JP2007078577A - Optical axis adjusting auxiliary device - Google Patents

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Hiroshi Kuroda
浩史 黒田
Toru Kurenuma
榑沼  透
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical axis adjusting auxiliary device capable of guiding easily and surely an irradiation spot to the center of a light receiving surface on the light receiving surface of a quadripartite photodetector, and facilitating an optical axis adjusting work, in the optical axis adjusting work of a scanning probe microscope or the like equipped with an optical lever type optical detection system. <P>SOLUTION: This optical axis adjusting auxiliary device equipped with a laser light source emitting laser light 16 to a reflecting member, and the photodetector 11 having the light receiving surface 12 receiving the laser light reflected by the reflecting member and comprising a plurality of divided light receiving parts 12a-12d, is used for detecting the incident position of the laser light on the light receiving surface of the photodetector, and is adopted for a position detection device equipped with an optical axis adjusting means. The optical axis adjusting auxiliary device is also equipped with an optical axis adjusting auxiliary tool 14 for converting a relation between the distance of the laser light incident position from the center on the light receiving surface of the photodetector and a detection signal from the photodetector into a relation of monotone increase or monotone decrease. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は光軸調整補助装置に関し、特に、例えば光てこ式光学検出系を備えた走査型プローブ顕微鏡等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。   The present invention relates to an optical axis adjustment auxiliary device, and in particular, an optical axis adjustment auxiliary that facilitates optical axis adjustment from a laser light source to a photodetector in, for example, a scanning probe microscope equipped with an optical lever type optical detection system. Relates to the device.

光軸調整補助装置の一例として、位置検出装置として例えば光てこ式光学検出系を備えた走査型プローブ顕微鏡等の例を説明する。従来の走査型プローブ顕微鏡の位置検出装置における光軸調整補助装置として、本発明者が先に提案した特許文献1に記載されたものがある。特許文献1と図12〜図16を参照して従来の光軸調整補助装置について説明する。   As an example of the optical axis adjustment auxiliary device, an example of a scanning probe microscope or the like provided with an optical lever type optical detection system as a position detection device will be described. As an optical axis adjustment auxiliary device in a position detection device of a conventional scanning probe microscope, there is one described in Patent Document 1 previously proposed by the present inventor. A conventional optical axis adjustment assisting device will be described with reference to Patent Document 1 and FIGS.

図12を参照して走査型プローブ顕微鏡での光軸調整の仕方の一例を概説する。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12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。   An example of how to adjust the optical axis in a scanning probe microscope will be outlined with reference to FIG. It is assumed that the illustrated scanning probe microscope is an atomic force microscope. “Optical axis adjustment” means that the laser beam from the laser light source is appropriately reflected on the back surface of the cantilever and is incident on the photodetector in the optical lever optical detection system of the atomic force microscope. . Conventional optical axis adjustment has been performed manually by an operator. FIG. 12 schematically shows a configuration of a main part of an atomic force microscope including a cantilever and an optical lever type optical detection system.

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105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105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107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108上のレーザ光109の照射(入射)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12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。   A cantilever 103 having a probe 102 at the tip is arranged with respect to the sample 101 to be measured. Reference numeral 104 denotes a part of the cantilever holder. The distance between the probe 102 and the surface of the sample 101 is such a distance that an atomic force acts between them. The measurement of the concavo-convex shape on the sample surface requires the probe 102 to move along the sample surface, and therefore the distance between the probe and the sample surface is held at a constant distance by the control mechanism. The change in the distance between the probe and the sample surface is detected by the displacement due to the bending deformation of the cantilever 103. An optical lever type optical detection system is provided as a mechanism for detecting a displacement due to the bending deformation of the cantilever 103. The optical lever type optical detection system includes a laser light source 105, mirrors 106 and 107 that generate a reflection action, and a quadrant photodetector 108. When the optical axis adjustment of the optical lever type optical detection system is completed and measurement is performed, the laser beam 109 emitted from the laser light source 105 is reflected by the mirror 106, guided to the back surface of the cantilever 103, and reflected by the back surface of the cantilever 103. The laser beam 109 is further reflected by the mirror 107 and guided to the light receiving surface of the quadrant photodetector 108. The displacement of the cantilever 103 is detected as a change in the position of the irradiation (incident) spot of the laser beam 109 on the quadrant photodetector 108. An optical microscope 111 having a TV camera 110 is disposed above the cantilever 103, and the back surface of the cantilever 103 is observed by the optical microscope 111. The detection signal output from the quadrant photodetector 108 is sent to the control device, and the light receiving position of the laser beam can be displayed on the display device by the detection signal. The image observed with the optical microscope 111 is sent to the control device as a video signal by the TV camera 110 and displayed on the display device. In FIG. 12, the illustration of the control device and the display device is omitted for ease of explanation.

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つの第1および第2のステップから成っていた。   In the above configuration, the mirrors 106 and 107 are provided with a position adjusting mechanism that is manually operated. The optical axis adjustment is performed by the operator who performs measurement operating the position adjustment mechanism of the mirrors 106 and 107. Conventional optical axis adjustments consisted of the following two first and second steps.

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。   The first step of adjusting the optical axis is to apply an irradiation spot of the laser beam 109 to the reflective surface on the back surface of the cantilever 103. Confirmation of the spot position on the cantilever 103 is performed based on an image obtained by the optical microscope 111.

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。   The second step of adjusting the optical axis is to apply an irradiation spot based on the laser beam 109 reflected by the back surface of the cantilever 103 to the center of the light receiving surface of the quadrant photodetector 108. Confirmation of the spot position on the quadrant photodetector 108 is performed based on the detection signal.

4分割光検出器108における照射スポットの調整を図解したものが図13である。図13は4分割光検出器108の受光面とその周辺領域におけるレーザ光109の照射スポット116の移動状態(1)〜(4)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の受光面の中心の位置に当てる。この操作は、図示された構成によれば、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。   FIG. 13 illustrates the adjustment of the irradiation spot in the quadrant photodetector 108. FIG. 13 shows the movement states (1) to (4) of the irradiation spot 116 of the laser beam 109 on the light receiving surface of the quadrant photodetector 108 and its peripheral region. In the second step, the irradiation spot 116 of the laser beam 109 is finally applied to the center position of the light receiving surface of the quadrant photodetector 108. According to the illustrated configuration, this operation is performed by manually operating the position adjustment mechanism of the mirror 107.

4分割光検出器108の受光面の構成を説明する。4分割光検出器108の受光面は、4つの部分(受光部)a,b,c,dに分けられている。4つの受光部a〜dの検出出力信号(電圧信号)をそれぞれSa〜Sdとするとき、4分割光検出器108の全出力信号Ss、垂直変位信号成分(Y軸方向信号成分)Sv、水平変位信号成分(X軸方向信号成分)Shは、それぞれ、Ss=Sa+Sb+Sc+Sd、Sv={(Sa+Sb)−(Sc+Sd)}/Ss、Sh={(Sb+Sd)−(Sa+Sc)}/Ssとして得られる。このため、一般的に、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は調整される。SvとShが共に0になればレーザ光109の照射スポット116は受光面の中心位置に設定されたことになる。   The configuration of the light receiving surface of the quadrant photodetector 108 will be described. The light receiving surface of the quadrant photodetector 108 is divided into four portions (light receiving portions) a, b, c, and d. When the detection output signals (voltage signals) of the four light receiving parts a to d are Sa to Sd, respectively, the total output signal Ss of the quadrant photodetector 108, the vertical displacement signal component (Y-axis direction signal component) Sv, and the horizontal The displacement signal component (X-axis direction signal component) Sh is obtained as Ss = Sa + Sb + Sc + Sd, Sv = {(Sa + Sb) − (Sc + Sd)} / Ss, Sh = {(Sb + Sd) − (Sa + Sc)} / Ss, respectively. Therefore, in general, the mirror 107 is adjusted so that Ss is maximized and Sv and Sh are minimized. When both Sv and Sh are 0, the irradiation spot 116 of the laser beam 109 is set at the center position of the light receiving surface.

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する。   By executing the first step and the second step as described above, the optical axis adjustment for the optical lever type optical detection system is completed.

上記のごとく光てこ式光学検出系での従来の光軸調整は、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、さらに第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。   As described above, the conventional optical axis adjustment in the optical lever type optical detection system is performed manually by the measurement operator, and human eyes are indispensable when the irradiation spot is aligned with the cantilever in the first step. Trial and error is often necessary at the initial stage of the second step. In particular, in the first stage of the second step, there are cases where it is possible to detect fortunately by the movement of the irradiation spot by relatively easy trial and error. For example, the irradiation spot is detected by the photodetector due to poor mounting of the cantilever. May be greatly out of the adjustable range of the light receiving surface. In such a case, it can hardly be detected by trial and error. When such an adjustment is impossible, there is no other means to take, and as a result, it is said that “the cause was not understood” using a long time for trial and error.

そこで前述の特許文献1の光軸調整補助装置によれば、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、4分割型受光面の4つの受光部の各々に対して相対的に面積の大きな導光板を設け、光軸調整作業の第2ステップの初期段階で、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るようにし、光軸調整作業の容易化を図ることができるようにした。
特開2000−206125号公報
Therefore, according to the above-described optical axis adjustment auxiliary device of Patent Document 1, in the scanning probe microscope provided with the optical lever type optical detection system, the area is relatively relative to each of the four light receiving portions of the four-divided light receiving surface. The measurement operator determines in what direction the irradiation spot is away from the center of the light receiving surface on the light receiving surface of the quadrant photodetector in the initial stage of the second step of the optical axis adjustment work. We made it easy to know and made it easier to adjust the optical axis.
JP 2000-206125 A

光軸調整の仕方における更なる問題点を図14〜図16を参照して説明する。この問題点は、前述した第2ステップの後半段階で、特に後述する電圧信号Sh’の値を表示装置で観測しながらミラー107を手動で調整し、照射スポット116を4分割型受光面の中心に移動させるときの問題点である。   Further problems in the method of adjusting the optical axis will be described with reference to FIGS. This problem is caused by adjusting the mirror 107 manually while observing the value of a voltage signal Sh ′, which will be described later, with a display device in the latter half of the second step described above, and setting the irradiation spot 116 at the center of the four-divided light receiving surface. It is a problem when moving to.

図14では、上記の4分割光検出器108の受光面の4つの受光部a,b,c,dを小さい正方形で示し、さらに受光部a〜dに対してX軸とY軸を定義している。X軸とY軸の交点Oは原点であり、かつ4分割光検出器108の受光面の中心となっている。さらに図14で符号116で示される黒丸要素は前述したレーザ光109の照射スポットを示している。照射スポット116は位置Aから中心Oに向かって矢印201の方向に移動させるものとする。図15は、照射スポット116がAの位置にあるときの当該照射スポット116の光強度の分布を示す。また図16はX軸方向において照射スポット116が移動した場合に、4分割光検出器108の全出力信号Ssの水平変位信号成分(X軸方向信号成分)Shについての電圧信号Sh’=(Sb+Sd)−(Sa+Sc)の変化特性203を示すグラフである。   In FIG. 14, the four light receiving portions a, b, c, and d on the light receiving surface of the quadrant photodetector 108 are indicated by small squares, and the X axis and the Y axis are defined for the light receiving portions a to d. ing. The intersection point O of the X axis and the Y axis is the origin and the center of the light receiving surface of the quadrant photodetector 108. Further, a black circle element denoted by reference numeral 116 in FIG. 14 indicates the irradiation spot of the laser beam 109 described above. The irradiation spot 116 is moved in the direction of the arrow 201 from the position A toward the center O. FIG. 15 shows the light intensity distribution of the irradiation spot 116 when the irradiation spot 116 is at the position A. FIG. 16 shows that when the irradiation spot 116 moves in the X-axis direction, the voltage signal Sh ′ = (Sb + Sd) for the horizontal displacement signal component (X-axis direction signal component) Sh of the total output signal Ss of the quadrant photodetector 108. )-(Sa + Sc) is a graph showing a change characteristic 203;

以下では、電圧信号Sh’の変化状態のみを観察しながら、照射スポット116を受光面の中心に近づける例について説明する。   Hereinafter, an example in which the irradiation spot 116 is brought close to the center of the light receiving surface while only observing the change state of the voltage signal Sh ′ will be described.

図14で示されるようにレーザ光109の照射スポット116が位置Aにあるとき、光強度の分布は図15のD200で示すようになっている。そのとき電圧信号Sh’は0である。ミラー107を動かして照射スポット116が矢印201の方向に移動したとき、光強度分布は点線D202で示すようになり、光強度分布の裾野が受光部dにかかる。そのとき、変化特性203で電圧信号Sh’は図16で示す区間K3の範囲の値をとる。さらにミラー107を動かして照射スポット116が中心Oの方向に移動すると、電圧信号Sh’は区間K3で増加する方向に変化する。さらに照射スポット116が中心Oに近づくと、区間K2の範囲に含まれる信号変化となる。さらに照射スポット116を中心Oに近づけると、区間K1の範囲に含まれる。照射スポット116が中心Oに位置すると、電圧信号Sh’は0になる。   As shown in FIG. 14, when the irradiation spot 116 of the laser beam 109 is at position A, the light intensity distribution is as indicated by D200 in FIG. At that time, the voltage signal Sh 'is zero. When the mirror 107 is moved and the irradiation spot 116 moves in the direction of the arrow 201, the light intensity distribution becomes as indicated by a dotted line D202, and the base of the light intensity distribution is applied to the light receiving part d. At this time, the voltage signal Sh ′ takes a value in the range K3 shown in FIG. When the mirror 107 is further moved to move the irradiation spot 116 in the direction of the center O, the voltage signal Sh ′ changes in a direction increasing in the section K3. Further, when the irradiation spot 116 approaches the center O, the signal changes in the range of the section K2. Further, when the irradiation spot 116 is brought closer to the center O, it is included in the range of the section K1. When the irradiation spot 116 is located at the center O, the voltage signal Sh ′ becomes zero.

上記において、電圧信号Sh’の変化状態を表示装置で観察しながら、照射スポット116の位置を中心Oに近づくように調整する。この場合において、区間K2から区間K1内の中心(O)に近づくとき電圧信号Sh’は0に近づくので、中心Oに向かっていると判断できる。しかしながら、区間K3の範囲内での照射スポット116が移動する場合においても、中心Oから離れていくときに電圧信号Sh’の変化は減少するので、中心Oに向かっていると誤解を与えやすい。さらに区間K2では平坦部203aを含むので、この平坦部203aで照射スポット116が移動するときには、電圧信号Sh’で変化を確認することが難しく、中心Oに向かっているか否かを判断することが非常に困難になる。   In the above, the position of the irradiation spot 116 is adjusted so as to approach the center O while observing the change state of the voltage signal Sh ′ with the display device. In this case, since the voltage signal Sh ′ approaches 0 when approaching the center (O) in the section K1 from the section K2, it can be determined that the voltage signal Sh ′ is approaching the center O. However, even when the irradiation spot 116 moves within the range of the section K3, the change in the voltage signal Sh ′ decreases as it moves away from the center O. Therefore, it is easy to give a misunderstanding that the direction is toward the center O. Further, since the section K2 includes the flat portion 203a, when the irradiation spot 116 moves on the flat portion 203a, it is difficult to confirm the change with the voltage signal Sh ′, and it is possible to determine whether or not the irradiation spot 116 is moving toward the center O. It becomes very difficult.

上記のごとく、従来の光軸調整の仕方によれば、前述した第2ステップの後半段階で、電圧信号Sh’の値を表示装置で観測しながらミラー107を手動で調整し、照射スポット116を4分割型受光面の中心Oに移動させる場合に、電圧信号Sh’が減少する区間K3を移動しているのか、4分割光検出器108の受光面の中心Oに向かって移動しているのかを見分けることが困難であった。故に、調整が非常に困難であるという問題があった。   As described above, according to the conventional optical axis adjustment method, the mirror 107 is manually adjusted while observing the value of the voltage signal Sh ′ on the display device in the latter half of the second step described above, and the irradiation spot 116 is adjusted. When moving to the center O of the quadrant light receiving surface, is it moving in the section K3 where the voltage signal Sh ′ decreases or is moving toward the center O of the light receiving surface of the quadrant photodetector 108? It was difficult to distinguish. Therefore, there is a problem that adjustment is very difficult.

上記では走査型プローブ顕微鏡の光軸調整の例を説明したが、上記の光軸調整の問題は走査型プローブ顕微鏡の光てこ式光学検出系に限るものではない。   Although the example of the optical axis adjustment of the scanning probe microscope has been described above, the problem of the optical axis adjustment described above is not limited to the optical lever optical detection system of the scanning probe microscope.

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、光てこ式光学検出系を備えた走査型プローブ顕微鏡等における光軸調整作業で、4分割光検出器の受光面において照射スポットを受光面の中心に容易にかつ確実に導くことができ、光軸調整作業の容易化を図ることのできる光軸調整補助装置を提供することにある。   In view of the above problems, the object of the present invention is to adjust the optical axis in a scanning probe microscope or the like equipped with an optical lever type optical detection system, with the irradiation spot at the center of the light receiving surface on the light receiving surface of the quadrant photodetector. An object of the present invention is to provide an optical axis adjustment auxiliary device that can be guided easily and reliably and can facilitate the optical axis adjustment operation.

本発明に係る光軸調整補助装置は、上記目的を達成するために次のように構成される。   The optical axis adjustment auxiliary device according to the present invention is configured as follows to achieve the above object.

第1の光軸調整補助装置(請求項1に対応)は、反射部材にレーザ光を出射するレーザ光源と、反射部材で反射した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、光検出器の受光面でのレーザ光の入射位置を検出し、さらに光軸調整手段を備える位置検出装置に適用される。この光軸調整補助装置は、光検出器の受光面におけるその中心からのレーザ光入射位置の距離と光検出器からの検出信号との関係を単調増加または単調減少の関係に変換する補正手段(光軸調整補助具)を備えている。   The first optical axis adjustment auxiliary device (corresponding to claim 1) has a laser light source that emits laser light to the reflecting member, and a light receiving surface on which the laser light reflected by the reflecting member is incident, and this light receiving surface is And a photodetector that is divided into a plurality of light receiving sections, detects the incident position of the laser beam on the light receiving surface of the photodetector, and is applied to a position detecting device that further includes an optical axis adjusting means. This optical axis adjustment auxiliary device is a correction means for converting the relationship between the distance of the laser light incident position from the center of the light receiving surface of the photodetector and the detection signal from the photodetector into a monotonically increasing or monotonically decreasing relationship. Optical axis adjustment aid).

上記の光軸調整補助装置によれば、光検出器の受光面の前面に、単調増加等の変換特性を有する補正手段を備えるため、受光面でレーザ光の入射位置(照射スポット位置)を確実に受光面の中心位置に移動させることができる。これにより、4分割光検出器の受光面において照射スポットを受光面の中心に容易に測定操作者が導くことができ、光軸調整作業の容易化を図ることができる。   According to the optical axis adjustment auxiliary device described above, since the correction means having conversion characteristics such as monotonic increase is provided on the front surface of the light receiving surface of the photodetector, the incident position (irradiation spot position) of the laser beam is surely secured on the light receiving surface. Can be moved to the center position of the light receiving surface. Accordingly, the measurement operator can easily guide the irradiation spot to the center of the light receiving surface on the light receiving surface of the four-divided photodetector, and the optical axis adjustment work can be facilitated.

第2の光軸調整補助装置(請求項2に対応)は、上記の構成において、好ましくは、上記補正手段は、受光面の前面に配置される凸レンズと、中心部から周縁部に向かって光透過率が増加する光学フィルタとから構成されることを特徴とする。   In the second optical axis adjustment assisting device (corresponding to claim 2), in the above-mentioned configuration, preferably, the correction means includes a convex lens disposed on the front surface of the light receiving surface, and light from the central portion toward the peripheral portion. And an optical filter that increases the transmittance.

第3の光軸調整補助装置(請求項3に対応)は、上記の構成において、好ましくは、補正手段は、受光面の前面に配置され、中心部から周縁部に向かって光透過率が増加する凸レンズであることを特徴とする。   In the third optical axis adjustment assisting device (corresponding to claim 3), in the above configuration, preferably, the correction means is disposed on the front surface of the light receiving surface, and the light transmittance increases from the central portion toward the peripheral portion. It is characterized by being a convex lens.

第4の光軸調整補助装置(請求項4に対応)は、上記の第3の構成において、好ましくは、凸レンズは、凸レンズの片面または両面に、凸レンズの中心部から周縁部に向かうほど厚さが薄くなるように金属薄膜が堆積されていることを特徴とする。   In the third configuration described above, the fourth optical axis adjustment assisting device (corresponding to claim 4) is preferably configured such that the convex lens is thicker toward one or both sides of the convex lens and from the central part to the peripheral part of the convex lens. A metal thin film is deposited so as to be thin.

第5の光軸調整補助装置(請求項5に対応)は、上記の第3の構成において、好ましくは、凸レンズは、レーザ光を所定の吸収率で吸収する材料で形成されていることを特徴とする。   In the third configuration, the fifth optical axis adjustment assisting device (corresponding to claim 5) is preferably characterized in that the convex lens is formed of a material that absorbs laser light at a predetermined absorption rate. And

本発明によれば、光検出器の受光面の前面に、光検出器の受光面におけるその中心からのレーザ光入射位置の距離と光検出器からの検出信号との関係を単調増加または単調減少の関係に変換する補正手段を設け、この関係を利用して受光面でのレーザ光入射位置を補正するため、位置検出器の光軸調整作業で、測定作業者は、光検出器の受光面において照射スポットを受光面の中心に容易に導くことができ、光軸調整作業の容易化を図ることができる。   According to the present invention, on the front surface of the light receiving surface of the photodetector, the relationship between the distance of the laser light incident position from the center of the light receiving surface of the photodetector and the detection signal from the photodetector is monotonously increased or decreased monotonously. In order to correct the laser beam incident position on the light receiving surface using this relationship, the measuring operator can adjust the optical axis of the position detector. In this case, the irradiation spot can be easily guided to the center of the light receiving surface, and the optical axis adjustment work can be facilitated.

以下に、本発明の好適な実施形態(実施例)を添付図面に基づいて説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Preferred embodiments (examples) of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

この実施形態で、光軸調整補助装置が適用される位置検出装置の例は、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検出器である。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。図1は正面図、図2は側面図である。   In this embodiment, an example of a position detection device to which the optical axis adjustment auxiliary device is applied is a light detector of an optical lever type optical detection system in a scanning probe microscope. 1 and 2 show an example of a photodetector used in the optical lever type optical detection system of the scanning probe microscope according to the present invention. As an example, the photodetector has a configuration in which the light receiving surface is divided into four. Have. 1 is a front view and FIG. 2 is a side view.

走査型プローブ顕微鏡は、従来技術に関して図12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背景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。   The scanning probe microscope assumes the atomic force microscope shown in FIG. 12 for the prior art. Since the atomic force microscope has been described in the background art section, reference is made to the above description, and illustration and description are omitted here. Further, as described above, the optical lever type optical detection system is composed of a laser light source, a cantilever having a probe at the tip and a reflecting portion on the back, the photodetector, and a necessary reflection mirror.

光てこ式光学検出系の構成・作用についても、背景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、以下では「4分割光検出器」という。図1に示される通り、4分割光検出器11の上面に、正方形の受光面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型の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。受光部12a,12b,12c,12dは、前述した図13と図14で説明した受光部a,b,c,dのそれぞれに対応している。   Since the configuration and operation of the optical lever type optical detection system are also described in the background art section, reference is made to the above description, and illustration and description thereof are omitted here. Since the light receiving surface of the photodetector is divided into four parts, it is hereinafter referred to as “four-part photodetectors”. As shown in FIG. 1, a square light receiving surface 12 is formed on the upper surface of the quadrant photodetector 11. The light receiving surface 12 is composed of four small light receiving portions (or light receiving sections) 12a, 12b, 12c and 12d which preferably have a square shape. The light receiving surface 12 has, for example, a square shape as a whole, and the light receiving surface having the square area is formed of light receiving portions 12a to 12d that are divided from each other and have small partial areas that are independent from each other. The light receiving portions 12a, 12b, 12c, and 12d correspond to the light receiving portions a, b, c, and d described with reference to FIGS. 13 and 14, respectively.

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。上記の正方形の受光面12は一辺が約3mmである。   As the quadrant photodetector 12, a commercially available one is usually used. For example, a multi-element type Si photodiode (S5981) manufactured by Hamamatsu Photonics is used. As such a photodetector, one having a large light receiving surface area is commercially available, but one having a relatively small area is used from the viewpoint of miniaturization. The square light receiving surface 12 has a side of about 3 mm.

図1と図2に示すように、4分割光検出器11の頭部11aは、外観が扁平円柱状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かうように配置される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the head 11a of the quadrant photodetector 11 is formed of a metal container (sensor package) having a flat cylindrical shape in appearance. Inside, an amplifier that converts the laser light received by each of the light receiving portions 12a to 12d of the light receiving surface 12 into electricity and amplifies it to a predetermined level is incorporated. As shown in FIG. 2, a plurality of pin-shaped electric wires 13 led out from the lower surface of the head portion 11 a are provided below the quadrant photodetector 11. The number of electrical wirings 13 is arbitrary and is not particularly limited. When the quadrant photodetector 11 is provided as part of an optical lever optical detection system of an atomic force microscope, the quadrant photodetector is disposed obliquely above the cantilever and the probe, and its light receiving surface 12 is Arranged to face the back of the cantilever.

なお図1において、正方形の受光面12での受光部12a〜12dに対してX軸とY軸が定義されている。X軸とY軸の交点が原点Oであり、かつ受光面12の中心である。   In FIG. 1, the X axis and the Y axis are defined for the light receiving portions 12 a to 12 d on the square light receiving surface 12. The intersection of the X axis and the Y axis is the origin O and the center of the light receiving surface 12.

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11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6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。   3 and 4 show the configuration of the main part of the optical axis adjustment assisting device according to the present invention, and show the configuration in which the optical axis adjustment assisting tool is provided in the aforementioned four-divided photodetector 11. 3 is a front view and FIG. 4 is a side view. 3 corresponds to FIG. 1, and FIG. 4 corresponds to FIG. FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the optical axis adjustment assisting device. Hereinafter, the optical axis adjustment assisting tool is simply referred to as an assisting tool for convenience of explanation.

補助具14は、4分割光検出器11の受光面12の前面に設置する凸レンズ14aと中心部から周辺部に向かって透過率が増加する光学フィルタ14bと、凸レンズ14aと光学フィルタ14bを所定の位置関係で固定するホルダ14cとからなっている。補助具14の正面形状は円形であり、図1に示すように、4分割光検出器11の頭部11aの円形形状よりも大きな径を有している。従って凸レンズ14aは受光面12の正方形の面積よりも外側に広がった形で設置されている。このように設置された凸レンズ14aは、後述の図6に示すごとく、受光面12より外側の位置に到来するレーザ光を受光面12に集光させる働きをする。   The auxiliary tool 14 includes a convex lens 14a installed on the front surface of the light receiving surface 12 of the quadrant photodetector 11, an optical filter 14b whose transmittance increases from the central portion toward the peripheral portion, and the convex lens 14a and the optical filter 14b. It consists of a holder 14c that is fixed in a positional relationship. The front shape of the auxiliary tool 14 is circular, and has a larger diameter than the circular shape of the head portion 11a of the quadrant photodetector 11 as shown in FIG. Therefore, the convex lens 14a is installed in a shape spreading outward from the square area of the light receiving surface 12. The convex lens 14a installed in this way functions to condense the laser light arriving at a position outside the light receiving surface 12 onto the light receiving surface 12, as shown in FIG.

また光学フィルタ14bは、中心部から周縁部に向かって、図5で示されるような透過率変化特性を有している。図5において、横軸は一例としてX軸を示し、光学フィルタ14bの中心からの距離を意味し、縦軸は透過率を意味している。曲線C10が中心からの距離に対する透過率の変化特性を示す。光学フィルタ14bにおいて、透過率は、中心部ほど低く、周縁部に近づくほど高くなる。図5中、D10とD11は、光学フィルタ14bを透過した後のレーザ光に関する照射スポットの光強度分布を示している。光学フィルタ14bの周辺部の近くを透過したレーザ光ほど光強度は強く、光学フィルタ14bの中心部の近くを透過したレーザ光ほど光強度が弱くなる。このような光学フィルタ14bは、例えばアルミニウムを段階的に厚みを変えて蒸着を行うようにすることにより、作製することができる。   The optical filter 14b has a transmittance change characteristic as shown in FIG. 5 from the central portion toward the peripheral portion. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the X axis as an example, which means the distance from the center of the optical filter 14b, and the vertical axis means the transmittance. A curve C10 indicates a change characteristic of the transmittance with respect to the distance from the center. In the optical filter 14b, the transmittance is lower at the center and higher as it is closer to the periphery. In FIG. 5, D10 and D11 indicate the light intensity distribution of the irradiation spot related to the laser light after passing through the optical filter 14b. The laser light transmitted near the periphery of the optical filter 14b has a higher light intensity, and the laser light transmitted near the center of the optical filter 14b has a lower light intensity. Such an optical filter 14b can be manufactured, for example, by performing deposition while changing the thickness of aluminum stepwise.

凸レンズ14aと光学フィルタ14bを有するホルダ14cは、4分割光検出器11の受光面12の前面位置に、凸レンズ14aの焦点距離に従って適当な距離の隙間をあけて、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。   The holder 14c having the convex lens 14a and the optical filter 14b has a gap of an appropriate distance at the front surface position of the light receiving surface 12 of the quadrant photodetector 11 according to the focal length of the convex lens 14a, as shown in FIGS. The position is fixed. In the figure, the fixing structure is not shown, but any fixing structure can be adopted.

受光面12を形成する各受光部の面積と、対応する凸レンズ14aおよび光学フィルタ14b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、受光面12に対してどの程度大きな凸レンズ14aと光学フィルタ14b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凸レンズ14aと光学フィルタ14bが決定される。凸レンズ14aと光学フィルタ14bの好ましい寸法として、上限値は10mm程度である。   The ratio of the area of each light receiving part forming the light receiving surface 12 to the area of the corresponding convex lens 14a and optical filter 14b is arbitrarily determined as necessary. That is, as to how large the convex lens 14a and the optical filter 14b are provided with respect to the light receiving surface 12, an appropriate size that enables easy optical axis adjustment based on empirically obtained knowledge. The convex lens 14a and the optical filter 14b are determined. As a preferable dimension of the convex lens 14a and the optical filter 14b, an upper limit is about 10 mm.

図6に一例として凸レンズ14aと光学フィルタ14bの組合せの作用を示す。また図7は、レーザ光の入射位置と光検出器11の検出信号強度(前述の電圧信号Sh’)の関係を示すグラフである。図6において、横軸はX軸であり、縦軸は受光面12に垂直な方向(Z軸方向)である。図7において、横軸はX軸方向における原点Oからの水平方向の距離を示し、縦軸は電圧信号Sh’を示している。   FIG. 6 shows an operation of a combination of the convex lens 14a and the optical filter 14b as an example. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the incident position of the laser beam and the detection signal intensity of the photodetector 11 (the aforementioned voltage signal Sh ′). In FIG. 6, the horizontal axis is the X axis, and the vertical axis is the direction perpendicular to the light receiving surface 12 (Z-axis direction). In FIG. 7, the horizontal axis indicates the horizontal distance from the origin O in the X-axis direction, and the vertical axis indicates the voltage signal Sh ′.

図7で、曲線C11は、上記補助具14を付設した4分割光検出器11について、水平方向の中心Oからの距離に対する検出電圧信号Sh’の変化特性を示す。曲線C11に示された電圧信号Sh’は、ほぼ中心部から周縁部に到るにつれて単調に直線的に増加する特性を有している。なお検出電圧信号Sh’の変化特性を、中心部から周縁部に到るにつれて単調に直線的に減少するように特性として作ることも可能である。   In FIG. 7, a curve C <b> 11 indicates a change characteristic of the detection voltage signal Sh ′ with respect to the distance from the center O in the horizontal direction with respect to the quadrant photodetector 11 provided with the auxiliary tool 14. The voltage signal Sh ′ indicated by the curve C <b> 11 has a characteristic of increasing monotonously and linearly from the central part to the peripheral part. Note that the change characteristic of the detection voltage signal Sh ′ can be made as a characteristic so as to monotonously and linearly decrease from the central part to the peripheral part.

なお、上記の図5、図6、図7で横軸はX軸方向で示したが、各図で示された特性は、Y軸方向を含め、4分割光検出器11の受光面12における原点Oを通るすべての直径方向に成り立つ特性である。   5, 6, and 7, the horizontal axis is shown in the X-axis direction, but the characteristics shown in each figure include the Y-axis direction in the light receiving surface 12 of the four-split photodetector 11. This is a characteristic that holds in all diameter directions passing through the origin O.

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、補助具14の範囲であって例えば光学フィルタ14bの周辺部に入射したとすると、光学フィルタ14bの透過率が高いために、それほど光強度は減衰せずに、凸レンズ14aに入射する(図6中矢印A10で示す)。凸レンズ14aに入射した光は、受光部12c,12d側に屈折してこれらの受光部に入射する(図6中矢印A11)。それにより、図7で示す電圧信号レベルSh’20で検出される。   Even when the position of the laser beam 16 is outside the light receiving surface 12 of the quadrant photodetector 11 when the laser beam 16 is reflected by the back surface of the cantilever and arrives at the quadrant detector 11 side. If it is in the range of the auxiliary tool 14 and, for example, enters the peripheral portion of the optical filter 14b, the optical filter 14b has high transmittance, so that the light intensity is not attenuated so much and enters the convex lens 14a (FIG. 6). Middle arrow A10). The light incident on the convex lens 14a is refracted toward the light receiving portions 12c and 12d and is incident on these light receiving portions (arrow A11 in FIG. 6). Thereby, the voltage signal level Sh′20 shown in FIG. 7 is detected.

次に、例えば図12で説明した前述したミラー107を動かして、レーザ光が、受光面12の中心部の方向に移動したときを考える。そのとき、光学フィルタ14bにより、周辺部にレーザ光が入射したときよりも、光強度が減衰して、凸レンズ14aに入射する(図6中矢印A12)。凸レンズ14aに入射したレーザ光は屈折して受光面12の受光部に入射する(図6中矢印A13)。そのとき、検出される電気信号Sh’21は、周辺部から入射したときよりも弱くなる。さらに、受光面12の中心部に近づくと、図7で示されるようにより急激に電圧信号が弱くなり、電圧信号値は中心(原点)Oに向かって急激に減少する。従って、例えばミラー107を動かして調整するときに、電気信号がより弱くなる方向に調整すればよいので、容易に光軸調整をすることができる。   Next, for example, consider the case where the above-described mirror 107 described with reference to FIG. At that time, the optical filter 14b attenuates the light intensity and enters the convex lens 14a (arrow A12 in FIG. 6) than when the laser light is incident on the peripheral portion. The laser light incident on the convex lens 14a is refracted and incident on the light receiving portion of the light receiving surface 12 (arrow A13 in FIG. 6). At that time, the detected electrical signal Sh'21 becomes weaker than when it enters from the peripheral portion. Furthermore, when approaching the center of the light receiving surface 12, the voltage signal becomes weaker more rapidly as shown in FIG. 7, and the voltage signal value decreases rapidly toward the center (origin) O. Therefore, for example, when the adjustment is performed by moving the mirror 107, the adjustment may be made in such a direction that the electric signal becomes weaker, so that the optical axis can be easily adjusted.

上記の光軸調整補助具14の構成については、図8または図9に示すような変形例を用いることもできる。   As for the configuration of the optical axis adjustment assisting tool 14, a modification as shown in FIG. 8 or FIG. 9 can be used.

図8は、凸レンズにフィルタ機能を持たせた補助具を示している。図8の(A)は補助具30を側面断面図を示し、図8の(B)は補助具30のX軸方向の透過率分布を示す。図8(B)において、横軸はX軸方向における補助具30の中心からの距離を示し、縦軸は透過率を示す。曲線C30は透過率の分布特性を示す。図8(A)において、平凸レンズ30aの平坦面30bにアルミニウムなどを段階的に蒸着し、中心部を厚くし、周辺部に近づくほど薄くなるようした薄膜30cを設けている。なお図8(A)は厚みを誇張して示している。この補助具30は、図8(B)で示されるように、その中心部ほど透過率が低く、周辺部に近づくに従って透過率が高くなる。それにより、補助具14を利用したときと同様、図7で示されるような中心部からの距離に従って単調増加あるいは単調減少の検出電圧信号Sh’を得ることができ、光軸調整を容易にすることができる。上記の例では、レンズの片面に薄膜を設けたが、レンズの両面に薄膜を設けることも可能である。   FIG. 8 shows an auxiliary tool in which a convex lens is provided with a filter function. 8A shows a side sectional view of the auxiliary tool 30, and FIG. 8B shows a transmittance distribution in the X-axis direction of the auxiliary tool 30. FIG. In FIG. 8B, the horizontal axis indicates the distance from the center of the auxiliary tool 30 in the X-axis direction, and the vertical axis indicates the transmittance. A curve C30 shows the distribution characteristic of transmittance. In FIG. 8A, aluminum or the like is vapor-deposited stepwise on the flat surface 30b of the plano-convex lens 30a, and a thin film 30c is provided in which the central portion is thickened and becomes thinner toward the peripheral portion. Note that FIG. 8A exaggerates the thickness. As shown in FIG. 8B, the auxiliary tool 30 has a lower transmittance at the center thereof, and the transmittance increases as it approaches the peripheral portion. As a result, as in the case of using the auxiliary tool 14, a detection voltage signal Sh ′ that is monotonously increasing or monotonically decreasing according to the distance from the center as shown in FIG. 7 can be obtained, and the optical axis adjustment is facilitated. be able to. In the above example, a thin film is provided on one side of the lens, but it is also possible to provide a thin film on both sides of the lens.

図9は、レーザ光に対して適当な吸収率を持つ材料を用いて作製された凸レンズからなる補助具を示す図である。図9(A)は補助具40の側面断面図を示し、図9(A)は補助具40のX軸方向の透過率分布を示す。図8(A)において、横軸はX軸方向における補助具40の中心からの距離、縦軸は透過率の変化特性を示す。曲線C40は透過率の分布を示す。図9(A)において、平凸レンズ40aは中心部が厚く、周辺部に近づくほど薄くなっている。そのため、厚さが厚い中心に近いほど透過するレーザ光は吸収され、透過光の強度は弱くなる。従ってこの補助具40は、図9(B)で示されるように、中心部ほど透過率が低く、周辺部に近づくに従って透過率が高くなる。それにより、補助具14を利用したときと同様、図7で示されるような中心からの距離に従って単調増加あるいは単調減少の検出電圧信号Sh’が得られ、光軸調整を容易にすることができる。   FIG. 9 is a diagram showing an auxiliary tool composed of a convex lens manufactured using a material having an appropriate absorption rate for laser light. 9A shows a side cross-sectional view of the auxiliary tool 40, and FIG. 9A shows the transmittance distribution of the auxiliary tool 40 in the X-axis direction. In FIG. 8A, the horizontal axis represents the distance from the center of the auxiliary tool 40 in the X-axis direction, and the vertical axis represents the transmittance change characteristic. A curve C40 shows the transmittance distribution. In FIG. 9A, the plano-convex lens 40a is thicker at the center and thinner toward the periphery. Therefore, the closer the thickness is to the center, the more the laser beam that is transmitted is absorbed, and the intensity of the transmitted light is weakened. Therefore, as shown in FIG. 9 (B), the auxiliary tool 40 has a lower transmittance at the center portion and a higher transmittance as it approaches the peripheral portion. As a result, similarly to the case where the auxiliary tool 14 is used, a detection voltage signal Sh ′ that increases monotonously or decreases according to the distance from the center as shown in FIG. 7 is obtained, and the optical axis adjustment can be facilitated. .

次に、図10を参照して、代表的に補助具14を備える4分割光検出器11での光軸調整の仕方を説明する。   Next, with reference to FIG. 10, a method of adjusting the optical axis in the four-divided photodetector 11 that typically includes the auxiliary tool 14 will be described.

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き式光学検出系における光軸調整の作業の全体は、背景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12の近傍に照射された状態にする。   The entire optical axis adjustment work in the optical probe optical detection system of the scanning probe microscope provided with the optical lever optical detection system is as described in the background art section. In summary, the first step is to first guide the laser light emitted from the laser light source while controlling the position of the laser light and hit the reflection area formed on the back surface of the cantilever, and the laser light reflected on the back surface of the cantilever. In the second step of adjusting the position of the laser beam so that it enters the light receiving surface of the quadrant photodetector. When the first step is completed and the second step is performed, the laser light reflected by the back surface of the cantilever is irradiated in the vicinity of the light receiving surface 12 of the quadrant photodetector 11.

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の前面に補助具14を構成する凸レンズ14aと光学フィルタ14b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の光学フィルタ14bによって捕捉される。図10に示される例では、レーザ光16の照射スポット(16−1,16−2,16−3)を示している。   On the other hand, as described above, the convex lens 14a and the optical filter 14b constituting the auxiliary tool 14 are attached to the front surface of the light receiving surface 12 of the quadrant photodetector 11 according to the present embodiment. Therefore, the laser beam that has arrived by reflection from the cantilever is generally captured by the optical filter 14 b of the auxiliary tool 14 even if it is off the light receiving surface 12. In the example shown in FIG. 10, irradiation spots (16-1, 16-2, 16-3) of the laser beam 16 are shown.

図10の(A)、(B)、(C)は、補助具14(光学フィルタ14b)の外側位置に入射したレーザ光の照射スポット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7の符号Sh’20,Sh’21等は照射スポットの位置に対応する4分割光検出器11の検出電圧信号Sh’のレベル(感度)を示している。図10における照射スポットの位置16−1,16−2,16−3はそれぞれ図7のA10,A12,A0のそれぞれに対応している。図7から明らかなように、受光面12の中心の位置に照射スポットが当たるときにはレベルは0であって電圧信号Sh’の変化特性が顕著になる。照射スポットが周縁部に近づくに従って電圧信号Sh’は単調に増加し、中心部に近づくに従って電圧信号Sh’は単調に減少する。従って、X軸方向(一般的に径方向)に関するレーザ光16の照射スポットの位置は、4分割光検出器11の受光面12に関する電圧信号Sh’のレベルを調べることによって知ることができる。またより弱い電圧信号のレベルほど中心部に近づいていることを知ることができる。換言すれば、4分割光検出器11から出力される電圧信号Sh’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が光学フィルタ14b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できる。以上の検出電圧信号の特性は、Y軸方向等の他の方向についての水平方向であっても同じである。   (A), (B), and (C) of FIG. 10 show that the irradiation spot of the laser beam incident on the outer position of the auxiliary tool 14 (optical filter 14b) is adjusted in position, and (A) to (C). In this way, the state of being guided to the center position of the light receiving surface 12 is shown. Further, symbols Sh′20, Sh′21, etc. in FIG. 7 indicate the level (sensitivity) of the detection voltage signal Sh ′ of the quadrant photodetector 11 corresponding to the position of the irradiation spot. The irradiation spot positions 16-1, 16-2, and 16-3 in FIG. 10 correspond to A10, A12, and A0 in FIG. 7, respectively. As is clear from FIG. 7, when the irradiation spot hits the center position of the light receiving surface 12, the level is 0 and the change characteristic of the voltage signal Sh 'becomes remarkable. The voltage signal Sh ′ increases monotonously as the irradiation spot approaches the peripheral edge, and the voltage signal Sh ′ decreases monotonously as the irradiation spot approaches the center. Therefore, the position of the irradiation spot of the laser beam 16 in the X-axis direction (generally in the radial direction) can be known by examining the level of the voltage signal Sh ′ relating to the light receiving surface 12 of the four-split photodetector 11. It can also be seen that the weaker voltage signal level is closer to the center. In other words, by obtaining the level of the voltage signal Sh ′ output from the quadrant photodetector 11 and its change state, when the laser light 16 enters the optical filter 14b, the laser light 16 is moved inward from the incident position, Furthermore, it is possible to easily adjust to the center position of the light receiving surface 12 of the quadrant photodetector 11. The characteristics of the detection voltage signal described above are the same even in the horizontal direction with respect to other directions such as the Y-axis direction.

レーザ光16が補助具14の光学フィルタ14b等で捕捉されたとき、通常は、図10の(A)に示されるごとく光学フィルタ14bの周縁部で捕捉される。その時、光学フィルタ14bの透過率が高いために、その検出出力は強いものとなる。その後では、単調減少の変化特性C11を利用して当該検出出力が弱くなるように光軸を手動で調整することにより、レーザ光16を受光面12の中心Oの位置の方向に移動させることが可能となる。図7に示した矢印51,52は光軸の手動調整におけるレーザ光16の照射スポットの移動方向を示している。こうして最終的に検出出力である電圧信号Sh’が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。   When the laser beam 16 is captured by the optical filter 14b or the like of the auxiliary tool 14, it is normally captured at the peripheral portion of the optical filter 14b as shown in FIG. At that time, since the transmittance of the optical filter 14b is high, the detection output is strong. Thereafter, the laser beam 16 can be moved in the direction of the position of the center O of the light receiving surface 12 by manually adjusting the optical axis so that the detection output becomes weak using the monotonically decreasing change characteristic C11. It becomes possible. Arrows 51 and 52 shown in FIG. 7 indicate the moving direction of the irradiation spot of the laser beam 16 in manual adjustment of the optical axis. In this way, adjustment is performed so that the voltage signal Sh ′ which is the detection output finally becomes zero. When the detection output of the quadrant photodetector 11 becomes zero, the optical axis adjustment operation is completed.

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14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(電圧信号Sh’)を観察しながら、容易にその受光面12の中心の位置にレーザ光16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。   As described above, by attaching the auxiliary tool 14 to the light receiving surface 12 of the quadrant photodetector 11 based on the above-described configuration, the irradiation spot of the laser beam 16 reflected from the back surface of the cantilever can be relatively set. Then, the laser beam 16 is easily moved to the center position of the light receiving surface 12 while observing the output characteristic (voltage signal Sh ′) from the four-split photodetector 11. Thus, the optical axis adjustment operation can be completed easily and in a short time.

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ほとんど必要ない、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。   Compared with the conventional method of adjusting the optical axis, the method according to the present embodiment requires little or no trial and error process, so the part depending on experience is reduced, and it is easily performed even by an unskilled operator. be able to.

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。この測定において、光軸調整に用いられた補助具14は、通常、4分割光検出器11から取り外される。従って、4分割光検出器11に対して、補助具14は着脱自在に設けられる。このことは、補助具30,40でも同様である。   In addition, after the optical axis adjustment is completed, measurement with an atomic force microscope is performed using an optical lever type optical detection system. In this measurement, the auxiliary tool 14 used for adjusting the optical axis is usually removed from the quadrant photodetector 11. Accordingly, the auxiliary tool 14 is detachably provided with respect to the quadrant photodetector 11. This also applies to the auxiliary tools 30 and 40.

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。さらに他の位置検出装置に利用することもできる。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。   Although the atomic force microscope has been described in the above embodiment, the present invention is not limited to this, and it is needless to say that the optical axis adjustment auxiliary device according to the present invention can be applied to a scanning probe microscope having an optical lever type optical detection system. Further, it can be used for other position detection devices. Although the optical axis adjustment auxiliary device is used for the four-divided photodetector, the present invention is not limited to this, and it is needless to say that the optical axis adjustment assisting device can be modified and used for photodetectors of other division numbers. Such an optical axis adjustment auxiliary device can substantially expand the light receiving area of the multi-element photodetector.

さらに上記の実施形態では、補助具14等を着脱自在に設けたが、補助具を4分割光検出器11に固定した状態にすることもできる。この場合、4分割光検出器11の検出特性が影響を受けないように、受光面12における受光部12a〜12dにおける補助具の特性が調整される。   Further, in the above-described embodiment, the auxiliary tool 14 and the like are provided detachably, but the auxiliary tool may be fixed to the quadrant photodetector 11. In this case, the characteristics of the auxiliary tools in the light receiving portions 12a to 12d on the light receiving surface 12 are adjusted so that the detection characteristics of the four-split photodetector 11 are not affected.

また上記の実施形態では、ミラー107の反射方向に係る姿勢を調整することで4分割光検出器11の受光面12におけるレーザ光16の照射スポットを調整し光軸調整を行うようにしたが、ミラー107の代わりに、図11に示すごとき光軸調整機構61を用いて光軸調整を行うこともできる。光軸調整機構61では、ベース部材62の上に、三角形の形状を有する取付け台63を、支点支持部64と2つの調整ネジ65,66で設けている。支点支持部64は取付け台63の1つの頂点部に設けられ、2つの調整ネジ65,66は他の2つの頂点部のそれぞれに取り付けられている。取付け台63の上に前述の4分割光検出器11が設けられている。4分割光検出器11の受光面12は上側を向いており、受光面12にレーザ光16が入射される。4分割光検出器11の受光面12の前面に前述の補助具14等が配置される。図11では、補助具14等の図示は省略されている。   Further, in the above embodiment, the optical axis adjustment is performed by adjusting the irradiation spot of the laser beam 16 on the light receiving surface 12 of the quadrant photodetector 11 by adjusting the posture related to the reflection direction of the mirror 107. Instead of the mirror 107, the optical axis adjustment can be performed using an optical axis adjustment mechanism 61 as shown in FIG. In the optical axis adjustment mechanism 61, a mounting base 63 having a triangular shape is provided on a base member 62 with a fulcrum support portion 64 and two adjustment screws 65 and 66. The fulcrum support portion 64 is provided at one apex portion of the mounting base 63, and the two adjustment screws 65 and 66 are attached to the other two apex portions, respectively. The above-described quadrant photodetector 11 is provided on the mounting base 63. The light receiving surface 12 of the quadrant photodetector 11 faces upward, and laser light 16 is incident on the light receiving surface 12. The aforementioned auxiliary tool 14 and the like are arranged on the front surface of the light receiving surface 12 of the quadrant photodetector 11. In FIG. 11, illustration of the auxiliary tool 14 and the like is omitted.

上記の光軸調整機構61によれば、2つの調整ネジ65,66のいずれかを適宜に調整することにより、受光面12におけるレーザ光16の入射位置を変更し、光軸調整が行われる。   According to the optical axis adjustment mechanism 61 described above, by appropriately adjusting one of the two adjustment screws 65 and 66, the incident position of the laser beam 16 on the light receiving surface 12 is changed, and the optical axis is adjusted.

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。   The configurations, shapes, sizes, and arrangement relationships described in the above embodiments are merely schematically shown to the extent that the present invention can be understood and implemented. Therefore, the present invention is not limited to the described embodiments, and can be variously modified without departing from the scope of the technical idea shown in the claims.

本発明は、走査型プローブ顕微鏡における光てこ式光学検出系の4分割光検出器等の光軸調整補助装置として利用される。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is used as an optical axis adjustment auxiliary device such as a quadrant photodetector in an optical lever type optical detection system in a scanning probe microscope.

本発明に係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。It is a front view of the 4-part dividing photodetector to which the optical axis adjustment auxiliary device concerning the present invention is applied. 図1に示した4分割光検出器の側面図である。FIG. 2 is a side view of the quadrant photodetector shown in FIG. 1. 図1に示した4分割光検出器に本実施形態に係る光軸調整補助具を適用した正面図である。It is the front view which applied the optical axis adjustment auxiliary tool which concerns on this embodiment to the 4 division | segmentation photodetector shown in FIG. 図3に示した4分割光検出器の側面図である。FIG. 4 is a side view of the quadrant photodetector shown in FIG. 3. 本実施形態に係る光軸調整補助具内に含まれる光学フィルタの透過率特性を示すグラフである。It is a graph which shows the transmittance | permeability characteristic of the optical filter contained in the optical axis adjustment auxiliary tool which concerns on this embodiment. 本実施形形態に係る光軸調整補助具内に含まれる凸レンズと光学フィルタの組合せの作用を示す図である。It is a figure which shows the effect | action of the combination of the convex lens and optical filter which are contained in the optical axis adjustment auxiliary tool which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る光軸調整補助具が設けられた4分割光検出器のレーザ光の入射位置と電圧信号Sh’との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the incident position of the laser beam of the 4 division | segmentation photodetector provided with the optical axis adjustment auxiliary tool which concerns on this embodiment, and the voltage signal Sh '. 本実施形態に係る光軸調整補助具の他の実施例を示す図であり、(A)は側面断面図であり、(B)は透過率分布を示すグラフである。It is a figure which shows the other Example of the optical axis adjustment auxiliary tool which concerns on this embodiment, (A) is side surface sectional drawing, (B) is a graph which shows the transmittance | permeability distribution. 本実施形態に係る光軸調整補助具の他の実施例を示す図であり、(A)は側面断面図であり、(B)は透過率分布を示すグラフである。It is a figure which shows the other Example of the optical axis adjustment auxiliary tool which concerns on this embodiment, (A) is side surface sectional drawing, (B) is a graph which shows the transmittance | permeability distribution. 本実施形態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。It is a figure for demonstrating the method of the optical axis adjustment based on the optical axis adjustment auxiliary | assistance apparatus which concerns on this embodiment. 光軸調整機構の他の例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the other example of an optical axis adjustment mechanism. 従来の光軸調整の一例を説明するための概略側面図である。It is a schematic side view for demonstrating an example of the conventional optical axis adjustment. 4分割光検出器の受光面でレーザ光のスポット位置を受光面の中心に移動させる制御状態を示す図である。It is a figure which shows the control state which moves the spot position of a laser beam to the center of a light-receiving surface on the light-receiving surface of a 4-part dividing photodetector. 4分割光検出器の受光面上にレーザ光の照射スポットがあるときの模式的な正面図である。It is a typical front view when the irradiation spot of a laser beam exists on the light-receiving surface of a 4-part dividing photodetector. 図14における状態を光強度と共に側方より示した模式的な側面図である。It is the typical side view which showed the state in FIG. 14 from the side with light intensity. 4分割光検出器の受光面のX軸上でレーザ光の照射スポットを移動させたときの電圧信号Sh’の変化状態を示すグラフである。It is a graph which shows the change state of voltage signal Sh 'when the irradiation spot of a laser beam is moved on the X-axis of the light-receiving surface of a 4-part dividing photodetector.

符号の説明Explanation of symbols

11 4分割光検出器
12 受光面
12a〜12d 受光部
14,30,40 光軸調整補助具
14a 凸レンズ
14b 光学フィルタ
14c ホルダ
16 レーザ光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 4 division | segmentation photodetector 12 Light-receiving surface 12a-12d Light-receiving part 14, 30, 40 Optical axis adjustment auxiliary tool 14a Convex lens 14b Optical filter 14c Holder 16 Laser light

Claims (5)

反射部材にレーザ光を出射するレーザ光源と、前記反射部材で反射した前記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、前記光検出器の前記受光面での前記レーザ光の入射位置を検出し、さらに光軸調整手段を備える位置検出装置において、
前記受光面におけるその中心からのレーザ光入射位置の距離と前記光検出器からの検出信号との関係を単調増加または単調減少の関係に変換する補正手段を備えることを特徴とする光軸調整補助装置。
A laser light source that emits laser light to a reflecting member; and a photodetector that has a light receiving surface on which the laser light reflected by the reflecting member is incident and is divided into a plurality of light receiving portions. In the position detection device that detects an incident position of the laser beam on the light receiving surface of the photodetector, and further includes an optical axis adjustment unit,
An optical axis adjustment assist, comprising correction means for converting the relationship between the distance of the laser beam incident position from the center of the light receiving surface and the detection signal from the photodetector into a monotonically increasing or monotonically decreasing relationship. apparatus.
前記補正手段は、前記受光面の前面に配置される凸レンズと、中心部から周縁部に向かって光透過率が増加する光学フィルタとから構成されることを特徴とする請求項1記載の光軸調整補助装置。   The optical axis according to claim 1, wherein the correction unit includes a convex lens disposed on the front surface of the light receiving surface and an optical filter whose light transmittance increases from a central portion toward a peripheral portion. Adjustment auxiliary device. 前記補正手段は、前記受光面の前面に配置され、中心部から周縁部に向かって光透過率が増加する凸レンズであることを特徴とする請求項1記載の光軸調整補助装置。   2. The optical axis adjustment assisting device according to claim 1, wherein the correcting means is a convex lens that is disposed in front of the light receiving surface and increases in light transmittance from a central portion toward a peripheral portion. 前記凸レンズは、前記凸レンズの片面または両面に、前記凸レンズの中心部から周縁部に向かうほど厚さが薄くなるように金属薄膜が堆積されていることを特徴とする請求項3記載の光軸調整補助装置。   4. The optical axis adjustment according to claim 3, wherein the convex lens has a metal thin film deposited on one or both sides of the convex lens so that the thickness thereof decreases from the central portion toward the peripheral portion of the convex lens. Auxiliary device. 前記凸レンズは、前記レーザ光を所定の吸収率で吸収する材料で形成されていることを特徴とする請求項3記載の光軸調整補助装置。
4. The optical axis adjustment assisting device according to claim 3, wherein the convex lens is formed of a material that absorbs the laser light at a predetermined absorption rate.
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