CN103217788B - 光学模块及显微镜 - Google Patents
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Abstract
一种光学模块包括至少一个承载台、至少一个致动单元以及至少一个光学组件。承载台具有一第一穿孔。致动单元设置于承载台的一侧，并具有一第二穿孔。光学组件与致动单元连接，并通过致动单元调整其位置。一辐射波从光学模块的一侧入射，并穿过第一穿孔、第二穿孔及光学组件。本发明亦揭露一种具有所述光学模块的显微镜，并具有体积小、容易组装且便于携带的优点。本发明可减少因环境温度变化而影响量测时的稳定性。
Description
技术领域
本发明关于一种光学模块及显微镜。
背景技术
近年来，由于同步辐射光源所产生的优异性能，光学显微成像技术在分辨率、影像对比与影像质量方面均有突破性的进展，其中，利用小剂量的光辐射即可获得高质量的光学显微影像和动态影片，更是有长足的进步。另外，利用电磁波的显微成像技术除了在传统的材料科学的研究分析外，目前也已在生物学和医学研究方面上展开了相当重要的应用。
以X光显微镜为例，已知的X光显微镜组装后的体积相当庞大，当要运送至国外时，甚至需要用货柜来装运。另外，组装时，所有的致动单元及光学组件均分别固定于一光学桌上(例如为不锈钢制光学桌)。由于不同的致动系统及光学组件具有不同形状、高度及摆置方式，如此非对称性的结构设计使X光显微镜容易因环境温度的变化所导致的热胀冷缩问题，而严重影响其奈米等级的量测或是定位的准确性。例如以1公分见方的铝块为例，若环境温度上升摄氏1度时，则X-Y-Z三个方向的热膨胀量皆约为220奈米。
请参照图1所示，其为已知一种X光显微镜的其中一光学组件11、及其所对应的致动单元12及平台13的设置示意图。于此，光学组件11以一针孔(pinhole)元件为例。其中，光学组件11设置于致动单元12上，而致动单元12设置于平台13上。致动单元12包括一方向X、一方向Y(图未显示)及一方向Z的致动元件121a、121b及121c，且致动元件121a、121b及121c沿一方向重迭设置。致动元件121a、121b及121c可分别控制光学组件11于方向X、方向Y及方向Z上移动。另外，X光可穿过光学组件11的中心位置，也就是针孔的地方。
然而，当周围环境温度变化时，例如周围环境温度提高时，如图1所示，将会造成光学组件11、致动单元12及平台13于Z方向上的热膨胀，导致光学组件11(针孔)的位置往上移动至更高的位置(如虚线所示)。于此，光学组件11(针孔)的中心位置移动距离为D；相反的，当环境温度降低时，将使光学组件11、致动单元12及平台13于Z方向上的高度降低，导致光学组件11(针孔)的中心降至较低的位置。如此，将严重影响X光显微镜量测时的稳定性。
因此，如何提供一种光学模块及显微镜，不因环境温度变化而影响其量测时的稳定性，已成为重要课题之一。
发明内容
本发明的目的为提供一种不因环境温度变化而影响量测时的稳定性的光学模块及显微镜。
本发明可采用以下技术方案来实现的。
本发明的一种光学模块包括至少一个承载台、至少一个致动单元以及至少一个光学组件。承载台具有一第一穿孔。致动单元设置于承载台的一侧，并具有一第二穿孔。光学组件与致动单元连接，并通过致动单元调整其位置。一辐射波从光学模块的一侧入射，并穿过第一穿孔、第二穿孔及光学组件。
在一实施例中，第一穿孔及第二穿孔的形状为圆形或正多边形。
在一实施例中，第一穿孔的投影范围涵盖承载台的一第一形心，第二穿孔的投影范围涵盖致动单元的一第二形心。
在一实施例中，辐射波实质上通过第一形心及第二形心。
在一实施例中，承载台的形状为圆形、星形或多边形。
在一实施例中，光学组件包括一快门、一聚光镜、一针孔、一样品台、一波带片、一相位环、一伯特兰透镜或一感光镜头或其组合。
在一实施例中，当光学组件的数量为二时，所述光学组件分别位于承载台的相反侧。
在一实施例中，当光学组件的数量为二时，所述光学组件与致动单元分别位于承载台的同一侧或相反两侧。
在一实施例中，致动单元包括至少一个压电致动器或至少一个步进马达。
在一实施例中，当压电致动器或步进马达的数量为多个时，所述压电致动器或所述步进马达相互重迭设置。
在一实施例中，光学组件具有一第三穿孔，辐射波穿过第三穿孔。
在一实施例中，当光学模块为多个时，所述光学模块的光路径实质相同。
在一实施例中，当承载台的数量为二时，光学模块还包括一连接元件，所述承载台分别设置于连接元件的相对二侧。
在一实施例中，连接元件的形状为筒状或柱状。
在一实施例中，连接元件包括低热膨胀系数材料。
在一实施例中，承载台具有一定位结构，定位结构与连接元件凹凸配合。
为达上述目的，依据本发明的一种显微镜，包括至少一个光学模块，光学模块包括至少一个承载台、至少一个致动单元以及至少一个光学组件。承载台具有一第一穿孔。致动单元设置于承载台的一侧，并具有一第二穿孔。光学组件与致动单元连接，并通过致动单元调整其位置。一辐射波从显微镜的一侧入射，并穿过光学模块的第一穿孔、第二穿孔及光学组件。
在一实施例中，第一穿孔及第二穿孔的形状为圆形或正多边形。
在一实施例中，当光学组件的数量为二时，所述光学组件分别位于承载台的相反侧。
在一实施例中，当光学组件的数量为二时，所述光学组件与致动单元分别位于承载台的同一侧或相反两侧。
在一实施例中，当致动单元具有多个致动元件时，所述致动元件相互重迭设置。
在一实施例中，光学组件具有一第三穿孔，辐射波穿过第三穿孔。
在一实施例中，当光学模块为多个时，所述光学模块的光路径实质相同。
在一实施例中，当承载台的数量为二时，光学模块还包括一连接元件，所述承载台分别设置于连接元件的相对二侧。
在一实施例中，连接元件的形状为筒状或柱状。
在一实施例中，承载台具有一定位结构，定位结构与连接元件凹凸配合。
在一实施例中，显微镜还包括一保护元件，所述光学模块设置于保护元件内。
在一实施例中，显微镜为一X光显微镜或一电子显微镜。
承上所述，因本发明的光学模块及显微镜包括至少一个承载台、至少一个致动单元以及至少一个光学组件。其中，承载台具有一第一穿孔，而致动单元具有一第二穿孔。另外，辐射波可从光学模块及显微镜的一侧入射，并穿过第一穿孔、第二穿孔及光学组件。借此，当光学模块或显微镜的周围环境温度发生变化时，虽然承载台、致动单元及光学组件因热胀冷缩而变形，但是辐射波W仍可实质上通过承载台的第一穿孔及致动单元的第二穿孔而不被环境温度所影响。因此，本发明的光学模块及显微镜可不因环境温度变化而影响其量测时的稳定性。另外，通过光学模块的模块化设计，可降低组装或拆卸的时间，并方便使用者携带及运搬显微镜或光学模块。
附图说明
图1为已知一种X光显微镜的一光学组件、一致动单元及一平台的设置示意图；
图2A～2B分别为本发明优选实施例的一种光学模块的立体示意图及立体分解图；
图2C为图2A的光学模块的上视示意图；
图3A及图3B分别为本发明不同态样的光学模块的立体示意图；
图4A及图4B分别为一光学模块的承载台与另一光学模块的连接元件的部分分解示意图及部分组合示意图；
图5为本发明优选实施例的一种显微镜的示意图；以及
图6为本发明另一实施态样的显微镜的示意图。
主要元件符号说明：
11、23：光学组件
12、22、22a、22b：致动单元
121a、121b、121c、222a、222b、222c：致动元件
13：平台
2、2a、2b、2c、2d：光学模块
21、21a、21b、21c：承载台
211：第一穿孔
212c：凹部
221：第二穿孔
223：底座
24、24a、24b：固定组件
25、25b、25d：连接元件
251d：凸部
3、3a：显微镜
31：保护元件
D：距离
G：重心
S1、S2：螺丝
W：辐射波
X、Y、Z：方向
具体实施方式
以下将参照相关附图，说明依本发明优选实施例的一种光学模块及显微镜，其中相同的元件将以相同的元件符号加以说明。
请参照图2A及图2B所示，其分别为本发明优选实施例的一种光学模块2的立体示意图及立体分解图。
光学模块2包括至少一个承载台21、至少一个致动单元22以及至少一个光学组件23。于此，以一承载台21、一致动单元22以及一光学组件23为例来说明。
承载台21具有一第一穿孔211。其中，承载台21的承载平面的形状可为点对称(或称辐射对称)，并例如可为圆形、星形(凹多边形)、正多边形或其它形状。在本实施例中，以圆形为例，且第一穿孔211的中心实质上与所述圆形的中心在相同的位置。当然并不以此为限，在其它的实施态样中，承载台21也可为星形、多边形或其它形状。
致动单元22设置于承载台21的一侧，并具有一第二穿孔221。于此，致动单元22以位于承载台21右侧的中央部分为例，并锁附于承载台21的表面。致动单元22的形状例如可为圆形、多边形或其它形状。于此，致动单元22的形状以方形为例。另外，承载台21的第一穿孔211及致动单元22的第二穿孔221的形状例如可为圆形或正多边形。于此，第一穿孔211及第二穿孔221的形状分别以圆形为例。
致动单元22例如可包括至少一个致动元件，而致动元件可为一压电致动器或一步进马达。在本实施例中，致动单元22以三个致动元件222a、222b、222c，并分别为压电致动器，且致动元件222a、222b、222c相互重迭设置为例。其中，致动元件222a、222b、222c可分别为方向X、方向Y及方向Z的移动调整元件。本实施例的致动元件222a、222b、222c设置于一底座223，通过底座223及多个螺丝S1可将致动元件222a、222b、222c锁合于承载台21，以使致动单元22设置于承载台21的右侧。
光学组件23与致动单元22连接，并可通过致动单元22调整光学组件23的位置。其中，光学组件23例如可包括一快门(shutter)、一聚光镜(condenser)、一针孔(pin hole)、一样品台(sample)、一波带片(zone plate)、一相位环(phase ring)、一伯特兰透镜(Bertrand lens)、一感光镜头CCD(charge coupledevice)等等组件，或其组合。在本实施例中，光学组件23以一聚光镜保持管(condenser holder tube)为例。光学组件23穿设第一穿孔211及第二穿孔221，并通过一个十字的固定组件24锁合而将聚光镜保持管的一端连接于致动单元22。因此，可分别通过致动元件222a、222b、222c调整光学组件23于方向X、方向Y及方向Z上移动。
当光学组件23的数量为二时，所述光学组件23可分别位于承载台21的相反侧(图未显示)。换言之，即承载台21的左右两侧都可设有光学组件23。另外，当光学组件23的数量为二时，所述光学组件23与致动单元22可分别位于承载台21的同一侧或相反两侧(图未显示)。值得一提的是，在其它的实施态样中，致动单元22还可包括另一致动元件(图未显示)，并可通过此致动元件驱动光学组件23旋转。
一辐射波W可从光学模块2的一侧入射，并穿过承载台21的第一穿孔211、致动单元22的第二穿孔221及光学组件23。其中，辐射波W可为一光波或一电子束。于此，以X射线为例。另外，特别注意的是，光学组件23若为一透镜(例如伯特兰透镜)时，则辐射波W可通过所述透镜。
请参照图2C所示，其为图2A的光学模块2的上视示意图。为了清楚说明，图2C只显示承载台21、致动单元22及光学组件23的外型轮廓，图2C并未显示承载台21及致动单元22上的凹槽或其它孔洞，亦未显示固定组件24。
请同时参照图2B及图2C所示，第一穿孔211的投影范围(其投影方向与辐射波W的方向相同)可涵盖承载台21的一第一形心，第二穿孔221的投影范围涵盖致动单元22的一第二形心。其中，第一形心及第二形心分别为承载台21及致动单元22的几何形状中心，且辐射波W(图未显示)实质上可通过第一形心及第二形心。在本实施例中，由于承载台21的形状为圆形(点对称)，而致动单元22的形状为方形，故第一形心及第二形心可分别为承载台21及致动单元22的重心G，且辐射波W实质上可通过重心G而穿过光学模块2，使得整个光学模块2具有对称性的机构设计，可大幅降低热膨胀问题。因此，如图2C所示，当光学模块2的周围环境温度变化时，例如环境温度提高时，承载台21、致动单元22及光学组件23会一起因热膨胀而变形至图2C中的虚线位置，但是辐射波W仍可实质上通过第一形心及第二形心(重心G)而不被环境温度所影响，因此，环境温度变化时不会影响光学模块2量测时的稳定性。
另外，请分别参照图3A及图3B所示，其分别为本发明不同态样的光学模块2a、2b的立体示意图。
与光学模块2主要的不同在于，图3A的光学模块2a的承载台的数量为二(承载台21a、21b)，而致动单元的数量亦为二(致动单元22a、22b)，且致动单元22a、22b分别位于二个承载台21a、21b的右侧。另外，光学组件23的二端可通过固定组件24a、24b分别锁合于致动单元22a及致动单元22b上。
此外，光学模块2a还可包括一连接元件25，所述承载台21a、21b分别设置于连接元件25的相对二侧。其中，连接元件25的形状可例如为筒状或柱状，并与承载台21a、21b的形状配合。在本实施例中，连接元件25的形状以圆筒状为例，并可通过例如锁合、黏合、卡合、嵌合或其组合等方式将连接元件25与承载台21a、21b连接。于此，以多个螺丝S2将连接元件25与承载台21a、21b锁合为例。另外，连接元件25可包括低热膨胀系数的材料，并例如可为碳纤维、金属、陶瓷或其它材料。于此，并不加以限制。
另外，如图3B所示，光学模块2b与图3A的光学模块2a主要的不同在于，光学模块2b的连接元件25b以四根连接柱(图3B只显示三根)为例。不过，连接柱的数量也可为其它数量，例如二或四以上。
此外，光学模块2a、2b的其它技术特征可参照光学模块2，于此不再赘述。
请参照图4A及图4B所示，其分别为一光学模块2c的承载台21c与另一光学模块2d的连接元件25d的部分分解示意图及部分组合示意图。为了清楚显示，图4A及图4B未显示光学模块2c、2d对应的致动单元及光学组件。其中，连接元件25d以一圆筒为例，而右侧的光学模块2d的连接元件25d的直径可小于左侧的光学模块2c的承载台21c的直径。
当光学模块为多个时，为了加速组装所述光学模块，承载台还可具有一定位结构，而定位结构可与连接元件凹凸配合。其中，定位结构使所述光学模块之间可自动对位而方便组装。在本实施例中，如图4A所示，光学模块2c的承载台21c可具有多个凹部212c，而光学模块2d的连接元件25d可具有与所述凹部212c对应设置的多个凸部251d。不过，在其它的实施态样中，光学模块2c的承载台21c可具有多个凸部，而连接元件25d可具有与所述凸部对应设置的多个凹部(图未显示)。于此，以承载台21c具有三个凹部212c，而连接元件25d具有三个对应设置的凸部251d为例。其中，凹部212c可为(V型)凹槽，而凸部251d可具有钢珠。凹部212c与凸部251d的设置数量也可不等于三(例如可大于三)。其中，设置三个凹部212c与三个凸部251d的目的是，当二个凸部251c对位连接于二个凹部212d时，第三个凸部251c将自然对位连接于第三个凹部212d。在其它的实施态样中，亦可使用其它的定位结构，使承载台21c与连接元件25d连接时可轻易定位良好。
因此，当光学模块为多个时，可通过定位结构使承载台轻易与另一光学模块的连接元件对位连接，故可降低多个光学模块的组装或拆卸的时间。另外，当光学模块的数量较多而使得体积较大时，也可轻易地拆卸而方便使用者携带及搬运所述光学模块。
另外，请参照图5所示，其为本发明优选实施例的一种显微镜3的示意图。
显微镜3包括至少一个光学模块2a。于此，如图5所示，显微镜3以包括5个光学模块2a为例。其中，光学模块2a及连接元件25已于上述中详述，于此不再赘述。图5中的显微镜3可再外接Y型支架或固定架而设置于光学桌上，以进行量测，图中并未显示支架、固定架或光学桌。
在本实施例中，显微镜3以一X光显微镜为例，因此，辐射波W可为X射线。其中，X射线的波长可介于0.001nm～10nm之间。由于X射线的短波长特性，使得它可穿透物体原子的晶格，使物体看起来像是透明一般。原子序越高的元素，因外层的电子越多，故与X射线作用的机会就越大，故X射线穿透的机会越小，使得看起来的影像是暗的。因此，可通过拍摄照片的灰阶对比与明暗表现，即可探知物体的内部构造，这种非破坏性的观察方式，相较于其它种类的显微镜而言是一大优势。在其它的实施例中，显微镜3也可为一电子显微镜。其中，电子显微镜可为一扫描式电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)或一穿透式电子显微镜(trasmission electron microscope,TEM)，于此并不加以限制。
因此，辐射波W可从显微镜3的一侧(图5的右侧)入射，并穿过所述光学模块2a的所述承载台的第一穿孔、所述致动单元的第二穿孔及光学组件，最后到达显微镜3的另一侧。因此，通过光学模块2a的模块化设计，可降低组装或拆卸显微镜3的时间，并方便使用者携带及搬运显微镜3。
另外，请参照图6所示，其为本发明另一实施态样的显微镜3a的示意图。
与图5的显微镜3主要的不同在于，显微镜3a还可包括一保护元件31，例如为一筒状容器，所述光学模块2a设置于保护元件31内。保护元件31除可保护显微镜3a外，又可于内部灌入惰性气体，例如氦气或氮气，以降低辐射波W路径运行时的损耗，或可将保护元件31的内部抽真空或升温、降温等，借此，可使显微镜3a具有环境控制或温度控制的能力。
综上所述，因本发明的光学模块及显微镜包括至少一个承载台、至少一个致动单元以及至少一个光学组件。其中，承载台具有一第一穿孔，而致动单元具有一第二穿孔。另外，辐射波可从光学模块及显微镜的一侧入射，并穿过第一穿孔、第二穿孔及光学组件。借此，当光学模块或显微镜的周围环境温度发生变化时，虽然承载台、致动单元及光学组件因热胀冷缩而变形，但是辐射波W仍可实质上通过承载台的第一穿孔及致动单元的第二穿孔而不被环境温度所影响。因此，本发明的光学模块及显微镜可不因环境温度变化而影响其量测时的稳定性。另外，通过光学模块的模块化设计，可降低组装或拆卸的时间，并方便使用者携带及搬运显微镜或光学模块。
以上所述仅是举例性，而非限制性。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包括在权利要求所限定的范围内。
Claims (21)
1.一种光学模块，其特征在于，包括：
至少一个承载台，具有一第一穿孔；
至少一个致动单元，设置于所述承载台的一侧，并具有一第二穿孔；以及
至少一个光学组件，与所述致动单元连接，并通过所述致动单元调整其位置，
其中，一辐射波从所述光学模块的一侧入射，并穿过所述第一穿孔、所述第二穿孔及所述光学组件，当所述承载台的数量为二时，所述光学模块还包括一连接元件，所述承载台分别设置于所述连接元件的相对二侧，所述承载台具有一定位结构，所述定位结构与所述连接元件凹凸配合。
2.根据权利要求1所述的光学模块，其特征在于，所述第一穿孔及所述第二穿孔的形状为圆形或正多边形。
3.根据权利要求1所述的光学模块，其特征在于，所述第一穿孔的投影范围涵盖所述承载台的一第一形心，所述第二穿孔的投影范围涵盖所述致动单元的一第二形心，其中所述投影的方向与所述辐射波的入射方向相同。
4.根据权利要求3所述的光学模块，其特征在于，所述辐射波实质上通过所述第一形心及所述第二形心。
5.根据权利要求1所述的光学模块，其特征在于，所述承载台的形状为圆形或多边形。
6.根据权利要求1所述的光学模块，其特征在于，所述光学组件包括一快门、一聚光镜、一针孔、一样品台、一波带片、一相位环、一伯特兰透镜、一感光镜头或其组合。
7.根据权利要求1所述的光学模块，其特征在于，当所述光学组件的数量为二时，所述光学组件分别位于所述承载台的相反侧。
8.根据权利要求1所述的光学模块，其特征在于，当所述光学组件的数量为二时，所述光学组件与所述致动单元分别位于所述承载台的同一侧或相反两侧。
9.根据权利要求1所述的光学模块，其特征在于，所述致动单元包括至少一个压电致动器或至少一个步进马达。
10.根据权利要求9所述的光学模块，其特征在于，当所述压电致动器或所述步进马达的数量为多个时，所述压电致动器或所述步进马达重迭设置于一底座上，并通过所述底座将所述压电致动器或所述步进马达锁合于所述承载台。
11.根据权利要求1所述的光学模块，其特征在于，所述连接元件的形状为筒状或柱状。
12.根据权利要求1所述的光学模块，其特征在于，所述连接元件的材料为碳纤维、金属或陶瓷。
13.一种显微镜，包括至少一个光学模块，其特征在于，所述光学模块包括：
至少一个承载台，具有一第一穿孔；
至少一个致动单元，设置于所述承载台的一侧，并具有一第二穿孔；以及
至少一个光学组件，与所述致动单元连接，并通过所述致动单元调整其位置，
其中，一辐射波从所述显微镜的一侧入射，并穿过所述光学模块的所述第一穿孔、所述第二穿孔及所述光学组件，当所述承载台的数量为二时，所述光学模块还包括一连接元件，所述承载台分别设置于所述连接元件的相对二侧，所述承载台具有一定位结构，所述定位结构与所述连接元件凹凸配合。
14.根据权利要求13所述的显微镜，其特征在于，所述第一穿孔及所述第二穿孔的形状为圆形或正多边形。
15.根据权利要求13所述的显微镜，其特征在于，当所述光学组件的数量为二时，所述光学组件分别位于所述承载台的相反侧。
16.根据权利要求13所述的显微镜，其特征在于，当所述光学组件的数量为二时，所述光学组件与所述致动单元分别位于所述承载台的同一侧或相反两侧。
17.根据权利要求13所述的显微镜，其特征在于，当所述致动单元具有多个致动元件时，所述致动元件重迭设置于一底座上，并通过所述底座将所述致动元件锁合于所述承载台。
18.根据权利要求13所述的显微镜，其特征在于，当所述光学模块为多个时，所述光学模块的光路径实质相同。
19.根据权利要求13所述的显微镜，其特征在于，所述连接元件的形状为筒状或柱状。
20.根据权利要求18所述的显微镜，其特征在于，还包括：
一保护元件，所述光学模块设置于所述保护元件内。
21.根据权利要求13所述的显微镜，其特征在于，所述显微镜为一X光显微镜或一电子显微镜。
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