用于衰减全内反射(atr)光谱仪的附件的制作方法

专利名称：用于衰减全内反射(atr)光谱仪的附件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用衰减全内反射(ATR)的光镨仪。
背景技术：
ATR是一种用于FT-IR光谱仪之类的光镨仪中的技术，以便从那 些难以通过透射或反射等其他方式来分析的样品中获得光镨测量。典 型地，用于执行ATR测量的装置包括提供波长辨别的光镨仪、用于将 光直射到样品上的照明系统、提供样品平面的ATR镜片、和接收已经 与样品交互作用的光的收集/探测系统。ATR镜片以一定的方式布置， 以便通过全内反射现象的方式反射来自指定样品平面的所有入射光。 与样品相关的光i普信息从样品与紧接着反射表面外部而存在的消失电 场的交互作用中获取。从该场的能量的吸收减弱了反射，并在光束上 印上了光语信息。
可以基于这些原理，通过布置将样品区域照明并通过布置收集系 统以获取成像属性，来构建成像ATR系统。从样品的空间差别区域返 回的光被收集到探测器上或诸如一维或二维探测器阵列的探测器阵列 上，由此收集到光傳信息，其能够编译进样品的光谱图像中。
成像ATR系统能够以诸如Perkin Elmer Spotlight显微镜的反射 显微镜形式构建。在这种配置中，通过成像光学镜片就将光引导至反 射样品上并从该反射样品来收集。用于该系统的ATR光学镜片能够方 便地包括由诸如锗的高折射率材料制成的半球状平凸透镜。所述光学 镜片被布置为使得凸球状表面被引导朝向显微镜光学镜片，而其曲率 中心被布置为与成像系统的焦平面重合。所述样品被呈现到ATR的平 坦表面。
所述显微镜包括可移动载物台，该可移动载物台具有在处理器控 制下用于将载物台沿x、 y、 z方向移动的相关马达。使用小线性阵列 探测器并将载物台以及相随的晶体/样品组合物相对于显微镜的光轴 横向地物理移动，来执行成像。随着载物台被移动，探测器可探测到来自样品不同部分的图像，采用此方式能够累积一空间图像。
在这种类型的布置中存在许多要求和问题。样品的关注区域必须 通常在视觉上是可识别的，并且被大约放置在显微镜视场中心。这通
常意味着要取出ATR晶体，因为它通常由诸如锗等的对可见光不透明 的材料制成。
ATR晶体必须被放置为使它的样品接触面紧密接触样品。这在获 取焦点中的红外图像时会导致一些问题。当使晶体与样品接触时，样 品会移动。另外，晶体可能由于其形状而导致散焦。例如，如果晶体 的厚度并不与其曲面半径精确相同。因为晶体材料具有大约为4的高 折射率，这种效应被放大。因此小制造误差可变得明显。

发明内容
本发明涉及对ATR光谱系统布置的改进，意在克服上述和其他问题。
根据本发明第一方面，提供一种被布置来执行ATR测量的显微镜 的附件，所述附件包括能够安装在所述显微镜的可移动载物台上的支 撑件以及被承载在所述支撑件上的用于安装ATR晶体的安装构件，所 述安装构件被安装和布置在所述支撑件上，使其能够在一个其中被安 装在所述安装构件上的晶体与所述显微镜的光轴对准的位置与一个其 中所述晶体从所述光轴偏离开的位置之间移动。
所述安装构件可以包括细长臂，该细长臂可枢转地于一端处支撑 于第一引导销上，所述臂围绕所述销枢转，以允许所述安装构件的所 述移动。
所述臂的另一端具有开口，当所述安装构件位于其中所述晶体处 于所述光轴上的位置中时，所述开口接合一个被所述支撑构件承载的 第二销。
所述臂可以沿着所述第 一 引导销的轴线被提升，以使得所述另一 端移离所述第二引导销，以允许所述枢转运动。
一个制动机构可以被关联到所述臂的所述一端以及所述第一引导 销，当所述臂返回到其中所述晶体对准所述光轴的位置中时，所述制 动机构可操作地允许所述臂沿着所述第一引导销受控下降。所述制动机构包括环，该环被所述臂承载并且位于所述第一引导
销周围，所述环的内直径略大于所述第一引导销的内直径；偏置装置， 其可操作地偏置所述环，从而使所述环的圓周部分摩擦接合所述引导 销的表面部分；和可手动操作的装置，其可操作地作用到所述偏置装 置以减轻或释放所述摩擦接合并从而允许所述环相对于所述引导销轴 线移动。
所述安装构件以一种如下的方式被承载以使得能够检查所述晶体 的样品接合表面，例如检查晶体是否被损坏或被污染，所述方式为 使安装构件能够远离其安装状态并能够通过围绕其纵向轴线旋转而返 回。
