RU2279151C1 - Method for recording deviation of probe bracket in lens-incorporating scanning microscope - Google Patents
Method for recording deviation of probe bracket in lens-incorporating scanning microscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2279151C1 RU2279151C1 RU2004132928/28A RU2004132928A RU2279151C1 RU 2279151 C1 RU2279151 C1 RU 2279151C1 RU 2004132928/28 A RU2004132928/28 A RU 2004132928/28A RU 2004132928 A RU2004132928 A RU 2004132928A RU 2279151 C1 RU2279151 C1 RU 2279151C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lens
- probe
- console
- caustic
- photodetector
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Microscoopes, Condenser (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к сканирующей зондовой микроскопии, а более конкретно к способам измерения отклонения консоли зонда сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), оснащенного оптическим объективом для наблюдения исследуемой области образца.The invention relates to scanning probe microscopy, and more particularly to methods for measuring the deflection of the console of a probe of a scanning probe microscope (SPM) equipped with an optical lens for observing the studied region of the sample.
Известен способ регистрации отклонения консоли зонда, осуществляемый с помощью источника луча света, объектива для фокусировки света на отражающий объект - консоль зонда СЗМ и фотоприемника, вырабатывающего сигнал при отклонении консоли зонда и состоящего из нескольких (не менее трех) фоточувствительных сегментов, сигнал которых обрабатывается электронными устройствами [1]. Способ основан на помещении нескольких перемещаемых, удаляемых или сменяемых линз на пути падающего луча, предназначенных для изменения размера пятна падающего луча для того, чтобы изменять размер пятна сфокусированного света на упомянутом отражающем объекте и помещении нескольких перемещаемых, удаляемых или сменяемых специальных средств (специальные маски) для регулировки мощности, размера и формы падающего луча.A known method of recording the deviation of the probe console, carried out using a light beam source, a lens for focusing light on a reflecting object — the SPM probe console and a photodetector that generates a signal when the probe console is deflected and consisting of several (at least three) photosensitive segments whose signal is processed by electronic devices [1]. The method is based on the placement of several movable, removable or removable lenses in the path of the incident beam, intended to change the size of the spot of the incident beam in order to change the size of the spot of focused light on said reflective object and the placement of several movable, removable or replaceable special tools (special masks) to adjust the power, size and shape of the incident beam.
Указанный способ выбран в качестве прототипа предложенного решения.The specified method is selected as a prototype of the proposed solution.
Основной недостаток прототипа заключается в том, что при использовании объективов с малым фокусным расстоянием труднореализуемо создание пучка от источника света с апертурой столь малой, чтобы обеспечить теоретически достижимой чувствительность при использовании зондов с типичной длиной консоли (50-300 мкм). Таким образом реализуемая на практике чувствительность далека от теоретически возможной.The main disadvantage of the prototype is that when using lenses with a small focal length, it is difficult to create a beam from a light source with an aperture so small as to provide theoretically achievable sensitivity when using probes with a typical console length (50-300 μm). Thus, the practical sensitivity is far from theoretically possible.
Второй недостаток этого способа заключается в том, что без создания специальной расходимости лазерного луча фокусировка на отражающей поверхности консоли зонда затрудняет наблюдение исследуемого объекта с помощью того же объектива. Настройка объектива на исследуемый объект приводит к расфокусировке системы регистрации, организованной согласно прототипу, и увеличению размера пятна света на чувствительной поверхности фотоприемника, что приводит к снижению чувствительности системы. Этот эффект сказывается особенно сильно при использовании объективов с большой числовой апертурой, обладающих малой глубиной резкости.The second disadvantage of this method is that without creating a special divergence of the laser beam, focusing on the reflective surface of the probe console makes it difficult to observe the object under study using the same lens. Adjusting the lens to the object under study leads to a defocusing of the registration system organized according to the prototype and an increase in the size of the light spot on the sensitive surface of the photodetector, which leads to a decrease in the sensitivity of the system. This effect is especially pronounced when using lenses with a large numerical aperture and a shallow depth of field.
