JP3284753B2 - 変位測定装置 - Google Patents
変位測定装置Info
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- JP3284753B2 JP3284753B2 JP11675194A JP11675194A JP3284753B2 JP 3284753 B2 JP3284753 B2 JP 3284753B2 JP 11675194 A JP11675194 A JP 11675194A JP 11675194 A JP11675194 A JP 11675194A JP 3284753 B2 JP3284753 B2 JP 3284753B2
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- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は変位測定装置に関し、特
に原子間顕微鏡（Atomic Force Microscopy、以下ＡＦ
Ｍと略す）の測定用の探針の変位測定など、微小変位を
高分解能で測定する場合に適用して有用なものである。
に原子間顕微鏡（Atomic Force Microscopy、以下ＡＦ
Ｍと略す）の測定用の探針の変位測定など、微小変位を
高分解能で測定する場合に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】従来技術に係る変位測定装置をＡＦＭの
測定用探針の変位測定を例に説明する。図６に装置の構
成を示す。図中、１は光源、２はハーフミラー、３はガ
ラス製の平板、５は光検出器、８はＡＦＭの測定用の探
針、９はＡＦＭにより表面観察する試料である。このと
き、探針８はＬ字形で先端が尖らせてあり、試料９の表
面に対し垂直に接近し得る。
測定用探針の変位測定を例に説明する。図６に装置の構
成を示す。図中、１は光源、２はハーフミラー、３はガ
ラス製の平板、５は光検出器、８はＡＦＭの測定用の探
針、９はＡＦＭにより表面観察する試料である。このと
き、探針８はＬ字形で先端が尖らせてあり、試料９の表
面に対し垂直に接近し得る。
【０００３】図７に示すように、ＡＦＭでは試料９を垂
直方向に移動すると、試料９の表面に原子の凹凸があり
探針８先端との原子の間隔が変化し原子間力が変化する
ので、探針８がたわみ、水平方向の変位が生じる。この
変位を測定することにより試料９の表面の原子配列が観
察できる。
直方向に移動すると、試料９の表面に原子の凹凸があり
探針８先端との原子の間隔が変化し原子間力が変化する
ので、探針８がたわみ、水平方向の変位が生じる。この
変位を測定することにより試料９の表面の原子配列が観
察できる。
【０００４】図６に示す変位測定装置を用いた探針８の
変位の測定方法を以下に説明する。平板３と探針８をコ
ヒーレント光を照射するレーザである光源１の光軸上に
設置し、光源１が照射する入射光を平板３と探針８の表
面で反射させ、２つの反射光をハーフミラー２を介して
光検出器５に入射させる。このとき、平板３は反対側の
面からの反射光を除去するため、無反射コートを施す
か、くさび形としている。
変位の測定方法を以下に説明する。平板３と探針８をコ
ヒーレント光を照射するレーザである光源１の光軸上に
設置し、光源１が照射する入射光を平板３と探針８の表
面で反射させ、２つの反射光をハーフミラー２を介して
光検出器５に入射させる。このとき、平板３は反対側の
面からの反射光を除去するため、無反射コートを施す
か、くさび形としている。
【０００５】かくして２つの反射光は干渉し、平板３と
探針８の間隔に応じて光検出器５で検出される光強度が
図８に示すように光源１の半波長（１μｍ以下）を１周
期として変化する。すなわち、平板３と探針８とで光共
振器を構成する。
探針８の間隔に応じて光検出器５で検出される光強度が
図８に示すように光源１の半波長（１μｍ以下）を１周
期として変化する。すなわち、平板３と探針８とで光共
振器を構成する。
【０００６】したがって、はじめに変位に対する信号変
化を移動量の測定可能なステージなどにより校正してお
けば、校正値を内挿しオングストロームオーダの微小な
変位が測定できる。信号の勾配が最大の地点（図８中の
ａ点）の信号が得られるように、はじめに平板３と探針
８の間隔を設定しておけば、より高い分解能で変位測定
ができる。
化を移動量の測定可能なステージなどにより校正してお
けば、校正値を内挿しオングストロームオーダの微小な
変位が測定できる。信号の勾配が最大の地点（図８中の
ａ点）の信号が得られるように、はじめに平板３と探針
８の間隔を設定しておけば、より高い分解能で変位測定
