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，一般都配有一個觀察裝置，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運行的作用。在SPM的大多數(shù)應(yīng)用當中這幾乎是不可缺少的設(shè)備，因為SPM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，如果沒有觀察裝置的幫助，探測針尖極易在逼近和SPM運行過程中損壞。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，可采用較強的光，以便提高圖像的質(zhì)量；監(jiān)視SPM運行時需要較弱的光，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；有機殼7，機殼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上有不動立柱2，在不動立柱2的頂端套有可動套筒5，在可動套筒5套進不動立柱2的部位上有螺孔501，在不動立柱2套進可動套筒5對著可動套筒5的螺孔501的部位上有凹陷的導(dǎo)向槽201，有鎖緊螺釘3從可動套筒5的螺孔501內(nèi)旋進伸到不動立柱2上的導(dǎo)向槽201內(nèi)，可動套筒5內(nèi)置有壓簧4；所說的機殼7置于可動套筒5頂上壓在壓簧4上；在機殼7內(nèi)有不動投影物鏡11，光源9的發(fā)光中心o置于不動投影物鏡11的焦點上，與不動投影物鏡11構(gòu)成投影物鏡組的有可動投影物鏡1201，可動投影物鏡1201置于與機殼7活動連接的外套12內(nèi)，可動投影物鏡1201的焦點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與不動投影物鏡11之間，與不動投影物鏡11和可動投影物鏡1201的中心光軸oo1成45°角置放的中心點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o′而垂直于不動投影物鏡11和可動投影物鏡1201的中心光軸oo1，不動投影物鏡11經(jīng)半反半透分光板10反射的焦點在普通顯微物鏡8的物面A上。
如上所述的本實用新型的用于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上的不動立柱2，在不動立柱2的頂端同軸地套有可動套筒5，可動套筒5內(nèi)有壓簧4，可動套筒5套住不動立柱2的壁上有螺孔501，有鎖緊螺釘3由可動套筒5壁上的螺孔501內(nèi)旋進伸到不動立柱2的導(dǎo)向槽201內(nèi)，鎖緊螺釘3在不動立柱2上的導(dǎo)向槽201內(nèi)可以上下滑動，因此可動套筒5套住不動立柱2上端外部沿不動立柱2軸線的方向伸縮，但不會旋轉(zhuǎn)，當調(diào)到需要的高度時通過可動套筒5上螺孔501內(nèi)鎖緊螺釘3進一步旋進，頂在不動立柱2上，則可使可動套筒5與不動立柱2的相對位置固定(即鎖緊)。
顯微放大部分包括機殼7，機殼7置在上述的可動套筒5的頂上壓在壓簧4上，固定在機殼7內(nèi)的有光源9，在光源9發(fā)射的光束G前進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的透射光束前進方向上，對稱軸線位于中心光軸oo1上，依次置有的不動投影物鏡11、置于外套12內(nèi)的可動投影物鏡1201，光源9的發(fā)光中心o位于不動投影物鏡11的焦點上，由光源9發(fā)射的光束透過不動投影物鏡11后成為平行光，再透過可動投影物鏡1201后在可動投影物鏡1201的焦點o1處會聚成一點，此焦點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)過可動投影物鏡1201和不動投影物鏡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的分光面反射光進入通過半反半透分光板10的分光面的中心點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位于不動投影物鏡11的焦點上。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后會聚在接收面601上，也就說，探針針尖1301通過可動投影物鏡1201和不動投影物鏡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、不動投影物鏡11、普通顯微鏡物鏡8和攝像頭6均固定在機殼7內(nèi)；置放可動投影物鏡1201的外套12與機殼7外殼的連接是螺紋連接或卡口連接。可動投影物鏡1201同軸地裝在外套12內(nèi)，如果外套12與機殼7是螺紋連接，則外套12外有細牙螺紋，與機殼7外殼的相應(yīng)螺孔配合，也就是說，隨著外套12的旋進旋出，可動投影物鏡1201可邊旋轉(zhuǎn)邊沿著中心光軸oo1移動，實現(xiàn)精調(diào)焦，則在外套12可移動的范圍內(nèi)，也就是在可動投影物鏡1201可移動的范圍內(nèi)，通過移動可動投影物鏡1201，保證探針針尖1301位于可動投影物鏡1201的焦點o1上。如圖1所示。
所說的半反半透分光板10是一個表面上鍍有對光源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，首先松開鎖緊螺釘3，使機殼7和可動套筒5依靠壓簧4的彈性自然遠離底座1，由于凹陷的兩端是封閉的導(dǎo)向槽201的作用，可動套筒5不會完全離開不動立柱2，可動套筒5始終有一部分套在不動立柱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)不動投影物鏡11以及可動投影物鏡1201的透射后會聚于可動投影物鏡1201的焦點o1上。在底座1上移動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)可動投影物鏡1201會聚后的光斑中心附近。給機殼7施以向下(和重力方向一致)的外力，使機殼7向底座1方向逐漸移動，當探針針尖1301處的光斑最小時停止移動，并鎖緊鎖緊螺釘3。此時機殼7和可動套筒5與不動立柱2和底座1的相對位置就完全固定了，保證了探針針尖1301位于可動投影物鏡1201的焦點o1附近，實現(xiàn)了粗調(diào)焦。由探針針尖1301反射的光線，依次經(jīng)可動投影物鏡1201和不動投影物鏡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)投影物鏡可動組1201的外套12，使可動投影物鏡1201邊旋轉(zhuǎn)邊沿著中心光軸oo1移動，直到探針針尖1301放大的像位于攝像頭6的接收面601上，這時可看到清晰的探針針尖1301的像，也就是實現(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，此時探針針尖1301的像將位于圖像的中央。
