本發(fā)明涉及一種用于將從分析設(shè)備的樣品室(比如真空室)中的樣品上的點(diǎn)散射或產(chǎn)生的光遞送到樣品室外部的檢測器的光學(xué)設(shè)備。分析設(shè)備可以被布置成將分析束(比如電子束)沿分析軸線朝向樣品投射。分析設(shè)備可以包括電子顯微鏡。光學(xué)設(shè)備可以是被布置成改裝到分析設(shè)備的適配器。光學(xué)設(shè)備可以用于進(jìn)行光譜分析，比如拉曼光譜分析。

背景技術(shù)：

1、國際專利申請?zhí)杦o?99/58939披露了一種用于掃描電子顯微鏡的分析系統(tǒng)，該分析系統(tǒng)將電子束沿分析軸線投射到樣品上。拋物面反射鏡通常沿分析軸線安裝在樣品上方，并且反射鏡中的孔口允許電子束穿過到達(dá)樣品。反射鏡安裝在反射鏡固持器組件上，該反射鏡固持器組件具有總體上橫向于分析軸線的光軸。反射鏡固持器組件可以使反射鏡在其操作位置與遠(yuǎn)離分析軸線的非操作位置之間伸縮。

2、國際專利申請?zhí)杦o?03/014794a披露了一種結(jié)合有光譜系統(tǒng)的電子顯微鏡。拋物面反射鏡安裝在反射鏡固持器上。反射鏡固持器安裝到伸縮臂上，該伸縮臂能夠使拋物面反射鏡在操作位置與非操作位置之間移動(dòng)。伸縮臂安裝在導(dǎo)軌上并且可以通過伸縮螺桿沿導(dǎo)軌旋入或旋出，該伸縮螺桿可以是馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的。導(dǎo)軌和伸縮螺桿位于電子顯微鏡室真空的外部。

3、期望在電子顯微鏡中的樣品上的多個(gè)點(diǎn)處進(jìn)行光譜分析，這可以被稱為映射，其中光譜系統(tǒng)的光軸與電子束基本上同軸。此外，期望這種光譜系統(tǒng)可改裝到多種類型的電子顯微鏡上。顧客在購買電子顯微鏡的同時(shí)購買光譜設(shè)備是罕見的。因此，顧客可能只會(huì)在獲取電子顯微鏡之后考慮電子顯微鏡是否可以與光譜設(shè)備結(jié)合。限于與一臺或僅幾臺電子顯微鏡一起使用的光譜設(shè)備限制了這種設(shè)備的市場規(guī)模。為了減少對為光譜系統(tǒng)提供多個(gè)軟件模塊的需要以及軟件隨電子顯微鏡控制軟件的變化不斷適配的需要，期望一種可改裝的光譜設(shè)備能夠在不與電子顯微鏡接口連接的情況下對真空室中的樣品進(jìn)行映射。以這種方式，避免了提供光譜設(shè)備的與每種不同類型的電子顯微鏡兼容的控制系統(tǒng)的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于與分析設(shè)備一起使用的光學(xué)設(shè)備，該分析設(shè)備被布置成將分析束沿分析軸線朝向樣品室內(nèi)的樣品投射，該光學(xué)設(shè)備包括安裝在臂上的收集光學(xué)器件，該臂通過樣品室中的端口可插入或插入樣品室中，其中，臂可插入或插入樣品室中以定位收集光學(xué)器件，該收集光學(xué)器件用于將從樣品上的點(diǎn)散射或產(chǎn)生的光引導(dǎo)出樣品室。

2、光學(xué)設(shè)備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，臂可插入或插入樣品室中以定位收集光學(xué)器件，該收集光學(xué)器件用于將從樣品上的點(diǎn)散射或產(chǎn)生的光通過窗口引導(dǎo)出樣品室。以這種方式，當(dāng)臂插入樣品室中時(shí)，樣品室中的端口被密封。這可以使得能夠在樣品室中維持受控氣氛(比如真空)。

