專利名稱：與原子力顯微鏡配套的觀察裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種與原子力顯微鏡配套的觀察裝置。主要用于觀察原子力顯微鏡上探測針尖的前后左右位置和狀態(tài)。
背景技術(shù)：
原子力顯微鏡在使用時(shí)配有一個(gè)觀察裝置，觀察裝置起到選擇樣品測量區(qū)域，使探測針尖準(zhǔn)確定位，監(jiān)視原子力顯微鏡運(yùn)行過程等作用。在原子力顯微鏡的大多數(shù)應(yīng)用當(dāng)中觀察裝置是不可缺少的設(shè)備。因?yàn)樵恿︼@微鏡的掃描范圍很小，一般小于10μm，如果沒有觀察裝置的幫助，探測針尖就很難定位于所要測量的區(qū)域；同時(shí)，如果沒有觀察裝置的幫助，探測針尖極易在逼近探測物時(shí)或在原子力顯微鏡運(yùn)行過程中損壞。與原子力顯微鏡配套的觀察裝置與一般顯微鏡比較有不同的要求首先、作為與原子力顯微鏡配合使用的獨(dú)立的儀器，要求裝置中的物鏡工作距離長(一般大于50mm)，以不妨礙原子力顯微鏡頭部的運(yùn)行為準(zhǔn)。其次、要求其中物鏡數(shù)值孔徑大，以便光線不被原子力顯微鏡頭部內(nèi)的反射鏡全部遮住。第三點(diǎn)、要求照明光路是共光路反射照明結(jié)構(gòu)，光強(qiáng)可變，主要與原子力顯微鏡頭部的結(jié)構(gòu)和工作要求(選擇樣品測量區(qū)域、觀察探測針尖逼近探測物時(shí)，可采用較強(qiáng)的光，以便提高圖像的質(zhì)量；但監(jiān)視原子力顯微鏡運(yùn)行時(shí)需要較弱的光，以便不引入噪聲)有關(guān)。第四點(diǎn)、調(diào)焦機(jī)構(gòu)中要有粗調(diào)焦(以便原子力顯微鏡頭部裝卸)和精調(diào)焦機(jī)構(gòu)(物鏡數(shù)值孔徑大，因而焦深短)。在先技術(shù)中的普通顯微鏡沒有那么大的工作距離(參見在先技術(shù)[1]《光學(xué)技術(shù)手冊》，王之江主編，下冊，機(jī)械工業(yè)出版社，北京，1994年，第3章<放大鏡和顯微鏡>，3<顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)>，3.2<物鏡和鏡筒透鏡>，p646-648)。在先技術(shù)中所提供的體視顯微鏡雖然有較大的工作距離，但數(shù)值孔徑較小，而且是采用非共光路的反射照明結(jié)構(gòu)(參見在先技術(shù)[2]《光學(xué)技術(shù)手冊》，王之江主編，下冊，機(jī)械工業(yè)出版社，北京，1994年，第3章<放大鏡和顯微鏡>，4<各種顯微術(shù)裝置及其顯微鏡>，4.9<體視顯微鏡>，p657-658)。

發(fā)明內(nèi)容
與原子力顯微鏡配套的觀察裝置，包括有底座1，在底座1上置有兩維調(diào)整架2，在兩維調(diào)整架2的滑塊上置放帶有針尖301的原子力顯微鏡頭部3；在底座1上置有管狀的立柱8，在立柱8內(nèi)的上部分里上下分開地置有上滾珠軸承801和下滾珠軸承803，在上滾珠軸承801和下滾珠軸承803之間的立柱8壁上開有長方形的導(dǎo)向洞802，在上滾珠軸承801和下滾珠軸承803的內(nèi)套內(nèi)固定有與立柱8同中心軸線ozo′z的絲杠701，絲杠701頂端帶有手輪7露在立柱8的外頂上；有帶支撐臂508的機(jī)架5，支撐臂508上有螺紋與絲杠701上螺紋相匹配的上螺孔507和下螺孔509，支撐臂508從立柱8壁上的導(dǎo)向洞802里伸進(jìn)立柱8內(nèi)，并且絲杠701穿過支