Способ организации оптикоэлектронного канала для исследования прозрачных и мутных оптических сред

 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к методам организации оптико-электронных каналов, и может быть использовано при проведении исследований прозрачных и мутных сред в медицине, биологии, биофизике, металлографии и других отраслях техники. В основу настоящего изобретения положено решение задачи создания оптико-электронного канала, обеспечивающего получение визуального изображения исследуемого объекта как в статике, так и в динамике. Излучение от ртутной лампы последовательно проходит конденсор, в котором оно преобразуется в коллимерный пучок. При необходимости используют набор фильтров. Кювету с исследуемым объектом устанавливают на трехкоординатном столике вертикально перпендикулярно оптической оси с возможностью трехкоординатного перемещения относительно оптической оси и с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной оптической оси, на любой угол. Прошедшее через исследуемый объект излучение попадает на исследовательский объектив, который проецирует изображение исследуемой области объекта через призменный блок на матрицу ПЗС-камеры и на фотоумножитель. Технический результат - возможность получения цветного изображения с увеличением до 15000, сопоставимым с увеличением электронных микроскопов. 2 ил.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к методам организации оптико-электронных каналов, и может быть использовано при проведении исследований прозрачных и мутных сред в медицине, биологии, биофизике, металлографии и других отраслях науки и техники.

Для оценки новизны и изобретательского уровня заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения.

Известные способы организации оптико-электронных каналов основаны на теории Аббе, которая для несамосветящихся объектов учитывает физиологические особенности глаза и соответствующих отделов мозга человека. Возможности таких каналов, а следовательно, и оптико-электронных приборов, в которых они реализованы, ограничены разрешающей способностью глаза и необходимостью располагать изображение на расстоянии наилучшего видения.

Известен способ организации оптико-электронного канала, согласно которому излучение от монохроматического источника (лазера) пропускают через поляризатор, фокусирующую линзу и направляют на кювету с раствором макромолекул, затем улавливают под некоторым углом к оптической оси рассеянное излучение, которое через другую фокусирующую линзу и поляризатор направляют на фотоумножитель и средства регистрации и анализа, см. П.Г. Костюк и др. "Биофизика", Высшая школа, 1988 г., с.52.

Недостатком данного способа являются ограниченные функциональные возможности, обеспечивающие лишь измерение интенсивности рассеянного излучения и не позволяющие получить визуальное изображение исследуемого объекта, что значительно снижает качество исследований.

Известен способ организации оптико-электронного канала, согласно которому излучение от источника УФ-света через монохроматор, поляризатор подают на кристалл, попеременно пропускающий левовращающую или правовращающую компоненты поляризованного света, которые направляют на кювету с оптически активным веществом, а затем на фотоэлектронный умножитель и средства регистрации, см. П.Г. Костюк и др. "Биофизика", Высшая школа, 1988 г., с.68.

По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату данное техническое решение выбрано за прототип настоящего изобретения.

Недостатком прототипа, не позволяющим достичь поставленной нами цели, является то, что данный способ организации оптико-электронного канала позволяет исследовать различные прозрачные объекты по интегральной интенсивности без возможности визуального исследования, что значительно снижает информативность исследований.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи создания оптико-электронного канала наряду с известными возможностями обеспечивающего получение визуального изображения исследуемого объекта как в статике, так и в динамике.

Сущность заявляемого изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков.

Согласно изобретению указанная выше задача решается за счет того, что способ организации оптико-электронного канала для исследования прозрачных и мутных оптических сред, согласно которому излучение от источника пропускают через конденсор и направляют на емкость с исследуемым объектом, затем улавливают излучение, которое направляют на фотоумножитель и средства регистрации и анализа, характеризуется тем, что емкость с исследуемым объектом устанавливают вертикально перпендикулярно оптической оси с возможностью трехкоординатного перемещения относительно оптической оси и с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной оптической оси, на любой угол, при этом за емкостью с исследуемым объектом на оптической оси со стороны, противоположной источнику излучения, размещают неподвижный исследовательский объектив, изображение с которого подают на фотоумножитель и средства регистрации и анализа, в которых для визуального анализа цветного изображения используют прибор с зарядовой связью.

В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".

За счет реализации отличительных признаков изобретения (в совокупности с признаками, указанными в ограничительной части формулы) достигаются важные новые свойства объекта. В предложенном техническом решении достигается возможность снять ограничения, накладываемые теорией Аббе, и получить визуальные изображения исследуемого объекта с высокой степенью увеличения как в статике, так и в динамике.

Заявителю не известны какие-либо публикации, которые содержали бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. В связи с этим, по мнению заявителя, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена оптическая схема заявленного способа, на фиг.2 - схема построения изображения заявленным способом.

На одной оптической оси установлены источник излучения в виде ртутной лампы 1, конденсор 2, кювета 3 с исследуемым объектом, которая установлена на трехкоординатном предметном столике 4. За кюветой 3 с исследуемым объектом на оптической оси со стороны, противоположной ртутной лампе 1, размещен неподвижный исследовательский объектив 5, оптически связанный через призменный блок 6 с фотоумножителем 7 и прибором с зарядовой связью (ПЗС-камерой) 8.

Способ реализуют следующим образом.

Излучение от ртутной лампы 1 последовательно проходит конденсор 2, в котором оно преобразуется в коллимерный пучок. При необходимости используют набор фильтров, которые устанавливают требуемый спектральный интервал, и поляроиды, которые необходимы для исследования дихроидных задач.

Кювету 3 с исследуемым объектом устанавливают на трехкоординатном столике 4 вертикально перпендикулярно оптической оси с возможностью трехкоординатного перемещения относительно оптической оси и с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной оптической оси, на любой угол.

Прошедшее через исследуемый объект излучение попадает на исследовательский объектив 5, который проецирует изображение исследуемой области объекта через призменный блок 6 на матрицу ПЗС-камеры 8 и на фотоумножитель 7.

Такая организация оптического канала снимает ограничения, накладываемые теорией Аббе и физиологическими особенностями глаза, не требует получения изображения на расстоянии наилучшего видения и позволяет получить увеличение изображения исследуемой области, которое значительно превышает увеличение стандартных микроскопов, так как чувствительность ПЗС-камеры и приборов значительно превосходит чувствительность глаза.

Увеличение, достигаемое в заявленном оптико-электронном канале, V_оэк может быть определено по формуле V_оэк=V_об•V_эл, где V_об - линейное увеличение исследовательского объектива 5, V_эл - электронное увеличение ПЗС-камеры 8, которое определяется по выражению и где d_э - диагональ экрана дисплея, d_пзс - диагональ матрицы ПЗС-камеры.

В конкретном случае d_пзс= 11,4 мм, d_э=600 мм, V_эл=50, V_об=80, отсюда V_оэк=4000.

Такое увеличение позволяет повысить точность настройки исследуемого изображения, которая пропорциональна квадрату линейного увеличения, т.е. в данном случае в 16 раз по сравнению с традиционными микроскопами. Теоретический предел полезного увеличения в микроскопе по теории Аббе не превышает 1000А, где А - числовая апертура микроскопа, т.е. V=1000. Числовая апертура в заявленной оптико-электронной системе имеет другое значение в результате изменения рабочего отрезка объектива и отказа от применения тубусной линзы.

Увеличение исследовательского объектива определяется по формуле Ньютона: х•х'=f•f', где х - рабочий отрезок объектива в пространстве предмета, х' - рабочий отрезок объектива в пространстве изображения,
f - фокусный отрезок в пространстве предмета,
f' - фокусный отрезок в пространстве изображения.

Увеличение объектива определяется по формуле

отсюда при увеличении х' уменьшается х.

При совмещении плоскости изображения с ПЗС-матрицей вырезается центральная часть изображения практически безаберрационно, что объясняет изменение апертуры объектива, которая перестает быть определяющей.

Ртутная лампа работает на просвет исследуемого объекта, что позволяет работать в УФ-диапазоне при исследованиях прозрачных и мутных сред.

Заявленный способ может быть реализован промышленным образом с использованием известных технологий и технических средств (источник света, конденсоры, объективы, ПЗС-камера, средства исследования), что обусловливает, по мнению заявителя, его соответствие критерию "промышленная применимость".

Использование заявленного решения по сравнению со всеми известными средствами аналогичного назначения обеспечивает следующие преимущества:
1. Визуализацию изображения исследуемого объекта.

2. Возможность точной настройки исследовательского объектива на плоскость исследования.

3. Возможность получения цветного изображения с высокой степенью увеличения (до 15000), сопоставимой с увеличением электронных микроскопов.

4. Отсутствие субъективности исследований при выведении динамического изображения на дисплей, который одновременно наблюдают несколько исследователей.

5. Безиммерсионность работы.

Формула изобретения

Способ организации оптико-электронного канала для исследования прозрачных и мутных оптических сред, согласно которому излучение от источника пропускают через конденсор и направляют на емкость с исследуемым объектом, затем улавливают излучение, которое направляют на фотоумножитель и средства регистрации и анализа, отличающийся тем, что емкость с исследуемым объектом устанавливают вертикально перпендикулярно оптической оси с возможностью трехкоординатного перемещения относительно оптической оси и с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной оптической оси, на любой угол, при этом за емкостью с исследуемым объектом на оптической оси со стороны, противоположной источнику излучения, размещают неподвижный исследовательский объектив, изображение с которого подают на фотоумножитель и средства регистрации и анализа, в которых для визуального анализа цветного изображения используют прибор с зарядовой связью.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2