JPH09145313A - 光てこ式変位検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 レーザーの様な物質を励起して発光する光源
がモードホップを起こすことを防ぎ、安定して動作する
光てこ式変位検出器を提供する。 【解決手段】 物質を励起することで発光する光源と、
物理的環境の変化に応じ反射面が変位する変位部と、光
源からの光を変位部の反射面の所望の位置に到達させ、
かつ変位部の反射面で反射された光を光源から入射され
る光の光軸と略平行に光路を変化させる光学素子と、光
源と光学素子との間の光源からの光路中に設けられ、光
源から光学素子へ入射する光束と、変位部の反射面を反
射し光学素子から射出する光束とが、少なくとも空間的
に重ならない程度の大きさの光通過口を有したスリット
と、スリットから光学素子へ向かう光または変位部の反
射面で反射され光学素子から射出した光のどちらか一方
を所望の方向に反射する反射部材と、反射部材から反射
された光の重心の位置を検出する受光部材とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光てこ法を用いた
変位検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、試料表面に探針を近ずけて２次元
平面内で走査し、試料と探針との間に作用するトンネル
電流や原子間力などを検出することにより試料表面の微
細構造を観察する走査型プローブ顕微鏡の開発、改良が
盛んに行われている。一般に、原子間力顕微鏡において
用いられている原子間力の検出方法は、光てこ法が用い
られている。ここで図７において、光てこの倍率を説明
する。

【０００３】光てこ倍率は式（１）で与えられる。 てこ倍率＝２ＬＣＯＳθ／Ｌ ・・・（１） ここで、Ｌはカンチレバーから検出器までの光路長、θ
はレーザー光のカンチレバーへの入射角、Ｌはカンチレ
バーの長軸の長さを示す。ここで、光てこ倍率を最大に
するには、レーザー光はカンチレバーに対しほぼ直角に
入射させれば良い。

【０００４】しかし、レーザー光をカンチレバーに対し
垂直に入射させると、カンチレバー上で反射したレーザ
ー光は、入射光と同じ光路を戻ってしまい、ポジション
センサーに入射させることができない。そこで、偏光の
性質を使い、反射光のみを反射させて取り出し、ポジシ
ョンセンサーに入射させる方法がある（M. Hipp, H.Bie
lefeldt, J. Colchero, O. Marti and J. Mlynek, Ultr
amicroscopy 42-44 (1992) 1498-1503, A stand alone
scanning force and frincion microscope,）。前記従
来の方法を図６に示す。半導体レーザーダイオード６１
により発生されたレーザー光は、コリメートレンズ６２
により平行光となり、スリット６３により、周辺部の不
要な光がカットされ、偏光ビームスプリッター６４に入
射する。半導体レーザーダイオード６１により発生させ
られるレーザー光は直線偏光であり、偏光ビームスプリ
ッター６４を透過することのできるｐ偏光に合わせてい
る。従って、レーザー光は偏光ビームスプリッター６４
を透過する。透過したレーザー光は、λ／４板６５を通
過する際に円偏光となり、集光レンズ６６により、カン
チレバー６７裏面に集光される。カンチレバー６７の裏
面は鏡面になっている。従って、カンチレバー６７にほ
ぼ垂直に入射したレーザー光は、カンチレバー６７裏面
で反射され、レーザーダイオード６１からカンチレバー
６７へ向かう光の光路を逆戻りする。カンチレバー６７
裏面で反射された光は、集光レンズ６６により再び平行
光となり、λ／４板６５を通過する。その際、円偏光だ
ったレーザー光は、直線偏光となり、しかもその偏波面
は、入射のレーザー光と直交する。つまり、反射してき
たレーザー光は、偏光ビームスプリッター６４に対し、
今度はｓ方向となり、偏光ビームスプリッター６４によ
り反射され、ポジションセンサー６８に入射する。

