專(zhuān)利名稱(chēng)：用于使顯微鏡物鏡對(duì)焦于樣品的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于使顯微鏡物鏡對(duì)焦于樣品的裝置，該裝置包括定位單元，其具有主體、可移動(dòng)地支撐于該主體并適于保持該顯微鏡物鏡的物鏡保持器、以及用于使該物鏡保持器沿著該顯微鏡物鏡的光軸移動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在高分辨率光學(xué)顯微技術(shù)中，使顯微鏡物鏡在成像光路中保持在一個(gè)穩(wěn)定而且精確的位置是特別重要的。例如，現(xiàn)代光學(xué)顯微方法中要達(dá)到的空間分辨率希望在側(cè)向、也即垂直于顯微鏡物鏡的光軸方向低于50nm。因此，對(duì)于樣品和顯微鏡物鏡之間的非人為故意的相對(duì)側(cè)向位移——其可能例如因溫度波動(dòng)而引起——要盡可能地避免。這對(duì)于許多其中使用幾分鐘的成像時(shí)間的方法尤其如此，在該時(shí)間內(nèi)，甚至顯微鏡物鏡沿垂直于光軸的最輕微的位移都將會(huì)產(chǎn)生圖像偏差，從而導(dǎo)致側(cè)向分辨率相應(yīng)的降低。此外，在前述類(lèi)型的光學(xué)顯微方法中，顯微鏡物鏡必須以特別高的精度對(duì)焦于樣品。顯微鏡物鏡沿光軸的行程典型地處于大約100 μ m這個(gè)數(shù)量級(jí)之下。在顯微鏡中使用的用以產(chǎn)生顯微鏡物鏡的對(duì)焦運(yùn)動(dòng)的定位單元中，越來(lái)越多地使用高精度MEMS裝置，其包括主體，可移動(dòng)地支撐于該主體的物鏡保持器，和用于使得該物鏡保持器、以及顯微鏡物鏡沿著光軸精確地移動(dòng)、以使顯微鏡物鏡對(duì)焦于樣品的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(例如壓電陶瓷)。常規(guī)的顯微鏡物鏡通常在其尾端也即遠(yuǎn)離樣品的那端形成螺紋。該螺紋用來(lái)例如將顯微鏡物鏡擰進(jìn)一個(gè)市場(chǎng)上可購(gòu)得的物鏡的鏡頭轉(zhuǎn)盤(pán)中。當(dāng)使用前述類(lèi)型的定位單元時(shí)，利用該顯微鏡螺紋將顯微鏡物鏡從其尾端擰進(jìn)物鏡保持器，很可能還要在這兩者之間使用一個(gè)合適的適配器?，F(xiàn)有技術(shù)中有多種已知的其它的方法來(lái)達(dá)到確保顯微鏡物鏡盡可能地保持在一個(gè)穩(wěn)定的位置并且高精度地對(duì)焦的目的。例如，美國(guó)專(zhuān)利US2002/0015225描述了一種顯微鏡，其中樣品保持器和對(duì)焦單元直接安裝在顯微鏡物鏡上。然而，這有一個(gè)缺點(diǎn)，就是不再可能輕易地改變顯微鏡物鏡。此外，對(duì)樣品的操作對(duì)對(duì)焦單元具有直接的影響，這可能損害對(duì)焦精度。歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)EP1418456A1描述了一種顯微鏡，其通過(guò)采用繞著光軸的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)設(shè)置以及使用熱膨脹系數(shù)互相適配的光學(xué)元件來(lái)防止顯微鏡物鏡在垂直于光軸方向上出現(xiàn)不想要的位置偏離。世界專(zhuān)利申請(qǐng)W02006/056178A1公開(kāi)了一種顯微鏡物鏡，該物鏡通過(guò)導(dǎo)向套管 (guide sleeve)而與載物臺(tái)成為一體。然而，這在增加了沿光軸方向的穩(wěn)定性的同時(shí)，位于導(dǎo)向套管內(nèi)的顯微鏡物鏡在垂直于光軸方向上卻存在不可忽略的移動(dòng)(Play)。美國(guó)專(zhuān)利US6，731，327B1描述了一種用于使顯微鏡物鏡沿著光軸移動(dòng)的定位單元。該定位單元具有一個(gè)用于額外地將顯微鏡物鏡穩(wěn)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(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。從德國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)DE19949044A1可知一種使用雙平行彈簧部件獲得顯微鏡物鏡的精細(xì)定位的裝置。該雙平行彈簧元件在顯微鏡物鏡的遠(yuǎn)離樣品的那一端起作用，結(jié)果，顯微鏡物鏡另外那個(gè)正對(duì)著樣品的自由端可能發(fā)生一個(gè)不能忽視的傾斜，這導(dǎo)致不希望出現(xiàn)的圖像偏移以及空間分辨率的相應(yīng)的降低。從US2009/(^84853A1可知一種對(duì)焦裝置，其包括一對(duì)葉簧(leaf spring)，每一個(gè)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(guò)設(shè)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(guò)采用該保持器能夠選擇性地使得多個(gè)物鏡中的每一個(gè)都進(jìn)入顯微鏡光路中。