JPH095023A - Super fine displacement detector - Google Patents

Super fine displacement detector

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JPH095023A
JPH095023A JP7151890A JP15189095A JPH095023A JP H095023 A JPH095023 A JP H095023A JP 7151890 A JP7151890 A JP 7151890A JP 15189095 A JP15189095 A JP 15189095A JP H095023 A JPH095023 A JP H095023A
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JP
Japan
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light
optical waveguide
detector
grating coupler
waveguide
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Application number
JP7151890A
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Japanese (ja)
Inventor
Masaaki Doi
正明 土肥
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Abstract

PURPOSE: To provide a super fine displacement detector in which positioning of an optical system can be done easily and which has high detection precision. CONSTITUTION: Light rays of a light source 3 are projected to an object 2 whose displacement is to be detected. A waveguide device 10 provided with at least one linear grating coupler 12 is set at a position where reflected light rays from the object 2 are to be received. The intensity of guided light rays of the grating coupler 12 is detected by a detector. Consequently, the inclination of the object 2 can be detected.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、物体の微小変位を検出
するための検出器に関し、特に、原子間力顕微鏡のカン
チレバーの変位を検出するのに適した検出器に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a detector for detecting a minute displacement of an object, and more particularly to a detector suitable for detecting a displacement of a cantilever of an atomic force microscope.

【0002】[0002]

【従来の技術】被測定物の表面形状を測定する手段とし
て、原子間力顕微鏡が知られている。原子間力顕微鏡
は、被測定物の表面を尖点、すなわち触針によって走査
し、表面形状を測定するものである。触針を被測定物表
面に限りなく近づけて、被測定物表面の原子の電子雲
と、触針の頂点の原子の電子雲とを接触させると、これ
ら原子間に反発性の原子間力が生じる。この原子間力に
よって前記触針が取り付けられている力検出カンチレバ
ーを撓ませ、その変位量を測定することで、被測定物の
3次元形状が得られる。
2. Description of the Related Art An atomic force microscope is known as a means for measuring the surface shape of an object to be measured. The atomic force microscope measures the surface shape by scanning the surface of the object to be measured with a point, that is, a stylus. When the stylus is brought as close as possible to the surface of the object to be measured and the electron cloud of atoms on the surface of the object to be measured is brought into contact with the electron cloud of atoms at the apex of the stylus, a repulsive interatomic force is generated between these atoms. Occurs. A three-dimensional shape of the object to be measured is obtained by bending the force detecting cantilever to which the stylus is attached by this atomic force and measuring the amount of displacement.

【0003】力検出カンチレバーの微小な変位を検出す
るための微小力検出手段としては、様々な方式が知られ
ているが、そのうち最も一般的なものとして、光てこ方
式が知られている。これは、力検出カンチレバーを、被
測定物に対して適宜角度(20〜30゜)傾けて配置
し、力検出カンチレバーの先端部上面に、光源からの光
をレンズと光ファイバとによって導き、その反射光を2
分割フォトダイオード等の検出器で検出する構成であ
る。検出器によって検出される反射光スポットの位置に
よって、力検出カンチレバーのたわみを検出することが
できる。光てこ方式の微小力検出器は、構成が簡単であ
るという利点がある反面、顕微鏡装置の限られた空間の
中に、投光部、カンチレバー、反射部の3点を結ぶ光路
を設けるための空間を確保する必要がある。
Force Detection Various methods are known as a minute force detecting means for detecting a minute displacement of the cantilever, and the optical lever method is known as the most general of them. This is because the force detection cantilever is arranged at an appropriate angle (20 to 30 °) with respect to the object to be measured, and the light from the light source is guided to the upper surface of the tip of the force detection cantilever by a lens and an optical fiber. 2 reflected light
This is a configuration in which a detector such as a split photodiode is used for detection. The deflection of the force detection cantilever can be detected by the position of the reflected light spot detected by the detector. The optical lever type micro force detector has an advantage that the structure is simple, but on the other hand, an optical path connecting three points of a light projecting portion, a cantilever, and a reflecting portion is provided in a limited space of the microscope apparatus. It is necessary to secure space.

【0004】また、特開平4−83138号公報記載の
微小力検出器は、カンチレバー上に光導波路とグレーテ
ィングを設け、光導波路に光を入射させて伝搬させ、伝
搬光をグレーティングから出射させ、出射光を検出器で
検出する。検出器によって検出される光スポットの位置
によって、カンチレバーのたわみが検出される。この微
小力検出器は、カンチレバー上の導波路を伝搬した光
を、検出器に向かって出射させる構成であるため、光て
こ方式と比較すると、投光部とカンチレバーを結ぶ光路
の空間を確保する必要がない。
Further, the micro-force detector disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-83138 is provided with an optical waveguide and a grating on a cantilever, makes light incident on the optical waveguide to propagate, and causes the propagated light to be emitted from the grating. The emitted light is detected by the detector. The deflection of the cantilever is detected by the position of the light spot detected by the detector. This micro-force detector has a structure in which the light propagating through the waveguide on the cantilever is emitted toward the detector. Therefore, as compared with the optical lever method, the space of the optical path connecting the light projecting section and the cantilever is secured. No need.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記従来の光てこ方式
の微小力検出器は、投光部、カンチレバー、検出部の3
構成部を結ぶように光路を高精度にアライメントする必
要がある。カンチレバーの先端部の面積や検出部の検出
面の面積は、非常に小さいため、カンチレバー位置で高
精度でアライメントしなければならない。この作業は、
極めて面倒であるとともに、このアライメントの精度に
よって、検出感度が容易に変動してしまうという問題が
ある。
The above-mentioned conventional optical lever type micro-force detector is composed of a light projecting portion, a cantilever, and a detecting portion.
It is necessary to align the optical path with high accuracy so as to connect the constituent parts. Since the area of the tip of the cantilever and the area of the detection surface of the detection unit are very small, it is necessary to perform alignment with high accuracy at the cantilever position. This work
It is extremely troublesome and there is a problem that the detection sensitivity easily changes due to the accuracy of this alignment.

