(57)【要約】【課題】  光てこ式光学検出系を備えた走査型プローブ顕微鏡等での光軸調整作業で、４分割光検出器の受光面でて照射スポットが受光面の中心に容易にかつ確実に導くことができ、光軸調整作業の容易化を図ることのできる光軸調整補助装置を提供する。【解決手段】  この光軸調整補助装置は、反射部材にレーザ光１６を出射するレーザ光源と、反射部材で反射したレーザ光が入射される受光面１２を有しかつこの受光面が複数の受光部１２ａ〜１２ｄに分割されて成る光検出器１１とを備え、光検出器の受光面でのレーザ光の入射位置を検出し、さらに光軸調整手段を備える位置検出装置に適用される。この光軸調整補助装置は、光検出器の受光面におけるその中心からのレーザ光入射位置の距離と光検出器からの検出信号との関係を単調増加または単調減少の関係に変換する光軸調整補助具１４を備えている。【選択図】      図４
2007078577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射部材にレーザ光を出射するレーザ光源と、前記反射部材で反射した前記レーザ光が入射される受光面を有しかつこの受光面が複数の受光部に分割されて成る光検出器とを備え、前記光検出器の前記受光面での前記レーザ光の入射位置を検出し、さらに光軸調整手段を備える位置検出装置において、
前記受光面におけるその中心からのレーザ光入射位置の距離と前記光検出器からの検出信号との関係を単調増加または単調減少の関係に変換する補正手段を備えることを特徴とする光軸調整補助装置。
【請求項２】
前記補正手段は、前記受光面の前面に配置される凸レンズと、中心部から周縁部に向かって光透過率が増加する光学フィルタとから構成されることを特徴とする請求項１記載の光軸調整補助装置。
【請求項３】
前記補正手段は、前記受光面の前面に配置され、中心部から周縁部に向かって光透過率が増加する凸レンズであることを特徴とする請求項１記載の光軸調整補助装置。
【請求項４】
前記凸レンズは、前記凸レンズの片面または両面に、前記凸レンズの中心部から周縁部に向かうほど厚さが薄くなるように金属薄膜が堆積されていることを特徴とする請求項３記載の光軸調整補助装置。
【請求項５】
前記凸レンズは、前記レーザ光を所定の吸収率で吸収する材料で形成されていることを特徴とする請求項３記載の光軸調整補助装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光軸調整補助装置に関し、特に、例えば光てこ式光学検出系を備えた走査型プローブ顕微鏡等においてレーザ光源から光検出器までの光軸調整を容易に行えるようにした光軸調整補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光軸調整補助装置の一例として、位置検出装置として例えば光てこ式光学検出系を備えた走査型プローブ顕微鏡等の例を説明する。従来の走査型プローブ顕微鏡の位置検出装置における光軸調整補助装置として、本発明者が先に提案した特許文献１に記載されたものがある。特許文献１と図１２〜図１６を参照して従来の光軸調整補助装置について説明する。
【０００３】
図１２を参照して走査型プローブ顕微鏡での光軸調整の仕方の一例を概説する。図示された走査型プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡であるとする。また「光軸調整」とは、原子間力顕微鏡の光てこ式光学検出系においてレーザ光源からのレーザ光が適切にカンチレバーの背面で反射して光検出器に入射するように設定することをいう。従来の光軸調整は、操作者の手動操作によって行われていた。図１２はカンチレバーおよび光てこ式光学検出系を備える原子間力顕微鏡の要部の構成を概略的に示している。
【０００４】
測定対象である試料１０１に対して、先端に探針１０２を有するカンチレバー１０３が配置されている。１０４はカンチレバーホルダの一部である。探針１０２と試料１０１の表面との距離は両者の間に原子間力が作用する程度の距離である。試料表面の凹凸形状の測定では探針１０２が試料表面に沿って移動することが必要であり、そのため探針と試料表面との距離は制御機構によって一定の距離に保持される。探針と試料表面の距離の変化はカンチレバー１０３のたわみ変形による変位によって検出される。カンチレバー１０３のたわみ変形による変位を検出する機構として光てこ式光学検出系が設けられる。光てこ式光学検出系は、レーザ光源１０５と反射作用を生じるミラー１０６，１０７と４分割光検出器１０８とから構成される。光てこ式光学検出系の光軸調整が完了し測定が行われる際には、レーザ光源１０５から出射されたレーザ光１０９はミラー１０６で反射され、カンチレバー１０３の背面に導かれ、カンチレバー背面で反射されたレーザ光１０９はさらにミラー１０７で反射され、４分割光検出器１０８の受光面に導かれる。カンチレバー１０３の変位は、４分割光検出器１０８上のレーザ光１０９の照射（入射）スポットの位置変化として検出される。また、カンチレバー１０３の上方位置にはＴＶカメラ１１０を備えた光学顕微鏡１１１が配置され、光学顕微鏡１１１によってカンチレバー１０３の背面が観察されている。なお４分割光検出器１０８から出力された検出信号は制御装置に送られ、当該検出信号によって表示装置にレーザ光の受光位置を表示することができる。光学顕微鏡１１１で観察された像はＴＶカメラ１１０により映像信号として制御装置に送られ、表示装置に表示される。図１２で制御装置と表示装置の図示は説明の簡便化のため省略されている。
【０００５】
上記構成においてミラー１０６，１０７には手動で操作される位置調整機構が設けられる。光軸調整は、測定を行う操作者がミラー１０６，１０７の位置調整機構を操作することにより行われる。従来の光軸調整は下記の２つの第１および第２のステップから成っていた。
【０００６】
光軸調整の第１のステップは、カンチレバー１０３の背面の反射表面にレーザ光１０９の照射スポットを当てることである。カンチレバー１０３上のスポット位置の確認は、光学顕微鏡１１１で得られる像に基づいて行われる。
【０００７】
光軸調整の第２のステップは、カンチレバー１０３の背面で反射されたレーザ光１０９に基づく照射スポットを４分割光検出器１０８の受光面の中心に当てることである。４分割光検出器１０８上のスポット位置の確認は、その検出信号に基づいて行われる。
【０００８】
４分割光検出器１０８における照射スポットの調整を図解したものが図１３である。図１３は４分割光検出器１０８の受光面とその周辺領域におけるレーザ光１０９の照射スポット１１６の移動状態（１）〜（４）を示している。第２のステップでは、最終的にレーザ光１０９の照射スポット１１６を４分割光検出器１０８の受光面の中心の位置に当てる。この操作は、図示された構成によれば、ミラー１０７の位置調整機構を手動操作することにより行われる。
【０００９】
４分割光検出器１０８の受光面の構成を説明する。４分割光検出器１０８の受光面は、４つの部分（受光部）ａ，ｂ，ｃ，ｄに分けられている。４つの受光部ａ〜ｄの検出出力信号（電圧信号）をそれぞれＳａ〜Ｓｄとするとき、４分割光検出器１０８の全出力信号Ｓｓ、垂直変位信号成分（Ｙ軸方向信号成分）Ｓｖ、水平変位信号成分（Ｘ軸方向信号成分）Ｓｈは、それぞれ、Ｓｓ＝Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ、Ｓｖ＝｛（Ｓａ＋Ｓｂ）−（Ｓｃ＋Ｓｄ）｝／Ｓｓ、Ｓｈ＝｛（Ｓｂ＋Ｓｄ）−（Ｓａ＋Ｓｃ）｝／Ｓｓとして得られる。このため、一般的に、Ｓｓが最大になり、さらにＳｖとＳｈが最小になるようにミラー１０７は調整される。ＳｖとＳｈが共に０になればレーザ光１０９の照射スポット１１６は受光面の中心位置に設定されたことになる。
【００１０】
以上のごとく第１のステップと第２のステップを実行することにより、光てこ式光学検出系に関する光軸調整が完了する。
【００１１】
上記のごとく光てこ式光学検出系での従来の光軸調整は、測定操作者の手動で行われており、第１ステップでカンチレバーに照射スポットを合わせるときに人の目が不可欠であり、さらに第２ステップの初期段階で試行錯誤が必要なことが多い。特に第２ステップの最初の段階では、比較的に容易な試行錯誤による照射スポットの動きで運良く検出することができる場合もあるが、例えばカンチレバーの取付不良等が原因で照射スポットが光検出器の受光面の調整可能範囲の外まで大きく外れることがある。このような場合には、試行錯誤によってはほとんど検出できない。このような調整不可能な場合には、他にとる手段もなく、結果的に試行錯誤に長い時間を使った挙げ句「原因が分からなかった」ということになる。
【００１２】
そこで前述の特許文献１の光軸調整補助装置によれば、光てこ式光学検出系を備えた走査型プローブ顕微鏡において、４分割型受光面の４つの受光部の各々に対して相対的に面積の大きな導光板を設け、光軸調整作業の第２ステップの初期段階で、４分割光検出器の受光面において照射スポットが受光面の中心からどの方向にどの程度離れているかを測定操作者が容易に知ることができるようにし、光軸調整作業の容易化を図ることができるようにした。
【特許文献１】特開２０００−２０６１２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
光軸調整の仕方における更なる問題点を図１４〜図１６を参照して説明する。この問題点は、前述した第２ステップの後半段階で、特に後述する電圧信号Ｓｈ’の値を表示装置で観測しながらミラー１０７を手動で調整し、照射スポット１１６を４分割型受光面の中心に移動させるときの問題点である。
【００１４】
図１４では、上記の４分割光検出器１０８の受光面の４つの受光部ａ，ｂ，ｃ，ｄを小さい正方形で示し、さらに受光部ａ〜ｄに対してＸ軸とＹ軸を定義している。Ｘ軸とＹ軸の交点Ｏは原点であり、かつ４分割光検出器１０８の受光面の中心となっている。さらに図１４で符号１１６で示される黒丸要素は前述したレーザ光１０９の照射スポットを示している。照射スポット１１６は位置Ａから中心Ｏに向かって矢印２０１の方向に移動させるものとする。図１５は、照射スポット１１６がＡの位置にあるときの当該照射スポット１１６の光強度の分布を示す。また図１６はＸ軸方向において照射スポット１１６が移動した場合に、４分割光検出器１０８の全出力信号Ｓｓの水平変位信号成分（Ｘ軸方向信号成分）Ｓｈについての電圧信号Ｓｈ’＝（Ｓｂ＋Ｓｄ）−（Ｓａ＋Ｓｃ）の変化特性２０３を示すグラフである。
【００１５】
以下では、電圧信号Ｓｈ’の変化状態のみを観察しながら、照射スポット１１６を受光面の中心に近づける例について説明する。
【００１６】
図１４で示されるようにレーザ光１０９の照射スポット１１６が位置Ａにあるとき、光強度の分布は図１５のＤ２００で示すようになっている。そのとき電圧信号Ｓｈ’は０である。ミラー１０７を動かして照射スポット１１６が矢印２０１の方向に移動したとき、光強度分布は点線Ｄ２０２で示すようになり、光強度分布の裾野が受光部ｄにかかる。そのとき、変化特性２０３で電圧信号Ｓｈ’は図１６で示す区間Ｋ３の範囲の値をとる。さらにミラー１０７を動かして照射スポット１１６が中心Ｏの方向に移動すると、電圧信号Ｓｈ’は区間Ｋ３で増加する方向に変化する。さらに照射スポット１１６が中心Ｏに近づくと、区間Ｋ２の範囲に含まれる信号変化となる。さらに照射スポット１１６を中心Ｏに近づけると、区間Ｋ１の範囲に含まれる。照射スポット１１６が中心Ｏに位置すると、電圧信号Ｓｈ’は０になる。
【００１７】
上記において、電圧信号Ｓｈ’の変化状態を表示装置で観察しながら、照射スポット１１６の位置を中心Ｏに近づくように調整する。この場合において、区間Ｋ２から区間Ｋ１内の中心（Ｏ）に近づくとき電圧信号Ｓｈ’は０に近づくので、中心Ｏに向かっていると判断できる。しかしながら、区間Ｋ３の範囲内での照射スポット１１６が移動する場合においても、中心Ｏから離れていくときに電圧信号Ｓｈ’の変化は減少するので、中心Ｏに向かっていると誤解を与えやすい。さらに区間Ｋ２では平坦部２０３ａを含むので、この平坦部２０３ａで照射スポット１１６が移動するときには、電圧信号Ｓｈ’で変化を確認することが難しく、中心Ｏに向かっているか否かを判断することが非常に困難になる。
【００１８】
上記のごとく、従来の光軸調整の仕方によれば、前述した第２ステップの後半段階で、電圧信号Ｓｈ’の値を表示装置で観測しながらミラー１０７を手動で調整し、照射スポット１１６を４分割型受光面の中心Ｏに移動させる場合に、電圧信号Ｓｈ’が減少する区間Ｋ３を移動しているのか、４分割光検出器１０８の受光面の中心Ｏに向かって移動しているのかを見分けることが困難であった。故に、調整が非常に困難であるという問題があった。
【００１９】
上記では走査型プローブ顕微鏡の光軸調整の例を説明したが、上記の光軸調整の問題は走査型プローブ顕微鏡の光てこ式光学検出系に限るものではない。
【００２０】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、光てこ式光学検出系を備えた走査型プローブ顕微鏡等における光軸調整作業で、４分割光検出器の受光面において照射スポットを受光面の中心に容易にかつ確実に導くことができ、光軸調整作業の容易化を図ることのできる光軸調整補助装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明に係る光軸調整補助装置は、上記目的を達成するために次のように構成される。
【００２２】
