CN1779436A - 用于原子力显微镜的同轴照明显微镜光学系统 - Google Patents

Abstract

一种用于原子力显微镜的同轴照明显微镜光学系统，包括同光轴置放的八个成像透镜，以两直角棱镜的两斜平面胶合而成的立方胶合棱镜以及采用科勒照明结构的均匀照明光源。光源聚焦在视场光阑上，视场光阑成像在被探测物上，构成均匀照明。两两透镜胶合成三组双胶合透镜，立方胶合棱镜置放在成像透镜中间，同时又与前后成像透镜以及照明透镜胶合在一起，减少了空气间隙。不仅有利于像差矫正，使像差变小。同时有利于装调，结构紧凑，系统体积小。靠近原子力显微镜探测针尖的第一双胶合透镜可以沿着光轴前后移动，使系统在精调焦时，不影响成像质量。本发明光学系统具有长(大于50mm)工作距离，大(大于0.25)数值孔径，放大倍率5倍以上，成像质量接近衍射极限，畸变小于0.2％的特点。

Description

用于原子力显微镜的同轴照明显微镜光学系统

技术领域

本发明涉及一种同轴照明显微镜光学系统，特别涉及一种用于原子力显微镜的同轴照明显微镜光学系统。

背景技术

原子力显微镜特别是利用光学杠杆原理探测针尖起伏的原子力显微镜，在使用时，需要配有一个观察装置。观察装置起到协助将原子力显微镜所使用的激光光斑调整到探测针尖上、选择样品测量区域、观察针尖的逼近、监视原子力显微镜运行的作用。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。1，有了观察装置，即使是初学者，也可以迅速将激光光斑调整到探测针尖上；2，因为原子力显微镜的扫描范围很小，一般为10μm左右，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，这在光存储基础研究阶段尤其明显，要找到记录点，非要光学显微镜辅助不可；3，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)。其次，要求其中物镜数值孔径大(大于0.25)。这两项要求都与原子力显微镜头部的结构有关，物镜不应碰到原子力显微镜头部内的反射镜，光线也不应被反射镜全部遮住。第三点，要求照明光路是共光路反射照明结构、光强可变，这样将使原子力显微镜与观察装置相互独立，方便原子力显微镜头部的移动和工作(调整光斑、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，以便不引入光噪声)。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

本发明的目的是提供一种用于原子力显微镜的同轴照明显微镜光学系统，它将能够弥补在先技术设备中光学系统所存在的缺陷，能够低成本地满足与原子力显微镜配套的观察装置的各项要求，长(大于50mm)工作距离和大(大于0.25)数值孔径。

本发明的同轴照明显微镜光学系统包括：自对着原子力显微镜探测针尖的第一透镜开始，与第一透镜同光轴依次置放的第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和观测面；置放在第七透镜与第八透镜之间，中心位于第七透镜和第八透镜光轴上，以第一直角棱镜和第二直角棱镜两斜平面胶合在一起的立方胶合棱镜，立方胶合棱镜的胶合面与第七透镜和第八透镜的光轴成45°角；置于从立方胶合棱镜位于第七透镜和第八透镜光轴上的中心与其光轴垂直的方向上的光源；置于在光源与立方胶合棱镜之间的聚光透镜；置放在聚光透镜与立方胶合棱镜之间的聚光透镜的焦点上的视场光阑；置放在视场光阑与立方胶合棱镜之间的第九透镜，第九透镜的焦点在视场光阑上。

所说的第一透镜与第二透镜胶合在一起构成第一双胶合透镜，第四透镜与第五透镜胶合在一起构成第二双胶合透镜，第六透镜与第七透镜胶合在一起构成第三双胶合透镜，第七透镜、第八透镜和第九透镜与立方胶合棱镜胶合在一起。置于隔着立方胶合棱镜与第九透镜相反的一面上的光陷阱。

所说的原子力显微镜上的探测针尖，它是光学系统观察的对象，也可以是其他样品。

所说的第一直角棱镜或第二直角棱镜的斜面上镀有半反射半透过薄膜，即对光束一半(50％)反射一半(50％)透过的薄膜。

上述结构的光学系统工作时，探测针尖上某一点反射的光线，依次经过第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜，第六透镜、第七透镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜和第八透镜，会聚在观测面上。这样，探测针尖就成像在观测面上。光源发出的光经聚光透镜、视场光阑、第九透镜、第一直角棱镜和第二直角棱镜斜面的反射、透过第七透镜、第六透镜、第五透镜、第四透镜、第三透镜，第二透镜和第一透镜后，会聚在探测针尖上，提供探测针尖成像所需要的入射光线。而透过第一直角棱镜斜面，并通过第二直角棱镜的光，被光陷阱所吸收。

本发明光学系统开始工作时，如果探测针尖与第一透镜的轴上距离不是所要求的距离，如果相差较大，例如当移进移出原子力显微镜头部时，此时，通过一起移动除探测针尖外的所有器件，来使探测针尖与第一透镜的轴上距离达到设计时的距离，即所谓粗调焦；如果此时还有一定的误差，以至图像还不清楚，可以单独沿轴向移动第一透镜和第二透镜胶合成的第一双胶合透镜，来使探测针尖与第一透镜的轴上距离达到设计时的距离，使图像清楚，即所谓精调焦。

本发明光学系统工作时，光源上所有点发出的光经过聚光透镜聚焦在视场光阑上，成为亮度均匀的光斑。视场光阑所在的位置与探测针尖的位置呈成像关系。即视场光阑成像在探测针尖上。这样就达到了均匀照明的目的。如果光源本身发光很均匀，那么它也可直接放置在视场光阑后，不需要聚光透镜，紧靠视场光阑即可。

本发明光学系统工作时，由于视场光阑位置与探测针尖位置呈成像关系，这样在探测针尖位置上有一个清晰的照射边界，改变视场光阑的大小、形状和方位，可以使照射的区域正好等于作为观测面的摄像机成像的区域。方便了将探测针尖定位在显微镜观察区域。

本发明光学系统工作时，由于视场光阑位置与探测针尖位置呈成像关系，相比其他物方轴上距离，在成像位置上的照射光斑是最小的，可辅助粗调焦，加速粗调焦过程。

本发明的优点显著：

1、本发明光学系统将第七透镜、第八透镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜、第八透镜和第九透镜胶合在一起，在这些镜子之间没有了空气间隙，像差也就变小了。并且作为整体装配容易(没有空气隙调整的问题)，结构紧凑，机械支撑简单。而且光学胶合时由于有通用辅助设备的监测，同心度容易做到很高，有利于提高装配精度，改善像质。

2、因为本发明光学系统将分光棱镜(由第一直角棱镜和第二直角棱镜两个斜面胶合而成的立方胶合棱镜)胶合在成像透镜中间，它们之间没有空气间隙，不仅有利于改善像质，像差变小，而且可以减少矫正像差的透镜数量，包括起成像作用的透镜和起照明作用的透镜，并使结构简单而紧凑。

3、本发明上述结构中，所说的第八透镜和第九透镜均是平凹透镜，即为负透镜。它的好处是：在较大工作距离和较大放大倍率下，成像的共轭距离(物象距离)却可以不显著增加，这有利于减少仪器体积和重量。

4、本发明的上述结构中，第一透镜和第二透镜胶合成的第一双胶合透镜可以沿着光轴整体移动，实现精调焦。也就是说，对于某物点，它发出的光线在第二透镜和第三透镜之间的空气中行进时，几乎是相互平行的。

5、本发明在上述结构中，采用科勒照明结构。即在光源之前加入了一个聚光透镜和一个视场光阑。视场光阑的中心位于聚光透镜的焦点上。这样光源上任一点发出的光都在视场光阑上混合均匀，视场光阑成了一个均匀发光面，相当于一个发光均匀的新光源。同时，视场光阑又成像在探测针尖上。因此，就可以实现均匀照明被观测物体。

本发明的光学系统在50mm以上的长工作距离、0.25以上的大数值孔径和5倍以上放大倍率下，成像质量接近衍射极限，而畸变小于0.2％。

附图说明

图1是本发明的同轴照明显微镜光学系统的结构示意图。

图2是本发明光学系统的光线追迹示意图。

图3-1-a，图3-2-a，图3-3-a分别是第二透镜3和第三透镜4在光轴上空气隙距离为3mm、4mm、5mm时的场曲曲线图。图3-1-b，图3-2-b，图3-3-b分别是第二透镜3和第三透镜4之间在光轴上空气隙距离为3mm，4mm，5mm时的畸变曲线图。

图4-1-a，图4-2-a，图4-3-a分别是第二透镜3和第三透镜4在光轴上空气隙距离为3mm、4mm、5mm时；X面上的垂轴像差曲线图(全视场)。图4-1-b，图4-2-b，图4-3-b分别是第二透镜3和第三透镜4之间在光轴上空气隙距离为3mm、4mm、5mm时；Y面上的垂轴像差曲线。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明光学系统的结构。

如图1所示的本发明光学系统的结构。包括：自对着原子力显微镜探测针尖1的第一透镜2开始，与第一透镜2同光轴依次置放的第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6、第六透镜7、第七透镜8、第八透镜12和观测面14；置放在第七透镜8与第八透镜12之间，中心位于第七透镜8和第八透镜12光轴上的，以第一直角棱镜9和第二直角棱镜11两斜平面胶合在一起的立方胶合棱镜。立方胶合棱镜的胶合面与第七透镜8和第八透镜12的光轴成45°角。置于相对于立方胶合棱镜中第一直角棱镜9的一直角平面与第一透镜2光轴垂直方向上的光源17，置放在光源17与立方胶合棱镜之间的聚光透镜16；置放在聚光透镜16与立方胶合棱镜之间的聚光透镜16焦点上的视场光阑15，置放在视场光阑15立方胶合棱镜之间的第九透镜10，第九透镜10的焦点在视场光阑15上；置放在隔着立方胶合棱镜与第九透镜10相对一面的光陷阱13。

所说的第一透镜2与第二透镜3胶合在一起构成第一双胶合透镜，第一双胶合透镜可以沿着光轴前后移动。第四透镜5与第五透镜6胶合在一起构成第二双胶合透镜，第六透镜7与第七透镜8胶合在一起构成第三双胶合透镜。第七透镜8、第八透镜12和第九透镜10与立方胶合棱镜胶合在一起。

所说的第一双胶合透镜中的第一透镜2是平凸透镜，第二透镜3是凹凸透镜。第二双胶合透镜中的第四透镜5是凸凹透镜，第五透镜6是凸凹透镜。第三双胶合透镜中的第六透镜7是双凹透镜，第七透镜8是凸平透镜。第三透镜4是双凸透镜。第八透镜12和第九透镜均是平凹透镜。

所说的第一直角棱镜9或者第二直角棱镜11的斜平面上镀有对光束的一半(50％)反射一半(50％)透过的薄膜。本实施例中，在第一直角棱镜9(或第二直角棱镜11)的斜平面上镀有对白光的一半反射一半透过的薄膜(平时简称为半反半透膜)。本实施例中，光源17采用白光光源。观测面14为摄像机接收面。

在本实施例中，上述各透镜表面的曲率半径，透镜的厚度，所采用透镜材料的折射率以及有效口径均列在表1中。表1中的具体数据是按照一个工作距离为50mm，数值孔径为0.25和放大倍率为5倍的设计结果。全视场像高为4mm。表1中的前表面：对于第九透镜10和聚光透镜16是向着立方胶合棱镜的一面为前表面，凹面朝向立方胶合棱镜的一面为负；在第一透镜2的光轴上，朝向探测针尖的表面为前表面，凹面朝向探测针尖方向为负。胶合面算一个面，只标识在前面透镜的那个表面，平面不标示。

表1：

表面	半径(mm)	厚度(mm)	折射率(波长)	有效口径(mm)
					探测针尖1第一透镜2前表面第一透镜2后表面第二透镜3后表面第三透镜4前表面第三透镜4后表面第四透镜5前表面第四透镜5后表面第五透镜6后表面第六透镜7前表面第六透镜7后表面第七透镜8后表面第八透镜12前表面第八透镜12后表面观测面14(摄像机接收面)第九透镜10前表面第九透镜10后表面光源17(白光光源)	-19.724-34.0434.67-107.1529.7916.5258.88-45.2915.13612.73512.735	508360.199954264.98462945.521481.94993481.94993	11.6646031.80627611.51112511.7847191.55963011.6778991.7536441.5163741.60729011.6072901	1.626.1787026.9560329.0224328.8837628.3373425.9154623.1138521.7339419.6071117.8637717.1668910.591749.1638708.01449310.591749.1638708.014493

图2所示的是图1结构的光学系统的光线追迹。从图2的光线追迹中看出，本发明光学系统中，第三透镜4是双凸透镜，对光束起强烈会聚作用。而在后面的第六透镜7是双凹透镜，第八透镜12是平凹透镜，对光束起着轻微的发散作用。因为通常的成像系统，光束逐渐会聚后成像，物像间的距离较长。上述本发明的光学系统中，采用一个透镜强烈会聚后，再加两个(或一个)轻微发散透镜来实现成像系统的会聚效果，有效地缩短了物像间的距离，而延长了光学系统的工作距离。

图3-1-a，图3-2-a，图3-3-a分别是第二透镜3与第三透镜4在光轴上空气间隙的距离为3mm、4mm、5mm时的场曲曲线。

横座标为场曲，纵座标为归一化视场。其中：曲线01的波长为0.486nm，曲线02的波长为0.588nm，曲线03的波长为0.656nm。每条曲线01、02、03中均包含T线和S线，T线-为子午线，S线-为弧矢线。从三幅场曲曲线图中看出，两透镜3、4之间的距离变化对光学系统的场曲无影响。

图3-1-b，图3-2-b，图3-3-b分别是第二透镜3与第三透镜4在光轴上空气间隙的距离为3mm、4mm、5mm时的畸变曲线。横坐标为畸变比例，纵坐标为归一化视场，曲线01、02、03的波长同上。从三幅畸变曲线图中看出，三条不同波长的曲线01、02、03的畸变曲线重合，畸变都小于0.2％。从上述场曲和畸变曲线图上说明调节第二透镜3与第三透镜4之间的距离不影响光学系统的成像质量。也就是说，精调焦时不会影响光学系统的像质。

图4-1-a，图4-2-a，图4-3-a分别是第二透镜3与第三透镜4在光轴上空气间隙的距离为3mm、4mm、5mm时，X面上的垂轴像差曲线(全视场)。横坐标为归一化光束口径，纵坐标为垂轴像差的大小。曲线01、02、03的波长同上。

从三幅X面上的垂轴像差曲线上看，两透镜3、4在3mm～5mm之间的距离变化时，垂轴像差几乎不变，不影响成像质量。

图4-1-b，图4-2-b，图4-3-b分别是第二透镜3与第三透镜4在光轴上空气间隙的距离为3mm、4mm、5mm时，Y面上的垂轴像差曲线(全视场)。横坐标为归一化光束口径，纵坐标为垂轴像差的大小。曲线01、02、03的波长同上。

从此三幅Y面上的垂轴像差曲线上看，同样在两透镜3、4于3mm～5mm之间的距离变化时，垂轴像差几乎不变。

从上述图4中X、Y面上垂轴像差曲线上看，本发明光学系统成像质量好，接近衍射极限，分辩率达到3μm以下。同时，也进一步说明本发明光学系统的精调焦(即调节第二透镜3与第三透镜4之间的距离)不影响光学系统的成像质量。

Claims (8)

1、一种用于原子力显微镜的同轴照明显微镜光学系统，包括：自对着原子力显微镜探测针尖的第一透镜开始，与第一透镜同光轴依次置放的第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和观测面；光源，视场光阑和光陷阱，其特征在于包括：置放在第七透镜与第八透镜之间，中心位于第七透镜和第八透镜光轴上，以第一直角棱镜和第二直角棱镜两斜平面胶合在一起的立方胶合棱镜，立方胶合棱镜的胶合面与第七透镜和第八透镜的光轴成45°角；所说的光源置于从立方胶合棱镜位于第七透镜和第八透镜光轴上的中心与其光轴垂直的方向上，在光源与立方胶合棱镜之间置有聚光透镜；所说的视场光阑置放在聚光透镜与立方胶合棱镜之间的聚光透镜的焦点上；置放在视场光阑与立方胶合棱镜之间的第九透镜，第九透镜的焦点在视场光阑上；所说的第一透镜与第二透镜胶合在一起构成第一双胶合透镜，第四透镜与第五透镜胶合在一起构成第二双胶合透镜，第六透镜与第七透镜胶合在一起构成第三双胶合透镜，第七透镜、第八透镜和第九透镜与立方胶合棱镜胶合在一起；所说的光陷阱置于隔着立方胶合棱镜与第九透镜相反的一面上。

2、根据权利要求1所述的一种用于原子力显微镜的同轴照明显微镜光学系统，其特征在于所说的第一双胶合透镜可以沿着光轴前后移动。

3、根据权利要求1所述的一种用于原子力显微镜的同轴照明显微镜光学系统，其特征在于所说的第一双胶合透镜中的第一透镜是平凸透镜，第二透镜是凹凸透镜。

4、根据权利要求1所述的一种用于原子力显微镜的同轴照明显微镜光学系统，其特征在于所说的第二双胶合透镜中的第四透镜是凸凹透镜，第五透镜是凸凹透镜。

5、根据权利要求1所述的一种用于原子力显微镜的同轴照明显微镜光学系统，其特征在于所说的第三双胶合透镜中的第六透镜是双凹透镜，第七透镜是凸平透镜。

6、根据权利要求1所述的一种用于原子力显微镜的同轴照明显微镜光学系统，其特征在于所说的第三透镜是双凸透镜。

7、根据权利要求1所述的一种用于原子力显微镜的同轴照明显微镜光学系统，其特征在于所说的第八透镜和第九透镜均是平凹透镜。

8、根据权利要求1所述的一种用于原子力显微镜的同轴照明显微镜光学系统，其特征在于所说的立方胶合棱镜中的第一直角棱镜或第二直角棱镜的斜面上镀有对光束一半(50％)反射一半(50％)透过的薄膜。

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