JP2000146551A - 光反射方式角度検出計の感度またはダイナミックレンジの制御方法 - Google Patents

光反射方式角度検出計の感度またはダイナミックレンジの制御方法

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JP2000146551A
JP2000146551A JP10330212A JP33021298A JP2000146551A JP 2000146551 A JP2000146551 A JP 2000146551A JP 10330212 A JP10330212 A JP 10330212A JP 33021298 A JP33021298 A JP 33021298A JP 2000146551 A JP2000146551 A JP 2000146551A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】反射光路を長くすることなく、したがって装置
の大型化や反射光路中の空気の状態の変化の影響を大き
くすることなく、容易かつ確実に、光反射方式角度検出
計の感度またはダイナミックレンジの制御方法を提供す
ること 【解決手段】反射面5からの反射光8の位置を光位置検
出器15で検出して前記反射光の位置の変化から前記反
射面の角度変化を検出する光反射方式角度検出計1にお
いて、前記反射光8の発散角φを制御して検出の感度ま
たはダイナミックレンジを制御すること

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光反射方式角度検出計
の感度またはダイナミックレンジの制御方法に関するも
のである。
【0002】この技術は面の角度変化の精密計測技術、
接触式表面粗さ計、走査型プローブ顕微鏡、原子間力顕
微鏡等に用いられる光テコ方式を用いた変位センサーの
感度またはダイナミックレンジの制御に用いることがで
きる。
【0003】
【従来の技術】光反射を用いて反射面の角度変化を検出
する方式例えば原子間力顕微鏡の光テコにおいては、図
6に示すように光源からの入射光を被検出体であるテコ
の上面の反射面に当て、その反射光を2分割フォトダイ
オードに当て、2分割フォトダイオード上の光スポット
の移動による2つのフォトダイオードAとBの出力の差
分を、テコの角度変化として検出している。角度変化に
対して得られる出力は2分割フォトダイオ−ド上での光
スポットの変位に基づいており、感度は反射光路の長さ
Lに比例すると考えられている。従来はこの原理にのみ
基づいて光学的な高感度化のために反射光路を長くする
手法が実施されている。
【0004】
【解決すべき課題】しかし、高感度を実現するために反
射光路を長くすることは装置の大型化をもたらすことに
なるし、また反射光路における屈折率のゆらぎ等の空気
の状態の影響も受け易い。
【0005】このようなことから、光反射方式角度検出
計において、反射光路を長くすることなしに、高感度が
実現でき、またダイナミックレンジの制御も行うことが
できる技術の開発が望まれている。
【0006】この発明は上記の如き事情に鑑みてなされ
たものであって、反射光路を長くすることなく、したが
って装置の大型化や反射光路中の空気の状態の変化の影
響を大きくすることなく、容易かつ確実に、光反射方式
角度検出計の感度及びダイナミックレンジを制御するこ
とができる光反射方式角度検出計の感度またはダイナミ
ックレンジの制御方法を提供することを目的とするもの
である。
【0007】
【課題を解決すべき手段】この目的に対応して、この発
明の光反射方式角度検出計の感度またはダイナミックレ
ンジの制御方法は、反射面からの反射光の位置を光位置
検出器で検出して前記反射光の位置の変化から前記反射
面の角度変化を検出する光反射方式角度検出計におい
て、前記反射光の発散角を制御して検出の感度またはダ
イナミックレンジを制御することを特徴としている。
【0008】
【実施の態様】この発明は反射光を用いて反射面の角度
変化を検出する方式の光学的な感度またはダイナミック
レンジの制御技術である。反射光の発散角の制御によ
り、反射光の位置検出器である2分割フォトダイオ−ド
上の反射光の大きさを制御する。単位角度変化当たりの
2分割フォトダイオ−ド差分出力すなわち角度検出感度
及びダイナミックレンジは反射光の大きさにそれぞれ比
例及び反比例していることから、反射光の発散角の制御
により感度とダイナミックレンジが制御できる。光反射
方式角度検出計において2分割フォトダイオ−ドの代わ
りに4分割フォトダイオ−ドを用いれば2方向の角度変
化が検出できるが、いずれの場合も本発明を利用して、
入射光にピンホ−ルを入れて入射光の収束角を制御する
ことにより高感度化及びダイナミックレンジの制御が実
現される。また、反射面に凹面鏡を設置して反射光を集
光して、その曲率を選択することにより発散角を制御し
ても感度及びダイナミックレンジの制御は実現される。
【0009】以下、この発明の詳細を一実施例を示す図
面について説明する。
【0010】図1において1は光反射方式角度検出計で
あって、テコ2の角度変化が検出の対象である。テコ2
は一端が固定端3であり、他端が自由端4となっている
片持梁であり、その上面が光反射面5となっている。
【0011】光反射方式角度検出計1は入射光6側に入
射光光学系7を有し、反射光8側に反射光光学計11を
有している。入射光光学系7は光源レンズ13、ピンホ
ール14を備えている。反射光光学計11には2分割フ
ォトダイオ−ド15が設けられている。このように構成
された光反射方式角度検出計1において、テコ2の角度
変化の検出は次のようにしてなされる。
【0012】入射光光学系7の光源12から発した入射
光6はレンズ13、ピンホール14を通してテコ2に達
し、光反射面5で反射して2分割フォトダオ−ド15に
達する。
【0013】テコ2が角度変化したとすると、反射光8
の方向が変化し、2分割フォトダイオ−ド15上の光ス
ポットが移動するので、2分割フォトダイオ−ド15の
AとBの差分出力が変化し、この出力の変化からテコ2
の角度変化を検出することができる。
【0014】ここで特に重要なことは、入射光6の光路
にピンホール14が挿入されていることである。このピ
ンホール14を通ることによって、入射光6の収束角φ
を小さくする。入射光6の収束角と反射光8の発散角は
同じであるところから、反射光8の発散角が小さくな
り、2分割フォトダイオ−ド15上の光スポットの大き
さが小さくなる。その結果、単位角度変化当たりの2分
割フォトダイオ−ド15の出力を制御することにより、
検出感度の向上を実現させるとともに、ダイナミックレ
ンジも制御可能となる。
【0015】光反射方式角度検出計において、反射光の
発散角を制御して小さくすることにより、2分割フォト
ダイオ−ド上の反射光の大きさを制御して小さくでき、
その結果、単位角度変化当たりの2分割フォトダイオ−
ドの差分出力を制御して感度を制御すると同時にダイナ
ンミックレンジを制御可能であることが、次のように幾
何学的に証明される。
【0016】光反射方式角度検出計1では、図1に示す
ように、反射面の角度変化を検出するために、反射光を
2分割フォトダイオ−ド15で受けて、2分割フォトダ
イオ−ド15のAとBの出力の差分を計測する。図2に
示すように、反射面の角度変化δにより、反射光は2分
割フォトダイオ−ド上で2Lδ変位し、それに応じてセ
グメントAとBで受ける光量が変化して、出力の差分
「(A−B)」が変化する。ここで、「L:反射面から
2分割フォトダイオ−ドまでの距離」、「φ:反射光の
拡がり角」、「δ:反射面の角度変化、すなわち光軸の
角度変化の1/2」と定義する。簡単のため、図2に示
すように、反射面の角度変化は固定端は動かずに自由端
が動いて角度変化を起こすシステムを考える。光スポッ
トの位置に対応する検出信号は、2分割フォトダイオ−
ドのAとB2つの部分の出力の差分である。反射面の角
度変化による反射光軸の変位が2分割フォトダイオ−ド
の分割線に垂直であるとする。現実の光スポットは楕円
形であるが、簡単のためそれを図3(a)に示すように
2分割ダイオ−ドの分割線に垂直に近似的に分解してそ
のひとつの長方形光スポットだけを考えることにする。
楕円はこの長方形の足し合わせであるので、定性的に同
じ変化を示す。2分割フォトダイオ−ド上での光スポッ
トサイズは変位方向に長さ「Lφ」となる。2分割フォ
トダイオ−ドのそれぞれ出力の差分出力Sは、図3
(b)から Sは(Lφ/2+2Lδ)−(Lφ/2−2Lδ)=4Lδ …(1) に比例する。比例係数をcとおくと、 S=4cLδ …(2) となる。式2から反射面すなわち光軸の角度変化δに差
分出力Sは比例する。他方、光のスポットの全てが2分
割フォトダイオ−ドの片方に入ったとき2Lδ=Lφ/
2、つまりδ=φ/4のとき、出力Sは飽和する。これ
が境界条件であり、式2の比例係数cが決まる。飽和出
力を定数Qとおくと、 Q=4cL(φ/4) ∴c=Q/Lφ …(3) となり、この比例係数cはLφに反比例していることが
わかる。よって、式2は、 S=4(Q/Lφ)Lδ=4Qδ/φ …(4) となる。結局、出力Sは反射光の拡がり角φに反比例す
る。言い換えると、拡がり角φが小さくなると、出力は
大きくなる。
【0017】反射光8の発散を小さくするためには前述
の入射光6の光路中にピンホール14を挿入する方法の
他に、図4に示すように反射面5に反射光路の長さに対
して適切な曲率の凹面鏡16を設置する事でも実現する
ことができる。この場合、凹面鏡16に対して入射光6
側で焦点を結んだ後の発散している光を凹面鏡16で反
射させる必要がある。 (実験例)ピンホ−ルを用いた高感度化(図1)は既に
実験及び実施しており、実証済みである。図5にピンホ
ール径に対する出力感度の変化を示す。式(4)での予
想と一致して、ほぼ比例関係にあることがわかる。
【0018】
【発明の効果】この発明では、1)反射光の発散を抑え
る。図1に示すように、入射光の収束角と反射光の発散
角は同じであることを利用して、入射光にピンホ−ルを
入れて入射光の収束角を小さくすることにより実現され
る。
【0019】または、2)反射光を集光する。図4に示
すように、反射光路の長さに対して適切な曲率の凹面鏡
を反射面に設置することにより実現される。凹面鏡に対
して入射光側で焦点を結んだ後の発散している光を凹面
鏡で反射させる必要がある。こうすることにより 1)検出装置の感度(S/N比)を従来より向上でき
る。 2)検出装置の感度(S/N比)が制御できる。 3)検出装置のダイナミックレンジが制御できる。
【0020】以上の説明から明らかな通り、この発明に
よれば、反射光路を長くすることなく、したがって装置
の大型化や反射光路中の空気の状態の変化の影響を大き
くすることなしに、容易かつ確実に、光反射方式角度検
出計の感度及びダイナミックレンジを制御することがで
きる光反射方式角度検出計の感度またはダイナミックレ
ンジの制御方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の光反射方式角度検出計を示す構成説
明図
【図2】反射面の角度変化(δ)と反射光の光軸の2分
割フォトダイオード上での変位(2Lδ)の関係を示す
説明図。
【図3】2分割フォトダイオード上での光軸の変位(2
Lδ)と差分出力の関係を示す説明図。
【図4】この発明のもうひとつの実施例の光反射方式角
度検出計を示す構成説明図
【図5】ピンホール径に対する2分割フォトダイオード
の出力感度の変化を示すグラフ。
【図6】従来の光反射方式角度検出計を示す構成説明図
【符号の説明】 1 光反射方式角度検出計 2 テコ 3 固定端 4 自由端 5 光反射面 6 入射光 7 入射光光学系 8 反射光 11 反射光光学系 12 光源 13 レンズ 14 ピンホール 15 2分割フォトダイオード 16 凹面鏡
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成11年10月1日(1999.10.
1)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【請求項】 前記発散角の制御は、前記反射面に入射
する光の光路中に配置したピンホールによって行うこと
を特徴とする請求項1記載の光反射方式角度検出計の感
度またはダイナミックレンジの制御方法。
【請求項】 前記発散角の制御は、前記反射面を凹面
鏡で構成し、前記凹面鏡の曲率を選択することによって
行うことを特徴とする請求項1記載の光反射方式角度検
出計の感度またはダイナミックレンジの制御方法。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0007
【補正方法】変更
【補正内容】
【0007】
【課題を解決すべき手段】この目的に対応して、この発
明の光反射方式角度検出計の感度またはダイナミックレ
ンジの制御方法は、反射面からの反射光の位置を2分割
フォトダイオードまたは4分割フォトダイオードで検出
して前記反射光の位置の変化から前記反射面の角度変化
を検出する光反射方式角度検出計において、前記反射光
前記分割フォトダイオードの分割線に垂直な方向の
散角を制御して検出の感度またはダイナミックレンジを
制御することを特徴としている。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 反射面からの反射光の位置を光位置検出
    器で検出して前記反射光の位置の変化から前記反射面の
    角度変化を検出する光反射方式角度検出計において、前
    記反射光の発散角を制御して検出の感度またはダイナミ
    ックレンジを制御することを特徴とする光反射方式角度
    検出計の感度またはダイナミックレンジの制御方法。
  2. 【請求項2】 前記光位置検出器は2分割フォトダイオ
    ードまたは4分割フォトダイオードであることを特徴と
    する請求項1記載の光反射方式角度検出計の感度または
    ダイナミックレンジの制御方法。
  3. 【請求項3】 前記発散角の制御は、前記反射面に入射
    する光の光路中に配置したピンホールによって行うこと
    を特徴とする請求項1記載の光反射方式角度検出計の感
    度またはダイナミックレンジの制御方法。
  4. 【請求項4】 前記発散角の制御は前記反射面を凹面鏡
    で構成し、前記凹面鏡の曲率を選択することによって行
    うことを特徴とする請求項1記載の光反射方式角度検出
    計の感度またはダイナミックレンジの制御方法。
JP10330212A 1998-11-05 1998-11-05 光反射方式角度検出計の感度またはダイナミックレンジの制御方法 Expired - Lifetime JP3044225B1 (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010190590A (ja) * 2009-02-16 2010-09-02 Jeol Ltd 走査プローブ顕微鏡及びその動作方法

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