光纖共焦掃描顯微鏡的製作方法

2023-05-30 02:26:11

專利名稱：光纖共焦掃描顯微鏡的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種光纖共焦掃描顯微鏡，適用於納米深度，亞微米寬度的三維結構檢測。
已有技術在90年代出現了利用單模光纖代替針孔的技術，從此利用光纖器件的共焦掃描顯微技術發展很快，原因有二。其一把雷射直接輸入至光纖中可以避免雷射製冷系統產生的振動；其二是為了簡化結構，使掃描共焦系統更緊湊。但在性能上並沒有大的改進。在1996年本實用新型專利申請人也提供了一種由單模光纖耦合器為基礎元件的光纖共焦掃描顯微鏡(參見發表在《中國雷射》雜誌英文版上Fiber Optical Confocal Scanning Microscope Using Single mode Fiber Coupler，Chinese Journal of Laser，1996，B5(1)81)。該儀器無論在結構上還是在性能上都很有代表性。
上述已有技術中的光纖共焦掃描顯微鏡存在下述問題(1)檢測目標定位問題。由於光纖掃描顯微鏡是點成像的，經過掃描採樣，由計算機拓撲成像。這種結構自身無法對大範圍內的小目標定位。解決該問題的方案，一般是藉助於普通光學顯微鏡完成定位。這樣就需要利用光纖器件加普通光學顯微鏡組合起來實現定位觀測。因此它並沒有脫離普通顯微鏡的模式，儀器體積龐大，且解析度不能進一步提高。在這種儀器中無非利用光纖代替原有小孔，從整體結構上沒有更多新意。(2)在探測端，利用光纖作為濾波小孔，直接把光纖耦合器射出的光束輸入探測器，其灰度細度的探測解析度受探測器的解析度制約。(3)在數據採集上，直接利用三維掃描採樣，進行三維圖像拓撲，採樣所用時間長，帶來的誤差大。其空間解析度受採樣步長的限制。
本實用新型的目的是第一、保持光纖器件輕巧和穩定之特點，既解決上述已有技術中點掃描顯微鏡的自身檢測範圍定位問題，而又不失原來儀器緊湊、輕巧和穩定的優點，達到多功能的實用目的。
第二、進一步提高光纖共焦掃描顯微鏡的解析度，尤其是縱向解析度，使該類儀器能達到納米解析度，實現真正的超分辨。能夠在分子生物學、光存儲器件，以及超大規模集成電路檢測中得到廣泛的使用。
本實用新型的顯微鏡，其光路如圖1所示。它包括照明光束輸入部分A，光纖掃描部分B，測量定位部分C，探測採樣部分D以及控制數據採集處理部分E。其中照明光束輸入部分A包括沿著作為光源的雷射器1出射光束前進的方向上，依次置有耦合物鏡2，光纖耦合器4，光纖耦合器4的第一輸出端O1上有盛放折射率匹配液的容器3。光纖掃描部分B包括沿光纖耦合器4第二輸出端O2輸出光束前進方向上，依次置有光束準直鏡5，採樣物鏡6和置於採樣物鏡6的焦面f上的被測樣品7；與光纖掃描部分B交錯置放的有測量定位部分C。測量定位部分C包括沿著置於樣品調節架17上，在採樣物鏡6的離焦面P上的被測樣品7反射回來的光束前進方向上依次有採樣物鏡6，分光板9，在分光板9反射光束的前進方向上，依次有放大目鏡10和觀察屏11；探測採樣部分D包括沿著光纖耦合器4第三輸出端O3出射光束的前進方向上，依次置有放大目鏡16和帶探測器電源14的探測器15；控制數據採集處理部分E包括置放被測樣品7的帶壓電陶瓷驅動器(PZT)8的由壓電陶瓷構成的樣品調節架17，壓電陶瓷驅動器8通過帶平衡器的電源13與計算機12相聯。計算機12同時還與探測採樣部分D中的探測器15相聯。
本實用新型如上述結構的顯微鏡具有兩種顯微鏡的功能，其一是顯微掃描層析成像功能；其二是一次成像功能。光路如圖1所示。A部分是照明光束輸入部分。由作為光源的雷射器1出射的光束依次輸入至耦合物鏡2和光纖耦合器4的輸入端i，進入到光纖耦合器4中。返回的探測光以及雜散光由光纖耦合器4的其中第一輸出端O1射出，射至放有折射率匹配液的容器3中。B部分是光纖掃描部分。由光纖耦合器4第二輸出端O2輸出光束進入光束準直鏡5，再由採樣物鏡6把光纖出射光斑進一步聚焦為小光斑投射在焦面f上的被測樣品7上，進行對被測樣品7結構的探測。D部分為探測採樣部分。其中14為探測器的電源，由光纖耦合器4的第三輸出端O3輸出的探測光首先經過放大目鏡16放大再輸入至探測器15的接收面上，探測器15會把光信息轉化為電信息，輸入至E部分的計算機12。E部分是控制數據採集處理部分。該被測樣品7由可精密掃描的壓電陶瓷驅動器(PZT)8帶動樣品調節架17來支撐，由計算機12控制掃描步長，計算機12同時還控制著D部分的採樣，並進行數據處理。計算機12控制著帶平衡器的PZT電源13。C部分為測量定位部分。當進行定位操作時，離焦面P的光束從被測樣品7反射回來，經過採樣物鏡6和分光板9進入放大目鏡10，成像在觀察屏11上。C部分包括B部分的採樣物鏡6。首先為了使被測樣品7被探測部分一次成像，必須把被測樣品7放置於探測光的離焦面P上。當被測樣品7置於離焦面P上時，則一束髮散光從被測樣品7表面返回到採樣物鏡6，在採樣物鏡6之後利用分光板9，僅使小於10％的光反射出來，進入放大目鏡10放大，一次成像到觀察屏11上。觀察屏11可以是直接觀察屏面，或者是探測器的接收面。直接對被測樣品7焦點附近的區域即離焦面P進行一次成像。這一分路光束形成準共焦小視場一次成像顯微鏡，以便用來為點掃描的顯微鏡定位。經過定位之後，把被測樣品7推到採樣物鏡6的焦面f處，進行共焦點成像。由被測樣品7一點上返回的探測光經過分光板9的透射光，再次被耦合到光纖耦合器4中，由光纖耦合器4的第三輸出端O3輸出，進入放大目鏡16中，成像在探測器15的接收面上。進行掃描成像。
該顯微鏡按功能可分為兩大部分，其中一部分是由A、B、D和E構成的光纖共焦掃描顯微鏡，另一部分由A、B和C組成的準共焦小視場顯微鏡。本實用新型的光路與已有技術中光纖共焦掃描顯微鏡的光路相比較，本實用新型的光路在保持原光纖共焦掃描顯微鏡的緊湊結構的前提下，僅利用測量定位部分C中的分光板9分束構成一個新的小視場準共焦顯微鏡，使它具有了定位顯微鏡功能。該定位顯微鏡本身也是一個準共焦高解析度的顯微鏡，它具有亞微米的橫向解析度。它與光纖共焦掃描顯微鏡有機的結合在一起。已有技術中的光纖共焦掃描顯微鏡利用點掃描成像形式，無法一次成像，因此沒有觀察屏11直接觀測定位的功能。本實用新型含有A、B、C的小視場顯微鏡是一次成像結構，可以在觀察屏11處用人眼直接觀測，為點掃描成像的光纖共焦掃描顯微鏡預先定位。在操作上，為了對被測樣品7成像，必須在軸向移動一些距離，即移到離焦面P的位置，離開夫琅霍斐衍射區。否則在觀察屏11上觀察到的是夫琅霍斐衍射花樣，而不是樣品表面的像。本實用新型的光纖共焦掃描顯微鏡有了測量定位部分C，就像發射炮彈的人有瞭望遠鏡。他可以在所看到的廣闊視野中，選定目標。反過來講，若沒有望遠鏡，將是很難確定目標的。本實用新型為光纖共焦掃描顯微鏡增添了這一重要功能而又未破壞它的結構緊湊輕巧之特點。這必將進一步開拓它在材料科學，生物醫學乃至生命科學等學科領域中的應用。
上述作為光源的雷射器1是固體雷射器，或者是氣體雷射器，或者是半導體雷射器，或者是其他的相干光源。
上述的樣品調節架17是三維調節架。
本實用新型的優點是1.由於在本實用新型的顯微鏡中與光纖掃描部分B交錯置放有測量定位部分C，這就使得本實用新型的一臺顯微鏡同時具有兩種顯微鏡的功能。既具有光纖掃描顯微鏡的優點，又具有準共焦小視場顯微鏡為其定位的功能。因此本實用新型的顯微鏡既具有結構緊湊輕巧的特點，又具有自定位的功能，操作方便，穩定可靠，實用，便於推廣。
2.本實用新型光纖掃描部分B，可以拓撲超高解析度圖像，又可以利用C部分進行準共焦一次成像。小視場準共焦顯微鏡一方面為光纖共焦掃描顯微鏡的測定範圍定位，另一方面也可以利用它來直接進行亞微米級的微結構檢測。該結構的優點如①由於這兩種顯微鏡大部分是共光路的結構，所以光路具有抗幹擾性強，適用於各種環境。②一次成像區域圍繞在光纖共焦掃描顯微鏡的探測點附近，視場小，定位準確。③一次成像顯微鏡是利用相干光照明的，圖像清晰，且便於圖像邊沿定位。
3.在探測器15前加入放大目鏡16的優點是增加了探測信號細度。假如利用600～800nm的雷射為探測光，光纖射出光斑僅有5μm左右的直徑。而一般探測器15的解析度等於或大於這個量級。把光斑放大10多倍成像在探測器15的接收面上，會使探測器15的解析度相對增加了10～20倍。增加了探測細度。提高了整體儀器的解析度。


圖1為本實用新型的光纖共焦掃描顯微鏡的光路示意圖。
圖2為實施例1，利用本實用新型顯微鏡對被測樣品7是閃耀光柵檢測結果的曲線圖。
圖3為實施例2，利用本實用新型的顯微鏡對被測樣品7是鍍膜光碟預刻槽檢測結果與已有技術檢測結果比較的二維曲線圖。圖中實線—表示利用本實用新型顯微鏡的檢測結果，虛線———表示利用已有技術的掃描近場光學顯微鏡的檢測結果。點劃線—·—表示利用已有技術原子力顯微鏡檢測的結果。
實施例1如圖1所示結構，雷射器1為氦氖雷射器，探測器15為CCD探測器(像無間隔為10μm)，採樣物鏡6的參數為40×，NA為0.65，光束準直鏡5的參數4×，NA為0.1，光纖耦合器4是與氦氖雷射束匹配的單模光纖。其壓電陶瓷驅動器PZT8移動解析度為5nm。被測樣品7為閃耀光柵。對其刻線形狀及刻線角度進行檢測。它的細度為1200線/毫米，其閃耀角為22.3度。利用本實用新型的檢測結果其細度是1200±50線/mm，該檢測數據中包括了光柵的製作和損傷造成的誤差。其閃耀角為22.5±0.5度。本實用新型還檢測了刻線的高度，結果為350±55nm。測試結果表明這塊是被淘汰的光柵，其表面損傷嚴重。測量結果的截面如圖2所示。
實施例2仍然利用上述結構及各光學元件的參數，被測樣品7是鍍了膜層的光碟對其預刻槽進行了檢測。其被測樣品7製作數據為槽寬為0.4μm，槽間距為1.64±0.05μm，槽高為92±3nm。該檢測結果(圖3中實線)好於利用已有技術的原子力顯微鏡(圖3中點劃線)和近場掃描光學顯微鏡(圖3中虛線)的檢測結果。由圖3示出。
權利要求1.一種光纖共焦掃描顯微鏡，包括照明光束輸入部分(A)，光纖掃描部分(B)，探測採樣部分(D)和控制數據採集處理部分(E)，其中照明光束輸入部分(A)包括沿著雷射器(1)出射光束前進的方向上依次置有耦合物鏡(2)，光纖耦合器(4)，在光纖耦合器(4)的第一輸出端(O1)上置有盛放折射率匹配液的容器(3)；光纖掃描部分B包括沿光纖耦合器(4)第二輸出端(O2)輸出光束前進方向上，依次置有光束準直鏡(5)，採樣物鏡(6)和置於採樣物鏡(6)焦面(f)上的被測樣品(7)；探測採樣部分(D)包括在光纖耦合器(4)第三輸出端(O3)出射光束的前進方向上置有帶探測器電源(14)的探測器(15)；控制數據採集處理部分E包括置放被測樣品(7)的帶壓電陶瓷驅動器(8)的由壓電陶瓷構成的樣品調節架(17)，壓電陶瓷驅動器(8)通過帶平衡器的電源(13)與計算機(12)相聯，計算機(12)同時還與探測採樣部分(D)中的探測器(15)相聯，其特徵在於與光纖掃描部分(B)交錯置放的有測量定位部分(C)，測量定位部分(C)包括沿著置於樣品調節架(17)上，在採樣物鏡(6)的離焦面(P)上的被測樣品(7)反射回來的光束前進方向上，依次有採樣物鏡(6)，分光板(9)，在分光板(9)反射光束前進的方向上，依次有放大目鏡(10)和觀察屏(11)；在探測採樣部分(D)中，在光纖耦合器(4)的第三輸出端(O3)與探測器(15)的接收面之間置有放大目鏡(16)。
2.按照權利要求1所述的光纖共焦掃描顯微鏡，其特徵在於測量定位部分(C)中的分光板(9)的反射率小於10％。
3.按照權利要求1所述的光纖共焦掃描顯微鏡，其特徵在於測量定位部分(C)中的觀察屏(11)是直接觀察屏面，或者是探測器的接收面。
專利摘要一種光纖共焦掃描顯微鏡,包括照明光束輸入部分A,光纖掃描部分B,與光纖掃描部分B交錯置放的測量定位部分C,探測採樣部分D和控制數據採集處理部分E。其中A、B、D和E構成光纖共焦掃描顯微鏡,而A、B和C構成準共焦小視場顯微鏡。也說是說,本實用新型的一臺顯微鏡具有兩種顯微鏡的功能,既有顯微掃描層析成像的功能,又有一次成像的功能,即是對測定目標進行自定位的功能。適用於納米深度,亞微米寬度的三維結構檢測。
文檔編號G02B21/00GK2397505SQ9924033
公開日2000年9月20日 申請日期1999年11月16日 優先權日1999年11月16日
發明者王桂英, 楊莉松, 徐至展 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所