JPH0642909A - フィードバック制御差動ファイバ干渉計 - Google Patents
フィードバック制御差動ファイバ干渉計Info
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- G01D5/266—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light by interferometric means
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 低ドリフトで、特に変位測定に適し、かつ、
ＡＣ、ＤＣ、及び疑似ＤＣの次元変化の検出精度が高い
光学式干渉計を提供する。 【構成】 テレスコープ・レンズ系２４が第１、第２の
ファイバ１６，２０からの光ビームを物体に集束させ、
その反射を受けて逆方向に伝送する。物体は、反射した
光ビームの位相を変調するように、第１周波数で振動さ
せられる。カプラ１８の入力側に位置する光センサ４０
が、第２ファイバ２０に現われる反射した光エネルギを
電気信号に変換する。反射エネルギは、第１、第２ファ
イバ１６，２０からの光エネルギを含む。第１検出器４
２がセンサ４０の電気出力に応答して、反射した光エネ
ルギ間の位相差に比例した信号を生成する。センサ４０
と第２ファイバ２０の間に第２フィードバック検出器４
４が接続され、これが第２ファイバ２０の光信号の位相
を調整し、第２ファイバ２０の環境変動を補償する。
ＡＣ、ＤＣ、及び疑似ＤＣの次元変化の検出精度が高い
光学式干渉計を提供する。 【構成】 テレスコープ・レンズ系２４が第１、第２の
ファイバ１６，２０からの光ビームを物体に集束させ、
その反射を受けて逆方向に伝送する。物体は、反射した
光ビームの位相を変調するように、第１周波数で振動さ
せられる。カプラ１８の入力側に位置する光センサ４０
が、第２ファイバ２０に現われる反射した光エネルギを
電気信号に変換する。反射エネルギは、第１、第２ファ
イバ１６，２０からの光エネルギを含む。第１検出器４
２がセンサ４０の電気出力に応答して、反射した光エネ
ルギ間の位相差に比例した信号を生成する。センサ４０
と第２ファイバ２０の間に第２フィードバック検出器４
４が接続され、これが第２ファイバ２０の光信号の位相
を調整し、第２ファイバ２０の環境変動を補償する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は干渉計に関し、特に、熱
等の環境変動要因による長期的不安定性を調整するため
にフィードバックを用いる位置検出干渉計に関する。
等の環境変動要因による長期的不安定性を調整するため
にフィードバックを用いる位置検出干渉計に関する。
【０００２】
【従来の技術】原子間力顕微鏡では、微小な変動が走査
対象サンプルに近接したプローブ・チップの位置で検出
される。チップは、その相互作用により、ダイナミック
・モードまたはスタティック・モードで操作される。そ
のためチップの動きは、ＡＣ、ＤＣ、及び疑似ＤＣ（変
化が遅い）の変化をチップの位置で検出できるシステム
で検出するのが望ましい。このような検出システムでま
ず考慮すべき点は、ナノメートルという細かい範囲の検
出精度が必要だということである。これはすなわち、温
度や圧力によって生じるマイクロホニック雑音等の環境
変化に対する耐性である。
対象サンプルに近接したプローブ・チップの位置で検出
される。チップは、その相互作用により、ダイナミック
・モードまたはスタティック・モードで操作される。そ
のためチップの動きは、ＡＣ、ＤＣ、及び疑似ＤＣ（変
化が遅い）の変化をチップの位置で検出できるシステム
で検出するのが望ましい。このような検出システムでま
ず考慮すべき点は、ナノメートルという細かい範囲の検
出精度が必要だということである。これはすなわち、温
度や圧力によって生じるマイクロホニック雑音等の環境
変化に対する耐性である。
【０００３】高精度の位置検出には、ＡＣレーザ・ヘテ
ロダイン干渉計、集束したレーザ・ビームの表面からの
反射、全光ファイバのサニャック干渉計等、様々な手法
が採用されている。ヘテロダイン干渉計は、構成要素の
精密な整合を要する複雑なシステムである。レーザ反射
方式は、マイクロホニック雑音を除外する能力に限界が
ある。光ファイバ・システムはさらに小型化ができる
が、ヘテロダイン干渉計と同様、ＤＣや疑似ＤＣの変動
に反応しない。
ロダイン干渉計、集束したレーザ・ビームの表面からの
反射、全光ファイバのサニャック干渉計等、様々な手法
が採用されている。ヘテロダイン干渉計は、構成要素の
精密な整合を要する複雑なシステムである。レーザ反射
方式は、マイクロホニック雑音を除外する能力に限界が
ある。光ファイバ・システムはさらに小型化ができる
が、ヘテロダイン干渉計と同様、ＤＣや疑似ＤＣの変動
に反応しない。
【０００４】ただし、サンプルの反射光と、ファイバ端
で反射した光の干渉が生じるファイバ・システムは例外
である。ただ、このようなシステムでは、感度を最大に
安定に保って連続動作を直接的に可能にする方法はな
い。（Rugarらによる"ForceMicroscope Using a Fiber-
Optic Displacement Sensor"、Review ofScientific In
struments 59（11）November、1988、pp．2337-2340を
