CN101142509B - 带有挠曲轴的显微镜载物台 - Google Patents

Abstract

一种带有挠曲轴的显微镜载物台，可展示出可预测的挠曲特性和有限交叉耦合平移。接近于Z执行器的Z平台的Z运动可基本上为线性，同时该Z平台的执行器相对侧可被允许绕连接有挠曲部件的铰链轴旋转。该显微镜载物台包括设置为基本上与光轴垂直的平台(120)；可操作地与所述平台的一侧相连接的执行器(130)，并且操作为以基本上平行于所述光轴的方向平移所述一侧；以及可操作地与所述平台的执行器相对侧相连接的挠曲部件(160)，并且操作为允许所述平台绕铰链轴(170)旋转。

Description

带有挠曲轴的显微镜载物台

相关申请的交叉引用

本申请要求美国临时申请号为No.60/669,821，名称为“带有挠曲轴的显微镜载物台”，申请日为2005年4月8日的美国申请的益处，其公开通过它的整体引用被合并入此处。

技术领域

本发明的方面大致涉及载物台，更具体地，涉及一种显微镜载物台，它展示出可预测的Z平移(translation)特性和有限的交叉耦合平移(limited cross-coupling translations)。

背景技术

通常要求显微镜的载物台沿各运动轴为高准确性和高重复性。典型地，显微镜载物台具有三个正交的轴：X、Y、和Z，它们大致上由显微镜的光轴限定。对于大多数应用而言，沿Z轴的运动应当具有高辨析率(例如小于0.10μm的步距)和高重复率(例如多次观察相同目标Z位置的误差小于0.20μm)的特性。另外，显微镜系统通常试图最小化Z与X和Y坐标轴之间运动的交叉耦合，因为该交叉耦合往往会扭曲在图像操作中获取的数据，这进而会降低所获得数据所要求的质量和可用性。对于Z轴总位移为13μm而言，通常，显微镜载玻片的Z扫描由65个点组成，每个点间隔0.20μm。理想地，在该应用中，X或Y轴的交叉耦合运动在贯穿整个13μm Z扫描被限制为约0.40μm或更少。

根据常规的载物台技术，例如受让人的美国专利6,781,753和5,812,310(其公开均通过整体引用合并入本文)，一种常规的显微镜系统载物台利用一系列为滑行台配置(ramp configuration)的线性滑块(linear slide)。该滑块和滑行台相结合，以引导显微镜载玻片，并在Z方向上设置于载物台。这种需产生Z平移的多个线性滑块配置，由于需要，会被过度抑制(over-constrained)。其结果是，部件的公差、规格和组装方法必须极其精确，否则滑块会在运动中彼此“碰撞”。这会沿Z轴产生绑定(binding)，并产生高重复性误差。

另外，因其前述的规格、公差和组装需求，常规的系统典型地伴随着高昂的成本。例如，在常规的系统中，可能会需要六个分立的线性滑块和多个定制的平台(custom machined plates)或定制的滑块固定件(slide mounts)，以确保Z轴平移。

发明内容

本发明的实施方式克服了常规技术的上述和其它多种缺点。本发明提供了一种显微镜载物台，它展示出可预测Z平移特性、有限交叉耦合平移、高重复性，并且更为简单。

多种实施方式的前述和其它方面将会通过结合以附图的下述更详细的说明而明显地呈现。

附图说明

图1是一种展示出可预测的Z平移特性和有限交叉耦合平移的显微镜载物台一个实施方式的简化的俯视图。

图2是一种展示出可预测的Z平移特性和有限交叉耦合平移的显微镜载物台一个实施方式的简化的截面图；

图3是一种展示出可预测的Z平移特性和有限交叉耦合平移的显微镜载物台一个实施方式的简化的截面图；

图4是图2所示的显微镜载物台和挠曲部件的详细的截面图；

图5是挠曲部件的一个实施方式的透视图；

图6-8显示了在X-Z平台上的点扩散函数测试结果(PSF’s)，其中需要在150μm Z扫描，扫描间隔为5μm；

图9-11显示了贯穿Z运行范围内的三个点上由挠曲载物台所测得的PSF’s。

具体实施方式

根据本发明的某些实施方式配置和操作的一种显微镜载物台可为Z轴运动或平移而利用一种挠曲设计；在该示例性的实施方式中，单个的Z平台可被枢接安装，以使它被允许在位于一端的一个或多个挠曲部件上枢转，同时，另一端可在基本上与Z轴平行的Z维度中平移。容易理解，特别是对于小的Z平移，在垂直于Z旋转轴的一个轴(称为X轴)方向的交叉耦合可被忽略。例如，在一些应用中，13μm的Z扫描可导致在X轴中的仅约0.013μm的交叉耦合平移。这是部分基于载物台几何学的理论数值；在一些实际应用中，沿X和Y轴的预期的交叉耦合平移因其它载物台影响而可能典型地更大。

使用在Z维度中平移的挠曲部件，可极大地简化显微镜载物台设计，并可减少组装时间，降低部件成本。在本发明的某些实施方式中，目前运用于常规的Z平移的六个线性滑块和支持结构可被省略。

现参照附图，图1是一种展示出可预测的Z平移特性和有限交叉耦合平移的显微镜载物台一个示例性实施方式的简化的俯视图，图2和图3是该实施方式的简化的截面图。图4是图2-3显示的显微镜载物台和挠曲部件的一个实施方式的详细的截面图。图5是挠曲部件的一个实施方式的透视图。

根据图1-3所示，一种示例性的显微镜载物台可包括X-Y平移台基底110、Z平台120、Z执行器(传动装置，actuator)130、X和Y执行器140、载物台框架150，以及一种或多种挠曲部件160。执行器(例如Z执行器130或X和Y执行器140)可为手动、机械、电动、电动机械，或其它产生运动的设备或部件。挠曲部件(例如挠曲部件160)可以是能产生绕铰链轴旋转的设备或部件。容易理解，典型的显微镜系统还可包括其它的元件，例如，度量框架(图未示)，其用于固定或可移动连接多种图示的元件。常规显微镜系统中的一般部件(例如光学、图像和数据获取装置、电或电子控制系统、以及相关联的显微镜载物台部件)为了简洁而从图中略去。

容易理解，Z执行器130可设置于显微镜载物台100相对挠曲部件160的一侧上。对于许多应用而言，Z执行器130可具体表现为(或包括)步进或直流(DC)电机驱动的导螺杆设备(lead screwdevice)，例如压电执行器机构(piezoelectric actuator mechanism)、波纹管连轴驱动执行器系统(bellows coupling driven actuatorsystem)、或任何其它当前可用或已经开发出的和根据已知原理可操作的线性执行器机构。Z执行器130在X和Y中的位置或方位，即相对于挠曲部件160的铰链轴170(见图5)的位置或方位，以及由此在该载物台上施加的扭矩，可以被调整或有选择性地更改，以最优化该完成的设计的性能。在一些实施方式中，Z执行器130可被固定或刚性连接于例如载物台框架150上。备选地，Z执行器130可被固定或刚性连接于X-Y平移台基底110或Z平台120。在某些实施方式中，Z执行器130可被配置为以滑行台配置的形式利用线性滑块，以提供Z平移。

在操作中，Z执行器130可操作地可与例如Z平台120相连接，并被运用为在Z维度中提供平移。Z执行器130可通过运动装置可操作地与Z平台120相连接，例如，带有球形执行器端头的Z执行器，该执行器端头可在Z平台120的平面上滑动；或者备选地，通过接触可操作地连接于Z平台120的X-Y线性滑块的Z执行器端头，并相对于该Z执行器端头运动。最佳地如图2所示，在靠近Z执行器130的一侧上，Z平台120的Z维度中的运动可以是基本上直线的，即平行于Z轴；相反地，Z平台120的执行器相对侧可被允许绕铰链轴170(参见图5)转动，该铰链轴170与位于Z平台120的与Z执行器130相对一侧的挠曲部件160相连接。在X维度中的运动可容许许多显微镜成像操作，尤其是当期望小的总Z平移时。如上已经指出，对于很多显微镜应用，Z轴运行的总范围典型地被期望在约为1.0mm的数量级，尽管此处显示和描述的显微镜载物台可能会用于期望Z轴运行更大的场合。

在某些实施方式中，挠曲部件160的特征在于可包括X-Y基底耦接部180、Z平台耦接部190、以及铰链轴170。如图4和图5所示，X-Y基底耦接部180可允许挠曲部件160刚性连接于X-Y平移基底110，该平移基底110典型地在Z维度中被固定。相似地，Z平台耦接部190可允许挠曲部件160刚性或固定连接于Z平台120。在操作中，因Z平台120由Z执行器130平移，因此，按照上述配置和操作的挠曲部件160可允许Z平台120绕铰链轴170旋转。铰链轴170相对于X-Y基底耦接部180和Z平台耦接部190的距离和方向，可根据整体的Z平移需要、材料硬度、Z平台120设计、或前述因素和其它因素的组合，而被有选择性地调整。在某些实施方式中，铰链轴170被设置于与待观察的目标物、标本或样本所设置平面基本上相同的平面中。

特别地，容易理解，与挠曲部件160相关联的配置和结构元件可容许有多种变型。例如，尺寸、形状、选择的材料、以及X-Y基底耦接部180和Z平台耦接部190各自的配置，可以被调整，以适应载物台设计和整体的系统要求。

图2-5显示的示例运用了某些实施方式，在这些实施方式中，挠曲部件160包括挠曲类型的铰链，也就是说，响应作用力而偏斜的铰链。合适的挠曲铰链可由铝、钢、钛、镍、黄铜、其它金属、和多种展示出合适硬度、刚性、热传导性和其它性能的合金、或其组合制成。金属或金属合金的实施方式可被铸造或压模，这取决于例如所使用材料的类型、该挠曲铰链形状的复杂性、或这些和其它因素的组合。另外，或者备选地，该挠曲铰链的多个部分或全部可由(或结合入)塑料、聚合物、或者根据强度、刚性、热传导性、和其它如上所述的对金属实施方式所指出的性能所选择的合成材料制成。本领域的技术人员容易理解，用于合适的挠曲铰链的材料选择和制作工艺可能是专用的，并且可能取决于结合使用该挠曲铰链的该载物台的被期望的多种应用。

对于某些实施方式，挠曲铰链可利于更简单地制造，并且可生产具有连续挠曲特性的铰链，因为对于很多显微镜应用，预期的运行的总范围典型地被期望相对小，典型地约为1.0mm数量级。对于在Z维度中更大的期望的平移，可备选地运用强健(robust)挠曲铰链或钢琴铰链(piano hinge)组件。

在某些实施方式中，挠曲部件可被实施为一种传统类型的铰链。传统类型的铰链，也称为钢琴铰链，包括轮轴或稍钉，其它部件可绕该轮轴或销钉彼此相对运动。合适的钢琴铰链可由上述用作挠曲铰链的多种材料制成。本领域的技术人员容易理解，用于合适的钢琴铰链的材料选择和制作工艺可能是专用的，并且可能取决于结合使用该钢琴铰链的该载物台的被期望的多种应用。

在某些实施方式中，挠曲部件160可与Z平台120或X-Y平移台基底110结合在一起。在这些实施方式中，分立的挠曲部件160可以被省略。铰链轴170可代替挠曲部件160与Z平台120、X-Y平移台基底110、或Z平台120和X-Y平移台基底110结合在一起。例如，可通过在多个位置并以不同程度加工Z平台120、X-Y平移台基底110、或Z平台120和X-Y平移台基底110两者，以使Z平台120、X-Y平移台基底110、或Z平台120和X-Y平移台基底110两者典型地展示出可预测的挠曲性能，从而实现铰链轴170的结合。

本文所显示和描述的结合挠曲铰链部件的载物台的一个实施方式使用中在实验室显微镜系统上被测试。评价的主要区域为Z扫描和点访问(point visiting)。其结果与使用两种不同传统类型的载物台所获得的结果相比较。大体上，由该挠曲载物台测量方案所得的结果至少和利用传统载物台所获得的结果一样好。

为最小化检测变量，所有的数据利用40X的水物镜(waterobjetive)获取，以提供大的工作距离(允许大的Z扫描)。所有的载物台均利用相同的线性平移执行器机构操作，除了用于挠曲载物台的Z轴，其采用不同构造和样式的执行器机构。

Z PSF测试

为实施点扩散函数(PSF)测试，利用设置在该载物台工作体积多个位置的珠状滑块进行扫描。该测试的一个方面是试图确定在X-Z截面上挠曲载物台设计的可能的效果。图6-8显示了150μm Z扫描时在X-Z平台上获得的PSF’s，扫描间隔为5μm。

图6-8中的图像表示了在测试中的每个载物台的150μm Z扫描。采用5μm的扫描间隔进行扫描。这些类型的图像通过展示不对称的图像、倾斜的图像或者二者兼有，可帮助检测任何过多的载物台交叉耦合。该扫描还用于寻找整个150μm运行范围内的点对称的变化，其会表示不同的Z性能。所有三个载物台显示出相似的图像对称，这表示Z截面的性能是相似的。

图9-11显示了在挠曲载物台上遍及Z运行范围内的三个点上所测得的PSF’s。这些扫描为标准的13μm距离，扫描间隔为0.20μm。Z初始位置被定义为水平放置(或与光轴垂直)的Z平台。该三个公称扫描位置为Z＝-200μm、Z＝0(初始位置)、和Z＝+200μm。这覆盖了400μm的Z范围，其代表模型机挠曲载物台设计的能力。这些扫描还用于寻找遍及Z运行包络线(envelope)的Z截面的不规则性。所有的三个球状物在大约相同的光学深度被扫描。X和Y位置也为各个点改变，但是因模型机设计的局限性，运行局限于约为8平方毫米的区域。该区域包括用于该X轴滑块的运行条件的末端，它产生对于Z稳定性而言最小刚度(最坏情况下)的情形。所有三个点显示出期望的对称，这表示X-Z交叉耦合对数据质量没有显著的影响。

作为该测试的一部分，还产生了Y-Z图像PSF’s。这些看起来与X-Z图像类似。

X-Y-Z点访问测试

实施该系列测试是为了在典型的点访问试验中验证载物台重复性。该试验由三个点扫描组成，每个点被访问10次。当各个点被访问时，亦进行Z扫描。每个扫描序列的总的X-Y载物台运动约为4mm。

另外的点访问测试还在如上所显示和所述的挠曲载物台(参照图1-5)上被运行，该载物台每个序列包括更多数量的点(多至10个)，并且在每个访问的点进行13μm Z截面的试验。大体上，对于在给定的X-Y位置上收集的所有的点，X-Y重复性误差不超过0.35μm。该误差值包括来自于温漂和“噪声”环境的可能影响。

本发明结合具体的实施方式详细予以显示和描述，这仅作为示例，而不用于局限本发明。本领域的技术人员容易理解，该示例性实施方式的多种修正在本公开的范围和考虑内。相应地，其它实施方式在所附权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种载物台，包括：

平台，设置为与光轴垂直；

执行器，可操作地与所述平台的一侧相连接，并且操作为以平行于所述光轴的方向平移所述一侧；以及

挠曲部件，可操作地与所述平台的执行器相对侧相连接，并且操作为允许所述平台绕与所述挠曲部件连接的铰链轴旋转。

2.根据权利要求1所述的载物台，其中所述铰链轴被设置在与通过所述光轴观察的物体相同的平面中。

3.根据权利要求1所述的载物台，其中所述挠曲部件包括挠曲铰链。

4.根据权利要求3所述的载物台，其中所述挠曲铰链包括：

第一耦接部，其允许所述挠曲铰链刚性连接于所述平台；

以及

第二耦接部，其允许所述挠曲铰链连接于沿该光轴在预定的位置固定的结构。

5.根据权利要求3所述的载物台，其中所述挠曲铰链由一种或多种从由金属、金属合金、塑料、复合材料或聚合物组成的群中选取的材料组成。

6.根据权利要求1所述的载物台，其中所述挠曲部件包括钢琴铰链。

平台，其设置为与光轴垂直，该平台包括执行器相对端挠曲部分，其操作为允许所述平台绕与所述挠曲部件连接的铰链轴旋转，以及；

执行器，可操作地与所述平台的一侧相连接，并且操作为以平行于所述光轴的方向平移所述一侧。

16.一种提供载物台运动的方法，所述方法包括：

提供一个平台，该平台设置为与光轴垂直；

以平行于所述光轴的方向，平移所述平台一侧；以及

允许所述平台绕与所述挠曲部件连接的铰链轴旋转。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述平移包括将执行器与所述平台的所述一侧相连接。

18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括相对于所述铰链轴选择性地调整该执行器的位置。

19.根据权利要求17所述的方法，其中所述平移进一步包括利用线性执行器机构。

20.根据权利要求16所述的方法，其中所述提供包括将所述平台与挠曲部件相连接。

21.根据权利要求16所述的方法，其中所述提供包括将所述平台与钢琴铰链相连接。

22.根据权利要求16所述的方法，其中所述提供包括将所述铰链轴与所述平台结合在一起。

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