CN102095898A

CN102095898A - 一种光学显微－原子力显微双探头成像方法及装置

Info

Publication number: CN102095898A
Application number: CN 201110022879
Authority: CN
Inventors: 张冬仙; 李方浩; 吴兰; 章海军
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2011-06-15

Abstract

本发明公开了一种光学显微－原子力显微双探头成像方法及装置。它具有激光器、微透镜和单管压电陶瓷及微悬臂探针组成的扫描器、位置敏感探测单元和光电检测与反馈测量控制系统等构成的原子力显微探头，以及显微物镜组和显微目镜组组成的光学显微探头，CCD检测头和数据图像采集系统、Z向移动机构、XY步进移动机构和开放式大样品台。本发明的光学显微-原子力显微双探头系统可以同时解决大范围的实时光学显微观察和局部的高分辨纳米结构和性能的观察和测量。

Description

一种光学显微-原子力显微双探头成像方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光学显微－原子力显微双探头成像方法及装置。用于对样品同时进行大范围的实时光学显微观察和局部区域的高分辨纳米结构的观察和测量。

背景技术

科学技术的一个重要趋势是朝小尺寸、大容量、高速度和低能耗方向快速发展，人类对微观世界的探索已逐渐由微米技术向纳米技术延伸，由此推动了国民经济和人类社会的进步。微纳米技术是新世纪各主要国家优先规划发展的核心科技，随着微纳米技术的飞速发展，对微纳米显微检测的要求也越来越高。由于光学显微镜具有非接触、无损伤、可探测样品内部的特点，在许多科学领域中都是离不开光学显微镜，事实上，对固定样品和活体样品的生物结构和过程的观察，使得光学显微镜成为绝大多数生命科学研究的必备仪器。但是，由于受到光波长及衍射极限的限制，传统远场光学显微镜的分辨率仅能达到可见光（380～780 nm）的半波长数量级，即0.2 mm左右。近几十年发展起来的以原子力显微镜（AFM）、扫描隧道显微镜（STM）等扫描探针显微镜（SPM）技术为主要代表的微纳米检测技术，分辨率都已经远远超过光学显微镜，但它们所获得的是经过扫描检测并重建的样品图像，无法实现像光学显微镜那样的直接而实时的观察和图像获取。为了解决这些局限性，本发明采用一种光学显微－原子力显微双探头成像方法，对样品同时进行实时大范围的显微观察，以及局部区域的高分辨的微纳米结构的观察和检测，满足我国国民经济和社会发展、科学技术及国防等领域的国家需求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种光学显微－原子力显微双探头成像方法及装置。

光学显微－原子力显微双探头成像方法是同时采用光学显微和原子力显微检测方法，对同一样品进行大范围的实时光学显微观察和局部区域的高分辨微纳米结构的观察和测量；调节光学显微探头的Z向移动轨道和物镜的放大倍数，把捕获到的光学显微图通过CCD探测头采集，再经过图像采集卡输入计算机，最后经图像显示屏实时显示；同时在光学显微探头的监控下，移动原子力显微探头到所需区域进行高分辨微纳米检测。原子力显微探头采用样品固定、微探针扫描的方法，引入一个随扫描器一起扫描的一小透镜，其XY扫描移动量与微探针始终一样，实现光路的跟踪，在光电探测器前的另一小透镜，实现高精度的Z向反馈控制和高分辨率的XY扫描成像，利用针尖与样品之间的微弱原子力，使微悬臂产生偏转，通过光电检测方法检测偏转量的大小，从而在针尖与样品作相对扫描的过程中获取样品表面的三维高分辨纳米结构形貌。

原子力显微检测探头包括第一L型固定块、第一Z向移动轨道、第一三角形固定块、原子力显微探头横梁、单管压电扫描器、激光器、光电探测筒、第三固定块、第四固定块、微悬臂探针、第一小透镜、第二小透镜、光电探测器、前置放大器、信号处理与控制放大模块、A/D&D/A接口卡、计算机、图像显示屏；第一L型固定块上依次安装有第一Z向移动轨道、第一三角形固定块、原子力显微探头横梁，原子力显微探头横梁上依次安装有单管压电扫描器、激光器、光电探测筒，单管压电扫描器上依次安装第三固定块、第四固定块、微悬臂探针，第三固定块右侧安装第一小透镜，光电探测筒内依次安装第二小透镜和光电探测器，光电探测器依次连接前置放大器、信号处理与控制放大模块, A/D&D/A接口卡、计算机和图像显示屏，单管压电扫描器同时通过导线和信号处理与控制放大模块相连，扫描器控制信号由计算机产生，通过A/D&D/A接口卡再到信号处理与控制放大模块。

所述的光学显微探头包括第二L型固定块、第二Z向移动轨道、第二个三角形固定块、光学显微探头横梁、光学显微物镜筒、物镜、反射镜、光学显微目镜筒、目镜组、CCD探测头、图象采集卡、计算机、图像显示屏；第二L型固定块上依次安装第二Z向移动轨道、第二个三角形固定块和光学显微探头横梁，光学显微探头横梁下方依次安装光学显微物镜筒和物镜，光学显微探头横梁上方依次安装反射镜、光学显微目镜筒、目镜组和CCD探测头，CCD探测头通过图象采集卡和计算机相连，最终通过图像显示屏显示。

本发明的光学显微－原子力显微双探头成像方法及装置，其优点是结构简洁，技术条件易于实现。克服了单一光学显微镜分辨率低、常规样品扫描式AFM无法实时观察和探测样品内部且仅适用于小样品的小范围检测的局限性。可望在微纳米检测、微纳米加工制备及微纳米操控等领域得到广泛应用。

附图说明

图１是光学显微－原子力显微双探头成像装置示意图；

图2是原子力显微探头的截面视图及其工作框图；

图3是光学显微探头的截面视图及其工作框图；

图中：原子力显微探头1、光学显微探头2、第一滑动块3、第二滑动块4、光学平台5、Y向步进电控平移台6、样品台7、待测样品8、第1固定块9、第2固定块10、第一支撑柱11、第二支撑柱12、支撑梁13、 X向步进电控平移台14、第一L型固定块15、第一Z向移动轨道16、第一三角形固定块17、原子力显微探头横梁18、单管压电扫描器19、激光器20、光电探测筒21、第三固定块22、第四固定块23、微悬臂探针24、第一小透镜25、第二小透镜26、光电探测器27、前置放大器28、信号处理与控制放大模块29、 A/D&D/A接口卡30、计算机31、图像显示屏32、第二L型固定块33、第二Z向移动轨道34、第二个三角形固定块35、光学显微探头横梁36、光学显微物镜筒37、物镜38、反射镜39、光学显微目镜筒40、目镜组41、CCD探测头42、图象采集卡43。

具体实施方式

本发明采用光学显微－原子力显微双探头成像方法对样品进行实时大范围的光学显微观察的同时在样品的局部区域进行高分辨的微纳米性能测量。

如图1所示，光学显微－原子力显微双探头成像装置包括原子力显微探头1、光学显微探头2、第一滑动块3、第二滑动块4、光学平台5、Y向步进电控平移台6、样品台7、待测样品8、第1固定块9、第2固定块10、第一支撑柱11、第二支撑柱12、支撑梁13、 X向步进电控平移台14；原子力显微探头1和光学显微探头2，分别固定在第一滑动块3和第二滑动块4上，然后安装在X向步进电控平移台14上，X向步进电控平移台14固定在支撑梁13上，光学平台5上依次安装有Y向步进电控平移台6、样品台7、以及由第一固定块9、第2固定块10、第一支撑柱11、第二支撑柱12、支撑梁13构成的支撑架。

如图2所示，所述的原子力显微探头1包括第一L型固定块15、第一Z向移动轨道16、第一三角形固定块17、原子力显微探头横梁18、单管压电扫描器19、激光器20、光电探测筒21、第三固定块22、第四固定块23、微悬臂探针24、第一小透镜25、第二小透镜26、光电探测器27、前置放大器28、信号处理与控制放大模块29、A/D&D/A接口卡30、计算机31、图像显示屏32；第一L型固定块15上依次安装有第一Z向移动轨道16、第一三角形固定块17、原子力显微探头横梁17，原子力显微探头横梁18上依次安装有单管压电扫描器19、激光器20、光电探测筒21，单管压电扫描器19上依次安装第三固定块22、第四固定块23、微悬臂探针24，第三固定块22右侧安装第一小透镜25，光电探测筒21内依次安装第二小透镜26和光电探测器27，光电探测器27依次连接前置放大器28、信号处理与控制放大模块29, A/D&D/A接口卡30、计算机31和图像显示屏32，单管压电扫描器19同时通过导线和信号处理与控制放大模块29相连，扫描器控制信号由计算机31产生，通过A/D&D/A接口卡30再到信号处理与控制放大模块29。

如图３所示，所述的光学显微探头2包括第二L型固定块33、第二Z向移动轨道34、第二个三角形固定块35、光学显微探头横梁36、光学显微物镜筒37、物镜38、反射镜39、光学显微目镜筒40、目镜组41、CCD探测头42、图象采集卡43、计算机31和图像显示屏32；第二L型固定块33上依次安装第二Z向移动轨道34、第二个三角形固定块35和光学显微探头横梁36，光学显微探头横梁36下方依次安装光学显微物镜筒37和物镜38，光学显微探头横梁36上方依次安装反射镜39、光学显微目镜筒40、目镜组41和CCD探测头42，CCD探测头42通过图象采集卡43和计算机31相连，最终通过图像显示屏32实时显示图像。

本发明采用光学显微探头对样品进行实时大范围的光学显微观察，尤其是活体样品的生物结构和过程的观察。调节光学显微探头的Z向移动轨道和物镜的放大倍数，把捕获到的光学显微图通过CCD探测头采集，再经过图像采集卡输入计算机，最后经图像显示屏显示。同时在光学显微探头的监控下，移动原子力显微探头到所需区域进行高分辨、扫描范围在4um×4 um ~100 um×100 um的微纳米结构和性能的检测。原子力显微探头采用样品固定、微探针扫描的方法，引入一个随扫描器一起扫描的一小透镜，其XY扫描移动量与微探针始终一样，即微探针始终位于小透镜的焦点处，在较大范围（如100 um ×100 um）扫描过程中，通过小透镜聚焦而成的激光光斑始终对准微悬臂，从而有效地实现了光路的跟踪，在光电探测器前的另一小透镜，既避免了Z向反馈造成的系统误差，又同时保持了光束偏转法的高灵敏度及高分辨率，从而实现较大范围高精度的Z向反馈控制和高分辨率的XY扫描成像，利用针尖与样品之间的微弱原子力，使微悬臂产生偏转，通过光电检测方法检测偏转量的大小，从而在针尖与样品作相对扫描的过程中获取样品表面的三维高分辨纳米结构形貌；采用开放式的样品台和 X、Y步进移动平台，实现对大尺寸、大重量样品任意区域表面进行微纳米扫描检测。

Claims

1.一种光学显微－原子力显微双探头成像方法，其特征在于同时采用光学显微和原子力显微检测方法，对同一样品进行大范围的实时光学显微观察和局部区域的高分辨微纳米结构的观察和测量；调节光学显微探头的Z向移动轨道和物镜的放大倍数，把捕获到的光学显微图通过CCD探测头采集，再经过图像采集卡输入计算机，最后经图像显示屏实时显示；同时在光学显微探头的监控下，移动原子力显微探头到所需区域进行高分辨微纳米检测，原子力显微探头采用样品固定、微探针扫描的方法，引入一个随扫描器一起扫描的一小透镜，其XY扫描移动量与微探针始终一样，实现光路的跟踪，在光电探测器前的另一小透镜，实现高精度的Z向反馈控制和高分辨率的XY扫描成像，利用针尖与样品之间的微弱原子力，使微悬臂产生偏转，通过光电检测方法检测偏转量的大小，从而在针尖与样品作相对扫描的过程中获取样品表面的三维高分辨纳米结构形貌。

2.一种光学显微－原子力显微双探头显微检测装置，其特征在于包括原子力显微探头（1）、光学显微探头（2）、第一滑动块（3）、第二滑动块（4）、光学平台（5）、Y向步进电控平移台（6）、样品台（7）、待测样品（8）、第一固定块（9）、第2固定块（10）、第一支撑柱（11）、第二支撑柱（12）、支撑梁（13）、 X向步进电控平移台（14）；原子力显微探头（1）和光学显微探头（2）分别固定在第一滑动块（3）和第二滑动块（4）上，然后安装在X向步进电控平移台（14）上，X向步进电控平移台（14）固定在支撑梁（13）上，光学平台（5）上依次安装有Y向步进电控平移台（6）和样品台（7），以及由第一固定块（9）、第2固定块（10）、第一支撑柱（11）、第二支撑柱（12）、支撑梁（13）构成的支撑架。

3.根据权利要求２所述的一种光学显微－原子力显微双探头显微检测装置，其特征在于所述的原子力显微探头（1）包括第一L型固定块（15）、第一Z向移动轨道（16）、第一三角形固定块（17）、原子力显微探头横梁（18）、单管压电扫描器（19）、激光器（20）、光电探测筒（21）、第三固定块（22）、第四固定块（23）、微悬臂探针（24）、第一小透镜（25）、第二小透镜（26）、光电探测器（27）、前置放大器（28）、信号处理与控制放大模块（29）、 A/D&D/A接口卡（30）、计算机（31）、图像显示屏（32）；第一L型固定块（15）上依次安装有第一Z向移动轨道（16）、第一三角形固定块（17）、原子力显微探头横梁（17），原子力显微探头横梁（18）上依次安装有单管压电扫描器（19）、激光器（20）、光电探测筒（21），单管压电扫描器（19）上依次安装第三固定块（22）、第四固定块（23）、微悬臂探针（24），第三固定块（22）右侧安装第一小透镜（25），光电探测筒（21）内依次安装第二小透镜（26）和光电探测器（27），光电探测器（27）依次连接前置放大器（28）、信号处理与控制放大模块（29）, A/D&D/A接口卡（30）、计算机（31）和图像显示屏（32），单管压电扫描器（19）同时通过导线和信号处理与控制放大模块（29）相连，扫描器控制信号由计算机（31）产生，通过A/D&D/A接口卡（30）再到信号处理与控制放大模块（29）。

4.根据权利要求２所述的一种光学显微－原子力显微双探头显微检测装置，其特征在于所述的光学显微探头（2）包括第二L型固定块（33）、第二Z向移动轨道（34）、第二个三角形固定块（35）、光学显微探头横梁（36）、光学显微物镜筒（37）、物镜（38）、反射镜（39）、光学显微目镜筒（40）、目镜组（41）、CCD探测头（42）、图象采集卡（43）、计算机（31）、图像显示屏（32）；第二L型固定块（33）上依次安装第二Z向移动轨道（34）、第二个三角形固定块（35）和光学显微探头横梁（36），光学显微探头横梁（36）下方依次安装光学显微物镜筒（37）和物镜（38），光学显微探头横梁（36）上方依次安装反射镜（39）、光学显微目镜筒（40）、目镜组（41）和CCD探测头（42），CCD探测头（42）通过图象采集卡（43）和计算机（31）相连，通过图像显示屏（32）显示。