JP3874358B2 - 片持ち梁および光共振器を備えたセンサ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文によれば、片持ち梁および光共振器を備えたセンサに関する。

片持ち梁および光共振器を備えたセンサは、たとえば、走査型フォース顕微鏡検査法の用途において、特に原子間力顕微鏡または分子間力顕微鏡または他のタイプの表面走査型フォース顕微鏡のために用いられるほか、片持ち梁式の化学センサ、物理センサまたは生物センサにおいても用いられる。

このタイプの装置では、特に偏向による片持ち梁の位置のわずかな変化を検出しなければならない。

このようなセンサはまた、片持ち梁における光点の位置の関数として片持ち梁の偏向を測定するために用いられることができることは注目に値する。したがって、片持ち梁のさまざまな曲げモードを測定することができる。これにより、たとえば、摩擦測定（片持ち梁のねじれ）および種々の振動モードの検出（長手方向の基本次数およびより高次の次数のほか、ねじれ）を行うことができる。

Ｄ・ルガー（Ｄ．Ｒｕｇａｒ）ら著「レビュー・オブ・サイエンティフィック・インストルメント（Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．）」第５９巻（第１１号）、２３３７頁以降（１９８８年）およびＤ・ルガー（Ｄ．Ｒｕｇａｒ）ら著「アプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）」第５５巻（第２５号）、２５８８頁以降（１９８９年）および欧州特許第３９８０８５号明細書は、光ファイバの端部が片持ち梁に近接して配置されるセンサヘッドについて記載している。ファイバ端部から発せられる光は、片持ち梁から反射され、ファイバに送り返され、そこでファイバと空気の境界から反射される光と干渉する。干渉パターンを利用して、片持ち梁の位置を測定することができる。

別の周知の実施形態において、センサヘッドは、光共振器、片持ち梁の表面に配置される第１のミラーを具備する。光共振器を備えたセンサは、米国特許第５，５６５，９８７号明細書および米国特許第５，４６５，６１１号明細書に開示されている。共振器の精度が十分に高い場合には、片持ち梁のきわめて微妙な動きでさえも検出することができる。

しかし、このタイプの共振器の安定性は芳しくなく、片持ち梁およびセンサの相対的な（直交座標および角度）位置に大きく左右され、装置の信頼性に影響を及ぼすことがわかっている。また、ファイバが用いられる場合には、片持ち梁に極めて近い位置に持ってこなければならず、片持ち梁の激しい移動がファイバ端部を損なう可能性がある。

さらに、ファイバと片持ち梁との間の静電的相互作用および他の相互作用は、片持ち梁の機械的特性を変化させる恐れがある。

したがって、本発明の一般的な目的は、片持ち梁の移動を精確に検出することができる上述したタイプのセンサを提供することにある。

ここで、本発明のこれらの目的およびさらに別の目的を実現するために、以下の説明からより容易に明白となるであろうが、請求項１に基づくセンサヘッドが提案される。

したがって、センサの光共振器の第２のミラーが、レンズアセンブリの凹出射面によって形成される。共振器ミラーを形成するために、出射面は、共振器の定常光波の波面に実質的に平行でなければならない。

好ましくは、レンズアセンブリは、凸入射面および凹出射面を有する出射レンズを具備し、凹出射面はレンズアセンブリの出射面を形成する。このレンズは、平行な光ビームまたは発散光ビームを片持ち梁で集光される収束光ビームに変換することができる。

共振器の精度を増大させるために、出射面は反射性コーティングによってコーティングされることが好ましい。

説明および特許請求の範囲において、「レンズアセンブリ」なる語は、１枚のレンズまたは複数のレンズを含むことを理解されたい。

以下の詳細な説明を考慮すれば、よりよく理解され、上記以外の目的も明白となるであろう。そのような説明は、添付図面を参照する。

図１は、走査型顕微鏡、特に原子間力顕微鏡を示している。この顕微鏡は、表面２を走査するための先端１を具備している。先端１は、走査ヘッド４によって保持される片持ち梁３に取り付けられている。片持ち梁３の位置は、先端１において表面２によって作用される力に左右される。この力により、その中立位置からの片持ち梁３の偏差が生じる。

この偏差を検出するために、光センサが設けられる。光センサは、以下に記載される共振器を作動させるのに十分な一時的な干渉性を備えた光６を発する光源５を具備している。光源５からの光はビームスプリッタ７を通過し、ファイバ８の第１の端部８ａに集光される。ファイバ８のＴＥＭモードは、光を透過するために用いられることが好ましい。

光円錐９は、ファイバ８の第２の端部８ｂから出る。光円錐９は、レンズアセンブリ１０に当たり、片持ち梁３の平坦な上面３ａに集光する。

レンズアセンブリ１０は、走査ヘッド４に取り付けられる。レンズアセンブリ１０は、入射レンズ１１および出射レンズ１２を具備し、光ファイバ８の第２の端部８ｂを片持ち梁３に光学的に投影する。

入射レンズ１１は、平坦な入射面１１ａおよび凸出射面１１ｂを有する。入射レンズ１１は、光円錐９からの発散光を受光し、たとえば平行ビーム１３として出射レンズ１２上に投影する。

出射レンズ１２は凸入射面１２ａおよび凹出射面１２ｂを有し、凹出射面１２ｂはレンズアセンブリ１０の出射面である。凹出射面１２ｂは、光ビーム１３を片持ち梁３の表面３ａ上に集光する。

出射面１２ｂの曲率は、そこから出る光１４の波面に平行である、すなわちそこを通過する光ビームを分割しないように選択される。出射面１２ｂは部分的に好ましくは高い反射コーティングによってコーティングされ、片持ち梁３の上面３ａはたとえば反射性の光学コーティングによって覆われることによって反射性、好ましくは高い反射性である。その結果、光共振器１５は、出射面１２ｂと片持ち梁３の上面３ａとの間に形成される。共振器は、低損失（たとえば、一往復につき２０％未満、好ましくは１０％未満）を有する。当業者には周知であるように、そのような共振器が反射する光の量は、共振器の長さに著しく左右される。

光共振器１５から反射される光は、ファイバ８に戻るように集光され、ビームスプリッタ７に達し、入ってくる光から分離され、光検出器１６上に投影される。当業者には明白であるように、光検出器１５によって測定される信号は、共振器１５の長さおよび片持ち梁３の位置に左右されるため、片持ち梁３の位置、特にその偏向またはねじれを測定することができる。

本発明の設計には、種々の利点がある。たとえば、レンズアセンブリ１０と片持ち梁３との間の距離は、数１００μｍであってもよく、ファイバを用いる従来のセンサに比較して、光学成分の損傷の危険性を減少させる。さらに、片持ち梁と光学成分との間の寄生的相互作用が低減される。

さらに、１つのカーブミラー（面１２ｂ）および１つの平面ミラー（面３ａ）を備えた共振器１５は、２つの平面ミラーを備えた共振器より安定している。光が片持ち梁上に集光され、平行ではないため、上記の共振器構成により、２つの平面ミラーを用いた場合に比べて、共振器における光損失を低減する。

共振器のより高い安定性は、装置の配置を簡素化する。特に、片持ち梁上面３ａとレンズアセンブリ１０との間の角度の調整は、あまり重要ではない。

光線が出射面１２ｂで分割されないため、装置は、共振器１５に存在する媒体に関係なく、再調整することなく動作する。特に、同システムは、たとえば、空気、真空および水または生物的緩衝液などの流体における用途に用いられてもよい。

これまで示された例において、２枚の均質なレンズ１１、１２が用いられる。また、２枚のレンズを１枚のレンズに結合することも可能であるが、このような１枚のレンズは、発散する入射光領域９を集光するために、著しく湾曲した入射面を有する必要がある。したがって、発散する入射光領域９には、少なくとも２枚のレンズを有するレンズアセンブリが好ましい。

均質なレンズを用いる代わりに、勾配屈折率レンズまたは均質なレンズおよび勾配屈折率レンズの組合せを用いることも可能である。しかし、出射レンズの出射面は常に凹面であり、共振器１５内の定常波の当たる波面に平行であるものとする。この点において、「凹面」は、レンズが所与の面で凹面であることを示すと理解されたい。

図１の実施形態において、共振器１５から反射される光は、ファイバ８に戻るように集光される。しかし、ファイバ８とレンズアセンブリ１０との間にビームスプリッタ７を配置することも可能である。

ファイバを用いる代わりに、光源５は、レンズアセンブリ１０の直前に配置されてもよい。

レンズアセンブリ１０に入る光は、（１／ｅｘｐ（ｒ））^２によって減衰する強度分布を有することが好ましい。式中、ｒは、レンズアセンブリ１０の中心軸に対する距離を表す。ファイバのＴＥＭモードを用いる場合に生じるように、このようなビーム分布により、最適な集光を行うことができる。

本願明細書に示される光センサは、きわめて小さな寸法（たとえば、５０μｍ未満の長さおよび１０μｍ未満の幅）の片持ち梁の偏向を測定するのに適しており、種々の走査型フォース顕微鏡検査用途または片持ち梁式の物理センサ、化学センサまたは生物センサの偏向の測定に用いられることができる。片持ち梁の位置は、測定される変数に左右される。

本願明細書に示される光学レンズアセンブリ１０は、圧電位置決め装置に実装されてもよく、片持ち梁の異なる部分に光点を位置決めすることができる。これにより、片持ち梁の局所的な偏向またはねじれを測定することができ、片持ち梁と光学アセンブリとの間の距離のドリフトを補正するため、片持ち梁のねじれを生じる摩擦力を測定するため、または種々の長手方向の振動モードおよびねじれ振動モードを検出するために用いられてもよい。

「片持ち梁」なる語は、１つの端部で固定され、第２の端部で自由に変えられる梁を指す古典的な意味で用いられることが好ましいが、測定される偏差を受ける中心部分を両端または膜に固定される梁を含むことも理解されたい。

本発明の現在の好ましい実施形態について図示し説明しているが、本発明はこれに限定するわけではなく、以下の特許請求の範囲内で他の方法で種々に具現および実行されてもよいことを確かに理解されたい。

本発明による走査型顕微鏡の部分を示しており、個別の構成要素については概略的に示され、一定の比率で描かれていない。

Claims (12)

1. その位置が測定される変数に左右される片持ち梁（３）と、
   ２枚の反射ミラーの間に形成される光共振器（１５）であって、第１のミラーが前記片持ち梁（３）の上に配置され、その長さが前記片持ち梁（３）の位置に左右される光共振器（１５）と、を具備し、
   前記片持ち梁（３）上に光を集光するためのレンズアセンブリ（１０）によって特徴付けられ、前記レンズアセンブリ（１０）が前記片持ち梁（３）に面する出射面（１２ｂ）を有し、前記出射面（１２ｂ）が凹面であり、前記共振器（１５）の第２のミラーを形成するセンサ。
2. 前記出射面（１２ｂ）が、実質的に平行であり、前記共振器（１５）内の定常光波の波面に当たるようになっている請求項１に記載のセンサ。
3. 前記レンズアセンブリ（１０）が、凸状の第１の面（１２ａ）および凹状の第２の面（１２ｂ）を有する出射レンズを具備し、前記第２の面（１２ｂ）が前記出射面を形成する請求項１乃至２のいずれか１項に記載のセンサ。
4. 前記レンズアセンブリ（１０）が、発散する入射光領域（９）を前記出射レンズに投影するための入射レンズ（１１）を具備する請求項３に記載のセンサ。
5. 光ファイバ（８）をさらに具備し、前記レンズアセンブリ（１０）が前記光ファイバ（８）の端部（８ｂ）を前記片持ち梁（３）上に投影する請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサ。
6. 前記出射面（１２ｂ）が、反射性コーティングによってコーティングされる請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセンサ。
7. 前記片持ち梁（３）が、反射性コーティングによってコーティングされる請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセンサ。
8. 前記光が、前記出射面（１２ｂ）で分割されない請求項１乃至７のいずれか１項に記載のセンサ。
9. 前記片持ち梁（３）が、第１の端部で固定され、第２の端部で偏向可能な梁である請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセンサ。
10. 前記共振器が、一往復につき２０％未満の損失を有する請求項１乃至９のいずれか１項に記載のセンサ。
11. 前記レンズアセンブリが、前記片持ち梁の異なる部分における光点を位置決めするための位置決め装置に実装される請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のレンズアセンブリ。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のセンサを備えた走査型フォース顕微鏡。

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