本发明的这方面通过使用可移动的安装构件而使得被安装在这样 的显微镜载物台上的晶体能够被移开并接着精确且可再现地返回到其 原始位置。
根据本发明第二方面，提供一种被布置来执行ATR测量的显微镜 的附件，所述附件包括能够安装在所述显微镜的可移动载物台上的支 撑件；有ATR晶体安装在其中的安装构件，所述晶体具有样品接触区域; 以及被定位为使得其相对于样品接触区域固定的记录标记 (registration indicium)。晶体可具有与所述接触区域相对的大致半 球状的表面，并且所述记录标记可位于半球状表面的顶点区域处。标 记可包括在半球状表面上的平台或者在半球状表面上的标志。
根据本发明第三方面，提供一种操作设置有根据所述第二方面的 附件的显微镜的方法，所述显微镜包括用于控制可移动载物台的移动 的处理装置，以及所述处理装置已经在其中记录了涉及ATR晶体高度 的预定参数，所述方法包括最初移动显微镜的载物台以对记录标记聚 焦，并将载物台移动一由所述参数限定的预定竖直距离，以便对与所 述样品接触区域接触的样品聚焦。
根据本发明的第四方面，提供一种用于根据所述第二方面的显微 镜中或根据所述第三方面的方法中的校准ATR晶体的方法，所述方法 包括选择在显微镜光语范围内展现出强劲吸收并具有一个在与ATR晶 体接触时产生分明(sharp)的空间边缘的几何形状的测试样品，所述 方法包括使晶体的样品接触区域与测试样品接触，从而在晶体的初始竖直位置获得测试样品的红外图像，处理该图像以对所述边缘提取斜 率信息，针对晶体的不同竖直位置重复该过程，将展现最大斜率的位 置识别为最优竖直位置，并根据所述识别的最优位置推导针对所述晶 体的校准参数。
上述处理可包括，对于每个竖直位置，对所获得的图像进行光谱 过滤，以提取在测试样品强烈吸收的波长处的吸收的空间图。
所述方法可包括提取一横贯了所述波长下的所述吸收图的空间上
分明的形貌(feature)的横截面。
所述方法可包括对上述横截面进行微分以提取斜率数据，并对图 像中的 一 可识别形貌测量最大斜率。
测试样品可为塑性材料，例如#:凸印的聚合物，例如Vikuiti亮 度增强薄膜。
本发明的第二、第三和第四方面提供一种设备，其允许确定晶体 相对于显微镜的最优位置并且能够与晶体的制造公差相适应。它可以 将晶体定位于最优竖直位置，以便以与样品厚度无关的、可复制的方 式获得聚焦的红外图像。
根据本发明的第五方面，提供一种被布置来执行ATR测量的显微 镜的附件，所述附件包括能够安装在所述显微镜的可移动载物台上 的支撑件；被承载在所述支撑件上的用于安装ATR晶体的安装构件； 在ATR晶体的位置下方设置的样品支撑构件，所述样品支撑构件具有 其上可接收样品的表面；和压力施加装置，其设置于所述样品支撑构 件下方，用于沿所述晶体的方向将压力施加到所述样品支撑构件。
所述压力施加装置可包括球状构件，压力可通过该球状构件施加 到所述样品支撑构件。这就允许所述支撑构件可以有一有限的倾斜， 以便适应不规则样 品o
压力施加装置可包括弹簧偏置装置。
弹簧偏置装置可包括被弹簧朝向晶体推动的锁销(plunger)。 球状构件可为滚球轴承，并且所述锁销接触所述滚球轴承。 所述附件可包括齿条和耦接到所述锁销的小齿轮装置，所述齿条
可手动移动以影响小齿轮的转动，以此^f吏锁销轴向运动，从而施加或
释放被施加到样品支撑构件的压力。
7能够施加到样品支撑构件的压力是可调节的。
通过其而使压力施加装置发挥作用的样品支撑构件区域相对薄， 以确保压力施加点尽可能靠近晶体。
本发明的这方面提供一种简单有效的装置，用于确保样品被保持 与晶体的样品接触面进行良好接触。
根据本发明的第六方面，提供一种被布置来执行ATR测量的显微 镜的附件，所述附件包括可固定到显微镜的可移动载物台上的支撑件， 被所述支撑件承载用于安装ATR晶体的安装构件，以及布置在ATR晶 体位置下方的样品支撑构件，所述样品支撑构件限定样品接收表面， 所述样品支撑构件被承载在所述支撑件上，以致使该样品支撑构件可 相对于ATR晶体移动并限定一能够相对于显微镜的主载物台移动的副 载物台。
样品支撑构件可包括平坦上表面和侧表面，并且所述附件包括用 于调节样品支撑构件在支撑件上的位置的位置调节装置。
位置调节装置可包括一对螺钉，该对螺钉用于逆着偏压弹簧推动 所述构件。
螺钉可被定位为沿着正交方向作用，并且所述弹簧被布置为沿着 所述方向的平分线作用。
每个螺钉作用于其上的表面可相对经过晶体的轴线成一小角度， 从而使每个螺钉具有将样品支撑构件朝向所述支撑件移动的作用。
本发明这方面提供了副载物台，该副栽物台使样品位置可以被调 节，而不会影响显微镜的主载物台的任何先前设置。
可以理解的是，上文限定的本发明的各方面的特征可进行组合使用。


现在将仅具体参照附图通过示例来描述本发明。附图中
图l是图示公知的FT-IR显微镜的主要元件的示意性侧视图2是一个用于ATR显微镜的附件的示意性立体图，所述附件根据
本发明一实施方案构建；
图3是显示位于显微镜的可移动载物台中的所述附件的立体图；图4是沿图2的线Z-Z截取的截面图5是类似于图3的截面图，其显示显微镜中附件相对于卡塞格伦 物镜(objective cassegrain lens)的位置；和 图6是图4的一部分的放大截面图； 图7是所述附件的平面图； 图8是沿图7的线V-V截取的截面图； 图9是沿图7的线W-W截取的截面图；和 图10和11图示了一个结合了所述附件的成像显微镜的操作。
具体实施例方式
参照图1，该图示出FT-IR显微镜的主要元件，这些元件包括设置 在视/IR镜(view/IR mirror) 11的上方的光学显孩i:镜10, ^L/IR镜 11又设置在远孔12上方。位于远孔12下方的是透射/反射镜14,其 位于卡塞格伦物镜组件16和聚光器卡塞格伦组件18之上。在这两个 卡塞格伦组件之间布置有可移动载物台20，该可移动载物台限定用于 分析的样品的位置。位于聚光器卡塞格伦(condenser cassegrain assembly) 18下方的有平面镜22，其可引导来自耦合光学镜片24的 辐射，所述耦合光学镜片24又被配置为接收来自辐射源的辐射。这种 类型的显微镜可用于反射率和透射率测量。聚光器卡塞格伦18和平面 镜22主要用于透射率测量。为进行反射率测量，耦合光学镜片24被 倾斜以将辐射引导至透射/反射镜14，该透射/反射镜然后将辐射的大 部分向下引导穿过卡塞格伦物镜16而照射至样品上。辐射从样品反射 回来，穿过卡塞格伦物镜16。本发明的实施方案所涉及的是采用反射 模式。装置还包括探测器和卡塞格伦装置26,该卡塞格伦装置用于结 合未示出的IR光谱仪来执行光镨分析。此类装置的操作将为本领域技 术人员所知，当结合ATR晶体时，此类装置的操作的更多细节例如可 从EP-A-0730145和EP-A-0819932中得知。
本说明涉及一种可位于显微镜的可移动载物台20上以使得能够 执行ATR成像测量附件。参照附图中的图2-9,所述附件的一个实施 方案包括呈基板40形式的支撑件，其采用螺钉43连接到支架42。基 板40位于一个形成于显微镜的可移动栽物台20中的凹部22内。载物
9台20可在处理器控制下通过合适的马达沿x、 y、 z方向移动，如本领 域技术人员公知的。基板40通过附图中未示出的一些螺钉在凹部22 中固定就位。支架42提供了一种在将附件放置到载物台上时或者将附 件从载物台20取出时保持该附件的装置。
基板40的下表面在44处凹进，并且孔45延伸通过基板并与凹部 44连通。
基板40的上表面支撑一个砧座60，该砧座60包括一个样品支撑 件。砧座60在平面图上呈大致圆形，并且位于卡圈(collar) 62内 的圓形开口中。如图2可见，卡圏的外边缘呈大致正方形，并且卡圈 中的内圆形开口略大于砧座的外圆形表面，从而使砧座能够在卡圈的 界限内以 一有限程度移动。
砧座具有相对厚的环形侧壁63和相对薄的顶壁64。凹部65限定 在顶壁64和侧壁63之间。砧座的顶表面承载可移动板67，板的顶表 面65构成样品支撑表面。突出部66从壁62径向向外延伸以位于卡圈 的悬伸部下方。这种布置允许砧座进行小的竖直运动。
砧座采用两个可手动操作调节的螺钉70、 71和弹簧74在卡圈中 固定就位，调节螺钉70、 71朝向颈圉前部就位，弹簧74 (图4)设置 在卡圏背部。所述弹簧通过螺钉75固定就位。螺钉70、 71被布置为 使它们的轴线正交地朝砧座的轴线延伸，并且弹簧74被设计为沿着螺 钉轴线之间的角的平分线发挥作用。因此，通过手动操作螺钉70、 71， 可以使砧座在卡圏62的界限内运动。每个螺钉被布置为抵着砧座表面 作用，该表面与穿过砧座的轴线呈一小角度倾斜。弹簧74也被布置于 一小角度下发挥作用，并且这种布置确保了存在施加到砧座上的一个 小的竖直力，该力用于将砧座压向基板40。
上文所述的砧座装置构建了副载物台，该副载物台能够相对于显 微镜本身的可电子地移动的载物台20移动。
用于将压力施加于顶壁64下侧的压力施加机构80被设置在砧座 60下方。压力施加机构包括管状插入件81，该管状插入件带有内螺紋， 并且位于基板的孔45内。螺紋插入件81在其上端容纳一个设置在球 状引导件83内的滚球轴承82。滚球轴承通过弹簧84向上偏置，以接 触顶表面64的下侧，弹簧84通过顶帽(top-hat )锁销85推动球。该锁销85设置在锁销引导管86中，锁销引导管86通过螺紋旋入管状 插入件81中并向下延伸到凹部44中。弹簧通过螺钉89保持在引导件 86中，螺钉89可用于调节弹簧的预负载。
小齿轮90固定在引导管86的下端周围，并连接到螺钉。小齿轮 90通过中间齿轮92耦接到齿条(rack) 91，中间齿轮92可围绕轴93 旋转。所述齿条可通过图2所示的可手动操作的旋钮94纵向移动。当 齿条纵向移动时，这就导致小齿轮90旋转，并且这进而导致将引导管 保持处于管状插入件81内的弹簧锁销的对应旋转。根据齿条的移动方 向，保持引导管86的旋转提升或降低管86，从而使得要么通过球82 将一提升力施加到砧座或要么使砧座下降。
用于ATR晶体的安装件承载在砧座60上方。该安装件包括于其相 对的两端处得到支撑的纵长臂100。所述臂具有带有环形构造102的 第一端101，在环形构造102中设有一对衬套，并且该环形构造102 位于被承载在基板40上的引导销103上。所述臂也具有带孔105的中 央部分，孔105具有阶梯形侧部。所述孔包括用于如图4所示的ATR 晶体106的位置。
所述臂具有位于低于第一端的水平面的第二端108。第二端108 具有L形槽109，该L形槽可接纳一个被承载在基板40上的第二引导 销110。设置锁定螺钉lll以将臂IOO锁定就位于引导销上。
臂100的第一端101设置有一个结合引导销103进行操作的制动 机构。参照图9，环形构造102具有拼合内衬套150，该拼合内衬套带 有上和下部分151和152。刚性制动环153布置在衬套部分151和152 之间。制动环的内直径略大于引导环103的外直径。环153通常被弹 簧155偏置以接触销103，弹簧155被弹簧保持器和制动释放止挡机 构156固定就位于环形构造102中。在弹簧的直径相对处设置制动释 放按钮158,该制动释放按钮被受控地保持在环形构造102中。按钮 158的径向内端紧靠制动环153定位。当按钮158被压下时，环153 径向移动到其各部分都不接触销103的位置，从而释放制动作用。机 构156限制环153可移动的程度。
参照图8,环形构造102还包括与销103径向间隔开的轴向延伸 孔160。当臂100处于如图2所示的位置时，孔160接收被承载在基底40上的直立支撑销162。如果臂100沿着销103的轴线被提升从而 使孔160移除销162,则臂100就能够围绕引导销103转动而远离如 图2所示的位置。销162然后能够接触臂100的下侧，以将其保持在 提升位置。臂100能够被转回到如图2所示的位置，当销162和孔160 对准时，可以使臂降低到原来的位置。销162和孔160的布置与引导 销110在槽109中的位置相结合，确保了臂100处于正确且可再现的 位置，并因此确保了晶体106在显微镜的光轴上处于正确且可再现的 位置。
晶体106通常为半球状并且由锗制成。下表面通常呈浅锥形式， 并具有构成样品接触区域的平坦中央区域112。晶体106被结合在安 装环108内，安装环108被保持在臂100中的开口 105内。所述臂可 包括滑动防尘盖(未示出)，其在晶体不使用时覆盖该晶体。
使用中，相对于显微镜定位晶体，使样品接触区域112的中心基 本处于显微镜的焦点处。在ATR晶体用于ATR成像的情况下，晶体设 计的优化是重要的。有别于样品透射或反射成像，当执行ATR成像时， 需要更宽的照明范围。进一步，在包含扫描的成像系统的情况中，照 明在整个视场中可以适当地是不均勻的，因此如果想获得有效清晰图 案必须进行一些补偿。虽然这能够以软件实现，但由发明人所进行的 光学建模工作已经显示，晶体的曲率半径影响了照明的均匀度。已经
发现，对于给定的照明光学器件和探测器的布置存在优化半径，从而 在保持处理量的同时可以最小化整个指定图像区域的变化。这种技术 已经显示，6. 75mm的晶体半径对于附图中所示的布置而言是最优的。 通过使用辐射追踪技术结合已考虑极化效应的适当假设，可以获得该 图像。操作此程序所发现的是，对于ATR光学镜片上的小曲率半径， 从样品区域的中央所接收的能量高，但是从其他部分接收的能量相对 较低。样品的图像因此在空间上亮度非常不均匀，即使样品本身在空 间上均匀。随着ATR光学镜片的曲率半径被允许增大，整个样品区域 的信号的均匀度提高到这样一个程度，即来自中心和边缘的信号大致 相等。由此方式限定的照明均匀度可用作选择优化的曲率半径的度量。 如果允许进一步增大曲率半径，则从样品区域的所有点接收的总能量 典型地被看成，初始在某一特定曲率半径处增大超过一峰值，然后到一极大的半径时再次下降。出现峰值总能量处的半径可被选为相当于 上文中所指的设计优化值。
臂100以附图所示方式安装在引导销103、 110上，使得能够通过 将臂100向上提升而使该臂移离引导销。然后所述臂能够绕其纵轴反 转，并重新放到引导销上，以使得晶体的样品接触面最高。这使得能 够使用显微镜的视觉检查设备来检查晶体的样品接触面，从而允许对 其状况进行评估。引导销103、 110的布置还允许所述臂被提升然后围 绕销103枢转，以允许晶体移出显微镜的光学路径。这是能够发生的， 因为引导销110的顶部低于引导销103。在该位置处，臂100被销162 保持在其提升位置处。槽109允许通过将销IIO定位在槽109中而对 臂100进行精确的再定位。锁定螺钉允许所述臂锁定在选定高度处， 例如使晶体接触样 品o
另外，晶体106在半球状表面的顶点处i殳置有记录标记。该标记 可采用在半球状表面上形成的平台形式，或者在表面本身上做标记的 一些其他形式。如将要描述的，该记录标记用于在水平和竖直方向上 正确定位晶体。
记录标记不是必须得处于半球状表面的顶点，尽管这是最方便和 优选的位置。标记可处于附件上的任意位置，只要该位置相对于样品 接触区域12机械固定并且通过显微镜的观察系统可见。
如附图可见，臂100在其位于基板40上时需要朝向样品接收表面 下降。重要的是，控制这种运动以便避免损害特别是对于晶体的损害， 为此，附件设置有制动机构153、 155、 156、 158，它们位于包含引导 销103的结构120内。制动机构通常防止所述臂在重力下落下，并被 设置用来避免对晶体106造成无意损害。按钮158被手动操作以释放 制动，并使臂100可以下降。可释放制动机构的使用，使用户能够在 臂和引导销之间没有任何摩擦的情况下下降所述臂，从而使用户更能 控制下降操作。
优选设置在晶体106顶点处的记录标记用于将晶体与显微镜的光 轴对准，从而对任意的成像扫描提供一限定的起始位置。仪器软件设 有横向偏置参数，所述横向偏置参数允许ATR图像与可见光图像或者 与常规透射/反射图像精确对准。另外，该软件设有预校准的晶体高度
13参数，该参数限定晶体106和样品应该从初始位置提升的距离，以使得可以通过显微镜系统的红外部分对样品表面清晰聚焦。这是重要的，因为晶体106对可见光不透明，并且当晶体就位时不可能进行手动样品聚焦。
为了标记晶体位置，晶体106及其安装臂IOO位于副栽物台或砧座上方而无样品就位。提议所述仪器的用户使用可视相机聚焦于臂100上所说的起始点的这一点。这图示于附图中图10的120处。所述系统然后运行以在x、 y、 z坐标系中移动预定距离，到达作为基准或记录标记的晶体顶部中央。用户然后确认对中心的定位和聚焦是正确的，做出可能需要的任何小调整。所述系统然后将载物台坐标系原点(0， 0， 0 )设置为已确认位置。
晶体高度和聚焦设置的校准能够执行如下。在这方面，需要认识
到，晶体形状(曲率半径和厚度)中的小改变可引起所要求的聚焦设置的显著飘移。由于锗的折射率高，所以不能可视地确定焦点，因为晶体对于可见光不透明，以及它要求样品具有界限明显的空间结构以及可被ATR检测的强光语吸收带。发明人已经开发了一种新颖方法从而可确定优化的ATR聚焦设置。该方法使用优选包括一小段3mVikuiti BEF ll薄膜的测试样品。这是一种塑料片，该塑料片的表面微凸印有一组平行的三棱镜，每个棱镜具有90。顶角以及50或24微米的周期。所述材料通常被用来提高LCD显示面板的亮度。使ATR晶体接触棱镜结构，以使得顶点被接触压力压扁，从而导致形成一组平行的矩形接触区域，其间距与基本材料相同。每个区域具有分明的边缘。为了确定最优聚焦，在场中心周围获得了小的精细分辨率图像，并且提取了窄波段图像，该窄波段图像处于材料的光谱吸收的中心。该技术包括提取与边缘正交的吸收图横截面。通过检查所述横截面在接触边缘的斜率，估计聚焦度。在晶体的不同竖直位置处进行测量，并且斜率随着接近最优聚焦而增大，并且在离开最优聚焦时再次下降。可通过在一 系列于不同聚焦设置下进行的扫描之间进行插值来发现最优位置。应该注意到，样品薄膜的变形取决于接触压力，并且这可用作确定足量压力正在施加于样品的方法。
更为概括地来说，通过使用带有特别属性的测试样品并检查该样品的红外图像以获取空间分明度，实现晶体校准。晶体的竖直移位逐步改变，并且在每个步骤中记录图像分明度，以便确定最优位移。
该过禾呈包括
a) 在初始竖直位移处获得红外图像，该初始竖直移位通过找出于该处最大红外能量被传送穿过晶体的位置来估计。该位置可能并不同于最优聚焦位置。
b) 对所述图像进行光谱过滤以提取在样品吸收强烈的波长下的吸收的空间图。此为材料属性的函数。
c) 提取该波长下吸收图的 一横截面，该横截面穿过图像中的空间上分明的形貌一在当前情况下为聚合物和空气之间的边缘。
d) 对横截面进行数学微分以提取斜率信息，并且对图像中的一可识别形貌测量最大斜率。
e) 反复调节晶体位移，从而使给定形貌下的横截面的斜率最大化。获取最大斜率处的竖直晶体位置为样品图像处于最优聚焦处的位置。该值(相对于索引标记来测量)被记录为提供给用户的晶体高度参数。
f )任何新的/替换的晶体将具有新的校准值，用户必须将该校准值输入到仪器的控制软件。
原则上，测试样品可为具有能够提供空间分明的形貌的红外吸收的任意材料，该空间分明的形貌理想地比显微镜系统的预期空间分辨率要小。这通常表示那些分明的形貌的尺度约为3微米。
测试样品应为"ATR-可兼容" 一换句话说，它应该提供在ATR附件的光谦范围内的清晰光谙吸收，并且分明的形貌在被挤压而与样品表面紧密接触时必须继续存在，不会被抹掉或者平滑掉。
分明的形貌可包括被设计的精细结构，例如线，格子或网格，或替换性地在两种不同材料(其中一种材料可为呈空隙形式的空气)之间的分明的边缘。如果通过在均匀材料中形成低凹来构建所述形貌，则在接触晶体时低凹应该具有大于数微米的深度,并且从接触到非接触的过渡部分应该是分明的。
如上文所述，当前优选材料为一特殊的微凸印的聚合物样品(由3M制造的Vikuiti光控制薄膜)，因为它提供了方便、便宜且可再现的测试样品。所述材料包括规则的屋脊棱镜阵列，该屋脊棱镜的脊部通过与晶体接触而被方便地压扁，以形成直"杆"接触。这些接触区域的边缘的几何结构为材料从晶体快速下降，特别是在最初的几毫米的深度，并且这在吸收聚合物和非吸收空气之间形成非常高质量的边
缘，该边缘易于使用ATR来成像，以给出高对比度和分明的结果。
发明人也已经开发了一种用于限定空间分辨率的技术。上文所述的用于确定晶体最优聚焦的技术可适于以一种方式提供一种ATR系统的有效分辨率的测量，所述方式难于在其中要凝视二维阵列探测器的系统上实现。如果如上文所述已经确定了最优聚焦设置，则获取测试目标中在一个或多个边缘上的小带状图像，但沿着边缘的方向上采用非常小的步进。这就导致形成沿该方向上过度采样的图像。提取样品的吸收带中的横截面，并利用数字过滤器对该横截面求微分。由此获得的轮廓接近于穿过光学系统的点扩散函数的横截面，并且可用于直接估计或者通过适当的曲线拟合来估计系统的分辨能力。
为了对样品上的光语进行测量，第 一步骤是记录晶体位置并且定义如上参照图10所述的载物台坐标系原点(O，O，O)。下一步骤为测量背景光i普，也就是说在板67上无样品就位。为了实现这一点，用户将安装臂IOO设置在引导销110和103上的任意位置上，使晶体的样品接触表面与板67间隔开，由此提供晶体/空气界面。然后用户使栽物台移动到原点，也就是说，移动到晶体的顶部中心，并移动到晶体顶部的细焦点。用户然后可以选择分辨率和像素尺寸。然后，系统自动运行，基于所存储的晶体高度参数将载物台20提升一预定距离，以便聚焦于晶体(106)的下表面上。然后，系统对阵列中的每个探测器执行背景光谦测量，然后储存这些测量结果。获得背景光谱所采用的方式对于本领域技术人员来说是很显然的。
