JPH0887328A - Optical operation method - Google Patents
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- JPH0887328A JPH0887328A JP22068994A JP22068994A JPH0887328A JP H0887328 A JPH0887328 A JP H0887328A JP 22068994 A JP22068994 A JP 22068994A JP 22068994 A JP22068994 A JP 22068994A JP H0887328 A JPH0887328 A JP H0887328A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、光操作方法に関する
ものである。さらに詳しくは、この発明は、生物工学、
マイクロエレクトロニクス、マイクロマシン等の諸分野
で有用なナノメートル領域の極微小変位を高精度に制御
することのできる、新しい光操作方法に関するものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical operating method. More specifically, the present invention relates to biotechnology,
The present invention relates to a new optical manipulation method capable of controlling extremely small displacements in the nanometer range with high precision, which are useful in various fields such as microelectronics and micromachines.
【０００２】[0002]
【従来の技術とその課題】近年の生物工学やマイクロエ
レクトロニクスの進展は顕著であって、ミクロ世界の現
象の解明とその人為的応用への検討が精力的に進められ
てきている。このような領域では、不可避的にナノメー
トルレベルでの高精度な操作・計測技術の確立が必要と
されている。2. Description of the Related Art Advances in biotechnology and microelectronics have been remarkable in recent years, and clarification of phenomena in the micro world and examination of its artificial application have been vigorously pursued. In such areas, it is inevitable to establish high-precision operation and measurement technology at the nanometer level.
【０００３】たとえば、従来、ナノメートル領域での極
微小変位を計測する際には、微小物体の熱等によるゆら
ぎが避けられない問題としてあり、このゆらぎの分だけ
操作・計測の分解能には制約があった。高分解能をめざ
せばめざすほど、微小であればあるほど、熱ゆらぎは大
きな問題となっていた。すなわち、従来、ナノメートル
領域で物体を比較的精度良く操作する技術としては以下
の二つの方法があるが、いずれも解決すべき課題をかか
えていた。 （１）光ピンセット 図４で示したように、単一モードのレーザー光を開口数
の大きなレンズで集光し、焦点付近に小さな誘電体粒子
を捕捉する方法が知られており、この方法では、直径２
５ｎｍから１０μｍ程度の粒子が捕捉可能である。光の
運動量は入射光の進む方向を向いており、粒子を光の進
行方向に押している。一方光の電場勾配による力は、光
強度の高い領域（焦点方向）に粒子を引張っている。こ
のため、粒子は２つの力が釣り合った場所に捕捉される
ことになる。たとえば、直径１μｍのラテックス粒子を
１００ｍＷのレーザーパワーでトラップした場合の捕捉
力は数十ｐＮである。For example, conventionally, when measuring an extremely small displacement in the nanometer range, there has been an unavoidable problem that fluctuations due to heat of minute objects are unavoidable, and the resolution of operation and measurement is limited by the fluctuation. was there. The thermal fluctuation has become a serious problem as the resolution is increased and the resolution is reduced. That is, conventionally, there are the following two methods as techniques for operating an object in the nanometer range with relatively high accuracy, but both have problems to be solved. (1) Optical tweezers As shown in FIG. 4, a method is known in which single mode laser light is condensed by a lens with a large numerical aperture and small dielectric particles are trapped near the focal point. , Diameter 2
Particles of about 5 nm to 10 μm can be captured. The momentum of light is directed in the direction of travel of incident light, pushing the particles in the direction of travel of light. On the other hand, the force due to the electric field gradient of light pulls the particles in a region (focus direction) where the light intensity is high. Therefore, the particles will be trapped in a place where the two forces are in balance. For example, the trapping force when trapping latex particles having a diameter of 1 μm with a laser power of 100 mW is several tens pN.
【０００４】このような光ピンセット法による微小物体
の操作法には、次のような問題点がある。 ＜ａ＞１μｍ前後のサイズのものにしか適用できない。 ＜ｂ＞球または球に近い形をしたものの補足に使用され
るが、回転方向にはなんら力を及ぼさないので、回転運
動に関しては制御・操作することができない。 ＜ｃ＞光の進行方向（図の縦方向）の補足力が弱い。す
なわち、この方法は、光に垂直な平面方向の操作に適し
ており、進行方向の操作には不適である。The method of manipulating a minute object by such an optical tweezer method has the following problems. <a> Applicable only to a size of about 1 μm. <B> It is used to supplement a sphere or a shape close to a sphere, but since it exerts no force in the rotational direction, it cannot control or operate the rotational movement. <C> The supplementary force in the light traveling direction (vertical direction in the figure) is weak. That is, this method is suitable for operation in the plane direction perpendicular to the light, and is not suitable for operation in the traveling direction.
