JP7444754B2 - プローブ顕微鏡およびプローブ顕微鏡の光軸調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、プローブ顕微鏡およびプローブ顕微鏡の光軸調整方法に関する。

プローブ顕微鏡は、試料表面にプローブを近づけながらカンチレバーを走査して、試料の表面観察または物性計測などを実施する。プローブ顕微鏡は、カンチレバーの背面にレーザを照射し、反射光をフォトディテクタで検出して、カンチレバーの変位を検出する（光てこ方式）。カンチレバーに対するレーザの光軸調整には、カメラにより撮影したカンチレバーの画像が利用される。カメラが撮影する画像では、レーザ光像が大きく広がり、背景光の影響を受ける。そのため、レーザの位置を特定することが困難であり、光軸調整に長時間を要するという問題がある。

特開平９－１４５３１４号公報 特開２０００－３２９７７２号公報

本発明が解決しようとする課題は、光軸調整時間を短縮することができるプローブ顕微鏡およびプローブ顕微鏡の光軸調整方法を提供することである。

（１）プローブ顕微鏡は、カンチレバーと、第１レーザと、撮像装置と、無限遠光学系と、移動機構と、第１回動部と、制御部と、を有する。カンチレバーは、プローブを有する。第１レーザは、カンチレバーに入射する第１レーザ光を出射する。撮像装置は、カンチレバーおよび第１レーザ光の画像を撮影する。無限遠光学系は、カンチレバーと撮像装置との間に形成され、第１レーザ光が入射する。移動機構は、第１レーザ光とカンチレバーとの相対位置を変化させる。第１回動部は、第１レーザを回動して、無限遠光学系に対する第１レーザ光の第１入射角度を変化させる。制御部は、移動機構および第１回動部の動作を制御する。制御部は、無限遠光学系において第１レーザ光から発生する第１ゴースト光の第１ゴースト光像の位置から、第１レーザ光の第１レーザ光像の位置を、撮像装置が撮影した画像において取得する。制御部は、第１レーザ光像の位置がカンチレバーの所定位置に接近するように、移動機構および第１回動部のうち少なくとも一方を駆動する。

（９）プローブ顕微鏡の光軸調整方法は、前述されたプローブ顕微鏡を使用して、第１工程と、第２工程と、を実施する。第１工程では、無限遠光学系において第１レーザ光から発生する第１ゴースト光の第１ゴースト光像の位置から、第１レーザ光の第１レーザ光像の位置を、撮像装置が撮影した画像において取得する。第２工程では、第１レーザ光像の位置がカンチレバーの所定位置に接近するように、移動機構および第１回動部のうち少なくとも一方を駆動する。

第１ゴースト光は、無限遠光学系において発生するので、対物レンズの焦点距離の影響を受けない。撮像装置が撮影した画像には第１ゴースト光像が鮮明に映るので、第１ゴースト光像の位置の特定が容易である。第１ゴースト光は第１レーザ光から発生するので、両者の相対位置には密接な関係がある。第１ゴースト光像の位置を利用することにより、第１レーザ光像の位置が容易に取得される。これにより、光軸調整時間を短縮することができる。

（２）記憶部は、第１ゴースト光像と第１レーザ光像との第１相対位置を第１入射角度の関数として表した第１関係式を記憶する。制御部は、第１関係式に第１入射角度を代入して第１相対位置を取得し、撮像装置が撮影した画像における第１ゴースト光像の位置および第１相対位置から第１レーザ光像の位置を取得する。

（１０）第１工程では、第１ゴースト光像と第１レーザ光像との第１相対位置を第１入射角度の関数として表した第１関係式に第１入射角度を代入して第１相対位置を取得する。第１工程では、撮像装置が撮影した画像における第１ゴースト光像の位置および第１相対位置から第１レーザ光像の位置を取得する。

第１関係式に第１入射角度を代入することにより、第１相対位置が取得される。第１ゴースト光像の位置および第１相対位置に基づいて、第１ゴースト光像の位置が正確に特定される。これにより、光軸調整時間を短縮することができる。

（３）プローブ顕微鏡は、第２レーザと、第２回動部と、をさらに有する。第２レーザは、カンチレバーに入射する第２レーザ光を出射する。第２回動部は、第２レーザを回動して、無限遠光学系に対する第２レーザ光の第２入射角度を変化させる。移動機構は、第１レーザ光および第２レーザ光と、カンチレバーとの相対位置を変化させる。記憶部は、無限遠光学系において第２レーザ光から発生する第２ゴースト光の第２ゴースト光像と、第２レーザ光の第２レーザ光像との第２相対位置を、第２入射角度の関数として表した第２関係式を記憶する。制御部は、撮像装置が撮影した画像から、第１ゴースト光像と第２ゴースト光像とのゴースト光相対位置を取得する。制御部は、第１関係式に第１入射角度を代入して、第１相対位置を取得する。制御部は、第２関係式に第２入射角度を代入して、第２相対位置を取得する。制御部は、ゴースト光相対位置、第１相対位置および第２相対位置から、第１レーザ光像と第２レーザ光像とのレーザ光相対位置を取得する。制御部は、レーザ光相対位置が所定相対位置に接近するように、移動機構、第１回動部および第２回動部のうち少なくとも一つを駆動する。

（４）第１レーザは、カンチレバーの変位計側に使用される計測用レーザ光を出射する計測用レーザである。第２レーザは、カンチレバーの励振に使用される励振用レーザ光を出射する励振用レーザである。
これにより、第１レーザ光および第２レーザ光が所定相対位置に配置され、プローブ顕微鏡の感度が高くなる。したがって、プローブ顕微鏡の精度が向上する。

（５）プローブ顕微鏡は、カンチレバーを支持するレバー支持部をさらに有する。撮像装置が撮影する画像において、第１ゴースト光像がレバー支持部と重なるように、第１ゴースト光像の位置が調整されている。
レバー支持部の表面は一様であるため、第１ゴースト光像がレバー支持部と重なることにより、第１ゴースト光像の視認性が向上する。

（６）プローブ顕微鏡は、撮像装置に撮影される第１ゴースト光を選別する選別部材をさらに有する。
選別された第１ゴースト光像の位置を利用することにより、第１レーザ光像の位置の特定が容易になる。これにより、光軸調整時間を短縮することができる。

（７）制御部は、撮像装置が撮影した画像における複数の第１ゴースト光像の代表位置から、第１レーザ光像の位置を取得する。
複数の第１ゴースト光像の代表位置を利用することにより、第１レーザ光像の位置の特定が容易になる。これにより、光軸調整時間を短縮することができる。

（８）プローブ顕微鏡は、対物レンズと、対物レンズ交換機構と、をさらに有する。対物レンズは、無限遠光学系から出射した第１レーザ光を集光する。対物レンズ交換機構は、対物レンズを交換可能に保持する。
これにより、カンチレバーの種類に応じて、最適な倍率の対物レンズを使用することができる。

プローブ顕微鏡の制御部は、撮像装置が撮影した画像における第１ゴースト光像の位置から第１レーザ光像の位置を取得する。これにより、第１レーザ光像の位置が容易に取得されるので、光軸調整時間を短縮することができる。

実施形態のプローブ顕微鏡の概略構成図。 対物レンズ交換機構の説明図。 第１レーザの移動による第１レーザ光像の挙動の説明図。 第１レーザの回動による第１レーザ光像の挙動の説明図。 第１ゴースト光の発生原理の説明図。 第１レーザの回動による第１ゴースト光像の挙動の説明図。 対物レンズの焦点が合っていない場合の撮影画像。 対物レンズの焦点が合っている場合の撮影画像。 第２レーザの光軸調整の説明図。

以下、実施形態のプローブ顕微鏡およびプローブ顕微鏡の光軸調整方法を、図面を参照して説明する。
（プローブ顕微鏡）
図１は、実施形態のプローブ顕微鏡の概略構成図である。本願において直交座標系のＺ方向、Ｘ方向およびＹ方向が以下のように定義される。Ｚ方向は、対物レンズ１８とカンチレバー３との離間方向である。＋Ｚ方向は、カンチレバー３の先端部から対物レンズ１８に向かう方向である。例えば、Ｚ方向は鉛直方向であり、＋Ｚ方向は鉛直上方である。Ｘ方向およびＹ方向は、Ｚ方向に垂直な方向である。例えば、Ｘ方向およびＹ方向は水平方向である。＋Ｘ方向は、図１の紙面に向かって右方向である。

プローブ顕微鏡１は、カンチレバーユニット５と、レーザユニット１０と、光軸調整ユニット２０と、制御部３５と、記憶部３６と、を有する。
カンチレバーユニット５は、カンチレバー３と、プローブ２と、レバー支持部４と、フォトディテクタ６と、を有する。

カンチレバー３は、細長い平板状に形成される。カンチレバー３の法線方向は、Ｚ方向と交差する。プローブ２は、カンチレバー３の－Ｘ方向の先端部に配置される。プローブ２は、カンチレバー３の－Ｚ方向の表面に配置され、－Ｚ方向に向かって先細る。プローブ顕微鏡１は、プローブ２を試料Ｓの表面に近づけて、試料Ｓの表面観察または物性計測などを実施する。レバー支持部４は、カンチレバー３の＋Ｘ方向の基端部に配置される。レバー支持部４は、カンチレバー３を片持ち梁として支持する。

フォトディテクタ６は、カンチレバーユニット５の近傍に配置される。フォトディテクタ６は、カンチレバー３の背面（＋Ｚ方向の表面）で反射した第１レーザ光Ｄ１を検出する。プローブ顕微鏡１は、フォトディテクタ６による第１レーザ光Ｄ１の検出位置から、カンチレバー３の変位を検出する。プローブ顕微鏡１は、コンタクトモードで動作する場合に、試料Ｓの表面にプローブ２を近づけて、カンチレバー３を走査する。プローブ顕微鏡１は、フォトディテクタ６で検出したカンチレバー３の変位が一定になるように、試料ＳをＺ方向に移動させる。プローブ顕微鏡１は、試料ＳのＺ方向の移動量に基づいて、試料Ｓの表面観察または物性計測などを実施する。

レーザユニット１０は、カンチレバー３に対してレーザ光Ｄ１，Ｄ２を入射させる。レーザユニット１０は、第１レーザ１１と、第２レーザ１２と、ダイクロイックキューブ１３と、偏光ビームスプリッタ（Polarizing Beam Splitter、以下ＰＢＳと言う。）１５と、第１回動部３１と、第２回動部３２と、対物レンズ１８と、対物レンズ交換機構４０と、移動機構３０と、を有する。

第１レーザ１１は、例えばカンチレバー３の先端部の変位計側に使用する計測用レーザである。第１レーザ１１は、例えば波長６３５ｎｍの第１レーザ光Ｄ１を出射する。第１レーザ光Ｄ１は、カンチレバー３の－Ｘ方向の先端部に入射する。

第２レーザ１２は、例えばカンチレバー３の励振に使用する励振用レーザである。第２レーザ１２は、例えば波長７８５ｎｍの第２レーザ光Ｄ２を出射する。第２レーザ光Ｄ２は、カンチレバー３の＋Ｘ方向の基端部に入射する。
プローブ顕微鏡１は、ダイナミックモードで動作する場合に、カンチレバー３を共振周波数で振動させながら、試料Ｓの表面にプローブ２を近づけて、カンチレバー３を走査する。プローブ顕微鏡１は、フォトディテクタ６で検出したカンチレバー３の変位振幅が一定になるように、試料ＳをＺ方向に移動させる。プローブ顕微鏡１は、試料ＳのＺ方向の移動量に基づいて、試料Ｓの表面観察または物性計測などを実施する。プローブ顕微鏡１は、第２レーザ１２に代えて、ピエゾ素子によりカンチレバーを励振してもよい。なお、カンチレバーをレーザで励振する場合、レバー部分のみが振動するため、理想的な振動状態に極めて近い振動状態を実現でき、高精度な測定が可能になるという利点がある。カンチレバーをピエゾ素子により励振する場合、レバー部分以外の部分が振動してしまいノイズの原因になりやすいものの、励振用レーザの調整が不要になるという利点がある。

ダイクロイックキューブ１３は、第１レーザ光Ｄ１および第２レーザ光Ｄ２を合波して、ＰＢＳ１５に入射させる。
ＰＢＳ１５は、入射光をＰ偏光とＳ偏光とに分離する。ＰＢＳ１５の分光面１６は、例えばＳ偏光を反射してＰ偏光を透過させる。ＰＢＳ１５の端面１７には反射防止処理（ＡＲコート）が施されている。レーザ光Ｄ１，Ｄ２は、Ｓ偏光に偏光されてＰＢＳ１５に入射する。レーザ光Ｄ１，Ｄ２は、ＰＢＳ１５の分光面１６で反射されて、ＰＢＳ１５から－Ｚ方向に出射する。
プローブ顕微鏡１の光軸上に、１／４波長板または偏光板などの光学素子が適宜配置されてもよい。

第１回動部３１は、第１レーザ１１を回動することにより、ＰＢＳ１５に対する第１レーザ光Ｄ１の第１入射角度を変化させる。
第２回動部３２は、第２レーザ１２を回動することにより、ＰＢＳ１５に対する第２レーザ光Ｄ２の第２入射角度を変化させる。

対物レンズ１８は、ＰＢＳ１５から出射したレーザ光Ｄ１，Ｄ２を、カンチレバー３に向けて集光する。
図２は、対物レンズ交換機構の説明図である。カンチレバー３の種類に応じて対物レンズ１８の最適な倍率が異なるため、対物レンズ１８は交換可能であることが望ましい。対物レンズ交換機構４０は、レンズ支持部４１に対して、対物レンズ１８を交換可能に保持する。レンズ支持部４１は、アリ溝４２を有する。アリ溝４２は、開口部の幅が底部の幅より小さい溝である。対物レンズ１８は、アリ溝４２と係合するホゾ４８を有する。レンズ支持部４１のアリ溝４２に対物レンズ１８のホゾ４８が係合することにより、対物レンズ１８が位置決めされる。押さえネジ４５は、対物レンズ１８をレンズ支持部４１に固定する。対物レンズ交換機構は、図２の例に限られず、倍率が異なる複数の対物レンズ１８を備えたレボルバであってもよい。

移動機構３０は、図１に示されるレーザユニット１０とカンチレバーユニット５との相対位置を変化させることにより、レーザ光Ｄ１，Ｄ２とカンチレバー３との相対位置を変化させる。移動機構３０は、レーザユニット１０およびカンチレバーユニット５のうち少なくとも一方を、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動させることが可能である。

光軸調整ユニット２０は、カンチレバー３に対するレーザ光Ｄ１，Ｄ２の光軸調整に利用される。光軸調整ユニット２０は、照明装置２１と、ビームスプリッタ２３と、結像レンズ２８と、カメラ（撮像装置）２５と、を有する。
照明装置２１は、カンチレバー３を照明する照明光２２を出射する。ビームスプリッタ２３は、照明光２２をカンチレバー３に向けて反射する。ビームスプリッタ２３は、カンチレバー３からの散乱光Ｒを結像レンズ２８に向けて透過させる。結像レンズ２８は、カンチレバー３からの散乱光Ｒをカメラ２５に向けて集光する。

カメラ２５は、撮像素子２６を有する。カメラ２５は、カンチレバー３からの散乱光Ｒの画像を撮影する。カメラ２５が撮影する画像には、カンチレバー３の像に加えて、カンチレバー３の近傍に結像した第１レーザ光Ｄ１の第１レーザ光像ｄ１および第２レーザ光Ｄ２の第２レーザ光像ｄ２が映る（図９参照）。

カンチレバー３とカメラ２５との間に配置された対物レンズ１８と結像レンズ２８との間に、光が平行に進行する無限遠光学系ＰＬが形成される。無限遠光学系ＰＬに配置された光学素子に対して、レーザ光Ｄ１，Ｄ２および照明光２２が入射する。実施形態では、ＰＢＳ１５に対してレーザ光Ｄ１，Ｄ２が入射し、ビームスプリッタ２３に対して照明光２２が入射する。レーザ光Ｄ１，Ｄ２および照明光２２が入射する光学素子は、これらに限られない。ＰＢＳ１５に対するレーザ光Ｄ１，Ｄ２の入射角度は、無限遠光学系ＰＬに対するレーザ光Ｄ１，Ｄ２の入射角度に相当する。ＰＢＳ１５に対するレーザ光Ｄ１，Ｄ２の入射角度は、対物レンズ１８に対するレーザ光Ｄ１，Ｄ２の入射角度に相当する。

制御部３５は、プローブ顕微鏡１の各部の動作を制御する。プローブ顕微鏡１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、補助記憶装置などを有する。ＣＰＵは、メモリおよび補助記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより、制御部３５として機能する。後述されるように、制御部３５は、カメラ２５が撮影した画像を解析して、レーザ光像ｄ１，ｄ２の位置を取得する。制御部３５は、レーザ光像ｄ１，ｄ２が所定位置に接近するように、移動機構３０、第１回動部３１および第２回動部３２の動作を制御する。
記憶部３６は、後述される第１関係式および第２関係式を記憶する。

（レーザ光像およびゴースト光像）
第１レーザ１１の移動および回動による第１レーザ光像ｄ１の挙動について説明する。
図３は、第１レーザの移動による第１レーザ光像の挙動の説明図である。図４は、第１レーザの回動による第１レーザ光像の挙動の説明図である。図３および図４では、理解を容易にするため、プローブ顕微鏡１の構成部材の一部の図示が省略されている。第２レーザ１２の移動および回動による第２レーザ光像ｄ２の挙動についても、第１レーザ光像ｄ１と同様である。

図３には、第１レーザ１１を移動させた場合が示されている。第１レーザ１１の移動前後で、ＰＢＳ１５に対する第１レーザ光Ｄ１の第１入射角度は変化しない。第１レーザ１１の移動後の第１レーザ光Ｄ１ｍは、移動前の第１レーザ光Ｄ１と平行にＰＢＳ１５および対物レンズ１８に入射する。第１レーザ１１の移動前後の第１レーザ光Ｄ１，Ｄ１ｍは、対物レンズ１８により同じ位置に集光される。第１レーザ１１の移動前後の第１レーザ光像ｄ１，ｄ１ｍは、同じ位置にある。このように、第１レーザ１１が移動しても、第１レーザ光像ｄ１は移動しない。

図４には、第１レーザ１１を回動させた場合が示されている。第１レーザ１１の回動前後で、ＰＢＳ１５に対する第１レーザ光Ｄ１の第１入射角度θ１が変化する。第１レーザ１１の回動後の第１レーザ光Ｄ１ｒは、回動前の第１レーザ光Ｄ１とは異なる角度で対物レンズ１８に入射する。第１レーザ１１の回動前後の第１レーザ光Ｄ１，Ｄ１ｒは、対物レンズ１８により異なる位置に集光される。図４の例において、カンチレバー３の背面では、第１レーザ１１の回動後の第１レーザ光像ｄ１ｒが、回動前の第１レーザ光像ｄ１に対して＋Ｘ方向に移動する。カメラ２５の撮影画像では、第１レーザ１１の回動後の第１レーザ光像ｄ１ｒが、回動前の第１レーザ光像ｄ１に対して－Ｘ方向に移動する。このように、第１レーザ１１が回動すると、第１レーザ光像ｄ１が移動する。第１レーザ光像ｄ１の位置は、第１レーザ１１の回動角度（および回動方向）の関数である。第１レーザ１１の回動角度は、ＰＢＳ１５に対する第１レーザ光Ｄ１の第１入射角度θ１に相当する。ＰＢＳ１５に対する第１レーザ光Ｄ１の第１入射角度θ１は、対物レンズ１８に対する第１レーザ光Ｄ１の第１入射角度に相当する。

第１レーザ光Ｄ１から発生する第１ゴースト光Ｇ１について説明する。
図５は、第１ゴースト光の発生原理の説明図である。図５では、理解を容易にするため、プローブ顕微鏡１の構成部材の一部の図示が省略されている。第２レーザ光Ｄ２から発生する第２ゴースト光Ｇ２についても、第１ゴースト光Ｇ１と同様である。

前述されたように、第１レーザ光Ｄ１は、Ｓ偏光に偏光されてＰＢＳ１５に入射する。第１レーザ光Ｄ１は、分光面１６で反射されてＰＢＳ１５から出射する。
ただし、第１レーザ光Ｄ１の全部がＳ偏光ではなく、第１レーザ光Ｄ１はＰ偏光を含んでいる。ＰＢＳ１５の分光面１６は、Ｓ偏光の全部を反射しＰ偏光の全部を透過するのではなく、Ｓ偏光の一部を透過しＰ偏光の一部を反射する。ＰＢＳ１５の端面１７には反射防止処理が施されているが、ＰＢＳ１５の端面１７は一部のレーザ光を反射する。

ＰＢＳ１５に入射し分光面１６で反射された第１レーザ光Ｄ１の一部が、ＰＢＳ１５の端面１７ａで反射されて、第１ゴースト光Ｇ１ａが発生する。第１ゴースト光Ｇ１ａは、分光面１６を透過して、ＰＢＳ１５からカメラ２５に向かって出射する。
ＰＢＳ１５に入射した第１レーザ光Ｄ１の一部が、分光面１６を透過して、第１ゴースト光Ｇ１ｂが発生する。第１ゴースト光Ｇ１ａは、端面１７ｂおよび分光面１６で反射されて、ＰＢＳ１５からカメラ２５に向かって出射する。

このように、ＰＢＳ１５に入射した第１レーザ光Ｄ１の、予定外の反射および透過に起因して、第１ゴースト光Ｇ１が発生する。前述された第１ゴースト光Ｇ１ａ，Ｇ１ｂの他にも、様々な第１ゴースト光Ｇ１が発生する。ＰＢＳ１５を透過するのは主にＰ偏光であるため、第１ゴースト光Ｇ１はＰ偏光であることが多い。

無限遠光学系ＰＬで発生した第１ゴースト光Ｇ１は、結像レンズ２８によりカメラ２５に向かって集光される。カメラ２５が撮影する画像には、前述されたカンチレバー３および第１レーザ光像ｄ１に加えて、第１ゴースト光Ｇ１の第１ゴースト光像ｇ１が映る。第１ゴースト光Ｇ１は第１レーザ光Ｄ１から発生するので、第１ゴースト光像ｇ１と第１レーザ光像ｄ１との相対位置には密接な関係がある。後述されるように、制御部３５は、第１ゴースト光像ｇ１の位置に基づいて第１レーザ光像ｄ１の位置を取得する。

前述されたように、第１レーザ光Ｄ１から複数の第１ゴースト光Ｇ１が発生する。第１レーザ光像ｄ１の位置の取得には、複数の第１ゴースト光像ｇ１が利用されてもよいし、いずれか一つの第１ゴースト光像ｇ１が利用されてもよい。前者の場合には、複数の第１ゴースト光像ｇ１の代表位置に基づいて、第１レーザ光像ｄ１の位置が取得される。例えば、代表位置は重心位置である。後者の場合には、利用する第１ゴースト光像ｇ１が選別される。ＰＢＳ１５とカメラ２５との間に、第１ゴースト光Ｇ１の選別部材２４が配置される。選別部材２４は、カメラ２５により撮影される第１ゴースト光Ｇ１を選別する。複数の第１ゴースト光Ｇ１は、偏光方向や光強度などが異なる。選別部材２４は、偏光板やＮＤフィルタなどである。選別部材２４が偏光板の場合に、特定の偏光方向の第１ゴースト光Ｇ１ａが選別部材２４を透過して、カメラ２５に撮影される。ＮＤフィルタは、全波長光の光強度を低減する。選別部材２４がＮＤフィルタの場合に、光強度の大きい第１ゴースト光Ｇ１ａが選別部材２４を透過して、カメラ２５に撮影される。

第１レーザ１１の移動および回動による第１ゴースト光像ｇ１の挙動について説明する。第２レーザ１２の移動および回動による第２ゴースト光像ｇ２の挙動についても、第１ゴースト光像ｇ１と同様である。
第１レーザ１１を移動させた場合の第１ゴースト光像ｇ１の挙動は、第１レーザ光像ｄ１の挙動と同様である。第１レーザ１１の移動後の第１ゴースト光Ｇ１は、移動前の第１ゴースト光Ｇ１と平行に結像レンズ２８に入射する。第１レーザ１１の移動前後の第１ゴースト光Ｇ１は、結像レンズ２８により同じ位置に集光される。第１レーザ１１が移動しても、第１ゴースト光像ｇ１は移動しない。

図６は、第１レーザの回動による第１ゴースト光像の挙動の説明図である。図６では、理解を容易にするため、プローブ顕微鏡１の構成部材の一部の図示が省略されている。第１レーザ１１の回動前後で、ＰＢＳ１５に対する第１レーザ光Ｄ１の第１入射角度θ１が変化する。第１レーザ１１の回動前後で、ＰＢＳ１５の分光面１６および端面１７に対する第１レーザ１１の入射角度も変化する。例えば、ＰＢＳ１５の端面１７で第１レーザ１１が反射されて第１ゴースト光Ｇ１が発生する。第１レーザ１１の回動後の第１ゴースト光Ｇ１ｒは、回動前の第１ゴースト光Ｇ１とは異なる角度で結像レンズ２８に入射する。第１レーザ１１の回動前後の第１ゴースト光Ｇ１，Ｇ１ｒは、結像レンズ２８により異なる位置に集光される。図６の例において、カメラ２５の撮影画像では、第１レーザ１１の回動後の第１ゴースト光像ｇ１ｒが、回動前の第１ゴースト光像ｇ１に対して＋Ｘ方向に移動する。このように、第１レーザ１１が回動すると、第１ゴースト光像ｇ１が移動する。第１ゴースト光像ｇ１の位置は、第１レーザ１１の回動角度（および回動方向）の関数である。第１レーザ１１の回動角度は、ＰＢＳ１５に対する第１レーザ光Ｄ１の第１入射角度θ１に相当する。

前述されたように、カメラ２５の撮影画像では、第１レーザ１１の回動後の第１レーザ光像ｄ１ｒが、回動前の第１レーザ光像ｄ１に対して－Ｘ方向に移動する。逆に、第１レーザ１１の回動後の第１ゴースト光像ｇ１ｒは、回動前の第１ゴースト光像ｇ１に対して＋Ｘ方向に移動する。第１レーザ１１の移動前後において、第１レーザ光像ｄ１および第１ゴースト光像ｇ１は、相互に逆方向に移動する。

前述されたように、第１レーザ光像ｄ１の位置は、ＰＢＳ１５に対する第１レーザ光Ｄ１の第１入射角度θ１の関数である。第１ゴースト光像ｇ１の位置も、第１入射角度θ１の関数である。両者の差分により、第１ゴースト光像ｇ１と第１レーザ光像ｄ１との第１相対位置が得られる。第１相対位置（距離および方向）Ｌ１は、第１入射角度θ１の関数として、第１関係式Ｌ１（θ１）で表される。第２レーザ１２についても同様である。第２ゴースト光像ｇ２と第２レーザ光像ｄ２との第２相対位置（距離および方向）Ｌ２は、ＰＢＳ１５に対する第２レーザ光Ｄ２の第２入射角度θ２の関数として、第２関係式Ｌ２（θ２）で表される。第１関係式Ｌ１（θ１）および第２関係式Ｌ２（θ２）は、プローブ顕微鏡１の出荷前に、予め実験またはシミュレーションなどにより取得される。第１関係式Ｌ１（θ１）および第２関係式Ｌ２（θ２）は、記憶部３６に保存される。

（プローブ顕微鏡の光軸調整）
プローブ顕微鏡の光軸調整について説明する。
プローブ顕微鏡１では、試料Ｓの種類等に応じて、様々な種類のカンチレバー３および対物レンズ１８が使用される。カンチレバー３および対物レンズ１８を交換する度に、プローブ顕微鏡の光軸調整が実施される。

第１レーザ光Ｄ１の光軸調整について説明する。前述されたように、第１レーザ１１は、例えばカンチレバー３の先端部の変位計側に使用する計測用レーザである。カンチレバー３の先端部に第１レーザ光Ｄ１の焦点が結ばれると、フォトディテクタ６による受光量が大きくなり、カンチレバー３の変位に対する感度が高くなる。カンチレバー３の先端部に第１レーザ光Ｄ１の焦点が結ばれるように、第１レーザ光Ｄ１の光軸調整が実施される。光軸調整は、カメラ２５の撮影画像に基づいて、移動機構３０、第１回動部および第２回動部のうち少なくとも一つを駆動することにより実施される。光軸調整は、制御部３５が自動的に実施してもよいし、作業者が手作業で実施してもよい。

図７は、対物レンズの焦点が合っていない場合の撮影画像である。すなわち、図７の例では、対物レンズ１８の焦点距離に対してカンチレバー３が離間している。前述されたように、カメラ２５の撮影画像には、カンチレバー３、第１レーザ光像ｄ１および第１ゴースト光像ｇ１が映っている。対物レンズの焦点が合っていないので、カンチレバー３の輪郭がぼやけて、第１レーザ光像ｄ１が大きく広がっている。カンチレバー３の外側には、試料Ｓの表面が映っている。試料Ｓの表面は多様であり、第１レーザ光像ｄ１は背景光に埋もれて見にくくなる。特に試料Ｓの表面が暗色である場合には、散乱光が弱くなるので、第１レーザ光像ｄ１の位置を特定することが困難である。そのため、カンチレバー３の先端部に第１レーザ光像ｄ１が配置されるように光軸調整することが困難である。

カメラ２５の撮影画像において、第１ゴースト光像ｇ１は鮮明に映っている。第１ゴースト光像ｇ１は、無限遠光学系ＰＬで発生するので、対物レンズ１８の焦点距離の影響を受けないからである。制御部３５は、カメラ２５の撮影画像における第１ゴースト光像ｇ１の位置から、第１レーザ光像ｄ１の位置を取得する（第１工程）。制御部３５は、記憶部３６から第１関係式Ｌ１（θ１）を読み出し、第１入射角度θ１を代入して、第１ゴースト光像ｇ１と第１レーザ光像ｄ１との第１相対位置Ｌ１を取得する。制御部３５は、第１ゴースト光像ｇ１の位置に、第１相対位置Ｌ１を加算して、第１レーザ光像ｄ１の位置を取得する。

図８は、対物レンズの焦点が合っている場合の撮影画像である。すなわち、図８の例では、対物レンズ１８の焦点距離に対してカンチレバー３が接近している。制御部３５は、第１レーザ光像ｄ１の位置がカンチレバーの先端部（所定位置）に接近するように、移動機構３０および第１回動部３１のうち少なくとも一方を駆動する（第２工程）。制御部３５は、移動機構３０を駆動して、レーザユニット１０とカンチレバーユニット５とのＺ方向の相対位置を調整する。これにより、対物レンズ１８の焦点距離にカンチレバー３が接近して、対物レンズ１８の焦点が合う。制御部３５は、移動機構３０および第１回動部３１のうち少なくとも一方を駆動して、カンチレバー３に対する第１レーザ光像ｄ１のＸＹ方向の相対位置を調整する。これにより、第１レーザ光像ｄ１がカンチレバー３の先端部に配置されて、第１レーザ光Ｄ１の光軸調整が完了する。

前述されたように、カメラ２５の撮影画像において、レバー支持部４の外側には試料Ｓの表面が映っている。試料Ｓの表面は多様であるため、第１ゴースト光像ｇ１が試料Ｓと重なると、第１ゴースト光像ｇ１の視認性が低下する。カメラ２５の撮影画像において、第１ゴースト光像ｇ１がカンチレバー３のレバー支持部４と重なって映るように、第１ゴースト光像ｇ１の位置が調整されている。レバー支持部４の表面は一様である。第１ゴースト光像ｇ１がレバー支持部４と重なることにより、第１ゴースト光像ｇ１の視認性が向上する。第１ゴースト光像ｇ１の位置の調整は、ＰＢＳ１５を傾斜させて、第１ゴースト光像ｇ１を第１レーザ光像ｄ１より大きく動かすことにより実施可能である。第１ゴースト光像ｇ１の位置の調整は、カメラ２５の傾斜と第１レーザ１１の回動とを併用することによっても実施可能である。後者の場合には、プローブ顕微鏡１の装置構成が簡略化される。

第２レーザ光Ｄ２の光軸調整について説明する。前述されたように、第２レーザ１２は、例えばカンチレバー３の励振に使用する励振用レーザである。第２レーザ１２は、カンチレバー３の共振周波数の近傍に変調されている。カンチレバー３の基端部の所定位置に第２レーザ光Ｄ２の焦点が結ばれると、カンチレバー３の振幅が大きくなり、フォトディテクタ６の感度が高くなる。カンチレバー３は、共振周波数に応じて大きさおよび長さが異なる。それぞれのカンチレバー３を振動させるため、第２レーザ光Ｄ２の最適な照射位置が存在する。カンチレバー３の基端部の所定位置に第２レーザ光Ｄ２の焦点が結ばれるように、第２レーザ光Ｄ２の光軸調整が実施される。

図９は、第２レーザの光軸調整の説明図である。カメラ２５の撮影画像には、カンチレバー３、第１レーザ光像ｄ１および第１ゴースト光像ｇ１に加えて、第２レーザ光像ｄ２および第２ゴースト光像ｇ２が映っている。前述されたように、第１レーザ光Ｄ１の波長と第２レーザ光Ｄ２の波長とが異なる。この場合には、光色の違いにより、第１レーザ光像ｄ１および第１ゴースト光像ｇ１と第２レーザ光像ｄ２および第２ゴースト光像ｇ２とが区別される。第２レーザ光Ｄ２の光軸調整は、第１レーザ光Ｄ１の光軸調整と同様に実施することができる。制御部３５は、記憶部から第２関係式Ｌ２（θ２）を読み出し、第２入射角度θ２を代入して、第２ゴースト光像ｇ２と第２レーザ光像ｄ２との第２相対位置Ｌ２を取得する。制御部３５は、第２ゴースト光像ｇ２の位置に、第２相対位置Ｌ２を加算して、第２レーザ光像ｄ２の位置を取得する。制御部３５は、第２レーザ光像ｄ２の位置が、カンチレバー３の基端部（所定位置）に接近するように、移動機構３０および第２回動部３２のうち少なくとも一方を駆動する。

