[实用新型]一种基于原子力探针的显微镜头与样品台锁定系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及光学仪器领域和生物医学显微成像领域，具体涉及一种基于原子力探针的显微镜头与样品台锁定系统。

背景技术

目前在生物医药领域的研究对显微镜分辨率的要求越来越高，研究人员需要了解各种微小形态物质的三维结构，传统白光宽场显微镜和激光共聚焦显微镜的光斑尺寸无法达到这样的分辨率，而超分辨显微系统的出现完美地解决了这个问题。现如今国内外主流的超分辨显微方法主要集中在各类荧光显微技术方面，诸如结构光照明技术(SIM)、受激发损耗显微术(STED)、基态损耗显微术(GSD)等。与一般显微镜相比，超分辨显微系统对于机械振动、热膨胀等因素更为敏感，因此对于样品焦平面锁定的要求更高，必须保证物镜聚焦于样品表面。同时，作为一套自动化仪器，具备焦平面锁定和精准的轴向定位功能的超分辨显微镜，可以很好的保证系统间的位相关系，为其获得高精度图像提供极大便利。Roman Schmidt等人在《自然》杂志中发表的题为《Spherical nanosized focal spot unravels the interior of cells》的论文中所应用的聚焦锁定系统采用两套独立的单镜头采样系统对样品表面进行聚焦锁定。这种方法，锁定过程容易控制，然而其中所采用的锁定系统装置的硬件系统过于复杂，而且当镜头产生较大的偏移量时，容易产生失真，降低精度。

实用新型内容

本实用新型针对现有聚焦锁定装置存在的硬件复杂、精度低、成本较高等问题，提出了一种基于原子力探针的显微镜头与样品台锁定系统。该系统具有简单、易搭建、精准高效的轴向定位等功能特点，可实现在样品扫描过程中对镜头与样品台之间的相对位置进行实时调节。

本实用新型利用原子力探针，通过原子间相互作用力来锁定显微镜镜头与样品台的相对位置，通用性和可移植性强，可广泛用于超分辨显微系统的聚焦锁定。

一种基于原子力探针的显微镜头与样品台锁定系统，包括显微镜头、激光器、四象限探测器、探针悬臂、原子力探针、样品台、控制单元；

激光器发射的光束发射至探针悬臂的末端，经过反射之后光斑被四象限探测器收集；四象限探测器接收激光的光斑位置信号，将位置信号送给控制单元；控制单元实时读取来自于四象限探测器的光斑位置信号，并将该位置与预先确定的锁定位置的光斑位置进行对比计算，根据计算结果对样品台的位置进行补偿调整。

本实用新型中，所述激光器为红外波段激光器，选用该波段的激光器可以保证装置在完成镜头与样品锁定功能的同时，不对超分辨显微系统中的成像光束造成较大的影响。

作为优选，红外段激光器的波长为980纳米，平均输出功率为15mW。

本实用新型中，所述原子力探针采用接触式探针。采用该技术方案，可以提高装置精准度。

本实用新型中，所述探针悬臂固定在显微镜头上。

本实用新型中，所述显微镜头在整个系统扫描样品表面过程中不移动，而是由控制单元通过向样品台输出控制信号控制样品台在Z轴方向的移动，达到镜头与样品台锁定的目的。

本实用新型中，所述Z轴方向为垂直于样品台表面的方向。

本实用新型中，所述锁定位置为初始情况下，样品台位于显微镜头焦平面的位置。

本实用新型中，所述锁定位置的光斑位置，位于四象限探测器中心。

作为优选，所述四象限探测器接收的光斑位置信号的计算公式参考司栋森等人在《西安交通大学学报》上发表的《采用四象限探测器的智能跟踪定位算法》进行计算中的公式(1)和公式(2)，具体公式为：

其中Δx和Δy分别为四象限探测器的光斑位置；V_I、V_II、V_III、V_IV分别为四象限探测器第一、第二、第三、第四象限探测的电压信号；k是一个可调节系数，设置为1。

作为优选，控制单元采用闭环负反馈控制，其过量补偿参数参数设置为 1.05。

作为优选，闭环负反馈控制公式为：

u(t)＝K(t)*e(t)(3)

其中u(t)为控制单元实时输出的控制信号；K(t)为所述的过量补偿参数； e(t)为实时输入控制单元的光斑位置与锁定位置的光斑位置的差异。

所述控制单元可选用控制芯片，该芯片可单独设置或集成设置；所述控制单元也可选择计算机，通过计算机实时进行对四象限探测器传入的光斑位置信息进行实施采集和控制，并对样品台Z轴方向的位置进行控制。