JPH09281122A - Near-field optical microscope - Google Patents

Near-field optical microscope

Info

Publication number
JPH09281122A
JPH09281122A JP11836996A JP11836996A JPH09281122A JP H09281122 A JPH09281122 A JP H09281122A JP 11836996 A JP11836996 A JP 11836996A JP 11836996 A JP11836996 A JP 11836996A JP H09281122 A JPH09281122 A JP H09281122A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
probe
sample
vibration
amplitude
optical microscope
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.)
Pending
Application number
JP11836996A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Satoshi Kawada
聡 河田
Shinji Matsukawa
真治 松川
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.)
YUNISOKU KK
Original Assignee
YUNISOKU KK
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 YUNISOKU KK filed Critical YUNISOKU KK
Priority to JP11836996A priority Critical patent/JPH09281122A/en
Publication of JPH09281122A publication Critical patent/JPH09281122A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make an ultrahigh resolution observation possible regardless of a sample to be conductive or non-conductive by providing a vibration means for vibrating probe tip in the direction perpendicular to the probe axis and a control means for monitoring the probe vibration and controlling the position in the probe axis direction, on the opposite side of the probe tip end. SOLUTION: A metal probe 3 is fixed to a bimorph cell 4 to which a variable frequency oscillator 7 is connected and with this oscillator 7, alternating current voltage is impressed to the element 4 to finely vibrate the probe 3. A means to monitor this fine vibration of the probe 3 and to feedback-control the position of the probe 3 in Z-axis direction of the probe 3 is constituted of a photodetector 13 consisting of a laser diode 10, lens 11 and 12, a half split photodiode and an amplifier, a program installed in a computer 6 to input the output of the photodetector 13 and give a specific controlling output to a Z-axis piezostage 5, and its interface.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、試料の表面に生成さ
れるエバネッセント場が存在するニアフィールド(近接
場)にプローブを挿入し、試料またはプローブを走査す
ることにより試料表面の光学的情報を含む各種情報を超
解像観察できるニアフィールド光学顕微装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention inserts a probe into a near field (near field) where an evanescent field generated on the surface of the sample exists, and scans the sample or the probe to obtain optical information on the sample surface. The present invention relates to a near-field optical microscope apparatus capable of super-resolution observation of various information including.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、盛んに研究されているニアフィー
ルド光学顕微鏡(NSOM:Near-field Scanning Optical M
icroscope)は、試料表面の屈折率分布、吸収率分布、
蛍光物質分布といった光学的情報の超解像観察を可能に
する。この顕微鏡における超解像の原理は、試料表面に
生成されるエバネッセント場の有する高波数情報を引き
出すことにある。
2. Description of the Related Art Near-field scanning optical microscopes (NSOM: Near-field Scanning Optical M
icroscope) is the refractive index distribution, absorption coefficient distribution,
It enables super-resolution observation of optical information such as fluorescent substance distribution. The principle of super-resolution in this microscope is to extract high wave number information contained in the evanescent field generated on the sample surface.

【0003】エバネッセント場は、試料表面に局在し空
間中を伝播できないので、従来の光学顕微鏡で測定する
ことは不可能であったが、新たな技法の開発によりこの
測定が可能となり、エバネッセント場成分を測定する方
式として、第一に、エバネッセント場に微小開口を設定
しこの微小開口でエバネッセント場を回折させ伝搬光に
変換する方式が提案され、次いで、近年、エバネッセン
ト場を散乱体(誘電体または金属)で散乱させ伝搬光に変
換して測定する方式が提案された。後者の方式は、例え
ば、特願平4−286046号(特開平6−13784
7号公報)として知られている。
Since the evanescent field is localized on the surface of the sample and cannot propagate in space, it was impossible to measure it with a conventional optical microscope. However, the development of a new technique made this measurement possible, and the evanescent field became As a method of measuring the components, firstly, a method of setting a minute aperture in the evanescent field and diffracting the evanescent field in this minute aperture to convert it into propagating light has been proposed. Alternatively, a method has been proposed in which the light is scattered by metal (or metal) and converted into propagating light for measurement. The latter method is disclosed, for example, in Japanese Patent Application No. 4-286046 (JP-A-6-13784).
7).

【0004】前者の微小開口でエバネッセント場を回折
させ、伝搬光に変換する方式では、マイクロピペットや
光ファイバーなどをプローブとして用いることが提案さ
れた。このプローブは、先鋭化した後、周囲に金属コー
ティングをし、先端に微小開口を設ける。このプローブ
の特徴は、微小開口による回折光をプローブ内を導波さ
せて測定する点にある。このため、プローブ先端からの
散乱光以外のノイズ成分の混入を防ぐことができる。し
かし、伝播中の信号光がコーティングされた金属薄膜に
より吸収され、S/Nが低下する大きな欠点がある。
In the former method of diffracting an evanescent field with a minute aperture and converting it into propagating light, it has been proposed to use a micropipette or an optical fiber as a probe. After sharpening, this probe is provided with a metal coating on the periphery and a minute opening is provided at the tip. The feature of this probe is that diffracted light from a minute aperture is guided inside the probe and measured. Therefore, it is possible to prevent mixing of noise components other than the scattered light from the tip of the probe. However, there is a major drawback that the signal light that is being propagated is absorbed by the coated metal thin film and the S / N is lowered.

【0005】これに対し、先端を鋭く尖らせた誘電体針
あるいは金属針を散乱体として用いる散乱プローブNSOM
では、プローブ内を導波させずに、先端からの散乱光を
外部の集光系で検出する。この方式では、プローブ内を
導波させないため、金属薄膜による導波中の吸収がな
く、また、とりわけ、プローブ材質を金属にすると(金
属プローブNSOM)、誘電体プローブに比べ、散乱効
率が非常に高く、空間分解が高いという特徴をもつ。
On the other hand, a scattering probe NSOM using a dielectric needle or a metal needle with a sharp tip as a scatterer
Then, the scattered light from the tip is detected by an external focusing system without being guided in the probe. In this method, since the wave is not guided inside the probe, there is no absorption during the waveguiding by the metal thin film, and especially when the probe material is metal (metal probe NSOM), the scattering efficiency is much higher than that of the dielectric probe. It is expensive and has a high spatial resolution.

【0006】金属プローブNSOMでエバネッセント場
の測定を行ったとき、エバネッセント場は、試料表面の
形状と光学的情報を含んでいるため、試料の光学的情報
のみ取り出すには、プローブを試料表面から数nmの位置
に制御し走査する必要がある。しかしながら、プローブ
先端を試料表面から数nmの位置に制御するのは、非常に
困難である。
When the evanescent field is measured with the metal probe NSOM, the evanescent field includes the shape and optical information of the sample surface. Therefore, in order to extract only the optical information of the sample, the probe must be removed from the sample surface. It is necessary to control and scan to the position of nm. However, it is very difficult to control the probe tip to a position of several nm from the sample surface.

【0007】そこで、前記の有利な特徴をもった金属プ
ローブNSOMにおいて、プローブが導電性を有してい
ることを利用し、走査型トンネル顕微鏡(STM:Scanning
Tunneling Microscope)と組み合わせることが提案さ
れている(河田聡,井上康志:ニアフィールド光学走査
顕微鏡,電子顕微鏡,Vol.28,No.2,pp.137−1
40(1993))。このSTM制御と組み合わせた形態
では、プローブと試料の間の距離を一定に保ちながら、
金属プローブを走査することが可能であり、試料表面の
形状による影響を排除した光学像が得られる。これを用
いて、光磁気ディスク、ラットの心筋細胞などの光学像の
超解像観察に成功した例も報告されている。
Therefore, in the metal probe NSOM having the above-mentioned advantageous characteristics, the fact that the probe has conductivity is utilized to make use of the scanning tunneling microscope (STM: Scanning).
Tunneling Microscope) (Satoshi Kawata, Yasushi Inoue: Near-field optical scanning microscope, electron microscope, Vol. 28, No. 2, pp. 137-1)
40 (1993)). In the form combined with this STM control, while keeping the distance between the probe and the sample constant,
It is possible to scan with a metal probe, and an optical image in which the influence of the shape of the sample surface is eliminated is obtained. It has been reported that the super-resolution observation of optical images of magneto-optical discs, rat cardiomyocytes, etc. was successfully performed using this.

【0008】[0008]

【従来技術の問題点】しかしながら、STM制御との組
み合わせでは、プローブ−試料間にトンネル電流を流さ
なければならないため、導電性をもつ試料、金属薄膜で
コートされた試料、導電性基板上に1ナノメートル以下
のごく薄い厚さで作製された試料でなければならないと
いう、試料自体に制約を受けるという問題(観察可能に
するため非導電性試料に対し導電性を付与する事前の操
作をしなければならない問題を含む)があり、そのた
め、誘電体結晶表面や生物細胞組織のin vivo観察に対
しては適用できないといった問題がある。また、装置に
おいても、トンネル電流という超微小な電流を扱うST
M制御のための装備(冷却や増幅などの主として熱現象
に係る付帯設備も必要)の付加は、装置の大型化を招
き、また、装置コストの増大にもつながり、さらに大き
な欠点は、STM制御は、その操作に熟練しないと取扱
いが非常に困難であるということがあって、通常の技術
者が簡易にその取り扱いができない装置利用上の問題点
もあった。
However, in combination with STM control, a tunnel current must be passed between the probe and the sample, so that a sample having conductivity, a sample coated with a metal thin film, and a conductive substrate can be used. The problem is that the sample itself is constrained by the fact that the sample must be made with a very thin thickness of nanometers or less. (Before observation, it is necessary to give conductivity to a non-conductive sample. Therefore, there is a problem that it cannot be applied to in vivo observation of the surface of a dielectric crystal or biological tissue. Also in the device, ST that handles ultra-small current called tunnel current
The addition of equipment for M control (which also requires auxiliary equipment mainly related to thermal phenomena such as cooling and amplification) leads to an increase in the size of the device and also increases the cost of the device. However, there is also a problem in using the device that a normal technician cannot handle it easily because it is very difficult to handle unless he is skilled in the operation.

【0009】[0009]

【発明の目的】そこで、本発明は、試料が導電性を有す
るか非導電性であるかに関係なく、試料の超解像観察を
可能にするニアフィールド光学顕微装置を提供すること
を第1の目的とすると共に、特殊な技法を用いることな
く通常の技術者が容易かつ簡便に取り扱えるニアフィー
ルド光学顕微装置を提供することを第2の目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, the first object of the present invention is to provide a near-field optical microscope apparatus that enables super-resolution observation of a sample regardless of whether the sample is conductive or non-conductive. It is a second object of the present invention to provide a near-field optical microscope apparatus that can be handled easily and easily by a general engineer without using a special technique.

【0010】[0010]

【目的を達成し上記の問題点を解決するための手段】本
発明に係るニアフィールド光学顕微装置は、試料の表面
に生成されたエバネッセント場に誘電体または金属から
なる先端が尖鋭なプローブを挿入し、前記エバネッセン
ト場を伝搬光に変換して該伝搬光を前記プローブまたは
前記試料を走査しながら検出し、前記試料の表面部にお
ける情報を観測できるニアフィールド光学顕微装置にお
いて、前記プローブの先端とは反対側に、当該プローブ
の先端をプローブの軸と直交する方向に振動させるプロ
ーブ励振手段を設けると共に、前記プローブの振動をモ
ニタしてプローブの軸方向の位置をフィードバック制御
する制御手段を設けたことを基本的な特徴とする。好ま
しくは、前記制御手段のフィードバック制御における入
力信号は、前記プローブの振動における振幅の信号であ
る。そして、使用するプローブに応じて、前記プローブ
励振手段を当該プローブの共振周波数で振動させるとよ
い。また好ましくは、前記制御手段のフィードバック制
御における入力信号は、前記プローブの振動における励
振基準位相に対する位相差の信号である。本発明に係る
ニアフィールド光学顕微装置は、プローブの高さを一定
に保持して前記試料を2次元走査するコンスタントハイ
トモード及び/又はプローブ振動の振幅が一定となるよ
うにプローブの高さをフィードバック制御してプローブ
と試料表面間の距離を一定に保持しながら試料を2次元
走査するコンスタントディスタンスモードを具備する。
In the near-field optical microscope according to the present invention, a probe having a sharp tip made of a dielectric or metal is inserted into an evanescent field generated on the surface of a sample. Then, the evanescent field is converted into propagating light and the propagating light is detected while scanning the probe or the sample, in a near-field optical microscope capable of observing information on the surface portion of the sample, with the tip of the probe. On the opposite side, a probe exciting means for vibrating the tip of the probe in a direction orthogonal to the axis of the probe is provided, and a control means for monitoring the vibration of the probe and performing feedback control of the axial position of the probe is provided. This is a basic feature. Preferably, the input signal in the feedback control of the control means is a signal of the amplitude of the vibration of the probe. Then, depending on the probe used, it is preferable to vibrate the probe excitation means at the resonance frequency of the probe. Further, preferably, the input signal in the feedback control of the control means is a signal of a phase difference with respect to an excitation reference phase in the vibration of the probe. The near-field optical microscope according to the present invention feeds back the probe height so that the height of the probe is kept constant and the height of the probe is kept constant and / or the amplitude of the probe vibration is constant. A constant distance mode for two-dimensionally scanning the sample while controlling the distance between the probe and the sample surface to be constant is provided.

【0011】[0011]

【作用】上記プローブ励振手段により、プローブの先端
はプローブの軸線と直交する方向に振動する。このプロ
ーブの振動をモニタし、プローブ−試料間に発生するシ
ェアフォース(shear force)を利用して、上記制御手段
によりプローブの軸線方向の位置が制御される。これに
より、試料の導電性の有無にかかわりなく(例えば、生
体試料のin vivo観察)、試料表面の形状の影響を排除し
て光学的情報(例えば、屈折率分布,吸収率分布,蛍光
物質分布など)の超解像観察ができ、また、装置系は基
本的に大型化することはなく小型で済み、かつ熟練度を
要求される操作上の困難性もない(プローブを励振し、
適切にモニタするだけでよい)ので、取扱い上、優れて
簡便にして超解像観察が可能となる。
The probe exciting means vibrates the tip of the probe in the direction orthogonal to the axis of the probe. The control unit controls the position of the probe in the axial direction by monitoring the vibration of the probe and utilizing the shear force generated between the probe and the sample. This eliminates the influence of the shape of the surface of the sample regardless of the conductivity of the sample (for example, in vivo observation of a biological sample) and removes optical information (for example, refractive index distribution, absorptance distribution, fluorescent substance distribution). , Etc., super-resolution observation is possible, and the system is basically small and does not need to be large, and there is no operational difficulty that requires skill (exciting the probe,
Therefore, super-resolution observation can be performed easily and easily.

【0012】[0012]

【シェアフォースによる距離制御の原理】そこで、ま
ず、以下に、本発明の原理的背景をなす、シェアフォー
スによる距離制御の原理を具体的に説明する。例えば、
「金属」プローブを振動させたとき、プローブ−試料間
に発生するシェアフォースを利用したプローブ−試料間
の距離制御について、対象とするニアフィールド光学顕
微鏡に用いられるプローブは細い針であるので、バネの
振動と同様にプローブの長さ、径、および曲げ剛性に対
応した共振周波数をもつ。そのプローブの上部で横方向
にプローブの共振周波数の強制変位を与えると、プロー
ブ先端は開放端であるため、強制変位の周波数と同じ周
波数で振動する。
[Principle of Distance Control by Share Force] First, the principle of distance control by share force, which is the principle background of the present invention, will be described below. For example,
When controlling the probe-sample distance control using the shear force generated between the probe and sample when the "metal" probe is vibrated, the probe used in the target near-field optical microscope is a thin needle. It has a resonance frequency corresponding to the length, diameter, and bending rigidity of the probe as well as the vibration of. When a forced displacement at the resonance frequency of the probe is applied laterally above the probe, the probe tip is an open end, so that the probe vibrates at the same frequency as the forced displacement frequency.

【0013】プローブを強制振動させながら、試料表面
に近づける。大気中に存在する物質の表面には、非常に
薄く水分子が吸着し、吸着層(液層)を形成していると
されている。そのため、プローブの先端が試料表面の吸
着層の中に入ったとき、試料表面の吸着層による粘性減
衰力が作用し、共振周波数が変化する。プローブと試料
との距離が近づくにつれ、吸着層に触れるプローブの長
さが長くなり、それに伴い、粘性減衰係数が大きくな
る。そのため、プローブ振動の振幅が減少し、また、強
制周期振動とプローブの振動との間で位相差に変化が生
じる。
The probe is brought close to the sample surface while being vibrated. It is said that water molecules are very thinly adsorbed on the surface of the substance existing in the atmosphere to form an adsorption layer (liquid layer). Therefore, when the tip of the probe enters the adsorption layer on the sample surface, the viscous damping force of the adsorption layer on the sample surface acts and the resonance frequency changes. As the distance between the probe and the sample decreases, the length of the probe that comes into contact with the adsorption layer increases, and the viscous damping coefficient increases accordingly. Therefore, the amplitude of the probe vibration is reduced, and the phase difference between the forced periodic vibration and the probe vibration changes.

【0014】ここで、振幅および位相差の変化を検出
し、振幅または位相差が一定になるようにフィードバッ
クしプローブの高さ制御をする。そして、プローブまた
は試料を2次元走査すると、プローブは、試料との間の
距離を一定に保ちながら試料表面をトレースする。その
ため、STMやAFMと同様に、試料の表面の空間分布
のシェアフォース像を観察することができる。シェアフ
ォース像を観察できる顕微鏡もAFMと同様に、試料の
導電性を必要としないため、絶縁体の試料も観察するこ
とができる。
Here, changes in the amplitude and the phase difference are detected and fed back so that the amplitude or the phase difference is constant, and the height of the probe is controlled. Then, when the probe or the sample is two-dimensionally scanned, the probe traces the sample surface while keeping a constant distance from the sample. Therefore, similarly to the STM and AFM, it is possible to observe the shear force image of the spatial distribution on the surface of the sample. Since a microscope capable of observing a shear force image does not require the conductivity of the sample as in the case of the AFM, an insulating sample can also be observed.

【0015】プローブの横振動モデルの解析を行なう。
プローブが試料表面に近づき、試料表面の吸着層により
粘性減衰が作用する。これをバネとダッシュポットを用
いた図1のモデルに置き換えてみる。
The lateral vibration model of the probe is analyzed.
The probe approaches the sample surface, and the viscous damping acts due to the adsorption layer on the sample surface. Let's replace this with the model in Figure 1 using a spring and dashpot.

【0016】粘性減衰力の作用する振動系を考える。バ
ネSのバネ定数をkとする。減衰力はすべてダッシュポ
ットDにより与えられるものとする。ダッシュポットD
の粘性減衰係数をcとすると、減衰力は-c(dx/dt)と
なり、質量体Mの質量mの運動する方向と反対の方向に
作用する。また、強制周期変位 Psinwtがバネの上端U
に作用するため、質量体Mの質量mには、kPsinwtの力
が作用する。よって、質量mの運動方程式は、
Consider a vibration system in which a viscous damping force acts. The spring constant of the spring S is k. All damping forces shall be given by the dashpot D. Dashpot D
The damping force is -c (dx / dt), where c is the viscous damping coefficient of, and acts in the direction opposite to the direction in which the mass m of the mass M moves. Also, the forced periodic displacement Psinwt is the upper end U of the spring.
Therefore, a force of kPsinwt acts on the mass m of the mass body M. Therefore, the equation of motion of mass m is

【0016】[0016]

【数1】 となり、上式を書き直すと、[Equation 1] And rewriting the above equation,

【0017】[0017]

【数2】 ここで、[Equation 2] here,

【0018】[0018]

【数3】 とする。pは、減衰がないときの固有振動数を示す。
(2−2)式の解は、右辺を0としたときの一般解と、
特解との和で与えられる。右辺を0としたときの一般解
は、
(Equation 3) And p indicates the natural frequency when there is no damping.
The solution of the equation (2-2) is a general solution when the right side is 0,
It is given as the sum of special solutions. The general solution when the right side is 0 is

【0019】[0019]

【数4】 この式の特解を求める方法はいろいろあるが、それを求
める方法として、強制変位によりそれと同じ振動数を持
つ振動が引き起こされると仮定する。しかし、粘性減衰
力が作用するため、粘性減衰力が作用しない場合と違
い、生じる変位は強制変位より位相が遅れると考えられ
る。そのため、生じる変位を、
(Equation 4) There are various methods to obtain the specific solution of this equation, but it is assumed that the forced displacement causes a vibration having the same frequency as that of the method. However, since the viscous damping force acts, unlike the case where the viscous damping force does not act, it is considered that the displacement that occurs is delayed in phase from the forced displacement. Therefore, the resulting displacement is

【0020】[0020]

【数5】 とおく。A,βは、未定定数であるが、(Equation 5) far. A and β are undetermined constants,

【0021】[0021]

【数6】 とおき、(2−5)式を書き直すと、(Equation 6) And rewriting formula (2-5),

【0022】[0022]

【数7】 となる。これより、U,Vを求めると、(Equation 7) Becomes From this, when U and V are calculated,

【0023】[0023]

【数8】 となる。したがって、(2−2)式の解は、(Equation 8) Becomes Therefore, the solution of equation (2-2) is

【0024】[0024]

【数9】 となる。[Equation 9] Becomes

【0025】(2−9)式において、C,Dは初期条件
から求められるが、右辺第一項は自然振動を表す項であ
り、時間が経つにつれ減衰してなくなってしまう。しか
し、強制変位により引き起こされる強制振動の項は、持
続して定常振動となる。ここでは、強制振動のみが問題
となるため、自然振動の項は考えずに強制振動の項だけ
を考える。
In the equation (2-9), C and D are obtained from the initial condition, but the first term on the right side is a term representing the natural vibration and is attenuated and disappears with time. However, the term of forced vibration caused by forced displacement continues to be steady vibration. Since only the forced vibration is a problem here, only the forced vibration term is considered without considering the natural vibration term.

【0026】(2−5)〜(2−7)式より、強制振動
は、
From equations (2-5) to (2-7), the forced vibration is

【0027】[0027]

【数10】 となる。但し、ζ=μ/pで、ζは、減衰比を表す。(Equation 10) Becomes However, when ζ = μ / p, ζ represents a damping ratio.

【0028】振幅Aおよび、強制変位に対する生じる変
位の位相の遅れβは、ωの関数で表せる。倍率α(=A
/P)を縦軸に、ω/pを横軸にとり、振幅−振動数特
性を図示すると、図2の振動数応答曲線が得られる。図
2より強制変位の振動数が、系の不減衰固有振動数より
小さくなるにつれ、すなわち、ωがpより小さくなるに
つれ、倍率は1に近づく。よって、強制振動の振幅A
は、強制変位の振幅Pに等しくなることが分かる。逆に
ωがpより大きくなると、倍率は1より小さくなる。ま
た、ωがpより小さいまたは大きいとき、ζの値に無関
係に応答曲線は一定値に収束する。これは、減衰のない
場合の応答曲線と特性が同じになる。ωがpに近づくに
つれ、倍率は急激に増大し共振状態となる。これは、
(2−10)式において、(δA/δ(ω/p))=0より
得られる、
The amplitude A and the phase delay β of the displacement caused by the forced displacement can be expressed by a function of ω. Magnification α (= A
/ P) is plotted on the vertical axis and ω / p is plotted on the horizontal axis. When the amplitude-frequency characteristics are illustrated, the frequency response curve of FIG. 2 is obtained. From FIG. 2, the magnification approaches 1 as the frequency of forced displacement becomes lower than the undamped natural frequency of the system, that is, as ω becomes smaller than p. Therefore, the amplitude A of the forced vibration
It can be seen that is equal to the amplitude P of the forced displacement. On the other hand, when ω becomes larger than p, the magnification becomes smaller than 1. When ω is smaller or larger than p, the response curve converges to a constant value regardless of the value of ζ. It has the same characteristics as the response curve without damping. As .omega. approaches p, the magnification rapidly increases and becomes a resonance state. this is,
In equation (2-10), (δA / δ (ω / p)) = 0,

【0029】[0029]

【数11】 のときに生じ、その値は、[Equation 11] Occurs when the value is

【0030】[0030]

【数12】 である。このときの共振周波数ω/2πを変位共振周波
数という。(2−11)式から、ζ=1/√2のときは
極値はω/p=0にあり、ζ>1/√2になると極値は
存在しなくなる。
(Equation 12) It is. The resonance frequency ω / 2π at this time is called a displacement resonance frequency. From the equation (2-11), the extreme value is at ω / p = 0 when ζ = 1 / √2, and the extreme value does not exist when ζ> 1 / √2.

【0031】次に(2−10)式のβとω/pとの関
係、位相−振動数応答曲線を図3に示す。βは前述した
ように強制変位と生じる変位との位相差である。(2−
10)式より、ω<pのときtanβは正でβ<90゜、
ω>pのときtanβは負でβ<90゜となる。ζの値に
無関係に、ω=pのときβ=90゜、ω>>pのときβ
=180゜となる。特にζの値が小さいときには、共振
点付近で位相が急激に変化する。
FIG. 3 shows the relationship between β and ω / p in the equation (2-10) and the phase-frequency response curve. β is the phase difference between the forced displacement and the generated displacement as described above. (2-
From equation (10), when ω <p, tan β is positive and β <90 °,
When ω> p, tan β is negative and β <90 °. Regardless of the value of ζ, β = 90 ° when ω = p, β when ω >> p
= 180 °. Especially when the value of ζ is small, the phase changes rapidly near the resonance point.

【0032】上記の解析結果を定性的にまとめると、
プローブが試料表面に近づくにつれ、振動の振幅が減少
し、加振に対して位相がずれる、共振周波数で加振し
たほうが、プローブが試料表面で粘性抵抗の影響を受
け、振幅が大きく変化する、位相においては、共振周
波数では、まったく変化せず、共振点から少しずれた方
が変化が大きい、となる。
Qualitatively summarizing the above analysis results,
As the probe approaches the sample surface, the amplitude of the vibration decreases and the phase shifts with respect to the vibration.When the vibration is applied at the resonance frequency, the probe is affected by the viscous resistance on the sample surface and the amplitude changes greatly. Regarding the phase, the resonance frequency does not change at all, and a slight shift from the resonance point causes a large change.

【0033】[0033]

【実施例】そこで、本発明の一実施例は、上記の解析結
果を踏まえて、誘電体よりも光の利用効率が高くかつ空
間分解も高くできる、先端を尖鋭にした金属プローブを
用いたニアフィールド光学顕微装置につき、以下、説明
する。
[Embodiment] Therefore, in an embodiment of the present invention, based on the above analysis results, a near-end metal probe using a sharp-pointed metal probe that has higher light utilization efficiency and higher spatial resolution than a dielectric material can be used. The field optical microscope will be described below.

【0034】一実施例のニアフィールド光学顕微装置の
概略システム構成を図4に示す。1は試料2を載置する
X−Y2軸ピエゾステージ、3はエバネッセント場に先
端を挿入する散乱体としての金属プローブ、4は金属プ
ローブ3の先端3pとは反対側(この場合、プローブの
上部)に設けたプローブ励振手段をなすバイモルフ型ピ
エゾ素子、5は金属プローブ3とバイモルフ型ピエゾ素
子4の構体を高さ方向、あるいは金属プローブ3の軸線
方向、すなわちZ軸方向に精密駆動するZ軸ピエゾステ
ージ、そしてZ軸ピエゾステージ5及び上記X−Y2軸
ピエゾステージ1は、コンピュータ6に内蔵するプログ
ラム手段に基づきインターフェースを介してそれぞれ制
御される。また、金属プローブ3の上部に設けたバイモ
ルフ型ピエゾ素子4には、オシレータ7より交流電圧を
印加する。
FIG. 4 shows a schematic system configuration of the near-field optical microscope apparatus of one embodiment. 1 is an XY biaxial piezo stage on which the sample 2 is mounted, 3 is a metal probe as a scatterer for inserting the tip into the evanescent field, 4 is the side opposite to the tip 3p of the metal probe 3 (in this case, the upper part of the probe) ) Provided as a probe excitation means, a bimorph type piezo element 5 is a Z axis for precisely driving the structure of the metal probe 3 and the bimorph type piezo element 4 in the height direction or in the axial direction of the metal probe 3, that is, the Z axis direction. The piezo stage, the Z-axis piezo stage 5 and the XY two-axis piezo stage 1 are respectively controlled via an interface based on program means built in the computer 6. Further, an alternating voltage is applied from the oscillator 7 to the bimorph type piezo element 4 provided above the metal probe 3.

【0035】金属プローブ3の微小振動をモニタし、プ
ローブの軸線方向すなわちZ軸方向にプローブの位置を
フィードバック制御するための手段は、この実施例で
は、レーザダイオード10、レンズ11、レンズ12、
2分割フォトダイオードとアンプからなるフォトディテ
クタ13、およびフォトディテクタ13の出力を入力し
て所定の制御出力をZ軸ピエゾステージ5に与える、コ
ンピュータ6内蔵プログラム、そのインターフェースを
含んで構成されている。
The means for monitoring the minute vibrations of the metal probe 3 and performing feedback control of the probe position in the axial direction of the probe, that is, the Z-axis direction, is laser diode 10, lens 11, lens 12, in this embodiment.
It is configured to include a photodetector 13 including a two-divided photodiode and an amplifier, and a program built in the computer 6 for inputting the output of the photodetector 13 and giving a predetermined control output to the Z-axis piezo stage 5, and its interface.

【0036】より具体的詳細に説明すると、上記の金属
プローブ3の材質としては、金属プローブNSOMのプロー
ブに多用されているプラチナイリジウム(PtIr)を選ん
でいる。PtIrは、酸化による散乱光率の低下がなく、ま
た、柔らかく加工性に優れている。そのプローブをラッ
ピングフィルムシート(アルミナ,#15000,粒径0.3μ
m,住友3M)を用いて、機械的研磨により先鋭化を行
ったものである。
More specifically, the material of the metal probe 3 is platinum iridium (PtIr), which is widely used for the probe of the metal probe NSOM. PtIr has no decrease in scattered light rate due to oxidation, is soft, and has excellent workability. Wrapping film sheet (alumina, # 15000, particle size 0.3μ)
m, Sumitomo 3M), and sharpened by mechanical polishing.

【0037】金属プローブ3を微小振動させるために、
プローブをバイモルフ型ピエゾ素子4に固定している
が、このピエゾ素子4には周波数可変のオシレータ(WA
VETEKMODEL162,周波数0.3mHz〜30MHz)を接続し、この
オシレータによりバイモルフ型ピエゾ素子4に交流電圧
(〜10V)を印加するようにしている。バイモルフ型ピ
エゾ素子4は、図5に示すように、金属弾性板を中心電
極として、2枚の圧電セラミック素子の薄板を貼り合わ
せた構造になっている。電圧を印加することによって、
同図(b)に示されるように、一方が伸び、もう一方が縮
むために、印加する電圧の波形に応じて屈曲変位を生じ
る。この屈曲変位を用いて金属プローブ3を加振し、プ
ローブの先端を、プローブの軸線方向とは直交する方向
に微小振動させる。
In order to make the metal probe 3 vibrate slightly,
The probe is fixed to the bimorph type piezo element 4, and this piezo element 4 has a variable frequency oscillator (WA
VETEKMODEL162, frequency 0.3 mHz to 30 MHz) is connected, and an alternating voltage (to 10 V) is applied to the bimorph type piezo element 4 by this oscillator. As shown in FIG. 5, the bimorph type piezo element 4 has a structure in which two thin plates of piezoelectric ceramic elements are bonded together with a metal elastic plate as a center electrode. By applying a voltage,
As shown in FIG. 6B, one side extends and the other side contracts, so that a bending displacement occurs according to the waveform of the applied voltage. The bending displacement is used to vibrate the metal probe 3, and the tip of the probe is slightly vibrated in the direction orthogonal to the axial direction of the probe.

【0038】金属プローブ3の微小振動の測定を行うた
めに、光源に波長674nmのレーザダイオード10(Panas
onic LN9R05N,最大出力5mW)を用い、ディテクターに
2分割フォトダイオード13(浜松ホトニクス S2721-0
2,素子間ギャップ5μm)を用いている。プローブ振
動の振幅は、A/D変換ボード(Interface AZI-3503)
を通じてコンピューター6(PC-9801RA)により測定し
ている。
In order to measure the minute vibration of the metal probe 3, a laser diode 10 (Panas) having a wavelength of 674 nm is used as a light source.
onic LN9R05N, maximum output 5mW) is used, and the detector is split into two photodiodes 13 (Hamamatsu Photonics S2721-0
2, element gap 5 μm) is used. Amplitude of probe vibration is A / D conversion board (Interface AZI-3503)
Through computer 6 (PC-9801RA).

【0039】プローブの高さ、Z軸制御には、静電容量
型センサー内蔵の高精度ピエゾステージ5(Queensgate
Instruments DPT/AX100,精度1.5nm)を用い、これ
を、RS−232Cを通じてコンピュータ6により制御
した。また、試料2側の走査には、静電容量型センサー
内蔵の高精度2軸ピエゾステージ1(Physik Instrumen
te P-915.583)を用いた。ピエゾステージの制御は、コ
ンピューターからD/A変換ボード(Interface AZI-35
03)を通じて行っている。
For controlling the height of the probe and the Z-axis, a high-precision piezo stage 5 (Queensgate) with a built-in capacitance type sensor is used.
Instruments DPT / AX100, accuracy 1.5 nm), which was controlled by computer 6 through RS-232C. For scanning the sample 2 side, a high-precision 2-axis piezo stage 1 (Physik Instrumen) with a built-in capacitance type sensor is used.
te P-915.583) was used. The piezo stage can be controlled from a computer via a D / A conversion board (Interface AZI-35
03).

【0040】金属プローブ3の微小振動を測定する手法
について述べると、レンズ11(NAは0.615)によ
り集光したレーザ光でプローブの先端付近を照明し、そ
のプローブ像を単レンズ12(f=50.2mm)により、フォ
トダイオードの境界線上にイメージングしている。この
系において、プローブの先端を振動させ、2分割フォト
ディテクタ13の2つの検出面の強度差を測定すること
により、プローブの微小振動を表す波形を発生させた。
A method for measuring minute vibrations of the metal probe 3 will be described. A laser beam focused by a lens 11 (NA is 0.615) illuminates the vicinity of the tip of the probe, and the probe image is illuminated by a single lens 12 (f = 50.2mm), and imaging is performed on the boundary line of the photodiode. In this system, the tip of the probe was vibrated and the intensity difference between the two detection surfaces of the two-divided photodetector 13 was measured to generate a waveform representing a minute vibration of the probe.

【0041】さて、上記の構成でまずはじめに、プロー
ブの共振周波数の測定を行った。金属プローブにおい
て、振動の共振現象を利用することにより、効率よく、
すなわち光学的ないし電気的な感度を高くすることがで
きるためである。
Now, with the above configuration, first, the resonance frequency of the probe was measured. In metal probe, by utilizing the resonance phenomenon of vibration,
That is, the optical or electrical sensitivity can be increased.

【0042】測定は、プローブを試料から離した状態
で、バイモルフ型ピエゾ素子4にオシレータ7より交流
電圧を印加し、金属プローブ3を振動させた。そして、
フォトディテクタ13の出力波形をオシロスコープで観
察しながら、印加する交流電圧を一定に保ち、その周波
数を変化させ振幅を測定した。
In the measurement, an AC voltage was applied from the oscillator 7 to the bimorph type piezo element 4 with the probe separated from the sample, and the metal probe 3 was vibrated. And
While observing the output waveform of the photodetector 13 with an oscilloscope, the applied AC voltage was kept constant, the frequency was changed, and the amplitude was measured.

【0043】図6にその結果を示す。プローブ振動の振
幅のピークは、周波数4706Hzであった。共振周波数は、
プローブの長さ・径・曲げ剛性などに依存し、長さが長
くなるほど、また径が小さくなるほど、共振周波数は高
くなる。複数のプローブで同様に測定を行ったところ、
共振周波数は、約1kHz〜10kHzの範囲にあった。
The results are shown in FIG. The peak amplitude of the probe vibration was 4706 Hz. The resonance frequency is
Depending on the length, diameter, bending rigidity, etc. of the probe, the longer the length and the smaller the diameter, the higher the resonance frequency. When the same measurement was performed with multiple probes,
The resonance frequency was in the range of about 1 kHz to 10 kHz.

【0044】また、バイモルフ型ピエゾ素子4への印加
電圧を低くすると、それに比例してプローブ振動の振幅
も減少した。
Further, when the applied voltage to the bimorph type piezo element 4 was lowered, the amplitude of the probe vibration was also reduced in proportion thereto.

【0045】次に、プローブ−試料間の距離と振幅の関
係を調べた。共振周波数でプローブを振動させながら、
試料表面に近づけたときの、振幅変化を調べた。試料2
にはスライドガラスを用いた。プローブ−試料間の距離
を1nmずつ変化させながら、プローブ振動の振幅を測定
した。
Next, the relationship between the probe-sample distance and the amplitude was examined. While vibrating the probe at the resonance frequency,
The amplitude change was examined when the sample was brought close to the sample surface. Sample 2
A slide glass was used for. The amplitude of the probe vibration was measured while changing the distance between the probe and the sample by 1 nm.

【0046】図7にその結果を示す。横軸はプローブ−
試料間の距離、縦軸はプローブ振動の振幅を示す。図7
より、プローブが試料に近づくにつれプローブ振動の振
幅が減少し、その振幅はプローブ−試料間の距離に比例
するのがわかる。また、バイモルフ型ピエゾ素子への印
加電圧とは無関係に、プローブ−試料間の距離に対する
振幅の傾きは一定である。このため、振幅が影響を受け
る距離は、プローブ振動の振幅の初期値に比例すること
がわかる。
The results are shown in FIG. The horizontal axis is the probe
The distance between the samples and the vertical axis indicate the amplitude of probe vibration. Figure 7
It can be seen that the amplitude of the probe vibration decreases as the probe approaches the sample, and the amplitude is proportional to the probe-sample distance. Moreover, the slope of the amplitude with respect to the distance between the probe and the sample is constant regardless of the voltage applied to the bimorph type piezo element. Therefore, it can be seen that the distance where the amplitude is affected is proportional to the initial value of the amplitude of the probe vibration.

【0047】以上の予備測定に基づき、本実施例の装置
システムを用い、試料表面のシェアフォース像を観察し
た。試料2は、周期構造をもつ光磁気ディスク基板(M
O)を用いた。図8にこの光磁気ディスク基板の構造を
示す。光磁気ディスク基板は、ガラス製(屈折率 1.5)
で、幅約500nm、深さ40nmの溝が1.6μm間隔で並んでい
る。
Based on the above preliminary measurement, the shear force image on the surface of the sample was observed using the apparatus system of this example. Sample 2 is a magneto-optical disk substrate (M
O) was used. FIG. 8 shows the structure of this magneto-optical disk substrate. The magneto-optical disk substrate is made of glass (refractive index 1.5)
The grooves with a width of about 500 nm and a depth of 40 nm are lined up at 1.6 μm intervals.

【0048】図9に、光磁気ディスク基板のシェアフォ
ース像を示す。金属プローブ3の高さを一定に保ち、試
料2を走査した(コンスタントハイトモード)。走査範
囲は5μm×5μmで、走査ピッチは100nm×100nmであ
る。すなわち50×50ポイントの走査である。このと
きのピエゾ素子4への印加電圧は3Vで、プローブの共振
周波数は4656Hzであった。プローブの振動方向は、図4
において横方向で、光磁気ディスクの溝の延びる方向と
平行である。図9を見てもわかるように、1.6μmの間
隔で周期的に溝が並んでいるのが観察できている。な
お、図10は、図9の一断面を示している。また、補足
すると、コンスタントハイトモードでは、金属プローブ
3のZ軸方向の位置を一定にするが、実際の走査に先立
ち、試料2の表面と衝突しない高さを選択するために、
適宜の走査ポイントを選び(20点程度)、プローブ振動
のフィードバック制御を行って、試料表面からの距離を
測定している。
FIG. 9 shows a shear force image of the magneto-optical disk substrate. The height of the metal probe 3 was kept constant and the sample 2 was scanned (constant height mode). The scanning range is 5 μm × 5 μm, and the scanning pitch is 100 nm × 100 nm. That is, it is a scan of 50 × 50 points. The voltage applied to the piezo element 4 at this time was 3 V, and the resonance frequency of the probe was 4656 Hz. The vibration direction of the probe is shown in Fig. 4.
Is parallel to the direction in which the grooves of the magneto-optical disk extend. As can be seen from FIG. 9, it can be observed that the grooves are periodically arranged at intervals of 1.6 μm. Note that FIG. 10 shows a cross section of FIG. 9. In addition, as a supplementary note, in the constant height mode, the position of the metal probe 3 in the Z-axis direction is fixed, but in order to select a height that does not collide with the surface of the sample 2 prior to actual scanning,
An appropriate scanning point is selected (about 20 points), feedback control of probe vibration is performed, and the distance from the sample surface is measured.

【0049】次に、プローブ振動の振幅が一定となるよ
うにプローブの高さを、コンピュータ6より実時間でフ
ィードバック制御してプローブ−試料表面間の距離を一
定に保ち、試料2を走査し測定を行った(コンスタント
ディスタンスモード)。
Next, the height of the probe is feedback-controlled from the computer 6 in real time so that the amplitude of the probe vibration is constant, the distance between the probe and the sample surface is kept constant, and the sample 2 is scanned and measured. (Constant distance mode).

【0050】図11に、測定したシェアフォース像を示
す。試料2は、先のコンスタントハイトモードと全く同
様の光磁気ディスク基板である。走査範囲は5μm×5μ
mで、走査ピッチは100nm×100nmである。このときのピ
エゾ素子4への印加電圧は3Vで、プローブの共振周波数
は4656Hzであった。プローブ−試料間の距離は、20nmに
固定した。プローブの振動方向は、図4において横方向
で、光磁気ディスクの溝の方向と平行である。図11よ
り、1.6μmの間隔で周期的に溝が並んでいるのが明瞭
にわかる。また、図12に、図11の一断面を示す。溝
の深さは、約30nmであり、図8の試料構造とほぼ一致し
ていることが分かる。
FIG. 11 shows the measured shear force image. Sample 2 is a magneto-optical disk substrate that is exactly the same as the constant height mode. Scan range is 5μm x 5μ
m, the scan pitch is 100 nm × 100 nm. The voltage applied to the piezo element 4 at this time was 3 V, and the resonance frequency of the probe was 4656 Hz. The probe-sample distance was fixed at 20 nm. The vibration direction of the probe is the horizontal direction in FIG. 4 and is parallel to the direction of the groove of the magneto-optical disk. It can be clearly seen from FIG. 11 that the grooves are periodically arranged at intervals of 1.6 μm. Further, FIG. 12 shows a cross section of FIG. 11. The depth of the groove is about 30 nm, and it can be seen that it substantially matches the sample structure of FIG.

【0051】以上の実施例の結果を考察すると、共振周
波数でプローブを微小振動させながら試料表面に近づけ
ると、試料近傍において、その振幅は、プローブ−試料
間の距離に比例して減少する。また、プローブ振動の振
幅の初期値によらず、プローブ−試料間の距離に対する
振幅の傾きは、いずれの場合も同じである。これは、プ
ローブと試料が垂直ではなく傾いているため、プローブ
が振動したときに試料表面に接触するためではないかと
考えられる。そのため、プローブ振動の振幅が大きくな
るほど、振幅が変化する距離は長くなると考えられる。
Considering the results of the above-mentioned examples, when the probe is slightly vibrated at the resonance frequency and brought close to the sample surface, its amplitude in the vicinity of the sample decreases in proportion to the distance between the probe and the sample. Further, the slope of the amplitude with respect to the distance between the probe and the sample is the same regardless of the initial value of the amplitude of the probe vibration. It is considered that this is because the probe and the sample are not vertical but are tilted, and thus contact the sample surface when the probe vibrates. Therefore, it is considered that as the amplitude of the probe vibration increases, the distance over which the amplitude changes becomes longer.

【0052】また、いずれの印加電圧でも、プローブ−
試料間の距離に対する振幅の傾きが等しいため、プロー
ブの位置が変化したときの振幅の変化量も等しい。よっ
て、信号のS/Nによって決まる距離精度は、いずれの電
圧でも同じで3nmであった。印加電圧を大きくした方が
測定が容易になるが、プローブ振動の振幅の増大により
面内の分解能が低下する。そのため、測定が可能な限り
プローブ振動の振幅を小さくするのが良いと考えられ
る。
At any applied voltage, the probe-
Since the slope of the amplitude is equal to the distance between the samples, the amount of change in the amplitude when the position of the probe changes is also equal. Therefore, the distance accuracy determined by the S / N of the signal was the same at any voltage, which was 3 nm. The larger the applied voltage is, the easier the measurement becomes, but the in-plane resolution is lowered due to the increase in the amplitude of the probe vibration. Therefore, it is considered preferable to reduce the amplitude of probe vibration as much as possible.

【0053】次に、コンスタントハイトモードとコンス
タントディスタンスモードを比較し考察すれば、コンス
タントハイトモードでは、高さ方向のダイナミックレン
ジが、プローブ振動の振幅の初期値によって決定される
ため、レンジが狭く試料の傾きによりレンジを越えてし
まう。ダイナミックレンジを広くとるためには、プロー
ブ振動の振幅を大きくする必要があるが、プローブ振動
の振幅を大きくすると、空間分解能が低下する。これに
対し、コンスタントディスタンスモードでは、フィード
バックによりプローブの位置を制御するため、高さ方向
のダイナミックレンジは、高さ方向のピエゾのダイナミ
ックレンジと同じである。そのため、コンスタントハイ
トモードに比べ、ダイナミックレンジは広くなる。ま
た、検出可能な限りプローブ振動の振幅を小さくするこ
とができるので、コンスタントハイトモードに比べ、空
間分解能を向上させることができる。これらの点より、
コンスタントディスタンスモードによる測定のほうが優
れていることが解る。
Next, comparing and considering the constant height mode and the constant distance mode, in the constant height mode, the dynamic range in the height direction is determined by the initial value of the amplitude of the probe vibration, so that the range is narrow. The range will be exceeded due to the inclination of. In order to widen the dynamic range, it is necessary to increase the amplitude of the probe vibration, but if the amplitude of the probe vibration is increased, the spatial resolution decreases. On the other hand, in the constant distance mode, since the probe position is controlled by feedback, the dynamic range in the height direction is the same as the dynamic range of the piezo in the height direction. Therefore, the dynamic range becomes wider than that in the constant height mode. Further, since the amplitude of the probe vibration can be reduced as much as it can be detected, the spatial resolution can be improved as compared with the constant height mode. From these points,
It can be seen that the measurement in the constant distance mode is superior.

【0054】なお、上記の実施例では、プローブ振動の
モニタによるフィードバック制御に振幅の信号を利用し
たが、励振手段に印加する基準振動の位相に対する、プ
ローブ振動の位相差を利用してもよいことは前述の振動
モデル解析のとおり明らかであり、位相差を検出してフ
ィードバック制御する構成とすることができる。尚、こ
のときには、図3に示されるように、共振周波数では不
可であり、これより若干ずれた周波数で利用する。
In the above embodiment, the amplitude signal is used for the feedback control by monitoring the probe vibration, but the phase difference of the probe vibration with respect to the phase of the reference vibration applied to the exciting means may be used. Is obvious as in the above-described vibration model analysis, and a phase difference can be detected and feedback controlled. At this time, as shown in FIG. 3, the resonance frequency cannot be used, and a frequency slightly deviated from the resonance frequency is used.

【0055】また、光散乱方式のNSOMのプローブに
ついて、誘電体または金属のいずれを用いるにしても、
散乱光を集光する光学系を設けるもののほか、プローブ
の先端ないし先端部に散乱光を直接的に光電変換しうる
検知部を備えたプローブであってもよく、このようなプ
ローブを上記の実施例と同様に装置し、同様に動作させ
ることができる。
For the light scattering NSOM probe, whichever dielectric or metal is used,
In addition to providing an optical system for collecting scattered light, a probe having a detection unit capable of directly photoelectrically converting scattered light at the tip or the tip of the probe may be used. It can be arranged and operated in the same manner as in the example.

【0056】[0056]

【発明の効果】本発明によれば、STM制御をすること
なく試料表面の影響を排除して光学的情報のみを超解像
観測できると共に、試料が非導電性のもの(誘電体結晶
表面や生物細胞組織など)でも特別な予備操作を施すこ
となく超解像観察が可能となり(例えば、生体組織のin
vivo観察が可能)、さらには、装置の小型化を維持した
ままで装置操作の簡便性の点でこれを格段に向上させる
効果がある。
According to the present invention, the influence of the sample surface can be eliminated without performing STM control, and only the optical information can be observed by super-resolution. Super-resolution observation can be performed without any special preliminary operation even in biological cell tissues, etc.
(In vivo observation is possible), and further, there is an effect that this is remarkably improved in terms of easiness of operation of the device while maintaining the miniaturization of the device.

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

【図1】プローブの振動モデルを示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a vibration model of a probe.

【図2】振幅−振動数特性を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing amplitude-frequency characteristics.

【図3】位相−振動数特性を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a phase-frequency characteristic.

【図4】本発明の一実施例の要部の図解図である。FIG. 4 is an illustrative view of a main part of an embodiment of the present invention.

【図5】励振手段の一つであるバイモルフ型ピエゾ素子
の動作説明図であり、同図(a)はV=0の場合、同図(b)
はV≠0の場合の説明図である。
FIG. 5 is an operation explanatory view of a bimorph type piezo element which is one of the excitation means, and FIG. 5A shows the case where V = 0 and FIG.
Is an explanatory diagram when V ≠ 0.

【図6】使用したプローブの印加周波数と振幅との関係
を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between applied frequency and amplitude of a used probe.

【図7】プローブし試料表面間の距離と振幅との関係を
示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between a distance between probed sample surfaces and amplitude.

【図8】観察に用いた光磁気ディスク基板の試料構造
(断面)を示す図である。
FIG. 8: Sample structure of magneto-optical disk substrate used for observation
It is a figure which shows (cross section).

【図9】コンスタントハイトモードで動作させたときの
光磁気ディスク基板表面のシェアフォース像を示す図面
に代わる写真である。
FIG. 9 is a photograph replacing a drawing showing a shear force image on the surface of a magneto-optical disk substrate when operated in a constant height mode.