本實用新型的優(yōu)點與在先技術(shù)相比，首先本實用新型的粗調(diào)焦和精調(diào)焦機構(gòu)非常簡單，采用上述的粗調(diào)焦機構(gòu)，當更換樣品或探針針尖1301需將SPM頭部移開時，只需松開鎖緊螺釘3，依據(jù)彈性，機殼7被彈起帶動可動投影物鏡1201遠離SPM頭部，這個動作迅速而安全。機殼7由于壓簧4有足夠的彈力不會反方向壓向SPM頭部，而且由于凹陷的封閉導(dǎo)向槽201，機殼7又不會彈出。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很長，精調(diào)焦機構(gòu)是需要的，本顯微裝置的外套12可以旋進旋出的機構(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(包括不動投影物鏡11和可動投影物鏡1201)可以是放大倍率為-1的投影物鏡，這樣的話，不動投影物鏡11和可動投影物鏡1201可以采用完全相同的透鏡組，加工成本降下來了；本實用新型的圖像放大功能由普通顯微鏡物鏡8承擔，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)靈活而且價格便宜，因為普通顯微鏡物鏡8的價格已經(jīng)非常便宜了?？偟恼f來，投影物鏡組的加入是本顯微裝置的關(guān)鍵，它達到了普通顯微鏡物鏡所不能達到的長工作距離和大數(shù)值孔徑的結(jié)合，實現(xiàn)了精調(diào)焦的功能(可動投影物鏡1201和不動投影物鏡11之間是平行光路)，同時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，當探針針尖1301處的光斑最小時粗調(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現(xiàn)它，并可使它具有與SPM一同工作時和諧的外觀。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或幾個濾光片或濾光膜，以減弱進入攝像頭6的來自SPM頭部的激光束，避免為同時看到探針針尖1301上的激光斑和探針針尖1301本身而使照明光強增強(較強的照明光束會對SPM工作產(chǎn)生影響)。



圖1是本實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。
具體實施方式
如圖1所示。光源9采用15W的硵素燈。投影物鏡組(包括可動投影物鏡1201以及不動投影物鏡11)的放大倍率為-1，工作距離50mm，數(shù)值孔徑0.25，可動投影物鏡1201以及不動投影物鏡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。具體實施本實用新型時，所用的生產(chǎn)成本很低，與掃描探針顯微鏡配套時，有和諧的外觀，完全達到上述的幾點要求。
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>有機殼(7)，機殼(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)上有不動立柱(2)，在不動立柱(2)的頂端套有可動套筒(5)，在可動套筒(5)套進不動立柱(2)的部位上有螺孔(501)，在不動立柱(2)套進可動套筒(5)對著可動套筒(5)的螺孔(501)的部位上有凹陷的導(dǎo)向槽(201)，有縮緊螺釘(3)從可動套筒(5)的螺孔(501)內(nèi)旋進伸到不動立柱(2)上的導(dǎo)向槽(201)內(nèi)，可動套筒(5)內(nèi)置有壓簧(4)；<4>所說的機殼(7)置于可動套筒(5)頂上壓在壓簧(4)上；<5>在機殼(7)內(nèi)有不動投影物鏡(11)，光源(9)的發(fā)光中心(o)置于不動投影物鏡(11)的焦點上，與不動投影物鏡(11)構(gòu)成投影物鏡組的有可動投影物鏡(1201)，可動投影物鏡(1201)置于與機殼(7)活動連接的外套(12)內(nèi)，可動投影物鏡(1201)的焦點(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)與不動投影物鏡(11)之間，與不動投影物鏡(11)和可動投影物鏡(1201)的中心光軸(oo1)成45°角置放的中心點(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(o′)而垂直于不動投影物鏡(11)和可動投影物鏡(1201)的中心光軸(oo1)，不動投影物鏡(11)經(jīng)半反半透分光板(10)反射的焦點在普通顯微物鏡(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立柱上的可動套筒內(nèi)的壓簧構(gòu)成的粗調(diào)焦機構(gòu)。置放可動投影物鏡的外套與機殼活動連接構(gòu)成的精調(diào)焦機構(gòu)。在置放在可動套筒頂上且壓在壓簧上面的機殼內(nèi)，置有由不動投影物鏡和可動投影物鏡構(gòu)成的投影物鏡組。光源的發(fā)光中心置于不動投影物鏡的焦點上。不動投影物鏡經(jīng)半反半透分光板反射光束的焦點在普通顯微物鏡的物面上。本實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)焦機構(gòu)簡單，操作方便，能夠準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)精密機械研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan