JP4989764B2 - 超高分解能走査光学測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、走査光学測定装置に係り、さらに詳細には、被検体の相対的に広い面積を、高速でスキャニングすると共に、所望の局所領域を高分解能で観察できる超高分解能走査光学測定装置に関する。

生体やｎｍ単位の微細素子構造、または表面の形状を観測するための器具として使われる光学顕微鏡は、光で物体を観測するために、回折限界現象によって分解能に限界がある。すなわち、大きさが光の波長の１／２以下である物体は、光学的に観測できなくなる。このような回折限界を克服し、光学的特性の測定を波長よりもはるかに小さいレベルで行うことができる近接場光学顕微鏡が登場することになった。近接場光学顕微鏡では、光の波長より小さい開口を通過した光が、この開口の大きさと類似した距離にある被検物質を照射するが、被検物質の表面から光の波長より小さい距離内にある近接場は、回折を起こさない現象を利用したものである。従って、近接場光学顕微鏡の分解能を向上させるためには、開口の大きさを小さくし、開口と被検物質の表面との間の距離を縮める努力を行わねばならない。

このような近接場光学顕微鏡に使われる近接場光学探針（near field optical probe）として、最も周知であるものは、図１に図示されているような光ファイバ近接場光学探針１００である。光ファイバ近接場光学探針１００は、光ファイバ１０２に熱を加えて細く伸ばしたり、または化学薬品でエッチングし、一方の端部を、数十ないし数百ｎｍの大きさを有するように作る。そして、前記光ファイバ１０２の外部面への光漏れを防止するために、金属膜１０４を蒸着し、終端部に数十ないし数百ｎｍの径を有する開口１０５を形成する。未説明符号である１０３は、近接場を示す。

このような光ファイバ近接場光学探針を利用し、ナノ構造の被検物質１０６の光学的特性を測定するために、前記光ファイバ近接場光学探針１００を、前記被検物質１０６から数ないし数十ｎｍ範囲まで近接させた後、被検物質表面に対して光を走査しつつ、各走査ポイントでの反射された光信号を測定し、それら光信号を総合して全体映像を得る。

探針を、被検物質にｎｍ距離まで接近させるために、水晶振動子１１０に光ファイバ探針１００を付着させた後、ピエゾ（piezo）振動子１１３を利用し、一定の周波数に前記水晶振動子１１０を振動させる。そして、ロックイン（lock-in）増幅器１１５を利用し、ピエゾ振動子１１３に振動信号を印加する。探針１００と被検物質１０６との距離変化によって、水晶振動子１１０から検出される信号が変化する。この信号を検出し、探針１００と被検物質１０６との距離を調節する。

検出された信号は、ロックイン増幅器１１５と比例積分器１１７とを介して、フィードバック信号としてピエゾ・トランスレータ１２０に提供され、この信号を利用し、前記ピエゾ・トランスレータ１２０の移動量を補正する。

近接場走査光学探針が被検物質の表面を走査するとき、被検物質表面の微小変化によって、水晶振動子１１０の検出信号が変化し、このような検出信号の変化を利用し、被検物質表面の精密な高さ情報を得ることができる。

しかし、生物学的有機物や、光学的な位相情報を有している被検物質の分析のためには、被検物質を通過する光を分析するのが望ましい。例えば、探針から照射された光を被検物質に通過させた後、探針の反対方向で光度分布を得ることができる。

しかし、光学探針を介して光を照射するとき、探針の終端に達した光の密度が増大し、探針周囲にコーティングされた金属膜を溶かすようになり、それによって開口が大きくなって、数十ｎｍサイズの開口としての役割を喪失することがありうる。一方、探針周囲にコーティングされた金属層が溶けることを防止するために、光ファイバを介して入射させる光量を減らせば、検出される信号対ノイズ比が相対的に低下することになり、分解能が落ちるという問題がある。

