用于使显微镜物镜对焦于样品的装置

摘要

公开了一种用于使显微镜物镜(26)对焦于样品(18)的装置。该装置包括一个定位单元(20)，其具有主体(22)、可移动地支撑于该主体(22)并适于保持该显微镜物镜(26)的物镜保持器(24)、以及用于使物镜保持器(24)沿着显微镜物镜(26)的光轴(O)运动的执行机构(27)。该物镜保持器(24)保持该显微镜物镜(26)的面对着该样品(18)的前部。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于使显微镜物镜对焦于样品的装置，该装置包括定 位单元，其具有主体、可移动地支撑于该主体并适于保持该显微镜物镜的 物镜保持器、以及用于使该物镜保持器沿着该显微镜物镜的光轴移动的执 行机构。

背景技术

在高分辨率光学显微技术中，使显微镜物镜在成像光路中保持在一个 稳定而且精确的位置是特别重要的。例如，现代光学显微方法中要达到的 空间分辨率希望在侧向、也即垂直于显微镜物镜的光轴方向低于50nm。 因此，对于样品和显微镜物镜之间的非人为故意的相对侧向位移——其可 能例如因温度波动而引起——要尽可能地避免。这对于许多其中使用几分 钟的成像时间的方法尤其如此，在该时间内，甚至显微镜物镜沿垂直于光 轴的最轻微的位移都将会产生图像偏差，从而导致侧向分辨率相应的降 低。

此外，在前述类型的光学显微方法中，显微镜物镜必须以特别高的精 度对焦于样品。显微镜物镜沿光轴的行程典型地处于大约100μm这个数量 级之下。在显微镜中使用的用以产生显微镜物镜的对焦运动的定位单元 中，越来越多地使用高精度MEMS装置，其包括主体，可移动地支撑于 该主体的物镜保持器，和用于使得该物镜保持器、以及显微镜物镜沿着光 轴精确地移动、以使显微镜物镜对焦于样品的执行机构(例如压电陶瓷)。

常规的显微镜物镜通常在其尾端也即远离样品的那端形成螺纹。该螺 纹用来例如将显微镜物镜拧进一个市场上可购得的物镜的镜头转盘中。当 使用前述类型的定位单元时，利用该显微镜螺纹将显微镜物镜从其尾端拧 进物镜保持器，很可能还要在这两者之间使用一个合适的适配器。

现有技术中有多种已知的其它的方法来达到确保显微镜物镜尽可能 地保持在一个稳定的位置并且高精度地对焦的目的。例如，美国专利 US2002/0015225描述了一种显微镜，其中样品保持器和对焦单元直接安装 在显微镜物镜上。然而，这有一个缺点，就是不再可能轻易地改变显微镜 物镜。此外，对样品的操作对对焦单元具有直接的影响，这可能损害对焦 精度。

欧洲专利申请EP1418456A1描述了一种显微镜，其通过采用绕着光 轴的旋转对称设置以及使用热膨胀系数互相适配的光学元件来防止显微 镜物镜在垂直于光轴方向上出现不想要的位置偏离。

世界专利申请WO2006/056178A1公开了一种显微镜物镜，该物镜通 过导向套管(guide sleeve)而与载物台成为一体。然而，这在增加了沿光 轴方向的稳定性的同时，位于导向套管内的显微镜物镜在垂直于光轴方向 上却存在不可忽略的移动(play)。

美国专利US6,731,327B1描述了一种用于使显微镜物镜沿着光轴移 动的定位单元。该定位单元具有一个用于额外地将显微镜物镜稳定在其操 作位置的夹持装置。然而，该夹持装置的提供使得设计相对复杂。

从德国专利申请DE19949044A1可知一种使用双平行弹簧部件获得 显微镜物镜的精细定位的装置。该双平行弹簧元件在显微镜物镜的远离样 品的那一端起作用，结果，显微镜物镜另外那个正对着样品的自由端可能 发生一个不能忽视的倾斜，这导致不希望出现的图像偏移以及空间分辨率 的相应的降低。

从US2009/0284853A1可知一种对焦装置，其包括一对叶簧(leaf  spring)，每一个叶簧有一端与主体耦合，另一端与物镜保持器耦合。该物 镜保持器通过设置在透镜镜筒(lens barrel)的外表面的外螺纹和与该外螺 纹啮合的螺母而形成。

在US2010/0091363A1中描述了一种物镜保持器，通过采用该保持器 能够选择性地使得多个物镜中的每一个都进入显微镜光路中。这些个物镜 分别都具有一个在同样的高度沿着光轴布置的接触面，该接触面与一个对 应的固定接触面相接触，因此这些物镜之间获得了齐焦性。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种能以尽可能高的空间分辨率使显微镜 物镜精确对焦于样品的装置。

根据本发明，该目的通过权利要求1的请求保护的主题来实现。

因而，与将显微镜物镜保持在尾端也即远离样品的那端(并且通常是 通过该端部所提供的螺纹)的常规系统相比，本发明的一个特点是显微镜 物镜保持在面对着样品的前部，该前部是指所谓的前透镜所处的地方。这 是因为已经发现，将物镜稳定在其前端——如本发明所提出的，在其达到 最高可能等级的横向分辨率时，具有优于将其稳定在其尾端的常规方法的 优点。

在显微镜物镜中，总有一个与光轴垂直的倾斜容差平面，在该平面内， 垂直于光轴的显微镜物镜的倾斜至少在第一近似内不会产生图像偏差。这 个平面与物镜光学系统的第一主平面重合。该平面的准确的位置取决于显 微镜物镜的具体设计，特别取决于物镜中透镜的具体布置和数量。然而， 对于用在高分辨率显微术中的、具有几十毫米(通常大约从45到65mm) 的总长度的高倍放大显微镜物镜——其具有仅仅几毫米的焦距——而言， 能够肯定地说，倾斜容差平面位于物镜的前部，该前部面对着样品。这个 前部包含上面提及的、从样品看过来构成第一透镜的、面对着样品的前透 镜。因此，在本发明的具体实施中，为了显著提高横向分辨率，在给定的 条件下，物镜保持器与显微镜物镜啮合得尽可能靠前，这在所有情况下都 是足够的。

定位单元具有一个或者多个杠杆臂(lever arm)，杠杆臂每个都在其一 端经由第一弯曲梁(flexure bearing)耦合到主体，并在其另一端经由第二 弯曲梁耦合到物镜保持器。在这个实施例中，定位单元是一个单片元件， 其刚性部分由主体和物镜保持器构成，并且彼此之间通过弯曲梁可以相对 移动。弯曲梁每个都由该元件的一部分构成，这部分相对于相邻的部分具 有减小的抗弯性能。这个减小的抗弯性能可以通过例如使构成该元件的材 料的横截面局部减小的方式来实现。

在一个优选实施例中，设置有互相平行的两个杠杆臂，它们连同主体 和物镜保持器一起，形成一个平行四边形设置。这种平行四边形设置使得 物镜保持器能够在垂直于光轴上的不希望出现的运动非常少量同时实现 沿光轴方向精确的定位运动。为此提供该执行机构，其施力于杠杆臂，从 而产生该平行四边形设置的受控运动。

将定位单元的主体结合到载置样品的载物台上。在这个实施例中，显 微镜物镜的前部——其面对着样品——经由定位单元与放置在载物台上 的样品耦合。有利的是，这在显微镜物镜和样品之间产生一个短的耦合距 离，这避免了在显微镜物镜和样品之间出现过度的相对运动，特别是因温 度改变而引起的相对运动。

在另一个优选实施例中，执行机构是一个整合到定位单元的主体中的 压电部件。这种压电部件能够使得物镜保持器沿着光轴非常精确地移动。

优选的是，物镜保持器包括一个具有内螺纹的圆环(ring)，并且显微 镜物镜在其面对着样品的前部具有外螺纹，圆环的内螺纹拧进所述外螺 纹。这种用于显微镜物镜的保持布置——其相对于光轴为旋转对称——进 一步减小了垂直于光轴方向上的偏移。

根据本发明的另一方面，其提供了一种根据权利要求8所述的具有用 于对焦显微镜物镜的装置的显微镜。

附图说明

图1示出了作为本发明一个示例性实施例的高分辨率光学显微镜。

具体实施方式

下面将参照一个示例性实施例来具体描述本发明。

唯一的这幅图示出了作为本发明一个示例性实施例的高分辨率光学 显微镜。

图中用10大致标出的光学显微镜包括一个倒置工作台12，在该工作 台12上放置有一个具有贯通的开口16的载物台14。在载物台14上以覆 盖开口16的方式放置样品18。将定位单元20结合到载物台14的下侧。

定位单元20包括主体22和可移动地支撑于主体22的物镜保持器24。 将显微镜物镜26保持在该物镜保持器24上。整合到主体22中且在图中 仅仅示意性地示出的压电陶瓷执行机构27能够使得物镜保持器24沿着光 轴O移动，从而最终使得物镜26沿着光轴O移动，以使其对焦于样品18。 执行机构27连接到控制单元29。所述控制单元的控制信号用来产生执行 机构27的运动，该运动相应地使物镜保持器24移动。在这个示例性实施 例中，控制单元29位于工作台12的外部。然而，它也可以整合到工作台 12内。

下面首先详细地描述定位单元20。

物镜保持器24通过杠杆臂28和30可移动地支撑于主体22。在这个 示例性实施例中，定位单元20是一个单片元件，它的构成部件，也即主 体22、物镜保持器24以及杠杆臂28和30，可以彼此相对移动，并且通 过形成于该材料内的腔32互相分隔开。腔32设置在定位单元20内，以 使在杠杆臂28和30的纵向端部区域内，构成定位单元20的材料具有局 部横截面缩小的部分，该部分定义出弯曲梁。为了清楚起见，在图中仅仅 用附图标记34标出了一个弯曲梁。

由于有前述局部横截面缩小的部分，弯曲梁34在平行于光轴O的方 向上的抗弯性能比光轴O的横向上的抗弯性能要小的多。因为抗弯性能的 减小，弯曲梁34使得物镜保持器24能够通过杠杆臂28和30而相对于主 体22沿着光轴O移动。因而，物镜保持器24、主体22以及两个杠杆臂 28和30一起形成平行四边形类型(parallelogram-type)的设置。该平行 四边形的固定的底部由主体22提供，同时其余的三条可移动边由物镜保 持器24和两个杠杆臂28和30形成。

在这种连接中，应该注意的是，物镜保持器24沿着光轴O的定位运 动(positioning movement)的量不大于大约100μm。以这种非常小的定位 运动，物镜保持器24在垂直于光轴O方向的非人为故意的运动——其因 上述平行四边形设置而引起——是一个可忽略的量。

物镜保持器24由沿着平行于光轴O延伸的细长部40以及从细长部 40在垂直于光轴O的方向上延伸出去的圆环42形成。圆环42具有内螺 纹44，内螺纹44相对于光轴O旋转对称。该内螺纹44与形成于显微镜 物镜26的环形套圈48(annular collar)上的外螺纹46形成螺纹啮合。环 形套圈48设置在显微镜物镜26的面对着样品18的前部。因而，显微镜 物镜26在其前部与定位单元20耦合。

因而，在该示例性实施例中，显微镜物镜26保持在紧邻直接面对样 品18的物镜透镜的位置。在图中，这个透镜——也称为“前透镜”—— 用附图标记50来标注。当然，显微镜物镜26包括其它的透镜，在图中示 意性地标记为附图标记52和54。

与常规的物镜一样，显微镜物镜26也在其尾端、也即远离样品18的 端部具有物镜螺纹56。物镜螺纹56用于例如制造过程中的调节。

光学显微镜10还具有包括光源60以及透镜62和64的照明装置58。 来自光源60的荧光激发光穿过透镜62和64，并经沿着光轴O的二向色 镜66反射后进入物镜26。来自样品18的荧光穿过显微镜物镜26的前透 镜50以及另外的透镜52和54到达半透明镜66，半透明镜66允许荧光朝 向另一透镜68穿过。穿过透镜68的荧光最终经镜子70反射进连接到工 作台12的照相机72。

容易理解，前述实施例仅是出于解释的目的。例如，也可以使用不是 设有弯曲梁34的单片的单元20的定位单元。可以使用例如由外部执行机 构驱动的弹簧装置，以使显微镜物镜26沿着光轴O移动并由此将其对焦。

又，物镜保持器24可以采用别的方式耦合到显微镜物镜26，而不是 通过图中所示的两个啮合螺纹44和46。对本发明而言必要的是显微镜物 镜26在其面对着样品18的前部被保持。

附图标记列表

10 光学显微镜

12 工作台

14 载物台

16 开口

18 样品

20 定位单元

22 主体

24 物镜保持器

26 显微镜物镜

27 执行机构

28 杠杆臂

29 控制单元

30 杠杆臂

32 腔

34 弯曲梁

40 细长部

42 圆环

44 内螺纹

46 外螺纹

48 环形套圈

50 前透镜

52 透镜

54 透镜

56 物镜螺纹

58 照明装置

60 光源

62 透镜

64 透镜

66 二向色镜

68 透镜

70 镜子

72 照相机