JP2004012244A

JP2004012244A - Measuring instrument and method using fine particulate probe trapped by optical radiation pressure

Info

Publication number: JP2004012244A
Application number: JP2002164738A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Takatani; 高谷　裕浩; Takashi Miyoshi; 三好　隆志; Satoru Takahashi; 高橋　哲
Original assignee: Osaka Industrial Promotion Organization
Current assignee: Osaka Industrial Promotion Organization
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-05
Also published as: JP4117600B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a measuring instrument which can measure the shape or the like of an object with precision of nanometer order. <P>SOLUTION: This measuring instrument 10 is provided with a first laser light source 14 for irradiating fine particulates 12 with a first laser beam 24, and a second laser beam source 28 for emitting a second laser beam 34 having a wavelength different from that of the first laser beam to irradiating the fine particulates with the second beam. Intensity of the second laser beam is varied with the lapse of time under the condition where the particulates are trapped by optical radiation pressure of the first laser beam. By bringing the particulates to the measured object 36, and by detecting variations in vibration of the particulates 12 based on the intensity of a reflected beam received by a photodetector 52, it is possible to measure the position of a portion of the measured object 36. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光放射圧によりトラップした微粒子プローブを用いて被測定物、特にマイクロメートルオーダの微細形状の測定を行う測定装置及び方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
現在、マイクロマシン技術の発達により、マイクロメートルオーダの微細形状を有するマイクロ部品の製作が可能となっている。このようなマイクロ部品の形状・寸法の測定は顕微鏡を用いて行われるのが一般的であり、マイクロ部品のあらゆる部位を３次元的に定量評価する方法は未発達のままである。したがって、マイクロメートルオーダの微細形状をナノメートルオーダの精度で測定可能な３次元座標測定機（以下、ナノＣＭＭ（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｍａｃｈｉｎｅ）という。）の開発が求められている。
【０００３】
従来のＣＭＭは、一般に、スタイラスの一端（先端）にプローブ球を設けるとともに、スタイラスの他端にばねを設けた構成を有し、プローブ球を被測定物に接触した際のプローブ球の位置から被測定物の所定部位の座標を求めるようになっている。このようなＣＭＭの仕様として、例えば、測定レンジが１ｍ^３程度、プローブ径が５ｍｍ程度に対し、分解能が１μｍオーダ、被対象物との接触力が１０^−１Ｎオーダとされているが、ナノＣＭＭの仕様として、例えば、測定レンジが１０ｍｍ^３程度、プローブ径が１０μｍ程度に対し、１０ｎｍオーダの分解能、及び１０^−５Ｎオーダの接触力が要求される。しかしながら、上記のような機械的な構成では、上記分解能及び接触力の仕様を満足することは困難である。
【０００４】
そこで、本発明は、ナノメートルオーダの高精度で被対象物の形状等を測定可能な測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【発明の概要】
上記目的を達成するために、請求項１に係る測定装置は、
レーザ光を照射するレーザ照射部と、
レーザ照射部より照射されたレーザ光の放射圧によりトラップされた微粒子と、
微粒子に照射するレーザ光の強度を変調させる制御部と、
微粒子を被測定物に相対的に移動する移動機構と、
微粒子からの反射光を受光する受光系と、
移動機構により微粒子を被測定物に接近させ、このとき受光系が受光した反射光の強度に基づいて、被測定物の位置を演算する演算部とを備えることを特徴とする。
【０００６】
請求項２に係る測定装置は、請求項１の測定装置において、レーザ照射部は、第１のレーザ光を微粒子に照射する第１のレーザ照射ユニットと、第１のレーザ光と波長の異なる第２のレーザ光を微粒子に照射する第２のレーザ照射ユニットを有し、
制御部は、第１のレーザ照射部より照射された第１のレーザ光の放射圧により微粒子をトラップした状態で、第２のレーザ光の強度を時間的に変化させることを特徴とする。
【０００７】
請求項３に係る測定装置は、請求項２の測定装置において、
第１のレーザ光としてリング状のビームが微粒子に照射され、第２のレーザ光は、リング状の第１のレーザ光の内側を通って微粒子に照射されることを特徴とする。
【０００８】
請求項４に係る測定装置は、請求項２又は３の測定装置において、
微粒子で反射した反射光は、第２のレーザ光のみを通過させるフィルタを介して受光系に受光させることを特徴とする。
【０００９】
請求項５に係る測定装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の測定装置において、微粒子はレーザ照射部から照射されるレーザ光に対し透過であることを特徴とする。
【００１０】
請求項６に係る測定装置は、請求項１〜５のいずれかに記載の測定装置において、微粒子は球体であることを特徴とする。
【００１１】
請求項７に係る測定装置は、請求項１〜６のいずれかに記載の測定装置において、微粒子はシリカであることを特徴とする。
【００１２】
請求項８に係る測定方法は、レーザ光を照射してレーザ光の放射圧により微粒子をトラップし、微粒子に照射するレーザ光の強度を変調させながら、微粒子を被測定物に接近させ、このときの微粒子の振動状態をモニタし、このモニタ情報に基づいて被測定物の位置を演算することを特徴とする。
【００１３】
請求項９に係る測定方法は、請求項８の測定方法において、
微粒子の振動状態は、微粒子からの反射光の強度を検出することによりモニタすることを特徴とする。
【００１４】
請求項１０に係る測定方法は、請求項８の測定方法において、
上記レーザ光は、互いに波長の異なる第１のレーザ光と第２のレーザ光からなり、
第１のレーザ光の放射圧により微粒子をトラップした状態で、第２のレーザ光の強度を変調させることを特徴とする。
【００１５】
請求項１１に係る測定方法は、請求項１０の測定方法において、
第１のレーザ光としてリング状のビームが微粒子に照射され、第２のレーザ光は、リング状の第１のレーザ光の内側を通って微粒子に照射されることを特徴とする。
【００１６】
請求項１２に係る測定方法は、請求項１０又は１１の測定方法において、
微粒子の振動状態は、微粒子からの反射光の強度を検出することによりモニタすることを特徴とする。
【００１７】
請求項１３に係る測定方法は、請求項１２の測定方法において、
微粒子で反射した反射光は、第２のレーザ光のみを通過させるフィルタを介して、光の強度を検出する光検出器に受光させることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明において、方向を表す用語（「上方向」、「下方向」、「右方向」、「左方向」）を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。
【００１９】
図１を参照して、全体を符号１０で示す測定装置は、微粒子プローブ１２と、レーザ光を出射するレーザ光源１４と、レーザ光源１４からのレーザ光を集光して微粒子１２に照射し光放射圧により微粒子１２をトラップするための集光レンズ１６（図の例では顕微鏡用対物レンズを用いている。）とを備える。レーザ光源１４として、発振モードすなわちＱ−ＳｗｉｔｃｈおよびＣＷが切り替え可能なＮｄ：ＹＡＧレーザが用いられている。微粒子１２は、レーザ光に対し透過で、真球度の高い球体（例えば径が約１〜１０μｍ）である。微粒子１２の材料としてシリカが好適に使用できるが、その他ＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ　ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ポリスチレンなどを用いてもよい。光源１４から集光レンズ１６に到る光路上には、遮光マスク１７、偏光ビームスプリッタ１８、及び偏光ビームスプリッタ２０が順に配置されている。遮光マスク１７はレーザ光をリング状に整形するためのものである。偏光ビームスプリッタ１８は、左方向に向かうＳ偏光成分を透過しＰ偏光成分を下方向に反射するとともに、下方向に向かうＳ偏光成分を左方向に反射しＰ偏光成分を透過する。偏光ビームスプリッタ２０は、左方向に向かうＳ偏光成分を下方向に反射しＰ偏光成分を透過するとともに、上方向に向かうＳ偏光成分を右方向に反射しＰ偏光成分を透過する。したがって、光源１４から左方向に出射したレーザ光は、遮光マスク１７を通過してリング状に整形され、偏光ビームスプリッタ１８でＳ偏光成分のみが左方向に透過し、偏光ビームスプリッタ２０で下方向に反射して、集光レンズ１６に入射する。
【００２０】
図２を参照して、集光レンズ１６により集光して微粒子１２に照射されるレーザ光２４は、微粒子１２と外部（大気）との境界面で反射・屈折するため、光放射圧が発生する。このような光放射圧の上方向の合力（トラップ力）Ｆｔが微粒子１２に対し自重Ｆｇ以上の力を作用することで、微粒子１２を保持できる。図２において微粒子１２の周囲に示した矢印は、各位置で微粒子１２に作用する光放射圧を示す。光軸２６付近のレーザ光により光放射圧が発生する場合、微粒子１２を押し下げる力が支配的なのに対し、本実施形態のようにリング状のレーザ光２４を用いた場合（より一般的には、光軸２６を中心とする中央部の強度がその周辺部よりも小さい光強度分布を有するレーザ光を用いる場合）、効率のよいトラッピングを行うことができる（本発明者らによる文献「レーザトラッピングを用いたナノ３次元検出プローブに関する研究−プローブの基本特性−」（１９９６年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集）参照）。
【００２１】
図１に戻って、測定装置１０はさらに、トラッピング用のレーザ光２４を照射する光源１４とは別のレーザ光源として、レーザダイオード（ＬＤ）２８を有する。ＬＤ２８から偏光ビームスプリッタ１８に向かう光路上には光変調器３０が配置され、光変調器３０には信号発生器３２が接続されている。光変調器３０として、例えば音響光学変調素子、電気光学変調素子、磁気光学変調素子などが用いられる。また、変調機能を有するＬＤドライバを用いても変調が可能である。信号発生器３２は、所定の周波数ｆで発振した信号を光変調器３０に入力し、これにより、ＬＤから出射したレーザ光３４は、周波数ｆの強度変調光として光変調器３４から出射される。レーザ光３４とレーザ光２４は、互いに波長が異なる。光変調器３０から出射されたレーザ光３４は下方向に進行し、偏光ビームスプリッタ１８でＳ偏光成分のみが左方向に反射する。偏光ビームスプリッタ１８で反射したＳ偏光成分は、リング状のレーザ光２４のＳ偏光成分の内側を、その光軸がレーザ光２４の光軸と等しくなった状態で左方向に進行する。このＳ偏光成分は、さらに偏光ビームスプリッタ２０で下方向に反射し、集光レンズ１６に入射する。
