CN2577274Y - 扫描探针显微镜上的观察装置 - Google Patents

Abstract

一种扫描探针显微镜上的观察装置，包括由套在底座上不动立柱上的可动套筒内的压簧构成的粗调焦机构。置放可动投影物镜的外套与机壳活动连接构成的精调焦机构。在置放在可动套筒顶上且压在压簧上面的机壳内，置有由不动投影物镜和可动投影物镜构成的投影物镜组。光源的发光中心置于不动投影物镜的焦点上。不动投影物镜经半反半透分光板反射光束的焦点在普通显微物镜的物面上。本实用新型的观察装置符合扫描探针显微镜对观察显微镜的要求，具有较长的工作距离，较大的数值孔径，调焦机构简单，操作方便，能够准确方便地观察扫描探针显微镜头部上的探针针尖。

Description

扫描探针显微镜上的观察装置

技术领域：

本实用新型是一种扫描探针显微镜(以下简称为SPM)上的观察装置。主要适用的SPM是指利用光学杠杆原理探测针尖起伏的SPM。

背景技术：

SPM在提供给用户时，一般都配有一个观察装置，它起到了选择样品测量区域，观察探测针尖的逼近，监视SPM运行的作用。在SPM的大多数应用当中这几乎是不可缺少的设备，因为SPM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和SPM运行过程中损坏。用于SPM上的观察装置与一般显微镜比较有许多特殊要求：1、作为与SPM配合的独立仪器，要求物镜工作距离长(一般大于50mm)，以不妨碍SPM头部的运行。2、物镜数值孔径大，以便光线不被SPM头部内的反射镜全部遮住。3、共光路反射式照明，光强可变，主要与SPM头部的结构和工作要求(选择样品测量区域、观察探测针尖的逼近时，可采用较强的光，以便提高图像的质量；监视SPM运行时需要较弱的光，以便不引入噪声)有关。4、采用电荷耦合器件(CCD)作为探测器与监视器，方便观察也便于SPM单独防尘、温湿度控制。5、为调节方便，有粗调焦(以便SPM头部装卸)和精调焦机构(物镜数值孔径大，因而焦深短)。在先技术中没有一种显微装置能满足上述所有要求。在先技术中的普通显微装置没有那么大的工作距离(参见《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《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：

本实用新型扫描探针显微镜上的观察装置，包括：有底座1，置于底座1上有带探针针尖1301的扫描探针显微镜头部13；有机壳7，机壳7内置有光源9，置有普通显微物镜8以及接收面601置放在普通显微物镜8像面o″上的摄像头6；固定在底座1上有不动立柱2，在不动立柱2的顶端套有可动套筒5，在可动套筒5套进不动立柱2的部位上有螺孔501，在不动立柱2套进可动套筒5对着可动套筒5的螺孔501的部位上有凹陷的导向槽201，有锁紧螺钉3从可动套筒5的螺孔501内旋进伸到不动立柱2上的导向槽201内，可动套筒5内置有压簧4；所说的机壳7置于可动套筒5顶上压在压簧4上；在机壳7内有不动投影物镜11，光源9的发光中心o置于不动投影物镜11的焦点上，与不动投影物镜11构成投影物镜组的有可动投影物镜1201，可动投影物镜1201置于与机壳7活动连接的外套12内，可动投影物镜1201的焦点o₁焦在扫描探针显微镜头部13上的探针针尖1301上；在光源9与不动投影物镜11之间，与不动投影物镜11和可动投影物镜1201的中心光轴oo₁成45°角置放的中心点o′在中心光轴oo₁上的半反半透分光板10；所说的普通显微物镜8的中心光轴o′o″穿过半反半透分光板10的中心点o′而垂直于不动投影物镜11和可动投影物镜1201的中心光轴oo₁，不动投影物镜11经半反半透分光板10反射的焦点在普通显微物镜8的物面A上。

如上所述的本实用新型的用于SPM上的观察装置，可以说包括三大部分，底座和扫描探针显微头部部分、粗调焦支架部分和显微放大部分。

底座和扫描探针显微头部部分：包括底座1和置于底座1上的扫描探针显微镜头部13，扫描探针显微镜头部13顶端固定有探针针尖1301。

粗调焦支架部分：包括固定在底座1上的不动立柱2，在不动立柱2的顶端同轴地套有可动套筒5，可动套筒5内有压簧4，可动套筒5套住不动立柱2的壁上有螺孔501，有锁紧螺钉3由可动套筒5壁上的螺孔501内旋进伸到不动立柱2的导向槽201内，锁紧螺钉3在不动立柱2上的导向槽201内可以上下滑动，因此可动套筒5套住不动立柱2上端外部沿不动立柱2轴线的方向伸缩，但不会旋转，当调到需要的高度时通过可动套筒5上螺孔501内锁紧螺钉3进一步旋进，顶在不动立柱2上，则可使可动套筒5与不动立柱2的相对位置固定(即锁紧)。

