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JPH09171028A - Scanner system - Google Patents

Scanner system

Info

Publication number
JPH09171028A
JPH09171028A JP33056295A JP33056295A JPH09171028A JP H09171028 A JPH09171028 A JP H09171028A JP 33056295 A JP33056295 A JP 33056295A JP 33056295 A JP33056295 A JP 33056295A JP H09171028 A JPH09171028 A JP H09171028A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
scanner
light
stage
light spot
arithmetic circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP33056295A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Yugawa
浩 湯川
Hirohisa Fujimoto
洋久 藤本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Optical Co Ltd filed Critical Olympus Optical Co Ltd
Priority to JP33056295A priority Critical patent/JPH09171028A/en
Publication of JPH09171028A publication Critical patent/JPH09171028A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To alter the movement detection resolution and movement detection region easily by detecting any one of a plurality of optical spot detection means selectively while switching thereby eliminating the effect of hysteresis or creep caused by variation of a piezoelectric. SOLUTION: Position detectors 14, 15 are connected, on the output side thereof, with the fixed contact of a switch 18 through preamplifiers 16, 17 and the movable contact of switch 18 is connected with the input side of an arithmetic circuit 19. Output signal to the arithmetic circuit 19 can be switched between the detectors 14, 15 by means of the switch 18. The arithmetic circuit 19 determines the displacement of a scanner 1 based on the amplified output signals from detectors 14, 15 and delivers a displacement signal to a scan controller 20. The controller 20 delivers control signals in X and Y directions to a scanner driver 22 which produces an output signal for applying a voltage selectively to four drive electrodes of the scanner 1 thus displacing the scanner 1.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、走査トン
ネル顕微鏡(STM)や原子間力顕微鏡(AFM)など
の走査型プローブ顕微鏡に適用され、プローブのような
走査部材を試料に走査させるスキャナシステムに関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is applied to a scanning probe microscope such as a scanning tunneling microscope (STM) or atomic force microscope (AFM), and a scanner system for scanning a sample with a scanning member such as a probe. Regarding

【0002】[0002]

【従来の技術】例えば特開昭62−130302号公報
における「サンプル表面の像を形成する方法及び装置」
のように、走査トンネル顕微鏡(STM)や原子間力顕
微鏡(AFM)など、簡単な構成で原子サイズレベルの
高い縦横分解能を有する走査型プローブ顕微鏡が提案さ
れている。
2. Description of the Related Art For example, "Method and apparatus for forming image of sample surface" in Japanese Patent Laid-Open No. 62-130302.
As described above, scanning probe microscopes such as a scanning tunneling microscope (STM) and an atomic force microscope (AFM) have been proposed that have a simple configuration and high vertical and horizontal resolution at the atomic size level.

【0003】このような走査型プローブ顕微鏡で高い分
解能を実現するためには、プローブと試料との相対位置
を精度良くコントロールできるようなスキャナシステム
が必要である。一般には、スキャナシステムには圧電体
を用いた、トライポッド型またはチューブ型の圧電体ス
キャナが用いられている。
In order to realize high resolution with such a scanning probe microscope, a scanner system capable of controlling the relative position between the probe and the sample with high precision is required. In general, a tripod type or tube type piezoelectric body scanner using a piezoelectric body is used for the scanner system.

【0004】このようなチューブ型の圧電体スキャナ
(チューブスキャナ)は、例えばチューブ状に形成され
た圧電体の内周面に単一の共通電極を設けるとともに、
外周面にはその周方向に4つの駆動電極を設けてなる。
かくして4つの駆動電極への電圧印加を適宜制御するこ
とにより、屈曲や伸縮などにより圧電体の自由端部を3
次元的に変位させることができる。このスキャナにおい
ては、圧電体の自由端部にステージを固着し、このステ
ージにプローブまたは試料を支持することにより、圧電
体の端部の変位によってプローブにより試料を走査させ
ている。
Such a tube type piezoelectric body scanner (tube scanner) is provided with a single common electrode on the inner peripheral surface of a tube-shaped piezoelectric body, for example.
Four drive electrodes are provided on the outer peripheral surface in the circumferential direction.
Thus, by appropriately controlling the voltage application to the four driving electrodes, the free end portion of the piezoelectric body is bent to 3 by bending or stretching.
It can be displaced dimensionally. In this scanner, a stage is fixed to a free end of a piezoelectric body, and a probe or a sample is supported on this stage, so that the sample is scanned by the probe by the displacement of the end of the piezoelectric body.

【0005】しかし、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)
などの圧電体は、電圧駆動を行ったときの変位にヒステ
リシスやクリープ等の現象を示すことが良く知られてい
る。従って、前述のような圧電体スキャナを用いてプロ
ーブや試料を走査させた場合、ステージ(即ち、プロー
ブや試料)の移動特性は非直線性(電圧ー変位非線形特
性)を示す。このような非直線性は、走査型プローブ顕
微鏡においては、観測像の歪みとして現れ、定量的な測
定の妨げとなるという不具合がある。
However, PZT (lead zirconate titanate)
It is well known that such piezoelectric materials exhibit phenomena such as hysteresis and creep in displacement when they are driven by voltage. Therefore, when the probe or sample is scanned using the piezoelectric scanner as described above, the movement characteristic of the stage (that is, the probe or sample) exhibits non-linearity (voltage-displacement non-linear characteristic). In a scanning probe microscope, such non-linearity appears as distortion of an observed image, which impedes quantitative measurement.

【0006】このような問題を解決するために、本出願
人が先に提案した例えば、特開平6−229753にて
開示されているような技術が知られている。この従来の
技術のスキャナシステムは、図3に示すように、チュー
ブスキャナ1と、この上端に設けられ、下面に反射鏡4
が取着されたステージ3と、このチューブスキャナ1の
下方に順次配設された、1/4波長板5、コリメータレ
ンズ6、偏光ビームスプリッタ7、並びに、例えば4つ
の領域A〜Dに分割されたポジションディテクタ9とに
より構成されている。
In order to solve such a problem, there is known a technique previously proposed by the present applicant, for example, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-229753. As shown in FIG. 3, this conventional scanner system includes a tube scanner 1 and a reflecting mirror 4 provided on the upper end thereof and on the lower surface thereof.
Is attached to the stage 3, a quarter wavelength plate 5, a collimator lens 6, a polarization beam splitter 7, and four areas A to D, which are sequentially arranged below the tube scanner 1. The position detector 9 and the position detector 9.

【0007】このようなスキャナシステムにおいて、チ
ューブスキャナ1の駆動電圧に電圧が印加されてチュー
ブスキャナが図示のように変位していると、光源から、
偏光ビームスプリッタ7、コリメータレンズ6、並びに
1/4波長板5を介してチューブスキャナ1内に入射さ
れる光ビームの光軸に対して反射鏡4は所定角度傾いて
いる。このために、光ビームは反射鏡4に斜めに入射す
る。この場合、スキャナ1の上端のステージ3の基準状
態に対する傾きがθであると、ビームの反射角度は2θ
である。反射鏡4により反射された光ビームは1/4波
長板5で直線偏光された後、レンズ6および偏光ビーム
スプリッタ7を通り集光しながらポジションディテクタ
9の受光面に光スポットを形成する。このときに、光ビ
ームは反射鏡4において入射光ビームに対して2θの角
度で反射されているので、集光スポットの形成位置は、
反射鏡4の傾き方向並びに傾斜角度に応じてポジション
ディテクタ9の中心から所定距離dだけ変位する。従っ
て、この変位したスポツト位置に基づいて、移動量演出
手段によりステージの移動量を検出することができる。
In such a scanner system, when a voltage is applied to the drive voltage of the tube scanner 1 and the tube scanner is displaced as shown in the figure, the
The reflecting mirror 4 is tilted at a predetermined angle with respect to the optical axis of the light beam that enters the tube scanner 1 via the polarization beam splitter 7, the collimator lens 6, and the quarter-wave plate 5. Therefore, the light beam is obliquely incident on the reflecting mirror 4. In this case, when the inclination of the upper end of the scanner 1 with respect to the reference state of the stage 3 is θ, the beam reflection angle is 2θ.
It is. The light beam reflected by the reflecting mirror 4 is linearly polarized by the quarter-wave plate 5, and then forms a light spot on the light receiving surface of the position detector 9 while being condensed through the lens 6 and the polarization beam splitter 7. At this time, since the light beam is reflected by the reflecting mirror 4 at an angle of 2θ with respect to the incident light beam, the formation position of the focused spot is
The reflecting mirror 4 is displaced from the center of the position detector 9 by a predetermined distance d depending on the tilt direction and the tilt angle. Therefore, the movement amount of the stage can be detected by the movement amount producing means based on the displaced spot position.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】この従来技術では、前
述した非直線性による問題は解決しているが、コリメー
タレンズ6の焦点距離により、移動量検出の分解能と移
動検出領域とが決まる。しかし、これらは互いに相反す
るもので有り、移動量の検出分解能を高くすると移動検
出領域が狭くなり、また、逆に動検出領域を広くしよう
とすると分解能が低くなるという問題がある。
In this prior art, although the above-mentioned problem due to non-linearity is solved, the focal length of the collimator lens 6 determines the resolution of movement amount detection and the movement detection region. However, these are contradictory to each other, and there is a problem that if the detection resolution of the movement amount is increased, the movement detection region is narrowed, and conversely, if the movement detection region is widened, the resolution is lowered.

【0009】従って、本発明は、このような事情を考慮
してなされたものであり、その目的は、圧電体の変化に
より生じるヒステリシスやクリープ等による影響を除去
して良好な走査を可能とするものでありながら、移動量
検出の分解能と移動検出領域とを容易に代えることの可
能なスキャナシステムを提供することである。
Therefore, the present invention has been made in consideration of such circumstances, and an object thereof is to eliminate the influence of hysteresis, creep and the like caused by the change of the piezoelectric body, thereby enabling good scanning. However, it is an object of the present invention to provide a scanner system capable of easily changing the resolution of movement amount detection and the movement detection area.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明に係わるスキャナ
システムは、ステージを選択的に移動させる圧電体のス
キャナを使用し、前記ステージに設けられた光反射手段
と、この光反射手段に平行ビームを入射させる光源手段
と、入射する光スポットの位置を夫々検出する複数の光
スポット検出手段と、これら複数の光スポット検出手段
に対応して設けられ、前記光反射手段からの反射光を集
光し、光スポット検出手段の夫々に光スポットを形成す
る、夫々異なる焦点距離を有する複数の集光レンズと、
前記複数の光スポット検出手段のいずれか1つを選択的
に動作可能とする切替手段と、この動作可能な光スポッ
ト検出手段により検出された前記光スポット位置に基づ
いて、前記ステージの移動量を求める移動量演算手段と
を具備したことを特徴とする。
A scanner system according to the present invention uses a piezoelectric scanner for selectively moving a stage, and a light reflecting means provided on the stage and a beam parallel to the light reflecting means. Light source means for making incident light, a plurality of light spot detecting means for respectively detecting the positions of incident light spots, and a plurality of light spot detecting means provided corresponding to the plurality of light spot detecting means for condensing reflected light from the light reflecting means. A plurality of condensing lenses each having a different focal length, which form a light spot on each of the light spot detection means,
Based on the switching means for selectively operating any one of the plurality of light spot detecting means and the light spot position detected by the operable light spot detecting means, the movement amount of the stage is determined. And a moving amount calculating means for obtaining.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下、図1並びに図2を参照して
本発明の実施の形態を説明する。図1はこの実施例に係
るスキャナシステムの概略構成を一部破断して示す図で
ある。図中、符号1はチューブ型の圧電体スキャナ(以
下、スキャナと称する)を示す。このスキャナ1は、詳
細な構成の図示は省略しているが、チューブ状に、即
ち、両端が開口した円筒状に形成された圧電体の内周面
に単一の共通電極を設けるとともに、外周面にその周方
向に4つの駆動電極を設けてなる。このスキャナ1は、
その下端が固定台2の上に固定されている。そして、こ
のスキャナ1の上端、即ち自由端には、ステージ3が開
口を閉塞するようにして固定されている。このステージ
3は上面と下面とが正確に平行となるように形成されて
いる。そして、このステージ3の上面には、試料もしく
はプローブが装着され、また下面には、平面鏡4がその
反射面を下に向けて固定されている。また、前記固定台
2には、スキャナ1と同軸的に透孔2aが上面から下面
に貫通するように形成されている。この透孔2a内に
は、1/4波長板5、並びに第1の偏光ビームスプリッ
タ10及び前記平面鏡4が、一直線上に配置されてい
る。前記1/4波長板5は、透孔2aの上方小径部に、
また、偏光ビームスプリッタ10は下方大径部に夫々位
置するようにして固定台2に固定されている。そして、
この偏光ビームスプリッタ10の下方には、図示しない
支持手段により支持されて光源8が配置されている。こ
の光源8は、半導体レーザ8aと、この半導体レーザ8
aの射出側に設けられたコリメータレンズ8bと、半導
体レーザ8aを駆動するためのLDドライバ8cとによ
り構成されている。半導体レーザ8aから発せられた光
ビームはレンズ8bによって平行ビームとなって第1の
偏光ビームスプリッタ10へと入射する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a partially cutaway view showing a schematic configuration of a scanner system according to this embodiment. In the figure, reference numeral 1 indicates a tube-type piezoelectric scanner (hereinafter referred to as a scanner). Although the detailed configuration of the scanner 1 is omitted, a single common electrode is provided on the inner peripheral surface of a piezoelectric body formed in a tube shape, that is, a cylindrical shape with both ends open, and the outer periphery is Four drive electrodes are provided on the surface in the circumferential direction. This scanner 1
Its lower end is fixed on the fixed base 2. The stage 3 is fixed to the upper end of the scanner 1, that is, the free end so as to close the opening. The stage 3 is formed so that the upper surface and the lower surface are exactly parallel to each other. A sample or a probe is mounted on the upper surface of the stage 3, and a flat mirror 4 is fixed on the lower surface with the reflection surface thereof facing downward. A through hole 2a is formed in the fixed base 2 coaxially with the scanner 1 so as to penetrate from the upper surface to the lower surface. Inside the through hole 2a, the quarter-wave plate 5, the first polarization beam splitter 10 and the plane mirror 4 are arranged in a straight line. The quarter-wave plate 5 is provided on the small diameter portion above the through hole 2a.
Further, the polarization beam splitters 10 are fixed to the fixed base 2 so as to be positioned in the lower large diameter portion. And
A light source 8 is arranged below the polarization beam splitter 10 and supported by a supporting means (not shown). This light source 8 includes a semiconductor laser 8a and a semiconductor laser 8a.
It is composed of a collimator lens 8b provided on the exit side of a and an LD driver 8c for driving the semiconductor laser 8a. The light beam emitted from the semiconductor laser 8a becomes a parallel beam by the lens 8b and enters the first polarization beam splitter 10.