参照のこと。）
で反射した光の干渉が生じるファイバ・システムは例外
である。ただ、このようなシステムでは、感度を最大に
安定に保って連続動作を直接的に可能にする方法はな
い。（Rugarらによる"ForceMicroscope Using a Fiber-
Optic Displacement Sensor"、Review ofScientific In
struments 59（11）November、1988、pp．2337-2340を
参照のこと。）
【０００５】特許文献で、様々な用途に用いられている
干渉計システムは多数ある。Ulbersによる米国特許第４
７１７２５５号明細書は、不規則な表面に追従している
検出チップの位置を測定する光学式干渉計を示している
が、マイクロホニック雑音による残留ドリフトをなくす
方法には触れていない。Rempt らによる米国特許第４６
７１６５９号明細書は、試験品の膨張／収縮を利用し
て、これに接続された測定用ファイバの長さを変化させ
る光学式干渉計について説明している。Martinelliによ
る米国特許第４６５２１２９号明細書は、反射した測定
信号と基準信号を組み合わせることによって、生じた雑
音を抑圧できるようにしたマイケルソン干渉計を示して
いる。Laytonによる米国特許第４７５３５２９号明細書
は、対になったファイバ間の経路長の差が、光源周波数
の変化によって求められるマッハ−ツェンダー干渉計に
ついて述べている。
干渉計システムは多数ある。Ulbersによる米国特許第４
７１７２５５号明細書は、不規則な表面に追従している
検出チップの位置を測定する光学式干渉計を示している
が、マイクロホニック雑音による残留ドリフトをなくす
方法には触れていない。Rempt らによる米国特許第４６
７１６５９号明細書は、試験品の膨張／収縮を利用し
て、これに接続された測定用ファイバの長さを変化させ
る光学式干渉計について説明している。Martinelliによ
る米国特許第４６５２１２９号明細書は、反射した測定
信号と基準信号を組み合わせることによって、生じた雑
音を抑圧できるようにしたマイケルソン干渉計を示して
いる。Laytonによる米国特許第４７５３５２９号明細書
は、対になったファイバ間の経路長の差が、光源周波数
の変化によって求められるマッハ−ツェンダー干渉計に
ついて述べている。
【０００６】Giallorenzi による米国特許第４３７８４
９７号明細書は、ファイバ部を引き伸ばして、その間の
位相シフトを変化させるために磁気歪み（磁わい）要素
を採用している。磁気歪み要素の制御に用いられるフィ
ードバック系ではレーザの変動と低周波変動が区別され
ていない。Huggins による米国特許第４７９９７９７号
明細書は、干渉計の構造を用いた多重光センサ・システ
ムについて述べている。これは、レーザ光の変動に反応
する、ＤＣ方式をもとにした位相誤差補償を用いる。Ko
o らによる米国特許第４６０３２９６号明細書は、ＤＣ
補償を用いる干渉計に関するものである。この干渉計は
磁力計として用いられる。
９７号明細書は、ファイバ部を引き伸ばして、その間の
位相シフトを変化させるために磁気歪み（磁わい）要素
を採用している。磁気歪み要素の制御に用いられるフィ
ードバック系ではレーザの変動と低周波変動が区別され
ていない。Huggins による米国特許第４７９９７９７号
明細書は、干渉計の構造を用いた多重光センサ・システ
ムについて述べている。これは、レーザ光の変動に反応
する、ＤＣ方式をもとにした位相誤差補償を用いる。Ko
o らによる米国特許第４６０３２９６号明細書は、ＤＣ
補償を用いる干渉計に関するものである。この干渉計は
磁力計として用いられる。
【０００７】Mamin らによる米国特許第５０１７０１０
号明細書は、原子間力顕微鏡のプローブの検出に応用さ
れる干渉計について説明している。このシステムは、プ
ローブから（及びプローブに隣接したファイバの研磨端
から）反射した光を使い、反射光束が干渉する組み合わ
せを得る。反射光の一部は基準として光検出器によって
検出され、この基準が、減算のようにレーザの電力変動
を打ち消すのに用いられる。Kinoらによる欧州特許第WO
83/03684号は、 弾性表面波デバイスに生じる表面変化
を判定するのに用いられるサニャック干渉計を示してい
る。このシステムはサニャック干渉計であるから、ＤＣ
や低周波の測定はできない。
号明細書は、原子間力顕微鏡のプローブの検出に応用さ
れる干渉計について説明している。このシステムは、プ
ローブから（及びプローブに隣接したファイバの研磨端
から）反射した光を使い、反射光束が干渉する組み合わ
せを得る。反射光の一部は基準として光検出器によって
検出され、この基準が、減算のようにレーザの電力変動
を打ち消すのに用いられる。Kinoらによる欧州特許第WO
83/03684号は、 弾性表面波デバイスに生じる表面変化
を判定するのに用いられるサニャック干渉計を示してい
る。このシステムはサニャック干渉計であるから、ＤＣ
や低周波の測定はできない。
【０００８】以下の従来技術は、熱やマイクロホニック
雑音の効果を補正するシステムを採用した干渉計を示し
ている。Willson による米国特許第４６２７７２８号明
細書は、２つのファブリ−ペロ干渉計を、１つは検出
に、もう１つは補正に用いる。このシステムは磁界強度
の検出に採用されている。Giallorenzi による米国特許
第４４７１２１９号明細書は、音響揺動による検出器の
反応を無効にする音波回路を含む磁界センサである。第
１実施例は、磁性材料により、エンド・ツー・エンド構
成のファイバの軸整合を変調する。第２実施例は、磁気
歪み物質を使ってファイバ間接合を変調する。Thylenら
による米国特許第４７５９６２７号明細書は、補償のた
めに差動信号を用いたマッハ−ツェンダ干渉計について
述べている。補償信号は、測定対象のパラメータを表わ
し、スプリアス変動と所望の信号の区別はなされていな
い。
雑音の効果を補正するシステムを採用した干渉計を示し
ている。Willson による米国特許第４６２７７２８号明
細書は、２つのファブリ−ペロ干渉計を、１つは検出
に、もう１つは補正に用いる。このシステムは磁界強度
の検出に採用されている。Giallorenzi による米国特許
第４４７１２１９号明細書は、音響揺動による検出器の
反応を無効にする音波回路を含む磁界センサである。第
１実施例は、磁性材料により、エンド・ツー・エンド構
成のファイバの軸整合を変調する。第２実施例は、磁気
歪み物質を使ってファイバ間接合を変調する。Thylenら
による米国特許第４７５９６２７号明細書は、補償のた
めに差動信号を用いたマッハ−ツェンダ干渉計について
述べている。補償信号は、測定対象のパラメータを表わ
し、スプリアス変動と所望の信号の区別はなされていな
い。
【０００９】Bushによる米国特許第４４８６６５７号明
細書は、ある変調器が、温度や音圧の変動による位相変
化を効果的に打ち消すことによって干渉計を位相ロック
の状態に保つ光ファイバ検波システムを示している。変
調器は、この打ち消しのために、位相シフトを逆に２重
化して所望の出力信号を生成する。Shawらによる米国特
許第４５３０６０３号明細書は、低周波の熱ドリフトに
対してファイバ・ループを安定化するフィードバック系
を加えた光ファイバ・センサについて述べている。シス
テムは、ファイバ・ループの位相シフトを変調する音波
を検出するのに用いられる。
細書は、ある変調器が、温度や音圧の変動による位相変
化を効果的に打ち消すことによって干渉計を位相ロック
の状態に保つ光ファイバ検波システムを示している。変
調器は、この打ち消しのために、位相シフトを逆に２重
化して所望の出力信号を生成する。Shawらによる米国特
許第４５３０６０３号明細書は、低周波の熱ドリフトに
対してファイバ・ループを安定化するフィードバック系
を加えた光ファイバ・センサについて述べている。シス
テムは、ファイバ・ループの位相シフトを変調する音波
を検出するのに用いられる。
【００１０】このほか、感度と安定性を調整する手段を
備えた干渉計システムについて述べた従来技術は、Bobb
による米国特許第４９１８３７１号明細書、Falco らに
よる同第４８８７９０１号明細書、Davisによる同第４
８６８３８１号明細書、Dakinによる同第４８５３５３
４号明細書、及びDakin による同４８８５４６２号明細
書に見られる。
備えた干渉計システムについて述べた従来技術は、Bobb
による米国特許第４９１８３７１号明細書、Falco らに
よる同第４８８７９０１号明細書、Davisによる同第４
８６８３８１号明細書、Dakinによる同第４８５３５３
４号明細書、及びDakin による同４８８５４６２号明細
書に見られる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】かなりの数にのぼる上
記の従来技術は、位置検出、表面検出に使用できる干渉
計システム、フィードバックを用いてマイクロホニック
雑音や熱によるファイバ変動を制御する干渉計システ
ム、及び圧電フィードバック補償を用いる干渉計システ
ムを示している。しかし今だ、ＡＣ、ＤＣいずれの次元
変動も検出でき、低ドリフトであり、低コストであり、
設計がシンプルな光学式干渉計が必要なことに変わりは
ない。
記の従来技術は、位置検出、表面検出に使用できる干渉
計システム、フィードバックを用いてマイクロホニック
雑音や熱によるファイバ変動を制御する干渉計システ
ム、及び圧電フィードバック補償を用いる干渉計システ
ムを示している。しかし今だ、ＡＣ、ＤＣいずれの次元
変動も検出でき、低ドリフトであり、低コストであり、
設計がシンプルな光学式干渉計が必要なことに変わりは
ない。
【００１２】本発明の目的は、低ドリフトで、特に変位
測定に適した光学式干渉計を提供することにある。
測定に適した光学式干渉計を提供することにある。
【００１３】本発明の目的には、ＡＣ、ＤＣ、及び疑似
ＤＣの次元変化の検出精度が高い光学式干渉計を提供す
ることも含まれる。
ＤＣの次元変化の検出精度が高い光学式干渉計を提供す
ることも含まれる。
【００１４】
【課題を解決するための手段】差動ファイバ干渉計は、
入力端と出力端を持つカプラを通る第１、第２の光ファ
イバを含む。レーザが第１ファイバを、及びカプラを介
して第２ファイバを光学的に付勢する。テレスコープ・
レンズ系が第１、第２ファイバからの光ビームを物体に
向けて集束させ、その反射を受けて逆方向に伝送する。
物体は、反射した光ビームの位相差を変調するように、
第１周波数で振動させられる。カプラの入力側に位置す
る光センサが、第２ファイバに現われる反射光エネルギ
を電気信号に変換する。反射エネルギは、第１、第２フ
ァイバから入射した光エネルギ及び物体から反射した光
エネルギを含む。センサの電気出力に第１検出器が反応
して、反射光エネルギの位相差に比例する信号が生成さ
れる。センサと第２ファイバの間に第２フィードバック
検出器が接続され、第２ファイバの光信号が位相補正さ
れ、ファイバの環境変動が補償される。
入力端と出力端を持つカプラを通る第１、第２の光ファ
イバを含む。レーザが第１ファイバを、及びカプラを介
して第２ファイバを光学的に付勢する。テレスコープ・
レンズ系が第１、第２ファイバからの光ビームを物体に
向けて集束させ、その反射を受けて逆方向に伝送する。
物体は、反射した光ビームの位相差を変調するように、
第１周波数で振動させられる。カプラの入力側に位置す
る光センサが、第２ファイバに現われる反射光エネルギ
を電気信号に変換する。反射エネルギは、第１、第２フ
ァイバから入射した光エネルギ及び物体から反射した光
エネルギを含む。センサの電気出力に第１検出器が反応
して、反射光エネルギの位相差に比例する信号が生成さ
れる。センサと第２ファイバの間に第２フィードバック
検出器が接続され、第２ファイバの光信号が位相補正さ
れ、ファイバの環境変動が補償される。
【００１５】
【実施例】図１を参照する。ＣＷレーザ１０は、干渉系
に平行偏光ビームを与える。ファイバ１２はビームをＣ
Ｗレーザ１０から光アイソレータ１４に送る。光アイソ
レータ１４は、不要な反射エネルギがレーザ１０に返る
のを防ぐ機能を持つ。ファイバ１６は、光アイソレータ
１４を３ｄＢの光ファイバ有向カプラ１８に接続する。
第２ファイバ２０も有向カプラ１８を通る。有向カプラ
１８内で、ファイバ１６に現われる入力エネルギの半分
がファイバ２０に伝送される。ファイバ２０は、有向カ
プラ１８の出力側を出ると、圧電ストレッチャ２２を通
過してテレスコープ・レンズ系２４に届く、ファイバ１
６は直接テレスコープ・レンズ系２４を通る。
に平行偏光ビームを与える。ファイバ１２はビームをＣ
Ｗレーザ１０から光アイソレータ１４に送る。光アイソ
レータ１４は、不要な反射エネルギがレーザ１０に返る
のを防ぐ機能を持つ。ファイバ１６は、光アイソレータ
１４を３ｄＢの光ファイバ有向カプラ１８に接続する。
第２ファイバ２０も有向カプラ１８を通る。有向カプラ
１８内で、ファイバ１６に現われる入力エネルギの半分
がファイバ２０に伝送される。ファイバ２０は、有向カ
プラ１８の出力側を出ると、圧電ストレッチャ２２を通
過してテレスコープ・レンズ系２４に届く、ファイバ１
６は直接テレスコープ・レンズ系２４を通る。
【００１６】ファイバ１６、２０はテレスコープ２４の
中央線２６のいずれかの側に置かれるため、それによっ
て（２８、３０）生成された集束ビームは、原子間力プ
ローブ３２上の離隔した点に集束する。プローブ３２は
基板３４上に位置し、その表面形状を検出する。これに
は、ディザ信号ｗs がアクチュエータ３６によって印加
される。これによりプローブ３２が垂直方向に反復振動
する。そのためビーム２８、３０が（サンプル３４の表
面の、原子間力顕微鏡によるプローブ３２の動きの結果
生じる変調に加えて）変調される。
中央線２６のいずれかの側に置かれるため、それによっ
て（２８、３０）生成された集束ビームは、原子間力プ
ローブ３２上の離隔した点に集束する。プローブ３２は
基板３４上に位置し、その表面形状を検出する。これに
は、ディザ信号ｗs がアクチュエータ３６によって印加
される。これによりプローブ３２が垂直方向に反復振動
する。そのためビーム２８、３０が（サンプル３４の表
面の、原子間力顕微鏡によるプローブ３２の動きの結果
生じる変調に加えて）変調される。
【００１７】変調されたビーム２８、３０は逆方向に反
射してテレスコープ２４を通過しファイバ１６、２０に
至る。反射信号は有向カプラ１８で交差接続されるた
め、ファイバ２０（有向カプラ１８の入力側）は、ファ
イバ１６、２０に現われる逆方向に反射した変調ビーム
２８、３０からのエネルギを持つ。
射してテレスコープ２４を通過しファイバ１６、２０に
至る。反射信号は有向カプラ１８で交差接続されるた
め、ファイバ２０（有向カプラ１８の入力側）は、ファ
イバ１６、２０に現われる逆方向に反射した変調ビーム
２８、３０からのエネルギを持つ。
【００１８】ファイバ２０の複合光信号は光センサ４０
に集束し、センサ４０が光信号を電気信号に変換する。
センサ４０の出力信号は対になったロック・イン検出器
４２、４４に送られる。ロック・イン検出器４２は、デ
ィザ周波数ｗs を生成するディザ振動子４６に接続され
る。ディザ周波数ｗs の信号はロック・イン検出器４２
とアクチュエータ３６に印加される。ｗs 信号のロック
・イン検出器４２への印加により、従来の方法により、
光センサ４０の出力に生じる周波数ｗs で信号の振幅が
抽出される。その信号の変化は（プローブ３２の動きの
結果生じる）、表示系５０への出力となる。
に集束し、センサ４０が光信号を電気信号に変換する。
センサ４０の出力信号は対になったロック・イン検出器
４２、４４に送られる。ロック・イン検出器４２は、デ
ィザ周波数ｗs を生成するディザ振動子４６に接続され
る。ディザ周波数ｗs の信号はロック・イン検出器４２
とアクチュエータ３６に印加される。ｗs 信号のロック
・イン検出器４２への印加により、従来の方法により、
光センサ４０の出力に生じる周波数ｗs で信号の振幅が
抽出される。その信号の変化は（プローブ３２の動きの
結果生じる）、表示系５０への出力となる。
【００１９】光センサ４０からの信号はロック・イン検
出器４４に送られ、圧電ストレッチャ２２へのフィード
バック信号を与えるのに用いられる。このフィードバッ
クにより、ファイバ２０の位相シフトが調整され、マイ
クロホニック雑音や他の熱による障害がなくなる。変調
振動子５２は、周波数ｗm の出力信号を差動増幅器５４
の一端及び２ｘ周波数逓倍器５６に与える。その結果、
周波数２ｗm の基準信号がロック・イン検出器４４に印
加され、よってロック・イン検出器４４は、その入力に
現われる周波数２ｗm の信号を検出できるようになる。
ロック・イン検出器４４の出力は、２ｗm 信号の振幅と
ともに変化するレベルであり、このレベルが第２入力と
して差動増幅器５４に印加され、増幅器５４の出力が圧
電ストレッチャ２２の動作を制御する。
出器４４に送られ、圧電ストレッチャ２２へのフィード
バック信号を与えるのに用いられる。このフィードバッ
クにより、ファイバ２０の位相シフトが調整され、マイ
クロホニック雑音や他の熱による障害がなくなる。変調
振動子５２は、周波数ｗm の出力信号を差動増幅器５４
の一端及び２ｘ周波数逓倍器５６に与える。その結果、
周波数２ｗm の基準信号がロック・イン検出器４４に印
加され、よってロック・イン検出器４４は、その入力に
現われる周波数２ｗm の信号を検出できるようになる。
ロック・イン検出器４４の出力は、２ｗm 信号の振幅と
ともに変化するレベルであり、このレベルが第２入力と
して差動増幅器５４に印加され、増幅器５４の出力が圧
電ストレッチャ２２の動作を制御する。
【００２０】このシステムの動作を理解できるように、
ファイバ１６、２０に現われる反射ビームＥ1、Ｅ2を次
式（１）、（２）で示す。 E1 = expj (wot + b1 sin wst + g1) (1) E2 = expj (wot + a sin wmt + b2 sin wst + g2) (2)
ファイバ１６、２０に現われる反射ビームＥ1、Ｅ2を次
式（１）、（２）で示す。 E1 = expj (wot + b1 sin wst + g1) (1) E2 = expj (wot + a sin wmt + b2 sin wst + g2) (2)
【００２１】ここで、ｗoは、レーザの光周波数、ｗ
mは、変調振動子５２の周波数、ｗsは、ディザ振動子４
６の周波数、ｇ1は、ファイバ１６の熱による変動、ｇ2
は、ファイバ２０の熱による変動、を示す。
mは、変調振動子５２の周波数、ｗsは、ディザ振動子４
６の周波数、ｇ1は、ファイバ１６の熱による変動、ｇ2
は、ファイバ２０の熱による変動、を示す。
【００２２】ファイバ部２０のビームから得られる光セ
ンサ４０の強度出力は次のように表わせる。 Intensity α{2+2 cos(a sin wmt + b sin wst + g)} (3)
ンサ４０の強度出力は次のように表わせる。 Intensity α{2+2 cos(a sin wmt + b sin wst + g)} (3)
【００２３】ここで、ｂは、ｂ2 − ｂ1、ａは、変調
器による位相変調、ｇは、ｇ1 − ｇ2、である。
器による位相変調、ｇは、ｇ1 − ｇ2、である。
【００２４】ｂは、ファイバ１６、２０のビーム間の、
サンプルによる位相変調の差、"ａ"は、変調信号ｗm に
よるビームの位相変調である。環境に依存し、ファイバ
１６、２０間に生じる位相変動は、ｇと表わされ、これ
はｇ1とｇ2の差である。ファイバ１６、２０の存在によ
り、そこに現われる光ビームの差が結合され、共通な揺
動がなくなることに注意されたい。
サンプルによる位相変調の差、"ａ"は、変調信号ｗm に
よるビームの位相変調である。環境に依存し、ファイバ
１６、２０間に生じる位相変動は、ｇと表わされ、これ
はｇ1とｇ2の差である。ファイバ１６、２０の存在によ
り、そこに現われる光ビームの差が結合され、共通な揺
動がなくなることに注意されたい。
【００２５】式（３）は次のように展開できる。 Int α{2 + 2 [cos (a sin wmt + b sin wst)] cos g - 2 [sin (a sin wmt + b sin wst)] sin g } (4)
【００２６】ここから分かるように、対になった最初の
角ブラケットで囲んだ項（ｃｏｓ（ａ ｓｉｎ ｗmｔ
＋ ｂ ｓｉｎ ｗsｔ））が展開されると、その結
果に、２ｗm、２ｗsの両方の周波数の信号が含まれる。
逆に、対になった２番目の角ブラケットで囲んだ項（ｓ
ｉｎ（ａ ｓｉｎ ｗmｔ ＋ ｂ ｓｉｎ ｗsｔ））
が展開されると、ｗsとｗmの最大値が加わる。両ブラケ
ット内の項に、変動項すなわち各々ｓｉｎ ｇ、ｃｏｓ
ｇ、が掛けられる。その結果、システムの安定性は、
ｓｉｎ ｇとｃｏｓ ｇの値の制御に依存する。したが
って、２ｗm 信号周波数を打ち消すように構成すること
は、ｃｏｓ ｇを０にすることに等しい。第２角ブラケ
ット内の項は、ｗs の最大信号レベルを上げるため、得
られる出力信号の質が向上し、システムの安定性が高ま
る。
角ブラケットで囲んだ項（ｃｏｓ（ａ ｓｉｎ ｗmｔ
＋ ｂ ｓｉｎ ｗsｔ））が展開されると、その結
果に、２ｗm、２ｗsの両方の周波数の信号が含まれる。
逆に、対になった２番目の角ブラケットで囲んだ項（ｓ
ｉｎ（ａ ｓｉｎ ｗmｔ ＋ ｂ ｓｉｎ ｗsｔ））
が展開されると、ｗsとｗmの最大値が加わる。両ブラケ
ット内の項に、変動項すなわち各々ｓｉｎ ｇ、ｃｏｓ
ｇ、が掛けられる。その結果、システムの安定性は、
ｓｉｎ ｇとｃｏｓ ｇの値の制御に依存する。したが
って、２ｗm 信号周波数を打ち消すように構成すること
は、ｃｏｓ ｇを０にすることに等しい。第２角ブラケ
ット内の項は、ｗs の最大信号レベルを上げるため、得
られる出力信号の質が向上し、システムの安定性が高ま
る。
【００２７】周波数成分２ｗm の消去は、差動増幅器５
４と組み合わせたロック・イン検出器４４の動作によっ
て可能である。強度信号は光センサ４０からロック・イ
ン検出器４４に送られる。２ｗm の基準信号により、ロ
ック・イン検出器４４が、対応する、変化の遅い出力
（すなわちＤＣまたは疑似ＤＣ）を演算増幅器５４の負
の入力に与える。この出力は、光センサ４０から受信さ
れる２ｗm の周波数成分のレベルに比例する。変調振動
子５２は、周波数ｗm を差動増幅器５４の正の入力に与
える。その結果、差動増幅器５４によって圧電ストレッ
チャ２２に印加された信号は、先に述べた２つの信号の
差になる。ロック・イン検出器４４の出力が増加すると
（２ｗm の周波数成分の増加を示す）、差動増幅器５４
の出力はさらに負の方へ引き上げられる（その逆も同
様）。
４と組み合わせたロック・イン検出器４４の動作によっ
て可能である。強度信号は光センサ４０からロック・イ
ン検出器４４に送られる。２ｗm の基準信号により、ロ
ック・イン検出器４４が、対応する、変化の遅い出力
（すなわちＤＣまたは疑似ＤＣ）を演算増幅器５４の負
の入力に与える。この出力は、光センサ４０から受信さ
れる２ｗm の周波数成分のレベルに比例する。変調振動
子５２は、周波数ｗm を差動増幅器５４の正の入力に与
える。その結果、差動増幅器５４によって圧電ストレッ
チャ２２に印加された信号は、先に述べた２つの信号の
差になる。ロック・イン検出器４４の出力が増加すると
（２ｗm の周波数成分の増加を示す）、差動増幅器５４
の出力はさらに負の方へ引き上げられる（その逆も同
様）。
【００２８】この補償システムは次のように動作する。
ロック・イン検出器４４への入力の２ｗm の成分が最小
値かまたはゼロに等しい場合、差動増幅器５４からの出
力は単に、圧電ストレッチャ２２を変調する周波数ｗm
の信号である。そこで、環境あるいは音響上の揺動が生
じて２ｗm の信号レベルが変化することがなければ、差
動増幅器５４の出力は単に、ファイバ１８の光信号に変
調効果を及ぼすだけである。マイクロホニック雑音があ
るとすると、ロック・イン検出器４４に送られる２ｗm
の成分は増加傾向を示す。したがって、ロック・イン検
出器４４の出力も同じように増加し、差動増幅器の出力
が負の方向に振れる。得られる負の信号は、２ｗm の揺
動を無効にする方向に圧電ストレッチャ２２を動作させ
る。それにより、圧電ストレッチャ２２は、その揺動に
よって生じた位相シフトを補償する方向に光ファイバ１
８の長さを変える。
ロック・イン検出器４４への入力の２ｗm の成分が最小
値かまたはゼロに等しい場合、差動増幅器５４からの出
力は単に、圧電ストレッチャ２２を変調する周波数ｗm
の信号である。そこで、環境あるいは音響上の揺動が生
じて２ｗm の信号レベルが変化することがなければ、差
動増幅器５４の出力は単に、ファイバ１８の光信号に変
調効果を及ぼすだけである。マイクロホニック雑音があ
るとすると、ロック・イン検出器４４に送られる２ｗm
の成分は増加傾向を示す。したがって、ロック・イン検
出器４４の出力も同じように増加し、差動増幅器の出力
が負の方向に振れる。得られる負の信号は、２ｗm の揺
動を無効にする方向に圧電ストレッチャ２２を動作させ
る。それにより、圧電ストレッチャ２２は、その揺動に
よって生じた位相シフトを補償する方向に光ファイバ１
８の長さを変える。
【００２９】ファイバ１６、２０がかなり近接している
ため、項ｇは大きくは変化しないことに注意されたい。
フィードバックの動作はこのように、マイクロホニック
雑音による残留変動をなくすものである。その結果、こ
のシステムは高周波数、低周波数（疑似ＤＣ）のいずれ
の位相変動にも対応できる。
ため、項ｇは大きくは変化しないことに注意されたい。
フィードバックの動作はこのように、マイクロホニック
雑音による残留変動をなくすものである。その結果、こ
のシステムは高周波数、低周波数（疑似ＤＣ）のいずれ
の位相変動にも対応できる。
【００３０】当該システムは、圧電バイモルフの一端に
接着した１５０ミクロンのシリコンのカンチレバーにビ
ーム２８、３０を集束させることによって、細かい位相
変動を検出するのに用いられた。バイモルフは、音叉の
ように振動するようにカンチレバーの共振周波数で駆動
された。光スポットの１つは固定した端部に近くなるよ
う、もう１つのスポットは自由端部の近くで集束され
た。信号の変化を振動周波数と時間でプロットするため
にチャート・レコーダが用いられた。バイモルフへの入
力信号は１５０ｋＨｚの正弦波である。
接着した１５０ミクロンのシリコンのカンチレバーにビ
ーム２８、３０を集束させることによって、細かい位相
変動を検出するのに用いられた。バイモルフは、音叉の
ように振動するようにカンチレバーの共振周波数で駆動
された。光スポットの１つは固定した端部に近くなるよ
う、もう１つのスポットは自由端部の近くで集束され
た。信号の変化を振動周波数と時間でプロットするため
にチャート・レコーダが用いられた。バイモルフへの入
力信号は１５０ｋＨｚの正弦波である。
【００３１】図２は得られたプロットを示す。このプロ
ットは、システムの反応であり、最初はフィードバック
・ループを開いたもの、次は閉じたもの、最後はまた開
いたものである。プロットの測定単位はバンド幅３０Ｈ
ｚである。プロットのｂと示した部分からわかるよう
に、システムは、生じた振動をうまく検出し、フィード
バック信号の印加により、出力が完全に安定している。
サンプルの振動の大きさは個別に、ヘテロダイン干渉計
により、０．０２ナノメートルと観測された。これは一
面、フィードバック・ループが開いている時でも、シス
テムの差動性から予測できるように、出力の変動はかな
り遅いということである。長い走査時間にはフィードバ
ック信号の印加が必要であるが、フィードバック回路に
関連する時定数は長くできる。したがってシステムは疑
似ＤＣ変動の測定に使用できる。ファイバ１６、２０を
両方とも一般の保護シースに密閉すれば、安定性をさら
に高めることができ、共通モードの打ち消しが可能にな
る。
ットは、システムの反応であり、最初はフィードバック
・ループを開いたもの、次は閉じたもの、最後はまた開
いたものである。プロットの測定単位はバンド幅３０Ｈ
ｚである。プロットのｂと示した部分からわかるよう
に、システムは、生じた振動をうまく検出し、フィード
バック信号の印加により、出力が完全に安定している。
サンプルの振動の大きさは個別に、ヘテロダイン干渉計
により、０．０２ナノメートルと観測された。これは一
面、フィードバック・ループが開いている時でも、シス
テムの差動性から予測できるように、出力の変動はかな
り遅いということである。長い走査時間にはフィードバ
ック信号の印加が必要であるが、フィードバック回路に
関連する時定数は長くできる。したがってシステムは疑
似ＤＣ変動の測定に使用できる。ファイバ１６、２０を
両方とも一般の保護シースに密閉すれば、安定性をさら
に高めることができ、共通モードの打ち消しが可能にな
る。
【００３２】図３は、組み合わせ電極６２、６４を持つ
弾性表面波（ＳＡＷ）デバイス６０を示す。振動する原
子間力顕微鏡プローブを調べるためにビーム２８、３０
を使う代わりに、ＳＡＷデバイス６０の表面変動を検出
するのにこれらのビームが使用できる。この干渉計は、
液体または真空内での薄膜のエッチング／成長を（遠隔
に）検出するのにも使用できる。
弾性表面波（ＳＡＷ）デバイス６０を示す。振動する原
子間力顕微鏡プローブを調べるためにビーム２８、３０
を使う代わりに、ＳＡＷデバイス６０の表面変動を検出
するのにこれらのビームが使用できる。この干渉計は、
液体または真空内での薄膜のエッチング／成長を（遠隔
に）検出するのにも使用できる。
【００３３】図４、図５は、本発明で使用しやすい２種
類の圧電ストレッチャ２２を示す。図４で圧電スタック
７０は拡張／収縮して、端板７２、７４を動作させる。
これにファイバ１８が堅く結び付けられる。ファイバの
長さは必要に応じて変更される。図５は圧電タイプのア
クチュエータ７６を示す。ファイバ１８は全長がチュー
ブに結び付けられる。その結果チューブ７６の付勢によ
り、ファイバ１８の長さが変化する。
類の圧電ストレッチャ２２を示す。図４で圧電スタック
７０は拡張／収縮して、端板７２、７４を動作させる。
これにファイバ１８が堅く結び付けられる。ファイバの
長さは必要に応じて変更される。図５は圧電タイプのア
クチュエータ７６を示す。ファイバ１８は全長がチュー
ブに結び付けられる。その結果チューブ７６の付勢によ
り、ファイバ１８の長さが変化する。
【図１】本発明を採用したフィードバック制御差動ファ
イバ干渉計を示すブロック図である。
イバ干渉計を示すブロック図である。
【図２】フィードバック補償のある場合とない場合につ
いて、時間上の検出振動信号振幅を示す図である。
いて、時間上の検出振動信号振幅を示す図である。
【図３】表面歪みが図１のシステムによって検出される
弾性表面波デバイスの斜視図である。
弾性表面波デバイスの斜視図である。
【図４】図１のシステムに使用できる圧電ファイバ・ス
トレッチャの図である。
トレッチャの図である。
【図５】図１のシステムに使用できる、上記とは別タイ
プの圧電ファイバ・ストレッチャの図である。
プの圧電ファイバ・ストレッチャの図である。
１０・・・ＣＷレーザ １４・・・光アイソレータ ２２・・・圧電ストレッチャ ２４・・・テレスコープ・レンズ系 ３２・・・原子プローブ ４２・・・ロック・イン検出器 ４４・・・ロック・イン検出器 ４６・・・ディザ振動子 ５２・・・変調振動子 ５６・・・周波数逓倍器 ６０・・・弾性表面波（ＳＡＷ）デバイス ７０・・・圧電スタック
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 メヒディ・バゾ−イラバニ アメリカ合衆国14546、ニューヨーク州ス コッツビル、クウィクレイ・ドライブ 143 (72)発明者 エマンサ・クマー・ウィクラマシンジャ アメリカ合衆国、ニューヨーク州チャパク エイ、キング・ストリート 600
Claims (9)
- 【請求項１】第１及び第２の光ファイバ手段と、 上記第１及び第２の光ファイバ手段の間で光信号を相互
に接続するために入力端と出力端を有し、上記光ファイ
バ手段が貫通する接続手段と、 上記第１及び第２のファイバ手段からの光エネルギを物
体の、物理的に離れた点に集束させ、上記物体上の上記
物理的に離れた点から反射した光エネルギを上記第１及
び第２のファイバ手段に伝えるレンズ手段と、 上記物体を第１周波数で物理的に振動させる手段と、 上記接続手段の入力側に現われ、上記第１及び第２の両
方の光ファイバ手段から反射した光エネルギを含む、上
記第２ファイバ手段の光エネルギを電気信号に変換する
センサ手段と、 上記電気信号に反応して、上記第１及び第２の光ファイ
バ手段から反射した上記光エネルギの間の位相差に関係
する出力を生成する第１検出器手段と、 上記センサ手段と上記第２ファイバ手段との間に接続さ
れ、上記第２ファイバ手段の光信号の位相を調整して、
上記第２ファイバ手段の環境変動による位相変化を補償
する第２検出器手段とを含む、 ファイバ干渉計。 - 【請求項２】上記第２検出器手段が、 変調周波数信号ｗmを生成する振動子と、 上記センサ手段からの上記電気信号の２ｗm の周波数信
号のレベルに比例するフィードバック信号を生成するロ
ック・イン手段と、 上記第２ファイバ手段に接続された位相シフト手段と、 上記振動信号ｗm 及び上記ロック・イン手段からの上記
フィードバック信号に反応して、上記位相シフト手段を
動作させ、上記２ｗm の周波数信号のレベルを低減する
差動手段とを含む、 請求項１記載のファイバ干渉計。 - 【請求項３】上記位相シフト手段が上記ファイバ手段の
長さを物理的に変化させてその中の位相シフトを変化さ
せる、請求項２記載のファイバ干渉計。 - 【請求項４】上記位相シフト手段が、 上記差動手段に接続された電動アクチュエータであっ
て、上記ファイバ手段に接続され、上記差動手段からの
出力レベルに応答してその長さを変えるように動作する
電動手段を含む、 請求項３記載のファイバ干渉計。 - 【請求項５】上記電動アクチュエータが圧電型であり、
上記第２ファイバ手段がこれに物理的に接続され、上記
アクチュエータが付勢されて、自体の寸法を変化させ、
上記第２ファイバ手段も同様に寸法が変更される、請求
項４記載のファイバ干渉計。 - 【請求項６】上記ロック・イン手段が、 上記２ｗm の信号のレベルに比例する信号を生成するロ
ック・イン増幅器であり、上記差動手段が、振幅レベル
がその入力の差に比例する周波数ｗm の信号出力を生成
する差動増幅器である、 請求項４記載のファイバ干渉計。 - 【請求項７】上記第１検出器手段が、 １つの入力として上記第１周波数の信号を、もう１つの
入力として上記センサ手段からの電気信号を有するロッ
ク・イン増幅器を含む、 請求項６記載のファイバ干渉計。 - 【請求項８】上記物体が原子間力顕微鏡のプローブであ
る、請求項７記載のファイバ干渉計。 - 【請求項９】上記物体が、音響信号が伝播し、その表面
に集束した光ビームによって検出される弾性表面波デバ
イスである、請求項７記載のファイバ干渉計。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US842867 | 1992-02-27 | ||
| US07/842,867 US5280341A (en) | 1992-02-27 | 1992-02-27 | Feedback controlled differential fiber interferometer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0642909A true JPH0642909A (ja) | 1994-02-18 |
| JPH0820205B2 JPH0820205B2 (ja) | 1996-03-04 |
Family
ID=25288446
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5028758A Expired - Lifetime JPH0820205B2 (ja) | 1992-02-27 | 1993-02-18 | フィードバック制御型差動ファイバ干渉計 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5280341A (ja) |
| EP (1) | EP0557743A1 (ja) |
| JP (1) | JPH0820205B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005156525A (ja) * | 2003-10-31 | 2005-06-16 | Seiko Instruments Inc | メカニカルセンサーおよびそれを用いた分析システム |
| JP2009042123A (ja) * | 2007-08-10 | 2009-02-26 | Canon Inc | 原子間力顕微鏡 |
| JP2009042124A (ja) * | 2007-08-10 | 2009-02-26 | Canon Inc | 原子間力顕微鏡 |
| JP2009216638A (ja) * | 2008-03-12 | 2009-09-24 | Nec Corp | 微小変位測定装置とその測定方法 |
| JP2012511715A (ja) * | 2008-12-11 | 2012-05-24 | インフィニテシマ・リミテッド | 動的なプローブ検出システム |
Families Citing this family (25)
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