JP4772485B2 - Scanning probe microscope - Google Patents
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Description
本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。 The present invention relates to a scanning probe microscope.
走査型プローブ顕微鏡(SPM)は機械的探針を機械的に走査して試料表面の情報を得る走査型顕微鏡であって、走査型トンネリング顕微鏡(STM)、原子間力顕微鏡(AFM)、走査型磁気力顕微鏡(MFM)、走査型電気容量顕微鏡(SCaM)、走査型近接場光顕微鏡(SNOM)、走査型熱顕微鏡(SThM)などの総称である。 A scanning probe microscope (SPM) is a scanning microscope that mechanically scans a mechanical probe to obtain information on the surface of a sample, and includes a scanning tunneling microscope (STM), an atomic force microscope (AFM), and a scanning type. It is a general term for a magnetic force microscope (MFM), a scanning capacitance microscope (SCaM), a scanning near-field light microscope (SNOM), a scanning thermal microscope (SThM), and the like.
走査型プローブ顕微鏡は、機械的探針と試料とを相対的にXY方向にラスター走査し、所望の試料領域の表面情報を機械的探針を介して得てモニターTV上にマッピング表示する。 The scanning probe microscope raster-scans the mechanical probe and the sample relatively in the X and Y directions, obtains surface information of a desired sample region via the mechanical probe, and displays the mapping on the monitor TV.
なかでもAFMは、最も広く使用されている装置であり、機械的探針をその自由端に持つカンチレバー、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサー、機械的探針と試料とを相対的に走査するスキャナーを備えている。AFMは、生物試料のマニピュレーションや生物試料以外の試料の観察、加工なども行なうことが可能である。 Among them, the AFM is the most widely used device. A cantilever with a mechanical probe at its free end, an optical displacement sensor that detects the displacement of the cantilever, and a mechanical probe and sample are scanned relatively. It has a scanner to do. The AFM can also perform manipulation of biological samples and observation and processing of samples other than biological samples.
最近では、液体中の生きた生物試料の動く様子が観察可能な生体動画観察用AFMが注目を集めている。この生体動画観察用AFMでは、その走査時間(1枚の画像を取得する時間)は遅くとも1秒以下、望ましくは0.1秒以下とされる。従来の生体用AFMの走査時間が数分〜数十分であることを考えると、生体動画観察用AFMは走査速度が非常に速い。従来の生体用AFMは静止画観察用であるのに対し、生体動画観察用AFMは動画観察が可能になっている。 Recently, an AFM for observing a moving image of a living body that can observe the movement of a living biological sample in a liquid has attracted attention. In this AFM for biological moving image observation, the scanning time (time for acquiring one image) is 1 second or less, preferably 0.1 seconds or less at the latest. Considering that the scan time of the conventional AFM for living body is several minutes to several tens of minutes, the AFM for living body moving image observation has a very high scanning speed. The conventional AFM for living body is for observing a still image, whereas the AFM for observing a living body moving image is capable of observing a moving image.
生体用AFMでは、走査速度に関係なく、カンチレバーの振動特性から試料探針間に働く相互作用を検出する方式(ACモード)を採用することが多い。それは、試料と探針の間に働く力を通常のモードに比べて弱く保つことができる利点があるからである。 A living body AFM often employs a method (AC mode) that detects an interaction between sample probes from the vibration characteristics of a cantilever regardless of the scanning speed. This is because there is an advantage that the force acting between the sample and the probe can be kept weak compared to the normal mode.
図1は生体用AFMの一構成例を示すブロック図である。図1に示される構成は、生体用AFMの基本的な動作原理を説明するためのものであり、従来からある生体用AFMと生体動画観察用AFMの違いを示すものではない。 FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a biomedical AFM. The configuration shown in FIG. 1 is for explaining the basic operation principle of the biological AFM, and does not show the difference between the conventional biological AFM and the biological moving image observation AFM.
図1において、ステージ12は撥水処理されており、液体14を表面張力により保持できる。液体14中には、Yスキャナー6とXスキャナー7とZスキャナー8に保持された試料9が配置される。言い換えれば、Zスキャナー8は試料を液体中で保持する試料台を兼ねている。Yスキャナー6は、コントローラー2から出力されるY走査信号に基づいてY駆動回路3により駆動され、試料9をY方向に走査する。またXスキャナー7は、コントローラー2から出力されるX走査信号に基づいてX駆動回路4により駆動され、試料9をX方向に走査する。さらにZスキャナー8は、コントローラー2から出力されるZ制御信号に基づいてZ駆動回路5により駆動され、試料9をZ方向に走査する。
In FIG. 1, the
また液体14中には、試料9と正対するように自由端に探針を有するカンチレバー10が配置される。このカンチレバー10は、ステージ12上に設けられたホルダー11に保持されている。ホルダー11には圧電素子13が設けられており、圧電素子13はコントローラー2からの励振信号を受けて、カンチレバー10を所定の振幅と周波数で機械的に振動させる。
A
ステージ12は透過ガラス16を備えており、ステージ12の下部には、透過ガラス16を介してカンチレバー10の変位を検出するため、対物レンズ17と光てこセンサー18が配置されている。この光てこセンサー18は、例えば特開2002−82037号公報に示されたものと同様に構成されており、対物レンズ17を介して集束性のレーザー光15をカンチレバー10の自由端上に照射し、対物レンズ17を介して取り込んだ反射光のスポット位置に基づいてカンチレバー10の変位を検出する。
The
振幅検出回路19は、光てこセンサー18が出力するカンチレバー10の変位信号の振幅値を算出し、算出したカンチレバー10の振幅値を振幅信号としてZ制御回路20に出力する。つまり振幅検出回路19は、カンチレバー10の振動振幅を反映した信号を出力する。Z制御回路20は、振幅検出回路19が出力する振幅信号を一定に保つようにZスキャナー8をZ方向に制御する。
The
このような構成において、コントローラー2からの励振信号を受けて、圧電素子13がカンチレバー10を所定の振幅とカンチレバー10の機械的共振周波数で励振させる。そして光てこセンサー18によりカンチレバー10の振幅を検出し、カンチレバー10の振動振幅が一定になるようにZ制御回路20とZ駆動回路5によりZスキャナー8に保持された試料9をZ方向(試料9の法線方向)に制御する。同時にY駆動回路3によりYスキャナー6をY方向に駆動し、さらにX駆動回路4によりXスキャナー7をX方向に駆動し、試料9を二次元走査する。このときのZ制御回路20の出力すなわちZスキャナー8のZ方向への印加電圧信号を画像データ取込部21を介してホストコンピューター1によりデータ取得し、そのデータを試料表面の凹凸信号として画像形成する。
In such a configuration, upon receiving the excitation signal from the
生体動画観察用AFMはXY方向の走査方法に特徴がある。以下、従来の生体用AFMと生体動画観察用AFMの走査方法の違いについて説明する。 A biological moving image observation AFM is characterized by a scanning method in the XY directions. Hereinafter, the difference in scanning method between the conventional AFM for living body and the AFM for living body moving image observation will be described.
まず従来の生体用AFMの走査方法について説明する。図2と図6はAFMにおけるXY走査の軌跡を示している。図2と図6において、走査線は見やすさを重視して少なく描かれているが、実際の走査線の数は一般に128〜512程度である。 First, a conventional scanning method for a living body AFM will be described. 2 and 6 show the locus of XY scanning in the AFM. In FIG. 2 and FIG. 6, the number of scanning lines is drawn with little emphasis on visibility, but the actual number of scanning lines is generally about 128 to 512.
図2は、一般的なラスター走査を示しており、画像データの取得は1方向(+Xの方向)でのみ行なう。このラスター走査に対応した走査信号を図3に示す。図3において、上段はY走査信号、中断はX走査信号、下段は画像データ取込指令信号を示している。Tfは描画周期を示しており、これはフレームレートの逆数に等しい。フレームレートは1秒間に描く画像の枚数であり、その単位はfps(frame per second)である。また、Tyは1回のラスター走査にかかる時間、Tyuは1画像(1フレーム)の画像取得時間、Tydは描画完了位置から次の描画基準位置に戻る時間、TxはX走査周期、TxuはX走査の画像データを取得する方向の移動時間、Tsは1回のX走査における画像データの取得にかかる時間を示している。 FIG. 2 shows a general raster scan, and image data is acquired only in one direction (+ X direction). A scanning signal corresponding to this raster scanning is shown in FIG. In FIG. 3, the upper part shows the Y scanning signal, the interruption shows the X scanning signal, and the lower part shows the image data fetch command signal. Tf indicates the drawing cycle, which is equal to the reciprocal of the frame rate. The frame rate is the number of images drawn per second, and its unit is fps (frame per second). Ty is the time required for one raster scan, Tyu is the image acquisition time for one image (one frame), Tyd is the time to return from the drawing completion position to the next drawing reference position, Tx is the X scanning cycle, and Txu is X The moving time in the direction of acquiring scanning image data, Ts, indicates the time required to acquire image data in one X-scan.
この方式では、図3に示されるように、ラスター走査を連続して繰り返して観察を行なう。この方法は連続ラスター走査と呼ばれ、Tf=Ty=Tyu+Tydとなるのが特徴である。一般的にはTxu=Tx/2あるが、図4に示されるように、画像データを取得する方向とその逆方向とで移動速度が異なる場合もある。同様に、TxuとTsについても、図5に示されるように、描画領域よりも走査領域を大きく取る(オーバー走査する)場合があり、Txu=Tsになるとは限らない。 In this method, as shown in FIG. 3, observation is performed by repeating raster scanning continuously. This method is called continuous raster scanning and is characterized by Tf = Ty = Tyu + Tyd. Generally, Txu = Tx / 2, but as shown in FIG. 4, the moving speed may be different in the direction in which image data is acquired and in the opposite direction. Similarly, for Txu and Ts, as shown in FIG. 5, the scanning area may be larger than the drawing area (overscanning), and Txu = Ts is not always satisfied.
図6は、双方向のラスター走査を示しており、Y走査の両方向で画像データの取得を行なう方式である。これも画像データの取得は1方向(+Xの方向)でのみ行なう。このラスター走査に対応した走査信号を図7に示す。図7において、上段はY走査信号、中断はX走査信号、下段は画像データ取込指令信号を示している。また、Tyは1回のラスター走査にかかる時間、Tyu=Tyd=Ty/2は1画像(1フレーム)の画像取得時間、TxはX走査周期、TxuはX走査の画像データを取得する方向の移動時間、Tsは1回のX走査における画像データの取得にかかる時間を示している。 FIG. 6 shows bidirectional raster scanning, which is a method for acquiring image data in both directions of Y scanning. Also in this case, image data is acquired only in one direction (+ X direction). FIG. 7 shows scanning signals corresponding to the raster scanning. In FIG. 7, the upper row shows the Y scanning signal, the interruption shows the X scanning signal, and the lower row shows the image data capture command signal. Also, Ty is the time required for one raster scan, Tyu = Tyd = Ty / 2 is the image acquisition time for one image (one frame), Tx is the X scan period, and Txu is the direction for acquiring the X scan image data. The moving time, Ts, indicates the time taken to acquire image data in one X scan.
この方式でも、図7に示されるように、ラスター走査を連続して繰り返して観察を行なう。この双方向のラスター走査方式では、描画完了位置から次の描画基準位置に戻る時間Tydが必要ないため、一般的なラスター走査方式と比較して若干高速に連続観察できる。 Even in this method, as shown in FIG. 7, raster scanning is continuously repeated for observation. This bidirectional raster scanning method does not require the time Tyd to return from the drawing completion position to the next drawing reference position, so that continuous observation can be performed at a slightly higher speed than the general raster scanning method.
次に生体動画観察用AFMの走査方法について簡単に説明する。生体動画観察用AFMでは、上述した連続ラスター走査と連続双方向ラスター走査のほかに、従来の生体用AFMにはない間欠ラスター走査という方法を用いることが多い。これは、動く生体試料の形を明確に捉えるために画像取得時間(1フレームの取込時間)を短くし、動画データの容量(動画ファイルの容量)を抑えるためにフレームレートを低くする方法であり、動く生体試料の長時間観察に適している。 Next, a scanning method of the AFM for biological moving image observation will be briefly described. In the AFM for living body moving image observation, in addition to the above-described continuous raster scanning and continuous bidirectional raster scanning, a method called intermittent raster scanning which is not found in the conventional living body AFM is often used. This is a method that shortens the image acquisition time (capture time of one frame) in order to clearly capture the shape of the moving biological sample, and lowers the frame rate in order to reduce the volume of moving image data (capacity of the moving image file). Yes, suitable for long-term observation of moving biological samples.
図8は、間欠ラスター走査に対応した走査信号を示している。図8において、Tfは描画周期を示しており、これはフレームレートの逆数に等しい。フレームレートは1秒間に描く画像の枚数であり、その単位はfps(frame per second)である。また、Tyは1回のラスター走査にかかる時間、Tyuは1画像(1フレーム)の画像取得時間、Tydは描画完了位置から次の描画基準位置に戻る時間を示している。図8から分かるように、間欠ラスター走査は、Tf>Ty=Tyu+Tydとなるのが特徴であり、これにより動画データの容量(動画ファイルの容量)が抑えられる。 FIG. 8 shows a scanning signal corresponding to intermittent raster scanning. In FIG. 8, Tf indicates the drawing cycle, which is equal to the reciprocal of the frame rate. The frame rate is the number of images drawn per second, and its unit is fps (frame per second). Further, Ty represents a time required for one raster scan, Tyu represents an image acquisition time for one image (one frame), and Tyd represents a time for returning from the drawing completion position to the next drawing reference position. As can be seen from FIG. 8, intermittent raster scanning is characterized by Tf> Ty = Tyu + Tyd, thereby suppressing the capacity of moving image data (capacity of moving image file).
例えば、1回のラスター走査にかかる時間が33ms、フレームレートが30fpsの連続走査を行なった場合、30分観察を続けると画像数は54000に及ぶ。ところが、1回のラスター走査にかかる時間が33ms、フレームレートが1fpsの間欠ラスター走査を行なった場合には、画像数は1800に抑えられる。また試料と探針の相対的な走査が最小限に抑えられるので、試料が受けるダメージも低減できる。このように、間欠ラスター走査は長時間観察に適した走査法であると言える。 For example, when continuous scanning is performed with a raster scan time of 33 ms and a frame rate of 30 fps, if the observation is continued for 30 minutes, the number of images reaches 54,000. However, the number of images can be reduced to 1800 when intermittent raster scanning is performed with a time required for one raster scanning of 33 ms and a frame rate of 1 fps. In addition, since the relative scanning of the sample and the probe can be minimized, damage to the sample can be reduced. Thus, it can be said that intermittent raster scanning is a scanning method suitable for long-time observation.
しかし間欠ラスター走査には、図9に示されるように、X走査信号が描画周期Tfのパルス信号(信号α)のように振る舞い、描画周期Tfのパルス信号の高調波成分が振動ノイズとなって観察を妨げるという不具合がある。生体動画観察用AFMのフレームレート(1秒間に描く画像の枚数、単位はfps(frame per second))が1〜30fpsであることを考えると、このパルス信号の高調波成分は、1Hz〜1kHzの範囲のほぼすべてに生じることになる。生体動画観察用AFMの装置本体の合成が非常に高いとしても、多数の部品から構成される機械装置である限り、数Hz〜数kHzの範囲には少なくとも1つの共振周波数が存在し、パルス信号の高調波成分がその共振を励起してしまう。つまり、周期Tfのパルス信号が振動ノイズを発生させる。 However, in intermittent raster scanning, as shown in FIG. 9, the X scanning signal behaves like a pulse signal (signal α) having a drawing period Tf, and the harmonic component of the pulse signal having the drawing period Tf becomes vibration noise. There is a defect that obstructs observation. Considering that the frame rate (number of images drawn per second, unit: fps (frame per second)) of the AFM for observing biological moving images is 1 to 30 fps, the harmonic component of this pulse signal is 1 Hz to 1 kHz. Will occur in almost all of the range. Even if the synthesis of the main body of the AFM for biological moving image observation is very high, at least one resonance frequency exists in the range of several Hz to several kHz as long as the mechanical device is composed of a large number of parts, and the pulse signal The harmonic component of this excites the resonance. That is, the pulse signal having the period Tf generates vibration noise.
本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、間欠ラスター走査に生じる振動ノイズが低減された走査型プローブ顕微鏡を提供することである。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide a scanning probe microscope in which vibration noise generated in intermittent raster scanning is reduced.
本発明は、尖った先端を持つ探針を試料に近接させた状態で、探針と試料を相対的にラスター走査しながら試料の表面との間に発生する物理量を検出することにより画像情報を得る走査型プローブ顕微鏡であり、前記ラスター走査を制御する走査制御部と、前記走査制御部から出力されるX走査信号に応じて前記試料と前記探針のどちらか一方をX方向(ラスター走査の走査線方向)に走査するX走査手段と、前記走査制御部から出力されるY走査信号に応じて前記試料と前記探針のどちらか一方をY方向に走査するY走査手段と、前記X走査信号に同期して画像データを取得する画像データ取得部とを備えており、前記走査制御部は、画像取得時間Tyu[s]とフレームレートN[fps]がTyu<1/Nの関係となるように間欠的にY走査信号を出力し、かつ、0でない一定の振幅値をもつX走査信号を継続的に出力することを特徴とする。 In the present invention, image information is obtained by detecting a physical quantity generated between the probe and the surface of the sample while relatively scanning the probe and the sample with a probe having a sharp tip close to the sample. A scanning probe microscope that controls the raster scanning, and in accordance with an X scanning signal output from the scanning control unit, either the sample or the probe is moved in the X direction (raster scanning X scanning means for scanning in the scanning line direction), Y scanning means for scanning either the sample or the probe in the Y direction in accordance with a Y scanning signal output from the scanning control unit, and the X scanning. An image data acquisition unit that acquires image data in synchronization with the signal, and the scan control unit has a relationship of Tyu <1 / N between the image acquisition time Tyu [s] and the frame rate N [fps]. as intermittently It outputs a scanning signal, and characterized by continuously outputting the X scan signal having a constant amplitude value non-zero.
本発明によれば、間欠ラスター走査に生じる振動ノイズが低減された走査型プローブ顕微鏡が提供される。 According to the present invention, there is provided a scanning probe microscope in which vibration noise generated in intermittent raster scanning is reduced.
以下、図10〜図22を参照しながら本発明の実施形態について説明する。続く実施形態における走査型プローブ顕微鏡の構成はハード的には図1に示した従来のものと同じであり、従来のものとは走査信号が相違している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. The configuration of the scanning probe microscope in the following embodiment is the same as the conventional one shown in FIG. 1 in terms of hardware, and the scanning signal is different from the conventional one.
<第一実施形態>
図10は、本発明の第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡における走査信号を示している。図10において、Tfは描画周期を示し、これはフレームレートの逆数に等しい。またTyuは画像取得時間を示し、これは1画像(1フレーム)の画像を描く時間である。
<First embodiment>
FIG. 10 shows a scanning signal in the scanning probe microscope according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 10, Tf indicates a drawing cycle, which is equal to the reciprocal of the frame rate. Tyu indicates an image acquisition time, which is a time for drawing one image (one frame).
本実施形態の走査は間欠走査であり、画像取得時間Tyuと[s]とフレームレートN[fps]の間にはTyu<1/Nの関係がある。Y走査信号の振幅値は、画像データを取得する画像取得時間Tyuの間だけ直線的に増加し、画像データの取得終了後直ちにほぼ0に戻る。一方、X走査信号の振幅値は常に一定(≠0)で、画像データの取得時の振幅値のままである。 The scanning of this embodiment is intermittent scanning, and there is a relationship of Tyu <1 / N between the image acquisition times Tyu and [s] and the frame rate N [fps]. The amplitude value of the Y scanning signal increases linearly only during the image acquisition time Tyu for acquiring the image data, and returns to almost 0 immediately after the acquisition of the image data. On the other hand, the amplitude value of the X scanning signal is always constant (≠ 0) and remains the amplitude value at the time of image data acquisition.
このため、X走査信号にパルス信号のような高調波成分がなくなり、振動ノイズの発生が防止される。従って、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、液中生体を低ノイズで動画観察できる。 For this reason, harmonic components such as pulse signals are eliminated from the X scanning signal, and generation of vibration noise is prevented. Therefore, the scanning probe microscope of the present embodiment can observe a moving organism in liquid with low noise.
本実施形態では、Y走査信号の振幅値は、画像データの取得終了後直ちにほぼ0に戻るが、画像データの取得終了後の所定時間の間に段階的に減少してほぼ0に戻ってもよい。 In the present embodiment, the amplitude value of the Y scanning signal returns to almost 0 immediately after the end of the acquisition of the image data. However, even if the amplitude value of the Y scanning signal decreases stepwise during the predetermined time after the end of the acquisition of the image data, it returns to about 0. Good.
<第二実施形態>
図11は、本発明の第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡における走査信号を示している。図11において、Tfは描画周期を示し、これはフレームレートの逆数に等しい。また、Tyuは画像取得時間を示している。
<Second embodiment>
FIG. 11 shows a scanning signal in the scanning probe microscope according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 11, Tf indicates a drawing cycle, which is equal to the reciprocal of the frame rate. Tyu represents the image acquisition time.
本実施形態の走査は間欠走査であり、画像取得時間Tyuと[s]とフレームレートN[fps]の間にはTyu<1/Nの関係がある。Y走査信号の振幅値は、画像データを取得する画像取得時間Tyuの間だけ直線的に増加し、画像データの取得終了後直ちにほぼ0に戻る。一方、X走査信号の振幅値は、画像データの取得開始前の一定時間Txsの間にほぼ0から段階的に直線的に増加して画像データの取得時の振幅値になり、画像取得時間Tyuの間は一定で、画像データの取得終了後の一定時間Txeの間に画像データの取得時の振幅値から段階的に直線的に減少してほぼ0になる。 The scanning of this embodiment is intermittent scanning, and there is a relationship of Tyu <1 / N between the image acquisition times Tyu and [s] and the frame rate N [fps]. The amplitude value of the Y scanning signal increases linearly only during the image acquisition time Tyu for acquiring the image data, and returns to almost 0 immediately after the acquisition of the image data. On the other hand, the amplitude value of the X scanning signal increases linearly in a stepwise manner from almost 0 during a certain time Txs before the start of image data acquisition to become the amplitude value at the time of image data acquisition, and the image acquisition time Tyu. Is constant, and during a certain time Txe after the acquisition of the image data, the amplitude value at the time of acquisition of the image data decreases linearly in a stepwise manner to almost zero.
このAM変調された走査波形のピーク値が描く軌跡は、図12に示されるように、台形信号(信号β)になる。このため、描画周期Tfの高調波成分が抑えられ、振動ノイズの発生が低減される。従って、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、液中生体を低ノイズで動画観察できる。さらに、Xスキャナー7の駆動が間欠的に停止されるので、Xスキャナー7の疲労、探針の磨耗や汚れの付着、試料が受けるダメージが減される。
The locus drawn by the peak value of the AM-modulated scanning waveform is a trapezoidal signal (signal β) as shown in FIG. For this reason, the harmonic component of the drawing period Tf is suppressed, and the generation of vibration noise is reduced. Therefore, the scanning probe microscope of the present embodiment can observe a moving organism in liquid with low noise. Further, since the driving of the
図13は、第二実施形態の変形例におけるX走査信号を示している。この変形例の走査では、X走査信号の振幅値は、画像データの取得開始前の一定時間Txsの間にほぼ0から段階的にS字曲線状に増加して画像データの取得時の振幅値になり、画像取得時間Tyuの間は一定で、画像データの取得終了後の一定時間Txeの間に画像データの取得時の振幅値から段階的にS字曲線状に減少してほぼ0になる。 FIG. 13 shows an X scanning signal in a modification of the second embodiment. In the scanning of this modified example, the amplitude value of the X scanning signal increases in a sigmoidal shape in a stepwise manner from almost 0 during a certain time Txs before the start of image data acquisition, and the amplitude value at the time of image data acquisition It is constant during the image acquisition time Tyu, and gradually decreases from the amplitude value at the time of image data acquisition to an S-curve shape and becomes almost zero during a predetermined time Txe after the end of image data acquisition. .
このAM変調された走査波形のピーク値が描く軌跡は、角が丸められた台形信号(信号γ)になる。このため、描画周期Tfの高調波成分がより良く抑えられ、振動ノイズの発生がさらに低減される。 The locus drawn by the peak value of this AM-modulated scanning waveform is a trapezoidal signal (signal γ) with rounded corners. For this reason, the harmonic component of the drawing cycle Tf is better suppressed, and the generation of vibration noise is further reduced.
本実施形態では、Y走査信号の振幅値は、画像データの取得終了後直ちにほぼ0に戻るが、画像データの取得終了後の所定時間の間に、例えば一定時間Txeの間に、段階的に減少してほぼ0に戻ってもよい。 In the present embodiment, the amplitude value of the Y scanning signal returns to almost zero immediately after the end of the acquisition of the image data, but in a stepwise manner, for example, during a predetermined time Txe after the end of the acquisition of the image data. It may decrease and return to almost zero.
<第三実施形態>
図14は、第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。この図14において、図1に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材である。言い換えれば、本実施形態の装置は、図1の装置と比較して、Z制御回路30と走査信号が相違している。以下、図1に関連して説明済みの部材の詳しい説明は省略し、相違部分に重点をおいて説明する。
<Third embodiment>
FIG. 14 shows the configuration of the scanning probe microscope of the third embodiment. In FIG. 14, members indicated by the same reference numerals as those shown in FIG. 1 are similar members. In other words, the apparatus of this embodiment differs from the apparatus of FIG. 1 in the
図14において、Z制御回路30は、振幅検出回路19が出力するカンチレバーの振幅信号を一定に保つようにZスキャナー8をZ方向に制御する。コントローラー2は、制御ON/OFF指令信号31によりZ制御回路30の制御機能を作動または停止させる。Z制御回路30は、制御機能が停止されると、Z駆動回路5へ最低レベルの信号を出力し、Zスキャナー8は変位が最小の状態(試料9とカンチレバー10の探針が最も離れた状態)になる。
In FIG. 14, the
図15は、第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡の走査信号を示すものである。図15において、Tfは描画周期を示し、これはフレームレートの逆数に等しい。またTyuは1画像(1フレーム)の画像取得時間を示している。この走査では、図6に示す走査信号と同様にTf>Ty=Tyu+Tydの関係がある。言い換えれば、画像取得時間Tyu[s]とフレームレートN[fps]の間にTyu<1/Nの関係がある。また、Y方向は画像データを取得するときだけ動く間欠走査になっているが、X走査信号は画像データを取得しない区間にあっても途切れることなく継続的に出力される。Y走査信号の振幅値は、画像データを取得する画像取得時間Tyuの間だけ直線的に増加し、画像データの取得終了後直ちにほぼ0に戻る。一方、X走査信号の振幅値は常に一定(≠0)で、画像データの取得時の振幅値のままである。 FIG. 15 shows scanning signals of the scanning probe microscope of the third embodiment. In FIG. 15, Tf indicates a drawing cycle, which is equal to the reciprocal of the frame rate. Tyu represents the image acquisition time of one image (one frame). In this scanning, there is a relationship of Tf> Ty = Tyu + Tyd, similarly to the scanning signal shown in FIG. In other words, there is a relationship of Tyu <1 / N between the image acquisition time Tyu [s] and the frame rate N [fps]. Further, although the Y direction is intermittent scanning that moves only when image data is acquired, the X scan signal is continuously output without interruption even in a section where image data is not acquired. The amplitude value of the Y scanning signal increases linearly only during the image acquisition time Tyu for acquiring the image data, and returns to almost 0 immediately after the acquisition of the image data. On the other hand, the amplitude value of the X scanning signal is always constant (≠ 0) and remains the amplitude value at the time of image data acquisition.
制御ON/OFF指令信号31は矩形形状の信号であり、Y走査信号に同期して切り替わる。従って、Z制御回路30はY走査信号に同期して制御機能が作動または停止される。Z制御回路30の制御機能は、画像データを取得しない区間のすべてにわたり停止される。
The control ON /
これにより、X走査信号にパルス信号のような高調波成分がなくなり、X走査信号の間欠動作に起因する振動ノイズの発生が完全に防止される。従って、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、液中生体を低ノイズで動画観察できる。 This eliminates the harmonic component such as the pulse signal in the X scanning signal, and the generation of vibration noise due to the intermittent operation of the X scanning signal is completely prevented. Therefore, the scanning probe microscope of the present embodiment can observe a moving organism in liquid with low noise.
さらに、制御ON/OFF指令信号31の波形グラフに示されるように、画像データを取得するとき以外は制御機能がOFF、すなわち試料9とカンチレバー10の探針が最も離れた状態になる。これにより、画像データを取得するとき以外はカンチレバー10の探針と試料9が接触しなくなり、探針の磨耗や汚れの付着が最小限に留められる。さらに試料が受けるダメージも低減される。
Further, as shown in the waveform graph of the control ON /
上述した説明では、Z制御回路30の制御機能は画像データを取得しない区間のすべてにおいて停止されているが、Z制御回路30の制御機能は画像データを取得しない区間の一部において停止されてもよい。
In the above description, the control function of the
<第四実施形態>
図16は、第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。この図16において、図1に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材である。言い換えれば、本実施形態の装置は、図1の装置と比較して、Z制御回路40と走査信号が相違している。以下、図1に関連して説明済みの部材の詳しい説明は省略し、相違部分に重点をおいて説明する。
<Fourth embodiment>
FIG. 16 shows the configuration of the scanning probe microscope of the fourth embodiment. In FIG. 16, the members indicated by the same reference numerals as those shown in FIG. 1 are the same members. In other words, the apparatus of this embodiment differs from the apparatus of FIG. 1 in the
Z制御回路40は、振幅検出回路19が出力するカンチレバーの振幅信号Vampを一定に保つようにZスキャナー8をZ方向に制御する。Z制御回路40は、コントローラー2から供給される制御基準信号Vrefとカンチレバーの振幅信号Vampを比較し、両信号が一致するようにZスキャナー8をZ方向に制御する。本実施形態では制御基準信号Vrefに特徴があるため、まずは制御基準信号Vrefについて以下に詳しく説明する。
The
本実施形態に示す走査型プローブ顕微鏡では、カンチレバー10を所定の振幅、共振周波数近傍の周波数で機械的に振動させた状態で試料9と接触させる。そして、カンチレバー10の探針と試料9との相互作用によるカンチレバー10の振動振幅の変化が一定となるよう制御する。制御基準信号Vrefは、相互作用によるカンチレバー10の振動振幅の変化の目標値を示す信号であり、その目標値はフォースカーブにより設定される。そこでまずフォースカーブについて説明する。
In the scanning probe microscope shown in the present embodiment, the
図17A〜図17Cは、図16に示すカンチレバー10と試料9の位置関係を紙面上下方向に反転させて示している。
FIG. 17A to FIG. 17C show the positional relationship between the
図17Aは、カンチレバー10の探針と試料9が離れている状態を示している。ここで、カンチレバー10と試料9の距離をZ、圧電素子13により加振されたカンチレバー10の振動振幅をx0、カンチレバー10の探針の長さをLとすると、Z>x0+Lが成り立つ。
FIG. 17A shows a state where the probe of the
図17Bは、図17Aの状態からカンチレバー10と試料9を近づけ、カンチレバー10の探針と試料9が接触し始めた状態を示している。ここではZ=x0+Lが成り立ち、このときのZをZ0とおく。すなわちZ0=x0+Lである。
FIG. 17B shows a state in which the
図17Cは、図17Bの状態からカンチレバー10と試料9をさらに近づけ、カンチレバー10の探針と試料9を適度に接触させた状態を示している。このときカンチレバー10の振動振幅はxcに減少する。ここではZ=xc+L<x0+L=Z0が成り立つ。
FIG. 17C shows a state in which the
図18Aは、「カンチレバー10と試料9の距離とカンチレバー10の振動振幅の関係」を示すグラフであり、これがフォースカーブと呼ばれるものである。
FIG. 18A is a graph showing a “relationship between the distance between the
図18Aにおいて、縦軸はカンチレバー10の振動振幅、横軸はカンチレバー10と試料9の距離を示している。このグラフに示されるように、カンチレバー10と試料9を近づけていく際、カンチレバー10と試料9の距離がZ0になるまではカンチレバー10の振動振幅は一定値x0であり、カンチレバー10と試料9の距離がZ0よりも小さくなると(カンチレバー10の探針と試料9を接触させると)カンチレバー10の振動振幅はx0よりも小さくなる。
In FIG. 18A, the vertical axis represents the vibration amplitude of the
ここで、制御におけるカンチレバー10の振動振幅の変化の目標値としてxcを設定する。xcはカンチレバー10の探針と試料9を適度に接触させた状態のときのカンチレバー10の振動振幅であり、x0の70%〜95%程度の大きさにするのが一般的である。このとき、光てこセンサー18のセンサー感度をS[nm/V]とおくと、「振幅検出回路19から出力されるカンチレバーの振幅信号Vampの大きさ(電圧値)」と「カンチレバー10と試料9との距離」の関係は、図18Bに示されるグラフとなる。すなわち、カンチレバー10の振動振幅がx0のときカンチレバーの振幅信号Vampの大きさ(電圧値)はx0/S、カンチレバー10の振動振幅がxcのときカンチレバーの振幅信号Vampの大きさ(電圧値)はxc/Sとなる。
Here, xc is set as the target value of the change in the vibration amplitude of the
次に制御基準信号Vrefについて説明する。 Next, the control reference signal Vref will be described.
上述では相互作用によるカンチレバー10の振動振幅の変化の目標値をxcとおいた。つまりカンチレバーの振幅信号Vampの大きさ(電圧値)の目標値はxc/Sとなる。Z制御回路40は制御基準信号Vrefとカンチレバーの振幅信号Vampを比較し、両信号が一致するように制御するので、カンチレバーの振動振幅を所望の値(xc)にするには制御基準信号Vrefの大きさ(電圧値)をxc/Sに設定すればよい。
In the above description, the target value of the change in the vibration amplitude of the
ところで従来の走査型プローブ顕微鏡では、制御基準信号は一定値(DC信号)であり、従って電圧値xc/Sが出力され続ける。これに対して本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、制御基準信号Vrefの値は適宜変更される。 By the way, in the conventional scanning probe microscope, the control reference signal is a constant value (DC signal), and therefore the voltage value xc / S continues to be output. On the other hand, in the scanning probe microscope of the present embodiment, the value of the control reference signal Vref is changed as appropriate.
図19は、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡における制御基準信号VrefとXY走査信号を示している。図19に示されるように、制御基準信号VrefはY走査信号に同期して増減する信号であり、xn/Sとxc/Sの二つの値を交互に繰り返し取る。ここでxn/S>xc/Sである。制御基準信号VrefはY走査信号に同期して切り替わる矩形形状の信号であってもよいが、好ましくは、Y走査信号に同期して緩やかに切り替わる台形形状の信号であるとよい。制御基準信号Vrefは、矩形形状の信号の場合には、画像データを取得しない区間のすべてにおいて大きい値(xn/S)を取り、台形形状の信号の場合には、画像データを取得しない区間の一部において大きい値(xn/S)を取る。ここでxnは、図18Aに示されるように、カンチレバー10の基本となる振動振幅x0よりも大きい値であり、実際にカンチレバー10がこの振動振幅で振動することはない。つまりこの目標値(xn/S)を制御基準信号Vrefに出力させても、Z制御回路40では制御をかけることができず、Zスキャナー8の変位が最小の状態(試料9とカンチレバー10の探針が最も離れた状態)になる。これは、第三実施形態で制御機能を停止したときと同等の状態である。
FIG. 19 shows the control reference signal Vref and the XY scanning signal in the scanning probe microscope of the present embodiment. As shown in FIG. 19, the control reference signal Vref is a signal that increases and decreases in synchronization with the Y scanning signal, and repeatedly takes two values of xn / S and xc / S alternately. Here, xn / S> xc / S. The control reference signal Vref may be a rectangular signal that switches in synchronization with the Y scanning signal, but is preferably a trapezoidal signal that switches gently in synchronization with the Y scanning signal. In the case of a rectangular signal, the control reference signal Vref takes a large value (xn / S) in all the sections in which image data is not acquired, and in the case of a trapezoidal signal, the control reference signal Vref is a section in which no image data is acquired. Some take large values (xn / S). Here, as shown in FIG. 18A, xn is a value larger than the fundamental vibration amplitude x0 of the
制御基準信号Vrefは、画像データを取得するときは従来の走査型プローブ顕微鏡と同様にxc/Sの値を取り、画像データを取得しないときはxn/Sの値となる。つまり画像データを取得するときは制御機能を作動させている状態となり、画像データを取得しないときは制御機能を停止している状態と等しく、試料9とカンチレバー10の探針が最も離れた状態になる。また、xc/Sからxn/Sへの切り替えは時間Tieをかけて緩やかに行なわれる。さらにxn/Sからxc/Sへの切り替えも時間Tisをかけて緩やかに行なわれる。TieとTisは同じ値であってもよい。
The control reference signal Vref takes the value of xc / S when acquiring image data as in the conventional scanning probe microscope, and becomes the value of xn / S when not acquiring image data. In other words, the control function is activated when acquiring image data, and the control function is stopped when image data is not acquired, and the probe of the
以上より、本実施形態では、図6に示す走査信号と同様にTf>Ty=Tyu+Tydの関係がある。言い換えれば、画像取得時間Tyu[s]とフレームレートN[fps]の間にTyu<1/Nの関係がある。また、Y方向は画像データを取得するときだけ動く間欠走査になっているが、X走査信号は画像データを取得しない区間にあっても途切れることなく継続的に出力される。Y走査信号の振幅値は、画像データを取得する画像取得時間Tyuの間だけ直線的に増加し、画像データの取得終了後直ちにほぼ0に戻る。一方、X走査信号の振幅値は常に一定(≠0)で、画像データの取得時の振幅値のままである。 As described above, in the present embodiment, there is a relationship of Tf> Ty = Tyu + Tyd similarly to the scanning signal shown in FIG. In other words, there is a relationship of Tyu <1 / N between the image acquisition time Tyu [s] and the frame rate N [fps]. Further, although the Y direction is intermittent scanning that moves only when image data is acquired, the X scan signal is continuously output without interruption even in a section where image data is not acquired. The amplitude value of the Y scanning signal increases linearly only during the image acquisition time Tyu for acquiring the image data, and returns to almost 0 immediately after the acquisition of the image data. On the other hand, the amplitude value of the X scanning signal is always constant (≠ 0) and remains the amplitude value at the time of image data acquisition.
これにより、X走査信号にパルス信号のような高調波成分がなくなり、X走査信号の間欠動作に起因する振動ノイズの発生が完全に防止される。従って、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、液中生体を低ノイズで動画観察できる。 This eliminates the harmonic component such as the pulse signal in the X scanning signal, and the generation of vibration noise due to the intermittent operation of the X scanning signal is completely prevented. Therefore, the scanning probe microscope of the present embodiment can observe a moving organism in liquid with low noise.
さらに、本実施形態では、制御基準信号Vrefが二つの値が緩やかに切り替わる台形状の信号になっているので、第三実施形態の利点に加え、制御機能の作動と停止の切り替え動作が緩やかに行なわれる。これは制御の安定性向上につながる。 Furthermore, in this embodiment, since the control reference signal Vref is a trapezoidal signal in which two values are gently switched, in addition to the advantages of the third embodiment, the switching operation between the control function and the stop is gently performed. Done. This leads to improved control stability.
図20は第四実施形態の変形例における制御基準信号VrefとXY走査信号を示している。制御基準信号Vrefはxn/Sとxc/Sの二つの値を滑らかに切り替えるS字台形状の信号になっている。これによれば、制御機能の作動と停止の切り替え動作が滑らかに行なわれる。これは制御のより安定性向上につながる。 FIG. 20 shows a control reference signal Vref and an XY scanning signal in a modification of the fourth embodiment. The control reference signal Vref is an S-shaped trapezoidal signal that smoothly switches between two values of xn / S and xc / S. According to this, the switching operation between the operation and stop of the control function is smoothly performed. This leads to improved control stability.
これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention. Also good.
例えば、図21に示されるように、X走査信号は、三角波のエッジを潰して滑らかにした波形に変更されてよい。この場合、描画領域よりも走査領域を大きく取るオーバー走査(Txu>Ts)が必要になるが、X走査信号そのものがつくる高調波成分が低減される。その結果、振動ノイズがさらに低減される。 For example, as shown in FIG. 21, the X scanning signal may be changed to a waveform obtained by squashing the edges of the triangular wave. In this case, overscanning (Txu> Ts) that takes a scanning area larger than the drawing area is required, but the harmonic component generated by the X scanning signal itself is reduced. As a result, vibration noise is further reduced.
また別の例としては、図22に示されるように、Y走査信号は、画像データを取得しない区間をすべて使って戻されてよい。すなわちTyd=Tf−Tyuとされてよい。このようにすると、Y走査信号の高調波成分も低減され、振動ノイズがさらに低減される。 As another example, as shown in FIG. 22, the Y scanning signal may be returned using all the sections in which image data is not acquired. That is, Tyd = Tf−Tyu. In this way, the harmonic component of the Y scanning signal is also reduced, and vibration noise is further reduced.
さらに、本実施形態ではカンチレバーの振動振幅を所定の値になるよう制御しているが、カンチレバーの振動周波数や位相を制御する走査型プローブ顕微鏡に対しても効果がある。 Furthermore, in this embodiment, the vibration amplitude of the cantilever is controlled to be a predetermined value, but this is also effective for a scanning probe microscope that controls the vibration frequency and phase of the cantilever.
1…ホストコンピューター、2…コントローラー、3…Y駆動回路、4…X駆動回路、5…Z駆動回路、6…Yスキャナー、7…Xスキャナー、8…Zスキャナー、9…試料、10…カンチレバー、11…ホルダー、12…ステージ、13…圧電素子、14…液体、15…レーザー光、16…透過ガラス、17…対物レンズ、18…センサー、19…振幅検出回路、20…Z制御回路、21…画像データ取込部、30…Z制御回路、31…制御ON/OFF指令信号、40…Z制御回路。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記ラスター走査を制御する走査制御部と、
前記走査制御部から出力されるX走査信号に応じて前記試料と前記探針のどちらか一方を前記ラスター走査の走査線方向であるX方向に走査するX走査手段と、
前記走査制御部から出力されるY走査信号に応じて前記試料と前記探針のどちらか一方をY方向に走査するY走査手段と、
前記Y走査信号に同期して画像データを取得する画像データ取得部とを備え、
前記走査制御部は、画像取得時間Tyu[s]とフレームレートN[fps]がTyu<1/Nの関係となるようにY走査信号を間欠的に出力し、かつ、0でない一定の振幅値をもつX走査信号を継続的に出力することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 Scanning probe that obtains image information by detecting the physical quantity generated between the probe surface and the sample surface while relatively scanning the probe and the sample with the probe having a sharp tip close to the sample. A microscope,
A scanning control unit for controlling the raster scanning;
X scanning means for scanning either the sample or the probe in the X direction that is the scanning line direction of the raster scanning in accordance with an X scanning signal output from the scanning control unit;
Y scanning means for scanning either the sample or the probe in the Y direction according to a Y scanning signal output from the scanning control unit;
An image data acquisition unit that acquires image data in synchronization with the Y scanning signal,
The scanning control unit intermittently outputs a Y scanning signal so that the image acquisition time Tyu [s] and the frame rate N [fps] have a relationship of Tyu <1 / N, and a constant amplitude value that is not 0 scanning probe microscope characterized by continuously outputting the X scan signal with.
前記試料を液体中で保持する試料台と、
自由端に前記探針を有するカンチレバーと、
前記カンチレバーを前記液体中で保持するカンチレバーホルダーと、
前記カンチレバーをその機械的共振周波数近傍で振動させるための加振手段と、
集束性の光を前記カンチレバー自由端に焦点を合わせて照射して前記カンチレバーの振動状態を検出し、その振動状態を反映した信号を出力するための振動状態検出手段と、
前記カンチレバーホルダーと前記試料台のどちらか一方をZ方向に微動させるためのZ微動手段と、
前記振動状態検出手段の出力信号に基づいて前記Z微動手段を制御するためのZ制御手段と、
前記Y走査信号に同期して、前記Z制御手段の制御機能を作動または停止させるための制御機能コントロール手段とをさらに備え、前記画像取得時間以外において、前記制御機能コントロール手段は前記Z制御手段の制御機能を停止させることを特徴とする請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。 A liquid stage for holding the liquid;
A sample stage for holding the sample in a liquid;
A cantilever having the probe at the free end;
A cantilever holder for holding the cantilever in the liquid;
Vibration means for vibrating the cantilever near its mechanical resonance frequency;
A vibration state detection means for detecting a vibration state of the cantilever by irradiating a convergent light focused on the free end of the cantilever, and outputting a signal reflecting the vibration state;
Z fine movement means for finely moving either the cantilever holder or the sample stage in the Z direction;
Z control means for controlling the Z fine movement means based on the output signal of the vibration state detection means;
Control function control means for operating or stopping the control function of the Z control means in synchronization with the Y scanning signal, and other than the image acquisition time, the control function control means is a function of the Z control means. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the control function is stopped.
前記試料を液体中で保持する試料台と、
自由端に前記探針を有するカンチレバーと、
前記カンチレバーを前記液体中で保持するカンチレバーホルダーと、
前記カンチレバーをその機械的共振周波数近傍で振動させるための加振手段と、
集束性の光を前記カンチレバー自由端に焦点を合わせて照射して前記カンチレバーの振動状態を検出し、その振動状態を反映した信号を出力するための振動状態検出手段と、
前記カンチレバーホルダーと前記試料台のどちらか一方をZ方向に微動させるためのZ微動手段と、
前記カンチレバーホルダーの所望の振動状態を示す基準信号を出力するための基準信号発生手段と、
前記振動状態検出手段の出力信号と前記基準信号を比較し、それらが一致するように前記Z微動手段を制御するためのZ制御手段とをさらに備えており、
前記基準信号は、前記Y走査信号に同期して、少なくとも2つの値を繰り返し取る信号であることを特徴とする請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。 A liquid stage for holding the liquid;
A sample stage for holding the sample in a liquid;
A cantilever having the probe at the free end;
A cantilever holder for holding the cantilever in the liquid;
Vibration means for vibrating the cantilever near its mechanical resonance frequency;
A vibration state detection means for detecting a vibration state of the cantilever by irradiating a convergent light focused on the free end of the cantilever, and outputting a signal reflecting the vibration state;
Z fine movement means for finely moving either the cantilever holder or the sample stage in the Z direction;
A reference signal generating means for outputting a reference signal indicating a desired vibration state of the cantilever holder;
A Z control means for comparing the output signal of the vibration state detection means with the reference signal and controlling the Z fine movement means so that they match,
The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the reference signal is a signal that repeatedly takes at least two values in synchronization with the Y scanning signal.
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