【0012】前記第1の偏光ビームスプリッタ10の側
方には、第2のビームスプリッタ11が、第1の偏光ビ
ームスプリッタ10からの射出ビームを受光するように
設けられている。この第2のビームスプリッタ11の第
1の射出側には第1の集光レンズ12が、また第2の射
出側には第2の集光レンズ13が夫々もうけられてい
る。これら集光レンズ12,13は、異なる焦点距離f
1,f2を有し、この実施の形態では、第1の集光レンズ
12の焦点距離f1が第2の集光レンズ13の焦点距離
2よりも短く設定されている。。これら第1並びに第
2の集光レンズ12,13の焦点位置には、夫々第1並
びに第2のポジションディテクタ14,15が配置され
ている。これらポジションディテクタ14,15は、集
光レンズにより集光された光により受光面に光スポット
が形成されるものであり、特開平6−229753にて
開示されたものと同等のものが使用され得るので、説明
は省略する。
A second beam splitter 11 is provided on the side of the first polarization beam splitter 10 so as to receive the beam emitted from the first polarization beam splitter 10. A first condenser lens 12 is provided on the first exit side of the second beam splitter 11, and a second condenser lens 13 is provided on the second exit side. These condenser lenses 12 and 13 have different focal lengths f
1, has a f 2, in this embodiment, the focal length f 1 of the first condenser lens 12 is set shorter than the focal length f 2 of the second focusing lens 13. . First and second position detectors 14 and 15 are arranged at the focal positions of the first and second condenser lenses 12 and 13, respectively. These position detectors 14 and 15 form a light spot on the light receiving surface by the light condensed by the condenser lens, and those equivalent to those disclosed in JP-A-6-229753 can be used. Therefore, the description is omitted.

【0013】前記第1並びに第2のポジションディテク
タ14,15の出力側は、それぞれポジションディテク
タ14,15の光スポット位置を示す出力信号を増幅す
るプリアンプ16,17を介して、切替えスイッチ18
の第1並びに第2の固定接点に夫々接続されている。こ
の切替えスイッチ18の可動接点は、後述する演算回路
19の入力側に接続されている。かくして、切替えスイ
ッチ18は、これの可動接点が第1の固定接点に接続さ
れたときには、第1のポジションディテクタ14からの
出力信号が演算回路19に送られ、また、可動接点が第
2の固定接点に接続されたときには、第2のポジション
ディテクタ15からの出力信号が演算回路19に送られ
るように切り替え可能となっている。この可動接点の切
替えは、手動でも良いし、また電気的に行うようにして
も良い。
The output side of the first and second position detectors 14 and 15 is provided with a changeover switch 18 via preamplifiers 16 and 17 for amplifying output signals indicating the light spot positions of the position detectors 14 and 15, respectively.
Are connected to the first and second fixed contacts respectively. The movable contact of the changeover switch 18 is connected to the input side of an arithmetic circuit 19 described later. Thus, in the changeover switch 18, when the movable contact thereof is connected to the first fixed contact, the output signal from the first position detector 14 is sent to the arithmetic circuit 19, and the movable contact is changed to the second fixed contact. When connected to the contact, the output signal from the second position detector 15 can be switched so as to be sent to the arithmetic circuit 19. The switching of the movable contact may be performed manually or electrically.

【0014】符号20は、後述する非直線性補正手段2
0aを有するスキャンコントローラを示す。このスキャ
ンコントローラ20の第1の入力側には、前記演算回路
19の出力側が、また第2の入力側には波形発生器21
が夫々接続されている。前記演算回路16は、増幅され
た、ポジションディテクタの出力信号からスキャナ1の
変位状態を求め、この変位状態を示す変位信号をスキャ
ンコントローラ20に供給する。そして、このスキャン
コントローラ20は、波形発生器21で発生される参照
電圧に対して所定の処理(後述するフィードバック制御
のための処理や、スキャナ1の動きをXY方向から回転
させたりずらしたりするための処理など)を行い、X方
向およびY方向のそれぞれの制御信号を出力する。この
X方向およびY方向のそれぞれの制御信号は、これの出
力側に接続されたスキャナドライバ22へと供給され
る。このスキャナドライバ22の出力側は、前記スキャ
ナ1に接続されており、供給される制御信号にて指示さ
れる状態にスキャナ1を変位させるように、スキャナ1
の4つの駆動電極への選択的な電圧印加を行う。
Reference numeral 20 is a non-linearity correction means 2 described later.
2 shows a scan controller with 0a. The output side of the arithmetic circuit 19 is on the first input side of the scan controller 20, and the waveform generator 21 is on the second input side.
Are connected respectively. The arithmetic circuit 16 obtains the displacement state of the scanner 1 from the amplified output signal of the position detector, and supplies the displacement signal indicating the displacement state to the scan controller 20. The scan controller 20 performs a predetermined process (process for feedback control, which will be described later, or to rotate or shift the movement of the scanner 1 in the XY directions) on the reference voltage generated by the waveform generator 21. And the like) and outputs control signals in the X and Y directions. The control signals in the X direction and the Y direction are supplied to the scanner driver 22 connected to the output side thereof. The output side of the scanner driver 22 is connected to the scanner 1 so as to displace the scanner 1 to a state instructed by the control signal supplied thereto.
The selective voltage application to the four drive electrodes of is performed.

【0015】前記スキャンコントローラ20の非直線性
補正手段20aは、演算回路19から供給される変位信
号に基づいて、生成する制御信号に所定の補正を加え
る。次に、以上のように構成されたスキャナシステムの
動作を説明する。まず、スキャナドライバ22がスキャ
ナ1の4つの駆動電極のいずれにも電圧を印加していな
い状態では、スキャナ1は変位しておらず、基準状態に
ある。また、スキャナドライバ22が、スキャンコント
ローラ20から出力される制御信号に基づいてスキャナ
1の4つの駆動電極に選択的に電圧印加を行うと、その
電圧印加の状態に応じた変位がスキャナ1に生じる。
The non-linearity correction means 20a of the scan controller 20 applies a predetermined correction to the generated control signal based on the displacement signal supplied from the arithmetic circuit 19. Next, the operation of the scanner system configured as above will be described. First, when the scanner driver 22 does not apply a voltage to any of the four drive electrodes of the scanner 1, the scanner 1 is not displaced and is in the reference state. Further, when the scanner driver 22 selectively applies the voltage to the four drive electrodes of the scanner 1 based on the control signal output from the scan controller 20, the scanner 1 is displaced according to the state of the voltage application. .