【0006】また、特開平4−83138号公報記載の
微小力検出器は、検出器の検出面上の光スポットの位置
によって、カンチレバーのたわみを検出するため、グレ
ーティングと検出器とのアライメントを精度よく行わな
ければならないという点では、光てこ方式と同じであ
る。このアライメントは、面倒であるとともに、精度が
悪いと検出感度が容易に変動する。
Further, the micro force detector disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-83138 detects the deflection of the cantilever according to the position of the light spot on the detection surface of the detector, so that the alignment between the grating and the detector is accurate. It is similar to the optical lever method in that it must be done frequently. This alignment is troublesome, and if the accuracy is low, the detection sensitivity easily fluctuates.

【0007】さらに、光てこ方式および特開平4−83
138号公報記載の微小力検出器は、いずれも、検出器
の検出面上の光スポット位置の変位によって、カンチレ
バーのたわみを検出する構成であるため、カンチレバー
のたわみを精度よく検出するためには、光スポット位置
の変位が大きくなるように、カンチレバーと検出器との
距離を大きくとる必要がある。そのため、検出精度を高
めるためには、大きな空間が必要になるという問題があ
る。
Further, an optical lever system and Japanese Patent Laid-Open No. 4-83
The micro force detectors described in Japanese Patent No. 138 are each configured to detect the deflection of the cantilever based on the displacement of the light spot position on the detection surface of the detector. Therefore, in order to accurately detect the deflection of the cantilever, It is necessary to increase the distance between the cantilever and the detector so that the displacement of the light spot position becomes large. Therefore, there is a problem that a large space is required to improve the detection accuracy.

【0008】本発明は、光学系の位置決めが容易で、し
かも、検出精度の高い微小力検出器を提供することを目
的とする。
It is an object of the present invention to provide a micro force detector which enables easy positioning of an optical system and has high detection accuracy.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、変位を検出すべき対象物に光を照射する
光源と、前記対象物からの反射光を受ける位置に配置さ
れた少なくとも1つのグレーティングカプラと、前記グ
レーティングカプラに入射した光を伝搬する光導波路
と、前記光導波路を伝搬する光の強度を検出する検出器
とを有することを特徴とする微小変位検出器を提供す
る。
In order to achieve the above object, the present invention has a light source for irradiating an object whose displacement is to be detected with light and a position for receiving reflected light from the object. A microdisplacement detector comprising at least one grating coupler, an optical waveguide for propagating light incident on the grating coupler, and a detector for detecting the intensity of light propagating in the optical waveguide. .

【0010】[0010]

【作用】光源から出射された光は、対象物で反射され、
反射光がグレーティングカプラに照射される。グレーテ
ィングカプラに照射された光は、光導波路の導波光を励
振する。このとき光導波路に励振される導波光の強度
は、グレーティングカプラに照射される光の入射角に依
存する。よって、検出器で導波路の導波光の強度を検出
することにより、反射光がグレーティングカプラへ入射
する角度を検出できる。これにより、対象物の傾斜角が
検出できる。
[Operation] The light emitted from the light source is reflected by the object,
The reflected light is applied to the grating coupler. The light applied to the grating coupler excites the guided light of the optical waveguide. At this time, the intensity of the guided light excited in the optical waveguide depends on the incident angle of the light with which the grating coupler is irradiated. Therefore, the angle at which the reflected light enters the grating coupler can be detected by detecting the intensity of the guided light in the waveguide with the detector. Thereby, the inclination angle of the object can be detected.

【0011】このように、本発明では、光導波路の導波
光強度が、グレーティングカプラへの光の入射角に依存
する作用を利用しているため、対象物とグレーティング
カプラとの距離の遠近に係わらず、精度よく対象物の傾
斜を検出できる。したがって、グレーティングカプラお
よび導波路を対象物の近傍に配置することができるた
め、アライメントが容易になると共に、コンパクトな微
小変位検出器を提供できる。
As described above, according to the present invention, since the intensity of guided light of the optical waveguide depends on the incident angle of the light to the grating coupler, the distance between the object and the grating coupler is irrelevant. Therefore, the inclination of the object can be detected accurately. Therefore, since the grating coupler and the waveguide can be arranged in the vicinity of the object, alignment can be facilitated and a compact micro displacement detector can be provided.

【0012】[0012]

【実施例】本発明の一実施例について、図面を用いて説
明する。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0013】本発明の一実施例の微小変位検出器を備え
た原子間力顕微鏡の構成を図1、図2および図3を用い
て説明する。
The structure of an atomic force microscope equipped with a minute displacement detector according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 2 and 3.

【0014】まず、本実施例の微小変位検出器の構成に
ついて説明する。原子間力顕微鏡全体の構成について
は、後述する。
First, the structure of the small displacement detector of this embodiment will be described. The configuration of the entire atomic force microscope will be described later.

【0015】本実施例の微小変位検出器は、光軸301
上に、レーザ光源3と、コリメートレンズ4とを順に備
え、変位を検出すべき対象物に光を照射する。本実施例
では、対象物は、原子間力顕微鏡用プローブ8のカンチ
レバー2である。カンチレバー2は、図1のように、先
端の探針7の先端と試料214との原子間力によって、
上向きまたは下向きにたわむ。
The micro-displacement detector of the present embodiment has an optical axis 301
A laser light source 3 and a collimator lens 4 are provided in this order on the top, and light is emitted to an object whose displacement is to be detected. In this embodiment, the object is the cantilever 2 of the atomic force microscope probe 8. As shown in FIG. 1, the cantilever 2 is generated by the atomic force between the tip of the probe 7 at the tip and the sample 214.
Bend upwards or downwards.

【0016】カンチレバー2からの反射光の光軸上に
は、リニアグレーティングカプラを有する導波路デバイ
ス10が配置されている。リニアグレーティングカプラ
は、空間を伝搬するコリメート光によって、導波路の導
波光を励振させ、空間を伝搬する光を導波路に結合させ
る結合器である。
A waveguide device 10 having a linear grating coupler is arranged on the optical axis of the reflected light from the cantilever 2. The linear grating coupler is a coupler that excites the guided light in the waveguide by the collimated light propagating in the space and couples the light propagating in the space to the waveguide.

【0017】導波路デバイス10の構成について、さら
に説明する。
The structure of the waveguide device 10 will be further described.

【0018】図2、図3に示すように、n型Si基板1
01の上に、SiO2からなるバッファ層102を介し
て、SiNからなる導波路層103が形成されている。
導波路層103の上には、2種類のリニアグレーティン
グカプラ11、12が配置されている。リニアグレーテ
ィングカプラ11、12は、SiNからなる線状の凸部
を一定のピッチで配置することにより形成されている。
グレーティングカプラ11のピッチは、グレーティング
カプラ12のピッチとは異なる。これらのピッチは、予
め定められたものである。このピッチについては後述す
る。
As shown in FIGS. 2 and 3, an n-type Si substrate 1
01, a waveguide layer 103 made of SiN is formed via a buffer layer 102 made of SiO 2 .
Two types of linear grating couplers 11 and 12 are arranged on the waveguide layer 103. The linear grating couplers 11 and 12 are formed by arranging linear convex portions made of SiN at a constant pitch.
The pitch of the grating coupler 11 is different from the pitch of the grating coupler 12. These pitches are predetermined. This pitch will be described later.

【0019】また、基板101上には、不純物拡散によ
り形成されたp型領域104、105が形成されてい
る。p形領域104、105上は、バッファ層102が
取り除かれ、この周囲でバッファ層102はテーパー状
に加工されている。導波路層103は、p形領域10
4、105と接している。また、導波路層103には、
p形領域104、105の上において貫通孔が設けら
れ、この貫通孔内部に、p形領域104、105に接触
するように電極膜106、107が配置されている。ま
た、基板101の裏面には、電極膜106、107に対
向するように、それぞれ電極膜108が配置されてい
る。これらは、受光素子32、33を構成している。
Further, on the substrate 101, p-type regions 104 and 105 formed by impurity diffusion are formed. The buffer layer 102 is removed from the p-type regions 104 and 105, and the buffer layer 102 is processed into a tapered shape around the buffer layer 102. The waveguide layer 103 includes the p-type region 10
It is in contact with 4, 105. In addition, the waveguide layer 103 includes
Through holes are provided on the p-type regions 104 and 105, and electrode films 106 and 107 are arranged inside the through holes so as to contact the p-type regions 104 and 105. Further, an electrode film 108 is arranged on the back surface of the substrate 101 so as to face the electrode films 106 and 107, respectively. These form the light receiving elements 32 and 33.

【0020】リニアグレーティングカプラ11と受光素
子32との間の導波路層103上には、導波型レンズ2
1が配置されている。導波型レンズ21は、グレーティ
ングカプラ11から導波路層103に入射し、これを伝
搬する光を受光素子32に集光するような形状に形成さ
れている。同様に、リニアグレーティングカプラ12と
受光素子33との間には、リニアグレーティングカプラ
12から導波路層103に入射しこれを伝搬する光を、
受光素子33に集光するための導波型レンズ22が配置
されている。導波型レンズ21、22は、SiNによっ
て形成されている。
The waveguide type lens 2 is provided on the waveguide layer 103 between the linear grating coupler 11 and the light receiving element 32.
1 is arranged. The waveguide lens 21 is formed in a shape such that the light that enters the waveguide layer 103 from the grating coupler 11 and that propagates through the waveguide layer 103 is focused on the light receiving element 32. Similarly, between the linear grating coupler 12 and the light receiving element 33, the light that enters the waveguide layer 103 from the linear grating coupler 12 and propagates therethrough,
A waveguide lens 22 for condensing light is arranged on the light receiving element 33. The waveguide lenses 21 and 22 are made of SiN.

【0021】また、基板101には、図2のように、差
動増幅器111が接続されている。差動増幅器111に
は、受光素子32の出力と、受光素子33の出力とが、
配線302、303によってそれぞれ入力される。ま
た、差動増幅器111の出力は、配線304によって出
力される。配線304の先端には、電極305が取り付
けられている。電極305は、導波路基板101を支持
するホルダの電極315と接触して、ホルダ側の配線3
16と電気的に接続される。
A differential amplifier 111 is connected to the substrate 101 as shown in FIG. In the differential amplifier 111, the output of the light receiving element 32 and the output of the light receiving element 33 are
It is input by the wirings 302 and 303, respectively. The output of the differential amplifier 111 is output by the wiring 304. An electrode 305 is attached to the tip of the wiring 304. The electrode 305 is in contact with the electrode 315 of the holder that supports the waveguide substrate 101, and the wiring 3 on the holder side.
It is electrically connected to 16.

【0022】導波路デバイス10は、カンチレバー2か
らの反射光401が、リニアグレーティングカプラ1
1、12に等しい光量で照射されるように配置される。
In the waveguide device 10, the reflected light 401 from the cantilever 2 is reflected by the linear grating coupler 1.
It is arranged so that the light amount is equal to 1 and 12.

【0023】つぎに、本実施例の微小変位検出器の動作
について説明する。
Next, the operation of the small displacement detector of this embodiment will be described.

【0024】図1のように、光源3から出射されたレー
ザ光は、コリメートレンズ4でコリメートされ、カンチ
レバー2の先端に向けて照射される。カンチレバー2か
らの反射光は、導波路基板101上に形成されたリニア
グレーティングカプラ11、12に照射される。
As shown in FIG. 1, the laser light emitted from the light source 3 is collimated by the collimator lens 4 and irradiated toward the tip of the cantilever 2. The reflected light from the cantilever 2 is applied to the linear grating couplers 11 and 12 formed on the waveguide substrate 101.

