CN1587981A - 原子力显微镜的光点跟踪装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于原子力显微镜针尖扫描的光点跟踪装置，其构成是：所述的激光杠杆：包括激光器，在激光器出射的平行光束的前进方向上有反射镜，该反射镜配有调节装置，在反射镜的反射光线G的前进方向上依次是聚焦透镜和微悬臂针尖，该聚焦透镜的中心和微悬臂针尖的背面顶端同处于光线G的光轴上，且微悬臂针尖的顶端位于聚焦透镜的焦点，在微悬臂针尖的反射光线H的前进方向上依次是成像透镜和两维可调的四象限光电探测器；一xy向扫描器和固定在该xy向扫描器上的z向扫描器形成所述的组合扫描器件；元器件模块化。本发明具有结构简单，各单元部件易于调整和更换，激光聚焦光点跟踪可靠的优点。
Description
技术领域
本发明涉及原子力显微镜，一种用于原子力显微镜的光点跟踪装置。
背景技术
原子力显微镜是具有极高分辨率和很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。大多数现有原子力显微镜都采用光杠杆检测方式来检测微悬臂针尖受到原子力后的偏转，这种方法已经很成熟，精度也很高。特别是对于样品扫描的原子力显微镜，这种检测方式很好实现。但是因为样品放在扫描器的顶端，尺寸和重量都要受到限制，因此限制了样品扫描原子力显微镜的应用。针尖扫描原子力显微镜相对样品扫描原子力显微镜有很多优点，但是针尖扫描原子力显微镜的光杠杆检测装置不是很容易实现。在扫描过程中，光杠杆检测装置要保持微悬臂针尖背面聚焦光点与微悬臂针尖相对静止、反射光斑中心与四象限光电接收器中心一致是很大的技术难点，涉及到光点跟踪问题。
为解决这个问题，已经有很多方案被提出。如在先技术1(美国专利No.5025658)如图一所示；在先技术2(Putman et al，presented at theOE/LEASE’93 Conference，Jan.19，1993，Los Angeles，Calif.)如图二所示。在先技术1中原子力显微镜的微悬臂针尖14离激光二极管21的出射面非常近，从微悬臂针尖上反射回来的光线被与激光二极管21封装在一起的光电探测器22接收。激光二极管21包括光电探测器22通过装置23固定在扫描管12末端。因为激光器，光电探测器和微悬臂针尖组合很近，而且和扫描器固定在一起，所以激光器和光电探测器能很好地跟踪微悬臂针尖。在先技术2中，激光器10，聚焦透镜30和微悬臂针尖14都固定在同一扫描单元12上，扫描时因为这些部件一起运动，所以能达到跟踪效果。但是在先技术1和2都明显存在以下不足：
(1)在先技术1的光电探测器只有与微悬臂针尖间距非常小(少于100微米)的时候才能保证测量精度，这要求激光聚焦点高精度地对齐微悬臂针尖的顶端。
(2)在先技术1因为激光二极管太接近微悬臂针尖而无法引入观察微悬臂针尖和样品的光学显微镜。
(3)在先技术2中，扫描时微悬臂针尖和激光器都相对光电探测器移动，这导致即使微悬臂针尖没有偏转的情况下，从微悬臂针尖上反射的光也会相对光电探测器移动。
(4)在先技术1中，扫描器要承载激光二极管和光电探测器；在先技术2中，扫描器要承载激光器和聚焦透镜，这都会导致扫描器共振频率的下降，使扫描器对振动更敏感，影响原子力显微镜的性能。
(5)在先技术1中的激光二极管、光电探测器，在先技术2中的激光器如果发生损坏，将很难更换。
发明内容
本发明要解决的问题在于克服上述在先技术的不足，提供一种按模块化思想设计的光点跟踪装置，该装置应结构简单，各单元部件易于调整和更换，激光聚焦光点在扫描过程中稳定跟踪微悬臂针尖的运动，保证微悬臂针尖没有发生实际偏转的情况下，反射光也不会相对光电探测器移动。
