光学设备的制作方法

本发明涉及一种用于将从分析设备的样品室(比如真空室)中的样品上的点散射或产生的光递送到样品室外部的检测器的光学设备。分析设备可以被布置成将分析束(比如电子束)沿分析轴线朝向样品投射。分析设备可以包括电子显微镜。光学设备可以是被布置成改装到分析设备的适配器。光学设备可以用于进行光谱分析，比如拉曼光谱分析。

背景技术：

1、国际专利申请号wo 99/58939披露了一种用于扫描电子显微镜的分析系统，该分析系统将电子束沿分析轴线投射到样品上。抛物面反射镜通常沿分析轴线安装在样品上方，并且反射镜中的孔口允许电子束穿过到达样品。反射镜安装在反射镜固持器组件上，该反射镜固持器组件具有总体上横向于分析轴线的光轴。反射镜固持器组件可以使反射镜在其操作位置与远离分析轴线的非操作位置之间伸缩。

2、国际专利申请号wo 03/014794a披露了一种结合有光谱系统的电子显微镜。抛物面反射镜安装在反射镜固持器上。反射镜固持器安装到伸缩臂上，该伸缩臂能够使抛物面反射镜在操作位置与非操作位置之间移动。伸缩臂安装在导轨上并且可以通过伸缩螺杆沿导轨旋入或旋出，该伸缩螺杆可以是马达驱动的。导轨和伸缩螺杆位于电子显微镜室真空的外部。

3、期望在电子显微镜中的样品上的多个点处进行光谱分析，这可以被称为映射，其中光谱系统的光轴与电子束基本上同轴。此外，期望这种光谱系统可改装到多种类型的电子显微镜上。顾客在购买电子显微镜的同时购买光谱设备是罕见的。因此，顾客可能只会在获取电子显微镜之后考虑电子显微镜是否可以与光谱设备结合。限于与一台或仅几台电子显微镜一起使用的光谱设备限制了这种设备的市场规模。为了减少对为光谱系统提供多个软件模块的需要以及软件随电子显微镜控制软件的变化不断适配的需要，期望一种可改装的光谱设备能够在不与电子显微镜接口连接的情况下对真空室中的样品进行映射。以这种方式，避免了提供光谱设备的与每种不同类型的电子显微镜兼容的控制系统的需要。

技术实现思路

1、根据本发明的第一方面，提供了一种用于与分析设备一起使用的光学设备，该分析设备被布置成将分析束沿分析轴线朝向样品室内的样品投射，该光学设备包括安装在臂上的收集光学器件，该臂通过样品室中的端口可插入或插入样品室中，其中，臂可插入或插入样品室中以定位收集光学器件，该收集光学器件用于将从样品上的点散射或产生的光引导出样品室。

2、光学设备可以包括用于密封端口的密封元件。密封元件可以包括窗口，其中，臂可插入或插入样品室中以定位收集光学器件，该收集光学器件用于将从样品上的点散射或产生的光通过窗口引导出样品室。以这种方式，当臂插入样品室中时，样品室中的端口被密封。这可以使得能够在样品室中维持受控气氛(比如真空)。

3、光学设备可以包括用于使收集光学器件在样品室内移动的驱动机构。驱动机构可以被布置成使收集光学器件在至少两个横向方向上移动(例如，使收集光学器件在至少两个横向方向上平移(线性运动))。驱动机构可以被布置成使得当臂插入样品室中以定位用于引导光的收集光学器件时，收集光学器件可在基本上垂直于分析轴线的两个横向方向上移动。以这种方式，收集光学器件可以引导从样品上的多个不同点散射或产生的光。因此，可以通过使收集光学器件在样品室内移动而不是使样品移动来进行样品的二维映射。这避免了光学设备与分析设备通信以引起样品固持器移动以使样品移动的需要。相应地，光学递送设备可以被布置成使收集光学器件移动以引导从样品上的多个不同点散射或产生的光，其中样品位于分析轴线上。以这种方式，当样品在分析束下时，可以使用光对样品进行光谱成像/映射。