3、光學(xué)設(shè)備可以包括用于使收集光學(xué)器件在樣品室內(nèi)移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以被布置成使收集光學(xué)器件在至少兩個(gè)橫向方向上移動(dòng)(例如，使收集光學(xué)器件在至少兩個(gè)橫向方向上平移(線性運(yùn)動(dòng)))。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以被布置成使得當(dāng)臂插入樣品室中以定位用于引導(dǎo)光的收集光學(xué)器件時(shí)，收集光學(xué)器件可在基本上垂直于分析軸線的兩個(gè)橫向方向上移動(dòng)。以這種方式，收集光學(xué)器件可以引導(dǎo)從樣品上的多個(gè)不同點(diǎn)散射或產(chǎn)生的光。因此，可以通過使收集光學(xué)器件在樣品室內(nèi)移動(dòng)而不是使樣品移動(dòng)來進(jìn)行樣品的二維映射。這避免了光學(xué)設(shè)備與分析設(shè)備通信以引起樣品固持器移動(dòng)以使樣品移動(dòng)的需要。相應(yīng)地，光學(xué)遞送設(shè)備可以被布置成使收集光學(xué)器件移動(dòng)以引導(dǎo)從樣品上的多個(gè)不同點(diǎn)散射或產(chǎn)生的光，其中樣品位于分析軸線上。以這種方式，當(dāng)樣品在分析束下時(shí)，可以使用光對樣品進(jìn)行光譜成像/映射。

4、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以被布置成使臂移動(dòng)，其中，臂的移動(dòng)引起收集光學(xué)器件的移動(dòng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以被布置成使臂在至少兩個(gè)橫向方向上、并且優(yōu)選地在至少兩個(gè)正交方向上移動(dòng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以包括用于使臂平移的平移機(jī)構(gòu)。臂的平移可以引起收集光學(xué)器件的平移。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以包括笛卡爾坐標(biāo)操縱器，該笛卡爾坐標(biāo)操縱器被布置用于使臂在至少兩個(gè)不同的橫向方向上、并且優(yōu)選地在三個(gè)不同的橫向(并且優(yōu)選地正交)方向上移動(dòng)。

5、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以包括致動(dòng)器，這些致動(dòng)器用于致動(dòng)收集光學(xué)器件(以及可選地臂)在至少兩個(gè)橫向方向上的移動(dòng)。

6、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以被布置成使得當(dāng)臂被插入樣品室中以定位用于將光引導(dǎo)出樣品室的收集光學(xué)器件時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位于樣品室的外部。以這種方式，所使用的平移機(jī)構(gòu)和/或致動(dòng)器不限于適合在樣品室中形成的氣氛(比如真空)中使用的類型。例如，平移機(jī)構(gòu)和/或致動(dòng)器可以使用不適合在真空中使用的潤滑，例如因?yàn)槿绻谡婵罩惺褂?，潤滑將污染真空。如本文所使用的術(shù)語“真空”是指其中壓力顯著低于大氣壓(比如小于3pa)的氣氛。

7、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以包括基本上平行于臂的縱向軸線的第一線性軸線。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以被布置成使得沿第一線性軸線的移動(dòng)范圍足以將收集光學(xué)器件從分析束的路徑中撤出。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以被布置成使得沿第一線性軸線的移動(dòng)范圍足以將光學(xué)裝置的所有部分從分析束的路徑中撤出。以這種方式，其他儀器可以從樣品室中的其他端口插入分析束中。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以包括橫向于第一線性軸線的第二線性軸線。沿第一線性軸線的移動(dòng)程度可以大于沿第二線性軸線的移動(dòng)程度。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以包括橫向于第一線性軸線和第二線性軸線的第三線性軸線。沿第一線性軸線的移動(dòng)程度可以大于沿第三線性軸線的移動(dòng)程度。沿第二線性軸線和第三線性軸線的移動(dòng)可以僅需要足以用于映射即可，而沿第一線性軸線的移動(dòng)可以用于映射和將光學(xué)設(shè)備從分析軸線撤出。

8、收集光學(xué)器件可以具有在其中的孔口，該孔口用于允許分析束從其中穿過。收集光學(xué)器件可以是反射鏡，比如拋物面反射鏡。在映射過程中，收集光學(xué)器件可以被布置成相對于臂保持靜止。在一個(gè)實(shí)施例中，收集光學(xué)器件相對于臂固定。臂可以被布置成延伸穿過樣品室中的端口。臂可以被布置成相對于其延伸穿過的端口移動(dòng)。

9、臂可以包括管，并且收集光學(xué)器件被布置成將光沿管引導(dǎo)。應(yīng)理解的是，如本文所使用的術(shù)語“管”并不限于中空圓柱形，而是可以使用其他中空形狀，比如具有多邊形截面的形狀。優(yōu)選地，管是中空圓柱形管。管、特別是中空圓柱形管提供用于支撐收集光學(xué)器件的剛性結(jié)構(gòu)。

10、密封元件可以包括用于密封通向樣品室的端口的凸緣。凸緣可以包括孔口，收集光學(xué)器件將光引導(dǎo)穿過該孔口。臂可以被安裝成可在孔口內(nèi)相對于凸緣移動(dòng)?？卓诳梢杂晒潭ǖ奖凵系拇翱谝约懊芊饪卓诘脑诖翱谂c凸緣之間的一部分的密封件來密封。密封件可以包括管和氣密密封件，該氣密密封件防止空氣穿過管與凸緣之間的孔口。氣密密封件可以是圍繞管的外側(cè)附接并且附接到圍繞孔口的凸緣的可延伸元件(比如波紋管)。窗口可以安裝在樣品室中或安裝在管的要定位在樣品室中的遠(yuǎn)端上。相應(yīng)地，管內(nèi)側(cè)的大部分(如果不是全部)體積與樣品室密封開(并且在使用中將處于環(huán)境/大氣壓下)。窗口用作光學(xué)設(shè)備的在使用中暴露于空氣的屏障分隔元件(“空氣側(cè)”)以及在使用中暴露于樣品室中的氣氛(比如真空)的元件(“樣品室側(cè)”)。

11、光學(xué)設(shè)備可以包括檢測光學(xué)系，該檢測光學(xué)系用于將已經(jīng)穿過窗口的光遞送到光電檢測器。例如，光學(xué)系可以被布置成將光遞送到光纖。光纖可以可連接到光譜儀(比如拉曼光譜儀)，以用于分析光。光學(xué)設(shè)備可以包括用于檢測光的至少一個(gè)光電檢測器。光學(xué)設(shè)備可以包括呈一維陣列或二維陣列的多個(gè)光電檢測器。光學(xué)設(shè)備可以包括ccd檢測器或cmos檢測器。

12、光學(xué)設(shè)備可以包括遞送光學(xué)系，該遞送光學(xué)系用于將來自光源(比如激光或白光源)的照明或激發(fā)光遞送到收集光學(xué)器件，使得照明或激發(fā)光入射在樣品上。光學(xué)設(shè)備可以包括多個(gè)遞送光學(xué)系，每個(gè)遞送光學(xué)系用于將來自不同光源的光遞送到收集光學(xué)器件或?qū)?yīng)的收集光學(xué)器件。光學(xué)設(shè)備可以包括至少兩個(gè)收集光學(xué)器件，一個(gè)收集光學(xué)器件用于將激光引導(dǎo)到樣品(例如用于光譜分析)，另一個(gè)收集光學(xué)器件用于將非相干光引導(dǎo)到樣品(例如用于照亮樣品以進(jìn)行成像)。收集光學(xué)器件可以包括拋物面反射鏡。拋物面反射鏡可以適合于將激光束引導(dǎo)到樣品，并且將樣品在被激光束輻照的點(diǎn)處散射或產(chǎn)生的光沿臂引導(dǎo)。收集光學(xué)器件可以包括平面反射鏡以及可選地透鏡。平面透鏡可以適合于對樣品進(jìn)行成像。至少兩個(gè)收集光學(xué)器件可以包括拋物面反射鏡和平面反射鏡。

13、每個(gè)光學(xué)系可以與另一個(gè)光學(xué)系共用一些但不是全部的光學(xué)部件，這可以使用分束器或可以插入光源的光束路徑中的一個(gè)或多個(gè)可移動(dòng)光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)。光學(xué)系可以被布置成將來自每個(gè)光源的光沿公共光路引導(dǎo)。公共光路可以包括沿臂、比如通過管的光路。以這種方式，管的寬度可以小于承載多個(gè)非重合光路所需的寬度。可能期望使臂的寬度最小化，以便使臂在端口內(nèi)的移動(dòng)范圍最大化。

14、光學(xué)設(shè)備可以包括收集光學(xué)器件互換裝置，該收集光學(xué)器件互換裝置用于更換公共光路中的收集光學(xué)器件。收集光學(xué)器件互換系統(tǒng)可以包括固持器，收集光學(xué)器件安裝在該固持器上，該固持器被布置成可相對于光路移動(dòng)以將每個(gè)收集光學(xué)器件定位在公共光路中。固持器可以安裝到臂，優(yōu)選地安裝到臂的遠(yuǎn)端。固持器可以可旋轉(zhuǎn)地安裝在臂上，使得固持器可以旋轉(zhuǎn)到多個(gè)不同位置，每個(gè)位置對應(yīng)于使收集光學(xué)器件中的不同收集光學(xué)器件位于光路中。收集光學(xué)器件互換裝置可以包括用于使固持器移動(dòng)的致動(dòng)器。致動(dòng)器可以被布置在光學(xué)設(shè)備中的某一位置處，使得在使用中固持器位于樣品室中時(shí)，致動(dòng)器位于樣品室外部，以及傳動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置，用于將致動(dòng)器在樣品室外部的移動(dòng)傳遞到固持器在樣品室內(nèi)的移動(dòng)。傳動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置可以將圍繞基本上平行于公共光路的軸線的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)或沿該軸線的線性移動(dòng)轉(zhuǎn)換成固持器橫向于公共光路的移動(dòng)。

15、光學(xué)設(shè)備可以包括光源。

16、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以包括用于將臂的移動(dòng)限制到指定范圍的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，該驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可編程以調(diào)節(jié)該指定范圍。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以包括用于測量驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的軸線或每條軸線的位置的編碼器。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可以基于指定范圍和由編碼器生成的位置測量值來限制臂的移動(dòng)程度。編碼器可以是絕對位置編碼器。絕對位置編碼器在無需移動(dòng)到參考位置的情況下獲得驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置。以這種方式，光學(xué)設(shè)備可以適配在樣品室內(nèi)具有不同幾何布置的不同分析設(shè)備，使得避免臂與樣品室中的其他部件的碰撞(所謂的“地理圍欄”)。

17、光學(xué)設(shè)備可以包括制動(dòng)器，該制動(dòng)器用于抵抗由樣品室內(nèi)的氣氛與樣品室外部的氣氛之間的壓力差在臂上引起的力來固持驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。例如，在使用中，可以在樣品室中形成真空，使得在沒有對臂施加力的情況下，臂將由于外部氣氛與真空之間的壓力差而被迫進(jìn)入樣品室中。當(dāng)沒有向致動(dòng)器施加動(dòng)力時(shí)(例如當(dāng)存在動(dòng)力損失或?yàn)榱吮苊庑枰粩嗟叵蛑聞?dòng)器施加動(dòng)力時(shí))，制動(dòng)器可以抵抗壓力差引起的力來保持臂的位置。相應(yīng)地，當(dāng)沒有施加動(dòng)力時(shí)，制動(dòng)器可以(在正常操作中)開啟。

18、光學(xué)設(shè)備可以包括用于測量樣品室中的壓力的壓力傳感器。例如，壓力傳感器可以被布置成測量可延伸密封件(比如波紋管)中的壓力或凸緣的樣品室側(cè)上的壓力。光學(xué)設(shè)備可以包括光源控制系統(tǒng)，該光源控制系統(tǒng)被配置成如果樣品室中的測得壓力偏離預(yù)設(shè)操作壓力，則使至少一個(gè)光源(比如激光器)關(guān)閉(或強(qiáng)度降低)。例如，光源控制系統(tǒng)被配置成如果樣品室中的測得壓力與外部壓力基本上相同，則使至少一個(gè)光源(比如激光器)關(guān)閉(或強(qiáng)度降低)。壓力傳感器可以測量樣品室中的壓力與樣品室外部的壓力之間的差值，并且光源控制系統(tǒng)被配置成如果測得的差值基本上為零，則使至少一個(gè)光源(比如激光器)關(guān)閉(或強(qiáng)度降低)。以這種方式，如果使用者打開通向樣品室的門，則光源(比如激光束)被關(guān)閉或強(qiáng)度降低，使得避免使用者暴露于潛在的破壞性光(比如高強(qiáng)度激光)。這避免了將光學(xué)設(shè)備的控制系統(tǒng)配置成與分析設(shè)備的控制系統(tǒng)通信以確定何時(shí)打開通向樣品室的門。

19、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種收集從分析設(shè)備的樣品室中的樣品散射或產(chǎn)生的光的方法，該分析設(shè)備被布置成將分析束沿分析軸線朝向在樣品室內(nèi)的樣品投射，該方法包括：操作樣品室外部的一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器以使收集光學(xué)器件在樣品室內(nèi)移動(dòng)，使得針對收集光學(xué)器件在樣品室中的多個(gè)位置中的每一個(gè)位置，收集光學(xué)器件引導(dǎo)來自樣品上的不同點(diǎn)的光。

20、根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種收集從分析設(shè)備的樣品室中的樣品散射或產(chǎn)生的光的方法，該分析設(shè)備被布置成將分析束沿分析軸線朝向在樣品室內(nèi)的樣品投射，該方法包括：操作樣品室外部的一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器，以改變樣品室中的多個(gè)收集光學(xué)器件中的哪一個(gè)收集光學(xué)器件位于樣品室中的以下位置：在該位置，收集光學(xué)器件引導(dǎo)樣品散射或產(chǎn)生的光通過窗口并離開樣品室。

21、根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種用于與樣品室一起使用的探頭，該探頭包括：安裝在臂上的探測元件，臂可插入或插入樣品室中以將探測元件定位在樣品室內(nèi)；用于使臂移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中，臂的移動(dòng)引起探測元件在樣品室內(nèi)的移動(dòng)；以及用于將臂的移動(dòng)限制到指定范圍的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，該驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可編程以調(diào)節(jié)該指定范圍。

22、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以包括用于測量驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的軸線或每條軸線的位置的編碼器。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可以基于指定范圍和由編碼器生成的位置測量值來限制臂的移動(dòng)程度。編碼器可以是絕對位置編碼器。以這種方式，探頭可以適配在樣品室內(nèi)具有不同幾何布置的不同樣品室，使得避免臂與樣品室中的其他部件的碰撞(所謂的“地理圍欄”)。

23、根據(jù)本發(fā)明的第四目的，提供了一種用于與樣品室一起使用的探頭，該樣品室被布置成將內(nèi)部氣氛維持在與外部氣氛不同的壓力下，該探頭包括：安裝在臂上的探測元件，臂可插入或插入樣品室中以將探測元件定位在樣品室內(nèi)；用于使臂移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中，臂的移動(dòng)引起探測元件在樣品室內(nèi)的移動(dòng)；以及制動(dòng)器，該制動(dòng)器用于抵抗由內(nèi)部氣氛與外部氣氛之間的壓力差在臂上引起的力來固持驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

24、制動(dòng)器可以被布置成在沒有動(dòng)力施加到探頭上時(shí)固持驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

25、根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供了一種用于改裝到樣品室的適配器，該樣品室被布置成將內(nèi)部氣氛維持在與外部氣氛不同的壓力下，該適配器包括：光源和安裝在臂上的遞送光學(xué)器件，臂可插入樣品室中以定位該光學(xué)器件，該光學(xué)器件用于將由光源產(chǎn)生的光引導(dǎo)到樣品室中的目標(biāo)；壓力傳感器，該壓力傳感器用于測量樣品室中的壓力；以及光源控制系統(tǒng)，該光源控制系統(tǒng)被配置成如果由壓力傳感器測量的測得壓力偏離預(yù)設(shè)操作壓力，則使光源關(guān)閉。

26、光源控制系統(tǒng)可以被配置成如果樣品室中的測得壓力與外部壓力基本上相同，則使光源關(guān)閉。壓力傳感器可以測量樣品室中的壓力與樣品室外部的壓力之間的差值，并且如果測得的差值基本上為零，則光源控制系統(tǒng)被配置成使光源關(guān)閉。

27、光源可以是激光器。