ができる。
【０００７】図９に示すような光ファイバ６と光ファイ
バカプラ７を用いた構成により分解能０．１Åを得た報
告がある（文献：D.Rugar et al.,"Improved fiber-opt
ic interferometer for atomic force microscopy" App
l.Phys.Lett.,vol.55,No.25,p.2588,1989.) 。この構成
では図６に示す例における平板３の代わりに光ファイバ
６の端面を用いる。光ファイバであるので、狭い空間に
でも配置可能であり、また、上記の例と比較して光軸調
整が簡単になることが特長である。
バカプラ７を用いた構成により分解能０．１Åを得た報
告がある（文献：D.Rugar et al.,"Improved fiber-opt
ic interferometer for atomic force microscopy" App
l.Phys.Lett.,vol.55,No.25,p.2588,1989.) 。この構成
では図６に示す例における平板３の代わりに光ファイバ
６の端面を用いる。光ファイバであるので、狭い空間に
でも配置可能であり、また、上記の例と比較して光軸調
整が簡単になることが特長である。
【０００８】なお、図９中、図６と同一部分には同一番
号を付し重複する説明は省略する。
号を付し重複する説明は省略する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
如き従来の技術では分解能が低いという問題がある。す
なわち、分解能は変位に対する信号の勾配と雑音レベル
の比で決定されるのであるが、ガラス製の平板３の表面
の空気中、あるいは、真空中での反射率が約４％である
ので、図８に示すように、信号はほぼ正弦波に近く最大
の勾配が小さい。前述の文献を例とすると、光源１の波
長が８３０ｎｍ、光検出器５への入射光が３μＷの場
合、最大約１ｎＷ／Åの勾配が得られる。これに対して
雑音は０．１ｎＷ分程度あり、０．１Åの分解能にとど
まっている。この分解能では物理現象の解明には不十分
であり、もう１けた下の分解能が望まれている。
如き従来の技術では分解能が低いという問題がある。す
なわち、分解能は変位に対する信号の勾配と雑音レベル
の比で決定されるのであるが、ガラス製の平板３の表面
の空気中、あるいは、真空中での反射率が約４％である
ので、図８に示すように、信号はほぼ正弦波に近く最大
の勾配が小さい。前述の文献を例とすると、光源１の波
長が８３０ｎｍ、光検出器５への入射光が３μＷの場
合、最大約１ｎＷ／Åの勾配が得られる。これに対して
雑音は０．１ｎＷ分程度あり、０．１Åの分解能にとど
まっている。この分解能では物理現象の解明には不十分
であり、もう１けた下の分解能が望まれている。
【００１０】本発明は、上記従来技術に鑑み、０．０１
Å以下の分解能で変位を測定することが可能な変位測定
装置を提供することを目的とする。
Å以下の分解能で変位を測定することが可能な変位測定
装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の構成は、光を反射する滑らかな平面を有する被測定
物、及びこの被測定物に対向し、被測定物の前記平面と
平行な平面を有するとともに、光を透過する平板からな
る光共振器と、光共振器へ向けて入射光を照射する光源
と、光共振器からの反射光の光強度を検出する光検出器
と、入射光及び反射光の光路の途中に配設したハーフミ
ラーとを有して被測定物の微小変位を前記光共振器の共
振長の変化として測定する変位測定装置において、前記
平板の被測定物に対向する側の平面の反射率が、前記入
射光の波長又は前記光共振器の共振長を変化させた場合
の前記共振器からの反射光強度の、前記入射光が前記共
振器を１往復する際に進む位相での微分の最大値が最大
となるように選択して構成したことを特徴とする。
明の構成は、光を反射する滑らかな平面を有する被測定
物、及びこの被測定物に対向し、被測定物の前記平面と
平行な平面を有するとともに、光を透過する平板からな
る光共振器と、光共振器へ向けて入射光を照射する光源
と、光共振器からの反射光の光強度を検出する光検出器
と、入射光及び反射光の光路の途中に配設したハーフミ
ラーとを有して被測定物の微小変位を前記光共振器の共
振長の変化として測定する変位測定装置において、前記
平板の被測定物に対向する側の平面の反射率が、前記入
射光の波長又は前記光共振器の共振長を変化させた場合
の前記共振器からの反射光強度の、前記入射光が前記共
振器を１往復する際に進む位相での微分の最大値が最大
となるように選択して構成したことを特徴とする。
【００１２】
