JPH0663727B2 - 位置検知装置及び方法 - Google Patents
位置検知装置及び方法Info
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- JPH0663727B2 JPH0663727B2 JP2121399A JP12139990A JPH0663727B2 JP H0663727 B2 JPH0663727 B2 JP H0663727B2 JP 2121399 A JP2121399 A JP 2121399A JP 12139990 A JP12139990 A JP 12139990A JP H0663727 B2 JPH0663727 B2 JP H0663727B2
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
- G01Q10/04—Fine scanning or positioning
- G01Q10/06—Circuits or algorithms therefor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—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
- G01D5/26—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
- 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
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q20/00—Monitoring the movement or position of the probe
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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、原子間力顕微鏡の片持ちばりなど、
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。
し、より詳しくは、原子間力顕微鏡の片持ちばりなど、
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、原子間
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。
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。
Ｉ バウワーズ（Bowers）他の米国特許第4652744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、一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。
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、一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。
II アプライド・フィジックス・レターズ（Appl. Phys. Le
tt）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有する原子間力顕微鏡を開示し
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、片持ちばり上に反射性の高い表面を要求し、片持
ちばりが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。
tt）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有する原子間力顕微鏡を開示し
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、片持ちばり上に反射性の高い表面を要求し、片持
ちばりが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。
III 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. Instr.）第55巻p.162（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.2337（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。両反射成分
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・スプリッタによるフォトダイオ
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。
ント（Rev. Sci. Instr.）第55巻p.162（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.2337（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。両反射成分
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・スプリッタによるフォトダイオ
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
音による撹乱を受け易い。
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
音による撹乱を受け易い。
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
に集束たせるために、定常的な位置調整を必要とする。
る。光を非常に小さい単モード・ファイバの芯部に正確
に集束たせるために、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攪乱する。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。
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攪乱する。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。
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。
IV SPIEプロシーディングス（SPIE Proceedings）第838巻p
p.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。
p.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。
１）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。
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。
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間力顕微鏡の片持ちばりなどの小さ
な物体を測定するのに適さない。
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間力顕微鏡の片持ちばりなどの小さ
な物体を測定するのに適さない。
Ｖ SPIEプロシーディングス（SPIE Proceedings）第514号p
p.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く、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。
p.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く、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。
C.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。
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。
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。
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。
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。
D.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置に基づいて、振幅が部材の
位置を指示している信号を、送出させる。
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置に基づいて、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。
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。
本発明の構成は、次の通りである。
1.入射光を受光するための第１のポート、入射光の一部
を光フアイバを介して検知部材へ指向させると共に該検
知部材および光フアイバ末端における同時的反射光を受
光するための第２のポートならびに該反射光を第１の検
光手段へ向けて出光させるための第３のポートを有する
光方向性結合器と、 前記第１の検光手段を含み、前記反射光の相対的位相に
もとづいて検知部材の位置を表わす振幅の出力信号を発
生するための出力信号発生手段と、 より成る検知部材の位置を検知するための位置検知装置
において、 前記光方向性結合器は、前記第１のポートで受光した入
射光を前記第２のポートおよび第４のポートに分光する
機能を有しており、 前記第４のポートは、前記結合器への入射光に比例する
電気信号を基準信号として発生するための、第２の検光
手段を含む基準発生手段に結合されており、 前記出力発生手段および基準信号発生手段に結合され、
基準信号により出力信号を補正するための差動回路を設
け、 入射光の強度変動の影響を最小にした位置検知装置。
を光フアイバを介して検知部材へ指向させると共に該検
知部材および光フアイバ末端における同時的反射光を受
光するための第２のポートならびに該反射光を第１の検
光手段へ向けて出光させるための第３のポートを有する
光方向性結合器と、 前記第１の検光手段を含み、前記反射光の相対的位相に
もとづいて検知部材の位置を表わす振幅の出力信号を発
生するための出力信号発生手段と、 より成る検知部材の位置を検知するための位置検知装置
において、 前記光方向性結合器は、前記第１のポートで受光した入
射光を前記第２のポートおよび第４のポートに分光する
機能を有しており、 前記第４のポートは、前記結合器への入射光に比例する
電気信号を基準信号として発生するための、第２の検光
手段を含む基準発生手段に結合されており、 前記出力発生手段および基準信号発生手段に結合され、
基準信号により出力信号を補正するための差動回路を設
け、 入射光の強度変動の影響を最小にした位置検知装置。
2.外部リードを有する１対の単モード光フアイバを光学
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、光を透過させ
る段階と、 前記信号を組み合わせて、入射光の強度変動の影響が最
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。
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、光を透過させ
る段階と、 前記信号を組み合わせて、入射光の強度変動の影響が最
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。
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、ａ、ｂ、ｃ、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ａ、
ｂ、ｃ、ｄからそれぞれ伸びる４個の外部リード11a、1
1b、12a、12b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、ポート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。
は、４個のポート、ａ、ｂ、ｃ、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ａ、
ｂ、ｃ、ｄからそれぞれ伸びる４個の外部リード11a、1
1b、12a、12b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、ポート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。
光ば部材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ｘ、ｙに対する
干渉条件（第２図参照）は、両反射の相対位置に依存
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、ポート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。
体からも反射される。これら２つの反射ｘ、ｙに対する
干渉条件（第２図参照）は、両反射の相対位置に依存
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、ポート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出
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。
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出
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
地に可変抵抗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
20に送出する。
分が、結合器10により光学的に結合され、電源＋Ｖと大
地に可変抵抗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
20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付き合わ
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23を介して、制御す
る。
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23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、ｚにある。
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、ｚにある。
図に示すように、部材14は、原子間力顕微鏡（AFM）な
ど、本発明の出願人に譲渡された米国特許第4724318号
明細書に開示されている種類の方式顕微鏡の片持ちばり
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に固定されている圧電素子24とＸ、
Ｙ、Ｚ駆動機構25とより成り、試料26を、片持ちばり部
材14の尖端に関して、制御することができる。Ｘ、Ｙ、
Ｚ駆動機構25による試料26の移動制御方法および圧電素
子24による片持ちばかり部材14動作態様は、本発明の一
部をなすものではない。サーボ電子回路23は、フイード
・バツク制御の下に、駆動機構25のＺ方向の駆動部分を
制御するものである。
ど、本発明の出願人に譲渡された米国特許第4724318号
明細書に開示されている種類の方式顕微鏡の片持ちばり
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に固定されている圧電素子24とＸ、
Ｙ、Ｚ駆動機構25とより成り、試料26を、片持ちばり部
材14の尖端に関して、制御することができる。Ｘ、Ｙ、
Ｚ駆動機構25による試料26の移動制御方法および圧電素
子24による片持ちばかり部材14動作態様は、本発明の一
部をなすものではない。サーボ電子回路23は、フイード
・バツク制御の下に、駆動機構25のＺ方向の駆動部分を
制御するものである。
ファイバ11のリード11b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
施してあるのが好ましい。あるいは、好ましい場合に
は、被覆がZrO２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。
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
施してあるのが好ましい。あるいは、好ましい場合に
は、被覆がZrO２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、ファイバ末端をニュージャージー
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。
端からの漂遊反射は、ファイバ末端をニュージャージー
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。
性能を最適化すえるために、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
ージャージー州ゼネラル・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−DIP1000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。
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
ージャージー州ゼネラル・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−DIP1000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18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。
の末端に隣接する部材14及びフォトダイオード18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
ａ、ｂ、ｃそれぞれに直接接続し、リード11a、12a、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。
ドレーザ13及び光検出器15、18を方向性結合器のポート
ａ、ｂ、ｃそれぞれに直接接続し、リード11a、12a、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。
F.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。
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
素の作用。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。
素の作用。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、したがって、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。
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
レンス長か短いことにより、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
の攪乱に対してはるかにより安定することとなる。
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
レンス長か短いことにより、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
の攪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。
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ミクロン未満に制限している。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片持ちば
りなどの小さな対象の動きを測定できる。
直径を５ミクロン未満に制限している。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片持ちば
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。
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。
第１図は、図示用に、原子間力顕微鏡（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。
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 (2)
- 【請求項１】入射光を受光するための第１のポート、入
射光の一部を光フアイバを介して検知部材へ指向させる
と共に該検知部材および光フアイバ末端における同時的
反射光を受光するための第２のポートならびに該反射光
を第１の検光手段へ向けて出光させるための第３のポー
トを有する光方向性結合器と、 前記第１の検光手段を含み、前記反射光の相対的位相に
もとづいて検知部材の位置を表わす振幅の出力信号を発
生するための出力信号発生手段と、 より成る検知部材の位置を検知するための位置検知装置
において、 前記光方向性結合器は、前記第１のポートで受光した入
射光を前記第２のポートおよび第４のポートに分光する
機能を有しており、 前記第４のポートは、前記結合器への入射光に比例する
電気信号を基準信号として発生するための、第２の検光
手段を含む基準発生手段に結合されており、 前記出力発生手段および基準信号発生手段に結合され、
基準信号により出力信号を補正するための差動回路を設
け、 入射光の強度変動の影響を最小にした位置検知装置。 - 【請求項２】外部リードを有する１対の単モード光フア
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、入射光の強度変動の影響が最
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。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US352804 | 1989-05-16 | ||
| US07/352,804 US5017010A (en) | 1989-05-16 | 1989-05-16 | High sensitivity position sensor and method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03191805A JPH03191805A (ja) | 1991-08-21 |
| JPH0663727B2 true JPH0663727B2 (ja) | 1994-08-22 |
Family
ID=23386561
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2121399A Expired - Fee Related JPH0663727B2 (ja) | 1989-05-16 | 1990-05-14 | 位置検知装置及び方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5017010A (ja) |
| EP (1) | EP0398085B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0663727B2 (ja) |
| DE (1) | DE69001386T2 (ja) |
Families Citing this family (36)
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|---|---|---|---|---|
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| JP2679339B2 (ja) * | 1990-03-07 | 1997-11-19 | 松下電器産業株式会社 | 微小変位検出装置 |
| JP2661314B2 (ja) * | 1990-03-07 | 1997-10-08 | 松下電器産業株式会社 | 形状測定装置及び形状測定方法 |
| JP3000491B2 (ja) * | 1991-04-10 | 2000-01-17 | キヤノン株式会社 | カンチレバーユニット及びこれを用いた情報処理装置、原子間力顕微鏡、磁力顕微鏡 |
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-
1989
- 1989-05-16 US US07/352,804 patent/US5017010A/en not_active Expired - Fee Related
-
1990
- 1990-05-04 EP EP90108417A patent/EP0398085B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1990-05-04 DE DE90108417T patent/DE69001386T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1990-05-14 JP JP2121399A patent/JPH0663727B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE69001386T2 (de) | 1993-10-28 |
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| JPH03191805A (ja) | 1991-08-21 |
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