光学显微镜与CCD监视器组合的原子力显微镜

研制了一种与光学显微镜结合并配置 CCD 监视器的原子力显微镜,可同时获得样品的原子力显微镜图象及光学图象.已能分辨出5纳米的精细结构,最大扫描范围可达2μm.文中给出了本仪器获得的一些样品图象结果.     

应用于扫描探针显微镜的石英音叉机械模型研究

石英音叉作为力传感器广泛地应用于各种扫描探针显微镜,主要涉及石英音叉的同相振动和反相振动两种振动模式.通过实验方法和有限元仿真方法对石英音叉的两种振动模式进行研究,发现石英音叉的双臂之间以及双臂与音叉的基部之间都存在耦合作用,双臂之间的耦合使音叉的反相共振频率升高,双臂与基部之间的耦合使音叉的同相共振频率降低.针对两种振动模式的动态特性建立了石英音叉的机械模型并进行合理简化.简化模型是一个四弹簧三质点系统,计算了简化模型的参数.通过一个音叉臂等效质量变化与音叉反相共振频率变化之间的定量关系证明了简化机械模 关键词： 扫描探针显微镜 石英音叉 振动模式 机械模型     

基于对焦深度法的光学显微镜系统设计

针对传统显微镜采用手工对焦方式存在自动化程度低、对焦过程较慢且对操作者经验要求高的问题,提出一套基于对焦深度法的光学显微镜系统。结合基于图像处理自动对焦的显微镜通用结构,设计了一套由ARM开发板、触控液晶显示屏、Arduino UNO开发板、红外对管、工业数码显微镜及步进电机等组成的光学显微镜系统。结合触控液晶显示屏的特点,设计出结合不同大小的感兴趣区域对焦窗口选择方法,并在采用常见梯度函数作为图像清晰度评价函数及爬山搜索算法的基础上,提出容错改进方法。实验分别对不同的图像清晰度评价函数及对焦窗口大小进行了实时性、灵敏度及容错性能测试。结果表明,该系统具有较高的可靠性。     

共焦扫描光学显微镜的高分辨率

讨论了共焦扫描光学显微镜的高分辨率性质,指出共焦扫描显微镜由于采用点探测器,因而视场大大减小,信噪比大大提高,同时每幅图像逐点扫描形成,在光学系统信息能力不变的前提下,系统的空间域通带宽度增加和时域通带宽度减小。因而可成高分辨率的像,特别是其独特的深度分辨率特性使得可以实现光学断层扫描成像。给出了所研制的共焦扫描荧光显微镜所获得光学断层扫描图像     

磁力显微镜的发展和应用

磁力显微镜是纳米尺度磁性材料表面磁结构研究的新的有力的工具，文章简要介绍了ＭＦＭ的发展历史，原理、运作和ＭＦＭ主要的应用领域，举例介绍了中国科学院物理研究所初步的ＭＦＭ研究，评述了ＭＦＭ研究中的三个重要问题。     

近场光学显微镜下的生物世界

扫描近场光学显微镜由于其超过常规光学显微镜的光学分辨能力及其一些特殊的功能,正在受到生物学家们越来越多的关注。文章介绍了近年来近场光学显微技术在生命科学研究中的应用和进展。     

等离子体诊断用Schwarzschild显微镜的光学设计

基于三级像差理论设计了用于激光等离子体诊断的极紫外Schwarzschild显微镜光学系统。显微镜的工作波长为18.2 nm,数值孔径为0.1,放大倍数为10。光学设计得到中心视场空间分辨力达0.3 μm,±1 mm视场内分辨力约0.4 μm的结果。分析了Schwarzschild成像系统的物镜装配、系统装调及光学元件加工误差对像质的影响,结果显示光学元件局部面形误差是影响系统成像分辨力的主要因素。通过提高系统装调的精度,可以有效补偿像距误差、两镜间距误差及曲率半径误差对像质的影响。综合考虑实际加工和装调能力,制定了系统整体公差方案,考虑公差后光学系统能够在±1 mm视场内获得3 μm的空间分辨力,达到了等离子体诊断的要求。     

等离子体诊断用Schwarzschild显微镜的光学设计

 基于三级像差理论设计了用于激光等离子体诊断的极紫外Schwarzschild显微镜光学系统。显微镜的工作波长为18.2 nm,数值孔径为0.1,放大倍数为10。光学设计得到中心视场空间分辨力达0.3 μm,±1 mm视场内分辨力约0.4 μm的结果。分析了Schwarzschild成像系统的物镜装配、系统装调及光学元件加工误差对像质的影响,结果显示光学元件局部面形误差是影响系统成像分辨力的主要因素。通过提高系统装调的精度,可以有效补偿像距误差、两镜间距误差及曲率半径误差对像质的影响。综合考虑实际加工和装调能力,制定了系统整体公差方案,考虑公差后光学系统能够在±1 mm视场内获得3 μm的空间分辨力,达到了等离子体诊断的要求。     

基于过焦扫描光学显微镜的光学元件亚表面缺陷检测方法

微/纳米尺度亚表面缺陷会降低光学元件等透明样品的物理特性,严重影响光学及半导体领域加工制造技术的发展。为了快速、无损检测透明样品亚表面缺陷,本文针对光学元件亚表面内微米量级缺陷的检测需求,提出了一种基于过焦扫描光学显微镜（TSOM）的检测方法。利用可见光光源显微镜和精密位移台,沿光轴对亚表面缺陷进行扫描,得到亚表面缺陷的一系列光学图像。将采集到的图像按照空间位置进行堆叠,生成TSOM图像。通过获得所测特征的最大灰度值来获得亚表面缺陷的定位信息。提出方法对2000μm深亚表面缺陷的定位相对标准差达到0.12%。该研究为透明样品亚表面缺陷检测及其深度定位提供了一种新方法。     

基于辅助光学系统的KB显微镜瞄准方法

研究了利用辅助可见光系统精确瞄准KB显微镜物点的方法。设计了工作能点8 keV的周期多层膜KB显微镜系统,通过光线追迹和X射线成像实验,得到5 μm空间分辨率所对应的视场和景深,进而计算出诊断实验对应的指向和景深要求。基于KB系统的物像关系和精度要求,设计了辅助的可见光成像系统,实现了可见光系统与X射线KB系统间的等效瞄准,利用耦合好的系统进行了瞄准和X射线成像实验。实验结果表明:辅助光路可以实现±20 μm的垂轴面和±300 μm的轴向定位精度,满足KB显微镜的瞄准要求。     

激光扫描声学显微镜光学系统的设计

半导体激光器具有半导体和固体器件的许多优点：结构紧凑、效率高、价格便宜、长寿命，在许多方面优于气体激光器，因此在一些测量领域有较好的应用前景。本文基于棱镜对光的一维压缩及新型半导体激光器，对激光扫描声学显微镜的光学系统进行了新的设计，给出了相关数据及具体技术指标，实验证实其光学性能满足要求。整个光学系统具有结构紧凑、可靠性高、使用方便等特点，现已用于激光扫描声学显微镜定型设计。     

Sensitivity analysis of scanning near-field optical microscope probe

In this paper, we study the dynamic modes of a scanning near-field optical microscope (SNOM) which uses an optical fiber probe; and the sensitivity of flexural and axial vibration modes for the probe were derived and the closed-form expressions were obtained. According to the analysis, as expected each mode has a different sensitivity and the first mode is the most sensitive mode of flexural and axial vibration for the SNOM probe. The sensitivities of both flexural and axial modes are greater for a material surface that is compliant with the cantilever probe. As the contact stiffness increases, the high-order vibration modes are more sensitive than the lower-order modes. Furthermore, the axial contact stiffness has a significant effect on the sensitivity of the SNOM probe, and this should be noted when designing new cantilever probes.     

光学显微镜自动聚焦取窗方法研究

针对全自动光学显微镜系统中,传统聚焦窗口选择方法易受图像内容分布、杂质、噪声等因素干扰的问题,提出一种根据内容像素变化量选择聚焦窗口的方法。该方法将灰度差像素数量与边缘像素数量加权作为内容像素数量,据此衡量失焦模糊状态下子块内容含量并划分聚焦窗口,减少杂质与噪声对取窗过程的影响;用降采样后图像各子块内容含量估计原图像内容分布信息,降低图像滤波、梯度计算过程的计算量;使用局部标准差与锐利边缘像素数量联合检测焦平面图像的失焦模糊区域,有效排除玻片杂质造成的焦平面误判。与传统的显微镜自动聚焦取窗方法相比,对内容丰富程度和分布状况不同的显微图像序列,该方法均能获取有效的聚焦窗口,像素梯度均值更高,所得的评价曲线局部极值极少,尖锐性好,因此该方法的成功率高,鲁棒性更强。     

qPlus型原子力显微镜技术

扫描探针显微镜主要包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜,其利用尖锐的针尖逐点扫描样品,可在原子和分子尺度上获取表面的形貌和丰富的物性,改变了人们对物质的研究范式和基础认知。近年来,qPlus型高品质因子力传感器的出现将扫描探针显微镜的分辨率和灵敏度推向了一个新的水平,为化学结构、电荷态、电子态、自旋态等多自由度的精密探测和操控提供了前所未有的机会。文章首先简要介绍原子力显微镜的发展历史和基本工作原理,然后重点描述qPlus型原子力显微镜技术的优势及其在单原子、单分子和低维材料体系中的应用,最后展望该技术的未来发展趋势和潜在应用。     

有限远共轭显微镜光镊设计和误差分析

光镊是研究单分子生物物理特性的独特工具, 因而光镊设备的研发是一个极为重要的课题. 本文根据矩阵光学, 对基于有限远共轭显微镜的光镊操控光路进行计算, 得出了阱位径向操控和轴向操控方程, 并分析了光束调控系统、 共焦系统后置透镜和耦合透镜安装位置误差及物镜轴向位置调整对光镊阱位径向及轴向操控精度的影响. 计算结果显示, 当物镜初级像面和耦合透镜像方焦面完全重合, 光束调控系统和耦合透镜的距离误差对阱位径向和轴向操控精度没有影响. 光镊系统元器件定位不准时, 基于无限远共轭显微镜光镊的阱位径向操控误差和轴向操控误差都小于基于有限远共轭显微镜光镊的阱位径向操控误差和轴向操控误差. 当光镊耦合透镜定位误差控制在小于10 mm时, 基于有限远共轭显微镜光镊的径向和轴向操控误差分别小于5.9%和11.4%, 有限远共轭显微镜仍然存在改造为光镊的价值.本文理论为基于有限远共轭显微镜的光镊设计、改造和操控提供理论和实验指导. 关键词： 光镊 光学设计 矩阵 误差     

基于自由曲面的高倍率广角显微目镜设计

随着显微镜性能的不断提升,要求显微目镜具有更大的视场、放大倍率以及更好的成像质量.显微目镜由于孔径光阑外置,且焦距较短,其设计难点在于如何校正大视场带来的畸变与其他轴外像差,并在此基础上获得符合人眼观察要求的出瞳距离.本文分析了目镜光学系统存在的主要像差,特别是带有畸变的光学系统对成像所产生的影响.将自由曲面应用在显微目镜光学系统畸变校正中,设计出一款视场角达到60°(即±30°),放大倍率达到25×且全视场畸变小于5%的高倍率广角显微目镜.采用五片三组元式结构,其中自由曲面镜片采用塑料材料且关于XOZ与YOZ平面对称,实现了结构简单、易于加工且成本较低的高性能显微目镜设计.     

基于迈克耳孙干涉仪的近场光学实验

介绍了一种以迈克耳孙干涉仪作为操作平台的近场光学实验系统.该系统可以测量棱镜内表面全内反射产生的隐失场,观察两维光栅样品的近场光学结构,还可以用于光子扫描隧穿显微镜(PSTM)的原理性实验,有助于学生深入了解隐失场的结构和近场光学显微镜的基本工作原理.该装置具有结构简单可靠,操作简便等特点,十分适用于物理实验教学.     

基于图像清晰度评价函数的显微镜自动调焦技术研究

自动调焦技术是提高自动显微镜测量精度的一个重要手段,图像清晰度评价函数是计算机自动调焦中的关键技术。根据图像清晰度评价函数实现了显微镜的自动调焦。