第１の光軸調整補助装置（請求項１に対応）は、反射部材にレーザ光を出射するレーザ光源と、反射部材で反射したレーザ光が入射される受光面を有しかつこの受光面が複数の受光部に分割されて成る光検出器とを備え、光検出器の受光面でのレーザ光の入射位置を検出し、さらに光軸調整手段を備える位置検出装置に適用される。この光軸調整補助装置は、光検出器の受光面におけるその中心からのレーザ光入射位置の距離と光検出器からの検出信号との関係を単調増加または単調減少の関係に変換する補正手段（光軸調整補助具）を備えている。
【００２３】
上記の光軸調整補助装置によれば、光検出器の受光面の前面に、単調増加等の変換特性を有する補正手段を備えるため、受光面でレーザ光の入射位置（照射スポット位置）を確実に受光面の中心位置に移動させることができる。これにより、４分割光検出器の受光面において照射スポットを受光面の中心に容易に測定操作者が導くことができ、光軸調整作業の容易化を図ることができる。
【００２４】
第２の光軸調整補助装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、上記補正手段は、受光面の前面に配置される凸レンズと、中心部から周縁部に向かって光透過率が増加する光学フィルタとから構成されることを特徴とする。
【００２５】
第３の光軸調整補助装置（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、補正手段は、受光面の前面に配置され、中心部から周縁部に向かって光透過率が増加する凸レンズであることを特徴とする。
【００２６】
第４の光軸調整補助装置（請求項４に対応）は、上記の第３の構成において、好ましくは、凸レンズは、凸レンズの片面または両面に、凸レンズの中心部から周縁部に向かうほど厚さが薄くなるように金属薄膜が堆積されていることを特徴とする。
【００２７】
第５の光軸調整補助装置（請求項５に対応）は、上記の第３の構成において、好ましくは、凸レンズは、レーザ光を所定の吸収率で吸収する材料で形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、光検出器の受光面の前面に、光検出器の受光面におけるその中心からのレーザ光入射位置の距離と光検出器からの検出信号との関係を単調増加または単調減少の関係に変換する補正手段を設け、この関係を利用して受光面でのレーザ光入射位置を補正するため、位置検出器の光軸調整作業で、測定作業者は、光検出器の受光面において照射スポットを受光面の中心に容易に導くことができ、光軸調整作業の容易化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００３０】
この実施形態で、光軸調整補助装置が適用される位置検出装置の例は、走査型プローブ顕微鏡における光てこ式光学検出系の光検出器である。図１と図２は本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の光てこ式光学検出系に使用される光検出器の一例を示し、この光検出器は一例としてその受光面が４分割された形態を有している。図１は正面図、図２は側面図である。
【００３１】
走査型プローブ顕微鏡は、従来技術に関して図１２で示された原子間力顕微鏡を想定している。原子間力顕微鏡に関しては背景技術の箇所で説明したので、先の記述を参照することとし、ここでは図示および説明を省略する。また光てこ式光学検出系は、前述の通り、レーザ光源、先端に探針を備え背面に反射部を有するカンチレバー、上記光検出器、および必要な反射ミラーとから構成されている。
【００３２】
光てこ式光学検出系の構成・作用についても、背景技術の箇所で説明されているので、先の記述を参照することとし、ここではその図示および説明を省略する。光検出器は、その受光面が４分割されているので、以下では「４分割光検出器」という。図１に示される通り、４分割光検出器１１の上面に、正方形の受光面１２が形成されている。受光面１２は、好ましくは正方形の形状を有する小型の４つの受光部（または受光区画）１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄから構成される。受光面１２は全体として例えば正方形の形状を有し、当該正方形面積を有する受光面は、互いに分割されかつ検出部として互いに独立した小さい部分面積を有する受光部１２ａ〜１２ｄから形成されている。受光部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは、前述した図１３と図１４で説明した受光部ａ，ｂ，ｃ，ｄのそれぞれに対応している。
【００３３】
