CN1379261A

CN1379261A - 与原子力显微镜配套的观察装置

Info

Publication number: CN1379261A
Application number: CN02111727A
Authority: CN
Inventors: 徐文东; 干福熹
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2002-11-13
Anticipated expiration: 2022-05-17
Also published as: CN1156720C

Abstract

一种与原子力显微镜配套的观察装置,包括旋转手轮使与其连接的置于立柱内的丝杠转动,带动由导向洞伸进立柱内的支撑臂连着机架作上下运动的粗调焦机构和置放可动透镜的外套与机架活动连接的精调焦机构。有两条相互垂直的中心光轴,第一中心光轴上有由伸进机架内的传光光纤束的光束出射平面发射的光束经照明透镜至半反半透分光棱镜。第二中心光轴上有可动透镜、不动透镜、半反半透分光棱镜、后透镜和摄像头的接收面。与在先技术中普通显微镜相比,具有调节机构简单,物镜工作距离长,物镜数值孔径大,照明光路与观察光路共光路反射式照明,是与原子力显微镜配套理想的观察装置。

Description

与原子力显微镜配套的观察装置

技术领域：

本发明是一种与原子力显微镜配套的观察装置。主要用于观察原子力显微镜上探测针尖的前后左右位置和状态。

背景技术：

原子力显微镜在使用时配有一个观察装置，观察装置起到选择样品测量区域，使探测针尖准确定位，监视原子力显微镜运行过程等作用。在原子力显微镜的大多数应用当中观察装置是不可缺少的设备。因为原子力显微镜的扫描范围很小，一般小于10μm，如果没有观察装置的帮助，探测针尖就很难定位于所要测量的区域；同时，如果没有观察装置的帮助，探测针尖极易在逼近探测物时或在原子力显微镜运行过程中损坏。与原子力显微镜配套的观察装置与一般显微镜比较有不同的要求：首先、作为与原子力显微镜配合使用的独立的仪器，要求装置中的物镜工作距离长(一般大于50mm)，以不妨碍原子力显微镜头部的运行为准。其次、要求其中物镜数值孔径大，以便光线不被原子力显微镜头部内的反射镜全部遮住。第三点、要求照明光路是共光路反射照明结构，光强可变，主要与原子力显微镜头部的结构和工作要求(选择样品测量区域、观察探测针尖逼近探测物时，可采用较强的光，以便提高图像的质量；但监视原子力显微镜运行时需要较弱的光，以便不引入噪声)有关。第四点、调焦机构中要有粗调焦(以便原子力显微镜头部装卸)和精调焦机构(物镜数值孔径大，因而焦深短)。在先技术中的普通显微镜没有那么大的工作距离(参见在先技术[1]《光学技术手册》，王之江主编，下册，机械工业出版社，北京，1994年，第3章<放大镜和显微镜>，3<显微镜的基本结构>，3.2<物镜和镜筒透镜>，p646-648)。在先技术中所提供的体视显微镜虽然有较大的工作距离，但数值孔径较小，而且是采用非共光路的反射照明结构(参见在先技术[2]《光学技术手册》，王之江主编，下册，机械工业出版社，北京，1994年，第3章<放大镜和显微镜>，4<各种显微术装置及其显微镜>，4.9<体视显微镜>，p657-658)。

发明内容：

与原子力显微镜配套的观察装置，包括：有底座1，在底座1上置有两维调整架2，在两维调整架2的滑块上置放带有针尖301的原子力显微镜头部3；在底座1上置有管状的立柱8，在立柱8内的上部分里上下分开地置有上滚珠轴承801和下滚珠轴承803，在上滚珠轴承801和下滚珠轴承803之间的立柱8壁上开有长方形的导向洞802，在上滚珠轴承801和下滚珠轴承803的内套内固定有与立柱8同中心轴线o_zo′_z的丝杠701，丝杠701顶端带有手轮7露在立柱8的外顶上；有带支撑臂508的机架5，支撑臂508上有螺纹与丝杠701上螺纹相匹配的上螺孔507和下螺孔509，支撑臂508从立柱8壁上的导向洞802里伸进立柱8内，并且丝杠701穿过支撑臂508上的上螺孔507和下螺孔509；有光源506发射的光束通过伸向机架5内的传光光纤束505射出光束G经过照明透镜504至半反半透分光棱镜502，传光光纤束505的光束出射平面的中心点o穿过照明透镜504的中心至半反半透分光棱镜502的中心点o₁的连线为第一中心光轴oo₁；穿过半反半透分光棱镜502的中心点o₁与第一中心光轴oo₁垂直的直线为第二中心光轴o′o″，在原子力显微镜头部3上的针尖301与半反半透分光棱镜502之间与第二中心光轴o′o″同光轴地置有置放在与机架5活动连接的外套4内的可动透镜401，在可动透镜401与半反半透分光棱镜502之间与第二中心光轴o′o″同光轴地置有不动透镜501；与原子力显微镜头部3上的针尖301相对的第二中心光轴o′o″的另一端有接收面601的中心点o″在第二中心光轴o′o″上的摄像头6，在摄像头6的接收面601与半反半透分光棱镜502之间，与第二中心光轴o′o″同光轴地置有后透镜503。

所说的传光光纤束505的光束出射平面是在由可动透镜401、不动透镜501、半反半透分光棱镜502以及照明透镜504组合而成的为成像关系的临界照明光路的物面上，所说的摄像头6的接收面601是在由可动透镜401、不动透镜501、半反半透分光棱镜502以及后透镜503组合而成的为成像关系的观察光路的像面上，而且由可动透镜401、不动透镜501、半反半透分光棱镜502以及后透镜503组合而成的为成像关系的观察光路的物面上置放原子力显微镜头部3的针尖301。

由照明透镜504至传光光纤束505的光束出射平面之间的距离为照明物距L_物与由后透镜(503)至摄像头6的接收面601之间的距离为观察像距L′_像相等，即L_物＝L′_像。

本发明的与原子力显微镜配套的观察装置，有如上所述的结构，可以说包括三大部分，一、底座和原子力显微镜头部部分，二、粗调焦支架部分，三、放大观察主体部分。

底座和原子力显微镜头部部分：包括底座1，在底座1上置有两维调整架2，两维调整架2是由能够作两维方向(x、y方向)运动的滑块构成的，在两维调整架2的滑块上置放原子力显微镜头部3。

粗调焦支架部分：包括固定在底座1上的立柱8，立柱8为管状，立柱8内固定的两个分开、同轴且与立柱8的中心轴线o_zo′_z共轴的上滚珠轴承801和下滚珠轴承803，立柱8上在上滚珠轴承801和下滚珠轴承803之间的柱壁上开有长方形的导向洞802，与上滚珠轴承801和下滚珠轴承803的内套固定有丝杠701，丝杠701两端没有螺纹即两端光滑的柱面分别与上滚珠轴承801和下滚珠轴承803的内套固定，因此丝杠701上有外螺纹的部分就位于上滚珠轴承801和下滚珠轴承803之间，丝杠701伸出立柱8外连接有手轮7，旋转手轮7，丝杠701就可以围绕立柱8的中心轴线o_zo′_z转动。

放大观察主体部分：包括通过立柱8上的导向洞802而伸进立柱8内、且通过其两个螺孔507、509而与丝杠701的外螺纹配合的支撑臂508所支撑的机架5，也就是说，旋转手轮7，丝杠701随之旋转，在立柱8的导向洞802内，支撑臂508带着机架5沿着丝杠701的轴线也是立柱8的中心轴线o_zo′_z上下移动，因导向洞802是长方形的，所以不会旋转，这是粗调焦机构；有一端伸向机架5内的传光光纤束505，传光光纤束505的另一端靠近光源506，光源506发射的光束进入传光光纤束505内；在与光源506相对的另一端的传光光纤束505光束出射平面发射的光束G前进方向上，在传光光纤束505发射光束的第一中心光轴oo₁上，依次置有的照明透镜504和半反半透分光棱镜502，半反半透分光棱镜502的分光面与第一中心光轴oo₁成45°角放置；在光束G透过照明透镜504并经半反半透分光棱镜502的分光面反射的光束前进方向上，且中心在通过半反半透分光棱镜502的分光面的中心o₁并与第一中心光轴oo₁垂直的第二中心光轴o′o″上，依次置有不动透镜501、固定在外套4内的可动透镜401直至原子力显微镜头部3内固定的针尖301，第二中心光轴o′o″与立柱8的中心轴线o_zo′_z平行，针尖301位于可动透镜401的焦点o′上，从传光光纤束505光束出射平面发射的光束G透过照明透镜504、经半反半透分光棱镜502的分光面反射、透过不动透镜501后成为平行光，再经过可动透镜401后会聚在针尖301上，也就是说，传光光纤束505光束出射平面与针尖301所在面呈成像关系；包括中心在第二中心光轴o′o″上，在半反半透分光棱镜502相对于不动透镜501的另一边光路上，依次置有后透镜503和摄像头6，摄像头6内有接收面601。当光束经针尖301反射后，沿原路返回，透过可动透镜401和不动透镜501后再透过半反半透分光棱镜502的光线经后透镜503后会聚到接收面601上。所说的针尖301所在面与接收面601呈成像关系。照明透镜504、半反半透分光棱镜502、不动透镜501、后透镜503和摄像头6均固定在机架5内；可动透镜401通过外套4与机架5外壳进行活动连接。可动透镜401同轴地装在外套4内，外套4外柱面上有细牙螺纹，与机架5外壳的相应螺孔配合，也就是说，随着外套4的旋进旋出，可动透镜401可沿着第二中心光轴o′o″移动，实现了精调焦。在外套4可移动的范围内，也就是在可动透镜401可移动的范围内，通过移动可动透镜401，保证针尖301位于可动透镜401的焦点o′上。如图1所示。

所说的半反半透分光棱镜502是两个直角棱镜斜面胶合而成的棱镜，胶合面上镀有对光源506光束反射50％，透射50％的半反半透膜层。所说的半反半透分光棱镜502的分光面就是镀有半反半透膜层的胶合面。

本发明的观察装置如上所述的结构。观察针尖301时，光源506照射传光光纤束505的与光束出射平面相对的另一端，光束通过传光光纤束505，由传光光纤束505光束出射平面发射的光束G透过照明透镜504、经半反半透分光棱镜502的分光面反射、透过不动透镜501后成为平行光，再经过可动透镜401后会聚于可动透镜401的焦点o′上。驱动两维调整架2上的滑块移动，带动原子力显微镜头部3移动，可将原子力显微镜头部3内的针尖301移动到第二中心光轴o′o″附近，也就是说移动到可动透镜401会聚的光斑中心附近。再旋转手轮7，丝杠701旋转，随之支撑臂508带动机架5沿着丝杠701的轴线也就是立柱8的中心轴线o_zo′_z上下移动，当针尖301处的光斑最小时停止旋转手轮7，这样就在机架5可移动的范围内，通过移动机架5，保证针尖301位于可动透镜401的焦点o′附近，实现了粗调焦。光束经针尖301反射后，沿原路返回，透过可动透镜401和不动透镜501后再透过半反半透分光棱镜502的光束经后透镜503后在摄像头6的接收面601附近呈现针尖301放大的像。旋转可动透镜401的外套4，使可动透镜401边旋转边沿着第二中心光轴o′o″移动，直到针尖301放大的像恰好位于摄像头6的接收面601上，看到清晰的针尖301的像为止，也就是完成了精调焦过程。若针尖301的像不在图像的中央，可再通过两维调整架2移动原子力显微镜头部3，使原子力显微镜头部3内的针尖301位于第二中心光轴o′o″上，此时针尖301的像将位于图像的中央。

本发明的优点：与在先技术中一般显微镜相比，首先本发明的观察装置的调焦机构中有粗调焦和精调焦机构，而且机构非常简单。由于粗调焦采用了丝杠结构而非齿轮齿条结构，机架5不会因为重力而逐渐下移，粗调焦后就不用进行锁紧，方便了操作；原子力显微镜要求本观察装置有较大的数值孔径，以便光线不被原子力显微镜头部3内的反射镜全部遮住，因此本观察装置的焦深就不会很长，精调焦机构采用外套4与机架5活动连接伸缩机构完全可以满足要求。其次光学元件的排布紧凑合理，成像光路在缩短共轭距离的同时，即保证了长工作距离(为可动透镜401距针尖301的距离)和大数值孔径，也可以实现方便的精调焦功能(不动透镜501和可动透镜401之间为平行光路)；由于采用了从光源506发射的光束经传光光纤束505传输，使得照明光路也简单和紧凑，传光光纤束505将入射的光束混合，在光束出射平面产生均匀的发光面，其允许采用简单的临界照明方式，也就是说只需一个照明透镜504将传光光纤束505的光束出射平面成像在观察装置的物面上就行，由于采用临界照明结构，照明透镜504可以采用与后透镜503相同结构的元件，使本发明的观察装置的成本进一步降低，不仅如此，临界照明方式也极利于观察装置的操作：只有在样品上光斑最小时才表示样品位于观察装置物面上，也只有光斑内的样品面可以成像在摄像头6的接收面601上(传光光纤束505的光束出射平面、针尖301所在平面以及摄像头6的接收面601均为成像关系，只需使传光光纤束505的光束出射平面在摄像头6的接收面601上的像的尺寸与摄像头6的接收面601尺寸相同就行)。由于本发明是专用于原子力显微镜的观察装置，容易做到极其简单地达到上述目的，并可使本发明的观察装置与原子力显微镜一同工作时有和谐的外观。在纯观察光路(从半反半透分光棱镜502，透过后透镜503直到摄像头6的接收面601)的任何表面上或任何空气间隔中都可以加一个或几个滤光膜或滤光片，以减弱进入摄像头6的来自原子力显微镜头部3的激光束，避免为同时看到针尖301上的激光斑和针尖301本身的像而使照明光强增强(较强的照明光束会对原子力显微镜工作产生影响)。是与原子力显微镜配套理想的观察装置。

附图说明：

图1是本发明的与原子力显微镜配套的观察装置示意图。

具体实施方式：

如图1所示结构。光源506采用白光光源，传光光纤束505光束出射平面的直径为8mm。成像光路的放大倍率为5倍，工作距离50mm，数值孔径0.25，共轭距离为200mm。照明透镜504采用与后透镜503相同结构的单透镜。摄像头6为1/4″彩色电荷耦合器(CCD)摄像头。由照明透镜504至传光光纤束505的光束出射平面之间的距离为照明物距L_物＝81.95mm，由后透镜503至摄像头6的接收面601之间的距离为观察像距L′_像＝81.95mm。按上述粗调焦和精调焦的调节步骤观察针尖301可以看到清晰的影像，分辨率达到2μm以下。生产成本很低，与原子力显微镜配套时，有和谐的外观。

Claims

1.一种与原子力显微镜配套的观察装置，包括：

<1>有底座(1)，在底座(1)上置有两维调整架(2)，在两维调整架(2)的滑块上置放带有针尖(301)的原子力显微镜头部(3)；

其特征在于：

<2>在底座(1)上置有管状的立柱(8)，在立柱(8)内的上部分里上下分开地置有上滚珠轴承(801)和下滚珠轴承(803)，在上滚珠轴承(801)和下滚珠轴承(803)之间的立柱(8)壁上开有长方形的导向洞(802)，在上滚珠轴承(801)和下滚珠轴承(803)的内套内固定有与立柱(8)同中心轴线(o_zo′_z)的丝杠(701)，丝杠(701)顶端带有手轮(7)露在立柱(8)的外顶上；

<3>有带支撑臂(508)的机架(5)，支撑臂(508)上有螺纹与丝杠(701)上螺纹相匹配的上螺孔(507)和下螺孔(509)，支撑臂(508)从立柱(8)壁上的导向洞(802)里伸进立柱(8)内，并且丝杠(701)穿过支撑臂(508)上的上螺孔(507)和下螺孔(509)；

<4>有光源(506)发射的光束通过伸向机架(5)内的传光光纤束(505)射出光束(G)经过照明透镜(504)至半反半透分光棱镜(502)，传光光纤束(505)的光束出射平面的中心点(o)穿过照明透镜(504)的中心至半反半透分光棱镜(502)的中心点(o₁)的连线为第一中心光轴(oo₁)；

<5>穿过半反半透分光棱镜(502)的中心点(o₁)与第一中心光轴(oo₁)垂直的直线为第二中心光轴(o′o″)，在原子力显微镜头部(3)上的针尖(301)与半反半透分光棱镜(502)之间与第二中心光轴(o′o″)同光轴地置有置放在与机架(5)活动连接的外套(4)内的可动透镜(401)，在可动透镜(401)与半反半透分光棱镜(502)之间与第二中心光轴(o′o″)同轴地置有不动透镜(501)；

<6>与原子力显微镜头部(3)上的针尖(301)相对的第二中心光轴(o′o″)上的另一端有接收面(601)的中心点(o″)在第二中心光轴(o′o″)上的摄像头(6)，在摄像头(6)的接收面(601)与半反半透分光棱镜(502)之间，与第二中心光轴(o′o″)同光轴地置有后透镜(503)。

2.根据权利要求1所述的与原子力显微镜配套的观察装置，其特征在于所说的传光光纤束(505)的光束出射平面是在由可动透镜(401)、不动透镜(501)、半反半透分光棱镜(502)以及照明透镜(504)组合而成的成像关系的临界照明光路的物面上，所说的摄像头(6)的接收面(601)是在由可动透镜(401)、不动透镜(501)、半反半透分光棱镜(502)以及后透镜(503)组合而成的成像关系的观察光路的像面上，而且由可动透镜(401)、不动透镜(501)、半反半透分光棱镜(502)以及后透镜(503)组合而成的成像关系的观察光路的物面上置放原子力显微镜头部(3)的针尖(301)。

3.根据权利要求1所述的与原子力显微镜配套的观察装置，其特征在于由照明透镜(504)至传光光纤束(505)的光束出射平面之间的距离为照明物距L_物与由后透镜(503)至摄像头(6)的接收面(601)之间的距离为观察像距L′_像相等，即L_物＝L′_像。