Лазерный сканирующий микроскоп

Изобретение относится к оптическим устройствам для измерения оптической разности фаз методами интерферометрии, измерения поляризации света, а также для управления интенсивностью, фазой и поляризацией излучения. Микроскоп содержит источник лазерного излучения, на пути следования луча которого последовательно установлены светоделительный элемент, сканирующая система с двумя зеркальными дефлекторами и объектив, а на пути следования луча, отраженного от исследуемого образца и светоделительного элемента, размещен приемник излучения с системой обработки сигнала. Перед светоделительным элементом установлен преобразователь поляризации излучения вкруговую, а между светоделительным элементом и сканирующей системой размещен лучеразводящий элемент, преобразующий входной пучок излучения в два пучка с ортогональными направлениями поляризации и пространственным смещением, при этом в качестве приемника излучения применен измеритель мощности компонент скрещенных поляризаций излучения. Изобретение позволяет улучшить соотношение сигнал-шум за счет применения дифференциального контраста, а также повысить чувствительность к слабым перепадам оптической плотности объектов и увеличить линейность измерения высоты профиля исследуемого объекта. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к оптическим устройствам для измерения оптической разности фаз методами интерферометрии, измерения поляризации света, а также для управления интенсивностью, фазой и поляризацией излучения.

Известны растровые оптические микроскопы с оптическими схемами, реализующими сканирование луча по углу без смещения в плоскости входного окна объектива в режиме на отражение (Дюков В.Г. и Кудеяров Ю.А. «Растровая оптическая микроскопия», Москва, 1991, С.134).

Этот микроскоп включает источник лазерного излучения, на выходе которого установлены расширитель и светоделительная пластина. На пути луча, прошедшего через светоделительную пластину, установлены два зеркальных дефлектора сканирующей системы и объектив, а на пути луча, отраженного от исследуемого объекта и светоделительной пластины, установлен фотоприемник. Перед фотоприемником расположен пространственный фильтр и вводимый спектральный фильтр. Между дефлекторами добавлена телецентрическая система из двух линз.

Микроскоп оснащен цифровой техникой для обработки изображений, а также видеокамерой. Такой комбинированный прибор позволяет исследовать микрообъекты в различных областях науки и техники.

Известна конфокальная система для получения изображения, содержащая сканирующий многоцветный лазер и микроскоп (патент США №5127730, US/C1 356-318, MKU⁵ G 01 №21/64). Эта система позволяет с помощью фотоумножителей получить изображение, по которому можно получить представление о свойствах исследуемого образца, подвергнутого воздействию красителей.

Известен конфокальный сканирующий микроскоп (патент США №5032720, US C1 250-236, MKU⁵ G 02 B 21/06), выбранный нами в качестве прототипа, который имеет сканирующую систему с двумя дефлекторами. Каждый из этих дефлекторов сканирует отклоняющие лучи во взаимно перпендикулярных плоскостях. Система зеркал расположена между дефлекторами сканирующей системы таким образом, чтобы передать луч от одного дефлектора на другой и на микроскоп с объективом. Свет, отраженный образцом, попадает на объектив, на дефлекторы и систему зеркал до момента попадания на детектор. Апертура находится перед детектором и блокирует любой луч, который выходит из точек, пространственно удаленных от лучевого пятна. Однако конфокальные лазерные микроскопы, описание в аналогах и прототипе в отдельных случаях применения имеют недостаточно высокое соотношение сигнал-шум, что, например, важно при исследовании биологических объектов.

Техническим результатом предложенного изобретения является улучшение соотношения сигнал-шум за счет применения дифференциального контраста, кроме того достигнута более высокая чувствительность к слабым перепадам оптической плотности объектов и увеличена линейность измерения высоты профиля исследуемого объекта.

Этот результат достигается усовершенствованием известного лазерного сканирующего микроскопа, содержащего источник лазерного излучения, на пути следования луча которого последовательно установлены светоделительный элемент, сканирующая система с двумя зеркальными дефлекторами и объектив, а на пути луча, отраженного от исследуемого и светоделительного элемента, размещен приемник излучения с системой обработки сигнала.

Усовершенствование заключается в том, что перед светоделительным элементом установлен преобразователь плоскополяризованного луча в луч с круговой поляризацией, а между светоделительным элементом и сканирующей системой размещен лучеразводящий элемент, преобразующий входной пучок излучения в два пучка с ортогональными направлениями поляризации и пространственным смещением, при этом в качестве приемника излучения применен измеритель мощности компонент скрещенных поляризаций излучения.

В качестве преобразователя поляризации излучения может быть использована четвертьволновая пластина для длины волны используемого излучения.

Преобразователь излучения может быть размещен в источнике лазерного излучения.

Предусмотрены также следующие усовершенствования:

- лучеразводящий элемент выполнен в виде пластины из двулучепреломляющего материала;

- измеритель мощности состоит из призмы Волластона и двух фотопримников для раздельного измерения двух компонент, скрещенных поляризаций излучения;

- между светоделительным элементом и измерителем мощности размещен телескоп с регулируемой диафрагмой, установленной в его внутреннем фокусе;

- между двумя дефлекторами сканирующей системы введен телескоп, передний и задний фокусы которого размещены на осях качания дефлекторов;

- между сканирующей системой и объективом расположен дополнительный телескоп, один из фокусов которого совпадает с осью качания размещенного рядом с ним дефлектора сканирующей системы, а второй совпадает с задним фокусом объектива;

- между источником лазерного излучения и преобразователем поляризации излучения установлена система регулировки контроля мощности источника лазерного излучения.

Сущность изобретения поясняется прилагаемым чертежом, на котором показана структурная оптическая схема лазерного сканирующего микроскопа.

Лазерный сканирующий микроскоп содержит источник лазерного излучения 1, в качестве которого могут быть использованы непрерывный газовый (например, лазер гелий-неоновый, аргоновый, криптоновый, аргон-криптоновый и другие). На пути луча газового лазера установлен пленочный поляризатор 2 (поляризационный фильтр), предназначенный для регулирования мощности излучения, призма Глана-Томсона 3 для улучшения его поляризационных характеристик и делительная пластина 4 для отщепления части луча (около 5%) с целью осуществления контроля мощности излучения с помощью фотоприемника 5.

Далее по ходу основного пучка лазера установлен преобразователь поляризации излучения, в частности четвертьволновая пластина для данной волны излучения. После преобразователя поляризации излучения установлены светоделительный элемент 8, лучеразводящий элемент 9, сканирующая система, включающая два зеркальных дефлектора 10, 11, объектив 12 и столик 13 для размещения исследуемого объекта. Лучеразводящий элемент 9 выполнен в виде пластины из двулучепреломляющего материала и размещен во внутреннем фокусе телескопа 14.

Ось качания дефлектора 10 совпадает с передним фокусом телескопа 14, который совпадает с передним фокусом телескопа 15.

Между дефлекторами 10 и 11 расположен телескоп 15 для осуществления сопряжения точек развертки луча в двух взаимоперпендикулярных направлениях. Ось качания дефлектора 11 находится в заднем фокусе телескопа 15. В случае необходимости для последующего увеличения диаметра лазерного луча, а также для переноса точки угловой развертки сканирования в задний фокус объектива 12, между дефлектором 11 и объективом 12 установлен дополнительный телескоп 16. Один из фокусов телескопа 16 совпадает с осью качания дефлектора 11, а другой - с задним фокусом объектива 12.

Светоделительный элемент 8 служит для перенаправления отраженного от исследуемого объекта луча в измеритель мощности, который состоит из призмы Волластона 17 и двух фотоприемников 18, 19 для раздельного измерения интенсивности или мощности компонент ортогональных поляризаций излучения. Фотоприемники 18 и 19 служат для преобразования оптической мощности в измеряемый электрический сигнал.

Светоделительный элемент 8 также может быть использован для дополнительного контроля мощности излучения с помощью фотоприемника 20. Для реализации конфокального контраста перед измерителем мощности установлена регулируемая диафрагма 21, размещенная во внутреннем фокусе телескопа 22.

Пленочный поляризатор 2, призма Глана-Томсона 3 и система регулировки мощности источника лазерного излучения, включающая фотоприемник 5 и делительную пластину 4, предусмотрены для коммерчески доступных лазеров. В случае наличия лазеров со световыми пучками удовлетворительного качества эти элементы не требуются.

Работает лазерный сканирующий микроскоп следующим образом.

Плоскопараллельный частично поляризованный луч газового лазера 1 проходит пленочный поляризатор 2 и призму Глана-Томсона 3, приобретая высокую степень поляризации 1:1000 и выше.

Плоскости поляризации 1 и 3 совпадают, тогда как положение плоскости поляризации 2 может изменяться путем его вращения. Таким образом интенсивность излучения может варьироваться от максимума до предельно малых величин.

Делительная пластина 4 отводит небольшую часть луча (около 5%) на фотодиод 5 для измерения и управления мощностью излучения.

Фазовая пластина 6 преобразует плоскополяризованный луч лазерного излучения в луч с круговой поляризацией. Это необходимо для перевода поляриметра в квазилинейный режим измерения фазы.

Делительная пластина 8 расщепляет входной луч на два с одинаковой интенсивностью излучения. При этом один луч используется для проведения измерений, а второй может использоваться для дополнительного контроля мощности.

Блок, состоящий из фазовой пластины 9 и телецентрической системы линз телескопа 14, предназначен для расщепления поляризованного по кругу луча на два линейно поляризованных со скрещенными компонентами поляризации. При этом за счет внешней конической рефракции в фазовой пластине 9 происходит пространственное смещение необыкновенного луча, зависящее от толщины пластины, ее углового положения, ориентации оптической оси и фокусного расстояния линз.

Далее расщепленный луч попадает на дефлектор 10, который обеспечивает его отклонение и формирование таким образом линейной угловой развертки в плоскости, перпендикулярной оси дефлектора 10.

Телецентрическая система линз телескопа 15 переносит фокус угловой развертки луча из точки, лежащей на оси дефлектора 10, в точку, лежащую на оси дефлектора 11, оставляя остальные параметры луча неизменными.

Дефлектор 11 обеспечивает отклонение луча в плоскости, перпендикулярной плоскости угловой развертки дефлектора 10, завершая таким образом формирование углового растра.

Далее луч проходит телецентрическую систему линз телескопа 16, которая переносит фокус углового растра из точки, лежащей на оси дефлектора 11, в точку, совпадающую с задним фокусом объектива 12.

Таким образом, плоскопараллельный луч с расщепленными компонентами поляризации виртуально испускается из заднего фокуса объектива 12 под разными углами, определяемыми положениями дефлекторов 10 и 11. Далее луч фокусируется на поверхности исследуемого объекта, причем геометрический фокус необыкновенного луча может быть пространственно смещен относительно фокуса обыкновенного луча за счет расщепления в фазовой пластине 9.

Отраженный от объекта луч проходит обратно по тому же самому пути, что и входной луч, вплоть до делительной пластины, где он разделяется на два луча равной мощности. Один из лучей отклоняется на дифференциальный фотоприемник, где происходит измерение его параметров.

Фотоприемник состоит из призмы Волластона 17, расщепляющей входной луч на два со скрещенными направлениями линейной поляризации, и двух фотодиодов, измеряющих интенсивности этих компонентов. В зависимости от угловой ориентации фазовой пластины 9 и взаимной ориентации фазовой пластины 9 и призмы Волластона 17 реализуются несколько способов получения информации об исследуемом объекте, так называемых контрастов.

Для осуществления амплитудного контраста фазовая пластина 9 находится в положении, при котором расщепление луча не происходит, а сигналы фотодиодов складываются и сумма передается системе построения изображения.

Предложенное устройство позволяет осуществить дифференциальный фазовый контраст и в результате увеличить отношение сигнал/шум за счет интегрирования сигналов при построении реального профиля объекта из дифференциальных сигналов, что приводит также к повышению чувствительности к слабым перепадам оптической плотности объектов и увеличению линейности измерения высоты профиля исследуемого объекта.

1. Лазерный сканирующий микроскоп, содержащий источник лазерного излучения, на пути следования луча которого последовательно установлены светоделительный элемент, сканирующая система с двумя зеркальными дефлекторами и объектив, а на пути следования луча, отраженного от исследуемого образца и светоделительного элемента, размещен приемник излучения с системой обработки сигнала, отличающийся тем, что перед светоделительным элементом установлен преобразователь плоскополяризованного луча в луч с круговой поляризацией, а между светоделительным элементом и сканирующей системой размещен лучеразводящий элемент, преобразующий входной пучок излучения в два пучка с ортогональными направлениями поляризации и пространственным смешением, при этом в качестве приемника излучения применен измеритель мощности компонент скрещенных поляризаций излучения.

2. Лазерный сканирующий микроскоп по п.1, отличающийся тем, что преобразователем поляризации излучения является четвертьволновая пластина для длины волны используемого излучения.

3. Лазерный сканирующий микроскоп по пп.1 и 2, отличающийся тем, что преобразователь поляризации излучения размещен в источнике лазерного излучения.

4. Лазерный сканирующий микроскоп по п.1, отличающийся тем, что лучеразводящий элемент выполнен в виде пластины из двулучепреломляющего материала.

5. Лазерный сканирующий микроскоп по п.1, отличающийся тем, что измеритель мощности состоит из призмы Волластона и двух фотоприемников для раздельного измерения двух скрещенных компонент поляризации излучения.

6. Лазерный сканирующий микроскоп по п.1, отличающийся тем, что между светоделительным элементом и измерителем мощности размещен телескоп с регулируемой диафрагмой, установленной в его внутреннем фокусе.

7. Лазерный сканирующий микроскоп по п.1, отличающийся тем, что между двумя дефлекторами сканирующей системы введен телескоп, передний и задний фокусы которого расположены на осях качания дефлекторов.

8. Лазерный сканирующий микроскоп по п.1 или 7, отличающийся тем, что между сканирующей системой и объективом расположен дополнительный телескоп, один из фокусов которого совпадает с осью качания размещенного рядом с ним дефлектора сканирующей системы, а второй совпадает с задним фокусом объектива.

9. Лазерный сканирующий микроскоп по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что между источником лазерного излучения и преобразователем поляризации излучения установлена система регулировки контроля мощности источника лазерного излучения.