CN1587983A - 针尖扫描的光点跟踪装置 - Google Patents

Abstract

一种针尖扫描的光点跟踪装置，其特征是该装置由五个模块构成：第一模块包括y向扫描器及固定在其上的第一反射体，第二模块包括x向扫描器及固定在其上的第二反射体，第三模块即z向扫描器；第四模块包括聚焦透镜、微悬臂针尖和固定该微悬臂针尖的连接体，第五模块包括激光器、成像透镜和四象限光电探测器，该四象限光电接收器放在成像透镜焦平面，激光器和四象限光电探测器各有一个调节机构；本发明装置结构简单，各模块调整和更换方便，激光聚焦光点在扫描过程中能稳定地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，反射光也不会产生相对光电探测器移动。

Description

针尖扫描的光点跟踪装置

技术领域

本发明涉及原子力显微镜，特别是一种原子力显微镜针尖扫描的光点跟踪装置。

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。对于样品扫描的原子力显微镜，这种检测方式很好实现。但是对于针尖扫描的原子力显微镜，光杠杆检测装置不容易实现。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一个很大的技术难点，这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，见美国专利No.5025658，如图1所示；在先技术2，见Putman et al，presented at theOE/LEASE’93 Conference，Jan.19，1993，Los Angeles，Calif.如图2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14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和光电探测器22通过装置23固定在扫描管12末端。因为激光二极管21，光电探测器22和微悬臂针尖14组合的很近，而且和扫描器12固定在一起，所以激光二极管21和光电探测器22能很好地跟踪微悬臂针尖14。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和在先技术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)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没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针尖扫描的光点跟踪装置，它应结构简单，各单元部件易于调整和更换，激光聚焦光点在扫描过程中能稳定地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：首先整套装置按模块化思想设计，一旦单元部件出现问题可方便地进行单元部件更换。我们把y向扫描器和y向扫描器上的反射体作为一个模块，x向扫描器、x向扫描器上的反射体作为一个模块，微悬臂针尖和微悬臂针尖的设置装置以及聚焦透镜作为一个模块，z向扫描器作为一个模块，激光器、成像透镜和四象限光电探测器作为一个模块。激光器发出的光经y向扫描器上的反射体水平反射，然后在x向扫描器上的反射体上做垂直的向下反射，通过聚焦透镜汇聚在微悬臂针尖背面的顶端。因为光束在随扫描器移动的反射体上反射，光束实际上也等于跟随扫描器在xy方向上移动，所以通过聚焦透镜汇聚后能完全跟踪在xy向上扫描的针尖。再调整四象限光电探测器在成像透镜后一个特定的位置，保证从微悬臂针尖上反射的光不会相对光电探测器移动，就可以很好的解决光点跟踪的问题。

本发明的技术解决方案如下：

一种针尖扫描的光点跟踪装置，其特征是该装置由五个模块构成：

第一模块包括y向扫描器及固定在其上的第一反射体，该y向扫描器是一具有中央长方形孔的长方块结构，第一反射体固定在该y向扫描器的上面，且第一反射体的反射面与入射光线成45°

第二模块包括x向扫描器及固定在其上的第二反射体，所述的x向扫描器具有长方块的外观，整体地固定在所述的y向扫描器中央的长方形孔中，第二反射体跟第一反射体在同一水平面上，第二反射体的反射面于入射光线成45°；

第三模块即z向扫描器；

第四模块包括聚焦透镜、微悬臂针尖和固定该微悬臂针尖的连接体，该微悬臂针尖固定在z向扫描器的下面的一连接体上，该微悬臂针尖的尖端位于聚焦透镜下方焦点；

第五模块包括激光器、成像透镜和四象限光电探测器，该四象限光电接收器放在成像透镜焦平面，激光器和四象限光电探测器各有一个调节机构；

第五模块固定在所有模块的上方，且所述的激光器、第一反射体和第二反射体在同一平面上；第二模块嵌固在第一模块的长方形孔中，第三模块和第二模块是组合在一起的，第二模块的x向扫描器带动第三模块、第四模块和x向扫描器上的第二反射体在x方向上移动，第一模块的y向扫描器带动第二模块、第三模块、第四模块和第一反射体在y方向上移动。

所述的第一反射体和第二反射体为棱镜或反射镜。

所述的激光器是一台含有调焦透镜的准直激光器。

所述的调节机构为多维调整架

所有模块之间的连接关系都是方便拆卸的可调的结构。例如螺纹连接，卡口连接等。

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、针尖座和反射体(可用反射镜代替)的重量，这些器件很轻，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容易。

附图说明：

图1：在先技术一的原理示意图

图2：在先技术二的原理示意图

图3：本发明的立体分解结构示意图

图4：本发明中四象限光电接收器位置确定说明示意图

具体实施方式

先请参阅图3，图3是本发明针尖扫描的光点跟踪装置具体实施例的立体分解结构示意图，由图可见，本发明针尖扫描的光点跟踪装置，是由五个模块构成的：

第一模块1包括y向扫描器101及固定在其上的第一反射体102，该y向扫描器101是一具有中央长方形孔103的长方块结构，第一反射体102固定在该y向扫描器101的上面，且第一反射体102的反射面与入射光线成45°；

第二模块2包括x向扫描器201及固定在其上的第二反射体202，所述的x向扫描器201具有长方块的外观，可整体地固定在所述的y向扫描器101中央的长方形孔103中，第二反射体202跟第一反射体102在同一水平面上，第二反射体202的反射面于入射光线成45°；

第三模块3即z向扫描器301；

第四模块4包括聚焦透镜403、微悬臂针尖401和固定该微悬臂针尖401的连接体402，该微悬臂针尖401固定在z向扫描器301的下面的一连接体402上，该微悬臂针尖401的尖端位于聚焦透镜403下方焦点；

第五模块5包括激光器501、成像透镜502和四象限光电探测器503，激光器501和四象限光电探测器503各有一个调节机构；

第五模块5固定在所有模块的上方，且所述的激光器501、第一反射体102和第二反射体202在同一平面上；第二模块2嵌固在第一模块1的长方形孔103中，第三模块3和第二模块2是组合在一起的，第二模块2的x向扫描器201带动第三模块3、第四模块4和x向扫描器201上的第二反射体202在x方向上移动，第一模块1的y向扫描器101带动第二模块2、第三模块3、第四模块4和第一反射体102在y方向上移动。

在本实施例中所述的第一反射体102和第二反射体202为直角棱镜。

所述的激光器501是一台含有调焦透镜的准直激光器。

所有模块之间的连接关系都是方便拆卸的可调的结构。

所述的第一反射体102和第二反射体202都可以用反射镜替换。

所述的激光器501是一个包含由可调焦透镜的激光器，可以直接输出平行光。

本发明针尖扫描的光点跟踪装置的工作过程大致如下：

激光器501发出平行光，该平行光在第一反射体102上反射，从反射体102出来的水平方向的平行光，经第二反射体202上反射，方向转变为垂直向下，最后通过聚焦透镜403汇聚到微悬臂针尖401的顶端。因为第一反射体102在y向扫描器101上跟随y向扫描器101移动，第二反射体202在x向扫描器201上，跟随y向扫描器101和x向扫描器201在xy方向上移动，所以经过第一反射体102和第二反射体202的平行光经聚焦透镜403汇聚后，能完成对微悬臂针尖401的跟踪。从微悬臂针尖401的顶端反射的光的跟踪涉及四象限光电探测器503的摆放位置，它必须满足一定的条件，反射光线的中心才不会相对四象限光电探测器503移动。这个位置我们这样选定：我们把四象限光电探测器503放在成像透镜502的焦平面上，如图四所示。光线A和A’，B和B’，C和C’都是平行光线，对成像透镜502，平行光线都会聚焦在成像透镜502的焦平面上，所以我们放置四象限光电探测器503在此位置，通过四象限光电探测器503的调节装置使四象限光电探测器503的中心对齐光线C和C’(C和C’代表反射光光轴的光线)在成像透镜502焦平面上的交点，就可以保证扫描时，反射光斑中心与四象限光电接收器中心始终保持一致。激光器501的调整架(图中未示)用来调整聚焦的光点到微悬臂针尖401的顶端。

另一具体实施例，激光器501采用包含了可调焦透镜的半导体激光器，波长650nm，反射体102和202用一般反射镜替代，y向扫描器101和x向扫描器201采用市场采购的压电陶瓷扫描器，扫描范围为0.1mm，聚焦透镜403焦距为2cm，微悬臂针尖401保持与水平方向15度的夹角。四象限光电接收器503放在成像透镜502焦平面位置附近，实验时使用调节架把四象限光电接收器503调到成像透镜502焦平面上特定的位置。

Claims (5)

1、一种针尖扫描的光点跟踪装置，其特征是该装置由五个模块构成：

第一模块(1)包括y向扫描器(101)及固定在其上的第一反射体(102)，该y向扫描器(101)是一具有中央长方形孔(103)的长方块结构，第一反射体(102)固定在该y向扫描器(101)的上面，且第一反射体(102)的反射面与入射光线成45°；

第二模块(2)包括x向扫描器(201)及固定在其上的第二反射体(202)，所述的x向扫描器(201)具有长方块的外观，整体地固定在所述的y向扫描器(101)中央的长方形孔(103)中，第二反射体(202)跟第一反射体(102)在同一水平面上，第二反射体(202)的反射面于入射光线成45°；

第三模块(3)即z向扫描器(301)；

第四模块(4)包括聚焦透镜(403)、微悬臂针尖(401)和固定该微悬臂针尖(401)的连接体(402)，该微悬臂针尖(401)固定在z向扫描器(301)的下面的一连接体(402)上，该微悬臂针尖(401)的尖端位于聚焦透镜(403)下方焦点；

第五模块(5)包括激光器(501)、成像透镜(502)和四象限光电探测器(503)，该四象限光电接收器(503)放在成像透镜(502)焦平面，激光器(501)和四象限光电探测器(503)各有一个调节机构；

第五模块(5)固定在所有模块的上方，且所述的激光器(501)、第一反射体(102)和第二反射体(202)在同一平面上；第二模块(2)嵌固在第一模块(1)的长方形孔(103)中，第三模块(3)和第二模块(2)是组合在一起的，第二模块(2)的x向扫描器(201)带动第三模块(3)、第四模块(4)和x向扫描器(201)上的第二反射体(202)在x方向上移动，第一模块(1)的y向扫描器(101)带动第二模块(2)、第三模块(3)、第四模块(4)和第一反射体(102)在y方向上移动。

2、根据权利要求1所述的针尖扫描的光点跟踪装置，其特征是所述的第一反射体(102)和第二反射体(202)为棱镜或反射镜。

3、根据权利要求1所述的针尖扫描的光点跟踪装置，其特征是所述的激光器(501)是一台含有调焦透镜的准直激光器。

4、根据权利要求1所述的针尖扫描的光点跟踪装置，其特征在于所述的调节机构为多维调整架

5、根据权利要求1-4任一项所述的针尖扫描的光点跟踪装置，其特征是所有模块之间的连接关系都是方便拆卸的结构。

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