JP2012027005A - Near-field optical microscope, and sample observation method - Google Patents
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Abstract
【課題】近接場光を生成または選択的に透過させる微細構造を試料に直接接触させることなく、高分解能観察可能な走査型近接場光学顕微鏡を提供する。
【解決手段】本発明に係る走査型近接場光学顕微鏡100は、試料107に照明光を射出するための光照射部102と、光を受光する受光部112と、光照射102部の射出側および受光部112の入射側のうち少なくとも何れか一方に配置され、近接場光を生成または選択的に透過させる微細構造と、誘電率または透磁率が異方性を示し、近接場光を伝達する超高波数伝達媒質106と、を備える。
【選択図】図1Provided is a scanning near-field optical microscope capable of high-resolution observation without directly contacting a sample with a microstructure that generates or selectively transmits near-field light.
A scanning near-field optical microscope 100 according to the present invention includes a light irradiation unit 102 for emitting illumination light to a sample 107, a light receiving unit 112 for receiving light, an emission side of the light irradiation unit 102, and It is arranged on at least one of the incident sides of the light-receiving unit 112, and has a fine structure that generates or selectively transmits near-field light, and has an anisotropy in dielectric constant or magnetic permeability and transmits near-field light. A high wavenumber transmission medium 106.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、近接場光学顕微鏡、及びこれを用いた試料観察方法に関するものである。 The present invention relates to a near-field optical microscope and a sample observation method using the same.
光学的手段により微細な構造を観察する場合、得られる解像力には、光の波長および光学系の開口数によって決定される上限(回折限界)が存在する。しかしながら、近年、極めて微小な構造を観察する技術が求められるようになり、回折限界を超えて解像力を向上させる光学的手段の研究が盛んに行われてきた。 When a fine structure is observed by optical means, the resolution obtained has an upper limit (diffraction limit) determined by the wavelength of light and the numerical aperture of the optical system. However, in recent years, techniques for observing extremely minute structures have been demanded, and research on optical means for improving the resolution beyond the diffraction limit has been actively conducted.
負屈折率、負誘電率または負透磁率媒質をレンズとして用いた光学的手段が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。このようなレンズは、一般に、スーパーレンズと呼ばれている。かかる技術によれば、回折限界を超えた、極めて高い解像力でのイメージングが可能となる。また、金属と誘電体とを交互に積層することによって形成された、実効的な誘電率の符号が方向によって異なる媒質(異方性媒質)を用い、スーパーレンズと類似した効果を得る技術が提案されている(例えば、非特許文献2参照)。 An optical means using a negative refractive index, a negative dielectric constant, or a negative magnetic permeability medium as a lens has been proposed (for example, see Non-Patent Document 1). Such a lens is generally called a super lens. According to such a technique, imaging with extremely high resolution exceeding the diffraction limit is possible. In addition, a technology has been proposed that uses a medium (anisotropic medium) with an effective permittivity sign that varies depending on the direction, formed by alternately laminating metal and dielectric materials, to achieve an effect similar to that of a super lens. (For example, see Non-Patent Document 2).
ところで、上述したスーパーレンズにしても、異方性媒質にしても、得られる像には、真空中でエバネッセント波となるような空間周波数の高い情報が含まれるため、この像を従来の光学顕微鏡で観察することはできない。このような、空間周波数の高い情報を失うことなく検出するには、例えば、多層膜を曲面状に形成する技術(例えば、非特許文献2参照)等を用いるか、あるいは、近接場光学顕微鏡を用いる必要がある(例えば、特許文献1参照)。さらに、スーパーレンズにより形成された像を、近接場光学顕微鏡を用いて検出するための構成も提案されている(例えば、非特許文献3参照)。 By the way, whether it is a super lens or an anisotropic medium as described above, the obtained image contains high spatial frequency information that becomes an evanescent wave in a vacuum. Cannot be observed. In order to detect such information with a high spatial frequency without losing information, for example, a technique of forming a multilayer film in a curved shape (for example, see Non-Patent Document 2) or the like, or a near-field optical microscope is used. It is necessary to use it (for example, refer patent document 1). Furthermore, a configuration for detecting an image formed by a super lens using a near-field optical microscope has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 3).
近接場光学顕微鏡とは、近接場光を伝搬光に変換するための素子構成によって、照明型、散乱型、集光型に大別することができる(例えば、特許文献2参照)。ここでは、図30を参照し、散乱型の近接場光学顕微鏡900について詳細に説明する。
Near-field optical microscopes can be roughly classified into illumination types, scattering types, and condensing types depending on the element configuration for converting near-field light into propagating light (see, for example, Patent Document 2). Here, the scattering near-field
図30は、従来技術による近接場光学顕微鏡のシステム構成を示す概略図である。図30に示されるように、光源902から射出された照明光は、コリメートレンズ906によりほぼ平行光(平面波)に変換された後、第1ハーフミラー907を経て対物レンズ903により試料901上に集光される。そして、この集光された光の一部は、試料901の表面近傍の光学的情報を担った状態で、プローブ904により散乱される。なお、試料901は、コンピュータ921、試料用コントローラ915および試料用アクチュエータ916により制御される試料台914上に載置され、また、プローブ904は、コンピュータ921、コントローラ919およびプローブ用アクチュエータ934により、試料上の所望の位置を観察可能に制御されている。検出器932は、試料901とプローブ904との間に働く原子間力によるプローブ904の撓みを検出し、AFM(Atomic Force Microscope)制御によりプローブ904の先端と試料901の表面との距離を一定に保つ。
FIG. 30 is a schematic diagram showing a system configuration of a near-field optical microscope according to the prior art. As shown in FIG. 30, the illumination light emitted from the
プローブ904により散乱された光の一部は、集光レンズ928、検出用結像レンズ929、ピンホール930を通って光電子増倍管931により検出される。このとき、プローブ904の先端以外の場所からの光は、ピンホール930により遮断されるため、プローブ904の先端で散乱された光は、高いS/N比で検出されることができる。あるいは、照射光に時間変調を与え、出力信号をロックイン検出することで、さらにS/N比を高めることができる。光電子増倍管931からの出力信号は、ロックインアンプ等のプリアンプ933により増幅され、これを用いて、コンピュータ921により画像処理が行われる。
Part of the light scattered by the
一方、試料901に集光された光のうち試料901において反射された光は、再び対物レンズ903に入射し、第1ハーフミラー907で反射されて観察光学系S1へ入る。さらに第2ハーフミラー908により二分され、一方は結像レンズ909により撮像素子910に結像され、他方は接眼レンズ911によって肉眼観察できるようにされる。
On the other hand, the light reflected by the
一般に、プローブによる光学的観察の解像力は、プローブ先端の寸法と、プローブ先端から試料までの距離との、大きい方によって概ね決定される。光学顕微鏡に比べて有意に高い解像力を得るには、可視光を用いた場合、プローブ先端と試料との距離を概ね100nm以下に保つ必要がある。このように、近接場光学顕微鏡においては、プローブ先端と試料との間隔にナノメートルスケールの制御が要求される。 In general, the resolving power of optical observation by a probe is generally determined by the larger of the dimension of the probe tip and the distance from the probe tip to the sample. In order to obtain a significantly higher resolution than that of an optical microscope, when using visible light, it is necessary to keep the distance between the probe tip and the sample approximately 100 nm or less. As described above, the near-field optical microscope requires nanometer-scale control of the distance between the probe tip and the sample.
しかしプローブ先端は複雑なナノ構造をしており、たとえば細胞のようなウエットな試料に利用する際はプローブ先端等の近接場光を生成または選択的に透過させる微細構造は、試料へ近接させる時に、試料の凹凸や装置の振動によって試料と接触し、タンパク質等による汚染、破損が起こり、光透過性の悪化、光の局在性の劣化等を引き起こすために高分解能での観察に障害となっていた。 However, the probe tip has a complex nanostructure. For example, when it is used for a wet sample such as a cell, the microstructure that generates or selectively transmits near-field light such as the probe tip is In contact with the sample due to the unevenness of the sample or the vibration of the device, contamination and damage due to proteins, etc. occur, resulting in deterioration of light transmission, deterioration of light localization, etc., which hinders observation at high resolution It was.
従って本発明の目的は、近接場光を生成または選択的に透過させる微細構造を試料に直接接触させることなく、高分解能観察可能な走査型近接場光学顕微鏡を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a scanning near-field optical microscope capable of high-resolution observation without directly contacting a sample with a microstructure that generates or selectively transmits near-field light.
上記目的を達成する本発明に係る近接場光学顕微鏡は、
試料に照明光を射出するための光照射部と、
光を受光する受光部と、
前記光照射部の射出側および前記受光部の入射側のうち少なくとも何れか一方に配置され、近接場光を生成または選択的に透過させる微細構造と、
誘電率または透磁率が異方性を示し、近接場光を伝達する超高波数伝達媒質と、
を備えることを特徴とするものである。
The near-field optical microscope according to the present invention that achieves the above object is as follows.
A light irradiation unit for emitting illumination light to the sample;
A light receiving portion for receiving light;
A microstructure that is disposed on at least one of the emission side of the light irradiating unit and the incident side of the light receiving unit, and that generates or selectively transmits near-field light; and
An ultrahigh wavenumber transmission medium that exhibits anisotropy in dielectric constant or magnetic permeability and transmits near-field light;
It is characterized by providing.
さらに、上記目的を達成する本発明に係る試料観察方法は、
誘電率もしくは透磁率が異方性示し、近接場光を伝達する超高波数伝達媒質を試料に密着するステップと、
前記試料に光を照射するステップと、
前記試料に密着された超高波数伝達媒質から射出される光を、微細構造を通して受光するステップと
を含むことを特徴とするものである。
Furthermore, the sample observation method according to the present invention that achieves the above object is as follows.
A dielectric constant or a magnetic permeability showing anisotropy, and a step of closely adhering an ultrahigh wavenumber transmission medium that transmits near-field light to a sample;
Irradiating the sample with light;
Receiving light emitted from the ultrahigh wave number transmission medium in close contact with the sample through a fine structure.
本発明に係る走査型近接場光学顕微鏡によれば、照射光の波長に相当する空間周波数よりも高い空間周波数の光学的情報を高感度で得ることができる。 According to the scanning near-field optical microscope of the present invention, optical information having a spatial frequency higher than the spatial frequency corresponding to the wavelength of the irradiation light can be obtained with high sensitivity.
以下、本発明による検査装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Embodiments of an inspection apparatus according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に従う近接場光学顕微鏡のシステム構成の一例を示したものである。近接場光学顕微鏡100は、走査部101と、近接場光源105と、超高波数伝達媒質106と、受光部112と、ハーフミラー113と、結像レンズ114と、撮像素子115と、光学顕微鏡用照明部(以下、光顕用照明部と称する)116と、を備える。超高波数伝達媒質106は、試料107と開口部104との間に配置される。また、超高波数伝達媒質106が、試料107に接するように配置される。受光部112は、対物レンズ108と、ダイクロイックミラー109と、フィルタ110と、受光素子111とを備える。
(First embodiment)
FIG. 1 shows an example of the system configuration of a near-field optical microscope according to the first embodiment of the present invention. The near-field
試料107に照明光を射出するための光照射部を構成する光源102から射出された光(波長Eλ)は遮光部材103へ照射される。遮光部材103には光の波長より小さな開口部104が設けられているため、開口部104を通過した光は近接場光として遮光部材103の裏側へしみ出す。すなわち、微細構造により構成される開口部104は、光照射部を構成する光源102の射出側に配置されて近接場光を生成する。以下、この近接場光を照明光と称する。遮光部材103の下方には波長より小さな間隔を介して超高波数伝達媒質106が配置されており、照明光の一部は超高波数伝達媒質106へ侵入する。
Light (wavelength Eλ) emitted from the
超高波数伝達媒質106は、誘電率または透磁率が異方性を示し、近接場光を伝達するものである。なお、超高波数伝達媒質の光学的性能については後述する。超高波数伝達媒質106は、空気中では近接場光となるような照明光も伝搬光として遠方へ伝えることができ、超高波数伝達媒質106と試料107が接しているため、結局、光源102から発せられた光の一部を試料107に到達させることになる。すなわち、超高波数伝達媒質106は微細構造を構成する開口部104で生成された近接場光を伝達して試料107に照明光として射出する。従って開口部104は、試料107に直接接触しない。なお、超高波数伝達媒質106は、試料107に接するように配置されるものとしたが、超高波数伝達媒質106から射出される近接場光が減衰しない距離に試料107が配置されれば良い。また、超高波数伝達媒質106を試料107に押し付け、両者が接するように配置されている場合には、生細胞等の凸凹で形状が不安定な試料であっても、超高波数伝達媒質106と試料107との間隔を狭められるため、安定的に高い解像力で高精細に観察することができる。
The ultra-high wave
ここで、試料107には波長Eλの光で励起されると波長Fλの蛍光を発する蛍光色素が拡散されているものとする。試料107中の蛍光色素は、光源102から開口部104、超高波数伝達媒質を介して照射された光によって励起される。蛍光色素は試料107の中に直接拡散していてもよいし、蛍光ビーズのような加工された状態で試料107に含まれていてもよい。あるいは、GFP(Green Fluorescent Protein)などの蛍光タンパク質を試料107に結合させ、試料107の中の特定の部位や機能を観察できるようにしてもよい。蛍光色素が発した波長Fλの蛍光の一部は、対物レンズ108を通過したのちに、ダイクロイックミラー109により反射され、フィルタ110へ入射する。
Here, it is assumed that a fluorescent dye that emits fluorescence of wavelength Fλ is diffused in
一般に、蛍光色素や量子ドットを用いて蛍光を発生させる場合、励起光に対して蛍光の強度は非常に弱い。したがって図1に示すシステム構成においても、蛍光だけでなくそれより高強度の励起光も対物レンズ108へ入射させる。しかし、フィルタ110は励起光を除去し、蛍光を透過させるよう設計されているため、蛍光だけが受光素子111によって検出される。これらの蛍光及び励起光、又は試料を透過した透過光のように、試料107に関する情報(信号)を含む光を、以下、信号光と称する。受光部112は、試料107からの光(信号光)を受光するものである。
In general, when fluorescence is generated using a fluorescent dye or quantum dots, the intensity of fluorescence is very weak with respect to excitation light. Therefore, also in the system configuration shown in FIG. 1, not only fluorescence but also excitation light having a higher intensity is incident on the
超高波数伝達媒質106によって試料107まで運ばれた照明光は、空気中あるいは試料中では近接場光であるため、試料107へ入射した点の近傍にだけ広がり、それ以上遠方へ伝わることはない。つまり、試料107に蛍光色素がまんべんなく拡散していたとしても、近接場光が入射した点のごく近傍にある蛍光色素だけが励起されるため、受光部112は照明光の波長より小さな領域の局所的な情報(今の場合は蛍光色素の空間分布)だけを検出することになる。したがって、上記のような信号光検出の過程を所定の時間だけ続ければ、試料表層の微小領域で起きている現象がどのように時間変化するかを調べることができる。
Since the illumination light carried to the
とりわけ、生細胞のように柔らかく形状不安定な試料に対して、こうした局所的観察を行うための手段は例がなく、本実施形態に係る近接場光学顕微鏡100を用いることによってそうした観察が可能となる。また、試料107から放射された応答光は、試料107により反射、散乱、回折された光、あるいは照明光により励起されて試料107中の蛍光色素が発した蛍光であり、試料107中の反射率分布、光散乱係数分布、回折効率分布などの光学的物性に関する情報、あるいは蛍光色素の空間分布といった生化学的情報を保持している。以後、光学的物性に関する情報と光学的手段により検出可能な生化学的情報をまとめて「光学的情報」と呼ぶ。
In particular, there is no example of such a local observation method for a soft and unstable sample such as a living cell, and such observation is possible by using the near-field
次に、試料107の表面の2次元的な像を得るための方法について、やはり図1を用いて説明する。光源102、遮光部材103、および遮光部材103に設けられた開口部104は、一体として構成されていてもよく、これを近接場光源105と呼ぶことにする。近接場光源105は、試料に照明光を射出するための光照射部を構成する。開口部104は、近接場光を生成する微細構造により構成される。走査部101は、例えばモーターで駆動されるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)スキャナや、ピエゾ素子を用いた電動ステージで構成されており、超高波数伝達媒質106の表面に沿って近接場光源105の位置を連続的に変化させることができる。
Next, a method for obtaining a two-dimensional image of the surface of the
このとき、照明光が照射される試料表面の位置も変化するため、受光素子111により検出される信号光の光量の時間変化を試料107の表面上の位置に対応させることによって、試料107の表面の蛍光色素分布を得ることができる。走査部101は、本実施形態に係る近接場光学顕微鏡の動作時に、微細構造を構成する開口部104と、超高波数伝達媒質106との間隔が、照明光の波長以下に保つ。これにより、複数の観察位置のそれぞれにおける解像力を一定とするだけではなく、受光部112により光学的情報が正確に検出できるようにする。
At this time, since the position of the surface of the sample irradiated with the illumination light also changes, the time change of the light amount of the signal light detected by the
光源102と開口部104とが独立な素子として構成されている場合には、両者を一体に移動させてもよいが、開口部104だけを移動させてもよい。というのは、光源102を発して開口部104へ照射される光は回折限界によって制約されているため、少なくともその波長程度の領域に広がっている。したがって、その大きな領域の中で開口部104を多少動かしても、開口部104からしみ出す近接場光(照明光)の強度はほとんど変化しないからである。
In the case where the
以上は、蛍光観察を例にとって近接場光学顕微鏡100の動作を説明したが、それ以外の光学過程に対しても同様の機能が期待される。例えば、試料107の表面に凹凸がある場合、あるいは試料107中に密度や組成のゆらぎがある場合、照明光は試料107の表面で散乱される。このとき生じる散乱が、ラマン散乱などのように光周波数の変化を伴う散乱である場合には、さきほどの蛍光と同様にして、照明光と散乱光とをフィルタ110によって分離することができる。一方、レイリー散乱やミー散乱のような弾性散乱である場合には、そのようなフィルタ110の効果は期待できない。しかしながら、蛍光やラマン散乱に比べて、弾性散乱された光の強度はきわめて大きいので、信号光と一緒に検出される照明光は許容水準のノイズ光として扱うことができる。
The operation of the near-field
他方、光顕用照明部116から射出された照射光は、ハーフミラー113、ダイクロイックミラー109を経て対物レンズ108によって試料107上の観察領域に照射される。そして、試料107に作用した光が試料107から放射される。この光は、その一部が再び対物レンズ108に入射し、特定波長の光がダイクロイックミラー109で反射されてフィルタ110を経て受光素子111によって受光される。ダイクロイックミラー109を透過した光は、ハーフミラー113で反射されて結像レンズ114により撮像素子115に結像される。図示しないが、撮像素子115の出力は、画像処理回路(図示しない)で画像処理され、モニタ等に供給される。これにより、試料107の状態をリアルタイムで観察することが可能となる。こうした光学的観察方法は、落射照明による従来の光学顕微鏡と同じ動作である。試料107が透過性を有する場合等には、試料107を介して光学顕微鏡と反対側に、試料107を透過照明するための照明手段を配置することができる。
On the other hand, the irradiation light emitted from the light
図2は、本実施形態に係る微細構造を構成する開口部104とその周辺を示す拡大図である。遮光部材103には大きさdの開口部104が設けられている。開口部104の形状は円筒、立方体、直方体など、いかなる形状でもよい。大きさを表すdは、例えば円筒の場合には直径、立方体の場合にはそれを形成する正方形の対角線など、開口部104を光源側から見たときに最も大きな長さを表すものとする。dは光源102から出た光の波長Eλより小さく設定されており、このため光源102を出た光が開口部104を通過する際のエネルギー効率は高くない。それでもわずかな光が近接場光として遮光部材103の裏側にしみ出し、照明光となる。
FIG. 2 is an enlarged view showing the
近接場光は空気中を伝搬可能な伝搬光成分と、空気中では指数関数的に減衰してしまうエバネッセント波成分とを含み、開口の大きさdが波長に比べて小さければ小さいほど、エバネッセント波成分の比が高くなる。エバネッセント波成分は遮光部材103から離れるにつれて指数関数的に減衰するが、遮光部材103と超高波数伝達媒質106との間隔gが波長Eλより小さければ、ある程度の強度が超高波数伝達媒質106へ到達する。したがって、本実施形態の近接場光学顕微鏡100が良好に動作するためには、開口部104の大きさdと、遮光部材103と超高波数伝達媒質106との間隔gとが、ともに照明光の波長Eλより小さくなければならない。
The near-field light includes a propagating light component that can propagate in the air and an evanescent wave component that exponentially attenuates in the air. The smaller the aperture size d is, the smaller the evanescent wave is. The ratio of components increases. The evanescent wave component attenuates exponentially as the distance from the
近接場光を生成するための微細構造として、前記開口部104のほかに、散乱型プローブ、ブルズアイ構造、C型開口などを用いてもよい。散乱型プローブは先端を尖らせた形状のプローブであり、この先端に光が照射されると近接場光が生成される。従来の近接場光学顕微鏡には照射モード、集光モード、散乱モードといった異なるタイプの方式が提案されているが、このうち照射モードと散乱モードは本実施形態に係る近接場光学顕微鏡100における近接場光の生成手段として用いることができる。ブルズアイ構造は開口部104の周りに同心円状の溝を形成することにより、表面プラズモンを強く励起し、照明される面と反対側に強い近接場光を生成する微細構造である。C型開口も同様の効果をもたらす。
As a fine structure for generating near-field light, in addition to the
開口部104の大きさdが小さいほど顕微鏡としての解像力を高めることができるが、光源102から射出される光の大部分を捨ててしまうため、得られる像が暗くなってしまう。一方、間隔gが小さいほど解像力と明るさの双方において有利である。図3は、やはり開口部104とその周辺を示す拡大図であるが、間隔gがゼロの場合、すなわち、遮光部材103が、超高波数伝達媒質106に接するように配置される構成を示している。前述のように、光学的性能に対する間隔gの影響について言えば、考えうる最良の構成と言える。
As the size d of the
しかしながら、実際には超高波数伝達媒質106や遮光部材103をどんなに平坦に形成しても、表面のわずかな凹凸を避けることはできず、開口部104を超高波数伝達媒質106に対して完全に接触させ続けることは難しい。そこで、このわずかな凹凸やゴミの混入によって不可避的に生じる間隔gを少しでも小さくするために、遮光部材103を超高波数伝達媒質106へ押し当てて動作させることが好ましい。あるいは、開口を備えた遮光部材103を超高波数伝達媒質106と一体として構成すれば、間隔gを常に厳密にゼロとすることができ、上記の問題を完全に克服することができる。そのような構成をとり、さらに2次元的な像を得る必要がある場合には、今度は開口部104や近接場光源105ではなく、超高波数伝達媒質106自体を試料に対して走査すればよい。
However, in practice, no matter how flat the ultrahigh
図4は、光源102と、開口部104を備えた遮光部材103とが一体として構成された近接場光源102の構造を示す図である。近接場光学顕微鏡100は試料107上の微細な構造を観察する機器であるため、動作の際に振動や対流によって光源102と開口部104との位置関係が変動すると、これによって開口部104から超高波数伝達媒質側へしみ出す近接場光の強度や空間分布が変化し、得られる像などの光学性能が著しく劣化するおそれがある。
FIG. 4 is a diagram showing a structure of the near-
しかし、図4に示す近接場光源の構成をとれば、光源102と遮光部材103とが共通の筐体117に固定されているため、そのような性能低下が抑制され、良好な観察を行うことができる。光源102からの光エネルギーをより効率的に利用するためには、光源102と遮光部材103との間に集光レンズ(図示しない)を設け、光を集光させて開口部104へ照射することが有効である。このような構成をとる場合には、開口部104近傍で光が狭い領域に集光しているため、微小な開口部104をその領域の中心(光の強度が最大の位置)に配置させ続けるには高度な位置制御が必要となる。のみならず、振動等によって開口部104の位置が変動した際に、開口部104からしみ出す照明光の強度は大きく変化する。つまり、エネルギー効率を高めるために集光レンズ(図示しない)を設けた場合には、光源102と遮光部材103とを一体構成させて近接場光源とすることの優位性がより高まる。
However, if the configuration of the near-field light source shown in FIG. 4 is adopted, since the
勿論、図5に示すように、開口部104を光源102に直接設けてもよい。光源102としては、発光ダイオード(Light Emitting Diode: LED)、レーザーダイオード(Laser Diode: LD)、ハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀灯など、様々な種類の光源を用いることができる。これらの光源において、光を射出する領域を射出部と呼ぶことにすると、射出部118を覆うようにして遮光部材103を設け、その一部に波長より小さな開口部104を形成する。このようにして近接場光源105を構成すると、振動や熱膨張などのいかなる外的環境変化が生じても、射出部118と開口部104との位置関係が変わることがなく、安定した近接場光を生成することができる。
Needless to say, the
図6は、走査部101について説明するための模式図である。近接場光源は結合面119を介して走査部101に結合されており、電気信号が与えられると結合面119に沿って1軸あるいは2軸方向に移動することができる。このように近接場光源105が移動しながら試料(図示しない)へ照明光を照射し、試料によって散乱された信号光、あるいは試料中の蛍光色素を励起して蛍光色素が発した信号光(蛍光)を、受光部112によって検出することにより、試料表面の1次元あるいは2次元の空間的情報を得ることができる。近接場光源105の移動を円滑にするために、近接場光源105と超高波数伝達媒質106との間に潤滑油を満たすか、又はビーズを拡散させてもよい。
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the
あるいは、パソコンのハードディスクドライブ(Hard Disk Drive: HDD)に用いられるフライングヘッドなどのように、流体力学的な力の作用により、近接場光源105と超高波数伝達媒質106との間隔を一定に保ちながら走査を行うこともできる。また、図7に示すように、走査部101、近接場光源105、および超高波数伝達媒質106を共通の筐体117に固定させ、あるいは内包させて、一体として近接場励起ユニット120を構成してもよい。このような構成を用いると、近接場光源105と超高波数伝達媒質106あるいは試料(図示しない)との間の機械的な精度が向上する上、外部より漏れこむノイズ光の影響を低減することができ、光学的性能の観点からも好ましい。
Alternatively, the distance between the near-
図8は、本実施形態に係る近接場光学顕微鏡100における対物レンズ108の役割を説明するための模式図である。すでに説明したように、対物レンズ108は受光部112を構成する一部であり、試料表層を発するより多くの信号光を集める役割を担っている。一方、図1にも示したように、光学顕微鏡上に近接場光学顕微鏡100を配置し、対物レンズ108を共有するように構成することも可能である。つまり、図8に示すように、光学顕微鏡の対物レンズ108上にスライドガラス121を介して試料107を配置し、試料表面107aに超高波数伝達媒質106、近接場光源105をそれぞれ設ける。生細胞を観察する場合には、シャーレやガラスボトムディッシュ内に培養した細胞を用いることが多いので、この場合は図中のスライドガラス121の部分はシャーレ(ガラスボトムディッシュ)の底である。
FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the role of the
図8には対物レンズ108の光軸OAおよび視野範囲FOVが示されているが、このように、開口部104および超高波数伝達媒質106の少なくとも一部が、光学顕微鏡の視野範囲FOV内となる構成では、視野範囲FOV内にある試料107を近接場光学顕微鏡100でも観察することで、光学顕微鏡と近接場光学顕微鏡100により得られる試料の観察像の双方を得ることができる。とりわけ、近接場光学顕微鏡100により観察可能な領域(視野)が狭い場合には、光学顕微鏡像をファインダーとして利用することで、観察領域の特定や移動をスムースに行うことができ操作性が向上する。光学顕微鏡と近接場光学顕微鏡100による顕微観察は、両者の観察像を分離して検出するために、波長の異なる光源を用いる(蛍光を用いる場合には両者の励起光および蛍光が異なる波長をもつ)ことが好ましい。ただし、試料の性質などの事情で同じ波長の光源を用いたい場合には、両者の観察を時間分割で行うことができる。
FIG. 8 shows the optical axis OA and the field-of-view range FOV of the
図9は、光学顕微鏡観察のための透過照明を設けた近接場励起ユニット122を示す模式図である。生細胞などの(半)透明な試料を観察する際、位相差や微分干渉を利用するために透過照明を用いることが多い。そこで、近接場励起ユニット122内で、スキャナ固定部125に対して可動のスキャナ可動部126に(すなわち、試料107に対して上述した光学顕微鏡とは反対側に)透過照明用の発光素子123により構成される光顕用照明部をさらに設けることにより、光学顕微鏡の透過照明を行う構成を示す。近接場光学顕微鏡としての動作については改めて述べないが、光源102、遮光部材103、開口部104、超高波数伝達媒質106があれば必要な機能が発揮される。
FIG. 9 is a schematic diagram showing the near-
一方、発光素子123をから発せられた透過照明光は、透過領域124、超高波数伝達媒質106を介して試料表面107aへ照射される。透過領域124は、超高波数伝達媒質106に対向する側の表面に設けられ、光顕用照明部による照明光(透過照明光)を透過させる。透過領域124および超高波数伝達媒質106は、透過照明光の波長に対してのみ、透明であるか、あるいは導波可能な構造となっていればよい。図9のように、近接場光源として用いる光源102と、顕微鏡のための透過照明に用いる発光素子123により構成される光顕用照明部とを、同一面に設けることもできる。この場合、光源102と発光素子123とを半導体プロセスにより同一基板上に形成することができ、生産性を向上させることができる。
On the other hand, the transmitted illumination light emitted from the
また、図10に示すように、近接場光源として動作する領域と、透過照明の領域とを、遮光部材103により隔てるように構成すれば、近接場光学顕微鏡100のための照明光に、光学顕微鏡のための透過照明光が混入し、光学的性能を劣化させることを抑制することができる。さらに、この遮光部材103を、透過照明をより効果的に行うための反射面として利用することもできる。図9及び図10では、光顕用照明部がスキャナ可動部に設けられているが、光顕用照明部はスキャナ固定部に設けられていてもよい。なお、図示しないが、光源102と光顕用照明部を構成する発光素子123との間には、発光素子123からの照明光を遮蔽するため、遮蔽部を設けることができる。これにより、発光素子123からの照明光と、光源102からの照明光を分離し、観察時のノイズを減らすことができ、その結果、S/N比の良好な画像を取得することができる。
In addition, as shown in FIG. 10, if the region operating as the near-field light source and the transmitted illumination region are separated by the
図11は、超高波数伝達媒質106の試料側表面に、試料107との接着性を高めるための処理を施した処理面を有する近接場励起ユニット122を示す模式図である。本実施形態に係る近接場光学顕微鏡100は、試料107の表面の非常に小さな領域に照明光を照射することによって、従来の光学顕微鏡より高い解像力を得ることを可能としている。したがって、動作の際に超高波数伝達媒質106と試料107との相対的位置が予測不能な形で変化すると、光学的性能が劣化してしまう。そこで、超高波数伝達媒質106の試料側表面に、試料107との接着性を高めるための処理を施すことにより、光学的性能の劣化を防ぐことができる。例えば、生細胞を観察する場合、超高波数伝達媒質106の試料側表面にポリリジンをコーティングすることによって、生細胞との接着性を向上することができる。
FIG. 11 is a schematic diagram showing a near-
図12は、照明光の周波数に対する、超高波数伝達媒質106、近接場光源105、および対物レンズ108(受光部)の性能を示すグラフである。超高波数伝達媒質106については規格化解像度で、近接場光源105については発光強度で、対物レンズについては透過率で、それぞれ各素子の性能を表すものとする。規格化解像度とは、超高波数伝達媒質106が伝達しうる最大の空間周波数を、照明光の真空中での波長に相当する空間周波数で除した値である。グラフから明らかなように、それぞれのデバイスが高い性能を発揮する照明光の周波数帯域は必ずしも一致しない。しかしながら、近接場光源105の発光帯域が、超高波数伝達媒質106が高い解像力を示す動作帯域の少なくとも一部を含んでいれば、近接場光源105により生成された照明光の少なくとも一部は、開口部104程度の大きさに絞られたまま試料表面107aを照明することができ、近接場光学顕微鏡としての高い解像力を実現することができる。また、対物レンズ108の光学系が高い透過率を示す帯域が、超高波数伝達媒質106が高い解像力を示す動作帯域の少なくとも一部を含んでいれば、試料表面107aで生成した信号光を高効率で検出することができ、近接場光学顕微鏡としての高い解像力を実現することができる。
FIG. 12 is a graph showing the performance of the ultrahigh wave
図13は、近接場光源105を回転可能とした近接場光学顕微鏡100について説明するための模式図である。光源102の射出領域と開口部104を結ぶ直線を回転軸RAとして、近接場光源105が回転可能とされている。近接場光学顕微鏡100は、動作時に、超高波数伝達媒質106に対して、近接場光源105を、開口部104と試料107上の観察点とを結ぶ直線を回転軸RAとして回転させる。例えば、光源102がレーザーダイオードのような光の誘導放出を伴う素子により構成される場合、射出される光は波長、波面のそろったコヒーレントな光となり、偏光状態としては直線偏光となることが多い。
FIG. 13 is a schematic diagram for explaining the near-field
一方、超高波数伝達媒質106には、例えば、メタマテリアルなどのサブ波長イメージング素子(材料)を用いることができるが、これらの多くは強い偏光依存性を示し、偏光方向には高い解像力を示すものの、これと直交する方向には相対的に低い解像力を示す。そこで、図13のように直線偏光を射出する近接場光源105が回転軸RAのまわりに回転可能とされていれば、動作の際には様々な方向の偏光による信号光を平均化したものが検出されるため、超高波数伝達媒質106の偏光依存性を打ち消して良好な像を得ることができる。こうした回転動作の目的からすれば、近接場光源105ではなく光源102のみを回転させてももちろんよい。
On the other hand, subwavelength imaging elements (materials) such as metamaterials can be used for the ultrahigh
近接場光源や光源を回転させる場合、その効果を得るためには少なくとも1/4回転する時間、すなわち、近接場光源105の回転の1/4周期以上の時間にわたって積算された光を検出する必要がある。したがって、受光部112は、さらに信号光検出部(図示しない)をさらに備える。そして、近接場光源105(光源102)の回転速度が、信号光検出部(例えば、フォトダイオード、光電子増倍管などの検出器で構成される)の応答速度より遅い場合には、検出器側で積分するなどの動作を行う。
When rotating the near-field light source or the light source, in order to obtain the effect, it is necessary to detect the light accumulated for at least a quarter of the rotation time, that is, the time of a quarter cycle or more of the rotation of the near-
あるいは、図14のように、近接場光源105の中に、直線偏光を円偏光あるいは楕円偏光へと変換する偏光変換手段127を設けても、同様の効果を得ることができる。偏光変換手段127としては、電気光学効果を示す光学結晶や液晶素子を用いることができ、これらは電気信号に応じて材料としての光学特性が変化することで偏光状態を変化させる。つまり、機械的な回転動作等をすることがないため、振動の影響や動作速度の低下を招く心配がない。また、動作の最中に偏光状態を調整して得られる像を最適化することも可能である。
Alternatively, the same effect can be obtained by providing polarization conversion means 127 for converting linearly polarized light into circularly polarized light or elliptically polarized light in the near-
図15は、2つの近接場光源を備える近接場光学顕微鏡の主要な部分を示す模式図であるが、2つの近接場光源105a及び105bを備えている。2つの近接場光源105a及び105bは共通のベース128に固定されており、走査部101によりベース128が移動すると、近接場光源105aおよび近接場光源105bは、点A1およびA2をそれぞれ照射することで、対応する試料表面107a上の点B1およびB2をそれぞれ走査する。点B1と点B2からの信号光はともに信号光検出部112により検出されるが、波長あるいは偏光状態によって区別することができる。あるいは、時間分割やロックイン検出によって区別してもよい。近接場励起ユニット122は非常に小さなデバイスであるため、走査部101の設計、超高波数伝達媒質106の機械的強度、あるいは動作速度の要請などによって、走査可能な領域を制約される場合がある。図15の構成を用いれば、近接場光源105aによって領域Aを、近接場光源105bによって領域Bを、それぞれ走査することになる。このように、走査部101により走査すべき領域は、近接場光源105が1つの場合の略半分でよく、こうした制約の下でも広い視野を確保することができる。
FIG. 15 is a schematic diagram showing a main part of a near-field optical microscope including two near-field light sources, which includes two near-
また、2つの近接場光源105a及び105bを交互に、すなわち、異なるタイミングで発光させるといった電気的制御は極めて高速に行うことができるため、走査領域を狭くすることによって動作を高速化することができる。図15には近接場光源が2つある場合を図示しているが、もちろん近接場光源を3つ以上設けてもよく、近接場光源の数が多いほど、走査範囲の低減や高速化といった効果は大きくなる。さらに、近接場光源を2つ用いる場合と同様の効果は、図16に示すように、少なくとも2つの開口を設けることによっても得ることができる。この構成では、光源は1つあればよいので、近接場光学顕微鏡の製造コストを低く抑えることができる。
In addition, electrical control such that the two near-
図17は、微細構造(開口)と超高波数伝達媒質とを一体化した構造を示す模式図である。光源102により照明された、微細構造を構成する開口部104は、波長より小さな光のスポットを形成し、この光は超高波数伝達媒質106によりほとんど拡散することなく試料107の表面へ伝達される。こうして伝達された光によって試料107の表面で生じる蛍光あるいは散乱光の一部は、対物レンズ108へ入射し、検出手段(図示せず)により検出される。この構成では、微細構造、超高波数伝達媒質106、および試料107の間にギャップが一切ないため、試料107の表面の照明領域を極めて小さくすることができ、より微小な領域の光学情報を検出することができる。
FIG. 17 is a schematic diagram showing a structure in which a fine structure (aperture) and an ultrahigh wavenumber transmission medium are integrated. The
また、試料107に対して微細構造と超高波数伝達媒質106の一体構造を移動させることにより、試料107の表面の2次元像を得ることもできる。この際、光源102は同じ位置に固定されているため、光源102を動かすことにより生じる各種のノイズ要因(振動による電力変動など)を排除することができる。また、超高波数伝達媒質106は一般に幅100μm、厚さ数μm程度の小さなデバイスであるため、非常に軽量であり、これを動かすことによる走査は機械的な面でのメリット(スキャナの小型化、高速化など)が多い。
Further, a two-dimensional image of the surface of the
上述した実施形態において、超高波数伝達媒質106と試料107との位置関係は、ほぼ共通となっている。従来のプローブ型顕微鏡(近接場光学顕微鏡、原子間力顕微鏡など)では、観察すべき試料107のごく近傍でプローブを走査する必要があるため、生細胞のような非常に柔らかく不安定な形状を有する試料を観察することは不可能であるか、あるいは可能だとしても極めて高度な制御技術を必要とする。しかしながら、本実施形態に係る近接場光学顕微鏡100のシステム構成においては、超高波数伝達媒質106がいわばカバーガラスの機能を兼ねており、これを試料107へ押し当てることによって試料表面107aを平坦化した状態に維持することができる。従来の常識から言えば、カバーガラスとプローブ型顕微鏡とは相容れないものであった。なぜなら、プローブ型顕微鏡では、ある水準の分解能を得るために、プローブを試料のごく近傍(分解能程度の距離)まで近づける必要があるのに対し、カバーガラスはその役割(試料表面107aの平坦化)を果たすために分解能よりもずっと大きな厚み(少なくとも数μm以上)を持たねばならないからである。
In the above-described embodiment, the positional relationship between the ultrahigh wave
本実施形態に用いられる超高波数伝達媒質106は、光の波長よりずっと小さな光スポットを数μmかそれ以上の距離まで伝達することができるため、これをカバーガラスとして用いることで上記のようなプローブ型顕微鏡の制約を取り除くことができる。つまり、超高波数伝達媒質106は、本実施形態による近接場光学顕微鏡100においてプローブ型顕微鏡の高い解像力及びカバーガラスの機械的強度を兼ね備えたキーデバイスとして機能する。本明細書中で、近接場光源105あるいは微細構造(開口部104)の位置を変えることにより試料107を走査する構成が示されているが、実際に走査するのは試料107ではなく硬く平坦な超高波数伝達媒質106である。したがって、近接場光源105あるいは微細構造の超高波数伝達媒質106に対する位置は、あらかじめ設定された手順で変化させればよく、動作の際にその位置を知る必要はない。つまり、従来のプローブ型顕微鏡のようにプローブと試料との相対位置を知るための手段(原子間力検出手段、光てこ、共振器など)を設ける必要がなく、顕微鏡システムを劇的に小型化・低コスト化・高速化することが可能となる。
Since the ultrahigh wave
(第2実施形態)
図18は、本発明の第2実施形態に従う近接場光学顕微鏡のシステム構成の一例を示したものである。図18において、近接場光学顕微鏡200は、試料201に照明光を射出するための光照射部を構成する光源202および対物レンズ203を含む光学系、近接場光プローブ204と、試料201と微細構造223を含む近接場光プローブ204との間に配置された、超高波数伝達媒質205とを備える。なお、近接場光学顕微鏡200は、光プローブ204を用いるため、光プローブ顕微鏡とも称されうる。
(Second Embodiment)
FIG. 18 shows an example of the system configuration of a near-field optical microscope according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 18, a near-field
光源202から射出された照射光は、コリメートレンズ206によって略平行光に変換された後、第1ハーフミラー207を介して対物レンズ203によって試料201上の観察領域に集光される。これにより、試料201の所定の位置から応答光が放射される。
Irradiation light emitted from the
試料201から放射された応答光は、その一部が再び対物レンズ203に入射し、第1ハーフミラー207で反射されて観察光学系S1へ入る。さらに第2ハーフミラー208により二分され、一方は結像レンズ209により撮像素子210に結像され、他方は接眼レンズ211によって肉眼観察できるようにされる。
Part of the response light emitted from the
撮像素子210の出力は、画像処理部212で画像処理が施されて光学顕微鏡観察用モニタ213に供給される。これにより、光学顕微鏡観察用モニタ213に、試料201の光学顕微鏡による画像が表示され、試料201の状態をリアルタイムで観察することが可能となる。第1実施形態と同様に、こうした光学的観察方法は、落射照明による従来の光学顕微鏡と同じ動作であり、試料201が透過性を有する場合等には、試料201を介して光学顕微鏡と反対側に、試料201を透過照明するための照明部を配置することができる。
The output of the
試料201を支持する試料台214は試料用コントローラ215が制御するアクチュエータ216によって自在に移動させることができる。したがって、単色性のよい光源(レーザーダイオードなど)を用いて、レーザー走査顕微鏡や共焦点顕微鏡、あるいは蛍光顕微鏡の構成としてもよい。
The
試料201から放射された応答光のうち、試料201に対して対物レンズ203と反対側に放射された応答光は、その一部の近接場光が近接場光プローブ204により検出され、電気信号に変換される。また、図18に示す近接場光学顕微鏡200は、微細構造223並びに受光部224を一体で移動させて、超高波数伝達媒質205に対する近接場光プローブ204の位置を変化させるための走査部を構成するスキャナ218をさらに備える。また、近接場光プローブ204と、超高波数伝達媒質205と、上記スキャナ218とは、図中、点線で示される光プローブユニット217を構成する。
Of the response light radiated from the
光プローブユニット217の動作については後述するが、光プローブユニット217は、試料201を直接走査することなしに、試料201の表面の光学的情報(反射率分布、透過率分布、散乱強度分布、回折効率分布、蛍光タンパク質の濃度分布など)を、照射光の波長より微細な空間分布であるサブ波長の精度で検出することのできるイメージングデバイスである。スキャナ218は、プローブ用コントローラ219の制御下で超高波数伝達媒質205の表面を走査する。これにより、受光部224から2次元の画像信号を得ることができる。受光部224からの画像信号は、プリアンプ220で増幅され、制御・表示用コンピュータ221へ送られる。
Although the operation of the
図19を用いて、対物レンズ203と光プローブユニット217の動作について説明する。なお、図18と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略する。図19(a)に示すように、照射光は、ガラス222を介して試料201へ照射される。超高波数伝達媒質205は、剛性のある広い平面からなるプローブ面205aおよびサンプル面205bを有し、プローブ面205aは近接場光プローブ204に、サンプル面205bは試料201に、それぞれ対向するように配置されている。ここで、超高波数伝達媒質205bは、試料201に接するように配置されている。超高波数伝達媒質205は、サンプル面205b、つまり試料201の表面201aの近傍の近接場光を含む光学的情報を、高精細でプローブ面205aへ伝達することができる。ここで用いた「高精細で」というのは、「回折限界で決まる光学的な解像力を超えて」という意味である。プローブ面205aに伝達された光学的情報には、試料201の表面201aの微細な構造や光学的性質に関する情報が含まれており、近接場光プローブ204によってこれを検出する。近接場光プローブ204は、受光部224、及び微細構造223を有する。微細構造223は、受光部224の入射側に配置されると共に、近接場光を選択的に透過させるための、遮光部材223bに設けられた開口部223aを有する。さらに、受光部224は、微細構造223が透過させた近接場光を検出する。従って開口部223aは、試料201に直接接触しない。なお、超高波数伝達媒質205のサンプル面205bは、試料201に接するように配置されるものとしたが、試料201の表面201aの近傍の近接場光を含む光学的情報が減衰しない距離に試料107が配置されれば良い。また、サンプル面205bを、試料201に押し付け、両者が接するように配置されている場合には、生細胞等の凸凹で形状が不安定な試料であっても、超高波数伝達媒質106と試料107との間隔を狭められるため、安定的に高い解像力で高精細に観察することができる。
The operation of the
図19(b)は、図19(a)の開口部223a周辺の構造を拡大して示した図であり、開口部223aの径φおよび開口部223aとプローブ面205aとの間隔δは、照射光の波長より小さい。照射光として可視光を用いる場合、開口部223aの径φは、20〜200nm程度とするのが好ましい。また、開口部223aとプローブ面205aとの間隔δは、200nm以下とするのが好ましい。
FIG. 19B is an enlarged view of the structure around the
微細構造223の開口部223aから漏れこみ、受光面224aを有する受光部224により検出される光は、開口部223aのごく近傍の光に限られるので、近接場光プローブ204はプローブ面205a、すなわち試料201の表面201aを非常に高い解像力で観察することができる。なお、受光部224は、アバランシェフォトダイオード、PINフォトダイオード、ショットキーフォトダイオード等の公知の高感度の半導体受光素子からなる受光素子とすることができる。
Since the light leaking from the
ここで、受光部224は必ずしも開口部223aと一体である必要はなく、図25に示すように、開口部223aからの光を検出できる位置か、光学系、導波路等で誘導された延長線上にあってもよい。また、図25に示すように、近接場光プローブは、開口型である必要はなく、散乱効率の高い鋭い先端または微粒子を用いて光を散乱させる散乱型プローブ204aを用いてもよい。なお、図25において、上述した図30と同様の構成には、図30の参照符号から700を差し引いた参照符号を付して示す。また、開口部223aおよび超高波数伝達媒質205の少なくとも一部は、光学顕微鏡の視野内に配置されるものとする。
Here, the
上述したように、超高波数伝達媒質205と、微細構造223並びに受光部224を有する近接場光プローブ204と、走査部であるスキャナ218は、光プローブユニット217として一体に構成されている。スキャナ218は固定部225と可動部226とから構成され、可動部226は、固定部225に対し、プローブ用コントローラ219の制御下において位置を変えられるようになっている。超高波数伝達媒質205は、固定部225に固定されており、近接場光プローブ204は、可動部226に固定されている。そして、スキャナ218をコントローラ219により制御することで、超高波数伝達媒質205に対して近接場光プローブ204の位置を変えることができる。光プローブユニット217の構成としては、1つの筐体内に超高波数伝達媒質205と近接場光プローブ204とスキャナ218とが格納されていてもよいし、あるいはこれらが共通の支柱に固定されていてもよい。いずれにしても、機械的な動作の上で必要なことは、超高波数伝達媒質205とスキャナ218の固定部225とが、筐体や支柱を介して互いに固定されていることと、近接場光プローブ204とスキャナ218の可動部226とが互いに固定されていることである。
As described above, the ultrahigh
次に具体的な走査の方法について説明する。光学的な観察のために重要なことは、前述のように、微細構造223により構成される開口部223aと、プローブ面205aとの間隔δを照明光の波長以下の間隔に保つことである。走査の際にこの間隔が変化すると、観察する場所によって解像力が変化するだけでなく、プローブ面205a上に形成された光学的情報を正確に検出することができなくなってしまう。固定部225と可動部226との位置の変化は、プローブ面205aと平行な平面(xy平面)内でだけ可能なように、スキャナ218は構成されており、この平面の法線(z軸)の方向には固定されている。また、近接場光プローブ204の遮光部材223bと超高波数伝達媒質205のプローブ面205aとの間隔は、近接場光プローブ204の性能(受光感度や解像力)が最も高くなるように設定されている。さらに、近接場光プローブ204が実際に走査するのは、試料201の表面201aではなく、超高波数伝達媒質205の極めて平滑な表面であるプローブ面205aである。したがって、試料201の表面201aの形状や観察環境によらず、高い検出性能を保ちながら走査することができる。従来の近接場光学顕微鏡では、試料201の凹凸を考慮してz軸方向にきわめて高精度の位置制御をする必要があったが、図19の構成では何らこうした位置制御をする必要はなく、機械的にxy平面内を走査することができる。
Next, a specific scanning method will be described. What is important for optical observation is to keep the distance δ between the
図20(a),(b)は、光プローブユニット217と試料201との配置を示す模式図である。図20(a)に示すように、生細胞などの生物組織を生きた状態で観察する場合、試料201の表面201aは柔らかい上に形状不安定であり、近接場光プローブ204で観察するのは難しい。本実施形態による光プローブユニット217は、剛性のある広い底面をもつので、この底面を試料201の表面201aに押し当てても破損することがない。また、この底面は平面形状なので、図20(b)に示すように、試料201に押し当てて密着させることによって、観察すべき試料201の表面201aを略平面状に変形させることができる。光学的な機能として、超高波数伝達媒質205はともに平面であるサンプル面205bからプローブ面205aへ高精細な像を伝達することができるので、近接場光プローブ204がプローブ面205aを走査することによって試料201の表面201aの光学的情報を観察することができる。また、光プローブユニット217底面を試料201に密着させることによって、近接光を低減させる空気層を薄くすることができるため、より微弱な近接光の損失が少なく、高解像力で観察することができる。
20A and 20B are schematic views showing the arrangement of the
図21は、図19に示した光プローブユニット217の他の構成を示す模式図であり、基本的には、図19の構成において近接場光プローブ204に発光素子227を設けたものである。図18では、近接場光プローブ204と落射照明による光学顕微鏡を併用するシステム構成を示したが、生物組織などの透明試料を観察する場合には、透過照明を行うことが多い。図21に示す構成は、光プローブユニット217内に、試料201を透過照明するための照明部である発光素子227が配置されている。しかも、試料201の観察領域にきわめて近接した位置である光プローブユニット217内に発光素子227が配置されているため、従来の顕微鏡照明用光源より格段に効率のよい照明が可能である。なお、図示しないが、受光部224と発光素子227との間には、照明光を遮蔽するため、遮蔽部を設けることができる。これにより、照明光が受光部224に入ることを遮断し、ノイズを減らすことができ、その結果、S/N比の良好な画像を取得することができる。
FIG. 21 is a schematic diagram showing another configuration of the
また、近接場光プローブ204は、超高波数伝達媒質205に対向する側の表面に、照明部227による照明光を透過する透過領域223cを有する。このように、近接場光プローブ204の底面を遮光部材223bで覆うのではなく、底面の一部に照明光を透過させる透過領域223cが設けられているため、光学顕微鏡の透過照明を効果的に行うことができる。このような透過領域223cを設けることができるのは、近接場光プローブ204と試料201との間に、有限の厚さの超高波数伝達媒質205が配置されているためである。なお、発光素子227は光学顕微鏡用の照明部であるが、近接場光プローブ204用の照射部を兼ねてもよい。
Further, the near-
図21において、受光部224と照明部227とは、同一平面上に配置される。このように構成すれば、半導体プロセスによって基板上に受光部224を形成する際に、同一平面上の発光素子227を同時に形成することができる。近接場光プローブ204は微小なデバイスであるため、複数の素子を一体に形成することで、製造コストを大幅に抑制することができる。
In FIG. 21, the
図22は、図19に示した光プローブユニット217の更に他の構成を示す模式図であり、基本的には、図21の構成において、発光素子227を近接場光プローブ204の側面に移動させたものである。遮光部材223bは、発光素子227からの照明光を試料201の観察領域へ向けて反射させるための照明反射面223cを有する。このように、遮光部材223bの形状を工夫することで、その表面223cを照明用反射面として利用することができる。遮光部材223bには通常、金属が用いられるが、金属は可視光に対して高い反射率を示すので、照明用反射面223cを介しても高い効率の照明を行うことができる。発光素子227からの直接的な照明だけでなく、照明用反射面223cによる反射光をも利用することで、照明効率の向上が期待されるほか、発光素子227の配置に関する設計上の自由度が高くなる。なお、図21において説明したとおり、受光部224と発光素子227との間に、照明光を遮蔽するための遮蔽部を設けることもできる。
FIG. 22 is a schematic diagram showing still another configuration of the
図23は、図19に示した光プローブユニット217の更に別の構成を示す模式図である。図23において、光プローブユニット217は、試料201との接着性を高める処理が施された面205cを有する超高波数伝達媒質205を備える。このように構成すれば、光プローブユニット217と試料201との接着性を高め、より高精度の観察を行うことが可能となる。例えば、生細胞を観察する場合、超高波数伝達媒質205のサンプル面205bにポリリジンをコーティングすることによって、処理が施されたサンプル面205cと生細胞との接着性を向上することができる。
FIG. 23 is a schematic diagram showing still another configuration of the
近接場光プローブ204、超高波数伝達媒質205および対物レンズ203の性能については、図12に示すグラフと同様の関係が認められる。図12における近接場光源の発光強度に対応する変数が、近接場光プローブ204の受光感度である。近接場光プローブ204は通常、所定の周波数の照射光に対して設計されており、照射光の周波数がこれより低くなるほど、開口部223aを通過できる光量が低下する。一方、周波数が高くなると、開口部223aを通過する光量自体は増大するが、プローブ204内部の光学材料の透過率が低下したり、あるいは受光部224の受光感度が低下したりすることにより、近接場光プローブ204としての受光感度は低下する。しかしながら、近接場光プローブ204の受光感度の高い帯域が、超高波数伝達媒質205が高い解像力を示す動作帯域の少なくとも一部と重複していれば、試料表面201aで生成した信号光を高感度で受光することができ、近接場光学顕微鏡としての高い解像力を実現することができる。また、第1実施形態と同様に、対物レンズ203の光学系が高い透過率を示す帯域が、超高波数伝達媒質205が高い解像力を示す動作帯域の少なくとも一部を含んでいれば、試料表面201aで生成した信号光を高効率で検出することができ、近接場光学顕微鏡としての高い解像力を実現することができる。
Regarding the performances of the near-field
上述したように、近接場光学顕微鏡が高い解像度を示す光学デバイスとして動作するためには、近接場光プローブ204の透過帯域(近接場光プローブ204が高い受光感度を示す周波数の領域)が、超高波数伝達媒質205が高い解像力(規格化解像度)を示す動作帯域の少なくとも一部を含む。透過帯域としては、例えば、ピーク強度の−3dB以上の透過率をもつ帯域が使われる。
As described above, in order for the near-field optical microscope to operate as an optical device exhibiting high resolution, the transmission band of the near-field optical probe 204 (the frequency region in which the near-field
さらに、図18に示すように、対物レンズ203は、光学顕微鏡観察のために設けられているが、光プローブユニット217による試料観察用の光照射部の一部を兼ねている。このように、第1実施形態と同様に、光学顕微鏡と光プローブユニット217とで対物レンズ203を共用することで、システム全体を小型化することができる。光プローブユニット217への照射光を独立して設ける必要がある場合には、そのための光源を光学顕微鏡光学系の中に設け、対物レンズ203を介して試料201へ照射する構成が可能である。
Further, as shown in FIG. 18, the
図24に示されるように、対物レンズ203は通常、可視光全域を透過するように設計されているが、周波数があまり高くなると、対物レンズ103を構成するガラスなどの光学材料が光を透過しなくなる。逆に、周波数があまり低くなると、光学材料の屈折率が設計上の値からずれるために、有効な透過光量が減少したり、収差の増大により対物レンズ103としての性能が低下したりする。
As shown in FIG. 24, the
したがって、近接場光学顕微鏡が高い解像度を示す光学デバイスとして動作するためには、照射部の光学系の透過帯域は、超高波数伝達媒質205が高い解像力を示す動作帯域の少なくとも一部を含んでいるのが好ましい。特に光プローブユニット217に対する照射部の光学系を構成する対物レンズ203は一般に構成するレンズ枚数が多いため、目的とする波長域での透過率を上げるため多層コーティングが施され、そのため透過帯域が制限されている。仮に対物レンズ203の透過率が低い帯域で使用する場合であっても、高出力の光源を用いることによって正常な動作を行うことはできる。しかし、この場合には、光源の大型化、照射光による発熱、ノイズ光の増大といった問題が生じることになる。
Therefore, in order for the near-field optical microscope to operate as an optical device exhibiting high resolution, the transmission band of the optical system of the irradiation unit includes at least a part of the operation band in which the ultrahigh
対物レンズ203を共用する一例として、試料201を蛍光観察する場合について説明する。図19に示すように、対物レンズ203を通して励起光を照射し、これを吸収した試料201(蛍光色素)が発する蛍光を応答光として光プローブユニット217が検出する。この際、試料201を透過した励起光は、通常はノイズ光となり、蛍光観察を阻害する。しかも、通常、励起光は蛍光の104〜106倍というきわめて強い強度をもつため、蛍光観察では図19のような透過照明を用いることは稀である。しかし、図24に示すように、超高波数伝達媒質は強い周波数選択性を示すため、励起光を反射・吸収し、蛍光を透過する強力なフィルタとして機能するため、透過照明による蛍光観察を効率的に行うことができる。
As an example of sharing the
ここで、本発明における超高波数伝達媒質の光学的性能について詳述する。超高波数伝達媒質105は、少なくとも2つの異なる材料により構成され、所定の周波数に対して極めて高い解像度を示すようにされている。周波数の変化に応じて、個々の材料の誘電率(透磁率)が僅かに変化しても、超高波数伝達媒質106、205、302の実効的な誘電率(透磁率)は大きく変化する。このため、超高波数伝達媒質106、205、302が高い解像度を示す帯域は狭い。
Here, the optical performance of the ultrahigh wavenumber transmission medium in the present invention will be described in detail. The ultra-high wave
上述したように、超高波数伝達媒質106、205、302は、試料側の面、つまり試料107、201、301の表面107a、201a、301aの近傍の光学的情報を、プローブ側(第1実施形態では光源102側の面)面205aへ伝達することができる。この超高波数伝達媒質106、205、302は、例えば、メタマテリアルと呼ばれる人工構造体により実効的な誘電率、透磁率、あるいは屈折率を負とした媒質で構成することができる。これにより、空気中では減衰して伝えることのできないエバネッセント波を、伝達あるいは増幅することが可能となる。
As described above, the ultra high
また、超高波数伝達媒質106、205、302は、強い異方性を有する媒質を用いて構成することができる。このような異方性は、例えば金属と誘電体とを光の波長より短い周期で交互に積層した構造により発現させることができる。あるいは、メタマテリアルにより実効的な屈折率を極めて大きな値とされた媒質を用いて、超高波数伝達媒質を構成することもできる。また、誘電率がxy面内とz軸方向とで、ともに正の値をとったとしても、z軸方向の誘電率が大きい場合は、回折限界を限定的にではあるが緩和することができる。
Further, the ultra high
次に、超高波数伝達媒質106、205、302を構成可能な異方性媒質の分散特性について説明する。なお、以下の説明において、誘電率ε(誘電率テンソルε^の各成分)および透磁率μ(透磁率テンソルμ^の各成分)は、それぞれ真空中の誘電率ε0および透磁率μ0に対する比(相対誘電率および相対透磁率)で表すことにする。ただし、ε^は、εの上に「^(ハット)」が付いていることを示す。同様に、μ^は、μの上に「^(ハット)」が付いていることを示す。
Next, the dispersion characteristics of an anisotropic medium that can constitute the ultrahigh
電気的に1軸異方性を示す異方性媒質において、光学軸の方向をz軸とする。光学軸とは、媒質の電磁気学的性質に関する用語であり、光学系の光軸とは全く別の用語である。本明細書では、誘電率あるいは透磁率が1軸性の異方性、つまり対称軸が1つだけあるような異方性をもつ場合を扱っており、この対称軸を光学軸と呼ぶことにする。ただし、x軸方向とy軸方向とで多少εに違いがあっても、同様に超高波数伝達媒質としての性質を持つものであれば、どのようなものでも良い。例えば、kx−kz平面上の等周波曲線と、ky−kz平面上の等周波曲線とが、ともにkz軸上に短軸をもつ楕円で、半長軸の長さが5k0以上である場合や、kx−kz平面上の等周波曲線と、ky−kz平面上の等周波曲線とが、ともに双曲線である場合なども、超高波数伝達媒質である。光学軸であるz軸に垂直な平面内ではどの方向も等価であるから、この平面内で任意の方向をx軸とし、x軸およびz軸に垂直な方向をy軸とする。このように座標系を定義すると、電気的1軸異方性を示す媒質の誘電率テンソルは以下のように表される。 In an anisotropic medium that electrically exhibits uniaxial anisotropy, the direction of the optical axis is the z-axis. The optical axis is a term relating to the electromagnetic property of the medium, and is a term completely different from the optical axis of the optical system. This specification deals with a case where the dielectric constant or permeability has a uniaxial anisotropy, that is, an anisotropy having only one symmetry axis, and this symmetry axis is called an optical axis. To do. However, even if there is a slight difference in ε between the x-axis direction and the y-axis direction, any material may be used as long as it has the same properties as an ultrahigh wavenumber transmission medium. For example, the isofrequency curve on the k x -k z plane and the isofrequency curve on the k y -k z plane are both ellipses having a minor axis on the k z axis, and the length of the semimajor axis is 5 k. When the frequency is 0 or more, or when the iso-frequency curve on the k x -k z plane and the iso-frequency curve on the k y -k z plane are both hyperboloids, the super high wave number transmission medium is also used. Since any direction is equivalent in a plane perpendicular to the z-axis, which is the optical axis, an arbitrary direction in this plane is defined as the x-axis, and a direction perpendicular to the x-axis and z-axis is defined as the y-axis. When the coordinate system is defined in this way, the dielectric constant tensor of a medium exhibiting electrical uniaxial anisotropy is expressed as follows.