本発明は被検体の相対的に広い面積を高速でスキャニングすると共に、所望の局所領域を高分解能で観察できる超高分解能走査光学測定装置を提供する。

本発明の一実施形態によれば、光源と、前記光源から照射された光を集束させる第１レンズと、前記第１レンズの次に配される第１ピンホールと、前記第１ピンホールを通過した光を発散させる第２レンズと、前記第２レンズを通過した光を走査するための走査ユニットと、前記第２レンズと走査ユニットとの間に配された第１ビームスプリッタと、前記走査ユニットから出てきた光を第１経路上に配させるものであり、被検体をスキャニングするためのスキャニング・ユニットと、前記スキャニング・ユニットを通過した光を被検体に集束するための対物レンズと、前記被検体が置かれるスライドと、前記光源から照射された後、前記被検体を通過した光を反射させる光学探針と、前記スキャニング・ユニットと対物レンズとの間に配された第２ビームスプリッタと、前記被検体と前記光学探針とから反射され、前記第１ビームスプリッタを経由した光を検出するための第１光検出器と、前記第１ビームスプリッタと第１光検出器との間に配された第２ピンホールと、前記被検体と前記光学探針とから反射され、前記第２ビームスプリッタを経由した光を検出するための第２光検出器とを含む走査光学測定装置を提供する。

前記スキャニング・ユニットは、ガルバノミラーを含むことができる。

前記走査光学測定装置は、前記第１ビームスプリッタと第２レンズとの間に配された第１ミラーと、前記スキャニング・ユニットと第２ビームスプリッタとの間に配された第２ミラーと、前記第１ミラーと第２ミラーとが装着され、第１ミラーと第２ミラーとを移動させることができるフリップ・マウントとを含むことができる。

前記光学探針は、被検体の近接場内に配されうる。

前記第２光検出器は、前記被検体の表面から反射された光と前記光学探針から反射された光とが干渉を起こして生じた干渉光を検出する。

前記被検体を通過した光が光学探針から反射される領域は、光源から照射される光の波長より小さいサイズを有する。

前記スライドは、ナノスライドでありうる。

図１は従来の走査光学測定装置の概略的な構成図を示した図面である。 図２は本発明の一実施形態による走査光学測定装置を示した図面である。 図３は本発明の他の実施形態による走査光学測定装置を示した図面である。 図４は本発明による走査光学測定装置に備わったナノスライドの例を図示した図面である。

以下、本発明の望ましい実施形態による走査光学測定装置について、添付された図面を参照しつつ詳細に説明する。

本発明の一実施形態による走査光学測定装置は、図２を参照すれば、光を照射する光源１と、被検体Ｐが置かれるスライド２０と、前記光源１から出射されて被検体Ｐを通過した光を反射させる光学探針２２とを含む。前記光源１とスライド２０との間の光路上に、入射光を分離する第１ビームスプリッタ３０と第２ビームスプリッタ１６とが配される。前記光源１と前記第１ビームスプリッタ３０との間には、光源１から照射された光を集束するための第１レンズ５と、前記第１レンズ５の次に配される第１ピンホール７と、前記第１ピンホール７を通過した光を発散させる第２レンズ９とが配されうる。

前記第１レンズ５で集束された光は、第１ピンホール７を通過して発散され、第２レンズ９に入射する。第２レンズ９を通過した光は、前記第１レンズ５に入射される光の断面径より大きい直径を有する。前記光源１としては、例えば、６５０ｎｍ波長帯域、４８０ｎｍ波長帯域、または３５０ｎｍ波長帯域の光を出力するレーザが使われうる。例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、Ａｒレーザ、またはＨｅ−Ｃｄレーザが使用可能である。前記第１ビームスプリッタ３０は、ダイクロイックミラーで代替されることも可能である。一方、前記光源１と第１レンズ５との間には、シャッタ３がさらに備わりうる。前記シャッタ３は、白色光源を使用する場合、白色光とレーザビームとを同時に見たり、または別々に見るときに、レーザビームを通過または遮断するために使われうる。

前記第１ビームスプリッタ３０と第２ビームスプリッタ１６との間には、光をスキャニングするためのスキャニング・ユニット３４が備わる。前記スキャニング・ユニット３４は、光源１から照射された光を、前記被検体Ｐにスキャニングし、高速で被検体Ｐの広い面積を観察できるようにする。スキャニング・ユニット３４としては、例えば、ガルバノ（Galvano）ミラー３５，３６が備わりうる。前記第２ビームスプリッタ１６とスライド２０との間には、対物レンズ１８が備わり、前記スライド２０を通過した光の経路上に、光学探針２２が備わる。

前記光源１から出射され、第１ビームスプリッタ３０とスキャニング・ユニット３４と対物レンズ１８とを経て、スライド２０上の被検体Ｐで反射された後、前記第１ビームスプリッタ３０側に戻ってきた光を検出するために、第１光検出器４９が、前記第１ビームスプリッタ３０の後経路（back-path）に備わる。前記スライド２０上の被検体Ｐで反射された光と、光学探針２２で反射された光とが干渉された光を検出するために、第２光検出器２６が、第２ビームスプリッタ１６の後経路に備わる。ここで、後経路とは、光源１から出射され、前記被検体Ｐで反射された光が、第１ビームスプリッタと第２ビームスプリッタとを介して、最初の経路と異なる経路に進む経路をいう。

前記第１ビームスプリッタ３０と第１光検出器４９との間には、第２ピンホール４８が備わる。前記第２ピンホール４８は、焦点が合わない光を遮断し、焦点が一致する部分の光のみを第１光検出器４９に結ばせて解像度を向上させる。第１光検出器４９としては、ＰＭＴ（photo multiplication tube）が使われうる。前記第２ピンホール４８と第１ビームスプリッタ３０との間には、レンズ４７とフィルタ４６とがさらに備わりうる。前記フィルタ４６は、光量を調節するためのＮＤ（neutral density）フィルタであったり、蛍光を見るときにさまざまな波長の蛍光が共に出てくることがあるが、そのうち特定波長の光だけを通過させるバンド・パスフィルタが使われうる。

前記第１ビームスプリッタ３０とスキャニング・ユニット３４との間の光路上に、光路を変換するための第１光路変換ユニット３２が備わりうる。このような光路変換ユニットは、光学システムの幾何学的配置のために、選択的に備わりうる。一方、前記第２レンズ９を通過した光の経路を変換するための第２光路変換ユニット１５がさらに備わりうる。前記第２光路変換ユニット１５は、前記第１ビームスプリッタ３０と第２レンズ９との間に配された第１ミラー１０、前記スキャニング・ユニット３４と第２ビームスプリッタ１６との間に配された第２ミラー１４、前記第１ミラー１０と第２ミラー１４とが装着され、第１ミラー１０と第２ミラー１４とを移動させることができるフリップ・マウント１２を含んで構成されうる。前記フリップ・マウント１２は、第１ミラー１０と第２ミラー１４とを光軸に位置させたり、光軸から外れるように移動させることができる。

前記第２光路変換ユニット１５が光軸上に配されるとき、前記光源１から出射された光がスキャニング・ユニット３４を経由せずに、直接スライド２０を通過して被検体Ｐに入射される。第２光路変換ユニット１５が光軸から外れるとき、光源１から出射された光は、第１ビームスプリッタ３０、スキャニング・ユニット３４を経て、スライド２０に入射される。

前記スキャニング・ユニット３４と第２ビームスプリッタ１６との間には、少なくとも１つのレンズ３８，３９がさらに備わりうる。

本発明による走査光学測定装置は、前記スキャニング・ユニット３４によって被検体Ｐをスキャニングし、第１光検出器４９を介して被検体Ｐの広い面積を高速で観察できる。そして、第２ピンホール４８を介して、焦点が一致する光のみを第１光検出器４９に受光させて測定することによって、分解能を向上させられる。このように、スキャニングを介して被検体Ｐの広い面積を測定し、所望の特定領域の映像を、前記第２光検出器２６を介して検出する。前記第２光検出器２６は、光源１から出射された光が、第１レンズ５、第１ピンホール７及び第２レンズ９を経て、スライド２０上の被検体Ｐで反射され、光学探針２２で反射された後、干渉された光を検出する。

光学探針２２は、被検体Ｐを通過した光を反射させる反射型探針で構成され、例えば光ファイバから構成されうる。また、光学探針２２は、被検体Ｐに対して、近接場範囲内に位置させる。さらに、光学探針２２の反射領域が、光源１から出射される光の波長より小さいサイズを有するのが望ましい。光学探針２２の反射領域が、使われる光の波長より小さいサイズを有するとき、光学探針２２で反射された光は、点光源としての機能を行える。新しい点光源として作用するために、反射領域から反射された光発生しうる収差問題が解消されうる。また、光学探針２２側には、別途の光源を具備する必要がないために、コストが節減されるだけではなく、装備が簡単になる。

前記光源１から出射された光が対物レンズ１８を通過し、被検体Ｐで反射された第１光と、光学探針２２から反射された第２光とが干渉を起こし、この干渉光は、第２ビームスプリッタ１６で反射され、第２光検出器２６に入射される。前記第２光検出器２６では、干渉光の光量を測定する。被検体Ｐの内部構造や光学的特性によって、干渉光の光量が変わる。光量の変化を検出することによって、例えば、被検体の屈折率変化を測定でき、この屈折率変化による位相情報を知ることができる。

このように、反射型光学探針による干渉光を利用して被検体の特性を測定するために、微細な被検体の形状、または被検体内部構造の変化を、非常に敏感に測定及び観測できる。

一方、前記光学探針２２は、入射光を反射だけではなく、透過させることもできる。従って、前記被検体Ｐを通過した光が、光学探針２２を介して透過されうる。光学探針２２を介して透過された光の光量を、第３光検出器２９を介して測定することによって、被検体Ｐの透過率の変化及び光学的スペクトルを測定できる。それによって、被検体Ｐの吸収率変化を分析することができる。

また、光学探針２２を被検体Ｐに対して近接場範囲内に位置させ、近接場走査顕微鏡の原理によって、被検体Ｐの表面形状を測定できる。前記第２ビームスプリッタ１６と第２光検出器２６との間には、レンズ２４がさらに備わり、光学探針２２と第３光検出器２９との間に、レンズ２８がさらに備わりうる。前記光学探針２２は、第１コントローラ４０によって、局所領域をスキャニングするように制御され、前記スキャニング・ユニット３４は、第２コントローラ４４で制御される。前記第１コントローラ４０及び第２コントローラ４４は、コンピュータ４２によって作動されうる。

図３は、本発明の他の実施形態を図示したものであり、光源５１と、前記光源５１から出射された光を分離させる第１ビームスプリッタ８９と、光をスキャニングするためのスキャニング・ユニット６２と、第２ビームスプリッタ７０と、対物レンズ７２と、被検体Ｐが置かれるスライド７４と、光学探針７６とを含む。

前記光源５１と第１ビームスプリッタ８９との間には、第１レンズ５５、第２レンズ５９、並びに前記第１レンズ５５及び第２レンズ５９間に配された第１ピンホール５７が配される。前記光源５１と第１レンズ５５との間には、シャッタ５３がさらに備わりうる。前記スキャニング・ユニット６２は、第１ミラー６３及び第２ミラー６４を含むガルバノミラーを含むことができる。前記スキャニング・ユニット６２と第２ビームスプリッタ７０との間には、少なくとも１枚のレンズ６６，６８が備わりうる。前記少なくとも１つのレンズは、例えば、スキャンレンズとチューブレンズとを含むことができる。

前記被検体Ｐで反射されて第１ビームスプリッタ８９を経由した光を検出するための第１光検出器８２が備わる。前記第１光検出器８２と第１ビームスプリッタ８９との間には、第２ピンホール８４、レンズ８６、フィルタ８８が備わりうる。前記第２ピンホール８４は、焦点に一致する光をアパーチャを介して通過させ、焦点が合わない光を遮断し、分解能を改善する。次に、前記被検体Ｐで反射された光と、光学探針７６で反射された光とが干渉された光は、第２ビームスプリッタ７０で反射され、第２光検出器８０によって検出される。前記第２ビームスプリッタ７０と第２光検出器８０との間には、レンズ７８がさらに備わりうる。

前記スキャニング・ユニット６２を作動させ、被検体Ｐの広い面積をスキャニングし、スキャニングしつつ得た映像は、第１光検出器８２で検出できる。干渉光を利用する第２光検出器では、被検体に係わるさらに詳細な情報を得ることができる。第２光検出器８０で被検体の光学情報を得るときには、前記スキャニング・ユニット６２を作動させない。また、前記光学探針７６を制御するための第１コントローラ９０、前記スキャニング・ユニット６２を制御するための第２コントローラ９４が備わり、前記第１コントローラ９０及び第２コントローラ９４は、コンピュータ９２によって作動されうる。

図４は、スライド７４’の一例を図示したものであり、ベース９３にｎｍ単位の幅を有する開口９５が形成され、少なくとも前記開口９５を覆うｎｍ単位厚を有するスライド板９４が備わる。

前記ベース９３には、上部へ行くほどその幅が狭くなる貫通ホール９７が形成され、この貫通ホール９７の上部に、開口９５が、下部には、前記開口９５より広い入口９６が形成される。前記貫通ホール９７は、例えば、截頭ピラミッド型によって形成されうる。

前記スライド板９４は、少なくとも前記開口９５を覆うように、前記ベース９３上に形成されて、光学的に透明な材質から形成される。例えば、前記スライド板９４は、Ｓｉ_３Ｎ_４材質から形成され、ｎｍ単位厚を有する。ナノスライドを利用する場合、分解能が改善され、前記スライド板９４の内側または外側の側に被検体を置いて観察できる。スライド板の外側に被検体を載せ、光学探針を利用して被検体の表面に沿って動かしつつ、表面情報と位相情報とを共に得ることができる。

Claims (7)

1. 光源と、
   前記光源から照射された光を集束させる第１レンズと、
   前記第１レンズの次に配される第１ピンホールと、
   前記第１ピンホールを通過した光を発散させる第２レンズと、
   前記第２レンズを通過した光を走査するためのスキャニング・ユニットと、
   前記第２レンズとスキャニング・ユニットとの間に配された第１ビームスプリッタと、
   前記スキャニング・ユニットを通過した光を被検体に集束するための対物レンズと、
   前記被検体が置かれるスライドと、
   前記光源から照射された後、前記被検体を通過した光を反射させる光学探針と、
   前記スキャニング・ユニットと対物レンズとの間に配された第２ビームスプリッタと、
   前記被検体から反射され、前記第１ビームスプリッタを経由した光を検出するための第１光検出器と、
   前記第１ビームスプリッタと第１光検出器との間に配された第２ピンホールと、
   前記被検体と前記光学探針とから反射され、前記第２ビームスプリッタを経由した光を検出するための第２光検出器とを含む走査光学測定装置。
2. 前記スキャニング・ユニットは、ガルバノミラーを含むことを特徴とする請求項１に記載の走査光学測定装置。
3. 前記第１ビームスプリッタと第２レンズとの間に配された第１ミラーと、
   前記スキャニング・ユニットと第２ビームスプリッタとの間に配された第２ミラーと、
   前記第１ミラーと第２ミラーとが装着され、第１ミラーと第２ミラーとを移動させることができるフリップ・マウントとを含むことを特徴とする請求項１に記載の走査光学測定装置。
4. 前記光学探針は、被検体の近接場内に配されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のうち、いずれか１項に記載の走査光学測定装置。
5. 前記第２光検出器は、前記被検体の表面から反射された光と、前記光学探針から反射された光とが干渉を起こして生じた干渉光を検出することを特徴とする請求項１ないし請求項３のうち、いずれか１項に記載の走査光学測定装置。
6. 前記被検体を通過した光が光学探針から反射される領域は、光源から照射される光の波長より小さいサイズを有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のうち、いずれか１項に記載の走査光学測定装置。
7. 前記スライドは、ナノスライドであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のうち、いずれか１項に記載の走査光学測定装置。

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