模块化扫描探针显微镜制造技术

一种与倒置荧光显微镜结合的模块化扫描探针显微镜，它由五个模块组成：第一模块为倒置荧光显微镜；第二模块是三爪逼近装置；第三模块是扫描头；第四模块包括透明样品台和Ｘ、Ｙ、Ｚ三维扫描器；第五模块是激光显微扩展模块。本实用新型专利技术模块化结构，利用各部分模块又很容易搭建不同结构的扫描探针显微镜，大大降低了购买各项仪器的成本；三维扫描器的共用除了实现荧光倒置显微镜的原有功能外，结合所有模块还可实现显微镜物镜照射和收集的特殊扫描近场光学显微镜功能、确定区域和确定目标的观察、激光共焦显微镜检测以及其他一些以探针为主或以显微镜为主的操作和加工工作。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及扫描探针显微镜，特别是一种与荧光倒置显微镜结合的模块化扫描探针显微镜。
技术介绍
扫描探针显微镜(以下简称SPM)是具有超高空间分辨率的表面测量仪器，使用方便，可进行纳米检测、操作和加工。大多数现有扫描探针显微镜都采用固定的结构，因此只适用于某些特定的应用，例如有的只适合小样品扫描，有的只适用于不透明样品检测。SPM与荧光倒置显微镜及三维扫描样品台的结合能够准确定位样品上的待扫描目标及针尖的位置，采用样品扫描针尖的方式可以在照明光斑很小的情况下保证针尖与照明光斑的高度重合，从而提高测试图像的对比度。物体的发光、物体的荧光标记、物体改变光特征的性质使光学显微镜成为生命科学和材料科学研究最重要的工具之一，而倒置显微镜是光学显微镜中功能最强大的显微镜，与SPM的结合将产生两者单独不能产生的功能。 在先技术结合光学显微镜的扫描探针显微镜(专利技术专利，专利号USA005850038A)中，如图1、图2所示整套装置由SPM测试元件114结合倒置光学显微镜130两部分组成。SPM测试元件114包括Z向扫描台116、位置探测系统118(包括激光光源120、分色镜122、光点位置感应器124)、悬臂支座126、悬臂探针128和样品台142，倒置光学显微镜130包括物镜132、目镜134、图像采集设备136、监视器138、激光开关150、分光装置166和反光镜168。工作时，由Z向扫描台116实现悬臂探针128向样品台142的逼近，然后开始样品扫描，扫描过程中光点位置感应器124检测悬臂探针128的Z向位移。对测量样品的观察和对悬臂探针128与样品台142间相对位置的观察通过监视器138来获得，而对于荧光观察是直接通过倒置光学显微镜130的目镜134来完成。该技术结构、原理简单，比较容易实现，但是明显存在以下不足1、倒置显微镜和扫描探针显微镜的简单结合只能完成两者原有的基本功能，不能根据不同需要进行特殊工作，无法降低仪器成本。 2、该技术没有独立的粗逼近机构，不方便通过简单地更换头部针尖在同一套粗逼近装置上实现AFM和SNOM功能，进而实现SPM基础上的其他功能，如激光共焦显微镜检测、以探针为主或以显微镜为主的操作和加工等。 3、样品台XYZ三个方向不可扫描，不能实现微米水平待扫描区域的选择，由于采用探针扫描样品的方式，不利于针尖与照明光斑的准确重合，降低了扫描图像的对比度。 4、荧光观察时，照明光没有经过透镜系统会聚后直接照在样品上，而是利用微悬臂探针末端未被反射的部分透射过样品的光进入物镜，这样不能均匀照明整个视场，且观察光非常弱，因此荧光成像不理想。
技术实现思路
本技术的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种模块化扫描探针显微镜，本技术与荧光倒置显微镜结合的模块化扫描近场探针显微镜的调整和更换方便，利用各部分模块又很容易搭建不同结构的扫描探针显微镜，大大降低了购买各项仪器的成本；三维扫描器的共用除了实现荧光倒置显微镜的原有功能外，结合所有模块还可实现显微镜物镜照射和收集的特殊扫描近场光学显微镜(SNOM)功能、确定区域和确定目标的观察、激光共焦显微镜检测以及其他一些以探针为主或以显微镜为主的操作和加工工作。 本技术的技术解决方案如下一种模块化扫描探针显微镜，它由五个模块组成第一模块为倒置荧光显微镜；第二模块是三爪逼近装置，包括步进电机、2个手动粗调结构、照明发光二极管和CCD；第三模块是扫描头部，第四模块包括透明样品台和X、Y、Z三维扫描器；第五模块是激光显微扩展模块，包括第三反射镜、分束镜、第三透镜、第一针孔、第四透镜、激光器、第五透镜、第二针孔和PMT探测器；所述的第一模块的CCD摄像头和物镜系统组合在一起，CCD摄像头的输出信号供给监视器；第二模块(2)通过步进电机及两个手动粗调结构的轴端与第四模块接触联结；第三模块根据采用的扫描头部的不同而有所差别；第四模块的X、Y、Z向三维平板扫描器中间有方形通孔；透明样品台通过粘接固定在X、Y、Z向三维平板扫描器的方形通孔上方，再一起通过螺钉固定在第一模块上；第一模块(1)的物镜系统到探针针尖的距离等于第一模块的工作距离，第一模块的照明装置、物镜系统、样品和探针针尖同轴，第五模块通过螺钉固定在第一模块物镜系统下方，由激光器输出的激光束经第四透镜、第一针孔及第三透镜后，成为较均匀的准直光束，经分束镜、第三反射镜和物镜系统后会聚于透明样品台上的样品某一点，该点反射光(或透射光、或受激辐射的荧光)又经物镜系统后被反射镜和分束镜反射到探测光路，由第五透镜将其聚焦于第二针孔，被PMT探测器接收，并将其输入计算机进行存储。 所述的第三模块是扫描头为扫描近场光学显微镜扫描头，或原子力显微镜扫描头，或弯曲的无孔径探针扫描头。 所述的扫描近场光学显微镜扫描头包括探针针尖。 所述的原子力显微镜(AFM)扫描头，包括微悬臂探针针尖、第一透镜、第一反射镜、第二反射镜和第二透镜。 所述的弯曲的无孔径探针扫描头，包括弯曲的无孔径探针和振动压电台。 将第一模块、第四模块、第五模块组合可以实现共焦扫描激光显微镜检测功能；将第一模块、第二模块、第三模块扫描近场光学显微镜扫描头、第四模块组合可以实现扫描近场光学显微镜的功能；模块第一模块、第二模块、第三模块的原子力显微镜(AFM)扫描头和第四模块组合，可以实现样品扫描针尖的原子力显微镜；将第一模块、第二模块、第三模块的弯曲的无孔径探针扫描头和第四模块组合可以实现显微镜照明、收集模式的特殊扫描近场光学显微镜。 与现有技术相比，本技术的技术效果如下1.本技术把组成扫描探针显微镜的各单元器件集成为具有一定功能的较小模块，可以在不破坏倒置显微镜原有结构的基础上方便利用这些模块快速搭建成不同结构的显微镜，以适应各种不同功能的需要，大大降低了购买各个仪器的费用；2.采用可拆卸微位移扫描样品台，在不破坏原结构基础上采用XYZ三维扫描器替换倒置显微镜样品台，可以带较大重量的负载，而且在带负载的情况下还可以保证很高的共振频率，不会影响到整个显微镜系统的性能，在探针扰动下，通过中间有通孔的XYZ三维扫描器样品台，采用样品扫描针尖模式，可以实现显微镜物镜照射和收集的特殊扫描近场光学显微镜(SNOM)功能；3.三爪粗逼近结构作为一个模块，可以承载AFM头部和SNOM头部，并在此基础上实现SPM所有功能，进行高分辨率观察样品的形貌和研究其他表面特征；4.光学显微镜与XYZ三维扫描器的结合，可实现确定区域和确定目标的观察及微米水平待扫描区域的选择； 5.在荧光倒置显微镜的基础上，通过光谱分光棱镜和其他自行设计光学元件，加入激光光束和带小孔的光电倍增管，使之成为激光共焦扫描显微镜，结构更为小型化，荧光成像更为理想。 附图说明 图1是在先技术结合光学显微镜的扫描探针显微镜原理示意图。 图2是在先技术结合光学显微镜的扫描探针显微镜测试元件结构示意图。 图3是本技术与荧光倒置显微镜结合的模块化扫描探针显微镜的原理示意图图4是本技术第五模块激光显微扩展模块的原理结构示意图图5是本技术实施例1的原理示意图图6是本技术实施例2的原理示意图图7是本技术实施例3的原理示意图图8是本技术实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模块化扫描探针显微镜，其特征在于它由五个模块组成：第一模块（１）为倒置荧光显微镜；第二模块（２）是三爪逼近装置，包括步进电机（２０１）、２个手动粗调结构（２０２）、照明发光二极管（２０３）和ＣＣＤ（２０４）；第三模块（３）是扫描头部，第四模块（４）包括透明样品台（４０１）和Ｘ、Ｙ、Ｚ三维扫描器（４０２）；第五模块（５）是激光显微扩展模块，包括第三反射镜（５０１）、分束镜（５０２）、第三透镜（５０３）、第一针孔（５０４）、第四透镜（５０５）、激光器（５０６）、第五透镜（５０７）、第二针孔（５０８）和ＰＭＴ探测器（５０９）；所述的第一模块（１）的ＣＣＤ摄像头（１０５）和物镜系统（１０３）组合在一起，ＣＣＤ摄像头（１０５）的输出信号供给监视器；第二模块（２）通过步进电机（２０１）及两个手动粗调结构（２０２ ）的轴端与第四模块（４）接触联结；第三模块（３）根据采用的扫描头部的不同而有所差别；第四模块（４）的Ｘ、Ｙ、Ｚ向三维平板扫描器（４０２）中间有方形通孔；透明样品台（４０１）通过粘接固定在Ｘ、Ｙ、Ｚ向三维平板扫描器（４０２）的方形通孔上方，再一起通过螺钉固定在第一模块（１）上；第一模块（１）的物镜系统（１０３）到探针针尖的距离等于第一模块（１）的工作距离，第一模块（１）的照明装置（１０１）、物镜系统（１０３）、样品和探针针尖同轴，第五模块（５）通过螺钉固定在第一模块（１）物镜系统（１０３）下方，由激光器（５０６）输出的激光束经第四透镜（５０５）、第一针孔（５０４）及第三透镜（５０３）后，成为较均匀的准直光束，经分束镜（５０２）、第三反射镜（５０１）和物镜系统（１０３）后会聚于透明样品台（４０１）上的样品某一点，该点反射光（或透射光、或受激辐射的荧光）又经物镜系统（１０３）后被反射镜（５０１）和分束镜（５０２）反射到探测光路，由第五透镜（５０７）将其聚焦于第二针孔（５０８），被ＰＭＴ探测器（５０９）接收，并将其输入计算机进行存储。...

【技术特征摘要】
1.一种模块化扫描探针显微镜，其特征在于它由五个模块组成第一模块(1)为倒置荧光显微镜；第二模块(2)是三爪逼近装置，包括步进电机(201)、2个手动粗调结构(202)、照明发光二极管(203)和CCD(204)；第三模块(3)是扫描头部，第四模块(4)包括透明样品台(401)和X、Y、Z三维扫描器(402)；第五模块(5)是激光显微扩展模块，包括第三反射镜(501)、分束镜(502)、第三透镜(503)、第一针孔(504)、第四透镜(505)、激光器(506)、第五透镜(507)、第二针孔(508)和PMT探测器(509)；所述的第一模块(1)的CCD摄像头(105)和物镜系统(103)组合在一起，CCD摄像头(105)的输出信号供给监视器；第二模块(2)通过步进电机(201)及两个手动粗调结构(202)的轴端与第四模块(4)接触联结；第三模块(3)根据采用的扫描头部的不同而有所差别；第四模块(4)的X、Y、Z向三维平板扫描器(402)中间有方形通孔；透明样品台(401)通过粘接固定在X、Y、Z向三维平板扫描器(402)的方形通孔上方，再一起通过螺钉固定在第一模块(1)上；第一模块(1)的物镜系统(103)到探针针尖的距离等于第一模块(1)的工作距离，第一模块(1)的照明装置(101)、物镜系统(103)、样品和探...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵虹霞，徐文东，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：实用新型
国别省市：31[中国|上海]