表面情報取得装置及び表面情報取得方法
【課題】 試料表面において液体等が流動している場合であっても表面情報を取得することが可能な表面情報取得装置及び表面情報取得方法を提供すること。
【解決手段】 表面から所定距離離れて浮遊するプローブ粒子Ｐを用いて試料Ｓの表面情報を取得する表面情報取得装置１Ａであって、光源２と、プローブ粒子Ｐの像（プローブ像）を得る結像装置３と、プローブ像を撮像してプローブ画像を得る撮像装置４と、プローブ画像からプローブ粒子Ｐの位置情報を取得し、当該位置情報から試料Ｓの表面情報を取得する画像処理装置１０とを備える。画像処理装置１０は、予め格納されたプローブ画像におけるプローブ粒子Ｐの大きさを規定する値である直径とプローブ粒子Ｐの試料Ｓ表面からの距離との関係を示す校正データと撮像装置４によって撮像されたプローブ粒子Ｐの直径とに基づいて、プローブ粒子Ｐの位置情報を得る。
【解決手段】 表面から所定距離離れて浮遊するプローブ粒子Ｐを用いて試料Ｓの表面情報を取得する表面情報取得装置１Ａであって、光源２と、プローブ粒子Ｐの像（プローブ像）を得る結像装置３と、プローブ像を撮像してプローブ画像を得る撮像装置４と、プローブ画像からプローブ粒子Ｐの位置情報を取得し、当該位置情報から試料Ｓの表面情報を取得する画像処理装置１０とを備える。画像処理装置１０は、予め格納されたプローブ画像におけるプローブ粒子Ｐの大きさを規定する値である直径とプローブ粒子Ｐの試料Ｓ表面からの距離との関係を示す校正データと撮像装置４によって撮像されたプローブ粒子Ｐの直径とに基づいて、プローブ粒子Ｐの位置情報を得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面情報取得装置及び表面情報取得方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、試料の表面情報を取得する方法として、原子間力顕微鏡（Atomic-Force Microscopy；以下、ＡＦＭという）を用いる方法、あるいは一対のマイクロ電極を用いる方法などが一般に知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１、２参照）。ＡＦＭを用いた取得では、探針を装着したカンチレバーが試料表面を走査し、当該試料表面と探針との間の原子間力による探針の変位を測定することによって試料の表面情報が取得される。また、マイクロ電極を用いた取得では、一対のマイクロ電極が試料表面を走査し、当該マイクロ電極によって得られた電気伝導度から試料表面の電位分布が求められ、試料の表面情報が取得される。
【特許文献１】米国特許第４７２４３１８号明細書
【非特許文献１】G.Binning, et al., Atomic Force Microscope, Phys. Rev. Letters, 56,930 (1986)
【非特許文献２】青木幸一、森田雅夫、堀内勉、丹羽修共著、「微小電極を用いる電気化学測定法」（電子情報通信学会編）、平成１０年発行、第２及び第３章
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、これらを用いた表面情報の取得においては、試料表面上に液体あるいは気体などが存在して流動している場合に情報の取得が困難となってしまうという問題が発生してしまう。すなわち、ＡＦＭを用いた場合、カンチレバーが液体等の流れによる力の作用を受けてしまうため、表面の正確な計測ができなくなってしまう。また、マイクロ電極を用いた場合もやはり、マイクロ電極が液体等の流れによる力の作用を受けてしまうため、正確な計測ができなくなってしまう。
【０００４】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、試料表面において液体等が流動している場合であっても表面情報を取得することが可能な表面情報取得装置及び表面情報取得方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような目的を達成するために、本発明による表面情報取得装置は、試料の表面上方においてプローブ粒子を浮遊させ、当該浮遊しているプローブ粒子の像を撮像して得られたプローブ画像に基づいて試料の表面情報を取得する表面情報取得装置であって、プローブ画像におけるプローブ粒子の大きさを規定する測定値を求める大きさ規定値特定手段と、プローブ画像におけるプローブ粒子の大きさを規定する値と基準面からのプローブ粒子の距離との関係を示す校正データと、大きさ規定値特定手段で求められた測定値と、に基づいてプローブ粒子の基準面からの位置情報を取得する位置情報取得手段と、プローブ粒子の位置情報に基づいて試料の表面情報を取得する表面情報取得手段と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
一方、本発明による表面情報取得方法は、試料の表面上方においてプローブ粒子を浮遊させ、当該浮遊しているプローブ粒子の像を撮像して得られたプローブ画像に基づいて試料の表面情報を取得する表面情報取得方法であって、プローブ画像におけるプローブ粒子の大きさを規定する値と基準面からのプローブ粒子の距離との関係を示す校正データを用意する校正データ準備ステップと、プローブ画像におけるプローブ粒子の大きさを規定する測定値を求める大きさ規定値測定ステップと、校正データと、大きさ規定値特定手段で求められた測定値と、に基づいてプローブ粒子の基準面からの位置情報を取得する位置情報取得ステップと、プローブ粒子の位置情報に基づいて試料の表面情報を取得する表面情報取得ステップと、を備えることを特徴とする。
【０００７】
上記表面情報取得装置及び表面情報取得方法では、プローブ粒子は、例えば試料表面と相互作用を及ぼし合って分布する、あるいは試料表面の形状に則って分布する等、試料表面と有機的に関連して位置する。そのため、上記表面情報取得装置及び表面情報取得方法では、プローブ粒子の位置情報から試料表面の情報を取得することが可能となる。また、試料表面上に液体あるいは気体が存在し当該液体等が流動している場合であっても、プローブ粒子は浮遊しているため、流動によって妨げられることなく試料の表面情報を取得することが可能となる。また、プローブ粒子の大きさを変えることで所望のスケールで表面情報を取得することが可能となる。また、マイクロ電極などの電極を用いての計測と異なり、試料に対し電流を流す必要がないため、試料表面が電流による影響を受けることなく取得することができる。
【０００８】
試料及びプローブ粒子は、同符号で荷電していることが好ましい。この場合、プローブ粒子は、当該プローブ粒子の電位と試料表面の電位との間の相互作用による影響を受けて位置する。そのため、プローブ粒子の位置情報を得ることで、試料表面の表面電位を取得することが可能となる。
【０００９】
プローブ粒子が球体であることが好ましい。この場合、プローブ画像によって得られるプローブ粒子の像は円となるので、プローブ粒子の大きさを規定する値として当該円の直径を採用することができる。これにより、プローブ粒子を撮像する方向に依存せずにプローブ粒子の大きさを規定する値を得ることができ、表面情報の取得が容易になる。
【００１０】
表面情報取得装置は、プローブ粒子を照射する光を出力する光源をさらに備えてもよい。あるいは、表面情報取得方法は、プローブ粒子が光源から出力される光によって照射されていてもよい。この場合、自身で光を発しないプローブ粒子を用いて表面情報を取得することが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、試料表面において液体等が流動している場合であっても表面情報を取得することが可能な表面情報取得装置及び表面情報取得方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る表面情報取得装置１Ａの構成を示す図である。図１に示すように表面情報取得装置１Ａは、光源２と、結像装置（結像手段）３と、撮像装置（撮像手段）４と、画像処理装置（画像処理手段）１０と、表示装置（表示手段）５とを備え、試料である透明な基板Ｓの表面情報を複数のプローブ粒子Ｐを利用して取得する。表面情報取得装置１Ａは、透明な基板Ｓに対する透過型の顕微鏡として構成されている。透明な基板Ｓは、例えば透明ガラスプレートであり、試料ステージ６上に載置されている。
【００１４】
基板ＳとカバーガラスＧとの間には溶液が満たされており、当該溶液中には複数のプローブ粒子Ｐが含まれている。プローブ粒子Ｐは何れも球体であり、それぞれ試料の表面から所定距離離れて溶液中を浮遊している。基板Ｓは結像装置３の焦点面Ｆとは一致せず、本実施形態では基板Ｓは結像装置３の焦点面Ｆが当該基板ＳとカバーガラスＧとの間に位置するように配置される。プローブ粒子Ｐとして例えば、径が約１μｍのポリスチレンラテックス微粒子を用いる。基板Ｓ及びプローブ粒子Ｐは、同符号で荷電していてもよい。
【００１５】
光源２は、試料ステージ６の下方に、すなわち基板Ｓのプローブ粒子Ｐが配置されていない側に位置する。光源２は、基板Ｓ及びプローブ粒子Ｐを照射する光ｌを出力する。
【００１６】
結像装置３は、基板Ｓのプローブ粒子Ｐが配置されている側に位置する。結像装置３は、結像光学系を有し、光源２から出力された光ｌによって照射されたプローブ粒子Ｐの像（プローブ像）を撮像装置４の受光面上に結ぶ。
【００１７】
撮像装置４は、結像装置３によって結像されたプローブ像を撮像するＣＣＤカメラである。撮像装置４は、プローブ像を撮像して得られたプローブ画像を画像処理装置１０に出力する。
【００１８】
画像処理装置１０は、撮像されたプローブ画像を撮像装置４から入力する。画像処理装置１０は、撮像装置４から出力されたプローブ画像からプローブ粒子Ｐの位置情報を取得し、当該位置情報から基板Ｓの表面情報を取得する。画像処理装置１０は、取得した基板Ｓの表面情報を表示装置５へ出力する。なお、画像処理装置１０は、必要に応じてプローブ画像を表示装置５へ出力してもよい。
【００１９】
表示装置５は、画像処理装置１０から入力された基板Ｓの表面情報あるいはプローブ画像を表示する。この表示装置５としては、例えば、ＣＲＴモニタや、液晶ディスプレイなどを用いることができる。
【００２０】
次に、図２を参照して画像処理装置１０の機能について説明する。図２に示すように、画像処理装置１０は、校正データ格納部１１と、大きさ規定値特定部１２と、位置情報取得部１３と、表面情報取得部１４とを有する。
【００２１】
校正データ格納部１１には、プローブ画像におけるプローブ粒子Ｐの大きさを規定する値とプローブ粒子Ｐの基板Ｓ表面からの距離との関係を示す校正データが格納されている。本実施形態ではプローブ粒子Ｐは球体であるため、プローブ粒子Ｐの大きさを規定する値を、画像上におけるプローブ粒子Ｐの直径とする。
【００２２】
図３に校正データによって得られるグラフを示す。図３のグラフの横軸は試料である基板Ｓの表面に直交する方向（以下、ｚ方向という）での焦点面Ｆからの距離Ｚ（μｍ）を表し、縦軸はプローブ画像におけるプローブ粒子Ｐの直径の大きさｄ（μｍ）を表す。結像装置３の焦点面Ｆは、プローブ粒子の位置を特定するための基準面として機能する。図３のグラフにおける円は実際の測定データを表し、曲線はこれらの測定データに対してフィッティングを行った結果である。校正データ格納部１１は、例えばフィッティングによって得られた関係式を校正データとして格納する。あるいは、校正データ格納部１１は、例えば実際の測定データを校正データとして格納する。図４に、校正データ格納部１１が実際の測定データを校正データとして格納する場合における校正データの表を示す。
【００２３】
結像装置３の焦点面Ｆの基板Ｓ表面からの位置は既知である。したがって図３のグラフから理解されるように、校正データによれば、プローブ粒子Ｐの直径の大きさｄを得ることによって、プローブ粒子Ｐの基板Ｓ表面からの距離Ｚを求めることができる。ここで、焦点面Ｆからそれぞれ距離Ｚ０、Ｚ１、Ｚ２だけ離れているプローブ粒子Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２の、距離Ｚ０、Ｚ１、Ｚ２とプローブ画像における直径ｄ０、ｄ１、ｄ２との関係を説明する。説明に際し、図５〜６を参照する。
【００２４】