下一步骤为测量晶体图像，这包括用户将载物台移动到原点，即，移动到晶体的顶部中心。用户精细聚焦于晶体的顶部上，然后输入诸如分辨率，每像素的扫描数，像素尺寸和图像尺寸等参数。系统将主载物台20提升一预定距离，以便聚焦于晶体的下表面上。系统测量无样品存在的晶体的图像，并对此进行存储。
下一步骤为测量样品，并且第一步骤为用户选择可选的处理项，该处理项是扣除背景晶体图像或基线偏置校正。然后用户提升臂100
16并将其围绕销103枢转，从而使晶体106移动离开显微镜的光轴。然后砧座60的板67被取出，将样品置于该板上，并将该板放置回砧座60就位。所述系统然后将载物台提升一预定距离，以便能够使用显微镜的视觉设备视觉检查样品。用户以四个子步骤安装所述样品。这些步骤为
(i )将样品安装在板67上并置于砧座60上。
(ii)仅使用副栽物台来调节样品，即，使用调节螺钉70, 71来调节砧座(60)的位置。在视觉观察所述样品的同时执行此过程。
(iii )将臂100回摆定位，以使得晶体106位于显微镜的光轴上，并且降低臂100，从而降低晶体106以接触板67上的样品。
(iv)使用压力施加机构80将压力施加于砧座60顶部的下侧上，这样，样品被挤压以接触晶体。
关于(iv)， ATR测量需要样品保持与晶体106的下面112良好接触。理想地，接触压力应该在整个晶体面上合理均匀。对于硬的样品，有必要使样品与晶体面平行放置；对于多数柔性材料而言，需要控制夹持力来防止样品过度变形。样品放置于板67上时，臂100被降低，直到晶体正好接触该样品。所述臂使用螺钉111锁定。操作齿条91以将提升力施加到砧座60，从而将样品压靠于晶体面。这种力通过弹簧锁销85产生，该弹簧锁销85被设计为将最大力限制到一个可以避免对砧座106产生危害的值上。力矢(vector)是重要的。理想地，它应该与晶体面的中心对准，从而使样品趋向于对所述面对准并且接触压力均匀。这通过使用滚球轴承82来实现，该滚球轴承82被精确约束在其引导件83中，并与晶体轴线精确对准。所述球紧靠着砧座的薄部分发挥作用，从而使提升力尽可能靠近晶体地出现。齿条，小齿轮，弹簧锁销、提升弹簧和球的布置在高度上非常紧凑，并因此在空间有限的显微镜中是意义重大的。弹簧锁销85的设计确保了组件中的提升弹簧84从不会被显著压缩以致线圏被束缚以及因此施加过度的力。
螺钉89可用于改变弹簧上的预载荷。设置螺钉的最大行程使得弹簧从不变成被线圈束缚(coil-bound )。在螺钉的完全顺时针设置下，预载荷为最大弹簧力的约50%。当压缩控制旋钮移动到最大压力位置时，弹簧力增大而接近于弹簧的最大额定量。将螺钉89回退一周就将预载荷减小至零。因此通过在它行程的一端处进行控制，没有力被作用于所述样品。随着用户滑动控制旋钮，压迫力逐渐增大到最大可能
弹簧力的50%。
在子步骤(iv)之后，所述系统于是就将栽物台20下降一预定距离，以便聚焦于晶体顶部。如果必要，用户就将精细聚焦于晶体顶部的记录标记。然后用户输入分辨率，每像素的扫描数，波数范围，像素尺寸和图像尺寸，并且在此之后，系统基于所存储的晶体高度参数将载物台20提升一预定距离以聚焦于样品上。然后，采用对于本领域技术人员来说很明显的方式进行样品图像的测量。在正在进行成像的情况下，这包括进行第一测量，轻微移动显微镜载物台以执行第二测量，并针对显微镜载物台上的不同位置重复上述过程。最后，所述系统执行被选择的后续处理，并存储图像。
应该理解的是，机动化的栽物台20用于将晶体106对准于显微镜场中心的正下方，并用于围绕该中心扫描图像。为了对准所述样品，用户不能使用该机动化栽物台，这就是提供副栽物台60的原因。在样品观察期间，软件程序可使机动化载物台的移动机构失活，从而使用户不会无意间改变晶体配准。
该布置设置有如图11所示的快速自动光谱分析程序。在许多实践情况中，用于ATR分析的样品可能具有相对弱的总体吸收。从此类样品获得的显示了总吸收的ATR图像经常在一定程度上无明显特征，或者具有非常低的对比度，并且人为的照明可能使样品细节模糊。照明
效果的补偿可以使用传统的方式，例如与背景图象的比率或基线校正，该基线校准是使用已知为具有大致零吸收的区域来归一化光谱。也可以使用先进技术来处理数据，以便提取和显示明显的光镨形貌，但这需要光谱信号处理方面的专业技能，并较为耗时。为了对本系统的用户给出图像中存在的光谱信息的快速指示，已经设计了一种自动处理序列。它的目标在于以独立于样品的方式从原始数据中提取最为显著的光谦形貌，并允许操作员单独地或以彩色复合图像的形式对此进行显示。对于用户的益处在于，图像包含潜在有用信息的快速确认以及一个良好的初步分析，该初步分析为进一步的深入分析提供了指导。举例而言，结果可指示，图像的哪些部分是光语类似的以及哪些是独特的，从而使用户可以对样品进行简单分割。可以利用对背景的比值 校正或基线偏置校正来获得原始图像。处理序列始于一个如下步骤， 该步骤被设计成将偏置和基线弯曲的影响最小化，这在图11中示于
130处。这就涉及在谱域中进行微分(一阶求导以获取一定平滑度从 而减小噪音)以及减去任何剩余平均值。然后，光谦图像得到限制， 如131处所示。在短波侧，界限典型地设置于约3300波数处，因为极 少样品在较短波长处显示出显著的吸收。在所述范围的长波端处也进 行小的限制，以提供总体信噪比。然后，如132处所示减去平均吸收， 然后如134处所示实施主要成分分析，以便提取最明显的光i普形貌。 然后，在界面中向用户展现所述成分，该界面允许这些成分被显示为 的彩色复合图像，如在136处所示。
权利要求
1. 一种被布置来执行ATR测量的显微镜的附件，所述附件包括能够安装在所述显微镜的可移动载物台上的支撑件；ATR晶体安装在其中的安装构件，所述晶体具有样品接触区域；以及被定位为使其相对于样品接触区域固定的记录标记。
2. 根据权利要求1所述的附件，其中，所述晶体具有与所述接触 区域相对的大致球状的表面，并且所述记录标记位于所述球状表面的 顶点区域。
3. 根据权利要求2所述的附件，其中，所述记录标记包括在所述 球状表面上的平台或者在所述球状表面上的标志。
4. 一种操作设置有根据前述任一权利要求的附件的显微镜的方 法，所述显微镜包括用于控制可移动载物台的移动的处理装置，以及 所述处理装置已经在其中记录了涉及ATR晶体高度的预定参数，所述 方法包括最初移动显微镜的载物台以对记录标记聚焦，并将载物台移 动一由所述参数限定的预定竖直距离，以便对与所述样品接触区域接 触的样品聚焦。
5. —种用于根据权利要求1-3中任一项所述的显微镜中或者根据 权利要求4所述的方法中的校准ATR晶体的方法，所述方法包括选择 在显微镜光语范围内展现出强劲吸收并具有一个在与ATR晶体接触时 产生分明的空间边缘的几何形状的测试样品，所述方法包括使晶体的 样品接触区域与测试样品接触，在晶体的初始竖直位置获得测试样品 的红外图像，处理该图像以对所述边缘提取斜率信息，针对晶体的不 同竖直位置重复该过程，将展现最大斜率的位置识别为最优竖直位置， 并根据所述识别的最优位置推导针对所述晶体的校准参数。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中，所述处理包括，对于每个 竖直位置，对所获得的图像进行光谱过滤，以提取在所述测试样品强 吸收的波长处的吸收的空间图。
7. 根据权利要求6所述的方法，包括提取一横贯了所述波长下的 所述吸收图的空间上分明的形貌的横截面。
8. 根据权利要求7所述的方法，包括对上述横截面进行微分以提 取斜率数据，并对图像中的一可识别形貌测量最大斜率。
9. 根据权利要求5-8中任一项所述的方法，其中，所述测试样品 为塑性材料。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中，所述测试样品为微凸印 的聚合物，例如Vikuiti亮度增强薄膜。
11. 一种包括根据权利要求1-5中任一项所述的附件的显微镜。
全文摘要
一种被布置来执行ATR测量的显微镜的附件，具有能够安装在显微镜的可移动载物台上的支撑件(40)。用于ATR晶体(106)的安装件(100)被承载在支撑件上。所述附件包括记录标记，该记录标记被定位在一相对于晶体的样品接触区域固定的位置处。记录标记优选设置在晶体的顶点区域处。记录标记可用于确保在获得样品图像时样品被正确聚焦。
文档编号G02B21/26GK101479638SQ200780023898
公开日2009年7月8日 申请日期2007年4月26日 优先权日2006年4月26日
发明者A·卡尼亚斯威尔金森, P·斯泰尔斯, R·A·霍尔特, R·L·卡特 申请人:珀金埃尔默新加坡有限公司