JP3033663B2 - 多次元極微小変位計測方法とその装置 - Google Patents
多次元極微小変位計測方法とその装置Info
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- JP3033663B2 JP3033663B2 JP6111612A JP11161294A JP3033663B2 JP 3033663 B2 JP3033663 B2 JP 3033663B2 JP 6111612 A JP6111612 A JP 6111612A JP 11161294 A JP11161294 A JP 11161294A JP 3033663 B2 JP3033663 B2 JP 3033663B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、多次元極微小変位計
測方法とそのための装置に関するものである。さらに詳
しくは、この発明は、生物工学、マイクロエレクトロニ
クス、マイクロマシン等の諸分野において有用な、ナノ
メートル領域の極微小変位を高精度に計測することので
きる、新しい多次元の極微小変位計測方法とそのための
顕微鏡装置に関するものである。
測方法とそのための装置に関するものである。さらに詳
しくは、この発明は、生物工学、マイクロエレクトロニ
クス、マイクロマシン等の諸分野において有用な、ナノ
メートル領域の極微小変位を高精度に計測することので
きる、新しい多次元の極微小変位計測方法とそのための
顕微鏡装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】近年の生物工学やマイクロエ
レクトロニクスの進展は顕著であって、ミクロ世界の現
象の解明とその人為的応用への検討が精力的に進められ
てきている。このような領域での研究は、不可避的にナ
ノメートルレベルでの高精度な計測技術の確立を必要と
している。
レクトロニクスの進展は顕著であって、ミクロ世界の現
象の解明とその人為的応用への検討が精力的に進められ
てきている。このような領域での研究は、不可避的にナ
ノメートルレベルでの高精度な計測技術の確立を必要と
している。
【０００３】従来、ナノメートル領域での極微小変位を
計測するための方法としては、２光分割センサーや４光
分割センサーを用いる方法が知られており、その方式に
は、Ａ ．光てこ方式（原子間力顕微鏡方式）Ｂ ．顕微鏡を用いた方式 とがある。
計測するための方法としては、２光分割センサーや４光
分割センサーを用いる方法が知られており、その方式に
は、Ａ ．光てこ方式（原子間力顕微鏡方式）Ｂ ．顕微鏡を用いた方式 とがある。
【０００４】前者の光てこ方式は、レーザー光を被計測
物、たとえばカンチレバー表面で反射させ、被計測物の
表面が傾くと反射光の向きが変化することから、この変
化を２分割光センサーで計測し、上下方向のたわみ、あ
るいは横方向のたわみを各々の変位として観察する。こ
の場合、２分割光センサーのダイオードの２つの部分に
入射した光量をＩ１，Ｉ２とすると、その差Ｉ１−Ｉ２
を電気的に増幅することにより、つまり図６に示したよ
うにして、変位計測を行う。
物、たとえばカンチレバー表面で反射させ、被計測物の
表面が傾くと反射光の向きが変化することから、この変
化を２分割光センサーで計測し、上下方向のたわみ、あ
るいは横方向のたわみを各々の変位として観察する。こ
の場合、２分割光センサーのダイオードの２つの部分に
入射した光量をＩ１，Ｉ２とすると、その差Ｉ１−Ｉ２
を電気的に増幅することにより、つまり図６に示したよ
うにして、変位計測を行う。
【０００５】後者の顕微鏡を用いた方式は、たとえば図
７に示したように、ハロゲンランプまたはレーザー光に
よる照明（ア）を行い、コンデンサーレンズ（イ）を介
して被測定微小物体からなる試料（ウ）に光照射すると
ともに、その光軸上において対物レンズ（エ）、接眼レ
ンズまたは撮影レンズ（オ）並びに２分割または４分割
光センサー（カ）からなる結像系によって変位を測定す
るものである。
７に示したように、ハロゲンランプまたはレーザー光に
よる照明（ア）を行い、コンデンサーレンズ（イ）を介
して被測定微小物体からなる試料（ウ）に光照射すると
ともに、その光軸上において対物レンズ（エ）、接眼レ
ンズまたは撮影レンズ（オ）並びに２分割または４分割
光センサー（カ）からなる結像系によって変位を測定す
るものである。
【０００６】この方式では、分割光センサー（カ）上に
微小物体である試料（ウ）の像を結像させ、この像の動
きを分割光センサー（カ）の出力の差として計測するこ
とを特徴としている。たとえば１次元計測の時には２分
割光センサーを、２次元計測の時には４分割光センサー
を使用する。すなわち、１次元計測では、図８（ａ）に
示したように、微小物体の変位方向ｘについて、Ｉ1 −
Ｉ2 より求めることができ、図８（ｂ）のｘ，ｙの２次
元計測では、次式 ｘ＝（Ｉ1 ＋Ｉ4 ）−（Ｉ2 ＋Ｉ3 ） ｙ＝（Ｉ1 ＋Ｉ2 ）−（Ｉ3 ＋Ｉ4 ） により変位を求めることができる。
微小物体である試料（ウ）の像を結像させ、この像の動
きを分割光センサー（カ）の出力の差として計測するこ
とを特徴としている。たとえば１次元計測の時には２分
割光センサーを、２次元計測の時には４分割光センサー
を使用する。すなわち、１次元計測では、図８（ａ）に
示したように、微小物体の変位方向ｘについて、Ｉ1 −
Ｉ2 より求めることができ、図８（ｂ）のｘ，ｙの２次
元計測では、次式 ｘ＝（Ｉ1 ＋Ｉ4 ）−（Ｉ2 ＋Ｉ3 ） ｙ＝（Ｉ1 ＋Ｉ2 ）−（Ｉ3 ＋Ｉ4 ） により変位を求めることができる。
【０００７】これらの従来の方法は、とりあえずの微小
変位の計測を可能とするものであるが、いずれの方式に
もナノメートル計測のための高精度化の点では問題があ
った。それと言うのも、Ａ．光てこ方式の原子間顕微鏡
に用いられている方式では、Ｂ．顕微鏡方式に比べて光
学系が簡単であるが、被計測物には、レーザー光を平面
で反射できなければならないという制約があり、この制
約によって、特定の微小物体の微小変位計測にしか応用
できないという欠点がある。
変位の計測を可能とするものであるが、いずれの方式に
もナノメートル計測のための高精度化の点では問題があ
った。それと言うのも、Ａ．光てこ方式の原子間顕微鏡
に用いられている方式では、Ｂ．顕微鏡方式に比べて光
学系が簡単であるが、被計測物には、レーザー光を平面
で反射できなければならないという制約があり、この制
約によって、特定の微小物体の微小変位計測にしか応用
できないという欠点がある。
【０００８】また、Ｂ．顕微鏡方式の場合には、３次元
微小変位同時計測は不可能であって、しかも２次元微小
変位同時計測の場合にも特定の方向に限られるという制
約がある。たとえば、顕微鏡を使用するこの方式では、
結像面内の２次元に限られ、結像面に垂直な方向（つま
り光軸に平行な方向）を含んだ２次元計測は不可能であ
る。
微小変位同時計測は不可能であって、しかも２次元微小
変位同時計測の場合にも特定の方向に限られるという制
約がある。たとえば、顕微鏡を使用するこの方式では、
結像面内の２次元に限られ、結像面に垂直な方向（つま
り光軸に平行な方向）を含んだ２次元計測は不可能であ
る。
【０００９】そこでこの発明は、以上の通りの従来技術
の欠点を解消し、従来は不可能であった３次元や２次元
の微小変位の同時計測を高精度に可能とする、ナノメー
トルレベルでの新しい多次元極微小変位計測方法とその
ための顕微鏡装置を提供することを目的としている。
の欠点を解消し、従来は不可能であった３次元や２次元
の微小変位の同時計測を高精度に可能とする、ナノメー
トルレベルでの新しい多次元極微小変位計測方法とその
ための顕微鏡装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、照明用レンズを介して試料に光
照射するとともに、光軸から傾いた斜め方向の複数の位
置に対物レンズを近接配置させた複数の結像系を構成す
ることを特徴とする多次元極微小変位計測方法を提供す
る。
を解決するものとして、照明用レンズを介して試料に光
照射するとともに、光軸から傾いた斜め方向の複数の位
置に対物レンズを近接配置させた複数の結像系を構成す
ることを特徴とする多次元極微小変位計測方法を提供す
る。
【００１１】また、この発明は、上記の結像系の構成を
特徴とする顕微鏡装置をも提供する。
特徴とする顕微鏡装置をも提供する。
【００１２】
【作用】上記の通りのナノメートル計測を可能とするこ
の発明の方法および装置については、たとえば図１の構
成として例示することができる。この図１に示したよう
に、照明用レンズ（１）としてのコンデンサーレンズあ
るいは対物レンズを通じてハロゲンランプ、レーザー等
による光（２）を試料（３）に対して照射する。そし