【0025】リニアグレーティングカプラ11に照射さ
れた反射光401は、導波路層103の導波光を励振す
る。導波光402は、導波路層103を伝搬し、受光素
子32に至る。この時、導波型レンズ21は、導波光4
02を、基板面方向について、受光素子32に向けて集
光する。図3のように、導波路層103は、受光素子3
2のp形領域105と接触しており、導波光402は、
p形領域105に吸収される。これにより、受光素子3
2の電極107、108間には、導波光402の強度に
応じた光電流が流れる。
The reflected light 401 applied to the linear grating coupler 11 excites the guided light of the waveguide layer 103. The guided light 402 propagates through the waveguide layer 103 and reaches the light receiving element 32. At this time, the waveguide type lens 21 moves the guided light 4
02 is condensed toward the light receiving element 32 in the substrate surface direction. As shown in FIG. 3, the waveguide layer 103 includes the light receiving element 3
2 is in contact with the p-type region 105, and the guided light 402 is
It is absorbed in the p-type region 105. Thereby, the light receiving element 3
A photocurrent corresponding to the intensity of the guided light 402 flows between the two electrodes 107 and 108.

【0026】同様に、リニアグレーティングカプラ12
に照射された反射光は、導波路層103の導波光403
を励振し、導波光403は、受光素子33に至る。受光
素子33には、導波光403の強度に応じた光電流が流
れる。
Similarly, the linear grating coupler 12
The reflected light applied to the
And guided light 403 reaches the light receiving element 33. A photocurrent corresponding to the intensity of the guided light 403 flows through the light receiving element 33.

【0027】このとき、リニアグレーティングカプラ1
1、12によって、それぞれ導波路層103に励振され
る光の量すなわち入射結合効率は、グレーティングカプ
ラ11、12のピッチと、入射する反射光の角度によっ
て定まる。
At this time, the linear grating coupler 1
The amount of light excited into the waveguide layer 103 by the components 1 and 12, that is, the incident coupling efficiency is determined by the pitch of the grating couplers 11 and 12 and the angle of the incident reflected light.

【0028】これについてさらに説明する。This will be further described.

【0029】図1において、カンチレバー2からの反射
光と導波路デバイス表面とのなす角を入射角θとしたと
き、位相整合条件を満たす入射角θeにおいて、最大の
入射結合効率ηeが得られる。入射角θeは、(数1)を
満たすθである。入射角θと結合効率ηとの関係を図4
に示す。
In FIG. 1, when the angle formed by the reflected light from the cantilever 2 and the surface of the waveguide device is the incident angle θ, the maximum incident coupling efficiency η e is obtained at the incident angle θ e that satisfies the phase matching condition. To be The incident angle θ e is θ that satisfies (Equation 1). Fig. 4 shows the relationship between the incident angle θ and the coupling efficiency η.
Shown in

【0030】[0030]

【数1】 [Equation 1]

【0031】ただし、Nsは基板の屈折率、Nは、光導
波路層103の実効屈折率、λは、光の波長、pは、グ
レーティングカプラ11、12のピッチである。
Here, N s is the refractive index of the substrate, N is the effective refractive index of the optical waveguide layer 103, λ is the wavelength of light, and p is the pitch of the grating couplers 11 and 12.

【0032】また、入射角度が位相整合条件を満たす角
θeからΔθずれると、入射結合効率ηが低下する。η
/ηeは、(数2)で与えられる。
When the incident angle deviates from the angle θ e which satisfies the phase matching condition by Δθ, the incident coupling efficiency η decreases. η
/ Η e is given by (Equation 2).

【0033】[0033]

【数2】 [Equation 2]

【0034】ただし、Lは、リニアグレーティングカプ
ラの結合長である。
However, L is the coupling length of the linear grating coupler.

【0035】図4からわかるように、カンチレバー2か
らの反射光が、導波路層103に入射する結合効率η
は、位相整合条件を満たす入射角θeの時に最大とな
り、その両側で、単調減少する。
As can be seen from FIG. 4, the coupling efficiency η at which the reflected light from the cantilever 2 enters the waveguide layer 103.
Becomes maximum when the incident angle θ e satisfies the phase matching condition, and monotonically decreases on both sides of the incident angle θ e .

【0036】また、(数1)から、ピッチの異なるグレ
ーティングは、入射角θeが、異なる角度になることが
わかる。
From (Equation 1), it is understood that the incident angles θ e of the gratings having different pitches are different.

【0037】尚、(数1)から明らかなように、ピッチ
を異ならせる代わりに、例えば、ピッチは同じで、グレ
ーティングとして装荷する材料の屈折率を異ならせるこ
とで、位相整合条件を異ならせてもよい。
As is clear from (Equation 1), instead of changing the pitch, for example, the pitch is the same, and the refractive index of the material loaded as the grating is different to change the phase matching condition. Good.

【0038】本実施例において、リニアグレーティング
カプラ11、12によって導波路層103に結合した導
波光402、403は、それぞれ、受光素子32、33
で検出されるが、検出される光強度は、リニアグレーテ
ィングカプラの結合効率に比例する。本実施例では、受
光素子32、33の出力曲線が、図5に示すように、互
いに交差するように、リニアグレーティングカプラ1
1、12のピッチを定める。リニアグレーティングカプ
ラ11の位相整合条件を満たす入射角をθe1、リニアグ
レーティングカプラ12の位相整合条件を満たす入射角
をθe2とした場合、差動増幅器111によって、受光素
子32、33の出力差を求めることにより、差動増幅器
111の出力は、図6に示すように、θe1からθe2の範
囲において、ほぼリニアとなる。したがって、θe1から
θe2の範囲において、入射角θに対応した差動増幅器1
11の出力を得ることができる。よって、カンチレバー
の変位検出信号に相当する差動増幅器111の出力信号
を得ることができる。
In this embodiment, the guided lights 402 and 403 coupled to the waveguide layer 103 by the linear grating couplers 11 and 12 are the light receiving elements 32 and 33, respectively.
The detected light intensity is proportional to the coupling efficiency of the linear grating coupler. In the present embodiment, the linear grating coupler 1 is configured so that the output curves of the light receiving elements 32 and 33 intersect each other as shown in FIG.
Determine the pitch of 1 and 12. When the incident angle satisfying the phase matching condition of the linear grating coupler 11 is θ e1 and the incident angle satisfying the phase matching condition of the linear grating coupler 12 is θ e2 , the differential amplifier 111 determines the output difference between the light receiving elements 32 and 33. By the determination, the output of the differential amplifier 111 becomes substantially linear in the range of θ e1 to θ e2 as shown in FIG. Therefore, the differential amplifier 1 corresponding to the incident angle θ in the range of θ e1 to θ e2
11 outputs can be obtained. Therefore, the output signal of the differential amplifier 111 corresponding to the displacement detection signal of the cantilever can be obtained.

