Способ исследования рельефных и фазовых объектов и лазерный сканирующий микроскоп для его осуществления

 

Изобретение относится к оптике, в частности к исследованию рельефных и фазовых объектов в лазерном сканирующем микроскопе, и может быть использовано в электронной и оптической технологии, медицине , биологии и т.д. Способ заключается в формировании изображения путем его 1J синхронного сканирования двумя световыми лучами, разнесенными в пространстве на диаметр пятна и сдвинутых по частоте с различными значениями сдвига. Отраженные пучки направляют на фотоприемник и получают сигнал, связанный с разностью фаз обоих пучков. Этим сигналом моделируется соответствующая точка изображения сканирующего объекта. Лазерный сканирующий микроскоп содержит источник 1 лазерного излучения, акустооптическую ячейку 2, устройство 3 развертки луча, светоделитель 4, объект 6, два генератора 7 и 8 электрических сигналов, смеситель 9, фазовый дектор 11. Акустооптическая ячейка 2 расщепляет лазерный луч4 на два луча, сдвинутых по частоте на два разных значения сдвига. Эти лучи разделяются также и по направлению. После отражения от объекта 6 оба луча попадают на фотоприемнйк, а сигнал с фотоприемника - на фазовый детектор . Благодаря большому значению сдвига по частоте возможно увеличить скорость сканирования и уменьшить время получения изображения. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. (Л С -ч 00 N О О о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 0.2, B 21/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4668956/21 (22) 30,03.89 (46) 15.05.92. Бюл. ¹ 18 (71) Киевский государственный университет им. Т.Г.Шевченко (72) Л.Н.Ильченко, lO.Л.Обозненко, Г.Ф.Погорелова и Е.Н.Смирнов (53) 621.384(088.8) (56) Van Netten S.M.Y.of Acoustical sovietz of

America. 1988, ч. 83, ¹ 4, р. 1667 — 1674.

See C;W., Waez Iravani M, Wic Krama

singhe Н.К, Applied optics. 1985, ч, 24, № 15, р.2373-2379. (54) СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЛЬЕФНЫХ И ФАЗОВЪ|Х ОБЪЕКТОВ B ЛАЗЕРНОМ СКАНИРУЮЩЕМ МИКРОСКОПЕ И

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к оптике, в частности к исследованию рельефных и фазовых объектов в лазерном сканирующем микроскопе, и может быть использовано в электронной и оптической технологии, медицине, биологии и т.д. Способ заключается в формировании изображения путем его,, Ы,, 1734066 А1 синхронного сканирования двумя световыми лучами, разнесенными в пространстве на диаметр пятна и сдвинутых по частоте с различными значениями сдвига. Отраженные пучки направляют на фотоприемник и получают сигнал,,связанный с разностью фаз обоих пучков. Этим сигналом моделируется соответствующая точка изображения сканирующего объекта. Лазерный сканирующий микроскоп содержит источник 1 лазерного излучения, акустооптическую ячейку 2, устройство 3 развертки луча, светоделитель 4, объект 6; два генератора 7 и 8 электрических сигналов, смеситель 9, фазовый дектор 11. Акустооптическая ячейка 2 расщепляет лазерный луч на два луча, сдвинутых по частоте на два разных значения сдвига. Эти лучи разделяются также и по направлению. После отражения от объекта

6 оба луча попадают йа фотоприемник, а сигнал с фотоприемника — на фазовый детектор. Благодаря большому значению сдвига по частоте возможно увеличить скорость сканирования и уменьшить время получения изображения. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1734066

Изобретение относится к оптике, в частности к исследованию рельефных и фазовых объектов в лазерном сканирующем микроскопе, и может быть использовано в электронной и оптической технологии, медицине, биологии, геологии и т,д.

Цель изобретения — уменьшение времени получения изображения.

На чертеже приведена схема лазерного сканирующего микроскопа для исследования рельефных и фазовых объектов.

Устройство содержит источник 1 лазерного излучения, последовательно расположенные по ходу лазерного пучка акустооптическую. ячейку 2, устройство 3 развертки луча, светоделитель 4, линзу 5 и объект 6, а также генераторы 7 и 8 электрических сигнаЛов, выходы которых соединены как с акустооптической ячейкой 2, так и с входом смесителя 9, расположенный по ходу отраженного от объекта луча фотоприемник 10, фазовый детектор 11, один вход которого соединен с выходом смесителя 9, второй — с выходом фотоприемника 10, а его выход — с входом видеоконтрольного устройства 12.

Акустооптическая ячейка 2 выполнена в виде звукопровода, снабженного пьезопреобразователем, который подключен к генераторам 7 и 8 высокочастотных электрических сигналов, Ячейка работает в режиме дифракции Брэгга, обеспечивая отклонение светового луча на угол, пропорциональный частоте электрического сигнала.

Устройство развертки луча состоит из последовательно расположенных телескопической оптической системы 13, расширяющей световой пучок, двух акустооптических дефлекторов 14 и 15, выполненных аналогично выше указанной акустооптической ячейке 2 и расположенных во взаимно ортогональных плоскостях, и цилиндрической линзы 16, компенсирующей расходимость светового пучка, возникающую при быстрой строчной развертке, при этом акустооптические дефлекторы 14 и 15 подключены к блоку 17 управления, котооый поедставляет собой два генератора вывысокочастотных электрических сигналов, управляемых. от телевизионного генератора строчной и кадровой разверток, Устройство работает следующим образом.

Световой пучок от источника 1 лазерного излучения проходит через акустооптическую ячейку 2 и отклоняется на угол, пропорциональный частоте ультразвуковой волны, возбужденной в ячейке 2, Поскольку в этой ячейке возбуждаются две волны с частотами, определяемыми генераторами 7 и 8, на

sf= -дВ.

Ч1

Однако, используя формулу (2), получаем д В =Ы к =дв, — = — д,, 45 N Ч2К где N — число элементов разложения по строкам. Отсюда разность частот генераторов 7 и 8 определяется следующим образом:

O f = 12 — 1 = — — Д fñ, V1 К (3)

Пара пятен движется по объекту синхронно по закону строчной и кадровой разверток. Отраженный от поверхности объекта свет, пройдя через объектив и свез тоделитель 4, регистрируют фотоприемником 10. Частота выходного сигнала фотоприемника 10, возникающего при оптическом смешении отраженных пучков, равна разности частот (f2 — f1). При отражении от рельефного или при прохождении

35 выходе ячейки 2 формируются два световых пучка, угол между которыми определяют из условия Брэгга; дВ=(А/V1 )д1, (1) где А — длина волны света;

Ч1 — скорость звука в ячейке 2; д f = (f2 — f 1) — разность частот генераторов 7 и 8. Одновременно происходит сдвиг частоты света в пучках соответственно на f1 и f2. После прохождения этих световых пучков через телескопическую систему 13 угол между пучками уменьшается в соответствии с коэффициентом увеличения телескопа

К:д О = д О/К. Далее пучки последовательно проходят через акустооптические дефлекторы 14 и 15 и отклоняются в соответствии с законами строчной и кадровой разверток во взаимно ортогональных плоскостях на углы:

ДВ, =(Л/Ч2) Дf,,, (2)

ДВ =(Я/Ч2)М где V2 — скорость звука в дефлекторах 14 и

15; Д1, Д1» — девиации частот высокочастотных генераторов строчной и кадровой разверток, входящих в состав блока 17 управления, и приобретают сдвиг частоты (fc+ f»+ f1) и (fc+ f»+ f2) соответственно. При прохождении дефлектора, отклоняющего световой пучок по строкам, возникает дополнительная расходимость в одной плоскости, которую компенсируют цилиндрической линзой 16. После прохождения через светоделитель 4 пучки фокусируются объективом на объект 6 в два пятна, центры которых разнесены в пространстве на расстояние, равное их диаметру. Это расстояние определяет разность частот генераторов 7 и 8, которую определяют из формулы (1): j734066 неоднородного фазового объекта в выходном сигнале фотоприемника 10 возникает сдвиг фаз Лр, обусловленный разностью высот рельефа Ah, или разностью показателей преломления h,п объекта в точках, совпадающих с центрами сфокусированных пятен на исследуемой поверхности, и равный

h,ð = Ah, 4лп

4лп (4) где и,— показатель преломления;

h — толщина объекта.

Этот сдвиг фаз выделяют фазовым детектором 11, для которого опорным сигналом является сигнал разностей частоты, поступающий с выхода смесителя 9, и подают на телевизионное видеоконтрольное устройство 12.

Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит акустическую ячейку, выполненную из PbMoO, которая снабжена пьезопреобразователем, подключенным к генераторам 7 и 8 высокочастотных электрических сигналов с частотами

f> =140 МГц и 12= 146 МГц. Телескопическая система 13 длиной 30 мм состоит из двух положительных линз и имеет коэффициент увеличения К = 16, Двухкоординатный акустооптический дефлектор представляет собой две взаимно ортогональные ячейки, изготовленные из Те02, расстояние между которыми 20 мм. К дефлекторам подключены генераторы высокочастотных электрических сигналов с несущей частотой 140 МГц, которые управляются телевизионными генераторами строчной (fc = 15,625 кГц) и кадровой (f» = 50 Гц) разверток.

Акустооптическая ячейка и дефлекторы выполнены в виде призм, что обеспечивает распространение дифрагированного луча по оптической оси и отклонение от оси основного луча.

Использование предлагаемого способа исследования рельефных и фазовых объектов в лазерном сканирующем микроскопе позволяет повысить скорость формирования изображения. Это достигается путем замены акустооптической ячейки, периодически отклоняющей световой пучок по поверхности объекта в пределах диаметра светового пятна, акустооптической ячейкой, одновременно формирующей два световых пучка, которые дают на поверхности объекта два пятна, центры которых разнесены в пространстве на расстояние, равное диаметру пятна.

Для реального значения частоты периодического отклонения светового луча, акустооптической ячейки foehn =.2-. МГц при

fo>»n» —, где Тс — период строчной разверN

Тс

5 Тс . тки, пусть foT»n = 10 —, где N = 500, тогда

Тс = — = 2500 мкс.

10N

foehn

Отсюда период кадровой развертки в известном устройстве составит Т» 1,5 с, а

"0 в предлагаемом Т» = 40 мс (стандартная телевизионная развертка), т.е.. период развертки в предлагаемом .устройстве по сравнению с известным уменьшился, т.е. скорость формирования изображения уве-.

15 личилась примерно в 50 раз.: .

Предлагаемый лазерный;сканирующий микроскоп для исследования рельефных и фазовых объектов является дифференциальным фазовоконтрастным, т.е; чувствитель20 ным только к изменению разности фаз световых волн, и для оценки его:чувстви-, тельности или разрешающей .способности по глубине или изменению показателя преломления можно применить известную фор25 мулу:

64 КЧЧо1М ..... (5) где N4 — частота световой волны;

Лf — полоса частот видеосигнала;

P — мощность лазера; — квантовая эффективйость фотоприемника ;

F — коэффицйент шума.

При реально достижимых параметрах x:

Л f = 6 М Гц, F = 2, Р = 1 М Bт ; g = 0 8, il =

= 0,63 мкм фазовая чувствительность достигает Л Ъин — 0,5.10 рад, что соответствует разрешающей способности по глубине

4 Л h = 0,25 А и изменению показателя преломления Лп — 2,510 (при h = 1 мм).

Эти величины сравнимы с соответствующими значениями известного устройства, В тоже время предлагаемый микроскоп имеет достаточно высокую помехоустойчивость к различным изменениям, приводящим к сдвигу фаз в каждом из двух световых пучков, например изменению расстояния

50 до объекта, неоднородности оптических элементов и т.д. Изменение фазы, обусловленное такими причинами, определяется выражением, следующим из формул;

Лp= 0(nh), - : -: :: (6)

4л Л1

55 где Л f = f2 — f>, f — частота;световой волны;

В соответствии с этим выражением при минимальной фазовой чувствительности

Лфмин = 0,5 10 рад область нечувствитель1734066

Способ исследования рельефных и фазовых объектов в лазерном сканирующем микроскопе, заключающийся в том, что изображение объекта формируют путем сравнения фаз световых пучков, отраженных от поверхности объекта в двух точках, разнесенных на диаметр светового пятна, преобразования этой разности фаз в электрический сигнал с фазовой демодуляцией и модуляции электрическим сигналом соответствующей точки изображения, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью умень40

Составитель К.Меньшиков

Техред М.Моргентал Корректор Э.Лончакова

Редактор 3.Слиган

Заказ 1669 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ности по расстоянию составляет д h = 0,4 см при и = 1 и по показателю преломления д n = 0,4 при h = 1 см, таким образом при значениях и и h, которые меньше приведенных, изменение фазы фиксироваться не будет, что свидетельствует о хорошей помехозащищенности предлагаемого устройства.

Применение предлагаемого способа исследования рельефных и фазовых объектов в лазерном сканирующем микроскопе позволяет по сравнению с известным увеличить скорость формирования изображения исследуемого объекта. Кроме того, предлагаемое устройство обладает достаточно высокой помехоустойчивостью к различным изменениям, приводящим к сдвигу фаз в каждом из двух световых пучков. При этом разрешающая способность по глубине и изменению показателя преломления соответствует значениям(известных устройств.

Формула изобретения шения времени получения изображения, лазерный пучок разделяют надва параксиальных пучка, каждый из которых одновременно сдвигают по частоте с различными значени5 ями сдвига, синхронно развертывают их по поверхности объекта и оптически смешивают два отраженных от поверхности луча.

2. Лазерный сканирующий микроскоп для исследования рельефных и фазовых

10 объектов, содержащий источник лазерного излучения, светоделитель, акустооптическую ячейку, генераторы электрических сигналов, устройство развертки луча, объектив, фотоприемник и последовательно соеди15 ненные смеситель, фазовый детектор и видеоконтрольное устройство, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью уменьшения времени получения изображения, акустооптическая ячейка, устройство развертки луча, 20 светоделитель и объектив последовательно установлены по ходу лазерного луча, выходы генераторов электрических сигналов подключены к входу акустооптической ячейки и к смесителю, устройство развертки луча

25 содержит блок управления, последовательно расположенные по ходу луча телескопическую оптическую систему, два акустооптических дефлектора, расположенные во взаимно перпендикулярных плоско30 стях, и цилиндрическую линзу, причем два акустооптических дефлектора присоединены к блоку управления, а фотоприемник, расположенный вдоль оси отраженного от светоделителя луча, соединен с входом фа35 зового детектора.