て、光軸から傾いた斜め方向の複数の位置に対物レンズ
（４）、撮影レンズ（５）もしくは接眼レンズ、分割光
センサー（６）からなる複数の結像系を配設する。
の発明の方法および装置については、たとえば図１の構
成として例示することができる。この図１に示したよう
に、照明用レンズ（１）としてのコンデンサーレンズあ
るいは対物レンズを通じてハロゲンランプ、レーザー等
による光（２）を試料（３）に対して照射する。そし
て、光軸から傾いた斜め方向の複数の位置に対物レンズ
（４）、撮影レンズ（５）もしくは接眼レンズ、分割光
センサー（６）からなる複数の結像系を配設する。
【００１３】この際の照明用レンズ（１）としては、そ
の開き角の大きなものを用いることが好ましい。この開
き角の大きなレンズの使用によって、試料（３）を広い
角度範囲にわたって光照射することができるため、試料
（３）の上側で斜め方向に結像させることが可能とな
る。より具体的には、開口数１．２程度の高開き角のコ
ンデンサーレンズもしくは対物レンズが例示される。
の開き角の大きなものを用いることが好ましい。この開
き角の大きなレンズの使用によって、試料（３）を広い
角度範囲にわたって光照射することができるため、試料
（３）の上側で斜め方向に結像させることが可能とな
る。より具体的には、開口数１．２程度の高開き角のコ
ンデンサーレンズもしくは対物レンズが例示される。
【００１４】対物レンズ（４）については、超長作動距
離、たとえば１０ｍｍ程度の作動距離を有し、かつ、立
体的に隣り合った対物レンズとぶつからない程度の形状
と間隔で配置できるようにする。この対物レンズ（４）
は、その倍率は２０倍以上とするのが好ましい。また、
撮影レンズ（接眼レンズ）（５）については、その倍率
をたとえば７倍程度とすることができる。そして、分割
光センサー（６）としては、３次元計測の時は４分割セ
ンサーを、２次元計測の時は２分割センサーを用いる。
離、たとえば１０ｍｍ程度の作動距離を有し、かつ、立
体的に隣り合った対物レンズとぶつからない程度の形状
と間隔で配置できるようにする。この対物レンズ（４）
は、その倍率は２０倍以上とするのが好ましい。また、
撮影レンズ（接眼レンズ）（５）については、その倍率
をたとえば７倍程度とすることができる。そして、分割
光センサー（６）としては、３次元計測の時は４分割セ
ンサーを、２次元計測の時は２分割センサーを用いる。
【００１５】以上の例示的な具体構成によって、分割光
センサー（６）上には、たとえば被計測微小物体の像が
拡大率１００倍以上で結像することになる。従来の技術
常識からは、この発明のように斜め方向に結像させるこ
とは全く考慮され得なかった。その理由としては、以下
のことが考えられていた。 ａ．光軸からはずすと収差が取りずらい。
センサー（６）上には、たとえば被計測微小物体の像が
拡大率１００倍以上で結像することになる。従来の技術
常識からは、この発明のように斜め方向に結像させるこ
とは全く考慮され得なかった。その理由としては、以下
のことが考えられていた。 ａ．光軸からはずすと収差が取りずらい。
【００１６】ｂ．被写界深度の関係で、試料を全範囲に
わたって焦点を合わすことができない。しかしながら、
光軸から外すと収差が取りづらいとの点については、こ
の発明の装置では、収差は球面収差と色収差のみが問題
となるが、斜め方向の結像とこの収差と何ら関係ない。
わたって焦点を合わすことができない。しかしながら、
光軸から外すと収差が取りづらいとの点については、こ
の発明の装置では、収差は球面収差と色収差のみが問題
となるが、斜め方向の結像とこの収差と何ら関係ない。
【００１７】また、被写界深度の関係で、試料の全範囲
に渡って焦点を合わすことができないとの点について
は、ナノメートル計測では、数百ナノメートル以下の範
囲の変位しか計測しないので、たとえば図２に示すよう
にこの発明の方法、装置では、この問題も関係のないも
のである。すなわち、結像系１および結像系２で焦点の
合う領域はその深さ（ｄ1 ）（ｄ 2 ）が、対物レンズ
（４）の開口数、拡大率によるが、約数μｍ〜１０μｍ
であって、焦点の問題は全くない。
に渡って焦点を合わすことができないとの点について
は、ナノメートル計測では、数百ナノメートル以下の範
囲の変位しか計測しないので、たとえば図２に示すよう
にこの発明の方法、装置では、この問題も関係のないも
のである。すなわち、結像系１および結像系２で焦点の
合う領域はその深さ（ｄ1 ）（ｄ 2 ）が、対物レンズ
（４）の開口数、拡大率によるが、約数μｍ〜１０μｍ
であって、焦点の問題は全くない。
【００１８】これらの点は、従来の常識からは予期し得
ないものである。いずれにしてもこの発明では、照射用
レンズが高い開き角を有すれば、広い角度範囲にわたっ
て試料を照射するので、斜め方向へも、光軸方向とほと
んど同量の光が到達する。したがって、斜め方向へ試料
を結像させることが可能である。結像系からは、光分割
センサーでの光強度の差としてその変位量が求められ
る。すなわち、図３に例示したように、ｙ方向が紙面に
垂直な向きであるとすると、Ｉ1 −Ｉ2 からｓ方向の変
位が求まり、Ｉ1 ′−Ｉ2 ′よりｔ方向の変位が求ま
る。
ないものである。いずれにしてもこの発明では、照射用
レンズが高い開き角を有すれば、広い角度範囲にわたっ
て試料を照射するので、斜め方向へも、光軸方向とほと
んど同量の光が到達する。したがって、斜め方向へ試料
を結像させることが可能である。結像系からは、光分割
センサーでの光強度の差としてその変位量が求められ
る。すなわち、図３に例示したように、ｙ方向が紙面に
垂直な向きであるとすると、Ｉ1 −Ｉ2 からｓ方向の変
位が求まり、Ｉ1 ′−Ｉ2 ′よりｔ方向の変位が求ま
る。
【００１９】そして光分割センサー（６）からは、次式
【００２０】
【数１】
【００２１】によりｓ，ｔが求められ、そして、変位
ｘ，ｚ方向の成分は、次式
ｘ，ｚ方向の成分は、次式
【００２２】
【数２】
【００２３】として求まる。４分割光センサーを使用し
た時は、ｙ方向の変位はそのまま計測されることにな
る。そこで、以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発
明について説明する。
た時は、ｙ方向の変位はそのまま計測されることにな
る。そこで、以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発
明について説明する。
【００２４】
【実施例】以下の構成からなる顕微鏡装置を用いて、直
径約１μｍの微小ガラス針を上下方向に振動させ、その
極微小変位を計測した。 ・照明レンズ ＮＡ１．２５、１００倍の油浸対物レンズをコンデンサ
ーとして使用。
径約１μｍの微小ガラス針を上下方向に振動させ、その
極微小変位を計測した。 ・照明レンズ ＮＡ１．２５、１００倍の油浸対物レンズをコンデンサ
ーとして使用。
【００２５】・照明光源 安定化電源を用い、１００Ｗハロゲンランプによる照明
を行った。 ・対物レンズ 作動距離１０．５ｍｍ、ＮＡ０．４０、２０倍 光センサーからは差動アンプを介して出力させた。
を行った。 ・対物レンズ 作動距離１０．５ｍｍ、ＮＡ０．４０、２０倍 光センサーからは差動アンプを介して出力させた。
【００２６】図４は、微小ガラス針の上下方向振動に使
用したピエゾ素子に加えた電圧とその時の換算された変
位を示したものである。これによると、振幅（山と谷の
間の電圧差）を長さに換算したものとして、 ０．１９５Ｖ×１０倍×４７ｎｍ／Ｖ＝９２ｎｍ の値が得られる。
用したピエゾ素子に加えた電圧とその時の換算された変
位を示したものである。これによると、振幅（山と谷の
間の電圧差）を長さに換算したものとして、 ０．１９５Ｖ×１０倍×４７ｎｍ／Ｖ＝９２ｎｍ の値が得られる。
【００２７】図５は、４５°斜め方向で微小ガラス針の
振動を計測した結果を示したものである。即ち、上下方
向に９２ｎｍ振動させて、２８２ｍＶの出力が得られ
た。このため、次のように、 ２８２ｍＶ／９２ｎｍ＝３．１ｍＶ／ｎｍ 出力グラフの線幅からもわかるように、分解能は５ｍＶ
より良い。との結果が得られる。すなわち、この発明で
の上下方向の分解能は、１．５ｎｍより良いことにな
る。
振動を計測した結果を示したものである。即ち、上下方
向に９２ｎｍ振動させて、２８２ｍＶの出力が得られ
た。このため、次のように、 ２８２ｍＶ／９２ｎｍ＝３．１ｍＶ／ｎｍ 出力グラフの線幅からもわかるように、分解能は５ｍＶ
より良い。との結果が得られる。すなわち、この発明で
の上下方向の分解能は、１．５ｎｍより良いことにな
る。
【００２８】もちろん、照射強度を強くすることによ
り、さらに１０倍分解能を上げることができる。また、
横方向（ｘ方向）は、ｚ方向と対称であるので同じ結果
を与える。また、ここでは、片側の結像系の結果のみ示
してあるが、前記数２の関係式を用いれば、ｘｚ方向の
変位を求めることができることも明らかである。
り、さらに１０倍分解能を上げることができる。また、
横方向（ｘ方向）は、ｚ方向と対称であるので同じ結果
を与える。また、ここでは、片側の結像系の結果のみ示
してあるが、前記数２の関係式を用いれば、ｘｚ方向の
変位を求めることができることも明らかである。
【００２９】もちろん、この発明は、以上の例に限られ
ることはない。そして、細部において様々な態様が可能
であることは言うまでもない。
ることはない。そして、細部において様々な態様が可能
であることは言うまでもない。
【００３０】
【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
って、ナノメートル計測が多次元での極微小変位につい
て可能となる。
って、ナノメートル計測が多次元での極微小変位につい
て可能となる。
【図１】この発明の構成を例示した図である。
【図２】焦点領域の深さを説明した図である。
【図３】座標変換について説明した図である。
【図４】実施例の入力について示した図である。
【図５】実施例の出力について示した図である。
【図６】従来の光てこ方式による方法について説明した
図である。
図である。
【図７】顕微鏡方式による方法を説明した図である。
【図８】従来の光分割センサーの利用について説明した
図である。
図である。
１ 照明レンズ ２ 光 ３ 試料 ４ 対物レンズ ５ 撮影レンズ ６ 光分割センサー
Claims (5)
- 【請求項１】 照明用レンズを介して試料に光照射する
とともに、光軸から傾いた斜め方向の複数の位置に対物
レンズを近接配置させた複数の結像系を構成することを
特徴とする多次元極微小変位計測方法。 - 【請求項２】 対物レンズは超長作動距離を有する請求
項１の計測方法。 - 【請求項３】 結像系の合焦点領域の深さを約１０μｍ
以下とする請求項１または２の計測方法。 - 【請求項４】 照明用レンズと、対物レンズを配置した
複数の結像系とを備えた顕微鏡装置であって、複数の結
像系は、光軸から傾いた斜め方向の複数の位置に対物レ
ンズを近接させて配置されていることを特徴とする多次
元極微小変位計測用の顕微鏡装置。 - 【請求項５】 対物レンズは超長作動距離を有する請求
項４の顕微鏡装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6111612A JP3033663B2 (ja) | 1994-05-25 | 1994-05-25 | 多次元極微小変位計測方法とその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6111612A JP3033663B2 (ja) | 1994-05-25 | 1994-05-25 | 多次元極微小変位計測方法とその装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07318310A JPH07318310A (ja) | 1995-12-08 |
| JP3033663B2 true JP3033663B2 (ja) | 2000-04-17 |
Family
ID=14565755
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6111612A Expired - Fee Related JP3033663B2 (ja) | 1994-05-25 | 1994-05-25 | 多次元極微小変位計測方法とその装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3033663B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007085936A (ja) * | 2005-09-22 | 2007-04-05 | Tohoku Univ | 位置決め装置 |
-
1994
- 1994-05-25 JP JP6111612A patent/JP3033663B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07318310A (ja) | 1995-12-08 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |