專利名稱：一種光學顯微－原子力顯微雙探頭成像方法及裝置的制作方法
技術領域：
本 發(fā)明涉及一種光學顯微一原子力顯微雙探頭成像方法及裝置。用于對樣品同時 進行大范圍的實時光學顯微觀察和局部區(qū)域的高分辨納米結構的觀察和測量。
背景技術：
科學技術的一個重要趨勢是朝小尺寸、大容量、高速度和低能耗方向快速發(fā)展，人 類對微觀世界的探索已逐漸由微米技術向納米技術延伸，由此推動了國民經(jīng)濟和人類社會 的進步。微納米技術是新世紀各主要國家優(yōu)先規(guī)劃發(fā)展的核心科技，隨著微納米技術的飛 速發(fā)展，對微納米顯微檢測的要求也越來越高。由于光學顯微鏡具有非接觸、無損傷、可探 測樣品內(nèi)部的特點，在許多科學領域中都是離不開光學顯微鏡，事實上，對固定樣品和活體 樣品的生物結構和過程的觀察，使得光學顯微鏡成為絕大多數(shù)生命科學研究的必備儀器。 但是，由于受到光波長及衍射極限的限制，傳統(tǒng)遠場光學顯微鏡的分辨率僅能達到可見光 (380 780 nm)的半波長數(shù)量級，即0.2 mm左右。近幾十年發(fā)展起來的以原子力顯微鏡 (AFM)、掃描隧道顯微鏡(STM)等掃描探針顯微鏡(SPM)技術為主要代表的微納米檢測技 術，分辨率都已經(jīng)遠遠超過光學顯微鏡，但它們所獲得的是經(jīng)過掃描檢測并重建的樣品圖 像，無法實現(xiàn)像光學顯微鏡那樣的直接而實時的觀察和圖像獲取。為了解決這些局限性，本 發(fā)明采用一種光學顯微一原子力顯微雙探頭成像方法，對樣品同時進行實時大范圍的顯微 觀察，以及局部區(qū)域的高分辨的微納米結構的觀察和檢測，滿足我國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展、 科學技術及國防等領域的國家需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種光學顯微一原子力顯微雙探頭成 像方法及裝置。光學顯微一原子力顯微雙探頭成像方法是同時采用光學顯微和原子力顯微檢測 方法，對同一樣品進行大范圍的實時光學顯微觀察和局部區(qū)域的高分辨微納米結構的觀察 和測量；調節(jié)光學顯微探頭的Z向移動軌道和物鏡的放大倍數(shù)，把捕獲到的光學顯微圖通 過CCD探測頭采集，再經(jīng)過圖像采集卡輸入計算機，最后經(jīng)圖像顯示屏實時顯示；同時在光 學顯微探頭的監(jiān)控下，移動原子力顯微探頭到所需區(qū)域進行高分辨微納米檢測。原子力顯 微探頭采用樣品固定、微探針掃描的方法，引入一個隨掃描器一起掃描的一小透鏡，其XY 掃描移動量與微探針始終一樣，實現(xiàn)光路的跟蹤，在光電探測器前的另一小透鏡，實現(xiàn)高精 度的Z向反饋控制和高分辨率的XY掃描成像，利用針尖與樣品之間的微弱原子力，使微懸 臂產(chǎn)生偏轉，通過光電檢測方法檢測偏轉量的大小，從而在針尖與樣品作相對掃描的過程 中獲取樣品表面的三維高分辨納米結構形貌。原子力顯微檢測探頭包括第一 L型固定塊、第一 Z向移動軌道、第一三角形固定 塊、原子力顯微探頭橫梁、單管壓電掃描器、激光器、光電探測筒、第三固定塊、第四固定塊、 微懸臂探針、第一小透鏡、第二小透鏡、光電探測器、前置放大器、信號處理與控制放大模塊、A/D&D/A接口卡、計算機、圖像顯示屏；第一 L型固定塊上依次安裝有第一 Z向移動軌 道、第一三角形固定塊、原子力顯微探頭橫梁，原子力顯微探頭橫梁上依次安裝有單管壓電 掃描器、激光器、光電探測筒，單管壓電掃描器上依次安裝第三固定塊、第四固定塊、微懸臂 探針，第三固定塊右側安裝第一小透鏡，光電探測筒內(nèi)依次安裝第二小透鏡和光電探測器， 光電探測器依次連接前置放大器、信號處理與控制放大模塊，A/D&D/A接口卡、計算機和圖 像顯示屏，單管壓電掃描器同時通過導線和信號處理與控制放大模塊相連，掃描器控制信 號由計算機產(chǎn)生，通過A/D&D/A接口卡再到信號處理與控制放大模塊。所述的光學顯微探頭包括第二 L型固定塊、第二 Z向移動軌道、第二個三角形固定 塊、光學顯微探頭橫梁、光學顯微物鏡筒、物鏡、反射鏡、光學顯微目鏡筒、目鏡組、CXD探測 頭、圖象采集卡、計算機、圖像顯示屏；第二 L型固定塊上依次安裝第二 Z向移動軌道、第二 個三角形固定塊和光學顯微探頭橫梁，光學顯微探頭橫梁下方依次安裝光學顯微物鏡筒和 物鏡，光學顯微探頭橫梁上方依次安裝反射鏡、光學顯微目鏡筒、目鏡組和CXD探測頭，CXD 探測頭通過圖象采集卡和計算機相連，最終通過圖像顯示屏顯示。本發(fā)明的光學顯微一原子力顯微雙探頭成像方法及裝置，其優(yōu)點是結構簡潔，技 術條件易于實現(xiàn)?？朔藛我还鈱W顯微鏡分辨率低、常規(guī)樣品掃描式AFM無法實時觀察和 探測樣品內(nèi)部且僅適用于小樣品的小范圍檢測的局限性?？赏谖⒓{米檢測、微納米加工 制備及微納米操控等領域得到廣泛應用。


圖1是光學顯微一原子力顯微雙探頭成像裝置示意圖； 圖2是原子力顯微探頭的截面視圖及其工作框圖3是光學顯微探頭的截面視圖及其工作框圖中原子力顯微探頭1、光學顯微探頭2、第一滑動塊3、第二滑動塊4、光學平臺5、Y 向步進電控平移臺6、樣品臺7、待測樣品8、第1固定塊9、第2固定塊10、第一支撐柱11、 第二支撐柱12、支撐梁13、X向步進電控平移臺14、第一 L型固定塊15、第一 Z向移動軌道 16、第一三角形固定塊17、原子力顯微探頭橫梁18、單管壓電掃描器19、激光器20、光電探 測筒21、第三固定塊22、第四固定塊23、微懸臂探針24、第一小透鏡25、第二小透鏡26、光 電探測器27、前置放大器28、信號處理與控制放大模塊29、A/D&D/A接口卡30、計算機31、 圖像顯示屏32、第二 L型固定塊33、第二 Z向移動軌道34、第二個三角形固定塊35、光學顯 微探頭橫梁36、光學顯微物鏡筒37、物鏡38、反射鏡39、光學顯微目鏡筒40、目鏡組41、(XD 探測頭42、圖象采集卡43。
具體實施例方式本發(fā)明采用光學顯微一原子力顯微雙探頭成像方法對樣品進行實時大范圍的光 學顯微觀察的同時在樣品的局部區(qū)域進行高分辨的微納米性能測量。如圖1所示，光學顯微一原子力顯微雙探頭成像裝置包括原子力顯微探頭1、光學 顯微探頭2、第一滑動塊3、第二滑動塊4、光學平臺5、Y向步進電控平移臺6、樣品臺7、待 測樣品8、第1固定塊9、第2固定塊10、第一支撐柱11、第二支撐柱12、支撐梁13、X向步 進電控平移臺14 ；原子力顯微探頭1和光學顯微探頭2，分別固定在第一滑動塊3和第二滑動塊4上，然后安裝在X向步進電控平移臺14上，X向步進電控平移臺14固定在支撐梁13 上，光學平臺5上依次安裝有Y向步進電控平移臺6、樣品臺7、以及由第一固定塊9、第2固 定塊10、第一支 撐柱11、第二支撐柱12、支撐梁13構成的支撐架。如圖2所示，所述的原子力顯微探頭1包括第一 L型固定塊15、第一 Z向移動軌道
16、第一三角形固定塊17、原子力顯微探頭橫梁18、單管壓電掃描器19、激光器20、光電探 測筒21、第三固定塊22、第四固定塊23、微懸臂探針24、第一小透鏡25、第二小透鏡26、光 電探測器27、前置放大器28、信號處理與控制放大模塊29、A/D&D/A接口卡30、計算機31、 圖像顯示屏32 ；第一 L型固定塊15上依次安裝有第一 Z向移動軌道16、第一三角形固定塊
17、原子力顯微探頭橫梁17，原子力顯微探頭橫梁18上依次安裝有單管壓電掃描器19、激 光器20、光電探測筒21，單管壓電掃描器19上依次安裝第三固定塊22、第四固定塊23、微 懸臂探針24，第三固定塊22右側安裝第一小透鏡25，光電探測筒21內(nèi)依次安裝第二小透 鏡26和光電探測器27，光電探測器27依次連接前置放大器28、信號處理與控制放大模塊 29，A/D&D/A接口卡30、計算機31和圖像顯示屏32，單管壓電掃描器19同時通過導線和 信號處理與控制放大模塊29相連，掃描器控制信號由計算機31產(chǎn)生，通過A/D&D/A接口卡 30再到信號處理與控制放大模塊29。如圖3所示，所述的光學顯微探頭2包括第二 L型固定塊33、第二 Z向移動軌道 34、第二個三角形固定塊35、光學顯微探頭橫梁36、光學顯微物鏡筒37、物鏡38、反射鏡39、 光學顯微目鏡筒40、目鏡組41、(XD探測頭42、圖象采集卡43、計算機31和圖像顯示屏32 ； 第二 L型固定塊33上依次安裝第二 Z向移動軌道34、第二個三角形固定塊35和光學顯微 探頭橫梁36，光學顯微探頭橫梁36下方依次安裝光學顯微物鏡筒37和物鏡38，光學顯微 探頭橫梁36上方依次安裝反射鏡39、光學顯微目鏡筒40、目鏡組41和CXD探測頭42，CXD 探測頭42通過圖象采集卡43和計算機31相連，最終通過圖像顯示屏32實時顯示圖像。光學顯微一原子力顯微雙探頭成像方法是同時采用光學顯微和原子力顯微檢測 方法，對同一樣品進行大范圍的實時光學顯微觀察和局部區(qū)域的高分辨微納米結構的觀察 和測量；調節(jié)光學顯微探頭的Z向移動軌道和物鏡的放大倍數(shù)，把捕獲到的光學顯微圖通 過CCD探測頭采集，再經(jīng)過圖像采集卡輸入計算機，最后經(jīng)圖像顯示屏實時顯示；同時在光 學顯微探頭的監(jiān)控下，移動原子力顯微探頭到所需區(qū)域進行高分辨微納米檢測。原子力顯 微探頭采用樣品固定、微探針掃描的方法，引入一個隨掃描器一起掃描的一小透鏡，其XY 掃描移動量與微探針始終一樣，實現(xiàn)光路的跟蹤，在光電探測器前的另一小透鏡，實現(xiàn)高精 度的Z向反饋控制和高分辨率的XY掃描成像，利用針尖與樣品之間的微弱原子力，使微懸 臂產(chǎn)生偏轉，通過光電檢測方法檢測偏轉量的大小，從而在針尖與樣品作相對掃描的過程 中獲取樣品表面的三維高分辨納米結構形貌。本發(fā)明采用光學顯微探頭對樣品進行實時大范圍的光學顯微觀察，尤其是活體樣 品的生物結構和過程的觀察。調節(jié)光學顯微探頭的Z向移動軌道和物鏡的放大倍數(shù)，把捕 獲到的光學顯微圖通過CXD探測頭采集，再經(jīng)過圖像采集卡輸入計算機，最后經(jīng)圖像顯示 屏顯示。同時在光學顯微探頭的監(jiān)控下，移動原子力顯微探頭到所需區(qū)域進行高分辨、掃描 范圍在4umX4 um 100 umXIOO um的微納米結構和性能的檢測。原子力顯微探頭采用樣 品固定、微探針掃描的方法，引入一個隨掃描器一起掃描的一小透鏡，其XY掃描移動量與 微探針始終一樣，即微探針始終位于小透鏡的焦點處，在較大范圍(如100 um XlOO um)掃描過程中，通過小透鏡聚焦而成的激光光斑始終對準微懸臂，從而有效地實現(xiàn)了光路的跟 蹤，在光電探測器前的另一小透鏡，既避免了 Z向反饋造成的系統(tǒng)誤差，又同時保持了光束 偏轉法的高靈敏度及高分辨率，從而實現(xiàn)較大范圍高精度的Z向反饋控制和高分辨率的XY 掃描成像，利用針尖與樣品之間的微弱原子力，使微懸臂產(chǎn)生偏轉，通 過光電檢測方法檢測 偏轉量的大小，從而在針尖與樣品作相對掃描的過程中獲取樣品表面的三維高分辨納米結 構形貌；采用開放式的樣品臺和χ、γ步進移動平臺，實現(xiàn)對大尺寸、大重量樣品任意區(qū)域表 面進行微納米掃描檢測。
權利要求
1.一種光學顯微一原子力顯微雙探頭成像方法，其特征在于同時采用光學顯微和原子 力顯微檢測方法，對同一樣品進行大范圍的實時光學顯微觀察和局部區(qū)域的高分辨微納米 結構的觀察和測量；調節(jié)光學顯微探頭的Z向移動軌道和物鏡的放大倍數(shù)，把捕獲到的光 學顯微圖通過CXD探測頭采集，再經(jīng)過圖像采集卡輸入計算機，最后經(jīng)圖像顯示屏實時顯 示；同時在光學顯微探頭的監(jiān)控下，移動原子力顯微探頭到所需區(qū)域進行高分辨微納米檢 測，原子力顯微探頭采用樣品固定、微探針掃描的方法，引入一個隨掃描器一起掃描的一小 透鏡，其XY掃描移動量與微探針始終一樣，實現(xiàn)光路的跟蹤，在光電探測器前的另一小透 鏡，實現(xiàn)高精度的Z向反饋控制和高分辨率的XY掃描成像，利用針尖與樣品之間的微弱原 子力，使微懸臂產(chǎn)生偏轉，通過光電檢測方法檢測偏轉量的大小，從而在針尖與樣品作相對 掃描的過程中獲取樣品表面的三維高分辨納米結構形貌。
2.一種光學顯微一原子力顯微雙探頭顯微檢測裝置，其特征在于包括原子力顯微探頭(1)、光學顯微探頭(2)、第一滑動塊(3)、第二滑動塊(4)、光學平臺(5)、Y向步進電控平移 臺(6)、樣品臺(7)、待測樣品(8)、第一固定塊(9)、第2固定塊(10)、第一支撐柱(11)、第二 支撐柱(12)、支撐梁(13)、X向步進電控平移臺(14);原子力顯微探頭(1)和光學顯微探頭(2)分別固定在第一滑動塊(3)和第二滑動塊(4)上，然后安裝在X向步進電控平移臺(14) 上，X向步進電控平移臺(14)固定在支撐梁(13)上，光學平臺(5)上依次安裝有Y向步進 電控平移臺(6)和樣品臺(7)，以及由第一固定塊(9)、第2固定塊(10)、第一支撐柱(11)、 第二支撐柱(12)、支撐梁(13)構成的支撐架。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種光學顯微一原子力顯微雙探頭顯微檢測裝置，其特征在 于所述的原子力顯微探頭(1)包括第一 L型固定塊(15)、第一 Z向移動軌道(16)、第一三角 形固定塊(17)、原子力顯微探頭橫梁(18)、單管壓電掃描器(19)、激光器(20)、光電探測筒 (21)、第三固定塊(22)、第四固定塊(23)、微懸臂探針(24)、第一小透鏡(25)、第二小透鏡 (26)、光電探測器(27)、前置放大器(28)、信號處理與控制放大模塊(29)、A/D&D/A接口卡 (30)、計算機(31)、圖像顯示屏(32);第一 L型固定塊(15)上依次安裝有第一 Z向移動軌道 (16)、第一三角形固定塊(17)、原子力顯微探頭橫梁(17)，原子力顯微探頭橫梁(18)上依 次安裝有單管壓電掃描器(19)、激光器(20)、光電探測筒(21)，單管壓電掃描器(19)上依 次安裝第三固定塊(22)、第四固定塊(23)、微懸臂探針(24)，第三固定塊(22)右側安裝第 一小透鏡(25 )，光電探測筒(21)內(nèi)依次安裝第二小透鏡(26 )和光電探測器(27 )，光電探測 器(27)依次連接前置放大器(28)、信號處理與控制放大模塊(29)，A/D&D/A接口卡(30)、 計算機(31)和圖像顯示屏(32)，單管壓電掃描器(19)同時通過導線和信號處理與控制放 大模塊(29)相連，掃描器控制信號由計算機(31)產(chǎn)生，通過A/D&D/A接口卡(30)再到信號 處理與控制放大模塊(29)。
4.根據(jù)權利要求2所述的一種光學顯微一原子力顯微雙探頭顯微檢測裝置，其特征在 于所述的光學顯微探頭(2)包括第二 L型固定塊(33)、第二 Z向移動軌道(34)、第二個三 角形固定塊(35)、光學顯微探頭橫梁(36)、光學顯微物鏡筒(37)、物鏡(38)、反射鏡(39)、 光學顯微目鏡筒(40)、目鏡組(41)、CXD探測頭(42)、圖象采集卡(43)、計算機(31)、圖像 顯示屏(32)；第二 L型固定塊(33)上依次安裝第二 Z向移動軌道(34)、第二個三角形固 定塊(35 )和光學顯微探頭橫梁(36 )，光學顯微探頭橫梁(36 )下方依次安裝光學顯微物鏡 筒(37)和物鏡(38)，光學顯微探頭橫梁(36)上方依次安裝反射鏡(39)、光學顯微目鏡筒(40)、目鏡組(41)和CCD探測頭(42), CCD探測頭(42)通過圖象采集卡(43)和計算機(31) 相連，通過圖像顯示屏(32)顯示。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光學顯微－原子力顯微雙探頭成像方法及裝置。它具有激光器、微透鏡和單管壓電陶瓷及微懸臂探針組成的掃描器、位置敏感探測單元和光電檢測與反饋測量控制系統(tǒng)等構成的原子力顯微探頭，以及顯微物鏡組和顯微目鏡組組成的光學顯微探頭，CCD檢測頭和數(shù)據(jù)圖像采集系統(tǒng)、Z向移動機構、XY步進移動機構和開放式大樣品臺。本發(fā)明的光學顯微-原子力顯微雙探頭系統(tǒng)可以同時解決大范圍的實時光學顯微觀察和局部的高分辨納米結構和性能的觀察和測量。
文檔編號G01N21/84GK102095898SQ201110022879
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月20日 優(yōu)先權日2011年1月20日
發(fā)明者吳蘭, 張冬仙, 李方浩, 章海軍 申請人:浙江大學