JP2002031591A

JP2002031591A - 近接場光学顕微鏡装置

Info

Publication number: JP2002031591A
Application number: JP2000216432A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Kawakami; 養一川上; Koichi Okamoto; 晃一岡本; Akio Kaneda; 昭男金田; Shigeo Fujita; 茂夫藤田
Original assignee: Kansai Technology Licensing Organization Co Ltd
Current assignee: Kansai Technology Licensing Organization Co Ltd
Priority date: 2000-07-17
Filing date: 2000-07-17
Publication date: 2002-01-31
Anticipated expiration: 2020-07-17
Also published as: JP4614296B2

Abstract

(57)【要約】【課題】励起エリア外の発光を検出することができる
近接場光学顕微鏡装置を提供する。【解決手段】レーザ光源からのレーザ光を光源側光フ
ァイバで試料表面に導き、ファイバ先端の近接場光によ
って試料の微小領域を励起する。励起された試料表面で
は、電子、キャリア、励起子が発生し、励起エリアで発
光するとともに、発生した電子、キャリア、励起子が励
起エリア外に流れ出し、励起エリア外でも発光する。前
記光源側光ファイバ先端から離間した位置の試料表面に
向けて先端が配置される受光側光ファイバで発光を受光
することによって、励起エリアとは異なる位置の試料表
面の発光を観測することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料と十分小さな
開口とを近接させ、開口からの近接場光によって試料を
観測する近接場光学顕微鏡装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光学顕微鏡における空間分解能の限界
は、光が開口を通過する際の回折現象によって決まり、
波長をλ、開口数をＮとすると、分解能は０．６１λ／
Ｎとなる。そのため、通常の光学顕微鏡ではミクロン程
度、走査型レーザ顕微鏡でも、サブミクロン程度の空間
分解能しか得ることができない。

【０００３】それに対し、最近、光の回折限界を超えた
分解能をもつ近接場光学顕微鏡装置が開発されている。
近接場光学顕微鏡装置は、光の波長λより充分に小さい
開口を有するプローブから取出された近接場光を試料に
照射し、試料からの散乱光や発光を集光し、分光検出す
るものである。光の波長λよりも充分近い距離に試料を
近づけることにより分解能の向上を図っている。

【０００４】試料と開口とが接近した部分は近接場と呼
ばれ、開口径を光の波長λ以下にすると、近接場におい
てエバネッセント光と呼ばれる近接場光が発生する。近
接場光の分布は、近接場光によって励起された対象物か
ら数十ｎｍ程度の領域に限られている。近接場光が発生
する状態を保持しつつ、開口部が試料表面上を走査する
ことにより〜１００ｎｍ程度の超高空間分解能を実現す
ることができる。

【０００５】たとえば、特開平１１−１０１８０８号に
は、微小開口のファイバプローブを用いた近接場光学顕
微分光測定装置が開示されている。この装置は、被測定
物表面にエバネッセント光を発生させる励起光を照射す
る手段と、エバネッセント光の場へプローブを侵入させ
ることにより発生する被測定光を集光する手段と、集光
手段により集光された光を、その波長毎に分光する手段
と、分光手段により得られる分光光を検出する手段とか
ら成り、検出手段が各波長の分光光を同時に検出可能な
マルチチャンネル検出手段であることを特徴としてい
る。

【０００６】以上のような手段が講じられた装置によれ
ば、試料を近接場光の近傍に近づけることで、微小領域
を選択的に励起することができる。その結果、ファイバ
プローブ先端に近接している励起領域における発光を捕
らえることができる。試料表面においてファイバプロー
ブをｘｙ方向に走査することにより、超高空間分解能画
像を得ることができる。

【０００７】また、特開平５−１６４９６８号には、開
口部を複数個もつ微小開口アレイを有する近接場光学顕
微鏡装置が開示されている。この装置は、マイクロマシ
ニング加工によって開口部が複数個形成された微小開口
アレイと、各開口部に対向させて配置された複数の増幅
型光電素子から成る光電アレイとが一体に形成されたセ
ンサユニットと、センサユニットに対向配置される試料
との距離が近接場となるように距離を制御する手段と、
センサユニットと試料との対向方向と直交する方向に相
対的に移動させて試料を走査する手段と、その走査に同
期させてセンサユニットの各増幅型光電素子から出力さ
れる信号を表示する手段を有するものとしている。

