CN101975873B - 一种基于显微白光干涉的纳米探针装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于显微白光干涉的纳米探针装置，包括干涉显微镜主体、参考物镜、反射镜、测量物镜、微悬臂探针和CCD探测器。干涉显微镜主体内部的白光经过分光后，一部分经过测量物镜会聚到微悬臂探针针尖顶部的反射镜上并被反射，进入干涉显微镜主体内部；另一部分通过参考物镜投射到反射镜上并被反射回干涉显微镜主体内部，与由微悬臂探针针尖顶部反射镜反射的白光汇聚，产生的白光干涉条纹。干涉条纹经干涉显微镜主体内部放大镜放大后，在CCD探测器成像平面上成像。该方法具有探针具有结构简单、能实现多探针同时测量、测量精度高和成本低的特点，可用于微米级位移、表面形貌与结构等的测量，分辨率可达1纳米。

Description

一种基于显微白光干涉的纳米探针装置
技术领域
本发明属于扫描探针显微镜的探针位移信号的检测技术，具体涉及一种基于显微白光干涉的纳米探针装置。
背景技术
扫描探针显微镜是具有极高分辨率和众多优点的表面测量仪器，是纳米技术发展的重要基础，具有广泛的应用领域。
现有的大多数扫描探针显微镜均采用光杠杆检测方法来检测微悬臂扫描探针受力后的偏转，其偏转量用四象限光电二极管进行检测，即悬臂探针针尖的微小位移量转变为激光光斑中心在四象限光电二极管光信号接收面上较大的离光斑中心的偏转量，对光斑中心的偏转量进行测量，就可得出扫描探针针尖的位移量，从而重构被测物表面的微观形貌。但是，光斑中心的偏转量不仅和扫描探针针尖的位移有关，还和扫描探针悬臂梁的长度以及探针针尖背面的反射镜与四象限光电二极管的距离有关。因此，需要对测量结果进行定标。目前，扫描探针显微镜，大多数无计量装置。即使有，也是采用电感、应变片和电容等传感器，需要定标，因此大多用于定性分析，定量分析不够精确。
中国发明专利ZL200410094053公开了一种基于角度测量的原子力显微镜测量方法，该方法采用角度传感器，入射光垂直入射到扫描探针针尖背面的反射镜上，探针转角即反射光偏转角经该传感器检测并转换成与角度值变化成比例的电信号，经信号分析处理得到由于探针测力变化而引起的悬臂梁的角度变化，进而得到被测物体表面形貌轮廓。该发明的装置中采用了临界角棱镜、集成了1/4波片的分光镜和集成了1/4波片的偏光分光镜等光学元件，结构比较复杂。由于采用了两个光电二极管，两个临界角棱镜，因此安装定位要求比较高，安装比较困难。角度的偏转，和探针针尖位移、探针悬臂梁的长度以及探针针尖和临界角棱镜、光电二极管的相对位置有关，因此也需要定标。
中国发明专利ZL200510019154.6和专利文献CN101458073均采用了干涉显微镜作为主要基体进行垂直位移测量，并隐含或明确公开了在实现纳米级垂直分辨率时，需要使用纳米探针。前者采用纳米探针，则难以驱动杠杆机构；后者采用纳米探针，则由于光源为激光，干涉条纹无单峰性。此外，二者与一般的扫描探针显微镜类似，还存在着两个问题：(1)只有一个探针，测量效率低，不能多探针同时测量。(2)不能直接用来观察被测区域，在测量前需要借助辅助观察装置对被测区域进行定位处理，再进行后续的测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于显微白光干涉的纳米探针装置，该探针装置具有结构简单、能多探针同时测量、能直接观察被测区域、测量精度高和成本低的特点。
本发明提供的基于显微白光干涉的纳米探针装置，其特征在于：该纳米探针装置包括干涉显微镜主体、微悬臂探针、测量物镜、参考物镜、反射镜和CCD探测器；
CCD探测器连接套筒固定在干涉显微镜主体的上部，CCD探测器固定在探测器连接套筒的上部，参考物镜旋入参考物镜套筒，参考物镜套筒固定在干涉显微镜主体的右侧，反射镜固定在调节手轮的前端面；
反射镜调节部分包括调节手轮和调节螺钉，反射镜固定在调节手轮的前端面，调节手轮的后端面与螺杆的一端连接，螺杆穿过反射镜支承座上的叉孔，并用螺帽紧固；
纳米探针装置的前端包括连接套管、支承套管、主支架、紧固螺钉、圆盘导槽座、圆盘导槽、连接螺钉、探针连接杆和微悬臂探针。支承套管通过螺纹与连接套管连接，支承套管外侧下部的圆柱台阶面支承主支架，通过紧固螺钉锁紧；圆盘导槽座固定在主支架下端的横梁上，探针连接杆置于圆盘导槽的导槽中，连接螺钉将探针连接杆和圆盘导槽连接到圆盘导槽座上，微悬臂探针固定在探针连接杆上，可对微悬臂探针按测量需要进行位置调整。
本发明的纳米探针装置采用显微白光干涉来计量微悬臂探针针尖的位移量，干涉显微镜主体内部的白光经过内部的分光镜分光后，一部分经过测量物镜会聚到微悬臂探针针尖顶部的反射镜上并被反射，进入干涉显微镜主体内部；另一部分通过参考物镜投射到反射镜上并被反射回干涉显微镜主体内部，与由微悬臂探针针尖顶部反射镜反射的白光汇聚，产生白光干涉条纹。干涉条纹经干涉显微镜主体内部的放大镜放大后，在CCD探测器成像平面上成像；微悬臂探针针尖沿着测量物镜光轴轴线方向的移动，改变了测量光路的光程，导致白光干涉条纹产生移动，对白光干涉条纹在CCD探测器成像平面上的移动量进行计量，即可测量微悬臂探针针尖沿测量物镜光轴方向的移动量。测量前先转动手轮，使反射镜未镀膜的扇形区域旋入参考光路，则参考光未被反射回参考物镜，测量物镜光路构成了显微放大光路，能对测量区域进行显微放大，从而直接观察被测区域。一般情况下，纳米探针悬臂梁的宽度为几十微米，在采用合适倍数物镜条件下，CCD探测器的视场可达几百微米，可将多个探针并排布置，使之分别在CCD探测器的视场中形成干涉条纹，从而实现多探针同时测量，以提高测量效率。
与通过光杠杆检测方法以及通过角度测量方法来检测微悬臂扫描探针受力后的偏转相比，该方法具有结构简单、能实现多探针同时测量、可直接观察被测区域、测量精度高和成本低的特点，可用于微米级位移、表面形貌与结构等的测量，分辨率可达1纳米。
附图说明
图1为本发明纳米探针装置的结构示意图；
图2为纳米探针装置前端的结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明的纳米探针装置，主要包括：干涉显微镜主体12、参考物镜10、反射镜9、测量物镜16、微悬臂探针21和CCD探测器13等部件。
探测器连接套筒14固定在干涉显微镜主体12的上部。CCD探测器13固定在探测器连接套筒14的上部。参考物镜10旋入参考物镜套筒11，参考物镜套筒11固定在干涉显微镜主体12的一侧。反射镜9固定在调节手轮8的前端面，调节手轮8的后端面与螺杆7的一端连接，螺杆7穿过反射镜支承座5上的叉孔，并用螺帽6紧固。反射镜9为圆形平面反射镜，处于参考物镜10的焦平面上，反射镜9分成四个面积相等的扇形区域，其中三个区域分别镀有不同反射率的膜，剩下的一个则不镀膜，光投射到此区域不反射。转动手轮8，即可改变参考光路中反射镜的反射率。测量物镜16通过测量物镜套筒4与干涉显微镜主体12的下端相连，纳米探针装置的前端通过连接套管1连接到测量物镜套筒4上，从而构成了整个纳米探针装置。
如图2所示，纳米探针装置的前端包括：连接套管1、支承套管2、主支架3、紧固螺钉15、圆盘导槽座17、圆盘导槽18、连接螺钉19、探针连接杆20和微悬臂探针21。支承套管2通过螺纹与连接套管1连接，也可以是其他连接方式，支承套管2的外圆柱面为光滑面，通过外侧下部的圆柱台阶面支承主支架3，主支架3通过紧固螺钉15与支承套管2锁紧。圆盘导槽座17固定在主支架3下端的横梁上，圆盘导槽18带有导槽，探针连接杆20置于圆盘导槽18的导槽中，连接螺钉19将探针连接杆20和圆盘导槽18连接到圆盘导槽座17上，微悬臂探针21固定在探针连接杆20上。转动支承套管2，可在测量物镜轴线方向上下移动微悬臂探针。转动圆盘导槽18，微悬臂探针可在垂直于测量物镜16轴线方向的平面上发生摆动。圆盘导槽18的导槽滑动探针连接杆20，微悬臂探针可在垂直于测量物镜轴线方向的平面上移动，从而调节微悬臂探针21针尖反射镜与测量物镜焦点的位置关系。
纳米探针装置测量原理是：干涉显微镜主体12内部的白光经过分光后，一部分经过测量物镜16会聚到微悬臂探针21针尖顶部的反射镜上并被反射，进入干涉显微镜主体12内部；另一部分通过参考物镜10投射到反射镜9上并被反射回干涉显微镜主体12内部，与由微悬臂探针21针尖顶部反射镜反射的白光汇聚，产生白光干涉条纹。干涉条纹经干涉显微镜主体12内部放大镜放大后，在CCD探测器13成像平面上成像。测量前先转动反射镜9，使反射镜9未镀膜的扇形区域旋入参考光路，则参考光未被反射回参考物镜10，测量物镜16的光路构成了显微放大光路，对测量区域显微放大，从而可直接观察被测区域，选择需要测量的区域。在测量过程中，微悬臂探针21针尖沿着测量物镜17光轴轴线方向的移动改变了测量光路的光程，从而导致白光干涉条纹产生移动，对白光干涉条纹在CCD探测器13成像平面上的移动量进行计量，即可测量微悬臂探针21针尖沿测量物镜光轴方向的移动量。

Claims (5)

1.一种基于显微白光干涉的纳米探针装置，包括干涉显微镜主体(12)、参考物镜(10)、反射镜(9)、测量物镜(16)、微悬臂探针(21)和CCD探测器(13)，其特征在于，
所述CCD探测器(13)固定设置于干涉显微镜主体(12)上的探测器连接套筒(14)的上部，所述参考物镜(10)旋入并固定在干涉显微镜主体(12)一端的参考物镜套筒(11)中，反射镜(9)设置在参考物镜(10)的焦平面处，该反射镜(9)为圆形平面反射镜，被分成四个面积相等的扇形区域，其中三个区域分别镀有不同反射率的膜，剩下的一个不镀膜，光投射到此区域不反射，测量物镜(16)通过测量物镜套筒(4)与干涉显微镜主体(12)的下端相连，纳米探针装置的前端通过连接套管(1)连接到测量物镜套筒(4)上；
其中，所述纳米探针装置的前端包括连接套管(1)、支承套管(2)、主支架(3)、紧固螺钉(15)、圆盘导槽座(17)、圆盘导槽(18)、连接螺钉(19)、探针连接杆(20)和微悬臂探针(21)，支承套管(2)与连接套管(1)螺纹连接，支承套管(2)的外圆柱面为光滑面，主支架(3)通过该光滑面下部突出的台阶支承，并通过紧固螺钉(15)与支承套管(2)锁紧，所述圆盘导槽座(17)固定在主支架(3)下端伸出的横梁上，探针连接杆(20)置于圆盘导槽(18)的导槽中，所述连接螺钉(19)将探针连接杆(20)和圆盘导槽(18)连接到圆盘导槽座(17)上，所述微悬臂探针(21)固定在探针连接杆(20)上。
2.根据权利要求1所述的纳米探针装置，其特征在于，所述的反射镜(9)设置于反射镜支承座上，该反射镜(9)的反射率能够通过反射镜调节部分对反射镜(9)的旋转进行调节，该反射镜调节部分包括调节手轮和调节螺钉，反射镜(9)固定在调节手轮的前端面，调节手轮的后端面与螺杆的一端连接，螺杆另一端穿过反射镜支承座上的叉孔，并用螺帽紧固。
3.根据权利要求1或2所述的纳米探针装置，其特征在于，探针连接杆(20)上可并排布置多个探针，使之分别在CCD探测器(13)的视场中形成干涉条纹，从而实现多探针同时测量。
4.根据权利要求1或2所述的纳米探针装置，其特征在于，测量前反射镜未镀膜的扇形区域位于参考光路，参考光未被反射回参考物镜(10)，测量物镜(16)光路构成了显微放大光路，能对测量区域进行显微放大，用于直接观察被测区域，选择需要测量的区域。
5.根据权利要求1或2所述的纳米探针装置，其特征在于，通过转动支承套管(2)，所述微悬臂探针(21)可在沿测量物镜(16)轴线方向上移动，以实现对测量光路光程的改变。
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