【作用】上記構成の本発明では、平板の反射率を最適化
することにより、平板と、変位を測定すべき被測定物の
表面で高フィネスの光共振器が形成され、変位に対して
勾配の大きな信号が得られるので、高い分解能で変位測
定が可能となる。
することにより、平板と、変位を測定すべき被測定物の
表面で高フィネスの光共振器が形成され、変位に対して
勾配の大きな信号が得られるので、高い分解能で変位測
定が可能となる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき詳細に
説明する。
説明する。
【００１４】図１（ａ）は本発明の実施例を概念的に示
す説明図、図１（ｂ）はその光共振器の部分を抽出・拡
大して示す説明図である。
す説明図、図１（ｂ）はその光共振器の部分を抽出・拡
大して示す説明図である。
【００１５】両図中、１は例えばレーザ等、コヒーレン
ト光を出射する光源、２はハーフミラー、３はガラス製
の平板、４は反射コート、５は光検出器、８は被測定物
であるＡＦＭの測定用の探針、９はＡＦＭにより表面観
察する試料である。
ト光を出射する光源、２はハーフミラー、３はガラス製
の平板、４は反射コート、５は光検出器、８は被測定物
であるＡＦＭの測定用の探針、９はＡＦＭにより表面観
察する試料である。
【００１６】このとき、反射コート４は、光源１から照
射する入射光の反射面である探針８の平面と相対向する
よう平板４に形成した透明な薄膜であり、この反射コー
ト４と探針８の前記平面とで光共振器を構成している。
かくして、前述の従来技術と同様の原理に基づき、光検
出器５で反射光の光強度を検出することにより探針８の
微小変位を検出するように構成してある。
射する入射光の反射面である探針８の平面と相対向する
よう平板４に形成した透明な薄膜であり、この反射コー
ト４と探針８の前記平面とで光共振器を構成している。
かくして、前述の従来技術と同様の原理に基づき、光検
出器５で反射光の光強度を検出することにより探針８の
微小変位を検出するように構成してある。
【００１７】しかも、このとき平板３の反射面である反
射コート４の反射率Ｒ1 は、探針８の前記平面の反射率
Ｒ2 との間で次式（１）を満足するように構成してあ
る。
射コート４の反射率Ｒ1 は、探針８の前記平面の反射率
Ｒ2 との間で次式（１）を満足するように構成してあ
る。
【数２】 ここで、反射率Ｒ1 の算出方法を説明する。
【００１８】図１（ｂ）に示すように、平板３と探針８
の表面で光源１の出射光である入射光が多重反射するの
で、光検出器５に入射する反射光の複素振幅Ｅは式
（２）であらわされ、検出される光強度Ｉは式（３）で
あらわされる。ここで、λは光源１の発振波長、ｄは平
板３と探針８の間隔である。
の表面で光源１の出射光である入射光が多重反射するの
で、光検出器５に入射する反射光の複素振幅Ｅは式
（２）であらわされ、検出される光強度Ｉは式（３）で
あらわされる。ここで、λは光源１の発振波長、ｄは平
板３と探針８の間隔である。
【００１９】この結果位相差δは式（４）であらわされ
る。
る。
【００２０】また、ｒを反射係数、ｔを透過係数、反射
率をＲとすると式（５）の関係がある。なお、添字１，
２は平板３と探針８の表面を示し、平板３の平面への入
射光の複素振幅を１とした。
率をＲとすると式（５）の関係がある。なお、添字１，
２は平板３と探針８の表面を示し、平板３の平面への入
射光の複素振幅を１とした。
【数３】
【００２１】図２に式（３）の関係を図示する。同図は
反射率６０％の探針８（Ｒ2 ＝０．６）を用い、反射コ
ート４の反射率をＲ1 ＝０．０４、０．８、０．９とし
た場合である。なお、Ｒ1 ＝０．０４はガラスと空気と
の反射率で従来例の信号を示す。
反射率６０％の探針８（Ｒ2 ＝０．６）を用い、反射コ
ート４の反射率をＲ1 ＝０．０４、０．８、０．９とし
た場合である。なお、Ｒ1 ＝０．０４はガラスと空気と
の反射率で従来例の信号を示す。
【００２２】図２を参照すればＲ1 ＝０．８とすると信
号の勾配がＲ1 ＝０．０４の場合よりもかなり大きく、
また、Ｒ1 ＝０．９と比較しても大きいので平面の反射
率に最適値が存在することが直観的にわかる。
号の勾配がＲ1 ＝０．０４の場合よりもかなり大きく、
また、Ｒ1 ＝０．９と比較しても大きいので平面の反射
率に最適値が存在することが直観的にわかる。
【００２３】式（２）を位相δで微分することにより信
号の勾配は式（６）であらわされる。式（６）をさらに
位相δで微分し式（７）が得られるが、式（６）、つま
り勾配が最大となる位相で式（７）は０となる。
号の勾配は式（６）であらわされる。式（６）をさらに
位相δで微分し式（７）が得られるが、式（６）、つま