なお４分割光検出器１２には、通常、市販のものが使用される。例えば、浜松ホトニクス社製の多素子型Ｓｉフォトダイオード（Ｓ５９８１）が使用される。このような光検出器に関しては受光面の面積が大きいものも市販されているが、小型化の観点から比較的に面積が小さいものが使用される。上記の正方形の受光面１２は一辺が約３ｍｍである。
【００３４】
図１と図２に示すように、４分割光検出器１１の頭部１１ａは、外観が扁平円柱状の形態を有する金属容器（センサパッケージ）で形成されている。内部に、受光面１２の各受光部１２ａ〜１２ｄで受光されたレーザ光を電気に変換し、かつ所定のレベルに増幅する増幅器が内蔵されている。また図２に示すように、４分割光検出器１１の下側には頭部１１ａの下面から引き出されたピン状の複数の電気配線１３が設けられている。電気配線１３の本数は任意であって、特に限定されない。４分割光検出器１１が原子間力顕微鏡の光てこ式光学検出系の一部として設けられるとき、４分割光検出器はカンチレバーおよび探針の斜め上方位置に配置され、かつその受光面１２がカンチレバーの背面に向かうように配置される。
【００３５】
なお図１において、正方形の受光面１２での受光部１２ａ〜１２ｄに対してＸ軸とＹ軸が定義されている。Ｘ軸とＹ軸の交点が原点Ｏであり、かつ受光面１２の中心である。
【００３６】
図３と図４は、本発明に係る光軸調整補助装置の要部構成を示し、光軸調整補助具を前述の４分割光検出器１１に設けた構成を示す。図３は正面図、図４は側面図である。図３は図１に対応し、図４は図２に対応している。図６は光軸調整補助装置の作用を説明するための図である。以下において光軸調整補助具のことを説明の便宜上単に補助具という。
【００３７】
補助具１４は、４分割光検出器１１の受光面１２の前面に設置する凸レンズ１４ａと中心部から周辺部に向かって透過率が増加する光学フィルタ１４ｂと、凸レンズ１４ａと光学フィルタ１４ｂを所定の位置関係で固定するホルダ１４ｃとからなっている。補助具１４の正面形状は円形であり、図１に示すように、４分割光検出器１１の頭部１１ａの円形形状よりも大きな径を有している。従って凸レンズ１４ａは受光面１２の正方形の面積よりも外側に広がった形で設置されている。このように設置された凸レンズ１４ａは、後述の図６に示すごとく、受光面１２より外側の位置に到来するレーザ光を受光面１２に集光させる働きをする。
【００３８】
また光学フィルタ１４ｂは、中心部から周縁部に向かって、図５で示されるような透過率変化特性を有している。図５において、横軸は一例としてＸ軸を示し、光学フィルタ１４ｂの中心からの距離を意味し、縦軸は透過率を意味している。曲線Ｃ１０が中心からの距離に対する透過率の変化特性を示す。光学フィルタ１４ｂにおいて、透過率は、中心部ほど低く、周縁部に近づくほど高くなる。図５中、Ｄ１０とＤ１１は、光学フィルタ１４ｂを透過した後のレーザ光に関する照射スポットの光強度分布を示している。光学フィルタ１４ｂの周辺部の近くを透過したレーザ光ほど光強度は強く、光学フィルタ１４ｂの中心部の近くを透過したレーザ光ほど光強度が弱くなる。このような光学フィルタ１４ｂは、例えばアルミニウムを段階的に厚みを変えて蒸着を行うようにすることにより、作製することができる。
【００３９】
凸レンズ１４ａと光学フィルタ１４ｂを有するホルダ１４ｃは、４分割光検出器１１の受光面１２の前面位置に、凸レンズ１４ａの焦点距離に従って適当な距離の隙間をあけて、図３および図４に示すような位置関係で固定されている。図では、固定構造は示されていないが、任意の固定構造を採用することができる。
【００４０】
受光面１２を形成する各受光部の面積と、対応する凸レンズ１４ａおよび光学フィルタ１４ｂの面積との比は、必要に応じて任意に定められる。すなわち、受光面１２に対してどの程度大きな凸レンズ１４ａと光学フィルタ１４ｂを設けるかということについては、経験的に得られた知見に基づいて、容易な光軸調整を可能にする適切な大きさの凸レンズ１４ａと光学フィルタ１４ｂが決定される。凸レンズ１４ａと光学フィルタ１４ｂの好ましい寸法として、上限値は１０ｍｍ程度である。
【００４１】
図６に一例として凸レンズ１４ａと光学フィルタ１４ｂの組合せの作用を示す。また図７は、レーザ光の入射位置と光検出器１１の検出信号強度（前述の電圧信号Ｓｈ’）の関係を示すグラフである。図６において、横軸はＸ軸であり、縦軸は受光面１２に垂直な方向（Ｚ軸方向）である。図７において、横軸はＸ軸方向における原点Ｏからの水平方向の距離を示し、縦軸は電圧信号Ｓｈ’を示している。
【００４２】
図７で、曲線Ｃ１１は、上記補助具１４を付設した４分割光検出器１１について、水平方向の中心Ｏからの距離に対する検出電圧信号Ｓｈ’の変化特性を示す。曲線Ｃ１１に示された電圧信号Ｓｈ’は、ほぼ中心部から周縁部に到るにつれて単調に直線的に増加する特性を有している。なお検出電圧信号Ｓｈ’の変化特性を、中心部から周縁部に到るにつれて単調に直線的に減少するように特性として作ることも可能である。
【００４３】
なお、上記の図５、図６、図７で横軸はＸ軸方向で示したが、各図で示された特性は、Ｙ軸方向を含め、４分割光検出器１１の受光面１２における原点Ｏを通るすべての直径方向に成り立つ特性である。
【００４４】
レーザ光１６がカンチレバーの背面で反射されて４分割光検出器１１の側へ到来するときにおいて、レーザ光１６の位置が４分割光検出器１１の受光面１２の外側の位置にあったとしても、補助具１４の範囲であって例えば光学フィルタ１４ｂの周辺部に入射したとすると、光学フィルタ１４ｂの透過率が高いために、それほど光強度は減衰せずに、凸レンズ１４ａに入射する（図６中矢印Ａ１０で示す）。凸レンズ１４ａに入射した光は、受光部１２ｃ，１２ｄ側に屈折してこれらの受光部に入射する（図６中矢印Ａ１１）。それにより、図７で示す電圧信号レベルＳｈ’２０で検出される。
【００４５】
次に、例えば図１２で説明した前述したミラー１０７を動かして、レーザ光が、受光面１２の中心部の方向に移動したときを考える。そのとき、光学フィルタ１４ｂにより、周辺部にレーザ光が入射したときよりも、光強度が減衰して、凸レンズ１４ａに入射する（図６中矢印Ａ１２）。凸レンズ１４ａに入射したレーザ光は屈折して受光面１２の受光部に入射する（図６中矢印Ａ１３）。そのとき、検出される電気信号Ｓｈ’２１は、周辺部から入射したときよりも弱くなる。さらに、受光面１２の中心部に近づくと、図７で示されるようにより急激に電圧信号が弱くなり、電圧信号値は中心（原点）Ｏに向かって急激に減少する。従って、例えばミラー１０７を動かして調整するときに、電気信号がより弱くなる方向に調整すればよいので、容易に光軸調整をすることができる。
【００４６】
上記の光軸調整補助具１４の構成については、図８または図９に示すような変形例を用いることもできる。
【００４７】
図８は、凸レンズにフィルタ機能を持たせた補助具を示している。図８の（Ａ）は補助具３０を側面断面図を示し、図８の（Ｂ）は補助具３０のＸ軸方向の透過率分布を示す。図８（Ｂ）において、横軸はＸ軸方向における補助具３０の中心からの距離を示し、縦軸は透過率を示す。曲線Ｃ３０は透過率の分布特性を示す。図８（Ａ）において、平凸レンズ３０ａの平坦面３０ｂにアルミニウムなどを段階的に蒸着し、中心部を厚くし、周辺部に近づくほど薄くなるようした薄膜３０ｃを設けている。なお図８（Ａ）は厚みを誇張して示している。この補助具３０は、図８（Ｂ）で示されるように、その中心部ほど透過率が低く、周辺部に近づくに従って透過率が高くなる。それにより、補助具１４を利用したときと同様、図７で示されるような中心部からの距離に従って単調増加あるいは単調減少の検出電圧信号Ｓｈ’を得ることができ、光軸調整を容易にすることができる。上記の例では、レンズの片面に薄膜を設けたが、レンズの両面に薄膜を設けることも可能である。
【００４８】
図９は、レーザ光に対して適当な吸収率を持つ材料を用いて作製された凸レンズからなる補助具を示す図である。図９（Ａ）は補助具４０の側面断面図を示し、図９（Ａ）は補助具４０のＸ軸方向の透過率分布を示す。図８（Ａ）において、横軸はＸ軸方向における補助具４０の中心からの距離、縦軸は透過率の変化特性を示す。曲線Ｃ４０は透過率の分布を示す。図９（Ａ）において、平凸レンズ４０ａは中心部が厚く、周辺部に近づくほど薄くなっている。そのため、厚さが厚い中心に近いほど透過するレーザ光は吸収され、透過光の強度は弱くなる。従ってこの補助具４０は、図９（Ｂ）で示されるように、中心部ほど透過率が低く、周辺部に近づくに従って透過率が高くなる。それにより、補助具１４を利用したときと同様、図７で示されるような中心からの距離に従って単調増加あるいは単調減少の検出電圧信号Ｓｈ’が得られ、光軸調整を容易にすることができる。
【００４９】
次に、図１０を参照して、代表的に補助具１４を備える４分割光検出器１１での光軸調整の仕方を説明する。
【００５０】
光てこ式光学検出系を備えた走査型プローブ顕微鏡の当該光てき式光学検出系における光軸調整の作業の全体は、背景技術の箇所で述べた通りである。ここで要約的に述べると、まずレーザ光源から出射されたレーザ光の位置を制御しながら導いてカンチレバーの背面に形成された反射領域に当てる第１ステップと、カンチレバーの背面で反射されたレーザ光を４分割光検出器の受光面に入射するようにレーザ光の位置を調整する第２ステップとからなっている。第１ステップが終了し、第２ステップを行う段階で、カンチレバーの背面で反射されたレーザ光が４分割光検出器１１の受光面１２の近傍に照射された状態にする。
【００５１】
一方、前述の通り、本実施形態による４分割光検出器１１の受光面１２の前面に補助具１４を構成する凸レンズ１４ａと光学フィルタ１４ｂが付設されている。従って、カンチレバーからの反射で到来したレーザ光は、受光面１２から外れていても、一般的には補助具１４の光学フィルタ１４ｂによって捕捉される。図１０に示される例では、レーザ光１６の照射スポット（１６−１，１６−２，１６−３）を示している。
【００５２】
図１０の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、補助具１４（光学フィルタ１４ｂ）の外側位置に入射したレーザ光の照射スポットがその位置を調整されて（Ａ）から（Ｃ）のごとく受光面１２の中心位置に導かれる状態を示す。また図７の符号Ｓｈ’２０，Ｓｈ’２１等は照射スポットの位置に対応する４分割光検出器１１の検出電圧信号Ｓｈ’のレベル（感度）を示している。図１０における照射スポットの位置１６−１，１６−２，１６−３はそれぞれ図７のＡ１０，Ａ１２，Ａ０のそれぞれに対応している。図７から明らかなように、受光面１２の中心の位置に照射スポットが当たるときにはレベルは０であって電圧信号Ｓｈ’の変化特性が顕著になる。照射スポットが周縁部に近づくに従って電圧信号Ｓｈ’は単調に増加し、中心部に近づくに従って電圧信号Ｓｈ’は単調に減少する。従って、Ｘ軸方向（一般的に径方向）に関するレーザ光１６の照射スポットの位置は、４分割光検出器１１の受光面１２に関する電圧信号Ｓｈ’のレベルを調べることによって知ることができる。またより弱い電圧信号のレベルほど中心部に近づいていることを知ることができる。換言すれば、４分割光検出器１１から出力される電圧信号Ｓｈ’のレベルおよびその変化状態を得ることによって、レーザ光１６が光学フィルタ１４ｂに入射したとき、当該入射位置から内側に移動させ、さらに４分割光検出器１１の受光面１２の中心位置に調整することを容易に行うことができる。以上の検出電圧信号の特性は、Ｙ軸方向等の他の方向についての水平方向であっても同じである。
【００５３】
レーザ光１６が補助具１４の光学フィルタ１４ｂ等で捕捉されたとき、通常は、図１０の（Ａ）に示されるごとく光学フィルタ１４ｂの周縁部で捕捉される。その時、光学フィルタ１４ｂの透過率が高いために、その検出出力は強いものとなる。その後では、単調減少の変化特性Ｃ１１を利用して当該検出出力が弱くなるように光軸を手動で調整することにより、レーザ光１６を受光面１２の中心Ｏの位置の方向に移動させることが可能となる。図７に示した矢印５１，５２は光軸の手動調整におけるレーザ光１６の照射スポットの移動方向を示している。こうして最終的に検出出力である電圧信号Ｓｈ’が０になるように調整を行う。４分割光検出器１１の検出出力が０になると、光軸調整作業は完了することになる。
【００５４】
以上のごとく、４分割光検出器１１の受光面１２に対して、前述のごとき構成に基づいて補助具１４を付設することにより、カンチレバーの背面から反射されるレーザ光１６の照射スポットを比較的に高い確率で補助具１４により捕捉させ、その後、４分割光検出器１１からの出力特性（電圧信号Ｓｈ’）を観察しながら、容易にその受光面１２の中心の位置にレーザ光１６を移動させ、光軸調整の作業を容易にかつ短時間に終了させることが可能となる。
【００５５】
従来の光軸調整の仕方と比較して、本実施形態による方法は試行錯誤の過程がほとんど必要ない、あるいは少なくなるので、経験に依存する部分が低減され、熟練でない操作者にも容易に行うことができる。
【００５６】
また光軸調整が完了した後に、光てこ式光学検出系を用いて原子間力顕微鏡による測定が行われる。この測定において、光軸調整に用いられた補助具１４は、通常、４分割光検出器１１から取り外される。従って、４分割光検出器１１に対して、補助具１４は着脱自在に設けられる。このことは、補助具３０，４０でも同様である。
【００５７】
上記実施形態では原子間力顕微鏡について説明したが、これに限定されず、光てこ式光学検出系を備える走査型プローブ顕微鏡に本発明による光軸調整補助装置を適用できるのは勿論である。さらに他の位置検出装置に利用することもできる。また光軸調整補助装置は４分割光検出器に使用されたが、これに限定されず、その他の分割数の光検出器に対しても変形して使用できるのは勿論である。かかる光軸調整補助装置は、多素子型光検出器の受光領域を実質的に拡大することができる。
【００５８】
さらに上記の実施形態では、補助具１４等を着脱自在に設けたが、補助具を４分割光検出器１１に固定した状態にすることもできる。この場合、４分割光検出器１１の検出特性が影響を受けないように、受光面１２における受光部１２ａ〜１２ｄにおける補助具の特性が調整される。
【００５９】
また上記の実施形態では、ミラー１０７の反射方向に係る姿勢を調整することで４分割光検出器１１の受光面１２におけるレーザ光１６の照射スポットを調整し光軸調整を行うようにしたが、ミラー１０７の代わりに、図１１に示すごとき光軸調整機構６１を用いて光軸調整を行うこともできる。光軸調整機構６１では、ベース部材６２の上に、三角形の形状を有する取付け台６３を、支点支持部６４と２つの調整ネジ６５，６６で設けている。支点支持部６４は取付け台６３の１つの頂点部に設けられ、２つの調整ネジ６５，６６は他の２つの頂点部のそれぞれに取り付けられている。取付け台６３の上に前述の４分割光検出器１１が設けられている。４分割光検出器１１の受光面１２は上側を向いており、受光面１２にレーザ光１６が入射される。４分割光検出器１１の受光面１２の前面に前述の補助具１４等が配置される。図１１では、補助具１４等の図示は省略されている。
【００６０】
上記の光軸調整機構６１によれば、２つの調整ネジ６５，６６のいずれかを適宜に調整することにより、受光面１２におけるレーザ光１６の入射位置を変更し、光軸調整が行われる。
【００６１】
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡における光てこ式光学検出系の４分割光検出器等の光軸調整補助装置として利用される。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係る光軸調整補助装置が適用される４分割光検出器の正面図である。
【図２】図１に示した４分割光検出器の側面図である。
【図３】図１に示した４分割光検出器に本実施形態に係る光軸調整補助具を適用した正面図である。
【図４】図３に示した４分割光検出器の側面図である。
【図５】本実施形態に係る光軸調整補助具内に含まれる光学フィルタの透過率特性を示すグラフである。
【図６】本実施形形態に係る光軸調整補助具内に含まれる凸レンズと光学フィルタの組合せの作用を示す図である。
【図７】本実施形態に係る光軸調整補助具が設けられた４分割光検出器のレーザ光の入射位置と電圧信号Ｓｈ’との関係を示すグラフである。
【図８】本実施形態に係る光軸調整補助具の他の実施例を示す図であり、（Ａ）は側面断面図であり、（Ｂ）は透過率分布を示すグラフである。
【図９】本実施形態に係る光軸調整補助具の他の実施例を示す図であり、（Ａ）は側面断面図であり、（Ｂ）は透過率分布を示すグラフである。
【図１０】本実施形態に係る光軸調整補助装置に基づく光軸調整の仕方を説明するための図である。
【図１１】光軸調整機構の他の例を示す斜視図である。
【図１２】従来の光軸調整の一例を説明するための概略側面図である。
【図１３】４分割光検出器の受光面でレーザ光のスポット位置を受光面の中心に移動させる制御状態を示す図である。
【図１４】４分割光検出器の受光面上にレーザ光の照射スポットがあるときの模式的な正面図である。
【図１５】図１４における状態を光強度と共に側方より示した模式的な側面図である。
【図１６】４分割光検出器の受光面のＸ軸上でレーザ光の照射スポットを移動させたときの電圧信号Ｓｈ’の変化状態を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６４】
１１                ４分割光検出器
１２                受光面
１２ａ〜１２ｄ      受光部
１４，３０，４０    光軸調整補助具
１４ａ              凸レンズ
１４ｂ              光学フィルタ
１４ｃ              ホルダ
１６                レーザ光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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