【0016】光源8から射出された一方向の直線偏光成
分を有する平行ビームは、第1の偏光ビームスプリッタ
10を通って、1/4波長板5に入射する。この1/4
波長板5で入射光ビームの直線偏光成分は円偏光成分に
変換される。そして、1/4波長板5を透過した円偏光
成分を有する光ビームは、固定台2の透孔2aを出てス
キャナ1の内部へと入り、平面鏡4へ入射する。この入
射光ビームは平面鏡4で反射されて再度1/4波長板5
に入射する。ここで、光ビームは、前記ビームスプリッ
タ10を通って1/4波長板5に入射する光ビームの直
線偏光成分とは方位角が90°回転した直線偏光成分を
有する光ビームとなって射出される。この射出平行光ビ
ームは、第1の偏光ビームスプリッタ10にて90°反
射されて第2のビームスプリッタ11に入射し、ここ
で、ビームスプリッタ11を透過する第1の光ビーム
と、反射される第2の光ビームとに分けられる。第1の
光ビームは焦点距離の短い第1の集光レンズ12に入射
し、第1のポジションディテクタ14の受光面に集光さ
れて光スポットを形成する。同様に、第2の光ビームは
焦点距離の長い第2の集光レンズ13に入射し、第2の
ポジションディテクタ15の受光面に集光されて光スポ
ットを形成する。これら受光面に形成された光スポット
は、前記ステージ3の傾き、即ち、スキャナ1の変位に
対応して中心より変位した位置に形成される。
The parallel beam emitted from the light source 8 and having a linearly polarized component in one direction passes through the first polarization beam splitter 10 and is incident on the quarter-wave plate 5. This 1/4
The wavelength plate 5 converts the linearly polarized light component of the incident light beam into a circularly polarized light component. Then, the light beam having the circularly polarized light component that has passed through the quarter-wave plate 5 exits the through hole 2 a of the fixed base 2 and enters the inside of the scanner 1 and enters the plane mirror 4. This incident light beam is reflected by the plane mirror 4 and again the quarter wave plate 5
Incident on. Here, the light beam is emitted as a light beam having a linear polarization component whose azimuth angle is rotated by 90 ° with respect to the linear polarization component of the light beam incident on the quarter-wave plate 5 through the beam splitter 10. It The emitted parallel light beam is reflected by 90 ° by the first polarization beam splitter 10 and enters the second beam splitter 11, where it is reflected by the first light beam that passes through the beam splitter 11. It is divided into a second light beam. The first light beam enters the first condenser lens 12 having a short focal length and is condensed on the light receiving surface of the first position detector 14 to form a light spot. Similarly, the second light beam enters the second condenser lens 13 having a long focal length and is condensed on the light receiving surface of the second position detector 15 to form a light spot. The light spots formed on these light receiving surfaces are formed at a position displaced from the center corresponding to the inclination of the stage 3, that is, the displacement of the scanner 1.

【0017】ここで、スキャナ1が変位していない場
合、光スポットはポジションディテクタ14,15の受
光面の中央に形成される。一方、スキャナ1が図示のよ
うに変位している場合、スキャナ1の内部に入射した光
ビームの光軸に対して平面鏡4が傾いている(例えば、
X方向にスキャナ1が変位した場合には平面鏡4はY軸
を中心として傾斜する)。従って、光ビームは、平面鏡
4に、斜めに入射し、これとは反対方向に反射される。
具体的には、スキャナ1の先端が基準状態に対してθの
傾きを有している場合、平面鏡4に入射した光ビーム
は、入射光とは2θの角度をもって反射する。
Here, when the scanner 1 is not displaced, the light spot is formed at the center of the light receiving surfaces of the position detectors 14 and 15. On the other hand, when the scanner 1 is displaced as shown in the figure, the plane mirror 4 is tilted with respect to the optical axis of the light beam incident on the inside of the scanner 1 (for example,
When the scanner 1 is displaced in the X direction, the plane mirror 4 tilts about the Y axis). Therefore, the light beam obliquely enters the plane mirror 4 and is reflected in the opposite direction.
Specifically, when the tip of the scanner 1 has an inclination of θ with respect to the reference state, the light beam incident on the plane mirror 4 is reflected at an angle of 2θ with respect to the incident light.

【0018】平面鏡4で反射された光ビームは、1/4
波長板5で直線偏光とされたのち、第1並びに第2のビ
ームスプリッタ10,11を通って第1並びに第2の集
光レンズ12,13に入射し、夫々のポジションディテ
クタ14,15の受光面に光スポットを形成する。この
ときに、光ビームは平面鏡4において、入射光ビームに
対して2θの角度で反射しているために、光スポットの
形成位置は平面鏡4の傾き方向に応じてポジションディ
テクタ14,15の中心から変位する。
The light beam reflected by the plane mirror 4 is ¼
After being linearly polarized by the wave plate 5, it is incident on the first and second condenser lenses 12 and 13 through the first and second beam splitters 10 and 11, and is received by the respective position detectors 14 and 15. Form a light spot on the surface. At this time, since the light beam is reflected by the plane mirror 4 at an angle of 2θ with respect to the incident light beam, the formation position of the light spot is from the center of the position detectors 14 and 15 depending on the tilt direction of the plane mirror 4. Displace.

【0019】ここで、第1並びに第2のポジションディ
テクタ14,15上での各光スポットの形成位置の偏位
量dと平面鏡4の傾き角θとの間には、 d=f・sin(2θ) …(1) なる関係がある。この式で、fは、第1並びに第2の集
光レンズ12,13の焦点距離である(尚、前述したよ
うに、第1の集光レンズ12と第2の集光レンズ13と
は,夫々ことなる焦点距離f1,f2を有するが、この式
ではこれらを一括してfで示している)。
Here, between the deviation amount d of the formation position of each light spot on the first and second position detectors 14 and 15 and the tilt angle θ of the plane mirror 4, d = f · sin ( 2θ) (1) In this equation, f is the focal length of the first and second condenser lenses 12 and 13 (note that, as described above, the first condenser lens 12 and the second condenser lens 13 are Although they have different focal lengths f 1 and f 2 , they are collectively indicated by f in this formula).

【0020】この式からわかるように、集光レンズの焦
点距離fを大きくすることにより、光スポット形成位置
の変位量dが大きくなる。即ち、移動量の検出分解能が
高くなる。そして、ポジションディテクタは有限の大き
さであり、移動量が長くなるとけられはじめ、移動検出
のダイナミックレンジは小さくなってしまう。
As can be seen from this equation, by increasing the focal length f of the condenser lens, the displacement amount d of the light spot formation position increases. That is, the detection resolution of the movement amount becomes high. The position detector has a finite size, and when the amount of movement becomes long, the position detector begins to be worn and the dynamic range of movement detection becomes small.

【0021】このために、上記実施例では、異なる焦点
距離f1,f2を有する集光レンズ12,13を使用する
ことにより、焦点距離の短い第1の集光レンズ12を使
用した第1のポジションディテクタ14からの出力信号
は小領域な移動量検出で高分解能となり、焦点距離の長
い第2の集光レンズ13を使用した第2ポジションディ
テクタ15では大領域な移動検出で低分解能となる。従
って、切替えスイッチ18の切替えにより、一方の信号
を選定して演算回路19に供給することができる。
Therefore, in the above embodiment, the first condenser lens 12 having a short focal length is used by using the condenser lenses 12 and 13 having different focal lengths f 1 and f 2 . The output signal from the position detector 14 has a high resolution by detecting the movement amount in a small area, and the second position detector 15 using the second condenser lens 13 having a long focal length has a low resolution by detecting the movement in a large area. . Therefore, by switching the changeover switch 18, one of the signals can be selected and supplied to the arithmetic circuit 19.

【0022】演算回路19は、夫々のポジションディテ
クタ14,15の出力信号に基づいて上記の演算を行う
ことにより、平面鏡4の傾き角θを求める。また、各ポ
ジションディテクタは、例えば受光面が4つの領域に分
割されており、どの領域に光スポットが形成されている
のかに基づいて光スポットの変位方向を検出することが
できる。この光スポットの変位方向は平面鏡4の傾き方
向に対応するので、演算回路19により夫々のポジショ
ンディテクタ14,15の出力信号に基づいて平面鏡4
の傾き方向を求める。かくして、演算回路19では、平
面鏡4の傾き角θおよび傾き方向、すなわちステージ3
の傾き角および傾き方向が特定され、ステージ3の状態
が検出される。
The calculation circuit 19 calculates the tilt angle θ of the plane mirror 4 by performing the above calculation based on the output signals of the position detectors 14 and 15. Further, each position detector has, for example, a light receiving surface divided into four regions, and the displacement direction of the light spot can be detected based on which region the light spot is formed. Since the displacement direction of the light spot corresponds to the tilt direction of the plane mirror 4, the plane mirror 4 is calculated by the arithmetic circuit 19 based on the output signals of the position detectors 14 and 15.
Find the tilt direction of. Thus, in the arithmetic circuit 19, the tilt angle θ and the tilt direction of the plane mirror 4, that is, the stage 3
The tilt angle and the tilt direction are specified, and the state of the stage 3 is detected.

【0023】夫々のポジションディテクタ14,15の
出力信号に基づいて演算した演算回路19からの出力情
報を図2に、夫々曲線14g,15gで示す。演算回路
19は、このように求めた情報を、ステージ3のX方向
およびY方向のそれぞれの変位を表すモニタ信号に変換
し、スキャンコントローラ20に与える。具体的には、
各ポジションディテクタの4つの受光領域のそれぞれで
の受光情報をA,B,C,Dとすると、 dx=(A+D)−(B+C) …(2) dy=(A+B)−(C+D) …(3) なる式に基づいてモニタ信号dx,dyを得、これをス
キャンコントローラ20に与える。
Output information from the arithmetic circuit 19 calculated based on the output signals of the position detectors 14 and 15 is shown in FIG. 2 by curves 14g and 15g, respectively. The arithmetic circuit 19 converts the information thus obtained into monitor signals representing the displacements of the stage 3 in the X direction and the Y direction, and supplies the monitor signals to the scan controller 20. In particular,
Letting A, B, C, and D be light receiving information in each of the four light receiving regions of each position detector, dx = (A + D)-(B + C) (2) dy = (A + B)-(C + D) (3) ) The monitor signals dx and dy are obtained based on the following equation, and this is given to the scan controller 20.

【0024】スキャンコントローラ20では、波形発生
器21から出力される基準波形に基づき、ステージ3を
所定状態に変位させるべくX方向およびY方向のそれぞ
れの制御信号を生成し、この状態で非直線性制御手段2
0aがモニタ信号を監視し、現在所望とするステージ3
の状態とモニタ信号が示す実際のステージ3の状態との
偏差を求める。所望とするステージ3の状態と実際のス
テージ3の状態との間には、スキャナ1を構成する圧電
体の変位に生じるヒステリシスやクリープ等によって偏
差が生じるので、非直線性制御手段20aはこの偏差を
求める。そして、非直線性制御手段20aは、この偏差
を補償するように制御信号を変化させる。即ち、演算回
路19にて求められる実際のステージ3の状態が所望と
する状態となるようにフィードバック制御を行う。
The scan controller 20 generates control signals in the X and Y directions based on the reference waveform output from the waveform generator 21 in order to displace the stage 3 into a predetermined state. In this state, the nonlinearity is generated. Control means 2
0a monitors the monitor signal, and the currently desired stage 3
And the actual state of the stage 3 indicated by the monitor signal. A deviation occurs between the desired state of the stage 3 and the actual state of the stage 3 due to hysteresis, creep, or the like that occurs in the displacement of the piezoelectric body that constitutes the scanner 1. Therefore, the nonlinear control means 20a uses this deviation. Ask for. Then, the non-linearity control means 20a changes the control signal so as to compensate for this deviation. That is, feedback control is performed so that the actual state of the stage 3 obtained by the arithmetic circuit 19 becomes a desired state.

【0025】かくして、実際のステージ3の状態(傾き
角θおよび傾き方向)が光学的に検出され、この検出さ
れる実際のステージ3の状態が所望の状態となるように
フィードバック制御がなされるので、スキャナ1を構成
する圧電体の変位にヒステリシスやクリープ等が生じて
いても、これがステージ3の変位に影響することが防止
され、ステージ3の状態を良好に制御できる。
Thus, the actual state of the stage 3 (inclination angle θ and inclination direction) is optically detected, and feedback control is performed so that the detected actual state of the stage 3 becomes a desired state. Even if hysteresis or creep occurs in the displacement of the piezoelectric body constituting the scanner 1, this is prevented from affecting the displacement of the stage 3, and the state of the stage 3 can be well controlled.

【0026】上記本実施の形態によれば、、焦点距離の
夫々異なる2個の集光レンズ12,13をポジションデ
ィテクタ14,15に光スポットを形成するために使用
し、これらポジションディテクタからの出力信号の演算
回路19への入力を切替えスイッチ18により選定する
ことにより、容易に移動検出領域と移動量分解能とを適
宜切替でき、かつ良好に制御出来る。即ち、ステージ3
に載置された対称物を観察する場合、まずスキャナ1を
大きく走査させ、第2のポジションディテクタ15から
の出力信号に基づく大きな移動検出領域側で検出し、次
に、第1のポジションディテクタ14からの出力信号を
得るようにスイッチ18を切替て観察したい領域を高い
分解能側に切り換え走査することが可能となる。
According to the above-described embodiment, the two condenser lenses 12 and 13 having different focal lengths are used to form the light spots on the position detectors 14 and 15, and the outputs from these position detectors are used. By selecting the input of the signal to the arithmetic circuit 19 by the changeover switch 18, the movement detection region and the movement amount resolution can be easily switched appropriately and can be well controlled. That is, stage 3
When observing a symmetric object placed on the first position detector 14, the scanner 1 is first scanned by a large amount and detected on the side of a large movement detection region based on the output signal from the second position detector 15, and then the first position detector 14 is detected. It is possible to switch the switch 18 so as to obtain an output signal from and to switch the region to be observed to the high resolution side for scanning.

【0027】なお、上記実施の形態では、フィードバッ
ク制御を行っているが、例えばSTMやAFMの場合に
は、演算回路19からのモニタ信号に合わせて、XY座
標を新たにコンピュータ上におこし、このXY座標上に
STM信号やAFM信号を再配置するような画像処理を
行うことによっても本発明の目的を達成することができ
る。
Although feedback control is performed in the above embodiment, for example, in the case of STM and AFM, XY coordinates are newly generated on the computer in accordance with the monitor signal from the arithmetic circuit 19. The object of the present invention can also be achieved by performing image processing such as rearranging the STM signal and the AFM signal on the XY coordinates.

【0028】また上記実施例では、光源8に半導体レー
ザ8aを配しているが、LEDなどの他の発光手段を適
用することも可能であり、LEDを適用した場合には干
渉による悪影響が生じることがないので、1/4波長板
5を省略し、偏光ビームスプリッタ10の代りにハーフ
ミラーを用いることができ、構成を簡単にすることがで
きる。
Further, in the above embodiment, the semiconductor laser 8a is arranged in the light source 8, but other light emitting means such as an LED can be applied, and when an LED is applied, an adverse effect due to interference occurs. Therefore, the quarter wavelength plate 5 can be omitted, and a half mirror can be used instead of the polarization beam splitter 10, and the configuration can be simplified.

【0029】ステージへの入射光ヒームを反射する手段
として平面鏡を使用したが、かならずしもこれに限定さ
れるものではなく、例えば、凹面鏡でも凸面鏡でも良
い。光スポット検出手段は、上記構成のポジションディ
テクタに限定されるものではなく、例えば、2分割のも
のでも、また多分割のものでも良い。さらに、切替え手
段は、実施例のような機械的なスイッチのみに限定され
るものではなく、選定されたポジションディテクタから
の出力信号を演算手段が演算処理できるようにポジショ
ンディテクタを動作可能とするものならば、例えば、電
気的なスイッチでも良い。
Although the plane mirror is used as the means for reflecting the incident light heme to the stage, it is not limited to this, and for example, a concave mirror or a convex mirror may be used. The light spot detection means is not limited to the position detector having the above-mentioned configuration, and may be, for example, a two-division type or a multi-division type. Further, the switching means is not limited to the mechanical switch as in the embodiment, but enables the position detector to operate so that the output means from the selected position detector can be processed. Then, for example, an electric switch may be used.

【0030】さらに、焦点距離の異なる2個の集光レン
ズを使用したが、集光レンズは2個以上でも良く、この
場合には集光レンズの数に対応させて切替スイッチを設
計したり、ポジションディテクタを配置したりすること
は、当業者にとって容易な事項であろう。
Further, although two condenser lenses having different focal lengths are used, two or more condenser lenses may be used. In this case, a changeover switch may be designed corresponding to the number of condenser lenses, It will be easy for those skilled in the art to arrange the position detector.

【0031】[0031]

【発明の効果】本発明のスキャナシステムによりば、圧
電体の変化により生じるヒステリシスやクリープ等によ
る影響を除去して良好な走査を可能とするものでありな
がら、移動量検出の分解能と移動検出領域とを容易に代
えることができる。
According to the scanner system of the present invention, it is possible to eliminate the influence of hysteresis and creep caused by the change of the piezoelectric body to enable good scanning, but at the same time, the resolution of the movement amount detection and the movement detection area can be improved. And can be easily replaced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態に係わるスキャナシステム
の概略構成を一部破断して示す図である。
FIG. 1 is a partially cutaway view showing a schematic configuration of a scanner system according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1に示すスキャナシステムでの演算回路から
の出力信号の状態を示す線図である。
2 is a diagram showing a state of an output signal from an arithmetic circuit in the scanner system shown in FIG.

【図3】従来のスキャナシステムの一部を概略的に示す
図である。
FIG. 3 is a diagram schematically showing a part of a conventional scanner system.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1… 圧電体スキャナ、3…ステージ、4…平面鏡、8
…光源、10…偏光ビームスプリッタ、12…第1の集
光レンズ、13…第2の集光レンズ、14…第1のポジ
ションディテクタ、15…第2のポジションディテク
タ、18…切替えスイッチ、19…演算回路、20…ス
キャンコントローラ、21…波形発生器、22…スキャ
ナドライバ。
1 ... Piezoelectric scanner, 3 ... Stage, 4 ... Plane mirror, 8
... light source, 10 ... polarization beam splitter, 12 ... first condenser lens, 13 ... second condenser lens, 14 ... first position detector, 15 ... second position detector, 18 ... changeover switch, 19 ... Arithmetic circuit, 20 ... Scan controller, 21 ... Waveform generator, 22 ... Scanner driver.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ステージを選択的に移動させる圧電体の
スキャナを使用したスキャナシステムおいて、前記ステ
ージに設けられた光反射手段と、この光反射手段に平行
ビームを入射させる光源手段と、入射する光スポットの
位置を夫々検出する複数の光スポット検出手段と、これ
ら複数の光スポット検出手段に対応して設けられ、前記
光反射手段からの反射光を集光し、光スポット検出手段
の夫々に光スポットを形成する、夫々異なる焦点距離を
有する複数の集光レンズと、前記複数の光スポット検出
手段のいずれか1つを選択的に動作可能とする切替手段
と、この動作可能な光スポット検出手段により検出され
た前記光スポット位置に基づいて、前記ステージの移動
量を求める移動量演算手段とを具備したことを特徴とす
るスキャナシステム。
1. A scanner system using a piezoelectric scanner for selectively moving a stage, a light reflecting means provided on the stage, a light source means for making a parallel beam incident on the light reflecting means, and an incident means. A plurality of light spot detecting means for detecting the positions of the respective light spots, and the plurality of light spot detecting means, which are provided corresponding to the plurality of light spot detecting means, collect the reflected light from the light reflecting means, and respectively detect the light spots. A plurality of condensing lenses each having a different focal length for forming a light spot, a switching means for selectively operating any one of the plurality of light spot detecting means, and the operable light spot. A scanner system, comprising: a movement amount calculating means for obtaining a movement amount of the stage based on the light spot position detected by the detecting means. .
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007249932A (en) * 2006-03-17 2007-09-27 Huanbiao Lang Method and device for optical data input, and a spectroscopic lens module of the device

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