JP2000304677A - 近接場光用プローブ及び近接場光用プローブ応用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プローブと対象物との微小な間隔を精度よ
く、かつ、分解能や信号の安定性を損なうことなく計測
できる近接場光用プローブ及び近接場光用プローブ応用
装置を得る。 【解決手段】 光軸に対する直交断面形状が光軸を中心
とする真円以外の形状とした近接場光用プローブ４と、
プローブ４を記録媒体３１に対して接離させるＺ軸駆動
装置１１と、プローブ４をその光軸を中心として正転／
逆転させる回転駆動装置１２と、この駆動装置１２の負
荷を検出する負荷センサ１３と、この負荷センサ１３の
検出結果に基づいてプローブ４と記録媒体３１との間隔
を計測し、Ｚ軸駆動装置１１をフィードバック制御する
コントローラ２１とからなる近接場光用光ヘッド。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高密度光メモリや
高分解能顕微鏡の分野で用いられる近接場光用プローブ
及び近接場光用プローブ応用装置に関する。

【０００２】

【発明の背景】近年、光学的に情報を記録／再生する光
メモリの分野においては、コンピュータの高速化やマル
チメディアの発達に伴い、より高密度に情報を記録／再
生できる、即ち、記録密度の著しく向上した光ヘッドが
望まれ、近接場光記録技術が提案されている。レーザ光
を用いた従来の光メモリにおいて、記録密度は光の回折
限界で上限が決まり、光の波長程度（数１００ｎｍ）の
マークしか記録／再生できなかった。

【０００３】近年提案されている近接場光現象を用いた
光メモリでは、光の波長以下の微小開口を有するプロー
ブやSolid Immersion Lens（固浸レンズ）を用い、記
録媒体（光ディスク）に対して光ヘッドを数１０ｎｍま
で近づけた状態で記録／再生用の光を照射することで、
光の回折限界を超えて数１０ｎｍという小さなマークを
信号として書き込み、再生することが可能である。ま
た、顕微鏡においても近接場光を利用することにより、
光の回折限界の制約を受けずに微小なスポットを形成す
ることができるので、従来のものよりもはるかに高い分
解能を得ることが可能である。

【０００４】

【従来の技術と課題】ところで、近接場光が到達するの
は、波長の１／４程度の領域までであり、近接場光発生
手段を対象物まで微小間隔に高精度に近接させなければ
ならない。光の波長よりも小さな間隔をどのようにして
計測し、制御するかが大きな問題点となっている。

【０００５】プローブと対象物との間隔計測に関して、
特開平６−５０７５０号公報には、プローブに横方向へ
の周期的振動を付与し、プローブが対象物の表面に近づ
くにつれて振動の振幅及び位相が変化することを検出す
る手法が記載されている。この手法は、プローブと対象
物との間の空気ないし流動性媒体の粘性を応用してい
る。しかし、プローブを横方向に振動させることは、プ
ローブから発生する近接場光のスポットが大きくなり、
解像度が低下するという問題点を有している。また、横
振動で対象物の突出部分に衝突するおそれも有してい
る。

【０００６】一方、特開平８−１０６６４６号公報に
は、プローブを記録面に対して垂直方向に振動させ、プ
ローブと記録面との間隔を制御する手法が記載されてい
る。しかし、この手法ではプローブから発生する近接場
光の強度が極端に変化するため、安定した信号強度を得
ることが困難であるという問題点を有している。

【０００７】そこで、本発明の目的は、近接場光を使用
した記録／計測技術において、プローブと対象物との微
小な間隔を精度よく、かつ、分解能や信号の安定性を損
なうことなく計測できる近接場光用プローブ及び近接場
光用プローブ応用装置を提供することにある。

【０００８】

【発明の構成、作用及び効果】以上の目的を達成するた
め、本発明に係る近接場光用プローブは、光軸に対する
直交断面形状が光軸を中心とする真円以外の形状とし
た。プローブを対象物の表面に近づけつつ光軸を中心と
して回転させると、対象物との間隔に応じて回転位相が
変化する。この位相変化を検出することでプローブと対
象物との間隔を計測する。

【０００９】プローブの断面形状が真円であると、プロ
ーブを回転させてもキャピラリーフォースは大きく働か
ない。真円以外の形状であれば、回転によってプローブ
自体が大きな抵抗を受けることになり、対象物との距離
に応じてキャピラリーフォースの変化に敏感になり、対
象物との間隔を精度よく計測することができる。

【００１０】以上の如く、本発明に係る近接場光用プロ
ーブを使用すれば、プローブをその光軸を中心として回
転させて対象物との間隔を計測するため、プローブから
発せられる近接場光が略一定の位置に保たれ、スポット
が肥大化することはなく、分解能や検出信号の安定性を
損なうことはない。しかも、プローブの断面形状が真円
以外であるため、キャピラリーフォースの変化の影響が
大きく、計測の精度が向上する。

【００１１】特に、プローブとして光ファイバを使用す
る場合には、光軸に対する直交断面形状を略長方形状と
すれば、キャピラリーフォースを受けやすい形状であり
ながら、加工が比較的容易である利点を有する。

【００１２】さらに、本発明に係る近接場光用プローブ
応用装置は、光軸に対する直交断面形状が光軸を中心と
する真円以外の形状である近接場光用プローブと、この
プローブを対象物に対して接離させる第１の駆動手段
と、前記プローブをその光軸を中心として回転させる第
２の駆動手段と、前記プローブの回転状態を検出する検
出手段と、この検出手段の検出結果に基づいて前記プロ
ーブと対象物との間隔を計測する計測手段とを備えてい
る。

【００１３】本発明に係る近接場光用プローブ応用装置
は、例えば、対象物の表面にプローブ先端を近づけてそ
の形状を計測したり、表面を分析する装置として、ある
いは、光記録媒体に情報を記録又は再生する装置として
使用される。従来の如く対象物に近接するたびに横振動
によって距離合わせを実行していては、計測ないし記録
／読取りができる時間が少なくなってしまう。しかし、
本発明に係る応用装置において、プローブは一定の近接
位置で回転しつつ対象物との距離を計測するため、計測
時間が短時間で済み、また、計測された記録媒体との間
隔をフィードバック制御しながら情報の記録／読取りを
効率よく行うことができる。

【００１４】特に、前記第２の駆動手段は前記プローブ
を正転方向及び逆転方向にそれぞれ所定の角度、例え
ば、左に１８０°、右に１８０°と交互に正／逆回転さ
せることが好ましい。プローブを一方向にのみ回転させ
るとファイバが捻れてその取り扱いが難しくなる。しか
し、正逆方向に所定の角度ずつ回転させれば、捻れを生
じることはない。

【００１５】また、プローブの回転状態を検出する検出
手段としては、プローブの側面に取り付けた光反射膜か
らの反射光を検出する光センサ、あるいは第２の駆動手
段の負荷を検出する負荷センサを使用することができ
る。反射光を検出する光センサにあっては、その設置位
置を比較的自由に選択することができる利点を有してい
る。負荷センサにあっては、例えば、駆動電流をモニタ
する電流計を第２の駆動手段の内部に設ければよく、ス
ペース効率が良好である

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る近接場光用プ
ローブ及び近接場光用プローブ応用装置の実施形態につ
いて、添付図面を参照して説明する。

【００１６】（プローブの断面形状、図１参照）まず、
種々の断面形状を有する本発明に係る近接場光用プロー
ブについて図１を参照して説明する。図１に示す各プロ
ーブ１，２，３，４は、中心部のコア５とその周囲に配
置されたクラッド６とからなる光ファイバであり、クラ
ッド６の外周面形状（光軸に対する直交断面形状）が光
軸を中心とする真円Ｓ以外の形状としたものである。

【００１７】具体的には、図１（Ａ）に示すプローブ１
は二つの略楕円形状を一体化した形状からなり、図１
（Ｂ）に示すプローブ２は略平行四辺形状からなり、図
１（Ｃ）に示すプローブ３は二つの突起部を有する形状
からなり、図１（Ｄ）に示すプローブ４は略長方形状か
らなる。プローブの直交断面形状は真円以外であれば種
々の形状を採用可能であるが、これらのプローブは、以
下に説明するように、１８０°ずつの正転／逆転を繰り
返すことを想定しているので、１８０°の回転対称形状
であることが好ましい。

【００１８】前記プローブはその先端に微小開口が形成
されており、後端からレーザ光を導入することで微小開
口から近接場光を発生し、対象物表面の計測あるいは記
録媒体への情報の記録／再生を行う。このような動作時
に、プローブの先端を対象面に数１０ｎｍ程度に近接さ
せ、光軸を中心にして回転させると、対象面近傍に存在
する水分等の粘性分子の影響を受け、プローブ自体の回
転が妨げられる。プローブが通常の光ファイバのように
断面形状が円形であると、このキャピラリーフォースの
影響を受けにくい。図１に示した断面形状が真円以外の
形状とされたプローブにあっては回転に対する抵抗力が
大きいため、キャピラリーフォースの影響が比較的大き
く作用する。従って、その影響の度合い、即ち、回転角
度の位相の遅れを検出することで対象物との距離を計測
することが可能である。

【００１９】前記各種のプローブ１，２，３，４は、石
英系ファイバ心線を用いて、本発明者らによって、例え
ば、８μｍ径のコア及び１２５μｍ径のクラッドからな
る光ファイバを用いて製作した。まず、ファイバ先端の
コアを周知のエッチング液で尖らせる一方で、先端部分
のクラッドをレーザアブレーションによって加工した。
即ち、クラッドの材料である石英ガラスの吸収係数が大
きいＣＯ₂レーザを照射しながら、ファイバをステージ
上で移動させ、図１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す断面
形状に加工した

【００２０】ところで、図１（Ｄ）に示すプローブ４の
ように、クラッドの表面を断面が長方形状にレーザ加工
するには、高度な加工技術（高精度の三次元移動ステー
ジ）が要求される。そこで、本発明者は以下の製造工程
を考案した。

【００２１】光ファイバをＭＣＶＤ法で製造する際に、
石英パイプ内にガラスを堆積させた後、石英パイプを高
熱で軟化させ、断面が長方形になるように潰してプリフ
ォームとする。次に、このプリフォームを延伸して、縦
横比が約１：２．５の断面長方形状のファイバを得る。
外径１２５μｍのファイバを使用して、長辺寸法が約８
０μｍの長方形状とすることができた。このような製造
方法によれば、石英パイプを潰すときに規制部材を設け
るという簡単な工程で所望の断面形状を得ることができ
る。

【００２２】（光ヘッドとしての構成例、図２及び図３
参照）次に、本発明に係る応用装置として、図１（Ｄ）
に示したプローブ４を用いた光ヘッドの概略構成を図２
に示す。

【００２３】前記プローブ４の先端に約３０ｎｍの微小
開口を形成して近接場光を発生するようにし、ピエゾ素
子からなるＺ軸方向の駆動装置１１に取り付け、後端に
レーザ光源１５からレーザ光を入射するようにした。ま
た、ピエゾ素子からなる回転駆動装置１２が設置され、
この駆動装置１２にはプローブ４の回転時に発生する負
荷を検出するセンサ１３（具体的には、供給電流を検出
する電流計）が付設されている。

【００２４】制御部２０は、コントローラ（ＣＰＵ）２
１を中心として構成され、Ｚ軸駆動装置１１のための間
隔制御回路２２、回転駆動装置１２のための回転制御回
路２３、負荷センサ１３の検出信号から位相遅れを検出
する検出回路２４及び記録媒体３１を保持するホルダ３
２のスピンドル３３を回転させるモータ３４を駆動する
回転制御回路２５を備えている。

【００２５】以上の構成からなる光ヘッドにおいて、記
録媒体３１に対してプローブ４を光軸Ｌを中心として所
定角度で正転／逆転させつつ近づけると、プローブ４の
先端が記録媒体３１の表面から約４０ｎｍの距離から回
転の位相遅れが生じ、図３のグラフに示すように、さら
に近づけると位相遅れはさらに大きくなり、やがて位相
遅れは検出されなくなった。即ち、記録媒体３１の表面
から約４０ｎｍまでの範囲でキャピラリーフォースが検
出されたことになる。

【００２６】図３に示す位相遅れ量からプローブ４の先
端と記録媒体３１の表面との間隔を演算することがで
き、例えば、約３０ｎｍの間隔を保持するように前記Ｚ
軸駆動装置１１の制御にフィードバックすれば、所定の
間隔を常時保持して記録媒体３１に安定して情報を記録
でき、あるいは情報を読み取ることができる。

【００２７】（走査型顕微鏡としての構成例、図４〜図
６参照）次に、本発明に係る応用装置として、図１
（Ｄ）に示したプローブ４を用いた走査型顕微鏡の概略
構成を図４に示す。

【００２８】前記プローブ４の先端に約３０ｎｍの微小
開口を形成して近接場光を発生するようにし、ピエゾ素
子からなるＺ軸方向の駆動装置１１に取り付け、後端に
レーザ光源１５からレーザ光を入射するようにし、か
つ、ピエゾ素子からなる回転駆動装置１２を設置した点
は前記光ヘッドと同様である。また、これらの駆動装置
１１，１２は制御部２０Ａによって制御される。制御部
２０Ａの構成は基本的には前記制御部２０と同様であ
る。

【００２９】一方、プローブ４の先端部分外周面に部分
的にアルミニウムをコートして光反射膜７とし、レーザ
光源１６から出射され、かつ、光反射膜７で反射された
レーザ光を光センサ１７で検出するようにした。光セン
サ１７の検出信号は制御部２０Ａに入力される。

【００３０】また、計測の対象となる試料４１は二次元
高精度ステージ４２上に載置され、ステージ制御部４３
からの位置情報は制御部２０Ａに入力されるようになっ
ている。さらに、プローブ４の先端から試料４１に対し
て照射された近接場光の反射光を検出するために集光レ
ンズ４５及び光検出器４６が設置され、光検出器４６の
検出信号は制御部２０Ａに入力される。この制御部２０
Ａは画像データ生成部をも備え、生成したデータに基づ
く画像はモニタ４７に映し出される。