【０００５】従って、この従来の光ピンセット法では、
回転方向の制御ができないことと光の進行方向の制御が
弱いという点から、物体ゆらぎの制御を完全に行うこと
ができないという欠点がある。 （２）ピエゾ素子による方法 図５はピエゾ素子を例示したものであるが、このピエゾ
素子の場合には、１００〜１０００Ｖの電圧をかけるこ
とにより、数〜数十μｍ長さが変位する。従って、ミリ
ボルトオーダーの電圧変化によりオングストローム
（０．１ｎｍ）レベルで変位させることが可能である。Therefore, in this conventional optical tweezer method,
Since the control of the rotation direction cannot be performed and the control of the traveling direction of the light is weak, there is a drawback that the object fluctuation cannot be completely controlled. (2) Method Using Piezo Element FIG. 5 exemplifies a piezo element. In the case of this piezo element, a length of several to several tens μm is displaced by applying a voltage of 100 to 1000V. Therefore, it is possible to displace at the angstrom (0.1 nm) level by changing the voltage on the order of millivolts.
【０００６】そして、このピエゾ素子の一端に、カンチ
レバー（原子間力顕微鏡の場合）や微小ガラス針などを
連結することにより、サブナノメートル操作を行うこと
を可能としている。このピエゾ素子を使う方法には、次
のような問題点がある。 ＜ａ＞センチメートルの大きさの素子に結合させて使用
するため、局所的（マイクロメーター・オーダー）な領
域のみの制御が不可能である。たとえば、細長いカンチ
レバーや微小針にピエゾ素子で変位を急激に与えると、
振動してしまう。 ＜ｂ＞遠隔操作ができない。すなわち、ピエゾ素子に結
合させることなく物体を操作することができない。By connecting a cantilever (in the case of an atomic force microscope) or a fine glass needle to one end of the piezo element, it is possible to perform sub-nanometer operation. The method using this piezo element has the following problems. Since it is used by being combined with an element having a size of <a> centimeter, it is impossible to control only a local (micrometer order) area. For example, when a piezo element is used to rapidly displace an elongated cantilever or micro needle,
It vibrates. <B> Remote operation is not possible. That is, the object cannot be manipulated without being coupled to the piezo element.
【０００７】従って、以上のように従来技術において
は、物体の操作・計測にともなうゆらぎを、できる限り
軽減するべく、さまざまな工夫がなされてはいるが、ゆ
らぎそのものを制御可能とした操作技術は知られていな
いのが実情である。そこでこの発明は、従来技術とは本
質的に異った全く新しい発想のもとに、物体のゆらぎそ
のものを止めて高精度に操作・計測することをも可能と
する、ナノメートルレベルでの極微小変位のための新し
い操作方法を提供することを目的としている。Therefore, as described above, in the conventional technique, various techniques have been made in order to reduce the fluctuation caused by the operation / measurement of the object as much as possible, but the operation technique that can control the fluctuation itself is not available. The fact is that it is unknown. Therefore, the present invention is based on a completely new idea that is fundamentally different from the prior art, and it is possible to stop the fluctuation of the object itself and operate / measure with high precision. The purpose is to provide a new operating method for small displacements.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、物体に光照射し、光の輻射圧に
より物体の位置を変化させることを特徴とする光操作方
法を提供する。そしてまた、この発明は、光の輻射圧に
より物体のゆらぎを制御すること、殊に、物体のゆらぎ
による位置変化の計測に基づいて光の輻射圧を変化させ
ゆらぎを止めることを特徴とする光操作方法等をその一
態様として提供する。In order to solve the above problems, the present invention provides an optical operating method characterized by irradiating an object with light and changing the position of the object by the radiation pressure of light. . Further, the present invention controls the fluctuation of the object by the radiation pressure of the light, and in particular, changes the radiation pressure of the light based on the measurement of the position change due to the fluctuation of the object to stop the fluctuation. An operation method and the like are provided as one aspect thereof.
【０００９】[0009]
【作用】光の輻射圧を用いるこの発明の光操作方法に
は、大別すると、＜Ａ＞光を反射する面に光を照射する
方法と、＜Ｂ＞物体全体に光を照射する方法とがある。 ＜Ａ＞光を反射する面に、光を入射する場合。 たとえば図６のように、レーザー光を平面に垂直に入射
し、１００％の光が反射する時には、光が平面に与える
力すなわち輻射圧は、次式The light operating method of the present invention using the radiation pressure of light is roughly classified into <A> a method of irradiating a light reflecting surface with light and <B> a method of irradiating the whole object with light. There is. <A> When light is incident on the surface that reflects light. For example, as shown in FIG. 6, when the laser light is perpendicularly incident on the plane and 100% of the light is reflected, the force that the light gives to the plane, that is, the radiation pressure is
【００１０】[0010]
【数１】 [Equation 1]
【００１１】で与えられる。光の波長には依存しないこ
とがわかる。１ｍＷの光であれば、光照射による力は、
６．７ｐＮ（ピコニュートン）となる。さらに図７のよ
うに、垂直でなく角度θで光を入射する場合には、前記
の式にｃｏｓθを乗ずればよい。Is given by It can be seen that it does not depend on the wavelength of light. With 1 mW of light, the force of light irradiation is
It becomes 6.7 pN (pico Newton). Further, as shown in FIG. 7, when light is incident at an angle θ instead of vertically, the above equation may be multiplied by cos θ.
【００１２】[0012]
【数２】 [Equation 2]
【００１３】＜Ｂ＞物体全体に光をあてる場合 たとえば図８のように、完全反射する面でおおわれた円
筒形の物体全体に光を当てる場合、物体に与えられる力
（輻射圧）は、次式<B> Applying Light to the Entire Object For example, when applying light to the entire cylindrical object covered with a completely reflecting surface as shown in FIG. 8, the force (radiation pressure) applied to the object is formula
【００１４】[0014]
【数３】 (Equation 3)
【００１５】で与えられる。つまり、前記＜Ａ＞での式
をもとに積分計算することにより、上式が求められる。
たとえば、５０ｍＷのレーザー光で半径６０μｍの円形
領域を均一に照射している所に、半径１μｍ長さ１００
μｍの円筒（表面は光を１００％反射）を置いた場合に
は、光が円筒に与える力（輻射圧）は、前記の式によっ
て、４．６ｐＮ（ピコニュートン）となる。Is given by That is, the above formula is obtained by performing integral calculation based on the formula in <A>.
For example, when a circular area with a radius of 60 μm is uniformly irradiated with a laser beam of 50 mW, a radius of 1 μm and a length of 100
When a μm cylinder (100% reflection of light on the surface) is placed, the force (radiation pressure) exerted by the light on the cylinder is 4.6 pN (pico Newton) according to the above equation.
【００１６】この発明の方法の特徴は、たとえば上記の
関係式で表わされる光の輻射圧を用いるという全く新し
い発想のもとにナノメートル領域での微小操作を可能と
し、これまでの技術的知見によっては全く予期できなか
った画期的な作用効果を実現するものである。つまり、
この発明の方法によって、様々な物体について、光の輻
射圧を加えて所定の微小変位を生じさせることや、熱等
による物体のゆらぎに帰因する変位量をフィードバック
し、光の輻射圧を変化させることによりゆらぎそのもの
を止めること等が可能となる。このような制御技術は、
従来の技術には直接関連するものでなく、独自のもので
ある。そのため、この発明による方法は、従来の位置計
測システム・制御システムとも互いに干渉することはな
く、あらゆる場面での適用が可能である。The characteristic feature of the method of the present invention is that it enables micromanipulation in the nanometer range based on a completely new idea of using the radiation pressure of light expressed by the above relational expression. Depending on the situation, it is possible to realize an epoch-making effect that was completely unexpected. That is,
According to the method of the present invention, the radiation pressure of light is applied to various objects to cause a predetermined minute displacement, and the displacement amount resulting from the fluctuation of the objects due to heat or the like is fed back to change the radiation pressure of light. By making it possible, it becomes possible to stop the fluctuation itself. Such control technology
It is unique and not directly related to the prior art. Therefore, the method according to the present invention does not interfere with the conventional position measurement system and control system, and can be applied in all situations.
【００１７】以下実施例を示し、さらに詳しくこの発明
の方法について述べる。Examples will be shown below to describe the method of the present invention in more detail.
【００１８】[0018]
【実施例】実施例１ 原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のカンチレバーのゆらぎを止
めて、高精度計測を行う。すなわち、柔らかいカンチレ
バーを使う場合には、熱ゆらぎが無視できない程大きく
なり、ＡＦＭで１ｐＮ程度の弱い力を測定することが現
在の重要な課題であるが、このゆらぎの大きいことによ
って現状では実現されていない。EXAMPLES Example 1 High precision measurement is performed by stopping the fluctuation of the cantilever of an atomic force microscope (AFM). That is, when a soft cantilever is used, the thermal fluctuation becomes so large that it cannot be ignored, and measuring a weak force of about 1 pN with the AFM is an important issue at present. Not not.
【００１９】そこで、この発明の方法により、図１に示
す装置を用い、カンチレバーのゆらぎを止める。より具
体的には、ゆらぎを制御するために、カンチレバーの金
属表面にレーザー光を入射する。カンチレバーの表面に
は、金属が蒸着してあり光を１００％近く反射するよう
にしている。波長は、位置計測に用いているレーザー光
の波長と異なるものを用いる。音響光学変調器(Acousto
-Optic Modulator：ＡＯＭ）あるいはポッケルスセルな
どの光強度変調器を用いて、この制御用レーザー光の強
度を変調する。カンチレバーのたわみは、２分割光セン
サーを使った微小変位計測回路により求められる。この
微小変位計測回路の出力をフィードバック回路を通して
光強度変調器に入力する。すなわち、ゆらぎの量をフィ
ードバックして光強度を変調することにより、カンチレ
バーのゆらぎを止める。Therefore, according to the method of the present invention, the device shown in FIG. 1 is used to stop the fluctuation of the cantilever. More specifically, laser light is incident on the metal surface of the cantilever in order to control fluctuations. Metal is vapor-deposited on the surface of the cantilever so that light can be reflected by almost 100%. The wavelength used is different from the wavelength of the laser light used for position measurement. Acousto-optic modulator
-Optic Modulator (AOM) or a light intensity modulator such as a Pockels cell is used to modulate the intensity of the control laser light. Deflection of the cantilever is obtained by a minute displacement measuring circuit using a two-division optical sensor. The output of this minute displacement measuring circuit is input to the light intensity modulator through the feedback circuit. That is, the fluctuation of the cantilever is stopped by feeding back the fluctuation amount and modulating the light intensity.
【００２０】カンチレバーに加えられた力（計測される
べき量）は、光強度変調器に入力されたフィードバック
回路の出力として求められる。カンチレバーの先端に力
が加わってもフィードバックが働いて、カンチレバーの
たわみは一定に保たれるため、微小位置計測回路からの
出力は一定に保たれるからである。たとえば、１ｐＮ／
ｎｍのバネ定数を持つカンチレバーの場合、ゆらぎの平
均変位は２ｎｍである。このゆらぎの平均変位は、次式The force (quantity to be measured) applied to the cantilever is obtained as the output of the feedback circuit input to the light intensity modulator. This is because even if force is applied to the tip of the cantilever, feedback works and the deflection of the cantilever is kept constant, so that the output from the minute position measuring circuit is kept constant. For example, 1pN /
For a cantilever with a spring constant of nm, the average displacement of fluctuations is 2 nm. The average displacement of this fluctuation is
【００２１】[0021]
【数４】 [Equation 4]
【００２２】におけるIn
【００２３】[0023]
【数５】 (Equation 5)
【００２４】として求められる。表１は、１ｐＮによる
変位と熱ゆらぎによる平均変位とを、バネ定数との関係
において示したものである。Is calculated as Table 1 shows the displacement due to 1 pN and the average displacement due to thermal fluctuation in relation to the spring constant.
【００２５】[0025]
【表１】 [Table 1]
【００２６】そこで、制御用の光を垂直に入射するとし
て、２ｎｍに対応する光の強度を求めると、（２ｎｍ×
１ｐＮ／ｎｍ）／６．７ｐＮ／ｍＷ＝０．３ｍＷとな
る。従って、±１ｍＷの程度に光強度を変調させればゆ
らぎをフィードバックで止めることができる。０．１ｐ
Ｎ／ｎｍのバネ定数の場合についても同様の計算をする
と、０．１ｍＷとなる。Therefore, assuming that the control light is vertically incident, the intensity of the light corresponding to 2 nm is calculated as (2 nm ×
1 pN / nm) /6.7 pN / mW = 0.3 mW. Therefore, if the light intensity is modulated to about ± 1 mW, the fluctuation can be stopped by feedback. 0.1p
When the same calculation is performed for the spring constant of N / nm, the value is 0.1 mW.
【００２７】この場合には、±０．３ｍＷ程度の変調を
かければよい。これらのカンチレバーの共振周波数は、
１〜１０ｋＨｚ程度の値であり（より硬いものでも１０
０ｋＨｚ程度）、ＡＯＭではＭＨｚレベルまで変調をか
けられるので、時間的にも十分にフィードバックに対応
することが可能である。なお、力によるカンチレバーの
たわみ・ねじれの角度は、たかだか１０-4〜１０-5radi
anのオーダーである。また、ねじれに関する熱ゆらぎの
大きさは、１０ -5radianの程度である。この角度の変化
は、制御用光がカンチレバーに与える輻射圧の大きさに
は実用上何ら影響を与えない。実施例２ 実施例１に沿ってカンチレバーのゆらぎを止めた上で、
カンチレバーに任意の位置変位を起こして自由に操作し
ながら、高精度計測を行った。In this case, a modulation of about ± 0.3 mW
Just take it. The resonant frequency of these cantilevers is
It is a value of about 1 to 10 kHz (even a harder one is 10
0kHz), AOM can be modulated up to MHz level?
Because it is possible to respond to feedback sufficiently
It is possible to The force of the cantilever
The bending and twisting angle is at most 10-Four-10-Fiveradi
It's an order. In addition, the heat fluctuation of the twist
Size is 10 -FiveThe degree of radian. This angle change
Is the magnitude of the radiation pressure that the control light gives to the cantilever.
Has no practical effect.Example 2 After stopping the fluctuation of the cantilever according to Example 1,
The cantilever can be operated freely by causing any displacement.
However, high precision measurement was performed.
【００２８】すなわち、実施例１と同じシステムを用
い、制御用光の強度に任意の強度変化を与えることによ
り、ゆらぎを止めた上で、カンチレバーに任意の変位を
起こして高精度操作しながら、高精度計測することを可
能とした。カンチレバーの操作は、フィードバック回路
のオフセットレベル（ゆらぎ制御用に変化させる成分を
含まない基準レベル）を変化させることで行った。実施例３ 図２に示す装置により、カンチレバーのゆらぎを、たわ
み・ねじれ方向共に止めて、高精度計測を行った。That is, using the same system as in Example 1, by giving an arbitrary intensity change to the intensity of the control light, the fluctuation is stopped, and the cantilever is arbitrarily displaced to perform high precision operation. It is possible to measure with high precision. The operation of the cantilever was performed by changing the offset level of the feedback circuit (reference level that does not include the component to be changed for fluctuation control). Example 3 With the apparatus shown in FIG. 2, the fluctuation of the cantilever was stopped in both the bending and twisting directions, and high precision measurement was performed.
【００２９】すなわち、たわみ方向の制御は、実施例１
と同じとし、ねじれ方向は、制御用レーザー光の入射位
置を変化させ、カンチレバーに力のモーメント（トル
ク）を加える事により制御した。たわみ方向とねじれ方
向とは、位置計測システム・制御システムとも独立であ
るため、フィードバックによる制御がお互いに干渉する
ことはない。That is, the deflection direction control is performed in the first embodiment.
Same as above, the twist direction was controlled by changing the incident position of the control laser beam and applying a moment of force (torque) to the cantilever. Since the bending direction and the twisting direction are independent of the position measuring system and the control system, the feedback control does not interfere with each other.
【００３０】入射位置の変調は、音響光学偏向器(Acous
to-Optic Deflector：ＡＯＤ）あるいはミラー等の光進
行角度変調器により行う。音響光学偏向機の場合には、
光強度変調と光進行角度変調とを同時にかつ独立に行う
ことが可能である。原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）では、計
測用レーザー光のカンチレバーによる反射光を４分割光
センサーで計ることにより、たわみとねじれ両方向の変
化を計測できる。微小位置計測回路のねじれ方向の出力
を、フィードバック回路を通して光進行角度変調端子に
入力する。微小位置計測回路のたわみ方向の出力は、フ
ィードバック回路を通して光強度変調端子に入力する。
このようにして、たわみ・ねじれ両方向のゆらぎを止め
ることができる。The modulation of the incident position is performed by an acousto-optic deflector (Acoustic
to-Optic Deflector (AOD) or a light traveling angle modulator such as a mirror. In the case of an acousto-optic deflector,
It is possible to perform light intensity modulation and light traveling angle modulation simultaneously and independently. With an atomic force microscope (AFM), changes in both flexure and twist can be measured by measuring the reflected light from the cantilever of the measuring laser light with a four-division optical sensor. The output of the minute position measuring circuit in the twisting direction is input to the light traveling angle modulation terminal through the feedback circuit. The output in the deflection direction of the minute position measuring circuit is input to the light intensity modulation terminal through the feedback circuit.
In this way, the flexure / twisting fluctuations can be stopped.
【００３１】たとえば次のように、For example,
【００３２】[0032]
【数６】 (Equation 6)
【００３３】のように表わされる熱ゆらぎは、これによ
る平均変位がThe thermal fluctuation represented by
【００３４】[0034]
【数７】 (Equation 7)
【００３５】として求められる。表２は、熱ゆらぎによ
る平均角度変位を示したものである。Is calculated as Table 2 shows the average angular displacement due to thermal fluctuation.
【００３６】[0036]
【表２】 [Table 2]
【００３７】０．１ｐＮ／ｎｍのバネ定数のカンチレバ
ーでは４×１０-5radianの熱ゆらぎによる平均角度変位
がある。カンチレバーの試料計測用の突起の長さが１０
μｍの場合、 １０μｍ×４×１０-5radian＝０．４ｎｍ から、突起先端は２乗平均で０．４ｎｍ（ピーク間で約
２ｎｍ）ゆらいでいる。A cantilever having a spring constant of 0.1 pN / nm has an average angular displacement due to thermal fluctuation of 4 × 10 -5 radian. The length of the projection for measuring the sample of the cantilever is 10
In the case of μm, from 10 μm × 4 × 10 −5 radian = 0.4 nm, the root of the protrusion fluctuates by a root mean square of 0.4 nm (about 2 nm between peaks).
【００３８】このような回転ゆらぎを制御する為には、 ２×１０-12 Ｎ・ｍ×４×１０-5radian＝８×１０-17
Ｎ・ｍ の力のモーメントをカンチレバーに加える必要がある。
５ｍＷのレーザー光を垂直入射で使った場合を計算する
と、８×１０-17 Ｎ・ｍ／（６．７ｐＮ／ｍＷ×５ｍ
Ｗ）＝２．４μｍと、２．４μｍだけ入射位置をずらす
ことにより、４×１０-5radianの角度変化に対応する力
のモーメントを与えることができる。In order to control such rotation fluctuation, 2 × 10 -12 N · m × 4 × 10 -5 radian = 8 × 10 -17
It is necessary to apply a moment of force of N · m to the cantilever.
When a case where a laser beam of 5 mW is vertically incident is calculated, it is 8 × 10 −17 N · m / (6.7 pN / mW × 5 m
W) = 2.4 μm, and by shifting the incident position by 2.4 μm, a moment of force corresponding to an angular change of 4 × 10 −5 radian can be given.
【００３９】従って、ＡＤＭ等により光の入射角度を変
化させて、マイクロメーターのレベルで照射位置を制御
することにより、ねじれ方向の回転ゆらぎを制御するこ
とができる。実施例４ ２次元方向のゆらぎを止めて、高精度計測を行った。Therefore, by changing the incident angle of light by the ADM or the like and controlling the irradiation position at the level of the micrometer, it is possible to control the rotational fluctuation in the twist direction. Example 4 High-precision measurement was performed by stopping the fluctuation in the two-dimensional direction.
【００４０】すなわち、図３に示すように、多次元極微
小変位計測方法による多方向の位置計測信号をフィード
バックして、各方向毎の制御用レーザー光の強度を変調
することにより、多次元のゆらぎを止めることが可能と
なる。ここでは、ガラス微小針を使って高精度計測する
例を説明する。微小針の場合には、針の軸方向には動か
ないので、針に垂直な２方向のゆらぎを止めてやればよ
いが、ガラス微小針による高精度計測においても、柔ら
かい針の場合には、実施例１のＡＦＭのカンチレバーと
同様に、熱ゆらぎが大きな問題点となっている。That is, as shown in FIG. 3, by feeding back multi-direction position measurement signals by the multi-dimensional ultra-small displacement measuring method and modulating the intensity of the control laser beam in each direction, the multi-dimensional It is possible to stop the fluctuation. Here, an example in which high precision measurement is performed using a glass micro needle will be described. In the case of a micro needle, it does not move in the axial direction of the needle, so it is sufficient to stop the fluctuations in two directions perpendicular to the needle. Similar to the cantilever of the AFM of Example 1, thermal fluctuation is a big problem.
【００４１】計測のためのシステムとしては、図３のよ
うに、ガラス微小針の下から、位置計測用の光を照射
し、その際に、制御用レーザー光とは異なる波長の光を
用いている。対物レンズと撮影レンズを用いて２分割セ
ンサー上に微小針の像を結像させる。対物レンズ・撮影
レンズ・２分割光センサーを２組、９０度の角度をなし
て配置する。制御用レーザー光は、光強度変調器を通し
た後、ダイクロイックミラーにより対物レンズを経て微
小針に照射する。このダイクロイックミラーは、制御用
レーザー光は反射し、位置計測用光は透過する様に設計
してある。ｓ軸方向の位置を計測している微小位置計測
回路Ｂの出力を、フィードバック回路を通して光強度変
調器Ａに入力し、制御用レーザーＡの光強度を変調す
る。このフィードバックにより、ｓ軸方向のゆらぎを止
められる。同様に、ｔ軸方向の位置を計測している微小
位置計測回路Ａの出力を、フィードバック回路を通して
光強度変調器Ｂに入力し、制御用レーザーＢの光強度を
変調して、ｔ軸方向のゆらぎを制御する。ｓ軸とｔ軸と
は直交しているので、計測システム・制御システムとも
に独立であり、干渉することなくフィードバック制御す
ることができる。As a system for measurement, as shown in FIG. 3, light for position measurement is irradiated from under the glass microneedle, and at that time, light having a wavelength different from that of the control laser light is used. There is. An image of the micro needle is formed on the two-division sensor using the objective lens and the taking lens. Two sets of objective lens, photographing lens, and two-division optical sensor are arranged at an angle of 90 degrees. After passing through the light intensity modulator, the control laser light is applied to the micro needle through the objective lens by the dichroic mirror. This dichroic mirror is designed to reflect the control laser light and transmit the position measurement light. The output of the minute position measuring circuit B that measures the position in the s-axis direction is input to the light intensity modulator A through the feedback circuit to modulate the light intensity of the control laser A. With this feedback, fluctuations in the s-axis direction can be stopped. Similarly, the output of the minute position measuring circuit A that measures the position in the t-axis direction is input to the light intensity modulator B through the feedback circuit, the light intensity of the control laser B is modulated, and Control fluctuations. Since the s-axis and the t-axis are orthogonal to each other, both the measurement system and the control system are independent, and feedback control can be performed without interference.
【００４２】微小針に加えられた力の計測値は、フィー
ドバック回路の出力として得られる。このシステムにお
いても、実施例１で説明した通り、１ｐＮ／ｎｍのバネ
定数を持つ微小針の場合には、ゆらぎの平均変位は２ｎ
ｍである。対応する力は、２ｎｍ×１ｐＮ／ｎｍ＝２ｐ
Ｎである。０．１ｐＮ／ｎｍのバネ定数の場合には、
６．４ｎｍ×０．１ｐＮ／ｎｍ＝０．６４ｐＮである。
このため、前記＜Ｂ＞の通り、物体全体に光を照射し、
数ｐＮの力に対応する変調をこの微小針に与えることが
可能である。従って、微小針のゆらぎをフィードバック
して止めることができる。The measured value of the force applied to the micro needle is obtained as the output of the feedback circuit. Also in this system, as described in Example 1, in the case of the micro needle having the spring constant of 1 pN / nm, the average displacement of fluctuation is 2n.
m. Corresponding force is 2nm × 1pN / nm = 2p
N. For a spring constant of 0.1 pN / nm,
6.4 nm × 0.1 pN / nm = 0.64 pN.
Therefore, as described in <B> above, the entire object is irradiated with light,
It is possible to give this microneedle a modulation corresponding to a force of a few pN. Therefore, the fluctuation of the minute needle can be fed back and stopped.
【００４３】そして、２分割センサーの代わりに４分割
センサーを用いることにより、３次元微小位置計測が可
能となる。制御用レーザーを残りの１方向にも増やして
やれば、３次元方向のゆらぎを止めて高精度計測を行う
システムに拡張することができる。もちろん、この発明
は、以上の例に限られることはない。そして、細部にお
いて様々な態様が可能であることは言うまでもない。By using a four-division sensor instead of the two-division sensor, it is possible to measure three-dimensional minute positions. If the number of control lasers is increased in the remaining one direction, it is possible to expand the system to stop fluctuations in the three-dimensional direction and perform high-precision measurement. Of course, the present invention is not limited to the above examples. And it goes without saying that various aspects are possible in detail.
【００４４】[0044]
【発明の効果】以上詳しく説明したとおり、この発明に
より、ゆらぎそのものの制御をも可能とするナノメート
ルレベルでの極微小変位のための操作・計測が可能にな
る。As described in detail above, according to the present invention, it is possible to perform operation / measurement for very small displacement at the nanometer level, which enables control of fluctuation itself.
【図１】この発明による実施例としての高精度計測の方
法を例示した構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a method of high precision measurement as an embodiment according to the present invention.
【図２】たわみ・ねじれを共に止めて計測を行う方法を
実施例として例示した構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram exemplifying a method of performing measurement by stopping both flexure and twist.
【図３】２次元方向のゆらぎを止めて計測を行う方法を
実施例として例示した構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram illustrating, as an example, a method of performing measurement by stopping fluctuations in a two-dimensional direction.
【図４】従来の光ピンセット方式による方法を説明した
図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a conventional optical tweezer method.
【図５】従来のピエゾ素子による方法を説明した図であ
る。FIG. 5 is a diagram illustrating a method using a conventional piezo element.
【図６】光の輻射圧について垂直入射の場合の説明図で
ある。FIG. 6 is an explanatory diagram of the radiation pressure of light in the case of vertical incidence.
【図７】光の輻射圧について斜め入射の場合の説明図で
ある。FIG. 7 is an explanatory diagram of a radiation pressure of light when obliquely incident.
【図８】光の輻射圧について円筒形物体の場合の説明図
である。FIG. 8 is an explanatory diagram regarding a radiation pressure of light in the case of a cylindrical object.
Claims (3)
の位置を変化させることを特徴とする光操作方法。1. An optical operation method comprising irradiating an object with light and changing the position of the object by the radiation pressure of light.
る請求項１の操作方法。2. The operating method according to claim 1, wherein fluctuation of the object is controlled by radiation pressure of light.
この変化に対応して光の輻射圧を調整してゆらぎを止め
る請求項２の操作方法。3. A position change due to fluctuation of an object is measured,
The operating method according to claim 2, wherein the radiant pressure of light is adjusted in response to this change to stop the fluctuation.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22068994A JPH0887328A (en) | 1994-09-14 | 1994-09-14 | Optical operation method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22068994A JPH0887328A (en) | 1994-09-14 | 1994-09-14 | Optical operation method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0887328A true JPH0887328A (en) | 1996-04-02 |
Family
ID=16754947
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22068994A Pending JPH0887328A (en) | 1994-09-14 | 1994-09-14 | Optical operation method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0887328A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003106978A (en) * | 2001-09-28 | 2003-04-09 | Jasco Corp | Optical radiation pressure measuring device |
| WO2005085929A1 (en) * | 2004-03-09 | 2005-09-15 | Fujitsu Limited | Mirror device, optical controller, control method of mirror and mirror element |
| KR20180011105A (en) * | 2015-06-22 | 2018-01-31 | 일렉트로 싸이언티픽 인더스트리이즈 인코포레이티드 | Multi-axis machine tools and methods for controlling them |
| WO2022024999A1 (en) * | 2020-07-31 | 2022-02-03 | 学校法人福岡大学 | Atomic force microscope and distance control method |
-
1994
- 1994-09-14 JP JP22068994A patent/JPH0887328A/en active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2018529529A (en) * | 2015-06-22 | 2018-10-11 | エレクトロ サイエンティフィック インダストリーズ インコーポレーテッド | Multi-axis machine tool and method for controlling the same |
| WO2022024999A1 (en) * | 2020-07-31 | 2022-02-03 | 学校法人福岡大学 | Atomic force microscope and distance control method |
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