【０００８】以上のような手段が講じられた装置によれ
ば、センサユニットの開口部と試料とが距離制御手段に
よって近接し、近接場光が試料光として各開口部に入射
する。これによりセンサユニットの各増幅型光電素子か
らは各々対応する開口部に入射した試料光に応じた信号
が増幅されて出力される。これら各出力信号は表示手段
により、走査手段による試料走査に同期して、試料像と
して表示される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】特開平１１−１０１８
０８号に示されている近接場光学顕微分光装置では、同
一ファイバプローブにより励起、検出を行っている。こ
の方式では、微小領域を選択的に励起することが可能で
ある。しかし、ファイバプローブ先端に近接している励
起エリアにおける発光現象しか据えることができず、励
起エリ外の発光現象は観測不可能である。

【００１０】試料が光材料の場合、励起エリアにおい
て、電子・正孔（キャリア）あるいはそれらが結合した
励起子が発光するが、励起エリアにおいて発生した電
子、キャリア、励起子の多くは拡散によって励起エリア
外に流れ出し、他の場所において発光する。これらの励
起エリアから流れ出したキャリアのダイナミクスは、材
料の光機能・光物性に大きな影響を及ぼすため、光・電
子デバイス開発において非常に重要な過程であるが、特
開平１１―１０１８０８号の従来技術では、励起エリア
外の発光を観測することができなかった。

【００１１】また、特開平５−１６４９６８号に示され
ている近接場光学顕微鏡装置では、微小開口アレイを薄
膜上の試料上面に配置し、試料の下方から、試料下面前
面に均等に光を照射し、上面の微小開口アレイの各開口
を介して、試料上面からの光を個別に光電素子で受光す
るように構成されている。つまり、光は試料全面に照射
され、それを複数箇所で受光するように構成されてい
る。このような構成によって高Ｓ／Ｎ比、高速走査を実
現できる。しかし、微小領域を選択的に励起することが
不可能であり、さらに、励起エリア外に流れ出すキャリ
ア、励起子の発光を観測することも不可能である。

【００１２】本発明の目的は、励起エリア外での発光を
検出することができる近接場光学顕微鏡装置を提供する
ことである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明
は、光源からの光を試料表面に導く光源側導光手段を有
し、光源側導光手段先端の近接場光によって試料の微小
領域を照射し、照射された試料からの光を受光して試料
を観測する近接場光学顕微鏡装置において、前記光源側
導光手段先端から、試料表面に沿う方向に離間した位置
の試料表面に向けて先端が配置され、試料からの光を導
く受光側導光手段を有し、光源側導光手段で照射された
位置とは異なる位置からの光を観測可能な近接場光学顕
微鏡装置である。

【００１４】図１は、本発明の概要を示す図である。光
源側導光手段で試料を励起すると、励起場所において、
電子・正孔（キャリア）あるいはそれらが結合した励起
子が発光するとともに、電子、キャリア、励起子の多く
は拡散によって励起エリア外に流れ出し、他の場所にお
いて発光する。

【００１５】本発明では、光源側導光手段とは別に、試
料の発光を受光する受光側導光手段を備え、この受光側
導光手段は、光源側導光手段先端から離間した位置の試
料表面に向けて先端が配置されるので、拡散によって励
起エリア外に流れ出し、励起エリア外での発光を観測す
ることができる。

【００１６】請求項２記載の本発明は、前記受光側導光
手段が複数設けられることを特徴とする。

【００１７】本発明に従えば、受光側導光手段が複数設
けられることによって、試料表面の複数箇所での発光を
同時に観測することができる。

【００１８】請求項３記載の本発明は、前記受光側導光
手段先端が、試料表面で移動可能に設けられることを特
徴とする。

【００１９】本発明に従えば、受光側導光手段を移動可
能とすることによって、たとえば受光側導光手段を試料
表面上でスキャンすることで、１本の受光側導光手段
で、試料全面の発光を観測することができる。

【００２０】請求項４記載の本発明は、入射された光を
分光する分光器と、入射した２次元像を検出するイメー
ジセンサーとを有し、複数の受光側導光手段の先端を、
２次元マトリクス状に試料表面に配置し、受光側導光手
段の反対側端部を一列に配置し、一列に配列された反対
側端部からの光を分光器によって配列方向に垂直な方向
に分光し、２次元状にイメージセンサーに出射し、試料
表面の複数位置で受光した光の発光スペクトルを観測可
能としたことを特徴とする。

【００２１】図１８は、光学顕微鏡、ストリークカメラ
を用いた時間・空間・波長分解計測の原理を示す図であ
る。ストリークカメラは、検出光をまず分光器で分光し
て波長分解する。波長分解した光を光電板に照射し、光
電子に変換する。光電板からの光電子を掃引電極間を通
過させる。掃引電極は、電子が掃引電極間を通過すると
き、時間経過にしたがって極板間電圧が変化するように
高速掃引電圧が印加され、これによって掃引電極間を通
過する時間に応じて、光電子の移動経路が偏向する。

【００２２】受光した光は、分光器によって横方向に広
がり、この広がった光が光電板で光電子に変換され、掃
引電極によって縦方向に広がる。このようにして２次元
平面状に広がった光電子がイメージセンサーによって画
像として検出される。この検出画像は、横方向が発光ス
ペクトルを示し、縦方向が光の強度の時間変化（タイム
プロファイル）を示す。

【００２３】このように、ストリークカメラにおいて
は、一本の光ファイバが受光した光を波長分解および時
間分解するが、これを、たとえば２次元マトリクス（行
列）状に配置された複数の受光側導光手段を用いる本発
明に適用しようとすると、各受光側導光手段毎にストリ
ークカメラを設けねばならず、コストが非常に高くなる
といった問題を有する。

【００２４】それに対し、請求項４記載の本発明では、
先端が試料表面で２次元マトリクス状に配置された受光
側導光手段の反対側端部を一列に配置し、たとえば横方
向に広げ、この端部からの光を分光して縦方向に広げる
ことによって、２次元状にイメージセンサーに出射し、
これによって、試料表面の複数位置での検出光のスペク
トル分布を観測することができる。このようにして、一
つの分光器やイメージセンサーで複数箇所の発光スペク
トルを観測でき、低コストで波長分解可能な近接場光学
顕微鏡を実現することができる。

【００２５】請求項５記載の本発明は、入射された光の
強度に応じて生じた光電子を、通過時に応じて偏向させ
る偏向手段と、入射した２次元像を検出するイメージセ
ンサーとを有し、複数の受光側導光手段の先端を、２次
元マトリクス状に試料表面に配置し、受光側導光手段の
反対側端部を一列に配置し、一列に配列された各反対側
端部からの光を前記偏向手段で配列方向に垂直な方向に
偏向し、２次元状にイメージセンサーに出射することに
よって、試料表面の複数位置で受光した光の強度の時間
変化を観測可能としたことを特徴とする。

【００２６】本発明に従えば、上記した請求項４と同様
に、先端が試料表面でマトリクス状に配置された受光側
導光手段の反対側端部を一列に配列してたとえば横方向
に広げ、掃引電極などの偏向手段で縦方向に広げること
によって、２次元状にイメージセンサーに出射する。こ
れによって、試料表面の複数位置での検出光を時間分解
して観測することができる。

【００２７】このようにして、一つの偏向手段やイメー
ジセンサーで複数箇所での検出光のタイムプロファイル
を観測でき、低コストで時間分解可能な近接場光学顕微
鏡を実現することができる。

【００２８】請求項６記載の本発明の前記受光側導光手
段は、複数の微小開口が形成され、試料表面上に配置さ
れ、各開口の開閉を個別に制御する微小開口アレイを有
することを特徴とする。

【００２９】微小開口アレイの各開口の開閉を個別に制
御することによって、検出場所を任意に選択することが
可能である。

【００３０】

【発明の実施の形態】図２は、本発明の実施の一形態で
ある近接場光学顕微鏡装置１の構成を示すブロック図で
ある。近接場光学顕微鏡装置１は、検針５を用いて試料
４を、１００ｎｍ程度の超空間分解能で観測する装置で
ある。試料４としては、たとえばＬＥＤ（発光ダイオー
ド）やＬＤ（レーザダイオード）などの光、電子デバイ
スであり、具体例としては、ＧａＡｓ，ＧａＮなどの化
合物半導体が挙げられる。

【００３１】本実施形態の検針５は、導光手段である光
ファイバを２本有し、一本は光源であるレーザ光源２か
らのレーザ光を導く光源側光ファイバ６であり、もう一
本は、試料４の発光を受光し、光検出系８に導く受光側
光ファイバ７である。

【００３２】光ファイバ６，７は、先を鋭く尖らせ、先
端の開口は、数１０〜１００ｎｍ程度である。光源側光
ファイバ６にレーザ光を導入すると、先端から、開口の
直径と同程度の範囲に近接場光が発生し、この近接場光
近傍に試料４を近づけると、試料表面で電子、キャリ
ア、励起子が発生し、試料４が発光する。

【００３３】光源側光ファイバ６と、受光側光ファイバ
７とは所定距離、たとえば数μｍ程度離間して配置され
ており、受光側光ファイバ７も光源側光ファイバ６と同
距離、試料４に近接させる。光源側光ファイバ６で励起
された試料４は、励起エリアで発光するとともに、励起
エリア外に電子、キャリア、励起子が流れ出し、励起エ
リア外でも発光する。励起エリアでの発光は、光源側光
ファイバ６で受光され、励起エリア外に流れ出し、受光
側光ファイバ７の下での発光は、受光側光ファイバ７で
受光される。

【００３４】レーザ光源２からのレーザ光はハーフミラ
ー３を介して光源側光ファイバ６に導かれて先端から照
射され、光源側光ファイバ６で受光した光は、ハーフミ
ラー３で反射して光検出系８に導かれる。受光側光ファ
イバ７で受光した光も光検出系８に導かれる。

【００３５】光検出系８は、分光器、ＣＣＤ（Charge C
oupled Device）カメラなどのイメージセンサーを有す
るストリークカメラからなり、受光した光の発光スペク
トルおよびタイムプロファイルを観測する。このように
して、本実施形態の顕微鏡装置１では、励起エリアだけ
でなく、励起エリア外での試料４の発光も観測すること
ができる。

【００３６】また、２本の光ファイバを有する検針とし
ては、たとえば図３に示すように、離間距離の異なる複
数種類の検針（図３では、離間距離ｘ１，ｘ２，ｘ３の
３種類の検針の例を示す）を用いることによって、励起
エリアから異なる複数距離離れた位置の発光を観測する
ことができる。

【００３７】図４は、光照射位置ｘ０，および光照射位
置ｘ０から距離ｘ１、距離ｘ２離れた位置で検出した光
の光学検出系８での観測結果を示し、グラフは位置ｘ
０，ｘ１，ｘ２での発光スペクトル、およびタイムプロ
ファイルの例を示す。このように本発明では、光源側光
ファイバで励起される励起エリアの観測だけでなく、励
起エリア外も観測することが可能である。なお、光照射
位置であるｘ０の位置での検出結果は、従来技術と同じ
であり、光照射位置から離間した位置で検出できること
が本発明の特徴である。

【００３８】また、励起させるレーザ光は、連続光であ
ってもよく、フェムト秒オーダの極短パルス光であって
もよい。しかし、図４に示す、スペクトルを計測する際
には連続光でもパルス光でもどちらでもよいが、タイム
プロファイルを計測する際には、パルス光でなければな
らない。また、観測する試料は、半導体材料に限らず、
有機材料であってもよく、たとえば生体細胞の観測にも
適用することができる。一例としては、神経細胞中にお
ける神経伝達物質や電気信号のダイナミクスの観測に適
用することができる。また、本実施形態では、光源側光
ファイバ６および受光側光ファイバ７の両方で検出する
ように構成したが、本発明はこれに限らず、受光側光フ
ァイバ７のみで受光するように構成してもよい。また、
本実施形態では、試料の表面側から照射し、この表面側
で、照射位置から試料表面に沿う方向に離間した位置で
の発光を検出するように構成したが、本発明はこれに限
らず、光源側光ファイバで試料の裏側から照射し、受光
側光ファイバで、試料の表側から、照射位置から試料表
面に沿う方向に離間した位置（ｘｙ方向に離間した位
置）で検出するように構成してもよい。

【００３９】図５は、光源側光ファイバ６を有する固定
側検針１０を固定し、受光側光ファイバ７を有する移動
側検針１１をｘｙ方向に走査可能に構成した本発明の他
の実施形態の近接場光学顕微鏡装置の検針先端部を示す
図である。この顕微鏡装置では、レーザ光を照射して測
定する毎に、移動側検針１１をxy方向に移動させて試料
表面をスキャンし、検出位置を変えることによって、試
料の全表面を観測することが可能となる。

【００４０】図６は、光ファイバアレイを用いた本発明
のさらに他の実施形態の近接場光学顕微鏡装置の光ファ
イバアレイを示す図である。この顕微鏡装置では、複数
の光ファイバの先端側を図６に示すように２次元マトリ
クス（行列）状に配置する。そのうち、たとえば中央の
一本の光ファイバを光源側光ファイバとし、その他の光
ファイバを受光側光ファイバとし、受光側光ファイバか
らの光をＣＣＤカメラなどのイメージセンサーで検出す
る。これによって、一度に試料表面を観測することがで
きる。

【００４１】図７は、光ファイバアレイを用いた顕微鏡
装置での観測結果を示す図である。検出光を分光器で分
光することによって試料表面のエネルギー分布画像を得
ることができ、また、ＣＣＤカメラの電子シャッタなど
で、微小時間ごとの試料像を撮像することによって、試
料表面の発光の時間変化を観測することができる。図７
の上の図は、観測した試料表面のエネルギーを、時間分
解して示す図であり、たとえば検出光を所定の周波数ご
とに分けて表示し、これら周波数毎の時間変化を示した
ものであり、図７の下の図は、周波数ごとに分けず、検
出光全ての時間変化を示す図である。

【００４２】なお、この例では、中央の光ファイバのみ
を光源側光ファイバとし、他の全ての光ファイバを受光
側光ファイバとしたが、本発明はこれに限らず、任意の
一本、または複数の光ファイバを光源側光ファイバとし
てもよく、また光源側光ファイバでも受光するように構
成してもよい。

【００４３】上記した顕微鏡装置では、一度に試料表面
のエネルギー分布またはタイムプロファイルを観測する
ことができるが、各光ファイバで検出した光ごとの発光
スペクトルおよびタイムプロファイルを観測するには、
全ての光ファイバごとにストリークカメラを設けなけれ
ばならず、顕微鏡装置のコストが増大してしまう。

【００４４】そこで、次に示す本発明のさらに他の実施
形態の近接場光学顕微鏡装置では、スペクトル観測用カ
メラとタイムプロファイル観測用カメラを用いて、試料
表面の複数箇所で検出した光の発光スペクトルおよびタ
イムプロファイルを観測できるように構成した。

【００４５】この顕微鏡装置では、図６で示したものと
同様の光ファイバアレイを有し、この先端側を、図８に
示すように、２次元マトリクス状に配置し、この先端を
試料表面に向ける。そして、光ファイバアレイの反対側
端側を一列に配列する。

【００４６】図９は、スペクトル観測用カメラの測定原
理を示す図である。スペクトル観測用カメラは、分光器
１６とイメージセンサー１７とを有し、一列に配列され
た光ファイバアレイの反対側端部からの光を、図９に示
すように分光器１６で分光する。これによって横方向に
一列に配列される光ファイバからの光が縦方向に広がっ
て２次元状に広がる。そして２次元状に広がった光をＣ
ＣＤなどのイメージセンサー１７で検出する。すると、
図１０に示すように、各列が、光ファイバ一本ごとの検
出光の発光スペクトルとして検出される。このようにし
て、複数箇所での検出光の発光スペクトルを一台のカメ
ラで観測することができる。

【００４７】図１１は、タイムプロファイル観測用カメ
ラの測定原理を示す図である。タイムプロファイル観測
用カメラは、光電板２０、掃引電極２１、およびイメー
ジセンサー２２を有し、一列に配列された光ファイバア
レイの反対側端部からの光を光電板２０に照射する。光
電板２０は、入射した光子数に比例した光電子を放出す
る。掃引電極２１は、光電子が通過するとき、図１２に
示すように、時間経過に比例して極板間電圧が高くなる
ように高速掃引電圧が印加される。掃引電極間を通過す
る光電子は、極板間電圧に比例して通過経路が変化し、
イメージセンサー２２によって検出される。

【００４８】たとえば、図１２で、時刻ｔ１で掃引電極
２１を通過する光電子ｅ１の通過経路が図１３のＡであ
るとすると、同じ光ファイバから出射し、時刻ｔ１より
後の時刻ｔ２に掃引電極２１を通過する光電子ｅ２は、
極板間電圧が、さらに高くなっているので、図１３のＢ
に示すように、通過経路は大きく下に曲がり、イメージ
センサーへの到達位置がさらに下となる。

【００４９】このようにして、横方向に並べられた各光
ファイバからの光が、掃引電極２１によって時間経過に
従って縦方向に広げられてイメージセンサー２２で検出
される。つまり、イメージセンサーで検出された画像
は、縦の各列が、一本の光ファイバからの検出光のタイ
ムプロファイルとなる。

【００５０】このようにして、複数の光ファイバからの
検出光のタイムプロファイルを、１台のカメラで観測す
ることができる。

【００５１】上述した各実施形態では、光源からの光を
導く導光手段、および受光した光を光検出系に導く導光
手段として光ファイバを用いたが、本発明の導光手段
は、光ファイバに限定されるものではない。図１４は、
導光手段の他の形態である、微小開口が複数形成された
微小開口アレイ２５を示す図である。この微小開口アレ
イ２５は、開口アレイ板２６に、数１０〜数１００ｎｍ
程度の微小開口２７をマトリクス状に複数形成し、各開
口に、開口を解放、遮蔽する蓋２８を設け、これらを個
別に制御するように構成した。

【００５２】この微小開口アレイ２５を試料上に配置
し、たとえば任意の二箇所の開口を開放し、一方の開口
にレーザ光を導き、他方の開口から光を検出することに
よって、励起場所や検出場所を任意に選択することが可
能となる。また、一本の光ファイバで任意の発光現象を
観測可能にすることができる。

【００５３】開口２７の蓋２８の開閉は、マイクロマシ
ン技術によって実現され、たとえば図１５に示すように
角変位する全蓋式、半蓋式、スライド変位するシャッタ
式などが考えられる。また、このような蓋式でなく、液
晶シャッタによって微小開口２７の開閉を制御するよう
にしてもよい。

【００５４】このように、微小開口アレイ２５では、任
意の場所の励起、検出ができる装置であるため、たとえ
ばマイクロ光メモリの書き換え、読み込み装置として応
用することが可能である。

【００５５】またさらに、たとえば生体細胞のように試
料に凹凸のある場合、近接場を常に保つために、図１６
に示すような方式が考えられる。前記微小開口アレイ２
５の微小開口部２７を筒２９で構成し、前記微小開口ア
レイと試料表面３０との距離をセンサによって感知し、
試料表面との距離が常に近接場となるように試料表面の
凹凸に応じて微小開口の筒がマイクロマシン技術によっ
て上下するように構成してもよい。

【００５６】また、マルチファイバプローブ３１と微小
開口アレイ２５とを図１７のように組合せることでも同
様のことが可能である。

【００５７】また、本発明のさらに他の実施形態の近接
場光学顕微鏡装置である。パルス光を試料に照射したと
き、試料の発光は照射したパルス光よりも長くなる。し
たがって、検出光をフェムト秒オーダの時間分解能で分
解して観測することによって、試料の性質をより深く観
測することができる。本実施形態の顕微鏡装置は、検出
光をフェムト秒オーダーの高速の時間分解能で観測する
ことができる近接場光学顕微鏡装置である。

【００５８】本顕微鏡装置では、フェムト秒オーダーの
パルス状のレーザ光を、まずゲート光とポンプ光とに分
岐し、ポンプ光を試料に照射する。試料の発光は、受光
側光ファイバまたは微小開口アレイで受光し、光検出系
に導かれるが、その間に、非線形光学素子と所定の周波
数の光のみ通過させる光フィルタが介在され、前記分岐
したゲート光は、非線形光学素子に向けて照射される。

【００５９】つまり、非線形光学素子には、試料からの
光とゲート光とが照射される。非線形光学素子は、ゲー
ト光の周波数と試料からの光の周波数の和周波または差
周波を有する光を発生する。和周波の光を発生する非線
形光学素子としては、たとえばＢＢＯ（β−ＢａＢ
₂Ｏ₄）があり、差周波の光を発生する非線形光学素子と
しては、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）がある。前記光フィ
ルタは、非線形光学素子からの和周波または差周波のみ
を選択的に通過し、通過した光のみが光検出系で検出さ
れる。

【００６０】パルス状のレーザを試料に照射したのち、
試料は、照射したパルスより長い間発光し続けるが、本
実施形態では、試料からの発光は、ゲート光が非線形光
学素子に入射したときのみ検出されるので、フェムト秒
オーダーの時間分解能で切り出した検出光を観測でき
る。また、ゲート光を遅延させることにより、任意の時
間の光を切り出して検出することができる。

【００６１】また、非線形光学素子と光フィルタに代え
て、所定の偏光方向の光のみ透過させる偏光部材と、偏
光方向を変換する偏光方向変換部材とを用いてもよい。

【００６２】たとえば、第一の偏光方向のみ透過させる
第一偏光部材に試料からの光を透過させ、第二の偏光方
向のみ透過させる第二偏光部材にゲート光を透過させ、
第一の偏光方向の光を、第二の偏光方向の光によって、
第三の偏光方向に変換して出力する偏光方向変換部材
を、非線形光学素子に代えて設け、光フィルタに代え
て、第３の偏光方向の光のみを透過させる第三偏光部材
を設ける。

【００６３】このように構成することによって、試料か
らの光は、パルス状のゲート光が偏光方向変換部材に照
射されたときのみ、検出され、これによってフェムト秒
オーダーの時間分解能で観測可能となる。偏光変換部材
は、たとえばＫｅｒｒ効果を発揮するＣＳ₂によって実
現される。

【００６４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、光源側導
光手段とは別に、試料の発光を受光する受光側導光手段
を備え、この受光側導光手段は、光源側導光手段先端か
ら離間した位置の試料表面に向けて先端が配置されるの
で、拡散によって励起エリア外に流れ出し、励起エリア
外での発光を観測することができる。

【００６５】また本発明によれば、受光側導光手段が複
数設けられることによって、試料表面の複数箇所での発
光を観測することができる。

【００６６】また本発明によれば、受光側導光手段を移
動可能とすることによって、たとえば受光側導光手段を
試料表面上でスキャンすることで、１本の受光側導光手
段で、試料全面の発光を観測することができる。

【００６７】また本発明によれば、先端が試料表面で行
列状に配置された受光側導光手段の反対側端部を一列に
配置して２次元状にイメージセンサーに出射することに
よって、一つのイメージセンサーで複数箇所のスペクト
ル分布を観測でき、低コストで波長分解可能な近接場光
学顕微鏡を実現することができる。

【００６８】また本発明によれば、先端が試料表面で行
列状に配置された受光側導光手段の反対側端部を一列に
配置して２次元状にイメージセンサーに出射することに
よって、試料表面の複数位置での検出光を時間分解して
観測することができる。このようにして、一つのイメー
ジセンサーで複数箇所での検出光のタイムプロファイル
を観測でき、低コスト化が図られる。

【００６９】また本発明によれば、微小開口アレイの各
開口の開閉を個別に制御することによって、検出場所を
任意に選択することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の概要を説明する図である。

【図２】本発明の実施の一形態である近接場光学顕微鏡
装置１の構成を示すブロック図である。

【図３】光源側光ファイバと受光側光ファイバとの離間
距離が異なる３種類の検針を示す図である。

【図４】３箇所での検出光の発光スペクトルおよびタイ
ムプロファイルを示す図である。

【図５】受光側光ファイバ７が移動可能な近接場光学顕
微鏡装置の検針先端部を示す図である。

【図６】光ファイバアレイを示す図である。

【図７】光ファイバアレイを用いて撮像したエネルギー
分布画像および時間変化画像を示す図である。

【図８】光ファイバアレイの先端側の配置を示す図であ
る。

【図９】複数個所の検出光の発光スペクトルを観測する
スペクトル観測用カメラの測定原理を示す図である。

【図１０】複数箇所での検出光の発光スペクトルを示す
画像である。

【図１１】複数個所の検出光のタイムプロファイルを観
測するタイムプロファイル観測用カメラの測定原理を示
す図である。

【図１２】掃引電極２１に印加する電圧を示すグラフで
ある。

【図１３】掃引電極間を通過するときの光電子ｅ１，ｅ
２の通過経路Ａ，Ｂを示す図である。

【図１４】微小開口アレイ２５を示す図である。

【図１５】微小開口アレイ２５の蓋２８の開閉方法を示
す図である。

【図１６】凹凸のある試料を観測する場合に、近接場を
常に保つ方法を示す図である。

【図１７】微小開口アレイ２５とマルチファイバプロー
ブ３１とを組み合わせた図である。

【図１８】ストリークカメラの測定の原理を示す図であ
る。

【符号の説明】

１近接場光学顕微鏡装置４試料６光源側光ファイバ７受光側光ファイバ８光検出系２５微小開口アレイ

フロントページの続きＦターム(参考） 2G043 AA03 CA05 EA10 FA01 FA03 GA04 GB01 GB03 GB21 HA01 HA05 JA05 KA08 KA09 LA03 2H052 AA00 AB01 AC04 AC26 AC34 AF06 AF07 AF14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの光を試料表面に導く光源側導
光手段を有し、光源側導光手段先端の近接場光によって
試料の微小領域を照射し、照射された試料からの光を受
光して試料を観測する近接場光学顕微鏡装置において、前記光源側導光手段先端から、試料表面に沿う方向に離
間した位置の試料表面に向けて先端が配置され、試料か
らの光を導く受光側導光手段を有し、光源側導光手段で
照射された位置とは異なる位置からの光を観測可能な近
接場光学顕微鏡装置。
【請求項２】前記受光側導光手段が複数設けられるこ
とを特徴とする請求項１記載の近接場光学顕微鏡装置。
【請求項３】前記受光側導光手段先端が、試料表面で
移動可能に設けられることを特徴とする請求項１または
２記載の近接場光学顕微鏡装置。
【請求項４】入射された光を分光する分光器と、入射した２次元像を検出するイメージセンサーとを有
し、複数の受光側導光手段の先端を、２次元マトリクス状に
試料表面に配置し、受光側導光手段の反対側端部を一列
に配置し、一列に配列された反対側端部からの光を分光
器によって配列方向に垂直な方向に分光し、２次元状に
イメージセンサーに出射し、試料表面の複数位置で受光
した光の発光スペクトルを観測可能としたことを特徴と
する請求項１記載の近接場光学顕微鏡装置。
【請求項５】入射された光の強度に応じて生じた光電
子を、通過時に応じて偏向させる偏向手段と、入射した２次元像を検出するイメージセンサーとを有
し、複数の受光側導光手段の先端を、２次元マトリクス状に
試料表面に配置し、受光側導光手段の反対側端部を一列
に配置し、一列に配列された各反対側端部からの光を前
記偏向手段で配列方向に垂直な方向に偏向し、２次元状
にイメージセンサーに出射することによって、試料表面
の複数位置で受光した光の強度の時間変化を観測可能と
したことを特徴とする請求項１記載の近接場光学顕微鏡
装置。
【請求項６】前記受光側導光手段は、複数の微小開口
が形成され、試料表面上に配置され、各開口の開閉を個
別に制御する微小開口アレイを有することを特徴とする
請求項１記載の近接場光学顕微鏡装置。