図５は、プローブ粒子Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２と焦点面Ｆとの関係を説明するための図である。図５に示されているように、プローブ粒子Ｐ０は焦点面Ｆに位置し、焦点面ＦからＺ０（＝０）だけ離れている。プローブ粒子Ｐ１は焦点面Ｆに対しＺ１（＜Ｚ０）の位置にある。プローブ粒子Ｐ２は焦点面Ｆに対しＺ２（＞Ｚ０）の位置にある。
【００２５】
図６は、撮像されたプローブ画像におけるプローブ粒子Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２の画像である。図６（ａ）はプローブ粒子Ｐ０の、図６（ｂ）はプローブ粒子Ｐ１の、図６（ｃ）はプローブ粒子Ｐ２の画像である。図６に示されるように、焦点面Ｆに位置するプローブ粒子Ｐ０の画像（図６（ｂ））における円の大きさ（直径の大きさ）は、他のプローブ粒子Ｐ１、Ｐ２の画像（図６（ａ）、（ｃ））における円（直径）に比べて小さくなる。図６（ａ）に示された二点鎖線Ｔ２、図６（ｂ）に示された二点鎖線Ｔ０、図６（ｃ）に示された二点鎖線Ｔ１はそれぞれプローブ画像におけるプローブ粒子の中心点を通り、各プローブ粒子の画像を横断する線である。また、図６（ａ）に示された直径ｄ１２、図６（ｂ）に示された直径ｄ１０、図６（ｃ）に示された直径ｄ１１はそれぞれプローブ画像におけるプローブ粒子の白い輪で表される像の直径である。図６（ａ）に示された直径ｄ２２、図６（ｂ）に示された直径ｄ２０、図６（ｃ）に示された直径ｄ２１はそれぞれプローブ画像におけるプローブ粒子の黒い輪で表される像の直径である。
【００２６】
図７は、プローブ画像における各プローブ粒子Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２の強度を示すグラフである。図７（ａ）はプローブ粒子Ｐ０の、図７（ｂ）はプローブ粒子Ｐ１の、図７（ｃ）はプローブ粒子Ｐ２のグラフである。各グラフの横軸は図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示された横断線Ｔ２、Ｔ０、Ｔ１上の位置Ｔ、縦軸はプローブ画像における強度Ｉ（Ｔ）を表す。各グラフにおける強度Ｉ０は、背景画像の平均強度に相当する。プローブ画像における各プローブ粒子Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２の直径ｄ０、ｄ１、ｄ２は、例えば各横断線上であって画像上のプローブ粒子の円内に位置する強度Ｉ（Ｔ）の０次のピーク（凸部）の両脇にある１次のピーク（凸部）の頂点間の距離（図６（ａ）〜（ｃ）の各画像における白い輪の直径）ｄ１０、ｄ１１、ｄ１２とする。あるいは、プローブ画像における各プローブ粒子Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２の直径ｄ０、ｄ１、ｄ２は、例えば各横断線上であって画像上のプローブ粒子の円内に位置する強度Ｉ（Ｔ）の０次のピーク（凸部）の両脇にある凹部の頂点間の距離（図６（ａ）〜（ｃ）の各画像における黒い輪の直径）ｄ２０、ｄ２１、ｄ２２であってもよい。
【００２７】
また、０次のピークの強度が平均強度Ｉ０より小さい場合というのはプローブ粒子が焦点面Ｆより上に位置することを意味する。一方、０次のピークの強度Ｉ（Ｔ＝０）が平均強度Ｉ０より大きい場合というのはプローブ粒子が焦点面Ｆより下に位置することを意味する。したがって、図７（ａ）〜（ｃ）より、プローブ粒子Ｐ２が焦点面Ｆより上に位置し、プローブ粒子Ｐ０、Ｐ１が焦点面Ｆより下に位置することが示される。
【００２８】
再び図２を参照して画像情報処理装置１０の機能についての説明を続ける。大きさ規定値特定部１２は、撮像されたプローブ画像を撮像装置４から入力し、プローブ画像における複数のプローブ粒子Ｐそれぞれの大きさを規定する値の測定値である直径ｄを求める。すなわち、直径ｄは、図６に示したような画像に基づいて得られるグラフ（図７参照）に基づき、１次ピーク間の距離として求められる。大きさ規定値特定部１２は、直径ｄを位置情報取得部１３に出力する。
【００２９】
位置情報取得部１３は、大きさ規定値特定部１２からプローブ粒子Ｐの直径ｄを入力する。位置情報取得部１３は、校正データ格納部１１に格納された校正データとプローブ粒子Ｐの直径ｄとに基づいて、プローブ粒子Ｐの基板Ｓ表面からの位置情報を取得する。すなわち、位置情報取得部１３は、校正データ格納部１１から得た図３に示す校正データに基づき、大きさ規定値特定部１２で求められたプローブ粒子Ｐの直径の大きさがｄの時の焦点面Ｆからの距離（位置情報）Ｚを求める。また、焦点面Ｆの基板Ｓ表面からの距離をＺＦとすると、ＺＦは既知であるから、位置情報取得部１３は必要に応じて、ＺＦをこうして求められたＺに加えることによりプローブ粒子Ｐの基板Ｓ表面からの距離ＺＰを取得する。
【００３０】
さらに、位置情報取得部１３は、２次元のプローブ画像から各プローブ粒子の当該２次元上、すなわち基板Ｓの表面に投影させた場合の位置座標（ｘ、ｙ）を得ることもできる。したがって、位置情報取得部１３は焦点面Ｆからの距離に基づき、所望の位置を原点にとり、各プローブ粒子Ｐの３次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）（例えば、ｚ＝Ｚ、あるいはｚ＝ＺＰ）を得ることができる。位置情報取得部１３は、こうして得た各プローブ粒子Ｐの位置情報である３次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）を表面情報取得部１４に出力する。
【００３１】
表面情報取得部１４は、位置情報取得部１３からプローブ粒子Ｐの位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）を入力する。表面情報取得部１４は、複数のプローブ粒子Ｐの位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）から基板Ｓの表面情報を取得し、表示装置５へ出力する。以下に表面情報を取得する具体的な例を示す。
【００３２】
例えば、基板Ｓ及びプローブ粒子Ｐは、同符号で荷電している場合であって、表面情報取得部１４が表面情報として基板Ｓの表面電位を取得する場合について説明する。この場合まず、表面情報取得部１４は、複数のプローブ粒子Ｐの位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）から基板Ｓ表面上を浮遊している複数のプローブ粒子Ｐの位置分布関数ｎ（ｘ、ｙ、ｚ）を求める。位置分布関数ｎ（ｘ、ｙ、ｚ）は、基板Ｓ表面上であって、座標（ｘ、ｙ、ｚ）の位置におけるプローブ粒子Ｐの個数の分布を表す関数である。さらに、表面情報取得部１４は、プローブ粒子Ｐの位置分布関数に基づき、以下の式（１）からプローブ粒子Ｐと基板Ｓとの間の静電的相互作用φ（ｘ、ｙ、ｚ）を求める。
【数１】
A：定数
φ（ｘ、ｙ、ｚ）：静電的相互作用
ｎ０：φ（ｘ、ｙ、ｚ）＝０におけるプローブ粒子の個数
ｋ：Boltzmann定数
Ｔ：絶対温度
【００３３】
なお、この場合、表面情報取得部１４は、プローブ粒子の位置情報に基づいて浮遊しているプローブ粒子Ｐの位置分布を求める位置分布算出部を有し、当該位置分布算出部において位置分布関数ｎ（ｘ、ｙ、ｚ）を算出してもよい。
【００３４】
表面情報取得部１４は、式（１）で求めた静電的相互作用に基づいて、基板Ｓ表面の表面情報である表面電位を以下の式（２）により求める。
【数２】
【００３５】
こうして、表面情報取得部１４は、表面情報として基板Ｓの表面電位を算出して取得する。
【００３６】
あるいは、例えば基板Ｓ及びプローブ粒子Ｐが荷電していない場合であって、表面情報取得部１４が表面情報として基板Ｓの表面形状（ｚ方向の凹凸）を取得する場合について説明する。プローブ粒子Ｐは一定の確率分布（密度）に則って溶液中にばらまかれることにより、基板Ｓの表面形状にしたがって分布される。そのため、表面情報取得部１４は、プローブ粒子Ｐの位置情報である各プローブ粒子Ｐの３次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）に基づいて基板Ｓの表面形状を算出して取得する。
【００３７】
あるいは、例えば基板Ｓ及びプローブ粒子Ｐが荷電していない場合であって、表面情報取得部１４が表面情報として基板Ｓの表面形状（ｚ方向の凹凸）を取得する他の場合について説明する。まず、位置情報取得部１３において所定時間間隔をあけてプローブ粒子Ｐの位置情報を取得する。表面情報取得部１４は、所定時間間隔をあけたプローブ粒子Ｐの位置情報（各プローブ粒子Ｐの３次元座標（ｘ、ｙ、ｚ））から、基板Ｓ上の溶液の流速を求める。これは、例えば所定時間経過後に、特定のプローブ粒子Ｐ１についてｘ座標及びｙ座標だけでなくｚ座標も変わっていた場合、当該特定のプローブ粒子Ｐ１にはｚ軸方向に移動する流速が働いたことになり、ｚ座標の変化から基板Ｓの表面の凹凸を取得することが可能となる。こうして、表面情報取得部１４は、プローブ粒子Ｐの位置情報に基づいて溶液の流速分布を求め、基板Ｓの表面形状を算出して取得する。
【００３８】
次に、図８及び図９を参照して、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａを用いる表面情報取得方法について説明し、併せて表面情報取得装置１Ａの動作についても説明する。図８は、表面情報取得方法の手順を示す図である。
【００３９】
まず、撮像装置４によって撮像された画像におけるプローブ粒子Ｐの大きさを規定する値である直径ｄと、基準面である焦点面Ｆからのプローブ粒子Ｐの距離Ｚとの関係を示す校正データ（図３及び図４参照）を用意する（校正データ準備ステップＳ０１）。図９は、校正データを求めることについて説明するための図である。校正データは以下の手順で取得される。
【００４０】
すなわち、図９に示されるように、２枚のカバーガラスＧ１、Ｇ２の間に溶液と共に挟まれたプローブ粒子Ｐを試料ステージ６上に配置した上で、試料ステージ６をｚ方向に移動する。すなわち、焦点面Ｆと一致する場合を基準（Ｚ＝０）とし、当該基準に対して上下方向（Ｚ＜０、Ｚ＞０）にステージ６をプローブ粒子Ｐとともに移動する。その際、各位置でのプローブ粒子Ｐのプローブ像が撮像装置４によって撮像され、プローブ画像におけるプローブ粒子Ｐの直径ｄが求められる。こうして、ｚ方向における焦点面Ｆからの距離に対するプローブ画像におけるプローブ粒子Ｐの直径ｄが求められ、校正データが得られる。得られた校正データは、画像処理装置１０の校正データ格納部１１に格納される。
【００４１】
再び図８に戻って、表面情報取得方法について説明を続ける。次に、複数のプローブ粒子Ｐが含まれた溶液を基板ＳとカバーガラスＧとの間に満たす。これにより、基板Ｓの表面から所定距離離れてプローブ粒子Ｐが浮遊するように基板Ｓ及びプローブ粒子Ｐが配置される（プローブ粒子準備ステップＳ０２）。基板Ｓは、表面情報取得装置１Ａの試料ステージ６上に配置される。
【００４２】
続いて、結像装置３によって結ばれた複数のプローブ粒子Ｐの像が、撮像装置４によって撮像される（撮像ステップＳ０３）。プローブ画像には様々な位置座表を有する複数のプローブ粒子Ｐが撮像されていてもよい。撮像されたプローブ画像は、撮像装置４から画像処理装置１０の大きさ規定値特定部１２へ出力される。
【００４３】
プローブ画像が入力された大きさ規定値特定部１２では、撮像装置４で撮像されたプローブ画像におけるプローブ粒子Ｐの大きさを規定する測定値である直径ｄが求められる（大きさ規定値特定ステップＳ０４）。複数のプローブ粒子Ｐが撮像されている場合には、それらについての直径ｄが求められる。こうして求められた直径の大きさｄは、大きさ規定値特定部１２から位置情報取得部１３へ出力される。
【００４４】
直径ｄが入力された位置情報取得部１３では、校正データ格納部１１に格納された校正データと、大きさ規定値特定ステップＳ０４で求められたプローブ粒子Ｐの直径ｄと、に基づいて、基準面である焦点面Ｆからのプローブ粒子Ｐの位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）が取得される（位置情報取得ステップＳ０５）。こうして求められた各プローブ粒子Ｐの位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）は、位置情報取得部１３から表面情報取得部１４へ出力される。
【００４５】
各プローブ粒子Ｐの位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）が入力された表面情報取得部１４では、位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）に基づいて基板Ｓの表面情報が取得される（表面情報取得ステップＳ０６）。表面情報取得ステップＳ０６では、例えば各プローブ粒子Ｐの位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）から溶液中に浮遊しているプローブ粒子Ｐの位置分布関数ｎ（ｘ、ｙ、ｚ）を算出して表面情報の取得に用いてもよい。取得される表面情報としては、例えば表面電位、あるいは表面形状などである。本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法では、こうして基板Ｓの表面情報が取得される。
【００４６】
本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法では、プローブ粒子Ｐは、基板Ｓ表面と有機的に関連して位置している。したがって、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法では、プローブ粒子Ｐの位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）から試料である基板Ｓ表面の表面情報を求めることが可能となる。
【００４７】
具体的には、例えばプローブ粒子Ｐ及び基板Ｓが何れも同符号に荷電しているときには、プローブ粒子Ｐと基板Ｓ表面とは静電的相互作用を及ぼし合い、この静電的相互作用に影響を受けてプローブ粒子Ｐは位置することとなる。したがって、プローブ粒子Ｐの位置分布関数ｎ（ｘ、ｙ、ｚ）を求めることにより、式（１）及び（２）から、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法では、試料である基板Ｓの表面電位を求めることが可能となる。
【００４８】
なお、この場合、プローブ粒子の位置分布関数は鋭い立ち上がり部分を有し、この鋭い立ち上がり部分は、わずかな表面電位変化に敏感に応答するため、極微量しか存在しない貴重なバイオ関連分子が特異的に基板Ｓ表面に吸着したときのような、表面電位の微小変化を高感度に検出することができ、有効である。また、この場合、バイオ関連分子に標識分子を化学的・物理的に結合する必要がないため、測定のための前処理を省略することが可能となる。さらに、プローブ粒子Ｐの３次元での位置分布関数ｎ（ｘ、ｙ、ｚ）に基づくため基板Ｓの表面電位として電位分布を求めることもできる。これにより、基板Ｓ上に複数の異なる病変に対応した生体分子を結合しておくことで、一回の測定で複数の項目について検査することが可能となり、医療分野における生化学検査に要する時間の大幅な短縮が実現される。
【００４９】
あるいは、例えばプローブ粒子Ｐ及び基板Ｓが何れも荷電していない場合であっても、一定の確率分布でばらまかれたプローブ粒子Ｐは基板Ｓ表面の形状に則って分布する。これにより、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法では、試料である基板Ｓの表面形状を求めることができる。
【００５０】
あるいは、例えばプローブ粒子Ｐ及び基板Ｓが何れも荷電していない場合であっても、プローブ粒子Ｐは基板Ｓ表面の形状に則った流速によって移動する。本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法ではプローブ粒子Ｐの流速分布を求めることができ、これにより試料である基板Ｓの表面形状を求めることができる。
【００５１】
また、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法では、基板Ｓ表面上に液体である溶液が存在し、当該溶液内に測定を担うプローブ粒子Ｐが浮遊している。そのため、従来の表面情報取得装置（例えば、ＡＦＭ）と異なり、溶液の流動によっても表面情報の取得は妨げられることがない。したがって、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法では、基板Ｓ表面上において溶液が流動している場合であっても基板Ｓの表面情報を取得することが可能となる。
【００５２】
さらに、プローブ粒子Ｐが浮遊していることから、微弱な力に呼応することができる。これにより、例えば微弱な表面電位の影響も計測することが可能となる。
【００５３】
加えて、プローブ粒子Ｐが浮遊していることから、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法によれば、焦点面Ｆから離れた（例えば数十μｍ以上）ところに位置するプローブ粒子Ｐの位置情報を取得することも可能である。したがって、例えば基板Ｓ表面が高電位の場合であっても、プローブ粒子Ｐを捕捉するための外力を加えることなく位置情報を取得することができる。
【００５４】
また、プローブ粒子Ｐの大きさを変えることで所望のスケールで基板Ｓの表面情報を取得することが可能となる。すなわち、より小さいプローブ粒子Ｐを選択することで非常にミクロなスケールの表面情報を取得することが可能となる一方、より大きいプローブ粒子Ｐを選択することでマクロなスケールの表面情報を取得することが可能となる。
【００５５】
また、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法では、基板Ｓに対し電流を流す必要がない。そのため、電流による影響を受けることなく、基板Ｓの表面情報を取得することが可能となる。
【００５６】
また、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法では、プローブ画像における各プローブ粒子の直径さえ算出できればそのプローブ粒子の位置情報（座標）は取得可能である。そのため、プローブ画像に撮像されたプローブ粒子の数が複数であっても、当該撮像された複数のプローブ粒子の位置情報を取得することができる。すなわち、一度の撮像で複数のプローブ粒子の位置情報を取得することが可能となり、表面情報の取得に要する時間を短縮することが可能となる。
【００５７】
本実施形態では、プローブ粒子Ｐは球体であるため、プローブ画像によって得られるプローブ粒子Ｐの直径（プローブ粒子Ｐの大きさを規定する値）はプローブ粒子Ｐを撮像する方向に依存しない。その結果、プローブ粒子Ｐを如何なる方向からも撮像でき、表面情報の取得が容易になる。
【００５８】
本実施形態では、プローブ粒子Ｐを照射する光ｌを出力する光源２を備えているため、自身で光を発しないプローブ粒子Ｐを用いて表面情報を取得することが可能となる。
【００５９】
なお、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法では、プローブ粒子Ｐの位置情報に基づいて、基板Ｓの表面電位及び表面形状以外の情報を表面情報として取得することもできる。
【００６０】
（第２実施形態）
図１０を参照して、第２実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂの構成について説明する。図１０は第２実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂの構成を示す図である。第２実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂは、試料が基板ではなく透明管Ｓである点で第１実施形態に係る表面情報取得装置１Ａと異なる。
【００６１】
透明管Ｓは例えばガラス管であり、試料ステージ６上に管の長手方向が結像装置３の光軸と直交するように載置されている。透明管Ｓの管内には溶液が満たされており、当該溶液中には複数のプローブ粒子Ｐが含まれている。プローブ粒子Ｐは球体であり、何れも試料である管の内壁から所定距離離れて溶液中を浮遊している。結像装置３は、その焦点面Ｆが透明管Ｓの内部を横切るように位置する。透明管Ｓ及びプローブ粒子Ｐは、同符号で荷電していてもよい。
【００６２】
本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂを用いる表面情報取得方法も、表面情報取得装置１Ａを用いる表面情報取得方法と同様、図８に示すような校正データ準備ステップＳ０１、プローブ粒子準備ステップＳ０２、撮像ステップＳ０３、大きさ規定値特定ステップＳ０４、位置情報取得ステップＳ０５、及び表面情報取得ステップＳ０６を備える。
【００６３】
本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂ及び表面情報取得方法では、プローブ粒子Ｐは、例えば透明管Ｓ内壁表面と静電的相互作用を及ぼし合って分布する、あるいは透明管Ｓ内壁表面の形状に則って分布する等、透明管Ｓ内壁表面と有機的に関連して位置している。したがって、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂ及び表面情報取得方法では、プローブ粒子Ｐの位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）から試料である透明管Ｓ内壁表面の表面情報（例えば、表面電位、あるいは表面形状等）を求めることが可能となる。
【００６４】
特に、透明管Ｓは管状であるため、内壁の表面情報を取得することは通常の測定方法では困難である。しかし、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂ及び表面情報取得方法では、管状の透明管Ｓ内に浮遊するプローブ粒子の位置情報を取得さえすれば当該透明管Ｓ内壁の表面情報を取得することができる。すなわち、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂ及び表面情報取得方法では、複雑な形状をした試料についても、その表面情報を取得することが可能である。
【００６５】
また、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂ及び表面情報取得方法では、透明管Ｓ内に液体である溶液が存在する。本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂでは、プローブ粒子Ｐが試料である透明管Ｓ内を浮遊しているため、溶液の流動によっても表面情報（管内壁の表面情報）の取得が妨げられることはない。したがって、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂ及び表面情報取得方法では、透明管Ｓ内壁表面上において溶液が流動している場合であっても透明管Ｓ内壁の表面情報を取得することが可能となる。
【００６６】
また、プローブ粒子Ｐの大きさを変えることで所望のスケールで透明管Ｓ内壁の表面情報を取得することが可能となる。
【００６７】
また、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂ及び表面情報取得方法では、透明管Ｓに対し電流を流す必要がない。そのため、電流による影響を受けることなく透明管Ｓ内壁の表面情報を取得することが可能となる。
【００６８】
また、一度の撮像で複数のプローブ粒子について位置情報を取得することができるため、実際の計測が容易となり、表面情報の取得に要する時間を短縮することが可能となる。
【００６９】
本実施形態では、プローブ粒子Ｐは球体であるため、プローブ粒子Ｐを如何なる方向からも撮像でき、実際の計測が容易になる。その結果、表面情報の取得が容易になる。
【００７０】
本実施形態では、プローブ粒子Ｐを照射する光ｌを出力する光源２を備えているため、自身で光を発しないプローブ粒子Ｐを用いて表面情報を取得することが可能となる。
【００７１】
なお、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂ及び表面情報取得方法では、プローブ粒子Ｐの位置情報に基づいて、透明管Ｓ内壁の表面電位及び表面形状以外の情報を表面情報として取得することもできる。
【００７２】
（第３実施形態）
図１１を参照して、第３実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃの構成について説明する。図１１は第３実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃの構成を示す図である。第３実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃは、試料が不透明な基板Ｓであって、当該不透明基板Ｓに対する反射型の顕微鏡として構成されている点で第１実施形態に係る表面情報取得装置１Ａと異なる。