【0039】つぎに、上述の微小変位検出器によってカ
ンチレバーの変位を検出する原子間力顕微鏡の全体の構
成について、図7を用いて説明する。
Next, the overall structure of the atomic force microscope for detecting the displacement of the cantilever by the above-mentioned minute displacement detector will be described with reference to FIG.

【0040】原子間力顕微鏡は、支持枠215に、試料
214を粗動させる粗動機構211、試料214をプロ
ーブ8に対して走査させるピエゾアクチュエータ21
2、プローブ8を駆動させる駆動機構203、光源3と
コリメートレンズ4とが格納された照明装置202とを
取り付けた構成である。駆動機構203には、さらに、
ホルダ204が取り付けられている。
In the atomic force microscope, a coarse movement mechanism 211 for coarsely moving a sample 214 on a supporting frame 215, and a piezo actuator 21 for scanning the sample 214 with respect to the probe 8.
2, the drive mechanism 203 for driving the probe 8, and the illumination device 202 in which the light source 3 and the collimator lens 4 are stored are attached. The drive mechanism 203 further includes
A holder 204 is attached.

【0041】ホルダ204は、プローブ8と、導波路デ
バイス10とを支持する。プローブ8は、図1に示すよ
うに、カンチレバー2と、カンチレバー2を片持ち支持
する支持部6と、カンチレバー2の先端に配置された探
針7とによりなる。
The holder 204 supports the probe 8 and the waveguide device 10. As shown in FIG. 1, the probe 8 includes a cantilever 2, a support portion 6 that supports the cantilever 2 in a cantilevered manner, and a probe 7 arranged at the tip of the cantilever 2.

【0042】光源3およびコリメートレンズ4が格納さ
れた照明装置202と、導波路デバイス10とは、上述
のように微小変位検出器を構成している。
The illuminating device 202 in which the light source 3 and the collimating lens 4 are stored and the waveguide device 10 constitute the minute displacement detector as described above.

【0043】また、粗動機構211、ピエゾアクチュエ
ータ212、駆動機構203、照明装置202には、こ
れらの動作を制御する制御装置307が接続されてい
る。また、制御装置307には、ホルダ204を介し
て、導波路デバイス10に接続された差動増幅器111
の出力が入力される。制御装置307には、検出した試
料表面214の凹凸画像を表示させるための表示装置3
10が接続されている。
Further, the coarse movement mechanism 211, the piezo actuator 212, the drive mechanism 203, and the illumination device 202 are connected to a control device 307 for controlling these operations. In addition, the control device 307 includes a differential amplifier 111 connected to the waveguide device 10 via the holder 204.
Is input. The control device 307 has a display device 3 for displaying an uneven image of the detected sample surface 214.
10 are connected.

【0044】ホルダ204の構成についてさらに説明す
る。
The structure of the holder 204 will be further described.

【0045】ホルダ204は、突出部311と板バネ3
12とにより、プローブ8を挟み、試料214に対して
プローブ8を傾けて支持する。また、突出部313と板
バネ314とにより、導波路基板101を挟み、プロー
ブ8の上部の近接した位置に導波路基板101を支持す
る。また、突出部313には、導波路基板101の電極
305と接触するための電極315、および、電極31
5と接続された配線316が配置されている。配線31
6は、制御装置307に接続され、これにより微小変位
検出器の差動増幅器111の出力が制御装置307に入
力される。
The holder 204 includes a protrusion 311 and a leaf spring 3.
12, the probe 8 is sandwiched, and the probe 8 is tilted and supported with respect to the sample 214. Further, the waveguide substrate 101 is sandwiched by the protruding portion 313 and the leaf spring 314, and the waveguide substrate 101 is supported at a position close to the upper portion of the probe 8. The protrusion 313 has an electrode 315 for contacting the electrode 305 of the waveguide substrate 101, and an electrode 31.
The wiring 316 connected to the wiring 5 is arranged. Wiring 31
6 is connected to the control device 307, so that the output of the differential amplifier 111 of the small displacement detector is input to the control device 307.

【0046】原子間力顕微鏡の動作については、すでに
よく知られているので、ここでは簡単に説明する。
Since the operation of the atomic force microscope is already well known, it will be briefly described here.

【0047】駆動機構203と粗動機構211とを、制
御装置307により動作させて、プローブ8の探針7
を、試料214の観察位置まで移動させる。つぎに、制
御装置307により、ピエゾアクチュエータ212を動
作させて、試料214を探針7に対して走査させる。こ
の時、プローブ8のカンチレバー2は、試料214と探
針7との間の原子間力により、上向きまたは下向きにた
わむ。このたわみ量は、上述の微小変位検出器により検
出される。
The drive mechanism 203 and the coarse movement mechanism 211 are operated by the control device 307 to operate the probe 7 of the probe 8.
Are moved to the observation position of the sample 214. Next, the controller 307 operates the piezo actuator 212 to scan the sample 214 with respect to the sample 214. At this time, the cantilever 2 of the probe 8 bends upward or downward due to the atomic force between the sample 214 and the probe 7. This amount of deflection is detected by the above-mentioned minute displacement detector.

【0048】具体的には、照明装置202の光源3よ
り、カンチレバー2に光を照射し、反射光を導波路基板
101上に形成されたリニアグレーティングカプラ1
1、12より導波路層103に入射させて、受光素子3
2、33で検出する。受光素子32、33の出力差を差
動増幅器111が出力する。差動増幅器111の出力
は、反射光の入射角に依存する。差動増幅器111の出
力は、導波路基板101の電極305から、ホルダ20
4の電極315および配線316を介して、制御装置3
07に取り込まれる。制御装置307は、取り込んだ差
動増幅器111の出力と、ピエゾアクチュエータ212
の動作量から求めた試料214の位置情報とを対応させ
た画像情報を表示装置310に表示させる。
Specifically, the cantilever 2 is irradiated with light from the light source 3 of the illumination device 202, and the reflected light is reflected by the linear grating coupler 1 formed on the waveguide substrate 101.
The light receiving element 3 is made to enter the waveguide layer 103 from the light receiving elements 1 and 12.
It is detected at 2, 33. The differential amplifier 111 outputs the output difference between the light receiving elements 32 and 33. The output of the differential amplifier 111 depends on the incident angle of reflected light. The output of the differential amplifier 111 is output from the electrode 305 of the waveguide substrate 101 to the holder 20.
4 via the electrode 315 and the wiring 316
It is taken in by 07. The control device 307 receives the output of the differential amplifier 111 and the piezo actuator 212.
The display device 310 is caused to display image information corresponding to the position information of the sample 214 obtained from the movement amount of.

【0049】本実施例の微小変位検出器は、リニアグレ
ーティングカプラ11、12に入射する光量が、反射光
の入射角に依存する作用を用いている。そのため、従来
の光てこ方式等のように、検出精度が、検出部とカンチ
レバーとの距離に依存しない。よって、リニアグレーテ
ィングカプラ11、12をカンチレバー2に近接して配
置しても、小さな反射角の変化を精度よく検出できる。
したがって、微小変位検出器の占める空間を小さくする
ことができる。これにより、本実施例の微小変位検出器
を搭載した原子間力顕微鏡は、高精度に試料の凹凸を検
出可能であるとともに、検出器の占める空間が小さいた
め、原子間力顕微鏡の装置が小型になり、実体顕微鏡等
の他の光学系との組合せも容易になる。
The small displacement detector of this embodiment uses the effect that the amount of light incident on the linear grating couplers 11 and 12 depends on the incident angle of the reflected light. Therefore, the detection accuracy does not depend on the distance between the detection unit and the cantilever unlike the conventional optical lever method. Therefore, even if the linear grating couplers 11 and 12 are arranged close to the cantilever 2, a small change in the reflection angle can be accurately detected.
Therefore, the space occupied by the minute displacement detector can be reduced. As a result, the atomic force microscope equipped with the micro-displacement detector of the present embodiment can detect irregularities of the sample with high accuracy, and the space occupied by the detector is small. Therefore, the combination with other optical systems such as a stereomicroscope becomes easy.

【0050】また、本実施例の微小変位検出器は、リニ
アグレーティングカプラ11、12に均等に反射光が照
射されていればよく、また、対象物とグレーティングと
の位置が近いため、従来のように、反射光の光スポット
の位置で検出を行うものと比較して、アライメントが容
易になるという利点がある。
Further, in the small displacement detector of the present embodiment, it is sufficient that the linear grating couplers 11 and 12 are evenly irradiated with the reflected light, and the positions of the object and the grating are close to each other. In addition, there is an advantage that the alignment becomes easier as compared with the case where the detection is performed at the position of the light spot of the reflected light.

【0051】図2に示したように、導波路デバイス10
は、Si基板上に、リニアグレーティングカプラ、導波
路、受光素子、導波型レンズをモノシリックに集積する
ことで形成することができるため、非常にコンパクトに
また容易に製造することができる。また、本実施例で
は、差動増幅器111を別工程で製造したチップを搭載
したが、Si基板上に、受光素子と共に作り込むことも
もちろん可能である。
As shown in FIG. 2, the waveguide device 10
Can be formed by monolithically integrating a linear grating coupler, a waveguide, a light receiving element, and a waveguide lens on a Si substrate, and therefore can be manufactured very compactly and easily. Further, in the present embodiment, the chip manufactured by a separate process is mounted as the differential amplifier 111, but it is of course possible to build it together with the light receiving element on the Si substrate.

【0052】また、本実施例では、ピッチの異なる2つ
のリニアグレーティングカプラ11、12を用いて、両
者の入射光量の差を求める構成であるため、図6に示す
ように、広い入射角範囲で、入射角に比例する出力信号
を得ることができる。したがって、対象物の変位の検出
範囲が広い。
Further, in this embodiment, since the two linear grating couplers 11 and 12 having different pitches are used to obtain the difference in the incident light amount between the two, it is possible to obtain a wide incident angle range as shown in FIG. , An output signal proportional to the incident angle can be obtained. Therefore, the detection range of the displacement of the object is wide.

【0053】しかしながら、本発明は、2つのグレーテ
ィングカプラを備えたものに限定されるものではなく、
図4のような、ひとつのリニアグレーティングカプラの
結合効率が、単調減少する範囲を検出範囲とすることも
可能である。グレーティングをひとつにした場合には、
差動増幅器も不要であるため、構成が簡素になるという
利点がある。
However, the present invention is not limited to the one having two grating couplers,
It is also possible to set the range in which the coupling efficiency of one linear grating coupler monotonically decreases as shown in FIG. 4 as the detection range. If you have one grating,
Since a differential amplifier is also unnecessary, there is an advantage that the configuration is simple.

【0054】また、図6にでは、入射角に比例する出力
信号を示したが、グレーティングのピッチによっては、
出力信号が曲線になることもある。この場合には、予
め、入射角と出力信号との関係を測定しておき、この関
係を用いて出力信号から入射角を求める回路を設けるこ
とにより、精度よく入射角が検出できる。
Further, in FIG. 6, an output signal proportional to the incident angle is shown, but depending on the pitch of the grating,
The output signal may be curved. In this case, the incident angle can be accurately detected by measuring the relation between the incident angle and the output signal in advance and providing a circuit for obtaining the incident angle from the output signal using this relation.