【００３１】以上の構成からなる走査型顕微鏡におい
て、試料４１に対してプローブ４を光軸Ｌを中心として
１８０°ずつ毎分７回の速度で正転／逆転させつつ近づ
け、プローブ４の先端から近接場光を発生させると共
に、光センサ１７で反射膜７からの反射光を検出する。
プローブ４にキャピラリーフォースが発生しない場合、
１８０°ずつの回転角度に対して反射光量は図６に示す
とおり規則的に変化し、反射膜７が光センサ１７に正対
する位置で最大値となる。

【００３２】プローブ４の先端を試料４１に近づけてい
くと、約５０ｎｍの距離に近づいてから光センサ１７に
よる反射光量の最大値の検出タイミングに遅れが生じ
た。この位相遅れと、予め制御部２０ＡのＲＯＭに格納
されている図６に示すデータと比較することによりプロ
ーブ４の先端と試料４１との距離を計測することができ
る。光センサ１７からの検出信号はＺ軸駆動装置１１の
駆動にフィードバックされると共に、画像データ生成部
にも転送される。

【００３３】一方、近接場光の試料４１からの反射光は
光検出器４６で検出され、光電変換されて制御部２０Ａ
に送られ、さらに画像データ生成部に転送され、前記位
相遅れ信号や試料４１の位置情報及び近接場光の走査信
号とを合わせて顕微画像データとして生成される。

【００３４】（他の実施形態）なお、本発明に係る近接
場光用プローブ及び近接場光用プローブ応用装置は前記
実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で
種々に変更することができる。

【００３５】特に、光ヘッドや顕微鏡は図２、図４に示
したもの以外に種々の構成を採用することができる。ま
た、距離を計測するためにプローブを正／逆回転させる
角度は、１８０°に限らず、任意の角度に設定すること
ができる。光ファイバの捻れの悪影響が出ないのであれ
ば、３６０°回してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプローブの種々の形状を示す断面
図。

【図２】本発明に係る応用装置の第１実施形態である光
ヘッドを示す概略構成図。

【図３】前記光ヘッドにおけるプローブの回転位相遅れ
量の変化を示すグラフ。

【図４】本発明に係る応用装置の第２実施形態である走
査型顕微鏡を示す概略構成図。

【図５】前記走査型顕微鏡における反射光量検出手段を
示す斜視図。

【図６】前記走査型顕微鏡におけるプローブの回転位相
角度に対する反射光量の変化を示すグラフ。

【符号の説明】

１，２，３，４…近接場光用プローブ ７…光反射膜 １１…Ｚ軸駆動装置 １２…回転駆動装置 １３…負荷センサ（電流計） １７…光センサ ２０、２０Ａ…制御部 ３１，４１…対象物 Ｌ…光軸

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光軸に対する直交断面形状が光軸を中心
   とする真円以外の形状であることを特徴とする近接場光
   用プローブ。
2. 【請求項２】 光軸に対する直交断面形状が略長方形状
   であることを特徴とする請求項１記載の近接場光用プロ
   ーブ。
3. 【請求項３】 光軸に対する直交断面形状が光軸を中心
   とする真円以外の形状である近接場光用プローブと、 前記プローブを対象物に対して接離させる第１の駆動手
   段と、 前記プローブをその光軸を中心として回転させる第２の
   駆動手段と、 前記プローブの回転状態を検出する検出手段と、 前記検出手段の検出結果に基づいて前記プローブと対象
   物との間隔を計測する計測手段と、 を備えたことを特徴とする近接場光用プローブ応用装
   置。
4. 【請求項４】 前記計測手段による計測結果に応じて前
   記第１の駆動手段を制御し、前記プローブと対象物との
   間隔を所定の値に維持する制御手段を備えたことを特徴
   とする請求項３記載の近接場光用プローブ応用装置。
5. 【請求項５】 前記第２の駆動手段は前記プローブを正
   転方向及び逆転方向にそれぞれ所定の角度ずつ回転させ
   ることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の近接場
   光用プローブ応用装置。
6. 【請求項６】 前記検出手段は、プローブの側面に取り
   付けた光反射膜からの反射光を検出する光センサである
   ことを特徴とする請求項３、請求項４又は請求項５記載
   の近接場光用プローブ応用装置。
7. 【請求項７】 前記検出手段は、前記第２の駆動手段の
   負荷を検出する負荷センサであることを特徴とする請求
   項３、請求項４又は請求項５記載の近接場光用プローブ
   応用装置。