專利名稱:原子力顯微鏡的光點跟蹤裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及原子力顯微鏡，一種用于原子力顯微鏡的光點跟蹤裝置。
背景技術(shù)：
原子力顯微鏡是具有極高分辨率和很多優(yōu)點的表面測量儀器，是納米技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。大多數(shù)現(xiàn)有原子力顯微鏡都采用光杠桿檢測方式來檢測微懸臂針尖受到原子力后的偏轉(zhuǎn)，這種方法已經(jīng)很成熟，精度也很高。特別是對于樣品掃描的原子力顯微鏡，這種檢測方式很好實現(xiàn)。但是因為樣品放在掃描器的頂端，尺寸和重量都要受到限制，因此限制了樣品掃描原子力顯微鏡的應(yīng)用。針尖掃描原子力顯微鏡相對樣品掃描原子力顯微鏡有很多優(yōu)點，但是針尖掃描原子力顯微鏡的光杠桿檢測裝置不是很容易實現(xiàn)。在掃描過程中，光杠桿檢測裝置要保持微懸臂針尖背面聚焦光點與微懸臂針尖相對靜止、反射光斑中心與四象限光電接收器中心一致是很大的技術(shù)難點，涉及到光點跟蹤問題。
為解決這個問題，已經(jīng)有很多方案被提出。如在先技術(shù)1(美國專利No.5025658)如圖一所示；在先技術(shù)2(Putman et al，presented at theOE/LEASE’93 Conference，Jan.19，1993，Los Angeles，Calif.)如圖二所示。在先技術(shù)1中原子力顯微鏡的微懸臂針尖14離激光二極管21的出射面非常近，從微懸臂針尖上反射回來的光線被與激光二極管21封裝在一起的光電探測器22接收。激光二極管21包括光電探測器22通過裝置23固定在掃描管12末端。因為激光器，光電探測器和微懸臂針尖組合很近，而且和掃描器固定在一起，所以激光器和光電探測器能很好地跟蹤微懸臂針尖。在先技術(shù)2中，激光器10，聚焦透鏡30和微懸臂針尖14都固定在同一掃描單元12上，掃描時因為這些部件一起運動，所以能達到跟蹤效果。但是在先技術(shù)1和2都明顯存在以下不足(1)在先技術(shù)1的光電探測器只有與微懸臂針尖間距非常小(少于100微米)的時候才能保證測量精度，這要求激光聚焦點高精度地對齊微懸臂針尖的頂端。
(2)在先技術(shù)1因為激光二極管太接近微懸臂針尖而無法引入觀察微懸臂針尖和樣品的光學顯微鏡。
(3)在先技術(shù)2中，掃描時微懸臂針尖和激光器都相對光電探測器移動，這導致即使微懸臂針尖沒有偏轉(zhuǎn)的情況下，從微懸臂針尖上反射的光也會相對光電探測器移動。
(4)在先技術(shù)1中，掃描器要承載激光二極管和光電探測器；在先技術(shù)2中，掃描器要承載激光器和聚焦透鏡，這都會導致掃描器共振頻率的下降，使掃描器對振動更敏感，影響原子力顯微鏡的性能。
(5)在先技術(shù)1中的激光二極管、光電探測器，在先技術(shù)2中的激光器如果發(fā)生損壞，將很難更換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題在于克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種按模塊化思想設(shè)計的光點跟蹤裝置，該裝置應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單，各單元部件易于調(diào)整和更換，激光聚焦光點在掃描過程中穩(wěn)定跟蹤微懸臂針尖的運動，保證微懸臂針尖沒有發(fā)生實際偏轉(zhuǎn)的情況下，反射光也不會相對光電探測器移動。
本發(fā)明的基本思想首先整套裝置必須按模塊化思想設(shè)計，一旦單元部件出現(xiàn)問題方便更換，或者為提高原子力顯微鏡的性能，直接更換整個模塊。我們把激光器，反射鏡、成像透鏡和四象限光電接收器作為一個模塊，微懸臂探針和聚焦透鏡作為一個模塊，z向掃描器和xy向掃描器分別作為一個模塊。把微懸臂探針和聚焦透鏡模塊固定在z向掃描器模塊上，然后把z向掃描器模塊和xy向掃描器模塊合成一個可在xyz方向掃描針尖的部件。這樣平行光通過聚焦透鏡后的匯聚點就能在整個掃描過程中始終跟蹤微懸臂針尖的運動。再調(diào)整四象限光電探測器在成像透鏡后一個特定的位置，保證微懸臂針尖沒有實際偏轉(zhuǎn)的情況下，反射光也不會相對光電探測器移動，就可以很好地解決光點跟蹤的問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種用于原子力顯微鏡針尖掃描的光點跟蹤裝置，包括激光杠桿和組合掃描器件，其特征在于所述的激光杠桿包括激光器，在激光器出射的平行光束的前進方向上有反射鏡，該反射鏡配有調(diào)節(jié)裝置，在反射鏡的反射光線G的前進方向上依次是聚焦透鏡和微懸臂針尖，該聚焦透鏡的中心和微懸臂針尖的背面頂端同處于光線G的光軸上，且微懸臂針尖的頂端位于聚焦透鏡的焦點，在微懸臂針尖的反射光線H的前進方向上依次是成像透鏡和四象限光電探測器，該四象限光電探測器的位置兩維可調(diào)；一xy向掃描器和固定在該xy向掃描器上的z向掃描器形成所述的組合掃描器件；所述的激光器、反射鏡、成像透鏡和四象限光電接收器組成一個模塊，微懸臂探針和聚焦透鏡組成一個模塊，z向掃描器和xy向掃描器各為一個模塊，把微懸臂探針和聚焦透鏡模塊固定在z向掃描器模塊上，然后把z向掃描器模塊和xy向掃描器模塊合成一個可在xyz方向掃描針尖的部件。
所述的激光器是一個包含了可調(diào)焦透鏡的激光器，可以直接輸出平行光。
所述的反射鏡的中心應(yīng)該在聚焦透鏡的焦點位置。
與在先技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點1)光點能非常好的跟蹤微懸臂針尖的運動，微懸臂針尖沒有實際偏轉(zhuǎn)的情況下，從微懸臂針尖反射的光也不會相對光電探測器移動，而且不受掃描范圍限制；2)結(jié)構(gòu)合理，方便引入光學顯微鏡和CCD監(jiān)視系統(tǒng)，實時的觀測微懸臂針尖；3)掃描器只需要承載聚焦透鏡和針尖座的重量，對掃描器的共振頻率沒什么影響；4)模塊化設(shè)計使得更換單元部件，或是更換整個模塊都方便可行。



圖1在先技術(shù)1的原理示意圖圖2在先技術(shù)2的原理示意圖圖3本發(fā)明原子力顯微鏡的光點跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)示意圖圖4本發(fā)明中確定四象限光電接收器位置的示意圖具體實施方式
先請參閱圖3，圖3是本發(fā)明原子力顯微鏡的光點跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明一種用于原子力顯微鏡針尖掃描的光點跟蹤裝置的構(gòu)成一激光杠桿包括激光器1，在激光器1出射的平行光束的前進方向上有反射鏡2，該反射鏡2配有調(diào)節(jié)裝置，在反射鏡2反射光線G的前進方向上依次是聚焦透鏡4和微懸臂針尖6，該聚焦透鏡4的中心和微懸臂針尖6的背面頂端同處于光線G的光軸上，且微懸臂針尖6的頂端位于聚焦透鏡4的焦點，在微懸臂針尖6的反射光線H的前進方向上依次是成像透鏡7和兩維可調(diào)的四象限光電探測器8，該四象限光電探測器8裝在一個可兩維調(diào)整的調(diào)整架上(圖中未示)；
一xy向掃描器3和固定在該xy向掃描器3上的z向掃描器5形成組合掃描器件；所述的激光器1、反射鏡2、成像透鏡7和四象限光電接收器8組成一個模塊，微懸臂探針6和聚焦透鏡4組成一個模塊，z向掃描器5和xy向掃描器3各為一個模塊，把微懸臂探針和聚焦透鏡模塊固定在z向掃描器模塊上，然后把z向掃描器模塊和xy向掃描器模塊合成一個可在xyz方向掃描針尖的部件。
所述的激光器1是一個包含了可調(diào)焦透鏡的激光器，可以直接輸出平行光。
所述的反射鏡2的中心應(yīng)該在聚焦透鏡4的焦點位置。
本發(fā)明的光點跟蹤裝置有如上所述的結(jié)構(gòu)。工作的時候，激光器1發(fā)出平行光，該平行光經(jīng)反射鏡2上反射，反射光線G透過聚焦透鏡4匯聚到微懸臂針尖6的頂端。因為微懸臂針尖6和聚焦透鏡4作為一個模塊固定在z向掃描器5上，而z向掃描器5固定在xy向掃描器3上，所以不管組合掃描部件部分在哪個方向上掃描，平行光G都會匯聚在聚焦透鏡4的焦點上，也就是微懸臂針尖6的頂端，這樣就完成了聚焦光點對微懸臂針尖6的跟蹤。從微懸臂針尖6的頂端反射的光的跟蹤涉及四象限光電探測器8的擺放位置，它必須滿足一定的條件，反射光線H才不會在微懸臂針尖沒有實際偏轉(zhuǎn)的情況下，相對光電探測器8移動。這個位置我們這樣選定如圖四所示，明顯地平行光G光軸位置的光線對應(yīng)于四象限光電探測器8上光斑的中心位置。圖四中的光線10、20、30就是平行光G光軸位置的光線在微懸臂針尖6上反射的光線，它們反向延長會相交與一點，即成像透鏡7的虛焦點。成像透鏡7對這個虛焦點成象，掃描過程中所有平行光G光軸位置的光線在微懸臂針尖6上反射的光線都會匯聚到這個虛焦點的象點位置。這就是說四象限光電探測器放在這個象點位置，反射光H在四象限光電探測器8上形成的光斑的中心位置會保持不變。為保證平行光G光軸的光線通過聚焦透鏡4始終能垂直地照射在微懸臂針尖6的頂端，反射鏡2的中心應(yīng)該在聚焦透鏡4的焦點位置。每次更換針尖后，要調(diào)節(jié)反射鏡2的角度，以保證所聚焦的光點匯聚在微懸臂針尖6的頂端。
具體實施例如圖3所示，激光器1采用包含了可調(diào)焦透鏡的半導體激光器，波長650nm，反射鏡2為一般反射鏡，xy向掃描器3和z向掃描器5采用PI公司的產(chǎn)品，xy向掃描器3的掃描范圍為0.1mm*0.1mm，聚焦透鏡4的焦距為2cm，微懸臂針尖6保持與水平方向成15°的夾角。如圖四所示，虛交點o’距離o點的距離通過計算約為10.16mm，在o’o的方向上距離o’點6cm的地方設(shè)置焦距為3cm的成像透鏡7，四象限光電接收器8放在成像透鏡7后3cm的位置，也就是虛焦點的象點位置。
該實施例經(jīng)實際使用證明，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，各單元部件易于調(diào)整和更換，激光聚焦光點在掃描過程中穩(wěn)定跟蹤微懸臂針尖的運動，保證微懸臂針尖沒有發(fā)生實際偏轉(zhuǎn)的情況下，反射光不會相對光電探測器移動。
權(quán)利要求
1.一種用于原子力顯微鏡針尖掃描的光點跟蹤裝置，包括激光杠桿和掃描器件，其特征在于所述的激光杠桿包括激光器(1)，在激光器(1)出射的平行光束的前進方向上有反射鏡(2)，該反射鏡(2)配有調(diào)節(jié)裝置，在反射鏡(2)反射光線G的前進方向上依次是聚焦透鏡(4)和微懸臂針尖(6)，該聚焦透鏡(4)的中心和微懸臂針尖(6)的背面頂端同處于光線G的光軸上，且微懸臂針尖(6)的頂端位于聚焦透鏡(4)的焦點，在微懸臂針尖(6)的反射光線H的前進方向上依次是成像透鏡(7)和兩維可調(diào)的四象限光電探測器(8)；一xy向掃描器(3)和固定在該xy向掃描器(3)上的z向掃描器(5)形成所述的組合掃描器件；所述的激光器(1)、反射鏡(2)、成像透鏡(7)和四象限光電接收器(8)組成一個模塊，微懸臂探針(6)和聚焦透鏡(4)組成一個模塊，z向掃描器(5)和xy向掃描器(3)各為一個模塊，把微懸臂探針和聚焦透鏡模塊固定在z向掃描器模塊上，然后把z向掃描器模塊和xy向掃描器模塊合成一個可在xyz方向掃描針尖的部件。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的光點跟蹤裝置，其特征在于所述的激光器(1)是一個包含了可調(diào)焦透鏡的激光器，可以直接輸出平行光。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的光點跟蹤裝置，其特征在于所述的反射鏡(2)的中心應(yīng)該在聚焦透鏡(4)的焦點位置。
專利摘要
一種用于原子力顯微鏡針尖掃描的光點跟蹤裝置，其構(gòu)成是所述的激光杠桿包括激光器，在激光器出射的平行光束的前進方向上有反射鏡，該反射鏡配有調(diào)節(jié)裝置，在反射鏡的反射光線G的前進方向上依次是聚焦透鏡和微懸臂針尖，該聚焦透鏡的中心和微懸臂針尖的背面頂端同處于光線G的光軸上，且微懸臂針尖的頂端位于聚焦透鏡的焦點，在微懸臂針尖的反射光線H的前進方向上依次是成像透鏡和兩維可調(diào)的四象限光電探測器；一xy向掃描器和固定在該xy向掃描器上的z向掃描器形成所述的組合掃描器件；元器件模塊化。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，各單元部件易于調(diào)整和更換，激光聚焦光點跟蹤可靠的優(yōu)點。
文檔編號G01Q20/02GKCN1587981SQ200410053442
公開日2005年3月2日 申請日期2004年8月4日
發(fā)明者徐文東, 楊金濤, 吉小明 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan