用於衰減全內反射(atr)光譜儀的附件的製作方法

2023-10-18 06:30:04 1

專利名稱：用於衰減全內反射(atr)光譜儀的附件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種使用衰減全內反射(ATR)的光譜儀。
背景技術：
ATR是一種用於FT-IR光譜儀之類的光譜儀中的技術，以便從那些難以通過透射或反射等其他方式來分析的樣品中獲得光謙測量。典型地，用於執行ATR測量的裝置包括提供波長辨別的光語儀、用於將光直射到樣品上的照明系統、提供樣品平面的ATR鏡片、和接收已經與樣品交互作用的光的收集/探測系統。ATR鏡片以一定的方式布置，以便通過全內反射現象的方式反射來自指定樣品平面的所有入射光。與樣品相關的光語信息從樣品與緊接著反射表面外部而存在的消失電場的交互作用中獲取。從該場的能量的吸收減弱了反射，並在光束上印上了光語信息。
可以基於這些原理，通過布置將樣品區域照明並通過布置收集系統以獲取成像屬性，來構建成像ATR系統。從樣品的空間差別區域返回的光被收集到探測器上或諸如一維或二維探測器陣列的探測器陣列上，由此收集到光語信息，其能夠編譯進樣品的光譜圖像中。
成像ATR系統能夠以諸如Perkin Elmer Spotlight顯孩吏鏡的反射顯微鏡形式構建。在這種配置中，通過成像光學鏡片就將光引導至反射樣品上並從該反射樣品來收集。用於該系統的ATR光學鏡片能夠方便地包括由諸如鍺的高折射率材料製成的半球狀平凸透鏡。所述光學鏡片被布置為使得凸球狀表面被引導朝向顯微鏡光學鏡片，而其曲率中心被布置為與成像系統的焦平面重合。所述樣品被呈現到ATR的平坦表面。
所述顯微鏡包括可移動載物臺，該可移動載物臺具有在處理器控制下用於將載物臺沿x、 y、 z方向移動的相關馬達。使用小線性陣列探測器並將載物臺以及相隨的晶體/樣品組合物相對於顯微鏡的光軸橫向地物理移動，來執行成像。隨著載物臺被移動，探測器可探測到來自樣品不同部分的圖像，採用此方式能夠累積一空間圖像。
在這種類型的布置中存在許多要求和問題。樣品的關注區域必須通常在視覺上是可識別的，並且被大約放置在顯微鏡視場中心。這通
常意味著要取出ATR晶體，因為它通常由諸如鍺等的對可見光不透明的材料製成。
ATR晶體必須被放置為使它的樣品接觸面緊密接觸樣品。這在獲取焦點中的紅外圖像時會導致一些問題。當使晶體與樣品接觸時，樣品會移動。另外，晶體可能由於其形狀而導致散焦。例如，如果晶體的厚度並不與其曲面半徑精確相同。因為晶體材料具有大約為4的高折射率，這種效應被放大。因此小製造誤差可變得明顯。

發明內容
本發明涉及對ATR光譜系統布置的改進，意在克服上述和其他問題。
根據本發明第一方面，提供一種被布置來執行ATR測量的顯微鏡的附件，所述附件包括能夠安裝在所述顯微鏡的可移動載物臺上的支撐件以及被承載在所述支撐件上的用於安裝ATR晶體的安裝構件，所述安裝構件被安裝和布置在所述支撐件上，使其能夠在一個其中被安裝在所述安裝構件上的晶體與所述顯微鏡的光軸對準的位置與一個其中所述晶體從所述光軸偏離開的位置之間移動。
所述安裝構件可以包括細長臂，該細長臂可樞轉地於一端處支撐於第一引導銷上，所述臂圍繞所述銷樞轉，以允許所述安裝構件的所述移動。
所述臂的另一端具有開口，當所述安裝構件位於其中所述晶體處於所述光軸上的位置中時，所述開口接合一個被所述支撐構件承載的第二銷。
所述臂可以沿著所述第一引導銷的軸線被提升，以使得所述另一端移離所述第二引導銷，以允許所述樞轉運動。
一個制動機構可以被關聯到所述臂的所述一端以及所述第一引導鋪，當所述臂返回到其中所述晶體對準所述光軸的位置中時，所述制動機構可操作地允許所述臂沿著所述第一引導銷受控下降。
4所述制動機構包括環，該環被所述臂承載並且位於所述第一引導
銷周圍，所述環的內直徑略大於所述第一引導銷的內直徑；偏置裝置， 其可操作地偏置所述環，從而使所述環的圓周部分摩擦接合所述引導 銷的表面部分；和可手動操作的裝置，其可操作地作用到所述偏置裝 置以減輕或釋放所述摩擦接合併從而允許所述環相對於所述引導銷軸 線移動。
所述安裝構件以 一種如下的方式被承載以使得能夠檢查所述晶體 的樣品接合表面，例如檢查晶體是否被損壞或被汙染，所述方式為 使安裝構件能夠遠離其安裝狀態並能夠通過圍繞其縱向軸線旋轉而返 回。
