JPH03191805A - 位置検知装置及び方法 - Google Patents

位置検知装置及び方法

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JPH03191805A
JPH03191805A JP2121399A JP12139990A JPH03191805A JP H03191805 A JPH03191805 A JP H03191805A JP 2121399 A JP2121399 A JP 2121399A JP 12139990 A JP12139990 A JP 12139990A JP H03191805 A JPH03191805 A JP H03191805A
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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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、高感度の位置検知装置及び位置検知法に関し
、より詳しくは、原子開力顕微鏡の片持ちぼりなど、可
動部材の僅かな動きを検出する光ファイバ干渉計感知装
置及び同方法に関する。
Ｂ、従来の技術 光ファイバ式の位置センサまたは変位センサは、原子開
力顕微鏡におけるような動きの遠隔検知、または音波の
検出や振動の測定にとって有用である。現在までに、光
干渉効果を利用する光ファイバ・センサがいくつか提案
されている。
■ バウワーズ（Ｂｏｗｅｒｓ　）他の米国特許第４６５２
７４４号明細書は、音波検出に用いられる変位センサを
記載している。これは、試料上の同じ点から反射された
光の２成分の干渉を用いており、方の成分は光ファイバ
遅延線により時間遅延が生じている。この方法には、緩
慢に変化する変位を検出できないという欠点がある。検
出可能な最低周波数は、光ファイバ遅延線における時間
遅延によって決定される。
■ アプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌ。
Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ）第５３巻第１２号（１９８８年
）は、真空中に配置され、試料に隣接して配置されたチ
ップと、レーザビームの片持ちばりから位置検知検出器
への反射を容易とするため裏面に取り付けた反射鏡を育
する原子開力顕微鏡を開示している。
この装置は、多くの場合に容認可能な働きをするが、片
持ちぼり上に反射性の高い表面を要求し、片持ちぼりか
細いワイヤなどから作られている場合には不適当である
。
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、　Ｉｎ５ｔｒ、）第５５巻ｐ
。
１Ｂ２　（１９８４年）と、そのレビュー・オブ・サイ
エンティフィック・インストルメント第５９巻ｐ、２３
３７　（１９８８年）に発表された変更論文は、緩慢に
変化する変位を検出でき、振動測定に使用される光ファ
イバ干渉計を開示している。
これらの装置は、コヒーレンス長の長いガスレーザ及び
偏光検知光学器具から構成されている。ガスレーザから
の水平偏光を、偏光ビーム・スプリッタに透過させ、光
ファイバ中に送り出す。光線は、光４分の１波長板のよ
うに働くファイバ・ループを通過する。ファイバ・ルー
プは水平偏光を円偏光に変換すると、円偏光はファイバ
終端まで進む。
ファイバ終端から反射する光は、物体により反射された
光と破壊的あるいは構成的に干渉する。再反射成分の相
対位相が、ファイバを伝播して戻る円偏光の総量を決定
する。ファイバ・ループが円偏光に作用して、これを垂
直偏光に変換する。この垂直偏光が、ファイバから離脱
して、偏光ビーム・スプリッタによりフォトダイオード
検出器へ反射される。
前記参考文献に所載の装置には、次の４つの欠点がある
。
１）ガスレーザ、対物レンズ、ビーム・スプリッタなど
のかさばる構成要素が使用される。諸構成要素間で、光
が空気中を伝播し、このためシステムが空気の流れと雑
音による撹乱を受は易い。
２）種々の構成要素の手動による位置調整が必要である
。光を非常に小さい単モード・ファイバの芯部に正確に
集束させるために、定常的な位置調整を必要とする。
３）検出法は、光の偏光に基づき、物体により反射され
る光をレーザから入射する光から分離する偏光ビーム・
スプリッタによる。この働きを適正にするため、ファイ
バ・ループの大きさと方向設定を調整して、ファイバか
ら帰る光が確実に適正な垂直偏光を有するように調節し
なければならない。不運なことに、ファイバに起こりが
ちな他の屈曲部が偏光を撹乱する。また、ファイバの複
屈折が温度に敏感なので、偏光も温度に敏感となる。
４）コヒーレンス長の長いヘリウム・ネオン・ガス・レ
ーザを使用しているので、装置のその他の部分からの漂
遊反射がファイバ終端から来る光と構成的あるいは破壊
的に干渉する可能性がある。
漂遊反射の位相によって、干渉が構成的か破壊的かが決
まる。漂遊反射の位相が温度などによって変動するので
、このことが信号の不安定（低周波雑音）をもたらす。
■ ５ＰＩＥプロシーデインゲス（ＳＰＩＥＰｒｏｃｅｅｄ
ｆｎｇｓ　）第８３８巻ｐ１）、２８８〜２９１の論文
は、周波数変調ダイオード・レーザと導波管結合器を用
いる光ファイバ変位センサを記載している。周波数変調
光がファイバ結合器を介して多モード光ファイバ中に結
合され、これをレンズによって物体上に向ける。物体か
ら反射された光とファイバ終端から反射された光の間に
周波数の差があるので、光の強度は物体とファイバ終端
の間の距離により決定されるビート周波数で振動させら
れる。このビート周波数を、周波数計で測定する。この
方法には次の欠点がある。
工）ダイオード・レーザの周波数変調は、バイアス電流
の適当な選択にクリチカルに左右され、温度と個々のダ
イオードの特性の関数である。
２）ビート周波数を正確に測定するのは時間のかかる過
程であり、したがって、測定の帯域幅が限定される。
３）レンズから出る光ビームの大きさは、１ｍｍの程度
である。したがって、本方法は、数ミクロン程度の寸法
をとることのある原子開力顕微鏡の片持ちぼりなどの小
さな物体を測定するのに適さない。
■ ５ＰＩＥプロシーデインゲス（ＳＰＩＥＰｒｏｃｅｅｄ
ｉｎｇｓ　）第５１４号ｐｐ、７１〜７４所載の論文は
、光ファイバ吸収分光計を記載している。
この装置は、単モード・ファイバ及びファイバ結合器を
介して検知セルに送られる光を使用する。
検知セルを構成される領域では、ファイバ芯部が吸収ス
ペクトルを検知しようとする液体にさらされている。検
知セル中のファイバ終端にある反射鏡が光を反射し、光
は結合器を通って光検出器に戻る。光検出器により検出
される光の量は、液体の吸収スペクトルに依存する。こ
の装置は、位置センサでも変位センサでもな（、構成に
若干の共通性はあるが、検知用に干渉効果を利用しない
。
Ｃ０発明が解決しようとする課題 本発明の目的は、偏光に対する敏感性及び光ファイバ構
成要素の熱応答に対する敏感性を最小限にした、光ファ
イバ干渉計型の高感度位置検知装置を提供することにあ
る。
本発明のもう一つの目的は、機器構成がコンパクトな光
ファイバ干渉計型の高感度位置検知装置を提供すること
にある。
本発明のさらにもう一つの目的は、コヒーレンス長の短
いレーザを用いる光ファイバ干渉計型の高感度位置検知
装置を提供することにある。
本発明のなおもう一つの目的は、光学的調整の要らない
光ファイバ干渉計型の高感度位置検知装置を提供するこ
とにある。
０９課題を解決するための手段 この目的を達成するため、かつ本発明によると、複数の
外部ポートを具備する光学的方向性結合器から構成され
た、可動部材の位置または変位を検知する高感度の装置
が提供される。コヒーレンス長の短いダイオード・レー
ザからの光をポートの１つに入射させる。結合器は、入
射光の１部分を第２ポート及び単モード光ファイバを介
して部材に向けるビーム・スプリッタとして働く。光の
前記部分の一部を部材からと前記ファイバの隣接する裂
けた端から同時反射させて前記光ファイバ中に戻し、さ
らに第３ポートを介して光検出器に光学的に結合させて
、前記同時反射の相対位相に基づいて、振幅が部材の位
置を指示している信号を、送出させる。
入射光の他方の部分を、光学的結合器により第４ポート
を介して、入射光の強度に比例する信号を基準として送
出するもう一方の光検出器に伝送するのが好ましい。こ
れら二つの信号を減算回路、除算回路などに供給して、
レーザ強度の揺らぎを最小にして出力させるのが好まし
い。
Ｅ、実施例 第１図に示すように、本発明を具体化する位置検知装置
は、４個のポート、ａｌｂｚ　ＣＮ　ｄを有する従来型
のファイバ方向性結合器１０を含む。
結合器１０は、ポートａｓ　ｂｚ　ＣＮ　ｄからそれぞ
れ延びる４個の外部リード１ｌａ１１１ｂ、１２ａ、１
２ｂを有する２本の単モード光ファイバ１１．１２を結
合する。ダイオード・レーザ１３は、ファイバ１１の片
方の終端を介して、光をポート中に入射させる。結合器
１０は、ボー）ｂとファイバ１１を介して、位置を検知
しようとする部材１４に光のほぼ半分を向ける偏光に敏
感でないビーム・スプリッタの役をする。
光は部材１４近くのファイバ１１の終端から、さらに部
材自体からも反射される。これら２つの反射ＸｓＶに対
する干渉条件（第２図参照）は、両反射の相対位相に依
存し、反射してファイバ１１中を戻る光の総量を決定す
る。ファイバ１１中を戻って進む反射光は、結合器１０
によって光学的に結合され、ボー）Ｃを介してファイバ
１２に伝送され、光検出器１５に向けられる。
光検出器１５は、電源＋Ｖに接続され、かつ抵抗器１６
を介して接地されているフォトダイオードを含んでもよ
い。光検出器１５は、部材１４の動きに応答してその位
置を検知する出力信号を線１７に供給する。この信号の
振幅は、部材１４の位置を検知する信号として利用可能
である。ただし、これから記述しようとするような手段
が、レーザ１３における強度振幅の揺らぎを実質的に打
ち消すために設けられている。
図に示すように、ファイバ１１中に入射させた光の他の
半分が、結合器１０により光学的に結合され、電源＋Ｖ
と大地に加減抵抗１９を介して接続されたフォトダイオ
ードなどの光検出器１８にファイバ１２を介して伝送さ
れるのが好ましい。
光検出器１８は、基準信号として、レーザ１３によりフ
ァイバ１１中に入射された光に比例する出力信号を線２
０に送出する。
線１７の位置出力信号を線２０の基準信号と適当に突き
合わせて、レーザ１３の強度揺らぎの効果を最小にする
。図に示すように、回路すなわち差動増幅器２１は基準
信号を位置信号から減算する。ただし、好ましい場合に
は、除算機構その他の回路を回線２１の代りにしてもよ
い。いずれの場合にも、回路２１またはその等価回路の
線２２にある出力を使って、部材１４の位置をその他の
ある要素に比べてまたはその逆に、検知し、また所望の
場合は、適当なサーボ・フィードバック電子回路機構２
３を介して、制御する。
第３図に示すように、光検出器１５で検出される光強度
の振幅は、ファイバ１１終端と部材１４の間の間隔の関
数として変動する。振幅は、最小から最大までλ／４の
変位で変化する。ただし、λは光の波長である。小さな
変位すなわち位置変化を検出するのに好ましい動作点は
、最小と最大の間の距離の約半分に当る曲線の最も急勾
配の部分、２にある。
図に示すように、部材１４は、原子開力顕微鏡（ＡＦＭ
）など、本発明の出願人に譲渡された米国特許第４７２
４３１８号明細書に開示されている種類の方式顕微鏡の
片持ちぼりアームである。
前記明細書に充分記載されているように、ＡＦＭは、部
材１４とＸＮＹＮＺ駆動機構２５に接続されていて試料
２６を片持ちばり部材１４のチップに比して制御する圧
電素子２４を含む。ＸＮ３’ＮＺ駆動機構２４が試料２
６の動きを制御するための特定の手段と、圧電素子２４
（またはバイモルフ等価片）が片持ちばり部材１４に作
用する方式も、本発明の部分を形成するものではない。
ただし、図に示すように、サーボ・フィードバック回路
機構２３はドライブ２５のＺ駆動機械部分を制御する。
ファイバ１１のリードｌｌｂの終端における反射を高め
るため、ファイバ対面部材１４の終端は、銀やアルミニ
ウムなどの金属の厚さ数百オングストロームの部分反射
被覆を施しであるのが好ましい。あるいは、好ましい場
合には、被覆がＺｒＯ３など屈折率の高い厚さが４分の
１波長になっている誘電体を含んでもよい。
光検出器１５及び１８にそれぞれあるファイバ１２のリ
ード末端からの漂遊反射は、ファイバ末端ｔ−ニューシ
ャーシ一州カーギル・オブ・シダー・グローブ社により
市販されているシリーズＡなど屈折率整合液に浸すこと
により、あるいは前記末端を磨いて前記ファイバの末端
面がファイバの軸に垂直にならないようにして、最小に
することができる。
性能を最適化するために、レーザ光源１３は短いコヒー
レンス長を有し、漂遊反射からの干渉効果を最小にすべ
きである。したがって、レーザ１３は複数モードの多様
なものになるべきである。
ダイオード・レーザ１３は、ニューシャーシｍ−ゼネラ
ル・オプトロニクス・オブ・エディソンにより市販され
ているモデルＧＰ−ＤＩＰ１００Ｏなどの、光ファイバ
出力を有する種類のものであるのが好ましい。しかし、
好ましい場合には、光源１３はコヒーレンス長の短い超
放射ダイオードまたは発光ダイオードでもよい。代替と
して、単モード・ダイオード・レーザを高周波で変調す
ることにより、短いコヒーレンス長にすることができる
。
本発明は、図に示すように、それぞれファイバ１１及び
１２の末端に隣接する部材１４及びフォトダイオード１
８を描いているが、好ましい場合には、部材１４及びフ
ォトダイオード１８をそれぞれファイバ１２及び１１の
末端に隣接して配置してもよいことが理解される。
また好ましい場合には、方向性結合器１０は、ダイオー
ドレーザ１３及び光検出器１５．１８を方向性結合器の
ポートａｓｂｓｃそれぞれに直接接続し、リード１１　
ａＮ　１２　ａｓ　１２　ｂにより前記ポートに接続す
るのではない。このような場合には、「リード」のダイ
オード・レーザ及び光検出器までの長さは、実質的に０
になる。
Ｆ０発明の効果 本発明を具体化する装置及び方法は次の利点を有するこ
とがわかる。
１）直接ファイバに相互接続されたコンパクトな構成要
素の使用。構成要素間に空気経路がないので、空気流及
び雑音に対する感度は最小である。
構成要素は直接的なファイバ相互接続が設けられている
ので、再位置合せの必要はまったくない。
２）偏光に敏感でなく、シたがって、偏光に無関係であ
り、周囲温度の変動またはファイバの屈曲あるいはその
両方により不可避的に生じる偏光の変化を免れるファイ
バ方向性結合器の使用。また、ファイバ・ループ及び関
連する調整が不要となるので望ましい。
３）複数モード・レーザ・ダイオードなどのコヒーレン
ス長の短い光源、高周波数変調単モード・レーザ・ダイ
オード、または発光ダイオード（ＬＥＤ）の使用。コヒ
ーレンス長が短いことにより、装置のその他の部分から
の漂遊反射が信号光との一定の位相関係をもたないこと
が保証されている。したがって、位相は、温度変動その
他の撹乱に対してはるかにより安定することとなる。
４）レーザからの光を監視できる。振幅の揺らぎは、除
算回路や差分回路などの適当な回路により打ち消すこと
ができる。
５）周波数変調の光源を必要としない。
６）単モードの光ファイバを使用することにより、光の
直径を５ミクロン未溝に制限している。したがって、レ
ンズにより光点を小さくする必要がなく、ＡＦＭ片持ち
ぼりなどの小さな対象の動きを測定できる。
本発明はその好ましい実施例に関連して示され記載され
ているが、当業者は、当明細書中に開示されている光フ
ァイバ位置センサを、音波の検出用あるいは振動や表面
粗さの測定用など、その他の目的にも使用できることを
理解することになる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、図示用に、原子開力顕微鏡（ＡＦＭ）に適用
して本発明を具体化する、位置検知装置の略図である。 第２図は、ファイバから、および位置を検知しようとす
るＡＦＭの片持ちばりなどの部材から反射された光の経
路を示すための、第１図に示す装置の１部を非常に拡大
した部分図である。 第３図は、検出した光がファイバの終端と部材との間隔
に対して変動する様子を示すプロットである。 １０・・・・結合器、１１．１２・・・・単モード光フ
ァイバ、１３・・・・ダイオード・レーザ、１４・・・
・部材、１５．１８・・・・光検出器、１６・・・・抵
抗器、１７．２０・・・・線、２１・・・・回路、２３
・・・・サーボ・フィードバック回路機構、２４・・・
・圧電素子、２５・・・・ドライブ、２６・・・・試料
。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）入射光を受光するための一つのポートを有する光
    方向性結合器と、 結合器の他のポートから延びる単モード光ファイバと、 結合器の第３ポートに光学的に接続された光検出手段と を含み、前記結合器は検知対象の部材に光ファイバを介
    して前記入射光のある部分を向け、かつ前記光検出手段
    に前記光ファイバと第３ポートを介して部材からと前記
    光ファイバの端とから同時に反射された前記部分の一部
    を向け、前記同時反射の相対位相に応じて、光検出手段
    に、振幅が部材の位置を指示している出力信号を出させ
    るように動作できることになっている、 部材の位置を検知するための位置検知装置。
  2. （２）光が第１リードファイバ中に入射可能である複数
    のリードファイバを備えた、光学的に結合した複数の単
    モード光ファイバを含むファイバ方向性結合器と、 光検出手段と を含み、前記結合器は、位置を検知しようとする部材に
    第２リードファイバを介して前記入射光のある部分を向
    け、かつ前記光検出手段に前記リードファイバの第３フ
    ァイバを介して部材からと前記第２リードファイバの端
    から同時に反射された前記入射光部分の一部を向け、光
    検出手段に、前記同時反射の相対位相に応じて、振幅が
    部材の位置を指示している出力信号を送出させるように
    動作できる、 部材の位置を検知するための位置検知装置。
  3. （３）複数のポートを有する光結合器を備え付ける段階
    と、 光検出装置を備え付ける段階と、 ポートの１つを介して光を結合器中に入射して、ある入
    射部分を部材へ第２ポートと部材に近接している単モー
    ド光ファイバを介して向けさせ、前記入射光部分の１部
    を部材からと前記ファイバの端から同時に反射させて結
    合器中に戻し、さらにこれを第３ポートを介して、振幅
    が部材の位置を指示し、前記同時反射の相対位相に依存
    している出力信号を送出する光検出装置に向けさせる段
    階と を含む、部材の位置を検知するための方法。
  4. （４）外部リードを有する１対の単モード光ファイバを
    光学的に結合させる手段を設ける段階と、１対の光検出
    装置を設ける段階と、 光を第１リードの１端中に入射させ、さらに、入射光の
    ある部分を部材に第２リードを介して向けさせ、前記入
    射光部分の１部を部材からと前記第２リードの端から同
    時に反射させて結合手段中に戻し、これを、振幅が前記
    同時反射の相対位相に依存し、部材の位置を指示してい
    る出力信号を送出する光検出装置の一つに、第３リード
    を介して向けさせ、入射光のもう一方の部分を入射光に
    比例する信号を送出するもう一方の光検出装置に第４リ
    ードを介して向けさせる光結合手段中に、光を通過させ
    る段階と、 前記信号を組み合わせて、入射光の強度の揺らぎ効果が
    最小になる部材位置を指示する出力を供給する段階と を含む、部材の位置を検知するための位置検知方法。
JP2121399A 1989-05-16 1990-05-14 位置検知装置及び方法 Expired - Fee Related JPH0663727B2 (ja)

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US352804 1989-05-16

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US (1) US5017010A (ja)
EP (1) EP0398085B1 (ja)
JP (1) JPH0663727B2 (ja)
DE (1) DE69001386T2 (ja)

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