【0055】また、図1のホルダ204の構成では、導
波路デバイス10ならびにプローブ8を容易に取外し可
能であるため、グレーティングカプラのピッチを変えた
複数の導波路デバイス10を用意しておき、カンチレバ
ーの変位の範囲に合わせて、導波路デバイス10を交換
することにより、より精度よく変位を検出できる。
Further, in the structure of the holder 204 of FIG. 1, since the waveguide device 10 and the probe 8 can be easily removed, a plurality of waveguide devices 10 having different pitches of the grating couplers are prepared and the cantilevers are prepared. By exchanging the waveguide device 10 in accordance with the range of displacement, the displacement can be detected more accurately.

【0056】また、プローブ8をSiで形成し、図8の
ように、プローブ8上にリニアグレーティングカプラを
形成することもできる。光源3から出射された光は、コ
リメートレンズ4を介して、直接リニアグレーティング
カプラ11、12に照射され、カンチレバー2のたわみ
に応じた入射角で、リニアグレーティングカプラ11、
12から光導波路層103に結合する。図8の構成の場
合には、リニアグレーティングカプラ11、12と、光
源3とをアライメントするのみでよく、アライメントが
より容易になるという利点がある。また、カンチレバー
2の検出範囲に応じて、予め最適なピッチのリニアグレ
ーティングカプラ11、12を形成することができると
いう利点もある。
It is also possible to form the probe 8 from Si and form a linear grating coupler on the probe 8 as shown in FIG. The light emitted from the light source 3 is directly applied to the linear grating couplers 11 and 12 through the collimator lens 4, and the linear grating coupler 11 and 12 are incident at an incident angle corresponding to the deflection of the cantilever 2.
12 to the optical waveguide layer 103. In the case of the configuration of FIG. 8, it is only necessary to align the linear grating couplers 11 and 12 and the light source 3, and there is an advantage that the alignment becomes easier. Further, there is an advantage that the linear grating couplers 11 and 12 having an optimum pitch can be formed in advance according to the detection range of the cantilever 2.

【0057】また、本実施例では、基板101上に、1
つの導波路層103を配置し、この導波路層103に、
リニアグレーティングカプラ11、12から入射した2
つの光をそれぞれ伝搬させる構成であるが、導波路層1
03に変えて、リニアグレーティングカプラ11、12
と受光素子32、33とを結ぶ2本のチャネル型導波路
を配置することももちろん可能である。
In addition, in this embodiment, 1
One waveguide layer 103 is arranged, and in this waveguide layer 103,
2 incident from the linear grating couplers 11 and 12
The waveguide layer 1 is configured to propagate two lights respectively.
03, linear grating couplers 11 and 12
Of course, it is also possible to dispose two channel type waveguides that connect the light receiving element and the light receiving elements 32 and 33.

【0058】[0058]

【発明の効果】上述のように、本発明の微小変位検出器
は、光学系の位置決めが容易で、しかも、対象物の変位
に応じた入射角の変化を高い精度で検出することができ
る。
As described above, the micro-displacement detector of the present invention can easily position the optical system and can detect the change of the incident angle according to the displacement of the object with high accuracy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本実施例の微小変位検出器の構成を示すブロッ
ク図。
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a minute displacement detector according to the present embodiment.

【図2】図1の導波路デバイス10の構成を示すブロッ
ク図。
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the waveguide device 10 of FIG.

【図3】図1の導波路デバイス10の部分断面図。3 is a partial cross-sectional view of the waveguide device 10 of FIG.

【図4】リニアグレーティングカプラと導波路との結合
効率の入射角依存性を示すグラフ。
FIG. 4 is a graph showing the incident angle dependence of the coupling efficiency between the linear grating coupler and the waveguide.

【図5】図1のリニアグレーティングカプラ11、12
の2つの受光素子の出力の入射角依存性を示すグラフ。
5 is a linear grating coupler 11, 12 of FIG.
3 is a graph showing the incident angle dependence of the outputs of the two light receiving elements.

【図6】図5の2つの受光素子の出力の差信号を示すグ
ラフ。
6 is a graph showing a difference signal between outputs of two light receiving elements in FIG.

【図7】本実施例の微小変位検出器を備えた原子間力顕
微鏡の構成を示すブロック図。
FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of an atomic force microscope equipped with the small displacement detector according to the present embodiment.

【図8】リニアグレーティングカプラを搭載したプロー
ブの部分断面図。
FIG. 8 is a partial cross-sectional view of a probe equipped with a linear grating coupler.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2…カンチレバー、3…光源、4…コリメートレンズ、
6…支持部、7…探針、8…プローブ、10…導波路デ
バイス、11、12…リニアグレーティングカプラ、2
1、22…導波型レンズ、32、33…受光素子、11
1…差動増幅器、212…ピエゾアクチュエータ、21
4…試料、204…ホルダ、302、303、304…
配線、305、315…電極、316…配線。
2 ... cantilever, 3 ... light source, 4 ... collimating lens,
6 ... Support part, 7 ... Probe, 8 ... Probe, 10 ... Waveguide device, 11, 12 ... Linear grating coupler, 2
1, 22 ... Waveguide lens, 32, 33 ... Light receiving element, 11
1 ... Differential amplifier, 212 ... Piezo actuator, 21
4 ... Sample, 204 ... Holder, 302, 303, 304 ...
Wiring, 305, 315 ... Electrode, 316 ... Wiring.

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】変位を検出すべき対象物に光を照射する光
源と、前記対象物からの反射光を受ける位置に配置され
た少なくとも1つのグレーティングカプラと、前記グレ
ーティングカプラに入射した光により導波光が励振され
る光導波路と、前記光導波路を伝搬する導波光の強度を
検出する検出器とを有することを特徴とする微小変位検
出器。
1. A light source for irradiating an object whose displacement is to be detected with light, at least one grating coupler arranged at a position for receiving reflected light from the object, and light guided by the light incident on the grating coupler. A micro-displacement detector having an optical waveguide in which wave light is excited and a detector for detecting the intensity of guided light propagating in the optical waveguide.
【請求項2】請求項1において、前記グレーティングカ
プラは、位相整合条件の異なる2つのグレーティングカ
プラを有し、 前記検出器は、2つのグレーティングカプラによってそ
れぞれ励振された導波光の強度の差を検出することを特
徴とする微小変位検出器。
2. The grating coupler according to claim 1, wherein the grating coupler includes two grating couplers having different phase matching conditions, and the detector detects a difference in intensity of guided light excited by each of the two grating couplers. A small displacement detector characterized by:
【請求項3】請求項2において、前記2つのグレーティ
ングカプラの位相整合条件は、前記グレーティングカプ
ラと前記光導波路との結合効率の入射角依存曲線が交差
するように定められていることを特徴とする微小変位検
出器。
3. The phase matching condition of the two grating couplers according to claim 2, wherein the incident angle dependence curves of the coupling efficiency between the grating coupler and the optical waveguide intersect each other. A small displacement detector.
【請求項4】請求項1において、前記グレーティングカ
プラは、光導波路上に、直線状のパターンを等ピッチで
周期的に配置することにより構成されたリニアグレーテ
ィングカプラであることを特徴とする微小変位検出器。
4. The micro-displacement according to claim 1, wherein the grating coupler is a linear grating coupler configured by arranging linear patterns on an optical waveguide periodically at an equal pitch. Detector.
【請求項5】先端部に針状部を備えた可撓性プレート部
と、前記針状部の先端に近接する位置に試料を支持する
ための試料台と、前記針状部と前記試料とを相対的に走
査させる駆動部と、前記可撓性プレートに光を照射する
光源と、前記可撓性プレートからの反射光を検出するた
めの検出部とを有し、 前記検出部は、前記可撓性プレートからの反射光を受け
る位置に配置された少なくとも1つのグレーティングカ
プラと、前記グレーティングカプラに入射した光により
導波光が励振される光導波路と、前記光導波路を伝搬す
る導波光の強度を検出する検出器とを有することを特徴
とする原子間力顕微鏡。
5. A flexible plate portion having a needle-shaped portion at its tip, a sample table for supporting a sample at a position close to the tip of the needle-shaped portion, the needle-shaped portion and the sample. A driving unit for relatively scanning, a light source for irradiating the flexible plate with light, and a detection unit for detecting reflected light from the flexible plate, wherein the detection unit is At least one grating coupler arranged at a position for receiving reflected light from the flexible plate, an optical waveguide in which guided light is excited by light incident on the grating coupler, and intensity of guided light propagating in the optical waveguide. Atomic force microscope having a detector for detecting.
【請求項6】先端部に針状部を備えた可撓性プレート部
と、前記針状部の先端に近接する位置に試料を支持する
ための試料台と、前記針状部と前記試料とを相対的に走
査させる駆動部と、前記可撓性プレートに光を照射する
光源と、前記可撓性プレートに照射された光を検出する
ための検出部とを有し、 前記検出部は、前記可撓性プレート上に搭載された光導
波路と、前記光源からの光により前記光導波路の導波光
を励振するために前記光導波路に形成された少なくとも
1つのグレーティングカプラと、前記光導波路を伝搬す
る導波光の強度を検出する検出器とを有することを特徴
とする原子間力顕微鏡。
6. A flexible plate portion having a needle-shaped portion at its tip, a sample stand for supporting a sample at a position close to the tip of the needle-shaped portion, the needle-shaped portion and the sample. A drive unit for relatively scanning, a light source for irradiating the flexible plate with light, and a detection unit for detecting the light with which the flexible plate is irradiated, the detection unit: An optical waveguide mounted on the flexible plate, at least one grating coupler formed in the optical waveguide to excite guided light of the optical waveguide by light from the light source, and propagates through the optical waveguide And a detector that detects the intensity of the guided light.
【請求項7】基板上に配置された光導波路層と、前記光
導波路層上に配置された位相整合条件の異なる2つのグ
レーティングカプラと、前記2つのグレーティングカプ
ラによって前記光導波路層に入射された光をそれぞれ検
出するために、基板上に備えられた2つの受光素子とを
有することを特徴とする導波路デバイス。
7. An optical waveguide layer arranged on a substrate, two grating couplers arranged on the optical waveguide layer and having different phase matching conditions, and incident on the optical waveguide layer by the two grating couplers. A waveguide device, comprising: two light-receiving elements provided on a substrate for detecting light respectively.
【請求項8】請求項7において、前記2つの受光素子の
出力の差を求めるための検出器を、基板上にさらに備え
ることを特徴とする導波路デバイス。
8. The waveguide device according to claim 7, further comprising a detector for determining a difference between outputs of the two light receiving elements on the substrate.
【請求項9】請求項7において、前記基板は半導体基板
であり、前記受光素子は、前記半導体基板に不純物を拡
散することにより形成されていることを特徴とする導波
路デバイス。
9. The waveguide device according to claim 7, wherein the substrate is a semiconductor substrate, and the light receiving element is formed by diffusing impurities into the semiconductor substrate.
【請求項10】請求項9において、前記光導波路層は、
前記受光素子の不純物が拡散された部分の上に配置され
ていることを特徴とする導波路デバイス。
10. The optical waveguide layer according to claim 9,
A waveguide device, wherein the waveguide device is arranged on a portion of the light-receiving element in which impurities are diffused.
【請求項11】可撓性のプレート部と、前記プレート部
の一端に配置された針状部と、前記プレート部の他端を
片持ち支持する支持部とを有するプローブであって、 前記プローブには、光導波路と、前記導波路上に配置さ
れた位相整合条件の異なる2つのグレーティングカプラ
と、前記2つのグレーティングカプラによって前記導波
路に入射した光をそれぞれ検出するために、基板上に備
えられた2つの受光素子とが搭載され、 前記2つのグレーティングカプラは、前記プレート上に
配置されていることを特徴とするプローブ。
11. A probe having a flexible plate portion, a needle-shaped portion arranged at one end of the plate portion, and a support portion that cantilever-supports the other end of the plate portion, the probe comprising: Is provided on a substrate for detecting an optical waveguide, two grating couplers arranged on the waveguide and having different phase matching conditions, and light incident on the waveguide by the two grating couplers, respectively. And two light receiving elements that are mounted on the plate, and the two grating couplers are arranged on the plate.
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