CN100495109C - 模块化扫描探针显微镜 - Google Patents
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Abstract
一种与倒置荧光显微镜结合的模块化扫描探针显微镜，它由五个模块组成：第一模块为倒置荧光显微镜；第二模块是三爪逼近装置；第三模块是扫描头；第四模块包括透明样品台和X、Y、Z三维扫描器；第五模块是激光显微扩展模块。本发明模块化结构，利用各部分模块又很容易搭建不同结构的扫描探针显微镜，大大降低了购买各项仪器的成本；三维扫描器的共用除了实现荧光倒置显微镜的原有功能外，结合所有模块还可实现显微镜物镜照射和收集的特殊扫描近场光学显微镜功能、确定区域和确定目标的观察、激光共焦显微镜检测以及其他一些以探针为主或以显微镜为主的操作和加工工作。
Description
技术领域
本发明涉及扫描探针显微镜，特别是一种与荧光倒置显微镜结合的模块化扫描探针显微镜。
背景技术
扫描探针显微镜(以下简称SPM)是具有超高空间分辨率的表面测量仪器，使用方便，可进行纳米检测、操作和加工。大多数现有扫描探针显微镜都采用固定的结构，因此只适用于某些特定的应用，例如有的只适合小样品扫描，有的只适用于不透明样品检测。SPM与荧光倒置显微镜及三维扫描样品台的结合能够准确定位样品上的待扫描目标及针尖的位置，采用样品扫描针尖的方式可以在照明光斑很小的情况下保证针尖与照明光斑的高度重合，从而提高测试图像的对比度。物体的发光、物体的荧光标记、物体改变光特征的性质使光学显微镜成为生命科学和材料科学研究最重要的工具之一，而倒置显微镜是光学显微镜中功能最强大的显微镜，与SPM的结合将产生两者单独不能产生的功能。
在先技术结合光学显微镜的扫描探针显微镜(发明专利，专利号：USA005850038A)中，如图1、图2所示：整套装置由SPM测试元件114结合倒置光学显微镜130两部分组成。SPM测试元件114包括Z向扫描台116、位置探测系统118(包括激光光源120、分色镜122、光点位置感应器124)、悬臂支座126、悬臂探针128和样品台142，倒置光学显微镜130包括物镜132、目镜134、图像采集设备136、监视器138、激光开关150、分光装置166和反光镜168。工作时，由Z向扫描台116实现悬臂探针128向样品台142的逼近，然后开始样品扫描，扫描过程中光点位置感应器124检测悬臂探针128的Z向位移。对测量样品的观察和对悬臂探针128与样品台142间相对位置的观察通过监视器138来获得，而对于荧光观察是直接通过倒置光学显微镜130的目镜134来完成。该技术结构、原理简单，比较容易实现，但是明显存在以下不足：
1、倒置显微镜和扫描探针显微镜的简单结合只能完成两者原有的基本功能，不能根据不同需要进行特殊工作，无法降低仪器成本。
2、该技术没有独立的粗逼近机构，不方便通过简单地更换头部针尖在同一套粗逼近装置上实现AFM和SNOM功能，进而实现SPM基础上的其他功能，如激光共焦显微镜检测、以探针为主或以显微镜为主的操作和加工等。
3、样品台XYZ三个方向不可扫描，不能实现微米水平待扫描区域的选择，由于采用探针扫描样品的方式，不利于针尖与照明光斑的准确重合，降低了扫描图像的对比度。
4、荧光观察时，照明光没有经过透镜系统会聚后直接照在样品上，而是利用微悬臂探针末端未被反射的部分透射过样品的光进入物镜，这样不能均匀照明整个视场，且观察光非常弱，因此荧光成像不理想。
发明内容
本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种模块化扫描探针显微镜，本发明与荧光倒置显微镜结合的模块化扫描近场探针显微镜的调整和更换方便，利用各部分模块又很容易搭建不同结构的扫描探针显微镜，大大降低了购买各项仪器的成本；三维扫描器的共用除了实现荧光倒置显微镜的原有功能外，结合所有模块还可实现显微镜物镜照射和收集的特殊扫描近场光学显微镜(SNOM)功能、确定区域和确定目标的观察、激光共焦显微镜检测以及其他一些以探针为主或以显微镜为主的操作和加工工作。
本发明的技术解决方案如下：
一种模块化扫描探针显微镜，它由五个模块组成：第一模块为倒置荧光显微镜；第二模块是三爪逼近装置，包括步进电机、2个手动粗调结构、照明发光二极管和CCD；第三模块是扫描头部，第四模块包括透明样品台和X、Y、Z三维扫描器；第五模块是激光显微扩展模块，包括第三反射镜、分束镜、第三透镜、第一针孔、第四透镜、激光器、第五透镜、第二针孔和PMT探测器；
所述的第一模块的CCD摄像头和物镜系统组合在一起，CCD摄像头的输出信号供给监视器；第二模块(2)通过步进电机及两个手动粗调结构的轴端与第四模块接触联结；第三模块根据采用的扫描头部的不同而有所差别；第四模块的X、Y、Z向三维平板扫描器中间有方形通孔；透明样品台通过粘接固定在X、Y、Z向三维平板扫描器的方形通孔上方，再一起通过螺钉固定在第一模块上；第一模块(1)的物镜系统到探针针尖的距离等于第一模块的工作距离，第一模块的照明装置、物镜系统、样品和探针针尖同轴，第五模块通过螺钉固定在第一模块物镜系统下方，由激光器输出的激光束经第四透镜、第一针孔及第三透镜后，成为较均匀的准直光束，经分束镜、第三反射镜和物镜系统后会聚于透明样品台上的样品某一点，该点反射光(或透射光、或受激辐射的荧光)又经物镜系统后被反射镜和分束镜反射到探测光路，由第五透镜将其聚焦于第二针孔，被PMT探测器接收，并将其输入计算机进行存储。
所述的第三模块是扫描头为扫描近场光学显微镜扫描头，或原子力显微镜扫描头，或弯曲的无孔径探针扫描头。
所述的扫描近场光学显微镜扫描头包括探针针尖。
所述的原子力显微镜(AFM)扫描头，包括微悬臂探针针尖、第一透镜、第一反射镜、第二反射镜和第二透镜。
所述的弯曲的无孔径探针扫描头，包括弯曲的无孔径探针和振动压电台。
将第一模块、第四模块、第五模块组合可以实现共焦扫描激光显微镜检测功能；将第一模块、第二模块、第三模块扫描近场光学显微镜扫描头、第四模块组合可以实现扫描近场光学显微镜的功能；模块第一模块、第二模块、第三模块的原子力显微镜(AFM)扫描头和第四模块组合，可以实现样品扫描针尖的原子力显微镜；将第一模块、第二模块、第三模块的弯曲的无孔径探针扫描头和第四模块组合可以实现显微镜照明、收集模式的特殊扫描近场光学显微镜。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
1.本发明把组成扫描探针显微镜的各单元器件集成为具有一定功能的较小模块，可以在不破坏倒置显微镜原有结构的基础上方便利用这些模块快速搭建成不同结构的显微镜，以适应各种不同功能的需要，大大降低了购买各个仪器的费用；
2.采用可拆卸微位移扫描样品台，在不破坏原结构基础上采用XYZ三维扫描器替换倒置显微镜样品台，可以带较大重量的负载，而且在带负载的情况下还可以保证很高的共振频率，不会影响到整个显微镜系统的性能，在探针扰动下，通过中间有通孔的XYZ三维扫描器样品台，采用样品扫描针尖模式，可以实现显微镜物镜照射和收集的特殊扫描近场光学显微镜(SNOM)功能；
3.三爪粗逼近结构作为一个模块，可以承载AFM头部和SNOM头部，并在此基础上实现SPM所有功能，进行高分辨率观察样品的形貌和研究其他表面特征；
4.光学显微镜与XYZ三维扫描器的结合，可实现确定区域和确定目标的观察及微米水平待扫描区域的选择；
5.在荧光倒置显微镜的基础上，通过光谱分光棱镜和其他自行设计光学元件，加入激光光束和带小孔的光电倍增管，使之成为激光共焦扫描显微镜，结构更为小型化，荧光成像更为理想。
附图说明
图1是在先技术结合光学显微镜的扫描探针显微镜原理示意图。
图2是在先技术结合光学显微镜的扫描探针显微镜测试元件结构示意图。
图3是本发明与荧光倒置显微镜结合的模块化扫描探针显微镜的原理示意图
图4是本发明第五模块激光显微扩展模块的原理结构示意图
图5是本发明实施例1的原理示意图
图6是本发明实施例2的原理示意图
图7是本发明实施例3的原理示意图
图8是本发明实施例4的原理示意图
具体实施方式
请先参阅图3和图4，图3为本发明与荧光倒置显微镜结合的模块化扫描探针显微镜的原理示意图，图4为本发明第五模块激光显微扩展模块的结构示意图。由图可见，本发明与倒置显微镜结合的模块化扫描探针显微镜，由五个模块组成：第一模块1包括照明装置101、目镜筒102、物镜系统103、数码相机104和CCD摄像头105；第二模块2包括步进电机201、2个手动粗调结构202、照明LED203和CCD204；第三模块3是扫描头部，之一为扫描近场光学显微镜(SNOM)扫描头，包括探针针尖301，之二为原子力显微镜(AFM)扫描头，包括微悬臂探针针尖302、第一透镜303、第一反射镜304、第二反射镜305和第二透镜306，之三为弯曲的无孔径探针扫描头，包括弯曲的无孔径探针307和振动压电台308；第四模块4包括透明样品台401和X、Y、Z三维扫描器402；第五模块5是激光显微扩展模块，包括第三反射镜501、分束镜502、第三透镜503、第一针孔504、第四透镜505、激光器506、第五透镜507、第二针孔508和PMT探测器509；
所述的第一模块1的CCD摄像头105和物镜系统103组合在一起，CCD摄像头105的输出信号供给监视器(图中未示)；第二模块2通过步进电机201及两个手动粗调结构202的轴端与第四模块4接触联结；第三模块3根据采用的扫描头部的不同而有所差别；第四模块4的X、Y、Z向三维平板扫描器402中间有方形通孔；透明样品台401通过粘接固定在X、Y、Z向三维平板扫描器402的方形通孔上方，再一起通过螺钉固定在第一模块1上；第一模块1的物镜系统103到探针针尖的距离等于第一模块1的工作距离，第一模块1的照明装置101、物镜系统103、样品和探针针尖同轴，第五模块5通过螺钉固定在第一模块1物镜系统103下方，由激光器506输出的激光束经第四透镜505、第一针孔504及第三透镜503后，成为较均匀的准直光束，经分束镜502、第三反射镜501和物镜系统103后会聚于透明样品台401上的样品某一点，该点反射光、或透射光、或受激辐射的荧光又经物镜系统103后被第三反射镜501和分束镜502反射到探测光路，由第五透镜507将其聚焦于第二针孔508，被PMT探测器509接收，并将其输入计算机(图中未示)进行存储。
所述的第三模块(3)是扫描头为扫描近场光学显微镜扫描头，或原子力显微镜扫描头，或弯曲的无孔径探针扫描头。
所述的扫描近场光学显微镜扫描头包括探针针尖301。
所述的原子力显微镜(AFM)扫描头，包括微悬臂探针针尖302、第一透镜303、第一反射镜304、第二反射镜305和第二透镜306。
所述的弯曲的无孔径探针扫描头，包括弯曲的无孔径探针307和振动压电台308。
实施例1
实施例1原理示意图如图5所示，采用将第一模块1、第四模块4、第五模块5组合。第一模块1采用的是Nikon公司的TE2000研究用万能生物显微镜，此显微镜具有多端口输出设计、超精密Z轴方向控制和NIKON独特的CFI60光学系统，并配有新型电动附件，在这种无限远光路中可增加选配光源和其他附件，消杂光机构有效阻挡杂散光、消除了由于周围温度的变化对显微镜棱镜的影响，具有很高的防振性能。第四模块4是xyz向的扫描器402采用PI公司的P—733.3DD器件，扫描范围30×30×10μm，器件中心是50×50cm的通光孔，无负载共振频率为1200Hz。在第四模块4的透明样品台上放置样品，由第四模块4带动样品进行扫描，由激光器506输出的激光束经第四透镜505、第一针孔504及第三透镜503后，成为较均匀的准直光束，经分束镜502、第三反射镜501和物镜系统103后会聚于透明样品台401上样品某一点，该点反射光又经物镜系统103后被第三反射镜501和分束镜502反射到探测光路，由第五透镜507将其聚焦于第二针孔508，被PMT探测器509接收，并将其输入计算机进行存储。因为第四模块4的扫描器有通光孔，通过二维扫描得到物体某一层面的二维断层图像，再经轴向扫描得到大量断层图像，经计算机图像重构，合成三维立体图像，其扫描装置也由计算机进行控制，可以实现共焦扫描激光显微镜检测功能。
实施例2
实施例2是扫描近场光学显微镜，原理示意图如图6所示，采用将第一模块、第二模块、第三模块扫描近场光学显微镜扫描头、第四模块组合。第二模块2的步进电机201采用PI公司的M—235.5DG，它的单向可重复精度为100nm；照明LED固定在第二模块2上，调整以一定角度照射探针针尖。第三模块3固定在第二模块2上，探针针尖301垂直于样品表面。工作时，第一模块1完成微米量级的对针尖和样品的实时观测，第二模块2完成粗逼近，第四模块4完成细逼近和执行反馈任务，同时完成扫描功能。
实施例3