本发明的基本思想：首先整套装置必须按模块化思想设计，一旦单元部件出现问题方便更换，或者为提高原子力显微镜的性能，直接更换整个模块。我们把激光器，反射镜、成像透镜和四象限光电接收器作为一个模块，微悬臂探针和聚焦透镜作为一个模块，z向扫描器和xy向扫描器分别作为一个模块。把微悬臂探针和聚焦透镜模块固定在z向扫描器模块上，然后把z向扫描器模块和xy向扫描器模块合成一个可在xyz方向扫描针尖的部件。这样平行光通过聚焦透镜后的汇聚点就能在整个扫描过程中始终跟踪微悬臂针尖的运动。再调整四象限光电探测器在成像透镜后一个特定的位置，保证微悬臂针尖没有实际偏转的情况下，反射光也不会相对光电探测器移动，就可以很好地解决光点跟踪的问题。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于原子力显微镜针尖扫描的光点跟踪装置，包括激光杠杆和组合扫描器件，其特征在于：
所述的激光杠杆：包括激光器，在激光器出射的平行光束的前进方向上有反射镜，该反射镜配有调节装置，在反射镜的反射光线G的前进方向上依次是聚焦透镜和微悬臂针尖，该聚焦透镜的中心和微悬臂针尖的背面顶端同处于光线G的光轴上，且微悬臂针尖的顶端位于聚焦透镜的焦点，在微悬臂针尖的反射光线H的前进方向上依次是成像透镜和四象限光电探测器，该四象限光电探测器的位置两维可调；
一xy向扫描器和固定在该xy向扫描器上的z向扫描器形成所述的组合扫描器件；
所述的激光器、反射镜、成像透镜和四象限光电接收器组成一个模块，微悬臂探针和聚焦透镜组成一个模块，z向扫描器和xy向扫描器各为一个模块，把微悬臂探针和聚焦透镜模块固定在z向扫描器模块上，然后把z向扫描器模块和xy向扫描器模块合成一个可在xyz方向扫描针尖的部件。
所述的激光器是一个包含了可调焦透镜的激光器，可以直接输出平行光。
所述的反射镜的中心应该在聚焦透镜的焦点位置。
与在先技术相比，本发明的优点：
1)光点能非常好的跟踪微悬臂针尖的运动，微悬臂针尖没有实际偏转的情况下，从微悬臂针尖反射的光也不会相对光电探测器移动，而且不受扫描范围限制；
2)结构合理，方便引入光学显微镜和CCD监视系统，实时的观测微悬臂针尖；
3)扫描器只需要承载聚焦透镜和针尖座的重量，对扫描器的共振频率没什么影响；
4)模块化设计使得更换单元部件，或是更换整个模块都方便可行。
附图说明
图1：在先技术1的原理示意图
图2：在先技术2的原理示意图
图3：本发明原子力显微镜的光点跟踪装置的结构示意图
图4：本发明中确定四象限光电接收器位置的示意图
具体实施方式
先请参阅图3，图3是本发明原子力显微镜的光点跟踪装置的结构示意图，由图可见，本发明一种用于原子力显微镜针尖扫描的光点跟踪装置的构成：
一激光杠杆：包括激光器1，在激光器1出射的平行光束的前进方向上有反射镜2，该反射镜2配有调节装置，在反射镜2反射光线G的前进方向上依次是聚焦透镜4和微悬臂针尖6，该聚焦透镜4的中心和微悬臂针尖6的背面顶端同处于光线G的光轴上，且微悬臂针尖6的顶端位于聚焦透镜4的焦点，在微悬臂针尖6的反射光线H的前进方向上依次是成像透镜7和两维可调的四象限光电探测器8，该四象限光电探测器8装在一个可两维调整的调整架上(图中未示)；
一xy向扫描器3和固定在该xy向扫描器3上的z向扫描器5形成组合扫描器件；
所述的激光器1、反射镜2、成像透镜7和四象限光电接收器8组成一个模块，微悬臂探针6和聚焦透镜4组成一个模块，z向扫描器5和xy向扫描器3各为一个模块，把微悬臂探针和聚焦透镜模块固定在z向扫描器模块上，然后把z向扫描器模块和xy向扫描器模块合成一个可在xyz方向扫描针尖的部件。
所述的激光器1是一个包含了可调焦透镜的激光器，可以直接输出平行光。
所述的反射镜2的中心应该在聚焦透镜4的焦点位置。
本发明的光点跟踪装置有如上所述的结构。工作的时候，激光器1发出平行光，该平行光经反射镜2上反射，反射光线G透过聚焦透镜4汇聚到微悬臂针尖6的顶端。因为微悬臂针尖6和聚焦透镜4作为一个模块固定在z向扫描器5上，而z向扫描器5固定在xy向扫描器3上，所以不管组合扫描部件部分在哪个方向上扫描，平行光G都会汇聚在聚焦透镜4的焦点上，也就是微悬臂针尖6的顶端，这样就完成了聚焦光点对微悬臂针尖6的跟踪。从微悬臂针尖6的顶端反射的光的跟踪涉及四象限光电探测器8的摆放位置，它必须满足一定的条件，反射光线H才不会在微悬臂针尖没有实际偏转的情况下，相对光电探测器8移动。这个位置我们这样选定：如图四所示，明显地平行光G光轴位置的光线对应于四象限光电探测器8上光斑的中心位置。图四中的光线10、20、30就是平行光G光轴位置的光线在微悬臂针尖6上反射的光线，它们反向延长会相交与一点，即成像透镜7的虚焦点。成像透镜7对这个虚焦点成象，扫描过程中所有平行光G光轴位置的光线在微悬臂针尖6上反射的光线都会汇聚到这个虚焦点的象点位置。这就是说四象限光电探测器放在这个象点位置，反射光H在四象限光电探测器8上形成的光斑的中心位置会保持不变。为保证平行光G光轴的光线通过聚焦透镜4始终能垂直地照射在微悬臂针尖6的顶端，反射镜2的中心应该在聚焦透镜4的焦点位置。每次更换针尖后，要调节反射镜2的角度，以保证所聚焦的光点汇聚在微悬臂针尖6的顶端。
具体实施例如图3所示，激光器1采用包含了可调焦透镜的半导体激光器，波长650nm，反射镜2为一般反射镜，xy向扫描器3和z向扫描器5采用PI公司的产品，xy向扫描器3的扫描范围为0.1mm*0.1mm，聚焦透镜4的焦距为2cm，微悬臂针尖6保持与水平方向成15°的夹角。如图四所示，虚交点o’距离o点的距离通过计算约为10.16mm，在o’o的方向上距离o’点6cm的地方设置焦距为3cm的成像透镜7，四象限光电接收器8放在成像透镜7后3cm的位置，也就是虚焦点的象点位置。
该实施例经实际使用证明，本发明具有结构简单，各单元部件易于调整和更换，激光聚焦光点在扫描过程中稳定跟踪微悬臂针尖的运动，保证微悬臂针尖没有发生实际偏转的情况下，反射光不会相对光电探测器移动。
Claims (3)
1、一种用于原子力显微镜针尖扫描的光点跟踪装置，包括激光杠杆和扫描器件，其特征在于：
所述的激光杠杆：包括激光器(1)，在激光器(1)出射的平行光束的前进方向上有反射镜(2)，该反射镜(2)配有调节装置，在反射镜(2)反射光线G的前进方向上依次是聚焦透镜(4)和微悬臂针尖(6)，该聚焦透镜(4)的中心和微悬臂针尖(6)的背面顶端同处于光线G的光轴上，且微悬臂针尖(6)的顶端位于聚焦透镜(4)的焦点，在微悬臂针尖(6)的反射光线H的前进方向上依次是成像透镜(7)和两维可调的四象限光电探测器(8)；
一xy向扫描器(3)和固定在该xy向扫描器(3)上的z向扫描器(5)形成所述的组合扫描器件；
所述的激光器(1)、反射镜(2)、成像透镜(7)和四象限光电接收器(8)组成一个模块，微悬臂探针(6)和聚焦透镜(4)组成一个模块，z向扫描器(5)和xy向扫描器(3)各为一个模块，把微悬臂探针和聚焦透镜模块固定在z向扫描器模块上，然后把z向扫描器模块和xy向扫描器模块合成一个可在xyz方向扫描针尖的部件。
2、根据权利要求1所述的光点跟踪装置，其特征在于所述的激光器(1)是一个包含了可调焦透镜的激光器，可以直接输出平行光。
3、根据权利要求1所述的光点跟踪装置，其特征在于所述的反射镜(2)的中心应该在聚焦透镜(4)的焦点位置。
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