【図10】図9の像の一断面におけるプロファイルを示
す図である。
10 is a diagram showing a profile in one section of the image of FIG.

【図11】コンスタントディスタンスモードで動作させ
たときの光磁気ディスク基板表面のシェアフォース像を
示す図面に代わる写真である。
FIG. 11 is a photograph replacing a drawing showing a shear force image on the surface of a magneto-optical disk substrate when operated in a constant distance mode.

【図12】図11の像の一断面におけるプロファイルを
示す図である。
12 is a diagram showing a profile in one section of the image of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 X−Y2軸ピエゾステージ 2 試料 3 金属プローブ 4 バイモルフ型ピエゾ素子 5 Z軸ピエゾステージ 6 コンピュータ 7 オシレータ 10 レーザダイオード 11,12 レンズ 13 2分割フォトディテクタ 1 XY Y-axis piezo stage 2 Sample 3 Metal probe 4 Bimorph type piezo element 5 Z-axis piezo stage 6 Computer 7 Oscillator 10 Laser diode 11, 12 lens 13 Two-division photo detector

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 試料の表面に生成されたエバネッセント
場に誘電体または金属からなる先端が尖鋭なプローブを
挿入し、前記エバネッセント場を伝搬光に変換して該伝
搬光を前記プローブまたは前記試料を走査しながら検出
し、前記試料の表面部における情報を観測できるニアフ
ィールド光学顕微装置において、 前記プローブの先端とは反対側に、当該プローブの先端
をプローブの軸と直交する方向に振動させるプローブ励
振手段を設けると共に、前記プローブの振動をモニタし
てプローブの軸方向の位置をフィードバック制御する制
御手段を設けたことを特徴とするニアフィールド光学顕
微装置。
1. A probe having a sharp tip made of a dielectric or metal is inserted into an evanescent field generated on the surface of a sample, the evanescent field is converted into propagating light, and the propagating light is converted into the probe or the sample. In a near-field optical microscope capable of detecting information while scanning and observing information on the surface portion of the sample, a probe excitation for vibrating the tip of the probe in a direction orthogonal to the axis of the probe on the side opposite to the tip of the probe. The near-field optical microscope apparatus is provided with a control means for monitoring the vibration of the probe and performing feedback control of the axial position of the probe.
【請求項2】 前記制御手段のフィードバック制御にお
ける入力信号は、前記プローブの振動における振幅の信
号である請求項1記載のニアフィールド光学顕微装置。
2. The near-field optical microscope apparatus according to claim 1, wherein the input signal in the feedback control of the control means is a signal of the amplitude of the vibration of the probe.
【請求項3】 前記制御手段のフィードバック制御にお
ける入力信号は、前記プローブの振動における励振基準
位相に対する位相差である請求項1記載のニアフィール
ド光学顕微装置。
3. The near-field optical microscope apparatus according to claim 1, wherein the input signal in the feedback control of the control means is a phase difference with respect to an excitation reference phase in the vibration of the probe.
【請求項4】 使用するプローブに応じて、前記プロー
ブ励振手段を当該プローブの共振周波数で振動させる、
請求項1または請求項2記載のニアフィールド光学顕微
装置。
4. The probe excitation means is vibrated at the resonance frequency of the probe according to the probe used.
The near-field optical microscope apparatus according to claim 1 or 2.
【請求項5】 プローブの高さを一定に保持して前記試
料を2次元走査するコンスタントハイトモード及び/又
はプローブ振動の振幅が一定となるようにプローブの高
さをフィードバック制御してプローブと試料表面間の距
離を一定に保持しながら試料を2次元走査するコンスタ
ントディスタンスモードを具備する請求項1ないし請求
項4のいずれかに記載のニアフィールド光学顕微装置。
5. The probe and the sample are controlled by feedback control of the height of the probe so that the height of the probe is kept constant and the sample is two-dimensionally scanned in a constant height mode and / or the amplitude of probe vibration is constant. The near-field optical microscope according to any one of claims 1 to 4, further comprising a constant distance mode in which a sample is two-dimensionally scanned while maintaining a constant distance between the surfaces.
JP11836996A 1996-04-15 1996-04-15 Near-field optical microscope Pending JPH09281122A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP11836996A JPH09281122A (en) 1996-04-15 1996-04-15 Near-field optical microscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP11836996A JPH09281122A (en) 1996-04-15 1996-04-15 Near-field optical microscope

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH09281122A true JPH09281122A (en) 1997-10-31

Family

ID=14735006

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP11836996A Pending JPH09281122A (en) 1996-04-15 1996-04-15 Near-field optical microscope

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH09281122A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100551116B1 (en) * 1998-11-25 2006-05-12 엘지전자 주식회사 Near Field Recording/Reproducing Apparatus
CN109827526A (en) * 2019-03-13 2019-05-31 中国十七冶集团有限公司 One kind being based on photogrammetric planar smoothness detection method and its flow chart of data processing

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100551116B1 (en) * 1998-11-25 2006-05-12 엘지전자 주식회사 Near Field Recording/Reproducing Apparatus
CN109827526A (en) * 2019-03-13 2019-05-31 中国十七冶集团有限公司 One kind being based on photogrammetric planar smoothness detection method and its flow chart of data processing

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69817239T2 (en) Optical near-field scanning microscope
US6232597B1 (en) Scanning probe microscope assembly and method for making confocal, spectrophotometric, near-field, and scanning probe measurements and associated images
JP2936311B2 (en) Scanning near-field atomic force microscope with in-liquid observation function
CA2231310A1 (en) Scanning probe microscope
JPH0642953A (en) Atomic force microscope
US8332960B2 (en) Device for scanning a sample surface covered with a liquid
US6995367B2 (en) Nanotube, near-field light detecting apparatus and near-field light detecting method
CN101339816B (en) Two-dimensional micro-motion platform and micro-mechanical parameter testing method for atomic force microscope
US6703614B1 (en) Method for determining the distance of a near-field probe from a specimen surface to be examined, and near-field microscope
JP4044241B2 (en) Probe microscope
RU2109369C1 (en) Probe-type scanning microscope and technique for measuring surface properties by this microscope
DE19531465C2 (en) Scanning probe for optical near-field microscopy
JPH09281122A (en) Near-field optical microscope
JP2003329565A (en) Scanning probe microscope
Mertesdorf et al. Scanning near‐field optical microscope designed for operation in liquids
US7421899B2 (en) Resonance method for determining the spring constant of scanning probe microscope cantilevers using MEMS actuators
JP4388559B2 (en) Scanning near-field microscope
Sigdel et al. Three-dimensional atomic force microscopy: interaction force vector by direct observation of tip trajectory
JPH09329606A (en) Scanning near field microscope with in-liquid observation function
JP3539867B2 (en) Scanning probe microscope
JP3450460B2 (en) Scanning probe microscope
Lapshin et al. Shear force distance control in near-field optical microscopy: experimental evidence of the frictional probe–sample interaction
Tománek et al. Hybrid STM/R-SNOM with novel probe
KR100424540B1 (en) Cantilever construction composed of multiple actuators for AFM, AFM system having the cantilever construction and measurement method for properties of material by using the AFM
JPH07174767A (en) Scanning type probe microscope

Legal Events

Date Code Title Description
A02 Decision of refusal

Effective date: 20041224

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02