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1、(10)申请公布号 CN 102095898 A (43)申请公布日 2011.06.15 CN 102095898 A *CN102095898A* (21)申请号 201110022879.6 (22)申请日 2011.01.20 G01Q 60/02(2010.01) G01N 21/84(2006.01) (71)申请人 浙江大学 地址 310027 浙江省杭州市西湖区浙大路 38 号 (72)发明人 张冬仙 李方浩 吴兰 章海军 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 张法高 (54) 发明名称 一种光学显微原子力显微双探头成像方法 及装置 (57) 。
2、摘要 本发明公开了一种光学显微原子力显微双 探头成像方法及装置。 它具有激光器、 微透镜和单 管压电陶瓷及微悬臂探针组成的扫描器、 位置敏 感探测单元和光电检测与反馈测量控制系统等构 成的原子力显微探头， 以及显微物镜组和显微目 镜组组成的光学显微探头， CCD 检测头和数据图 像采集系统、 Z 向移动机构、 XY 步进移动机构和开 放式大样品台。本发明的光学显微 - 原子力显微 双探头系统可以同时解决大范围的实时光学显微 观察和局部的高分辨纳米结构和性能的观察和测 量。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附。
3、图 2 页 CN 102095906 A1/2 页 2 1. 一种光学显微原子力显微双探头成像方法， 其特征在于同时采用光学显微和原子 力显微检测方法， 对同一样品进行大范围的实时光学显微观察和局部区域的高分辨微纳米 结构的观察和测量 ； 调节光学显微探头的 Z 向移动轨道和物镜的放大倍数， 把捕获到的光 学显微图通过 CCD 探测头采集， 再经过图像采集卡输入计算机， 最后经图像显示屏实时显 示 ； 同时在光学显微探头的监控下， 移动原子力显微探头到所需区域进行高分辨微纳米检 测， 原子力显微探头采用样品固定、 微探针扫描的方法， 引入一个随扫描器一起扫描的一小 透镜， 其 XY 扫描移动量。
4、与微探针始终一样， 实现光路的跟踪， 在光电探测器前的另一小透 镜， 实现高精度的 Z 向反馈控制和高分辨率的 XY 扫描成像， 利用针尖与样品之间的微弱原 子力， 使微悬臂产生偏转， 通过光电检测方法检测偏转量的大小， 从而在针尖与样品作相对 扫描的过程中获取样品表面的三维高分辨纳米结构形貌。 2. 一种光学显微原子力显微双探头显微检测装置， 其特征在于包括原子力显微探头 （1） 、 光学显微探头 （2） 、 第一滑动块 （3） 、 第二滑动块 （4） 、 光学平台 （5） 、 Y 向步进电控平移 台 （6） 、 样品台 （7） 、 待测样品 （8） 、 第一固定块 （9） 、 第 2 固定。
5、块 （10） 、 第一支撑柱 （11） 、 第二 支撑柱 （12） 、 支撑梁 （13） 、 X 向步进电控平移台 （14） ； 原子力显微探头 （1） 和光学显微探头 （2） 分别固定在第一滑动块 （3） 和第二滑动块 （4） 上， 然后安装在 X 向步进电控平移台 （14） 上， X 向步进电控平移台 （14） 固定在支撑梁 （13） 上， 光学平台 （5） 上依次安装有 Y 向步进 电控平移台 （6） 和样品台 （7） ， 以及由第一固定块 （9） 、 第 2 固定块 （10） 、 第一支撑柱 （11） 、 第二支撑柱 （12） 、 支撑梁 （13） 构成的支撑架。 3. 根据权利要求所。
6、述的一种光学显微原子力显微双探头显微检测装置， 其特征在 于所述的原子力显微探头 （1） 包括第一 L 型固定块 （15） 、 第一 Z 向移动轨道 （16） 、 第一三角 形固定块 （17） 、 原子力显微探头横梁 （18） 、 单管压电扫描器 （19） 、 激光器 （20） 、 光电探测筒 （21） 、 第三固定块 （22） 、 第四固定块 （23） 、 微悬臂探针 （24） 、 第一小透镜 （25） 、 第二小透镜 （26） 、 光电探测器 （27） 、 前置放大器 （28） 、 信号处理与控制放大模块 （29） 、 A/D&D/A 接口卡 （30） 、 计算机 （31） 、 图像显示屏。
7、 （32） ； 第一 L 型固定块 （15） 上依次安装有第一 Z 向移动轨道 （16） 、 第一三角形固定块 （17） 、 原子力显微探头横梁 （17） ， 原子力显微探头横梁 （18） 上依 次安装有单管压电扫描器 （19） 、 激光器 （20） 、 光电探测筒 （21） ， 单管压电扫描器 （19） 上依 次安装第三固定块 （22） 、 第四固定块 （23） 、 微悬臂探针 （24） ， 第三固定块 （22） 右侧安装第 一小透镜 （25） ， 光电探测筒 （21） 内依次安装第二小透镜 （26） 和光电探测器 （27） ， 光电探测 器 （27） 依次连接前置放大器 （28） 、 信号。
8、处理与控制放大模块 （29） , A/D&D/A 接口卡 （30） 、 计算机 （31） 和图像显示屏 （32） ， 单管压电扫描器 （19） 同时通过导线和信号处理与控制放 大模块 （29） 相连， 扫描器控制信号由计算机 （31） 产生， 通过 A/D&D/A 接口卡 （30） 再到信号 处理与控制放大模块 （29） 。 4. 根据权利要求所述的一种光学显微原子力显微双探头显微检测装置， 其特征在 于所述的光学显微探头 （2） 包括第二 L 型固定块 （33） 、 第二 Z 向移动轨道 （34） 、 第二个三 角形固定块 （35） 、 光学显微探头横梁 （36） 、 光学显微物镜筒 （37。
9、） 、 物镜 （38） 、 反射镜 （39） 、 光学显微目镜筒 （40） 、 目镜组 （41） 、 CCD 探测头 （42） 、 图象采集卡 （43） 、 计算机 （31） 、 图像 显示屏 （32） ； 第二 L 型固定块 （33） 上依次安装第二 Z 向移动轨道 （34） 、 第二个三角形固 定块 （35） 和光学显微探头横梁 （36） ， 光学显微探头横梁 （36） 下方依次安装光学显微物镜 筒 （37） 和物镜 （38） ， 光学显微探头横梁 （36） 上方依次安装反射镜 （39） 、 光学显微目镜筒 权 利 要 求 书 CN 102095898 A CN 102095906 A2/。
10、2 页 3 （40） 、 目镜组 （41） 和 CCD 探测头 （42） ， CCD 探测头 （42） 通过图象采集卡 （43） 和计算机 （31） 相连， 通过图像显示屏 （32） 显示。 权 利 要 求 书 CN 102095898 A CN 102095906 A1/4 页 4 一种光学显微原子力显微双探头成像方法及装置 技术领域 0001 本发明涉及一种光学显微原子力显微双探头成像方法及装置。 用于对样品同时 进行大范围的实时光学显微观察和局部区域的高分辨纳米结构的观察和测量。 背景技术 0002 科学技术的一个重要趋势是朝小尺寸、 大容量、 高速度和低能耗方向快速发展， 人 类对微观。
11、世界的探索已逐渐由微米技术向纳米技术延伸， 由此推动了国民经济和人类社会 的进步。微纳米技术是新世纪各主要国家优先规划发展的核心科技， 随着微纳米技术的飞 速发展， 对微纳米显微检测的要求也越来越高。由于光学显微镜具有非接触、 无损伤、 可探 测样品内部的特点， 在许多科学领域中都是离不开光学显微镜， 事实上， 对固定样品和活体 样品的生物结构和过程的观察， 使得光学显微镜成为绝大多数生命科学研究的必备仪器。 但是， 由于受到光波长及衍射极限的限制， 传统远场光学显微镜的分辨率仅能达到可见光 （380 780 nm） 的半波长数量级， 即 0.2 mm 左右。近几十年发展起来的以原子力显微镜 。
12、（AFM） 、 扫描隧道显微镜 （STM） 等扫描探针显微镜 （SPM） 技术为主要代表的微纳米检测技 术， 分辨率都已经远远超过光学显微镜， 但它们所获得的是经过扫描检测并重建的样品图 像， 无法实现像光学显微镜那样的直接而实时的观察和图像获取。 为了解决这些局限性， 本 发明采用一种光学显微原子力显微双探头成像方法， 对样品同时进行实时大范围的显微 观察， 以及局部区域的高分辨的微纳米结构的观察和检测， 满足我国国民经济和社会发展、 科学技术及国防等领域的国家需求。 发明内容 0003 本发明的目的是克服现有技术的不足， 提供一种光学显微原子力显微双探头成 像方法及装置。 0004 光学显。
13、微原子力显微双探头成像方法是同时采用光学显微和原子力显微检测 方法， 对同一样品进行大范围的实时光学显微观察和局部区域的高分辨微纳米结构的观察 和测量 ； 调节光学显微探头的 Z 向移动轨道和物镜的放大倍数， 把捕获到的光学显微图通 过 CCD 探测头采集， 再经过图像采集卡输入计算机， 最后经图像显示屏实时显示 ； 同时在光 学显微探头的监控下， 移动原子力显微探头到所需区域进行高分辨微纳米检测。原子力显 微探头采用样品固定、 微探针扫描的方法， 引入一个随扫描器一起扫描的一小透镜， 其 XY 扫描移动量与微探针始终一样， 实现光路的跟踪， 在光电探测器前的另一小透镜， 实现高精 度的 Z 。
14、向反馈控制和高分辨率的 XY 扫描成像， 利用针尖与样品之间的微弱原子力， 使微悬 臂产生偏转， 通过光电检测方法检测偏转量的大小， 从而在针尖与样品作相对扫描的过程 中获取样品表面的三维高分辨纳米结构形貌。 0005 原子力显微检测探头包括第一 L 型固定块、 第一 Z 向移动轨道、 第一三角形固定 块、 原子力显微探头横梁、 单管压电扫描器、 激光器、 光电探测筒、 第三固定块、 第四固定块、 微悬臂探针、 第一小透镜、 第二小透镜、 光电探测器、 前置放大器、 信号处理与控制放大模 说 明 书 CN 102095898 A CN 102095906 A2/4 页 5 块、 A/D&D/A。
15、 接口卡、 计算机、 图像显示屏 ； 第一 L 型固定块上依次安装有第一 Z 向移动轨 道、 第一三角形固定块、 原子力显微探头横梁， 原子力显微探头横梁上依次安装有单管压电 扫描器、 激光器、 光电探测筒， 单管压电扫描器上依次安装第三固定块、 第四固定块、 微悬臂 探针， 第三固定块右侧安装第一小透镜， 光电探测筒内依次安装第二小透镜和光电探测器， 光电探测器依次连接前置放大器、 信号处理与控制放大模块, A/D&D/A接口卡、 计算机和图 像显示屏， 单管压电扫描器同时通过导线和信号处理与控制放大模块相连， 扫描器控制信 号由计算机产生， 通过 A/D&D/A 接口卡再到信号处理与控制放。
16、大模块。 0006 所述的光学显微探头包括第二L型固定块、 第二Z向移动轨道、 第二个三角形固定 块、 光学显微探头横梁、 光学显微物镜筒、 物镜、 反射镜、 光学显微目镜筒、 目镜组、 CCD 探测 头、 图象采集卡、 计算机、 图像显示屏 ； 第二 L 型固定块上依次安装第二 Z 向移动轨道、 第二 个三角形固定块和光学显微探头横梁， 光学显微探头横梁下方依次安装光学显微物镜筒和 物镜， 光学显微探头横梁上方依次安装反射镜、 光学显微目镜筒、 目镜组和 CCD 探测头， CCD 探测头通过图象采集卡和计算机相连， 最终通过图像显示屏显示。 0007 本发明的光学显微原子力显微双探头成像方法。
17、及装置， 其优点是结构简洁， 技 术条件易于实现。克服了单一光学显微镜分辨率低、 常规样品扫描式 AFM 无法实时观察和 探测样品内部且仅适用于小样品的小范围检测的局限性。可望在微纳米检测、 微纳米加工 制备及微纳米操控等领域得到广泛应用。 附图说明 0008 图是光学显微原子力显微双探头成像装置示意图 ； 图 2 是原子力显微探头的截面视图及其工作框图 ； 图 3 是光学显微探头的截面视图及其工作框图 ； 图中 ： 原子力显微探头 1、 光学显微探头 2、 第一滑动块 3、 第二滑动块 4、 光学平台 5、 Y 向步进电控平移台 6、 样品台 7、 待测样品 8、 第 1 固定块 9、 第 。
18、2 固定块 10、 第一支撑柱 11、 第二支撑柱12、 支撑梁13、 X向步进电控平移台14、 第一L型固定块15、 第一Z向移动轨道 16、 第一三角形固定块 17、 原子力显微探头横梁 18、 单管压电扫描器 19、 激光器 20、 光电探 测筒 21、 第三固定块 22、 第四固定块 23、 微悬臂探针 24、 第一小透镜 25、 第二小透镜 26、 光 电探测器 27、 前置放大器 28、 信号处理与控制放大模块 29、 A/D&D/A 接口卡 30、 计算机 31、 图像显示屏 32、 第二 L 型固定块 33、 第二 Z 向移动轨道 34、 第二个三角形固定块 35、 光学显 微。
19、探头横梁 36、 光学显微物镜筒 37、 物镜 38、 反射镜 39、 光学显微目镜筒 40、 目镜组 41、 CCD 探测头 42、 图象采集卡 43。 具体实施方式 0009 本发明采用光学显微原子力显微双探头成像方法对样品进行实时大范围的光 学显微观察的同时在样品的局部区域进行高分辨的微纳米性能测量。 0010 如图 1 所示， 光学显微原子力显微双探头成像装置包括原子力显微探头 1、 光学 显微探头 2、 第一滑动块 3、 第二滑动块 4、 光学平台 5、 Y 向步进电控平移台 6、 样品台 7、 待 测样品 8、 第 1 固定块 9、 第 2 固定块 10、 第一支撑柱 11、 第二。
20、支撑柱 12、 支撑梁 13、 X 向步 进电控平移台14 ； 原子力显微探头1和光学显微探头2， 分别固定在第一滑动块3和第二滑 说 明 书 CN 102095898 A CN 102095906 A3/4 页 6 动块 4 上， 然后安装在 X 向步进电控平移台 14 上， X 向步进电控平移台 14 固定在支撑梁 13 上， 光学平台5上依次安装有Y向步进电控平移台6、 样品台7、 以及由第一固定块9、 第2固 定块 10、 第一支撑柱 11、 第二支撑柱 12、 支撑梁 13 构成的支撑架。 0011 如图2所示， 所述的原子力显微探头1包括第一L型固定块15、 第一Z向移动轨道 16。
21、、 第一三角形固定块 17、 原子力显微探头横梁 18、 单管压电扫描器 19、 激光器 20、 光电探 测筒 21、 第三固定块 22、 第四固定块 23、 微悬臂探针 24、 第一小透镜 25、 第二小透镜 26、 光 电探测器 27、 前置放大器 28、 信号处理与控制放大模块 29、 A/D&D/A 接口卡 30、 计算机 31、 图像显示屏 32 ； 第一 L 型固定块 15 上依次安装有第一 Z 向移动轨道 16、 第一三角形固定块 17、 原子力显微探头横梁 17， 原子力显微探头横梁 18 上依次安装有单管压电扫描器 19、 激 光器 20、 光电探测筒 21， 单管压电扫描器。
22、 19 上依次安装第三固定块 22、 第四固定块 23、 微 悬臂探针 24， 第三固定块 22 右侧安装第一小透镜 25， 光电探测筒 21 内依次安装第二小透 镜 26 和光电探测器 27， 光电探测器 27 依次连接前置放大器 28、 信号处理与控制放大模块 29, A/D&D/A 接口卡 30、 计算机 31 和图像显示屏 32， 单管压电扫描器 19 同时通过导线和 信号处理与控制放大模块 29 相连， 扫描器控制信号由计算机 31 产生， 通过 A/D&D/A 接口卡 30 再到信号处理与控制放大模块 29。 0012 如图所示， 所述的光学显微探头 2 包括第二 L 型固定块 3。
23、3、 第二 Z 向移动轨道 34、 第二个三角形固定块35、 光学显微探头横梁36、 光学显微物镜筒37、 物镜38、 反射镜39、 光学显微目镜筒 40、 目镜组 41、 CCD 探测头 42、 图象采集卡 43、 计算机 31 和图像显示屏 32 ； 第二 L 型固定块 33 上依次安装第二 Z 向移动轨道 34、 第二个三角形固定块 35 和光学显微 探头横梁 36， 光学显微探头横梁 36 下方依次安装光学显微物镜筒 37 和物镜 38， 光学显微 探头横梁 36 上方依次安装反射镜 39、 光学显微目镜筒 40、 目镜组 41 和 CCD 探测头 42， CCD 探测头 42 通过图。
24、象采集卡 43 和计算机 31 相连， 最终通过图像显示屏 32 实时显示图像。 0013 光学显微原子力显微双探头成像方法是同时采用光学显微和原子力显微检测 方法， 对同一样品进行大范围的实时光学显微观察和局部区域的高分辨微纳米结构的观察 和测量 ； 调节光学显微探头的 Z 向移动轨道和物镜的放大倍数， 把捕获到的光学显微图通 过 CCD 探测头采集， 再经过图像采集卡输入计算机， 最后经图像显示屏实时显示 ； 同时在光 学显微探头的监控下， 移动原子力显微探头到所需区域进行高分辨微纳米检测。原子力显 微探头采用样品固定、 微探针扫描的方法， 引入一个随扫描器一起扫描的一小透镜， 其 XY 。
25、扫描移动量与微探针始终一样， 实现光路的跟踪， 在光电探测器前的另一小透镜， 实现高精 度的 Z 向反馈控制和高分辨率的 XY 扫描成像， 利用针尖与样品之间的微弱原子力， 使微悬 臂产生偏转， 通过光电检测方法检测偏转量的大小， 从而在针尖与样品作相对扫描的过程 中获取样品表面的三维高分辨纳米结构形貌。 0014 本发明采用光学显微探头对样品进行实时大范围的光学显微观察， 尤其是活体样 品的生物结构和过程的观察。调节光学显微探头的 Z 向移动轨道和物镜的放大倍数， 把捕 获到的光学显微图通过 CCD 探测头采集， 再经过图像采集卡输入计算机， 最后经图像显示 屏显示。 同时在光学显微探头的监。
26、控下， 移动原子力显微探头到所需区域进行高分辨、 扫描 范围在 4um4 um 100 um100 um 的微纳米结构和性能的检测。原子力显微探头采用样 品固定、 微探针扫描的方法， 引入一个随扫描器一起扫描的一小透镜， 其 XY 扫描移动量与 微探针始终一样， 即微探针始终位于小透镜的焦点处， 在较大范围 （如 100 um 100 um） 扫 说 明 书 CN 102095898 A CN 102095906 A4/4 页 7 描过程中， 通过小透镜聚焦而成的激光光斑始终对准微悬臂， 从而有效地实现了光路的跟 踪， 在光电探测器前的另一小透镜， 既避免了 Z 向反馈造成的系统误差， 又同时。
27、保持了光束 偏转法的高灵敏度及高分辨率， 从而实现较大范围高精度的 Z 向反馈控制和高分辨率的 XY 扫描成像， 利用针尖与样品之间的微弱原子力， 使微悬臂产生偏转， 通过光电检测方法检测 偏转量的大小， 从而在针尖与样品作相对扫描的过程中获取样品表面的三维高分辨纳米结 构形貌 ； 采用开放式的样品台和 X、 Y步进移动平台， 实现对大尺寸、 大重量样品任意区域表 面进行微纳米扫描检测。 说 明 书 CN 102095898 A CN 102095906 A1/2 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 102095898 A CN 102095906 A2/2 页 9 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102095898 A 。