JPH03255904A - 微小変位検出装置 - Google Patents

微小変位検出装置

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JPH03255904A
JPH03255904A JP2055327A JP5532790A JPH03255904A JP H03255904 A JPH03255904 A JP H03255904A JP 2055327 A JP2055327 A JP 2055327A JP 5532790 A JP5532790 A JP 5532790A JP H03255904 A JPH03255904 A JP H03255904A
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    • G01Q20/00Monitoring the movement or position of the probe
    • G01Q20/02Monitoring the movement or position of the probe by optical means

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は原子間力を用いた表面形状測定装置に関し、探
針と試料との間に働く原子間力の変化によるナノメート
ル以下の探針の変位の測定、あるいはマイクロメータオ
ーダのストロークでの微小変位の検出に用いられる微小
変位検出装置に関するものである。
従来の技術 微細な表面形状を測定する装置として、試料と試料の表
面ごく近(に接触することな(設置された鋭く先の尖っ
た探針との間に働く原子間力を検出し、この検出された
力が一定になるように試料の位置を探針と垂直方向に変
化させることによりナノメートルオーダの精度で試料と
探針との間の距離を一定にし、試料の位置を探針と水平
方向に走査することにより試料の表面形状測定を行うも
のが知られている。この測定では、探針と試料との間の
距離を一定に保つために探針と試料との間に働く原子間
力を一定にする必要があり、この力の検出にばねで支持
された探針が原子間力を受けることによって変化するた
わみ量を検出し探針と試料間の距離を検出する。これら
原子間力を利用した微細表面形状の測定装置において、
ナノメートル以下精度で探針の変位を測定する必要性が
高まっている。
以下図面を参照しながら、従来例について説明する。
第3図は従来の探針変位検出装置の構成を示すものであ
る。第3図において、101は偏光ビームスプリッタ、
102,103はλ/4波長板、104はレンズ、10
5は片持ち梁状に支持され変位面を有する探針、106
は参照面を構成するミラー 107,110は偏光板、
108.111は光検出器、109はビームスプリッタ
である。
以上のように構成された微小変位検出装置について以下
その動作について説明する。
周波数のわずかに異なる2周波の紙面に垂直な方向と水
平な方向に直線偏光したレーザ光線(図示せず)の光は
ビームスプリッタ109に入射され、分離されたレーザ
光の一部は、偏光板110により紙面に45°偏光した
偏光成分のみ光検出器111にて2周波の差周波のビー
トを参照信号として検出される。
ビームスプリッタ109により分離されたもう一方の光
は偏光ビームスプリッタ101に入射され、紙面に平行
な偏光方向の光は参照光としてミラー106の方向に分
離されλ/4波長板103を通りミラー106により反
射され再度λ/4波長板103を通ることにより偏光方
向が90°変えられ、偏光ビームスプリッタ101を今
度は直進し、偏光板107を通り光検出器108に達す
る。
偏光ビームスプリッタ101に入射された紙面に垂直な
偏光方向の光は変位光として探針105の方向に分離さ
れλ/4波長板102、レンズ104を通り探針105
の変位面により反射され再度λ/4波長板102を通る
ことにより偏光方向が90°変えられ、偏光ビームスプ
リッタ101により進行方向を90”曲げられ偏光板1
07を通り光検出器108に達する。
ミラー106により反射された参照光と、探針105に
より反射された変位光の差周波のビートが光検出器10
8で検出される。ここで探針の変位により前記変位光の
光路長が変化し前記参照光との光路長差を、光検出器1
08で検出されるビート信号の位相変化として出力し、
このビート信号と光検出器111で検出されたビート信
号の位相差を求めることにより変位を検出する。
発明が解決しようとする課題 しかしながら上記のような構成では、探針105の位置
測定の基準位置はミラー106でありこのミラー106
が外乱等により振動した場合、探針位置の検出に誤差を
生じる。また、参照光と変位光の光路が互いに興なるた
め、空気の温度、気圧、温度等の変化による屈折率の変