Технический результат изобретения заключается в повышении чувствительности системы регистрации отклонения зонда СЗМ.The technical result of the invention is to increase the sensitivity of the registration system deviations of the probe SPM.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе регистрации отклонения консоли зонда сканирующего микроскопа с оптическим объективом, включающим формирование луча от источника света, направление его через оптический объектив на отражающую поверхность консоли зонда, получение с использованием оптического объектива светового пятна на чувствительной поверхности многосегментного фотоприемника и регистрацию изменения положения светового пятна по чувствительной поверхности для определения отклонения консоли зонда по этому изменению, оптический объектив настраивают на образец, а расходимость лазерного луча формируют таким образом, чтобы этот луч, проходя через объектив, фокусировался (образовывал каустику) над отражающей поверхностью зонда.The specified technical result is achieved due to the fact that in the method of recording the deviation of the console of the probe of a scanning microscope with an optical lens, including the formation of a beam from a light source, directing it through an optical lens to the reflective surface of the console of the probe, obtaining a light spot on the sensitive surface of a multi-segment using an optical lens photodetector and registration of a change in the position of the light spot on a sensitive surface to determine the deviation of the console on this change, the optical lens is tuned to the sample, and the divergence of the laser beam is formed so that this beam, passing through the lens, focuses (forms a caustic) over the reflective surface of the probe.
Максимальная чувствительность достигается тем, что при фокусировке света от источника по предлагаемому способу можно использовать для регистрации отклонения консоли необходимую длину отражающей поверхности независимо от размера каустики луча.The maximum sensitivity is achieved by the fact that when focusing the light from the source according to the proposed method, the necessary length of the reflecting surface can be used to register the console deviation, regardless of the size of the beam caustic.
Один из вариантов способа регистрации отклонения консоли зонда заключается в том, что каустика луча расположена над отражающей поверхностью консоли зонда на расстоянии, равном расстоянию от этой поверхности до плоскости предмета объектива.One of the options for recording the deviation of the probe console is that the beam caustic is located above the reflective surface of the probe console at a distance equal to the distance from this surface to the plane of the lens object.
Существует также вариант способа регистрации отклонения консоли зонда, заключающийся в том, что каустика луча расположена над отражающей поверхностью консоли зонда на расстоянии, большем расстояния от этой поверхности до плоскости предмета объектива, при этом оно выбирается таким образом, чтобы действительное изображение каустики строилось на чувствительной поверхности фотоприемника.There is also a variant of the method for detecting deviations of the probe cantilever, in which the beam caustic is located above the reflecting surface of the probe cantilever at a distance greater than the distance from this surface to the plane of the objective of the lens, and it is selected so that the actual image of the caustic is built on a sensitive surface photodetector.
Третий вариант способа регистрации отклонения консоли зонда заключается в том, что луч входит во входной зрачок объектива параллельно оси объектива, но со смещением, таким, что луч, выходящий из объектива падает на отражающую поверхность консоли зонда под прямым углом к этой поверхности.The third variant of the method for recording the deviation of the probe console is that the beam enters the entrance pupil of the lens parallel to the axis of the lens, but with an offset such that the beam exiting the lens falls on the reflective surface of the probe console at right angles to this surface.
Четвертый вариант способа регистрации отклонения консоли зонда заключается в том, что разделение лучей, падающего и отраженного, производится за счет вращения их поляризации, приводящей к повороту поляризации луча на 90° после двух проходов.A fourth variant of the method for detecting deviations of the probe console is that the rays incident and reflected are separated by rotating their polarization, resulting in a 90 ° rotation of the beam polarization after two passes.
Пятый вариант способа регистрации отклонения консоли зонда заключается в том, что при использовании лазеров с различной расходимостью лазерного луча в двух направлениях, лазер ориентируется таким образом, чтобы лазерное пятно, падающего на отражающую поверхность консоли зонда было вытянуто вдоль консоли.The fifth variant of the method for detecting deviations of the probe console is that when using lasers with different divergence of the laser beam in two directions, the laser is oriented so that the laser spot incident on the reflective surface of the probe console is elongated along the console.
На фиг.1. изображена оптическая схема реализации способа регистрации отклонения зонда, где разделение луча падающего и отраженного осуществляется специальным светоделителем.In figure 1. The optical diagram of the implementation of the method for detecting the deviation of the probe is shown, where the separation of the incident and reflected beams is carried out by a special beam splitter.
На фиг.2. изображена оптическая схема реализации способа регистрации отклонения зонда, где светоделетель представляет собой поляризационную призму.In figure 2. An optical diagram of the implementation of a method for detecting probe deviations is shown, where the beam splitter is a polarizing prism.
На фиг.3 и 4 представлены возможные положения каустики.Figures 3 and 4 show the possible positions of the caustic.