り勾配が最大となる位相で式（７）は０となる。
【００２４】そこで、式（７）を０とおいて該当の位相
δ0 を求めると式（８）となる。式（８）を式（６）に
代入し、勾配の最大値は式（９）となる。
δ0 を求めると式（８）となる。式（８）を式（６）に
代入し、勾配の最大値は式（９）となる。
【数４】
【００２５】図３にＲ2 ＝０．６の場合について式
（９）を図示する。同図を参照すれば勾配は反射率Ｒ1
＝０．７８付近で最大値を示し、Ｒ1 ＝０．０４の場合
に対して約１０倍の勾配であることがわかる。
（９）を図示する。同図を参照すれば勾配は反射率Ｒ1
＝０．７８付近で最大値を示し、Ｒ1 ＝０．０４の場合
に対して約１０倍の勾配であることがわかる。
【００２６】式（９）をＲ1 で微分し式（１０）が得ら
れるが、式（１０）は式（９）が最大となるＲ1 で０と
なるので、式（１０）を０とおいて得られる式（１）を
解くことにより最適な反射率Ｒ1 が算出できる。
れるが、式（１０）は式（９）が最大となるＲ1 で０と
なるので、式（１０）を０とおいて得られる式（１）を
解くことにより最適な反射率Ｒ1 が算出できる。
【数５】
【００２７】なお、式（１）〜式（１０）で使用したａ
〜ｄ，ｆ〜ｈ，ｋ，ｌは式（１）の但書の式であらわさ
れる。
〜ｄ，ｆ〜ｈ，ｋ，ｌは式（１）の但書の式であらわさ
れる。
【００２８】式（１）の解は解析的にも求められるが、
式が複雑なため困難であり、数値的に算出した。その結
果を図４に示す。これが探針８の反射率Ｒ2 に対する最
適な反射コート４平面の反射率Ｒ1 である。
式が複雑なため困難であり、数値的に算出した。その結
果を図４に示す。これが探針８の反射率Ｒ2 に対する最
適な反射コート４平面の反射率Ｒ1 である。
【００２９】なお、これらの式および図ではＲ1 とＲ2
を置き換えても成立するので、反射コート４の反射率Ｒ
1 が０．０４の場合、勾配の大きな信号を得るには、探
針８の反射率を３５％程度に下げることがよいことにな
る。ただし、得られる信号の勾配は若干の向上にとどま
る。
を置き換えても成立するので、反射コート４の反射率Ｒ
1 が０．０４の場合、勾配の大きな信号を得るには、探
針８の反射率を３５％程度に下げることがよいことにな
る。ただし、得られる信号の勾配は若干の向上にとどま
る。
【００３０】上述の手順に従い、反射率約６０％のタン
グステンの探針８に対して最適反射率を約７８％と決定
し、図５（ａ）に示す構成、すなわち図１の平板３の代
わりに光ファイバ６の端面を用い、特にこの部分を拡大
した図５（ｂ）に明瞭に示すように、光ファイバ６の端
面に反射コート４を形成した構成において、波長０．６
３μｍのレーザ光を用い、光ファイバ６の端面に８０％
の反射コート４を施して用いた。その結果、図２のＲ1
＝０．７の場合に示すような最大勾配が約１０ｎＷ／Å
で従来例の約１０倍の信号が得られ、雑音レベルは従来
例と同様に０．１ｎＷであったので、０．０１Åの高い
分解能を得ることができた。
グステンの探針８に対して最適反射率を約７８％と決定
し、図５（ａ）に示す構成、すなわち図１の平板３の代
わりに光ファイバ６の端面を用い、特にこの部分を拡大
した図５（ｂ）に明瞭に示すように、光ファイバ６の端
面に反射コート４を形成した構成において、波長０．６
３μｍのレーザ光を用い、光ファイバ６の端面に８０％
の反射コート４を施して用いた。その結果、図２のＲ1
＝０．７の場合に示すような最大勾配が約１０ｎＷ／Å
で従来例の約１０倍の信号が得られ、雑音レベルは従来
例と同様に０．１ｎＷであったので、０．０１Åの高い
分解能を得ることができた。
【００３１】なお、さらに探針８の反射率Ｒ1 、およ
び、これに合わせて平板３の反射率を上げることにより
さらに分解能を高められると考えられる。また、上記実
施例では平板３をガラス基板に反射コート４を施したも
のを用いたが、勿論これに限定するものではない。
び、これに合わせて平板３の反射率を上げることにより
さらに分解能を高められると考えられる。また、上記実
施例では平板３をガラス基板に反射コート４を施したも
のを用いたが、勿論これに限定するものではない。
【００３２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
平板の反射率を最適化することにより、平板と、変位を
測定すべき被測定物の平面で高フィネスの光共振器が形
成され、変位に対して勾配の大きな信号が得られるの
で、高い分解能で変位測定が可能となる。
平板の反射率を最適化することにより、平板と、変位を
測定すべき被測定物の平面で高フィネスの光共振器が形
成され、変位に対して勾配の大きな信号が得られるの
で、高い分解能で変位測定が可能となる。
【図１】本発明の実施例を示す説明図及びその光共振器
を抽出・拡大して示す説明図。
を抽出・拡大して示す説明図。
【図２】光強度と位相差との関係を示す特性図。
【図３】光強度の勾配と平板の反射率Ｒ1 との関係を示
す特性図。
す特性図。
【図４】平板の最適反射率と被測定物の反射率Ｒ2 との
関係を示す特性図。
関係を示す特性図。
【図５】本発明の他の実施例を示す説明図及びその光フ
ァイバの端面を抽出・拡大して示す斜視図。
ァイバの端面を抽出・拡大して示す斜視図。
【図６】従来技術に係る装置を概念的に示す説明図。
【図７】探針と試料表面との間の原子間力の作用の態様
を示す説明図。
を示す説明図。
【図８】原子間顕微鏡の測定原理の基礎となる光強度と
位相差との関係を示す特性図。
位相差との関係を示す特性図。
【図９】従来技術に係る他の装置を概念的に示す説明
図。
図。
１ 光源 ２ ハーフミラー ３ 平板 ４ 反射コート ５ 光検出器 ８ 探針
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 9/00 - 11/00 102 G01B 21/00 - 21/32 G01N 13/10 - 13/24 H01J 37/28
Claims (3)
- 【請求項１】 光を反射する滑らかな平面を有する被測
定物、及びこの被測定物に対向し、被測定物の前記平面
と平行な平面を有するとともに、光を透過する平板から
なる光共振器と、 光共振器へ向けて入射光を照射する光源と、 光共振器からの反射光の光強度を検出する光検出器と、 入射光及び反射光の光路の途中に配設したハーフミラー
とを有して被測定物の微小変位を前記光共振器の共振長
の変化として測定する変位測定装置において、 前記平板の被測定物に対向する側の平面の反射率が、前
記入射光の波長又は前記光共振器の共振長を変化させた
場合の前記共振器からの反射光強度の、前記入射光が前
記共振器を１往復する際に進む位相での微分の最大値が
最大となるように選択して構成したことを特徴とする変
位測定装置。 - 【請求項２】 前記光を透過する平板は、ガラス基板
と、このガラス基板に形成した薄膜であって前記共振器
の反射面となる反射コートとで構成したことを特徴とす
る［請求項１］に記載する変位測定装置。 - 【請求項３】 前記平板の反射面の反射率Ｒ1 と、被測
定物の入射光の反射面である前記平面の反射率Ｒ2 とが
次式（１）の関係を満足するように構成したことを特徴
とする［請求項１］又は［請求項２］に記載する変位測
定装置。 【数１】
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11675194A JP3284753B2 (ja) | 1994-05-30 | 1994-05-30 | 変位測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11675194A JP3284753B2 (ja) | 1994-05-30 | 1994-05-30 | 変位測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07325089A JPH07325089A (ja) | 1995-12-12 |
| JP3284753B2 true JP3284753B2 (ja) | 2002-05-20 |
Family
ID=14694865
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11675194A Expired - Fee Related JP3284753B2 (ja) | 1994-05-30 | 1994-05-30 | 変位測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3284753B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2045572B1 (de) * | 2007-10-04 | 2012-03-14 | Attocube Systems AG | Vorrichtung zur Positionserfassung |
-
1994
- 1994-05-30 JP JP11675194A patent/JP3284753B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07325089A (ja) | 1995-12-12 |
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