JP2005106719A - 光導波路を用いた光反射式計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 各種物体のナノメータオーダの位置或いは角度を検出するに際して、多重反射や散乱、更にはゆらぎ等の影響を受けることなく、また高価で性能の良くない分割タイプの受光素子を用いることなく正確な測定を可能とする。
【解決手段】 測定対象物体からの反射光を、複数本の光ファイバー４、５の先端部６、７で受光する。受光した光は光ファイバーにより受光計測装置設置部分に配置された単一タイプのフォトダイオード１２、１３の位置まで導かれる。各光ファイバーの光導出部１４、１５から出る光は、集光レンズ１６で集光し、単一タイプのフォトダイオード１２、１３で光量を検出し、プリアンプ１８を通して受光計測装置１１の演算装置１９で受光量の差に基づく被計測物体の位置或いは角度の変化を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は物体の位置及び角度を光学的手段を用いて精密に計測する技術に関し、特に位置或いは角度が変化する物体から反射する光を検出する光てこ方式を用い、ナノメートルスケール以下の微小変位の検出に適する光反射式計測装置に関する。

物体の位置及び角度の変化を光学的手段を用いて精密に計測する手段として、測定対象物体からの反射光を受光することによる光テコの原理を用い、その光を分割フォトダイオードで受光する技術が広く採用されている。

上記のような光テコを用いてフォトダイオードで測定対象からの反射光を受光するものにおいては、これをナノメートルスケールの測定対象を測定する際にはフォトダイオードを測定対象に近接させ、常駐させることとなる。その際には例えば放射線にさらされる場所や水などの液体中で用いる場合には、フォトダイオードはその環境に入れないで透明な窓を含むチャンバーでその環境を封じ込めて、前記のようなフォトダイオードを常駐させることができる環境から窓を通して検出する光を受光せざるを得なくなる。

しかしながら、この手法では透明な窓を通すことにより多重反射と散乱が発生して光学系の精度を落としていた。更には、検出する光を測定対象からフォトダイオード迄長い距離走らせることにより、大気や液体による散乱やゆらぎの影響を受けて計測精度を落としていた。

そのため、光テコ法の適応環境はかなり限られていただけでなく、光テコ法の本来の性能が発揮できていなかった。

特に４分割フォトダイオードを用いたものにおいては、静電容量の多さ、暗電流の多さ、大きさ形状や感度の種類の少なさ等の特有のいくつかの問題点があり、位置検出の高速化や高感度化を妨げていた。

更に物体からの反射光を受光する光電変換素子において、分割タイプのフォトダイオードを用いると、単一タイプに比べて種類が少なく高価であり、要求を満たす性能のものが選択できるとは限らないため、４分割フォトダイオードを用いることにより充分な性能の光テコ法を実現することが難しかった。

なお、上記のようなナノメートルスケールで変化する物体の位置及び角度の変化を、光テコの原理を用い、分割タイプのフォトダイオードによって検出する光反射式計測装置は、例えば下記特許文献に記載されている。
特開平６−２５８０６７公報

したがって本発明は、多重反射や散乱、更にはゆらぎ等の影響を受けることなく、また高価で性能の良くない分割タイプの受光素子を用いる必要がない光反射式計測装置を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するため、測定対象からの反射光を受光することによる位置検出（光テコ法）に使う分割フォトダイオードと同じ機能を、分割数本の光ファイバー束とその端に付けた非分割の単一フォトダイオードで実現する。そのために、反射光をまず分割の光ファイバーにそれぞれ入光する。光ファイバーに入光された光はその他端に伝送されそこで単一フォトダイオードに入光する。

本発明による光反射式計測装置は上記の基本思想に基づきなされたもので、より具体的には、複数本の光導波路と、前記複数本の光導波路と同数の単一タイプのフォトダイオードとを備え、前記複数の光導波路の一端部を束ねてその端面により測定対象物体からの反射光を受光する受光部を形成し、前記複数の光導波路の他端部に対向して前記フォトダイオードを配置し、前記複数のフォトダイオードによる各光導波路で伝送された受光信号により物体の位置または角度を検出するようにしたものである。

また、本発明による他の光導波路を用いた光反射式計測装置は、前記光導波路を光ファイバーとしたものである。

また、本発明による他の光導波路を用いた光反射式計測装置は、前記光導波路の他端部とこれに対向するフォトダイオードとの間に集光レンズを配置したものである。

また、本発明による他の光導波路を用いた光反射式計測装置は、前記複数の光導波路を２本の光導波路としたものである。

また、本発明による他の光導波路を用いた光反射式計測装置は、前記複数の光導波路を４本の光導波路としたものである。

また、本発明による他の光導波路を用いた光反射式計測装置は、前記光導波路の受光部を矩形に形成したものである。

また、本発明による他の光導波路を用いた光反射式計測装置は、前記光導波路の受光部に少なくとも端部を矩形に形成した受光体を接続したものである。

物体からの反射光を受光する光電変換に際して、分割タイプではなく単一タイプのフォトダイオードを利用できることにより、種類が豊富であり、安価であり、高性能なフォトダイオードが選択できる。

また、受光素子として４分割フォトダイオードを用いる際に特有の、静電容量の大きさ、暗電流の多さ、大きさ形状や感度の種類の少なさ、等々のいくつかの問題点を無くした状態で、４分割フォトダイオードを用いた光テコ法と同様のことを実現することができる。

また、フォトダイオードの側にプリアンプを設置できない場所での受光でも、ファイバーで適切な空間のある場所まで受光光を引き出せることにより、フォトダイオードの側にプリアンプを設置することができる。

このような各種の効果により、光テコ法を用いた位置検出の高速化、高感度化、設置場所の自由度の増加等が可能となった。

本発明は、物体の位置や角度を光テコの原理を用いて計測する光反射式計測装置において、多重反射や散乱、更にはゆらぎ等の影響を受けることなく、また高価で性能の良くない分割タイプの受光素子を用いないようにするために、分割数本の光ファイバー束の端部で物体からの反射光を受光し、光ファイバーでこれを各光ファイバーに対応して配置した非分割の単一フォトダイオードで受光することによって実現する。

本発明の実施例を図面に沿って説明する。図１に示す例においては、支点１を中心に移動する測定対象物体２に入光する光をその表面で反射し、その反射光３を図中２本の独立した光ファイバー４、５の各先端部６、７を接触した状態で束ねた受光部８で受光している。この受光部８を拡大して斜視図で示す同図（ａ）の例においては、各光ファイバー４、５の先端部６、７は円形の光ファイバーを切断した形状そのままを利用した例を示しており、両先端部６、７が接触している先端接触部１０を受光中心として予め設定している。

各光ファイバー４、５の先端部６、７はできる限り近接させた方が好ましく、図示するように接触させた状態が最も好ましい。また、その先端部６、７は図１（ａ）に示すように光ファイバーそのものの端部形状としても良いが、例えば同図（ｂ）に示すように、少なくとも先端部近傍を矩形に加工し、両先端部６、７を密着できるようにしても良い。また、各光ファイバー４、５の先端部６、７に別途適宜の大きさで光ファイバーと同材質の受光体を接続し、その受光体の端面を例えば（ｂ）に示すものと同様に矩形に成形し、両受光体を接触させて用いることもできる。

各光ファイバー４、５は少なくとも前記先端部近傍では束ねられており、その後この状態で受光計測装置１１が配置されている位置迄そのまま延びている。受光計測装置１１においては、光ファイバーの本数に応じた単一タイプのフォトダイオードを備えており、図示実施例においては光ファイバーを２本用いているので２個の単一タイプのフォトダイオード１２、１３を備えている。

各光ファイバー４、５における光の導出部１４、１５は、前記単一タイプのフォトダイオード１２、１３の受光面に対向して配置している集光レンズ１６、１７の前面に導かれており、集光レンズ１６、１７で集光された光を単一タイプのフォトダイオード１２、１３で受光できるようにしている。それにより、各光ファイバー４、５の先端部６、７で受光した物体からの反射光３を、各光ファイバー４、５で単一タイプのフォトダイオード１２、１３に伝送し、効率よく受光することができる。

各単一タイプのフォトダイオード１２、１３による受光信号は各々プリアンプ１８（１８−１、１８−２）で増幅し、演算装置１９に入力して、各光ファイバー４、５の先端部６、７での受光量の相違による測定対象物体２の位置或いは角度を測定する。

上記のように構成される導波路を用いた光反射式計測装置においては、物体からの反射光を受光する光電変換に際して、２分割タイプの受光素子を用いず、単一タイプのフォトダイオードを２個用いて実質的に２分割タイプの受光素子を用いたものと同様の信号処理を行うことによって測定対象物体の位置或いは角度を測定しているので、種類が豊富で安価であり、高性能な単一タイプのフォトダイオードを用いることができる。また、従来のもののようにフォトダイオードの側にプリアンプを設置できない場所での受光に際しても、光ファイバーで適切な空間のある場所まで受光光を引き出すことができるため、フォトダイオードの側にプリアンプを設置可能となる。

前記の例においては測定対象物体からの反射光を２本の光ファイバーによって受光し伝送した例を示したが、その他例えば図２に示すように４本の光ファイバー２０、２１、２２、２３を用いてもよい。その際には受光部２４を、同図（ａ）に示すように断面円形の光ファイバーの先端部２５、２６、２７、２８を、隣接する光ファイバー相互に接触するように並べて配置して形成することができる。また、同図（ｂ）に示すように先端部２５、２６、２７、２８を矩形に加工して互いに接触するように並べて配置しても良い。このときも、前記と同様に各光ファイバー２０、２１、２２、２３の先端部２５、２６、２７、２８に別途適宜の大きさで光ファイバーと同材質の受光体を接続し、その受光体の端面を例えば（ｂ）に示すものと同様に矩形に成形し、両受光体を接触させて用いることもできる。