4、驱动机构可以被布置成使臂移动，其中，臂的移动引起收集光学器件的移动。驱动机构可以被布置成使臂在至少两个横向方向上、并且优选地在至少两个正交方向上移动。驱动机构可以包括用于使臂平移的平移机构。臂的平移可以引起收集光学器件的平移。驱动机构可以包括笛卡尔坐标操纵器，该笛卡尔坐标操纵器被布置用于使臂在至少两个不同的横向方向上、并且优选地在三个不同的横向(并且优选地正交)方向上移动。

5、驱动机构可以包括致动器，这些致动器用于致动收集光学器件(以及可选地臂)在至少两个横向方向上的移动。

6、驱动机构可以被布置成使得当臂被插入样品室中以定位用于将光引导出样品室的收集光学器件时，驱动机构位于样品室的外部。以这种方式，所使用的平移机构和/或致动器不限于适合在样品室中形成的气氛(比如真空)中使用的类型。例如，平移机构和/或致动器可以使用不适合在真空中使用的润滑，例如因为如果在真空中使用，润滑将污染真空。如本文所使用的术语“真空”是指其中压力显著低于大气压(比如小于3pa)的气氛。

7、驱动机构可以包括基本上平行于臂的纵向轴线的第一线性轴线。驱动机构可以被布置成使得沿第一线性轴线的移动范围足以将收集光学器件从分析束的路径中撤出。驱动机构可以被布置成使得沿第一线性轴线的移动范围足以将光学装置的所有部分从分析束的路径中撤出。以这种方式，其他仪器可以从样品室中的其他端口插入分析束中。驱动机构可以包括横向于第一线性轴线的第二线性轴线。沿第一线性轴线的移动程度可以大于沿第二线性轴线的移动程度。驱动机构可以包括横向于第一线性轴线和第二线性轴线的第三线性轴线。沿第一线性轴线的移动程度可以大于沿第三线性轴线的移动程度。沿第二线性轴线和第三线性轴线的移动可以仅需要足以用于映射即可，而沿第一线性轴线的移动可以用于映射和将光学设备从分析轴线撤出。

8、收集光学器件可以具有在其中的孔口，该孔口用于允许分析束从其中穿过。收集光学器件可以是反射镜，比如抛物面反射镜。在映射过程中，收集光学器件可以被布置成相对于臂保持静止。在一个实施例中，收集光学器件相对于臂固定。臂可以被布置成延伸穿过样品室中的端口。臂可以被布置成相对于其延伸穿过的端口移动。

9、臂可以包括管，并且收集光学器件被布置成将光沿管引导。应理解的是，如本文所使用的术语“管”并不限于中空圆柱形，而是可以使用其他中空形状，比如具有多边形截面的形状。优选地，管是中空圆柱形管。管、特别是中空圆柱形管提供用于支撑收集光学器件的刚性结构。

10、密封元件可以包括用于密封通向样品室的端口的凸缘。凸缘可以包括孔口，收集光学器件将光引导穿过该孔口。臂可以被安装成可在孔口内相对于凸缘移动。孔口可以由固定到臂上的窗口以及密封孔口的在窗口与凸缘之间的一部分的密封件来密封。密封件可以包括管和气密密封件，该气密密封件防止空气穿过管与凸缘之间的孔口。气密密封件可以是围绕管的外侧附接并且附接到围绕孔口的凸缘的可延伸元件(比如波纹管)。窗口可以安装在样品室中或安装在管的要定位在样品室中的远端上。相应地，管内侧的大部分(如果不是全部)体积与样品室密封开(并且在使用中将处于环境/大气压下)。窗口用作光学设备的在使用中暴露于空气的屏障分隔元件(“空气侧”)以及在使用中暴露于样品室中的气氛(比如真空)的元件(“样品室侧”)。