化により、探針位置の検出に誤差を生じやすい。
本発明は上記問題点に鑑み、外乱振動による測定精度へ
の影響が少なく、空気の屈折率の変化による測定誤差の
少ない、高精度な微小変位検出装置を提供するものであ
る。
課題を解決するための手段 上記問題点を解決するために請求項1記載の微小変位検
出装■は、レーザ光源と、前記光源の光を分離する回折
格子と、前記回折格子により生じた回折光の11次以外
の光を遮蔽するフィルタと、前記回折光の±1次の回折
光のうちのどちらか一方の回折光の偏光状態を変化させ
る波長板と、前記±1次の2つの回折光を前記変位面と
前記参照面に集光するレンズと、前記レンズにより集光
され前記変位面と前記参照面により反射した光を再び前
記レンズにより平行光束化し、再度前記回折格子に前記
変位面からの光と、前記参照面からのビームが重なるよ
うに入射し、回折した光のうちお互いの1次の回折光の
干渉光を検出する光検出器とを備えたことを特徴とする
また、請求項2記載の微小変位検出装置は、上記構成に
おいて、周波数のわずかに異なる2周波のレーザ光源と
、光検出器より得られたビート信号と前記レーザ光源の
ビート信号との位相差を検出する位相検出器とを備えた
ことを特徴とする。
作   用 本発明は上記構成により、参照面を変位面の近傍に設け
ることができるので、外乱振動による測定精度への影響
が少な(、また参照光と変位光の光路がほぼ同一の経路
をたどるので、空気の屈折率の変化による測定誤差の少
ない、高精度な微小変位検出を行うことが可能となる。
実施例 以下、本発明の微小変位検出装置について、図面を参照
しながら説明する。
第1図は、本発明の第1実施例における微小変位検出装
置の全体構成を示すものである。第1図において、1は
回折格子、2はレンズ、3はホルダ13によって片持ち
梁状に支持された探針、4はλ/4波長板、5,6はフ
ィルタ、7は偏光板、8は光検出器、9はミラー 14
は試料である。
以上のように構成された微小変位検出装置について、以
下第1図を用いてその作用を説明する。
紙面に対し45°の方向に直線偏光したHeNeレーザ
光線(図示せず)の光は回折格子1に入射され、前記回
折格子1から出射した光の±1次の回折光以外はフィル
タ5により遮蔽する。
前記回折格子1から出射された±1次の光のうち、+1
次の回折光は、λ/4波長板4により円偏光に変化され
たのち、レンズ2により焦点距離に等しい位置fに設置
された探針3の変位面Aに集光され反射し、レンズ2に
より再び平行光束化し、回折格子1により再度回折され
フィルタ6により+1次の回折光のみ通過する。
他方、前記回折格子1より出射した一1次の回折光はレ
ンズ2により探針3のホルダ13上に形成した参照面B
に集光したのち反射し、レンズ2により再び平行光束化
し、回折格子1により再度回折しフィルタ6により一1
次の回折光のみ通過する。
この際、回折格子1に前記変位面Aに反射した光と前記
参照面Bに反射した光のビームが回折格子1上でほぼ重
なるように構成する。また、回折格子1により再度回折
された±1次の回折光は再びほぼ同一の光路をたどる様
に構成し、フィルタ6によりフィルタリングした光はミ
ラー9により反射し偏光板7を通過し光検出器8にて変
位信号として検出する。
光検出器8の信号強度は、回折格子1に入射し±1次の
回折光に分離した2つの光が、再度回折格子1により回
折されるまでの光路長の差に対し正弦波状に変化する。
ここで、偏光板7を回転調整することにより、探針3の
変位により光検出器8の信号出力が正弦波の原点になる
様に調整し、探針3レーザ光のλ/4波長以下の微小な
変位は、この光検出器8により検出された信号強度に近
似的に比例し検出する。
以上のように本実施例によれば、探針3の変位の検出の
基準となる参照面Bを探針3の近傍に設けることができ
るので、外乱振動による測定精度への影響が少なく、高
精度な微小変位検出を行うことができ、また参照信号の
光路と変位信号の光路がほぼ同一の経路をたどり、空気
の屈折率の変化による影響を参照光、測定光とも同じ割
合で受けるので、屈折率の変化が相補され測定誤差の少
ない、高精度な微小変位検出を行うことができる。
第2図は、本発明の第2実施例における微小変位検出装
置の全体構成を示すものである。第2図において、1は
回折格子、2はレンズ、3はホルダ13によって片持ち
梁状に支持された探針、4はλ/2波長板、5,6はフ
ィルタ、7.11は偏光板、8.12は光検出器、9は
ミラー 10はビームスプリッタ、14は試料である。
以上のように構成された微小変位検出装置について、以
下第2図を用いてその作用を説明する。
周波数のわずかに異なる2周波の紙面に垂直な方向と水
平な方向に直線偏光したHe−Neレーザ光源(図示せ
ず)の光はビームスプリッタ10に入射され、分離され
たレーザ光の一部は、偏光板11により紙面に45°に
偏光した偏光成分のみ光検出器12にて前記レーザ光源
の2周波の差周波のビートを参照信号として検出する。
ビームスプリッタ10により分離されたもう一方の光は
回折格子lに入射され、前記回折格子lから出射した光
の±1次の回折光以外はフィルタ5により遮蔽される。
前記回折格子1から出射された±1次の光のうち、+1
次の回折光は、波長板4により偏光面が90”変化し、
レンズ2により焦点距離に等しい位置fに設置された探
針3の変位面Aに集光し反射され、レンズ2により再び
平行光束化され、回折格子1により再度回折されフィル
タ6により+1次の回折光のみ通過する。
他方前記回折格子1より出射した一1次の回折光はレン
ズ2により探針3のホルダ13上に形成された参照面B
に集光したのち反射され、レンズ2により再び平行光束
化され、回折格子1により再度回折されフィルタ6によ
り一1次の回折光のみ通過する。
この際、回折格子1に前記変位面Aに反射された光と前
記参照面Bに反射された光のビームが回折格子1上でほ
ぼ重なるように構成する。また、回折格子1により再度
回折された±1次の回折光は再びほぼ同一の光路をたど
る様に構成されており、フィルタ6によりフィルタリン
グされた光はミラー9により反射され偏光板7により紙
面に対して水平または垂直な偏光面の光のみ通過され、
光検出器8にて前記レーザ光源の2周波の差周波のビー
トを変位信号として検出する。この変位信号のビートの
位相は回折格子1に入射され±1次の回折光に分離され
た2つの光が再度回折格子1により回折されるまでの光
路長の差によって変化する。
探針3の変位は、この光検出器8により検出された変位
信号のビートと、光検出器12により検出された参照信
号のビートの位相を図示しない位相検出器により比較す
ることにより変位に比例した位相角として検出する。
以上のように本実施例によれば、探針3の変位の検出の
基準となる参照面Bを探針3の近傍に設けることができ
るので、外乱撮動による測定精度への影響が少なく、高
精度な微小変位検出を行うことができ、また参照信号の
光路と変位信号の光路がほぼ同一の経路をたどり、空気
の屈折率の変化による影響を参照光、測定光とも同じ割
合で受けるので、屈折率の変化が相補され測定誤差の少
ない、高精度な微小変位検出を行うことができ、また変
位の検出を信号強度の変化ではなくビート信号の位相差
により検出しているので前記信号強度の変化に影響され
ない高精度な微小変位検出を行うことができる。
なお、第1.第2実施例において、光源にHeNeレー
ザ用いたが他の種類のレーザを用いてもよい。
発明の効果 以上のように本発明は、回折格子と、フィルタと、レン
ズにより検出光学系を構成しているので、参照面を変位
面の近傍に設けることができ、外乱振動による測定精度
への影響が少な(、高精度な微小変位検出を行うことが
でき、また参照信号の光路と変位信号の光路がほぼ同一
の経路をたどり、空気の屈折率の変化による影響を参照
光、測定光とも同じ割合で受けるので、屈折率の変化が
相補され測定誤差の少ない、高精度な微小変位検出を行
うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1実施例における微小変位検出装置
の構成図、第2図は本発明の第2実施例における微小変
位検出装置の構成図、第3図は従来の微小変位検出装置
の構成図である。 1・・・・・・回折格子、2・・・・・・レンズ、4・
・・・・・波長板、5・・・・・・フィルタ、8・・・
光検出器、A・・・・・・変位面、B・・・・・・参照
面。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)レーザ光源と、前記光源の光を分離する回折格子
    と、前記回折格子により生じた回折光の±1次以外の光
    を遮蔽するフィルタと、前記回折光の±1次の回折光の
    うちのどちらか一方の回折光の偏光状態を変化させる波
    長板と、前記±1次の2つの回折光を変位面と参照面と
    に集光するレンズと、前記レンズにより集光され前記変
    位面と前記参照面により反射した光を再び前記レンズに
    より平行光束化し、再度前記回折格子に前記変位面から
    の光と前記参照面からのビームとが異なるように入射し
    、回折した光のうちお互いの1次の回折光の干渉光を検
    出する光検出器とを備えたことを特徴とする微小変位検
    出装置。
  2. (2)周波数のわずかに異なる2周波のレーザ光源と、
    前記光検出器より得られたビート信号とレーザ光源のビ
    ート信号との位相差を検出する位相検出器を備えたこと
    を特徴とする請求項1記載の微小変位検出装置。
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