JPH0887328A - 光操作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ゆらぎそのものの制御をも可能とした高精度
操作・計測を可能とする。 【構成】 光の輻射圧を用いて、物体の位置を変化させ
る。そして、ゆらぎによる位置変化の計測値をフィード
バックして、光の輻射圧を変化させゆらぎを止める。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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

【００１０】

【数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。

【００１２】

【数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

【００１４】

【数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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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

【００２１】

【数４】

【００２２】における

【００２３】

【数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。

【００２５】

【表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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００３１】たとえば次のように、

【００３２】

【数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

【００３４】

【数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。

【００３６】

【表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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【図５】従来のピエゾ素子による方法を説明した図であ
る。

【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。

【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。

【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。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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。
2. 【請求項２】 光の輻射圧により物体のゆらぎを制御す
   る請求項１の操作方法。
3. 【請求項３】 物体のゆらぎによる位置変化を計測し、
   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。