Оптическая схема реализации способа регистрации отклонения консоли зонда содержит оптически сопряженные и последовательно расположенные источник света 1, длиннофокусную линзу 2 с изменяемым фокусным расстоянием, светоделитель 3, оптический объектив 4, а также отражающую поверхность 5 консоли 6. Консоль 6 закреплена на плате 7 и содержит острие 8, расположенное с возможностью взаимодействия с образцом 10. Элементы 6, 7 и 8 представляют собой зонд СЗМ 9. По оси объектива 4 установлен также многосегментный фотоприемник 11 с чувствительной поверхностью. Элементы 1, 2, 3, 4 и 11 представляют собой систему регистрации. Каустика 12 (точка фокусировки луча света) 4 расположена над отражающей поверхностью 5 консоли зонда 6. Объектив 4 и фотоприемник 11 снабжены котировочными механизмами (не показаны).The optical scheme for implementing the method for detecting deviations of the probe console includes optically conjugated and sequentially located light source 1, a
Источником света 1 может служить лазер, сверхизлучательный диод или иное оптическое устройство. Линза 2 может состоять из одного или нескольких оптических элементов, может быть снабжена механическими устройствами для регулировки ее положения и фокусного расстояния (не показаны). В качестве светоделителя 3 можно использовать полупрозрачное зеркало 13. Более подробно элементы СЗМ см. в [2, 3].The light source 1 can be a laser, a superradiative diode or other optical device.
Во втором варианте, фиг.2, в качестве светоделителя 3 может использоваться поляризационная призма 14 с четверть волновой пластинкой 15.In the second embodiment, FIG. 2, a polarizing prism 14 with a
Способ регистрации отклонения консоли зонда производят следующим образом. Оптический объектив 4 настраивают на отражающую поверхность 5 консоли 6 зонда 9, формируя ее резкое изображение. После этого объектив 4 смещают в направлении образца 10 на расстояние, равное расстоянию между отражающей поверхностью 5 и острием 8. Далее луч от источника света 1 направляют на отражающую поверхность 5 консоли 6. Луч, отраженный от консоли 6, коллимируется, вторично проходя через объектив 4. Положение фотоприемника 11 подстраивают для регистрации луча, отраженного от консоли 6 зонда 9. Электрический сигнал с фотоприемника 11 обрабатывается специальной электронной схемой для получения сигнала смещения пятна света по поверхности фотоприемника 11. Подробнее работу сканирующего зондового микроскопа см. [2, 3]. Настройкой линзы 2 добиваются того, чтобы луч от источника 1 фокусировался в каустику 12 над отражающей поверхностью 5 консоли 6. Такая настройка может контролироваться с помощью внешнего оптического микроскопа либо по размеру пятна на фотоприемнике 11. Зонд 9 подводят к поверхности образца 10 методом, стандартным для избранного режима работы СЗМ. Это может осуществляться как перемещением образца 10, так и совместным перемещением зонда и всей системы регистрации, включая объектив 4. При этом поверхность образца 10 и острие 8 оказываются в плоскости предметов объектива 4, что контролируется по резкости изображения поверхности образца 10. При необходимости окончательная фокусировка объектива 4 на поверхность образца 10 осуществляется для достижения резкого изображения образца при подведенном зонде 9.The method of recording deviations of the console of the probe is as follows. The
Существует вариант реализации способа, при котором фокусировка луча осуществляется так, что мнимое изображение каустики 16 (фиг.3) располагается в плоскости предмета 17 объектива 4. При зеркальном отражении от поверхности 5 консоли 6 расстояние А от каустики 12 до поверхности 5 равно расстоянию Б от этой поверхности до мнимого изображения каустики 16. Расстояние А между отражающей поверхностью 5 и каустикой 12 должно быть в этом случае равно расстоянию между поверхностью 5 и кончиком острия 8. Линза 2 настраивается в этом случае на достижение минимальной расходимости луча на выходе объектива 4.There is an embodiment of the method in which the beam is focused so that the imaginary image of the caustic 16 (Fig. 3) is located in the plane of the
Существует также вариант, при котором фокусировка луча осуществлена так, что мнимое изображение каустики 18 (фиг.4), построенное поверхностью 5 консоли 6, располагается дальше плоскости предмета 17 объектива 4. При зеркальном отражении от поверхности 5 консоли 6 расстояние А от каустики 12 до поверхности 5 равно расстоянию Б от этой поверхности до мнимого изображения каустики 18. Расстояние А между отражающей поверхностью 5 и каустикой 12 должно быть в этом случае больше расстояния В между поверхностью 5 и кончиком острия 8. Линза 2 настраивается в этом случае по получению пятна на фоточувствительной поверхности фотоприемника 11 минимального размера.There is also an option in which the beam is focused so that the imaginary image of the caustic 18 (figure 4), constructed by the
