專利名稱:針尖掃描的光點(diǎn)跟蹤裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及原子力顯微鏡，特別是一種原子力顯微鏡針尖掃描的光點(diǎn)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(diǎn)的表面測(cè)量?jī)x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(cè)方式來(lái)檢測(cè)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。對(duì)于樣品掃描的原子力顯微鏡，這種檢測(cè)方式很好實(shí)現(xiàn)。但是對(duì)于針尖掃描的原子力顯微鏡，光杠桿檢測(cè)裝置不容易實(shí)現(xiàn)。在掃描過程中，光杠桿檢測(cè)裝置要保持微懸臂針尖背面聚焦光點(diǎn)與微懸臂針尖相對(duì)靜止、反射光斑中心與四象限光電接收器中心一致是一個(gè)很大的技術(shù)難點(diǎn)，這涉及到光點(diǎn)跟蹤問題。
為解決這個(gè)問題，已經(jīng)有很多方案被提出。如在先技術(shù)1，見美國(guó)專利No.5025658，如圖1所示；在先技術(shù)2，見Putman et al，presented at theOE/LEASE’93 Conference，Jan.19，1993，Los Angeles，Calif.如圖2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14上反射回來(lái)的光線被與激光二極管21封裝在一起的光電探測(cè)器22接收。激光二極管21和光電探測(cè)器22通過裝置23固定在掃描管12末端。因?yàn)榧す舛O管21，光電探測(cè)器22和微懸臂針尖14組合的很近，而且和掃描器12固定在一起，所以激光二極管21和光電探測(cè)器22能很好地跟蹤微懸臂針尖14。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(shí)因?yàn)檫@些部件一起運(yùn)動(dòng)，所以能達(dá)到跟蹤效果。但是在先技術(shù)1和在先技術(shù)2都明顯存在以下不足(1)在先技術(shù)1的光電探測(cè)器只有與微懸臂針尖間距非常小(少于100微米)才能保證測(cè)量精度，這要求激光聚焦點(diǎn)高精度地對(duì)齊微懸臂針尖的頂端。
(2)在先技術(shù)1，因?yàn)榧す舛O管太接近微懸臂針尖而沒法引入觀察微懸臂針尖和樣品的光學(xué)顯微鏡。
(3)在先技術(shù)2中，掃描時(shí)微懸臂針尖和激光器都相對(duì)光電探測(cè)器移動(dòng)，這導(dǎo)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(huì)相對(duì)光電探測(cè)器移動(dòng)。
(4)在先技術(shù)1中，掃描器要承載激光二極管和光電探測(cè)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(huì)導(dǎo)致掃描器共振頻率的下降，使掃描器對(duì)振動(dòng)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(cè)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
本實(shí)用新型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(jì)的針尖掃描的光點(diǎn)跟蹤裝置，它應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各單元部件易于調(diào)整和更換，激光聚焦光點(diǎn)在掃描過程中能穩(wěn)定地跟蹤微懸臂針尖的運(yùn)動(dòng)，保證微懸臂針尖沒有發(fā)生實(shí)際偏轉(zhuǎn)的情況下，反射光也不會(huì)相對(duì)光電探測(cè)器移動(dòng)。
本實(shí)用新型的基本思想首先整套裝置按模塊化思想設(shè)計(jì)，一旦單元部件出現(xiàn)問題可方便地進(jìn)行單元部件更換。我們把y向掃描器和y向掃描器上的反射體作為一個(gè)模塊，x向掃描器、x向掃描器上的反射體作為一個(gè)模塊，微懸臂針尖和微懸臂針尖的設(shè)置裝置以及聚焦透鏡作為一個(gè)模塊，z向掃描器作為一個(gè)模塊，激光器、成像透鏡和四象限光電探測(cè)器作為一個(gè)模塊。激光器發(fā)出的光經(jīng)y向掃描器上的反射體水平反射，然后在x向掃描器上的反射體上做垂直的向下反射，通過聚焦透鏡匯聚在微懸臂針尖背面的頂端。因?yàn)楣馐陔S掃描器移動(dòng)的反射體上反射，光束實(shí)際上也等于跟隨掃描器在xy方向上移動(dòng)，所以通過聚焦透鏡匯聚后能完全跟蹤在xy向上掃描的針尖。再調(diào)整四象限光電探測(cè)器在成像透鏡后一個(gè)特定的位置，保證從微懸臂針尖上反射的光不會(huì)相對(duì)光電探測(cè)器移動(dòng)，就可以很好的解決光點(diǎn)跟蹤的問題。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種針尖掃描的光點(diǎn)跟蹤裝置，其特征是該裝置由五個(gè)模塊構(gòu)成第一模塊包括y向掃描器及固定在其上的第一反射體，該y向掃描器是一具有中央長(zhǎng)方形孔的長(zhǎng)方塊結(jié)構(gòu)，第一反射體固定在該y向掃描器的上面，且第一反射體的反射面與入射光線成45°；第二模塊包括x向掃描器及固定在其上的第二反射體，所述的x向掃描器具有長(zhǎng)方塊的外觀，整體地固定在所述的y向掃描器中央的長(zhǎng)方形孔中，第二反射體跟第一反射體在同一水平面上，第二反射體的反射面于入射光線成45°；第三模塊即z向掃描器；第四模塊包括聚焦透鏡、微懸臂針尖和固定該微懸臂針尖的連接體，該微懸臂針尖固定在z向掃描器的下面的一連接體上，該微懸臂針尖的尖端位于聚焦透鏡下方焦點(diǎn)；第五模塊包括激光器、成像透鏡和四象限光電探測(cè)器，該四象限光電接收器放在成像透鏡焦平面，激光器和四象限光電探測(cè)器各有一個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；第五模塊固定在所有模塊的上方，且所述的激光器、第一反射體和第二反射體在同一平面上；第二模塊嵌固在第一模塊的長(zhǎng)方形孔中，第三模塊和第二模塊是組合在一起的，第二模塊的x向掃描器帶動(dòng)第三模塊、第四模塊和x向掃描器上的第二反射體在x方向上移動(dòng)，第一模塊的y向掃描器帶動(dòng)第二模塊、第三模塊、第四模塊和第一反射體在y方向上移動(dòng)。
所述的第一反射體和第二反射體為棱鏡或反射鏡。
所述的激光器是一臺(tái)含有調(diào)焦透鏡的準(zhǔn)直激光器。
所述的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為多維調(diào)整架所有模塊之間的連接關(guān)系都是方便拆卸的可調(diào)的結(jié)構(gòu)。例如螺紋連接，卡口連接等。
與在先技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)1)光點(diǎn)能非常好的跟蹤微懸臂針尖的運(yùn)動(dòng)，微懸臂針尖沒有實(shí)際偏轉(zhuǎn)的情況下，從微懸臂針尖反射的光也不會(huì)相對(duì)光電探測(cè)器移動(dòng)，而且不受掃描范圍限制；2)結(jié)構(gòu)合理，方便引入光學(xué)顯微鏡和CCD監(jiān)視系統(tǒng)，實(shí)時(shí)的觀測(cè)微懸臂針尖；3)掃描器只需要承載聚焦透鏡、針尖座和反射體(可用反射鏡代替)的重量，這些器件很輕，對(duì)掃描器的共振頻率沒什么影響；4)模塊化設(shè)計(jì)使得更換單元部件容易。



圖1在先技術(shù)一的原理示意圖圖2在先技術(shù)二的原理示意圖圖3本實(shí)用新型的立體分解結(jié)構(gòu)示意圖圖4本實(shí)用新型中四象限光電接收器位置確定說(shuō)明示意圖具體實(shí)施方式
先請(qǐng)參閱圖3，圖3是本實(shí)用新型針尖掃描的光點(diǎn)跟蹤裝置具體實(shí)施例的立體分解結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本實(shí)用新型針尖掃描的光點(diǎn)跟蹤裝置，是由五個(gè)模塊構(gòu)成的第一模塊1包括y向掃描器101及固定在其上的第一反射體102，該y向掃描器101是一具有中央長(zhǎng)方形孔103的長(zhǎng)方塊結(jié)構(gòu)，第一反射體102固定在該y向掃描器101的上面，且第一反射體102的反射面與入射光線成45°；第二模塊2包括x向掃描器201及固定在其上的第二反射體202，所述的x向掃描器201具有長(zhǎng)方塊的外觀，可整體地固定在所述的y向掃描器101中央的長(zhǎng)方形孔103中，第二反射體202跟第一反射體102在同一水平面上，第二反射體202的反射面于入射光線成45°；第三模塊3即z向掃描器301；第四模塊4包括聚焦透鏡403、微懸臂針尖401和固定該微懸臂針尖401的連接體402，該微懸臂針尖401固定在z向掃描器301的下面的一連接體402上，該微懸臂針尖401的尖端位于聚焦透鏡403下方焦點(diǎn)；第五模塊5包括激光器501、成像透鏡502和四象限光電探測(cè)器503，激光器501和四象限光電探測(cè)器503各有一個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；第五模塊5固定在所有模塊的上方，且所述的激光器501、第一反射體102和第二反射體202在同一平面上；第二模塊2嵌固在第一模塊1的長(zhǎng)方形孔103中，第三模塊3和第二模塊2是組合在一起的，第二模塊2的x向掃描器201帶動(dòng)第三模塊3、第四模塊4和x向掃描器201上的第二反射體202在x方向上移動(dòng)，第一模塊1的y向掃描器101帶動(dòng)第二模塊2、第三模塊3、第四模塊4和第一反射體102在y方向上移動(dòng)。
在本實(shí)施例中所述的第一反射體102和第二反射體202為直角棱鏡。
所述的激光器501是一臺(tái)含有調(diào)焦透鏡的準(zhǔn)直激光器。
所有模塊之間的連接關(guān)系都是方便拆卸的可調(diào)的結(jié)構(gòu)。
所述的第一反射體102和第二反射體202都可以用反射鏡替換。
所述的激光器501是一個(gè)包含由可調(diào)焦透鏡的激光器，可以直接輸出平行光。
本實(shí)用新型針尖掃描的光點(diǎn)跟蹤裝置的工作過程大致如下激光器501發(fā)出平行光，該平行光在第一反射體102上反射，從反射體102出來(lái)的水平方向的平行光，經(jīng)第二反射體202上反射，方向轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪毕蛳?，最后通過聚焦透鏡403匯聚到微懸臂針尖401的頂端。因?yàn)榈谝环瓷潴w102在y向掃描器101上跟隨y向掃描器101移動(dòng)，第二反射體202在x向掃描器201上，跟隨y向掃描器101和x向掃描器201在xy方向上移動(dòng)，所以經(jīng)過第一反射體102和第二反射體202的平行光經(jīng)聚焦透鏡403匯聚后，能完成對(duì)微懸臂針尖401的跟蹤。從微懸臂針尖401的頂端反射的光的跟蹤涉及四象限光電探測(cè)器503的擺放位置，它必須滿足一定的條件，反射光線的中心才不會(huì)相對(duì)四象限光電探測(cè)器503移動(dòng)。這個(gè)位置我們這樣選定我們把四象限光電探測(cè)器503放在成像透鏡502的焦平面上，如圖四所示。光線A和A’，B和B’，C和C’都是平行光線，對(duì)成像透鏡502，平行光線都會(huì)聚焦在成像透鏡502的焦平面上，所以我們放置四象限光電探測(cè)器503在此位置，通過四象限光電探測(cè)器503的調(diào)節(jié)裝置使四象限光電探測(cè)器503的中心對(duì)齊光線C和C’(C和C’代表反射光光軸的光線)在成像透鏡502焦平面上的交點(diǎn)，就可以保證掃描時(shí)，反射光斑中心與四象限光電接收器中心始終保持一致。激光器501的調(diào)整架(圖中未示)用來(lái)調(diào)整聚焦的光點(diǎn)到微懸臂針尖401的頂端。
另一具體實(shí)施例，激光器501采用包含了可調(diào)焦透鏡的半導(dǎo)體激光器，波長(zhǎng)650nm，反射體102和202用一般反射鏡替代，y向掃描器101和x向掃描器201采用市場(chǎng)采購(gòu)的壓電陶瓷掃描器，掃描范圍為0.1mm，聚焦透鏡403焦距為2cm，微懸臂針尖401保持與水平方向15度的夾角。四象限光電接收器503放在成像透鏡502焦平面位置附近，實(shí)驗(yàn)時(shí)使用調(diào)節(jié)架把四象限光電接收器503調(diào)到成像透鏡502焦平面上特定的位置。
權(quán)利要求
1.一種針尖掃描的光點(diǎn)跟蹤裝置，其特征是該裝置由五個(gè)模塊構(gòu)成第一模塊(1)包括y向掃描器(101)及固定在其上的第一反射體(102)，該y向掃描器(101)是一具有中央長(zhǎng)方形孔(103)的長(zhǎng)方塊結(jié)構(gòu)，第一反射體(102)固定在該y向掃描器(101)的上面，且第一反射體(102)的反射面與入射光線成45°；第二模塊(2)包括x向掃描器(201)及固定在其上的第二反射體(202)，所述的x向掃描器(201)具有長(zhǎng)方塊的外觀，整體地固定在所述的y向掃描器(101)中央的長(zhǎng)方形孔(103)中，第二反射體(202)跟第一反射體(102)在同一水平面上，第二反射體(202)的反射面于入射光線成45°；第三模塊(3)即z向掃描器(301)；第四模塊(4)包括聚焦透鏡(403)、微懸臂針尖(401)和固定該微懸臂針尖(401)的連接體(402)，該微懸臂針尖(401)固定在z向掃描器(301)的下面的一連接體(402)上，該微懸臂針尖(401)的尖端位于聚焦透鏡(403)下方焦點(diǎn)；第五模塊(5)包括激光器(501)、成像透鏡(502)和四象限光電探測(cè)器(503)，該四象限光電接收器(503)放在成像透鏡(502)焦平面，激光器(501)和四象限光電探測(cè)器(503)各有一個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；第五模塊(5)固定在所有模塊的上方，且所述的激光器(501)、第一反射體(102)和第二反射體(202)在同一平面上；第二模塊(2)嵌固在第一模塊(1)的長(zhǎng)方形孔(103)中，第三模塊(3)和第二模塊(2)是組合在一起的，第二模塊(2)的x向掃描器(201)帶動(dòng)第三模塊(3)、第四模塊(4)和x向掃描器(201)上的第二反射體(202)在x方向上移動(dòng)，第一模塊(1)的y向掃描器(101)帶動(dòng)第二模塊(2)、第三模塊(3)、第四模塊(4)和第一反射體(102)在y方向上移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的針尖掃描的光點(diǎn)跟蹤裝置，其特征是所述的第一反射體(102)和第二反射體(202)為棱鏡或反射鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的針尖掃描的光點(diǎn)跟蹤裝置，其特征是所述的激光器(501)是一臺(tái)含有調(diào)焦透鏡的準(zhǔn)直激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的針尖掃描的光點(diǎn)跟蹤裝置，其特征在于所述的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為多維調(diào)整架
5.根據(jù)權(quán)利要求
1-4任一項(xiàng)所述的針尖掃描的光點(diǎn)跟蹤裝置，其特征是所有模塊之間的連接關(guān)系都是方便拆卸的結(jié)構(gòu)。
專利摘要
一種針尖掃描的光點(diǎn)跟蹤裝置，其特征是該裝置由五個(gè)模塊構(gòu)成第一模塊包括y向掃描器及固定在其上的第一反射體，第二模塊包括x向掃描器及固定在其上的第二反射體，第三模塊即z向掃描器；第四模塊包括聚焦透鏡、微懸臂針尖和固定該微懸臂針尖的連接體，第五模塊包括激光器、成像透鏡和四象限光電探測(cè)器，該四象限光電接收器放在成像透鏡焦平面，激光器和四象限光電探測(cè)器各有一個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；本實(shí)用新型裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各模塊調(diào)整和更換方便，激光聚焦光點(diǎn)在掃描過程中能穩(wěn)定地跟蹤微懸臂針尖的運(yùn)動(dòng)，保證微懸臂針尖沒有發(fā)生實(shí)際偏轉(zhuǎn)的情況下，反射光也不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)光電探測(cè)器移動(dòng)。
文檔編號(hào)G01Q20/02GKCN2751298SQ200420110605
公開日2006年1月11日 申請(qǐng)日期2004年12月2日
發(fā)明者楊金濤, 徐文東, 吉小明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所, 上海愛建納米科技發(fā)展有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan