（测试计量技术及仪器专业论文）扫描近场光学显微镜若干关键技术研究.pdf

u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a adi s s e r t a t i o nf o rd o c t o r sd e g r e e r e s e a r c ho ns o m e k e yp r o b l e m s insc an nin gn e ar - - f ieldo p t i c al m i c r o s c o p y a u t h o r sn a m e ： y u n l i a n gw u s p e c i a l i t y t e s tm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t s u p e r v i s o r ：p r o f k e y iw a n g r o e vw a n l f i n i s h e dt i m e ：d e c e m b e r1 4 伽，2 010 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：邋 作者签名：2 、丛【q 签字日期：2 出旦缱- 7 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 q 公开口保密( 年) 作者躲呈玉k作者签名：乏地 签字日期：丕l 叫 翩躲邀 签字日期：垒立丛啤 摘要 摘要 扫描近场光学显微镜( s c a n n i n gn e a r f i e l do p t i c a lm i c r o s c o p y ，s n o m ) 是将 扫描探针显微镜技术移植到了光学领域，从而得到超衍射极限分辨率的光学图 像。经过几十年的发展，s n o m 横向分辨率大大的提高了，已经从最初的几十 纳米提高到十几纳米，并且扫描成像的稳定性很高。虽然s n o m 的分辨率比 s t m 、a f m 低，但其长处在于能获得样品亚波长分辨的光学图像，在多个研究 和产业领域都有着广泛的应用。本文从传统s n o m 中存在的扫描非线性，扫描 速度慢等问题出发，搭建了基于双d s p 控制系统和扫描头模块化的s n o m 系统， 建立了非线性校正的模型及算法，设计并初步实验了一种高速扫描的石英片光 纤探针组件，和设计了一种基于四个压电陶瓷管的新的x y z 扫描台系统。 本文的研究工作主要包括以下几个方面： l 、搭建了以d s p 为核心的插板式的s n o m 控制系统，为近场光学领域内 的研究提供了一个良好的平台。主要模块包括控制扫描和各种信号采集的d s p 主控板，探针样品距离的d s p 反馈控制板，用于提供给反馈信号的相位检测控 制板等。完成了x y 扫描控制算法，和探针样品距离控制的p i d 算法。 2 、分析了s n o m 扫描器产生非线性的原因，建立了s n o m 扫描非线性校 正模型，完成了用于非线性校正的软件预校正算法，有效的改善了图像的非线性。 设计了一种基于实时监测探针位置附加系统，用于非线性校正的扫描头，预先采 集不同电压下探针的位置数据，并通过二次多项式拟合算法和神经网络算法对位 置电压数据进行了处理，得到能输出线性位移的电压位移模型。 3 、提出了一种高频石英片光纤探针结构，可以显著提高s n o m 扫描速度。 利用二阶机械系统模型分析了音叉探针样品距离控制的原理，比较得出用相位 信号来作为反馈信号比振幅信号有更好的响应速度，分析得出s n o m 扫描速度 慢的主要因素来源于音叉探针，于是我们设计了一种石英片光纤探针，并尝试 了多种粘针方法，测试了其谐振频率，q 值等各种性能。 4 、由于单个压电陶瓷管弯曲量比伸长量大很多，设计了四个雎电陶瓷管通 过柔性铰链连接样品台的新扫描台结构，可以使样品台满足x y z 各个方向均有 较大的动态范围。并用有限元方法对其进行了静态和动态性能的仿真分析。通过 对样品台x y z 位移的测量，验证了理论仿真的正确性。 关键词：扫描近场光学显微镜，非线性，高速扫描，扫描台 a b s t r a c t - 一一一一一一 a b s t r a c t w i t ht h eh e l po fs c a n n i n gp r o b et e c h n i q u ea p p l i e di n o p t i c a lf i e l d ，t h es u p e r h i g h 。r e s o l u t i o ni m a g e sb e y o n dt h ed i f f r a c t i o nl i m i tc a nb eo b t a i n e dw i t ht h es c a n n i n g n e a r - f i e l d o p t i c a lm i c r o s c o p y ( s n o m ) i nt h ep a s td e c a d e st h el a t e r a la n dt h e s t a b i l i t yo fs n o mh a sb e e na d v a n c e dg r e a t l yt h a nb e f o r e t h o u g ht h er e s o l u t i o no f w h i c hi ss t i l ll o w e rt h a ns c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p y ( s t m ) a n da t o m i cf o r c e m i c r o s c o p y ( a f m ) ，s n o mh a si t so w na d v a n t a g et oo b t a i nt h eo p t i c a lc o n t r a s t i n f o r m a t i o no f t h es a m p l e i nt h i st h e s i st h e d i s a d v a n t a g eo f t r a d i t i o n a ls n o ms u c ha s t h en o n l i n e a r i t ya n dt h es l o w e rs c a n n i n gs p e e da r ed i s c u s s e da n dan e ws e to ft h e m o d u l a rs n o mw i t ha p a i ro fd s pc o n t r o ls y s t e mi sb u i l t ；am o d u l eo fs e a nh e a d w i t hc o l l e c t i n gr e a lt i m e l yn o n l i n e a r i t yd a t ai s d e v e l o p e da n dt h ea r i t h m e t i co ft h e s c a n n i n gn o n l i n e a r i t yc o r r e c t i n gi sb u i l du p ；aq u a r t zp i t c h o p t i c a lf i b e rr e s o n a t o r p r o b et oi m p r o v et h es c a n n i n gs p e e do fs n o ma n dan e wt y p es c a n n e rw i t hf o u r p i e z o e l e c t r i ct u b e sa r ed e s i g n e da n de x p e r i m e n t e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 an e ws e to fs n o mu s i n gd s p c o n t r o l l i n gs y s t e mi sb u i l tu p t h e r ea r e s e v e r a lm o d u l e s ：t h em a i nd s p c o n t r o l l i n gs y s t e m ，t h ef e e d b a c kd s ps y s t e mw h i c h c o n t r o lt h et i p - s a m p l ed i s t a n c e ，t h ep h a s ed e t e c t i n gs y s t e mw h i c hs u p p l yt h ef e e d b a c k s i g n a lt ot h ef e e d b a c kd s ps y s t e m ，a n ds oo n t h ex ys c a nc o n t r o la r i t h m e t i ca n d p i dc o n t r o la r i t h m e t i ca r ed e v e l o p e d 2 t h ee x s i s t e n c eo fn o n l i n e a r i t yi nt h es c a n n e ro fs n o mi s a n a l y s e d i m a g e p o s t p r o c e s s i n gs o f t w a r ef o rt h ec o r r e c t i o no fs c a n n i n gn o n l i n e a r i t yi sd e v e l o p e d a s c a n n e rw i t hap s dw h i c hc a ng e tt h et i p s p o s i t i o ni nr e a l t i m ei sd e s i g n e da n d e x p e r i m e n t e d t h eq u a d r a t i cp o l y n o m i a lm o d e la n dt h eb pm o d e lo fn e u r a l n e t a l g o r i t h m sa r ei n t r o d u c e dt op r o c e s st h es c a n n e rn o n li n e a r i t yd a t aa n dt og e tt h e m o d l eo fl i n e a r i t yc o r r e c t i o n 3 an e wm o d u l eo ft h eq u a r t zp i t c h - o p t i c a lf i b e rp r o b ei sa d v a n c e dw h i c hh a s h i g h e rs c a n n i n gs p e e d st h a nt h em o d u l eo ft h et u n i n gf o r k o p t i c a lf i b e rp r o b e t h e r e s p o n s es p e e do ft i p 。s a m p l ed i s t a n c ec h a n g eu s i n gt h ep h a s er e g u l a t i o ni sm o r e q u i c k l yt h a nt h a tw i t ht h ea m p l i t u d e 4 an e ws c a n n e rb a s e do nf o u rp i e z o e l e c t r i ct u b e sc o n n e c t e dw i t hs p r i n gh i n g e a n ds a m p l es t a g ei sd e s i g n e d t h ef e ms o t t w a r eo fa n s y s i su s e dt oa n a l y s et h e m e c h a n i c sb e h a v i o ro f t h es c a n n e r ：t h ex y z s c a n n i n gr a n g e so f t h i sn e ws c a n n e ra r e a l l b i g g e ri nt h r e ed i m e n s i o n ；t h i sn e ws c a n n e r ss t a t i ca n dd y n a m i cp r o p e r t i e s i l l i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 插图目录i x 第l 章绪论1 1 1 显微镜技术的发展1 1 1 1 传统光学显微镜的发展1 1 1 2 近场光学显微镜的发展3 1 2 近场光学显微镜成像原理5 1 2 1 倏逝波突破衍射极限5 1 2 2 宏观近场光学理论9 1 2 3 微观近场光学理论1 2 1 3 近场光学显微镜的应用1 3 1 4 论文的工作及内容安排15 第2 章扫描近场光学显微镜系统1 7 2 1 传统扫描近场光学显微镜的基本结构和关键技术1 7 2 2 扫描近场光学显微镜的工作方式2 0 2 3 国外商业化s n o m 发展2 2 2 4s n o m 系统搭建一2 3 2 4 1 光机结构2 4 2 4 2 控制仪器规划2 6 2 4 3d s p 主控制系统2 7 2 4 4 反馈控制系统3 l 2 4 5 上位机控制软件3 4 2 5 探针样品距离控制系统3 5 2 5 1 音叉光纤探针模块3 6 2 5 2 相位检测模块：3 7 2 5 3 反馈控制系统分析3 9 2 6 本章小结4 5 第3 章s n o m 扫描器的非线性分析及校正4 7 3 1 压电陶瓷的基本理论4 7 3 1 。l 压电效应4 7 v 目录 3 1 2 压电常数和压电方程4 8 3 1 3 压电陶瓷管扫描器一5 1 3 1 4 压电陶瓷管位移电压特性线性建模5 2 3 2 压电陶瓷管扫描器的非线性分析5 6 3 2 1 压电陶瓷管在电场下位移的微观机理5 6 3 2 2 压电陶瓷管的非线性对扫描图像的影响5 8 3 3 扫描图像的非线性校正6 2 3 3 1 非线性校正方法一6 2 3 2 2 软件预校正研究6 3 3 3 3 非线性校正扫描器研究：。6 6 3 4 本章小结7 3 第4 章高速s n o m 控制系统研究7 5 4 1 探针样品距离控制7 5 4 1 1 探针样品距离控制方式7 5 4 1 2 音叉探针样品相互作用：7 6 4 1 3s n o m 扫描速度分析。7 8 4 2 高频石英片探针设计7 9 4 2 1 高频石英振荡器设计要求7 9 4 2 2 高频石英片外形尺寸计算8 0 4 2 3 石英片建模和实物图8 4 4 3 高频石英片光纤探针实验8 4 4 4 本章小结8 5 第5 章四压电陶瓷管驱动的扫描台研制8 7 5 1 扫描台结构设计8 7 5 1 1 扫描台结构简介8 7 5 1 2 扫描台运动模式8 9 5 2 扫描台结构的有限元建模9 0 5 2 1 材料参数选择9 0 5 2 2 网格划分9 1 5 2 3 计算结果9 2 5 3 扫描台位移测量9 4 5 4 本章小结一9 5 第6 章展望与总结9 7 6 1 本文内容总结9 7 v i 目录 一 6 2 本文创新之处9 7 6 3 后续工作展望9 8 附录一9 9 附录二1 0 1 参考文献10 3 在读期间取得科研成果1 0 9 致谢1 11 v i i 插图目录 插图目录 图1 1 传统光学显微镜分辨率衍射极限原理图2 图1 2 反射式共焦显微镜光路图2 图1 3 近场光学显微镜原理3 图1 4s c i 收录s n o m 相关文章5 图1 5 相距缸的a 、b 两点的分辨率6 图1 6 近场探测示意图9 图2 1s n o m 的工作原理1 8 图2 2 透射模式：探针照明模式和探针接收模式2 1 图2 3 全内反模式2 1 图2 - 4 照明接收模式2 2 图2 5w i t e c 公司的s n o m 结构图2 2 图2 6n t - w d t 公司的s n o m 结构2 3 图2 7n a n o n i c s 公司的s n o m 结构：2 3 图2 8s n o m 系统框图2 4 图2 9s n o m 系统照片2 4 图2 1 0 倒置金相显微镜光路图。2 5 图2 1 l 有扫描器探头结构2 6 图2 1 2 无扫描器探头结构2 6 图2 1 3d s p 主控制系统模块图2 7 图2 1 4p l 2 3 0 3 模块电路图2 8 图2 1 5d a 模块电路原理图2 9 图2 1 6a d 模块电路原理图2 9 图2 1 7x y 平面内扫描路径示意图3 0 图2 1 8 扫描快轴信号的示波器观察图3 l 图2 1 9p i d 控制框图3 2 图2 2 0 反馈控制系统框图3 3 图2 2 l 反馈系统中d a 模块原理图3 3 图2 2 2 反馈系统中a d 模块原理图3 3 图2 2 3 扫描图像显示窗口3 4 图2 2 4 扫捕图像显示控制窗口3 5 图2 2 5 扫描控制面板和反馈控制面板3 5 i x 插图目录 距离控制框图3 6 图2 2 7 音叉光纤探针模块3 6 图2 。2 8 相位检测框图3 7 图2 2 9 双稳态和异或门比较图3 8 图2 3 0 异或门电路经低通的输出电压相差的曲线3 9 图2 3i 反馈控制系统框图3 9 图2 3 2 系统开环阶跃响应曲线一4 0 图2 3 3h ( s ) 的单位阶跃响应曲线4 l 图2 3 4k 。对系统单位阶跃响应曲线的影响：4 l 图2 3 5k ，对系统单位阶跃响应曲线的影响4 2 图2 3 6 不同p i 参数下单位阶跃响应曲线比较4 3 图2 3 7 当k 。= 2 0 ，k = 1 0 0 时示波器观察信号图4 4 图2 3 8 当k = 2 0 ，k = 3 0 0 时示波器观察信号图4 4 图2 3 9 当k 。= 5 0 ，k ，= l0 0 时示波器观察信号图4 5 图2 4 0 对c d r 光盘表面的扫描形貌起伏信号4 5 图3 1 正压电效应示意图4 8 图3 2 逆压电效应示意图4 8 图3 3 应力t 的坐标示意图4 9 图3 - 4 四分电极的压电陶瓷管扫描器5 1 图3 5 压电陶瓷管扫描器的偏转计算示意图5 2 图3 - 6 压电陶瓷管弯曲计算5 3 图3 7 压电陶瓷管在x z 平面内的弯曲5 4 图3 - 8 网格划分后的压电陶瓷管5 5 图3 - 9 压电陶瓷管弯曲和伸长示意图5 5 图3 1 0 逆压电效应的位移机理一5 6 图3 1 l1 8 0 。和9 0 。畴示意图5 7 图3 1 2 压电陶瓷在电场作用下的位移5 8 图3 13 压电陶瓷管非线性特性5 9 图3 1 4 压电陶瓷管的迟滞特性5 9 图3 1 5 压电陶瓷管的蠕变特性6 0 图3 1 6 压电陶瓷管的交叉耦合与x y 的非平面扫描结果示意图6 l 图3 1 7 压电陶瓷管的老化特性一6 l 图3 1 8 预校正后的扫描器控制电压一6 2 图3 1 9 非线性校正软件控制界面一6 5 x 捅图日录 图3 2 0 软件校正前后图像对比6 6 图3 2 l 非线性校正扫描头结构和原理示意图6 7 图3 2 2 单透镜成像示意图6 8 图3 2 3p s d 输出信号原理图6 8 图3 2 4x 电压下探针在x 方向的位移曲线6 9 图3 2 5x 电压下探针在y 方向的位移曲线6 9 图3 2 6 神经网络结构7 1 图3 2 7 用l m 神经网络算法拟合的残余误差7 2 图3 2 8 用二次多项式拟合的残余误差7 3 图4 1 音叉探针7 6 图4 2 探针- 样品作用二阶系统中的相位和振幅随时间的变化函数关系7 7 图4 3 石英晶体电极示意图8 3 图4 - 4 石英片u g 建模和实物图8 4 图4 5 石英片振动模式8 4 图4 6 不同的粘针方式8 5 图5 1 扫描台俯视结构图8 8 图5 2 带柔性铰链的样品台8 8 图5 3 压电陶瓷与样品台连接局部图8 8 图5 4 扫描器结构示意图8 9 图5 5 扫描台各种运动示意图9 0 图5 6 压电陶瓷管的端面网格划分：9 1 图5 7 柔性铰链的网格划分9 2 图5 8x 方向和z 方向位移图9 2 图5 - 9 各阶模态的振型图9 3 图5 1 0 扫描器在阶跃信号下的瞬态响应曲线9 4 图5 1 l 用于横置s n o m 结构中的扫描台实物9 4 图5 1 2 扫描台位移测量实验装置图“9 5 x 【 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 显微镜技术的发展 1 1 1 传统光学显微镜的发展 大约在1 6 世纪末，荷兰的眼镜商詹森( z a c h a r i a sj a n s s e n ) 把几块镜片放进 了个圆筒中，结果发现通过圆筒看到附近的物体的像出奇的大，这就是现在的 显微镜的前身。不过，詹森时代的复合式显微镜并没有显示出它的威力，它们的 放大倍数低的可怜。荷兰人安东尼冯列文虎克( a n t h o n yv o nl e e u w e n h o e k ， 1 6 3 2 1 7 2 3 ) 制造的显微镜，放大倍数将近3 0 0 倍，超过了以往任何一种显微镜， 让人大开眼界。在接下来的两个世纪中，复合式显微镜得到了充分的完善，使自 然界丰富的微观信息以清晰的图像形式呈现在人们面前。但与1 9 世纪的显微镜 相比，现在我们所使用的普通光学显微镜在分辨率上没有数量级的改进。与此同 时，非光学显微镜的分辨率已经达到原子量级( o 1 n m ) 。究其原因在于光学显微 镜存在一个不可逾越的分辨率极限衍射极限。 在一个多世纪以前，德国物理学家阿贝( e r n e s ta b b e ，1 9 8 4 - 1 9 0 5 ) 根据衍射理 论得出结论：传统光学显微镜能够探测到的物体的最小细节总是大于半个波长。 瑞和j ( r a y l e i g h ，1 8 4 2 1 9 1 9 ) 将阿贝衍射理论归纳为一个公式，即瑞利判捌i 】： 万器 ( 1 1 ) ，o i i ， 其中，旯为成像所用光的波长，以为物方空间的折射率，口为成像系统的半 孔径角，万为传统光学显微镜可分辨两点间的极限距离，即显微镜的分辨率衍射 极限。万的定义见图1 1 传统光学显微镜的分辨率衍射极限原理图，在物面上无 限小的光点p 和q ，在成像面上将显示为艾利斑p 和q 。衍射产生的艾利斑光 场，由中心亮斑和一些同心圆环条纹构成，绝大部分能量集中在中心亮斑。能分 辨两光点的极限间距定义的条件为尸的第一暗环与q 的亮斑中心重合。 、 第l 章绪论 n j ? 2 k( 1 6 ) 此时式( 1 3 ) 为： 酞豫= 2 k 2 旯 ( 1 7 ) 根据测不准原理，必然存在某个情况使得： 6 第1 章绪论 a x 1ki k 时，a 2 的衍射极限是可以突破的。 根据色散关系，有七2 = 砖+ 七；+ 霹，若要式( 1 6 ) 成立，则七，k ：必须有一个是 复数，才有可能。 当波矢k 为复数，具体地说，x 和y 分量t 和七，为实数，z 分量t 为虚数腑， 时，在p 点的光波场u ( r ，r ) 可以表示为： u ( r ，t ) = u ( x ，少，z ) e x p i ( k x x + 七。y + 七：z c o t ) 】 ( 1 9 ) 其中，和f 分别代表p 点的空间坐标和时间，u ( x ，y ，z ) 为波幅，指数部分反映 行波特征。因此式( 1 9 ) 代表了一个频率为c o 沿方向k 传播的行波场。 若七，为复数，则有： u ( r ，t ) = u ( x ，j ，z ) e x p i ( k x x + 七y j ，一c o t ) 一七，z 】 ( 1 1 0 ) 此时，光波场u ( r ，t ) 变成了沿物平面( x ，y ) 方向传播和沿z 方向指数衰减的 非辐射场。非辐射场是不均匀的场，其性质与样品的性质和结构有密切关系。这 种场是由于物质的存在而存在。这种非辐射场被称为倏逝场( e v a n e s c e n tf i e l d ) 。 下面利用傅立叶光学角谱的概念来分析隐失波与物体超分辨精细结构之间 的关系。物体的精细结构和衍射场等这些随空间变化的物理现象总可以用空间周 期性变化的函数加以描述。 现在讨论由z = 0 的空间平面( x ，y ，0 ) 上的光场分布而在( x ，y ，z ) 平面处引起 的场分布。平面y ，z = 0 ) 上波长为五的光场分布u ( x ，y ，0 ) 可表达为： u ( x ，y ，o ) = j j a o ( = , v ) e x p i