撐臂508上的上螺孔507和下螺孔509；有光源506發(fā)射的光束通過伸向機(jī)架5內(nèi)的傳光光纖束505射出光束G經(jīng)過照明透鏡504至半反半透分光棱鏡502，傳光光纖束505的光束出射平面的中心點(diǎn)o穿過照明透鏡504的中心至半反半透分光棱鏡502的中心點(diǎn)o1的連線為第一中心光軸oo1；穿過半反半透分光棱鏡502的中心點(diǎn)o1與第一中心光軸oo1垂直的直線為第二中心光軸o′o″，在原子力顯微鏡頭部3上的針尖301與半反半透分光棱鏡502之間與第二中心光軸o′o″同光軸地置有置放在與機(jī)架5活動(dòng)連接的外套4內(nèi)的可動(dòng)透鏡401，在可動(dòng)透鏡401與半反半透分光棱鏡502之間與第二中心光軸o′o″同光軸地置有不動(dòng)透鏡501；與原子力顯微鏡頭部3上的針尖301相對的第二中心光軸o′o″的另一端有接收面601的中心點(diǎn)o″在第二中心光軸o′o″上的攝像頭6，在攝像頭6的接收面601與半反半透分光棱鏡502之間，與第二中心光軸o′o″同光軸地置有后透鏡503。
所說的傳光光纖束505的光束出射平面是在由可動(dòng)透鏡401、不動(dòng)透鏡501、半反半透分光棱鏡502以及照明透鏡504組合而成的為成像關(guān)系的臨界照明光路的物面上，所說的攝像頭6的接收面601是在由可動(dòng)透鏡401、不動(dòng)透鏡501、半反半透分光棱鏡502以及后透鏡503組合而成的為成像關(guān)系的觀察光路的像面上，而且由可動(dòng)透鏡401、不動(dòng)透鏡501、半反半透分光棱鏡502以及后透鏡503組合而成的為成像關(guān)系的觀察光路的物面上置放原子力顯微鏡頭部3的針尖301。
由照明透鏡504至傳光光纖束505的光束出射平面之間的距離為照明物距L物與由后透鏡(503)至攝像頭6的接收面601之間的距離為觀察像距L′像相等，即L物＝L′像。
本發(fā)明的與原子力顯微鏡配套的觀察裝置，有如上所述的結(jié)構(gòu)，可以說包括三大部分，一、底座和原子力顯微鏡頭部部分，二、粗調(diào)焦支架部分，三、放大觀察主體部分。
底座和原子力顯微鏡頭部部分包括底座1，在底座1上置有兩維調(diào)整架2，兩維調(diào)整架2是由能夠作兩維方向(x、y方向)運(yùn)動(dòng)的滑塊構(gòu)成的，在兩維調(diào)整架2的滑塊上置放原子力顯微鏡頭部3。
粗調(diào)焦支架部分包括固定在底座1上的立柱8，立柱8為管狀，立柱8內(nèi)固定的兩個(gè)分開、同軸且與立柱8的中心軸線ozo′z共軸的上滾珠軸承801和下滾珠軸承803，立柱8上在上滾珠軸承801和下滾珠軸承803之間的柱壁上開有長方形的導(dǎo)向洞802，與上滾珠軸承801和下滾珠軸承803的內(nèi)套固定有絲杠701，絲杠701兩端沒有螺紋即兩端光滑的柱面分別與上滾珠軸承801和下滾珠軸承803的內(nèi)套固定，因此絲杠701上有外螺紋的部分就位于上滾珠軸承801和下滾珠軸承803之間，絲杠701伸出立柱8外連接有手輪7，旋轉(zhuǎn)手輪7，絲杠701就可以圍繞立柱8的中心軸線ozo′z轉(zhuǎn)動(dòng)。
放大觀察主體部分包括通過立柱8上的導(dǎo)向洞802而伸進(jìn)立柱8內(nèi)、且通過其兩個(gè)螺孔507、509而與絲杠701的外螺紋配合的支撐臂508所支撐的機(jī)架5，也就是說，旋轉(zhuǎn)手輪7，絲杠701隨之旋轉(zhuǎn)，在立柱8的導(dǎo)向洞802內(nèi)，支撐臂508帶著機(jī)架5沿著絲杠701的軸線也是立柱8的中心軸線ozo′z上下移動(dòng)，因?qū)蚨?02是長方形的，所以不會旋轉(zhuǎn)，這是粗調(diào)焦機(jī)構(gòu)；有一端伸向機(jī)架5內(nèi)的傳光光纖束505，傳光光纖束505的另一端靠近光源506，光源506發(fā)射的光束進(jìn)入傳光光纖束505內(nèi)；在與光源506相對的另一端的傳光光纖束505光束出射平面發(fā)射的光束G前進(jìn)方向上，在傳光光纖束505發(fā)射光束的第一中心光軸oo1上，依次置有的照明透鏡504和半反半透分光棱鏡502，半反半透分光棱鏡502的分光面與第一中心光軸oo1成45°角放置；在光束G透過照明透鏡504并經(jīng)半反半透分光棱鏡502的分光面反射的光束前進(jìn)方向上，且中心在通過半反半透分光棱鏡502的分光面的中心o1并與第一中心光軸oo1垂直的第二中心光軸o′o″上，依次置有不動(dòng)透鏡501、固定在外套4內(nèi)的可動(dòng)透鏡401直至原子力顯微鏡頭部3內(nèi)固定的針尖301，第二中心光軸o′o″與立柱8的中心軸線ozo′z平行，針尖301位于可動(dòng)透鏡401的焦點(diǎn)o′上，從傳光光纖束505光束出射平面發(fā)射的光束G透過照明透鏡504、經(jīng)半反半透分光棱鏡502的分光面反射、透過不動(dòng)透鏡501后成為平行光，再經(jīng)過可動(dòng)透鏡401后會聚在針尖301上，也就是說，傳光光纖束505光束出射平面與針尖301所在面呈成像關(guān)系；包括中心在第二中心光軸o′o″上，在半反半透分光棱鏡502相對于不動(dòng)透鏡501的另一邊光路上，依次置有后透鏡503和攝像頭6，攝像頭6內(nèi)有接收面601。當(dāng)光束經(jīng)針尖301反射后，沿原路返回，透過可動(dòng)透鏡401和不動(dòng)透鏡501后再透過半反半透分光棱鏡502的光線經(jīng)后透鏡503后會聚到接收面601上。所說的針尖301所在面與接收面601呈成像關(guān)系。照明透鏡504、半反半透分光棱鏡502、不動(dòng)透鏡501、后透鏡503和攝像頭6均固定在機(jī)架5內(nèi)；可動(dòng)透鏡401通過外套4與機(jī)架5外殼進(jìn)行活動(dòng)連接。可動(dòng)透鏡401同軸地裝在外套4內(nèi)，外套4外柱面上有細(xì)牙螺紋，與機(jī)架5外殼的相應(yīng)螺孔配合，也就是說，隨著外套4的旋進(jìn)旋出，可動(dòng)透鏡401可沿著第二中心光軸o′o″移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了精調(diào)焦。在外套4可移動(dòng)的范圍內(nèi)，也就是在可動(dòng)透鏡401可移動(dòng)的范圍內(nèi)，通過移動(dòng)可動(dòng)透鏡401，保證針尖301位于可動(dòng)透鏡401的焦點(diǎn)o′上。如圖1所示。
所說的半反半透分光棱鏡502是兩個(gè)直角棱鏡斜面膠合而成的棱鏡，膠合面上鍍有對光源506光束反射50％，透射50％的半反半透膜層。所說的半反半透分光棱鏡502的分光面就是鍍有半反半透膜層的膠合面。
本發(fā)明的觀察裝置如上所述的結(jié)構(gòu)。觀察針尖301時(shí)，光源506照射傳光光纖束505的與光束出射平面相對的另一端，光束通過傳光光纖束505，由傳光光纖束505光束出射平面發(fā)射的光束G透過照明透鏡504、經(jīng)半反半透分光棱鏡502的分光面反射、透過不動(dòng)透鏡501后成為平行光，再經(jīng)過可動(dòng)透鏡401后會聚于可動(dòng)透鏡401的焦點(diǎn)o′上。驅(qū)動(dòng)兩維調(diào)整架2上的滑塊移動(dòng)，帶動(dòng)原子力顯微鏡頭部3移動(dòng)，可將原子力顯微鏡頭部3內(nèi)的針尖301移動(dòng)到第二中心光軸o′o″附近，也就是說移動(dòng)到可動(dòng)透鏡401會聚的光斑中心附近。再旋轉(zhuǎn)手輪7，絲杠701旋轉(zhuǎn)，隨之支撐臂508帶動(dòng)機(jī)架5沿著絲杠701的軸線也就是立柱8的中心軸線ozo′z上下移動(dòng)，當(dāng)針尖301處的光斑最小時(shí)停止旋轉(zhuǎn)手輪7，這樣就在機(jī)架5可移動(dòng)的范圍內(nèi)，通過移動(dòng)機(jī)架5，保證針尖301位于可動(dòng)透鏡401的焦點(diǎn)o′附近，實(shí)現(xiàn)了粗調(diào)焦。光束經(jīng)針尖301反射后，沿原路返回，透過可動(dòng)透鏡401和不動(dòng)透鏡501后再透過半反半透分光棱鏡502的光束經(jīng)后透鏡503后在攝像頭6的接收面601附近呈現(xiàn)針尖301放大的像。旋轉(zhuǎn)可動(dòng)透鏡401的外套4，使可動(dòng)透鏡401邊旋轉(zhuǎn)邊沿著第二中心光軸o′o″移動(dòng)，直到針尖301放大的像恰好位于攝像頭6的接收面601上，看到清晰的針尖301的像為止，也就是完成了精調(diào)焦過程。若針尖301的像不在圖像的中央，可再通過兩維調(diào)整架2移動(dòng)原子力顯微鏡頭部3，使原子力顯微鏡頭部3內(nèi)的針尖301位于第二中心光軸o′o″上，此時(shí)針尖301的像將位于圖像的中央。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與在先技術(shù)中一般顯微鏡相比，首先本發(fā)明的觀察裝置的調(diào)焦機(jī)構(gòu)中有粗調(diào)焦和精調(diào)焦機(jī)構(gòu)，而且機(jī)構(gòu)非常簡單。由于粗調(diào)焦采用了絲杠結(jié)構(gòu)而非齒輪齒條結(jié)構(gòu)，機(jī)架5不會因?yàn)橹亓Χ饾u下移，粗調(diào)焦后就不用進(jìn)行鎖緊，方便了操作；原子力顯微鏡要求本觀察裝置有較大的數(shù)值孔徑，以便光線不被原子力顯微鏡頭部3內(nèi)的反射鏡全部遮住，因此本觀察裝置的焦深就不會很長，精調(diào)焦機(jī)構(gòu)采用外套4與機(jī)架5活動(dòng)連接伸縮機(jī)構(gòu)完全可以滿足要求。其次光學(xué)元件的排布緊湊合理，成像光路在縮短共軛距離的同時(shí)，即保證了長工作距離(為可動(dòng)透鏡401距針尖301的距離)和大數(shù)值孔徑，也可以實(shí)現(xiàn)方便的精調(diào)焦功能(不動(dòng)透鏡501和可動(dòng)透鏡401之間為平行光路)；由于采用了從光源506發(fā)射的光束經(jīng)傳光光纖束505傳輸，使得照明光路也簡單和緊湊，傳光光纖束505將入射的光束混合，在光束出射平面產(chǎn)生均勻的發(fā)光面，其允許采用簡單的臨界照明方式，也就是說只需一個(gè)照明透鏡504將傳光光纖束505的光束出射平面成像在觀察裝置的物面上就行，由于采用臨界照明結(jié)構(gòu)，照明透鏡504可以采用與后透鏡503相同結(jié)構(gòu)的元件，使本發(fā)明的觀察裝置的成本進(jìn)一步降低，不僅如此，臨界照明方式也極利于觀察裝置的操作只有在樣品上光斑最小時(shí)才表示樣品位于觀察裝置物面上，也只有光斑內(nèi)的樣品面可以成像在攝像頭6的接收面601上(傳光光纖束505的光束出射平面、針尖301所在平面以及攝像頭6的接收面601均為成像關(guān)系，只需使傳光光纖束505的光束出射平面在攝像頭6的接收面601上的像的尺寸與攝像頭6的接收面601尺寸相同就行)。由于本發(fā)明是專用于原子力顯微鏡的觀察裝置，容易做到極其簡單地達(dá)到上述目的，并可使本發(fā)明的觀察裝置與原子力顯微鏡一同工作時(shí)有和諧的外觀。在純觀察光路(從半反半透分光棱鏡502，透過后透鏡503直到攝像頭6的接收面601)的任何表面上或任何空氣間隔中都可以加一個(gè)或幾個(gè)濾光膜或?yàn)V光片，以減弱進(jìn)入攝像頭6的來自原子力顯微鏡頭部3的激光束，避免為同時(shí)看到針尖301上的激光斑和針尖301本身的像而使照明光強(qiáng)增強(qiáng)(較強(qiáng)的照明光束會對原子力顯微鏡工作產(chǎn)生影響)。是與原子力顯微鏡配套理想的觀察裝置。


圖1是本發(fā)明的與原子力顯微鏡配套的觀察裝置示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示結(jié)構(gòu)。光源506采用白光光源，傳光光纖束505光束出射平面的直徑為8mm。成像光路的放大倍率為5倍，工作距離50mm，數(shù)值孔徑0.25，共軛距離為200mm。照明透鏡504采用與后透鏡503相同結(jié)構(gòu)的單透鏡。攝像頭6為1/4″彩色電荷耦合器(CCD)攝像頭。由照明透鏡504至傳光光纖束505的光束出射平面之間的距離為照明物距L物＝81.95mm，由后透鏡503至攝像頭6的接收面601之間的距離為觀察像距L′像＝81.95mm。按上述粗調(diào)焦和精調(diào)焦的調(diào)節(jié)步驟觀察針尖301可以看到清晰的影像，分辨率達(dá)到2μm以下。生產(chǎn)成本很低，與原子力顯微鏡配套時(shí)，有和諧的外觀。
權(quán)利要求
1.一種與原子力顯微鏡配套的觀察裝置，包括<1>有底座(1)，在底座(1)上置有兩維調(diào)整架(2)，在兩維調(diào)整架(2)的滑塊上置放帶有針尖(301)的原子力顯微鏡頭部(3)；其特征在于<2>在底座(1)上置有管狀的立柱(8)，在立柱(8)內(nèi)的上部分里上下分開地置有上滾珠軸承(801)和下滾珠軸承(803)，在上滾珠軸承(801)和下滾珠軸承(803)之間的立柱(8)壁上開有長方形的導(dǎo)向洞(802)，在上滾珠軸承(801)和下滾珠軸承(803)的內(nèi)套內(nèi)固定有與立柱(8)同中心軸線(ozo′z)的絲杠(701)，絲杠(701)頂端帶有手輪(7)露在立柱(8)的外頂上；<3>有帶支撐臂(508)的機(jī)架(5)，支撐臂(508)上有螺紋與絲杠(701)上螺紋相匹配的上螺孔(507)和下螺孔(509)，支撐臂(508)從立柱(8)壁上的導(dǎo)向洞(802)里伸進(jìn)立柱(8)內(nèi)，并且絲杠(701)穿過支撐臂(508)上的上螺孔(507)和下螺孔(509)；<4>有光源(506)發(fā)射的光束通過伸向機(jī)架(5)內(nèi)的傳光光纖束(505)射出光束(G)經(jīng)過照明透鏡(504)至半反半透分光棱鏡(502)，傳光光纖束(505)的光束出射平面的中心點(diǎn)(o)穿過照明透鏡(504)的中心至半反半透分光棱鏡(502)的中心點(diǎn)(o1)的連線為第一中心光軸(oo1)；<5>穿過半反半透分光棱鏡(502)的中心點(diǎn)(o1)與第一中心光軸(oo1)垂直的直線為第二中心光軸(o′o″)，在原子力顯微鏡頭部(3)上的針尖(301)與半反半透分光棱鏡(502)之間與第二中心光軸(o′o″)同光軸地置有置放在與機(jī)架(5)活動(dòng)連接的外套(4)內(nèi)的可動(dòng)透鏡(401)，在可動(dòng)透鏡(401)與半反半透分光棱鏡(502)之間與第二中心光軸(o′o″)同軸地置有不動(dòng)透鏡(501)；<6>與原子力顯微鏡頭部(3)上的針尖(301)相對的第二中心光軸(o′o″)上的另一端有接收面(601)的中心點(diǎn)(o″)在第二中心光軸(o′o″)上的攝像頭(6)，在攝像頭(6)的接收面(601)與半反半透分光棱鏡(502)之間，與第二中心光軸(o′o″)同光軸地置有后透鏡(503)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的與原子力顯微鏡配套的觀察裝置，其特征在于所說的傳光光纖束(505)的光束出射平面是在由可動(dòng)透鏡(401)、不動(dòng)透鏡(501)、半反半透分光棱鏡(502)以及照明透鏡(504)組合而成的成像關(guān)系的臨界照明光路的物面上，所說的攝像頭(6)的接收面(601)是在由可動(dòng)透鏡(401)、不動(dòng)透鏡(501)、半反半透分光棱鏡(502)以及后透鏡(503)組合而成的成像關(guān)系的觀察光路的像面上，而且由可動(dòng)透鏡(401)、不動(dòng)透鏡(501)、半反半透分光棱鏡(502)以及后透鏡(503)組合而成的成像關(guān)系的觀察光路的物面上置放原子力顯微鏡頭部(3)的針尖(301)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的與原子力顯微鏡配套的觀察裝置，其特征在于由照明透鏡(504)至傳光光纖束(505)的光束出射平面之間的距離為照明物距L物與由后透鏡(503)至攝像頭(6)的接收面(601)之間的距離為觀察像距L′像相等，即L物＝L′像。
全文摘要
一種與原子力顯微鏡配套的觀察裝置,包括旋轉(zhuǎn)手輪使與其連接的置于立柱內(nèi)的絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)由導(dǎo)向洞伸進(jìn)立柱內(nèi)的支撐臂連著機(jī)架作上下運(yùn)動(dòng)的粗調(diào)焦機(jī)構(gòu)和置放可動(dòng)透鏡的外套與機(jī)架活動(dòng)連接的精調(diào)焦機(jī)構(gòu)。有兩條相互垂直的中心光軸,第一中心光軸上有由伸進(jìn)機(jī)架內(nèi)的傳光光纖束的光束出射平面發(fā)射的光束經(jīng)照明透鏡至半反半透分光棱鏡。第二中心光軸上有可動(dòng)透鏡、不動(dòng)透鏡、半反半透分光棱鏡、后透鏡和攝像頭的接收面。與在先技術(shù)中普通顯微鏡相比,具有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)簡單,物鏡工作距離長,物鏡數(shù)值孔徑大,照明光路與觀察光路共光路反射式照明,是與原子力顯微鏡配套理想的觀察裝置。
文檔編號G02B21/24GK1379261SQ0211172
公開日2002年11月13日 申請日期2002年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月17日
發(fā)明者徐文東, 干福熹 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所