【００２２】
図３を参照して、レーザ光２４によりトラップされた微粒子１２には、さらに強度変調されたレーザ光３４が照射されることになる。この結果、トラップ力Ｆｔは周期的に変化することになり、微粒子１２に強制振動を引き起こすことができる。また、信号発生器３２で発振する信号の周波数ｆを調整することにより微粒子１２の振動の周波数を変えることができ、変調強度の大きさによって振幅を変えることができる。
【００２３】
図１に示すように、レーザ光２４によりトラップされた微粒子１２に対向して、被測定物３６を載置するための例えばガラスからなるステージ（平板）３８が配置してある。ステージ３８は、圧電アクチュエータ４０によりその高さ（上下方向（Ｚ方向）に関する位置）及び紙面に垂直なＸＹ平面内での位置が調整できるようにしてある。
【００２４】
圧電アクチュエータ４０を駆動して微粒子１２に被測定物３６を近づけた場合、微粒子１２と被測定物３６が十分離れていれば、図４（ａ）に示すように微粒子１２は、制御した振幅Ａで振動する。しかしながら、微粒子１２が被測定物３６に近接あるいは接触すると、図４（ｂ）に示すように、微粒子１２の振動は、被測定物３６との干渉により大きく減衰（振幅Ａ’＜＜Ａ）あるいは消滅する。このように、微粒子１２を被測定物３６に接近させ、微粒子１２の振動の変化を検出することで、被測定物３６の部位の３次元的な位置を測定することができる。
【００２５】
微粒子１２の振動状態を検出するために、本実施形態では、トラッピング用レーザ光２４の微粒子１２からの後方散乱光を利用する。具体的に、図１を参照して、偏光ビームスプリッタ２０を挟んで集光レンズ１６の反対側には、ＹＡＧレーザ１４から出射して微粒子で反射した光のみを透過させるフィルタ４２が配置してあり、レーザ光２４、３４が照射され微粒子１２で反射した光４４は、偏光ビームスプリッタ２０でそのＰ偏光成分が透過した後、フィルタ４２で強制振動用レーザ光３４に対応する光が除去され、トラッピング用レーザ２４に対応する光４６がそのまま通過する。この光４６は、ミラー４８で反射して集光レンズ５０に入射し、フォトディテクタ（ＰＤ）５２に集光される。ＰＤ５２から出力される検出信号は、ＦＦＴ（ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）アナライザ５４に送信される。ＦＦＴアナライザ５４で得られたパワースペクトル密度分布は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）５６に送られ、各種処理がなされてディスプレイ５８に表示される。後述する実験結果にも示されるように、微粒子１２は、パワースペクトル密度分布のピークに対応する周波数で振動しており、微粒子１２をＺ方向に被測定物３６に十分に近づけることで、このピークが消滅する。このときを位置検出基準とすることで被測定物３６の部位の位置を検出できる。
【００２６】
（実験１）
本発明者らは、以下の条件のもと図１に示す測定装置１０を用いて微粒子１２の振動状態（パワースペクトル）を検出した。微粒子の捕捉は、ガラス基板３８上に散布した多数の微粒子にレーザ光を照射することで行った。
【００２７】
・微粒子１２：径８μｍ、質量５×１０^−１３ｋｇのシリカ（製品名真絲球ＳＷ８．０μ；触媒化成工業（株）社製）
・ＹＡＧレーザ１４：波長１０６４ｎｍ、ＴＥＭ_００モード、ビーム径３．６ｍｍ、対物レンズ１６への入射パワー８００ｍＷ（製品名８１８ＳＴＱ−ＳＷ；Ｌｅｅ　Ｌａｓｅｒ社製）
・対物レンズ１６：開口度０．９５、作動距離（Ｗｏｒｋ　Ｄｉｓｔａｎｃｅ）０．３０ｍｍ（（製品名ＮｉｋｏｎＣＦＩＣＥＰＩＰｌａｎ；ニコン社製）
・遮光マスク１７：レーザ遮光部分の径１．６ｍｍ
・ＬＤ２８：波長６８７ｎｍ、ビーム径１．０ｍｍ、対物レンズ１６への入射パワー３０ｍＷ、変調周波数２３Ｈｚ
・フィルタ４２：赤外透過フィルタ（製品名ＩＴＦ−５０Ｓ−９０ＲＭ−８５ＩＲ；シグマ光機社製）
【００２８】
ＰＤ５２から出力される検出信号の時間的変化を図５に示す。図に示すように、微粒子１２から反射される光の強度が周期的に変化していることから、微粒子１２が振動していることがわかる。ＰＤ５２からの出力信号からＦＴＴアナライザ５４により得られたパワースペクトル密度分布を図６に示す。図に示すように、変調周波数２３Ｈｚと略同一の周波数で微粒子１２を強制振動できることがわかる。なお、比較のため、変調を行わない場合のパワースペクトル密度分布を取得したが、図に示すようにピークは存在しなかった。
【００２９】
（実験２）
変調周波数として５００Ｈｚに設定した以外は実験１と同一の条件で、被測定物であるマイクロガラス球（直径１６８±８．４μｍ）への微粒子の接近実験を行った。ガラス球の中心軸から水平方向に４０μｍ離れた初期位置に微粒子を配置し、上方向にガラス球を移動させた。図７（ａ）は初期位置での微粒子とガラス球との位置関係を示し、図７（ｂ）はガラス球を上方向に４０００ｎｍ移動させたときの微粒子とガラス球との位置関係を示したものである。
【００３０】
図８（ａ）、（ｂ）に示すように、ガラス球を初期位置から上方向に４９００ｎｍ移動させても、パワースペクトル密度分布のピークは変調周波数と同じ５００Ｈｚであったが、さらに移動する間にピークが小さくなり、図８（ｃ）に示すように４９２５ｎｍに達した時点でピークが消滅した。ガラス球を下方向に移動するとピークが再度現れた。図８（ｄ）は、初期位置から４９００ｎｍまで戻したときのパワースペクトル密度分布である。これは、微粒子を強制振動させるプローブを測定対象へ接近させ、パワースペクトル密度分布のピークが消滅する点を位置検出基準として用いることで、数十ｎｍ程度の分解能を得ることが可能であることを示している。
【００３１】
（実験３）
微粒子に対しＺ方向に外力Ｆを与えたときの微粒子のＺ方向の運動は、

のように１自由度強制振動系としてモデル化できる。ここで、ｍは微粒子の質量、Ｄは空気による粘性減衰係数、ｋはばね定数である。そこで、外力Ｆとして調和的な力を与えた（すなわち、光変調器３２によるＬＤ３０の変調振幅を一定にしたまま周波数ｆを変化させる）場合の周波数応答を調べることで、振動系のばね定数を求めた。
【００３２】
周波数応答関数Ｈ（ｆ）は、
Ｈ（ｆ）＝１／［｛１−（ｆ／ｆ_ｎ）^２｝＋ｊ（２ζｆ／ｆ_ｎ）］
で表される。ここで、ｆ_ｎは固有振動数、ζ＝Ｄ／４πｍｆ_ｎ、ｊは虚数である。
【００３３】
図９は、周波数ｆと周波数応答関数の絶対値｜Ｈ（ｆ）｜とについて４１点をプロットしたものである。また、４１点のデータから最小二乗法による回帰曲線を求めた。この曲線において｜Ｈ（ｆ）｜の最大値に対応する周波数が固有振動数に相当することから固有振動数ｆ_ｎ＝７５９Ｈｚと求まり、

よりばね定数ｋ＝１×１０^−５Ｎ／ｍが得られた。これは、本発明に係る測定装置がナノＣＭＭの仕様として要求される１０^−５Ｎオーダの接触力を実現できることを示している。
【００３４】
以上の説明は、本発明の一実施形態にかかるもので、本発明はこれに限らず種々改変可能である。例えば、上記実施形態では、トラッピング用及び強制振動用のレーザ光２４、３４にそれぞれＹＡＧレーザ１４及びＬＤ２８を光源として用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３５】
また、上記実施形態では、微粒子を鉛直方向（重力方向）に沿って振動させているが、水平方向その他の方向に沿って振動させてもよい。これを実現させるため、トラッピング用のレーザ光及び強制振動用のレーザ光の微粒子への照射方向は適宜選択される。このように鉛直方向以外の振動方向を有する微粒子プローブを用いれば、オーバハングなど種々の形状に対しても測定を行うことができる。
【００３６】
さらに、上記実施形態では、トラッピングの効率を上げるために、トラッピング用のレーザ光２４としてリング状に整形したものを用い、その内側に強制振動用のレーザ光３４を通過させているが、この構成は本発明を限定するものではなく、微粒子を振動できれば２つのレーザ光をどのように整形してもよく、また、２つのレーザ光の照射方向は同一である必要はない。
【００３７】
加えて、レーザ光は、トラッピング用と強制振動用の２本に分けずに、トラッピング用のレーザ光を照射して微粒子を捕捉した状態で、このレーザ光の強度変調を行うことによっても、微粒子に振動を行わせることができる。但し、この場合は、上記実施形態のようにトラッピング用のレーザ光が微粒子で反射した光を利用して微粒子の振動状態をモニタすることはできないため、別のモニタ手段が必要となる。例えば、トラッピング及び強制振動用とは無関係の光を微粒子に当てこの反射光をモニタする方法や、白色光干渉計を用いる方法が挙げられる。
【００３８】
さらにまた、レーザ光源から出射するレーザ光を複数の光路に切換え、各光路上に配置した集光レンズを介して種々の方向に向けて照射する構成とすることで、一つの測定装置で、種々の方向に沿って複数の微粒子を振動できるようにしてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、ナノメートルオーダの高精度で被対象物の形状等を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る測定装置の一実施形態を示す概略図。
【図２】光放射圧による微粒子のトラッピング状態を示す図。
【図３】トラッピング用のレーザ光とともに強制振動用のレーザ光が照射された微粒子の状態を示す図。
【図４】微粒子と被対象物との位置関係に応じて微粒子の振動の状態が変化する様子を示す図。
【図５】実験１において、図１のＰＤから出力される検出信号の時間的変化を示すグラフであって、微粒子が振動している状態を表している。
【図６】実験１において、図１のＦＴＴアナライザにより得られるパワースペクトル密度分布を示すグラフ。
【図７】実験２において、被測定物であるマイクロガラス球と微粒子との位置関係を示す図。
【図８】実験２において、マイクロガラス球と微粒子とが所定の位置関係にある場合のパワースペクトル密度分布を示すグラフ。
【図９】実験３で得られた、周波数と周波数応答関数の絶対値との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１０：測定装置、１２：微粒子プローブ、１４：トラッピング用レーザ光源、１６：集光レンズ、２８：強制振動用レーザ光源、３０：光変調器、３６：被測定物、５２：光検出器。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a measuring apparatus and method for measuring an object to be measured, particularly a fine shape on the order of micrometers, using a fine particle probe trapped by light radiation pressure.
[0002]
BACKGROUND OF THE INVENTION
At present, with the development of micromachine technology, it has become possible to manufacture microparts having a fine shape on the order of micrometers. The measurement of the shape and size of such a micro component is generally performed using a microscope, and a method of three-dimensionally quantitatively evaluating any part of the micro component has not been developed. Therefore, the development of a three-dimensional coordinate measuring machine (hereinafter, referred to as a nano CMM (Coordinate Measuring Machine)) capable of measuring a fine shape on the order of micrometers with a precision on the order of nanometers is required.
[0003]
Conventional CMMs generally have a configuration in which a probe ball is provided at one end (tip) of a stylus and a spring is provided at the other end of the stylus. The coordinates of a predetermined part of the object to be measured are determined. As specifications of such a CMM, for example, for a measurement range of about 1 m ³ and a probe diameter of about 5 mm, the resolution is on the order of 1 μm and the contact force with the object is on the order of 10 ⁻¹ N. For example, a CMM specification requires a resolution of the order of 10 nm and a contact force of the order of 10 ⁻⁵ N for a measurement range of about 10 mm ³ and a probe diameter of about 10 μm. However, with the above mechanical configuration, it is difficult to satisfy the specifications of the resolution and the contact force.
[0004]
Therefore, an object of the present invention is to provide a measuring apparatus and a measuring method capable of measuring the shape and the like of an object with high accuracy on the order of nanometers.
[0005]
Summary of the Invention
In order to achieve the above object, a measuring device according to claim 1 is
A laser irradiation unit that irradiates a laser beam;
Fine particles trapped by the radiation pressure of laser light emitted from the laser irradiation unit,
A control unit for modulating the intensity of the laser light applied to the fine particles,
A moving mechanism for moving the fine particles relatively to the object to be measured,
A light receiving system for receiving light reflected from the fine particles,
A moving unit that moves the fine particles toward the object to be measured by the moving mechanism, and calculates a position of the object to be measured based on the intensity of the reflected light received by the light receiving system at this time.
[0006]
The measuring device according to claim 2 is the measuring device according to claim 1, wherein the laser irradiating unit includes a first laser irradiating unit that irradiates the first laser light to the fine particles, A second laser irradiation unit for irradiating the fine particles with the second laser light,
The control unit changes the intensity of the second laser light with time while the fine particles are trapped by the radiation pressure of the first laser light emitted from the first laser irradiation unit.
[0007]
The measuring device according to claim 3 is the measuring device according to claim 2,
As a first laser beam, a ring-shaped beam is irradiated on the fine particles, and the second laser beam is irradiated on the fine particles through the inside of the ring-shaped first laser light.
[0008]
The measuring device according to claim 4 is the measuring device according to claim 2 or 3,
The light reflected by the fine particles is received by a light receiving system via a filter that allows only the second laser light to pass therethrough.
[0009]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the measurement apparatus according to any one of the first to fourth aspects, wherein the fine particles are transparent to the laser light emitted from the laser irradiation unit.
[0010]
A measuring device according to claim 6 is the measuring device according to any one of claims 1 to 5, wherein the fine particles are spherical.
[0011]
The measuring device according to claim 7 is the measuring device according to any one of claims 1 to 6, wherein the fine particles are silica.
[0012]
The measuring method according to claim 8 is to irradiate the laser beam to trap the fine particles by the radiation pressure of the laser light, and to bring the fine particles close to the measured object while modulating the intensity of the laser light irradiating the fine particles. The vibration state of the fine particles is monitored, and the position of the object to be measured is calculated based on the monitor information.
[0013]
The measuring method according to claim 9 is the measuring method according to claim 8,
The vibration state of the fine particles is monitored by detecting the intensity of the reflected light from the fine particles.
[0014]
The measuring method according to claim 10 is the measuring method according to claim 8,
The laser light includes a first laser light and a second laser light having different wavelengths from each other,
The method is characterized in that the intensity of the second laser light is modulated while the fine particles are trapped by the radiation pressure of the first laser light.
[0015]
The measuring method according to claim 11 is the measuring method according to claim 10,
As a first laser beam, a ring-shaped beam is irradiated on the fine particles, and the second laser beam is irradiated on the fine particles through the inside of the ring-shaped first laser light.
[0016]
The measuring method according to claim 12 is the measuring method according to claim 10 or 11,
The vibration state of the fine particles is monitored by detecting the intensity of the reflected light from the fine particles.
[0017]
The measuring method according to claim 13 is the measuring method according to claim 12,
The light reflected by the fine particles is received by a photodetector that detects the intensity of the light via a filter that allows only the second laser light to pass therethrough.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the following description, the terms indicating the directions (“upward”, “downward”, “rightward”, “leftward”) are used as appropriate, but these are only for explanation and these The terms do not limit the invention.
[0019]
Referring to FIG. 1, a measuring apparatus indicated generally by reference numeral 10 includes a fine particle probe 12, a laser light source 14 that emits laser light, and a laser light from laser light source 14 that condenses and irradiates fine particles 12 with light. And a condenser lens 16 (in the example of the figure, a microscope objective lens is used) for trapping the fine particles 12 by radiation pressure. As the laser light source 14, an Nd: YAG laser capable of switching between oscillation modes, ie, Q-Switch and CW, is used. The microparticles 12 are spheres (for example, having a diameter of about 1 to 10 μm) that transmit laser light and have high sphericity. Silica can be suitably used as the material of the fine particles 12, but other materials such as PMMA (polymethyl methacrylate) and polystyrene may also be used. On an optical path from the light source 14 to the condenser lens 16, a light shielding mask 17, a polarizing beam splitter 18, and a polarizing beam splitter 20 are sequentially arranged. The light shielding mask 17 is for shaping the laser light into a ring shape. The polarizing beam splitter 18 transmits the S-polarized component going leftward and reflects the P-polarized component downward, and reflects the S-polarized component going downward to the left and transmits the P-polarized component. The polarization beam splitter 20 reflects the S-polarized component going leftward downward and transmits the P-polarized component, and reflects the upward S-polarized component rightward and transmits the P-polarized component. Therefore, the laser light emitted from the light source 14 in the left direction passes through the light-shielding mask 17 and is shaped into a ring. Only the S-polarized light component is transmitted to the left by the polarization beam splitter 18, and the laser beam is And is incident on the condenser lens 16.
[0020]
Referring to FIG. 2, laser light 24 condensed by condensing lens 16 and applied to fine particles 12 is reflected and refracted at a boundary surface between fine particles 12 and the outside (atmosphere), so that a light radiation pressure is generated. I do. Such an upward resultant force (trapping force) Ft of the light radiation pressure acts on the fine particles 12 by a force greater than its own weight Fg, whereby the fine particles 12 can be held. In FIG. 2, arrows shown around the fine particles 12 indicate the light radiation pressure acting on the fine particles 12 at each position. When the light radiation pressure is generated by the laser light near the optical axis 26, the force for pushing down the fine particles 12 is dominant, whereas when the ring-shaped laser light 24 is used as in the present embodiment (more generally, In the case where a laser beam having a light intensity distribution in which the intensity of the central portion around the optical axis 26 is smaller than that of the peripheral portion is used, efficient trapping can be performed (see the document "Laser trapping by the present inventors"). Research on Nano Three-Dimensional Detection Probe Used-Basic Characteristics of Probe-"(1996 Annual Meeting of the Japan Society of Precision Engineering).
[0021]
Returning to FIG. 1, the measuring apparatus 10 further has a laser diode (LD) 28 as a laser light source different from the light source 14 that irradiates the trapping laser light 24. An optical modulator 30 is arranged on an optical path from the LD 28 to the polarization beam splitter 18, and a signal generator 32 is connected to the optical modulator 30. As the light modulator 30, for example, an acousto-optic modulator, an electro-optic modulator, a magneto-optic modulator, or the like is used. Also, modulation can be performed using an LD driver having a modulation function. The signal generator 32 inputs a signal oscillated at a predetermined frequency f to the optical modulator 30, whereby the laser light 34 emitted from the LD is emitted from the optical modulator 34 as intensity-modulated light at the frequency f. . The laser light 34 and the laser light 24 have different wavelengths from each other. The laser beam 34 emitted from the optical modulator 30 travels downward, and only the S-polarized component is reflected by the polarization beam splitter 18 to the left. The S-polarized component reflected by the polarization beam splitter 18 travels to the left inside the S-polarized component of the ring-shaped laser light 24 with its optical axis being equal to the optical axis of the laser light 24. The S-polarized component is further reflected downward by the polarization beam splitter 20 and enters the condenser lens 16.
[0022]
Referring to FIG. 3, fine particles 12 trapped by laser light 24 are irradiated with laser light 34 whose intensity is further modulated. As a result, the trap force Ft changes periodically, and forced vibration of the fine particles 12 can be caused. Further, by adjusting the frequency f of the signal oscillated by the signal generator 32, the frequency of the vibration of the fine particles 12 can be changed, and the amplitude can be changed according to the magnitude of the modulation intensity.
[0023]
As shown in FIG. 1, a stage (a flat plate) 38 made of, for example, glass on which an object to be measured 36 is placed is arranged to face the fine particles 12 trapped by the laser beam 24. The height of the stage 38 (the position in the vertical direction (Z direction)) and the position on the XY plane perpendicular to the paper surface can be adjusted by the piezoelectric actuator 40.
[0024]
When the piezoelectric actuator 40 is driven to bring the measured object 36 close to the fine particles 12, if the fine particles 12 and the measured object 36 are sufficiently separated from each other, as shown in FIG. Vibrates with. However, when the fine particles 12 approach or come into contact with the measured object 36, the vibration of the fine particles 12 is greatly attenuated by the interference with the measured object 36 (amplitude A '<< A) or as shown in FIG. Disappear. As described above, by bringing the fine particles 12 close to the measured object 36 and detecting a change in vibration of the fine particles 12, the three-dimensional position of the portion of the measured object 36 can be measured.
[0025]
In this embodiment, the backscattered light of the trapping laser light 24 from the fine particles 12 is used to detect the vibration state of the fine particles 12. Specifically, referring to FIG. 1, a filter 42 that transmits only light emitted from the YAG laser 14 and reflected by the fine particles is disposed on the opposite side of the condenser lens 16 with the polarization beam splitter 20 interposed therebetween. The light 44 irradiated by the

laser beams

24 and 34 and reflected by the fine particles 12 is transmitted through the polarization beam splitter 20 with its P-polarized component, and then the filter 42 removes the light corresponding to the laser beam 34 for forced vibration, The light 46 corresponding to the trapping laser 24 passes through as it is. The light 46 is reflected by a mirror 48, enters a condenser lens 50, and is focused on a photodetector (PD) 52. The detection signal output from the PD 52 is transmitted to an FFT (fast Fourier transform) analyzer 54. The power spectrum density distribution obtained by the FFT analyzer 54 is sent to a personal computer (PC) 56, where it is subjected to various processes and displayed on a display 58. As shown in the experimental results described later, the fine particles 12 oscillate at a frequency corresponding to the peak of the power spectrum density distribution, and when the fine particles 12 are sufficiently brought close to the DUT 36 in the Z direction, this peak is reduced. Disappears. By using this time as the position detection reference, the position of the part of the DUT 36 can be detected.
[0026]
(Experiment 1)
The present inventors detected the vibration state (power spectrum) of the fine particles 12 using the measuring device 10 shown in FIG. 1 under the following conditions. The capture of the fine particles was performed by irradiating a large number of fine particles dispersed on the glass substrate 38 with laser light.
[0027]
Fine particles 12: silica having a diameter of 8 μm and a mass of 5 × 10 ⁻¹³ kg (product name Shinito Ball SW 8.0 μ; manufactured by Catalyst Chemical Industry Co., Ltd.)
YAG laser 14: wavelength 1064 nm, TEM ₀₀ mode, beam diameter 3.6 mm, incident power on objective lens 16 800 mW (product name 818STQ-SW; manufactured by Lee Laser)
Objective lens 16: Aperture 0.95, working distance (Work Distance) 0.30 mm (product name: NikonCFICEPIPlan; manufactured by Nikon Corporation)
Light shielding mask 17: 1.6 mm in diameter of laser light shielding part
LD28: wavelength 687 nm, beam diameter 1.0 mm, incident power on the objective lens 30 30 mW, modulation frequency 23 Hz
-Filter 42: infrared transmission filter (product name: ITF-50S-90RM-85IR; manufactured by Sigma Koki Co., Ltd.)
[0028]
FIG. 5 shows a temporal change of the detection signal output from the PD 52. As shown in the figure, the intensity of the light reflected from the fine particles 12 changes periodically, indicating that the fine particles 12 are vibrating. FIG. 6 shows a power spectrum density distribution obtained by the FTT analyzer 54 from the output signal from the PD 52. As shown in the figure, it can be seen that the fine particles 12 can be forcibly vibrated at a frequency substantially equal to the modulation frequency of 23 Hz. For comparison, a power spectrum density distribution without modulation was obtained, but no peak was present as shown in the figure.
[0029]
(Experiment 2)
Under the same conditions as in Experiment 1 except that the modulation frequency was set to 500 Hz, an experiment of approaching fine particles to a micro glass sphere (diameter: 168 ± 8.4 μm) as an object to be measured was performed. The fine particles were placed at an initial position 40 μm horizontally away from the central axis of the glass sphere, and the glass sphere was moved upward. 7A shows the positional relationship between the fine particles and the glass sphere at the initial position, and FIG. 7B shows the positional relationship between the fine particles and the glass sphere when the glass sphere is moved upward by 4000 nm. Things.
[0030]
As shown in FIGS. 8A and 8B, even when the glass sphere is moved upward from the initial position by 4900 nm, the peak of the power spectrum density distribution is 500 Hz which is the same as the modulation frequency. 8C, the peak disappeared when the wavelength reached 4925 nm as shown in FIG. 8C. When the glass sphere was moved downward, the peak appeared again. FIG. 8D shows a power spectrum density distribution when the wavelength is returned from the initial position to 4900 nm. This means that it is possible to obtain a resolution of about several tens of nanometers by bringing the probe that forcibly vibrates the fine particles close to the measurement target and using the point where the peak of the power spectrum density distribution disappears as the position detection reference. Is shown.
[0031]
(Experiment 3)
When the external force F is applied to the fine particles in the Z direction, the movement of the fine particles in the Z direction is as follows.

Can be modeled as a one-degree-of-freedom forced vibration system. Here, m is the mass of the fine particles, D is the viscous damping coefficient due to air, and k is the spring constant. Therefore, by examining the frequency response when a harmonic force is applied as the external force F (that is, the frequency f is changed while the modulation amplitude of the LD 30 by the optical modulator 32 is kept constant), the spring constant of the vibration system is determined. I asked.
[0032]
The frequency response function H (f) is
H (f) = 1 / [ {1- (f / f n) 2} + j (2ζf / f n)]
Is represented by Here, f _n is a natural frequency, ζ = D / 4πmf _n , and j is an imaginary number.
[0033]
FIG. 9 plots 41 points for the frequency f and the absolute value | H (f) | of the frequency response function. Further, a regression curve by the least squares method was obtained from the data of 41 points. In this curve, since the frequency corresponding to the maximum value of | H (f) | corresponds to the natural frequency, the natural frequency f _n = 759 Hz is obtained,

Thus, a spring constant k = 1 × 10 ⁻⁵ N / m was obtained. This indicates that the measuring device according to the present invention can realize a contact force on the order of 10 ⁻⁵ N required as a specification of the nano CMM.
[0034]
The above description relates to one embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to this, and can be variously modified. For example, in the above embodiment, the YAG laser 14 and the LD 28 are used as light sources for the trapping and forced

vibration laser beams

24 and 34, respectively, but the present invention is not limited to this.
[0035]
In the above embodiment, the fine particles are vibrated along the vertical direction (gravity direction), but may be vibrated along the horizontal direction or other directions. In order to realize this, the irradiation direction of the laser light for trapping and the laser light for forced oscillation to the fine particles is appropriately selected. By using the fine particle probe having a vibration direction other than the vertical direction, it is possible to measure various shapes such as an overhang.
[0036]
Further, in the above-described embodiment, in order to increase the trapping efficiency, the trapping laser light 24 is formed into a ring shape, and the forced vibration laser light 34 is passed through the inside thereof. The present invention is not limited to the present invention. The two laser lights may be shaped in any way as long as the fine particles can be vibrated, and the irradiation directions of the two laser lights need not be the same.
[0037]
In addition, the laser beam is not divided into two beams, one for trapping and the other for forced vibration, and the intensity of the laser beam is modulated while irradiating the laser beam for trapping with capturing the fine particles. Can be made to vibrate. However, in this case, it is not possible to monitor the vibration state of the fine particles using the light reflected by the fine particles of the trapping laser light as in the above-described embodiment, so that another monitoring means is required. For example, there are a method of applying light irrelevant to trapping and forced vibration to fine particles and monitoring the reflected light, and a method of using a white light interferometer.
[0038]
Furthermore, by switching the laser light emitted from the laser light source to a plurality of optical paths and irradiating the laser light in various directions via condensing lenses arranged on each optical path, one measuring device can May be able to vibrate a plurality of fine particles along the direction of.
[0039]
【The invention's effect】
According to the present invention, the shape and the like of an object can be measured with high accuracy on the order of nanometers.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing one embodiment of a measuring device according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a trapping state of fine particles by light radiation pressure.
FIG. 3 is a diagram showing a state of fine particles irradiated with a laser beam for forced oscillation together with a laser beam for trapping.
FIG. 4 is a diagram showing a state in which the state of vibration of fine particles changes according to the positional relationship between the fine particles and an object.
5 is a graph showing a temporal change of a detection signal output from the PD of FIG. 1 in Experiment 1, and shows a state where fine particles are vibrating.
6 is a graph showing a power spectrum density distribution obtained by the FTT analyzer of FIG. 1 in Experiment 1. FIG.
FIG. 7 is a diagram showing a positional relationship between a micro glass sphere as an object to be measured and fine particles in Experiment 2.
FIG. 8 is a graph showing a power spectrum density distribution when a micro glass sphere and fine particles are in a predetermined positional relationship in Experiment 2.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the frequency and the absolute value of the frequency response function obtained in Experiment 3.
[Explanation of symbols]
10: Measuring device, 12: Particle probe, 14: Trapping laser light source, 16: Condensing lens, 28: Forced vibration laser light source, 30: Optical modulator, 36: Object to be measured, 52: Photodetector.

Claims

A laser irradiation unit that irradiates a laser beam;
Fine particles trapped by the radiation pressure of laser light emitted from the laser irradiation unit,
A control unit for modulating the intensity of the laser light applied to the fine particles,
A moving mechanism for moving the fine particles relatively to the object to be measured,
A light receiving system for receiving light reflected from the fine particles,
A measuring unit comprising: a moving mechanism that moves the fine particles closer to the object to be measured, and calculates a position of the object to be measured based on the intensity of the reflected light received by the light receiving system at this time.

The laser irradiation unit includes a first laser irradiation unit that irradiates the first laser light to the fine particles, and a second laser irradiation unit that irradiates the second laser light having a different wavelength from the first laser light to the fine particles. Have
The said control part changes the intensity | strength of 2nd laser light temporally in the state which trapped the microparticles | fine-particles by the radiation pressure of the 1st laser light irradiated from 1st laser irradiation part. Item 1. The measuring device according to Item 1.

2. The method according to claim 1, wherein a ring-shaped beam is applied to the fine particles as the first laser light, and the fine particles are irradiated with the second laser light through the inside of the ring-shaped first laser light. 2. Measurement device.

The measuring device according to claim 2, wherein the light reflected by the fine particles is received by a light receiving system via a filter that allows only the second laser light to pass.

The measuring device according to any one of claims 1 to 4, wherein the fine particles are transmitted with respect to a laser beam irradiated from the laser irradiation unit.

The measuring device according to claim 1, wherein the fine particles are spherical.

The measuring device according to any one of claims 1 to 6, wherein the fine particles are silica.

By irradiating the laser light and trapping the fine particles by the radiation pressure of the laser light, while modulating the intensity of the laser light irradiating the fine particles, the fine particles are brought close to the object to be measured, and the vibration state of the fine particles at this time is monitored, A measurement method comprising calculating a position of an object to be measured based on the monitor information.

9. The method according to claim 8, wherein the vibration state of the fine particles is monitored by detecting the intensity of light reflected from the fine particles.

The laser light includes a first laser light and a second laser light having different wavelengths from each other,
9. The measuring method according to claim 8, wherein the intensity of the second laser light is modulated while the fine particles are trapped by the radiation pressure of the first laser light.

2. The method according to claim 1, wherein a ring-shaped beam is applied to the fine particles as the first laser light, and the fine particles are irradiated with the second laser light through the inside of the ring-shaped first laser light. 10. Measurement method.

The method according to claim 10, wherein the vibration state of the fine particles is monitored by detecting the intensity of light reflected from the fine particles.

13. The measuring method according to claim 12, wherein the light reflected by the fine particles is received by a photodetector that detects the intensity of the light via a filter that passes only the second laser light.