CN111694141B - 红外显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种红外显微镜，它具有用于产生准直的红外输入光束(26)的红外光源(1)、在光阑平面(27)中有效地限制光束的元件(8)、样品位置(15)、带有红外传感器(19a)的红外探测器(19)、探测器光阑(19b)、用于将准直的红外输入光束(26)聚焦到样品位置(15)上的第一光学装置和用于将样品位置(15)成像到红外传感器(19a)上的第二光学装置，其特征在于，有效地限制光束的元件(8)处于准直的红外输入光束(26)中，并且所述第一光学装置和第二光学装置使探测器光阑开口成像到输入光束平面中，对于探测器光阑开口在输入光束平面中的图像的面积A1和准直的红外输入光束(26)在输入光束平面中的横截面的面积A2适用：0<A1/A2≤1。利用根据本发明的红外显微镜可以确保多元红外探测器的所有传感器元件仅接收来自准直的红外源的红外辐射。同时，避免了干扰性影响，如渐晕和散射。

Description

红外显微镜

技术领域

本发明涉及一种红外显微镜。

背景技术

这种红外显微镜例如由[1]、[2]、[3]、[4]已知。

利用红外(IR)显微镜可以生成要检测的样品的红外图像和可视图像，这里测量通常既可以以透射方式也可以以反射方式进行。为此，可以使红外和可见光的光路在透射和反射之间切换。

这里所关注的红外显微镜特别是使得能够空间解析地光谱式地测量显微镜样品，即对于显微镜样品上的不同区域获得红外光谱范围内的光谱。

为此，红外光穿过干涉仪，在所述干涉仪中，通过一个或多个反射镜的移动使各干涉仪臂的长度相对于彼此改变，并且由此根据其波长来调制红外光。这里，调制频率取决于波长，每个波长可以唯一地对应于一个调制频率。将以这种方式调制的红外光引导到要检测的样品上并且通过第二光学装置将来自样品的光聚焦到红外探测器上。

由探测器接收的经调制的光包含样品所有的光谱信息。但探测器对未经调制的源于环境的红外光也是敏感的。如果这种环境光到达探测器，则这种光无助于信息获取，而会降低探测器的动态范围。

此外，还出现另一部分不希望的探测器信号，即暗电流。因此，通常对探测器进行冷却，由此保持由热激发在传感器材料中导致的干扰信号尽可能小。探测器应尽可能地仅提供来自样品的、由经调制的红外辐射引起的信号。

为了尽可能抑制来自环境的辐射，探测器包括探测器光阑。

在现有技术中，探测器光阑的尺寸和位置始终通过探测器前面的最后一个成像光学器件来确定。例如，在[3]中，这样设计探测器光阑的尺寸，使得只有来自上游的中间光学器件的辐射能通过探测器光阑。

受红外传感器由受冷却的壳体(辐射罩)包围，从而光只能通过同样受冷却的探测器光阑(冷光阑)到达传感器，但在使用这种受冷却的红外传感器时，不能任意地设计探测器光阑的位置和尺寸，因为所述探测器光阑必须安装在杜瓦瓶内。由此，探测器光阑的位置和尺寸通常不能最佳地适配于上游的中间光学器件，而是必须这样设计上游的中间光学器件，即，使得对于测量希望的辐射能穿过探测器光阑，而不希望的辐射(例如环境辐射)不能穿过探测器光阑。为此，中间光学器件使处于具有半开角a/2的锥体的红外辐射转向到探测器方向，并在红外传感器上生成样品平面的图像或者生成样品平面的下游中间图像平面的图像。输入孔的直径与探测器光阑到红外传感器的距离d之比因此对应于中间光学器件的F数(F/#)。这种处理方式特别适于单元探测器，如例如在[4]中使用的单元探测器。但对于例如在[1]和[3]中使用的具有多个传感器元件的延展的一维或二维探测器，这种处理方式是不够的：虽然对于传感器上的中心像点可以很好地调整受冷却的输入孔径，但是探测器光阑会使形成没有在中央、特别是在边缘区域位于传感器上的像点的红外辐射产生渐晕。如果仅增大探测器光阑，以减少渐晕，则杂散光、尤其是来自未冷却的环境的不包含测量信号的辐射也达到红外探测器的传感器上并使测量失真。

[1]公开了一种具有多元探测器的红外显微镜，其中探测器光阑成像到第二光学装置的卡塞格林物镜的反射镜上。这里，卡塞格林物镜的反射镜形成了这种仪器的限制光束的元件。然而，由于通过第二光学装置的反射镜实现的光束限制，在反射镜的边缘上发生散射，这对测量的质量有不利影响。

发明内容

本发明的目的是，提出一种具有多元红外探测器的红外显微镜，在这种红外显微镜中，所述红外探测器的所有传感器元件(像素)仅记录来自准直的红外光源并照射样品平面中由使用者限定的区域的经调制的红外辐射。同时，应避免干扰性的效应，如渐晕和散射。

根据本发明通过一种红外显微镜来实现所述目的，所述红外显微镜具有：用于产生准直的红外输入光束的红外光源；在准直的输入光束中在光阑平面中有效地限制光束的元件；用于容纳样品的样品位置；带有红外传感器的红外探测器；设置在红外传感器前面的探测器光阑，所述探测器光阑带有探测器光阑开口；用于使由红外光源发出的准直的红外输入光束聚焦到样品位置上的第一光学装置；以及用于使样品位置成像到红外传感器上的第二光学装置，第二光学装置包括物镜和中间光学元件。根据本发明，有效地限制光束的元件在准直的红外输入光束中设置进入第一光学装置的入口之前。根据本发明，所述第一光学装置和第二光学装置使探测器光阑的探测器光阑开口成像到输入光束平面中，对于探测器光阑开口的在输入光束平面中的图像的面积A1和准直红外输入光束在输入光束平面中的横截面的面积A2适用：0<A1/A2≤1。

如果在设备内不存在比所述有效地限制光束的元件更强地限制红外光束横截面的其他元件，则该元件是“有效地限制光束的”。有效地限制光束的元件限定光阑平面(垂直于红外辐射的光轴)。就是说，光阑平面位于通过有效地限制光束的元件限制光束的位置处，例如位于有效地限制光束的光阑或有效地限制光束的反光镜的位置处。

红外光源的光在进入第一光学装置之前称为红外输入光束。在对红外输入光束进行准直的区域中，所述红外输入光束优选具有小于2°的散度。

通过根据本发明的对探测器光阑开口与红外输入光束的在输入光束平面中的横截面的比值的限制，避免了来自外部区域(例如由于来自环境的热辐射)的光进入探测器。就是说，确保只有离开限制光束的元件并照亮样品平面中确定的区域的红外光到达探测器上，并且确保均匀地照亮在探测器上的所有像点，而不会发生渐晕。这里，参数A1/A2≤1应理解为，即不会实质影响测量结果的与所述条件有小偏差的情况应理解为同样包含在该条件中。例如，如果可供测量使用的有效信号降至最佳设置的有效信号的70％以下，测量受到了实质影响。在这种情况下，测量时间至少须至少翻倍，以达到与最佳设置相当的信噪比(70％×sqrt(2)＝99％)。

当使用常规的红外辐射源时，优选使用满足A1/A2＝1的红外显微镜。由此一方面防止环境光进入探测器，另一方面确保实现最大的光输出。最佳设置是指，没有通过辐射源使探测器饱和/满负荷

但特别是当使用光强特别大的辐射源(例如QC激光器)时，设置A1/A2<1的比值也是有利的，因为这里在使用过大的探测器光阑开口时存在探测器在饱和状态下运行的风险。此外，本发明设定，有效地限制光束的元件和输入光束平面(就是说在进入第一光学装置之前)位于准直的红外输入光束中。就是说，要成像到探测器光阑上的相关光束横截面不是通过中间光学器件，而是在第一个光学装置之前已经被限定。由于限制光束的元件位于准直的输入光束中，即位于仅具有非常低的散度的光束内，相对于有效地限制光束的元件，在探测器光阑成像到其上的输入光束平面的位置方面存在一定的灵活性。此外，由于有效地限制光束的元件位于准直的输入光束中，使得在有效地限制光束的元件的边缘处出现的散射效应的影响最小化。

输入光束平面优选位于受到有效限制的输入光束中，即位于光阑平面中或位于光阑平面与第一光学装置之间。

如果应使用透射式显微镜，则第一光学装置还包括另一个物镜(聚光器)，用于将红外输入光束聚焦到样品位置上。就是说，用于将红外输入光束聚焦到样品位置上的物镜与用于在照射样品后使样品位置成像的物镜是不同的物镜。

对于使用反射式红外显微镜的情况，第一光学装置包括设置成用于将红外输入光束聚焦到样品位置上的物镜和光学分束器，所述光学分束器设置成用于使由红外光源发出的输入光束入射到所述物镜中。这里，所述物镜既用于将红外输入光束聚焦到样品上，也用于借助于由样品反射的辐射来产生中间图像。在这种情况下，用于使红外输入光束聚焦到样品位置上的物镜可以与用于在照射样品之后使样品位置成像的物镜是同一物镜。

在最简单的情况下，第一光学装置可以是无限远校正物镜。如果将有限远校正物镜用作物镜，则第一光学装置此外还包括反射镜，所述反射镜将准直的输入光束成像到中间焦点上，然后由有限远校正物镜将所述中间焦点成像到样品上。

所述两个物镜可以是反射物镜、折射物镜或折反射物镜。所述物镜优选设计成具有两个球面反射镜的卡塞格林物镜。

所述探测器优选是二维探测器，所述探测器在传感器平面上具有多个探测器元(像素)。备选地，也可以使用行探测器，在行探测器中，探测器元沿直线设置。

在根据本发明的红外显微镜的一个特别优选的实施形式中，所述探测器光阑和红外传感器位于共同的探测器壳体内并且设置成相互隔开距离d，所述距离d优选最大为50mm。根据本发明，此时这样地对样品和输入光束平面进行成像，使得由中间光学器件产生的样品图像到由中间光学器件所产生的输入光束平面的图像的距离为d。

所述中间光学器件(18)具有有效焦距f，对于所述有效焦距适用：

其中

f：所述中间光学器件的有效焦距，

x：输入光束平面的通过第一光学装置和通过第二光学装置的物镜产生的图像与通过第二光学装置的物镜所产生的样品图像之间的距离，d：探测器光阑(19b)与红外传感器(19a)之间的距离，

m：中间光学元件的放大系数。

中间光学器件可以包括多个成像光学元件，特别是反射镜，它们一起具有所述有效焦距f。

优选将探测器光阑与红外传感器之间的距离d选择得尽可能大，这个距离受到设置可用的空间的限制。由于探测器光阑/冷光阑优选设置在抽真空的杜瓦瓶中，所述距离受抽真空的杜瓦瓶的尺寸限制。探测器光阑和红外传感器之间的距离d因此优选在2mm至50mm之间，特别是在15mm至35mm之间。

放大系数m取决于通过第二光学器件和中间光学器件的物镜实现的希望的总放大倍率、第二光学器件的物镜的横向分辨率以及传感器元件的像素尺寸。放大系数m优选在0.1至10之间的范围内选择。

第一光学装置设计成，使得红外辐射聚焦到样品位置上。所述物镜设计成，使得所述物镜在中间图像平面中产生样品的图像。但这样设计的第一光学装置和这样设计的物镜一起还产生透镜后面的输入光束平面的图像。在物镜后面的输入光束平面的图像和在物镜后面的样品的图像彼此之间具有距离x。距离x通常在1mm至250mm之间，特别是为70mm。

通过有效焦距的根据本发明的选择实现了，以放大倍率m使中间图像平面成像到传感器平面上，并且同时使输入光束平面成像到探测器光阑上。通过放大倍率m可以调整探测器上的样品图像的大小。由此也影响了输入光束平面在探测器光阑的位置处的图像大小。这样，使得探测器光阑的尺寸适配于输入光束平面在探测器光阑的位置处的图像大小。

理想的是，探测器和探测器光阑都是受冷却的，以保持从表面到探测器的热辐射尽可能小。此时优选将红外传感器和探测器光阑安置在受冷却的探测器壳体中，所述探测器壳体确保明显减少不是来自于干涉仪和样品的红外光。在将红外传感器和探测器光阑这样共同地安置在探测器壳体中时，需要通过中间光学器件相应地调整成像比值，因为探测器光阑和探测器壳体之间的距离不能选择成任意大小。

在根据本发明的红外显微镜的一个具体实施形式中，中间光学器件的放大系数m为1。即中间光学器件实现1:1的成像(2f成像)。

根据本发明的红外显微镜的一个特别优选的实施形式设定，有效地限制光束的元件是红外光源的输出孔。此时，优选在出口处、即在红外光源的输出孔径附近选择输入光束平面，例如选择在迈克尔逊干涉仪的出射光瞳处。

在另一个实施形式中，所述有效地限制光束的元件和输入光束平面设置在红外光源之内。所述有效地限制光束的元件可以例如是用作红外光源的干涉仪内部的光阑或反射镜。输入光束平面尤其是可以位于干涉仪的输入和输出开口之间。