11、光学设备可以包括检测光学系，该检测光学系用于将已经穿过窗口的光递送到光电检测器。例如，光学系可以被布置成将光递送到光纤。光纤可以可连接到光谱仪(比如拉曼光谱仪)，以用于分析光。光学设备可以包括用于检测光的至少一个光电检测器。光学设备可以包括呈一维阵列或二维阵列的多个光电检测器。光学设备可以包括ccd检测器或cmos检测器。

12、光学设备可以包括递送光学系，该递送光学系用于将来自光源(比如激光或白光源)的照明或激发光递送到收集光学器件，使得照明或激发光入射在样品上。光学设备可以包括多个递送光学系，每个递送光学系用于将来自不同光源的光递送到收集光学器件或对应的收集光学器件。光学设备可以包括至少两个收集光学器件，一个收集光学器件用于将激光引导到样品(例如用于光谱分析)，另一个收集光学器件用于将非相干光引导到样品(例如用于照亮样品以进行成像)。收集光学器件可以包括抛物面反射镜。抛物面反射镜可以适合于将激光束引导到样品，并且将样品在被激光束辐照的点处散射或产生的光沿臂引导。收集光学器件可以包括平面反射镜以及可选地透镜。平面透镜可以适合于对样品进行成像。至少两个收集光学器件可以包括抛物面反射镜和平面反射镜。

13、每个光学系可以与另一个光学系共用一些但不是全部的光学部件，这可以使用分束器或可以插入光源的光束路径中的一个或多个可移动光学元件来实现。光学系可以被布置成将来自每个光源的光沿公共光路引导。公共光路可以包括沿臂、比如通过管的光路。以这种方式，管的宽度可以小于承载多个非重合光路所需的宽度。可能期望使臂的宽度最小化，以便使臂在端口内的移动范围最大化。

14、光学设备可以包括收集光学器件互换装置，该收集光学器件互换装置用于更换公共光路中的收集光学器件。收集光学器件互换系统可以包括固持器，收集光学器件安装在该固持器上，该固持器被布置成可相对于光路移动以将每个收集光学器件定位在公共光路中。固持器可以安装到臂，优选地安装到臂的远端。固持器可以可旋转地安装在臂上，使得固持器可以旋转到多个不同位置，每个位置对应于使收集光学器件中的不同收集光学器件位于光路中。收集光学器件互换装置可以包括用于使固持器移动的致动器。致动器可以被布置在光学设备中的某一位置处，使得在使用中固持器位于样品室中时，致动器位于样品室外部，以及传动联动装置，用于将致动器在样品室外部的移动传递到固持器在样品室内的移动。传动联动装置可以将围绕基本上平行于公共光路的轴线的旋转移动或沿该轴线的线性移动转换成固持器横向于公共光路的移动。

15、光学设备可以包括光源。

16、驱动机构可以包括用于将臂的移动限制到指定范围的驱动控制系统，该驱动控制系统可编程以调节该指定范围。驱动机构可以包括用于测量驱动机构的轴线或每条轴线的位置的编码器。驱动控制系统可以基于指定范围和由编码器生成的位置测量值来限制臂的移动程度。编码器可以是绝对位置编码器。绝对位置编码器在无需移动到参考位置的情况下获得驱动机构的位置。以这种方式，光学设备可以适配在样品室内具有不同几何布置的不同分析设备，使得避免臂与样品室中的其他部件的碰撞(所谓的“地理围栏”)。

17、光学设备可以包括制动器，该制动器用于抵抗由样品室内的气氛与样品室外部的气氛之间的压力差在臂上引起的力来固持驱动机构。例如，在使用中，可以在样品室中形成真空，使得在没有对臂施加力的情况下，臂将由于外部气氛与真空之间的压力差而被迫进入样品室中。当没有向致动器施加动力时(例如当存在动力损失或为了避免需要不断地向致动器施加动力时)，制动器可以抵抗压力差引起的力来保持臂的位置。相应地，当没有施加动力时，制动器可以(在正常操作中)开启。

18、光学设备可以包括用于测量样品室中的压力的压力传感器。例如，压力传感器可以被布置成测量可延伸密封件(比如波纹管)中的压力或凸缘的样品室侧上的压力。光学设备可以包括光源控制系统，该光源控制系统被配置成如果样品室中的测得压力偏离预设操作压力，则使至少一个光源(比如激光器)关闭(或强度降低)。例如，光源控制系统被配置成如果样品室中的测得压力与外部压力基本上相同，则使至少一个光源(比如激光器)关闭(或强度降低)。压力传感器可以测量样品室中的压力与样品室外部的压力之间的差值，并且光源控制系统被配置成如果测得的差值基本上为零，则使至少一个光源(比如激光器)关闭(或强度降低)。以这种方式，如果使用者打开通向样品室的门，则光源(比如激光束)被关闭或强度降低，使得避免使用者暴露于潜在的破坏性光(比如高强度激光)。这避免了将光学设备的控制系统配置成与分析设备的控制系统通信以确定何时打开通向样品室的门。

19、根据本发明的第二方面，提供了一种收集从分析设备的样品室中的样品散射或产生的光的方法，该分析设备被布置成将分析束沿分析轴线朝向在样品室内的样品投射，该方法包括：操作样品室外部的一个或多个致动器以使收集光学器件在样品室内移动，使得针对收集光学器件在样品室中的多个位置中的每一个位置，收集光学器件引导来自样品上的不同点的光。

20、根据本发明的第三方面，提供了一种收集从分析设备的样品室中的样品散射或产生的光的方法，该分析设备被布置成将分析束沿分析轴线朝向在样品室内的样品投射，该方法包括：操作样品室外部的一个或多个致动器，以改变样品室中的多个收集光学器件中的哪一个收集光学器件位于样品室中的以下位置：在该位置，收集光学器件引导样品散射或产生的光通过窗口并离开样品室。

21、根据本发明的第三方面，提供了一种用于与样品室一起使用的探头，该探头包括：安装在臂上的探测元件，臂可插入或插入样品室中以将探测元件定位在样品室内；用于使臂移动的驱动机构，其中，臂的移动引起探测元件在样品室内的移动；以及用于将臂的移动限制到指定范围的驱动控制系统，该驱动控制系统可编程以调节该指定范围。

22、驱动机构可以包括用于测量驱动机构的轴线或每条轴线的位置的编码器。驱动控制系统可以基于指定范围和由编码器生成的位置测量值来限制臂的移动程度。编码器可以是绝对位置编码器。以这种方式，探头可以适配在样品室内具有不同几何布置的不同样品室，使得避免臂与样品室中的其他部件的碰撞(所谓的“地理围栏”)。

23、根据本发明的第四目的，提供了一种用于与样品室一起使用的探头，该样品室被布置成将内部气氛维持在与外部气氛不同的压力下，该探头包括：安装在臂上的探测元件，臂可插入或插入样品室中以将探测元件定位在样品室内；用于使臂移动的驱动机构，其中，臂的移动引起探测元件在样品室内的移动；以及制动器，该制动器用于抵抗由内部气氛与外部气氛之间的压力差在臂上引起的力来固持驱动机构。

24、制动器可以被布置成在没有动力施加到探头上时固持驱动机构。

25、根据本发明的第五方面，提供了一种用于改装到样品室的适配器，该样品室被布置成将内部气氛维持在与外部气氛不同的压力下，该适配器包括：光源和安装在臂上的递送光学器件，臂可插入样品室中以定位该光学器件，该光学器件用于将由光源产生的光引导到样品室中的目标；压力传感器，该压力传感器用于测量样品室中的压力；以及光源控制系统，该光源控制系统被配置成如果由压力传感器测量的测得压力偏离预设操作压力，则使光源关闭。

26、光源控制系统可以被配置成如果样品室中的测得压力与外部压力基本上相同，则使光源关闭。压力传感器可以测量样品室中的压力与样品室外部的压力之间的差值，并且如果测得的差值基本上为零，则光源控制系统被配置成使光源关闭。

27、光源可以是激光器。