專利名稱:掃描探針顯微鏡上的觀察裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種掃描探針顯微鏡(以下簡稱為SPM)上的觀察裝置。主要適用的SPM是指利用光學(xué)杠桿原理探測針尖起伏的SPM。
背景技術(shù)：
SPM在提供給用戶時(shí)，一般都配有一個(gè)觀察裝置，它起到了選擇樣品測量區(qū)域，觀察探測針尖的逼近，監(jiān)視SPM運(yùn)行的作用。在SPM的大多數(shù)應(yīng)用當(dāng)中這幾乎是不可缺少的設(shè)備，因?yàn)镾PM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和SPM運(yùn)行過程中損壞。用于SPM上的觀察裝置與一般顯微鏡比較有許多特殊要求1、作為與SPM配合的獨(dú)立儀器，要求物鏡工作距離長(一般大于50mm)，以不妨礙SPM頭部的運(yùn)行。2、物鏡數(shù)值孔徑大，以便光線不被SPM頭部內(nèi)的反射鏡全部遮住。3、共光路反射式照明，光強(qiáng)可變，主要與SPM頭部的結(jié)構(gòu)和工作要求(選擇樣品測量區(qū)域、觀察探測針尖的逼近時(shí)，可采用較強(qiáng)的光，以便提高圖像的質(zhì)量；監(jiān)視SPM運(yùn)行時(shí)需要較弱的光，以便不引入噪聲)有關(guān)。4、采用電荷耦合器件(CCD)作為探測器與監(jiān)視器，方便觀察也便于SPM單獨(dú)防塵、溫濕度控制。5、為調(diào)節(jié)方便，有粗調(diào)焦(以便SPM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)中沒有一種顯微裝置能滿足上述所有要求。在先技術(shù)中的普通顯微裝置沒有那么大的工作距離(參見《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《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
本實(shí)用新型掃描探針顯微鏡上的觀察裝置，包括有底座1，置于底座1上有帶探針針尖1301的掃描探針顯微鏡頭部13；有機(jī)殼7，機(jī)殼7內(nèi)置有光源9，置有普通顯微物鏡8以及接收面601置放在普通顯微物鏡8像面o″上的攝像頭6；固定在底座1上有不動(dòng)立柱2，在不動(dòng)立柱2的頂端套有可動(dòng)套筒5，在可動(dòng)套筒5套進(jìn)不動(dòng)立柱2的部位上有螺孔501，在不動(dòng)立柱2套進(jìn)可動(dòng)套筒5對著可動(dòng)套筒5的螺孔501的部位上有凹陷的導(dǎo)向槽201，有鎖緊螺釘3從可動(dòng)套筒5的螺孔501內(nèi)旋進(jìn)伸到不動(dòng)立柱2上的導(dǎo)向槽201內(nèi)，可動(dòng)套筒5內(nèi)置有壓簧4；所說的機(jī)殼7置于可動(dòng)套筒5頂上壓在壓簧4上；在機(jī)殼7內(nèi)有不動(dòng)投影物鏡11，光源9的發(fā)光中心o置于不動(dòng)投影物鏡11的焦點(diǎn)上，與不動(dòng)投影物鏡11構(gòu)成投影物鏡組的有可動(dòng)投影物鏡1201，可動(dòng)投影物鏡1201置于與機(jī)殼7活動(dòng)連接的外套12內(nèi)，可動(dòng)投影物鏡1201的焦點(diǎn)o1焦在掃描探針顯微鏡頭部13上的探針針尖1301上；在光源9與不動(dòng)投影物鏡11之間，與不動(dòng)投影物鏡11和可動(dòng)投影物鏡1201的中心光軸oo1成45°角置放的中心點(diǎn)o′在中心光軸oo1上的半反半透分光板10；所說的普通顯微物鏡8的中心光軸o′o″穿過半反半透分光板10的中心點(diǎn)o′而垂直于不動(dòng)投影物鏡11和可動(dòng)投影物鏡1201的中心光軸oo1，不動(dòng)投影物鏡11經(jīng)半反半透分光板10反射的焦點(diǎn)在普通顯微物鏡8的物面A上。
如上所述的本實(shí)用新型的用于SPM上的觀察裝置，可以說包括三大部分，底座和掃描探針顯微頭部部分、粗調(diào)焦支架部分和顯微放大部分。
底座和掃描探針顯微頭部部分包括底座1和置于底座1上的掃描探針顯微鏡頭部13，掃描探針顯微鏡頭部13頂端固定有探針針尖1301。
粗調(diào)焦支架部分包括固定在底座1上的不動(dòng)立柱2，在不動(dòng)立柱2的頂端同軸地套有可動(dòng)套筒5，可動(dòng)套筒5內(nèi)有壓簧4，可動(dòng)套筒5套住不動(dòng)立柱2的壁上有螺孔501，有鎖緊螺釘3由可動(dòng)套筒5壁上的螺孔501內(nèi)旋進(jìn)伸到不動(dòng)立柱2的導(dǎo)向槽201內(nèi)，鎖緊螺釘3在不動(dòng)立柱2上的導(dǎo)向槽201內(nèi)可以上下滑動(dòng)，因此可動(dòng)套筒5套住不動(dòng)立柱2上端外部沿不動(dòng)立柱2軸線的方向伸縮，但不會(huì)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)調(diào)到需要的高度時(shí)通過可動(dòng)套筒5上螺孔501內(nèi)鎖緊螺釘3進(jìn)一步旋進(jìn)，頂在不動(dòng)立柱2上，則可使可動(dòng)套筒5與不動(dòng)立柱2的相對位置固定(即鎖緊)。
顯微放大部分包括機(jī)殼7，機(jī)殼7置在上述的可動(dòng)套筒5的頂上壓在壓簧4上，固定在機(jī)殼7內(nèi)的有光源9，在光源9發(fā)射的光束G前進(jìn)的方向上置有的半反半透分光板10，光源9的發(fā)射中心o和半反半透分光板10的分光面的中心o′的連線構(gòu)成中心光軸oo1，中心光軸oo1與不動(dòng)立柱2的軸線平行，半反半透分光板10的分光面與中心光軸oo1成45°角放置。在透過半反半透分光板10的透射光束前進(jìn)方向上，對稱軸線位于中心光軸oo1上，依次置有的不動(dòng)投影物鏡11、置于外套12內(nèi)的可動(dòng)投影物鏡1201，光源9的發(fā)光中心o位于不動(dòng)投影物鏡11的焦點(diǎn)上，由光源9發(fā)射的光束透過不動(dòng)投影物鏡11后成為平行光，再透過可動(dòng)投影物鏡1201后在可動(dòng)投影物鏡1201的焦點(diǎn)o1處會(huì)聚成一點(diǎn)，此焦點(diǎn)o1處恰好是掃描探針顯微鏡頭部13內(nèi)固定的探針針尖1301，由探針針尖1301反射的光束再經(jīng)過可動(dòng)投影物鏡1201和不動(dòng)投影物鏡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的分光面反射光進(jìn)入通過半反半透分光板10的分光面的中心點(diǎn)o′且與中心光軸oo1垂直的光軸o′o″上的普通顯微鏡物鏡8，再射入攝像頭6內(nèi)的接收面601上。普通顯微鏡物鏡8的物面A位于不動(dòng)投影物鏡11的焦點(diǎn)上。而接收面601位于普通顯微鏡物鏡8的像面o″上。光束經(jīng)半反半透分光板10的分光面反射后會(huì)聚在普通顯微鏡物鏡8的物面A上，經(jīng)過普通顯微鏡物鏡8后會(huì)聚在接收面601上，也就說，探針針尖1301通過可動(dòng)投影物鏡1201和不動(dòng)投影物鏡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顯微鏡物鏡8的物面A上，經(jīng)普通顯微鏡物鏡8成像在攝像頭6的接收面601上，以便觀察。半反半透分光板10、不動(dòng)投影物鏡11、普通顯微鏡物鏡8和攝像頭6均固定在機(jī)殼7內(nèi)；置放可動(dòng)投影物鏡1201的外套12與機(jī)殼7外殼的連接是螺紋連接或卡口連接。可動(dòng)投影物鏡1201同軸地裝在外套12內(nèi)，如果外套12與機(jī)殼7是螺紋連接，則外套12外有細(xì)牙螺紋，與機(jī)殼7外殼的相應(yīng)螺孔配合，也就是說，隨著外套12的旋進(jìn)旋出，可動(dòng)投影物鏡1201可邊旋轉(zhuǎn)邊沿著中心光軸oo1移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精調(diào)焦，則在外套12可移動(dòng)的范圍內(nèi)，也就是在可動(dòng)投影物鏡1201可移動(dòng)的范圍內(nèi)，通過移動(dòng)可動(dòng)投影物鏡1201，保證探針針尖1301位于可動(dòng)投影物鏡1201的焦點(diǎn)o1上。如圖1所示。
所說的半反半透分光板10是一個(gè)表面上鍍有對光源9發(fā)射的光束反射率為50％，透射率為50％的半反半透膜層的玻璃平行平板。所說的半反半透分光板10的分光面就是鍍有半反半透膜層的表面。
本實(shí)用新型的顯微裝置如上所述的結(jié)構(gòu)。觀察探針針尖1301時(shí)，首先松開鎖緊螺釘3，使機(jī)殼7和可動(dòng)套筒5依靠壓簧4的彈性自然遠(yuǎn)離底座1，由于凹陷的兩端是封閉的導(dǎo)向槽201的作用，可動(dòng)套筒5不會(huì)完全離開不動(dòng)立柱2，可動(dòng)套筒5始終有一部分套在不動(dòng)立柱2外。光源9發(fā)射的光束G透過半反半透分光板10后，依次經(jīng)不動(dòng)投影物鏡11以及可動(dòng)投影物鏡1201的透射后會(huì)聚于可動(dòng)投影物鏡1201的焦點(diǎn)o1上。在底座1上移動(dòng)掃描探針顯微鏡頭部13，使掃描探針顯微鏡頭部13內(nèi)的探針針尖1301位于中心光軸oo1的附近，也就是說位于經(jīng)可動(dòng)投影物鏡1201會(huì)聚后的光斑中心附近。給機(jī)殼7施以向下(和重力方向一致)的外力，使機(jī)殼7向底座1方向逐漸移動(dòng)，當(dāng)探針針尖1301處的光斑最小時(shí)停止移動(dòng)，并鎖緊鎖緊螺釘3。此時(shí)機(jī)殼7和可動(dòng)套筒5與不動(dòng)立柱2和底座1的相對位置就完全固定了，保證了探針針尖1301位于可動(dòng)投影物鏡1201的焦點(diǎn)o1附近，實(shí)現(xiàn)了粗調(diào)焦。由探針針尖1301反射的光線，依次經(jīng)可動(dòng)投影物鏡1201和不動(dòng)投影物鏡11后，在半反半透分光板10反射的光束經(jīng)過普通顯微鏡物鏡8后在攝像頭6的接收面601附近呈現(xiàn)探針針尖1301放大的像。旋轉(zhuǎn)投影物鏡可動(dòng)組1201的外套12，使可動(dòng)投影物鏡1201邊旋轉(zhuǎn)邊沿著中心光軸oo1移動(dòng)，直到探針針尖1301放大的像位于攝像頭6的接收面601上，這時(shí)可看到清晰的探針針尖1301的像，也就是實(shí)現(xiàn)了精調(diào)焦。若探針針尖1301的像不在圖像的中央即光軸o′o″上，可在底座1上繼續(xù)移動(dòng)掃描探針顯微鏡頭部13，使掃描探針顯微鏡頭部13內(nèi)的探針針尖1301位于中心光軸oo1上，此時(shí)探針針尖1301的像將位于圖像的中央。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)與在先技術(shù)相比，首先本實(shí)用新型的粗調(diào)焦和精調(diào)焦機(jī)構(gòu)非常簡單，采用上述的粗調(diào)焦機(jī)構(gòu)，當(dāng)更換樣品或探針針尖1301需將SPM頭部移開時(shí)，只需松開鎖緊螺釘3，依據(jù)彈性，機(jī)殼7被彈起帶動(dòng)可動(dòng)投影物鏡1201遠(yuǎn)離SPM頭部，這個(gè)動(dòng)作迅速而安全。機(jī)殼7由于壓簧4有足夠的彈力不會(huì)反方向壓向SPM頭部，而且由于凹陷的封閉導(dǎo)向槽201，機(jī)殼7又不會(huì)彈出。因SPM要求本顯微裝置有較大的數(shù)值孔徑，以便光線不被SPM頭部內(nèi)的反射鏡完全遮住，因此本顯微裝置的焦深就不會(huì)很長，精調(diào)焦機(jī)構(gòu)是需要的，本顯微裝置的外套12可以旋進(jìn)旋出的機(jī)構(gòu)完全可以滿足要求。其次光學(xué)系統(tǒng)非常簡單，投影物鏡組(包括不動(dòng)投影物鏡11和可動(dòng)投影物鏡1201)可以是放大倍率為-1的投影物鏡，這樣的話，不動(dòng)投影物鏡11和可動(dòng)投影物鏡1201可以采用完全相同的透鏡組，加工成本降下來了；本實(shí)用新型的圖像放大功能由普通顯微鏡物鏡8承擔(dān)，更換普通顯微鏡物鏡8，可以得到不同的放大倍數(shù)，這樣保證了系統(tǒng)靈活而且價(jià)格便宜，因?yàn)槠胀@微鏡物鏡8的價(jià)格已經(jīng)非常便宜了。總的說來，投影物鏡組的加入是本顯微裝置的關(guān)鍵，它達(dá)到了普通顯微鏡物鏡所不能達(dá)到的長工作距離和大數(shù)值孔徑的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了精調(diào)焦的功能(可動(dòng)投影物鏡1201和不動(dòng)投影物鏡11之間是平行光路)，同時(shí)照明光束也較容易地從投影物鏡組加入(不需要任何專門的照明用透鏡組或透鏡，是臨界照明方式，且便于判斷粗調(diào)焦的位置，也就是說，當(dāng)探針針尖1301處的光斑最小時(shí)粗調(diào)焦過程就可以結(jié)束了)。由于沒有一般顯微鏡的任何多余功能，容易做到極其簡單地實(shí)現(xiàn)它，并可使它具有與SPM一同工作時(shí)和諧的外觀。在純成像光路(從半反半透分光板10起，透過普通顯微鏡物鏡8直到攝像頭6的接收面601)的任何空氣間隔中或任何表面上都可以加一個(gè)或幾個(gè)濾光片或?yàn)V光膜，以減弱進(jìn)入攝像頭6的來自SPM頭部的激光束，避免為同時(shí)看到探針針尖1301上的激光斑和探針針尖1301本身而使照明光強(qiáng)增強(qiáng)(較強(qiáng)的照明光束會(huì)對SPM工作產(chǎn)生影響)。



圖1是本實(shí)用新型的掃描探針顯微鏡上的觀察裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示。光源9采用15W的硵素?zé)?。投影物鏡組(包括可動(dòng)投影物鏡1201以及不動(dòng)投影物鏡11)的放大倍率為-1，工作距離50mm，數(shù)值孔徑0.25，可動(dòng)投影物鏡1201以及不動(dòng)投影物鏡11均采用相同的雙膠合鏡片，焦距f＝56mm，對稱放置。普通顯微鏡物鏡8采用普通10倍金相顯微鏡物鏡。攝像頭6為1/4″彩色電荷耦合器(CCD)攝像頭。按上述的調(diào)整過程觀察探針針尖1301可以看到清晰的影像為止，分辨率優(yōu)于2μm。具體實(shí)施本實(shí)用新型時(shí)，所用的生產(chǎn)成本很低，與掃描探針顯微鏡配套時(shí)，有和諧的外觀，完全達(dá)到上述的幾點(diǎn)要求。
權(quán)利要求
1.一種掃描探針顯微鏡上的觀察裝置，包括<1>底座(1)，置于底座(1)上有帶探針針尖(1301)的掃描探針顯微鏡頭部(13)；<2>有機(jī)殼(7)，機(jī)殼(7)內(nèi)置有光源(9)，置有普通顯微物鏡(8)以及接收面(601)置放在普通顯微物鏡(8)像面(o″)上的攝像頭(6)；其特征在于<3>固定在底座(1)上有不動(dòng)立柱(2)，在不動(dòng)立柱(2)的頂端套有可動(dòng)套筒(5)，在可動(dòng)套筒(5)套進(jìn)不動(dòng)立柱(2)的部位上有螺孔(501)，在不動(dòng)立柱(2)套進(jìn)可動(dòng)套筒(5)對著可動(dòng)套筒(5)的螺孔(501)的部位上有凹陷的導(dǎo)向槽(201)，有縮緊螺釘(3)從可動(dòng)套筒(5)的螺孔(501)內(nèi)旋進(jìn)伸到不動(dòng)立柱(2)上的導(dǎo)向槽(201)內(nèi)，可動(dòng)套筒(5)內(nèi)置有壓簧(4)；<4>所說的機(jī)殼(7)置于可動(dòng)套筒(5)頂上壓在壓簧(4)上；<5>在機(jī)殼(7)內(nèi)有不動(dòng)投影物鏡(11)，光源(9)的發(fā)光中心(o)置于不動(dòng)投影物鏡(11)的焦點(diǎn)上，與不動(dòng)投影物鏡(11)構(gòu)成投影物鏡組的有可動(dòng)投影物鏡(1201)，可動(dòng)投影物鏡(1201)置于與機(jī)殼(7)活動(dòng)連接的外套(12)內(nèi)，可動(dòng)投影物鏡(1201)的焦點(diǎn)(o1)焦在掃描探針顯微裝置頭部(13)上的探針針尖(1301)上；<6>在光源(9)與不動(dòng)投影物鏡(11)之間，與不動(dòng)投影物鏡(11)和可動(dòng)投影物鏡(1201)的中心光軸(oo1)成45°角置放的中心點(diǎn)(o′)在中心光軸(oo1)上的半反半透分光板(10)；<7>所說的普通顯微物鏡(8)的中心光軸(o′o″)穿過半反半透分光板(10)的中心點(diǎn)(o′)而垂直于不動(dòng)投影物鏡(11)和可動(dòng)投影物鏡(1201)的中心光軸(oo1)，不動(dòng)投影物鏡(11)經(jīng)半反半透分光板(10)反射的焦點(diǎn)在普通顯微物鏡(8)的物面(A)上。
專利摘要
一種掃描探針顯微鏡上的觀察裝置，包括由套在底座上不動(dòng)立柱上的可動(dòng)套筒內(nèi)的壓簧構(gòu)成的粗調(diào)焦機(jī)構(gòu)。置放可動(dòng)投影物鏡的外套與機(jī)殼活動(dòng)連接構(gòu)成的精調(diào)焦機(jī)構(gòu)。在置放在可動(dòng)套筒頂上且壓在壓簧上面的機(jī)殼內(nèi)，置有由不動(dòng)投影物鏡和可動(dòng)投影物鏡構(gòu)成的投影物鏡組。光源的發(fā)光中心置于不動(dòng)投影物鏡的焦點(diǎn)上。不動(dòng)投影物鏡經(jīng)半反半透分光板反射光束的焦點(diǎn)在普通顯微物鏡的物面上。本實(shí)用新型的觀察裝置符合掃描探針顯微鏡對觀察顯微鏡的要求，具有較長的工作距離，較大的數(shù)值孔徑，調(diào)焦機(jī)構(gòu)簡單，操作方便，能夠準(zhǔn)確方便地觀察掃描探針顯微鏡頭部上的探針針尖。
文檔編號G01Q20/02GKCN2577274SQ02260944
公開日2003年10月1日 申請日期2002年10月24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)械研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan