該プロ
ーブ1のその先端部分の変位を測定するのに該対物レン
ズ4を利用し、例えば、その部分が焦点位置にある時、
焦点位置からレンズ4方向に近づいた時、焦点位置から
遠く離れる方向に変位した時のそれぞれで、対物レンズ
4の射出光が平行光束、発散光、集束光と変化するのを
全反射プリズムなどを用いてその発散角などを検出し
て、プローブ1の変位を測定するなどすればよく、ここ
では、そのため具体的手段の一例として前記三角プリズ
ム7、フォトデテクタ(A)8及びフォトデテクタ
(B)9を設けて、プローブ先端部2の発光する螢光部
分の位置検出をする(図1,2)。
In practice, in order to measure such a variation, the objective lens 4 focused on the fluorescent portion shining at the probe tip 2 as described above is used, and the tip of the probe 1 concerned is used. The objective lens 4 is used to measure the displacement of a part, for example when the part is at the focus position,
A total reflection prism is used to change the light emitted from the objective lens 4 into a parallel light beam, a divergent light, and a focused light when approaching the lens 4 from the focus position and distant from the focus position. The displacement angle of the probe 1 may be measured by detecting the divergence angle thereof by using the triangular prism 7, the photodetector (A) 8 and the photodetector (B) as an example of specific means. 9 is provided to detect the position of the fluorescent portion of the probe tip 2 that emits light (FIGS. 1 and 2).

【0022】図1の状態においては、プローブ1の先端
部2の螢光部分が合焦位置にあり、該先端部螢光部分に
よる対物レンズ4からの射出光は図示のように平行光束
である。かかる状態では、これが、対物レンズ4→ミラ
ー5→三角プリズム7の系を通し、その三角プリズム7
で反射して取り込むべき光情報としてフォトデテクタ
(C)10に入射する。こうした状態から、走査に伴
い、例えば図2に示すように、試料15が凸形状となっ
て試料15とプローブ1が接近し、プローブ1のしなり
が増すと、そのプローブ1先端は対物レンズ4の合焦位
置から僅か上方(図中上方で、対物レンズ4との間の距
離が小さくなる向き)にずれ、そのため、図において三
角プリズム7の下側に入射した光線は、実線図示の如
く、臨界角より小さい角度で反射し、一部が三角プリズ
ム7を抜け、三角プリズム7の背面に設けた一方のフォ
トデテクタ(A)8にて検出される(図2中、実線状
態、及び破線状態参照)。その一方、このとき、図にお
いて三角プリズム7の上側に入射した光線は臨界角より
大きい角度で入射するため、全反射し三角プリズム7の
背面のもう一方のフォトデテクタ(B)9では検出され
ない(図2)。
In the state of FIG. 1, the fluorescent portion of the tip portion 2 of the probe 1 is at the in-focus position, and the light emitted from the objective lens 4 by the tip fluorescent portion is a parallel light beam as shown in the figure. . In such a state, this passes through the system of the objective lens 4 → the mirror 5 → the triangular prism 7, and the triangular prism 7
It is incident on the photodetector (C) 10 as light information to be reflected and taken in by. From such a state, as shown in FIG. 2, for example, when the sample 15 has a convex shape and the sample 15 and the probe 1 come close to each other as the scanning is performed, and the bending of the probe 1 increases, the tip of the probe 1 becomes the objective lens 4. Is slightly shifted from the in-focus position of (1) in the direction in which the distance between the objective lens 4 and the objective lens 4 becomes smaller, and therefore the light beam incident on the lower side of the triangular prism 7 in the drawing is as shown by the solid line in the figure. The light is reflected at an angle smaller than the critical angle, part of which passes through the triangular prism 7, and is detected by one of the photodetectors (A) 8 provided on the back surface of the triangular prism 7 (in FIG. 2, solid line state and broken line state). reference). On the other hand, at this time, in the figure, the light beam incident on the upper side of the triangular prism 7 is incident at an angle larger than the critical angle, so that it is totally reflected and is not detected by the other photodetector (B) 9 on the rear surface of the triangular prism 7 ( (Fig. 2).

【0023】これに対し、逆に、試料15が凹んでプロ
ーブ1が下方(図中下方で、対物レンズ4との間の距離
が大きくなる向き)に引きつけられたときは、上述した
のとは反対の状態となり、一方のフォトデテクタ(A)
8では検出はされず、もう一方のフォトデテクタ(B)
9で検出がなされる。この原理は、使用対物レンズ4の
NAにより感度が決定し、NAが大きいほど感度は高
い。
On the contrary, when the sample 15 is dented and the probe 1 is pulled downward (in the lower direction in the figure, the direction in which the distance to the objective lens 4 increases), the above-mentioned Opposite state, one photo detector (A)
8 is not detected, the other photodetector (B)
Detection is made at 9. In this principle, the sensitivity is determined by the NA of the objective lens 4 used, and the larger the NA, the higher the sensitivity.

【0024】これらの情報からプローブ先端部2の発光
する螢光部分の位置の検出を行うことができる。かかる
検出においても、上記の対物レンズ4→ミラー5→三角
プリズム7の系が共通に使用されるものであり、こうし
て、上記位置の検出が行われ、これに基づき、プローブ
先端の発光する該螢光部分と試料15との間隔を一定に
保つよう、図示しない調整装置によって制御される。N
SOMの信号は、フォトデテクタ(A)8、フォトデテ
クタ(B)9、フォトデテクタ(C)10で検出された
ものを合計すれば得られるが、プローブ位置の制御が十
分なされていればフォトデテクタ(C)10の信号のみ
で足りる。
The position of the fluorescent portion of the probe tip 2 which emits light can be detected from these information. Also in such detection, the system of the objective lens 4 → the mirror 5 → the triangular prism 7 is commonly used, and the position is detected in this way, and based on this, the fluorescing of the probe tip is emitted. It is controlled by an adjusting device (not shown) so as to keep the distance between the light portion and the sample 15 constant. N
The SOM signal can be obtained by summing the signals detected by the photodetector (A) 8, the photodetector (B) 9, and the photodetector (C) 10, but if the probe position is sufficiently controlled, the photodetector is detected. (C) Only the 10 signal is sufficient.

【0025】このようにして、プローブ1と試料15の
相対的距離を制御することができ、しかも、その距離制
御で使用する光情報は、AFM専用の光学系でのみ使う
といったようなものではなく、NSOMの測定に使用す
るプローブ先端部2の螢光部分の発光する光を用いるこ
とによって、これを行うことができる。従って、それ専
用の光源を別個に必要としないのは勿論、かかる構成を
採ることで、一般的に用いられているAFMによる方式
に対して存在する問題を良好に解決し得て、プローブ位
置制御のため外部の光学系を設置することに伴う不利を
生じさせない。特に、対物レンズを使用するときのその
レンズへの空間的な制約等も除去できて高倍の対物レン
ズの導入もその分困難性を回避でき、光学顕微鏡を組み
合わせて使用する場合も、走査時にNSOMの検出光を
集光するものとしてレンズと試料15面を光学顕微鏡観
察するため使用するものとしてのレンズが容易に共用可
能であり、本例の如くに、試料15の測定領域を選ぶた
めに、前述の対物レンズ4を共用する装置構成とするこ
とが実現できる。
In this way, the relative distance between the probe 1 and the sample 15 can be controlled, and the optical information used in the distance control is not limited to that used in the optical system dedicated to the AFM. This can be done by using the light emitted by the fluorescent part of the probe tip 2 used for the measurement of NSOM. Therefore, needless to say that a dedicated light source is not required separately, by adopting such a configuration, it is possible to satisfactorily solve the problems existing in the generally used AFM method, and to perform probe position control. Therefore, there is no disadvantage caused by installing an external optical system. In particular, when using an objective lens, it is possible to remove the spatial restrictions on the lens and to avoid the difficulty of introducing a high-magnification objective lens to that extent. Even when using an optical microscope in combination, the NSOM can be used during scanning. It is possible to easily use a lens for condensing the detection light of 1) and a lens used for observing the surface of the sample 15 with an optical microscope, and to select the measurement region of the sample 15 as in this example, It is possible to realize a device configuration in which the above-mentioned objective lens 4 is shared.

【0026】本例においては、この対物レンズ4は、上
述のとおりプローブ1の位置検出とNSOMの検出光学
系に兼用されるほか、該対物レンズ−結像レンズ13−
撮像素子14の系による試料15の位置合わせの用にも
使用される。先にも触れたようにNSOM観察領域は小
さく、観察光学系は高NAとするのが望ましい。しかる
に、本方式に従えば、試料15中の観察したい部分を探
すための光学顕微鏡の対物レンズを置くスペース的な制
約なども緩和し得、一般に作動距離の短い高NAのもの
も容易に使用でき、測定領域の選定のときの試料15の
位置合わせも容易にできるものとなるのに加えて、これ
は、試料15に近接したプローブ1を試料15に対して
相対的に走査させるときにおける前述のプローブ1の位
置検出の高感度化にもつながるので、更により一層有利
な方向につながる。そして、使用対物レンズのNAが大
きいのに応じて高い感度が得られれば、より効果的な上
記の両者の距離制御が達成できる。
In this example, the objective lens 4 is used both for the position detection of the probe 1 and the detection optical system of the NSOM as described above, and the objective lens-imaging lens 13-
It is also used for alignment of the sample 15 by the system of the image pickup device 14. As mentioned above, it is desirable that the NSOM observation area is small and the observation optical system has a high NA. However, according to this method, it is possible to alleviate the space constraint of placing the objective lens of the optical microscope for searching the portion to be observed in the sample 15, and it is generally possible to easily use a high NA with a short working distance. In addition to facilitating the alignment of the sample 15 when selecting the measurement region, this is the same as the above-described case when the probe 1 close to the sample 15 is relatively scanned with respect to the sample 15. This also leads to higher sensitivity in detecting the position of the probe 1, which leads to an even more advantageous direction. If high sensitivity can be obtained in accordance with the large NA of the objective lens used, the more effective distance control of the both can be achieved.

【0027】このとき、高NAの対物レンズ4を用いて
もプローブ先端部2と試料15面は対物レンズ4の焦点
深度以下に近接しているので、測定領域を光学顕微鏡で
観察して測定部位を走査領域へ位置出ししたあとに、そ
のままAFM/NSOM測定を行えるし、その逆も容易
となる。なお、上記では、観察対象の試料とプローブの
間に働く力により生ずるプローブの変位を検出しその距
離制御をする場合を述べたが、これに限らず、プローブ
の共振振動数の変化を検出することで、両者の相対的距
離を制御する場合でも適用できる。
At this time, even if the objective lens 4 with a high NA is used, the probe tip 2 and the surface of the sample 15 are close to each other within the depth of focus of the objective lens 4, so that the measurement region is observed with an optical microscope to measure the measurement site. After positioning to the scanning area, AFM / NSOM measurement can be performed as it is, and vice versa. In the above, the case where the displacement of the probe caused by the force acting between the sample to be observed and the probe is detected and the distance is controlled is not limited to this, but the change of the resonance frequency of the probe is detected. Therefore, it can be applied even when controlling the relative distance between the two.

【0028】次に、他の実施例について、図3及び図4
により説明する。本実施例(第2実施例)は、原子間力
等よりプローブが曲げられることにより、プローブから
のNSOMの検出光の射出方向が変化することを用いる
ものである。
Next, another embodiment will be described with reference to FIGS.
This will be described below. This embodiment (second embodiment) uses the fact that the direction of emission of the NSOM detection light from the probe changes when the probe is bent due to atomic force or the like.

【0029】本実施例も、基本的構成には、前記実施例
の場合の構成と同様とすることができ、同様の構成部分
には同一の符号を付してある。本例では、プローブとし
て図3,4に示すようなプローブ3を用い、また、フォ
トデテクタとしては、図3に示す如くに光分岐ミラー5
と対向するフォトデテクタ(D)11とフォトデテクタ
(E)12を用いる。対物レンズ4は、結像レンズ13
によって撮像素子14上に拡大像を投影することで試料
15を光学観察することにも使用されるものである点
等、他の構成要素は前記例と同様であってよい。
The basic structure of this embodiment can be the same as that of the above-described embodiment, and the same components are designated by the same reference numerals. In this example, a probe 3 as shown in FIGS. 3 and 4 is used as a probe, and a photodetector is provided with an optical branching mirror 5 as shown in FIG.
A photodetector (D) 11 and a photodetector (E) 12 facing each other are used. The objective lens 4 is an imaging lens 13
Other constituent elements may be the same as those in the above-described example, such as being used for optically observing the sample 15 by projecting a magnified image on the image pickup device 14.

【0030】以下、本実施例の要部、特徴等について説
明するに、プローブ3には、ここでは、微弱な力でしな
りやすいカンチレバー(片持ち梁)に針状の突起3aを
設け、微小開口に相当するガラスなどのファイバ状のも
のによる素材3bを挿入したものを使用している(図4
(a),(b))。
In order to explain the main parts and characteristics of this embodiment, the probe 3 is provided with a needle-like projection 3a on a cantilever (cantilever) which is easily bent by a weak force. The material 3b made of fiber-like material such as glass corresponding to the opening is used (FIG. 4).
(A), (b)).

【0031】NSOMとしては、本例でも、試料15裏
面から全反射角以上にて光を入射させ、試料15の材質
や形状に応じて生じたエバネッセント波の強弱によって
微小なプローブ3の微小開口部分から射出される光強度
が変化するのを検出し、信号処理することで像とする。
従って、ここでも、試料面にて全反射するよう試料15
裏面から光を入射し、試料面に発生したエバネッセント
波を微小開口の開いたプローブ3で伝搬光に変換しなが
ら試料15に対して相対的に走査するものとすることが
できる。この伝搬光は、対物レンズ4で集められ、フォ
トデテクタで検出され、信号処理系にて走査型近接場光
学顕微鏡像として画像化される。
Also in this example, as the NSOM, light is incident from the back surface of the sample 15 at an angle of total reflection or more, and the minute opening portion of the probe 3 is small due to the intensity of the evanescent wave generated depending on the material and shape of the sample 15. A change in the intensity of light emitted from is detected, and signal processing is performed to form an image.
Therefore, also here, the sample 15 should be totally reflected on the sample surface.
It is possible that light is incident from the back surface and the evanescent wave generated on the surface of the sample is scanned relative to the sample 15 while being converted into propagating light by the probe 3 having a minute opening. This propagating light is collected by the objective lens 4, detected by the photodetector, and imaged as a scanning near-field optical microscope image by the signal processing system.

【0032】本例では、プローブ3と試料15の相対距
離を一定に保つ方法として、プローブ3の微小開口部分
から射出される検出光が、カンチレバーがしなることで
その方向が傾き、光検出用の対物レンズ4からの射出光
がずれることを利用するものであり、これを、2つのフ
ォトデテクタ(D)11,(E)12によって検出する
(図3(b)中、破線状態、及び実線状態参照)。
In this example, as a method for keeping the relative distance between the probe 3 and the sample 15 constant, the detection light emitted from the minute opening portion of the probe 3 tilts due to the bending of the cantilever, and the detection light is detected. The fact that the light emitted from the objective lens 4 is shifted is detected by the two photodetectors (D) 11 and (E) 12 (in FIG. 3B, broken line state and solid line). See state).

【0033】これらの点につき、図7をも参照して更に
説明する。図7は、図3の場合と対比して示す例で、プ
ローブ3を使用し、AFMにより、該プローブと被観察
物体の相対的距離を制御しようとする場合の比較例(例
えば前掲文献3で用いることができる例)である。図7
による構成の場合には、図示のように、先端部に微少開
口を有するプローブ3と対物レンズ4′との間に、検出
用光源16、集光レンズ17、光位置検出素子18があ
る。
These points will be further described with reference to FIG. FIG. 7 is an example shown in comparison with the case of FIG. 3, which is a comparative example in which the probe 3 is used and the relative distance between the probe and the object to be observed is to be controlled by the AFM (for example, in Reference 3 above). It can be used). Figure 7
In the case of the above configuration, as shown in the figure, the detection light source 16, the condenser lens 17, and the optical position detection element 18 are provided between the probe 3 having a minute opening at the tip and the objective lens 4 '.

【0034】走査時、NSOMの検出光は対物レンズ
4′で集められ、フォトデテクタ10で検出される。こ
こで、走査は試料15とプローブ3の距離を一定に保ち
つつ行うが、それには次に示すAFMの原理を利用す
る。即ち、試料15に凹凸があり、プローブ3の先端が
試料15に近づくと原子間力によりプローブ3は試料1
5に引きつけられ撓む。そして、図7では、この撓み角
は、検出用光源16から集光レンズ17を通してプロー
ブ3背面に当てられた光の反射角の変化として光位置検
出素子18によって検出されるが、プローブ3と試料1
5間の距離を一定距離に保つことはこの撓み角を一定に
保つことと同等と考え、その光位置検出素子18出力に
よって、試料15とプローブ3の間隔を調節するもので
ある。
During scanning, the NSOM detection light is collected by the objective lens 4'and detected by the photodetector 10. Here, the scanning is performed while keeping the distance between the sample 15 and the probe 3 constant, and the principle of the AFM described below is used for this. That is, when the sample 15 has irregularities, and the tip of the probe 3 approaches the sample 15, the probe 3 causes the probe 3 to move due to the atomic force.
It is attracted to 5 and bends. In FIG. 7, the deflection angle is detected by the optical position detection element 18 as a change in the reflection angle of the light applied to the back surface of the probe 3 from the detection light source 16 through the condenser lens 17, but the probe 3 and the sample 1
It is considered that keeping the distance between 5 constant is equivalent to keeping the bending angle constant, and the distance between the sample 15 and the probe 3 is adjusted by the output of the optical position detecting element 18.

【0035】しかして、プローブ3と試料15の距離を
一定に保つ方式として、この方法は高精度であるが、図
7のものでは、プローブの変位(撓み角)を検出するた
めの上記光学系が光近接場の検出光学系、特に対物レン
ズ4′とは別になっているので次の欠点が存在すること
を指摘できる。一般に、NSOMにおいて、試料の観察
部位の位置出しは観察対象が小さいだけに困難をきわめ
るものであることは既に述べたとおりである。そのた
め、対物レンズ4′を用いて光学顕微鏡像を撮像素子1
4で観察しながら位置合わせすることになるが、この場
合、目的からいって、既述の如くより高倍の対物レンズ
を採用することが望ましい。
As a method for keeping the distance between the probe 3 and the sample 15 constant, this method is highly accurate, but in the one shown in FIG. 7, the optical system for detecting the displacement (deflection angle) of the probe is used. Can be pointed out to have the following drawbacks because it is separate from the optical near field detection optical system, especially the objective lens 4 '. Generally, in NSOM, it is difficult to locate the observation site of the sample because the observation target is small. Therefore, an optical microscope image is taken by the image sensor 1 using the objective lens 4 '.
Positioning is performed while observing in No. 4, but in this case, for the purpose, it is desirable to adopt a higher magnification objective lens as described above.

【0036】ところが、一般に高倍の対物レンズほどレ
ンズと試料との間隔、いわゆる作動距離が小さくなる傾
向がある。そのため、図7の構成の場合、図示のよう
に、プローブの変位(撓み角)を検出するための光学系
16〜18を設置する空間を考慮すると、その対物レン
ズ4′として、高倍の対物レンズを使用することはでき
ず、比較的低倍の対物レンズ4′で使い難さを含みつつ
使用しなければならない状態となる。しかも、その低倍
の対物レンズ4′では、物体からの光の取り込み角であ
るNAが小さいのでプローブ3からの光を十分に集光で
きないおそれもある。
However, in general, the higher the magnification of the objective lens, the smaller the distance between the lens and the sample, that is, the so-called working distance, tends to be smaller. Therefore, in the case of the configuration of FIG. 7, considering the space in which the optical systems 16 to 18 for detecting the displacement (deflection angle) of the probe are installed, as shown in the figure, the objective lens 4 ′ is a high-magnification objective lens. Cannot be used, and a relatively low magnification objective lens 4'cannot be used and must be used. Moreover, with the low-magnification objective lens 4 ', since the NA, which is the angle of capturing light from the object, is small, the light from the probe 3 may not be sufficiently condensed.

【0037】更に述べれば、このほかの問題として、実
際にはプローブ3の変位(撓み角)を検出するための光
学系で用いているその検出系用光源16はプローブ3ば
かりでなく、試料15にも一部照射されてしまっている
ことが多いことから、それが、走査型近接場光学顕微鏡
像としてプローブ3によって発生する光近接場相互作用
による光信号を取り入れるときのノイズとなる可能性が
あり、何らかのフィルタが必要となることも欠点とな
る。
More specifically, as another problem, the light source 16 for the detection system, which is actually used in the optical system for detecting the displacement (deflection angle) of the probe 3, is not limited to the probe 3 and the sample 15. Since it is often partially irradiated, it may become noise when the optical signal due to the optical near-field interaction generated by the probe 3 is taken in as a scanning near-field optical microscope image. There is also a drawback that some kind of filter is required.

【0038】これに対して、本例に従う構成の場合は、
プローブ3と試料15の距離を制御する方法として、以
下のような考察の下、発生する光近接場相互作用による
光信号そのものを利用し、かつ、その射出される方向の
変化を利用することを基本とする。即ち、原子間力によ
ってプローブ3が撓み、プローブ3からの射出光の射出
方向が傾くことになる。従って、傾きを測ることでプロ
ーブ3と試料15の距離制御ができることになる。つま
り、図3に示すように、本例では、プローブ3から射出
される検出光がカンチレバーがしなることでその方向が
傾くとき、光検出用の対物レンズ4からの射出光がずれ
ることを利用し(図3(b))、フォトデテクタ(D)
11とフォトデテクタ(E)12の2つのフォトデテク
タにて検出した光量の差からズレ量を、全光量からNS
OMの像信号を得る。かくして、これらの情報からプロ
ーブ3先端の位置の検出が行われ、そして、前記の第1
実施例と同様に、プローブ3先端と試料15との間隔を
一定に保つよう、調整装置(不図示)によって制御がな
される。プローブ3による光近接場相互作用の光を用い
ることから、前記実施例同様、他の光源は必要としな
い。
On the other hand, in the case of the configuration according to this example,
As a method of controlling the distance between the probe 3 and the sample 15, it is necessary to use the optical signal itself due to the generated optical near field interaction and the change in the emitting direction under the following consideration. Basically. That is, the probe 3 is bent by the interatomic force, and the emission direction of the emitted light from the probe 3 is inclined. Therefore, the distance between the probe 3 and the sample 15 can be controlled by measuring the inclination. That is, as shown in FIG. 3, in this example, when the detection light emitted from the probe 3 tilts in its direction due to the bending of the cantilever, the light emitted from the objective lens 4 for light detection is shifted. (Fig. 3 (b)), photo detector (D)
11 and the photodetector (E) 12 detects the amount of deviation from the difference in the amount of light detected by the two photodetectors, and NS from the total amount of light.
Obtain the OM image signal. Thus, the position of the tip of the probe 3 is detected from these pieces of information, and the first
Similar to the embodiment, control is performed by an adjusting device (not shown) so as to keep the distance between the tip of the probe 3 and the sample 15 constant. Since the light of the optical near-field interaction by the probe 3 is used, no other light source is required as in the above embodiment.

【0039】つまり、図7との比較でいえば、図7に示
すような外部の光学系16〜18を設置することによる
その対物レンズ(4′)への空間的な制約もなくなっ
て、本例でも、図3のように、高倍の対物レンズ4が使
用でき、試料15の位置合わせも容易になる。プローブ
3の光近接場相互作用を起こす部分は試料15に近接し
ているので、測定領域の光学顕微鏡での観察とAFM/
NSOM測定の切り換えが容易となる。
That is, in comparison with FIG. 7, there is no spatial restriction on the objective lens (4 ') by installing the external optical systems 16 to 18 as shown in FIG. Also in the example, as shown in FIG. 3, a high-magnification objective lens 4 can be used, and the alignment of the sample 15 is facilitated. Since the portion of the probe 3 that causes the optical near-field interaction is close to the sample 15, observation of the measurement region with an optical microscope and AFM /
Switching of NSOM measurement becomes easy.

【0040】更に、本実施例にあっては、次のような点
も有利である。即ち、上記した如くに図3のフォトデテ
クタ(D)11,フォトデテクタ(E)12でズレ量を
検出できるが、このとき、一般的にズレ量を検出する場
合、外乱や信号量の変動を考慮して、全光量にて光量の
差を正規化する手段が適用可能で、結果、こうすると、
対物レンズ4の倍率の変更に対して感度は変化しない。
また、試料15位置が対物レンズ4の合焦位置から多少
ずれて、フォトデテクタ(D)11、フォトデテクタ
(E)12への光束が発散或いは収束しても影響は生じ
ないという特徴を有する。
Further, the following points are also advantageous in this embodiment. That is, as described above, the amount of deviation can be detected by the photodetector (D) 11 and the photodetector (E) 12 of FIG. 3, but at this time, when generally detecting the amount of deviation, disturbance or fluctuation of the signal amount Considering this, it is possible to apply a means for normalizing the difference in light amount in the total light amount. As a result,
The sensitivity does not change even if the magnification of the objective lens 4 is changed.
Further, there is a characteristic that even if the position of the sample 15 is slightly deviated from the focus position of the objective lens 4 and the light flux to the photodetector (D) 11 and the photodetector (E) 12 diverges or converges, no influence occurs.

【0041】なお、図示例では、走査は試料15側を動
かすことを想定しているが、検出光を分岐させるミラー
5を対物レンズ4の瞳と光学的に共軛な位置に置き、プ
ローブ3の走査と同期させればプローブ走査方式にも対
応可能である。また、前記第1実施例の場合にも、本実
施例形態に従う構成を適用してもよく、プローブ先端の
蛍光部分から射出される光の方向の変化を用いて、プロ
ーブ変位を検出する態様で実施して、上記効果を得るよ
うにすることもできる。
In the illustrated example, it is assumed that the scanning moves on the sample 15 side, but the mirror 5 for branching the detection light is placed at a position optically coherent with the pupil of the objective lens 4, and the probe 3 is placed. It is also possible to support the probe scanning method if it is synchronized with the scanning. Also, in the case of the first embodiment, the configuration according to the present embodiment may be applied, in which the probe displacement is detected by using the change in the direction of the light emitted from the fluorescent portion at the probe tip. It is also possible to implement it to obtain the above effect.

【0042】図5及び図6に示すものは、更に他の実施
例である。本実施例(第3実施例)は、前記第2実施例
の変形例にも相当する。本例では、NSOMとしては、
NSOM用光源19からの光がコリメータレンズ20で
コリメートされ、対物レンズ4で集光した光をプローブ
3の微小開口から試料15面へ射出し、試料15面から
戻ってきた光を再びプローブ3でとらえる、いわゆる反
射型を使った例である。このため、図5,6に示す如
く、図3に示した構成要素に対し、更に、光分岐ミラー
6、NSOM用光源19、コリメータレンズ20があ
り、他の構成部分は、第2実施例と同様である。
FIG. 5 and FIG. 6 show still another embodiment. This embodiment (third embodiment) corresponds to a modification of the second embodiment. In this example, the NSOM is
The light from the NSOM light source 19 is collimated by the collimator lens 20, the light condensed by the objective lens 4 is emitted from the minute aperture of the probe 3 to the sample 15 surface, and the light returning from the sample 15 surface is again probed by the probe 3. This is an example of using a so-called reflective type to capture. Therefore, as shown in FIGS. 5 and 6, in addition to the constituent elements shown in FIG. 3, there are further provided an optical branching mirror 6, an NSOM light source 19, and a collimator lens 20, and other constituent parts are the same as those of the second embodiment. It is the same.

【0043】従って、ここでは、光源、被観察物体であ
る試料15に光を照射する手段、及び試料15の光近接
場の強度を検出する手段は、これらNSOM用光源19
等を含んで構成されるものである。光源は、NSOM用
光源19により構成され、また、照射手段は、コリメー
タレンズ20−光分岐ミラー6−光分岐ミラー5−対物
レンズ4−プローブ3の系を含んで構成される。また、
検出手段は、プローブ3−対物レンズ4−光分岐ミラー
5−光分岐ミラー6−フォトデテクタ(D)11,フォ
トデテクタ(E)12の系を含んで構成される。
Therefore, here, the light source, the means for irradiating the sample 15, which is the object to be observed, with light, and the means for detecting the intensity of the optical near field of the sample 15 are the light sources 19 for NSOM.
And the like. The light source is constituted by the NSOM light source 19, and the irradiation means is constituted by including a system of collimator lens 20-light splitting mirror 6-light splitting mirror 5-objective lens 4-probe 3. Also,
The detection means includes a system of probe 3-objective lens 4-light splitting mirror 5-light splitting mirror 6-photodetector (D) 11 and photodetector (E) 12.

【0044】また、本例は、前記第2実施例と同様に、
プローブ3からのNSOMの検出光の射出方向が変化す
ることをAFMに用いたものであり、これによるプロー
ブ3と試料15の相対的距離の制御についての内容は第
2実施例のものと同様である。本実施例によっても、前
記と同様の作用効果が得られ、本発明は、このような態
様で実施することができる。
In addition, this embodiment, like the second embodiment,
The fact that the emission direction of the NSOM detection light from the probe 3 changes is used for the AFM, and the content of the control of the relative distance between the probe 3 and the sample 15 by this is the same as that of the second embodiment. is there. The same effects as the above can be obtained also in this example, and the present invention can be implemented in such a mode.

【0045】以上に述べてきた内容は、以下の発明とし
て捉えることもできる。 〔1〕光源と、被観察物体に光を照射するための手段
と、被観察物体の光近接場の強度を検出するための手段
とを備え、光近接場相互作用を起こすためのプローブを
被観察物体上を一定の距離を保ちながら相対的に走査さ
せ、被観察物体の光学的特性を測定するいわゆる走査型
近接場光学顕微鏡において、前記プローブによって発生
する光近接場相互作用による光信号を用いることによっ
て、前記プローブと被観察物体の相対的距離を制御する
ことを特徴とする走査型近接場光学顕微鏡。
The contents described above can be grasped as the following inventions. [1] A light source, means for irradiating the object to be observed with light, and means for detecting the intensity of the optical near field of the object to be observed, and a probe for causing optical near field interaction are covered. In a so-called scanning near-field optical microscope, in which an optical property of an object to be observed is measured by relatively scanning the object to be observed while maintaining a constant distance, an optical signal generated by the optical near-field interaction generated by the probe is used. The scanning near-field optical microscope is characterized in that the relative distance between the probe and the object to be observed is controlled thereby.

【0046】〔2〕プローブから射出される走査型近接
場光学顕微鏡像を構築するための光信号の射出位置と検
出光学系との相対的距離の変化により、プローブの変位
を検出することを特徴とする上記付記項〔1〕記載の走
査型近接場光学顕微鏡。 〔3〕走査型近接場光学顕微鏡像を構築するための光信
号の射出方向の変化により、プローブの変位を検出する
ことを特徴とする上記付記項〔1〕記載の走査型近接場
光学顕微鏡。 〔4〕走査型近接場光学顕微鏡像を構築するための光信
号を集光するレンズと、被観察物体面を光学顕微鏡観察
するためのレンズが共用可能であることを特徴とする上
記付記項〔2〕または付記項〔3〕記載の走査型近接場
光学顕微鏡。 〔5〕走査型近接場光学顕微鏡像を構築するための光信
号を射出するプローブの部位と被観察物体面との距離は
光信号を集光するレンズの焦点深度以下であることを特
徴とする上記付記項〔4〕記載の走査型近接場光学顕微
鏡。
[2] The displacement of the probe is detected by the change in the relative distance between the detection position and the emission position of the optical signal for constructing the scanning near-field optical microscope image emitted from the probe. The scanning near-field optical microscope according to the above item [1]. [3] The scanning near-field optical microscope according to the above-mentioned additional item [1], wherein the displacement of the probe is detected by a change in the emission direction of the optical signal for constructing the scanning near-field optical microscope image. [4] A lens for condensing an optical signal for constructing a scanning near-field optical microscope image and a lens for observing an object surface to be observed with an optical microscope can be used in common. 2] or the scanning near-field optical microscope according to the additional item [3]. [5] The distance between the portion of the probe that emits the optical signal for constructing the scanning near-field optical microscope image and the surface of the observed object is less than or equal to the depth of focus of the lens that collects the optical signal. The scanning near-field optical microscope according to the above item [4].

【0047】〔6〕試料とプローブの間に働く力により
生ずるプローブの変位、若しくはプローブの共振振動数
の変化を検出することで、両者の相対的距離を制御する
走査型プローブ顕微鏡において、プローブの変位を検出
する手段に、プローブ上に設けた発光点の変化を検出す
ることを用いることを特徴とする走査型プローブ顕微
鏡。 〔7〕発光点の変化は、発光点と検出光学系との相対的
距離の変化によるものを用いることを特徴とする上記付
記項〔6〕記載の走査型プローブ顕微鏡。 〔8〕発光点の変化は、発光点から射出される光の方向
の変化によるものを用いることを特徴とする上記付記項
〔6〕記載の走査型プローブ顕微鏡。
[6] In the scanning probe microscope, which controls the relative distance between the probe and the probe by detecting the displacement of the probe or the change of the resonance frequency of the probe caused by the force acting between the sample and the probe, A scanning probe microscope characterized in that a change in a light emitting point provided on a probe is used as a means for detecting a displacement. [7] The scanning probe microscope according to the above-mentioned additional item [6], wherein the change of the light emitting point is caused by the change of the relative distance between the light emitting point and the detection optical system. [8] The scanning probe microscope according to the above-mentioned additional item [6], wherein the change in the light emitting point is caused by a change in the direction of light emitted from the light emitting point.

【0048】[0048]

【発明の効果】本発明によれば、観察対象の試料に近接
したプローブを相対的に走査し、試料近傍での光を検出
して測定領域の光学的特性を測定する場合、及び試料と
プローブの間に働く力を測定する場合の好適な顕微鏡を
実現できる。試料中の観察したい部分を探すための光学
顕微鏡の対物レンズを置くスペースを確保するのが困難
となるといたような点も回避でき、しかも、AFM専用
のプローブ変位検出光学系に使用する光がNSOMの検
出光と混ざるといったようなこともなく、従って、それ
を分離する機構が必要となるなど不利も解消することが
できる。また、他の形式のプローブ顕微鏡、例えばAF
Mにてプローブ上に何らかの手段にて発光点を設けれ
ば、プローブ周りのプローブ変位検出光学系を除ける利
点を有する装置構成をとることが可能となる。また、プ
ローブの変位により直接プローブと試料との距離を検出
する態様で実施できるほか、プローブを試料に垂直な方
向に加振しながら走査し、試料に近接したときの振動応
答が変化することを利用する、いわゆるタッピングモー
ドを採用するときの検出系としても応用可能である。
According to the present invention, the optical characteristic of the measurement region is measured by relatively scanning the probe in the vicinity of the sample to be observed and detecting the light in the vicinity of the sample, and the sample and the probe. It is possible to realize a suitable microscope when measuring the force acting between the two. It is possible to avoid the problem that it is difficult to secure the space for placing the objective lens of the optical microscope for searching the part to be observed in the sample, and the light used for the probe displacement detection optical system dedicated to the AFM is NSOM. Therefore, it is possible to eliminate disadvantages such as the need for a mechanism for separating the detection light and the detection light. Also, other types of probe microscopes, such as AF
If a light emitting point is provided on the probe at M by some means, an apparatus configuration having an advantage of excluding the probe displacement detection optical system around the probe can be taken. In addition, the distance between the probe and the sample can be directly detected by the displacement of the probe, and it is possible to change the vibration response when the probe is scanned while being excited in the direction perpendicular to the sample. It can also be applied as a detection system when using a so-called tapping mode.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例の構成(第1の実施形態)を
示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration (first embodiment) of an example of the present invention.

【図2】同例での使用態様の例の説明に供する図であ
る。
FIG. 2 is a diagram for explaining an example of a usage mode in the same example.

【図3】本発明の他の実施例(第2の実施形態)を示す
図である。
FIG. 3 is a diagram showing another example (second embodiment) of the present invention.

【図4】同例でのプローブの構成を示す斜視図及び断面
相当図である。
4A and 4B are a perspective view and a sectional equivalent view showing a configuration of a probe in the same example.

【図5】本発明の更に他の実施例の構成(第3の実施形
態)を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration (third embodiment) of still another embodiment of the present invention.

【図6】同例での使用態様の例の説明に供する図であ
る。
FIG. 6 is a diagram provided for explaining an example of a usage mode in the same example.

【図7】本発明に従う構成と対比して示す、比較例の構
成図である。
FIG. 7 is a configuration diagram of a comparative example shown in comparison with the configuration according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 プローブ 2 螢光色素を塗布したプローブ先端部 3 プローブ 4 対物レンズ 5 光分岐ミラー 6 光分岐ミラー 7 三角プリズム 8 フォトデテクタA 9 フォトデテクタB 10 フォトデテクタC 11 フォトデテクタD 12 フォトデテクタE 13 結像レンズ 14 撮像素子 15 試料 16 検出系用光源 17 集光レンズ 18 光位置検出素子 19 NSOM用光源 20 コリメータレンズ 1 Probe 2 Fluorescent dye-coated probe tip 3 Probe 4 Objective lens 5 Optical branching mirror 6 Optical branching mirror 7 Triangular prism 8 Photodetector A 9 Photodetector B 10 Photodetector C 11 Photodetector D 12 Photodetector E 13 Binding Image lens 14 Image sensor 15 Sample 16 Light source for detection system 17 Condenser lens 18 Optical position detection element 19 Light source for NSOM 20 Collimator lens

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 被観察物体に光を照射する手段と、該被
観察物体の光近接場の強度を検出する手段とを備え、光
近接場相互作用を起こすためのプローブを前記被観察物
体と一定の距離を保ちながら相対的に走査させ、前記被
観察物体の光学的特性を測定する走査型近接場光学顕微
鏡であって、 前記プローブによって発生する光近接場相互作用による
光信号を用いることによって、前記プローブと前記被観
察物体の相対的距離を制御することを特徴とする走査型
近接場光学顕微鏡。
1. A probe for causing optical near-field interaction is provided with the object to be observed, comprising means for irradiating the object to be observed with light and means for detecting the intensity of the optical near-field of the object to be observed. A scanning near-field optical microscope for measuring the optical characteristics of the object to be observed while relatively scanning while maintaining a constant distance, by using an optical signal generated by the optical near-field interaction generated by the probe. A scanning near-field optical microscope, wherein the relative distance between the probe and the object to be observed is controlled.
【請求項2】 試料とプローブの間に働く力により生ず
るプローブの変位、またはプローブの共振振動数の変化
を検出することで、両者の相対的距離を制御する走査型
プローブ顕微鏡であって、 前記検出をする手段に、前記プローブ上に設けた発光点
の変化を検出することを用いることを特徴とする走査型
プローブ顕微鏡。
2. A scanning probe microscope which controls the relative distance between the sample and the probe by detecting the displacement of the probe or the change in the resonance frequency of the probe caused by the force acting between the sample and the probe. A scanning probe microscope characterized in that a change of a light emitting point provided on the probe is used as a detecting means.
JP8002171A 1996-01-10 1996-01-10 Near field scanning optical microscope and scanning probe microscope Withdrawn JPH09189707A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP8002171A JPH09189707A (en) 1996-01-10 1996-01-10 Near field scanning optical microscope and scanning probe microscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP8002171A JPH09189707A (en) 1996-01-10 1996-01-10 Near field scanning optical microscope and scanning probe microscope

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH09189707A true JPH09189707A (en) 1997-07-22

Family

ID=11521927

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP8002171A Withdrawn JPH09189707A (en) 1996-01-10 1996-01-10 Near field scanning optical microscope and scanning probe microscope

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH09189707A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5994691A (en) Near-field scanning optical microscope
US5859364A (en) Scanning probe microscope
KR100262878B1 (en) Near-field optical microscope and the measuring method
JPH10293133A (en) Scanning proximity field optical microscope
JP4498081B2 (en) Scattering near-field microscope and measuring method thereof
EP0846932B1 (en) Scanning near-field optic/atomic force microscope
JP3021872B2 (en) Cantilever, atomic force microscope
JP4585053B2 (en) Scattering near-field microscope
JP3523754B2 (en) Scanning probe microscope
JPH09189707A (en) Near field scanning optical microscope and scanning probe microscope
JP2002310881A (en) Scanning near field microscope
JP4540254B2 (en) Scanning near-field optical microscope
JP4361221B2 (en) Measurement method of illumination reflection mode in scanning near-field microscope
US9063335B2 (en) Apparatus and method for examining a specimen by means of probe microscopy
JP2002022640A (en) Scanning proximity field optical microscope
JP3205455B2 (en) Atomic force detection mechanism and atomic force detection scanning near-field microscope
JP2004101425A (en) Scattering-type near-field microscope and scattering-type near-field spectroscopic system
JP2001153785A (en) Scanning type near-field optical microscope
JP2008175651A (en) Near-field optical probe, optical device, probe microscope, and probe microscope type recording / reproducing head device
JP4500033B2 (en) Near-field optical microscope
JP2000146802A (en) Optical near-field microscope
JPH11316241A (en) Probe for scanning near-field optical microscope and scanning near-field optical microscope
JPH07260801A (en) Scanning probe microscope
JPH10221352A (en) Lighting equipment
JPH0933544A (en) Scanning near-field optical microscope

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Withdrawal of application because of no request for examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20030401