显微放大部分：包括机壳7，机壳7置在上述的可动套筒5的顶上压在压簧4上，固定在机壳7内的有光源9，在光源9发射的光束G前进的方向上置有的半反半透分光板10，光源9的发射中心o和半反半透分光板10的分光面的中心o′的连线构成中心光轴oo₁，中心光轴oo₁与不动立柱2的轴线平行，半反半透分光板10的分光面与中心光轴oo₁成45°角放置。在透过半反半透分光板10的透射光束前进方向上，对称轴线位于中心光轴oo₁上，依次置有的不动投影物镜11、置于外套12内的可动投影物镜1201，光源9的发光中心o位于不动投影物镜11的焦点上，由光源9发射的光束透过不动投影物镜11后成为平行光，再透过可动投影物镜1201后在可动投影物镜1201的焦点o₁处会聚成一点，此焦点o₁处恰好是扫描探针显微镜头部13内固定的探针针尖1301，由探针针尖1301反射的光束再经过可动投影物镜1201和不动投影物镜11的透射，入射到半反半透分光板10上，由半反半透分光板10的分光面反射光进入通过半反半透分光板10的分光面的中心点o′且与中心光轴oo₁垂直的光轴o′o″上的普通显微镜物镜8，再射入摄像头6内的接收面601上。普通显微镜物镜8的物面A位于不动投影物镜11的焦点上。而接收面601位于普通显微镜物镜8的像面o″上。光束经半反半透分光板10的分光面反射后会聚在普通显微镜物镜8的物面A上，经过普通显微镜物镜8后会聚在接收面601上，也就说，探针针尖1301通过可动投影物镜1201和不动投影物镜11的透射以及半反半透分光板10的分光面反射成像在普通显微镜物镜8的物面A上，经普通显微镜物镜8成像在摄像头6的接收面601上，以便观察。半反半透分光板10、不动投影物镜11、普通显微镜物镜8和摄像头6均固定在机壳7内；置放可动投影物镜1201的外套12与机壳7外壳的连接是螺纹连接或卡口连接。可动投影物镜1201同轴地装在外套12内，如果外套12与机壳7是螺纹连接，则外套12外有细牙螺纹，与机壳7外壳的相应螺孔配合，也就是说，随着外套12的旋进旋出，可动投影物镜1201可边旋转边沿着中心光轴oo₁移动，实现精调焦，则在外套12可移动的范围内，也就是在可动投影物镜1201可移动的范围内，通过移动可动投影物镜1201，保证探针针尖1301位于可动投影物镜1201的焦点o₁上。如图1所示。

所说的半反半透分光板10是一个表面上镀有对光源9发射的光束反射率为50％，透射率为50％的半反半透膜层的玻璃平行平板。所说的半反半透分光板10的分光面就是镀有半反半透膜层的表面。

本实用新型的显微装置如上所述的结构。观察探针针尖1301时，首先松开锁紧螺钉3，使机壳7和可动套筒5依靠压簧4的弹性自然远离底座1，由于凹陷的两端是封闭的导向槽201的作用，可动套筒5不会完全离开不动立柱2，可动套筒5始终有一部分套在不动立柱2外。光源9发射的光束G透过半反半透分光板10后，依次经不动投影物镜11以及可动投影物镜1201的透射后会聚于可动投影物镜1201的焦点o₁上。在底座1上移动扫描探针显微镜头部13，使扫描探针显微镜头部13内的探针针尖1301位于中心光轴oo₁的附近，也就是说位于经可动投影物镜1201会聚后的光斑中心附近。给机壳7施以向下(和重力方向一致)的外力，使机壳7向底座1方向逐渐移动，当探针针尖1301处的光斑最小时停止移动，并锁紧锁紧螺钉3。此时机壳7和可动套筒5与不动立柱2和底座1的相对位置就完全固定了，保证了探针针尖1301位于可动投影物镜1201的焦点o₁附近，实现了粗调焦。由探针针尖1301反射的光线，依次经可动投影物镜1201和不动投影物镜11后，在半反半透分光板10反射的光束经过普通显微镜物镜8后在摄像头6的接收面601附近呈现探针针尖1301放大的像。旋转投影物镜可动组1201的外套12，使可动投影物镜1201边旋转边沿着中心光轴oo₁移动，直到探针针尖1301放大的像位于摄像头6的接收面601上，这时可看到清晰的探针针尖1301的像，也就是实现了精调焦。若探针针尖1301的像不在图像的中央即光轴o′o″上，可在底座1上继续移动扫描探针显微镜头部13，使扫描探针显微镜头部13内的探针针尖1301位于中心光轴oo₁上，此时探针针尖1301的像将位于图像的中央。

本实用新型的优点：与在先技术相比，首先本实用新型的粗调焦和精调焦机构非常简单，采用上述的粗调焦机构，当更换样品或探针针尖1301需将SPM头部移开时，只需松开锁紧螺钉3，依据弹性，机壳7被弹起带动可动投影物镜1201远离SPM头部，这个动作迅速而安全。机壳7由于压簧4有足够的弹力不会反方向压向SPM头部，而且由于凹陷的封闭导向槽201，机壳7又不会弹出。因SPM要求本显微装置有较大的数值孔径，以便光线不被SPM头部内的反射镜完全遮住，因此本显微装置的焦深就不会很长，精调焦机构是需要的，本显微装置的外套12可以旋进旋出的机构完全可以满足要求。其次光学系统非常简单，投影物镜组(包括不动投影物镜11和可动投影物镜1201)可以是放大倍率为-1的投影物镜，这样的话，不动投影物镜11和可动投影物镜1201可以采用完全相同的透镜组，加工成本降下来了；本实用新型的图像放大功能由普通显微镜物镜8承担，更换普通显微镜物镜8，可以得到不同的放大倍数，这样保证了系统灵活而且价格便宜，因为普通显微镜物镜8的价格已经非常便宜了。总的说来，投影物镜组的加入是本显微装置的关键，它达到了普通显微镜物镜所不能达到的长工作距离和大数值孔径的结合，实现了精调焦的功能(可动投影物镜1201和不动投影物镜11之间是平行光路)，同时照明光束也较容易地从投影物镜组加入(不需要任何专门的照明用透镜组或透镜，是临界照明方式，且便于判断粗调焦的位置，也就是说，当探针针尖1301处的光斑最小时粗调焦过程就可以结束了)。由于没有一般显微镜的任何多余功能，容易做到极其简单地实现它，并可使它具有与SPM一同工作时和谐的外观。在纯成像光路(从半反半透分光板10起，透过普通显微镜物镜8直到摄像头6的接收面601)的任何空气间隔中或任何表面上都可以加一个或几个滤光片或滤光膜，以减弱进入摄像头6的来自SPM头部的激光束，避免为同时看到探针针尖1301上的激光斑和探针针尖1301本身而使照明光强增强(较强的照明光束会对SPM工作产生影响)。

附图说明：

图1是本实用新型的扫描探针显微镜上的观察装置的结构示意图。

具体实施方式：

如图1所示。光源9采用15W的硵素灯。投影物镜组(包括可动投影物镜1201以及不动投影物镜11)的放大倍率为-1，工作距离50mm，数值孔径0.25，可动投影物镜1201以及不动投影物镜11均采用相同的双胶合镜片，焦距f＝56mm，对称放置。普通显微镜物镜8采用普通10倍金相显微镜物镜。摄像头6为1/4″彩色电荷耦合器(CCD)摄像头。按上述的调整过程观察探针针尖1301可以看到清晰的影像为止，分辨率优于2μm。具体实施本实用新型时，所用的生产成本很低，与扫描探针显微镜配套时，有和谐的外观，完全达到上述的几点要求。

Claims (1)

1.一种扫描探针显微镜上的观察装置，包括：

<1>底座(1)，置于底座(1)上有带探针针尖(1301)的扫描探针显微镜头部(13)；

<2>有机壳(7)，机壳(7)内置有光源(9)，置有普通显微物镜(8)以及接收面(601)置放在普通显微物镜(8)像面(o″)上的摄像头(6)；

其特征在于：

<3>固定在底座(1)上有不动立柱(2)，在不动立柱(2)的顶端套有可动套筒(5)，在可动套筒(5)套进不动立柱(2)的部位上有螺孔(501)，在不动立柱(2)套进可动套筒(5)对着可动套筒(5)的螺孔(501)的部位上有凹陷的导向槽(201)，有缩紧螺钉(3)从可动套筒(5)的螺孔(501)内旋进伸到不动立柱(2)上的导向槽(201)内，可动套筒(5)内置有压簧(4)；

<4>所说的机壳(7)置于可动套筒(5)顶上压在压簧(4)上；

<5>在机壳(7)内有不动投影物镜(11)，光源(9)的发光中心(o)置于不动投影物镜(11)的焦点上，与不动投影物镜(11)构成投影物镜组的有可动投影物镜(1201)，可动投影物镜(1201)置于与机壳(7)活动连接的外套(12)内，可动投影物镜(1201)的焦点(o₁)焦在扫描探针显微装置头部(13)上的探针针尖(1301)上；

<6>在光源(9)与不动投影物镜(11)之间，与不动投影物镜(11)和可动投影物镜(1201)的中心光轴(oo₁)成45°角置放的中心点(o′)在中心光轴(oo₁)上的半反半透分光板(10)；

<7>所说的普通显微物镜(8)的中心光轴(o′o″)穿过半反半透分光板(10)的中心点(o′)而垂直于不动投影物镜(11)和可动投影物镜(1201)的中心光轴(oo₁)，不动投影物镜(11)经半反半透分光板(10)反射的焦点在普通显微物镜(8)的物面(A)上。

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