這些個(gè)物鏡分別都具有一個(gè)在同樣的高度沿著光軸布置的接觸面，該接觸面與一個(gè)對(duì)應(yīng)的固定接觸面相接觸，因此這些物鏡之間獲得了齊焦性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種能以盡可能高的空間分辨率使顯微鏡物鏡精確對(duì)焦于樣品的裝置。根據(jù)本發(fā)明，該目的通過(guò)權(quán)利要求1的請(qǐng)求保護(hù)的主題來(lái)實(shí)現(xiàn)。因而，與將顯微鏡物鏡保持在尾端也即遠(yuǎn)離樣品的那端(并且通常是通過(guò)該端部所提供的螺紋)的常規(guī)系統(tǒng)相比，本發(fā)明的一個(gè)特點(diǎn)是顯微鏡物鏡保持在面對(duì)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?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)，將物鏡穩(wěn)定在其前端——如本發(fā)明所提出的，在其達(dá)到最高可能等級(jí)的橫向分辨率時(shí)，具有優(yōu)于將其穩(wěn)定在其尾端的常規(guī)方法的優(yōu)點(diǎn)。在顯微鏡物鏡中，總有一個(gè)與光軸垂直的傾斜容差平面，在該平面內(nèi)，垂直于光軸的顯微鏡物鏡的傾斜至少在第一近似內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生圖像偏差。這個(gè)平面與物鏡光學(xué)系統(tǒng)的第一主平面重合。該平面的準(zhǔn)確的位置取決于顯微鏡物鏡的具體設(shè)計(jì)，特別取決于物鏡中透鏡的具體布置和數(shù)量。然而，對(duì)于用在高分辨率顯微術(shù)中的、具有幾十毫米(通常大約從45 到65mm)的總長(zhǎng)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(shuō)，傾斜容差平面位于物鏡的前部，該前部面對(duì)著樣品。這個(gè)前部包含上面提及的、從樣品看過(guò)來(lái)構(gòu)成第一透鏡的、面對(duì)著樣品的前透鏡。因此，在本發(fā)明的具體實(shí)施中，為了顯著提高橫向分辨率，在給定的條件下，物鏡保持器與顯微鏡物鏡嚙合得盡可能靠前，這在所有情況下都是足夠的。定位單元具有一個(gè)或者多個(gè)杠桿臂(lever arm)，杠桿臂每個(gè)都在其一端經(jīng)由第一彎曲梁(flexure bearing)耦合到主體，并在其另一端經(jīng)由第二彎曲梁耦合到物鏡保持器。在這個(gè)實(shí)施例中，定位單元是一個(gè)單片元件，其剛性部分由主體和物鏡保持器構(gòu)成，并且彼此之間通過(guò)彎曲梁可以相對(duì)移動(dòng)。彎曲梁每個(gè)都由該元件的一部分構(gòu)成，這部分相對(duì)于相鄰的部分具有減小的抗彎性能。這個(gè)減小的抗彎性能可以通過(guò)例如使構(gòu)成該元件的材料的橫截面局部減小的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，設(shè)置有互相平行的兩個(gè)杠桿臂，它們連同主體和物鏡保持器一起，形成一個(gè)平行四邊形設(shè)置。這種平行四邊形設(shè)置使得物鏡保持器能夠在垂直于光軸上的不希望出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)非常少量同時(shí)實(shí)現(xiàn)沿光軸方向精確的定位運(yùn)動(dòng)。為此提供該執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其施力于杠桿臂，從而產(chǎn)生該平行四邊形設(shè)置的受控運(yùn)動(dòng)。
將定位單元的主體結(jié)合到載置樣品的載物臺(tái)上。在這個(gè)實(shí)施例中，顯微鏡物鏡的前部——其面對(duì)著樣品——經(jīng)由定位單元與放置在載物臺(tái)上的樣品耦合。有利的是，這在顯微鏡物鏡和樣品之間產(chǎn)生一個(gè)短的耦合距離，這避免了在顯微鏡物鏡和樣品之間出現(xiàn)過(guò)度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，特別是因溫度改變而弓I起的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個(gè)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(dòng)。優(yōu)選的是，物鏡保持器包括一個(gè)具有內(nèi)螺紋的圓環(huán)(ring)，并且顯微鏡物鏡在其面對(duì)著樣品的前部具有外螺紋，圓環(huán)的內(nèi)螺紋擰進(jìn)所述外螺紋。這種用于顯微鏡物鏡的保持布置——其相對(duì)于光軸為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)——進(jìn)一步減小了垂直于光軸方向上的偏移。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，其提供了一種根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有用于對(duì)焦顯微鏡物鏡的裝置的顯微鏡。


圖1示出了作為本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施例的高分辨率光學(xué)顯微鏡。
具體實(shí)施例方式下面將參照一個(gè)示例性實(shí)施例來(lái)具體描述本發(fā)明。唯一的這幅圖示出了作為本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施例的高分辨率光學(xué)顯微鏡。圖中用10大致標(biāo)出的光學(xué)顯微鏡包括一個(gè)倒置工作臺(tái)12，在該工作臺(tái)12上放置有一個(gè)具有貫通的開(kāi)口 16的載物臺(tái)14。在載物臺(tái)14上以覆蓋開(kāi)口 16的方式放置樣品18。 將定位單元20結(jié)合到載物臺(tái)14的下側(cè)。定位單元20包括主體22和可移動(dòng)地支撐于主體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(zhí)行機(jī)構(gòu)27能夠使得物鏡保持器M沿著光軸0移動(dòng)，從而最終使得物鏡沈沿著光軸 0移動(dòng)，以使其對(duì)焦于樣品18。執(zhí)行機(jī)構(gòu)27連接到控制單元四。所述控制單元的控制信號(hào)用來(lái)產(chǎn)生執(zhí)行機(jī)構(gòu)27的運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)相應(yīng)地使物鏡保持器M移動(dòng)。在這個(gè)示例性實(shí)施例中，控制單元四位于工作臺(tái)12的外部。然而，它也可以整合到工作臺(tái)12內(nèi)。下面首先詳細(xì)地描述定位單元20。物鏡保持器M通過(guò)杠桿臂28和30可移動(dòng)地支撐于主體22。在這個(gè)示例性實(shí)施例中，定位單元20是一個(gè)單片元件，它的構(gòu)成部件，也即主體22、物鏡保持器M以及杠桿臂 28和30，可以彼此相對(duì)移動(dòng)，并且通過(guò)形成于該材料內(nèi)的腔32互相分隔開(kāi)。腔32設(shè)置在定位單元20內(nèi)，以使在杠桿臂觀和30的縱向端部區(qū)域內(nèi)，構(gòu)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(jiàn)，在圖中僅僅用附圖標(biāo)記34標(biāo)出了一個(gè)彎曲梁。由于有前述局部橫截面縮小的部分，彎曲梁34在平行于光軸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?yàn)榭箯澬阅艿臏p小，彎曲梁34使得物鏡保持器M能夠通過(guò)杠桿臂28和30而相對(duì)于主體22沿著光軸0移動(dòng)。因而，物鏡保持器對(duì)、主體22以及兩個(gè)杠桿臂28和30 —起形成平行四邊形類(lèi)型(parallelogram-type)的設(shè)置。 該平行四邊形的固定的底部由主體22提供，同時(shí)其余的三條可移動(dòng)邊由物鏡保持器M和兩個(gè)杠桿臂觀和30形成。在這種連接中，應(yīng)該注意的是，物鏡保持器M沿著光軸0的定位運(yùn)動(dòng) (positioning movement)的量不大于大約100 μ m。以這種非常小的定位運(yùn)動(dòng)，物鏡保持器 M在垂直于光軸0方向的非人為故意的運(yùn)動(dòng)——其因上述平行四邊形設(shè)置而引起——是一個(gè)可忽略的量。物鏡保持器M由沿著平行于光軸0延伸的細(xì)長(zhǎng)部40以及從細(xì)長(zhǎng)部40在垂直于光軸0的方向上延伸出去的圓環(huán)42形成。圓環(huán)42具有內(nèi)螺紋44，內(nèi)螺紋44相對(duì)于光軸0 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)。該內(nèi)螺紋44與形成于顯微鏡物鏡沈的環(huán)形套圈48 (annular collar)上的外螺紋46形成螺紋嚙合。環(huán)形套圈48設(shè)置在顯微鏡物鏡沈的面對(duì)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(shí)施例中，顯微鏡物鏡沈保持在緊鄰直接面對(duì)樣品18的物鏡透鏡的位置。在圖中，這個(gè)透鏡——也稱(chēng)為“前透鏡”——用附圖標(biāo)記50來(lái)標(biāo)注。當(dāng)然，顯微鏡物鏡沈包括其它的透鏡，在圖中示意性地標(biāo)記為附圖標(biāo)記52和M。與常規(guī)的物鏡一樣，顯微鏡物鏡沈也在其尾端、也即遠(yuǎn)離樣品18的端部具有物鏡螺紋56。物鏡螺紋56用于例如制造過(guò)程中的調(diào)節(jié)。光學(xué)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(lái)自光源 60的熒光激發(fā)光穿過(guò)透鏡62和64，并經(jīng)沿著光軸0的二向色鏡66反射后進(jìn)入物鏡26。來(lái)自樣品18的熒光穿過(guò)顯微鏡物鏡沈的前透鏡50以及另外的透鏡52和M到達(dá)半透明鏡 66，半透明鏡66允許熒光朝向另一透鏡68穿過(guò)。穿過(guò)透鏡68的熒光最終經(jīng)鏡子70反射進(jìn)連接到工作臺(tái)12的照相機(jī)72。容易理解，前述實(shí)施例僅是出于解釋的目的。例如，也可以使用不是設(shè)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(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的彈簧裝置，以使顯微鏡物鏡26沿著光軸0移動(dòng)并由此將其對(duì)焦。又，物鏡保持器M可以采用別的方式耦合到顯微鏡物鏡沈，而不是通過(guò)圖中所示的兩個(gè)嚙合螺紋44和46。對(duì)本發(fā)明而言必要的是顯微鏡物鏡沈在其面對(duì)著樣品18的前
部被保持。
附圖標(biāo)記列表
10光學(xué)顯微鏡
12工作臺(tái)
14載物臺(tái)
16開(kāi)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(zhí)行機(jī)構(gòu)
28杠桿臂
29控制單元
30杠桿臂
32腔
34彎曲梁
40細(xì)長(zhǎng)部
42圓環(huán)
44內(nèi)螺紋
46外螺紋
48環(huán)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(jī)
權(quán)利要求
1.一種用于使顯微鏡物鏡06)對(duì)焦于樣品(18)的裝置，包括定位單元(20)，具有主體(22)、可移動(dòng)地支撐于該主體0 并適于保持該顯微鏡物鏡 (26)的物鏡保持器(M)、以及用于使物鏡保持器04)沿著顯微鏡物鏡06)的光軸(0)移動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、2T),其中該物鏡保持器04)僅僅在該顯微鏡物鏡06)的面對(duì)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(gè)或者多個(gè)杠桿臂08，30)，每個(gè)杠桿臂在其一端經(jīng)由第一彎曲梁(34)耦合到該主體(22)，并在其另一端經(jīng)由第二彎曲梁(34)耦合到該物鏡保持器(M)，并且其中該定位單元OO)的該主體02)結(jié)合到其中載有該樣品(18)的載物臺(tái)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，相互平行布置的兩個(gè)杠桿臂( ，30)連同該主體0 和該物鏡保持器 (24) 一起形成一個(gè)平行四邊形設(shè)置。
3.如在先權(quán)利要求之一所述的裝置，其中該執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(quán)利要求之一所述的裝置，其中該物鏡保持器04)包括帶有內(nèi)螺紋G4)的圓環(huán)(42)，并且該顯微鏡物鏡06)在其面對(duì)著該樣品的前部具有外螺紋(46)，該圓環(huán)0 的該內(nèi)螺紋G4)旋到所述外螺紋上。
5.如在先權(quán)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(zhǎng)度是在45到65mm范圍內(nèi)；該顯微鏡物鏡06)被保持且面對(duì)著該樣品(18)的該前部具有沿著該光軸(0)的2到 IOmm范圍內(nèi)的長(zhǎng)度；并且該顯微鏡物鏡06)的焦距是在2到4mm范圍內(nèi)。
6.一種顯微鏡(10)，具有根據(jù)在先權(quán)利要求之一的用于使顯微鏡物鏡06)對(duì)焦于樣品(18)的裝置。
全文摘要
公開(kāi)了一種用于使顯微鏡物鏡(26)對(duì)焦于樣品(18)的裝置。該裝置包括一個(gè)定位單元(20)，其具有主體(22)、可移動(dòng)地支撐于該主體(22)并適于保持該顯微鏡物鏡(26)的物鏡保持器(24)、以及用于使物鏡保持器(24)沿著顯微鏡物鏡(26)的光軸(O)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(27)。該物鏡保持器(24)保持該顯微鏡物鏡(26)的面對(duì)著該樣品(18)的前部。
文檔編號(hào)G02B21/00GK102540440SQ20111037642
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月26日
發(fā)明者M·甘瑟 申請(qǐng)人:徠卡顯微系統(tǒng)復(fù)合顯微鏡有限公司