用於使顯微鏡物鏡對焦於樣品的裝置的製作方法
2023-04-29 01:31:31 1
專利名稱：用於使顯微鏡物鏡對焦於樣品的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於使顯微鏡物鏡對焦於樣品的裝置，該裝置包括定位單元，其具有主體、可移動地支撐於該主體並適於保持該顯微鏡物鏡的物鏡保持器、以及用於使該物鏡保持器沿著該顯微鏡物鏡的光軸移動的執行機構。
背景技術：
在高解析度光學顯微技術中，使顯微鏡物鏡在成像光路中保持在一個穩定而且精確的位置是特別重要的。例如，現代光學顯微方法中要達到的空間解析度希望在側向、也即垂直於顯微鏡物鏡的光軸方向低於50nm。因此，對於樣品和顯微鏡物鏡之間的非人為故意的相對側向位移——其可能例如因溫度波動而引起——要儘可能地避免。這對於許多其中使用幾分鐘的成像時間的方法尤其如此，在該時間內，甚至顯微鏡物鏡沿垂直於光軸的最輕微的位移都將會產生圖像偏差，從而導致側向解析度相應的降低。此外，在前述類型的光學顯微方法中，顯微鏡物鏡必須以特別高的精度對焦於樣品。顯微鏡物鏡沿光軸的行程典型地處於大約100 μ m這個數量級之下。在顯微鏡中使用的用以產生顯微鏡物鏡的對焦運動的定位單元中，越來越多地使用高精度MEMS裝置，其包括主體，可移動地支撐於該主體的物鏡保持器，和用於使得該物鏡保持器、以及顯微鏡物鏡沿著光軸精確地移動、以使顯微鏡物鏡對焦於樣品的執行機構(例如壓電陶瓷)。常規的顯微鏡物鏡通常在其尾端也即遠離樣品的那端形成螺紋。該螺紋用來例如將顯微鏡物鏡擰進一個市場上可購得的物鏡的鏡頭轉盤中。當使用前述類型的定位單元時，利用該顯微鏡螺紋將顯微鏡物鏡從其尾端擰進物鏡保持器，很可能還要在這兩者之間使用一個合適的適配器。現有技術中有多種已知的其它的方法來達到確保顯微鏡物鏡儘可能地保持在一個穩定的位置並且高精度地對焦的目的。例如，美國專利US2002/0015225描述了一種顯微鏡，其中樣品保持器和對焦單元直接安裝在顯微鏡物鏡上。然而，這有一個缺點，就是不再可能輕易地改變顯微鏡物鏡。此外，對樣品的操作對對焦單元具有直接的影響，這可能損害對焦精度。歐洲專利申請EP1418456A1描述了一種顯微鏡，其通過採用繞著光軸的旋轉對稱設置以及使用熱膨脹係數互相適配的光學元件來防止顯微鏡物鏡在垂直於光軸方向上出現不想要的位置偏離。世界專利申請W02006/056178A1公開了一種顯微鏡物鏡，該物鏡通過導向套管 (guide sleeve)而與載物臺成為一體。然而，這在增加了沿光軸方向的穩定性的同時，位於導向套管內的顯微鏡物鏡在垂直於光軸方向上卻存在不可忽略的移動(Play)。美國專利US6，731，327B1描述了一種用於使顯微鏡物鏡沿著光軸移動的定位單元。該定位單元具有一個用於額外地將顯微鏡物鏡穩定在其操作位置的夾持裝置。然而， 該夾持裝置的提供使得設計相對複雜。從德國專利申請DE19949044A1可知一種使用雙平行彈簧部件獲得顯微鏡物鏡的精細定位的裝置。該雙平行彈簧元件在顯微鏡物鏡的遠離樣品的那一端起作用，結果，顯微鏡物鏡另外那個正對著樣品的自由端可能發生一個不能忽視的傾斜，這導致不希望出現的圖像偏移以及空間解析度的相應的降低。從US2009/(^84853A1可知一種對焦裝置，其包括一對葉簧(leaf spring)，每一個葉簧有一端與主體耦合，另一端與物鏡保持器耦合。該物鏡保持器通過設置在透鏡鏡筒 (lens barrel)的外表面的外螺紋和與該外螺紋嚙合的螺母而形成。在US2010/0091363A1中描述了一種物鏡保持器，通過採用該保持器能夠選擇性地使得多個物鏡中的每一個都進入顯微鏡光路中。這些個物鏡分別都具有一個在同樣的高度沿著光軸布置的接觸面，該接觸面與一個對應的固定接觸面相接觸，因此這些物鏡之間獲得了齊焦性。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種能以儘可能高的空間解析度使顯微鏡物鏡精確對焦於樣品的裝置。根據本發明，該目的通過權利要求1的請求保護的主題來實現。因而，與將顯微鏡物鏡保持在尾端也即遠離樣品的那端(並且通常是通過該端部所提供的螺紋)的常規系統相比，本發明的一個特點是顯微鏡物鏡保持在面對著樣品的前部，該前部是指所謂的前透鏡所處的地方。這是因為已經發現，將物鏡穩定在其前端——如本發明所提出的，在其達到最高可能等級的橫向解析度時，具有優於將其穩定在其尾端的常規方法的優點。在顯微鏡物鏡中，總有一個與光軸垂直的傾斜容差平面，在該平面內，垂直於光軸的顯微鏡物鏡的傾斜至少在第一近似內不會產生圖像偏差。這個平面與物鏡光學系統的第一主平面重合。該平面的準確的位置取決於顯微鏡物鏡的具體設計，特別取決於物鏡中透鏡的具體布置和數量。然而，對於用在高解析度顯微術中的、具有幾十毫米(通常大約從45 到65mm)的總長度的高倍放大顯微鏡物鏡——其具有僅僅幾毫米的焦距——而言，能夠肯定地說，傾斜容差平面位於物鏡的前部，該前部面對著樣品。這個前部包含上面提及的、從樣品看過來構成第一透鏡的、面對著樣品的前透鏡。因此，在本發明的具體實施中，為了顯著提高橫向解析度，在給定的條件下，物鏡保持器與顯微鏡物鏡嚙合得儘可能靠前，這在所有情況下都是足夠的。定位單元具有一個或者多個槓桿臂(lever arm)，槓桿臂每個都在其一端經由第一彎曲梁(flexure bearing)耦合到主體，並在其另一端經由第二彎曲梁耦合到物鏡保持器。在這個實施例中，定位單元是一個單片元件，其剛性部分由主體和物鏡保持器構成，並且彼此之間通過彎曲梁可以相對移動。彎曲梁每個都由該元件的一部分構成，這部分相對於相鄰的部分具有減小的抗彎性能。這個減小的抗彎性能可以通過例如使構成該元件的材料的橫截面局部減小的方式來實現。在一個優選實施例中，設置有互相平行的兩個槓桿臂，它們連同主體和物鏡保持器一起，形成一個平行四邊形設置。這種平行四邊形設置使得物鏡保持器能夠在垂直於光軸上的不希望出現的運動非常少量同時實現沿光軸方向精確的定位運動。為此提供該執行機構，其施力於槓桿臂，從而產生該平行四邊形設置的受控運動。
將定位單元的主體結合到載置樣品的載物臺上。在這個實施例中，顯微鏡物鏡的前部——其面對著樣品——經由定位單元與放置在載物臺上的樣品耦合。有利的是，這在顯微鏡物鏡和樣品之間產生一個短的耦合距離，這避免了在顯微鏡物鏡和樣品之間出現過度的相對運動，特別是因溫度改變而弓I起的相對運動。在另一個優選實施例中，執行機構是一個整合到定位單元的主體中的壓電部件。 這種壓電部件能夠使得物鏡保持器沿著光軸非常精確地移動。優選的是，物鏡保持器包括一個具有內螺紋的圓環(ring)，並且顯微鏡物鏡在其面對著樣品的前部具有外螺紋，圓環的內螺紋擰進所述外螺紋。這種用於顯微鏡物鏡的保持布置——其相對於光軸為旋轉對稱——進一步減小了垂直於光軸方向上的偏移。根據本發明的另一方面，其提供了一種根據權利要求8所述的具有用於對焦顯微鏡物鏡的裝置的顯微鏡。
圖1示出了作為本發明一個示例性實施例的高解析度光學顯微鏡。
具體實施例方式下面將參照一個示例性實施例來具體描述本發明。唯一的這幅圖示出了作為本發明一個示例性實施例的高解析度光學顯微鏡。圖中用10大致標出的光學顯微鏡包括一個倒置工作檯12，在該工作檯12上放置有一個具有貫通的開口 16的載物臺14。在載物臺14上以覆蓋開口 16的方式放置樣品18。 將定位單元20結合到載物臺14的下側。定位單元20包括主體22和可移動地支撐於主體22的物鏡保持器24。將顯微鏡物鏡26保持在該物鏡保持器M上。整合到主體22中且在圖中僅僅示意性地示出的壓電陶瓷執行機構27能夠使得物鏡保持器M沿著光軸0移動，從而最終使得物鏡沈沿著光軸 0移動，以使其對焦於樣品18。執行機構27連接到控制單元四。所述控制單元的控制信號用來產生執行機構27的運動，該運動相應地使物鏡保持器M移動。在這個示例性實施例中，控制單元四位於工作檯12的外部。然而，它也可以整合到工作檯12內。下面首先詳細地描述定位單元20。物鏡保持器M通過槓桿臂28和30可移動地支撐於主體22。在這個示例性實施例中，定位單元20是一個單片元件，它的構成部件，也即主體22、物鏡保持器M以及槓桿臂 28和30，可以彼此相對移動，並且通過形成於該材料內的腔32互相分隔開。腔32設置在定位單元20內，以使在槓桿臂觀和30的縱向端部區域內，構成定位單元20的材料具有局部橫截面縮小的部分，該部分定義出彎曲梁。為了清楚起見，在圖中僅僅用附圖標記34標出了一個彎曲梁。由於有前述局部橫截面縮小的部分，彎曲梁34在平行於光軸0的方向上的抗彎性能比光軸0的橫向上的抗彎性能要小的多。因為抗彎性能的減小，彎曲梁34使得物鏡保持器M能夠通過槓桿臂28和30而相對於主體22沿著光軸0移動。因而，物鏡保持器對、主體22以及兩個槓桿臂28和30 —起形成平行四邊形類型(parallelogram-type)的設置。 該平行四邊形的固定的底部由主體22提供，同時其餘的三條可移動邊由物鏡保持器M和兩個槓桿臂觀和30形成。在這種連接中，應該注意的是，物鏡保持器M沿著光軸0的定位運動 (positioning movement)的量不大於大約100 μ m。以這種非常小的定位運動，物鏡保持器 M在垂直於光軸0方向的非人為故意的運動——其因上述平行四邊形設置而引起——是一個可忽略的量。物鏡保持器M由沿著平行於光軸0延伸的細長部40以及從細長部40在垂直於光軸0的方向上延伸出去的圓環42形成。圓環42具有內螺紋44，內螺紋44相對於光軸0 旋轉對稱。該內螺紋44與形成於顯微鏡物鏡沈的環形套圈48 (annular collar)上的外螺紋46形成螺紋嚙合。環形套圈48設置在顯微鏡物鏡沈的面對著樣品18的前部。因而， 顯微鏡物鏡26在其前部與定位單元20耦合。因而，在該示例性實施例中，顯微鏡物鏡沈保持在緊鄰直接面對樣品18的物鏡透鏡的位置。在圖中，這個透鏡——也稱為「前透鏡」——用附圖標記50來標註。當然，顯微鏡物鏡沈包括其它的透鏡，在圖中示意性地標記為附圖標記52和M。與常規的物鏡一樣，顯微鏡物鏡沈也在其尾端、也即遠離樣品18的端部具有物鏡螺紋56。物鏡螺紋56用於例如製造過程中的調節。光學顯微鏡10還具有包括光源60以及透鏡62和64的照明裝置58。來自光源 60的螢光激發光穿過透鏡62和64，並經沿著光軸0的二向色鏡66反射後進入物鏡26。來自樣品18的螢光穿過顯微鏡物鏡沈的前透鏡50以及另外的透鏡52和M到達半透明鏡 66，半透明鏡66允許螢光朝向另一透鏡68穿過。穿過透鏡68的螢光最終經鏡子70反射進連接到工作檯12的照相機72。容易理解，前述實施例僅是出於解釋的目的。例如，也可以使用不是設有彎曲梁34 的單片的單元20的定位單元。可以使用例如由外部執行機構驅動的彈簧裝置，以使顯微鏡物鏡26沿著光軸0移動並由此將其對焦。又，物鏡保持器M可以採用別的方式耦合到顯微鏡物鏡沈，而不是通過圖中所示的兩個嚙合螺紋44和46。對本發明而言必要的是顯微鏡物鏡沈在其面對著樣品18的前
部被保持。
附圖標記列表
10光學顯微鏡
12工作檯
14載物臺
16開口
18樣品
20定位單元
22主體
24物鏡保持器
26顯微鏡物鏡
27執行機構
28槓桿臂
29控制單元
30槓桿臂
32腔
34彎曲梁
40細長部
42圓環
44內螺紋
46外螺紋
48環形套圈
50前透鏡
52透鏡
54透鏡
56物鏡螺紋
58照明裝置
60光源
62透鏡
64透鏡
66二向色鏡
68透鏡
70鏡子
72照相機
權利要求
1.一種用於使顯微鏡物鏡06)對焦於樣品(18)的裝置，包括定位單元(20)，具有主體(22)、可移動地支撐於該主體0 並適於保持該顯微鏡物鏡 (26)的物鏡保持器(M)、以及用於使物鏡保持器04)沿著顯微鏡物鏡06)的光軸(0)移動的執行機構、2T),其中該物鏡保持器04)僅僅在該顯微鏡物鏡06)的面對著該樣品(18)的前部保持該顯微鏡物鏡06)，其中該定位單元OO)包括一個或者多個槓桿臂08，30)，每個槓桿臂在其一端經由第一彎曲梁(34)耦合到該主體(22)，並在其另一端經由第二彎曲梁(34)耦合到該物鏡保持器(M)，並且其中該定位單元OO)的該主體02)結合到其中載有該樣品(18)的載物臺。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，相互平行布置的兩個槓桿臂( ，30)連同該主體0 和該物鏡保持器 (24) 一起形成一個平行四邊形設置。
3.如在先權利要求之一所述的裝置，其中該執行機構是壓電陶瓷部件，其被整合到該定位單元OO)的該主體0 中。
4.如在先權利要求之一所述的裝置，其中該物鏡保持器04)包括帶有內螺紋G4)的圓環(42)，並且該顯微鏡物鏡06)在其面對著該樣品的前部具有外螺紋(46)，該圓環0 的該內螺紋G4)旋到所述外螺紋上。
5.如在先權利要求之一所述的裝置，其中該顯微鏡物鏡06)沿著該光軸(0)的總長度是在45到65mm範圍內；該顯微鏡物鏡06)被保持且面對著該樣品(18)的該前部具有沿著該光軸(0)的2到 IOmm範圍內的長度；並且該顯微鏡物鏡06)的焦距是在2到4mm範圍內。
6.一種顯微鏡(10)，具有根據在先權利要求之一的用於使顯微鏡物鏡06)對焦於樣品(18)的裝置。
全文摘要
公開了一種用於使顯微鏡物鏡(26)對焦於樣品(18)的裝置。該裝置包括一個定位單元(20)，其具有主體(22)、可移動地支撐於該主體(22)並適於保持該顯微鏡物鏡(26)的物鏡保持器(24)、以及用於使物鏡保持器(24)沿著顯微鏡物鏡(26)的光軸(O)運動的執行機構(27)。該物鏡保持器(24)保持該顯微鏡物鏡(26)的面對著該樣品(18)的前部。
文檔編號G02B21/00GK102540440SQ20111037642
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月23日 優先權日2010年11月26日
發明者M·甘瑟 申請人:徠卡顯微系統複合顯微鏡有限公司