本發明的這方面通過使用可移動的安裝構件而使得被安裝在這樣 的顯微鏡載物臺上的晶體能夠被移開並接著精確且可再現地返回到其 原始位置。
根據本發明第二方面，提供一種被布置來執行ATR測量的顯微鏡 的附件，所述附件包括能夠安裝在所述顯微鏡的可移動載物臺上的支 撐件；有ATR晶體安裝在其中的安裝構件，所述晶體具有樣品接觸區域; 以及被定位為使得其相對於樣品接觸區域固定的記錄標記 (registration indicium)。晶體可具有與所述接觸區域相對的大致半 球狀的表面，並且所述記錄標記可位於半球狀表面的頂點區域處。標 記可包括在半球狀表面上的平臺或者在半球狀表面上的標誌。
根據本發明第三方面，提供一種操作設置有根據所述第二方面的 附件的顯微鏡的方法，所述顯微鏡包括用於控制可移動載物臺的移動 的處理裝置，以及所述處理裝置已經在其中記錄了涉及ATR晶體高度 的預定參數，所述方法包括最初移動顯微鏡的載物臺以對記錄標記聚 焦，並將載物臺移動一由所述參數限定的預定豎直距離，以便對與所 述樣品接觸區域接觸的樣品聚焦。
根據本發明的第四方面，提供一種用於根據所述第二方面的顯微 鏡中或根據所述第三方面的方法中的校準ATR晶體的方法，所述方法 包括選擇在顯微鏡光語範圍內展現出強勁吸收並具有一個在與ATR晶 體接觸時產生分明(sharp)的空間邊緣的幾何形狀的測試樣品，所述 方法包括使晶體的樣品接觸區域與測試樣品接觸，從而在晶體的初始豎直位置獲得測試樣品的紅外圖像，處理該圖像以對所述邊緣提取斜 率信息，針對晶體的不同豎直位置重複該過程，將展現最大斜率的位 置識別為最優豎直位置，並根據所述識別的最優位置推導針對所述晶 體的校準參數。
上述處理可包括，對於每個豎直位置，對所獲得的圖像進行光鐠 過濾，以提取在測試樣品強烈吸收的波長處的吸收的空間圖。
所述方法可包括提取一橫貫了所述波長下的所述吸收圖的空間上
分明的形貌(feature)的才黃截面。
所述方法可包括對上述橫截面進行微分以提取斜率數據，並對圖 像中的 一可識別形貌測量最大斜率。
測試樣品可為塑性材料，例如微凸印的聚合物，例如Vikuiti亮 度增強薄膜。
本發明的第二、第三和第四方面提供一種設備，其允許確定晶體 相對於顯微鏡的最優位置並且能夠與晶體的製造公差相適應。它可以 將晶體定位於最優豎直位置，以便以與樣品厚度無關的、可複製的方 式獲得聚焦的紅外圖像。
根據本發明的第五方面，提供一種被布置來執行ATR測量的顯微 鏡的附件，所述附件包括能夠安裝在所述顯微鏡的可移動栽物臺上 的支撐件；被承載在所述支撐件上的用於安裝ATR晶體的安裝構件； 在ATR晶體的位置下方設置的樣品支撐構件，所述樣品支撐構件具有 其上可接收樣品的表面；和壓力施加裝置，其設置於所述樣品支撐構 件下方，用於沿所述晶體的方向將壓力施加到所述樣品支撐構件。
所述壓力施加裝置可包括J求狀構件，壓力可通過該J求狀構件施加 到所述樣品支撐構件。這就允許所述支撐構件可以有一有限的傾斜， 以i更適應不規則樣品。
壓力施加裝置可包括彈簧偏置裝置。
彈簧偏置裝置可包括被彈簧朝向晶體推動的鎖銷(plunger)。 球狀構件可為滾球軸承，並且所述鎖銷接觸所述滾球軸承。 所述附件可包括齒條和耦接到所述鎖銷的小齒輪裝置，所述齒條
可手動移動以影響小齒輪的轉動，以此4吏鎖銷軸向運動，從而施加或
釋放被施加到樣品支撐構件的壓力。能夠施加到樣品支撐構件的壓力是可調節的。
通過其而使壓力施加裝置發揮作用的樣品支撐構件區域相對薄， 以確保壓力施加點儘可能靠近晶體。
本發明的這方面提供一種簡單有效的裝置，用於確保樣品被保持 與晶體的樣品接觸面進行良好接觸。
根據本發明的第六方面，提供一種被布置來執行ATR測量的顯微 鏡的附件，所述附件包括可固定到顯微鏡的可移動載物臺上的支撐件， 被所述支撐件承載用於安裝ATR晶體的安裝構件，以及布置在ATR晶 體位置下方的樣品支撐構件，所述樣品支撐構件限定樣品接收表面， 所述樣品支撐構件被承栽在所述支撐件上，以致使該樣品支撐構件可 相對於ATR晶體移動並限定一能夠相對於顯微鏡的主載物臺移動的副 載物臺。
樣品支撐構件可包括平坦上表面和側表面，並且所述附件包括用 於調節樣品支撐構件在支撐件上的位置的位置調節裝置。
位置調節裝置可包括一對螺釘，該對螺釘用於逆著偏壓彈簧推動 所述構件。
螺釘可被定位為沿著正交方向作用，並且所述彈簧被布置為沿著 所述方向的平分線作用。
每個螺釘作用於其上的表面可相對經過晶體的軸線成一小角度， 從而使每個螺釘具有將樣品支撐構件朝向所述支撐件移動的作用。
本發明這方面提供了副載物臺，該副載物臺使樣品位置可以被調 節，而不會影響顯微鏡的主載物臺的任何先前設置。
可以理解的是，上文限定的本發明的各方面的特徵可進行組合使用。


現在將僅具體參照附圖通過示例來描述本發明。附圖中
圖l是圖示公知的FT-IR顯微鏡的主要元件的示意性側視圖2是一個用於ATR顯微鏡的附件的示意性立體圖，所述附件根據
本發明一實施方案構建；
圖3是顯示位於顯微鏡的可移動載物臺中的所述附件的立體圖；圖4是沿圖2的線Z-Z截取的截面圖5是類似於圖3的截面圖，其顯示顯微鏡中附件相對於卡塞格倫 物鏡(objective cassegrain lens)的位置；和 圖6是圖4的一部分的放大截面圖； 圖7是所述附件的平面圖； 圖8是沿圖7的線V-V截取的截面圖； 圖9是沿圖7的線W-W截取的截面圖；和 圖10和11圖示了一個結合了所述附件的成像顯微鏡的操作。
具體實施例方式
參照圖1，該圖示出FT-IR顯微鏡的主要元件，這些元件包括設置 在視/IR鏡(view/IR mirror) 11的上方的光學顯樣i鏡10，視/IR鏡 11又設置在遠孔12上方。位於遠孔12下方的是透射/反射鏡14，其 位於卡塞格倫物鏡組件16和聚光器卡塞格倫組件18之上。在這兩個 卡塞格倫組件之間布置有可移動載物臺20，該可移動載物臺限定用於 分析的樣品的位置。位於聚光器卡塞格倫(condenser cassegrain assembly) 18下方的有平面鏡22,其可引導來自耦合光學鏡片24的 輻射，所述耦合光學鏡片24又被配置為接收來自輻射源的輻射。這種 類型的顯微鏡可用於反射率和透射率測量。聚光器卡塞格倫18和平面 鏡22主要用於透射率測量。為進行反射率測量，耦合光學鏡片24被 傾斜以將輻射引導至透射/反射鏡14，該透射/反射鏡然後將輻射的大 部分向下引導穿過卡塞格倫物鏡16而照射至樣品上。輻射從樣品反射 回來，穿過卡塞格倫物鏡16。本發明的實施方案所涉及的是採用反射 模式。裝置還包括探測器和卡塞格倫裝置26，該卡塞格倫裝置用於結 合未示出的IR光譜儀來執行光鐠分析。此類裝置的操作將為本領域技 術人員所知，當結合ATR晶體時，此類裝置的操作的更多細節例如可 從EP-A-0730145和EP-A-0819932中得知。
本說明涉及一種可位於顯微鏡的可移動載物臺20上以使得能夠 執行ATR成像測量附件。參照附圖中的圖2-9，所述附件的一個實施 方案包括呈基板40形式的支撐件，其採用螺釘43連接到支架42。基 板40位於一個形成於顯微鏡的可移動載物臺20中的凹部22內。栽物臺20可在處理器控制下通過合適的馬達沿x、 y、 z方向移動，如本領 域技術人員公知的。基板40通過附圖中未示出的一些螺釘在凹部22 中固定就位。支架42提供了一種在將附件放置到載物臺上時或者將附 件從載物臺20取出時保持該附件的裝置。
基板40的下表面在44處凹進，並且孔45延伸通過基板並與凹部 44連通。
基板40的上表面支撐一個砧座60，該砧座60包括一個樣品支撐 件。砧座60在平面圖上呈大致圓形，並且位於卡圏(collar) 62內 的圓形開口中。如圖2可見，卡團的外邊緣呈大致正方形，並且卡圏 中的內圓形開口略大於砧座的外圓形表面，從而使砧座能夠在卡圏的 界限內以 一有限程度移動。
砧座具有相對厚的環形側壁63和相對薄的頂壁64。凹部65限定 在頂壁64和側壁63之間。砧座的頂表面承載可移動板67，板的頂表 面65構成樣品支撐表面。突出部66從壁62徑向向外延伸以位於卡團 的懸伸部下方。這種布置允許砧座進行小的豎直運動。
砧座採用兩個可手動操作調節的螺釘70、 71和彈簧74在卡圏中 固定就位，調節螺釘70、 71朝向頸圏前部就位，彈簧74 (圖4)設置 在卡圏背部。所述彈簧通過螺釘75固定就位。螺釘70、 71被布置為 使它們的軸線正交地朝砧座的軸線延伸，並且彈簧74被設計為沿著螺 釘軸線之間的角的平分線發揮作用。因此，通過手動操作螺釘70、 71, 可以使砧座在卡圏62的界限內運動。每個螺釘被布置為抵著砧座表面 作用，該表面與穿過砧座的軸線呈一小角度傾斜。彈簧74也被布置於 一小角度下發揮作用，並且這種布置確保了存在施加到砧座上的一個 小的豎直力，該力用於將砧座壓向基板40。
上文所述的砧座裝置構建了副載物臺，該副栽物臺能夠相對於顯 微鏡本身的可電子地移動的載物臺20移動。
用於將壓力施加於頂壁64下側的壓力施加才幾構80被設置在砧座 60下方。壓力施加機構包括管狀插入件81，該管狀插入件帶有內螺紋， 並且位於基板的孔45內。螺紋插入件81在其上端容納一個設置在球 狀引導件83內的滾球軸承82。滾球軸承通過彈簧84向上偏置，以接 觸頂表面64的下側，彈簧84通過頂帽(top-hat)鎖銷85推動球。該鎖銷85設置在鎖銷引導管86中，鎖銷引導管86通過螺紋旋入管狀 插入件81中並向下延伸到凹部44中。彈簧通過螺釘89保持在引導件 86中，螺釘89可用於調節彈簧的預負載。
小齒輪90固定在引導管86的下端周圍，並連接到螺釘。小齒輪 90通過中間齒輪92耦接到齒條(rack) 91，中間齒輪92可圍繞軸93 旋轉。所述齒條可通過圖2所示的可手動操作的旋鈕94縱向移動。當 齒條縱向移動時，這就導致小齒輪90旋轉，並且這進而導致將引導管 保持處於管狀插入件81內的彈簧鎖銷的對應旋轉。根據齒條的移動方 向，保持引導管86的旋轉提升或降低管86，從而使得要麼通過球82 將一提升力施加到砧座或要麼使砧座下降。
用於ATR晶體的安裝件承載在砧座60上方。該安裝件包括於其相 對的兩端處得到支撐的縱長臂100。所述臂具有帶有環形構造102的 第一端101，在環形構造102中設有一對襯套，並且該環形構造102 位於被承載在基板40上的引導銷103上。所述臂也具有帶孔105的中 央部分，孔105具有階梯形側部。所述孔包括用於如圖4所示的ATR 晶體106的位置。
所述臂具有位於低於第一端的水平面的第二端108。第二端108 具有L形槽109，該L形槽可接納一個被承載在基板40上的第二引導 銷110。設置鎖定螺釘lll以將臂IOO鎖定就位於引導銷上。
臂100的第一端101設置有一個結合引導銷103進行操作的制動 機構。參照圖9，環形構造102具有拼合內襯套150，該拼合內襯套帶 有上和下部分151和152。剛性制動環153布置在襯套部分151和152 之間。制動環的內直徑略大於引導環103的外直徑。環153通常被彈 簧155偏置以接觸銷103，彈簧155被彈簧保持器和制動釋放止擋機 構156固定就位於環形構造102中。在彈簧的直徑相對處設置制動釋 放按鈕158，該制動釋放按鈕被受控地保持在環形構造102中。按鈕 158的徑向內端緊靠制動環153定位。當按鈕158被壓下時，環153 徑向移動到其各部分都不接觸銷103的位置，從而釋放制動作用。機 構156限制環153可移動的程度。
參照圖8，環形構造102還包括與銷103徑向間隔開的軸向延伸 孔160。當臂100處於如圖2所示的位置時，孔160接收被承栽在基底40上的直立支撐銷162。如果臂100沿著銷103的軸線被提升從而 使孔160移除銷162,則臂100就能夠圍繞引導銷103轉動而遠離如 圖2所示的位置。銷162然後能夠接觸臂100的下側，以將其保持在 提升位置。臂100能夠被轉回到如圖2所示的位置，當銷162和孔160 對準時，可以使臂降低到原來的位置。銷162和孔160的布置與引導 銷110在槽109中的位置相結合，確保了臂100處於正確且可再現的 位置，並因此確保了晶體106在顯微鏡的光軸上處於正確且可再現的 位置。
晶體106通常為半球狀並且由鍺製成。下表面通常呈淺錐形式， 並具有構成樣品接觸區域的平坦中央區域112。晶體106被結合在安 裝環108內，安裝環108^皮保持在臂100中的開口 105內。所述臂可 包括滑動防塵蓋(未示出)，其在晶體不使用時覆蓋該晶體。
使用中，相對於顯微鏡定位晶體，使樣品接觸區域112的中心基 本處於顯微鏡的焦點處。在ATR晶體用於ATR成像的情況下，晶體設 計的優化是重要的。有別於樣品透射或反射成像，當執行ATR成像時， 需要更寬的照明範圍。進一步，在包含掃描的成像系統的情況中，照 明在整個視場中可以適當地是不均勻的，因此如果想獲得有效清晰圖 案必須進行一些補償。雖然這能夠以軟體實現，但由發明人所進行的 光學建模工作已經顯示，晶體的曲率半徑影響了照明的均勻度。已經
發現，對於給定的照明光學器件和探測器的布置存在優化半徑，從而 在保持處理量的同時可以最小化整個指定圖像區域的變化。這種技術 已經顯示，6. 75mm的晶體半徑對於附圖中所示的布置而言是最優的。 通過使用輻射追蹤技術結合已考慮極化效應的適當假設，可以獲得該 圖像。操作此程序所發現的是，對於ATR光學鏡片上的小曲率半徑， 從樣品區域的中央所接收的能量高，但是從其他部分接收的能量相對 較低。樣品的圖像因此在空間上亮度非常不均勻，即使樣品本身在空 間上均勻。隨著ATR光學鏡片的曲率半徑被允許增大，整個樣品區域 的信號的均勻度提高到這樣一個程度，即來自中心和邊緣的信號大致 相等。由此方式限定的照明均勻度可用作選擇優化的曲率半徑的度量。 如果允許進一步增大曲率半徑，則從樣品區域的所有點接收的總能量 典型地被看成，初始在某一特定曲率半徑處增大超過一峰值，然後到
ii一極大的半徑時再次下降。出現峰值總能量處的半徑可被選為相當於 上文中所指的設計優化值。
臂100以附圖所示方式安裝在引導銷103、 110上，使得能夠通過 將臂100向上提升而使該臂移離引導銷。然後所述臂能夠繞其縱軸反 轉，並重新放到引導銷上，以使得晶體的樣品接觸面最高。這使得能 夠使用顯微鏡的視覺檢查設備來檢查晶體的樣品接觸面，從而允許對 其狀況進行評估。引導銷103、 110的布置還允許所述臂被提升然後圍 繞銷103樞轉，以允許晶體移出顯微鏡的光學路徑。這是能夠發生的， 因為引導銷110的頂部低於引導銷103。在該位置處，臂100被銷162 保持在其提升位置處。槽109允許通過將銷110定位在槽109中而對 臂100進行精確的再定位。鎖定螺釘允許所述臂鎖定在選定高度處， 例如使晶體接觸樣 品。
另外，晶體106在半球狀表面的頂點處設置有記錄標記。該標記 可採用在半球狀表面上形成的平臺形式，或者在表面本身上做標記的 一些其他形式。如將要描述的，該記錄標記用於在水平和豎直方向上 正確定位晶體。
記錄標記不是必須得處於半球狀表面的頂點，儘管這是最方便和 優選的位置。標記可處於附件上的任意位置，只要該位置相對於樣品 接觸區域12機械固定並且通過顯微鏡的觀察系統可見。
如附圖可見，臂100在其位於基板40上時需要朝向樣品接收表面 下降。重要的是，控制這種運動以便避免損害特別是對於晶體的損害， 為此，附件設置有制動機構153、 155、 156、 158，它們位於包含引導 銷103的結構120內。制動機構通常防止所述臂在重力下落下，並被 設置用來避免對晶體106造成無意損害。按鈕158被手動操作以釋放 制動，並使臂100可以下降。可釋放制動機構的使用，使用戶能夠在 臂和引導銷之間沒有任何摩擦的情況下下降所述臂，從而使用戶更能 控制下降操作。
優選設置在晶體106頂點處的記錄標記用於將晶體與顯微鏡的光 軸對準，從而對任意的成像掃描提供一限定的起始位置。儀器軟體設 有橫向偏置參數，所述橫向偏置參數允許ATR圖像與可見光圖像或者 與常規透射/反射圖像精確對準。另外，該軟體設有預校準的晶體高度
12參數，該參數限定晶體106和樣品應該從初始位置提升的距離，以使 得可以通過顯微鏡系統的紅外部分對樣品表面清晰聚焦。這是重要的， 因為晶體106對可見光不透明，並且當晶體就位時不可能進行手動樣 品聚焦。
為了標記晶體位置，晶體106及其安裝臂IOO位於副載物臺或砧 座上方而無樣品就位。提議所述儀器的用戶使用可視相機聚焦於臂100 上所說的起始點的這一點。這圖示於附圖中圖10的120處。所述系統 然後運行以在x、 y、 z坐標系中移動預定距離，到達作為基準或記錄 標記的晶體頂部中央。用戶然後確認對中心的定位和聚焦是正確的， 做出可能需要的任何小調整。所述系統然後將載物臺坐標系原點 (O，O，O)設置為已確認位置。
晶體高度和聚焦設置的校準能夠執行如下。在這方面，需要認識
到，晶體形狀(曲率半徑和厚度)中的小改變可引起所要求的聚焦設 置的顯著飄移。由於鍺的折射率高，所以不能可視地確定焦點，因為 晶體對於可見光不透明，以及它要求樣品具有界限明顯的空間結構以 及可被ATR檢測的強光讒吸收帶。發明人已經開發了一種新穎方法從 而可確定優化的ATR聚焦設置。該方法使用優選包括一小段3m Vikuiti BEF 11薄膜的測試樣品。這是一種塑料片，該塑料片的表面 微凸印有一組平行的三稜鏡，每個稜鏡具有90。頂角以及50或M微 米的周期。所述材料通常被用來提高LCD顯示面板的亮度。使ATR晶 體接觸稜鏡結構，以使得頂點被接觸壓力壓扁，從而導致形成一組平 行的矩形接觸區域，其間距與基本材料相同。每個區域具有分明的邊 緣。為了確定最優聚焦，在場中心周圍獲得了小的精細解析度圖像， 並且提取了窄波段圖像，該窄波段圖像處於材料的光謙吸收的中心。 該技術包括提取與邊緣正交的吸收圖橫截面。通過檢查所述橫截面在 接觸邊緣的斜率，估計聚焦度。在晶體的不同豎直位置處進行測量， 並且斜率隨著接近最優聚焦而增大，並且在離開最優聚焦時再次下降。 可通過在一 系列於不同聚焦設置下進行的掃描之間進行插值來發現最 優位置。應該注意到，樣品薄膜的變形取決於接觸壓力，並且這可用 作確定足量壓力正在施加於樣品的方法。
更為概括地來說，通過使用帶有特別屬性的測試樣品並檢查該樣品的紅外圖〗象以獲取空間分明,度，實現晶體校—準。晶體的豎直移位逐 步改變，並且在每個步驟中記錄圖像分明度，以便確定最優位移。
該過程包括
a) 在初始豎直位移處獲得紅外圖像，該初始豎直移位通過找出於 該處最大紅外能量被傳送穿過晶體的位置來估計。該位置可能並不同 於最優聚焦位置。
b) 對所述圖像進行光鐠過濾以提取在樣品吸收強烈的波長下的吸 收的空間圖。此為材料屬性的函數。
c) 提取該波長下吸收圖的 一橫截面，該橫截面穿過圖像中的空間 上分明的形貌一在當前情況下為聚合物和空氣之間的邊緣。
d) 對橫截面進行數學微分以提取斜率信息，並且對圖像中的 一可 識別形貌測量最大斜率。
e) 反覆調節晶體位移，從而使給定形貌下的橫截面的斜率最大化。 獲取最大斜率處的豎直晶體位置為樣品圖像處於最優聚焦處的位置。 該值(相對於索引標記來測量)被記錄為提供給用戶的晶體高度參數。
f )任何新的/替換的晶體將具有新的校準值，用戶必須將該校準 值輸入到儀器的控制軟體。
原則上，測試樣品可為具有能夠提供空間分明的形貌的紅外吸收 的任意材料，該空間分明的形貌理想地比顯微鏡系統的預期空間分辨 率要小。這通常表示那些分明的形貌的尺度約為3微米。
測試樣品應為"ATR-可兼容" 一換句話說，它應該提供在ATR附 件的光譜範圍內的清晰光譜吸收，並且分明的形貌在被擠壓而與樣品 表面緊密接觸時必須繼續存在，不會被抹掉或者平滑掉。
分明的形貌可包括被設計的精細結構，例如線，格子或網格，或 替換性地在兩種不同材料(其中一種材料可為呈空隙形式的空氣)之 間的分明的邊緣。如果通過在均勻材料中形成低凹來構建所述形貌， 則在接觸晶體時低凹應該具有大於數微米的深度，並且從接觸到非接 觸的過渡部分應該是分明的。
如上文所述，當前優選材料為一特殊的微凸印的聚合物樣品(由 3M製造的VikuiU光控制薄膜)，因為它提供了方便、便宜且可再現 的測試樣品。所述材料包括規則的屋脊稜鏡陣列，該屋脊稜鏡的脊部通過與晶體接觸而被方便地壓扁，以形成直"杆"接觸。這些接觸區 域的邊緣的幾何結構為材料從晶體快速下降，特別是在最初的幾毫米 的深度，並且這在吸收聚合物和非吸收空氣之間形成非常高質量的邊
緣，該邊緣易於使用ATR來成像，以給出高對比度和分明的結果。
發明人也已經開發了一種用於限定空間解析度的技術。上文所述 的用於確定晶體最優聚焦的技術可適於以一種方式提供一種ATR系統 的有效解析度的測量，所述方式難於在其中要凝視二維陣列探測器的 系統上實現。如果如上文所述已經確定了最優聚焦設置，則獲取測試 目標中在一個或多個邊緣上的小帶狀圖像，但沿著邊緣的方向上採用 非常小的步進。這就導致形成沿該方向上過度採樣的圖像。提取樣品 的吸收帶中的橫截面，並利用數字過濾器對該橫截面求微分。由此獲 得的輪廓接近於穿過光學系統的點擴散函數的橫截面，並且可用於直 接估計或者通過適當的曲線擬合來估計系統的分辨能力。
為了對樣品上的光i普進行測量，第 一步驟是記錄晶體位置並且定 義如上參照圖10所述的載物臺坐標系原點(O，O，O)。下一步驟為測 量背景光鐠，也就是說在板67上無樣品就位。為了實現這一點，用戶 將安裝臂IOO設置在引導銷110和103上的任意位置上，使晶體的樣 品接觸表面與板67間隔開，由此提供晶體/空氣界面。然後用戶使載 物臺移動到原點，也就是說，移動到晶體的頂部中心，並移動到晶體 頂部的細焦點。用戶然後可以選擇解析度和像素尺寸。然後，系統自 動運行，基於所存儲的晶體高度參數將栽物臺20提升一預定距離，以 便聚焦於晶體(106)的下表面上。然後，系統對陣列中的每個探測器 執行背景光譜測量，然後儲存這些測量結果。獲得背景光譜所採用的 方式對於本領域技術人員來說是很顯然的。
下一步驟為測量晶體圖像，這包括用戶將載物臺移動到原點，即， 移動到晶體的頂部中心。用戶精細聚焦於晶體的頂部上，然後輸入諸 如解析度，每像素的掃描數，像素尺寸和圖像尺寸等參數。系統將主 載物臺20提升一預定距離，以便聚焦於晶體的下表面上。系統測量無 樣品存在的晶體的圖像，並對此進行存儲。
下一步驟為測量樣品，並且第一步驟為用戶選擇可選的處理項， 該處理項是扣除背景晶體圖像或基線偏置校正。然後用戶提升臂100
15並將其圍繞銷103樞轉，從而使晶體106移動離開顯微鏡的光軸。然 後砧座60的板67被取出，將樣品置於該板上，並將該板放置回砧座 60就位。所述系統然後將載物臺提升一預定距離，以便能夠使用顯微 鏡的視覺設備視覺檢查樣品。用戶以四個子步驟安裝所述樣品。這些 步驟為
(i )將樣品安裝在板67上並置於砧座60上。
(ii)僅使用副載物臺來調節樣品，即，使用調節螺釘70， 71來 調節砧座(60)的位置。在視覺觀察所述樣品的同時執行此過程。
(iii )將臂100回擺定位，以使得晶體106位於顯微鏡的光軸上， 並且降低臂100，從而降低晶體106以接觸板67上的樣品。
(iv)使用壓力施加機構80將壓力施加於砧座60頂部的下側上， 這樣，樣品被擠壓以接觸晶體。
關於(iv), ATR測量需要樣品保持與晶體106的下面112良好接 觸。理想地，接觸壓力應該在整個晶體面上合理均勻。對於硬的樣品， 有必要使樣品與晶體面平行放置；對於多數柔性材料而言，需要控制 夾持力來防止樣品過度變形。樣品放置於板67上時，臂100被降低， 直到晶體正好接觸該樣品。所述臂使用螺釘lll鎖定。操作齒條91以 將提升力施加到砧座60，從而將樣品壓靠於晶體面。這種力通過彈簧 鎖銷85產生，該彈簧鎖銷85被設計為將最大力限制到一個可以避免 對砧座106產生危害的值上。力矢(vector)是重要的。理想地，它 應該與晶體面的中心對準，從而使樣品趨向於對所述面對準並且接觸 壓力均勻。這通過使用滾球軸承82來實現，該滾球軸承82被精確約 束在其引導件83中，並與晶體軸線精確對準。所述球緊靠著砧座的薄 部分發揮作用，從而使提升力儘可能靠近晶體地出現。齒條，小齒輪， 彈簧鎖銷、提升彈簧和球的布置在高度上非常緊湊，並因此在空間有 限的顯微鏡中是意義重大的。彈簧鎖銷85的設計確保了組件中的提升 彈簧84從不會被顯著壓縮以致線圏被束縛以及因此施加過度的力。
螺釘89可用於改變彈簧上的預栽荷。設置螺釘的最大行程使得彈 簧從不變成被線圏束縛(coil-bound )。在螺釘的完全順時針設置下， 預載荷為最大彈簧力的約50°/。。當壓縮控制旋鈕移動到最大壓力位置 時，彈簧力增大而接近於彈簧的最大額定量。將螺釘89回退一周就將
16預載荷減小至零。因此通過在它行程的一端處進行控制，沒有力被作 用於所述樣品。隨著用戶滑動控制旋鈕，壓迫力逐漸增大到最大可能
彈簧力的50%。
在子步驟(iv)之後，所述系統於是就將載物臺20下降一預定距 離，以便聚焦於晶體頂部。如果必要，用戶就將精細聚焦於晶體頂部 的記錄標記。然後用戶輸入解析度，每像素的掃描數，波數範圍，像 素尺寸和圖像尺寸，並且在此之後，系統基於所存儲的晶體高度參數 將載物臺20提升一預定距離以聚焦於樣品上。然後，採用對於本領域 技術人員來說很明顯的方式進行樣品圖像的測量。在正在進行成像的 情況下，這包括進行第一測量，輕微移動顯微鏡載物臺以執行第二測 量，並針對顯微鏡載物臺上的不同位置重複上述過程。最後，所述系 統執行被選擇的後續處理，並存儲圖像。