プローブ顕微鏡１は、カンチレバー３を励振して計測する。そのため、カンチレバー３に対する第１レーザ光Ｄ１の入射位置と第２レーザ光の入射位置との関係が重要である。制御部３５は、第１レーザ光像ｄ１と第２レーザ光像ｄ２とのレーザ光相対位置Ｌｄを以下のように取得する。制御部３５は、カメラ２５の撮影画像を解析して、第１ゴースト光像ｇ１と第２ゴースト光像ｇ２とのゴースト光相対位置Ｌｇを取得する。カメラ２５の撮影画像には第１ゴースト光像ｇ１および第２ゴースト光像ｇ２が鮮明に映っているので、ゴースト光相対位置Ｌｇは正確に取得される。制御部３５は、第１関係式Ｌ１（θ１）に第１入射角度θ１を代入して、第１ゴースト光像ｇ１と第１レーザ光像ｄ１との第１相対位置Ｌ１を取得する。制御部３５は、第２関係式Ｌ２（θ２）に第２入射角度θ２を代入して、第２ゴースト光像ｇ２と第２レーザ光像ｄ２との第２相対位置Ｌ２を取得する。制御部３５は、以下の式（１）によりレーザ光相対位置Ｌｄを取得する。
Ｌｄ＝Ｌ１－Ｌ２－Ｌｇ ・・・ （１）

制御部３５は、算出したレーザ光相対位置Ｌｄが、第１レーザ光像ｄ１と第２レーザ光像ｄ２との所定相対位置に接近するように、移動機構３０、第１回動部３１および第２回動部３２のうち少なくとも一つを駆動する。以上により、第２レーザ光Ｄ２の光軸調整が完了する。

以上に詳述したように、実施形態のプローブ顕微鏡１は、カンチレバー３と、第１レーザ１１と、カメラ２５と、無限遠光学系ＰＬと、移動機構３０と、第１回動部３１と、制御部３５と、を有する。カンチレバー３は、プローブ２を有する。第１レーザ１１は、カンチレバー３に入射する第１レーザ光Ｄ１を出射する。カメラ２５は、カンチレバー３および第１レーザ光Ｄ１の画像を撮影する。無限遠光学系ＰＬは、カンチレバー３とカメラ２５との間に形成され、第１レーザ光Ｄ１が入射する。移動機構３０は、第１レーザ光Ｄ１とカンチレバー３との相対位置を変化させる。第１回動部３１は、第１レーザ１１を回動して、無限遠光学系ＰＬに対する第１レーザ光Ｄ１の第１入射角度θ１を変化させる。制御部３５は、移動機構３０および第１回動部３１の動作を制御する。制御部３５は、無限遠光学系ＰＬにおいて前記第１レーザ光Ｄ１から発生した第１ゴースト光Ｇ１の第１ゴースト光像ｇ１の位置から、第１レーザ光Ｄ１の第１レーザ光像ｄ１の位置を、カメラ２５が撮影した画像において取得する。制御部３５は、第１レーザ光像ｄ１の位置がカンチレバー３の所定位置に接近するように、移動機構３０および第１回動部３１のうち少なくとも一方を駆動する。

実施形態のプローブ顕微鏡１の光軸調整方法は、プローブ顕微鏡１を使用して、第１工程と、第２工程と、を実施する。第１工程では、無限遠光学系ＰＬにおいて前記第１レーザ光Ｄ１から発生した第１ゴースト光Ｇ１の第１ゴースト光像ｇ１の位置から、第１レーザ光Ｄ１の第１レーザ光像ｄ１の位置を、カメラ２５が撮影した画像において取得する。第２工程では、第１レーザ光像ｄ１の位置がカンチレバーの所定位置に接近するように、移動機構および第１回動部のうち少なくとも一方を駆動する。

第１ゴースト光Ｇ１は、無限遠光学系ＰＬにおいて発生するので、対物レンズ１８の焦点距離の影響を受けない。カメラ２５が撮影した画像には第１ゴースト光像ｇ１が鮮明に映るので、第１ゴースト光像ｇ１の位置の特定が容易である。第１ゴースト光Ｇ１は第１レーザ光Ｄ１から発生するので、両者の相対位置には密接な関係がある。第１ゴースト光像ｇ１の位置を利用することにより、第１レーザ光像ｄ１の位置が容易に取得される。これにより、光軸調整時間を短縮することができる。

以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせ、削除等も含まれる。
実施形態では、第１ゴースト光像ｇ１の位置に基づいて、第１レーザ光像ｄ１の位置を取得した。これに対して、第１ゴースト光像ｇ１の位置およびカンチレバー３の輪郭の位置に基づいて、第１レーザ光像ｄ１の位置を取得してもよい。
また、図１においては、２つのレーザ光がカンチレバー３に入射する例を示したが、カンチレバー３に入射するレーザ光は３本以上であってもよい。３本以上のレーザ光が用いられている場合、光学系の構成などからそのような取り扱いが可能であるといえる限り、任意のレーザ光を「第１レーザ光」として取り扱ってよく、「第１レーザ光」として取り扱われたレーザ光以外の任意のレーザ光を「第２レーザ光」として取り扱ってよい。

Ｄ１…第１レーザ光、ｄ１…第１レーザ光像、Ｄ２…第２レーザ光、ｄ２…第２レーザ光像、Ｇ１…第１ゴースト光、ｇ１…第１ゴースト光像、Ｇ２…第２ゴースト光、ｇ２…第２ゴースト光像、Ｌｄ…レーザ光相対位置、Ｌｇ…ゴースト光相対位置、Ｌ１…第１相対位置、Ｌ１（θ１）…第１関係式、Ｌ２…第２相対位置、Ｌ２（θ２）…第２関係式、ＰＬ…無限遠光学系、θ１…第１入射角度、θ２…第２入射角度、１…プローブ顕微鏡、２…プローブ、３…カンチレバー、４…レバー支持部、１１…第１レーザ、１２…第２レーザ、１８…対物レンズ、２４…選別部材、２５…カメラ（撮像装置）、３０…移動機構、３１…第１回動部、３２…第２回動部、３５…制御部、３６…記憶部、４０…対物レンズ交換機構。

Claims (10)

1. プローブを有するカンチレバーと、
   前記カンチレバーに入射する第１レーザ光を出射する第１レーザと、
   前記カンチレバーおよび前記第１レーザ光の画像を撮影する撮像装置と、
   前記カンチレバーと前記撮像装置との間に形成され、前記第１レーザ光が入射する無限遠光学系と、
   前記第１レーザ光と前記カンチレバーとの相対位置を変化させる移動機構と、
   前記第１レーザを回動して、前記無限遠光学系に対する前記第１レーザ光の第１入射角度を変化させる第１回動部と、
   前記移動機構および前記第１回動部の動作を制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、
   前記無限遠光学系において前記第１レーザ光から発生する第１ゴースト光の第１ゴースト光像の位置から、前記第１レーザ光の第１レーザ光像の位置を、前記撮像装置が撮影した画像において取得し、
   前記第１レーザ光像の位置が前記カンチレバーの所定位置に接近するように、前記移動機構および前記第１回動部のうち少なくとも一方を駆動する、
   プローブ顕微鏡。
2. 前記第１ゴースト光像と前記第１レーザ光像との第１相対位置を前記第１入射角度の関数として表した第１関係式を記憶する記憶部をさらに有し、
   前記制御部は、前記第１関係式に前記第１入射角度を代入して前記第１相対位置を取得し、前記撮像装置が撮影した画像における前記第１ゴースト光像の位置および前記第１相対位置から前記第１レーザ光像の位置を取得する、
   請求項１に記載のプローブ顕微鏡。
3. 前記カンチレバーに入射する第２レーザ光を出射する第２レーザと、
   前記第２レーザを回動して、前記無限遠光学系に対する前記第２レーザ光の第２入射角度を変化させる第２回動部と、をさらに有し、
   前記移動機構は、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光と、前記カンチレバーとの相対位置を変化させ、
   前記記憶部は、前記無限遠光学系において前記第２レーザ光から発生する第２ゴースト光の第２ゴースト光像と、前記第２レーザ光の第２レーザ光像との第２相対位置を、前記第２入射角度の関数として表した第２関係式を記憶し、
   前記制御部は、
   前記撮像装置が撮影した画像から、前記第１ゴースト光像と前記第２ゴースト光像とのゴースト光相対位置を取得し、
   前記第１関係式に前記第１入射角度を代入して、前記第１相対位置を取得し、
   前記第２関係式に前記第２入射角度を代入して、前記第２相対位置を取得し、
   前記ゴースト光相対位置、前記第１相対位置および前記第２相対位置から、前記第１レーザ光像と前記第２レーザ光像とのレーザ光相対位置を取得し、
   前記レーザ光相対位置が所定相対位置に接近するように、前記移動機構、前記第１回動部および前記第２回動部のうち少なくとも一つを駆動する、
   請求項２に記載のプローブ顕微鏡。
4. 前記第１レーザは、前記カンチレバーの変位計側に使用される計測用レーザ光を出射する計測用レーザであり、
   前記第２レーザは、前記カンチレバーの励振に使用される励振用レーザ光を出射する励振用レーザである、
   請求項３に記載のプローブ顕微鏡。
5. 前記カンチレバーを支持するレバー支持部をさらに有し、
   前記撮像装置が撮影する画像において、前記第１ゴースト光像が前記レバー支持部と重なるように、前記第１ゴースト光像の位置が調整されている、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のプローブ顕微鏡。
6. 前記撮像装置に撮影される前記第１ゴースト光を選別する選別部材をさらに有する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載のプローブ顕微鏡。
7. 前記制御部は、前記撮像装置が撮影した画像における複数の前記第１ゴースト光像の代表位置から、前記第１レーザ光像の位置を取得する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載のプローブ顕微鏡。
8. 前記無限遠光学系から出射した前記第１レーザ光を集光する対物レンズと、
   前記対物レンズを交換可能に保持する対物レンズ交換機構と、をさらに有する、
   請求項１から７のいずれか１項に記載のプローブ顕微鏡。
9. プローブを有するカンチレバーと、
   前記カンチレバーに入射する第１レーザ光を出射する第１レーザと、
   前記カンチレバーおよび前記第１レーザ光の画像を撮影する撮像装置と、
   前記カンチレバーと前記撮像装置との間に形成され、前記第１レーザ光が入射する無限遠光学系と、
   前記第１レーザ光と前記カンチレバーとの相対位置を変化させる移動機構と、
   前記第１レーザを回動して、前記無限遠光学系に対する前記第１レーザ光の第１入射角度を変化させる第１回動部と、
   を有するプローブ顕微鏡を使用して、
   前記無限遠光学系において前記第１レーザ光から発生する第１ゴースト光の第１ゴースト光像の位置から、前記第１レーザ光の第１レーザ光像の位置を、前記撮像装置が撮影した画像において取得する第１工程と、
   前記第１レーザ光像の位置が前記カンチレバーの所定位置に接近するように、前記移動機構および前記第１回動部のうち少なくとも一方を駆動する第２工程と、を有する、
   プローブ顕微鏡の光軸調整方法。
10. 前記第１工程では、前記第１ゴースト光像と前記第１レーザ光像との第１相対位置を前記第１入射角度の関数として表した第１関係式に前記第１入射角度を代入して前記第１相対位置を取得し、前記撮像装置が撮影した画像における前記第１ゴースト光像の位置および前記第１相対位置から前記第１レーザ光像の位置を取得する、
    請求項９に記載のプローブ顕微鏡の光軸調整方法。

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