CN117616288A - 多探针显微镜照明系统 - Google Patents

Abstract

探针显微镜包括探针阵列，该探针阵列具有呈阵列的探针，每个探针包括悬臂和探针针尖。照明系统包括多个光源。每个光源被配置为输出各自的光束。透镜阵列包括呈阵列的透镜。每个源透镜被定位成接收来自照明系统的光束中的对应的光束。聚光透镜被配置为收集来自透镜阵列的光束。物镜被配置为接收来自聚光透镜的光束，并将每个光束聚焦到对应的探针的悬臂上。照明系统被配置为调制光束的功率以致动探针，照明系统被配置为独立地调制部分或全部光束的功率。

Description

多探针显微镜照明系统

技术领域

本发明涉及一种具有探针阵列的探针显微镜，以及一种照明系统，该照明系统被配置为产生光束以致动或检测探针。本发明还涉及一种相关联的探针致动方法。

背景技术

“使用探针阵列头的多探针扫描探针显微镜”(Multiprobe scanning probemicroscope using a probe-array head；Fengmin Sun、Zhenyu Zhu和Long Ma；《科学仪器评论(Rev.Sci.Instrum)》，91，123702(2020)；https://doi.org/10.1063/5.0015897)公开了一种基于微机电系统(MEMS)的多探针扫描探针显微镜(SPM)，以提高成像效率。SPM头包含七个相同的MEMS探针，其中每个探针都集成了位移传感器和Z轴致动器。

US2015/0219686 A1中使用了另一种方法，其公开了一种检测多个探针的位置的方法。输入光束被引导至光学设备中，并被转换成多个互不平行的输出子光束。每个输出子光束被分成一个检测光束和一个相关联的参考子光束。每个检测光束都通过物镜引导到相关联的探针上从而产生一个反射子光束，该反射子光束与其相关联的参考子光束相结合以产生干涉图。对每个干涉图进行测量，从而确定相关联的探针的位置。类似的方法被用于致动多个探针。探针和样品之间产生扫描运动。输入光束被引导至光学设备中，并被转换成多个彼此互不平行的致动子光束。

在US2015/0219686 A1的系统中，空间光调制器(SLM)可以独立地控制单个致动子光束的强度，但其调制速率较低，通常为数百Hz，不高于1kHz。

US2005/0117163公开了一种扫描探针系统，该系统可以被改造以用于阵列悬臂操作。US2005/0117163的图7示出了两个可供选择的阵列光源单元、两种可供选择的阵列悬臂探针的排列方式，以及两个可供选择的阵列光电检测器单元。这些单元可以以一维或二维阵列的方式排列。

在US2005/0117163的图7中，光源和探针之间示出了透镜。US2005/0117163的图7的光学布置所存在一个问题是，如果来自光源的光束是平行的，那么透镜会将它们全部都聚焦到同一个探针上，而不是将每个光束分别聚焦到不同的探针上。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种探针显微镜，包括：探针阵列，所述探针阵列包括呈阵列的探针，其中每个所述探针包括悬臂和探针针尖；照明系统，所述照明系统包括多个光源，其中每个所述光源被配置为输出各自的光束；聚光透镜，所述聚光透镜被配置为收集来自所述光源的所述光束；以及物镜，所述物镜被配置为接收来自所述聚光透镜的所述光束，并将每个所述光束聚焦到对应的所述探针的所述悬臂上。

与US 2015/0219686 A1相比，本发明提供了一种用于探针照射的具有改进的探针照明系统的探针显微镜。与US2015/0219686 A1不同的是，本发明的照明系统包括多个光源，这些光源可以是光发生器(如激光器)、光纤或任何其他光源。

本发明的一个优点是可以不需要空间光调制器(SLM)作为照明系统的一部分，因此本发明可以避免与SLM有关的问题，例如低调制率。

本发明的另一个优点是，通过改变聚光透镜或物镜的焦距，探针显微镜可以很容易地进行调整以适应探针尖端之间的间距的变化。

与US2005/0117163中的布置不同，除了物镜之外，还提供了聚光透镜。聚光透镜确保光束不会聚焦到同一个点上，而是将每个光束都聚焦到对应的探针的悬臂上。

本文所使用的术语“光源”不仅包括发生光的有源光发生器元件(如激光器)，还包括传递发生在别处的光的无源元件(如光纤)。因此，每个光源可能包括也可能不包括被配置产生和发射光的光发生器(如激光器)。

可选地，光束是致动光束，光源是致动光源，照明系统被配置为调制致动光束的功率以致动探针，并且照明系统被配置为独立地调制部分或全部的致动光束的功率。

可选地，照明系统还被配置为使得对致动光束的功率调制引起悬臂移动(例如，通过弯曲、不弯曲、扭转或不扭转)。

可选地，每个致动光束通过光热效应使其对应的探针发热和变形。这里使用的术语“光热效应”泛指探针因受热而引起的变形，探针受热是由其照明引起的。另外，致动光束也可以通过辐射压力等其他机制使其变形。辐射压力可与高反射探针涂层结合使用，理想情况下还可与某种形式的空腔(可能是附着到探针上的一面镜子)结合使用。

每个探针可以包括两种或两种以上的具有不同热膨胀系数的材料，这些材料的排列方式使得当探针被对应的致动光束加热时，探针会发生变形，从而使探针相对于样品移动。或者，每个探针可以由单一材料制成。在这种情况下，探针会因温度梯度而发生变形。该温度梯度是通过加热探针的一个区域而产生的，因而引起机械应力，通常在该探针被该致动光束加热的一侧与该探针的另一侧之间。

可选地，每个致动光源包括光发生器(例如激光器)，光发生器被配置为产生和发射光，光发生器被配置为调制致动光束的功率以致动探针，并且部分或全部的光发生器被配置为独立地调制致动光束的功率。

可选地，照明系统包括两个或更多个调制器，每个调制器被配置为调制一个或更多个致动光束的功率。

可选地，每个致动光源包括光纤，每个调制器被配置为接收光，调制光的功率以产生功率调制光，并将功率调制光引导至一个或更多个光纤中。

可选地，探针显微镜还包括：信号发生器，信号发生器被配置为产生两个或更多个功率调制信号，其中照明系统被配置为根据功率调制信号调制致动光束的功率。

可选地，探针显微镜还包括检测系统，检测系统被配置为确定探针的位置。检测系统可以是US2015/0219686 A1中所描述的那种基于干涉仪的光学检测系统、基于光学杠杆的检测系统或任何其他类型的检测系统。或者，也可以不需要检测系统。

可选地，该光束是检测光束，光源是检测光源，探针被配置为反射检测光束以产生传感光束，并且探针显微镜还包括传感系统，传感系统被配置为接收传感光束并从传感光束确定探针的位置。

可选地，传感光束由物镜接收，并从物镜传递到传感系统。

可选地，检测系统包括多个检测光源，其中每个检测光源被配置为输出各自的检测光束，物镜被配置为接收检测光束并将每个检测光束聚焦到对应的探针的悬臂上，探针被配置为反射检测光束以产生传感光束；探针显微镜还包括：传感系统，传感系统被配置为接收传感光束并从传感光束确定探针的位置。

可选地，检测系统还包括检测聚光透镜，该检测聚光透镜被配置为收集来自检测光源的检测光束，物镜被配置为接收来自聚光透镜的检测光束。或者，检测系统中可以不具有检测收集透镜，或者，检测系统可以共用致动系统的致动聚光透镜，而不是具有单独的检测收集透镜，这样致动聚光透镜就被配置为同时收集检测光束和致动光束。

可选地，传感系统包括干涉仪。

可选地，每个检测光束通过物镜照射到相关联的探针上，以产生反射的感应光束，该反射的感应光束在干涉仪上与相关联的参考光束相结合，以产生干涉图。

以下可选特征中提及光源、光束、源透镜或聚光透镜时，可适用于致动系统、检测系统或适用于两者。

可选地，每个光源的数值孔径为0.05或更小，或0.02或更小。在一个实施例中，每个光源的数值孔径均非常接近0.01。

可选地，每个光源都包括被配置为减小光源的数值孔径的装置。举例来说，可以包括折射元件，如源透镜或渐变式折射率光纤；光纤的弯曲端面；或任何其他合适的装置。可选地，被配置为减小光源的数值孔径的装置可将光源的数值孔径减小到0.05或以下，或0.02或以下。

可选地，每个光源包括源透镜。

每个光束离开源透镜时可以是发散的，也可以是会聚的。

可选地，光束在离开光源时相互平行，和/或，光束在进入聚光透镜时相互平行。

可选地，源透镜之间的间距小于1mm，或小于0.5mm，或小于0.25mm。

可选地，源透镜具有共面焦平面，即源透镜具有基本位于同一平面内的焦平面。

可选地，照明系统还包括支撑和定位光源的结构。

可选地，结构包括多个V形槽，每个V形槽承载对应的一根光纤。

可选地，光源包括光纤。

可选地，照明系统包括光发生器(例如，激光器)，光发生器被配置为产生和发射光；输入光纤，输入光纤被配置为接收光；以及光纤分路器，光纤分路器被配置为接收来自输入光纤的光所并将光在光纤之间进行分配。

可选地，每个光源包括光发生器(例如，激光器)，光发生器被配置为产生和发射光。可选地，每个光源还包括光纤，光纤被配置为接收来自对应的光发生器的光。

可选地，每个光发生器包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)。

可选地，照明系统还包括半导体基板，用于支撑和定位VCSEL。

可选地，每个光束在进入物镜时都是平行的。

可选地，光束进入物镜时彼此不平行。

可选地，探针针尖之间的间距小于100μm，或小于20μm，或小于15μm。

可选地，光源之间的间距小于1mm，或小于0.5mm，或小于0.25mm。

可选地，每个源透镜都与相应的光纤结合或以其他方式物理耦合。

通常，多个探针包括五个或更多探针，或十个或更多探针。可选地，多个探针包括一百个或更多探针。

探针可以排列成一条直线，也可以排列成二维阵列。

光源以阵列形式在空间上相互分离。阵列可以由单条直线组成，阵列也可以是二维阵列。

可选地，探针显微镜是扫描探针显微镜，被配置为可通过移动探针和/或移动样品，在探针和样品之间产生扫描运动。

可选地，扫描探针显微镜被配置为通过移动探针，在探针和样品之间产生扫描运动，而探针显微镜还包括跟踪镜。跟踪镜可以被配置为接收来自聚光透镜的光束并将其反射到物镜上，跟踪镜还可以被配置为在扫描运动期间移动以将光束保持在悬臂上。

探针显微镜可用于多种应用，包括(但不限于)：扫描探针显微技术，例如用于极紫外(EUV)掩膜检测和复查；生物传感，用于检测多种生物标记；纳米光刻，例如蘸笔纳米光刻，其中扫描探针在基底上沉积化合物；或数据存储，其中每个探针都具有加热器，允许其温度独立升高以熔化聚合物基底，然后由探针进行压印操作，以产生代表二进制数字的凹痕。因此，本文中使用的术语“探针显微镜”指的是一种不一定用于成像或检测的仪器，而可能用于其他目的，如操作或修改样品。

本发明的另一方面提供了一种探针显微镜，包括：探针阵列，所述探针阵列包括呈阵列的探针，每个所述探针包括悬臂和探针针尖；照明系统，包括一个或更多个光发生器，所述光发生器被配置为产生和发射光；以及光纤阵列，所述光纤阵列包括呈阵列的光纤，所述光纤阵列被配置为接收从所述一个或更多个光发生器发射的所述光，每个所述光纤被配置为输出各自的光束；聚光透镜，被配置为收集来自所述光纤的所述光束；以及物镜，被配置为接收来自所述聚光透镜的所述光束，并将每个所述光束聚焦到相应的所述探针的所述悬臂上。

本发明的另一方面提供了一种探针显微镜，包括：探针阵列，所述探针阵列包括呈阵列的探针，每个所述探针包括悬臂和探针针尖；光发生器阵列，所述光发生器阵列包括呈阵列的光发生器，其中每个所述光发生器被配置为产生和输出各自的光束；聚光透镜，被配置为收集来自所述光发生器的所述光束；以及物镜，被配置为接收来自所述聚光透镜的所述光束，并将每个所述光束聚焦到对应的所述探针的所述悬臂上。

本发明的另一方面提供了一种根据前述任何方面所述的探针显微镜的操作方法，所述方法包括：通过调制所述光束的所述功率致动所述探针，其中对部分或全部的所述光束的所述功率进行不同的调制。

附图说明

现在将参照附图对本发明的实施例进行描述，其中：

图1是扫描探针显微镜的示意图；

图2示出了图1中显微镜的干涉仪；

图3示出了图1中显微镜的致动照明系统的第一个实施例；

图4A示出了透镜系统；

图4B示出了由源透镜提供的数值孔径的减小；

图5是光纤和V形槽支架的端视图；

图6示出了悬臂和照明光斑；

图7示出了图1中显微镜的致动照明系统的另一个实施例；

图8示出了图1中显微镜的致动照明系统的又一个实施例；

图9示出了多个悬臂，其中每个悬臂具有两个致动光束；

图10示出了致动光源的二维阵列；

图11是根据本发明另一个实施例的扫描探针显微镜的示意图；

图12示出了图11中显微镜的干涉仪；

图13示出了图11中显微镜的检测照明系统的第一个实施例；

图14示出了图11中显微镜的检测照明系统的另一个实施例；以及

图15示出了图11中显微镜的检测照明系统的又一个实施例；

图16示出了根据本发明又一个实施例的探针显微镜。

具体实施方式

参照图1，图1示出了根据本发明的一个实施例的扫描探针显微镜，该显微镜包含基于干涉仪的检测系统79和光热致动系统69。扫描探针显微镜的多个特征在US2015/0219686 A1中有详细描述，其公开内容通过引用结合在本文中。

显微镜包括用于接收样品1a的可移动平台1，样品1a的表面将通过热致动双层压电片探针阵列来检测，图1仅示出了其中一个探针。扫描能力由两个常规驱动系统提供：xy扫描器2，该扫描器可由SPM控制器3操作以提供探针阵列在样品1a平面(x，y)上的相对运动；以及z轴定位系统，该定位系统包括压电驱动器4，压电驱动器4可操作以使探针和样品在比探针阵列的光热致动所能达到的范围更大的范围内(在z轴方向上)相互靠近或远离地移动。

探针阵列包括悬臂梁5a-e的线性阵列，每个悬臂梁都带有探针针尖6a-e，该探针针尖位于悬臂梁的远端且逐渐变细到一个点。每个悬臂梁5a-e的另一端(基座或近端)由支架7支撑。在本实施例中，z轴定位系统4与探针支架7相连。或者，z轴定位系统4也可与样品台1相连。

图1仅示意性地显示了探针阵列中的一个探针5a、6a，且该探针相对于其正常方位旋转了90°，以显示悬臂5a和探针针尖6a。图4A中示出了阵列中全部五个探针的探针针尖6a-e，图6中示出了阵列中全部五个探针的悬臂5a-e。

每个探针针尖6a-e具有三维的、通常为圆锥形或金字塔形的结构，其位于对应悬臂梁5a-e的自由端。每个探针针尖6a-e逐渐变细到一个点，该点是其与被检测的表面相互作用的最近点。悬臂本身是横梁，不包括针尖。悬臂的一端支撑针尖，另一端则由显微镜设备固定。悬臂和探针针尖一起被称为探针。

每个探针通常由硅或氮化硅制成。通常情况下，悬臂5a-e长约50至200μm，宽约20至50μm，厚约0.2至2μm，当然也可根据实际应用改变尺寸。探针的形状也可以有多种变化：通常为矩形或三角形，在后一种情况下，探针的针尖位于其顶点附近。每个探针针尖6a-e的底部通常为5μm，高3至10μm，末端曲率半径为2至20nm。在使用时，探针针尖6a-e的端部针尖朝向样品1a。还可以制作尺寸更小的探针，以用于更快的成像速度。这些探针的悬臂长约5至20μm，宽约3至10μm，针尖也相应较小。针尖可以作为悬臂梁制造工艺的一部分形成，也可以作为悬臂梁制造工艺的后处理步骤添加，例如，使用电子束沉积(EBD)来制造类金刚石碳(DLC)针尖。此外，在使用光学检测方法时，悬臂梁会镀上一层金属，通常是金或铝，以提高悬臂梁的反射率。

原则上，该系统可以采用任何传统的SPM成像模式，也可以采用为工业检测开发的更先进的模式，如半导体晶片或光照掩膜检测。该系统允许悬臂探针阵列的并行操作。

检测系统79包括检测激光器10，检测激光器10生成检测输入光束11，光束11入射到空间光调制器(SLM)12上。在空间光调制器12上，光束11被分成所需数量的检测子光束，每个子光束构成一个检测光束。通常情况下，光束11会为阵列中的每个悬臂都分别分出一个子光束。因此，在这种情况下，会产生五个检测光束(每个探针对应一个)。为便于说明，图1和图2只示出了五束检测光束中的3束，分别标记为13a、13c、13e。图6示出了所有五束检测光束13a-e在悬臂5a-e上的光斑。

另外，光束11也可以按每个悬臂分成两束或多个子光束，以测量不同位置的高度或相对高度(例如，一个在探针针尖，另一个在底部，以测量悬臂的弯曲度)。SLM 12的更多细节请参见US2015/0219686 A1。

可选地，光束11的波长位于可见光谱范围内，例如光束11可以是波长为532nm的绿光。

检测光束13a-e随后进入图2所示的干涉仪14形式的传感系统中，并在该系统中被分束器20分束，从而提供参考子光束16a-e。干涉仪14的更多细节请参见US2015/0219686A1。

如图1所示，检测光束13a-e离开干涉仪14，被固定镜16反射到跟踪镜17上，跟踪镜17在XY扫描期间引导检测光束13a-e，使其在悬臂上保持最佳位置。跟踪镜17包括扫描镜，该扫瞄镜以与xy扫描仪2同步变化的角度反射检测光束13a-e。或者，取决于对速度要求，也可省略跟踪镜17，由SLM 12来承担引导功能。检测光束13a-e经跟踪镜17或SLM 12引导后，由物镜18聚焦到悬臂的末端，并在那里被反射回物镜18。因此，探针被配置为反射检测光束13a-e以产生传感光束19a-e。

如图2所示，物镜18收集并准直前述反射的传感光束19a-e并将其投射回干涉仪14，该光束在干涉仪14中被相移分束器21分成两个传感光束分量30a-e和31a-e，并入射到多段光电二极管22、23上。

参考子光束16a-e分别被相移分束器21分为两个参考光束分量32a-e和33a-e，入射到多段光电二极管22、23上，并在光电二极管上与相关联的传感光束分量30a-e和31a-e发生干涉。相移分束器21的涂层在重叠的参考光束分量32a-e和33a-e与相关联的传感光束分量30a-e和31a-e产生的一对干涉光束之间产生相位正交关系。

多段光电二极管22、23上光束分量的重叠的更多细节请参见US 2015/0219686A1。

虽然物镜18被图示为单个透镜元件，但可以理解的是，它可以是包括多个透镜元件的组件。

检测信号60从干涉仪14发送到SPM控制器3，该控制器适于并行操作，每个数据信道表示阵列内悬臂上的一个点相对于参考点的位置。

参考子光束16a-e射向适当位置的回反射器24，然后射向分束器21，在分束器21中，参考子光束被分束并与两个传感光束重新结合，从而形成相对相移90度的第一和第二干涉图。干涉图分别通过第一和第二多段光电二极管22、23检测。在这种零差干涉仪中，提取两束相干光束之间路径差的干涉测量法是本领域众所周知的，因此在此不再赘述。

这两个干涉图最好能从多段光电二极管22和23中产生相位差为90度的互补正弦和余弦信号。这些信号应该具有相等的振幅，不存在直流偏移，并且只取决于悬臂的位移和激光的波长。由于实际情况的限制，例如光学元件和对准的缺陷，信号通常无法实现完全谐波、幅度相等、相位正交和无直流偏移。因此，可以使用已知方法在改变光路长度差的同时监测光电二极管输出信号，以确定并修正这些误差。

来自光电二极管的相位正交信号适用于传统干涉仪的可逆条纹计算和条纹细分技术，例如，可使用专用硬件、可编程硬件(如FPGA或编程计算机)来实现。基于正交信号的反正切进行细分或插值的方法是众所周知的，并且可以提供亚纳米分辨率。

需要注意的是，可选地，回反射器24由透镜和平面镜代替。在探针不位于物镜18的焦平面上的非无限远校正系统中，这可能是有利的。

SLM 12对检测光束进行引导，使检测光束13a-e以相对于物镜18的光轴的不同角度传播，当光束到达物镜18时，物镜18会将每个检测光束聚焦在阵列中每个悬臂的背面的所需位置，即无限远校正系统的透镜的焦平面上。SLM 12通过类似雷达系统的光相控阵来实现这种衍射光束引导。

图1中的显微镜还具有用于使探针弯曲的光热致动系统69，现在对其进行描述。

致动系统69包括致动照明系统70，该系统可产生功率调制致动光束52a-e。图3示出了致动照明系统70的第一个实施例。

为使图示更加清晰，图3仅示出了两个探针的调制器和光纤。其他探针具有等效的调制器和光纤，在图3中没有示出。

参考图3，致动照明系统70包括被配置为产生和发射光的激光器71(或其他光发生器)。输入光纤72被配置为接收来自激光器71的光，光纤分路器73被配置为接收来自输入光纤72的光并将其在尾纤光纤74a、74c之间进行分配，其中每个探针对应一根光纤。

致动照明系统70还包括调制器75a、75c，它们分别被配置为接收来自对应的尾纤光纤74a、74c的光，调制光的功率以产生功率调制光，并将功率调制光引导至对应的输出光纤76a-e。

如图4B所示，由光纤76a-e输出的致动光束52a-e以相对较高的半角θ发散。换言之，光纤76a-e具有相对较高的数值孔径。

为了减小致动光束52a-e的发散角，致动照明系统70还包括致动源透镜的致动源透镜阵列90，其中两个透镜在图3和图4A中分别被标记为91a和91c。每个致动源透镜91a、91c被定位成接收和聚焦来自对应的光纤76a、76c的对应的致动光束52a、52c。

致动源透镜可以是渐变折射率(GRIN)透镜或任何其他合适类型的透镜。

因此，图3的致动照明系统70包括多个致动光源，每个致动光源包括各自的光纤76a-e和致动源透镜阵列90中对应的致动源透镜。每个致动光源被配置为输出各自的致动光束。例如，致动光源76a、91a输出致动光束52a，致动光源76c、91c输出致动光束52c。

如图4B所示，每个致动光源的数值孔径通过其对应的致动源透镜91a、91c减小，从而使来自源透镜的半角小于来自光纤的半角θ。

举例来说，光纤76a-e可以是数值孔径约为0.1的标准电信单模光纤。源透镜阵列90可将致动光源的数值孔径减小到0.01左右，但这也很大程度上取决于所有其他光学器件(例如光纤之间的间距、使用的透镜类型等)。

例如，调制器75a、75c可以是声光调制器(AOM)或电光调制器(EOM)。

每条尾纤光纤74a、74c都带有光连接器，连接到调制器75a、75c的输入端中的对应的一个。每条输出光纤76a、76c都在尾纤上带有光连接器，连接到调制器75a、75c的输出端中的对应的一个。

图4A所示的示例中仅显示了五个探针的探针针尖6a-6e，但一般来说，探针的数量可以是任意的，例如两个探针、五个以上探针或十个或更多探针。

参见图1，调制器由信号发生器56单独和独立地控制，而信号发生器56又与SPM控制器3相连。信号发生器56被配置为产生功率调制信号58a-e。如图3所示，调制器75a、75c接收功率调制信号作为输入，并被配置为基于功率调制信号58a-e来调制致动光束52a-e的功率。

来自图3中的致动照明系统70的功率调制致动光束52a-e通过图4A中所示的透镜系统95、18投射到探针上。

图5所示的结构80支撑并定位光纤76a-e。结构80包括带有V形槽81的基板，每个槽承载对应的一根光纤76a-e。可以在光纤76a-e的顶部安装盖子(未显示)。光纤76a-e的抛光端面是共平面的，即它们基本位于同一平面内。

V形槽81的轴线相互平行，因此光纤76a-e的光轴也相互平行。因此，致动光束52a-e在离开致动照明系统70时相互平行。

与自由空间光学系统相比，光纤更具优势，因为它们可以通过V形槽结构80紧密地排列在阵列中，并具有被精确控制的间距和对准(alignment)。

可选地，可以将每个致动源透镜91a、91c等分别结合到光纤76a-e中的一根上。

可选地，每个致动源透镜91a、91c等与其对应的光纤76a-e位于同一个V形槽中。

每个致动源透镜91a、91c等被定位成接收来自光纤的致动光束中的对应的一个。例如，如图4A所示，致动源透镜91a被定位成接收致动光束52a，致动源透镜91c被定位成接收致动光束52c。

致动源透镜91a、91c的焦平面是共面的，即它们基本位于同一平面内。致动源透镜阵列90的焦平面与致动光源的平面(即光纤76a-e的端面的平面)重合。

致动聚光透镜95也被称为管透镜，用于收集来自致动光源的所有致动光束52a-e，并通过图1中所示的镜68、16、17将其导向物镜18。

致动源透镜91a、91c等提供了减小致动光源的数值孔径的装置，因此所有致动光束52a-e都可以被致动聚光透镜95收集。

物镜18被配置为接收来自致动聚光透镜95的所有致动光束52a-e，并将每个致动光束52a-e聚焦到对应的探针的悬臂5a-e上。图6示出了作为悬臂5a-e上的光斑的致动光束52a-e。每个致动光束52a-e都是平行进入物镜18的。

致动光束52a-e被分色镜68和跟踪镜17(与检测系统79共用)反射，当光束在XY上扫描时，跟踪镜17将它们保持在悬臂上的位置处。

在本示例中，扫描探针显微镜被配置为通过在XY上移动探针，在探针和样品之间产生扫描运动。跟踪镜17被配置为接收来自致动聚光透镜95的致动光束52a-e，并将其反射至物镜18。跟踪镜17还被配置为在扫描动作期间移动(通过旋转，可选地带有平移元素)，以将致动光束52a-e保持在悬臂上。

图7示出了致动照明系统70的另一个实施例。图7中的透镜系统95、18与图4A中的透镜系统相同，因此不再赘述。

图7中的致动照明系统70包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)77a-e阵列。半导体基板78以所需的间距支撑并定位VCSEL 77a-e。每个VCSEL 77a-e被配置为生成并输出各自的致动光束52a-e，该光束由致动源透镜阵列90中对应的致动源透镜91a、91c接收。

VCSEL 77a-e位于致动源透镜阵列的焦平面内。在图7中，没有提供光纤或单独的功率调制器。相反，功率调制功能被集成在VCSEL 77a-e中。也就是说，VCSEL 77a-e被配置为调制致动光束52a-e的功率以致动探针，如图7所示，功率调制信号58a-e直接输入到VCSEL 77a-e中。每个VCSEL 77a-e都被配置为根据各自的功率调制信号58a-e独立调制对应的致动光束52a-e的功率。图7的实施例提供了比图4A的实施例所示的更简单的不需要光纤的照明系统。

因此，图7的致动照明系统70包括多个致动光源，每个致动光源包括各自的VCSEL77a-e和各自的致动源透镜91、91c等。每个致动光源被配置为输出各自的致动光束。例如，致动光源77a、91a输出致动光束52a，致动光源77c、91c输出致动光束52c。

与图4A的实施例一样，致动源透镜91a、91c等提供了减小致动光源的数值孔径的装置，因此所有的致动光束52a-e都可以被致动聚光透镜95收集。或者，如果VCSEL 77a-e的数值孔径足够小，则可以省略致动源透镜91a、91c等。

系统可能需要高达40MHz的功率调制带宽，而VCSEL 77a-e的功率调制带宽应足以满足这一要求。

VCSEL 77a-e之间的间距最好越小越好，间距应该可以在250μm左右。

VCSEL 77a-e具有优于其他类型激光器的优势，因为它们可以紧密地排列在阵列中，并具有被精确控制的间距和对准。

图8示出了致动照明系统70的另一个实施方案。图8中的致动照明系统70的某些元件与图4A中的致动照明系统70的相似，因此仅描述其不同之处。

图4A中的光纤分路器73被省略，且致动照明系统70包括五个激光器71a-e而非只有一个激光器71。每个激光器71a-e都被配置为产生和发射光，并将其输送到对应的光纤76a-e中。因此，每根光纤76a-e都被配置为接收来自对应激光器的光。

调制器75a、75c也被省略。更确切地说，功率调制功能被集成在激光器71a-e中。也就是说，激光器71a-e被配置为调制致动光束52a-e的功率以致动探针，功率调制信号58a-e如图8所示用于激光器71a-e。所有的激光器71a-e都被配置为根据各自的功率调制信号58a-e独立地调制其致动光束52a-e的功率。

因此，在图8中，致动照明系统70具有五个独立的致动光源：包括激光器71a、光纤76a和致动源透镜91a的第一致动光源；包括激光器71b、光纤76b和致动源透镜91b的第二致动光源，等等。与自由空间光学系统相比，光纤的优势在于它们可以通过V形槽结构80紧密地排列在阵列中，并具有被精确控制的间距和对准。致动源透镜91a-e提供了减小致动光源的数值孔径的装置。

如图6所示，探针针尖之间的中心到中心的间距可以是均匀的。例如，间距可以是12.7μm。光纤76a-e的端面之间的中心到中心的间距通过V形槽81之间的中心到中心的间距设定。例如，光纤76a-e的端面之间的间距可以是127μm(即比探针针尖之间的间距大10倍)。

致动照明系统70包括多个致动光源(光纤阵列76a-e或VCSEL阵列77a-e)。致动源透镜阵列90被配置为创建光纤76a-e或VCSEL 77a-e的第一阶段图像，致动聚光透镜95和物镜18被配置为将光纤76a-e或VCSEL 77a-e的第二阶段图像投射到探针阵列上。

第一阶段图像是放大图像，第二阶段图像是缩小图像。整体缩小比率为10，以适应间距缩小十倍的情况。

举例来说，聚光透镜95的焦距可以是100毫米，而物镜18的焦距可以是10毫米。

可以通过改变聚光透镜95或物镜18的焦距来改变整体缩小比率，以适应探针针尖之间的间距的变化。最方便的方法是用具有不同焦距的不同聚光透镜替换聚光透镜95。

在上述实施例中，致动源透镜91a、91c等都具有相同的焦距。但这并不是必须的，在其他实施例中，某些致动源透镜的焦距可能会有所不同。

在上述实施例中，提供了致动源透镜阵列90来抵消光纤76a-e或VCSEL 77a-e的高数值孔径。不过，致动源透镜阵列90并不是必须的，还可以使用其他方法来控制数值孔径。在一个可选的实施例中，作为提供致动源透镜阵列90的替代，光纤76a-e的端面可以是弯曲的而非平面的，从而提供一种类似透镜的效果以聚焦致动光束52a-e并减小数值孔径。在另一个可选的实施例中，光纤76a-e可以是具有折射率梯度的渐变折射率(GRIN)光纤，该光纤具有类似的聚焦效果，从而可以控制数值孔径。

在上述实施例中，探针排列成一条直线，即线性阵列。在其他实施例中，探针可以排列成二维阵列。在这种情况下，致动光源和透镜阵列90的透镜也将布置成相应的二维阵列。

图9示出了与图6相似的另一个实施例，因此仅描述其不同之处。在图9中，每个悬臂5a-e都受到三个光束的照射：顶端的检测光束(未标注)，由光纤6a-e及其相关联的致动源透镜91a-e产生的第一组功率调制致动光束52a-d，以及由图10中所示的由类似的第二组致动光源70a产生的第二组功率调制致动光束53a-d。这两组功率调制致动光束52a-d、53a-d通过致动聚光透镜95和物镜18投射到探针上。

图10中的致动光源排列成二维阵列，与图9中所示的二维光斑阵列相对应。

在上述实施例中，致动照明系统70被配置为独立地调制所有致动光束52a-e、53a-e的功率。然而，这并不是必须的，在其他实施例中，一些致动光束52a-e、53a-e可以以非独立的方式进行调制。例如，两束或两束以上的致动光束52a-e、53a-e可以被统一调制(即该组光束之间的调制不存在差异)。一般来说，至少部分致动光束52a-e、53a-e的功率是独立调制的。这使得部分或全部致动光束52a-e、53a-e的功率在同时照射探针的情况下可以进行不同的调制。

在图4A的实施例中，致动照明系统70为每个探针都配备了调制器75a、75c等。在其他实施例中，例如一组致动光束被统一调制，那么这组光束可以共用一个调制器。因此，一般来说，照明系统可包括两个或更多个调制器，每个调制器可被配置为调制一个或更多个致动光束52a-e、53a-e的功率。

上述照明系统70能够以多种方式控制悬臂，从而具有极大的灵活性和可控性。例如，如图6所示，通过将每个致动光束52a-e引导至悬臂的底部，光热效应可用于使悬臂上下偏转，以达到悬臂选择的目的；或者，在传统SPM反馈控制的情况下进行z轴致动。如果悬臂需要共振(这是许多SPM成像模式的共同要求)，则可对致动光束52a-e进行功率调制，从而以一个或更多个共振频率驱动悬臂。此外，不同的悬臂可以被设计和制造成以不同的频率共振，从而实现完全独立的操作。上述操作模式的示例并不具有任何限制性，仅是举例说明了平行探针SPM的功能范围。

图6示出了悬臂5a-e，其中每个悬臂5a-e在其靠近支架7的近端处受到对应的致动光束52a-e的照射，并在其位于探针针尖6a-e(位于悬臂的另一侧，因此未在图6中示出)上方的远端处受到对应的检测光束15a-e的照射。使用合适的物镜18可以使致动光束52a-e和检测光束15a-e的光斑尺寸仅为几微米，从而可以根据高效检测和光热致动的需要，将红外辐射精确地应用到悬臂上的特定位置。

悬臂5a-e是热致动双层压电片结构，其材料在加热时会发生不同程度的膨胀。也就是说，悬臂由两种(或多种)热膨胀率不同的材料组成。通常情况下是带有金或铝涂层的硅或氮化硅基体。涂层延伸至悬臂的长度，并覆盖针尖的反面。致动照明系统70优选地发出一种或多种波长的光，在这些波长上，特定涂层的吸收光谱有最大值或峰值。例如，波长可以是大约810nm的铝吸收峰值。也可以使用其他涂层/波长组合，例如金在500nm以下有更高的吸收率。当光线入射到悬臂的涂层侧时，铝的膨胀程度大于氮化硅，从而使悬臂弯曲，针尖向下移动，朝向样品。如果增加照射强度，针尖就会靠近样品表面。反之，如果降低照射强度，则弯曲度减小，针尖远离样品。涂层和基底材料的其他排列方式可能会导致响应于照射而向相反方向弯曲。

在一个实施例中，功率调制致动光束52a-e和53a-e的波长在1350-1550nm之间。这是电信行业常用的波长范围，可为光学元件(光纤、光纤分路器等)提供多种光源。

图6中所示的悬臂5a-e之间的中心到中心的距离(间距)是恒定的，但可选地，相邻悬臂之间的间距可以在阵列的宽度范围内变化。

参考图1，致动照明系统70由信号发生器56控制，而信号发生器56又与SPM控制器3相连。致动光束52a-e的强度决定了热致动双层压电片探针(无论其材料特性如何)展现出的弯曲程度，因此也决定了扫描过程中针尖与样品的分离距离。

随着扫描的进行，致动光束52a-e和/或53a-e的强度会根据在下一部分中将要描述的参数进行调制。从本质上讲，致动照明系统70可视为向z位置反馈和探针振荡提供驱动机制。也就是说，致动照明系统70被配置为驱动每个悬臂探针振荡，并在扫描过程中调整每个探针-样品分离距离。

图1中的显微镜的成像模式的具体实施例将在下文中进行更详细地描述。

平行探针显微镜特别适用于在该高效工业应用所需的高速条件下，检测面积较大且基本平坦的表面区域，以检测纳米尺度的特征。

在拍摄样品的图像时，SPM的操作方法如下。

当功率调制致动光束52a-e入射到每个悬臂上时，这些光束会引起悬臂的弯曲，且弯曲程度随功率调制而变化。因此，在自由空间中，探针针尖以与其对应的功率调制信号58a-e相同的频率和振幅被驱动朝向或远离样品。探针振荡频率通常选择为共振或接近共振的频率。另外，探针也可以被非共振驱动，但仍处于高频率。

在操作过程中，每个悬臂探针同时受到上述对应功率调制致动光束的照射，从而以所需的自由空间振幅振荡。然后使用z轴致动器4将探针支架7朝向样品移动，使得所有探针都位于表面的指定范围内。

如果表面是基本平坦的，这就相对简单。在对探针支架7进行初始z定位后，每个探针在表面上方的高度会有一些变化。这可以通过机械倾斜支架7来补偿，直到所有探针都位于表面上方的相同高度处。或者，也可以使用致动光束53a-e照射探针，并使用其功率调制信号来独立调制每个致动光束的振幅，使得单个探针(或探针组)向表面弯曲，并在其到达范围内时停止，从而进行补偿。或者，也可以通过上述方法的组合进行补偿。

此外，可能只需要使探针的一个子集处于表面上方一定高度的成像位置。例如，在具有十个探针的阵列中，最好在任何时候都只有五个探针(例如每隔一个探针)处于成像位置。这样，如果五个探针中有一个被损坏，就可以将这五个探针从样品1a上收回，然后将其他五个探针移动到相应位置。这种缓慢粗略的探针z定位可以通过致动光束53a-e来实现，这些致动光束53a-e可以操作从成像位置选择或缩回独立于阵列中的其他探针的单个探针(或探针组)。

信号发生器56随后生成功率调制信号58a-e，使探针针尖开始与表面间歇接触。与表面间歇接触的振荡探针的性质非常复杂，取决于许多因素，包括探针设计、针尖的几何形状和化学性质以及表面形貌和化学性质。不过，从广义上讲，每个探针的振荡幅度都会随着针尖向表面移动并开始与表面相互作用而减小，从而使针尖振荡的最低点与针尖与样品表面相接触的点相对应。通过这种方式，每个探针都能以由致动激光驱动频率决定的频率有效地对表面进行采样。

在图9的例子中，每个探针由两束功率调制致动光束照射，其中一组致动光束(例如致动光束53a-e)可用于将部分或全部探针统一驱动到成像位置，而另一组致动光束(例如致动光束52a-e)则可用于独立振荡探针，例如使用US2014026263A1中描述的自适应驱动成像模式。

每个探针在其整个振荡过程中都会受到检测系统79的持续监测，该系统会为每个探针输出信号60，该信号与探针在给定时间点的瞬时位置相对应。对于高速扫描系统来说，这样会产生大量的数据。因此，SPM控制器3包含现场可编程门阵列(FPGA)，其被配置为提供必要的处理能力。众所周知地，也可以使用其他的信号处理技术，如数字信号处理(DSP)或专用的模拟或数字电子方法。

探针循环运动的频率范围通常为数十至数百kHz，数据记录的采样频率为100MHz左右。因此，每个探针运动周期的采样次数在1000到10000次之间，这足以对高度检测器信号60进行分析以获得阵列中每个针尖的表面高度检测点。处理瞬时高度检测信号以得出任何给定探针的表面高度读数的方法有很多。然而，在最简单的情况下，读数可以基于探针振荡周期中的最低记录点，此时探针针尖被认为基本上与表面接触(或接近接触)。

xy扫描仪2将悬臂阵列在样品的表面上平移，以生成表面图像。控制器3确保跟踪系统17与扫描仪2驱动的扫描模式相匹配，从而使得阵列中的每个探针(如图6所示)移动时，致动系统69和检测系统79发出的光都保持在阵列中的每个探针的位置上。控制器3可以根据扫描仪2和跟踪系统17的特殊结构和机械性能，为扫描仪2和跟踪系统17计算不同的驱动信号。在扫描样品时，如果样品被移动，探针、检测系统79和致动系统69都被保持在固定的配准中，则可能不需要跟踪系统。

通过这种方式，探针阵列在表面上扫描，显微镜从阵列中的每个探针处收集数据，以提供表面的空间图，该空间图由具有亚纳米级垂直和水平分辨率的数据点组成。可以理解的是，可以根据所需的检测信息的类型，采用多种扫描操作模式来收集数据。在检测EUV掩膜缺陷的情况下，由于缺陷水平较低，必须对较大的表面区域进行检测。通常情况下，扫描模式将遵循光栅模式，与单探针显微镜相比，十个平行探针的数据采集率提高了约十倍。

图11是根据本发明的另一个实施例的扫描探针显微镜的示意图，其具有不同的检测系统179，但致动系统69相同。检测系统179包括检测照明系统170和图12所示的干涉仪114形式的传感系统。

图11和图12中的许多元件与图1和图2中的元件相同或等效。相同元件的附图标记相同，在此不再赘述。等效或相似的元件被赋予相同的附图标记，并以100递增。

图1中的检测系统79中的检测激光器10和空间光调制器(SLM)12被检测系统179代替。检测系统179具有检测照明系统170，可产生检测光束113a-e。与图1一样，为了便于说明，图中只显示了三束检测光束113a、113c、113e。对于五个悬臂阵列，则应有五束这样的检测光束。

检测照明系统170与致动照明系统70相似，包括多个检测光源。每个检测光源被配置为输出各自的检测光束113a-e，检测聚光透镜195则被配置为收集来自检测光源的检测光束113a-e。

在图11的显微镜中，致动系统69包括致动聚光透镜95，而检测系统179则包括单独的检测聚光透镜195。在另一个实施例中，检测系统179可以不具有专用的单独检测聚光透镜195，而是共用致动系统69的致动聚光透镜95。

如图12所示，物镜18被配置为接收检测光束113a-e，并将每个检测光束都聚焦到对应的探针的悬臂上。探针被配置为反射检测光束113a-e以产生传感光束119a-e。

传感光束119a-e由物镜18接收，并从物镜18传递到干涉仪114，干涉仪114被配置为接收传感光束119a-e并从传感光束119a-e确定探针的位置。

检测光束113a-e被分束器120分束以提供参考子光束116a-e。

检测光束113a-e离开干涉仪114，被固定镜16反射到跟踪镜17上，跟踪镜17在XY扫描期间引导检测光束113a-e使其在悬臂上保持最佳位置。检测光束113a-e经跟踪镜17引导后，由物镜18聚焦到悬臂的末端，并在其末端处被反射回物镜18。因此，探针被配置为反射检测光束113a-e以产生传感光束119a-e。

物镜18收集并准直反射的传感光束119a-e并将其投射回干涉仪114，在干涉仪114中，这些光束被相移分束器120分为两个传感光束分量130a-e和131a-e，并入射到光电二极管122、123上。

参考子光束116a-e分别被相移分束器120分为两个参考光束分量132a-e和133a-e，并入射到多段光电二极管122、123上。在多段光电二极管122、123上，参考光束分量132a-e和133a-e与相关联的传感光束分量130a-e和131a-e相互干扰。相移分束器的涂层会在由重叠的参考光束分量132a-e和133a-e与相关联的传感光束分量130a-e和131a-e产生的一对干涉光束之间产生相位正交关系。请注意，与图2不同，图12中示出的参考光束分量132a-e和133a-e及其相关联的传感光束分量130a-e和131a-e为完全重叠。

参考子光束116a-e被透镜124a聚焦到平面镜124b上，然后通过透镜124a反射到分束器120上，在分束器120上，参考子光束116a被分束并与传感光束分量重新结合，从而形成相对相移90度的第一和第二干涉图。干涉图分别由第一和第二多段光电二极管122和123检测。

干涉仪114的进一步操作与干涉仪14相同，在此不再赘述。

检测光束113a-c由检测聚光透镜195聚焦，使检测光束113a-e以相对于物镜18的光轴的不同角度传播。因此，当光束到达物镜18时，物镜18会将每个检测光聚焦在阵列中每个悬臂的背面的所需位置，即物镜18的焦平面上，以实现无限远校正系统。

图13详细示出了检测照明系统170的一个实施例。图13中的检测照明系统170与图3中的致动照明系统70相似，唯一的区别在于省略了调制器75a、75c和光纤76a、76c。

检测照明系统170包括被配置用于产生和发射光的激光器171(或其他光发生器)。输入光纤172被配置为接收来自激光器171的光，光纤分路器173被配置为接收来自输入光纤172的光并将其在光纤174a、174c等之间进行分配，每个探针一根光纤。

为了减小检测光束113a-113c的发散角，检测照明系统170还具有检测源透镜的检测源透镜阵列190，在图13中分别标记为191a、191c、191e。每个检测源透镜被定位成接收和聚焦来自对应光纤174a、174c、174e等的检测光束中的相应光束。

检测源透镜191a、191c、191e可以是渐变折射率(GRIN)透镜或任何其他合适类型的透镜。

检测聚光透镜195的焦距被标记为f(聚光镜)。

物镜18位于检测聚光透镜195的前焦平面。检测聚光透镜195的后焦平面与检测源透镜阵列190的前焦平面重合。

图13中的检测照明系统170包括多个检测光源，每个检测光源包括各自的光纤和各自的检测源透镜。每个检测光源被配置为输出各自的检测光束。例如，检测光源174a、191a输出检测光束113a，检测光源174c、191c输出检测光束113c。

图14示出了检测照明系统170的另一个实施例。图14中的检测照明系统170与图8中的致动照明系统70相似，唯一的区别在于光束未被调制。

图13中的光纤分路器173被省略，而检测照明系统170包括多个激光器171a-e(每个探针对应一个)，而不是只有一个激光器171。每个激光器171a-e都被配置为产生和发射光，并将其输送到对应的一根光纤174a-e。因此，每根光纤174a-e都被配置为接收来自对应激光器的光。

因此，在图14中，检测照明系统70具有多个独立的检测光源：包括激光器171a、光纤174a和检测源透镜191a的第一检测光源，包括激光器171c、光纤174c和源透镜191c的第二检测光源，等等。与自由空间光学系统相比，光纤的优势在于它们可以通过V形槽结构紧密地排列在阵列中，并具有被精确控制的间距和对准。检测源透镜191a-e提供了减小检测光源的数值孔径的装置，优选地，将数值孔径减小到0.01左右。

图15示出了检测照明系统70的另一个实施例。图15中的检测照明系统170与图9中的致动照明系统70相似，唯一的区别在于光束没有被调制。

图15中的检测照明系统170包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列177a-e。半导体基板178以所需间距支撑并定位VCSEL 177a-e。每个VCSEL 177a-e被配置为生成并输出各自的检测光束，该检测光束由检测源透镜阵列190中对应的检测源透镜191a、191c接收。

VCSEL 177a-e位于检测源透镜阵列的焦平面内。在图15中，没有提供光纤。图15的实施例提供了比图13和图14的实施例所示的更为简单的没有光纤的照明系统。

因此，图15的检测照明系统70包括多个检测光源，每个检测光源包括各自的VCSEL和各自的检测源透镜。每个检测光源被配置为输出各自的检测光束。例如，检测光源177a、191a输出检测光束113a，检测光源177c、191c输出检测光束113c。

与先前的实施例一样，检测源透镜191a、191c等提供了减小检测光源的数值孔径的装置，因此所有的检测光束113a-e都能被检测聚光透镜195收集到。或者，如果VCSEL177a-e的数值孔径足够小，则可以将检测源透镜191a、191c等省略。

VCSEL 177a-e之间的间距最好尽可能小，该间距应在250μm左右。

与其他类型的激光器相比，VCSEL 177a-e具有优势，因为它们可以紧密地排列在一个阵列中，并具有被精确控制的间距和对准。

图16示出了根据本发明另一个实施例的探针显微镜。图16中所示的元件在图4A中均有对应的元件，并且使用了相同的附图标记。下文中仅描述与图4A中的探针显微镜相比的不同之处。

在图4A、图7、图12和图15的透镜系统中，光束52a-d、113a-e在进入源透镜阵列90、190时被发散，在离开源透镜阵列90、190时被会聚。这种布置的一个潜在问题是，来自其中一个光束52a-d、113a-e的光可能会轻微泄漏到源透镜阵列90、190中的相邻源透镜中。

解决这个问题的方法是移动源透镜阵列90以靠近光纤76a-d的端面，如图16所示，这样光束52a、52c等在离开源透镜阵列90时就会被发散。使源透镜阵列90更靠近光纤的端面还能使光束52a在进入源透镜阵列90时变得更窄，从而降低相邻源透镜之间的漏光风险。

图16的类似解决方案也可应用于图7、图12和图15的实施例。

在图4A、图7、图12、图15和图16的透镜系统中，在光束52a-d、113a-e离开光源(即离开光纤6a-d或VCSEL 77a-e、177a-e)和进入聚光透镜95、195时，光束52a-d、113a-e的主轴之间相互平行。当光束52a-d、113a-e进入聚光透镜95、195时，其主轴也与聚光透镜95、195的光轴平行。这种平行光束(或“远心”)布置是非常有利的，因为这种布置易于控制，例如，很容易制造出具有平行轴线的V形槽81。

聚光透镜95、195对平行光束52a-d、113a-e进行折射，因此光束52a-d、113a-e的主轴在进入物镜18时并不平行。这就确保了每个光束是汇聚在对应的不同的探针上，而不是汇聚在同一点。

尽管上文参照一个或更多个优选实施例对本发明进行了描述，但可以理解的是，在不脱离所附权利要求书中所定义的本发明范围的情况下，可以进行各种更改或修改。

Claims (25)

1.一种探针显微镜，包括：探针阵列，所述探针阵列包括呈阵列的探针，每个所述探针包括悬臂和探针针尖；照明系统，所述照明系统包括多个光源，其中每个所述光源被配置为输出各自的光束；聚光透镜，所述聚光透镜被配置为收集来自所述光源的所述光束；以及物镜，所述物镜被配置为接收来自所述聚光透镜的所述光束，并将每个所述光束聚焦到对应的所述探针的所述悬臂上。

2.根据权利要求1所述的探针显微镜，其中，所述光束是致动光束，所述光源是致动光源，所述照明系统被配置为调制所述致动光束的功率以致动所述探针，并且所述照明系统被配置为独立地调制部分或全部的所述致动光束的所述功率。

3.根据权利要求2所述的探针显微镜，其中，所述照明系统被配置为使得对所述致动光束的功率调制引起所述悬臂移动。

4.根据权利要求2或3所述的探针显微镜，其中，每个所述致动光源包括光发生器，所述光发生器被配置为产生和发射光，所述光发生器被配置为调制所述致动光束的所述功率以致动所述探针，并且部分或全部的所述光发生器被配置为独立地调制所述致动光束的所述功率。

5.根据权利要求2或3所述的探针显微镜，其中，所述照明系统包括两个或更多个调制器，每个所述调制器被配置为调制一个或更多个所述致动光束的所述功率。

6.根据权利要求5所述的探针显微镜，其中，每个所述致动光源包括光纤，每个所述调制器被配置为接收光，调制所述光的功率以产生功率调制光，并将所述功率调制光引导至一个或更多个所述光纤中。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的探针显微镜，还包括：信号发生器，所述信号发生器被配置为产生两个或更多个功率调制信号，其中所述照明系统被配置为根据所述功率调制信号调制所述致动光束的所述功率。

8.根据权利要求1所述的探针显微镜，其中，所述光束是检测光束，所述光源是检测光源，所述探针被配置为反射所述检测光束以产生传感光束，并且所述探针显微镜还包括传感系统，所述传感系统被配置为接收所述传感光束并从所述传感光束确定所述探针的位置。

9.根据权利要求2至7中任一项所述的探针显微镜，还包括：检测系统，所述检测系统包括多个检测光源，其中每个所述检测光源被配置为输出各自的检测光束，所述物镜被配置为接收所述检测光束并将每个所述检测光束聚焦到对应的所述探针的所述悬臂上，所述探针被配置为反射所述检测光束以产生传感光束；所述探针显微镜还包括：传感系统，所述传感系统被配置为接收所述传感光束并从所述传感光束确定所述探针的位置。

10.根据权利要求8或9所述的探针显微镜，其中，所述传感光束由所述物镜接收并从所述物镜传递至所述传感系统。

11.根据权利要求8、9或10中所述的探针显微镜，其中，所述传感系统包括干涉仪。

12.根据前述任一项权利要求所述的探针显微镜，其中，每个所述光源包括被配置为减小所述光源的数值孔径的装置。

13.根据权利要求12所述的探针显微镜，其中，每个被配置为减小所述光源的数值孔径的装置包括折射元件，例如源透镜或渐变折射率光纤。

14.根据前述任一项权利要求所述的探针显微镜，其中，每个所述光源包括源透镜。

15.根据前述任一项权利要求所述的探针显微镜，其中，所述照明系统还包括支撑和定位所述光源的结构。

16.根据前述任一项权利要求所述的探针显微镜，其中，每个所述光源包括光纤。

17.根据权利要求15和16所述的探针显微镜，其中，所述结构包括多个V形槽，每个所述V形槽承载对应的一根所述光纤。

18.根据权利要求16或17所述的探针显微镜，其中，所述照明系统包括光发生器，所述光发生器被配置为产生和发射光；输入光纤，所述输入光纤被配置为接收所述光；以及光纤分路器，所述光纤分路器被配置为接收来自所述输入光纤的所述光并将所述光在所述光纤之间进行分配。

19.根据权利要求1至17中任一项所述的探针显微镜，其中，每个所述光源包括光发生器，所述光发生器被配置为产生和发射光。

20.根据权利要求19所述的探针显微镜，其中，每个所述光源还包括光纤，所述光纤被配置为接收来自对应的所述光发生器的所述光。

21.根据权利要求19或20所述的探针显微镜，其特征在于，每个所述光发生器包括垂直腔面发射激光器VCSEL。

22.根据前述任一项权利要求所述的探针显微镜，其中，所述光束在离开所述光源时相互平行，和/或，所述光束在进入所述聚光透镜时相互平行。

23.一种探针显微镜，包括：探针阵列，所述探针阵列包括呈阵列的探针，每个所述探针包括悬臂和探针针尖；照明系统，所述照明系统包括一个或更多个光发生器，所述光发生器被配置为产生和发射光；以及光纤阵列，所述光纤阵列包括呈阵列的光纤，所述光纤阵列被配置为接收从所述一个或更多个光发生器发射的所述光，每个所述光纤被配置为输出各自的光束；聚光透镜，所述聚光透镜被配置为收集来自所述光纤的所述光束；以及物镜，所述物镜被配置为接收来自所述聚光透镜的所述光束，并将每个所述光束聚焦到对应的所述探针的所述悬臂上。

24.一种探针显微镜，包括：探针阵列，所述探针阵列包括呈阵列的探针，每个所述探针包括悬臂和探针针尖；光发生器阵列，所述光发生器阵列包括呈阵列的光发生器，其中每个所述光发生器被配置为产生和输出各自的光束；聚光透镜，所述聚光透镜被配置为收集来自所述光发生器的所述光束；以及物镜，所述物镜被配置为接收来自所述聚光透镜的所述光束，并将每个所述光束聚焦到对应的所述探针的所述悬臂上。

25.一种根据权利要求2至7中任一项所述的探针显微镜的操作方法，所述方法包括：通过调制所述光束的所述功率致动所述探针，其中对部分或全部的所述光束的所述功率进行不同的调制。