JP2000206125A

JP2000206125A - 走査型プロ―ブ顕微鏡の光軸調整補助装置

Info

Publication number: JP2000206125A
Application number: JP11007086A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kuroda; 浩史黒田
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1999-01-13
Filing date: 1999-01-13
Publication date: 2000-07-28
Anticipated expiration: 2019-01-13
Also published as: JP3967482B2

Abstract

(57)【要約】【目的】光てこ式光学検出系を備えた走査型プローブ顕
微鏡での光軸調整の初期段階で、分割型光検出器の受光
面で照射スポットが受光面の中心からどの方向にどの程
度離れているかを操作者に容易に知らせ、光軸調整の容
易化を図る。【構成】光てこ式光学検出系を備える走査型プローブ顕
微鏡に用いられ、４分割光検出器１１の受光面１２を形
成する４つの受光部１２ａ〜１２ｄの各々に、受光部よ
りも大きな面積を有する導光板１４ａ〜１４ｄを、受光
部と導光板が部分的に重なるようにして付設する。複数
の導光板の各々でカンチレバーからの反射レーザ光を受
け、対応する受光部に当該レーザ光を導く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は走査型プローブ顕微
鏡の光軸調整補助装置に関し、特に、例えば原子間力顕
微鏡のごとき光てこ式光学検出系を備えた走査型プロー
ブ顕微鏡においてレーザ光源から光検出器までの光軸調
整を容易に行えるようにした光軸調整補助装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図１１〜図１４を参照して走査型プロー
ブ顕微鏡での従来の光軸調整の仕方を説明する。図示さ
れた走査型プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡であるとす
る。また光軸調整とは、原子間力顕微鏡の光てこ式光学
検出系においてレーザ光源からのレーザ光が適切にカン
チレバーの背面で反射して光検出器に入射するように設
定することをいう。従来の光軸調整は、操作者の手動操
作によって行われていた。図１１はカンチレバーおよび
光てこ式光学検出系を備える原子間力顕微鏡の要部の構
成を概略的に示している。

【０００３】測定対象である試料１０１に対して、先端
に探針１０２を有するカンチレバー１０３が配置されて
いる。１０４はカンチレバーホルダの一部である。探針
１０２と試料１０１の表面との距離は両者の間に原子間
力が作用する程度の距離である。試料表面の凹凸形状の
測定では探針１０２が試料表面に沿って移動することが
必要であり、そのため探針と試料表面との距離は制御機
構によって一定の距離に保持される。探針と試料表面の
距離の変化はカンチレバー１０３のたわみ変形による変
位によって検出される。カンチレバー１０３のたわみ変
形による変位を検出する機構として光てこ式光学検出系
が設けられる。光てこ式光学検出系は、レーザ光源１０
５と反射作用を生じるミラー１０６，１０７と４分割光
検出器１０８とから構成される。光てこ式光学検出系の
光軸調整が完了し測定が行われる際には、レーザ光源１
０５から出射されたレーザ光１０９はミラー１０６で反
射され、カンチレバー１０３の背面に導かれ、カンチレ
バー背面で反射されたレーザ光１０９はさらにミラー１
０７で反射され、４分割光検出器１０８の受光面に導か
れる。カンチレバー１０３の変位は、４分割光検出器１
０８上のレーザ光１０９の照射スポットの位置変化とし
て検出される。またカンチレバー１０３の上方位置には
ＴＶカメラ１１０を備えた光学顕微鏡１１１が配置さ
れ、光学顕微鏡１１１によってカンチレバー１０３の背
面が観察されている。なお４分割光検出器１０８から出
力された検出信号は制御装置に送られ、当該検出信号に
よって表示装置にレーザ光の受光位置を表示することが
できる。光学顕微鏡１１１で観察された像はＴＶカメラ
１１０により映像信号として制御装置に送られ、表示装
置に表示される。図１１で制御装置と表示装置の図示は
説明の簡便化のため省略されている。

【０００４】上記構成においてミラー１０６，１０７に
は手動で操作される位置調整機構が設けられる。光軸調
整は、測定を行う操作者がミラー１０６，１０７の位置
調整機構を操作することにより行われる。従来の光軸調
整は下記の２つのステップから成っていた。

【０００５】光軸調整の第１のステップは、カンチレバ
ー１０３の背面の反射表面にレーザ光１０９の照射スポ
ットを当てることである。カンチレバー１０３上のスポ
ット位置の確認は、光学顕微鏡１１１で得られる像に基
づいて行われる。その例を図１２に示す。図１２はカン
チレバー１０３とその周辺部を光学顕微鏡１１１によっ
て上方から見た像である。第１のステップでは、最終的
にレーザ光１０９の照射スポットをカンチレバー１０３
の背面に当てる。この操作は光学顕微鏡１１１による像
を見ながらミラー１０６の位置調整機構を手動操作にす
ることにより行われる。１１２はカンチレバー１０３の
背面に当てられたレーザ光の照射スポットを示してい
る。カンチレバー１０３の背面に照射スポットを当てる
前の段階では、レーザ光の照射スポットはカンチレバー
ホルダ１０４の上面に当てるようにすることが好まし
い。１１３はカンチレバーホルダ１０４の上面に当てら
れた照射スポットを示している。このようにする理由
は、カンチレバー１０３は空中に浮いた状態で保持さて
いるので、照射スポットがカンチレバー１０３の背面か
ら外れていると、スポット位置を確認することが困難で
あるからである。このためスポット位置を確認しやすい
カンチレバーホルダ１０４の上面に当てる。第１のステ
ップの操作では、レーザ光の照射スポットを位置１１３
から位置１１２に矢印１１４のように移動させることに
なる。図１３は第１のステップでのレーザ光１０９の移
動（矢印１１５）を示した側面図である

【０００６】光軸調整の第２のステップは、カンチレバ
ー１０３の背面で反射されたレーザ光１０９に基づく照
射スポットを４分割光検出器１０８の受光面の中心に当
てることである。４分割光検出器１０８上のスポット位
置の確認は、その検出信号に基づいて行われる。４分割
光検出器における照射スポットの調整を図解したものが
図１４である。図１４は４分割光検出器１０８の受光面
およびその周辺領域におけるスポットの移動状態〜
を示している。第２のステップでは、最終的にレーザ光
１０９の照射スポット１１６を４分割光検出器１０８の
受光面の中心位置に当てる。この操作はミラー１０７の
位置調整機構を手動操作することにより行われる。

【０００７】ミラー１０７の位置調整機構を操作してレ
ーザ光１０９を４分割光検出器１０８に導くとき、照射
スポットが４分割光検出器１０８の受光面の一部に当た
っていれば、受光面の中心に照射スポットを導くことは
容易である。図１４においてに示される状態である。
すなわち４分割光検出器１０８ではその受光面を例えば
１／４円形の４つの部分ａ，ｂ，ｃ，ｄに分け、それら
の検出出力信号をＳａ〜Ｓｄとし、４分割光検出器１０
８の全出力信号Ｓｓ、垂直変位成分Ｓｖ、水平変位成分
Ｓｈは、それぞれ、Ｓｓ＝Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ、Ｓ
ｖ＝｛（Ｓａ＋Ｓｂ）−（Ｓｃ＋Ｓｄ）｝／Ｓｓ、Ｓｈ
＝｛（Ｓａ＋Ｓｃ）−（Ｓｂ＋Ｓｄ）｝／Ｓｓとして得
られるので、Ｓｓが最大になり、さらにＳｖとＳｈが最
小になるようにミラー１０７を調整すればよい。Ｓｖと
Ｓｈが共に０になればレーザ光１０９の照射スポット１
１６は受光面の中心位置に設定されたことになる。

【０００８】一方、カンチレバー１０３は同じ規格のカ
ンチレバーであっても表面のコーティングにより生じる
反りや、カンチレバー自身の固定法に応じてレーザ光の
反射方向が大きくばらつき、レーザ光の照射スポットが
４分割光検出器１０８から大きく離れた位置に当たるこ
ともある。この状態を図１４のに示す。１１６は照射
スポットの位置である。この状態のときには、Ｓｓは０
であり、４分割光検出器１０８から出力される検出信号
から何の情報も得られないので、スポット位置が完全に
不明である。前述のように、第２のステップではミラー
１０７を操作してＳｓの信号を得るようにするのである
が、現在どの位置にあるのかが分からないので、最初に
どの方向に移動させるべきかが不明である。従来、現実
的には、Ｓｓを監視しながら照射スポット１１６を適当
に大きく動かし、Ｓｓの出力が出た段階で止めるように
していた。このような状態は図１４のに対応するの
で、前述した通り、スポットを中心位置へ移動するよう
に調整することができる。

【０００９】以上のごとく第１のステップと第２のステ
ップを実行することにより、光てこ式光学検出系に関す
る光軸調整が完了した。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】光てこ式光学検出系に
おける従来の光軸調整は、測定操作者の手動で行われて
おり、第１ステップでカンチレバーに照射スポットを合
わせるときに人の目が不可欠であり、通常、第２ステッ
プの初期段階で試行錯誤が必要なことが多い。特に第２
ステップの最初の段階では、比較的に容易な試行錯誤に
よる照射スポットの動きで運良く検出することができる
場合もあるが、例えばカンチレバーの取付不良等が原因
で照射スポットが光検出器の受光面の調整可能範囲の外
まで大きく外れることがある。このような場合には、試
行錯誤によってはほとんど検出できない。このような調
整不可能な場合には、他にとる手段もなく、結果的に試
行錯誤に長い時間を使った挙げ句「原因が分からなかっ
た」ということになる。

【００１１】本発明の目的は、上記課題を解決すること
にあり、光てこ式光学検出系を備えた走査型プローブ顕
微鏡における光てこ式光学検出系の光軸調整作業の初期
段階で、４分割光検出器の受光面において照射スポット
が受光面の中心からどの方向にどの程度離れているかを
測定操作者が容易に知ることができ、光軸調整作業の容
易化を図ることのできる走査型プローブ顕微鏡の光軸調
整補助装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段および作用】本発明に係る
走査型プローブ顕微鏡の光軸調整補助装置は、上記目的
を達成するため、次の通り構成される。本発明に係る光
軸調整補助装置は、試料に対向して配置される探針を備
えたカンチレバーと、レーザ光を出射するレーザ光源
と、レーザ光が入射される受光面を有しかつこの受光面
が複数の受光部に分割されて成る光検出器とを備え、反
射部を利用して、レーザ光源から出射されるレーザ光を
カンチレバーの背面へ導いてここに照射させ、カンチレ
バーの背面で反射されたレーザ光を光検出器へ導きその
受光面に入射させるように構成された光てこ式光学検出
系を備える走査型プローブ顕微鏡に用いられる。第１の
光軸調整補助装置は、光検出器の受光面を形成する複数
の受光部の各々に、受光部よりも大きな面積を有する導
光板を、受光部と導光板が部分的に重なるようにして付
設し、これらの大きな面積を有する複数の導光板の各々
でカンチレバーからのレーザ光を受け、対応する受光部
に当該レーザ光を導くように構成される。光検出器の受
光面を形成する各受光部は、導光板によって、カンチレ
バー側から到来するレーザ光を受ける面積が実質的に拡
大され、当該レーザ光の入射を確実に行うことが可能と
なる。また複数の導光板の各々は、レーザ光が当たった
とき、その内部で、当該レーザ光を散乱させながら伝播
させる作用を生じ、レーザ光が当たったことを、光検出
器の受光面における対応する受光部に検出させることが
可能となる。従って光軸調整を行う操作者は、光検出器
から出力される検出出力をモニタすることによって、カ
ンチレバーの背面で反射されたレーザ光の受光を確実に
知ることができ、これによって従来の試行錯誤を行うこ
となく、光検出器の受光面へのレーザ光の入射を行うこ
とが可能となる。第２の光学調整補助装置は、上記の構
成において、好ましくは、複数の導光板が互いに光学的
に分離されて形成されており、その結果、ある導光板に
入射した光が他の導光板に入ることを防止している。こ
の構成によって、レーザ光、どの受光部の導光板に入射
したかを正確に知ることができ、光軸調整の作業を正確
に行うことが可能となる。第３の光軸調整補助装置は、
さらに、光検出器における複数の受光部で形成される受
光面の中心部は、当該中心部に対応する領域を形成する
複数の導光板の部分が除去されることにより、外方に開
放される。通常、導光板の角部が切り欠かれ、例えば全
体として円形の孔のごとき形状をしたスペースが形成さ
れる。受光面の中心部は当該スペースを介してレーザ光
の到来方向に臨んでいる。第４の光軸調整補助装置は、
好ましくは、光検出器の検出出力感度特性において、受
光面の中心での感度がほぼ０であり、かつ受光面の中心
近傍から導光板の周縁に向かって感度が低下するように
設定される。その結果、レーザ光が光検出器によって検
出されているとき、当該レーザ光の入射位置を、検出出
力に基づいて知ることができ、そのために、レーザ光を
受光面の中心位置に位置合わせすることが可能となる。
このように容易に光軸調整を行うことが可能となる。第
５の光軸調整補助装置は、好ましくは、前述の分割型光
検出器が４分割の受光面を有する場合に対応して構成さ
れ、４枚の導光板からなり、各導光板は正方形の板材に
よって形成されている。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて説明する。

【００１４】図１と図２は本発明に係る走査型プローブ
顕微鏡の光てこ式光学検出系に使用される光検出器の一
例を示し、この光検出器は一例としてその受光面が４分
割された形態を有している。走査型プローブ顕微鏡は、
従来技術に関して図１１で示された原子間力顕微鏡を想
定している。原子間力顕微鏡に関しては従来技術の箇所
で説明したので、先の記述を参照することとし、ここで
は図示および説明を省略する。また光てこ式光学検出系
は、前述の通り、レーザ光源、先端に探針を備え背面に
反射部を有するカンチレバー、上記光検出器、および必
要な反射ミラーとから構成されている。光てこ式光学検
出系も、従来技術の箇所で説明されているので、先の記
述を参照することとし、ここではその図示および説明を
省略する。光検出器は、その受光面が４分割されている
ので、以下、４分割光検出器という。図１は正面図であ
り、図２は側面図である。正面図に示される通り、４分
割光検出器１１の上面に、受光面１２が形成されてい
る。受光面１２は、好ましくは正方形の形状を有する小
形の４つの受光部（または受光区画）１２ａ，１２ｂ，
１２ｃ，１２ｄから構成される。受光面１２は全体とし
て例えば正方形の形状を有し、当該正方形面積を有する
受光面は、互いに分割されかつ検出部として互いに独立
した小さい部分面積を有する受光部１２ａ〜１２ｄから
形成されている。なお、４分割光検出器１２には、通
常、市販のものが使用される。例えば、浜松ホトニクス
社製の多素子型Ｓｉフォトダイオード（Ｓ５９８１）が
使用される。このような光検出器に関しては受光面の面
積が大きいものも市販されているが、小型化の観点から
比較的に面積が小さいものが使用される。その結果、反
対に、カンチレバーの背面で反射されたレーザ光が４分
割光検出器の受光面に当たることに関しては、困難性が
増すことになる。そこで、本発明による光軸調整補助装
置を利用することによって、受光面が比較的に小さい４
分割光検出器を用いても、光軸調整の作業を容易に行う
ことができるようになる。

【００１５】図１に示すように、４分割光検出器１１の
頭部１１ａは、外観が偏平円柱城の形態を有する金属容
器（センサパッケージ）で形成されている。内部に、受
光面１２の各受光部１２ａ〜１２ｄで受光されたレーザ
光を電気に変換し、かつ所定のレベルに増幅する増幅器
が内蔵されている。また図２に示すように、４分割光検
出器１１の下側には頭部１１ａの下面から引き出された
ピン状の複数の電気配線１３が設けられている。電気配
線１３の本数は任意であって、特に限定されない。４分
割光検出器１１が原子間力顕微鏡の光てこ式光学検出系
の一部として設けられるとき、４分割光検出器はカンチ
レバーおよび探針の斜め上方位置に配置され、かつその
受光面１２がカンチレバーの背面に向うように配置され
る。

【００１６】図３と図４は、本発明に係る光軸調整補助
装置の要部構成を示し、光軸調整補助具を前述の４分割
光検出器１２に設けた構成を示す。図３は正面図、図４
は側面図である。図３は図１に対応し、図４は図２に対
応している。図５は光軸調整補助装置の作用を説明する
ための図である。以下において光軸調整補助具のことを
説明の便宜上単に補助具という。

【００１７】補助具１４は、４分割光検出器１１の受光
面１２の４つの受光部１２ａ〜１２ｂに対応する４枚の
板材１４ａ〜１４ｄから形成されている。これらの板材
１４ａ〜１４ｄは導光板としての機能を有する。すなわ
ち、導光板とは、板材の１つの面にレーザ光等の光が入
射されると、板材そのものがその内部で光を散乱させて
伝播させるものであり、外部から見ると、光が当たると
き全体が明るくなるような部材である。このような導光
作用を生じる板材としては、任意の材質を使用でき、例
えばアクリル等の樹脂板のごとき半透明の板材、あるい
は背面側に遮光面を有する透明板材、その他ガラスファ
イバ等の光伝送体などを使用することができる。従っ
て、上記の板材の一部の明るさ状態を監視するとき、他
の部分で光が当たったか否かを検出することが可能とな
る。以下、板材１４ａ〜１４ｄを導光板という。

【００１８】４枚の導光板１４ａ〜１４ｄの各々は同じ
形態を有する。正面形状は、ほぼ正方形であり、かつ望
ましい厚みを有する板状形態である。その厚みは任意に
決めることができる。また正面形状における面積も任意
に決めることができる。４枚の導光板１４ａ〜１４ｄの
各々は、４分割光検出器１１の受光面１２の前面位置
に、隙間をあけてあるいは接触させて、図３および図４
に示すような位置関係で固定されている。図では、固定
構造は示されていないが、任意の固定構造を採用するこ
とができる。特に図３に示されるごとく、受光部１２ａ
に対しては導光板１４ａが、受光部１２ｂに対しては導
光板１４ｂが、受光部１２ｃに対しては導光板１４ｃ
が、受光部１２ｄに対しては導光板１４ｄがそれぞれ一
定の隙間１８を設けて配置されている。正方形の受光部
１２ａ〜１２ｄと正方形の導光板１４ａ〜１４ｄのそれ
ぞれは、導光板の内側に位置する角部位置で部分的に重
なるように位置が決められている。導光板１４ａ〜１４
ｄの内側に位置する角部は、先端頂部がほぼ１／４円の
形状に切り欠かれている。その結果、４枚の導光板１４
ａ〜１４ｄの内側角部の部分によってほぼ円形のスペー
ス１５が形成される。この円形のスペース１５を介し
て、受光面１２を形成する４つの受光部１２ａ〜１２ｄ
の各々の一部がレーザ光が到来する方向に臨んでいる。
各受光部１２ａ〜１２ｄは、各々の切り欠き部で形成さ
れる孔状のスペース１５を通してレーザ光を受光するこ
とが可能となる。一方、各受光部１２ａ〜１２ｄは、各
導光板１４ａ〜１４ｄの当該切り欠きが形成された角部
の近傍で部分的に重なっているために、対応する導光板
１４ａ〜１４ｄに光が当たって当該導光板で光を伝播す
るとき当該光を受光し、検出することができる。

【００１９】受光面１２を形成する各受光部１２ａ〜１
２ｄの面積と対応する導光板１４ａ〜１４ｄの面積との
比は、必要に応じて任意に定められる。すなわち、受光
部１２ａ〜１２ｄに対してどの程度大きな導光板１４ａ
〜１４ｄを設けるかということについては、経験的に得
られた知見に基づいて、容易な光軸調整を可能にする適
切な大きさの導光板が決定される。導光板の好ましい寸
法として、上限は１０ｍｍ程度である。

【００２０】図５に一例として導光板１４ｂの作用を示
す。レーザ光１６がカンチレバーの背面で反射されて４
分割光検出器１１の側へ到来するときにおいて、レーザ
光１６の位置が４分割光検出器１１の受光面１２の外側
の位置にあったとしても、４枚の導光板１４ａ〜１４ｄ
からなる補助具１４の範囲であって例えば導光板１４ｂ
に入射したとすると、当該レーザ光１６は、実質的に矢
印１７のごとく導光板１４ｂの中を伝播し、対応する受
光部１２ｂによって、レーザ光１６の導光板１４ｂへの
入射を検出することが可能となる。図５に示した矢印１
７では、導光板１４ｂに入射したレーザ光１６があたか
も反射を繰り返しながら進行するようなイメージで示さ
れているが、実際には、導光板１４ｂにレーザ光１６が
入射することによってその明るさが、対応する受光部１
２ｂによって検出されるというイメージである。図５に
示された、４分割光検出器１１の受光面１２の受光部１
２ｂと導光板１４ｂとの間に生じる作用の関係は、他の
受光部１２ａ，１２ｃ，１２ｄと、対応する導光板１４
ａ，１４ｃ，１４ｄとの関係においても同じである。従
って、光軸の調整の際において、４つの受光部１２ａ〜
１２ｄから出力される信号に基づいてレーザ光がどの位
置に存在するかを知ることができる。

【００２１】上記において、上記実施形態で示された構
成によれば４つの導光板１４ａ〜１４ｄは別々に作ら
れ、かつ隙間を設けて配置されるので、或る導光板の内
部の光が漏れて他の導光板の中に入るということは生じ
ない。

【００２２】光軸調整補助具については、図６または図
７に示すような変形例を用いることもできる。図６に示
した補助具１１４は一枚状の導光板の中央に孔１１５を
あけると共に、十字形状に切れ目１１６を形成して領域
１１４ａ〜１１４ｄを形成している。領域１１４ａ〜１
１４ｄはそれぞれ上記導光板１４ａ〜１４ｄに対応して
いる。かかる構造を採用することにより、作り方、組立
て方が容易となる。また図７に示した補助具２１４は、
前述の導光板１４ａ〜１４ｄを遮光板２１５を介して結
合し、一体として形成したものである。かかる補助具に
よれば、４分割光検出器に補助具を取り付ける際に、取
付方を容易にすることができる。

【００２３】次に、図８〜図１０を参照して上記補助具
１４を備える４分割光検出器１１を利用した光軸調整の
仕方を説明する。

【００２４】光てこ式光学検出系を備えた走査型プロー
ブ顕微鏡の当該光てこ式光学検出系における光軸調整の
作業の全体は、従来技術の箇所で述べた通りである。こ
こで要約的に述べると、まずレーザ光源から出射された
レーザ光の位置を制御しながら導いてカンチレバーの背
面に形成された反射領域に当てる第１ステップと、カン
チレバーの背面で反射されたレーザ光を４分割光検出器
の受光面に入射するようにレーザ光の位置を調整する第
２ステップとからなっている。第１ステップが終了し、
第２ステップを行う段階で、カンチレバーの背面で反射
されたレーザ光が４分割光検出器１１の受光面の近傍に
照射された状態にする。最初からレーザ光の照射スポッ
トが受光面１２に入射されるのであれば、第２ステップ
は終了し、何の問題もなく短時間で第２ステップを終え
ることができる。このようなことが起きるのは希であ
り、通常、レーザ光の照射スポットは受光面１２の外側
の位置であって受光面の近傍に位置するのが、経験的に
一般的に認められている。

【００２５】一方、前述の通り、本実施形態による４分
割光検出器１１の受光面１２の４つの受光部１２ａ〜１
２ｄの各々には補助具１４を構成する４枚の導光板１４
ａ〜１４ｄが付設されている。従って、カンチレバーか
らの反射で到来したレーザ光は、受光面１２から外れて
いても、一般的には補助具１４の４枚の導光板１４ａ〜
１４ｄのいずれかによって捕捉される。すなわち、４枚
の導光板１４ａ〜１４ｄのいずれかに入射するであろう
と考えられる。またかかる入射が高い確率で起きること
を想定して、導光板１４ａ〜１４ｄの面積が設定され
る。その結果、図８に示される例では、レーザ光１６の
照射スポット１６ａが導光板１４ｂに形成された状態を
示している。このような導光板１４ｂにおけるレーザ光
の入射状態が生じることによって、レーザ光１６を、４
分割光検出器１１の受光面１２に容易に入射させること
が可能となる。

【００２６】図８において、導光板１４ｂにレーザ光１
６が入射するとき、当該レーザ光によって導光板１４ｂ
の内部では散乱光が生じる。その散乱光は、４分割光検
出器１１の受光面１２の受光部１２ｂによって感知され
る。

【００２７】図８の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、導光板
１４ｂの外側位置に入射したレーザ光の照射スポット１
６ａがその位置を調整されて（Ａ）から（Ｃ）のごとく
受光面１２の中心位置に導かれる状態を示す。また図９
は、図８の（Ａ）〜（Ｃ）に示された状態に対応させ
て、（Ａ）ではレーザ光１６の照射スポット１６ａの強
度分布の例を示し、（Ｂ）は照射スポットの位置に対応
する４分割光検出器１１の検出出力（水平方向の検出感
度）Ｓｈのレベル（感度）を示している。図９（Ａ）に
おける照射スポット１６ａの位置，，はそれぞれ
図８の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）のそれぞれに対応してい
る。図９（Ｂ）で横軸は図８に示した２次元座標系
（Ｘ，Ｙ）のＸ軸を示しており、図から明らかなよう
に、受光面１２の中心位置に照射スポット１６ａが当た
るときにはレベルは０であって検出出力Ｓｈの変化特性
が顕著になる。受光部１２ｂと導光板１４ｂとの境界部
に照射スポット１６ａがあるときには、検出出力Ｓｈは
中間的レベルとなり、かつ中間的な変化割合で変化して
いる。照射スポット１６ａが導光板１４ｂの周縁の位置
にあるときには、周縁に近付くに従って検出出力Ｓｈの
特性は緩やかに低下していく。従って、Ｘ軸方向に関す
る照射スポット１６ａの位置は、４分割光検出器１１の
例えば受光部１２ａ，１２ｂに関する検出出力のレベル
を調べることによって知ることができる。換言すれば、
４分割光検出器１１から出力される信号のレベルおよび
その変化状態を得ることによって、レーザ光１６が導光
板１４ａ〜１４ｄに入射したとき、当該入射位置から内
側に移動させ、さらに４分割光検出器１１の受光面１２
の中心位置に調整することを容易に行うことが可能とな
る。以上の検出出力に関する特性は、水平方向であって
も同じである。

【００２８】レーザ光１７が導光板１４ａ〜１４ｄで捕
捉されたとき、通常は、図８の（Ａ）に示されるごとく
各導光板における外側位置であって周縁部で捕捉される
ので、その検出出力は弱いものとなるが、当該検出出力
が強くなるように光軸を手動で調整することにより、反
射レーザ光を受光面１２の中心位置の方向に移動させる
ことが可能となる。

【００２９】図８の（Ｂ）に示すような位置に照射スポ
ット１６ａが移動すると、レーザ光の半分は、導光板経
由ではなく直接に受光部１２ｂに入射するので、前述の
ごとく検出出力は増す。これにより、４分割光検出器１
１の出力をモニタする測定操作者は、照射スポットが受
光面の中心に接近しつつあることを知ることができる。
そこで、さらに操作者は、４分割光検出器１１の検出出
力が増加し、最終的に大きく変化して０になるように調
整を行う。４分割光検出器１１の検出出力が０になる
と、光軸調整作業は完了することになる。

【００３０】以上のごとく、４分割光検出器１１の受光
面１２に対して、前述のごとき構成に基づいて補助具１
４を付設することにより、カンチレバーの背面から反射
されるレーザ光１６の照射スポット１６ａを比較的に高
い確率で補助具１４により捕捉させ、その後、４分割光
検出器１１からの出力特性を観察しながら、容易にその
受光面の中心位置にレーザ光を移動させ、光軸調整の作
業を容易にかつ短時間に終了させることが可能となる。
カンチレバーの変換は、原子間力顕微鏡による測定作業
では比較的に頻繁に生じ、カンチレバーを変換した初期
段階で、補助具１４を構成する導光板１４ａ〜１４ｄを
経由してレーザ光を入射させることができるため、従来
のごとき４分割光検出器単体では不可能であった検出器
周辺へのレーザ光入射も検出することができる。さら
に、周辺のレーザ光の入射がどのような方角でどの位離
れた位置であるのかを知ることができるという利点も有
している。このことは、光軸調整の作業者にとっては、
光軸の調整の仕方を決定する有用な情報である。従来の
光軸調整の仕方と比較して、本実施形態による方法は試
行錯誤の過程が全く必要ない、あるいは少なくなるの
で、経験に依存する部分が低減され、熟練でない操作者
にも容易に行うことができる。

【００３１】また光軸調整が完了した後に、光てこ式光
学検出系を用いて原子間力顕微鏡による測定が行われ
る。この測定では、４分割光検出器１１の検出出力の特
性において０の近傍部分の感度が最大である部分にのみ
が使用される。図９の（Ｂ）で１９が測定で使用される
範囲である。従って、補助具１４を４分割光検出器１１
に付設したとしても、前述のごとく円形のスペースが受
光面１２の中央部に形成されて、レーザ光の入射を可能
にしているので、測定時の４分割光検出器１１の検出作
動に対して補助具１４は全く影響を与えることはない。

【００３２】次に、図１０を参照しながら、本実施形態
による補助具１６を付設する構成が、大きな受光面積を
有する４分割光検出器よりも、光軸調整にとってはより
有効な働きを発揮するということを説明する。図１０に
おいて、この４分割光検出器では、導光板が付設され
ず、前述の受光部１２ａ〜１２ｄと導光板１４ａ〜１４
ｄを加えてなる面積とほぼ同等な受光面積を有する受光
部を備えて構成されている。この受光部は、図１０にお
いて２つだけが示され、２０ａ，２０ｂという符号が付
されている。かかる受光部２０ａ，２０ｂを有する４分
割光検出器で、例えば照射スポット１６ａが受光部２０
ｂに入射したと仮定する。この場合、図１０の〜に
示されるごとく、照射スポットが移動して周縁部から中
心部に移動したとしても、その検出出力の特性２１から
明らかなように、中心部を除くどの位置（この例ではＸ
軸方向での位置）でも出力レベルが同じ、すなわち位置
に応じて出力レベルが異ならないので、光軸調整の作業
者はどの方向へ移動させるように調整したらよいか全く
判断を持つことができないという問題を生じる。結局
は、前述の本発明の実施形態のように、光軸調整を行う
ことができないのである。以上の説明により、本発明の
光軸調整補助具を備えた４分割光検出器を利用した光て
こ式光学検出系によれば、光軸調整を有効に行うことが
できるという利点が発揮される。

【００３３】上記実施形態では原子間力顕微鏡について
説明したが、これに限定されず、光てこ式光学検出系を
備える走査型プローブ顕微鏡に本発明による光軸調整補
助装置を適用できるのは勿論である。また光軸調整補助
装置は４分割光検出器に使用されたが、これに限定され
ず、その他の分割数の光検出器に対しても変形して使用
できるのは勿論である。かかる光軸調整補助装置は、多
素子型光検出器の受光領域を実質的に拡大することがで
きる。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、光てこ式光学検出系を備えた走査型プローブ顕微
鏡において、分割型光検出器の受光面の近くに各分割素
子に対応する導光板からなる光軸調整補助具を設けるこ
とにより、光検出器の受光面を実質的に広範囲化したた
め、カンチレバーの背面で反射されたレーザ光の入射を
容易に行うことができる。さらに小さい面積の受光素子
と大きな面積の導光板を組み合わせることにより、光検
出器の検出出力特性（感度特性）を位置に応じて異なら
せるように構成したため、導光板における外側周縁で捕
捉したレーザ光を光検出器の受光面の中心位置に容易に
かつ確実に移動させることができる。かかる光軸調整補
助具を備えた分割型光検出器を用いたため、従来では経
験の少ない測定操作者であっても、光軸調整を、光検出
器から出力される検出信号を監視することによって容易
に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光軸調整補助装置が適用される４
分割光検出器の正面図である。

【図２】図１に示した４分割光検出器の側面図である。

【図３】図１に示した４分割光検出器に本発明に係る光
軸調整補助装置を適用した正面図である。

【図４】図３に示した４分割光検出器の側面図である。

【図５】光軸調整補助具の導光板の作用を説明するため
の図である。

【図６】光軸調整補助具の他の例を示す正面図である。

【図７】光軸調整補助具の他の例を示す正面図である。

【図８】本発明に係る光軸調整補助装置に基づく光軸調
整の仕方を説明するための図である。

【図９】光軸調整補助具を備えた４分割光検出器の検出
出力特性を説明する図である。

【図１０】大きな受光面積を有する受光部を用いて構成
された４分割光検出器の検出出力特性を説明する図であ
る。

【図１１】従来の光軸調整を説明するための概略側面図
である。

【図１２】カンチレバー部分の拡大平面図である。

【図１３】カンチレバー部分の拡大側面図である。

【図１４】４分割光検出器の受光面でスポット位置を中
心に移動させる制御状態を示す図である。

【符号の説明】

１１４分割光検出器１２受光面１２ａ〜１２ｄ受光部１４光軸調整補助具１４ａ〜１４ｄ導光板１５スペース１６レーザ光１６ａ照射スポット１１４，２１４光軸調整補助具

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料に対向して配置される探針を備えた
カンチレバーと、レーザ光を出射するレーザ光源と、レ
ーザ光が入射される受光面を有しかつこの受光面が複数
の受光部に分割されて成る光検出器とを備え、反射部を
利用して前記レーザ光源から出射されるレーザ光を前記
カンチレバーの背面へ導き、前記カンチレバーの背面で
反射されたレーザ光を前記光検出器へ導く光てこ式光学
検出系を備える走査型プローブ顕微鏡において、前記光検出器の前記受光面を形成する複数の前記受光部
の各々に、前記受光部よりも大きな面積を有する導光板
を、前記受光部と導光板が部分的に重なるようにして付
設し、複数の前記導光板の各々で前記カンチレバーから
のレーザ光を受け、対応する前記受光部に当該レーザ光
を導くように構成したことを特徴とする走査型プローブ
顕微鏡の光学調整補助装置。
【請求項２】複数の前記導光板は互いに光学的に分離
されていることを特徴とする請求項１記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡の光学調整補助装置。
【請求項３】前記光検出器における複数の前記受光部
で形成される前記受光面の中心部は、当該中心部に対応
する領域を形成する複数の前記導光板の部分が除去され
ることにより、外方に開放されていることを特徴とする
請求項１または２記載の走査型プローブ顕微鏡の光学調
整補助装置。
【請求項４】前記光検出器の検出出力感度特性におい
て、前記受光面の中心での感度は０であり、かつ前記受
光面の中心近傍から前記導光板の周縁に向かって感度が
低下することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項
に記載の走査型プローブ顕微鏡の光軸調整補助装置。
【請求項５】前記光検出器は、４分割された正方形受
光部からなる正方形受光面を有する光検出器であり、前
記導光板も正方形の板材であることを特徴とする請求項
１〜４のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の
光軸調整補助装置。