Oblast techniky

Technické řešení se týká mikroskopu, který pomocí holografie umožňuje konfokální zobrazení v odraženém světle a v reálném čase. Podstatné je, že k osvětlení je využito bílého světla.

Dosavadní stav technikv

Kromě laserových rastrovacích mikroskopů (LSOM) se v současné době pro konfokální mikroskopii v odraženém světle využívá především mikroskopů s dvojím rastrováním pomocí rotujícího kotouče (TSM), jejichž princip byl navržen Petráněm. Tato technika je vhodná pro osvětlení běžnými zdroji bílého světla, jako např. výbojkou či žárovkou. Její nevýhodou je nutnost rastrování, která omezuje rychlost snímání a znemožňuje současné zobrazení celého předmětového pole v jediném časovém okamžiku.

Tato nevýhoda je odstraněna při snímání konfokálního zobrazení nerastrovací technikou obrazové holografie s plošným zdrojem světla, která byla navržena Sunem a Leithem (Appl. Opt. 33 (1994), s. 597). Pro záznam hologramu se využívá tzv. achromatického interferometru, v jehož větvích jsou umístěny optické soustavy, které v procházejícím světle zobrazují pozorovaný transparent a referenční rovinu. Tato technika byla upravena pro konfokální pozorování Kóhlerovsky osvětlených odrazných předmětů v reálném čase Chmelíkem a Hamou (Jemná mechanika a optika 43 (1998), s. 116).

V této úpravě je zařízení opět tvořeno dvěma optickými větvemi - předmětovou a referenční větví. Obě větve jsou osazeny objektivy. Světlo ze zdroje prochází osvětlovací soustavou, která je společná oběma větvím, zobrazuje zdroj do ohniskových rovin objektivů a tím vytváří Kóhlerovo osvětlení. Osvětlovací soustava je následována mřížkou, která osvětlovací svazek rozděluje do obou větví. Světlo za difrakční mřížkou vstupuje do každé z větví osvětlovací cestou příslušné větve a z ní vystupuje cestou zobrazovací. Objektiv umístěný v předmětové větvi současně osvětluje a v odraženém světle zobrazuje pozorovaný předmět, objektiv v referenční větvi současně osvětluje a v odraženém světle zobrazuje referenční zrcadlo. Prostřednictvím optických soustav pro rozdvojení svazku (např. děličů svazku) je optická osa každého z objektivů ztotožněna s osou osvětlovací optické cesty příslušné větve a současně s osou cesty zobrazovací téže větve. Osy osvětlovacích cest se v rovině difrakční mřížky rozdělují pod úhlem a, osy zobrazovacích cest se setkávají pod týmž úhlem a ve výstupní rovině zařízení, kde vzniká holografický obrazec interferencí světelných svazků. Tento obrazec je dále zobrazen na čip CCD kamery, přenesen do paměti PC a numericky rekonstruován. Optické vzdálenosti objektivu od difrakční mřížky a od výstupní roviny jsou shodné v každé z větví a v obou větvích navzájem.

Protože je použito plošného, tj. prostorově nekoherentního zdroje světla, vzniká ve výstupní rovině holografický obrazec pouze tehdy, jsou-li obě větve opticky ekvivalentní. To je splněno pro světlo, které je předmětem odráženo v hloubce, která odpovídá poloze referenčního zrcadla. Světlo odrážené předmětem v jiných hloubkách vytváří holografický obrazec s podstatně nižším či nulovým kontrastem proužků. Rekonstrukcí holografického obrazce je proto získáváno ostré zobrazení jediného optického řezu předmětem a tak je dosaženo základní vlastností konfokálních mikroskopů - schopnosti provádět optické řezy.

Popsanou metodou se zobrazuje celé pozorované pole současně, frekvenci snímaných konfokálních obrazů omezuje pouze rychlost záznamového zařízení, nikoli optická soustava.

Nevýhodou původního řešení Suna a Leitha i výše popsané úpravy je možnost pozorování pouze v monochromatickém osvětlení (laser). Navíc musí být zdroj světla prostorově nekoherentní. Tyto dva nesourodé požadavky mohou být splněny pouze umělým porušením prostorové

- 1 CZ 8547 Ul koherence laserového světla pomocí rotující matnice či kmitajícího optického vlákna. Avšak tím je do optické soustavy opět vnesen pohybující se prvek.

Podstata technického řešení

Posledně uvedený nedostatek je odstraněn v holografickém konfokálním mikroskopu pro bílé světlo.

Při použití monochromatického světlaje vstupní svazek odkláněn difrakční mřížkou pod určitým úhlem (obvykle a/2) do referenční a předmětové větve a oba odkloněné osvětlující svazky vytvářejí v ohniskových rovinách obou objektivů (primární) zobrazení zdroje. Při použití bílého světla se uplatní závislost úhlu difrakce na vlnové délce. Svazky různých vlnových délek jsou odkláněny pod různými úhly a následkem toho jsou různě stranově posunuta i jimi vytvářená zobrazení zdroje v ohniskových rovinách objektivů. V ohniskových rovinách pak vznikají spektrálně rozložená primární zobrazení zdroje.

Pro zjednodušení dalšího popisu lze předpokládat, že pozorovaným předmětem je rovinné zrcadlo. Po odrazu světla v předmětových prostorech objektivů vznikají ve zmíněných ohniskových rovinách spektrálně rozložená sekundární zobrazení zdroje, která jsou vzhledem k primárním zobrazením stranově převrácená. Stranově převráceno je rovněž pořadí barev ve spektrálním rozkladu. Ze sekundárních zobrazení zdroje vycházejí zobrazující svazky, které interferují ve výstupní rovině. Má-li vznikat holografický obrazec, je nutno zajistit, aby zobrazující svazky různých vlnových délek vytvářely interferenční proužky jediné prostorové frekvence. K tomu musí být pro každou vlnovou délku zajištěno, že úhlová vzdálenost sekundárních zobrazení zdroje vzhledem k výstupní rovině je rovna úhlové vzdálenosti primárních zobrazení zdroje vzhledem k difrakční mřížce. Tento úhel závisí na vlnové délce a prostorové frekvenci difrakční mřížky.

Splnění poslední podmínky je komplikováno stranovým převrácením pořadí barev ve spektrálním rozkladu sekundárních zobrazení zdroje. Kompenzace této inverze je vyřešena následujícím technickým řešením.

Osvětlovací či zobrazovací cesty obou větví jsou doplněny kompenzačními zrcadly, přičemž celkové optické schéma splňuje následující dodatečnou podmínku pro paprsky, které leží některou svou částí v rovině určené osami obou osvětlovacích nebo zobrazovacích cest a přitom procházejí průsečíky těchto os v rovině difrakční mřížky či v rovině výstupní, osvětlující paprsek, který je odchýlen od osy osvětlovací cesty určité větve o malý úhel β směrem od osy druhé osvětlovací cesty, je prostřednictvím optického zařízení pro zdvojení svazku a prostřednictvím kompenzačního zrcadla ztotožněn se zobrazujícím paprskem v téže větvi, který je však odchýlen od osy zobrazovací cesty téže větve o malý úhel β opačným směrem, tedy směrem k ose druhé zobrazovací cesty.

Tím je zaručeno, že dva paprsky v určité větvi, z nichž jeden - osvětlující - je odchýlen od osy osvětlovací cesty o malý úhel β a druhý - zobrazující - od osy zobrazovací cesty o týž úhel β, přičemž obě odchylky jsou shodně orientovány vzhledem kose druhé osvětlovací, resp. zobrazovací cesty, protnou ohniskovou rovinu objektivu v bodech stranově převrácených dle optické osy objektivu. Uvážíme-li dále, že tyto geometrické průsečíky mohou představovat primární a sekundární zobrazení určitého bodu zdroje, a že zmíněná podmínka je splněna v obou větvích současně, je zřejmé, že je zaručena i shoda úhlových vzdáleností primárního a sekundárního zobrazení zdroje, jak je popsána výše.

-2CZ 8547 Ul

Přehled obrázků na výkrese

Na obrázku 1 je znázorněno schéma příkladného technického řešení s vyznačenými optickými prvky, optickými osami objektivů a osami optických cest (plnou čarou) a se zakreslenými příkladnými paprsky (čárkovaně).

Příklad provedení technického řešení

Navržené technické řešení je blíže popsáno na možném konkrétním příkladu provedení zobrazeném schematicky na přiloženém obrázku 1. Na praktické realizaci příkladného provedení byla experimentálně potvrzena popsaná funkce zařízení při osvětlení bílým světlem.

Světlo z nekoherentního zdroje (rtuťová výbojka) prochází osvětlovací soustavou. Vstupní svazek 15 je fázovou difrakční mřížkou j4 difraktován v 1. a-1. difrakčním řádu do optických větví. Osvětlovací soustava zobrazuje zdroj do ohniskových rovin objektivů 1 a 2, čímž je dosaženo Kohlerova osvětlení pozorovaného předmětu 3 objektivem 1 a referenčního zrcadla 4 objektivem 2. Prostřednictvím děliče svazku 7, resp. 8 a zrcadla 16, resp. J_7 je optická osa 5, resp. 6 objektivu 1, resp. 2 ztotožněna s osou 9, resp. 10 osvětlovací optické cesty a současně s osou U, resp. 12 zobrazovací optické cesty v každé z optických větví

Osy 9, 10 osvětlovacích optických cest se v rovině difrakční mřížky 14 protínají v bodě 13 pod úhlem a, osy H, 12 zobrazovacích optických cest se ve výstupní rovině 19 protínají v bodě 18 pod týmž úhlem a. Optické vzdálenosti objektivů 1, 2 od bodů 13, 18 jsou v obou optických větvích shodné.

Kompenzace stranového převrácení pořadí barev ve spektrálním rozkladu sekundárních zobrazení zdroje je dosaženo zrcadly 16, 17 a děliči svazku 7, 8, jejichž polohou a orientací je pro každou vlnovou délku zaručeno, že úhlová vzdálenost primárních zobrazení zdroje vzhledem k bodu 13 je táž, jako úhlová vzdálenost sekundárních zobrazení zdroje vzhledem k bodu 18.

Pro určitou vlnovou délku činí difrakční úhly pro ±1. difrakční řád ±a/2 a střed zdroje je zobrazen na optickou osu objektivů. Uhlová vzdálenost primárních i sekundárních zobrazení zdroje je a a kompenzace v tomto případě není zapotřebí.

Pro vyšší vlnovou délku je difrakční úhel zvýšen o β (viz příkladné osvětlující paprsky 21, 22 vycházející z bodu 13). Primární zobrazení zdroje mají tedy pro tuto vlnovou délku úhlovou vzdálenost α + 2β. Týmiž body ohniskových rovin, jako zmíněné příkladné osvětlující paprsky procházejí příkladné zobrazující paprsky 23, 24, jejichž úhel dopadu ve výstupní rovině 19 ie. vzhledem k osám H, 12 zobrazovacích optických cest, snížen o β. Paprsky geometricky sdružené s příkladnými paprsky 21, 22 dle optických os 5, 6 objektivů pak mají úhly dopadu naopak zvýšeny o β, úhlová vzdálenost sekundárních zobrazení zdroje pro tuto vlnovou délku tedy činí α + 2β a shoduje se s úhlovou vzdáleností primárních zobrazení zdroje. Tím je zařízení barevně kompenzováno aje možno použít osvětlení polychromatickým světlem.

Průmyslová využitelnost

Výhodou holografického konfokálního mikroskopu pro bílé světlo dle popsaného technického řešení oproti konvenčnímu konfokálnímu mikroskopu pro bílé světlo je, že rychlost snímání není omezena žádnou pohyblivou součástí optické soustavy, všechny body předmětového pole jsou zobrazovány současně. Je tedy umožněno konfokální zobrazení skutečně (nejen efektivně) v reálném čase. Navíc je rekonstruována jak amplituda, tak fáze zobrazení. Předpokládají se také nižší výrobní náklady oproti konvenčním konfokálním mikroskopům.

Nevýhodou je nedosažitelnost fluorescenční mikroskopie a nemožnost pozorování objektů přes dispersní prostředí. Další nevýhodou je nutnost používat dvojice objektivů.

-3 CZ 8547 Ul

Zařízení může být s výhodou využito při konfokálním pozorování povrchů s například při sledování povrchů materiálů v technologických procesech či při mechanických testech. Přitom je možno dosáhnout hloubkového rozlišení řádově jednotek až desítek nanometrů využitím fázové složky zobrazení.

Zařízení lze dále využít při konfokálním pozorování velmi rychlých dějů, které již konvenčními, tj. rastrujícími konfokálními mikroskopy nelze zachytit.

Zvláště vhodnou oblastí aplikace se jeví rychlá inspekce povrchů polovodičových struktur při výrobě.