在一个特别优选的实施形式中，所述输入光束平面是光阑平面。就是说，探测器光阑开口在光阑平面中成像。由此实现了简单地使探测器光阑、中间光学器件和所述限制光束的元件相互适配，因为这种适配可以与准直的输入光束的可能存在的散度无关地进行。

所述中间光学器件可以包括例如Offner物镜。Offner物镜包括两个球面反射镜，所述反射镜在中间光学器件内产生样品和输入光束平面的无像散的成像。附加于Offner物镜，中间光学器件还可包括另外的球面反射镜、非球面反射镜或超环面反射镜。由Offner物镜所生成的图像尤其是可以通过非球面反射镜或超环面反射镜成像到探测器或探测器光阑上；或者由非球面反射镜或超环面反射镜产生的图像可以通过Offner物镜成像到探测器或探测器光阑上。也可以设想采用与折射光学元件(透镜)的组合。

根据本发明的红外显微镜的红外光源可以包括干涉仪、量子级联激光器(在这种情况下，红外辐射源等同于红外光源)或傅立叶红外(FTIR)光谱仪。

本发明的其他优点由说明书和附图得出。同样，前面所述的和还要进一步说明的特征根据本发明可以分别单独使用或以多个特征的任何组合多种使用。所示和所述的实施形式不应理解为穷尽的列举，而是具有用于描述本发明的示例性性质。

附图说明

图1a示出既可以以透射方式也可以以反射方式工作的显微镜，所述显微镜具有干涉仪作为红外光源并且具有干涉仪的输出孔作为有效地限制光束的元件。

图1b示出既可以以透射方式也可以以反射方式工作的显微镜，所述显微镜具有干涉仪作为红外光源，其中有效地限制光束的元件是准直元件。

图2a示出在假设中间光学器件限制光束的情况下根据现有技术的探测器对光阑尺寸的调整。这种调整仅针对中央像素进行了优化。

图2b示出边缘像素的渐晕，在探测器光阑仅针对于中央像素优化并且光阑平面图像25与探测器光阑19b不重合时，就会发生渐晕。

图2c示出的是，在忍受环境光增加的情况下，通过增大探测器光阑19b来减少已在图2b中示出的边缘像素渐晕的减少。

图2d针对图2c中的布置形式示出来自辐射源的红外辐射的辐射锥和来自环境的干扰辐射的辐射锥。

图2e示出在中间光学器件与红外显微镜的红外传感器的中央或外部传感器元件之间的红外辐射的光束走势，其中限制光束的元件在探测器光阑开口的位置处成像并且A1＝A2。

图3a示出由红外探测器探测到的总信号，有效信号和环境信号与比值A1/A2的相关性。

图3b作为比值A1/A2的函数示出有效信号与总信号的比值与有效信号的乘积。

图4示出第二光学装置与红外显微镜的红外传感器的中央或外部传感器元件之间的红外辐射的光束走势。

图5示出图1中的红外显微镜，其中详细示出了中间光学器件。

具体实施方式

在图1a中示出可以以透射方式和以反射方式使用的红外显微镜的典型结构。

为了以反射方式产生样品的可视图像，可见光源20b的光通过不同的光学元件21b、12b和13b被引导到显微镜物镜16中，所述显微镜物镜将所述光聚焦到样品位置15上。然后，样品的反射光再次被物镜16接收，并且使样品(或样品的选定区域)成像到第一中间图像平面17上。该中间图像平面17然后又通过双色镜22和成像光学器件23成像到CCD相机24上。

在透射方式中，通过将来自光源20a的可见光经由光学元件21a、12a和13a引导到聚光器(另外的物镜14)中来产生样品的可视图像，所述聚光器将光聚焦在样品位置15上。然后，通过样品的透射光由物镜16成像到第一中间图像平面17上。然后，又经由双色镜22和成像光学器件23将所述中间图像平面成像到CCD相机24上。

为了用红外辐射对样品进行光谱检测，通过干涉仪1调制红外辐射源2的红外光。辐射源2的光离开辐射源2，通过反射镜4对其进行准直并将其导入干涉仪1中。这里，光射到达分束器7上，并且在理想情况下有50％发生透射，还有50％发生反射。然后，透射的红外光到达固定的反射镜6上并且由该反射镜再次朝分束器7的方向反射返回。先前在分束器7上反射的光射到达活动的反射镜5上并同样又被反射返回到分束器7。两个分光束在分束器7上重新合并，并通过干涉仪1的输出孔3离开干涉仪1。活动的反射镜5的移动确保了红外光被调制。除了在图1a中所示的传统的迈克尔逊干涉仪之外，也可以使用其他干涉仪类型作为红外光源1，例如具有两个活动的反射镜的干涉仪，所述反射镜具有回射器的形式，例如由[6]中已知回射器。经调制的红外光通过干涉仪的输出孔3离开干涉仪1并借助于第一光学装置聚焦到样品位置15中的样品上，并由此照亮样品的一个区域。

在辐射源2和第一光学装置之间延伸的红外光束称为“输入光束”。在当前示例中，通过反射镜4使输入光束准直，并且在干涉仪1中以及在从干涉仪1中射出后作为准直的输入光束26延伸。

在图1a中所示的红外显微镜可以以透射方式和以反射方式使用。为此，可以在透射和反射之间切换红外线的光路。

在反射模式(IR-R)下，第一光学装置包括物镜16(在此：具有两个球面反射镜16a和16b的卡塞格林物镜)和反射镜9、10b、11b、12b和13b。反射镜9、10b、11b、12b和13b将由干涉仪1调制的红外光导入物镜16中，该物镜将红外光聚焦到样品位置15上并且照亮样品的一个区域。

在透射模式(IR-T)下，第一光学装置包括另一个物镜14以及反射镜9、10a、11a、12a和13a。反射镜9、10a、11a、12a和13a将从干涉仪射出的光导入所述另一个物镜14中，所述另一个物镜将红外光聚焦到样品位置15上并照亮样品的一个区域。所述另一个物镜14同样可以设计成具有两个球面反射镜14a和14b的卡塞格林物镜。

也可以在设置成仅用于透射式测量(在这种情况下，没有用b标注的组件)或设置成仅用于反射式测量(在这种情况下，没有用a标注的组件)的红外显微镜中实现本发明。

来自样品的(反射或透射的)光借助于第二光学装置成像到红外探测器19上。为此，第二光学装置包括物镜16和中间光学器件18。物镜16将来自样品的光成像到第一中间图像平面17上。在中间图像平面17中可以引入视场光阑(Feldblende)，所述视场光阑仅允许来自样品位置15的选定区域的光通过，并由此使得可以选择出样品上要检测的区域。

然后，中间光学器件18将第一中间图像平面17成像到红外探测器19上。红外探测器19优选是具有红外传感器19a的二维探测器，其在红外传感器19a的传感器平面中具有多个探测器元(像素)。备选地也可以使用行探测器，在行探测器中，传感器元件沿直线设置。在理想情况下，红外传感器19a是受冷却的，以便保持探测器元件中的热激发尽可能小。在所示示例中，红外传感器19a安装到同样受冷却的探测器壳体19c中。要分析的光通过探测器19的受冷却的探测器光阑19b入射到探测器壳体19c中并在传感器19a上产生样品位置15的图像。

探测器光阑19b的尺寸和位置确定了，辐射可以从哪个区域到达探测器19的传感器19a；就是说，所述尺寸和位置确定了探测器19的视场。

红外光束由有效限制的元件8限制。这里，所述元件可以是(例如干涉仪的)光学元件。根据本发明，有效地限制光束的元件8位于准直的输入光束26中并限定光阑平面27。限制光束的元件8的开口/孔径(在光阑的情况下)或有效孔径(在弯曲反射镜的情况下)决定了输入光束在光阑平面27中的横截面。在图1a中，输出孔3形成有效地限制光束的元件8。

图1b示出根据本发明的红外显微镜的另一个实施形式，其中，确定准直的输入光束的起点并因此位于准直的输入光束中的起准直作用的反射镜4是所述有效地限制光束的元件8；就是说，在图1b中所示的情况下，在干涉仪1的输出孔3处不再发生光束限制。

此外，有效地限制光束的元件8例如也可以由所述固定的反射镜7、活动的反射镜5或分束器7定义或者也可以在干涉仪1外部位于干涉仪和第一光学装置(未示出)之间。

红外探测器探测到的信号的质量取决于利用由干涉仪射出的红外光对红外传感器的照明以及取决于到达传感器上的环境光。根据本发明，将探测器光阑19b成像到准直的输入光束26中的输入光束平面29上。下面说明图像质量、比值A1/A2以及探测器光阑的成像位置之间的关系：

图2a示出红外探测器19和中间光学器件18。经由中间光学器件18，(通过使样品平面或后面的中间图像平面成像)在红外传感器19a上生成样品的图像。在现有技术中，这样设计探测器光阑19b的尺寸和位置，即，仅允许来自探测器19前面的中间光学器件18的辐射锥穿过探测器光阑19b。

图2b示出，在输入光束在光阑平面中的横截面的图像(光阑平面图像25)与探测器光阑19b的尺寸和位置不一致的情况下，在中间光学器件18与红外显微镜的红外传感器19b的中央或与外部传感器元件之间红外辐射具有怎样的光束走势。在图2b的情况下，结果是，探测器光阑19b使到达边缘像素上的辐射发生渐晕，因为探测器光阑19b太小，以至于不能对于所有像素都接收全部来自光阑平面图像25出的红外辐射。来自光阑平面图像25的所有辐射也都源自准直的红外源。

图2c示出与在图2b中相同的情况，只是已经扩大了探测器光阑19b，使得来自光阑平面图像25并到达边缘像素的红外辐射不再发生渐晕。但扩大探测器光阑19b也是有缺点的，因为现在不是源自光阑平面图像25并且由此不是源自准直的红外源的红外辐射也能到达像素上。现在，源于周围环境的无法使用的红外辐射也会到达探测器上。

图2d示出了这种情况。只有内部的白色锥形的红外辐射30完全穿过光阑平面图像25并且因此是来自准直的红外源。在阴影区域31中的辐射不是来自准直的红外源，但尽管如此仍然到达传感器19a。

图2c和图2d示出，只要光阑平面图像25与探测器光阑19a不重合，对于探测器光阑19b就不存在最佳尺寸。

图2e示出这样的情况，其中，光阑平面图像25与探测器光阑19a重合。在这种情况下，只有源自准直的红外源并由此穿过光阑平面图像25的光到达探测器。同时，对于传感器13a上的所有像素，来自准直红外源的经调制的红外光都没有发生渐晕。

就是说，为了在没有渐晕并且同时抑制环境光的情况下获得最佳照明，光阑平面图像必须与探测器光阑一致。反而言之，必须这样来对中间光学器件和对探测器光阑的尺寸进行适配调整，使得探测器光阑的图像与在光阑平面上的输入光束的横截面相一致。

在3a中用图线示出由红外探测器探测到的总信号、有效信号和环境信号与探测器光阑开口在输入光束平面中的图像的面积A1和准直的红外输入光束在输入光束平面中的横截面面积A2的比值的相关性。在最佳设置时必须注意的是，不要使探测器饱和。因此，在理想情况下有效信号与总信号的比值应尽可能高。然而，在0≤A1/A2≤1的范围内，有效信号与总信号的比值恒定等于1。但是，如果绝对有效信号较高，则同样是有利的。因此，图3b作为A1/A2的函数示出有效信号与总信号的比值乘以有效信号(的乘积)。可以清楚地看到，对于比值A1/A2＝1，有效信号与总信号的比值乘以有效信号是最大的，在较小比值A1/A2<1时的下降归因于由于探测器光阑相对于要成像的光束横截面较小而出现的遮暗，在较大比值A1/A2>1时的下降归因于来自周围环境的散射光(环境信号)的影响。

根据本发明，探测器光阑19b通过第一和第二光学装置成像到位于准直的输入光束中的输入光束平面上，并且是这样成像，即，使得探测器光阑19b在输入光束平面中的图像的面积A1最大与准直的输入光束在输入光束平面中的横截面的面积一样大。由此避免了环境光进入探测器19。就是说，根据本发明，探测器光阑19b的开口与准直的输入光束在输入平面中的光束横截面相匹配。在理想情况下，使探测器光阑19b成像到光阑平面上(即到有效地限制光束的元件8上)。就是说，光阑平面和输入光束平面在这种情况下相重合。相反，这意味着，使限制光束的元件8的开口以及由此还有准直的输入光束在光阑平面中的光束横截面成像到探测器光阑19b上(此时，光阑平面图像25位于探测器光阑19b的平面中)，如图2e示出的那样。探测器光阑19b、第二光学装置16、18和有效地限制光束的元件8然后可以与输入光束的散度无关地彼此匹配，从而输入光束以希望的横截面进入探测器19。结合如下条件，即，的探测器光阑19b的开口在输入光束平面中的图像的面积A1小于或等于准直的红外输入光束26在输入光束平面中的横截面的面积A2，确保了只有准直的输入光束26的红外光能够通过探测器光阑19b。在图2e中所示的示例中有A1＝A2，从而输入光束平面的红外光束的全部光到达红外传感器19a。

根据本发明，只要输入光束平面29和光阑平面27都位于准直的输入光束26中并且满足条件A1≤A2，输入光束平面29和光阑平面27不一定必须一致。由于输入光束26的横截面在准直的区域中没有或仅略微变化，在根据本发明的装置中总是将这样的光束横截面成像到探测器光阑19b上，所述光束横截面与在光阑平面27中的光束横截面相同或几乎相同，从而将在限制光束的元件的位置处存在的光束横截面大致上假定为输入光束平面27中的光束横截面并且可以将其用于确定探测器光阑19b的尺寸。因此在准直的输入光束26的内部可以较为自由地选择限制光束的元件8的定位，而不会实质性地影响测量的质量。这还简化了中间光学器件18的设计。但同时，例如如果使用光强很大的在没有遮暗的情况下使得红外传感器19a饱和并使得测量因此不可用的光源2(例如，量子级联激光器)，也存在通过选择探测器光阑19b的开口与光束限制结构的比值来实现希望的遮暗的可能性。

因此，根据本发明的装置在光束限制的类型和定位方面提供了高度的灵活性，同时具有最大的光输出并使干扰影响的最小化。

对于中间光学器件18的设计，尤其是中间光学器件18的有效焦距f是重要的。所述有效焦距取决于探测器光阑19b和红外传感器19a之间的距离d以及取决于输入光束平面的图像28(该图像通过第一光学装置和通过第二光学装置的物镜16产生)与样品在中间图像平面17中的图像之间的距离x，该图像通过第二光学装置的物镜16产生(图4)：

从而一方面使设置在样品位置15中的样品成像到红外传感器19a上，并且另一方面使位于准直的输入光束中的输入光束平面成像到探测器光阑19b上。

图5示出，例如可以如何设计中间光学器件18。中间光学器件18这里包括符合Offner形式[5]的1倍物镜，所述物镜通过两个球面反射镜18a和18b产生中间图像平面17的无像散成像18d。平面反射镜18c仅用于光束转向。根据Offner的1倍物镜用于在显微镜中这样的位置处产生样品的图像，在这个位置的周围存在足够的空间用于有冷却的面式探测器19。红外探测器19通常通过带有液氮的杜瓦瓶冷却。备选的系统例如具有斯特林冷却器，用于在传感器元件上产生所需的低温。所有这些探测器都需要较大的空间。此外，在使用杜瓦瓶的情况下，用于液氮的填充口必须是从外部可接近的。除了样品18d的图像以外，按照Offner形式的1倍物镜还产生输入光束平面29的图像18g。具有用于光束转向的平面反射镜18e和反射镜18f的下游的光学器件可以这样进行配置，即，使得在探测器19的传感器19a上生成样品图像18d的图像并且同时向探测器19的冷光阑19b上生成输入光束平面图像18g的图像。为此，首先通过上述等式

来确定反射镜18f的焦距f。由于反射镜18f进行离轴成像，一方面有利的是，保持偏转角尽可能小，另一方面，使用具有焦距为f和f'的超环面反射镜代替具有已确定的焦距f的球形反射镜对于图像质量是有利的。可以由f和偏转角确定f'。因此还可以较为容易地在其形状方面对所述超环面反射镜进行更改。这里可以通过射线跟踪程序(例如Zemax)确定最佳的表面形状，这种表面形状导致在探测器的传感器上获得最佳的图像质量。这样，反射镜18f的表面就略微不同于理想的环面形状，出现了类似环面的反射镜。来自反射镜18f的光穿过探测器的窗口19d，在探测器光阑19b上产生输入光束平面29的图像并且在探测器19的传感器19a上产生样品的图像。

参考文献

[1]US 7,440,095

[2]DE 10 2012 200 851B3

[3]US 7,378,657 B2

[4]Bruker Optik GmbH

“HYPERION Series:FTIR Microscopes”[5]DE 2 230 002C2

[6]DE 19 704 598C1

附图标记列表

1 红外光源/干涉仪

2 辐射源

3 干涉仪1的输出孔

4 干涉仪1的反射镜

5 干涉仪1的活动的反射镜

6 干涉仪1的固定的反射镜

7 干涉仪1的分束器

8 有效地限制光束的元件

9 反射镜

10a 用于透射式测量的反射镜

10b 用于反射式测量的反射镜

11a 用于透射式测量的反射镜

11b 用于反射式测量的反射镜

12a 用于透射式测量的光学元件

12b 用于反射式测量的光学元件

13a 用于透射式测量的光学元件

13b 光学分束器

14 聚光器/另外的物镜

15 样品位置

16 物镜

17 第一中间图像平面

18 中间光学器件

18a、18b Offner物镜/球形反射镜

18c 平面反射镜

18d 样品在中间光学器件18中的图像

18e 平面反射镜

18f 反射镜

18g 样品在中间光学器件18中的输入光束平面中的图像

19 红外探测器

19a 红外传感器

19b 探测器光阑

19c 探测器壳体

20 用于透射式测量的可见光源

20b 用于反射式测量的可见光源

21a 用于透射式测量的光学元件

21b 用于反射式测量的光学元件

22 双色镜

23 成像光学器件

24 CCD相机

25 光阑平面的图像

26 准直的输入光束

27 光阑平面

28 输入光束平面在中间光学器件18前的图像

29 输入光束平面

Claims (11)

1.红外显微镜，其具有

用于产生准直的红外输入光束(26)的红外光源(1)，

在准直的输入光束中在光阑平面(27)中有效地限制光束的元件(8)用于容纳样品的样品位置(15)，

带有红外传感器(19a)的红外探测器(19)，

设置在红外传感器(19a)前面的探测器光阑(19b)，所述探测器光阑带有探测器光阑开口，

用于使由红外光源(1)发出的准直的红外输入光束(26)聚焦到样品位置(15)上的第一光学装置，和

用于使样品位置(15)成像到红外传感器(19a)上的第二光学装置，所述第二光学装置包括物镜(16)和中间光学器件(18)，

其特征在于，

所述有效地限制光束的元件(8)在进入第一光学装置之前处于准直的红外输入光束(26)中，并且

所述第一光学装置和第二光学装置使探测器光阑(19b)的探测器光阑开口成像到输入光束平面中，对于探测器光阑开口在输入光束平面中的图像的面积A1和准直的红外输入光束(26)在输入光束平面中的横截面的面积A2适用：

0<A1/A2≤1。

2.根据权利要求1所述的红外显微镜，其特征在于，所述第一光学装置包括另一个用于将红外输入光束聚焦到样品位置上的物镜(14)。

3.根据权利要求1所述的红外显微镜，其特征在于，所述第一光学装置包括设置成用于将红外输入光束(26)聚焦到样品位置(15)上的所述物镜(16)和包括光学分束器(13b)，所述光学分束器设置成用于使来自红外光源(1)的红外输入光束(26)入射到物镜(16)中。

4.根据权利要求1至3之一所述的红外显微镜，其特征在于，所述探测器光阑(19b)和红外传感器(19a)位于共同的探测器壳体(19c)内并且设置成相互隔开距离d，所述距离d最大为50mm。

5.根据权利要求1至3之一所述的红外显微镜，其特征在于，所述中间光学器件(18)具有有效焦距f，对于所述有效焦距适用：

f：所述中间光学器件的有效焦距，

x：输入光束平面的通过第一光学装置和通过第二光学装置的物镜(16)产生的图像与样品通过第二光学装置的物镜(16)产生的图像之间的距离，

d：探测器光阑(19b)与红外传感器(19a)之间的距离，

m：中间光学元件(18)的放大系数。

6.根据权利要求5所述的红外显微镜，其特征在于，所述中间光学器件(18)的放大系数m为1。

7.根据权利要求1至3之一所述的红外显微镜，其特征在于，所述有效地限制光束的元件(8)是红外光源(1)的输出孔(3)。

8.根据权利要求1至3之一所述的红外显微镜，其特征在于，所述有效地限制光束的元件(8)和输入光束平面设置在准直的红外光源(1)内。

9.根据权利要求1至3之一所述的红外显微镜，其特征在于，所述输入光束平面是光阑平面(27)。

10.根据权利要求1至3之一所述的红外显微镜，其特征在于，所述中间光学器件(18)包括Offner物镜(18a、18b)。

11.根据权利要求1至3之一所述的红外显微镜，其特征在于，所述红外光源包括干涉仪、量子级联激光器或傅立叶红外光谱仪。

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