【０００５】以上のように、カンチレバーに光てこの検
出用のレーザーを垂直に入射させることができ、理論的
に最大の光てこ倍率が得られることになる。さらに、カ
ンチレバーへの入射光と反射光がほぼ同じ光路を通るこ
とにより、光てこ法に使うスペースを節約でき、原子間
力顕微鏡が小型化され、しかも光学顕微鏡により、カン
チレバーを直上から観察することができるようになっ
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の方
法には欠点があった。光源としてレーザーの様に物質を
励起して、発光させる光源を用いた場合には、次のよう
な現象が起こる。カンチレバーからの反射光の一部が光
源に戻り、更に、カンチレバーと光源との間に設けられ
た光学部材から反射される反射光も光源に戻る。レーザ
ー光はコヒーレント光なので、これら２つの光源へ戻る
戻り光は互いに干渉する。カンチレバーの撓み量が変化
するとカンチレバーの反射面から光源までの光路長に変
化が起きる。この光路長が変化して再び光が光源に入射
してしまうことで、レーザーの様な光源ではモードホッ
プと呼ばれる現象を引き起こしてしまう。このモードホ
ップとは、次のことである。レーザーダイオード内のキ
ャビティー内には、誘導放射による定在波である電磁場
の共振モードが立っている。そのモードが、外乱により
別のモードにホップしてしまうのが、モードホップであ
る。

【０００７】図６の様にカンチレバー６７への入射光と
カンチレバー６７の反射光の光軸が非常に近い場合、偏
光特性の違いを利用して偏光ビームスプリッターを用い
て光を分離している。だが、偏光ビームスプリッターの
消光比は、だいたい１０００：１程度であるので、カン
チレバーからの一部の反射光は、偏光ビームスプリッタ
ーを透過し、レーザーダイオードに戻ってしまう。

【０００８】このカンチレバーからの戻ってきた光によ
ってモードホップが起こると、レーザー光の波長が変化
するばかりでなく、レーザー光の指向性も変化してしま
う。その結果、ポジションセンサーに入射するシグナル
のスポットの位置も動いてしまう。よって、本発明の目
的は、光てこ用の光学系において、迷光がレーザーダイ
オードに戻ることを防ぎ、安定して動作する原子間力顕
微鏡を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明では、物質を励起することで発光する光源と、
光源からの光を反射する反射面を有し、物理的環境の変
化に応じ反射面が変位する変位部と、光源と変位部との
間に設けられ、光源からの光を変位部の反射面の所望の
位置に到達させ、かつ変位部の反射面で反射された光を
光源から入射される光の光軸と略平行に光路を変化させ
る光学素子と、光源と光学素子との間の光源からの光路
中に設けられ、光源から光学素子へ入射する光束と、変
位部の反射面を反射し光学素子から射出する光束とが、
少なくとも空間的に重ならない程度の大きさの光通過口
を有したスリットと、スリットと光学素子との間に設け
られ、スリットから光学素子へ向かう光または変位部の
反射面で反射され光学素子から射出した光のどちらか一
方を所望の方向に反射する反射部材と、反射部材から反
射された光を受光する複数の受光面を有し、反射部材か
ら反射された光の重心の位置を検出する受光部材とを備
えた（請求項１の発明）。

【００１０】更に本発明では、光学素子は、光源から入
射した光を変位部の反射面の所望の位置に到達させるよ
う屈折させ、かつ変位部の反射面で反射された光を光源
から光学素子に向かう光と略平行になるよう屈折させる
透明な物質で形成された光学素子であることとた（請求
項２の発明）。更に、本発明では光学素子について、変
位部との距離とほぼ同じ焦点距離を有し、光源からの光
を変位部の反射面の所望の位置に到達されるよう屈折さ
せ、かつ変位部の反射面で反射された光を光源から光学
素子に向かう光と略平行になるよう屈折させるレンズで
あり、かつスリットの光通過口は、光学素子の光軸上以
外の部分に設けられていることとした（請求項３の発
明）。また、反射部材については、スリットから光学素
子へ向かう光または変位部の反射面で反射され光学素子
から射出した光のどちらか一方を所望の方向に反射する
偏光ビームスプリッターであり、更に偏光スプリッター
と変位部との間に備え、偏光ビームスプリッターから射
出された光とカンチレバーで反射され光学部材から射出
された光との偏光面が異なるよう、すくなくともカンチ
レバーで反射され光学部材から射出された光の偏光を変
える偏光変換光学素子を備えた（請求項４の発明）。ま
た、反射部材は、カンチレバーで反射され光学素子から
射出された光のみを受光部材へ反射させる鏡であること
とした（請求項５の発明）。また、変位部は、一端が支
持された可撓性の片持ち梁構造を有し、更に片持ち梁構
造の他端でかつ反射面とは反対側の面に探針を有し、探
針が受ける試料との原子間力により撓むこととした（請
求項６の発明）。

【００１１】以上の手段で、課題を解決することを試み
た。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、本発明について、更に詳し
く説明する。ところで、先に発明が解決しようとする課
題について、ここで更に具体的に説明する。ところで、
モードホップと呼ばれる現象とは、光源として後述する
本発明の実施の形態で用いるような半導体レーザーを用
いる場合、レーザーダイオード内のキャビティー内に
は、誘導放射による電磁場の共振モードが立っている。
そのモードが外乱により別のモードにホップしてしまう
のが、モードホップである。モードホップが起こると、
射出されるレーザーの波長、強度及び指向性が別の値に
ホップする。このとき特に原子間力顕微鏡に影響を与え
るのがレーザーの指向性の変化で、カンチレバーの撓み
が一定でも反射光のスポットの位置がセンサー上で移動
してしまうため、光てこ検出に影響を与えてしまう。

【００１３】ところで、このモードホップを引き起こす
原因であるが、まず第１にレーザー素子の発熱によるキ
ャビティーの熱膨張である。キャビティーのサイズが熱
により変化すると、キャビティーの両端を節にして立っ
ていた電磁波の定在波の節の間隔や数が変化する。それ
により、発振するレーザーの波長がホップする。しか
し、この問題は数分間レーザーを点灯させておけばレー
ザー素子が熱平衡に達し、モードホップは起きなくなる
ため大きな問題ではない。問題なのは２番目の原因で、
レーザー素子内には２つのエネルギー状態があり、その
高い状態から低い状態に遷移する時に光子が発生する。
レーザーの場合、その遷移が他の光子に刺激される事に
より起こるため（誘導放射）、レーザー光は位相の揃っ
た光となる。しかし、この誘導放射がレーザーダイオー
ドに戻る光によって引き起こされると、今まで続いてい
た安泰な誘導放射を乱してしまいモードホップを引き起
こす。

【００１４】次に従来の技術で説明した図６の様な光学
系の範値ではなぜモードホップが起こってしまうかを説
明する。図６の用にカンチレバー６７への入射光とカン
チレバー６７の反射光の光軸が非常に近いため偏光の性
質を使い、偏光ビームスプリッター６４で反射光を分け
ているが、偏光ビームスプリッターの消光比は、１００
０：１程度であり、千分の１程度の反射光は、偏光ビー
ムスプリッター６４を透過し、レーザーダイオード６１
に戻ってしまう。同時に、偏光ビームスプリッター６４
や各光学素子の端面から反射光もレーザーダイオードに
戻ってしまう。レーザー光は位相の揃ったコヒーレント
な光であるため、これらのレーザーダイオード６１まで
戻った光は互いに干渉する。この状態でカンチレバーの
位置や撓みが変化すると、カンチレバー６７からの戻っ
てきた光の光路長が他の部材か反射された光に対し変化
するため、干渉によりレーザーダイオード６１に戻って
きた光の強度が変化する。その変化によりモードホップ
が起こってしまう。これについて図を用いてもう少し詳
しく説明する。

【００１５】原子間力顕微鏡には主に２つの動作モード
があり、一つはカンチレバーを試料に接触させながら横
方向に単に走査し、試料の凹凸により発生するカンチレ
バーの撓みの変化を測定するモード（高さ一定モード）
と、もう一つは前記走査中にカンチレバーの撓みを一定
にする様にフィードバックを掛け、そのフィードバック
量を測定するモード（力一定モード）である。ところ
で、高さ１．５μｍの凸型試料を観察する場合、原子間
力顕微鏡で得られる正規の画像を図８（ａ）に示す。こ
れに対しレーザーダイオードへ戻って行く光がある場合
に得られる画像は図８（ｂ）の様になる。先ず力一定モ
ードで走査する場合、カンチレバーの撓みを一定に保つ
べく、試料の凸部を走査する際、カンチレバーはフィー
ドバックにより上方に引き上げられる。これによりカン
チレバーから反射されレーザーダイオードに戻ってきた
光の光路長が他の部材から反射されて戻ってきた光に対
して変化するため、干渉によりレーザー射出端への戻っ
てきた光の強度が変化する。ここで凸の高さが１．５μ
ｍであるため、カンチレバーも１．５μｍ引き上げられ
る。つまり光路長の変化は行きと帰りで３μｍとなる。
レーザーの波長を７００ｎｍとすると、３μｍの光路長
の変化で、干渉による約４回の明暗の変化が起こり、そ
れによりモードホップが引き起こされる。モードホップ
が起こると前述のようにレーザーの指向性が変化するた
め、反射光のスポットの位置センサーがセンサー上で移
動してしまい、あたかもカンチレバーの撓みが変化した
かのように観測される。つまり得られる画像は試料の高
さ変化に伴い、等高線上の縞が４本表れる（図８（ｂ）
参照）。高さ一定モードで観察する場合にも同様な現象
が起きる。

【００１６】ところで、本発明の実施の一形態は、この
様な問題を解決するためのものである。次に、本発明の
実施の一形態を説明する。本発明の実施の第１の形態で
ある光てこ式変位検出器を原子間力顕微鏡の用いた場合
の概念構成図を図１に示す。

【００１７】この光てこ式変位検出器は、光源として半
導体レーザーダイオード１を用い、コリメートレンズ２
と、偏心スリット３と、偏光ビームスプリッター４と、
λ／４板５と、集光レンズ６と、カンチレバー７と、ポ
ジションセンサー９により構成されている。半導体レー
ザーダイオード１により発生されたレーザー光は、コリ
メートレンズ２により平行光となる。そして、その平行
光のうち一部の光のみ偏心スリット３で選択的に通過さ
せている。この偏心スリット３の光の通過口は、半導体
レーザーダイオード１の発光点とコリメートレンズ２の
中心を結ぶ光軸上とは、ずれた場所に備えられており、
かつその直径は集光レンズ６の直径よりも小さくしてい
る。この様にして、レーザーの光束が集光レンズ６の中
心を避けて通過するようにしている。偏心スリット３を
通過したレーザー光は、偏光ビームスプリッター４を透
過し、λ／４板５を通過する際円偏光となる。円偏光と
なった光は、集光レンズ６により屈折され、集光レンズ
６のほぼ焦点距離の位置に設けられたカンチレバー７裏
面に入射される。このカンチレバー７裏面は、光を反射
する反射面となっている。よって、カンチレバー７裏面
に入射した光は、カンチレバー７の撓み量に応じて反射
する。カンチレバー７裏面を反射した光は、集光レンズ
６により再び平行光となり、λ／４板５を通過する。そ
の際、円偏光だったレーザー光は直線偏光となり、しか
もその偏波面は入射のレーザー光と直交する。そのため
偏光ビームスプリッター４により反射され、ポジション
センサー９に入射する。しかし、１／１０００程度のレ
ーザー光は、偏光ビームスプリッター４を透過するが、
その透過したレーザー光は、偏心スリット３によりさえ
ぎられ、半導体レーザーダイオードには戻らない。

【００１８】ところで、本発明の実施の形態では、光源
に出力２０ｍＷ、波長６８５ｎｍの半導体レーザーダイ
オード１を用い、焦点距離２０ｍｍのコリメートレンズ
２と、中心から２ｍｍ偏心した開口径２ｍｍのスリット
３と、焦点距離５０ｍｍの集光レンズ６を用いた。ま
た、カンチレバー７の裏面に入射する光の入射角は約２
度で集光されるようにした。レーザー光は、カンチレバ
ー７裏面で入射光に対し４度の角度をなして反射される
様、集光レンズ６とカンチレバー７とを配置した。

【００１９】次に以上の本発明の実施の第１形態の光て
こ式変位検出器を用いた原子間力顕微鏡について説明す
る。図２は、本発明の実施の第１形態を用いた原子間力
顕微鏡の構成斜視図である。この原子間力顕微鏡には、
Ｘ方向用圧電駆動部材１００と、Ｙ方向用圧電駆動部材
１０１がブロック１０４と、ヒンジ１０３ｂを介して直
角に固定されている。さらに、圧電駆動部材１００、１
０１は、ヒンジ１０３ａ、１０３ｃを介して支持基板５
０に固定されている。また、Ｚ方向用圧電駆動部材１０
２は、Ｘ，Ｙ方向用圧電駆動部材１００、１０１に対し
直角にブロック１０４に固定されている。Ｚ方向用圧電
駆動部材１０２の自由端側には、カンチレバー７が固定
されている。そして、Ｘ方向用圧電駆動部材１００とＹ
方向用圧電駆動部材１０１をそれぞれ任意に駆動するこ
とにより、探針８を任意の位置に移動することができ
る。そして、Ｚ方向用圧電駆動部材１０２を駆動するこ
とによって、探針８走査時に、探針８と試料との間隔を
常に一定に維持している。

【００２０】また、この原子間力顕微鏡には、支持基板
５０は２本のマイクロメーター５１と１本の差動マイク
ロメータ５３により支持されている。試料とカンチレバ
ー７との間隔はマイクロメータ５１と、差動マイクロメ
ータ５３の粗動ツマミ５３ｂにより予め調整される。探
針８と試料との間隔の微調整はステッピングモータ５２
を駆動することよりコントロールされる。粗動ツマミ５
３ｂで粗動調整が終了したら、ストッパー５４で差動マ
イクロメータ５３の粗動ツマミ５３ｂをロックする。そ
して、ステッピングモータ５２のシャフトは差動マイク
ロメータの微動ツマミ５３ａに圧着されているので、試
料と探針８との間隔を微調整する際には、ステッピング
モータ５２を駆動することにより、差動マイクロメータ
５３が微動される。この様にして、探針８と試料との間
隔を調整する。

【００２１】また、この原子間力顕微鏡には、支持基板
６に光てこ式変位検出器の光学素子が配置されている。
まず半導体レーザーダイオード１はレーザーダイオード
支持体２５に固定され支持基板５０上に配置されてい
る。コリメートレンズ２とスリット３は、光学素子支持
体２４に固定されている。集光レンズ６は、支持基板５
０上に直接配置されている。ポジションセンサー９は、
メカニカルステージ２２ｃにまず固定され、メカニカル
ステージ２２ｃはメカニカルステージ支持体２２ａに固
定されている。レーザー光の光軸調整のための反射鏡２
０がマイクロメータ２１ａ，ｂにより角度を調整可能に
支持基板５０上に配置されている。また、ヒンジ１０３
ａ上には、第１の反射鏡２７が設けられている。また、
第２の反射鏡２８は反射鏡支持体２９に固定されてお
り、反射鏡支持体２９はネジ１０４を介しブロック１０
４に固定されている。反射鏡支持体２９はネジ１０４を
中心に回転して角度を調整できる様になっている。

【００２２】ところで、半導体レーザーダイオード１か
ら出た光は、コリメートレンズ２、スリット３、偏光ビ
ームスプリッター４、λ／４板５、集光レンズ６を通過
して反射鏡２０に入射される。そして反射鏡２０に入射
された光は反射され、第１の反射鏡２７に入射する。こ
の第１の反射鏡２７は、半導体レーザーダイオード１か
らの光を反射して、その反射光をＸ方向圧電駆動部材１
００の伸縮方向と平行な光軸にさせる。第１の反射鏡２
７は、ヒンジ１０３ａが屈曲する中心より、Ｘ方向用圧
電駆動部材１００側に固定されており、かつ、第１の反
射鏡２７の半導体レーザーダイオード１を受光し反射す
る部分は、丁度ヒンジ１０３ａの屈曲する中心の直上に
なるようしている。この様にすることで、ヒンジ１０３
ａがＹ方向用圧電駆動部材１０１の伸縮変化によって屈
曲するときに、その屈曲した角度と同じく、反射面も同
じ角度変化するようになっている。第２の反射鏡２８
は、第１の反射鏡２７から反射された光を、カンチレバ
ー７に照射する。カンチレバー７裏面により反射された
レーザー光は、偏光ビームスプリッター４を介し、ポジ
ションセンサー９に入射する。このように半導体レーザ
ーダイオード１からの光を受光する第１の反射鏡２７を
ヒンジ１０３ａの屈曲する中心の直上に配置し、第２の
反射鏡２８をＸ方向用駆動部材１００の他端に設けたこ
とで、各圧電駆動部材が駆動してカンチレバー７の位置
が変わっても、常にカンチレバー７に半導体レーザーダ
イオード１の光を照射させ、かつカンチレバー７からの
反射光を受光出来るようになった。

【００２３】次に、この光学系の調整法を説明する。ま
ずマイクロメータ２６を回すことで、マイクロメータ２
６に係接されたレーザーダイオード支持体２５が、光軸
方向に移動する。この様にして、コリメーターレンズ２
と半導体レーザーダイオード１との相対距離を変えて、
カンチレバー７裏面にレーザー光の焦点位置を合わせる
ことができる。ところで、このマイクロメータ２６は半
導体レーザーダイオード支持体２５の角を押すようにな
っている。そして、レーザーダイオード支持体２５はメ
カニカルなガイドの一端に常に押し付けられ、機械的な
ガタを無くすことができる。この様な高分解能を有する
原子間力顕微鏡は、外部振動などにより発生する振動が
存在しても、カンチレバー７に照射する光学系が振動し
て、測定結果に影響が出ないように成っている。

【００２４】また、カンチレバー７の反射面にレーザー
光を照射するために、反射鏡２０はマイクロメータ２１
ａ，ｂにより、そして、第２の反射鏡２８はネジ３０に
よりそれぞれ角度調整ができるようになっている。ま
た、第２の反射鏡２８についてはカンチレバー７と共に
高速に走査されるため、小型で軽く、しかも振動に強い
構造とする必要があった。そのためステンレス鋼帯をコ
の字型に曲げ、その内側に第２の反射鏡２８を接着し、
ブロック２９に両持ちの状態で固定した。

【００２５】ポジションセンサー９は、メカニカルステ
ージ２２ｃにより試料面に対して垂直方向に位置調整を
行うことができる。そして、このポジションセンサー９
の横方向の位置調整は、マイクロメータ２２ｂにより行
われる。マイクロメータ２２ｂの動きに伴い、メカニカ
ルステージ支持体２２ａは、支持基板５０と光学素子支
持体２４に沿ってスライドする様になっている。このよ
うに光学素子支持体２４とメカニカルステージ支持体が
滑りあうように一体化されていることにより、光学系が
コンパクトになり振動などの外乱に強い。

【００２６】さて、半導体レーザーダイオード１から発
せられた光は、先に述べたように、偏心スリット３の光
の通過口の位置を集光レンズの光軸上に備えていないの
で、カンチレバー７から反射された光が、偏光ビームス
プリッタ４を透過したとして、偏心スリット３によっ
て、光が半導体レーザーダイオードに再び入射してしま
うことを防ぐことができた。

【００２７】この様に、カンチレバー７へ照射する光と
カンチレバー７から反射された光が同じ光学部材を通過
するような構成では、この偏心スリット３を備えること
で、光源で起こるモードホップの現象を防ぐことができ
る。次に、先に述べた本発明の実施の第１形態とは異な
る第２形態を説明する。この本発明の実施の第２形態の
概略構成図を図３に示す。この図３は、本発明の実施の
第２形態である光てこ式変位検出器を原子間力顕微鏡に
用いたときの様子を示している。

【００２８】この第２形態の光てこ式変位検出器は、先
に述べた発明の実施の形態で用いた偏心スリット３の代
わりに、中心に光が通過する通過口を備えたスリット３
３を用いた。また、半導体レーザーダイオード３１、コ
リーメートレンズ３２、偏光ビームスプリッター３４、
λ／４板３５、集光レンズ３６、カンチレバー３７およ
びポジションセンサー３９については、先に述べた原子
間力顕微鏡と同じものを用いた。

【００２９】なお、先に述べた発明の実施の形態との違
いは、半導体レーザーダイオード１の発光源とコリーメ
ートレンズ３２の光軸とスリット３３の光の通過口との
位置を、集光レンズ３７の光軸上とは異なる位置に設け
た点である。この様にすることで、カンチレバー３７裏
面の反射光が半導体レーザーダイオード３１に入射する
ことなく、スリット３３で遮ることができる。

【００３０】次に本発明の実施の一形態での光学系の作
用を説明する。半導体レーザーダイオード３１、コリメ
ートレンズ３２、スリット３３は、その他の光学素子に
対し２ｍｍ偏心して配置されているため、レーザーの光
束がカンチレバー３７裏面と集光レンズ３６の中心を結
ぶ光軸に対し２ｍｍ偏心する。そのレーザー光は実施例
２と同様に、カンチレバー３７裏面で入射光に対し４度
の角度をなす様反射され、偏光ビームスプリッター３４
により反射され、ポジションセンサー３９に入射する。
また、偏光ビームスプリッター４を透過したレーザー光
は、スリット３３によりさえぎられ、半導体レーザーダ
イオード３１には戻らないようになっている。。

【００３１】次に、本発明の実施の第３形態を説明す
る。この本発明の実施の第３形態の概略構成図を図４に
示す。この図４は、本発明の実施の第３形態である光て
こ式変位検出器を原子間力顕微鏡に用いたときの様子を
示している。この第３形態の光てこ式変位検出器は、第
２の形態の変位検出器に用いた偏光ビームスプリッター
３４の代わりに、ミラー４４を用いてある。このミラー
４４は、カンチレバー３７で反射され、集光レンズ３６
で半導体レーザーダイオード３１からの光の光軸と平行
にした光のみを反射するミラーである。そのため、この
ミラー４４の大きさをダイオードレーザー３１かカンチ
レバー３７へ向かう光を遮らず、かつカンチレバー３７
で反射され光を反射できる程度の大きさにし、かつ同時
にスリット３３の光の通過口の大きさも集光レンズ３６
の直径よりも小さくなるようにした。この様にすること
で偏光ビームスプリッターを用いなくとも、半導体レー
ザーダイオード３１からカンチレバー３７へ向かう光
と、カンチレバー３７から反射された光とをほぼ平行に
することができ、変位の検出に高い分解能を有すること
ができた。また、偏光ビームスプリッターが有するｓ偏
光を完全に反射できないということで派生する問題も解
決することができる。

【００３２】次に本発明の実施の第３の形態である光て
こ式変位検出器の動作を説明する。半導体レーザーダイ
オード３１の発光部、コリメートレンズ３２の焦点、ス
リット３３の光の通過口の中心は、レーザーの光束がカ
ンチレバー３７裏面と集光レンズ３６の中心を結ぶ光軸
に対し２ｍｍ偏心するよう配置してある。そのレーザー
光は先に述べた第２の形態と同様に、カンチレバー３７
裏面で入射光に対し４度の角度をなす様反射され、今度
はミラー４４により反射され、ポジションセンサー３９
に入射する。ここで、ミラー４４を透過するレーザー光
は無く、半導体レーザーダイオード３１への再び戻る光
は無い。

【００３３】以上の第３の形態の光てこ式変位検出器を
用いた原子間力顕微鏡の例を図５の斜視図で示す。この
図５に示した構成は、光学系の構成以外は図２に示した
発明の実施の一形態と同様である。図に示すように、半
導体レーザーダイオード３１の発光部、コリメートレン
ズ３２の中心、スリット３３の光の通過口は、集光レン
ズ３６の光軸上から外れた位置に配置してある。そのた
め、レーザー光はカンチレバー３７裏面で入射光に対し
４度の角度をなす様反射され、ミラー４４により反射さ
れ、ポジションセンサー３９に入射する。

【００３４】この様に、ポジションセンサー３９へカン
チレバー３７からの光を入射させる反射部材としてミラ
ー４４を用いたことで、偏光ビームスプリッタを用いた
光てこ式変位検出器よりもコストのかからない光てこ式
変位検出器が得られる。更に偏光ビームスプリッターで
は、カンチレバー３７を反射してきた光全てをポジショ
ンセンサー３９に反射することが出来なかったが、この
様にミラー４４を用いたことで、カンチレバー３７を反
射してきた全ての光をポジションセンサー３７に反射さ
せることが出来る。そして、この様に、カンチレバー３
７へ向かう光とカンチレバー３７を反射してきた光がほ
とんど同じ光路を通っていく様な光学系の場合、偏光ビ
ームスプリッターではカンチレバー３７を反射してきた
光の一部が反射しきれず、その一部の光が半導体レーザ
ーダイオード３１に戻ってしまって、半導体レーザーダ
イオード３１にモードホップをもたらす原因を作ってし
まった。だが、偏光ビームスプリッターに代わりに、全
反射するミラーを用いたことで、半導体レーザーダイオ
ード３１に戻ってしまう光を完全に排除することができ
た。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、レーザー光がレーザー
ダイオードに戻ってしまいモードポップを引き起こして
しまうのを容易に防ぐことができるようになった。それ
によりカンチレバーに光てこの検出用のレーザーをほぼ
垂直に入射させながら、原子間力顕微鏡を安定に動作さ
せることができようになった。そのため理論的に最大の
光てこ倍率がえられ、さらに、カンチレバーへの入射光
と反射光がほぼ同じ光路を通ることにより、光てこ法に
使うスペースを節約でき、原子間力顕微鏡が小型化さ
れ、しかも光学顕微鏡により、カンチレバーを直上から
観察することができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】：本発明の光てこ式変位検出器の実施の第１の
形態の概念構成図

【図２】：本発明の実施の第１の形態の光てこ式変位検
出器用いた原子間力顕微鏡の斜視図

【図３】：本発明の光てこ式変位検出器の実施の第２の
形態の概念構成図

【図４】：本発明の光てこ式変位検出器の実施の第３の
形態の概念構成図

【図５】：本発明の実施の第３の形態の光てこ式変位検
出器用いた原子間力顕微鏡の斜視図

【図６】：従来の光てこ式変位検出器を用いた原子間力
顕微鏡の概念構成図

【図７】：従来の光てこ式変位検出の概念図

【図８】：従来の光てこ式変位検出器を用いたときに見
られる原子間力顕微鏡の画像例

【符号の説明】

１、３１ レーザーダイオード ２、３２ コリメータレンズ ３、３３ スリット ４、３４ 偏光ビームスプリッター ５、３５ λ／４板 ６、３６ 集光レンズ ７、３７ カンチレバー ８ 探針 ９、３９ ポジションセンサー ４４ ミラー ２０ 反射鏡 ２１ａ，ｂ、２２ｂ、２６、５１ マイクロメーター ２２ａ メカニカルステージ支持体 ２２ｃ メカニカルステージ ２４ 光学素子支持体 ２５ レーザーダイオード支持体 ２７ 第１の反射鏡 ２８ 第２の反射鏡 ２９ 反射鏡支持体 ３０ ネジ ４４ 反射鏡 ５０ 支持基板 ５２ ステッピングモーター ５３ 差動マイクロメーター ５４ ストッパー １００ Ｘ方向用圧電駆動部材 １０１ Ｙ方向用圧電駆動部材 １０２ Ｚ方向用圧電駆動部材 １０３ａ，ｂ，ｃ ヒンジ １０４ ブロック

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物質を励起することで発光する光源と、 前記光源からの光を反射する反射面を有し、物理的環境
   の変化に応じ反射面が変位する変位部と、 前記光源と前記変位部との間に設けられ、前記光源から
   入射した光を前記変位部の反射面の所望の位置に到達さ
   せ、かつ前記反射面で反射された光を前記光源から入射
   される光の光軸と略平行に光路を変化させる光学素子
   と、 前記光源と前記光学素子との間の前記光源からの光路中
   に設けられ、前記光源から前記光学素子へ入射する光束
   と、前記変位部の反射面を反射し前記光学素子から射出
   する光束とが、少なくとも空間的に重ならない程度の大
   きさの光通過口を有したスリットと、 前記スリットと前記光学素子との間に設けられ、前記ス
   リットから前記光学素子へ向かう光または前記変位部の
   反射面で反射され前記光学素子から射出した光のどちら
   か一方を所望の方向に反射する反射部材と、 前記反射部材から反射された光を受光する複数の受光面
   を有し、前記反射部材から反射された光の重心の位置を
   検出する受光部材とを備えたことを特徴とする光てこ式
   変位検出器
2. 【請求項２】 前記光学素子は、前記光源から入射した
   光を前記変位部の反射面の所望の位置に到達させるよう
   屈折させ、かつ前記変位部の反射面で反射された光を前
   記光源から前記光学素子に向かう光と略平行になるよう
   屈折させる透明な光学素子であることを特徴とする請求
   項１記載の光てこ式変位検出器
3. 【請求項３】 前記光学素子は、前記変位部との距離と
   ほぼ同じ焦点距離を有し、前記光源からの光を前記変位
   部の反射面の所望の位置に到達されるよう屈折させ、か
   つ前記変位部の反射面で反射された光を前記光源から前
   記光学素子に向かう光と略平行になるよう屈折させるレ
   ンズであり、 かつ前記スリットの光通過口は、前記光学素子の光軸上
   以外の部分に設けられていることを特徴とする請求項２
   記載の光てこ式変位検出器
4. 【請求項４】 前記反射部材は、前記スリットから前記
   光学素子へ向かう光または前記変位部の反射面で反射さ
   れ前記光学素子から射出した光のどちらか一方を所望の
   方向に反射する偏光ビームスプリッターであり、 更に前記偏光スプリッターと前記変位部との間に備え、
   前記偏光ビームスプリッターから射出された光と前記カ
   ンチレバーで反射され前記光学部材から射出された光と
   の偏光面が異なるよう、すくなくとも前記カンチレバー
   で反射され前記光学部材から射出された光の偏光を変え
   る偏光変換光学素子を備えたことを特徴とする請求項
   １、２または３記載の光てこ式変位検出器
5. 【請求項５】 前記反射部材は、前記カンチレバーで反
   射され前記光学素子から射出された光のみを前記受光部
   材へ反射させる鏡であることを特徴とする請求項１、
   ２、または３記載の光てこ式変位検出器
6. 【請求項６】 前記変位部は、一端が支持された可撓性
   の片持ち梁構造を有し、更に前記片持ち梁構造の他端で
   かつ反射面とは反対側の面に探針を備え、前記探針が受
   ける試料との原子間力により撓むことを特徴とする請求
   項１、２、３または４記載の光てこ式変位検出器