專利名稱：執(zhí)行自動atr光譜分析的方法及成像atr系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種使用衰減全內反射(ATR)的光譜儀。
背景技術：
ATR是ー種用于FT-IR光譜儀之類的光譜儀中的技木，以便從那些難以通過透射或反射等其他方式來分析的樣品中獲得光譜測量。典型地，用于執(zhí)行ATR測量的裝置包括提供波長辨別的光譜儀、用于將光直射到樣品上的照明系統(tǒng)、提供樣品平面的ATR鏡片、和接收已經(jīng)與樣品交互作用的光的收集/探測系統(tǒng)。ATR鏡片以一定的方式布置，以便通過全 內反射現(xiàn)象的方式反射來自指定樣品平面的所有入射光。與樣品相關的光譜信息從樣品與緊接著反射表面外部而存在的消失電場的交互作用中獲取。從該場的能量的吸收減弱了反射，并在光束上印上了光譜信息。可以基于這些原理，通過布置將樣品區(qū)域照明并通過布置收集系統(tǒng)以獲取成像屬性，來構建成像ATR系統(tǒng)。從樣品的空間差別區(qū)域返回的光被收集到探測器上或諸如ー維或ニ維探測器陣列的探測器陣列上，由此收集到光譜信息，其能夠編譯進樣品的光譜圖像中。成像ATR系統(tǒng)能夠以諸如Perkin Elmer Spotlight顯微鏡的反射顯微鏡形式構建。在這種配置中，通過成像光學鏡片就將光引導至反射樣品上并從該反射樣品來收集。用于該系統(tǒng)的ATR光學鏡片能夠方便地包括由諸如鍺的高折射率材料制成的半球狀平凸透鏡。所述光學鏡片被布置為使得凸球狀表面被引導朝向顯微鏡光學鏡片，而其曲率中心被布置為與成像系統(tǒng)的焦平面重合。所述樣品被呈現(xiàn)到ATR的平坦表面。所述顯微鏡包括可移動載物臺，該可移動載物臺具有在處理器控制下用于將載物臺沿x、y、z方向移動的相關馬達。使用小線性陣列探測器并將載物臺以及相隨的晶體/樣品組合物相對于顯微鏡的光軸橫向地物理移動，來執(zhí)行成像。隨著載物臺被移動，探測器可探測到來自樣品不同部分的圖像，采用此方式能夠累積一空間圖像。在這種類型的布置中存在許多要求和問題。樣品的關注區(qū)域必須通常在視覺上是可識別的，并且被大約放置在顯微鏡視場中心。這通常意味著要取出ATR晶體，因為它通常由諸如鍺等的對可見光不透明的材料制成。ATR晶體必須被放置為使它的樣品接觸面緊密接觸樣品。這在獲取焦點中的紅外圖像時會導致ー些問題。當使晶體與樣品接觸時，樣品會移動。另外，晶體可能由于其形狀而導致散焦。例如，如果晶體的厚度并不與其曲面半徑精確相同。因為晶體材料具有大約為4的高折射率，這種效應被放大。因此小制造誤差可變得明顯
發(fā)明內容
本發(fā)明涉及對ATR光譜系統(tǒng)布置的改進，意在克服上述和其他問題。根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供ー種被布置來執(zhí)行ATR測量的顯微鏡的附件，所述附件包括能夠安裝在所述顯微鏡的可移動載物臺上的支撐件以及被承載在所述支撐件上的用于安裝ATR晶體的安裝構件，所述安裝構件被安裝和布置在所述支撐件上，使其能夠在一個其中被安裝在所述安裝構件上的晶體與所述顯微鏡的光軸對準的位置與一個其中所述晶體從所述光軸偏離開的位置之間移動。所述安裝構件可以包括細長臂，該細長臂可樞轉地于一端處支撐于第一引導銷上，所述臂圍繞所述銷樞轉，以允許所述安裝構件的所述移動。所述臂的另一端具有開ロ，當所述安裝構件位于其中所述晶體處于所述光軸上的位置中時，所述開ロ接合ー個被所述支撐構件承載的第二銷。所述臂可以沿著所述第一引導銷的軸線被提升，以使得所述另一端移離所述第二引導銷，以允許所述樞轉運動。 一個制動機構可以被關聯(lián)到所述臂的所述一端以及所述第一引導銷，當所述臂返回到其中所述晶體對準所述光軸的位置中時，所述制動機構可操作地允許所述臂沿著所述第一引導銷受控下降。所述制動機構包括環(huán)，該環(huán)被所述臂承載并且位于所述第一引導銷周圍，所述環(huán)的內直徑略大于所述第一引導銷的內直徑；偏置裝置，其可操作地偏置所述環(huán)，從而使所述環(huán)的圓周部分摩擦接合所述引導銷的表面部分；和可手動操作的裝置，其可操作地作用到所述偏置裝置以減輕或釋放所述摩擦接合并從而允許所述環(huán)相對于所述弓I導銷軸線移動。所述安裝構件以一種如下的方式被承載以使得能夠檢查所述晶體的樣品接合表面，例如檢查晶體是否被損壞或被污染，所述方式為使安裝構件能夠遠離其安裝狀態(tài)并能夠通過圍繞其縱向軸線旋轉而返回。本發(fā)明的這方面通過使用可移動的安裝構件而使得被安裝在這樣的顯微鏡載物臺上的晶體能夠被移開并接著精確且可再現(xiàn)地返回到其原始位置。根據(jù)本發(fā)明第二方面，提供ー種被布置來執(zhí)行ATR測量的顯微鏡的附件，所述附件包括能夠安裝在所述顯微鏡的可移動載物臺上的支撐件；有ATR晶體安裝在其中的安裝構件，所述晶體具有樣品接觸區(qū)域；以及被定位為使得其相對于樣品接觸區(qū)域固定的記錄標記(registration indicium)。晶體可具有與所述接觸區(qū)域相對的大致半球狀的表面，并且所述記錄標記可位于半球狀表面的頂點區(qū)域處。標記可包括在半球狀表面上的平臺或者在半球狀表面上的標志。根據(jù)本發(fā)明第三方面，提供ー種操作設置有根據(jù)所述第二方面的附件的顯微鏡的方法，所述顯微鏡包括用于控制可移動載物臺的移動的處理裝置，以及所述處理裝置已經(jīng)在其中記錄了涉及ATR晶體高度的預定參數(shù)，所述方法包括最初移動顯微鏡的載物臺以對記錄標記聚焦，并將載物臺移動一由所述參數(shù)限定的預定豎直距離，以便對與所述樣品接觸區(qū)域接觸的樣品聚焦。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種用于根據(jù)所述第二方面的顯微鏡中或根據(jù)所述第三方面的方法中的校準ATR晶體的方法，所述方法包括選擇在顯微鏡光譜范圍內展現(xiàn)出強勁吸收并具有一個在與ATR晶體接觸時產(chǎn)生分明(sharp)的空間邊緣的幾何形狀的測試樣品，所述方法包括使晶體的樣品接觸區(qū)域與測試樣品接觸，從而在晶體的初始豎直位置獲得測試樣品的紅外圖像，處理該圖像以對所述邊緣提取斜率信息，針對晶體的不同豎直位置重復該過程，將展現(xiàn)最大斜率的位置識別為最優(yōu)豎直位置，并根據(jù)所述識別的最優(yōu)位置推導針對所述晶體的校準參數(shù)。上述處理可包括，對于每個豎直位置，對所獲得的圖像進行光譜過濾，以提取在測試樣品強烈吸收的波長處的吸收的空間圖。所述方法可包括提取ー橫貫了所述波長下的所述吸收圖的空間上分明的形貌(feature)的橫截面。所述方法可包括對上述橫截面進行微分以提取斜率數(shù)據(jù)，并對圖像中的一可識別形貌測量最大斜率。測試樣品可為塑性材料，例如微凸印的聚合物，例如Vikuiti亮度增強薄膜。 本發(fā)明的第二、第三和第四方面提供一種設備，其允許確定晶體相對于顯微鏡的最優(yōu)位置并且能夠與晶體的制造公差相適應。它可以將晶體定位于最優(yōu)豎直位置，以便以與樣品厚度無關的、可復制的方式獲得聚焦的紅外圖像。根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供ー種被布置來執(zhí)行ATR測量的顯微鏡的附件，所述附件包括能夠安裝在所述顯微鏡的可移動載物臺上的支撐件；被承載在所述支撐件上的用于安裝ATR晶體的安裝構件；在ATR晶體的位置下方設置的樣品支撐構件，所述樣品支撐構件具有其上可接收樣品的表面；和壓カ施加裝置，其設置于所述樣品支撐構件下方，用于沿所述晶體的方向將壓カ施加到所述樣品支撐構件。所述壓カ施加裝置可包括球狀構件，壓カ可通過該球狀構件施加到所述樣品支撐構件。這就允許所述支撐構件可以有一有限的傾斜，以便適應不規(guī)則樣品。壓カ施加裝置可包括彈簧偏置裝置。彈簧偏置裝置可包括被彈簧朝向晶體推動的鎖銷(plunger)。球狀構件可為滾球軸承，并且所述鎖銷接觸所述滾球軸承。所述附件可包括齒條和耦接到所述鎖銷的小齒輪裝置，所述齒條可手動移動以影響小齒輪的轉動，以此使鎖銷軸向運動，從而施加或釋放被施加到樣品支撐構件的壓カ。能夠施加到樣品支撐構件的壓カ是可調節(jié)的。通過其而使壓カ施加裝置發(fā)揮作用的樣品支撐構件區(qū)域相對薄，以確保壓カ施加點盡可能靠近晶體。本發(fā)明的這方面提供一種簡單有效的裝置，用于確保樣品被保持與晶體的樣品接觸面進行良好接觸。根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供ー種被布置來執(zhí)行ATR測量的顯微鏡的附件，所述附件包括可固定到顯微鏡的可移動載物臺上的支撐件，被所述支撐件承載用于安裝ATR晶體的安裝構件，以及布置在ATR晶體位置下方的樣品支撐構件，所述樣品支撐構件限定樣品接收表面，所述樣品支撐構件被承載在所述支撐件上，以致使該樣品支撐構件可相對于ATR晶體移動并限定一能夠相對于顯微鏡的主載物臺移動的副載物臺。樣品支撐構件可包括平坦上表面和側表面，并且所述附件包括用于調節(jié)樣品支撐構件在支撐件上的位置的位置調節(jié)裝置。位置調節(jié)裝置可包括一對螺釘，該對螺釘用于逆著偏壓彈簧推動所述構件。螺釘可被定位為沿著正交方向作用，并且所述彈簧被布置為沿著所述方向的平分線作用。每個螺釘作用于其上的表面可相對經(jīng)過晶體的軸線成一小角度，從而使每個螺釘具有將樣品支撐構件朝向所述支撐件移動的作用。本發(fā)明這方面提供了副載物臺，該副載物臺使樣品位置可以被調節(jié)，而不會影響顯微鏡的主載物臺的任何先前設置?？梢岳斫獾氖?，上文限定的本發(fā)明的各方面的特征可進行組合使用。


現(xiàn)在將僅具體參照附圖通過示例來描述本發(fā)明。附圖中圖I是圖示公知的FT-IR顯微鏡的主要元件的示意性側視圖；
圖2是ー個用于ATR顯微鏡的附件的示意性立體圖，所述附件根據(jù)本發(fā)明ー實施方案構建；圖3是顯示位于顯微鏡的可移動載物臺中的所述附件的立體圖；圖4是沿圖2的線Z-Z截取的截面圖；圖5是類似于圖3的截面圖，其顯示顯微鏡中附件相對于卡塞格倫物鏡(.objective cassegrain lens)的位直；和圖6是圖4的一部分的放大截面圖；圖7是所述附件的平面圖；圖8是沿圖7的線V-V截取的截面圖；圖9是沿圖7的線W-W截取的截面圖；和圖10和11圖示了一個結合了所述附件的成像顯微鏡的操作。
具體實施例方式參照圖1，該圖示出FT-IR顯微鏡的主要元件，這些元件包括設置在視/IR鏡(view/IR mirror) 11的上方的光學顯微鏡10,視/IR鏡11又設置在遠孔12上方。位于遠孔12下方的是透射/反射鏡14，其位于卡塞格倫物鏡組件16和聚光器卡塞格倫組件18之上。在這兩個卡塞格倫組件之間布置有可移動載物臺20，該可移動載物臺限定用于分析的樣品的位置。位于聚光器卡塞格倫(condenser cassegrain assembly)18下方的有平面鏡22，其可引導來自耦合光學鏡片24的輻射，所述耦合光學鏡片24又被配置為接收來自輻射源的輻射。這種類型的顯微鏡可用于反射率和透射率測量。聚光器卡塞格倫18和平面鏡22主要用于透射率測量。為進行反射率測量，耦合光學鏡片24被傾斜以將輻射引導至透射/反射鏡14，該透射/反射鏡然后將輻射的大部分向下引導穿過卡塞格倫物鏡16而照射至樣品上。輻射從樣品反射回來，穿過卡塞格倫物鏡16。本發(fā)明的實施方案所涉及的是采用反射模式。裝置還包括探測器和卡塞格倫裝置26，該卡塞格倫裝置用于結合未示出的IR光譜儀來執(zhí)行光譜分析。此類裝置的操作將為本領域技術人員所知，當結合ATR晶體時，此類裝置的操作的更多細節(jié)例如可從EP-A-0730145和EP-A-0819932中得知。本說明涉及一種可位于顯微鏡的可移動載物臺20上以使得能夠執(zhí)行ATR成像測量附件。參照附圖中的圖2-9，所述附件的一個實施方案包括呈基板40形式的支撐件，其采用螺釘43連接到支架42?；?0位于ー個形成于顯微鏡的可移動載物臺20中的凹部22內。載物臺20可在處理器控制下通過合適的馬達沿X、y、z方向移動,如本領域技術人員公知的。基板40通過附圖中未示出的一些螺釘在凹部22中固定就位。支架42提供了ー種在將附件放置到載物臺上時或者將附件從載物臺20取出時保持該附件的裝置?；?0的下表面在44處凹進,并且孔45延伸通過基板并與凹部44連通?；?0的上表面支撐一個站座60,該站座60包括一個樣品支撐件。姑座60在平面圖上呈大致圓形，并且位于卡圈(collar) 62內的圓形開口中。如圖2可見,卡圈的外邊緣呈大致正方形，并且卡圈中的內圓形開ロ略大于站座的外圓形表面，從而使站座能夠在卡圈的界限內以一有限程度移動。砧座具有相對厚的環(huán)形側壁63和相對薄的頂壁64。凹部65限定在頂壁64和側壁63之間。站座的頂表面承載可移動板67,板的頂表面65構成樣品支撐表面。突出部66從壁62徑向向外延伸以位于卡圈的懸伸部下方。這種布置允許砧座進行小的豎直運動。 砧座采用兩個可手動操作調節(jié)的螺釘70、71和彈簧74在卡圈中固定就位，調節(jié)螺釘70、71朝向頸圈前部就位，彈簧74 (圖4)設置在卡圈背部。所述彈簧通過螺釘75固定就位。螺釘70、71被布置為使它們的軸線正交地朝砧座的軸線延伸，并且彈簧74被設計為沿著螺釘軸線之間的角的平分線發(fā)揮作用。因此，通過手動操作螺釘70、71，可以使砧座在卡圈62的界限內運動。每個螺釘被布置為抵著砧座表面作用，該表面與穿過砧座的軸線呈一小角度傾斜。彈簧74也被布置于ー小角度下發(fā)揮作用，并且這種布置確保了存在施加到石占座上的ー個小的豎直力，該カ用于將站座壓向基板40。上文所述的砧座裝置構建了副載物臺，該副載物臺能夠相對于顯微鏡本身的可電子地移動的載物臺20移動。用于將壓力施加于頂壁64下側的壓力施加機構80被設置在站座60下方。壓カ施加機構包括管狀插入件81，該管狀插入件帶有內螺紋，并且位于基板的孔45內。螺紋插入件81在其上端容納ー個設置在球狀引導件83內的滾球軸承82。滾球軸承通過彈簧84向上偏置，以接觸頂表面64的下側，彈簧84通過頂帽(top-hat)鎖銷85推動球。該鎖銷85設置在鎖銷引導管86中，鎖銷引導管86通過螺紋旋入管狀插入件81中井向下延伸到凹部44中。彈簧通過螺釘89保持在引導件86中，螺釘89可用于調節(jié)彈簧的預負載。小齒輪90固定在引導管86的下端周圍，并連接到螺釘。小齒輪90通過中間齒輪92耦接到齒條(rack)91，中間齒輪92可圍繞軸93旋轉。所述齒條可通過圖2所示的可手動操作的旋鈕94縱向移動。當齒條縱向移動時，這就導致小齒輪90旋轉，并且這進而導致將引導管保持處于管狀插入件81內的彈簧鎖銷的對應旋轉。根據(jù)齒條的移動方向，保持引導管86的旋轉提升或降低管86，從而使得要么通過球82將ー提升力施加到砧座或要么使石占座下降。用于ATR晶體的安裝件承載在砧座60上方。該安裝件包括于其相対的兩端處得到支撐的縱長臂100。所述臂具有帶有環(huán)形構造102的第一端101，在環(huán)形構造102中設有一對襯套，并且該環(huán)形構造102位于被承載在基板40上的引導銷103上。所述臂也具有帶孔105的中央部分，孔105具有階梯形側部。所述孔包括用于如圖4所示的ATR晶體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，該L形槽可接納ー個被承載在基板40上的第二引導銷110。設置鎖定螺釘111以將臂100鎖定就位于引導銷上。臂100的第一端101設置有一個結合引導銷103進行操作的制動機構。參照圖9，環(huán)形構造102具有拼合內襯套150，該拼合內襯套帶有上和下部分151和152。剛性制動環(huán)153布置在襯套部分151和152之間。制動環(huán)的內直徑略大于引導環(huán)103的外直徑。環(huán)153通常被彈簧155偏置以接觸銷103，彈簧155被彈簧保持器和制動釋放止擋機構156固定就位于環(huán)形構造102中。在彈簧的直徑相對處設置制動釋放按鈕158，該制動釋放按鈕被受控地保持在環(huán)形構造102中。按鈕158的徑向內端緊靠制動環(huán)153定位。當按鈕158被壓下時，環(huán)153徑向移動到其各部分都不接觸銷103的位置，從而釋放制動作用。機構156限制環(huán)153可移動的程度。參照圖8，環(huán)形構造102還包括與銷103徑向間隔開的軸向延伸孔160。當臂100處于如圖2所示的位置吋，孔160接收被承載在基底40上的直立支撐銷162。如果臂100沿著銷103的軸線被提升從而使孔160移除銷162，則臂100就能夠圍繞引導銷103轉動而遠離如圖2所示的位置。銷162然后能夠接觸臂100的下側，以將其保持在提升位置。臂 100能夠被轉回到如圖2所示的位置，當銷162和孔160對準時，可以使臂降低到原來的位置。銷162和孔160的布置與引導銷110在槽109中的位置相結合，確保了臂100處于正確且可再現(xiàn)的位置，并因此確保了晶體106在顯微鏡的光軸上處于正確且可再現(xiàn)的位置。晶體106通常為半球狀并且由鍺制成。下表面通常呈淺錐形式，并具有構成樣品接觸區(qū)域的平坦中央?yún)^(qū)域112。晶體106被結合在安裝環(huán)108內，安裝環(huán)108被保持在臂100中的開ロ 105內。所述臂可包括滑動防塵蓋(未示出)，其在晶體不使用時覆蓋該晶體。使用中，相對于顯微鏡定位晶體，使樣品接觸區(qū)域112的中心基本處于顯微鏡的焦點處。在ATR晶體用于ATR成像的情況下，晶體設計的優(yōu)化是重要的。有別于樣品透射或反射成像，當執(zhí)行ATR成像時，需要更寬的照明范圍。進ー步，在包含掃描的成像系統(tǒng)的情況中，照明在整個視場中可以適當?shù)厥遣痪鶆虻?，因此如果想獲得有效清晰圖案必須進行ー些補償。雖然這能夠以軟件實現(xiàn)，但由發(fā)明人所進行的光學建模工作已經(jīng)顯示，晶體的曲率半徑影響了照明的均勻度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對于給定的照明光學器件和探測器的布置存在優(yōu)化半徑，從而在保持處理量的同時可以最小化整個指定圖像區(qū)域的變化。這種技術已經(jīng)顯示，6. 75mm的晶體半徑對于附圖中所示的布置而言是最優(yōu)的。通過使用輻射追蹤技術結合已考慮極化效應的適當假設，可以獲得該圖像。操作此程序所發(fā)現(xiàn)的是，對于ATR光學鏡片上的小曲率半徑，從樣品區(qū)域的中央所接收的能量高，但是從其他部分接收的能量相對較低。樣品的圖像因此在空間上亮度非常不均勻，即使樣品本身在空間上均勻。隨著ATR光學鏡片的曲率半徑被允許增大，整個樣品區(qū)域的信號的均勻度提高到這樣ー個程度，即來自中心和邊緣的信號大致相等。由此方式限定的照明均勻度可用作選擇優(yōu)化的曲率半徑的度量。如果允許進ー步増大曲率半徑，則從樣品區(qū)域的所有點接收的總能量典型地被看成，初始在某一特定曲率半徑處增大超過一峰值，然后到一極大的半徑時再次下降。出現(xiàn)峰值總能量處的半徑可被選為相當于上文中所指的設計優(yōu)化值。臂100以附圖所示方式安裝在引導銷103、110上，使得能夠通過將臂100向上提升而使該臂移離引導銷。然后所述臂能夠繞其縱軸反轉，并重新放到引導銷上，以使得晶體的樣品接觸面最高。這使得能夠使用顯微鏡的視覺檢查設備來檢查晶體的樣品接觸面，從而允許對其狀況進行評估。引導銷103、110的布置還允許所述臂被提升然后圍繞銷103樞轉，以允許晶體移出顯微鏡的光學路徑。這是能夠發(fā)生的，因為引導銷110的頂部低于引導銷103。在該位置處，臂100被銷162保持在其提升位置處。槽109允許通過將銷110定位在槽109中而對臂100進行精確的再定位。鎖定螺釘允許所述臂鎖定在選定高度處，例如使晶體接觸樣品。另外，晶體106在半球狀表面的頂點處設置有記錄標記。該標記可采用在半球狀表面上形成的平臺形式，或者在表面本身上做標記的一些其他形式。如將要描述的，該記錄標記用于在水平和豎直方向上正確定位晶體。記錄標記不是必須得處于半球狀表面的頂點，盡管這是最方便和優(yōu)選的位置。標記可處于附件上的任意位置，只要該位置相對于樣品接觸區(qū)域12機械固定并且通過顯微鏡的觀察系統(tǒng)可見。如附圖可見，臂100在其位于基板40上時需要朝向樣品接收表面下降。重要的是，控制這種運動以便避免損害特別是對于晶體的損害，為此，附件設置有制動機構153、155、156、158，它們位于包含引導銷103的結構120內。制動機構通常防止所述臂在重力下落下， 并被設置用來避免對晶體106造成無意損害。按鈕158被手動操作以釋放制動，并使臂100可以下降。可釋放制動機構的使用，使用戶能夠在臂和引導銷之間沒有任何摩擦的情況下下降所述臂，從而使用戶更能控制下降操作。優(yōu)選設置在晶體106頂點處的記錄標記用于將晶體與顯微鏡的光軸對準，從而對任意的成像掃描提供一限定的起始位置。儀器軟件設有橫向偏置參數(shù)，所述橫向偏置參數(shù)允許ATR圖像與可見光圖像或者與常規(guī)透射/反射圖像精確對準。另外，該軟件設有預校準的晶體高度參數(shù)，該參數(shù)限定晶體106和樣品應該從初始位置提升的距離，以使得可以通過顯微鏡系統(tǒng)的紅外部分對樣品表面清晰聚焦。這是重要的，因為晶體106對可見光不透明，并且當晶體就位時不可能進行手動樣品聚焦。為了標記晶體位置，晶體106及其安裝臂100位于副載物臺或砧座上方而無樣品就位。提議所述儀器的用戶使用可視相機聚焦于臂100上所說的起始點的這一點。這圖示于附圖中圖10的120處。所述系統(tǒng)然后運行以在x、y、z坐標系中移動預定距離，到達作為基準或記錄標記的晶體頂部中央。用戶然后確認對中心的定位和聚焦是正確的，做出可能需要的任何小調整。所述系統(tǒng)然后將載物臺坐標系原點(0，O, O)設置為已確認位置。晶體高度和聚焦設置的校準能夠執(zhí)行如下。在這方面，需要認識到，晶體形狀(曲率半徑和厚度)中的小改變可引起所要求的聚焦設置的顯著飄移。由于鍺的折射率高，所以不能可視地確定焦點，因為晶體對于可見光不透明，以及它要求樣品具有界限明顯的空間結構以及可被ATR檢測的強光譜吸收帶。發(fā)明人已經(jīng)開發(fā)了ー種新穎方法從而可確定優(yōu)化的ATR聚焦設置。該方法使用優(yōu)選包括一小段3mVikuiti BEF 11薄膜的測試樣品。這是ー種塑料片，該塑料片的表面微凸印有ー組平行的三棱鏡，每個棱鏡具有90°頂角以及50或24微米的周期。所述材料通常被用來提高LCD顯示面板的亮度。使ATR晶體接觸棱鏡結構，以使得頂點被接觸壓カ壓扁，從而導致形成ー組平行的矩形接觸區(qū)域，其間距與基本材料相同。每個區(qū)域具有分明的邊緣。為了確定最優(yōu)聚焦，在場中心周圍獲得了小的精細分辨率圖像，并且提取了窄波段圖像，該窄波段圖像處于材料的光譜吸收的中心。該技術包括提取與邊緣正交的吸收圖橫截面。通過檢查所述橫截面在接觸邊緣的斜率，估計聚焦度。在晶體的不同豎直位置處進行測量，并且斜率隨著接近最優(yōu)聚焦而増大，并且在離開最優(yōu)聚焦時再次下降?？赏ㄟ^在一系列于不同聚焦設置下進行的掃描之間進行插值來發(fā)現(xiàn)最優(yōu)位置。應該注意到，樣品薄膜的變形取決于接觸壓力，并且這可用作確定足量壓カ正在施加于樣品的方法。更為概括地來說，通過使用帶有特別屬性的測試樣品并檢查該樣品的紅外圖像以獲取空間分明度，實現(xiàn)晶體校準。晶體的豎直移位逐步改變，并且在每個步驟中記錄圖像分明度，以便確定最優(yōu)位移。該過程包括a)在初始豎直位移處獲得紅外圖像，該初始豎直移位通過找出于該處最大紅外能量被傳送穿過晶體的位置來估計。該位置可能并不同于最優(yōu)聚焦位置。b)對所述圖像進行光譜過濾以提取在樣品吸收強烈的波長下的吸收的空間圖。此 為材料屬性的函數(shù)。c)提取該波長下吸收圖的ー橫截面，該橫截面穿過圖像中的空間上分明的形貌ー在當前情況下為聚合物和空氣之間的邊緣。d)對橫截面進行數(shù)學微分以提取斜率信息，并且對圖像中的一可識別形貌測量最大斜率。e)反復調節(jié)晶體位移，從而使給定形貌下的橫截面的斜率最大化。獲取最大斜率處的豎直晶體位置為樣品圖像處于最優(yōu)聚焦處的位置。該值(相對于索引標記來測量)被記錄為提供給用戶的晶體高度參數(shù)。f)任何新的/替換的晶體將具有新的校準值，用戶必須將該校準值輸入到儀器的控制軟件。原則上，測試樣品可為具有能夠提供空間分明的形貌的紅外吸收的任意材料，該空間分明的形貌理想地比顯微鏡系統(tǒng)的預期空間分辨率要小。這通常表示那些分明的形貌的尺度約為3微米。測試樣品應為“ATR-可兼容” ー換句話說，它應該提供在ATR附件的光譜范圍內的清晰光譜吸收，并且分明的形貌在被擠壓而與樣品表面緊密接觸時必須繼續(xù)存在，不會被抹掉或者平滑掉。分明的形貌可包括被設計的精細結構，例如線，格子或網(wǎng)格，或替換性地在兩種不同材料(其中ー種材料可為呈空隙形式的空氣)之間的分明的邊緣。如果通過在均勻材料中形成低凹來構建所述形貌，則在接觸晶體時低凹應該具有大于數(shù)微米的深度，并且從接觸到非接觸的過渡部分應該是分明的。如上文所述，當前優(yōu)選材料為ー特殊的微凸印的聚合物樣品(由3M制造的Vikuiti光控制薄膜)，因為它提供了方便、便宜且可再現(xiàn)的測試樣品。所述材料包括規(guī)則的屋脊棱鏡陣列，該屋脊棱鏡的脊部通過與晶體接觸而被方便地壓扁，以形成直“桿”接觸。這些接觸區(qū)域的邊緣的幾何結構為材料從晶體快速下降，特別是在最初的幾毫米的深度，并且這在吸收聚合物和非吸收空氣之間形成非常高質量的邊緣，該邊緣易于使用ATR來成像，以給出高對比度和分明的結果。發(fā)明人也已經(jīng)開發(fā)了ー種用于限定空間分辨率的技木。上文所述的用于確定晶體最優(yōu)聚焦的技術可適于以ー種方式提供ー種ATR系統(tǒng)的有效分辨率的測量，所述方式難于在其中要凝視ニ維陣列探測器的系統(tǒng)上實現(xiàn)。如果如上文所述已經(jīng)確定了最優(yōu)聚焦設置，則獲取測試目標中在一個或多個邊緣上的小帶狀圖像，但沿著邊緣的方向上采用非常小的步進。這就導致形成沿該方向上過度采樣的圖像。提取樣品的吸收帶中的橫截面，并利用數(shù)字過濾器對該橫截面求微分。由此獲得的輪廓接近于穿過光學系統(tǒng)的點擴散函數(shù)的橫截面，并且可用于直接估計或者通過適當?shù)那€擬合來估計系統(tǒng)的分辨能力。為了對樣品上的光譜進行測量，第一步驟是記錄晶體位置并且定義如上參照圖10所述的載物臺坐標系原點(0，0，O)。下一歩驟為測量背景光譜，也就是說在板67上無樣品就位。為了實現(xiàn)這一點，用戶將安裝臂100設置在引導銷110和103上的任意位置上，使晶體的樣品接觸表面與板67間隔開，由此提供晶體/空氣界面。然后用戶使載物臺移動到原點，也就是說，移動到晶體的頂部中心，并移動到晶體頂部的細焦點。用戶然后可以選擇分辨率和像素尺寸。然后，系統(tǒng)自動運行，基于所存儲的晶體高度參數(shù)將載物臺20提升ー預定距離，以便聚焦于晶體(106)的下表面上。然后，系統(tǒng)對陣列中的每個探測器執(zhí)行背景光譜測量，然后儲存這些測量結果。獲得背景光譜所采用的方式對于本領域技術人員來說是很顯然的。
下一歩驟為測量晶體圖像，這包括用戶將載物臺移動到原點，S卩，移動到晶體的頂部中心。用戶精細聚焦于晶體的頂部上，然后輸入諸如分辨率，每像素的掃描數(shù)，像素尺寸和圖像尺寸等參數(shù)。系統(tǒng)將主載物臺20提升ー預定距離，以便聚焦于晶體的下表面上。系統(tǒng)測量無樣品存在的晶體的圖像，并對此進行存儲。下一步驟為測量樣品，并且第一步驟為用戶選擇可選的處理項，該處理項是扣除背景晶體圖像或基線偏置校正。然后用戶提升臂100并將其圍繞銷103樞轉，從而使晶體106移動離開顯微鏡的光軸。然后站座60的板67被取出，將樣品置于該板上,并將該板放置回砧座60就位。所述系統(tǒng)然后將載物臺提升ー預定距離，以便能夠使用顯微鏡的視覺設備視覺檢查樣品。用戶以四個子步驟安裝所述樣品。這些步驟為(i)將樣品安裝在板67上并置于砧座60上。(ii)僅使用副載物臺來調節(jié)樣品，即，使用調節(jié)螺釘70，71來調節(jié)砧座(60)的位置。在視覺觀察所述樣品的同時執(zhí)行此過程。(iii)將臂100回擺定位，以使得晶體106位于顯微鏡的光軸上，并且降低臂100，從而降低晶體106以接觸板67上的樣品。(iv)使用壓カ施加機構80將壓カ施加于砧座60頂部的下側上，這樣，樣品被擠壓以接觸晶體。關于(iv)，ATR測量需要樣品保持與晶體106的下面112良好接觸。理想地，接觸壓カ應該在整個晶體面上合理均勻。對于硬的樣品，有必要使樣品與晶體面平行放置；對于多數(shù)柔性材料而言，需要控制夾持力來防止樣品過度變形。樣品放置于板67上時，臂100被降低，直到晶體正好接觸該樣品。所述臂使用螺釘111鎖定。操作齒條91以將提升力施加到砧座60，從而將樣品壓靠于晶體面。這種カ通過彈簧鎖銷85產(chǎn)生，該彈簧鎖銷85被設計為將最大力限制到一個可以避免對砧座106產(chǎn)生危害的值上。力矢(vector)是重要的。理想地，它應該與晶體面的中心對準，從而使樣品趨向于對所述面對準并且接觸壓カ均勻。這通過使用滾球軸承82來實現(xiàn)，該滾球軸承82被精確約束在其引導件83中，并與晶體軸線精確對準。所述球緊靠著砧座的薄部分發(fā)揮作用，從而使提升力盡可能靠近晶體地出現(xiàn)。齒條，小齒輪，彈簧鎖銷、提升彈簧和球的布置在高度上非常緊湊，并因此在空間有限的顯微鏡中是意義重大的。彈簧鎖銷85的設計確保了組件中的提升彈簧84從不會被顯著壓縮以致線圈被束縛以及因此施加過度的力。螺釘89可用于改變彈簧上的預載荷。設置螺釘?shù)淖畲笮谐淌沟脧椈蓮牟蛔兂杀痪€圈束縛(coil-bound)。在螺釘?shù)耐耆槙r針設置下，預載荷為最大彈簧カ的約50%。當壓縮控制旋鈕移動到最大壓カ位置吋，彈簧カ增大而接近于彈簧的最大額定量。將螺釘89回退一周就將預載荷減小至零。因此通過在它行程的一端處進行控制，沒有力被作用于所述樣品。隨著用戶滑動控制旋鈕，壓迫力逐漸増大到最大可能彈簧カ的50%。在子步驟(iv)之后，所述系統(tǒng)于是就將載物臺20下降ー預定距離，以便聚焦于晶體頂部。如果必要，用戶就將精細聚焦于晶體頂部的記錄標記。然后用戶輸入分辨率，每像素的掃描數(shù)，波數(shù)范圍，像素尺寸和圖像尺寸，并且在此之后，系統(tǒng)基于所存儲的晶體高度參數(shù)將載物臺20提升ー預定距離以聚焦于樣品上。然后，采用對于本領域技術人員來說很明顯的方式進行樣品圖像的測量。在正在進行成像的情況下，這包括進行第一測量，輕微移動顯微鏡載物臺以執(zhí)行第二測量，并針對顯微鏡載物臺上的不同位置重復上述過程。最后，所述系統(tǒng)執(zhí)行被選擇的后續(xù)處理，并存儲圖像。 應該理解的是，機動化的載物臺20用于將晶體106對準于顯微鏡場中心的正下方，并用于圍繞該中心掃描圖像。為了對準所述樣品，用戶不能使用該機動化載物臺，這就是提供副載物臺60的原因。在樣品觀察期間，軟件程序可使機動化載物臺的移動機構失活，從而使用戶不會無意間改變晶體配準。該布置設置有如圖11所示的快速自動光譜分析程序。在許多實踐情況中，用于ATR分析的樣品可能具有相對弱的總體吸收。從此類樣品獲得的顯示了總吸收的ATR圖像經(jīng)常在一定程度上無明顯特征，或者具有非常低的對比度，并且人為的照明可能使樣品細節(jié)模糊。照明效果的補償可以使用傳統(tǒng)的方式，例如與背景圖象的比率或基線校正，該基線校準是使用已知為具有大致零吸收的區(qū)域來歸ー化光譜。也可以使用先進技術來處理數(shù)據(jù)，以便提取和顯示明顯的光譜形貌，但這需要光譜信號處理方面的專業(yè)技能，并較為耗吋。為了對本系統(tǒng)的用戶給出圖像中存在的光譜信息的快速指示，已經(jīng)設計了ー種自動處理序列。它的目標在于以獨立于樣品的方式從原始數(shù)據(jù)中提取最為顯著的光譜形貌，并允許操作員單獨地或以彩色復合圖像的形式對此進行顯示。對于用戶的益處在干，圖像包含潛在有用信息的快速確認以及ー個良好的初歩分析，該初步分析為進一歩的深入分析提供了指導。舉例而言，結果可指示，圖像的哪些部分是光譜類似的以及哪些是獨特的，從而使用戶可以對樣品進行簡單分割?？梢岳脤Ρ尘暗谋戎敌Ｕ蚧€偏置校正來獲得原始圖像。處理序列始于ー個如下步驟，該步驟被設計成將偏置和基線彎曲的影響最小化，這在圖
11中示于130處。這就涉及在譜域中進行微分(一階求導以獲取一定平滑度從而減小噪音)以及減去任何剰余平均值。然后，光譜圖像得到限制，如131處所示。在短波側，界限典型地設置于約3300波數(shù)處，因為極少樣品在較短波長處顯示出顯著的吸收。在所述范圍的長波端處也進行小的限制，以提供總體信噪比。然后，如132處所示減去平均吸收，然后如134處所示實施主要成分分析，以便提取最明顯的光譜形貌。然后，在界面中向用戶展現(xiàn)所述成分，該界面允許這些成分被顯示為的彩色復合圖像，如在136處所示。
權利要求
1.ー種執(zhí)行自動ATR光譜分析的方法，包括獲得樣品的空間圖像并處理所述圖像，其特征在于處理步驟和進ー步的步驟，所述處理步驟包括在譜域中對所獲得的圖像進行微分，限制所述圖像的光譜范圍，從被限制的圖像數(shù)據(jù)中減去平均吸收，并應用主要成分分析以提取最明顯的光譜形貌，所述進一歩的步驟為向用戶顯示顯示了所述樣品的最明顯的光譜形貌的空間圖像。
2.根據(jù)權利要求I所述的方法，包括對被提取的成分進行彩色復合，供向用戶顯示。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的方法，其中，所述微分步驟包括對所獲得的圖像進行平滑處理，以減小噪音。
4.一種成像ATR系統(tǒng)，包括成像顯微鏡和圖像處理裝置，所述系統(tǒng)被布置用于執(zhí)行自動ATR光譜分析，執(zhí)行自動ATR光譜分析包括獲得樣品圖像并處理所述圖像，并且所述系統(tǒng)包括用于向用戶顯示被處理的圖像的接ロ，其特征在于，所述系統(tǒng)被布置為執(zhí)行處理步驟，所述處理步驟包括在譜域中對所獲得的圖像進行微分，限制所述圖像的光譜范圍，從被限制的圖像數(shù)據(jù)中減去平均吸收，并應用主要成分分析以提取最明顯的光譜形貌，并且所述系統(tǒng)被布置用于經(jīng)由所述接ロ顯示顯示了被成像的樣品的最明顯的光譜形貌的空間圖像。
5.根據(jù)權利要求4所述的成像ATR系統(tǒng)，被布置用于對被提取的成分進行彩色復合，供向用戶顯示。
6.根據(jù)權利要求4或5所述的成像ATR系統(tǒng)，其中，所述微分步驟包括對所獲得的圖像進行平滑處理，以減小噪音。
全文摘要
本發(fā)明提供執(zhí)行自動ATR光譜分析的方法及相應的成像ATR系統(tǒng)。一種執(zhí)行自動ATR光譜分析的方法包括獲得樣品的空間圖像并處理所述圖像，其特征在于處理步驟和進一步的步驟,所述處理步驟包括在譜域中對所獲得的圖像進行微分，限制所述圖像的光譜范圍，從被限制的圖像數(shù)據(jù)中減去平均吸收，并應用主要成分分析以提取最明顯的光譜形貌，所述進一步的步驟為向用戶顯示顯示了所述樣品的最明顯的光譜形貌的空間圖像。一種成像ATR系統(tǒng)適于執(zhí)行所述方法。
文檔編號G01N21/55GK102866131SQ201210320160
公開日2013年1月9日 申請日期2007年4月26日 優(yōu)先權日2006年4月26日
發(fā)明者R·A·霍爾特, R·L·卡特, A·卡尼亞斯威爾金森, P·斯泰爾斯 申請人:珀金埃爾默新加坡有限公司