應該理解的是，機動化的載物臺20用於將晶體106對準於顯微鏡 場中心的正下方，並用於圍繞該中心掃描圖像。為了對準所述樣品， 用戶不能使用該機動化載物臺，這就是提供副載物臺60的原因。在樣 品觀察期間，軟體程序可使機動化載物臺的移動機構失活，從而使用 戶不會無意間改變晶體配準。
該布置設置有如圖11所示的快速自動光語分析程序。在許多實踐 情況中，用於ATR分析的樣品可能具有相對弱的總體吸收。從此類樣 品獲得的顯示了總吸收的ATR圖像經常在一定程度上無明顯特徵，或 者具有非常低的對比度，並且人為的照明可能使樣品細節模糊。照明 效果的補償可以使用傳統的方式，例如與背景圖象的比率或基線校正， 該基線校準是使用已知為具有大致零吸收的區域來歸一化光鐠。也可 以使用先進技術來處理數據，以便提取和顯示明顯的光i普形貌，但這 需要光諳信號處理方面的專業技能，並較為耗時。為了對本系統的用 戶給出圖像中存在的光鐠信息的快速指示，已經設計了 一種自動處理 序列。它的目標在於以獨立於樣品的方式從原始數據中提取最為顯著 的光鐠形貌，並允許操作員單獨地或以彩色複合圖像的形式對此進行 顯示。對於用戶的益處在於，圖像包含潛在有用信息的快速確認以及 一個良好的初步分析，該初步分析為進一步的深入分析提供了指導。 舉例而言，結果可指示，圖像的哪些部分是光譜類似的以及哪些是獨特的，從而使用戶可以對樣品進行簡單分割。可以利用對背景的比值 校正或基線偏置校正來獲得原始圖像。處理序列始於一個如下步驟， 該步驟被設計成將偏置和基線彎曲的影響最小化，這在圖11中示於
130處。這就涉及在鐠域中進行微分(一階求導以獲取一定平滑度從 而減小噪音)以及減去任何剩餘平均值。然後，光譜圖像得到限制， 如131處所示。在短波側，界限典型地設置於約3300波數處，因為極 少樣品在較短波長處顯示出顯著的吸收。在所述範圍的長波端處也進 行小的限制，以提供總體信噪比。然後，如132處所示減去平均吸收， 然後如134處所示實施主要成分分析，以便提取最明顯的光i普形貌。 然後，在界面中向用戶展現所述成分，該界面允許這些成分被顯示為 的彩色複合圖像，如在136處所示。
權利要求
1. 一種被布置來執行ATR測量的顯微鏡的附件，所述附件包括能夠固定到所述顯微鏡的可移動載物臺上的支撐件，被所述支撐件承載的用於安裝ATR晶體的安裝構件，以及布置在所述ATR晶體的位置下方的樣品支撐構件，所述樣品支撐構件限定樣品接收表面，所述樣品支撐構件，以致使該樣品支撐構件可相對於ATR晶體移動並限定一能夠相對於顯微鏡的主載物臺移動的副載物臺。
2. 根據權利要求1所述的附件，其中，所述樣品支撐構件包括平 坦上表面和側表面，所述附件包括用於調節所述樣品支撐構件在所述 支撐件上的位置的位置調節裝置。
3. 根據權利要求2所述的附件，其中，所述位置調節裝置包括一 對螺釘，該對螺釘用於逆著偏壓彈簧推動所述構件。
4. 根據權利要求3所述的附件，其中，所述螺釘可被定位為沿著 正交方向作用，並且所述彈簧被布置為沿著所述方向的平分線作用。
5. 根據權利要求3或4所述的附件，其中，每個螺釘作用於其上 的表面可相對經過晶體的軸線成一小角度，從而使每個螺釘具有將所 述樣品支撐構件朝向所述支撐件移動的作用。
6. —種包括根據權利要求1-5中任一項所述的附件的顯微鏡。
全文摘要
一種被布置來執行ATR測量的顯微鏡的附件，具有能夠固定到所述顯微鏡的可移動載物臺(20)的支撐件(40)。安裝構件(100)被所述支撐件(40)承載。樣品支撐構件(60)被布置在所述ATR晶體(106)的位置下方。所述樣品支撐構件(106)以如下方式承載在所述支撐件(40)上，即使得該樣品支撐件能夠相對於所述支撐件做一有限程度的移動並且限定能夠相對於所述顯微鏡的主載物臺(20)移動的副載物臺。
文檔編號G02B21/26GK101479639SQ200780023900
公開日2009年7月8日 申請日期2007年4月26日 優先權日2006年4月26日
發明者A·卡尼亞斯威爾金森, P·斯泰爾斯, R·A·霍爾特, R·L·卡特 申請人:珀金埃爾默新加坡有限公司