JP2007078577A - Optical axis adjusting auxiliary device - Google Patents
Optical axis adjusting auxiliary device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007078577A JP2007078577A JP2005268621A JP2005268621A JP2007078577A JP 2007078577 A JP2007078577 A JP 2007078577A JP 2005268621 A JP2005268621 A JP 2005268621A JP 2005268621 A JP2005268621 A JP 2005268621A JP 2007078577 A JP2007078577 A JP 2007078577A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- optical axis
- light receiving
- receiving surface
- photodetector
- optical
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
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
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
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
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
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
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
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
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。
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 (
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
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
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
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
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
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
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.
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
Claims (5)
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.
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005268621A JP2007078577A (en) | 2005-09-15 | 2005-09-15 | Optical axis adjusting auxiliary device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005268621A JP2007078577A (en) | 2005-09-15 | 2005-09-15 | Optical axis adjusting auxiliary device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007078577A true JP2007078577A (en) | 2007-03-29 |
Family
ID=37939058
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005268621A Pending JP2007078577A (en) | 2005-09-15 | 2005-09-15 | Optical axis adjusting auxiliary device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2007078577A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021060310A (en) * | 2019-10-08 | 2021-04-15 | 株式会社島津製作所 | Scanning probe microscope and method for adjusting position of scanning probe microscope |
-
2005
- 2005-09-15 JP JP2005268621A patent/JP2007078577A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021060310A (en) * | 2019-10-08 | 2021-04-15 | 株式会社島津製作所 | Scanning probe microscope and method for adjusting position of scanning probe microscope |
JP7318471B2 (en) | 2019-10-08 | 2023-08-01 | 株式会社島津製作所 | Scanning probe microscope and method for adjusting position of scanning probe microscope |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6355027B2 (en) | Shape measuring device | |
JP2007078515A (en) | Laser radar system | |
JP2007078577A (en) | Optical axis adjusting auxiliary device | |
JP2017101923A (en) | Scanning probe microscope and sample measurement method using the microscope | |
JP2008299144A (en) | Beam irradiation apparatus and laser radar | |
CN101934418A (en) | Welding seam tracking and detecting equipment | |
JP2010096570A (en) | Profilometer | |
US20120212747A1 (en) | Apparatus and method of measuring shape | |
US10427243B2 (en) | Method for producing a laser weld seam between components by use of a spherical or sphere-like element, and corresponding component connection | |
JP5381583B2 (en) | Detector and adjustment jig | |
JP2007232629A (en) | Lens shape measuring instrument | |
JP5358898B2 (en) | Optical surface shape measuring method and apparatus, and recording medium | |
WO2008010120A3 (en) | Employing beam scanning for optical detection | |
JP4589931B2 (en) | Compact optical scanning device | |
JP2001304831A (en) | Optical angle measuring apparatus | |
JP2017219342A (en) | Measuring device, measuring method, processing device, and method for producing workpiece | |
JP3967482B2 (en) | Optical axis adjustment auxiliary device for scanning probe microscope | |
JP5382038B2 (en) | Thickness measuring device for translucent tubular object | |
JP4568212B2 (en) | Shape measuring device | |
JP2008261829A (en) | Surface measuring device | |
JP5019507B2 (en) | Laser processing apparatus and position detection method of workpiece | |
JP2008139190A (en) | Size measuring device of coil spring | |
JP2010181782A (en) | Automatic focusing device | |
KR101813580B1 (en) | Displacement Sensor | |
CN210776122U (en) | Coaxial auxiliary focusing navigation lens system |