Существует также вариант, при котором луч 1 входит во входной зрачок объектива 4 параллельно оси объектива, но со смещением таким, что луч, выходящий из переднего мениска объектива 4, падает на отражающую поверхность 5 консоли 6 под прямым углом к этой поверхности. Этот вариант изображен на фиг.1 и наиболее часто используется. Осевое расположение луча также возможно, но ограничивается конкретным конструктивным исполнением.There is also an option in which the beam 1 enters the entrance pupil of the
Существует также вариант, при котором разделение лучей, падающего и отраженного, производится за счет введения в луч четвертьволновой пластинки 15, приводящей к повороту поляризации луча на 90 градусов после двух проходов (фиг.2).There is also an option in which the separation of the rays incident and reflected is carried out by introducing a quarter-
Существует также вариант, основанный на использовании лазера 1 с различной расходимостью лазерного луча в двух направлениях (полупроводниковый лазер). В этом случае лазер 1 ориентируется таким образом, чтобы лазерное пятно на поверхность 5 консоли 6 было вытянуто вдоль этой консоли.There is also an option based on the use of laser 1 with different divergences of the laser beam in two directions (semiconductor laser). In this case, the laser 1 is oriented so that the laser spot on the
Фокусировка оптического объектива на исследуемый образец позволяет осуществлять облучение образца в области взаимодействия зонда с образцом и регистрацию оптической радиации из этой области. Формирование луча по предлагаемому способу позволяет получить на поверхности фотоприемника пятно минимального размера, ограниченного дифракционной расходимостью луча света и возможным несовершенством используемых оптических элементов. Уменьшение размера пятна на позиционно чувствительном фотоприемнике обеспечивает увеличение сигнала при том же отклонении направления луча и увеличение чувствительности системы.Focusing the optical lens on the sample under study makes it possible to irradiate the sample in the region where the probe interacts with the sample and to register optical radiation from this region. The formation of the beam according to the proposed method allows to obtain on the surface of the photodetector a spot of minimum size, limited by the diffraction divergence of the light beam and the possible imperfection of the used optical elements. Reducing the size of the spot on a positionally sensitive photodetector provides an increase in the signal with the same deviation of the beam direction and an increase in the sensitivity of the system.
Коллимирование отраженного луча объективом приводит к формированию при совершенной оптике луча с диффракционной расходимостью. Правильный выбор расстояния до фотоприемника позволяет согласовать диаметр луча и размер чувствительной поверхности фотоприемника.The collimation of the reflected beam by the lens leads to the formation of a beam with diffraction divergence with perfect optics. The correct choice of the distance to the photodetector allows you to coordinate the diameter of the beam and the size of the sensitive surface of the photodetector.
Формирование луча по предлагаемому способу позволяет получить на поверхности фотоприемника пятно минимального размера, ограниченного дифракционной расходимостью света и возможным несовершенством используемых оптических элементов, независимо от диаметра луча на выходном зрачке объектива.The beam formation by the proposed method allows to obtain on the surface of the photodetector a spot of a minimum size, limited by the diffraction divergence of light and possible imperfection of the used optical elements, regardless of the diameter of the beam on the exit pupil of the lens.
Расположение лучей по предлагаемому способу обеспечивает совпадение путей падающего и отраженного лучей. Такая конфигурация минимизирут виньетирование лучей при больших амплиатудах колебания консоли. Вышеперечисленное также позволяет повышать чувствительность системы.The location of the rays according to the proposed method ensures the coincidence of the paths of the incident and reflected rays. This configuration minimizes the vignetting of the rays with large amplitudes of oscillation of the console. The above also allows you to increase the sensitivity of the system.
Разделение падающего и отраженного лучей за счет поворота поляризации уменьшает потери света, что приводит к увеличению лучистой энергии, падающей на фотоприемник. При той же мощности лазера это позволяет достигать лучшего отношения сигнал/шум.The separation of the incident and reflected rays due to the rotation of the polarization reduces the loss of light, which leads to an increase in the radiant energy incident on the photodetector. With the same laser power, this allows for a better signal to noise ratio.
Ориентация лазерного пятна вдоль консоли минимизирует диффракционные ограничения на чувствительность к изгибным колебаниям консоли. Пятно на поверхности фотоприемника в этом случае оказывается вытянутым в направлении, перпендикулярном направлению смещения этого пятна при изгибе консоли зонда. Получаемая форма пятна обеспечивает лучшую чувствительность к изгибу по отношению к скручиванию консоли.Orientation of the laser spot along the console minimizes diffraction restrictions on sensitivity to bending vibrations of the console. The spot on the surface of the photodetector in this case is elongated in a direction perpendicular to the direction of displacement of this spot when the console of the probe is bent. The resulting spot shape provides better bending sensitivity with respect to torsion of the console.
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. Патент № US 6455838 В2.1. Patent No. US 6455838 B2.
2. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А.Быков и др., Сенсорные системы, т. 12, №1, 1998 г., с.99-121.2. Probe microscopy for biology and medicine. V.A. Bykov et al., Sensory Systems, vol. 12, No. 1, 1998, pp. 99-121.
3. Сканирующая туннельная и атомносиловая микроскопия в электрохимии поверхности. Данилов А.И. Успехи химии, 64 (8), 1995 г., с.818-833.3. Scanning tunneling and atomic force microscopy in surface electrochemistry. Danilov A.I. Advances in Chemistry, 64 (8), 1995, p. 818-833.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004132928/28A RU2279151C1 (en) | 2004-11-12 | 2004-11-12 | Method for recording deviation of probe bracket in lens-incorporating scanning microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004132928/28A RU2279151C1 (en) | 2004-11-12 | 2004-11-12 | Method for recording deviation of probe bracket in lens-incorporating scanning microscope |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2004132928A RU2004132928A (en) | 2006-04-20 |
| RU2279151C1 true RU2279151C1 (en) | 2006-06-27 |
Family
ID=36607801
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004132928/28A RU2279151C1 (en) | 2004-11-12 | 2004-11-12 | Method for recording deviation of probe bracket in lens-incorporating scanning microscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2279151C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013108060A1 (en) | 2012-01-20 | 2013-07-25 | Potemkin Alexander | Near-field scanning optical microscope |
-
2004
- 2004-11-12 RU RU2004132928/28A patent/RU2279151C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013108060A1 (en) | 2012-01-20 | 2013-07-25 | Potemkin Alexander | Near-field scanning optical microscope |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2004132928A (en) | 2006-04-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5903293B2 (en) | Scanning mirror device | |
| JP4669995B2 (en) | Optical microscope and observation method | |
| US6806965B2 (en) | Wavefront and intensity analyzer for collimated beams | |
| US6320665B1 (en) | Acousto optic scanning laser vibrometer for determining the dynamic properties of an object | |
| JP2006292782A (en) | External laser introducing device | |
| JPH10185529A (en) | Interferometer and shape measuring instrument | |
| CN111044260A (en) | Microscope objective distortion testing device and testing method | |
| JPH0821844A (en) | Near field light scanning type microscope | |
| JPS63131116A (en) | Confocal microscope | |
| RU2279151C1 (en) | Method for recording deviation of probe bracket in lens-incorporating scanning microscope | |
| JP2008299146A (en) | Confocal microscopic spectroscope | |
| WO2019187422A1 (en) | Distance measurement unit and light irradiation device | |
| JPH11173821A (en) | Optical inspecting device | |
| JP2002116010A (en) | Three-dimensional shape measuring method and device | |
| JP3491464B2 (en) | Laser beam divergence angle measuring device | |
| JPH09325278A (en) | Confocal type optical microscope | |
| JPH06249632A (en) | Three-dimensional shape measuring instrument | |
| RU2289153C1 (en) | Device for focusing optical radiation onto object | |
| JP2001153785A (en) | Scanning type near-field optical microscope | |
| JP2003148939A (en) | Autocollimator provided with microscope, and instrument for measuring shape using the same | |
| JPH05332878A (en) | Light receiving device of autocollimator | |
| JPH08261734A (en) | Shape measuring apparatus | |
| JPS60211306A (en) | Adjusting method of optical system of fringe scan shearing interference measuring instrument | |
| JP2004219251A (en) | Surface property measuring instrument, tool for surface property measuring instrument, and adjustment method | |
| JPH05258338A (en) | Light beam detection system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151113 |