用于原子力显微镜的同轴照明显微镜光学系统技术方案

一种用于原子力显微镜的同轴照明显微镜光学系统，包括同光轴置放的八个成像透镜，以两直角棱镜的两斜平面胶合而成的立方胶合棱镜以及采用科勒照明结构的均匀照明光源。光源聚焦在视场光阑上，视场光阑成像在被探测物上，构成均匀照明。两两透镜胶合成三组双胶合透镜，立方胶合棱镜置放在成像透镜中间，同时又与前后成像透镜以及照明透镜胶合在一起，减少了空气间隙。不仅有利于像差矫正，使像差变小。同时有利于装调，结构紧凑，系统体积小。靠近原子力显微镜探测针尖的第一双胶合透镜可以沿着光轴前后移动，使系统在精调焦时，不影响成像质量。本发明专利技术光学系统具有长（大于５０ｍｍ）工作距离，大（大于０．２５）数值孔径，放大倍率５倍以上，成像质量接近衍射极限，畸变小于０．２％的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种同轴照明显微镜光学系统，特别涉及一种用于原子力显微镜的同轴照明显微镜光学系统。
技术介绍
原子力显微镜特别是利用光学杠杆原理探测针尖起伏的原子力显微镜，在使用时，需要配有一个观察装置。观察装置起到协助将原子力显微镜所使用的激光光斑调整到探测针尖上、选择样品测量区域、观察针尖的逼近、监视原子力显微镜运行的作用。在原子力显微镜的大多数应用当中，观察装置是不可缺少的设备。1，有了观察装置，即使是初学者，也可以迅速将激光光斑调整到探测针尖上；2，因为原子力显微镜的扫描范围很小，一般为10μm左右，如果没有观察装置的帮助，探测针尖就很难定位于所要测量的区域，这在光存储基础研究阶段尤其明显，要找到记录点，非要光学显微镜辅助不可；3，如果没有观察装置的帮助，探测针尖极易在逼近探测物时，或在原子力显微镜运行过程中损坏。与原子力显微镜配套的观察装置与一般显微镜比较有不同的要求首先，作为与原子力显微镜配合使用的独立的仪器，要求装置中的物镜工作距离长(一般大于50mm)。其次，要求其中物镜数值孔径大(大于0.25)。这两项要求都与原子力显微镜头部的结构有关，物镜不应碰到原子力显微镜头部内的反射镜，光线也不应被反射镜全部遮住。第三点，要求照明光路是共光路反射照明结构、光强可变，这样将使原子力显微镜与观察装置相互独立，方便原子力显微镜头部的移动和工作(调整光斑、选择样品测量区域、观察探测针尖逼近探测物时，可采用较强的光，以便提高图像的质量；但监视原子力显微镜运行时需要较弱的光，以便不引入光噪声)。第四点，调焦机构中要有粗调焦(以便原子力显微镜头部装卸)和精调焦机构(物镜数值孔径大，因而焦深短)。在先技术中的普通显微镜没有那么大的工作距离(参见在先技术[1]《光学技术手册》，王之江主编，下册，机械工业出版社，北京，1994年，第3章<放大镜和显微镜>，3<显微镜的基本结构>，3.2<物镜和镜筒透镜>，p646～648)。在先技术中所提供的体视显微镜虽然有较大的工作距离，但数值孔径较小，而且是采用非共光路的反射照明结构(参见在先技术[2]《光学技术手册》，王之江主编，下册，机械工业出版社，北京，1994年，第3章<放大镜和显微镜>，4<各种显微术装置及其显微镜>，4.9<体视显微镜>，p657～658)。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于原子力显微镜的同轴照明显微镜光学系统，它将能够弥补在先技术设备中光学系统所存在的缺陷，能够低成本地满足与原子力显微镜配套的观察装置的各项要求，长(大于50mm)工作距离和大(大于0.25)数值孔径。 本专利技术的同轴照明显微镜光学系统包括自对着原子力显微镜探测针尖的第一透镜开始，与第一透镜同光轴依次置放的第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和观测面；置放在第七透镜与第八透镜之间，中心位于第七透镜和第八透镜光轴上，以第一直角棱镜和第二直角棱镜两斜平面胶合在一起的立方胶合棱镜，立方胶合棱镜的胶合面与第七透镜和第八透镜的光轴成45°角；置于从立方胶合棱镜位于第七透镜和第八透镜光轴上的中心与其光轴垂直的方向上的光源；置于在光源与立方胶合棱镜之间的聚光透镜；置放在聚光透镜与立方胶合棱镜之间的聚光透镜的焦点上的视场光阑；置放在视场光阑与立方胶合棱镜之间的第九透镜，第九透镜的焦点在视场光阑上。 所说的第一透镜与第二透镜胶合在一起构成第一双胶合透镜，第四透镜与第五透镜胶合在一起构成第二双胶合透镜，第六透镜与第七透镜胶合在一起构成第三双胶合透镜，第七透镜、第八透镜和第九透镜与立方胶合棱镜胶合在一起。置于隔着立方胶合棱镜与第九透镜相反的一面上的光陷阱。 所说的原子力显微镜上的探测针尖，它是光学系统观察的对象，也可以是其他样品。 所说的第一直角棱镜或第二直角棱镜的斜面上镀有半反射半透过薄膜，即对光束一半(50％)反射一半(50％)透过的薄膜。 上述结构的光学系统工作时，探测针尖上某一点反射的光线，依次经过第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜，第六透镜、第七透镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜和第八透镜，会聚在观测面上。这样，探测针尖就成像在观测面上。光源发出的光经聚光透镜、视场光阑、第九透镜、第一直角棱镜和第二直角棱镜斜面的反射、透过第七透镜、第六透镜、第五透镜、第四透镜、第三透镜，第二透镜和第一透镜后，会聚在探测针尖上，提供探测针尖成像所需要的入射光线。而透过第一直角棱镜斜面，并通过第二直角棱镜的光，被光陷阱所吸收。 本专利技术光学系统开始工作时，如果探测针尖与第一透镜的轴上距离不是所要求的距离，如果相差较大，例如当移进移出原子力显微镜头部时，此时，通过一起移动除探测针尖外的所有器件，来使探测针尖与第一透镜的轴上距离达到设计时的距离，即所谓粗调焦；如果此时还有一定的误差，以至图像还不清楚，可以单独沿轴向移动第一透镜和第二透镜胶合成的第一双胶合透镜，来使探测针尖与第一透镜的轴上距离达到设计时的距离，使图像清楚，即所谓精调焦。 本专利技术光学系统工作时，光源上所有点发出的光经过聚光透镜聚焦在视场光阑上，成为亮度均匀的光斑。视场光阑所在的位置与探测针尖的位置呈成像关系。即视场光阑成像在探测针尖上。这样就达到了均匀照明的目的。如果光源本身发光很均匀，那么它也可直接放置在视场光阑后，不需要聚光透镜，紧靠视场光阑即可。 本专利技术光学系统工作时，由于视场光阑位置与探测针尖位置呈成像关系，这样在探测针尖位置上有一个清晰的照射边界，改变视场光阑的大小、形状和方位，可以使照射的区域正好等于作为观测面的摄像机成像的区域。方便了将探测针尖定位在显微镜观察区域。 本专利技术光学系统工作时，由于视场光阑位置与探测针尖位置呈成像关系，相比其他物方轴上距离，在成像位置上的照射光斑是最小的，可辅助粗调焦，加速粗调焦过程。 本专利技术的优点显著1、本专利技术光学系统将第七透镜、第八透镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜、第八透镜和第九透镜胶合在一起，在这些镜子之间没有了空气间隙，像差也就变小了。并且作为整体装配容易(没有空气隙调整的问题)，结构紧凑，机械支撑简单。而且光学胶合时由于有通用辅助设备的监测，同心度容易做到很高，有利于提高装配精度，改善像质。 2、因为本专利技术光学系统将分光棱镜(由第一直角棱镜和第二直角棱镜两个斜面胶合而成的立方胶合棱镜)胶合在成像透镜中间，它们之间没有空气间隙，不仅有利于改善像质，像差变小，而且可以减少矫正像差的透镜数量，包括起成像作用的透镜和起照明作用的透镜，并使结构简单而紧凑。 3、本专利技术上述结构中，所说的第八透镜和第九透镜均是平凹透镜，即为负透镜。它的好处是在较大工作距离和较大放大倍率下，成像的共轭距离(物象距离)却可以不显著增加，这有利于减少仪器体积和重量。 4、本专利技术的上述结构中，第一透镜和第二透镜胶合成的第一双胶合透镜可以沿着光轴整体移动，实现精调焦。也就是说，对于某物点，它发出的光线在第二透镜和第三透镜之间的空气中行进时，几乎是相互平行的。 5、本专利技术在上述结构中，采本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于原子力显微镜的同轴照明显微镜光学系统，包括：自对着原子力显微镜探测针尖的第一透镜开始，与第一透镜同光轴依次置放的第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和观测面；光源，视场光阑和光陷阱，其特征在于包括：置放在第七透镜与第八透镜之间，中心位于第七透镜和第八透镜光轴上，以第一直角棱镜和第二直角棱镜两斜平面胶合在一起的立方胶合棱镜，立方胶合棱镜的胶合面与第七透镜和第八透镜的光轴成４５°角；所说的光源置于从立方胶合棱镜位于第七透镜和第八透镜光轴上的中心与其光轴垂直的方向上，在光源与立方胶合棱镜之间置有聚光透镜；所说的视场光阑置放在聚光透镜与立方胶合棱镜之间的聚光透镜的焦点上；置放在视场光阑与立方胶合棱镜之间的第九透镜，第九透镜的焦点在视场光阑上；所说的第一透镜与第二透镜胶合在一起构成第一双胶合透镜，第四透镜与第五透镜胶合在一起构成第二双胶合透镜，第六透镜与第七透镜胶合在一起构成第三双胶合透镜，第七透镜、第八透镜和第九透镜与立方胶合棱镜胶合在一起；所说的光陷阱置于隔着立方胶合棱镜与第九透镜相反的一面上。

【技术特征摘要】
1.一种用于原子力显微镜的同轴照明显微镜光学系统，包括自对着原子力显微镜探测针尖的第一透镜开始，与第一透镜同光轴依次置放的第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和观测面；光源，视场光阑和光陷阱，其特征在于包括置放在第七透镜与第八透镜之间，中心位于第七透镜和第八透镜光轴上，以第一直角棱镜和第二直角棱镜两斜平面胶合在一起的立方胶合棱镜，立方胶合棱镜的胶合面与第七透镜和第八透镜的光轴成45°角；所说的光源置于从立方胶合棱镜位于第七透镜和第八透镜光轴上的中心与其光轴垂直的方向上，在光源与立方胶合棱镜之间置有聚光透镜；所说的视场光阑置放在聚光透镜与立方胶合棱镜之间的聚光透镜的焦点上；置放在视场光阑与立方胶合棱镜之间的第九透镜，第九透镜的焦点在视场光阑上；所说的第一透镜与第二透镜胶合在一起构成第一双胶合透镜，第四透镜与第五透镜胶合在一起构成第二双胶合透镜，第六透镜与第七透镜胶合在一起构成第三双胶合透镜，第七透镜、第八透镜和第九透镜与立方胶合棱镜胶合在一起；所说的光陷阱置于隔着立方胶合棱镜与第九透镜相反的一面上。2.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉小明，徐文东，
申请(专利权)人：上海爱建纳米科技发展有限公司，中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]