CZ33414U1 - Zobrazovací modul s prostorovou modulací světla pro multimodální mikroskop - Google Patents

Description

Oblast techniky

Užitný vzor se týká multimodálního mikroskopu s prostorovou modulací světla, který umožňuje realizaci pokročilých mikroskopových technik v sestavě standardního optického mikroskopu s připojovacím zobrazovacím modulem pro prostorovou modulaci světla.

Dosavadní stav techniky

Optická mikroskopie umožňuje pozorování široké škály technických a biologických vzorků a pro dosažení optimálních výsledků často využívá metod zvýšení kontrastu pozorovaných objektů nebo kvantitativního zobrazení. Taková pozorování vyžadují mechanické zásahy do zobrazovací cesty nebo použití specializovaných zobrazovacích systémů. Významným trendem, který zvyšuje variabilitu zobrazení a umožňuje adaptivní zásahy do zobrazovacího procesu bez nutnosti mechanických změn, je kombinace optické mikroskopie s prostorovou modulací světla.

Prostorový modulátor světla (PMS) je adaptivní optoelektronický prvek provádějící přesné a řízené změny amplitudy nebo fáze světla. PMS může být využíván v osvětlovacích i zobrazovacích částech optických mikroskopů, kde provádí tvarování světla a optické řízení experimentu s možností rychlých změn zobrazovacích parametrů.

Prostorovou modulaci světla mohou provádět adaptivní zrcadla tvořena spojitou nebo segmentovanou plochou umožňující lokální změnu výšky, a tedy prostorově proměnné tvarování fáze odražené vlny. Tyto prvky jsou nej častěji využívány v optické metrologii pro nulování vlnoplochy. V optické mikroskopii se častěji pracuje s PMS z kapalných krystalů. Ty umožňují modifikovat fázi optických vln pomocí elektrooptického jevu v kapalných krystalech.

PMS z kapalných krystalů využívají kapalné krystaly v cholesterické nebo nematické fázi. Kapalné krystaly v cholesterické fázi stáčejí rovinu polarizace a při použití lineárního polarizátoru před PMS a analyzátoru za PMS mohou sloužit jako amplitudové modulátory. V praktických aplikacích je častěji vyžadována čistě fázová modulace, která je realizovaná pomocí kapalných krystalů v nematické fázi. Pro maximální fázovou modulaci je třeba využívat před PMS lineární polarizátor. PMS mohou pracovat v transmisní i reflexní konfiguraci. Díky vyšší účinnosti a dostupnosti větších fázových zdvihů jsou ale frekventovanější reflexní uspořádání.

PMS provádí prostorově proměnnou fázovou modulaci pomocí nezávisle adresovaných pixelů. Při praktickém použití PMS dochází k difrakčním efektům na hranicích mezi jednotlivými pixely a část světla není prostorovou modulací ovlivněna. Eliminace průnikové vlny (neovlivněné prostorovou modulací světla) je možná přidáním fáze optického klínu k masce adresované na PMS. Fáze optického klínu umožňuje prostorové odseparování průnikové vlny a následnou prostorovou filtraci pouze modulovaného vlnění. Při použití bílého světla nebo širokospektrálních zdrojů způsobuje tento postup difraktivní disperzi, kterou lze kompenzovat umělým vnesením refraktivní disperze jako například v práci R Steiger et al., SLM-based offaxis Former filtering in microscopy with white light illumination, Opt. Express 20, 15377 až 15384 (2012).

Výše popsaný postup a realizace prostorové filtrace vyžadují použití dodatečných optických komponent. V méně citlivých aplikacích je možné slabé průnikové vlnění ignorovat a pracovat pouze se silnějším modulovaným signálem. V jiných aplikacích založených na interferenci světla je možné průnikové vlnění využít ke korelaci s modulovanou vlnou.

- 1 CZ 33414 U1

Příkladem použití PMS v osvětlovací části systému jsou metody založené na strukturovaném osvětlení. Tyto metody poskytují optické řezy objemovými vzorky nebo umožňují dosáhnout rozlišení pod difrakčním limitem. Projekcí mřížkového vzoru na pozorovaný vzorek a jeho posunem a záznamem modulovaných obrazů bylo dosaženo optických řezů v optické [M. A. A. Neil et a., Method of obtaining optical sectioning by using structured light in a conventional microscope, Opt. Lett. 22, 1905 až 1907 (1997)] a fluorescenční mikroskopii [M. A. A. Neil et al., Wide-field optically sectioning fluorescence microscopy with laser illumination, Journal of Microscopy, 197, 1 až 4 (2000)]. Projekcí mřížkového vzoru, jeho úhlovou rotací a zpracováním modulovaných obrazů je možné dosáhnout rozlišení pod difrakčním limitem [M. Gustaffson, Surpassing the lateral resolution limit by a factor of two using structured illumination microscopy. Journal of Microscopy 198, 82 až 87, (2000)].

Příkladem použití PMS v zobrazovací části systému je metoda spirálního kontrastu. V této metodě je PMS využíván jako filtr s vírovou fází. Vzorek je osvětlen prostorově koherentním zdrojem záření a do roviny PMS je pomocí jednoduchého optického systému zobrazeno spektrum jeho prostorových frekvencí. Modulovaný signál je odkloněn od průnikového světla a na detektor je zaznamenán obraz se zvýšeným kontrastem amplitudových nebo fázových přechodů. Podobným způsobem je možné realizovat i další metody zvýšení kontrastu jako je fázový kontrast nebo temné pole [S. Fůrhapter et al., Spiral phase contrast imaging in microscopy, Opt. Express 13, 689 až 694 (2005)].

Příkladem použití PMS bez nutnosti filtrace průnikové vlny je korelační zobrazení, ve kterém průniková vlna slouží jako referenční signál. Tímto způsobem je možné provést holografický záznam nekoherentně osvětlených nebo fluorescenčních objektů. Intenzita průnikové vlny může být zesílena použitím modulační masky pouze na část aktivní plochy PMS [J. Rosen et al., Digital spatially incoherent Fresnel holography, Opt. Lett. 32, 912 až 914 (2007)].

Podstata technického řešení

Předmětem užitného vzoruje zobrazovací modul s prostorovou modulací světla multimodálního mikroskopu. Multimodálnost mikroskopuje zajištěna proměnnou fázovou modulací realizovanou pomocí PMS nebo statických masek zajišťujících amplitudovou, fázovou nebo amplitudověfázovou modulaci. Díky vhodnému technickému řešení je možné současně kombinovat PMS a prostorovou modulaci vnesenou statickým prvkem. To umožňuje současné pozorování vzorků v různých zobrazovacích režimech. Jednotlivé zobrazovací režimy umožňující zvýšení kontrastu pozorovaných objektů, nebo kvantifikaci měřených dat je možné řídit pomocí vhodného adresování PMS. Předkládaný systém obsahuje standardní mikroskop pracující v reflexním nebo transmisním režimu a zobrazovací modul pro prostorovou modulaci světla, který obsahuje postupně ve směru šíření vlny první optickou soustavu modulu uzpůsobenou k vytvoření spektra prostorových frekvencí zobrazovaného předmětu v rovině prostorového modulátoru světla, nepolarizační dělič svazku, PMS, a druhou optickou soustavu modulu obsahující alespoň první detektor a uzpůsobenou k transformaci modulovaného světla do roviny prvního detektoru. První optická soustava modulu zahrnuje postupně ve směru šíření vlny první zobrazovací soustavu tvořenou alespoň jedním optickým prvkem s pozitivní optickou mohutností a první lineární polarizátor. Druhá optická soustava modulu zahrnuje postupně ve směru šíření druhé odražené vlny druhou zobrazovací soustavu, druhý lineární polarizátor a detektor. Ve vybraných zobrazovacích režimech není použití druhé zobrazovací soustavy a/nebo druhého lineárního polarizátoru nutné.

Dělič svazku je uzpůsoben k rozdělení světlené vlny na dvě v poměru intenzit 1:1. Dvě nově vzniklé vlny mají vzájemně kolmé směry šíření, přičemž jedna má stejný směr šíření jako původní. Vlna je tedy rozdělena na první prošlou vlnu a první odraženou vlnu. Dále pak modulovaná vlna je rozdělena na druhou prošlou vlnu a druhou odraženou vlnu.

-2CZ 33414 U1

Zobrazovací modul s prostorovou modulací světla obsahuje PMS na bázi kapalných krystalů řízených elektrooptickým jevem. PMS je schopný na základě elektrického napětí adresovaného na pixely jeho aktivního displeje měnit orientaci kapalných krystalů a tím provádět fázovou modulaci světla.

Výhodné provedení první optické soustavy a druhé optické soustavy zahrnuje první zobrazovací soustavu a druhou zobrazovací soustavu, které jsou tvořeny alespoň jedním zobrazovacím prvkem s kladnou optickou mohutností.

V jiném provedení obsahuje zobrazovací modul pro prostorovou modulaci světla třetí optickou soustavu umístěnou za děličem svazku ve směru šíření první odražené vlny, která využívá zbývající volný kanál děliče svazku a postupně ve směru šíření druhé prošlé vlny obsahuje prvek provádějící prostorovou modulaci světla, třetí zobrazovací soustavu a druhý detektor.

Výhodné provedení třetí optické soustavy zahrnuje prvek provádějící prostorovou modulaci světla, který pracuje s procházejícím světlem a je realizovaný jako litograficky vyrobený nebo jinak připravený amplitudový, fázový nebo amplitudově-fázový prvek. Třetí zobrazovací soustava je tvořena alespoň jedním zobrazovacím prvkem s kladnou optickou mohutností.

Objasnění výkresů

Obrázek 1 znázorňuje schematické uspořádání multimodálního mikroskopu s prostorovou modulací světla tvořeného optickým mikroskopem a zobrazovacím modulem složeným z první optické soustavy, děliče svazku, PMS a druhé optické soustavy.

Obrázek 2 znázorňuje schematické uspořádání první optické soustavy tvořené první zobrazovací soustavou a prvním polarizátorem, a druhé optické soustavy tvořené druhou zobrazovací soustavou, druhým lineárním polarizátorem a prvním detektorem.

Obrázek 3 znázorňuje schematické uspořádání multimodálního mikroskopu s prostorovou modulací světla tvořeného optickým mikroskopem a zobrazovacím modulem složeným z první optické soustavy, děliče svazku, PMS, druhé optické soustavy a třetí optické soustavy.

Obrázek 4 znázorňuje schematické uspořádání první optické soustavy tvořené první zobrazovací soustavou a prvním polarizátorem, druhé optické soustavy tvořené druhou zobrazovací soustavou, druhým lineárním polarizátorem a prvním detektorem, a třetí optické soustavy tvořené prvkem provádějícím modulaci světla, třetí zobrazovací soustavou a druhým detektorem.

Příklady uskutečnění technického řešení

Na obrázku 1 je schematicky znázorněn optický mikroskop 1 s připojovacím zobrazovacím modulem 2 pro prostorovou modulaci světla. Zobrazovací modul 2 pro prostorovou modulaci světla zahrnuje postupně ve směru šíření vlny 8, 8.1, 8.3 a 8.5 první optickou soustavu 3, která modifikuje světlo vystupující z optického mikroskopu 1, nepolarizační dělič 4 svazku, prostorový modulátor 5 světla a druhou optickou soustavu 6 obsahující alespoň první detektor 6.3. která slouží k transformaci modulovaného světla do roviny prvního detektoru 6.3. První optická soustava 3 je navržena takovým způsobem, aby po průchodu světla přes dělič 4 došlo k rozdělení vlny 8 na první prošlou vlnu 8.1 a první odraženou vlnu 8.2. přičemž první prošlá vlna 8.1 vytvoří spektrum prostorových frekvencí zobrazovaného předmětu v rovině PMS 5. Po provedení prostorové modulace světla na PMS 5 je modulovaná vlna 8.3 druhým průchodem přes dělič 4 rozdělena na druhou prošlou vlnu 8.4, která není užitečně využívaná a druhou odraženou vlnu 8.5. která je směrována do druhé optické soustavy 6.

-3CZ 33414 U1

Na obrázku 2 je schematicky znázorněn zobrazovací modul 2 pro prostorovou modulaci světla. První optická soustava 3 modulu 2 zahrnuje postupně ve směru šíření vlny 8 první zobrazovací soustavu 3.1 a první lineární polarizátor 32, který v závislosti na úhlovém natočení mění účinnost prostorové modulace světla. První zobrazovací soustava 3.1 může být složena z libovolného počtu optických komponent, jako jsou například čočky, soustavy čoček nebo objektivy. Parametry první zobrazovací soustavy 3.1 však musí být voleny tak, aby vytvářela obraz předmětu vloženého do předmětové roviny optického mikroskopu 1 v nekonečnu. Dělič 4 svazkuje realizovaný jako nepolarizační dělič, který propouští a odráží světlo v dělicím poměru 50/50 a zajišťuje navzájem kolmé směry šíření první prošlé vlny 8.1 a první odražené vlny 82. První prošlá vlna 8.1 se šíří směrem k PMS 5, který je umístěný v obrazové ohniskové rovině první zobrazovací soustavy 3.1. Po provedení prostorové modulace světlaje od PMS 5 odražena modulovaná vlna 8.3 a postupuje zpět směrem k děliči 4 svazku. Modulovaná vlna 8.3 je při druhém průchodu přes dělič 4 rozdělena v dělicím poměru 50/50 na druhou prošlou vlnu 8.4 a druhou odraženou vlnu 8.5. Druhá prošlá vlna 8.4 není užitečně využívaná a druhá odražená vlna 8.5 vstupuje do optické soustavy 6, kterou je dále transformovaná. Optická soustava 6 zahrnuje postupně ve směru šíření druhé odražené vlny 8.5 druhou zobrazovací soustavu 6.1, druhý lineární polarizátor 6.2 a první detektor 63. Druhá zobrazovací soustava 6.1 může být složena z libovolného počtu optických komponent, jako jsou například čočky, soustavy čoček nebo objektivy. Parametry druhé zobrazovací soustavy 6.1 však musí být voleny tak, aby vytvářela obraz předmětu vloženého do předmětové roviny optického mikroskopu 1 v rovině detektoru 6.3.

Ve vybraných zobrazovacích režimech, založených na korelaci průnikové a modulované vlny, není využití druhé zobrazovací soustavy 6.1 a druhého lineárního polarizátoru 6.2 nutné.

Na obrázku 3 je schematicky znázorněn zobrazovací modul 2 pro prostorovou modulaci světla. Zobrazovací modul 2 pro prostorovou modulaci světla v tomto provedení zahrnuje stejné uspořádání optických komponent jako zobrazovací modul 2 v předchozím provedení, navíc pak po děliči 4 svazku zahrnuje ve směru šíření první odražené vlny 8.2 třetí optickou soustavu 7.

Na obrázku 4 je schematicky znázorněn zobrazovací modul 2 pro prostorovou modulaci světla. První optická soustava 3 modulu 2 zahrnuje postupně ve směru šíření vlny 8 první zobrazovací soustavu 3.1 a první lineární polarizátor 3.2. První zobrazovací soustava 3.1 může být složena z libovolného počtu optických komponent, jako jsou například čočky, soustavy čoček nebo objektivy. Parametry první zobrazovací soustavy 3.1 však musí být voleny tak, aby vytvářela obraz předmětu vloženého do předmětové roviny optického mikroskopu 1 v nekonečnu. Dělič 4 svazkuje realizovaný jako nepolarizační dělič, který propouští a odráží světlo v dělicím poměru 50/50 a zajišťuje navzájem kolmé směry šíření první prošlé vlny 8.1 a první odražené vlny 82. První prošlá vlna 8.1 postupuje směrem k PMS 5 a první odražená vlna 82 vstupuje do třetí optické soustavy 7. Třetí optická sestava 7 zahrnuje postupně ve směru šíření první odražené vlny 82 prvek 7.1 uzpůsobený k amplitudové, fázové nebo amplitudově-fázové modulaci světla, třetí zobrazovací soustavu 72 a detektor 73. Prvek 7.1 provádějící amplitudovou, fázovou, nebo amplitudově-fázovou modulaci světla je umístěný v obrazové ohniskové rovině první zobrazovací soustavy 3.1, která splývá s předmětovou ohniskovou rovinou třetí zobrazovací soustavy 72. Po provedení amplitudové, fázové, nebo amplitudově-fázové modulace je první odražená vlna 82 transformovaná třetí zobrazovací sestavou 72. Třetí zobrazovací soustava 72 může být složena z libovolného počtu optických komponent, jako jsou například čočky, soustavy čoček nebo objektivy. Parametry třetí zobrazovací soustavy 72 však musí být voleny tak, aby vytvářela obraz předmětu vloženého do předmětové roviny optického mikroskopu 1 v rovině druhého detektoru 73.

Prostorový modulátor 5 světlaje proveden je optoelektronický prvek na bázi kapalných krystalů pracující s odraženým světlem, takto je uzpůsoben k provádění počítačem řízené, čistě fázové modulaci světla. Prvek 7.1 pro modulaci světlaje realizovaný jako litograficky vyrobený optický komponent pracující s procházejícím světlem, takto je uzpůsoben k provádění amplitudové,

-4CZ 33414 U1 fázové a/nebo amplitudově-fázové modulaci světla.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (8)

1. Zobrazovací modul (2) s prostorovou modulací světla pro multimodální mikroskop (1), vyznačující se tím, že obsahuje postupně ve směru šíření vlny (8.1), (8.3) a (8.5) první optickou soustavu (3) uzpůsobenou k vytvoření spektra prostorových frekvencí zobrazovaného předmětu v rovině prostorového modulátoru (5) světla, nepolarizační dělič (4) svazku, prostorový modulátor (5) světla a druhou optickou soustavu (6) obsahující alespoň první detektor (6.3) a uzpůsobenou k transformaci modulovaného světla do roviny prvního detektoru (6.3).

2. Zobrazovací modul (2) s prostorovou modulací světla pro multimodální mikroskop (1) dle nároku 1, vyznačující se tím, že první optická soustava (3) zahrnuje postupně ve směru šíření vlny (8) první zobrazovací soustavu (3.1) tvořenou alespoň jedním optickým prvkem s pozitivní optickou mohutností a první lineární polarizátor (3.2).

3. Zobrazovací modul (2) s prostorovou modulací světla pro multimodální mikroskop (1) podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že dělič svazku (4) je uzpůsoben k rozdělení vlny (8) na první prošlou vlnu (8.1) a první odraženou vlnu (8.2), přičemž směry šíření první prošlé vlny (8.1) a první odražené vlny (8.2) jsou navzájem kolmé, a k rozdělení modulované vlny (8.3) na druhou prošlou vlnu (8.4) a druhou odraženou vlnu (8.5), přičemž směry šíření druhé prošlé vlny (8.4) a druhé odražené vlny (8.5) jsou navzájem kolmé.

4. Zobrazovací modul (2) s prostorovou modulací světla pro multimodální mikroskop (1) podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že prostorový modulátor (5) světlaje optoelektronický prvek na bázi kapalných krystalů.

5. Zobrazovací modul (2) s prostorovou modulací světla pro multimodální mikroskop (1) podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že druhá optická sestava (6) zahrnuje postupně ve směru šíření druhé odražené vlny (8.5) druhý lineární polarizátor (6.2) a první detektor (6.3).

6. Zobrazovací modul (2) s prostorovou modulací světla pro multimodální mikroskop (1) podle kteréhokoliv z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že druhá optická sestava (6) zahrnuje postupně ve směru šíření druhé odražené vlny (8.5) druhou zobrazovací sestavu (6.1), druhý lineární polarizátor (6.2) a první detektor (6.3).

7. Zobrazovací modul (2) s prostorovou modulací světla pro multimodální mikroskop (1) podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že dále obsahuje třetí optickou soustavu (7) obsahující alespoň prvek (7.1) k prostorové modulaci světla a umístěnou za děličem (4) svazku ve směru první odražené vlny (8.2).

8. Zobrazovací modul (2) s prostorovou modulací světla pro multimodální mikroskop (1) dle nároku 7, vyznačující se tím, že třetí optická soustava (7) zahrnuje postupně ve směru šíření první odražené vlny (8.2) prvek (7.1) provádějící modulaci světla, třetí zobrazovací soustavu (7.2) a druhý detektor (7.3).

1 výkres

-5CZ 33414 U1

Seznam vztahových značek:

1 optický mikroskop

2 zobrazovací modul pro prostorovou modulaci světla

3 první optická soustava

3.1 první zobrazovací soustava

3.2 první lineární polarizátor

4 dělič svazku

5 prostorový modulátor světla (PMS)

6 druhá optická soustava

6.1 druhá zobrazovací soustava

6.2 druhý lineární polarizátor

6.3 první detektor

7 třetí optická soustava

7.1 prvek provádějící modulaci světla

7.2 třetí zobrazovací soustava

7.3 druhý detektor

8 primární vlna

8.1 první prošlá vlna

8.2 první odražená vlna

8.3 modulovaná vlna

8.4 druhá prošlá vlna

8.5 druhá odražená vlna.