CN105203457B - 红外显微镜的放大组件 - Google Patents

红外显微镜的放大组件 Download PDF

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Abstract

本文公开了一种红外显微镜的放大组件，具体地公开了一种红外显微镜(200)。红外显微镜(200)包括：样品台(210)，其配置成支持样品(220)；物镜(110)，其配置成将从样品(220)发射的辐射聚焦到物镜(110)和红外探测器(140)之间的中间像平面(310)；以及放大组件(320)，其包括第二组反射元件(325)和设置在固定位置处的第一组反射元件(325)。

Description

红外显微镜的放大组件
技术领域
本发明一般涉及光学仪器，更具体地涉及红外显微镜，尤其涉及用于执行红外光谱法(IR)的那些类型的显微镜。
背景技术
红外显微镜通常与IR光谱仪结合使用来对各种材料的小样品进行分析。
红外显微镜通常接收来自光谱仪中的光源的红外辐射。显微镜包括用于承放所分析的样品的样品台以及用于将辐射从辐射源引导到样品台的一系列光学元件。这些光学元件可以包括反射镜、透镜、和聚光器。红外辐射通常经由放大倍率组件指向到红外探测器。样品还可以借助于可见辐射而光学可见，即，显微镜在可见光谱和红外光谱的两者中起作用。可以受计算机控制的可变光圈位于中间像平面。可变光圈使得掩蔽一部分样品。
需要能够改变放大倍率。已知的IR显微镜通过外部更换物镜获得可变的放大倍率。其它的显微镜例如通过沿光学路径放置附加的透镜或反射镜使得替换内部的焦平面阵列(FPA)光学元件。然而，这些系统具有许多缺点，包括其中使用透镜的FPA光学元件波长范围有限，以及由于透镜系统的多表面，对准FPA光学元件的任务相对困难。透镜的吸湿性可以导致分辨率降低并且透镜还可能受到色差的影响。此外，依靠对通常的FPA光学元件配置的改变的手段必须在制造的同时结合到每个显微镜中。即，一般不可能将改变放大倍率的能力添加到已知的未配置有该能力的显微镜中。
因此，需要至少克服已知显微镜的上述缺陷的红外显微镜。
发明内容
根据代表性实施例，红外显微镜包括：样品台，其用于支持样品；物镜，其配置成将从所述样品发射的辐射聚焦到物镜和红外探测器之间的中间像平面；以及放大组件，其包括第二组反射元件和设置在固定位置处的第一组反射元件。所述第二组反射元件配置成在非工作位置和工作位置之间移动，在所述非工作位置，辐射入射在所述第一组反射元件上，在所述工作位置，所述辐射入射在所述第二组反射元件上，从而，改变由所述放大组件提供的放大倍率。
图示性地，所述第二组反射元件可以配置成在所述非工作位置和工作位置之间一致地移动。与现有技术方案相比，该特征为放大组件提供简化的和更稳定的对准，以提高可重复性。
此外，所述第二组反射元件还包括以彼此固定的关系布置的两个反射元件。通过减少光学路径入射在其上的光学元件的数量，降低辐射损失并且优化光通量。
在代表性实施例中，所述第二组反射元件包括以彼此相对的关系布置的两个反射元件，每个反射元件相对于在所述第二组反射元件的第一个反射元件和所述第二组反射元件的第二个反射元件之间延伸的对准轴线对中。
图示性地，第一组反射元件还可以包括两个反射元件。反射元件中的各者可以包括曲面镜。
此外，放大组件可以定位为使得传递到单个元件探测器而不是传递到红外探测器的辐射不会受到放大组件的影响。
在代表性实施例中，放大组件定位在中间像平面和红外探测器之间。
根据另一个代表性实施例，用于红外显微镜的放大组件配件，包括：第二组反射元件和设置在固定位置处的第一组反射元件。所述第二组反射元件配置成在非工作位置和工作位置之间移动，在所述非工作位置，辐射入射在所述第一组反射元件上，在所述工作位置，所述辐射入射在所述第二组反射元件上，从而，改变所述放大组件提供的放大倍率。
图示性地，所述第二组反射元件可以包括以彼此固定的关系布置的两个反射元件。
或者，所述第二组反射元件可以包括以彼此相对的关系布置的两个反射元件，每个反射元件相对于在所述第二组反射元件的第一个反射元件和所述第二组反射元件的第二个反射元件之间延伸的对准轴线对中。
在代表性实施例中，所述第一组反射元件还可以包括两个反射元件。反射元件中的各者可以包括曲面镜。
图示性地，放大组件配件可以配置为定位在红外显微镜的中间像平面和红外探测器之间。
根据又一个代表性实施例，红外显微镜，包括：样品台，其配置成支持样品；物镜，其配置成将从所述样品发射的辐射聚焦到物镜和红外探测器之间的中间像平面；以及放大组件，其包括第二组反射元件和设置在固定位置处的第一组反射元件。所述第二组反射元件配置成在非工作位置和工作位置之间移动，在所述非工作位置，辐射入射在所述第一组反射元件上，在所述工作位置，所述辐射入射在所述第二组反射元件上。因此，改变由所述放大组件提供的放大倍率。所述放大组件定位在所述中间像平面和所述红外探测器之间。
附图说明
通过以下详细的描述并且同时阅读附图可以更好的理解所述实施例。强调的是，各种特征不一定按比例绘制。实际上，为了清楚地进行论述，可以任意增大或减小尺寸。在任何适用和实用的情况下，相同的参考标记指代相同的元件。
图1是示出在内部具有可变放大倍率的现有红外显微镜的元件的示意性光学图。
图2是根据本发明的实施例的红外显微镜的等距视图。
图3A是示出根据实施例的、具有位于工作位置处的本发明的放大组件的红外显微镜的元件的示意性光学图。
图3B是示出根据实施例的、具有位于非工作位置处的本发明的放大组件的红外显微镜的元件的示意性光学图。
图3C是示出根据代表性实施例的、从工作位置和非工作位置处移动一组反射元件的机构的立体图。
图3D是示出根据代表性实施例的、从工作位置和非工作位置处移动一组反射元件的机构的立体图。
具体实施方式
在以下详细的描述中，为了解释而非限制的目的阐述具体的细节，从而全面地理解根据本教导的图示性实施例。然而，对于已经了解本发明优点的本领域技术人员来说，根据本教导的与本文所述的具体细节不同的其它实施例仍落入所附权利要求的范围内是显而易见的。此外，可以省略已知的设备和方法的描述，以免使图示性实施例的描述不清楚。显然，这样的方法和设备落入本教导的范围内。
应当理解，本文所使用的术语仅为了描述具体的实施例，而不是用来限制。除了所定义的术语的科技含义外，所定义的术语也具有在本教导的技术领域中所理解的和所接受的含义。
当用在说明书和所附权利要求中时，术语“一种”和“该”包括单数和复数，除非上下文中另有明确的规定。因此，例如，“一种装置”包括一个装置和多个装置。
当用在说明书和所附权利要求中时，并且除了它们本来的含义，术语“基本的”或“基本地”意味着在可接受的范围或程度内。例如，“基本抵消”意味着本领域的技术人员将会想到对消是可接受的。当用在说明书和所附权利要求中时，并且除了其本来的含义，术语“大致”或“约”意味着本领域的技术人员可接受的范围或量。例如，“大致相同”意味着本领域的技术人员将会想到比较的这些项目是相同的。
一般而言，应当理解，本文所示的图和各种元件不是成比例绘制。此外，如附图所示，相关术语(例如，“之上”、“之下”、“顶部”、“底部”、“上方”和“下方”)用于描述不同元件彼此之间的关系。应当理解，这些相关的术语还意图包括装置和/或元件的除附图所述的方向之外的不同的方向。例如，如果装置相对于附图中的图像颠倒，那么所述的例如在其他元件“之上”的元件现在将会在其他元件的下方。
首先参照图1，示出与已知的能够在内部改变放大倍率的红外显微镜相对应的光学图。显微镜与对标的样品进行IR分析的IR光谱仪集成。将红外光指向到样品，并且通过物镜110采集从样品发射的辐射，物镜110将光聚焦在可变光圈通常所处的像平面120上。
FPA光学部件130使光圈在探测器140上重新成像。FPA光学部件130可以包括透镜系统或反射镜系统。在该示例中，FPA光学部件130包括一对曲面镜150、160。显微镜总的放大倍率是物镜110、FPA光学部件130和透镜170的放大倍率的乘积。
现在参照图2，示出根据示例性实施例的红外显微镜200。红外显微镜200包括用于支持样品220的样品台210。当红外显微镜200在传输模式工作时，来自红外源(未示出)的红外光向上定向并通过样品220。当红外显微镜200在反射模式工作时，红外光通过物镜230向下定向到样品220上。在两种情况下，从样品220发射的辐射由物镜230采集并且聚焦在像平面(图2中未示出-见图3A和3B)上。从像平面出来的辐射指向到以FPA探测器240形式设置的红外探测器。显微镜可选地包括替代的红外探测器类型，例如，单个元件探测器250。
现在参照图3A和图3B，示出红外显微镜200的光学表示。本发明的放大组件320使得显微镜的放大倍率在内部改变。放大组件320包括第一组反射元件325和第二组反射元件330。第一组反射元件325包括两个曲面镜380和390。第二组反射元件330也包括两个曲面镜340和350。显然，在本领域的技术人员所理解的范围内，可以考虑其他类型的反射元件，以实现放大组件320。例如，基本平坦的反射镜可以与曲面镜结合使用。此外，还可以考虑实现放大组件320的其他反射镜和透镜的组合。另外，还可以考虑适应性的、主动的、或可变形的反射光学部件。最后，考虑用在放大组件中的反射光学元件和聚焦光学元件包括全息光学元件(HOE)。
在代表性实施例中，第一组反射元件325基本上是静止的，并且因此，基本固定在固定的位置或者嵌入到光学路径中而没有显著的移动。相反，第二组反射元件330配置成在非工作位置和工作位置之间移动。通过适合于精确光学组件的机械组件(未示出)产生移动。考虑将机器人和电机组件的使用与机械组件结合使用。在结合图3C和图3D的下述代表性实施例中，机构391借助于电机驱动将预对焦高放大倍率组件旋转大于约90°，将第二组反射元件330引入到低放大倍率波束中或引到低放大倍率光束以外。代替枢轴或者围绕轴线手动或机械地旋转具有不同放大率的反射元件，使用手动或机械滑动机构也可以获得相同的结果。
在图3A中，示出第二组反射元件330位于工作位置处。在工作位置处，辐射入射在第二组反射元件330上。当第二组反射元件330在该位置处时，曲面镜340和350有效地阻挡包括第一组反射元件325的曲面镜380和390。因此，当第二组反射元件在工作位置处时，辐射仅入射在第二组反射元件330上并且完全不会入射在第一组反射元件325上。
相反地，如图3B所示，当第二组反射元件330移动到非工作位置处时，不再阻挡曲面镜380和390。因此，当第二组反射元件330位于非工作位置处时，辐射仅入射在第一组反射元件325上。将第二组反射元件330移进或移出光学路径改变放大倍率的系数。当第二组反射元件330位于工作位置处时，放大倍率的最终系数通常大约为5。
图示性地，曲面镜340和350基本彼此相对布置。曲面镜340和350相对于在曲面镜340和曲面镜350之间延伸的对准轴线360(见图3A)基本对中。类似地，曲面镜380和390也基本彼此相对布置。
包括第二组反射元件330的曲面镜340和350在工作位置和非工作位置之间基本一致地(即，作为单个单元)移动。显然，曲面镜340和350布置在彼此基本固定的位置，使得它们不会在工作位置和非工作位置之间彼此独立地移动。
通过将第二组反射元件330围绕与上述的对准轴线360基本平行的旋转轴线旋转到光学路径中和旋转到光学路径以外，可以实现在工作位置和非工作位置之间的移动。
放大组件320定位在红外显微镜200中在中间像平面310和FPA探测器240之间。该配置具有许多优点，至少在于本教导的放大组件320可以在制造期间结合到红外显微镜200中，或者可以整合到现有的红外显微镜。
此外，在安装有本发明的放大组件320的红外显微镜中，通过使用放大组件结合在外部改变物镜230a、230b和230c来提供各种放大倍率的系数，各种放大倍率是可能的。另外，如果希望采用单个元件探测器250而不是FPA探测器240，在中间像平面310和FPA探测器240之间具有放大组件320意味着传递到单个元件探测器250的辐射无需受到放大组件的影响。
本发明的另一个优点为：与现有技术方案相比，具有以彼此固定的关系布置以使它们在工作位置和非工作位置之间一致地移动的第二组反射元件330为放大组件320提供了简化的和更可靠的对准，以提高可重复性。这是因为通过单一移动，两个曲面镜340和350移进或移出光学路径，或者从工作位置移动到非工作位置。此外，承接在光学路径上(即，到两个元件)的分别具有最小弯曲的反射镜340、350或380、390使得辐射损失最小，并且从而使光通量最大。与现有技术系统中所使用的透镜相反，在放大组件中使用反射元件(例如，反射镜)具有覆盖从紫外光到红外光的大范围的波长的额外优势。
参照图3C，描述根据代表性实施例的红外显微镜200，并且红外显微镜200包括将第二组反射元件330移动到工作位置(例如，如图3A所示)并且移动到工作位置之外的机构391。显然，在图3C中，机构391位于第一位置，将预对焦第二组反射元件330定向到工作位置。在工作位置，辐射入射到第二组反射元件330上。当第二组反射元件330位于该位置时，曲面镜340和350有效地阻挡包括第一组反射元件325的曲面镜380和390。因此，当第二组反射元件处于工作位置时，辐射将只入射在第二组反射元件330上，并且完全不会入射在第一组反射元件325上。
参照图3D，实质上为枢轴结构的机构391位于第二位置，将预对焦第二组反射元件330定向到非工作位置(例如，如图3B所示)。如上所述，例如可以在来自控制器或其它适合的计算装置的指令的指导下使用合适的电机或者手动地实施机构391在第一位置和第二位置之间的移动。当第二组反射元件330移动到非工作位置时，不再阻挡曲面镜380和390。因此，当第二组反射元件330位于非工作位置时，辐射仅入射在第一组反射元件325上。
本领域的技术人员将会理解，根据本教导的许多变形是可能的并且落入所附权利要求的范围内。在阅读本文的说明书、附图和权利要求之后，本领域的技术人员将会清楚这些变形或其它变形。因此，本发明限制在权利要求的宗旨和范围之内。

Claims (10)

1.一种红外显微镜(200)，包括：
样品台(210)，其配置成支持样品(220)；
物镜(110)，其配置成将从所述样品(220)发射的辐射聚焦到物镜(110)和红外探测器(140)之间的中间像平面(310)；以及
放大组件(320)，其包括第二组反射元件和设置在固定位置处的第一组反射元件，所述第二组反射元件配置成在非工作位置和工作位置之间移动，在所述非工作位置，辐射入射在所述第一组反射元件上，在所述工作位置，所述辐射入射在所述第二组反射元件上并且所述第二组反射元件有效地阻挡所述第一组反射元件，其中，由所述放大组件(320)提供的放大倍率被改变。
2.根据权利要求1所述的红外显微镜(200)，其中，所述第二组反射元件配置成在所述非工作位置和工作位置之间基本一致地移动。
3.根据权利要求1所述的红外显微镜(200)，其中，所述第二组反射元件包括以彼此固定的关系布置的两个反射元件。
4.根据权利要求1所述的红外显微镜(200)，其中，所述第二组反射元件包括彼此相对的两个反射元件，每个反射元件相对于在所述第二组反射元件的第一个反射元件和所述第二组反射元件的第二个反射元件之间延伸的对准轴线(360)基本对中。
5.根据权利要求4所述的红外显微镜(200)，其中，所述第二组反射元件配置成通过围绕旋转轴线旋转在所述工作位置和所述非工作位置之间移动，所述旋转轴线与在所述第二组反射元件之间延伸的所述对准轴线(360)基本平行。
6.一种用于红外显微镜(200)的放大组件(320)配件，包括：
第二组反射元件和设置在固定位置处的第一组反射元件，所述第二组反射元件配置成在非工作位置和工作位置之间移动，在所述非工作位置，辐射入射在所述第一组反射元件上，在所述工作位置，所述辐射入射在所述第二组反射元件上并且所述第二组反射元件有效地阻挡所述第一组反射元件，从而，所述放大组件(320)提供的放大倍率被改变。
7.根据权利要求6所述的放大组件(320)配件，其中，所述第二组反射元件包括以彼此固定的关系布置的两个反射元件。
8.根据权利要求6所述的放大组件(320)配件，其中，所述第二组反射元件包括彼此相对的两个反射元件，每个反射元件相对于在所述第二组反射元件的第一个反射元件和所述第二组反射元件的第二个反射元件之间延伸的对准轴线(360)基本对中。
9.根据权利要求6所述的放大组件(320)配件，其中，所述第一组反射元件包括两个反射元件。
10.一种红外显微镜(200)，包括：
样品台(210)，其配置成支持样品(220)；
物镜(110)，其用于将从所述样品(220)发射的辐射聚焦到物镜(110)和红外探测器(140)之间的中间像平面(310)；以及
放大组件(320)，其包括第二组反射元件和设置在固定位置处的第一组反射元件，所述第二组反射元件配置成在非工作位置和工作位置之间移动，在所述非工作位置，辐射入射在所述第一组反射元件上，在所述工作位置，所述辐射入射在所述第二组反射元件上并且所述第二组反射元件有效地阻挡所述第一组反射元件，从而，由所述放大组件(320)提供的放大倍率得以改变，并且所述放大组件(320)定位在所述中间像平面(310)和所述红外探测器(140)之间。
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