【００７３】
不透明な基板Ｓは、例えば半導体デバイス、あるいは着色されたガラス基板等であり、基板Ｓの被計測面が結像装置３の光軸と直交するように試料ステージ６上に載置されている。基板ＳとカバーガラスＧとの間には溶液が満たされており、当該溶液中には複数のプローブ粒子Ｐが含まれている。プローブ粒子Ｐは何れも球体であり、基板Ｓの表面から所定距離離れて溶液中を浮遊している。結像装置３は、その焦点面Ｆが基板Ｓ表面上の溶液を横切るように、すなわち基板ＳとカバーガラスＧとの間に位置するように配置される。基板Ｓ及びプローブ粒子Ｐは、同符号で荷電していてもよい。
【００７４】
表面情報取得装置１Ｃは、限外照明系を採用し、結像装置３の光軸と所定角度を有して基板Ｓ及びプローブ粒子Ｐを照射する光ｌを出力する光源（図１１において図示を省略）を備える。また、限外照明系を用いる場合、例えば作動距離の長い高倍率対物レンズを用いる方法、あるいは低倍率対物レンズにズーム光学系を組み合わせる方法、あるいは暗視野対物レンズを用いる方法などがある。
【００７５】
本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃを用いる表面情報取得方法も、表面情報取得装置１Ａを用いる表面情報取得方法と同様、図８に示すような校正データ準備ステップＳ０１、プローブ粒子準備ステップＳ０２、撮像ステップＳ０３、大きさ規定値特定ステップＳ０４、位置情報取得ステップＳ０５、及び表面情報取得ステップＳ０６を備える。
【００７６】
反射型の顕微鏡に同軸（明視野）照明系を用いると背景反射が対物レンズに入射されてしまいプローブ粒子の像が不明瞭となってしまう。表面情報取得装置１Ｃでは、限外（暗視野）照明系を用いているため、不透明な基板Ｓを計測する場合であっても、プローブ粒子Ｐの像を撮像することができる。これにより、プローブ画像におけるプローブ粒子Ｐの直径を特定することが可能となるため、基板Ｓの表面情報を取得することが可能となる。このように、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃ及び表面情報取得方法では不透明な基板Ｓの表面情報を取得することが可能となる。
【００７７】
本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃ及び表面情報取得方法では、プローブ粒子Ｐは、例えば不透明基板Ｓ表面と静電的相互作用を及ぼし合って分布する、あるいは基板Ｓ表面の形状に則って分布する等、基板Ｓ表面と有機的に関連して位置している。したがって、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃ及び表面情報取得方法では、プローブ粒子Ｐの位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）から試料である基板Ｓの表面情報（例えば、表面電位、あるいは表面形状等）を求めることが可能となる。
【００７８】
また、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃ及び表面情報取得方法では、基板Ｓ上に液体である溶液が存在する。本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃでは、プローブ粒子Ｐが試料である基板Ｓ上を浮遊しているため、溶液の流動によっても表面情報の取得が妨げられるない。したがって、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃ及び表面情報取得方法では、基板Ｓ表面上において溶液が流動している場合であっても基板Ｓの表面情報を取得することが可能となる。
【００７９】
また、プローブ粒子Ｐの大きさを変えることで所望のスケールで基板Ｓの表面情報を取得することが可能となる。
【００８０】
また、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃ及び表面情報取得方法では、基板Ｓに対し電流を流す必要がない。そのため、電流による影響を受けることなく基板Ｓの表面情報を取得することが可能となる。
【００８１】
また、一度の撮像で複数のプローブ粒子について位置情報を取得することができるため、実際の計測が容易となり、表面情報の取得に要する時間を短縮することが可能となる。
【００８２】
本実施形態では、プローブ粒子Ｐは球体であるため、プローブ粒子Ｐを如何なる方向からも撮像でき、実際の計測が容易になる。その結果、表面情報の取得が容易になる。
【００８３】
本実施形態では、プローブ粒子Ｐを限外照射する光ｌを出力する光源を備えているため、自身で光を発しないプローブ粒子Ｐを用いて表面情報を取得することが可能となる。
【００８４】
なお、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃ及び表面情報取得方法では、プローブ粒子Ｐの位置情報に基づいて、不透明基板Ｓの表面電位及び表面形状以外の情報を表面情報として取得することもできる。
【００８５】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、プローブ粒子Ｐの形状は球状に限らず、例えば棒状であってもよい。棒状プローブ粒子を用いた場合における、プローブ画像におけるプローブ粒子Ｐの大きさを規定する値というのは、プローブ粒子の長手方向の両端での短手方向の長さとなる。すなわち、例えば、プローブ画像においてプローブ粒子の長手方向の両端での短手方向の長さが同じである場合には、棒状のプローブ粒子は、長手方向と試料表面とが平行になるように分布している。一方、プローブ画像においてプローブ粒子の長手方向の両端での短手方向の長さが異なる場合には、棒状のプローブ粒子は、長手方向が試料表面に対して角度を有して分布している。したがって、プローブ画像におけるプローブ粒子の長手方向の両端での短手方向の長さを求めることによって、プローブ粒子Ｐの試料表面に対する位置情報としてプローブ粒子Ｐの試料表面に対する傾きが得られる。棒状のプローブ粒子Ｐは、試料表面と有機的に関連することによりその傾きが決定する。したがって、プローブ粒子Ｐの試料表面に対する傾きに基づいて、例えば表面電位、あるいは表面形状等の表面情報を取得することができる。
【００８６】
また、プローブ粒子Ｐはポリスチレンラテックスに限らず、他の材料からなるものであってもよい。ただし、ポリスチレンラテックス微粒子を用いると、プローブ粒子Ｐを真球度の高い球にすることができ、また密度（１．０５ｇ／ｃｍ３）が水（軽水Ｈ２Ｏと重水Ｄ２Ｏとの混合液）の密度と略同じであるため好ましい。密度が水も密度と略同じであることにより、プローブ粒子を水中に浮遊させたときの重力の影響を小さくすることが可能となる。
【００８７】
また、試料の表面情報として、表面電位及び表面形状以外の情報を取得することもできる。また、プローブ粒子と試料表面との相互作用に基づいて取得される表面情報も、静電的相互作用によって得られる試料の表面電位に限らず、例えば表面が磁気を帯びている場合における磁場強度分布情報、表面が電磁波を発振している場合における電磁波発振情報、あるいは表面が音波（疎密波）を発振している場合における音波発振情報、あるいは表面温度分布などであってもよい。表面が磁気を帯びている場合、帯びている磁気の強度分布に応じてプローブ粒子が分布するため、プローブ粒子の分布（位置情報）から表面が帯びている磁気（磁場）の強度分布が磁場強度分布情報として取得される。表面から電磁波が発振されている場合、発振される電磁波の波長分布及び強度分布に応じてプローブ粒子が分布するため、プローブ粒子の分布（位置情報）から発振される電磁波の波長分布あるいは強度分布が電磁波発振情報として取得される。表面から音波が発振されている場合、発振される音波の波長分布及び強度分布に応じてプローブ粒子が分布するため、プローブ粒子の分布（位置情報）から発振される音波の波長分布あるいは強度分布が音波発振情報として取得される。表面温度分布は、表面温度の違いにより表面と接触した液体又は気体の密度が変化することに応じてプローブ粒子の分布が変わることから求められる。また、プローブ粒子は液体に限らず、例えば気体中に浮遊していても、あるいは真空中に浮遊していてもよい。
【００８８】
また、光源を有さず、例えばプローブ粒子Ｐ自身が蛍光を発光し、その像を撮像して試料Ｓの表面情報を取得してもよい。光源に限定はなく、可視光、紫外線、赤外線、Ｘ線、電子線、あるいは中性子線など、どのような波長の光を出す光源であってもよい。結像装置としては、光学顕微鏡に限らず、例えば望遠鏡、カメラ、虫眼鏡、あるいは電子顕微鏡等であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】第１実施形態に係る表面情報取得装置の構成を示す図である。
【図２】画像処理部の機能について説明するための図である。
【図３】校正データによって得られるグラフの図である。
【図４】実際の測定データを校正データとする場合における校正データの表を示す。
【図５】プローブ粒子と結像装置の焦点面との関係を説明するための図である。
【図６】撮像されたプローブ画像におけるプローブ粒子の画像を表す図である。
【図７】プローブ画像における各プローブ粒子の強度を示すグラフの図である。
【図８】第１実施形態に係る表面情報取得方法の手順を示す図である。
【図９】校正データを求めることについて説明するための図である。
【図１０】第２実施形態に係る表面情報取得装置の構成を示す図である。
【図１１】第３実施形態に係る表面情報取得装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００９０】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…表面情報取得装置、Ｓ…試料、Ｐ…プローブ粒子、２…光源、３…結像装置、４…撮像装置、５…表示装置、１０…画像処理装置、１１…校正データ格納部、１２…大きさ規定値特定部、１３…位置情報取得部、１４…表面情報取得部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面情報取得装置及び表面情報取得方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、試料の表面情報を取得する方法として、原子間力顕微鏡（Atomic-Force Microscopy；以下、ＡＦＭという）を用いる方法、あるいは一対のマイクロ電極を用いる方法などが一般に知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１、２参照）。ＡＦＭを用いた取得では、探針を装着したカンチレバーが試料表面を走査し、当該試料表面と探針との間の原子間力による探針の変位を測定することによって試料の表面情報が取得される。また、マイクロ電極を用いた取得では、一対のマイクロ電極が試料表面を走査し、当該マイクロ電極によって得られた電気伝導度から試料表面の電位分布が求められ、試料の表面情報が取得される。
【特許文献１】米国特許第４７２４３１８号明細書
【非特許文献１】G.Binning, et al., Atomic Force Microscope, Phys. Rev. Letters, 56,930 (1986)
【非特許文献２】青木幸一、森田雅夫、堀内勉、丹羽修共著、「微小電極を用いる電気化学測定法」（電子情報通信学会編）、平成１０年発行、第２及び第３章
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、これらを用いた表面情報の取得においては、試料表面上に液体あるいは気体などが存在して流動している場合に情報の取得が困難となってしまうという問題が発生してしまう。すなわち、ＡＦＭを用いた場合、カンチレバーが液体等の流れによる力の作用を受けてしまうため、表面の正確な計測ができなくなってしまう。また、マイクロ電極を用いた場合もやはり、マイクロ電極が液体等の流れによる力の作用を受けてしまうため、正確な計測ができなくなってしまう。
【０００４】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、試料表面において液体等が流動している場合であっても表面情報を取得することが可能な表面情報取得装置及び表面情報取得方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような目的を達成するために、本発明による表面情報取得装置は、試料の表面上方においてプローブ粒子を浮遊させ、当該浮遊しているプローブ粒子の像を撮像して得られたプローブ画像に基づいて試料の表面情報を取得する表面情報取得装置であって、プローブ画像におけるプローブ粒子の大きさを規定する測定値を求める大きさ規定値特定手段と、プローブ画像におけるプローブ粒子の大きさを規定する値と基準面からのプローブ粒子の距離との関係を示す校正データと、大きさ規定値特定手段で求められた測定値と、に基づいてプローブ粒子の基準面からの位置情報を取得する位置情報取得手段と、プローブ粒子の位置情報に基づいて試料の表面情報を取得する表面情報取得手段と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
一方、本発明による表面情報取得方法は、試料の表面上方においてプローブ粒子を浮遊させ、当該浮遊しているプローブ粒子の像を撮像して得られたプローブ画像に基づいて試料の表面情報を取得する表面情報取得方法であって、プローブ画像におけるプローブ粒子の大きさを規定する値と基準面からのプローブ粒子の距離との関係を示す校正データを用意する校正データ準備ステップと、プローブ画像におけるプローブ粒子の大きさを規定する測定値を求める大きさ規定値測定ステップと、校正データと、大きさ規定値特定手段で求められた測定値と、に基づいてプローブ粒子の基準面からの位置情報を取得する位置情報取得ステップと、プローブ粒子の位置情報に基づいて試料の表面情報を取得する表面情報取得ステップと、を備えることを特徴とする。
【０００７】
上記表面情報取得装置及び表面情報取得方法では、プローブ粒子は、例えば試料表面と相互作用を及ぼし合って分布する、あるいは試料表面の形状に則って分布する等、試料表面と有機的に関連して位置する。そのため、上記表面情報取得装置及び表面情報取得方法では、プローブ粒子の位置情報から試料表面の情報を取得することが可能となる。また、試料表面上に液体あるいは気体が存在し当該液体等が流動している場合であっても、プローブ粒子は浮遊しているため、流動によって妨げられることなく試料の表面情報を取得することが可能となる。また、プローブ粒子の大きさを変えることで所望のスケールで表面情報を取得することが可能となる。また、マイクロ電極などの電極を用いての計測と異なり、試料に対し電流を流す必要がないため、試料表面が電流による影響を受けることなく取得することができる。
【０００８】
試料及びプローブ粒子は、同符号で荷電していることが好ましい。この場合、プローブ粒子は、当該プローブ粒子の電位と試料表面の電位との間の相互作用による影響を受けて位置する。そのため、プローブ粒子の位置情報を得ることで、試料表面の表面電位を取得することが可能となる。
【０００９】
プローブ粒子が球体であることが好ましい。この場合、プローブ画像によって得られるプローブ粒子の像は円となるので、プローブ粒子の大きさを規定する値として当該円の直径を採用することができる。これにより、プローブ粒子を撮像する方向に依存せずにプローブ粒子の大きさを規定する値を得ることができ、表面情報の取得が容易になる。
【００１０】
表面情報取得装置は、プローブ粒子を照射する光を出力する光源をさらに備えてもよい。あるいは、表面情報取得方法は、プローブ粒子が光源から出力される光によって照射されていてもよい。この場合、自身で光を発しないプローブ粒子を用いて表面情報を取得することが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、試料表面において液体等が流動している場合であっても表面情報を取得することが可能な表面情報取得装置及び表面情報取得方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る表面情報取得装置１Ａの構成を示す図である。図１に示すように表面情報取得装置１Ａは、光源２と、結像装置（結像手段）３と、撮像装置（撮像手段）４と、画像処理装置（画像処理手段）１０と、表示装置（表示手段）５とを備え、試料である透明な基板Ｓの表面情報を複数のプローブ粒子Ｐを利用して取得する。表面情報取得装置１Ａは、透明な基板Ｓに対する透過型の顕微鏡として構成されている。透明な基板Ｓは、例えば透明ガラスプレートであり、試料ステージ６上に載置されている。
【００１４】
基板ＳとカバーガラスＧとの間には溶液が満たされており、当該溶液中には複数のプローブ粒子Ｐが含まれている。プローブ粒子Ｐは何れも球体であり、それぞれ試料の表面から所定距離離れて溶液中を浮遊している。基板Ｓは結像装置３の焦点面Ｆとは一致せず、本実施形態では基板Ｓは結像装置３の焦点面Ｆが当該基板ＳとカバーガラスＧとの間に位置するように配置される。プローブ粒子Ｐとして例えば、径が約１μｍのポリスチレンラテックス微粒子を用いる。基板Ｓ及びプローブ粒子Ｐは、同符号で荷電していてもよい。
【００１５】
光源２は、試料ステージ６の下方に、すなわち基板Ｓのプローブ粒子Ｐが配置されていない側に位置する。光源２は、基板Ｓ及びプローブ粒子Ｐを照射する光ｌを出力する。
【００１６】
結像装置３は、基板Ｓのプローブ粒子Ｐが配置されている側に位置する。結像装置３は、結像光学系を有し、光源２から出力された光ｌによって照射されたプローブ粒子Ｐの像（プローブ像）を撮像装置４の受光面上に結ぶ。
【００１７】
撮像装置４は、結像装置３によって結像されたプローブ像を撮像するＣＣＤカメラである。撮像装置４は、プローブ像を撮像して得られたプローブ画像を画像処理装置１０に出力する。
【００１８】
画像処理装置１０は、撮像されたプローブ画像を撮像装置４から入力する。画像処理装置１０は、撮像装置４から出力されたプローブ画像からプローブ粒子Ｐの位置情報を取得し、当該位置情報から基板Ｓの表面情報を取得する。画像処理装置１０は、取得した基板Ｓの表面情報を表示装置５へ出力する。なお、画像処理装置１０は、必要に応じてプローブ画像を表示装置５へ出力してもよい。
【００１９】
表示装置５は、画像処理装置１０から入力された基板Ｓの表面情報あるいはプローブ画像を表示する。この表示装置５としては、例えば、ＣＲＴモニタや、液晶ディスプレイなどを用いることができる。
【００２０】
次に、図２を参照して画像処理装置１０の機能について説明する。図２に示すように、画像処理装置１０は、校正データ格納部１１と、大きさ規定値特定部１２と、位置情報取得部１３と、表面情報取得部１４とを有する。
【００２１】
校正データ格納部１１には、プローブ画像におけるプローブ粒子Ｐの大きさを規定する値とプローブ粒子Ｐの基板Ｓ表面からの距離との関係を示す校正データが格納されている。本実施形態ではプローブ粒子Ｐは球体であるため、プローブ粒子Ｐの大きさを規定する値を、画像上におけるプローブ粒子Ｐの直径とする。
【００２２】
図３に校正データによって得られるグラフを示す。図３のグラフの横軸は試料である基板Ｓの表面に直交する方向（以下、ｚ方向という）での焦点面Ｆからの距離Ｚ（μｍ）を表し、縦軸はプローブ画像におけるプローブ粒子Ｐの直径の大きさｄ（μｍ）を表す。結像装置３の焦点面Ｆは、プローブ粒子の位置を特定するための基準面として機能する。図３のグラフにおける円は実際の測定データを表し、曲線はこれらの測定データに対してフィッティングを行った結果である。校正データ格納部１１は、例えばフィッティングによって得られた関係式を校正データとして格納する。あるいは、校正データ格納部１１は、例えば実際の測定データを校正データとして格納する。図４に、校正データ格納部１１が実際の測定データを校正データとして格納する場合における校正データの表を示す。
【００２３】
結像装置３の焦点面Ｆの基板Ｓ表面からの位置は既知である。したがって図３のグラフから理解されるように、校正データによれば、プローブ粒子Ｐの直径の大きさｄを得ることによって、プローブ粒子Ｐの基板Ｓ表面からの距離Ｚを求めることができる。ここで、焦点面Ｆからそれぞれ距離Ｚ０、Ｚ１、Ｚ２だけ離れているプローブ粒子Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２の、距離Ｚ０、Ｚ１、Ｚ２とプローブ画像における直径ｄ０、ｄ１、ｄ２との関係を説明する。説明に際し、図５〜６を参照する。
【００２４】
図５は、プローブ粒子Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２と焦点面Ｆとの関係を説明するための図である。図５に示されているように、プローブ粒子Ｐ０は焦点面Ｆに位置し、焦点面ＦからＺ０（＝０）だけ離れている。プローブ粒子Ｐ１は焦点面Ｆに対しＺ１（＜Ｚ０）の位置にある。プローブ粒子Ｐ２は焦点面Ｆに対しＺ２（＞Ｚ０）の位置にある。
【００２５】
図６は、撮像されたプローブ画像におけるプローブ粒子Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２の画像である。図６（ａ）はプローブ粒子Ｐ０の、図６（ｂ）はプローブ粒子Ｐ１の、図６（ｃ）はプローブ粒子Ｐ２の画像である。図６に示されるように、焦点面Ｆに位置するプローブ粒子Ｐ０の画像（図６（ｂ））における円の大きさ（直径の大きさ）は、他のプローブ粒子Ｐ１、Ｐ２の画像（図６（ａ）、（ｃ））における円（直径）に比べて小さくなる。図６（ａ）に示された二点鎖線Ｔ２、図６（ｂ）に示された二点鎖線Ｔ０、図６（ｃ）に示された二点鎖線Ｔ１はそれぞれプローブ画像におけるプローブ粒子の中心点を通り、各プローブ粒子の画像を横断する線である。また、図６（ａ）に示された直径ｄ１２、図６（ｂ）に示された直径ｄ１０、図６（ｃ）に示された直径ｄ１１はそれぞれプローブ画像におけるプローブ粒子の白い輪で表される像の直径である。図６（ａ）に示された直径ｄ２２、図６（ｂ）に示された直径ｄ２０、図６（ｃ）に示された直径ｄ２１はそれぞれプローブ画像におけるプローブ粒子の黒い輪で表される像の直径である。
【００２６】
図７は、プローブ画像における各プローブ粒子Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２の強度を示すグラフである。図７（ａ）はプローブ粒子Ｐ０の、図７（ｂ）はプローブ粒子Ｐ１の、図７（ｃ）はプローブ粒子Ｐ２のグラフである。各グラフの横軸は図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示された横断線Ｔ２、Ｔ０、Ｔ１上の位置Ｔ、縦軸はプローブ画像における強度Ｉ（Ｔ）を表す。各グラフにおける強度Ｉ０は、背景画像の平均強度に相当する。プローブ画像における各プローブ粒子Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２の直径ｄ０、ｄ１、ｄ２は、例えば各横断線上であって画像上のプローブ粒子の円内に位置する強度Ｉ（Ｔ）の０次のピーク（凸部）の両脇にある１次のピーク（凸部）の頂点間の距離（図６（ａ）〜（ｃ）の各画像における白い輪の直径）ｄ１０、ｄ１１、ｄ１２とする。あるいは、プローブ画像における各プローブ粒子Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２の直径ｄ０、ｄ１、ｄ２は、例えば各横断線上であって画像上のプローブ粒子の円内に位置する強度Ｉ（Ｔ）の０次のピーク（凸部）の両脇にある凹部の頂点間の距離（図６（ａ）〜（ｃ）の各画像における黒い輪の直径）ｄ２０、ｄ２１、ｄ２２であってもよい。
【００２７】
また、０次のピークの強度が平均強度Ｉ０より小さい場合というのはプローブ粒子が焦点面Ｆより上に位置することを意味する。一方、０次のピークの強度Ｉ（Ｔ＝０）が平均強度Ｉ０より大きい場合というのはプローブ粒子が焦点面Ｆより下に位置することを意味する。したがって、図７（ａ）〜（ｃ）より、プローブ粒子Ｐ２が焦点面Ｆより上に位置し、プローブ粒子Ｐ０、Ｐ１が焦点面Ｆより下に位置することが示される。
【００２８】
再び図２を参照して画像情報処理装置１０の機能についての説明を続ける。大きさ規定値特定部１２は、撮像されたプローブ画像を撮像装置４から入力し、プローブ画像における複数のプローブ粒子Ｐそれぞれの大きさを規定する値の測定値である直径ｄを求める。すなわち、直径ｄは、図６に示したような画像に基づいて得られるグラフ（図７参照）に基づき、１次ピーク間の距離として求められる。大きさ規定値特定部１２は、直径ｄを位置情報取得部１３に出力する。
【００２９】
位置情報取得部１３は、大きさ規定値特定部１２からプローブ粒子Ｐの直径ｄを入力する。位置情報取得部１３は、校正データ格納部１１に格納された校正データとプローブ粒子Ｐの直径ｄとに基づいて、プローブ粒子Ｐの基板Ｓ表面からの位置情報を取得する。すなわち、位置情報取得部１３は、校正データ格納部１１から得た図３に示す校正データに基づき、大きさ規定値特定部１２で求められたプローブ粒子Ｐの直径の大きさがｄの時の焦点面Ｆからの距離（位置情報）Ｚを求める。また、焦点面Ｆの基板Ｓ表面からの距離をＺＦとすると、ＺＦは既知であるから、位置情報取得部１３は必要に応じて、ＺＦをこうして求められたＺに加えることによりプローブ粒子Ｐの基板Ｓ表面からの距離ＺＰを取得する。
【００３０】
さらに、位置情報取得部１３は、２次元のプローブ画像から各プローブ粒子の当該２次元上、すなわち基板Ｓの表面に投影させた場合の位置座標（ｘ、ｙ）を得ることもできる。したがって、位置情報取得部１３は焦点面Ｆからの距離に基づき、所望の位置を原点にとり、各プローブ粒子Ｐの３次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）（例えば、ｚ＝Ｚ、あるいはｚ＝ＺＰ）を得ることができる。位置情報取得部１３は、こうして得た各プローブ粒子Ｐの位置情報である３次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）を表面情報取得部１４に出力する。
【００３１】
表面情報取得部１４は、位置情報取得部１３からプローブ粒子Ｐの位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）を入力する。表面情報取得部１４は、複数のプローブ粒子Ｐの位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）から基板Ｓの表面情報を取得し、表示装置５へ出力する。以下に表面情報を取得する具体的な例を示す。
【００３２】
例えば、基板Ｓ及びプローブ粒子Ｐは、同符号で荷電している場合であって、表面情報取得部１４が表面情報として基板Ｓの表面電位を取得する場合について説明する。この場合まず、表面情報取得部１４は、複数のプローブ粒子Ｐの位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）から基板Ｓ表面上を浮遊している複数のプローブ粒子Ｐの位置分布関数ｎ（ｘ、ｙ、ｚ）を求める。位置分布関数ｎ（ｘ、ｙ、ｚ）は、基板Ｓ表面上であって、座標（ｘ、ｙ、ｚ）の位置におけるプローブ粒子Ｐの個数の分布を表す関数である。さらに、表面情報取得部１４は、プローブ粒子Ｐの位置分布関数に基づき、以下の式（１）からプローブ粒子Ｐと基板Ｓとの間の静電的相互作用φ（ｘ、ｙ、ｚ）を求める。
【数１】
A：定数
φ（ｘ、ｙ、ｚ）：静電的相互作用
ｎ０：φ（ｘ、ｙ、ｚ）＝０におけるプローブ粒子の個数
ｋ：Boltzmann定数
Ｔ：絶対温度
【００３３】
なお、この場合、表面情報取得部１４は、プローブ粒子の位置情報に基づいて浮遊しているプローブ粒子Ｐの位置分布を求める位置分布算出部を有し、当該位置分布算出部において位置分布関数ｎ（ｘ、ｙ、ｚ）を算出してもよい。
【００３４】
表面情報取得部１４は、式（１）で求めた静電的相互作用に基づいて、基板Ｓ表面の表面情報である表面電位を以下の式（２）により求める。
【数２】
【００３５】
こうして、表面情報取得部１４は、表面情報として基板Ｓの表面電位を算出して取得する。
【００３６】
あるいは、例えば基板Ｓ及びプローブ粒子Ｐが荷電していない場合であって、表面情報取得部１４が表面情報として基板Ｓの表面形状（ｚ方向の凹凸）を取得する場合について説明する。プローブ粒子Ｐは一定の確率分布（密度）に則って溶液中にばらまかれることにより、基板Ｓの表面形状にしたがって分布される。そのため、表面情報取得部１４は、プローブ粒子Ｐの位置情報である各プローブ粒子Ｐの３次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）に基づいて基板Ｓの表面形状を算出して取得する。
【００３７】
あるいは、例えば基板Ｓ及びプローブ粒子Ｐが荷電していない場合であって、表面情報取得部１４が表面情報として基板Ｓの表面形状（ｚ方向の凹凸）を取得する他の場合について説明する。まず、位置情報取得部１３において所定時間間隔をあけてプローブ粒子Ｐの位置情報を取得する。表面情報取得部１４は、所定時間間隔をあけたプローブ粒子Ｐの位置情報（各プローブ粒子Ｐの３次元座標（ｘ、ｙ、ｚ））から、基板Ｓ上の溶液の流速を求める。これは、例えば所定時間経過後に、特定のプローブ粒子Ｐ１についてｘ座標及びｙ座標だけでなくｚ座標も変わっていた場合、当該特定のプローブ粒子Ｐ１にはｚ軸方向に移動する流速が働いたことになり、ｚ座標の変化から基板Ｓの表面の凹凸を取得することが可能となる。こうして、表面情報取得部１４は、プローブ粒子Ｐの位置情報に基づいて溶液の流速分布を求め、基板Ｓの表面形状を算出して取得する。
【００３８】
次に、図８及び図９を参照して、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａを用いる表面情報取得方法について説明し、併せて表面情報取得装置１Ａの動作についても説明する。図８は、表面情報取得方法の手順を示す図である。
【００３９】
まず、撮像装置４によって撮像された画像におけるプローブ粒子Ｐの大きさを規定する値である直径ｄと、基準面である焦点面Ｆからのプローブ粒子Ｐの距離Ｚとの関係を示す校正データ（図３及び図４参照）を用意する（校正データ準備ステップＳ０１）。図９は、校正データを求めることについて説明するための図である。校正データは以下の手順で取得される。
【００４０】
すなわち、図９に示されるように、２枚のカバーガラスＧ１、Ｇ２の間に溶液と共に挟まれたプローブ粒子Ｐを試料ステージ６上に配置した上で、試料ステージ６をｚ方向に移動する。すなわち、焦点面Ｆと一致する場合を基準（Ｚ＝０）とし、当該基準に対して上下方向（Ｚ＜０、Ｚ＞０）にステージ６をプローブ粒子Ｐとともに移動する。その際、各位置でのプローブ粒子Ｐのプローブ像が撮像装置４によって撮像され、プローブ画像におけるプローブ粒子Ｐの直径ｄが求められる。こうして、ｚ方向における焦点面Ｆからの距離に対するプローブ画像におけるプローブ粒子Ｐの直径ｄが求められ、校正データが得られる。得られた校正データは、画像処理装置１０の校正データ格納部１１に格納される。
【００４１】
再び図８に戻って、表面情報取得方法について説明を続ける。次に、複数のプローブ粒子Ｐが含まれた溶液を基板ＳとカバーガラスＧとの間に満たす。これにより、基板Ｓの表面から所定距離離れてプローブ粒子Ｐが浮遊するように基板Ｓ及びプローブ粒子Ｐが配置される（プローブ粒子準備ステップＳ０２）。基板Ｓは、表面情報取得装置１Ａの試料ステージ６上に配置される。
【００４２】
続いて、結像装置３によって結ばれた複数のプローブ粒子Ｐの像が、撮像装置４によって撮像される（撮像ステップＳ０３）。プローブ画像には様々な位置座表を有する複数のプローブ粒子Ｐが撮像されていてもよい。撮像されたプローブ画像は、撮像装置４から画像処理装置１０の大きさ規定値特定部１２へ出力される。
【００４３】
プローブ画像が入力された大きさ規定値特定部１２では、撮像装置４で撮像されたプローブ画像におけるプローブ粒子Ｐの大きさを規定する測定値である直径ｄが求められる（大きさ規定値特定ステップＳ０４）。複数のプローブ粒子Ｐが撮像されている場合には、それらについての直径ｄが求められる。こうして求められた直径の大きさｄは、大きさ規定値特定部１２から位置情報取得部１３へ出力される。
【００４４】
直径ｄが入力された位置情報取得部１３では、校正データ格納部１１に格納された校正データと、大きさ規定値特定ステップＳ０４で求められたプローブ粒子Ｐの直径ｄと、に基づいて、基準面である焦点面Ｆからのプローブ粒子Ｐの位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）が取得される（位置情報取得ステップＳ０５）。こうして求められた各プローブ粒子Ｐの位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）は、位置情報取得部１３から表面情報取得部１４へ出力される。
【００４５】
各プローブ粒子Ｐの位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）が入力された表面情報取得部１４では、位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）に基づいて基板Ｓの表面情報が取得される（表面情報取得ステップＳ０６）。表面情報取得ステップＳ０６では、例えば各プローブ粒子Ｐの位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）から溶液中に浮遊しているプローブ粒子Ｐの位置分布関数ｎ（ｘ、ｙ、ｚ）を算出して表面情報の取得に用いてもよい。取得される表面情報としては、例えば表面電位、あるいは表面形状などである。本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法では、こうして基板Ｓの表面情報が取得される。
【００４６】
本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法では、プローブ粒子Ｐは、基板Ｓ表面と有機的に関連して位置している。したがって、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法では、プローブ粒子Ｐの位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）から試料である基板Ｓ表面の表面情報を求めることが可能となる。
【００４７】
具体的には、例えばプローブ粒子Ｐ及び基板Ｓが何れも同符号に荷電しているときには、プローブ粒子Ｐと基板Ｓ表面とは静電的相互作用を及ぼし合い、この静電的相互作用に影響を受けてプローブ粒子Ｐは位置することとなる。したがって、プローブ粒子Ｐの位置分布関数ｎ（ｘ、ｙ、ｚ）を求めることにより、式（１）及び（２）から、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法では、試料である基板Ｓの表面電位を求めることが可能となる。
【００４８】
なお、この場合、プローブ粒子の位置分布関数は鋭い立ち上がり部分を有し、この鋭い立ち上がり部分は、わずかな表面電位変化に敏感に応答するため、極微量しか存在しない貴重なバイオ関連分子が特異的に基板Ｓ表面に吸着したときのような、表面電位の微小変化を高感度に検出することができ、有効である。また、この場合、バイオ関連分子に標識分子を化学的・物理的に結合する必要がないため、測定のための前処理を省略することが可能となる。さらに、プローブ粒子Ｐの３次元での位置分布関数ｎ（ｘ、ｙ、ｚ）に基づくため基板Ｓの表面電位として電位分布を求めることもできる。これにより、基板Ｓ上に複数の異なる病変に対応した生体分子を結合しておくことで、一回の測定で複数の項目について検査することが可能となり、医療分野における生化学検査に要する時間の大幅な短縮が実現される。
【００４９】
あるいは、例えばプローブ粒子Ｐ及び基板Ｓが何れも荷電していない場合であっても、一定の確率分布でばらまかれたプローブ粒子Ｐは基板Ｓ表面の形状に則って分布する。これにより、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法では、試料である基板Ｓの表面形状を求めることができる。
【００５０】
あるいは、例えばプローブ粒子Ｐ及び基板Ｓが何れも荷電していない場合であっても、プローブ粒子Ｐは基板Ｓ表面の形状に則った流速によって移動する。本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法ではプローブ粒子Ｐの流速分布を求めることができ、これにより試料である基板Ｓの表面形状を求めることができる。
【００５１】
また、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法では、基板Ｓ表面上に液体である溶液が存在し、当該溶液内に測定を担うプローブ粒子Ｐが浮遊している。そのため、従来の表面情報取得装置（例えば、ＡＦＭ）と異なり、溶液の流動によっても表面情報の取得は妨げられることがない。したがって、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法では、基板Ｓ表面上において溶液が流動している場合であっても基板Ｓの表面情報を取得することが可能となる。
【００５２】
さらに、プローブ粒子Ｐが浮遊していることから、微弱な力に呼応することができる。これにより、例えば微弱な表面電位の影響も計測することが可能となる。
【００５３】
加えて、プローブ粒子Ｐが浮遊していることから、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法によれば、焦点面Ｆから離れた（例えば数十μｍ以上）ところに位置するプローブ粒子Ｐの位置情報を取得することも可能である。したがって、例えば基板Ｓ表面が高電位の場合であっても、プローブ粒子Ｐを捕捉するための外力を加えることなく位置情報を取得することができる。
【００５４】
また、プローブ粒子Ｐの大きさを変えることで所望のスケールで基板Ｓの表面情報を取得することが可能となる。すなわち、より小さいプローブ粒子Ｐを選択することで非常にミクロなスケールの表面情報を取得することが可能となる一方、より大きいプローブ粒子Ｐを選択することでマクロなスケールの表面情報を取得することが可能となる。
【００５５】
また、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法では、基板Ｓに対し電流を流す必要がない。そのため、電流による影響を受けることなく、基板Ｓの表面情報を取得することが可能となる。
【００５６】
また、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法では、プローブ画像における各プローブ粒子の直径さえ算出できればそのプローブ粒子の位置情報（座標）は取得可能である。そのため、プローブ画像に撮像されたプローブ粒子の数が複数であっても、当該撮像された複数のプローブ粒子の位置情報を取得することができる。すなわち、一度の撮像で複数のプローブ粒子の位置情報を取得することが可能となり、表面情報の取得に要する時間を短縮することが可能となる。
【００５７】
本実施形態では、プローブ粒子Ｐは球体であるため、プローブ画像によって得られるプローブ粒子Ｐの直径（プローブ粒子Ｐの大きさを規定する値）はプローブ粒子Ｐを撮像する方向に依存しない。その結果、プローブ粒子Ｐを如何なる方向からも撮像でき、表面情報の取得が容易になる。
【００５８】
本実施形態では、プローブ粒子Ｐを照射する光ｌを出力する光源２を備えているため、自身で光を発しないプローブ粒子Ｐを用いて表面情報を取得することが可能となる。
【００５９】
なお、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ａ及び表面情報取得方法では、プローブ粒子Ｐの位置情報に基づいて、基板Ｓの表面電位及び表面形状以外の情報を表面情報として取得することもできる。
【００６０】
（第２実施形態）
図１０を参照して、第２実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂの構成について説明する。図１０は第２実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂの構成を示す図である。第２実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂは、試料が基板ではなく透明管Ｓである点で第１実施形態に係る表面情報取得装置１Ａと異なる。
【００６１】
透明管Ｓは例えばガラス管であり、試料ステージ６上に管の長手方向が結像装置３の光軸と直交するように載置されている。透明管Ｓの管内には溶液が満たされており、当該溶液中には複数のプローブ粒子Ｐが含まれている。プローブ粒子Ｐは球体であり、何れも試料である管の内壁から所定距離離れて溶液中を浮遊している。結像装置３は、その焦点面Ｆが透明管Ｓの内部を横切るように位置する。透明管Ｓ及びプローブ粒子Ｐは、同符号で荷電していてもよい。
【００６２】
本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂを用いる表面情報取得方法も、表面情報取得装置１Ａを用いる表面情報取得方法と同様、図８に示すような校正データ準備ステップＳ０１、プローブ粒子準備ステップＳ０２、撮像ステップＳ０３、大きさ規定値特定ステップＳ０４、位置情報取得ステップＳ０５、及び表面情報取得ステップＳ０６を備える。
【００６３】
本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂ及び表面情報取得方法では、プローブ粒子Ｐは、例えば透明管Ｓ内壁表面と静電的相互作用を及ぼし合って分布する、あるいは透明管Ｓ内壁表面の形状に則って分布する等、透明管Ｓ内壁表面と有機的に関連して位置している。したがって、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂ及び表面情報取得方法では、プローブ粒子Ｐの位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）から試料である透明管Ｓ内壁表面の表面情報（例えば、表面電位、あるいは表面形状等）を求めることが可能となる。
【００６４】
特に、透明管Ｓは管状であるため、内壁の表面情報を取得することは通常の測定方法では困難である。しかし、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂ及び表面情報取得方法では、管状の透明管Ｓ内に浮遊するプローブ粒子の位置情報を取得さえすれば当該透明管Ｓ内壁の表面情報を取得することができる。すなわち、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂ及び表面情報取得方法では、複雑な形状をした試料についても、その表面情報を取得することが可能である。
【００６５】
また、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂ及び表面情報取得方法では、透明管Ｓ内に液体である溶液が存在する。本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂでは、プローブ粒子Ｐが試料である透明管Ｓ内を浮遊しているため、溶液の流動によっても表面情報（管内壁の表面情報）の取得が妨げられることはない。したがって、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂ及び表面情報取得方法では、透明管Ｓ内壁表面上において溶液が流動している場合であっても透明管Ｓ内壁の表面情報を取得することが可能となる。
【００６６】
また、プローブ粒子Ｐの大きさを変えることで所望のスケールで透明管Ｓ内壁の表面情報を取得することが可能となる。
【００６７】
また、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂ及び表面情報取得方法では、透明管Ｓに対し電流を流す必要がない。そのため、電流による影響を受けることなく透明管Ｓ内壁の表面情報を取得することが可能となる。
【００６８】
また、一度の撮像で複数のプローブ粒子について位置情報を取得することができるため、実際の計測が容易となり、表面情報の取得に要する時間を短縮することが可能となる。
【００６９】
本実施形態では、プローブ粒子Ｐは球体であるため、プローブ粒子Ｐを如何なる方向からも撮像でき、実際の計測が容易になる。その結果、表面情報の取得が容易になる。
【００７０】
本実施形態では、プローブ粒子Ｐを照射する光ｌを出力する光源２を備えているため、自身で光を発しないプローブ粒子Ｐを用いて表面情報を取得することが可能となる。
【００７１】
なお、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｂ及び表面情報取得方法では、プローブ粒子Ｐの位置情報に基づいて、透明管Ｓ内壁の表面電位及び表面形状以外の情報を表面情報として取得することもできる。
【００７２】
（第３実施形態）
図１１を参照して、第３実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃの構成について説明する。図１１は第３実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃの構成を示す図である。第３実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃは、試料が不透明な基板Ｓであって、当該不透明基板Ｓに対する反射型の顕微鏡として構成されている点で第１実施形態に係る表面情報取得装置１Ａと異なる。
【００７３】
不透明な基板Ｓは、例えば半導体デバイス、あるいは着色されたガラス基板等であり、基板Ｓの被計測面が結像装置３の光軸と直交するように試料ステージ６上に載置されている。基板ＳとカバーガラスＧとの間には溶液が満たされており、当該溶液中には複数のプローブ粒子Ｐが含まれている。プローブ粒子Ｐは何れも球体であり、基板Ｓの表面から所定距離離れて溶液中を浮遊している。結像装置３は、その焦点面Ｆが基板Ｓ表面上の溶液を横切るように、すなわち基板ＳとカバーガラスＧとの間に位置するように配置される。基板Ｓ及びプローブ粒子Ｐは、同符号で荷電していてもよい。
【００７４】
表面情報取得装置１Ｃは、限外照明系を採用し、結像装置３の光軸と所定角度を有して基板Ｓ及びプローブ粒子Ｐを照射する光ｌを出力する光源（図１１において図示を省略）を備える。また、限外照明系を用いる場合、例えば作動距離の長い高倍率対物レンズを用いる方法、あるいは低倍率対物レンズにズーム光学系を組み合わせる方法、あるいは暗視野対物レンズを用いる方法などがある。
【００７５】
本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃを用いる表面情報取得方法も、表面情報取得装置１Ａを用いる表面情報取得方法と同様、図８に示すような校正データ準備ステップＳ０１、プローブ粒子準備ステップＳ０２、撮像ステップＳ０３、大きさ規定値特定ステップＳ０４、位置情報取得ステップＳ０５、及び表面情報取得ステップＳ０６を備える。
【００７６】
反射型の顕微鏡に同軸（明視野）照明系を用いると背景反射が対物レンズに入射されてしまいプローブ粒子の像が不明瞭となってしまう。表面情報取得装置１Ｃでは、限外（暗視野）照明系を用いているため、不透明な基板Ｓを計測する場合であっても、プローブ粒子Ｐの像を撮像することができる。これにより、プローブ画像におけるプローブ粒子Ｐの直径を特定することが可能となるため、基板Ｓの表面情報を取得することが可能となる。このように、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃ及び表面情報取得方法では不透明な基板Ｓの表面情報を取得することが可能となる。
【００７７】
本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃ及び表面情報取得方法では、プローブ粒子Ｐは、例えば不透明基板Ｓ表面と静電的相互作用を及ぼし合って分布する、あるいは基板Ｓ表面の形状に則って分布する等、基板Ｓ表面と有機的に関連して位置している。したがって、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃ及び表面情報取得方法では、プローブ粒子Ｐの位置情報（ｘ、ｙ、ｚ）から試料である基板Ｓの表面情報（例えば、表面電位、あるいは表面形状等）を求めることが可能となる。
【００７８】
また、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃ及び表面情報取得方法では、基板Ｓ上に液体である溶液が存在する。本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃでは、プローブ粒子Ｐが試料である基板Ｓ上を浮遊しているため、溶液の流動によっても表面情報の取得が妨げられるない。したがって、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃ及び表面情報取得方法では、基板Ｓ表面上において溶液が流動している場合であっても基板Ｓの表面情報を取得することが可能となる。
【００７９】
また、プローブ粒子Ｐの大きさを変えることで所望のスケールで基板Ｓの表面情報を取得することが可能となる。
【００８０】
また、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃ及び表面情報取得方法では、基板Ｓに対し電流を流す必要がない。そのため、電流による影響を受けることなく基板Ｓの表面情報を取得することが可能となる。
【００８１】
また、一度の撮像で複数のプローブ粒子について位置情報を取得することができるため、実際の計測が容易となり、表面情報の取得に要する時間を短縮することが可能となる。
【００８２】
本実施形態では、プローブ粒子Ｐは球体であるため、プローブ粒子Ｐを如何なる方向からも撮像でき、実際の計測が容易になる。その結果、表面情報の取得が容易になる。
【００８３】
本実施形態では、プローブ粒子Ｐを限外照射する光ｌを出力する光源を備えているため、自身で光を発しないプローブ粒子Ｐを用いて表面情報を取得することが可能となる。
【００８４】
なお、本実施形態に係る表面情報取得装置１Ｃ及び表面情報取得方法では、プローブ粒子Ｐの位置情報に基づいて、不透明基板Ｓの表面電位及び表面形状以外の情報を表面情報として取得することもできる。
【００８５】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、プローブ粒子Ｐの形状は球状に限らず、例えば棒状であってもよい。棒状プローブ粒子を用いた場合における、プローブ画像におけるプローブ粒子Ｐの大きさを規定する値というのは、プローブ粒子の長手方向の両端での短手方向の長さとなる。すなわち、例えば、プローブ画像においてプローブ粒子の長手方向の両端での短手方向の長さが同じである場合には、棒状のプローブ粒子は、長手方向と試料表面とが平行になるように分布している。一方、プローブ画像においてプローブ粒子の長手方向の両端での短手方向の長さが異なる場合には、棒状のプローブ粒子は、長手方向が試料表面に対して角度を有して分布している。したがって、プローブ画像におけるプローブ粒子の長手方向の両端での短手方向の長さを求めることによって、プローブ粒子Ｐの試料表面に対する位置情報としてプローブ粒子Ｐの試料表面に対する傾きが得られる。棒状のプローブ粒子Ｐは、試料表面と有機的に関連することによりその傾きが決定する。したがって、プローブ粒子Ｐの試料表面に対する傾きに基づいて、例えば表面電位、あるいは表面形状等の表面情報を取得することができる。
【００８６】
また、プローブ粒子Ｐはポリスチレンラテックスに限らず、他の材料からなるものであってもよい。ただし、ポリスチレンラテックス微粒子を用いると、プローブ粒子Ｐを真球度の高い球にすることができ、また密度（１．０５ｇ／ｃｍ３）が水（軽水Ｈ２Ｏと重水Ｄ２Ｏとの混合液）の密度と略同じであるため好ましい。密度が水も密度と略同じであることにより、プローブ粒子を水中に浮遊させたときの重力の影響を小さくすることが可能となる。
【００８７】
また、試料の表面情報として、表面電位及び表面形状以外の情報を取得することもできる。また、プローブ粒子と試料表面との相互作用に基づいて取得される表面情報も、静電的相互作用によって得られる試料の表面電位に限らず、例えば表面が磁気を帯びている場合における磁場強度分布情報、表面が電磁波を発振している場合における電磁波発振情報、あるいは表面が音波（疎密波）を発振している場合における音波発振情報、あるいは表面温度分布などであってもよい。表面が磁気を帯びている場合、帯びている磁気の強度分布に応じてプローブ粒子が分布するため、プローブ粒子の分布（位置情報）から表面が帯びている磁気（磁場）の強度分布が磁場強度分布情報として取得される。表面から電磁波が発振されている場合、発振される電磁波の波長分布及び強度分布に応じてプローブ粒子が分布するため、プローブ粒子の分布（位置情報）から発振される電磁波の波長分布あるいは強度分布が電磁波発振情報として取得される。表面から音波が発振されている場合、発振される音波の波長分布及び強度分布に応じてプローブ粒子が分布するため、プローブ粒子の分布（位置情報）から発振される音波の波長分布あるいは強度分布が音波発振情報として取得される。表面温度分布は、表面温度の違いにより表面と接触した液体又は気体の密度が変化することに応じてプローブ粒子の分布が変わることから求められる。また、プローブ粒子は液体に限らず、例えば気体中に浮遊していても、あるいは真空中に浮遊していてもよい。
【００８８】
また、光源を有さず、例えばプローブ粒子Ｐ自身が蛍光を発光し、その像を撮像して試料Ｓの表面情報を取得してもよい。光源に限定はなく、可視光、紫外線、赤外線、Ｘ線、電子線、あるいは中性子線など、どのような波長の光を出す光源であってもよい。結像装置としては、光学顕微鏡に限らず、例えば望遠鏡、カメラ、虫眼鏡、あるいは電子顕微鏡等であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】第１実施形態に係る表面情報取得装置の構成を示す図である。
【図２】画像処理部の機能について説明するための図である。
【図３】校正データによって得られるグラフの図である。
【図４】実際の測定データを校正データとする場合における校正データの表を示す。
【図５】プローブ粒子と結像装置の焦点面との関係を説明するための図である。
【図６】撮像されたプローブ画像におけるプローブ粒子の画像を表す図である。
【図７】プローブ画像における各プローブ粒子の強度を示すグラフの図である。
【図８】第１実施形態に係る表面情報取得方法の手順を示す図である。
【図９】校正データを求めることについて説明するための図である。
【図１０】第２実施形態に係る表面情報取得装置の構成を示す図である。
【図１１】第３実施形態に係る表面情報取得装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００９０】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…表面情報取得装置、Ｓ…試料、Ｐ…プローブ粒子、２…光源、３…結像装置、４…撮像装置、５…表示装置、１０…画像処理装置、１１…校正データ格納部、１２…大きさ規定値特定部、１３…位置情報取得部、１４…表面情報取得部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の表面上方においてプローブ粒子を浮遊させ、当該浮遊しているプローブ粒子の像を撮像して得られたプローブ画像に基づいて前記試料の表面情報を取得する表面情報取得装置であって、
前記プローブ画像における前記プローブ粒子の大きさを規定する測定値を求める大きさ規定値特定手段と、
前記プローブ画像における前記プローブ粒子の大きさを規定する値と基準面からの前記プローブ粒子の距離との関係を示す校正データと、前記大きさ規定値特定手段で求められた前記測定値と、に基づいて前記プローブ粒子の前記基準面からの位置情報を取得する位置情報取得手段と、
前記プローブ粒子の位置情報に基づいて前記試料の前記表面情報を取得する表面情報取得手段と、を備えることを特徴とする表面情報取得装置。
【請求項２】
前記試料及び前記プローブ粒子は、同符号で荷電していることを特徴とする請求項１記載の表面情報取得装置。
【請求項３】
前記プローブ粒子が球体であることを特徴とする請求項１又は２記載の表面情報取得装置。
【請求項４】
前記プローブ粒子を照射する光を出力する光源をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の表面情報取得装置。
【請求項５】
試料の表面上方においてプローブ粒子を浮遊させ、当該浮遊しているプローブ粒子の像を撮像して得られたプローブ画像に基づいて前記試料の表面情報を取得する表面情報取得方法であって、
前記プローブ画像における前記プローブ粒子の大きさを規定する値と基準面からの前記プローブ粒子の距離との関係を示す校正データを用意する校正データ準備ステップと、
前記プローブ画像における前記プローブ粒子の大きさを規定する測定値を求める大きさ規定値測定ステップと、
前記校正データと、前記大きさ規定値特定手段で求められた前記測定値と、に基づいて前記プローブ粒子の前記基準面からの位置情報を取得する位置情報取得ステップと、
前記プローブ粒子の前記位置情報に基づいて前記試料の前記表面情報を取得する表面情報取得ステップと、を備えることを特徴とする表面情報取得方法。
【請求項６】
前記試料及び前記プローブ粒子は、同符号で荷電していることを特徴とする請求項５記載の表面情報取得方法。
【請求項７】
前記プローブ粒子が球体であることを特徴とする請求項５又は６記載の表面情報取得方法。
【請求項８】
前記プローブ粒子が光源から出力される光によって照射されていることを特徴とする請求５〜７の何れか一項記載の表面情報取得方法。
【請求項１】
試料の表面上方においてプローブ粒子を浮遊させ、当該浮遊しているプローブ粒子の像を撮像して得られたプローブ画像に基づいて前記試料の表面情報を取得する表面情報取得装置であって、
前記プローブ画像における前記プローブ粒子の大きさを規定する測定値を求める大きさ規定値特定手段と、
前記プローブ画像における前記プローブ粒子の大きさを規定する値と基準面からの前記プローブ粒子の距離との関係を示す校正データと、前記大きさ規定値特定手段で求められた前記測定値と、に基づいて前記プローブ粒子の前記基準面からの位置情報を取得する位置情報取得手段と、
前記プローブ粒子の位置情報に基づいて前記試料の前記表面情報を取得する表面情報取得手段と、を備えることを特徴とする表面情報取得装置。
【請求項２】
前記試料及び前記プローブ粒子は、同符号で荷電していることを特徴とする請求項１記載の表面情報取得装置。
【請求項３】
前記プローブ粒子が球体であることを特徴とする請求項１又は２記載の表面情報取得装置。
【請求項４】
前記プローブ粒子を照射する光を出力する光源をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の表面情報取得装置。
【請求項５】
試料の表面上方においてプローブ粒子を浮遊させ、当該浮遊しているプローブ粒子の像を撮像して得られたプローブ画像に基づいて前記試料の表面情報を取得する表面情報取得方法であって、
前記プローブ画像における前記プローブ粒子の大きさを規定する値と基準面からの前記プローブ粒子の距離との関係を示す校正データを用意する校正データ準備ステップと、
前記プローブ画像における前記プローブ粒子の大きさを規定する測定値を求める大きさ規定値測定ステップと、
前記校正データと、前記大きさ規定値特定手段で求められた前記測定値と、に基づいて前記プローブ粒子の前記基準面からの位置情報を取得する位置情報取得ステップと、
前記プローブ粒子の前記位置情報に基づいて前記試料の前記表面情報を取得する表面情報取得ステップと、を備えることを特徴とする表面情報取得方法。
【請求項６】
前記試料及び前記プローブ粒子は、同符号で荷電していることを特徴とする請求項５記載の表面情報取得方法。
【請求項７】
前記プローブ粒子が球体であることを特徴とする請求項５又は６記載の表面情報取得方法。
【請求項８】
前記プローブ粒子が光源から出力される光によって照射されていることを特徴とする請求５〜７の何れか一項記載の表面情報取得方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−１５２８０（Ｐ２００８−１５２８０Ａ）
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１８７１０２（Ｐ２００６−１８７１０２）
【出願日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【出願人】（３０５０６０５６７）国立大学法人富山大学 (194)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【出願人】（３０５０６０５６７）国立大学法人富山大学 (194)
【Ｆターム（参考）】
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