各光ファイバー２０、２１、２２、２３は、前記の例と同様に束ねられて受光計測装置３１が配置されている位置迄延びている。受光計測装置３１においては、４本の光ファイバーの本数に応じた４個の単一タイプのフォトダイオード３２、３３、３４、３５を備えている。

各光ファイバー２０、２１、２２、２３における光の導出部３６、３７、３８、３９は、前記単一タイプのフォトダイオード３２、３３、３４、３５の受光面に対向して配置している集光レンズ４０、４１、４２、４３の前面に導かれており、各集光レンズ４０、４１、４２、４３で集光された光を単一タイプのフォトダイオード３２、３３、３４、３５で受光できるようにしている。それにより、各光ファイバー２０、２１、２２、２３の先端部２５、２６、２７、２８で受光した物体からの反射光３を、各光ファイバー２０、２１、２２、２３で単一タイプのフォトダイオード３２、３３、３４、３５に伝送し、効率よく受光することができる。

各単一タイプのフォトダイオード３２、３３、３４、３５による受光信号は各々プリアンプ４４（４４−１・・・４４−４）で増幅し、演算装置４５に入力して、各光ファイバー２０、２１、２２、２３の先端部２５、２６、２７、２８での受光量の相違による測定対象物体２の位置或いは角度を測定する。

上記のように構成される導波路を用いた光反射式計測装置においては、物体からの反射光を受光する光電変換に際して、４分割タイプの受光素子を用いず、単一タイプのフォトダイオードを４個用いて実質的に４分割タイプの受光素子を用いたものと同様の信号処理を行うことによって測定対象物体の位置或いは角度を測定しているので、種類が豊富で安価であり、高性能な単一タイプのフォトダイオードを用いることができる。また、従来のもののようにフォトダイオードの側にプリアンプを設置できない場所での受光に際しても、ファイバーで適切な空間のある場所まで受光光を引き出すことができるため、フォトダイオードの側にプリアンプを設置可能となる。

更に、受光素子として４分割フォトダイオードを用いる際に特有の、静電容量の大きさ、暗電流の多さ、大きさ形状や感度の種類の少なさ、等々のいくつかの問題点を無くした状態で、４分割フォトダイオードを用いた光テコ法と同様のことを実現することができる。

なお、上記各実施例においては複数本の光ファイバーを用いて、その端部に受光した物体からの反射光を単一のフォトダイオードに導いて計測を行う例を示したが、受光した光を伝送する光導波路として光ファイバー以外に従来から光導波手段として採用されている金属製の導波管等の光導波管を用いることができる。その際には断面が円形のもの、矩形のもの等種々の導波管を用いることができる。

本発明による光導波路を用いた光反射式計測装置は、例えば原子間力顕微鏡のカンチレバーの傾斜検出に好適に用いることができるが、その他各種物体のナノメータオーダの移動や傾斜の変化を検出する広範囲の産業上の分野に利用することができる。

２本の光ファイバーを用いた本発明の実施例の測定原理図である。 ４本の光ファイバーを用いた本発明の実施例の測定原理図である。

符号の説明

２ 測定対象物体
３ 反射光
４、５ 光ファイバ
６、７ 先端部
８ 受光部
１１ 受光計測装置
１２、１３ フォトダイオード
１６ １７ 集光レンズ
１８ プリアンプ
１９ 演算装置

Claims (7)

1. 複数本の光導波路と、前記複数本の光導波路と同数の単一タイプのフォトダイオードとを備え、
   前記複数の光導波路の一端部を束ねてその端面により測定対象物体からの反射光を受光する受光部を形成し、
   前記複数の光導波路の他端部に対向して前記フォトダイオードを配置し、
   前記複数のフォトダイオードによる各光導波路で伝送された受光信号により物体の位置または角度を検出することを特徴とする光導波路を用いた光反射式計測装置。
2. 前記光導波路は光ファイバーであることを特徴とする請求項１記載の光導波路を用いた光反射式計測装置。
3. 前記光導波路の他端部とこれに対向するフォトダイオードとの間に集光レンズを配置したことを特徴とする請求項１記載の光導波路を用いた光反射式計測装置。
4. 前記複数の光導波路は２本の光導波路であることを特徴とする請求項１記載の光導波路を用いた光反射式計測装置。
5. 前記複数の光導波路は４本の光導波路であることを特徴とする請求項１記載の光導波路を用いた光反射式計測装置。
6. 前記光導波路の受光部を矩形に形成したことを特徴とする請求項１記載の光導波路を用いた光反射式計測装置。
7. 前記光導波路の受光部に少なくとも端部を矩形に形成した受光体を接続することを特徴とする請求項１記載の光導波路を用いた光反射式計測装置。

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