实施例3原理示意图如图7所示，将第一模块、第二模块、第三模块扫描近场光学显微镜扫描头、第四模块组合，所述的扫描近场光学显微镜扫描头，包括微悬臂探针针尖302、第一透镜303、第一反射镜304、第二反射镜305和第二透镜306，在第四模块4的透明样品台上放置样品，由第二模块2带动第三模块3对样品进行粗逼近，第四模块4的X、Y、Z向三维平板扫描器对样品进行细逼近及扫描，这样就构成样品扫描针尖的原子力显微镜，其照明光可以从样品上面照射的反射式，也可以是照明光从样品下面照射的透射式，因为模块四的扫描器有通光孔。
实施例4
实施例4原理示意图如图8所示，采用采用第一模块1、第二模块2、第三模块3的弯曲的无孔径探针扫描头和第四模块组合，在第一模块1中的101可以安装显微操作设备对第四模块4进行显微镜照明，因为模块四的扫描器有通光孔，所以可以用第一模块中的103进行荧光信号收集，去掉第二模块2中的照明LED203和CCD204，第三模块3采用的是弯曲的无孔探针307和振动压电台308，在第四模块4的透明样品台上放置样品，由第二模块2带动第三模块3对样品进行粗逼近，第四模块4的X、Y、Z向三维平板扫描器对样品进行细逼近，扫描时第三模块3中的振动压电台308驱动无孔探针307只在垂直方向上以Tapping模式振动，由第四模块4的三维平板扫描器带动样品进行扫描，并由第三模块3和第四模块4同时完成信号反馈来控制样品探针间距，这样就构成显微镜照明、收集模式的特殊扫描近场光学显微镜(SNOM)。
Claims (5)
1、一种模块化扫描探针显微镜，其特征在于它由五个模块组成：第一模块(1)为倒置荧光显微镜；第二模块(2)是三爪逼近装置，包括步进电机(201)、2个手动粗调结构(202)、照明发光二极管(203)和CCD(204)；第三模块(3)是扫描头部，第四模块(4)包括透明样品台(401)和X、Y、Z向三维平板扫描器(402)；第五模块(5)是激光显微扩展模块，包括第三反射镜(501)、分束镜(502)、第三透镜(503)、第一针孔(504)、第四透镜(505)、激光器(506)、第五透镜(507)、第二针孔(508)和PMT探测器(509)；
所述的第一模块(1)的CCD摄像头(105)和物镜系统(103)组合在一起，CCD摄像头(105)的输出信号供给监视器；第二模块(2)通过步进电机(201)及两个手动粗调结构(202)的轴端与第四模块(4)接触联结；第三模块(3)根据采用的扫描头部的不同而有所差别；第四模块(4)的X、Y、Z向三维平板扫描器(402)中间有方形通孔；透明样品台(401)通过粘接固定在X、Y、Z向三维平板扫描器(402)的方形通孔上方，再一起通过螺钉固定在第一模块(1)上；第一模块(1)的物镜系统(103)到探针针尖的距离等于第一模块(1)的工作距离，第一模块(1)的照明装置(101)、物镜系统(103)、样品和探针针尖同轴，第五模块(5)通过螺钉固定在第一模块(1)物镜系统(103)下方，由激光器(506)输出的激光束经第四透镜(505)、第一针孔(504)及第三透镜(503)后，成为较均匀的准直光束，经分束镜(502)、第三反射镜(501)和物镜系统(103)后会聚于透明样品台(401)上的样品某一点，该点反射光、或透射光、或受激辐射的荧光又经物镜系统(103)后被第三反射镜(501)和分束镜(502)反射到探测光路，由第五透镜(507)将其聚焦于第二针孔(508)，被PMT探测器(509)接收，并将其输入计算机进行存储。
2、根据权利要求1所述的模块化扫描探针显微镜，其特征在于所述的第三模块(3)的扫描头部为扫描近场光学显微镜扫描头，或原子力显微镜扫描头，或弯曲的无孔径探针扫描头。
3、根据权利要求2所述的模块化扫描探针显微镜，其特征在于所述的扫描近场光学显微镜扫描头包括探针针尖(301)。
4、根据权利要求2所述的模块化扫描探针显微镜，其特征在于所述的原子力显微镜(AFM)扫描头，包括微悬臂探针针尖(302)、第一透镜(303)、第一反射镜(304)、第二反射镜(305)和第二透镜(306)。
5、根据权利要求2所述的模块化扫描探针显微镜，其特征在于所述的弯曲的无孔径探针扫描头，包括弯曲的无孔径探针(307)和振动压电台(308)。
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