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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6485847
(24)【登録日】2019年3月1日
(45)【発行日】2019年3月20日
(54)【発明の名称】測定装置、顕微鏡、及び測定方法
(51)【国際特許分類】
G01J 1/02 20060101AFI20190311BHJP
G02B 21/00 20060101ALI20190311BHJP
G02B 21/36 20060101ALI20190311BHJP
G02B 3/04 20060101ALI20190311BHJP
【ＦＩ】
G01J1/02 K
G02B21/00
G02B21/36
G02B3/04
【請求項の数】20
【全頁数】35
(21)【出願番号】特願2017-563360(P2017-563360)
(86)(22)【出願日】2017年8月4日
(86)【国際出願番号】JP2017028417
(87)【国際公開番号】WO2018047547
(87)【国際公開日】20180315
【審査請求日】2017年12月6日
(31)【優先権主張番号】特願2016-177276(P2016-177276)
(32)【優先日】2016年9月12日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】516274335
【氏名又は名称】サイエンスエッジ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100103894
【弁理士】
【氏名又は名称】家入 健
(72)【発明者】
【氏名】太田 泰輔
【審査官】
小澤 瞬
(56)【参考文献】
【文献】
米国特許第０６４７６９０８（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】
米国特許第０６５２６０７７（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】
特開２００２−０２２６４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００３−１０７３５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開昭５５−１２４０２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
CHEVAILLIER, Jean-Philippe et al.，Forward Scattering Signature of a Spherical Particle Crossing a Laser Beam out of the Beam Waist，Part. Part. Syst. Charact，１９８８年，Volume5, Issue1，pp. 9-12
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０１Ｊ １／００−１／６０
１１／００
Ｇ０２Ｂ １９／００−２１／００
２１／０６−２１／３６
Ｈ０１Ｓ ３／０３−３／０３８
３／０９７−３／０９７９
３／１３４
３／２２−３／２２７
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光ビームの焦点内又は焦点近傍に配置され、光を散乱して散乱光を発生する前記光の波長よりも小さい粒子と、
前記粒子の前方に散乱した前方散乱光であって、かつ、前記焦点を形成する最大集光角に対応する最大発散角より大きい角度への散乱光の強度を検出する光検出器と、
前記焦点に対する前記粒子の相対位置を変化させる駆動部と、を備えた測定装置。
前記粒子の前方に散乱した前方散乱光であって、かつ、前記焦点を形成する最大集光角に対応する最大発散角より大きい角度への散乱光の強度を検出する光検出器と、
前記焦点に対する前記粒子の相対位置を変化させる駆動部と、を備えた測定装置。
【請求項2】
前記粒子が配置される保持面を有し、前記光ビーム、及び前記散乱光を透過する保持部材と、
前記保持面と前記光検出器との間に配置され、前記最大発散角よりも小さい角度への散乱光と、前記粒子で散乱されない光ビームの発散光とを遮光する遮光部とを、さらに備えた請求項１に記載の測定装置。
前記保持面と前記光検出器との間に配置され、前記最大発散角よりも小さい角度への散乱光と、前記粒子で散乱されない光ビームの発散光とを遮光する遮光部とを、さらに備えた請求項１に記載の測定装置。
【請求項3】
前記粒子が配置される保持面を有する保持部材をさらに備え、前記光検出器が前記保持部材を通過した前記散乱光を検出する請求項１に記載の測定装置。
【請求項4】
前記保持部材が前記保持面と対向する凸面を備え、
前記凸面が、球面又は放物面であり、
前記保持面が平面である請求項３に記載の測定装置。
前記凸面が、球面又は放物面であり、
前記保持面が平面である請求項３に記載の測定装置。
【請求項5】
前記保持部材の前記保持面と対向する対向面が平面になっており、
前記対向面と前記光検出器とが接するように配置されている請求項３に記載の測定装置。
前記対向面と前記光検出器とが接するように配置されている請求項３に記載の測定装置。
【請求項6】
前記保持面と前記光検出器との間に配置され、前記最大発散角よりも小さい角度への散乱光と、前記粒子で散乱されない光ビームの発散光とを遮光する遮光部を、さらに備え、
前記光検出器が前記遮光部の外側を通過した散乱光を検出する請求項３〜５のいずれか１項に記載の測定装置。
前記光検出器が前記遮光部の外側を通過した散乱光を検出する請求項３〜５のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項7】
前記遮光部が前記保持部材に設けられている請求項２、又は６に記載の測定装置。
【請求項8】
前記遮光部が前記保持部材から前記光検出器までの間に設けられた遮光板である請求項２、又は６に記載の測定装置。
【請求項9】
前記光検出器が前記遮光部よりも大きいサイズになっている請求項２、６、７、又は８に記載の測定装置。
【請求項10】
前記粒子で散乱した前記散乱光において、
光軸を基準として、前記遮光部が遮光することができる前記散乱光の最大散乱角度をθ１とし、
光軸を基準として、前記光検出器が検出することができる前記散乱光の最大散乱角度をθ２とした場合、
θ１＜ｃｏｓ−１（１／√３）＜θ２
の関係を満たすことを特徴とする請求項２、６、７、８、又は９に記載の測定装置。
光軸を基準として、前記遮光部が遮光することができる前記散乱光の最大散乱角度をθ１とし、
光軸を基準として、前記光検出器が検出することができる前記散乱光の最大散乱角度をθ２とした場合、
θ１＜ｃｏｓ−１（１／√３）＜θ２
の関係を満たすことを特徴とする請求項２、６、７、８、又は９に記載の測定装置。
【請求項11】
前記駆動部が、前記焦点に対して、前記粒子、及び前記保持部材を移動させる請求項２〜１０のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項12】
前記保持部材と、前記光検出器との間に配置されたレンズをさらに備え、
前記光検出器が前記レンズで屈折された光ビームを検出する請求項２〜９のいずれか１項に記載の測定装置。
前記光検出器が前記レンズで屈折された光ビームを検出する請求項２〜９のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項13】
前記光検出器が検出することができる前記散乱光の前記粒子での散乱角度が所定の角度範囲となるように制限されており、
前記角度範囲に関する測定条件を変えて、測定を行い、
複数の測定条件下での測定結果に基づいて、前記光の電場成分を算出する請求項１〜１２のいずれか１項に記載の測定装置。
前記角度範囲に関する測定条件を変えて、測定を行い、
複数の測定条件下での測定結果に基づいて、前記光の電場成分を算出する請求項１〜１２のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項14】
前記光検出器が複数の受光素子が画素として配置された２次元アレイ検出器であり、
前記２次元アレイ検出器の前記画素の配置に応じて、前記測定条件が設定されており、
異なる画素が前記散乱光を測定することで、前記複数の測定条件下での測定が行われる請求項１３に記載の測定装置。
前記２次元アレイ検出器の前記画素の配置に応じて、前記測定条件が設定されており、
異なる画素が前記散乱光を測定することで、前記複数の測定条件下での測定が行われる請求項１３に記載の測定装置。
【請求項15】
前記光検出器と前記粒子との間に配置された遮光部の形状、及びサイズの少なくとも一方を変えることで、前記測定条件が変えられる請求項１３に記載の測定装置。
【請求項16】
前記光検出器がフォトダイオードである請求項１〜１２のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項17】
前記粒子が金属粒子である請求項１〜１６のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項18】
請求項１〜１７のいずれか１項に記載の測定装置と、
前記測定装置が載置される試料台と、
照明光源と、
前記照明光源から光ビームを集光して、前記焦点を形成する対物レンズと、を備えた顕微鏡。
前記測定装置が載置される試料台と、
照明光源と、
前記照明光源から光ビームを集光して、前記焦点を形成する対物レンズと、を備えた顕微鏡。
【請求項19】
光ビームを集光して、焦点を形成するステップと、
焦点内又は焦点近傍に配置された前記光ビームの光の波長よりも小さい粒子の前方に散乱した前方散乱光であって、焦点を形成する最大集光角に対応する最大発散角より大きい角度への散乱光の強度を検出するステップと、
前記焦点に対する前記粒子の相対位置を変化させるステップと、を備えた測定方法。
焦点内又は焦点近傍に配置された前記光ビームの光の波長よりも小さい粒子の前方に散乱した前方散乱光であって、焦点を形成する最大集光角に対応する最大発散角より大きい角度への散乱光の強度を検出するステップと、
前記焦点に対する前記粒子の相対位置を変化させるステップと、を備えた測定方法。
【請求項20】
光ビームの焦点内又は焦点近傍に配置され、光を散乱して散乱光を発生する前記光の波長よりも小さい粒子と、
前記粒子で散乱した散乱光の強度を検出する光検出器と、を備え、
前記光検出器が検出することができる前記散乱光の前記粒子での散乱角度が所定の角度範囲に制限されており、
前記角度範囲に関する測定条件を変えて、測定を行い、
複数の測定条件下での測定結果に基づいて、前記光の電場成分が算出される測定装置。
前記粒子で散乱した散乱光の強度を検出する光検出器と、を備え、
前記光検出器が検出することができる前記散乱光の前記粒子での散乱角度が所定の角度範囲に制限されており、
前記角度範囲に関する測定条件を変えて、測定を行い、
複数の測定条件下での測定結果に基づいて、前記光の電場成分が算出される測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、測定装置、顕微鏡、及び測定方法に関する。【背景技術】
【0002】
開口数(ＮＡ:Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ)の大きいレンズによって集光されたレーザ光の集光スポットは、共焦点レーザ顕微鏡やレーザ加工機などのレーザを利用したマイクロ/ナノ技術の根幹である。その焦点近傍の光の強度分布および焦点の大きさが、その性能を決める重要な指標である。特に平面波をレンズに入射した時の焦点近傍の光の強度分布は、そのレンズシステム（レンズ系）のPoint Spread Function (PSF、点像分布関数)として理解され、その評価方法が議論されてきた。【0003】
その焦平面内での光強度分布は、エアリーディスクと呼ばれる同心円上の明暗の回折パターンが形成されることが知られている（非特許文献１）。光をスカラー波として扱った回折理論では、開口数が小さい場合には近軸近似のもと、その同心円の中心から第一暗環までの距離ｄが次の式（１）として導かれる。なお、λは光の波長である。ｄ＝０．６１λ／ＮＡ ・・・（１）
【0004】
必要とする分解能が高くなるほど、すなわち小さな集光スポットを小さくするためにＮＡを大きくするほど、式（１）からの誤差が生じることが指摘されている（非特許文献２）。さらに実際のレンズ系においては、レンズの加工精度や収差、さらにはミスアライメント、レーザビームの品質などにより、焦点近傍の光強度分布は劣化する。このため、直接光強度分布を測定することが必要である。さらに、実際に光は偏光成分を持つベクトル波のため、大きい開口数の場合では、焦点近傍の強度分布は偏光方向に依存した異方性を生じることが指摘されており、理論限界の集光スポットの評価には、２次元分布の評価方法が重要である（非特許文献３）。【0005】
サブミクロンサイズのレーザの集光スポット近傍の光強度分布を実際に測定方法としては、ナイフエッジ法が提案されている（非特許文献４、５）。ナイフエッジ法は、一次元的に光強度プロファイルを測定する方法である。【0006】
２次元的に光強度プロファイルを測定する方法としては、蛍光発光強度を測定する方法が提案されている（非特許文献６）。この方法では、落射照射系においてレーザを集光する。そして、集光スポットより十分小さい蛍光ビーズを走査しながら、落射照明に用いられた対物レンズを通して、蛍光発光強度を測定する。この方法は、共焦点レーザ蛍光顕微鏡のＰＳＦを確認するスタンダードな手法となっている。【0007】
さらに、焦点近傍に存在する金ナノ粒子からの後方散乱を検出する方法が提案されている（非特許文献７、８）。この方法では、落射照明系においてレーザを集光している。そして集光スポットより十分小さい金ナノ粒子を走査しながら、その後方散乱光を、落射照明に用いられた対物レンズを通して、干渉計に導いている。これにより、光強度分布と位相分布とが同時に測定される。【0008】
さらに、近接場光学顕微鏡のシステムにおいて、レーザ集光スポットの光強度分布を確認する方法が提案されている（非特許文献９）。この方法では、試料がない状態で、落射照明により形成された集光スポットにカンチレバーを近づけている。そして、カンチレバー先端からの後方散乱光を、落射照明に用いられた対物レンズを通して検出し観察している。【0009】
集光スポットの光強度分布を測定する単体の測定装置としては、非特許文献６の集光スポットを光学的に拡大して撮像する原理のビームプロライラが市販されている。市販のビームプロファイラでは、撮像・検出器に、写真フィルムではなく、ＣＣＤやＣＭＯＳカメラが用いられている。【先行技術文献】
【非特許文献】
【0010】
【非特許文献1】光学の原理 第７版 Max Born & Emil Wolf 東海大学出版会
【非特許文献2】光学 第21巻第7号 (1992年7月) 大木裕史 pp489-497 焦点近傍の光学(1)
【非特許文献3】光学 第21巻第8号 (1992年8月) 大木裕史 pp560-567 焦点近傍の光学(2）
【非特許文献4】"Measurement of the μm sized radius of Gaussian laser beam using the scanning knife-edge"Yasuzi Suzaki and Atsushi TachibanaAPPLIED OPTICS Vol. 14 No.12, pp 2809-2810, 1975
【非特許文献5】"Knife-edge scanning measurements of subwavelength focused light beams", A. H. Firester, M. E. Heller, and P. ShengAPPLIED OPTICS Vol. 16 No.7, pp.1971-1974, 1977
【非特許文献6】"Measurement of submicron laser beam radii",Marilyn B. Schneider and Watt W. Webb,APPLIED OPTICS Vol. 20 No.8, pp.1382-1388, 1981
【非特許文献7】"The measurement of the amplitude point spread function of microscope objective lenses",R. JUSKAITIS & T. WILSONJournal of Microscopy, Vol. 189, Pt 1, January 1998, pp. 8−11.
【非特許文献8】"Measuring the Real Point Spread Function of High Numerical Aperture Microscope Objective Lenses"Rimas JuskaitisHandbook of Biological Confocal Microscopy, Third Edition, edited by James B. Pawley, Springer Science+Business Media, LLC, New York, 2006.pp.239-250
【非特許文献9】"Optimization of s-Polarization Sensitivity in Apertureless Near-Field Optical Microscopy",Yuika Saito, Yoshiro Ohashi, and Prabhat Verma, Int. J. Optics 2012, 962317 (2012).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
しかしながら、非特許文献６や市販されている集光スポットを光学的に拡大して撮像する方法では、拡大光学系の焦点距離が長く、測定装置のサイズが大きくなり、試料サイズに制約のあるレーザ顕微鏡などのへの適用が難しい。さらに、焦点に対する測定器の位置調整が難しい。【0012】
さらに、集光スポットを光学的に拡大して撮像する方法の場合、以下の問題点がある。拡大する拡大光学系の収差（ザイデル５収差、色収差）が畳み込まれる。
拡大する拡大光学系の光学調整のミスアライメントによる影響がある。
集光角、すなわち、開口数が拡大する対物レンズで制限される。
【0013】
集光スポットを光学的に拡大する拡大光学系が付与されていない、単に、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラなどの２次元アレイ検出器も、ビームプロファイラとして市販されている。しかしながら、評価できるビームサイズが、２次元アレイ光検出器の画素サイズにより制限される。したがって、最小分解能３μｍ程度となってしまい、画素サイズ以下のサブミクロンの集光スポットの評価ができないという問題点がある。【0014】
落射照明系においてレーザを集光し、その落射照明に用いられた対物レンズを通して、蛍光発光、後方散乱光を検出する非特許許文献６〜９の方法では、測定装置が、測定対象から分離した単体の測定装置にはなり得ない。【0015】
また、非特許許文献６の蛍光ビーズの蛍光強度を測定する方法は、蛍光を用いているため、蛍光励起できるレーザ光の波長などの制約がある。さらに、蛍光物質が退色してしまうという問題もある。【0016】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、集光スポットでの光強度の空間分布を正確に測定することができる測定装置、顕微鏡、及び測定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】
【0017】
本発明の一態様にかかる測定装置は、光ビームの焦点内又は焦点近傍に配置され、光を散乱して散乱光を発生する粒子と、前記粒子の前方に散乱した前方散乱光であって、かつ、焦点を形成する最大集光角に対応する最大発散角より大きい角度への散乱光の強度を検出する光検出器と、前記焦点に対する前記粒子の相対位置を変化させる駆動部と、を備えたものである。【0018】
上記の測定装置は、前記粒子が配置される保持面を有し、前記光ビーム、及び前記散乱光を透過する保持部材と、前記保持面と前記光検出器との間に配置され、前記最大発散角よりも小さい角度への散乱光と、前記粒子で散乱されない光ビームの発散光とを遮光する遮光部を、さらに備えていてもよい。粒子で散乱されない光ビームの発散光を遮光することができる。【0019】
上記の測定装置は、前記粒子が配置される保持面を有する保持部材をさらに備え、前記光検出器が前記保持部材を通過した前記散乱光を検出するようになっていてもよい。【0020】
上記の測定装置において、前記保持部材が前記保持面と対向する凸面を備え、前記凸面が、球面又は放物面であり、前記保持面が平面であることが好ましい。【0021】
上記の測定装置において、前記保持部材の前記保持面と対向する対向面が平面になっており、前記対向面と前記光検出器とが接するように配置されていてもよい。【0022】
上記の測定装置は、前記保持面と前記光検出器との間に配置され、前記最大発散角よりも小さい角度への散乱光と前記粒子で散乱されない光ビームの発散光とを遮光する遮光部を、さらに備え、前記光検出器が前記遮光部の外側を通過した散乱光を検出するようにしてもよい。【0023】
上記の測定装置において、前記遮光部が前記保持部材の前記保持面と前記凸面との間に設けられていてもよい。これにより、測定光学系の部品点数を少なくすることができる。【0024】
上記の測定装置において、遮光部の位置は、粒子から、光検出部までの、任意の位置で良い。前記遮光部が前記保持部材の凸面から前記光検出器までの間に設けられた遮光板である場合、遮光板の交換が容易になる。例えば、レンズのＮＡに応じて、異なるサイズの遮光板を用意する。異なるＮＡに適したサイズの遮光板に選択し、交換できるような機構とすることができる。これにより、異なるＮＡのレンズを簡便に測定することができる。【0025】
上記の測定装置において、前記光検出器が前記遮光部よりも大きいサイズになっていてもよい。【0026】
上記の測定装置において、前記粒子で散乱した前記散乱光において、光軸を基準として、前記遮光部が遮光することができる前記散乱光の最大散乱角度をθ１とし、光軸を基準として、前記光検出器が検出することができる前記散乱光の最大散乱角度をθ２とした場合、θ１＜ｃｏｓ−１（１／√３）＜θ２の関係を満たすことが好ましい。【0027】
上記の測定装置は、前記駆動部が、前記焦点に対して、前記粒子、及び前記保持部材を移動させるようにしてもよい。【0028】
上記の測定装置において、前記保持部材の凸面と、前記光検出器との間に配置されたレンズをさらに備え、前記光検出器が前記レンズで屈折された光ビームを検出するようにしてもよい。これにより、光検出器のサイズを小さくすることができる。【0029】
上記の測定装置において、前記光検出器が検出することができる前記散乱光の前記粒子での散乱角度が所定の角度範囲となるように制限されており、前記角度範囲に関する測定条件を変えて、測定を行い、複数の測定条件下での測定結果に基づいて、前記光の電場成分を算出するようにしてもよい。【0030】
上記の測定装置において、前記光検出器が複数の受光素子が画素として配置された２次元アレイ検出器であり、前記２次元アレイ検出器の前記画素の配置に応じて、前記測定条件が設定されており、異なる画素が前記散乱光を測定することで、前記複数の測定条件下での測定が行われてもよい。【0031】
上記の測定装置において、前記光検出器と前記粒子との間に配置された遮光部の形状、及びサイズの少なくとも一方を変えることで、前記測定条件が変えられるようにしてもよい。【0032】
上記の測定装置において、前記光検出器がフォトダイオードであることが好ましい。【0033】
上記の測定装置において、前記粒子が金属粒子であってもよい。これにより、散乱断面積を大きくすることができ、散乱光強度を高くすることができる。【0034】
本実施形態にかかる顕微鏡は、上記の測定装置と、前記測定装置が載置される試料台と、照明光源と、前記照明光源から光ビームを集光して、前記焦点を形成する対物レンズと、を備えたものである。これにより、顕微鏡による観察と、測定装置による測定を容易に切り替えることができる。【0035】
本発明の一態様にかかる測定方法は、光ビームを集光して、焦点を形成するステップと、焦点内又は焦点近傍に配置された粒子の前方に散乱した前方散乱光であって、前記焦点を形成する最大集光角に対応する最大発散角より大きい角度への散乱光の強度を検出するステップと、前記焦点に対する前記粒子の相対位置を変化させるステップと、を備えたものである。これにより、正確に光強度の空間分布を測定することができる。【0036】
本実施形態にかかる測定装置は、光ビームの焦点内又は焦点近傍に配置され、光を散乱して散乱光を発生する粒子と、前記粒子で散乱した散乱光の強度を検出する光検出器と、を備え、前記光検出器が検出することができる前記散乱光の前記粒子での散乱角度が制限されており、前記角度範囲に関する測定条件を変えて、測定を行い、複数の測定条件下での測定結果に基づいて、前記光の電場成分が算出されるものである。【発明の効果】
【0037】
本発明によれば、集光スポットでの光強度の空間分布を正確に測定することができる測定装置、顕微鏡、及び測定方法を提供することができる。【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】本実施の形態にかかる測定装置の原理を説明するための図である。
【図2】対物レンズの作動距離を示す図である。
【図3】金ナノ粒子での散乱光を示す図である。
【図4】測定装置の測定光学系を示す図である。
【図5】集光光の最大集光角と発散光の最大発散角を説明するための図である。
【図6】平行平板の保持部材に金ナノ粒子を載置した構成を示す図である。
【図7】平行平板を透過する光の屈折を説明するための図である。
【図8】変形例１にかかる遮光部の配置を示す図である。
【図9】実施の形態２にかかる測定光学系を示す図である。
【図10】変形例２での遮光部の配置例を示す図である。
【図11】実施の形態３にかかる測定光学系を示す図である。
【図12】変形例３での遮光部の配置例を示す図である。
【図13】測定装置の外観、及び制御構成を示す図である。
【図14】測定装置の構成を示す断面図である。
【図15】遮光部の構成を示す平面図である。
【図16】顕微鏡の構成を示す図である。
【図17】実施例と比較例の測定結果を示す図である。
【図18】実施例と比較例の測定結果を示す図である。
【図19】実施の形態４にかかる測定装置の構成を示す図である。
【図20】実施の形態４の変形例にかかる測定装置の構成を示す図である。
【図21】３次元極座標系を説明するための図である。
【図22】θとＦ（θ）の関係を示すグラフである。
【図23】測定条件を変える第１の方法を説明するための図である。
【図24】測定条件を変える第２の方法を説明するための図である。
【図25】測定条件を変える第３の方法を説明するための図である。
【図26】第３の方法で用いられる遮光部の具体的な構成を示す平面図である。
【図27】実施の形態６にかかる測定装置の構成を模式的に示す図である。
【図28】実施の形態６にかかる測定装置の他の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0039】
近年、回折限界を超えた分解能を持つ超解像のレーザ蛍光顕微鏡が発展している。回折限界を超える原理として、蛍光分子の非線形応答を利用したＳＴＥＤ（STimulated Emission Depletion）、ＳＡＸ（Saturated eXcitation）、ＳＩＭ（Structured Illumination Microscopy）、ＰＡＬＭ（Photo-Activation Localization Microscopy）等があるが、いずれも回折限界まで集光された焦点が利用される。また、集光レンズの瞳における入射光の波面の位相や振幅を制御して、集光スポットの形状を制御するＰＳＦエンジニアリングやａｄａｐｔｉｖｅ ｏｐｉｔｃｓ（波面補償光学）も精力的に研究されている。ＰＳＦエンジニアリングは、特に、積極的に集光スポットを改善する試みで、より高い空間周波数をもたらすために利用されている。波面補償光学は、実際の測定環境により劣化するＰＳＦを回復することを目的としている。【0040】
いずれも、入射光の波面の位相と振幅の計測がなされる。一方で、実際の集光スポットの光強度については、数値計算による評価にとどまっている。これらのように集光場の光強度分布の制御が研究対象となる一方で、その直接測定方法が、今後重要となることが予想される。【0041】
集光スポット近傍の光強度分布がレーザ顕微鏡の空間分解能の指標となる。それと同時に、単位面積あたりの光強度である、光強度密度もレーザ顕微鏡では重要指標となる。レーザ顕微鏡下では、レーザ光はサブミクロンの大きさにまで集光され、非常に光強度密度の高い状態となる。特に散乱断面積の小さいラマン分光を使用したレーザラマン顕微鏡などでは、高強度レーザが使用される。このために、常に試料へのレーザ損傷に気をつかう分析・測定法である。【0042】
対物レンズから試料に照射されるレーザ光強度は簡便に測定できる。しかしながら、焦点の大きさや光強度分布の直接的な測定方法が無い。このために、これまで、光強度密度は、推定するにとどまっていた。本実施形態に係る測定装置を用い、光強度分布を直接測定可能になることで、正確な試料の損小閾値の知見がもたらされ、測定の簡便化が期待できる。光と物質の相互作用を積極的に利用している他の測定法・分析法、例えばＬＩＢＳ（Ｌａｓｅｒ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）や、レーザ加工、高分子の光重合などのレーザ技術において、本実施の形態にかかる測定方法が一助となることが期待される。【0043】
実施の形態１本実施の形態にかかる測定装置は、光ビームの焦点内又は焦点近傍に配置され、光を散乱して散乱光を発生する粒子と、前記粒子の前方に散乱した前方散乱光で、かつ、焦点を形成する最大集光角に対応する最大発散角より大きい角度への散乱光の強度を検出する光検出器と、前記焦点に対する前記粒子の相対位置を変化させる駆動部と、を備えたものである。そのため、本実施の形態にかかる測定装置、及び測定方法は、レンズによって集光された光ビームの集光スポット内、及びその近傍における光強度の空間分布を測定する。例えば、測定装置は、レーザ顕微鏡の対物レンズの集光スポット内、及びその近傍における光強度の空間分布を測定する。
【0044】
（測定原理）まず、本実施の形態にかかる測定装置、及び測定方法で利用される測定原理について説明する。図１は、本実施の形態にかかる測定装置、及び測定方法で利用される測定原理を説明するための図である。図１に示すように、対物レンズ５１は照明光Ｌ１を集光することで、対物レンズ５１の焦点に集光スポットＳ１が形成されている。
【0045】
集光スポットＳ１には、金ナノ粒子１１が配置されている。回折限界によって集光スポットＳ１は有限の大きさを有している。金ナノ粒子１１は、集光スポットＳ１よりも十分に小さくなっている。さらに、金ナノ粒子１１は、照明光Ｌ１の波長よりも十分に小さい。金ナノ粒子１１のサイズは、例えば４０ｎｍである。【0046】
Ｍｉｅ理論により、光の波長よりも十分に小さい粒子が、光の電場中に存在する場合、粒子は双極子近似が適用される。散乱される散乱光の振幅（電場）は、粒子が存在する光の電場（Ｅ）に比例する。光の強度Ｉは電場の二乗（Ｅ２）に比例する。【0047】
よって、金ナノ粒子１１で散乱した散乱光を検出することで、金ナノ粒子１１における照明光Ｌ１の光強度を測定することができる。また、金ナノ粒子１１を移動することで、光強度の空間分布を測定することができる。散乱光を検出する場合、蛍光と異なり、蛍光退色等の現象は発生しない。また、どのような光でも金ナノ粒子１１で散乱されるため、照明光Ｌ１の波長などに制限がない。散乱光の強弱は、なお、光の波長と粒子サイズ、粒子と場の誘電率に依存する。【0048】
ここで、図２に示すように、顕微鏡の対物レンズの作動距離をＷＤとする。高倍率、高ＮＡの対物レンズ５１であるほど、ＷＤは短くなる。１００倍対物レンズ、ＮＡ０．９でＷＤは０．１〜１ｍｍとなる。なお、開口数ＮＡは以下の式（２）で表される。開口数ＮＡ＝ｎ×ｓｉｎθ ・・・（２）
ｎ：焦点が存在する媒質の屈折率（空気の場合は、ｎ＝１）
θ：集光角（光軸と最外側の集光光線の角度）
標準的な高倍率対物レンズ１００×、Ｎ＝０．９でθ＝６４．２°となる。
【0049】
金ナノ粒子１１によって散乱される散乱光は、誘起された双極子の軸を回転対称軸として、散乱される方角αに依存する光強度となる。具体的には、金ナノ粒子１１による散乱光の強度は、以下の式（３）で表される。Ｃ＊ｓｉｎ２（α） ・・・（３）
なお、Ｃは比例定数である。金ナノ粒子１１での散乱は、図３に示すように後方散乱と、前方散乱とに分けられる。すなわち、後方散乱光は、金ナノ粒子１１から対物レンズ５１側に向かう散乱光となる。後方散乱光は、対物レンズ５１に近づく方向（図３中の上方向）に伝播する。前方散乱光は、金ナノ粒子１１から対物レンズ５１と反対側に向かう散乱光となる。すなわち、前方散乱光は、対物レンズ５１から離れる方向（図３中の下側）に伝播していく。
【0050】
対物レンズ５１を介さずに散乱光を検出することができれば、測定対象物と、測定装置の分離が可能となる。しかしながら、上記のように、高倍率、高ＮＡの対物レンズ５１のＷＤは、１ｍｍ以下となる。そのため、集光スポットと対物レンズ５１との間に、光検出器などを配置することが実質的に不可能である。そこで、本実施の形態にかかる測定装置では、金ナノ粒子１１の前方に配置された光検出器２１で前方散乱光を検出する。【0051】
前方散乱光を検出することで、対物レンズ５１を介さずに、散乱光の光強度を測定することができる。しかしながら、金ナノ粒子１１で散乱されない照明光Ｌ１も光検出器２１で検出されてしまう。散乱光は、レーリ散乱光であるため照明光Ｌ１と同じ波長となる。したがって、散乱光と照明光Ｌ１とをダイクロイックミラーや波長フィルタ等で分離することができない。【0052】
（測定装置の測定光学系）そこで、本実施の形態では、光検出器２１と金ナノ粒子１１との間に照明光Ｌ１を遮光する遮光部を配置している。図４に、本実施の形態にかかる測定装置の測定光学系１０１を示す。測定光学系１０１は、金ナノ粒子１１と、保持部材１２と、遮光部１３と、光検出器２１と、を備えている。
【0053】
金ナノ粒子１１の前方散乱光を検出するため、保持部材１２、遮光部１３、光検出器２１は、対物レンズ５１の前方側（図４の下側）に配置されている。具体的には、保持部材１２は、対物レンズ５１と対向するように、対物レンズ５１の下側に配置されている。遮光部１３は、保持部材１２の下側に配置されている。光検出器２１は、遮光部１３の下側に配置されている。なお、本実施の形態における上下方向は、図面内での方向であり、実際の配置方向に対して相対的なものとなる。すなわち、本実施の形態では、照明光Ｌ１が下方に伝播して、対物レンズ５１に入射する構成を説明している。また、図４では、照明光Ｌ１のうち、金ナノ粒子１１で散乱されずに、発散しながら進む光を発散光Ｌ３として示している。発散光Ｌ３は、焦点から離れる方向（図４中の下方向）に拡がりながら進む。【0054】
対物レンズ５１は、照明光Ｌ１を集光する。照明光Ｌ１は、例えばレーザ光源からの単色の光ビームである。金ナノ粒子１１は、上記のように対物レンズ５１で集光された照明光Ｌ１の集光スポット内に配置される。金ナノ粒子１１は、保持部材１２の上に載置されている。保持部材１２は、金ナノ粒子１１を保持している。なお、金ナノ粒子１１に代わりに銀ナノ粒子等の他の金属粒子を用いてもよい。金ナノ粒子１１等の金属粒子を用いることで、散乱断面積を大きくすることができ、検出される散乱光強度を高くすることができる。保持部材１２に保持される粒子は、入射した光を散乱する微粒子であればよい。金ナノ粒子１１は、照明光Ｌ１の波長、及び集光スポットよりも小さいサイズを有している。【0055】
保持部材１２は、光透過性を有する光透過部材であり、例えば、ガラスや樹脂により形成されている。保持部材１２は、保持面１２ａと、凸面１２ｂとを備えている。保持面１２ａが対物レンズ５１に向けて配置される。凸面１２ｂは、保持面１２ａと対向して配置されている。保持面１２ａは平坦な上面であり、凸面１２ｂは下向きに突出するように湾曲した下面である。凸面１２ｂは、球面となっている。また、凸面１２ｂは、放物面等の非球面としてもよい。具体的には、保持部材１２は、半球ガラス又は、半放物面ガラスとすることができる。さらに、凸面１２ｂの曲率中心は、対物レンズ５１の光軸ＯＸと保持面１２ａの交点の近傍となっている。【0056】
保持面１２ａの上には、金ナノ粒子１１が配置されている。照明光Ｌ１は、金ナノ粒子１１によって散乱される。上記のように散乱光Ｌ２は、全方位に散乱されている。ここで、前方に向かう散乱光を散乱光Ｌ２とする。散乱光Ｌ２は、発散しながら進む。散乱光Ｌ２は、保持部材１２を透過する。すなわち、散乱光Ｌ２は保持面１２ａを通過して、保持部材１２の内部を伝搬する。そして、散乱光Ｌ２は、凸面１２ｂを介して、保持部材１２の外側にでる。散乱光Ｌ２は、凸面１２ｂを通過して、保持部材１２の下側の空間を伝搬していく。同様に散乱されなかった発散光Ｌ３も凸面１２ｂを介して、保持部材１２の外側に出る。【0057】
保持部材１２の下側には、遮光部１３が配置されている。したがって、保持部材１２は、遮光部１３と対物レンズ５１との間に配置されている。遮光部１３は、対物レンズ５１の光軸ＯＸ上に配置されている。遮光部１３は、例えば、円形の遮光板である。遮光部１３は、樹脂または金属板などによって形成されている。遮光部１３を黒色とすることで、迷光が検出されるのを防ぐことができる。凸面１２ｂから出射した散乱光Ｌ２は、遮光部１３に入射する。【0058】
よって、遮光部１３に入射した散乱光Ｌ２が遮光される。また、金ナノ粒子１１で散乱されなかった発散光Ｌ３も保持部材１２を通過して、遮光部１３に入射する。よって、遮光部１３は発散光Ｌ３を遮光する。なお、遮光部１３は、保持部材１２からの発散光Ｌ３の通過を制限できる大きさとなっている。これにより、発散光Ｌ３が光検出器２１で検出されるのを防ぐことができる。【0059】
遮光部１３の下には、光検出器２１が配置されている。すなわち、遮光部１３が保持部材１２の凸面１２ｂから光検出器２１までの間に配置されている。光検出器２１は、遮光部１３よりも大きくなっている。すなわち、光軸ＯＸと直交する平面視において、光検出器２１は、遮光部１３からはみ出すように配置されている。したがって、光検出器２１は、遮光部１３の外側を通過した散乱光Ｌ２を検出する。【0060】
ここで、発散光Ｌ３の最大発散角と照明光（集光光）Ｌ１の最大集光角について、図５を用いて説明する。図５は、焦点近傍における発散光と集光光を示す図である。図５では、対物レンズ５１によって焦点に向けて集光された光を集光光Ｌ４として示している。すなわち、照明光Ｌ１のうち、焦点を通過前の光が集光光Ｌ４となり、焦点を通過後の光が発散光Ｌ３となる、また、図５では、説明のため保持部材１２を省略している。【0061】
図５では、対物レンズ５１で集光されて、焦点に向かう集光光Ｌ４の最大集光角をθ４としている。また、焦点から発散しながら進む発散光Ｌ３の最大発散角をθ３としている。なお、発散光Ｌ３は、上記の通り、照明光Ｌ１のうち、金ナノ粒子１１で散乱されずに進む光である。ここで、最大発散角θ３は、最大集光角θ４に対応する。図５のように、最大発散角θ３は最大集光角θ４と等しくなる。なお、保持部材１２の屈折率は、空気の屈折率よりも大きいため、発散光Ｌ３は、保持面１２ａで屈折される。したがって、最大発散光θ３の発散光Ｌ３は、保持面１２ａで屈折すると、最大集光角θ４よりも小さい発散角で伝播する。【0062】
上記のように散乱光Ｌ２は、全方位に散乱される。したがって、散乱光Ｌ２は、発散光Ｌ３よりも広い角度で伝搬している。遮光部１３は、発散光Ｌ３を全て遮光することができる大きさとなっている。より具体的には、遮光部１３は、発散光Ｌ３を遮光できる最小限のサイズとなっている。遮光部１３の大きさは、対物レンズ５１のＮＡと、粒子からの距離（保持面１２ａからの距離）と、保持部材１２の屈折率などによって決定される。このようにすることで、遮光部１３が発散光Ｌ３を全て遮光することができるため、光検出器２１が散乱光Ｌ２のみを検出することができる。すなわち、遮光部１３は、最大発散角よりも小さい角度で前方に散乱された散乱光Ｌ２と、金ナノ粒子１１で散乱されない光ビームの発散光Ｌ３とを遮光する。光検出器２１は、対物レンズ５１の最大発散角よりも大きな角度で前方に散乱された散乱光Ｌ２を検出する。【0063】
このように、光検出器２１は、金ナノ粒子１１からの散乱光Ｌ２を検出する。そして、光検出器２１は、散乱光強度に応じた検出信号を出力する。上記のように金ナノ粒子１１による散乱光強度は、金ナノ粒子１１の位置における照明光Ｌ１の強度に応じて変化する。具体的には、散乱光強度は、照明光強度に比例する。したがって、光検出器２１で検出された散乱光強度が、金ナノ粒子１１の位置における照明光Ｌ１の強度を示すことになる。金ナノ粒子１１は、集光スポットよりも小さい。よって、集光スポット内の金ナノ粒子１１の位置における照明光強度を測定することができる。【0064】
金ナノ粒子１１を移動することで、集光スポット内における金ナノ粒子１１に位置が変わる。すなわち、金ナノ粒子１１が集光スポットを走査するように、金ナノ粒子１１を保持する保持部材１２を移動させる。具体的には、保持部材１２、遮光部１３、光検出器２１を一体的に移動する。こうすることで、集光スポットに対して、金ナノ粒子１１、保持部材１２、遮光部１３、光検出器２１を相対的に移動することができる。なお、金ナノ粒子１１とともに、遮光部１３、又は光検出器２１を、移動させない構成とすることもできる。例えば、金ナノ粒子１１とともに、保持部材１２のみを移動させてもよい。あるいは、金ナノ粒子１１とともに、保持部材１２及び遮光部１３を移動させてもよい。さらに、金ナノ粒子１１とともに、保持部材１２及び光検出器２１を移動させてもよい。【0065】
金ナノ粒子１１の位置を移動することで、照明光Ｌ１の強度の空間分布を測定することができる。例えば、光軸ＯＸと直交する平面内において金ナノ粒子１１を移動することで、集光スポットにおける照明光強度の２次元分布を測定することができる。さらに、金ナノ粒子１１の位置を光軸ＯＸに沿って移動することで、集光スポットにおける照明光強度の３次元分布を測定することができる。このように、測定光学系１０１を用いることで、集光スポットにおける照明光強度の空間分布を正確に測定することができる。レーザ光の焦点の大きさを正確に測定することができる。また、レーザ光のパワー密度を正確に測定することも可能である。【0066】
さらに、保持部材１２、遮光部１３、及び光検出器２１のみを対物レンズ５１の直下に配置する構成としている。このため、測定光学系１０１を簡素な構成とすることができる。よって、測定装置を小型化することができる。【0067】
次に、保持部材１２の下面を凸面１２ｂとする理由について、図６、図７を用いて説明する。図６は、平行平板の保持部材１１２を用いた構成を示す図である。図７は、平行平板の保持部材１１２内における光の屈折を示す図である。【0068】
図６に示すように、保持部材１１２は、対向する２面（上面、及び下面）が平行な平面となっている。保持部材１１２の上に金ナノ粒子１１１が配置されている。そして、保持部材１１２の下に、遮光部１１３が配置されている。遮光部１１３の下に光検出器１２１が配置されている。【0069】
保持部材１２、及び保持部材１１２は、例えば、ガラスや樹脂などの透明材料に形成されている。これらの透明材料は、空気の屈折率よりも大きい屈折率を有している。よって、保持部材１１２と空気との界面で光が屈折する。空気の屈折率をｎ１とし、保持部材１１２を構成する透明材料（例えば、ガラス）の屈折率をｎ２とする。スネルの法則により、図７の屈折角θ１、θ２は、以下の式（４）で表される。ｎ２／ｎ１＝ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ２ ・・・（４）
【0070】
また、照明光Ｌ１のスポットサイズｄは、上記した式（１）、（２）の通り、ｄ＝０．６１λ／ＮＡ＝０．６１λ／（ｎ１×ｓｉｎθ１）となる。なお、λは照明光Ｌ１の波長である。【0071】
保持部材１１２の下面は平面である。ＮＡ＝ｎ１×ｓｉｎθ１以上の光は、スネルの法則による全反射状態となるため、保持部材１１２の下面から出てくることができない。そこで、本実施の形態では、保持部材１２の下面を凸面１２ｂとすることで、ＮＡが１以上の光を検出することができる。例えば、保持部材１２の下面を球面としている。集光スポットが曲率中心の近傍に形成されている場合、凸面１２ｂに対して散乱光Ｌ２が入射する入射角を９０°に近くすることができる。よって、保持部材１２内を伝搬するほぼ全ての散乱光Ｌ２が保持部材１２の凸面１２ｂから出射することができる。これにより、光検出器２１で検出される散乱光Ｌ２の強度を高くすることできるため、より正確に測定することができる。【0072】
保持部材１２の保持面１２ａの表面上に配置された金ナノ粒子１１による散乱光は、保持面１２ａに入射する際に屈折される。スネルの法則で、集光ビームの発散角および散乱光の散乱角が小さくなる（制限が緩和される）。一方、反対側の凸面１２ｂを球面とすることで、金ナノ粒子１１から光検出器２１へ伝搬する発散光Ｌ３と散乱光Ｌ２は、保持部材１２と空気との界面の法線方向に沿って入射する。このため、発散光Ｌ３と散乱光Ｌ２は角度を変えず(小さな発散角のまま)に、伝搬する。【0073】
保持部材１２の屈折率が大きいほど、発散光Ｌ３と散乱光Ｌ２の発散角が小さくなり、遮光部１３、及び光検出器２１の大きさを小さくすることができる。さらに、光検出器２１が、より多くの散乱光を受光することができる。遮光部１３、及び光検出器２１のサイズなど、物理的な制約を緩和することができる。よって、より大きなＮＡの集光角に対応することができる。保持部材１２の屈折率が大きいほど効果的である。また、発散光Ｌ３と散乱光Ｌ２の発散角がより小さくなるように、凸面１２ｂを非球面・放物面してもよい。【0074】
さらに、光検出器２１は、散乱光Ｌ２を受光することができればよいため、光検出器２１としてＣＣＤやＣＭＯＳなどの２次元アレイ検出器を用いる必要がない。光検出器２１はフォトダイオード等のポイントセンサとすることができる。これにより、測定光学系１０１を簡素な構成とすることができる。これにより、測定装置を小型化することができる。例えば、測定装置の高さ（厚さ）は、２５ｍｍ〜５０ｍｍ程度とすることができる。さらに、光軸と直交する平面内における横幅を１５０ｍｍ以下のサイズとすることができる。【0075】
さらに、蛍光ビーズ等の蛍光物質を用いていないため、蛍光退色の影響がない。よって、繰り返し測定しても、正確に測定することができる。さらに、蛍光物質を励起していないため、原理的な波長の制限はない。さらに、高ＮＡの対物レンズによる集光スポットの測定に好適であり、油浸対物レンズの性能を評価することも可能となる。【0076】
変形例１．測定光学系１０１の変形例１を図８に示す。図８に示す変形例１では、遮光部１３の位置が図４の構成と異なっている。具体的には、遮光部１３が保持部材１２の内部に設けられている。すなわち、保持部材１２の保持面１２ａと凸面１２ｂとの間に、遮光部１３が配置されている。遮光部１３の配置以外は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。また、図８では対物レンズ５１を省略している。遮光部１３は、焦点を形成する最大集光角に対応する最大発散角よりも小さい角度への散乱光Ｌ２と、金ナノ粒子１１で散乱されない光ビームの発散光Ｌ３とを遮光する。
【0077】
このように、遮光部１３は、保持面１２ａよりも前方側に配置されていればよい。保持部材１２の内部、又は表面を黒色に着色することで、遮光部１３を形成することができる。本実施の形態では、保持部材１２と一体的に遮光部１３を形成することができる。よって、保持部材１２とは別に遮光部１３を設ける必要があるため、部品点数を少なくすることができる。また、保持部材１２と光検出器２１との距離を短くすることができるため、光検出器２１を小型化することができる。よって、測定光学系１０１をより小型化することができる。例えば、保持部材１２の凸面１２ｂ、又は光検出器２１の表面に、光を通さない物質をコーティングすることで、遮光部１３を形成してもよい。具体的には、金属、誘電体等の薄膜を蒸着したり、スパッタリングしたりすることで、遮光部１３を形成することができる。これにより、部品点数を削減することができる。【0078】
一方、図４に示す構成では、保持部材１２と別の部材で遮光部１３が形成されている。よって、遮光部１３の交換が容易になるため、遮光部１３のサイズ調整等を容易に行うことができる。すなわち、大きさの異なる遮光板を複数用意しておくことで、遮光部１３のサイズ調整や位置調整を容易に行うことができる。【0079】
実施の形態２．本実施の形態にかかる測定装置の測定光学系１０２を図９に示す。測定光学系１０２では、測定光学系１０１に加えて、集光レンズ１５を備えている。本実施の形態２では、保持部材１２と光検出器２１との間に１枚の集光レンズ１５がリレーレンズとして配置されている。
【0080】
集光レンズ１５は、遮光部１３と光検出器２１との間に配置されている。集光レンズ１５は、遮光部１３の外側を通過した散乱光Ｌ２を光検出器２１に集光する。このようにすることで、実施の形態１とその変形例に比べて、光検出器２１の受光サイズを小さくすることができる。具体的には、光検出器２１を遮光部１３よりも小さいサイズとすることができる。【0081】
変形例２．図９では、遮光部１３が保持部材１２と集光レンズ１５との間に配置されていたが、遮光部１３を配置する位置は特に限定されるものではない。すなわち、遮光部１３は保持面１２ａと光検出器２１との間に配置されていればよい。図１０は、遮光部１３の配置例を示す図である。遮光部１３は、焦点を形成する最大集光角に対応する最大発散角よりも小さい角度への散乱光Ｌ２と、金ナノ粒子１１で散乱されない光ビームの発散光Ｌ３とを遮光する。
【0082】
保持面１２ａと光検出器２１は、共役面（粒子の像を投影する位置）に位置することが好ましい。この場合、散乱光Ｌ２は、光検出器２１において、集光されて最小サイズとなる。このため、光検出器２１のサイズを小さくできる。共役面である場合、保持面１２ａに位置する金ナノ粒子１１は、光検出器２１のサイズの像の中にあれば、散乱光Ｌ２が検出される。遮光部１３のサイズは、発散光Ｌ３の最大発散角の光線を遮断できるサイズより大きくする。さらに、遮光部１３のサイズはＸＹ走査範囲より大きなマージンを取る。【0083】
図１０に示す遮光部１３ａ〜１３ｄのいずれか１つの構成を採用することができる。遮光部１３ａは、保持部材１２の内部に配置されている。遮光部１３ｂは、凸面１２ｂと集光レンズ１５との間に配置されている。遮光部１３ｃは、集光レンズ１５の内部に配置されている。遮光部１３ｄは、集光レンズ１５と光検出器２１との間に配置されている。遮光部１３ａ〜１３ｄに示すいずれかの位置で照明光Ｌ１を遮光すればよい。そして、遮光部１３の外側を通過した散乱光Ｌ２を光検出器２１が検出する。【0084】
なお、保持部材１２の凸面１２ｂ、集光レンズ１５の表面、又は光検出器２１の表面に、光を通さない物質をコーティングすることで、遮光部１３を形成してもよい。具体的には、金属、誘電体等の薄膜を蒸着したり、スパッタリングしたりすることで、遮光部１３を形成することができる。【0085】
実施の形態３．本実施の形態にかかる測定装置の測定光学系１０３を図１１に示す。測定光学系１０３は、測定光学系１０２に加えて、コリメートレンズ１４を備えている。本実施の形態３では、保持部材１２と光検出器２１との間に集光レンズ１５、及びコリメートレンズ１４がリレーレンズとして配置されている。
【0086】
コリメートレンズ１４は、集光レンズ１５と保持部材１２との間に配置されている。コリメートレンズ１４は、遮光部１３の外側を通過した散乱光Ｌ２を平行光束とする。そして、集光レンズ１５は、コリメートレンズ１４からの散乱光Ｌ２を光検出器２１に集光する。このように、コリメートレンズ１４、及び集光レンズ１５によって、散乱光Ｌ２が光検出器２１に集光される。このようにすることで、実施の形態１とその変形例に比べて、光検出器２１の受光サイズを小さくすることができる。【0087】
変形例３．なお、図１１では、遮光部１３が保持部材１２とコリメートレンズ１４との間に配置されていたが、遮光部１３を配置する位置は特に限定されるものではない。すなわち、遮光部１３は保持面１２ａと光検出器２１との間に配置されていればよい。図１２は、遮光部１３の配置例を示す図である。遮光部１３は、焦点を形成する最大集光角に対応する最大発散角よりも小さい角度への散乱光Ｌ２と、金ナノ粒子１１で散乱されない光ビームの発散光Ｌ３とを遮光する。
【0088】
図１２に示す遮光部１３ｅ〜１３ｊのいずれか１つの配置を採用することができる。遮光部１３ｅは、保持部材１２の内部に配置されている。遮光部１３ｆは、凸面１２ｂとコリメートレンズ１４との間に配置されている。遮光部１３ｇは、コリメートレンズ１４の内部に配置されている。遮光部１３ｈは、コリメートレンズ１４と集光レンズ１５との間に配置されている。遮光部１３ｉは、集光レンズ１５の内部に配置されている。遮光部１３ｊは、集光レンズ１５と光検出器２１との間に配置されている。遮光部１３ｅ〜１３ｊに示すいずれかの位置で照明光Ｌ１を遮光すればよい。そして、遮光部１３の外側を通過した散乱光Ｌ２を光検出器２１が検出する。【0089】
なお、保持部材１２の凸面１２ｂ、コリメートレンズ１４の表面、集光レンズ１５の表面、又は光検出器２１の表面に、光を通さない物質をコーティングすることで、遮光部１３を形成してもよい。具体的には、金属、誘電体等の薄膜を蒸着したり、スパッタリングしたりすることで、遮光部１３を形成することができる。【0090】
なお、実施の形態１〜３とその変形例において、保持部材１２の保持面１２ａと対向する面は、凸面１２ｂに限られるものではない。例えば、保持面１２ａと対向する面が平面であってもよい。具体的には、図６に示す構成の保持部材１１２を用いることも可能である。すなわち、保持部材１１２の上面が、金ナノ粒子１１１を保持する保持面となる。そして、保持面と対向する下面が保持面と平行な平面となっている。この場合も遮光部１３の位置は、特に限定されるものではない。また、保持部材１１２と光検出器１２１との間に、実施の形態２又は３で示した集光レンズ１５やコリメートレンズ１４を配置してもよい。【0091】
実施例実施例にかかる測定装置１００の構成について、図１３、図１４を用いて説明する。図１３は、測定装置１００の外観、及び制御構成を示す図である。図１３は測定装置１００の外観を斜視的に示している。図１４は、測定装置１００の本体部の内部構成を示す断面図である。なお、図１４では測定光学系１０３を用いた例が示されている。すなわち、保持部材１２と光検出器２１との間にコリメートレンズ１４、及び集光レンズ１５が配置されている。
【0092】
測定装置１００は、本体部４０とコントローラ４１とパソコン４２とを備えている。本体部４０は、上記の測定光学系１０３を備えている。そのため、本体部４０は、測定光学系１０３を収容する筐体１０を有している。本体部４０のサイズは、例えば、１００ｍｍ×１００ｍｍ×２７ｍｍとなっている。【0093】
図１４に示すように、筐体１０は直方体状の箱である。筐体１０の内部に測定光学系１０３が配置される。筐体１０の上面には、保持部材１２の保持面１２aが露出している、そして、保持部材１２の保持面１２ａには金ナノ粒子１１が配置されている。保持部材１２は、例えば、屈折率が２．０の高屈折率半球ガラスである。【0094】
例えば、複数の金ナノ粒子１１が保持面１２ａの上に散布されている。なお、集光スポット内に１つの金ナノ粒子１１が配置されるように、複数の金ナノ粒子１１が保持面１２ａ上に散布されている。なお、集光スポットのサイズが１μｍ程度である。【0095】
図１４に示すように、第１鏡筒３２は保持部材１２、及びコリメートレンズ１４を保持している。すなわち、保持部材１２とコリメートレンズ１４とが第１鏡筒３２内に固定されている。【0096】
第２鏡筒３３は、第１鏡筒３２、及び集光レンズ１５を保持している。第１鏡筒３２は、第２鏡筒３３の内部に配置されている。第１鏡筒３２は、第２鏡筒３３に対して脱着可能に取り付けられている。集光レンズ１５は、第２鏡筒３３内に固定されている。第１鏡筒３２と第２鏡筒３３との間には、遮光部１３が設けられている。第１鏡筒３２を取り外すことで、遮光部１３を交換することができる。【0097】
第２鏡筒３３の下側には、光検出器２１が配置されている。光検出器２１は、チップサイズが３．６ｍｍ×３．６ｍｍのフォトダイオードである。【0098】
さらに、第２鏡筒３３は、駆動部３１を介して、筐体１０に取り付けられている。駆動部３１は、ＸＹＺ方向の３次元ピエゾスキャナである。駆動部３１は、筐体１０に対して、第２鏡筒３３を移動する。なお、Ｚ方向は、高さ方向、すなわと、対物レンズの光軸と平行な方向である。ＸＹ平面は、Ｚ方向に垂直な平面である。ＸＹ方向は互いに直交する方向である。駆動部３１は、例えば、１ｎｍピッチで第２鏡筒３３を移動させることができる。【0099】
駆動部３１が駆動すると、第２鏡筒３３に取り付けられている保持部材１２、遮光部１３、コリメートレンズ１４、集光レンズ１５、及び光検出器２１が移動する。よって、保持部材１２に保持されている金ナノ粒子１１が、集光スポットを走査する。駆動部３１により走査しながら、検出器２１が散乱光Ｌ２の強度を測定する。これにより、集光スポットにおける照明光Ｌ１の光強度の空間分布を測定することができる。【0100】
図１３に示すように、筐体１０には、コントローラ４１が接続されている。コントローラ４１は、駆動部３１に電源を供給して、駆動部３１のＸＹＺ制御を行う。さらに、光検出器２１からの検出信号（電圧）は、コントローラ４１に出力される。コントローラは、光強度に応じた検出信号の電圧値をＡ／Ｄ変換して、パソコン４２に出力する。【0101】
パソコン４２は、検出信号を記憶する記憶部や、光強度の空間分布を表示するための表示部を備えた処理装置である。駆動部３１が第２鏡筒３３をＸＹＺ方向の各方向にそれぞれ移動する。第２鏡筒３３のＸＹＺ位置と、検出信号の検出値を対応付けることにより、光強度の３次元分布を測定することができる。【0102】
コリメートレンズ１４、及び集光レンズ１５には、ＮＡ０．６７の非球面レンズ（空気中（ｎ＝１）で設計）が使用されている。ｎ×ｓｉｎθ＝０．６７であるため、θ＝４２．１度の集光角が最大となる。ただし、保持部材１２がｎ＝２．０の高屈折率半球レンズである。このため、θ＝４２．１度の集光角は、測定対象の対物レンズ５１の実質、ｎ×ｓｉｎ（４２．１°）＝２×０．６７＝１．４３のＮＡに相当する。よって、高ＮＡの対物レンズ５１の集光スポットの光強度分布を測定することができる。【0103】
図１５に、遮光部１３の一例の構成を示す。図１５は遮光部１３の構成を示す平面図である。遮光部１３は、円形板である。遮光部１３は、外枠３５と連結部３６を介して連結されている。外枠３５は、遮光部１３の外側に配置された円環である。外枠３５が第１鏡筒３２と第２鏡筒３３との間に保持されている。遮光部１３と外枠３５とは、連結部３６を介して連結されている。ここでは、４つの連結部３６が放射状に設けられている。【0104】
したがって、径方向において、遮光部１３と外枠３５の間には空間３７が形成される。すなわち、遮光部１３の外側であって、外枠３５の内側の空間３７を通過した散乱光Ｌ２が光検出器２１で検出される。外枠３５と、遮光部１３と、連結部３６とは樹脂により一体的に形成されている。また、遮光部１３は、低反射率であることが好ましい。外枠３５と、遮光部１３と、連結部３６を黒色に塗装している。こうすることで、迷光が検出されるのを防ぐことができる。【0105】
ここで、測定対象の対物レンズ５１を変える場合、遮光部１３のサイズを変えればよい。すなわち、対物レンズ５１のＮＡに応じて、遮光部１３の最適サイズが異なる。よって、対物レンズ５１のＮＡに応じたサイズの遮光部１３を有する遮光部１３を用意する。【0106】
また、ＮＡが高い対物レンズ５１に対応するサイズの遮光部１３であっても、ＮＡが小さい対物レンズ５１の集光スポットを測定することができるが、検出光量が小さくなる。すなわち、遮光部１３のサイズが大きいほど、遮光される散乱光Ｌ２が多くなる。このため、照明光Ｌ１を遮光できる範囲でできるだけ小さいサイズの遮光部１３を用いればよい。【0107】
次に、測定装置１００の測定対象となる顕微鏡２００の構成について、図１６を用いて説明する。図１６は、測定装置１００の本体部４０を搭載した顕微鏡２００を示す図である。顕微鏡２００は、対物レンズ５１の直下に配置された試料台６０を備えている。実際の観察時には、試料台６０の上に試料が載せられる。試料台６０に測定装置１００の本体部４０が載置されている。また、複数の対物レンズ５１がリボルバ６８に取り付けられている。異なるＮＡの対物レンズ５１を測定する場合、上記のように、遮光部１３を交換する。【0108】
顕微鏡２００は、光源６１、ミラー６２、ミラー６３、ビームエキスパンダ６４、ミラー６５、ミラー６６、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）６７、リボルバ６８、対物レンズ５１、試料台８０、ハーフミラー７０、結像レンズ７１、カメラ７２、ＬＥＤ光源８１、レンズ８２、レンズ８３を備えている。【0109】
光源６１は、レーザ光源であり、波長５３２ｎｍの照明光Ｌ１を発生する。光源６１から出射した照明光Ｌ１は、例えば１ｍｍのビーム径である。照明光Ｌ１は、ミラー６２、６３で反射されて、ビームエキスパンダ６４に入射する。ビームエキスパンダ６４は、ビーム径を拡大する。ここでは、ビーム径が５ｍｍに拡大される。【0110】
ビームエキスパンダ６４からの照明光Ｌ１は、ミラー６５、６６で反射されてＰＢＳ６７に入射する。ＰＢＳ６７は、偏光状態に応じて、光を透過又は反射する。ＰＢＳ６７で反射された照明光Ｌ１は、対物レンズ５１に入射する。【0111】
対物レンズ５１で集光された照明光Ｌ１は、上記の通り、本体部４０に設けられた金ナノ粒子１１に入射する（図１３等を合わせて参照）。そして、図１４等で示された光検出器２１が金ナノ粒子１１からの散乱光Ｌ２を検出する。さらに、照明光Ｌ１が照射されている間、駆動部３１が測定光学系１０３を移動する。このようにすることで、対物レンズ５１の集光スポット（焦点）における照明光Ｌ１の光強度分布を測定することができる。【0112】
なお、顕微鏡２００には、試料を撮像するための光学系として、ハーフミラー７０、結像レンズ７１、カメラ７２が設けられている。ＬＥＤ照明光学系用のＬＥＤ光源８１、レンズ８２、レンズ８３が設けられている。これらについては、説明を省略する。【0113】
ここで、試料台８０における試料の高さクリアランスは、通常、３５ｍｍ〜５０ｍｍ程度である。また、本体部４０の厚さは、２７ｍｍであるため、試料台８０の上に設置することが可能である。よって、照明光Ｌ１の光強度分布を簡便に測定することができる。そして、測定終了後は、試料台８０の上から、本体部４０を取り除くだけでよい。よって、光源６１による照明で、試料を観察することができる。よって、顕微鏡２００による試料の観察と、測定装置１００による照明光Ｌ１の測定とを容易に切り替えることができる。【0114】
さらに、リボルバ６８に複数の対物レンズ５１が搭載されている場合、上記のように、対物レンズ５１のＮＡに応じて、遮光部１３を交換すればよい。よって、対物レンズ５１毎の測定を容易に行うことができる。【0115】
図１７、図１８に本実施例に係る測定装置の測定結果を示す。図１７は、Ｘ方向、及びＹ方向における照明光強度のプロファイルと、ＸＹ平面における空間分布を示す図である。図１８は、Ｚ方向における照明光強度のプロファイルと、ＸＺ平面における空間分布を示す図である。また、図１７、図１８では、非特許文献３に記載された手法で得られたシミュレーション結果を比較例として示している。【0116】
レーザ波長は５３２ｎｍとして、対物レンズ５１は、ＮＡ０．９、１００×のＮｉｋｏｎ社製 TU Plan Fluor EPIを用いている。Ｘ方向プロファイルでは、実施例の集光スポットが比較例の集光スポットよりも小さくなることが分かる。Ｙ方向プロファイルでは、実施例の集光スポットが比較例の集光スポットよりも大きくなることが分かる。Ｚ方向プロファイルでは、実施例の集光スポットが比較例の集光スポットよりも大きくなることが分かる。【0117】
実施の形態４．実施の形態４にかかる測定装置の構成について、図１９を用いて、説明する。図１９では、図９の構成において、集光レンズ１５がコリメートレンズ１４に置き換わっている。換言すると、図１１の構成から、集光レンズ１５が取り除かれた構成となっている。そして、光検出器２１の受光サイズが遮光部１３よりも大きくなっている。なお、実施の形態１〜３と共通の内容については適宜説明を省略する。
【0118】
保持部材１２とコリメートレンズ１４との間に遮光部１３が配置されている。遮光部１３と光検出器２１との間に、コリメートレンズ１４が配置されている。金ナノ粒子１１からの散乱光Ｌ２は、遮光部１３の外側を通過して、コリメートレンズ１４に入射する。コリメートレンズ１４は、散乱光Ｌ２を屈折して、平行光束とする。そして、コリメートレンズ１４で屈折された散乱光Ｌ２は、光検出器２１で検出される。この構成によっても、上記の効果を得ることができる。【0119】
図１９では、保持部材１２とコリメートレンズ１４との間に遮光部１３が配置されているが、遮光部１３の配置は特に限定されるものではない。例えば、図１０，図１２のように、遮光部１３の配置を適宜、変更することが可能である。さらに、光検出器２１の受光面上に、遮光部１３を形成することも可能である。【0120】
（変形例４）【0121】
次に、実施の形態４の変形例４にかかる測定装置の構成について、図２０を用いて説明する。図２０は、測定装置の構成を模式的に示す図である。図２０では、対物レンズ（不図示）によって照明光Ｌ１を金ナノ粒子１１１に集光する構成を示している。【0122】
図２０に示す金ナノ粒子１１、遮光部１３が、それぞれ、実施の形態１〜３の金ナノ粒子１１、遮光部１３に対応している。なお、実施の形態１〜３と共通する内容については説明を適宜省略する。光検出器２１は、複数の受光素子２１１を有する２次元アレイ検出器となっている。【0123】
保持部材１１２は、金ナノ粒子１１を保持する保持面１１２ａと、保持面１１２ａと対向する対向面１１２ｃを有している。保持部材１１２は、図６で示した保持部材１１２と同様に、透明な平行平板となっている。したがって、保持面１１２ａと対向面１１２ｃとが平行な平面となっている。保持部材１１２としては、ガラスなどの高屈折率を有する透明材料が用いられている。そして、光検出器２１の受光面上に直接、保持部材１１２が載置されている。保持部材１１２の対向面１１２ｃと、光検出器２１とが接している。よって、図２０では、光検出器２１と保持部材１１２との間には、空気層が介在していない構成となっている。【0124】
複数の受光素子２１１での検出光量を合計することで、上記と同様の測定を行うことができる。なお、図２０において、遮光部１３が設けられているが、この遮光部１３は省略することが可能である。金ナノ粒子１１で散乱されずに光検出器２１に入射する照明光Ｌ１が入射する受光素子２１１の検出結果を用いなければよい。すなわち、照明光Ｌ１が入射する受光素子２１１以外の受光素子２１１を用いればよい。【0125】
ただし、照明光Ｌ１がレーザ光である場合、散乱光Ｌ２に比べて、照明光Ｌ１の強度が極めて高くなる。よって、照明光Ｌ１が受光素子２１１に直接入射した場合、ＣＣＤの画素から飽和した電荷が、隣の画素に流れ込む現象（スミア）が生じる恐れがある。スミアの影響を避けるために、遮光部１３を設けることが好ましい。【0126】
遮光部１３は、金ナノ粒子１１と光検出器２１との間にあればよい。遮光部１３は、保持部材１１２の光検出器２１側の面、あるいは、光検出器２１の保持部材１１２側の面に遮光部１３が形成されていてもよい。遮光部１３は、保持部材１１２又は光検出器２１の直接形成されていてもよく、保持部材１１２と光検出器２１との間に配置された遮光板であってもよい。また、遮光部１３は、保持部材１１２中にあり、光検出器２１の受光面に隣接しても良いが、金ナノ粒子１１からある一定以上の距離が必要である。その距離とは、金ナノ粒子１１の周りに存在する光の近接場領域であり、レーザ波長の数倍程度の距離である。【0127】
実施の形態５．本実施の形態では、実施の形態１〜４における測定装置の光学系において、好ましい角度設定について説明する。図２１に、金ナノ粒子１１を原点とする極座標系を示す。なお、ＸＹ面は、保持部材１２の保持面１２ａとなっている。
【0128】
原点における光の電場を(Ex,Ey,Ez)とすると、その光強度Iは、以下の式（５）となる。【数1】
【0129】
また、誘起された双極子の軸は、局所的な電場のベクトルに比例する（式（６））。【数2】
【0130】
その散乱光のベクトルを、極座標表示で示すと、式（７）となり、距離Ｒ離れた場所での散乱光の強度Ｉｓは、式（８）となる。【数3】
【数4】
【0131】
なお、ｃｏｎｓｔは比例定数である。式（８）は、式（３）と同じ表現である。ここで、散乱角αは、以下の式（９）の関係式により求められる。【数5】
【0133】
ｄΩは、球面表面の要素である。θ1は、遮光部１３のサイズによって決まる値である。図１９に示すように、θ1は、金ナノ粒子１１で散乱した散乱光Ｌ２において、対物レンズ５１の光軸ＯＸを基準として、遮光部１３が遮光することができる散乱光の最大散乱角度（以下、散乱光Ｌ２の最大遮光角度とする）となる。図１９において、最大遮光角度θ1は、遮光部１３の外縁に入射する散乱光と、光軸ＯＸとのなす角度である。【0134】
θ２は、コリメートレンズ１４のサイズによって決まる値である。図１９に示すように、θ２は、金ナノ粒子１１で散乱した散乱光Ｌ２において、対物レンズ５１の光軸ＯＸを基準として、光検出器２１が検出することができる散乱光Ｌ２の最大散乱角度（以下、散乱光Ｌ２の最大検出角度とする）となる。図１９において、最大検出角度θ２は、コリメートレンズ１４の実質的な外縁に入射する散乱光と、光軸ＯＸとのなす角度である。なお、最大検出角度θ２は、図４では、光検出器２１のサイズによって決まる値であり、図９、図１０では、集光レンズ１５のサイズによって決まる値であり、図１１、図１２では、コリメートレンズ１４によって決まる値である。また、光軸ＯＸと垂直な平面における光検出器２１、遮光部１３、コリメートレンズ１４、集光レンズ１５の形状を円形としている。なお、光検出器２１等が円形でない場合は、追加の遮光板により円形に制限してもよい。【0135】
式（１０）から、式（１１）が得られる【数7】
【0136】
Ｅｚ２は未知の値であるため、式（１１）において、３｛（ｃｏｓθ１−ｃｏｓ３θ１）−（ｃｏｓθ２−ｃｏｓ３θ２）｝Ｅｚ２が求めたい値である光強度Ｉ（式（５）、（６）参照）のアーティファクトとなっている。
【0137】
Ｆ（θ）＝ｃｏｓθ−ｃｏｓ３θとすると、アーティファクトの項は，式（１２）の形を取る。３｛Ｆ（θ１）−Ｆ（θ２）｝Ｅｚ２ ・・・（１２）
【0138】
Ｆ（θ）のカーブを図２２に示す。Ｆ（θ１）−Ｆ（θ２）の値が小さくなるようにθ１、θ２を設定することが好ましく、Ｆ（θ１）−Ｆ（θ２）＝０とすることがより好ましい。ただし、Ｓ／Ｎの高い測定を行うためには、θ２−θ１を大きくして、光検出器２１が検出する散乱光量を多くすることが好ましい。【0139】
図２２に示すＦ（θ）の曲線はｃｏｓ−１（１／√３）で最大値を取るため、Ｆ（θ１）−Ｆ（θ２）＝０を取り得る条件は、以下の式（１３）となる。θ１＜ｃｏｓ−１（１／√３）＜θ２ ・・・（１３）
【0140】
上記のように、金ナノ粒子１１での散乱光において、遮光部１３が遮光することができる散乱光Ｌ２の光軸ＯＸに対する最大散乱角度をθ１とし、光検出器２１が検出することができる散乱光Ｌ２の光軸ＯＸに対する最大散乱角度をθ２としている。式（１３）の関係を満たすように、光学系を設定することが好ましい。これにより、正確に光強度の空間分布を測定することができる。【0141】
具体的には、遮光部１３、コリメートレンズ１４、集光レンズ１５、又は光検出器２１等のサイズを設定することで、式（１３）を満たすことができる。さらに、Ｆ（θ１）＝Ｆ（θ２）とすることで、アーティファクトの項を０とすることができる。よって、Ｆ（θ１）＝Ｆ（θ２）を満たすように、遮光部１３、コリメートレンズ１４、集光レンズ１５、又は光検出器２１等のサイズを設定することが好ましい。【0142】
実施の形態６．本実施の形態では、測定装置の金ナノ粒子１１を利用して、光の電場を求めるものである。すなわち、光検出器の検出結果に基づいて、式（５）に示す光の電場成分Ｅｘ，Ｅｙ，Ｅｚを求めることができる。以下、実施の形態６にかかる測定方法の原理について説明する。
【0143】
光検出器２１は、光(一般化すると電磁波)のエネルギーや強度を測定するセンサであり、光電効果型と、熱効果型に大別される。そのセンサを利用し、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳセンサなどのように、２次元に受光部を配置し、その強度やエネルギーの分布を得るデバイスなどもある。また単一の受光部であってもその受光部を、直接的/間接的に、被測定物との相対位置を変化させることで、位置情報と光(電磁波)の強度やエネルギーの分布を測定することができる。カメラや、レーザ顕微鏡、ビームプロファイラなど、様々な光強度・エネルギーの分布測定器がある。一方で、光(電磁波)は、空間を伝搬する波であり、その電場はベクトル量を持つ。【0144】
電場を式（６）とすると、上記の光検出器、及び分布測定器は、全て、式（５）に示す光強度Ｉというスカラー量を測定するものである。従って、電場のベクトル量、すなわち、各電場成分Ｅｘ、Ｅｙ、Ｅｚ、もしくは、その空間分布を測定する測定器は存在しない。【0145】
ただし、一方向（z方向）に進行する光は、進行方向に電場成分を持たず(Ｅｚ＝０)に、進行方向に垂直な方向に振動している横波である。一方向（ｚ方向に）に進行する光の電場成分Ｅｘ、Ｅｙは、偏光子と光検出器の組み合わせで、その偏光面(ＥｘとＥｙの比)として、測定できる。本技術の測定対象となる電場は、２つ以上の方向(角度)の進行波が重なり合う場所において、干渉によって生じる定在波による電場(Ｅｘ、Ｅｙ、Ｅｚ)である。【0146】
本実施の形態では、そのような、２つ以上の方向(角度)の進行波が重なり合う場所において、干渉によって生じる定在波による電場(Ｅｘ、Ｅｙ、Ｅｚ)のベクトル成分を測定する。【0147】
例えば、レーザ顕微鏡や、レーザ加工機における、レーザの集光場での電場のベクトル成分を測定することが可能になる。レーザの集光場では、レーザで集光される各光線が干渉しあう結果として、集光スポット近傍に電場および光強度の分布を生じている。集光場での電場のベクトル成分を測定することで、空間分解能の向上や、加工効率の向上に資することができる。【0148】
図２１に示すＸＹＺ直交座標系において、電場を測定したい場所を原点とする。原点における光の電場を(Ｅｘ、Ｅｙ、Ｅｚ)とすると、誘起された双極子の軸は、局所的な電場のベクトルに比例する（上記の式（６））。【0149】
また、その光強度Ｉは、式（１４）となる。【数8】
【0150】
散乱光のベクトルを極座標表示で示すと、上記の式（７）となり、距離Ｒ離れた場所での散乱光の強度Ｉｓは、上記の式（８）となる。ここで、散乱角αは、上記の式（９）により求められる。【0151】
ここで、ある大きさを持った光検出器２１により、ある角度における光強度Ｉを測定する。ある角度とは、極角θと方位角φで表現される（式（１５））。【数9】
【0152】
ある角度における光強度Ｉは、以下の式（１６）となる。【数10】
【0153】
ｄΩは、球面表面の要素である。式（６）〜式（９）、式（１５）を参照して、式（１６）から式（１７）を導き出すことができる。【数11】
【0154】
ここで、電場の絶対値|Ｅ|２ではなく、その分布や、Ｅｘ、Ｅｙ、Ｅｚの比を求めたいとする。ｃｏｎｓｔ＝１とすると、測定条件のφ１、φ２、θ１、θ２と、４つの未知数Ｅｘ、Ｅｙ、Ｅｚ、|Ｅ|２との関係式となる（ただし、上記の式（１４）に示されるように、|Ｅ|２＝Ｅｘ２＋Ｅｙ２＋Ｅｚ２である。なお、明細書本文中において|Ｅ|２のベクトル記号は省略する。）【0155】
４つの異なる測定条件φ１、φ２、θ１、θ２で光強度Ｉの測定を行うことで、式（１７）で表現される４つの未知数の連立方程式を得ることができる。そして、連立方程式の解を得ることができれば、４つの未知数Ｅｘ、Ｅｙ、Ｅｚ,|Ｅ|２を求めることができる。【0156】
特に、φ１＝０，φ２＝２πとすると、未知数Ｅｘ、Ｅｙを排除した式（１８）が得られる。【数12】
【0157】
（ｃｏｓθ１−ｃｏｓ３θ１）−（ｃｏｓθ２−ｃｏｓ３θ２）＝０の条件下（つまり，式（１３）を満たす関係）であれば、１つの測定条件φ１、φ２、θ１、θ２で|Ｅ|２を求めることができる。|Ｅ|２を求めた後、もう一つ異なる測定条件φ１、φ２、θ１、θ２で測定を行うことで、Ｅｚ２を求めることもできる。さらに、φ１＝０，φ２＝πとすると、未知数Ｅｘを排除した式（１９）が得られる。【数13】
【0158】
φ１＝―π／２，φ２＝π／２とすると、未知数Ｅｙを排除した式（２０）が得られる。【数14】
【0159】
よって、φ１＝０，φ２＝πの測定条件下で測定を行うことで、Ｅｙを求めることができ、φ１＝―π／２，φ２＝π／２の測定条件下で測定を行うことで、Ｅｘを求めることができる。光の波長よりも十分に小さい金ナノ粒子１１が、光の電場中に存在する場合、式（１６）で示される散乱強度の散乱光が発生する。複数の測定条件で光強度を測定することで、光の電場成分に関する情報を算出することができる。【0160】
具体的には、散乱角度の立体的な角度条件を変えることで、異なる測定条件φ１、φ２、θ１、θ２での測定が可能となる。つまり、光検出器２１で検出される散乱光Ｌ２の金ナノ粒子１１での散乱角度を所定の角度範囲となるように制限することで、特定の測定条件での測定が可能となる。角度範囲に関する測定条件を変えて、光検出器２１が光強度の測定を行う。複数の測定条件下での測定結果に基づいて、光の電場成分が算出される。測定条件φ１、φ２、θ１、θ２を変える方法について、以下に説明する。【0161】
（第１の方法）測定条件を変える第１の方法としては、光検出器２１の位置を変えて複数回測定する方法がある。例えば、図２３のように、光検出器２１ａ〜２１ｄの位置でそれぞれ散乱光Ｌ２を検出する。図２３では、検出器２１のサイズを小さいものとする。２以上の方向の進行波が重なり合う位置（図２３の斜線部）に金ナノ粒子１１を配置する。図２３では、進行波が入射しない位置に、光検出器２１が配置されている。単一の光検出器２１を移動することで、測定条件を変えた測定を行うことができる。あるいは、複数の光検出器を異なる位置に配置してもよい。
【0162】
そして、光検出器２１の位置を変えた測定結果がパソコン４２（図１３参照）に入力される。パソコン４２は、メモリやプロセッサなどを備えており、式（１６）〜（２０）等に基づいて、光検出器２１の検出光量から電場を算出する。例えば、金ナノ粒子１１と光検出器２１との位置関係に応じて、光検出器２１が検出可能な立体角の角度範囲が決まる。光検出器２１の位置に基づく測定条件φ１、φ２、θ１、θ２をメモリが記憶する。プロセッサが、メモリに記憶されたプログラムを実行することで、電場成分を算出する。測定条件φ１、φ２、θ１、θ２、及び検出した光強度Ｉが記憶されているため、式（１６）〜式（２０）から、電場成分を算出することができる。【0163】
（第２の方法）測定条件を変える第２の方法としては、複数の受光素子を有する光検出器２１を用いる方法がある。例えば、図２４のように、複数の受光素子２１１〜２１３を有する光検出器２１が用いられる。図２４では、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）カメラ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなど、画素が２次元アレイ状に配列された２次元アレイ検出器が光検出器２１として用いられている。受光素子２１１〜２１３のそれぞれが画素となる。
【0164】
例えば、金ナノ粒子１１と光検出器２１の受光素子２１１〜２１３との位置関係に応じて、各受光素子が検出可能な立体角の角度範囲が決まる。第１の測定条件での測定は、受光素子２１１で実施され、第２の測定条件での測定は、受光素子２１２で実施され、第３の測定条件での測定は受光素子２１３で実施される。すなわち、複数の受光素子２１１〜２１３の配置により、測定条件φ１、φ２、θ１、θ２が決まる。このように、光検出器２１の受光素子２１１〜２１３の配置に応じて、測定条件が設定される。異なる画素である受光素子２１１〜２１３がそれぞれ散乱光を測定することで、複数の測定条件下での測定が行われる。【0165】
異なる受光素子での検出光量を別の測定条件での光強度Ｉとして取り扱うことができる。それぞれの画素が、特定の角度成分の光強度を測定することができる。この方法では、１回の測定で、複数の測定条件での測定を完了することができる。また、２つの受光素子を用いて、１つの測定条件下での測定を行ってもよい。例えば、２以上の受光素子での検出光量を合計して、１つの測定条件での測定結果として用いてもよい。【0166】
具体的には、図４、図６，図８、又は図１９等の構成において、光検出器２１を２次元アレイ検出器とすればよい。そして、それぞれの画素での検出光量がパソコン４２（図１３参照）に入力される。パソコン４２は、メモリやプロセッサなどを備えており、式（１６）〜（２０）等を用いて、検出光量から電場を算出する。例えば、金ナノ粒子１１に対する光検出器２１の受光素子２１１の位置に基づく測定条件φ１、φ２、θ１、θ２が設定されている。プロセッサが、メモリに記憶されたプログラムを実行することで、電場を算出することができる。【0167】
また、図４等に示す構成において、光検出器２１を２次元アレイ検出器とした場合、遮光部１３がない構成とすることも可能である。照明光Ｌ１が入射する受光素子以外の受光素子を用いればよい。ただし、照明光Ｌ１がレーザ光である場合、散乱光Ｌ２に比べて、照明光Ｌ１の強度が極めて高くなる。よって、照明光Ｌ１が受光素子に直接入射した場合、ＣＣＤの画素から飽和した電荷が、隣の画素に流れ込む現象（スミア）が生じる恐れがある。この影響を避けるために、遮光部１３があったほうが好ましい。【0168】
（第３の方法）測定条件を変える第３の方法としては、光検出器２１の前段に配置された遮光部１３の形状、サイズ、位置などを変える方法がある。例えば、図２５のように、光検出器２１の前側に複数の遮光部１３１〜１３４を配置する。遮光部１３１〜１３４は、光検出器２１の一部を覆うように配置された遮光板である。そして、遮光部１３１〜１３４は、光検出器２１の異なる部分を遮光するように配置されている。
【0169】
そして、遮光部１３１〜１３４のうちの１つを取り除いた状態で測定を行う。例えば、第１の測定条件では、遮光部１３１が光検出器２１の前から取り除かれた状態で測定を行う。すなわち、第１の測定条件では、遮光部１３２〜１３４が光検出器２１を覆った状態で測定が行われる。第２の測定条件では、遮光部１３２が光検出器２１の前から取り除かれた状態で測定を行う。すなわち、第２の測定条件では、遮光部１３１、１３３、１３４が光検出器２１を覆った状態で測定が行われる。このように、遮光部１３１〜１３４を順番に光検出器２１の前から取り除いていくことで、測定条件を変えることができる。【0170】
もちろん、単一の遮光部の位置や形状を変えることで、測定条件を変えることも可能である。さらに、形状の異なる複数の遮光部１３を用意して、遮光部１３を切り替えて配置してもよい。例えば、図４、図６、図９〜図１２、図１９の構成において、異なる形状や、異なる大きさの遮光部を用意すればよい。あるいは、２枚以上の遮光板を組み合わせて、遮光部とすることもできる。なお、第３の方法では、単一の受光素子を有する光検出器２１を用いることができる。【0171】
図２６は、遮光部の具体的な例を示す。図２６は、４つのタイプ（ＴＹＰＥ Ａ〜ＴＹＰＥ Ｄ）の遮光部１３を示す平面図である。図４等の対物レンズ５１によって照明光Ｌ１が１点に集光する測定装置において、図２６に示す遮光部１３を配置する。【0172】
図２６に示す遮光部１３は、図１５に対応する構成を有する遮光板である。図２６において、黒い部分が遮光領域３８となり、白い部分が透過領域３９となる。散乱光Ｌ２は、透過領域３９を透過する。ＴＹＰＥ Ａの遮光部１３とＴＹＰＥ Ｂの遮光部１３は、輪帯状の透過領域３９を有しており、透過領域３９の大きさが異なっている。ラジアル方向（径方向）がθを規定し、方位方向（周方向）がφを規定する。輪帯状の透過領域３９の内径がθ１を規定し、外径がθ２を規定する。【0173】
ＴＹＰＥ Ｂの遮光部１３は、ＴＹＰＥ Ａの遮光部１３よりも透過領域３９が小さくなっている。よって、ＴＹＰＥ ＡとＴＹＰＥ Ｂの遮光部１３は、θ１、θ２とが異なっている。具体的には、ＴＹＰＥ Ａの遮光部１３のθ１は、ＴＹＰＥ Ｂの遮光部１３のθ１よりも小さくなっている。ＴＹＰＥ Ａの遮光部１３のθ２は、ＴＹＰＥ Ｂの遮光部１３のθ２よりも大きくなっている。なお、遮光部１３でなく、光検出器２１、コリメートレンズ１４、集光レンズ１５の外形がθ２を規定してもよい。【0174】
ＴＹＰＥ Ｃの遮光部１３はφ１＝０，φ２＝πとするためのものである。ＴＹＰＥ Ｄの遮光部１３はφ１＝―π／２，φ２＝π／２とするためのものである。よって、ＴＹＰＥ Ｃ及びＴＹＰＥ Ｄの遮光部１３は、半円の輪帯状となっている。ＴＹＰＥ Ｃの遮光部１３を９０°回転させると、ＴＹＰＥ Ｄの遮光部１３と一致する。【0175】
ＴＹＰＥ ＡとＴＹＰＥ Ｂの遮光部１３の一つと、ＴＹＰＥ ＣとＴＹＰＥ Ｄの遮光部１３の一つと、を組み合わせて使用する。例えば、ＴＹＰＥ Ｂの遮光部１３とＴＹＰＥ Ｃの遮光部１３とが重ね合わせられて、図４の遮光部１３の位置に配置される。これにより、立体的な角度による測定条件φ１、φ２、θ１、θ２を規定することができる。なお、ＴＹＰＥ ＣとＴＹＰＥ Ｄの遮光部１３の両方を用いないようにすることで、φ１＝０，φ２＝２πの測定条件で測定を行うことができる。【0177】
また、実施の形態６では、金ナノ粒子１１の後方に散乱した後方散乱光を検出することも可能である。すなわち、金ナノ粒子１１からの後方散乱光を検出することで、電場成分を算出することができる。図２７は、後方散乱光を検出するための測定装置を模式的に示す図である。【0178】
平行光束である照明光Ｌ１はハーフミラー３０１に入射する。ハーフミラー３０１は、入射した光の一部を透過して、残りを反射する。照明光Ｌ１のほぼ半分はハーフミラー３０１を透過して、対物レンズ３０１に入射する。対物レンズ３０２は、照明光Ｌ１を金ナノ粒子１１に集光する。よって、複数の方向から進行波が金ナノ粒子１１で重なり合う。なお、図２７において、金ナノ粒子１１を保持する保持部材は省略されている。【0179】
金ナノ粒子１１で後方に散乱された後方散乱光の一部は、対物レンズ３０２に入射する。対物レンズ３０２に入射した散乱光Ｌ２は平行光束となって、ハーフミラー３０１に入射する。散乱光Ｌ２のほぼ半分がハーフミラー３０１で反射されて、光検出器２１に入射する。光検出器２１は、単一の受光素子からなる検出器である。光検出器２１とハーフミラー３０１との間に遮光部１３が配置されている。図２６に示したように、遮光部１３の形状を変えることで、異なる測定条件下での測定を行うことができる。そして、複数の測定条件下での測定に基づいて、集光スポットでの電場成分を求めることができる。すなわち、図２７では、第３の方法により、複数の測定条件下での測定を行うことができる。【0180】
図２８は後方散乱光を検出する別の構成を示している。図２８では、光検出器２１として２次元アレイ検出器が用いられている。ハーフミラー３０１、対物レンズ３０２については、図２７と同様である。また、図２８では、遮光部１３が設けられていない構成となっている。【0181】
図２８では、光検出器２１として２次元アレイ検出器が用いられている。そして、第２の方法により複数の測定条件下での測定を行っている。すなわち、受光素子の位置に応じた測定条件φ１、φ２、θ１、θ２が予めパソコン４２のメモリに記憶されている。そして、パソコン４２が複数の測定条件下での測定結果に基づいて、光の電場成分を算出する。【0182】
以上、本発明の実施形態の一例を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態による限定は受けない。【0183】
この出願は、２０１６年９月１２日に出願された日本出願特願２０１６−１７７２７６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。【符号の説明】
【0184】
１０ 筐体１１ 金ナノ粒子
１２ 保持部材
１２ａ 保持面
１２ｂ 凸面
１３ 遮光部
１４ コリメートレンズ
１５ 集光レンズ
２１ 光検出器
３１ 駆動部
３２ 第１鏡筒
３３ 第２鏡筒