この異方性媒質中におけるTM(Transverse Magnetic)波の伝搬について考える。TM波とは、磁場がy軸方向を向いた電磁波の状態を意味するものとする。TM波に対する波動方程式において、波数ベクトルkおよび角振動数ωをもつ単色平面波を仮定すると、以下のような分散関係が得られる。 Consider the propagation of TM (Transverse Magnetic) waves in this anisotropic medium. The TM wave means a state of an electromagnetic wave in which the magnetic field is directed in the y-axis direction. Assuming a monochromatic plane wave having a wave vector k and an angular frequency ω in the wave equation for the TM wave, the following dispersion relationship is obtained.
式(3)は、波数ベクトルkをxy平面へ投影したベクトルの絶対値である。なお、k0は、真空中を伝搬する角振動数ωの光波の波数であり、以下のように表される。
図26は、様々なεTおよびεZの値を与えたときに、式(2)を満足するようなkTとkZの軌跡を描いた等周波数曲線である。図26(a)は、εT=1,εZ=1の場合(真空中における分散)、εT=9,εZ=9の場合(以下、高屈折率)、およびεT=1,εZ=25の場合(以下、通常異方性)についての等周波曲線を示している。等周波曲線、あるいは等周波曲面は、ある周波数に対して、媒質中を伝搬する電磁波がとりうる波数ベクトルを示したものである。波数ベクトルは一般に3次元のベクトルであるから、3つの成分(kx,ky,kz)をもち、電磁波としての存在が許される波数ベクトルの軌跡は曲面となる。一方、図26のように、波数ベクトルの2つの成分kTおよびkzにのみ着目する場合には、この2つの成分として許される値の組は、平面内の曲線として表すことができる。 FIG. 26 is an equifrequency curve depicting the trajectories of k T and k Z that satisfy Equation (2) when various values of ε T and ε Z are given. FIG. 26A shows the case of ε T = 1, ε Z = 1 (dispersion in vacuum), the case of ε T = 9, ε Z = 9 (hereinafter, high refractive index), and ε T = 1, An equifrequency curve for the case of ε Z = 25 (hereinafter referred to as normal anisotropy) is shown. An equal frequency curve or an equal frequency curved surface represents a wave vector that can be taken by an electromagnetic wave propagating in a medium with respect to a certain frequency. Since the wave vector is generally a three-dimensional vector, the trajectory of the wave vector that has three components (k x , k y , k z ) and is allowed to exist as an electromagnetic wave is a curved surface. On the other hand, as shown in FIG. 26, when focusing only on the two components k T and k z of the wave vector, a set of values allowed as these two components can be expressed as a curve in the plane.
超高波数伝達媒質として、異方性を有する媒質を用い、その光学軸(z軸)を像の伝達方向と一致させた場合、伝達すべき情報の精細さ(空間周波数)は、kTで表される。図26(a)において、真空中の分散では、|kT|≦k0のときにkTに対応するkZの値が存在する。このような光学的情報を担った光波は、z方向へ伝搬できることを意味している。しかし、|kT|>k0では、対応するkZの値が存在しない。たがって、このような情報を担った光波は、z方向へは伝搬できない(形成される像に寄与しない)。式(2)から、この場合はkZが純虚数、つまりz方向には指数関数的に減衰するエバネッセント波となっていることがわかる。このように、空間周波数の高い光学的情報が失われ、伝達された像が元の物体(光源)と異なる現象を回折限界と呼び、光学顕微鏡の解像力を制限する1つの要素になっている。 When a medium having anisotropy is used as an ultrahigh wave number transmission medium and its optical axis (z-axis) coincides with the image transmission direction, the fineness of information to be transmitted (spatial frequency) is k T expressed. In FIG. 26A, in dispersion in a vacuum, there is a value of k Z corresponding to k T when | k T | ≦ k 0 . This means that a light wave carrying such optical information can propagate in the z direction. However, for | k T |> k 0 there is no corresponding value of k Z. Therefore, the light wave carrying such information cannot propagate in the z direction (does not contribute to the formed image). From equation (2), in this case k Z is purely imaginary, that is, in the z-direction it is understood that the evanescent wave decays exponentially. In this way, optical information with a high spatial frequency is lost, and a phenomenon in which the transmitted image is different from the original object (light source) is called a diffraction limit, which is one element that limits the resolving power of the optical microscope.
図26(a)において、通常異方性の場合は、|kT|≦5k0の範囲で、kTに対応するkZの値が存在する。このような光学的情報を担った光波は、z方向へ伝搬できることを意味している。したがって、真空の場合に比べて伝達し得る空間周波数の上限が5倍になり、光学系の解像力を向上することが可能となる。 In FIG. 26 (a), the case of normal anisotropy, | k T | in the range of ≦ 5k 0, the value of k Z corresponding to k T is present. This means that a light wave carrying such optical information can propagate in the z direction. Therefore, the upper limit of the spatial frequency that can be transmitted is 5 times that in the case of vacuum, and the resolution of the optical system can be improved.
等周波曲線上にある各点は、波として伝搬しうる電磁波の波数ベクトルを表しているので、この各点において電磁波の群速度が規定される。電磁波の数学的な取り扱いによれば、群速度は等周波曲線の法線の向きに一致する。群速度の向きを図26(a)に矢印で示した。伝搬可能なkTの範囲を大きくした通常異方性の材料では、等周波曲線上の多くの点で群速度が光学軸(z軸)に近い向きをもつことがわかる。この傾向は、楕円のkT方向を長くするほど顕著になる。したがって、受光部および開口部は、超高波数伝達媒質の光学軸が、開口部と受光部の受光面の少なくとも一部とを結ぶ直線と一致するように設置する。 Each point on the equifrequency curve represents the wave number vector of the electromagnetic wave that can propagate as a wave, and the group velocity of the electromagnetic wave is defined at each point. According to the mathematical treatment of electromagnetic waves, the group velocity coincides with the normal direction of the iso-frequency curve. The direction of the group velocity is indicated by an arrow in FIG. In normal anisotropic material having an increased range of transmission capable k T, the group velocity in many respects on the equal-frequency curve is seen to have an orientation close to the optical axis (z-axis). This tendency becomes more pronounced as longer the k T direction of an ellipse. Therefore, the light receiving section and the opening are installed so that the optical axis of the ultrahigh wave number transmission medium coincides with a straight line connecting the opening and at least a part of the light receiving surface of the light receiving section.
一方、ガラスやプラスチックなどの光学材料(誘電体)は、可視光に対して概ね1.3〜2.1程度の屈折率を有し、屈折率が3を超えるような光学材料は、自然界に存在しない。図26(a)の高屈折率に対する等周波曲線は、屈折率が3の誘電体を表している。この場合、伝達し得るkTの上限は、真空中の場合に比べて3倍になる。公知の液浸レンズや固体浸レンズなどでは、高い屈折率による実効的な開口数(Numerical Aperture: NA)の増大を用いて顕微鏡の解像力を向上させている。しかしながら、高屈折率材料による解像力は、媒質として用いる材料の屈折率程度までであり、真空中の結像に対して3倍を超える解像力は得られない。 On the other hand, optical materials (dielectric materials) such as glass and plastic have a refractive index of about 1.3 to 2.1 with respect to visible light, and optical materials with a refractive index exceeding 3 are not found in nature. not exist. The iso-frequency curve for the high refractive index in FIG. 26 (a) represents a dielectric having a refractive index of 3. In this case, the upper limit of k T that may be transmitted, tripled compared with the case in vacuum. In known immersion lenses and solid immersion lenses, the resolution of the microscope is improved by increasing the effective numerical aperture (NA) due to a high refractive index. However, the resolving power of the high refractive index material is up to about the refractive index of the material used as the medium, and a resolving power exceeding three times that for imaging in vacuum cannot be obtained.
これに対し、例えば、人工的な構造に由来する誘電率異方性を有する媒質を用いると、z軸方向の実効的な誘電率εZを9(解像力を3倍に向上できる値)よりずっと大きくすることができ、高屈折率材料を用いる場合よりも高い解像力を得ることができる。 On the other hand, for example, when a medium having dielectric anisotropy derived from an artificial structure is used, the effective dielectric constant ε Z in the z-axis direction is much higher than 9 (a value that can improve the resolution three times). The resolution can be increased, and higher resolution can be obtained than when a high refractive index material is used.
ここで、一般に、光学顕微鏡で用いる照射光(照明光)の波長をλとすると、その解像力の限界は概ねλ/2であると言われている。これは、|kT|≦k0の波数をもつ光を伝達できるレンズで結像する場合、物体面上の2つの点光源の像が2つの点像として認識できるときの、点光源間の最小距離が、概ねλ/2であることを意味している。 Here, it is generally said that the limit of the resolving power is approximately λ / 2 when the wavelength of the irradiation light (illumination light) used in the optical microscope is λ. This is because, when forming an image with a lens capable of transmitting light having a wave number of | k T | ≦ k 0 , the two point light sources on the object plane can be recognized as two point images. This means that the minimum distance is approximately λ / 2.
一方、顕微鏡で観察可能な構造の最小寸法は、物体面から像面へ伝達できる波数kTの上限に反比例すると考えられる。したがって、|kT|≦5k0の波数の光を全て伝達可能な光学素子を用いれば、波長の約1/10という微細な構造を光学的に観察できる、非常に高性能の顕微観察装置を実現することが可能となる。 On the other hand, the smallest dimension of observable structure under a microscope, believed inversely proportional to the upper limit of the wave number k T which can be transmitted from the object plane to the image plane. Therefore, if an optical element capable of transmitting all light having a wave number of | k T | ≦ 5k 0 is used, a very high-performance microscopic observation apparatus capable of optically observing a fine structure having a wavelength of about 1/10 is obtained. It can be realized.
図26(b)は、誘電率テンソル中に現れる2種類の成分εTおよびεZの符号が異なる場合について、式(2)の等周波曲線を図示したものである。つまり、εT<0かつεZ>0の場合(以後、負正異方性と称す)と、εT>0かつεZ<0の場合(以後、正負異方性と称す)とを示したものである。図26(b)の点線は、双曲線の漸近線を示している。漸近線は、正負異方性の場合は式(5)で、負正異方性の場合は式(6)で表される。前述のように、x軸とy軸とは等価であるから、3次元空間では双曲線が回転双曲面となり、漸近線が円錐面となる。x軸方向とy軸方向とで多少εに違いがある場合には、双曲線およびその漸近線に対応する曲面が回転体とはならないが、このような場合も含めて、以後、双曲面および漸近曲面と称す。 FIG. 26 (b) illustrates the equifrequency curve of Equation (2) for the case where the signs of the two types of components ε T and ε Z appearing in the dielectric constant tensor are different. That is, a case where ε T <0 and ε Z > 0 (hereinafter referred to as negative positive anisotropy) and a case where ε T > 0 and ε Z <0 (hereinafter referred to as positive / negative anisotropy) are shown. It is a thing. The dotted line in FIG. 26 (b) shows the hyperbolic asymptote. The asymptote is expressed by equation (5) in the case of positive and negative anisotropy, and by equation (6) in the case of negative positive anisotropy. As described above, since the x-axis and the y-axis are equivalent, in the three-dimensional space, the hyperbola becomes a rotational hyperboloid and the asymptote becomes a conical surface. When there is a slight difference in ε between the x-axis direction and the y-axis direction, the hyperbola and the curved surface corresponding to the asymptotic line do not become a rotating body. This is called a curved surface.
図26(b)の正負異方性に対して光波の群速度の方向を矢印で示した。群速度の方向は、光学軸の方向を中心とし、式(5)で表される2つの漸近線の法線の方向までの範囲に分布している。したがって、受光部は開口部を通る光学軸上に設置する必要がある。式(5)の漸近線の係数を小さくし、漸近線がkx軸に近づく(漸近曲面がkxky平面に近づく)ように材料設計を行えば、光波をより光学軸方向へ集中させ、より小さな受光部によって効率的に検出することができる。また、光波の多くは漸近曲面の法線に近い角度で伝搬する。したがって、受光部および開口部は、漸近曲面の法線に平行で、かつ超高波数伝達媒質の光学軸が、開口部と受光部の受光面の少なくとも一部とを結ぶ直線と一致するように設置する。 The direction of the group velocity of the light wave is indicated by an arrow with respect to the positive / negative anisotropy of FIG. The direction of the group velocity is distributed in a range from the direction of the optical axis to the direction of the normal line of the two asymptotes expressed by Expression (5). Therefore, the light receiving unit needs to be installed on the optical axis passing through the opening. To reduce the coefficient of asymptote of formula (5), by performing the asymptote approaches k x axis (asymptotic curved approaches k x k y plane) as a material designed to concentrate the light waves more the optical axis direction Thus, it can be efficiently detected by a smaller light receiving unit. Most of the light waves propagate at an angle close to the normal of the asymptotic surface. Therefore, the light receiving part and the opening part are parallel to the normal of the asymptotic curved surface, and the optical axis of the ultrahigh wavenumber transmission medium coincides with a straight line connecting the opening part and at least a part of the light receiving surface of the light receiving part. Install.
正負異方性の場合は、任意(但し実数)のkTに対応するkZの値が実数として存在するので、理論上、いくらでも高い空間周波数をもつ光学的情報を担った光波を伝搬させることができる。 If positive and negative anisotropic, optionally (but real) the value of k Z corresponding to k T is present as a real number, that theoretically, propagates the light wave played optical information with any number higher spatial frequencies Can do.
これに対し、負正異方性の場合は、真空中の光波伝搬とは対照的に、|kT|<1のときに光波はエバネッセント波(kZが純虚数)となるため、|kT|≧1の範囲の光学的情報が全て伝達されることになる。そのため、負正異方性を示す媒質を介してイメージングを行う場合は、|kT|<1に相当する光学的情報が失われて、良好な結像性能を得ることは難しくなる。 On the other hand, in the case of negative positive anisotropy, in contrast to light wave propagation in a vacuum, when | k T | <1, the light wave becomes an evanescent wave (k Z is a pure imaginary number). All the optical information in the range of T | ≧ 1 is transmitted. Therefore, when imaging is performed through a medium exhibiting negative positive anisotropy, optical information corresponding to | k T | <1 is lost, and it is difficult to obtain good imaging performance.
しかしながら、波長よりも小さい直径の開口部を通過した光波を伝搬させる場合は、開口部を通過した段階で、|kT|<1に相当する光学的情報は少なく、光波を形成する光学的情報には、|kT|≧1の範囲の高い空間周波数が多い。したがって、負正異方性を示す媒質中で|kT|<1の空間周波数成分が失われることによる影響は比較的少なく、光学的情報の良好な伝達を行うことが可能となる。この場合、伝搬方向の主要部は、軸方向を中心とする双曲面の漸近曲面の法線方向である。漸近曲面がよりxy平面に近づくように材料設計を行うことで、より光学軸方向に伝搬光を集中させることができる。受光部および開口部は、超高波数伝達媒質の光学軸が、開口部と受光部の受光面の少なくとも一部とを結ぶ直線と一致するように設置する。さらに、開口部から双曲面の漸近曲面の法線方向に延長した線上に受光面設置することが有効である。 However, when propagating a light wave that has passed through an opening having a diameter smaller than the wavelength, there is little optical information corresponding to | k T | <1 at the stage of passing through the opening, and optical information that forms the light wave. Has many high spatial frequencies in the range of | k T | ≧ 1. Therefore, the effect of losing the spatial frequency component of | k T | <1 in a medium exhibiting negative positive anisotropy is relatively small, and it is possible to perform good transmission of optical information. In this case, the main part of the propagation direction is the normal direction of the asymptotic surface of the hyperboloid with the axial direction as the center. By designing the material so that the asymptotic curved surface is closer to the xy plane, the propagating light can be more concentrated in the optical axis direction. The light receiving section and the opening are installed so that the optical axis of the ultrahigh wave number transmission medium coincides with a straight line connecting the opening and at least a part of the light receiving surface of the light receiving section. Furthermore, it is effective to install the light receiving surface on a line extending from the opening in the normal direction of the hyperbolic asymptotic surface.
以上のことから、異方性媒質を用いて超高波数伝達媒質を構成すれば、その分散特性から以下に説明するような効果が得られる。つまり、公知の液浸レンズや固体浸レンズでは、光学系としての解像力を3倍程度までしか向上することができない。これに対し、実効的な誘電率に異方性がある媒質を用い、その光学軸の方向に光学的情報を伝達させるようにすれば、例えば光学軸と垂直な面内の波数が0〜5k0の範囲の光波を伝搬させることができ、光学系の解像力を5倍に向上することが可能となる。また、実効的な誘電率にさらに強い異方性があり、誘電率テンソルの成分が光軸方向と光軸に垂直な平面内とで異符号となるような媒質を用いれば、光学系の解像力をさらに向上することができ、解像力に理論上の制約がなくなる。 From the above, if an ultrahigh wavenumber transmission medium is configured using an anisotropic medium, the following effects can be obtained from the dispersion characteristics. In other words, the known immersion lens and solid immersion lens can only improve the resolution of the optical system up to about three times. On the other hand, if a medium having an effective dielectric constant is used and optical information is transmitted in the direction of the optical axis, for example, the wave number in the plane perpendicular to the optical axis is 0 to 5 k. Light waves in the range of 0 can be propagated, and the resolving power of the optical system can be improved five times. In addition, if the medium has a stronger anisotropy in the effective dielectric constant and the dielectric constant tensor component has a different sign between the optical axis direction and a plane perpendicular to the optical axis, the resolving power of the optical system Can be further improved, and there is no theoretical restriction on the resolution.
このように、誘電率テンソルに異符号の成分が存在する場合は、負正異方性と正負異方性とに大別することができる。そして、負正異方性を示す媒質は、近接場光プローブのような開口部を通過した光波を集めるようなデバイスに対して用いることができ、正負異方性を示す媒質は、近接場光プローブだけでなく一般のイメージングデバイスのための結像素子として用いることができる。 As described above, when components having different signs exist in the dielectric constant tensor, they can be roughly classified into negative positive anisotropy and positive negative anisotropy. A medium exhibiting negative / positive anisotropy can be used for a device that collects light waves that have passed through an opening, such as a near-field optical probe, and a medium exhibiting positive / negative anisotropy is used for near-field light. It can be used as an imaging element for general imaging devices as well as probes.
以上、TM波について説明したが、TE波(電場がy軸方向を向いた電磁波の状態)に対しても、誘電率と透磁率とを置き換えれば、全く同様である。つまり、実効的な透磁率に異方性があり、その光学軸の方向にz軸をとれば、透磁率テンソルは式(4)のように表されるので、TE波に対する分散関係は、式(5)のようになる。 Although the TM wave has been described above, the same applies to the TE wave (the state of the electromagnetic wave in which the electric field is directed in the y-axis direction) if the dielectric constant and the magnetic permeability are replaced. In other words, if the effective magnetic permeability has anisotropy and the z-axis is taken in the direction of the optical axis, the magnetic permeability tensor is expressed as in equation (4). It becomes like (5).
したがって、μT>0かつμZ<0により正負異方性が、μT<0かつμZ>0により正負異方性が、それぞれ実現する。 Therefore, positive and negative anisotropy is realized by μ T > 0 and μ Z <0, and positive and negative anisotropy is realized by μ T <0 and μ Z > 0.
上記のTM波に対する異方性の説明では、式(2)においてμy>0であることを前提としていた。しかし、μy<0でも、強い異方性があれば、光の伝達は可能である。すなわち、上述した説明から明らかなように、μy<0を前提にすると、誘電率が正負異方性をもつ場合、つまりεT>0かつεZ<0の場合は、|kT|≧1を満足する光が伝達可能となる。また、誘電率が負正異方性をもつ場合、つまりεT<0かつεZ>0の場合は、任意のkTをもつ光が伝達可能となる。このことはTE波に対しても同様で、εy<0を前提とすれば、透磁率が正負異方性をもつ場合、つまりμT>0かつμZ<0の場合は、|kT|≧1を満足する光が伝達可能となり、透磁率が負正異方性をもつ場合、つまりμT<0かつμZ>0の場合は、任意のkTをもつ光が伝達可能となる。 In the above description of the anisotropy with respect to the TM wave, it is assumed that μ y > 0 in Equation (2). However, even if μ y <0, light transmission is possible if there is strong anisotropy. That is, as is clear from the above description, assuming μ y <0, if the dielectric constant has positive and negative anisotropy, that is, if ε T > 0 and ε Z <0, | k T | ≧ Light that satisfies 1 can be transmitted. When the dielectric constant has negative positive anisotropy, that is, when ε T <0 and ε Z > 0, light having an arbitrary k T can be transmitted. The same applies to the TE wave, and assuming that ε y <0, if the magnetic permeability has positive and negative anisotropy, that is, if μ T > 0 and μ Z <0, | k T When light satisfying | ≧ 1 can be transmitted and the magnetic permeability has negative positive anisotropy, that is, when μ T <0 and μ Z > 0, light having an arbitrary k T can be transmitted. .
以下、実効的な誘電率に異方性をもたせる人工的な構造体について説明する。図27は、その一例の構造体の概念図である。この構造体は、金属31と誘電体32とを交互に積層してなる金属誘電体多層膜33からなる。図27において、金属31の誘電率をεm、誘電体32の誘電率をεdとし、それぞれを厚さdm、ddで交互に積層した場合、厚さdm、ddがともに照射光の波長よりも十分小さければ、金属誘電体多層膜33の全体を電磁気学的には均質な異方性媒質とみなすことができる。そして、この異方性媒質の実効的な誘電率テンソルは、下式(9)で与えられる。
Hereinafter, an artificial structure that provides an effective dielectric constant with anisotropy will be described. FIG. 27 is a conceptual diagram of an example structure. This structure is composed of a metal
式(6)において、可視光を含む光学周波数帯では、金属31の多くは誘電率εm(の実数部)が負の値をとり、誘電体の誘電率εd(の実数部)は正の実数となる。したがって、積層する各層の厚さdm、ddを適切に選ぶことによって、金属誘電体多層膜33の実効的な誘電率の成分を正にも負にもすることができる。この金属誘電体多層膜33の実効的な誘電率の成分の一例を図28に示す。
In the equation (6), in the optical frequency band including visible light, most of the
図28は、図27において、金属誘電体多層膜33の金属31を銀、誘電体32を酸化アルミニウムとし、金属誘電体多層膜33の全体の厚さに占める金属31の割合dを下式(10)により変化させた場合の実効的な誘電率の成分Re(εT)およびRe(εZ)を例示するものである。なお、照射光の波長は、365nmおよび517nmとした。
In FIG. 28, the
図28の場合は、照射光の波長が365nmのとき、0.47≦d≦0.55の範囲で、Re(εT)>0かつRe(εZ)<0となり、照射光の波長が517nmのとき、0.26≦d≦0.74の範囲で、Re(εT)<0かつRe(εZ)>0となる。このように、金属31と誘電体32との材料を適切に選ぶことにより、所定の波長(周波数)の光に対して、誘電率テンソルのある成分、あるいは、全ての成分を正や負の値にすることができる。
In the case of FIG. 28, when the wavelength of the irradiation light is 365 nm, Re (ε T )> 0 and Re (ε Z ) <0 in the range of 0.47 ≦ d ≦ 0.55, and the wavelength of the irradiation light is At 517 nm, Re (ε T ) <0 and Re (ε Z )> 0 in the range of 0.26 ≦ d ≦ 0.74. Thus, by appropriately selecting the material of the
図29は、実効的な誘電率に異方性をもたせる人工的な構造体の他の例を示す概念図である。この構造体は、金属ナノロッドアレイ301により人工的な異方性媒質を構成したもので、照射光の波長より小さな断面をもつ円柱状の金属ナノロッド302(半径をrとし、長さは波長よりも十分長いものとする)を、波長より小さな周期aで正方格子として配列したものである。この場合、36と同様に、r,a≪λ(λは照射光の波長)の時は、電磁気学的には異方性をもつ均質媒質とみなすことが許される。 FIG. 29 is a conceptual diagram illustrating another example of an artificial structure that provides an effective dielectric constant with anisotropy. In this structure, an artificial anisotropic medium is constituted by the metal nanorod array 301. A cylindrical metal nanorod 302 having a cross section smaller than the wavelength of irradiation light (with radius r and length longer than the wavelength). Are arranged in a square lattice with a period a smaller than the wavelength. In this case, similarly to 36, when r, a << λ (λ is the wavelength of irradiation light), it is allowed to be regarded as a homogeneous medium having anisotropy electromagnetically.
図29に示す金属ナノロッドアレイ41の構造から明らかなように、異方性媒質としての光学軸はz軸(金属ナノロッド42の対称軸と同じ方向)に一致する。ここで、金属ナノロッド42が十分に長ければ、光学軸方向には電流が流れる(金属中の自由電子が運動できる)ので、金属の種類に依存する電気的応答がある。この場合、金属ナノロッド42を構成する金属材料の電気伝導度をσ、プラズマ周波数をωPとすると、金属ナノロッドアレイ41を均質な異方性媒質とみなしたときの誘電率の光学軸方向の成分は、下式で与えられる。
As is clear from the structure of the metal nanorod array 41 shown in FIG. 29, the optical axis as the anisotropic medium coincides with the z axis (the same direction as the symmetry axis of the metal nanorod 42). Here, if the
式(11)から明らかなように、金属ナノロッドアレイ42の場合は、金属の種類(ωPおよびσ)、アレイの構造(aおよびr)、あるいは角振動数ωを適切に選ぶことにより、光学軸方向の実効的な誘電率を正にも負にもすることができる。
As is clear from the equation (11), in the case of the
一方、光の周波数帯域では、金属および誘電体にかかわらず、自然界のほとんどの物質は、磁気的な応答を示さない。このため、上記の多層膜やナノロッドのような構造体で透磁率に異方性をもたせることができない。しかし、近年においては、人工的な構造体を用いて、光の周波数帯域で透磁率を変化できる媒質が提案され、実効的な透磁率の実数部を負の値にすることが可能となっている。その一例として、メタマテリアルと呼ばれる人工構造体の一種であるスプリットリング共振器が知られている。 On the other hand, in the frequency band of light, regardless of metals and dielectrics, most materials in nature do not show a magnetic response. For this reason, the magnetic permeability cannot be made anisotropic by a structure such as the multilayer film or nanorod. However, in recent years, a medium that can change the permeability in the frequency band of light using an artificial structure has been proposed, and the real part of the effective permeability can be set to a negative value. Yes. As an example, a split ring resonator which is a kind of artificial structure called a metamaterial is known.
本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、図17に示す第2実施形態の構成において、試料上の1点を経過観察する場合には、スキャナおよびプローブ用コントローラはなくてもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and many variations or modifications are possible. For example, in the configuration of the second embodiment shown in FIG. 17, when one point on the sample is observed, the scanner and the probe controller are not necessary.
100、200 近接場光学顕微鏡
103、223b 遮光部材
104、123a 開口部
106、205 超高波数伝達媒質
108、203 対物レンズ
112、224 受光部
100, 200 Near-field
Claims (35)
光を受光する受光部と、
前記光照射部の射出側および前記受光部の入射側のうち少なくとも何れか一方に配置され、近接場光を生成または選択的に透過させる微細構造と、
誘電率または透磁率が異方性を示し、近接場光を伝達する超高波数伝達媒質と、
を備える近接場光学顕微鏡。 A light irradiation unit for emitting illumination light to the sample;
A light receiving portion for receiving light;
A microstructure that is disposed on at least one of the emission side of the light irradiating unit and the incident side of the light receiving unit, and that generates or selectively transmits near-field light; and
An ultrahigh wavenumber transmission medium that exhibits anisotropy in dielectric constant or magnetic permeability and transmits near-field light;
A near-field optical microscope.
前記超高波数伝達媒質は前記微細構造で生成された近接場光を伝達して前記試料に前記照明光として射出する、請求項1記載の近接場光学顕微鏡。 The fine structure is disposed on the exit side of the light irradiation unit to generate near-field light,
The near-field optical microscope according to claim 1, wherein the ultra-high wavenumber transmission medium transmits near-field light generated by the fine structure and emits the illumination light to the sample as the illumination light.
前記微細構造は前記受光部の入射側に配置されて前記近接場光を透過させ、
前記受光部は、前記微細構造が透過させた前記近接場光を検出する、請求項1記載の近接場光学顕微鏡。 The ultra high wavenumber transmission medium is disposed between the sample and the microstructure;
The fine structure is disposed on the incident side of the light receiving unit and transmits the near-field light,
The near-field optical microscope according to claim 1, wherein the light-receiving unit detects the near-field light transmitted through the fine structure.
前記対物レンズを含む光学顕微鏡をさらに備え、
前記開口部および前記超高波数伝達媒質の少なくとも一部が、前記光学顕微鏡の視野内に配置される請求項4〜10のいずれか一項に記載の近接場光学顕微鏡。 The light receiving unit has an objective lens,
An optical microscope including the objective lens;
The near-field optical microscope according to any one of claims 4 to 10, wherein at least a part of the opening and the ultrahigh wavenumber transmission medium are arranged in a field of view of the optical microscope.
前記近接場光源は、前記超高波数伝達媒質に対向する側の表面に、前記光学顕微鏡用照明部による光学顕微鏡用照明光を透過する透過領域を有する請求項12または13に記載の近接場光学顕微鏡。 The opening is formed in a part of the light shielding member;
14. The near-field optics according to claim 12, wherein the near-field light source has a transmission region that transmits the optical microscope illumination light from the illumination unit for the optical microscope on a surface on the side facing the ultrahigh wavenumber transmission medium. microscope.
動作時に、複数の前記近接場光源を互いに異なるタイミングで発光させる請求項8〜21に記載の近接場光学顕微鏡。 Comprising at least two said near-field light sources,
The near-field optical microscope according to claim 8, wherein a plurality of near-field light sources emit light at different timings during operation.
前記微細構造は、前記超高波数伝達媒質に対向する側の表面に、前記照明部
による照明光を透過する透過領域を有する請求項28または29に記載の近接場光学顕微鏡。 The microstructure has an opening, and the opening is formed by a light shielding member,
30. The near-field optical microscope according to claim 28 or 29, wherein the fine structure has a transmission region through which illumination light from the illumination unit is transmitted on a surface on a side facing the ultrahigh wavenumber transmission medium.
前記試料に光を照射するステップと、
前記試料に密着された超高波数伝達媒質から射出される光を、微細構造を通して受光するステップと
を含むことを特徴とする試料観察方法。 A dielectric constant or a magnetic permeability showing anisotropy, and a step of closely adhering an ultrahigh wavenumber transmission medium that transmits near-field light to a sample;
Irradiating the sample with light;
Receiving the light emitted from the ultra-high wavenumber transmission medium in close contact with the sample through a fine structure.
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