RU2199729C1 - Лазерное устройство для исследования поля микрообъектов с лучевым воздействием (варианты) - Google Patents
Лазерное устройство для исследования поля микрообъектов с лучевым воздействием (варианты) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2199729C1 RU2199729C1 RU2002117921/28A RU2002117921A RU2199729C1 RU 2199729 C1 RU2199729 C1 RU 2199729C1 RU 2002117921/28 A RU2002117921/28 A RU 2002117921/28A RU 2002117921 A RU2002117921 A RU 2002117921A RU 2199729 C1 RU2199729 C1 RU 2199729C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- radiation
- unit
- microobjects
- fiber
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Microscoopes, Condenser (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и средствам воздействия на органические и неорганические материалы и может быть использовано в различных областях науки и техники от обработки деталей в микромеханике и микроэлектронике до фотолитографии, медицины, химии, биотехнологии и генной инженерии. Устройство по первому варианту содержит лазер с блоком питания, установленные последовательно по ходу луча коллиматор, компенсатор деполяризации пучка, двухкоординатный акустооптический дефлектор, объектив, согласующий пучок с полем микрообъектов, каналы приема рассеянного и инициированного излучения со своими объективами, датчик режимов работы лазера, блок синхронизации работы устройства, блок управления, однокоординатный акустооптический дефлектор в канале приема инициированного излучения, маркерный оптический канал, компьютер. В каналах приема установлены многоэлементные приемники - ПЗС-матрицы, работа которых синхронизована с работой акустооптического дефлектора. Устройство по второму варианту содержит лазер, многоэлементный приемник излучения в виде ПЗС-матрицы и волоконно-оптический жгут с приемопередающей торцевой поверхностью и пучками световодов осветительного и приемного каналов. Перед входным торцом осветительных световодов жгута дополнительно по ходу луча лазера установлены коллиматор, двухкоординатный акустооптический дефлектор (Х, У-АОД) и объектив, блок управления работой Х, У-АОД синхронизирован через контроллер с приемником. Устройство позволяет измерять параметры рассеянного и инициированного излучения микрообъектов в широком спектре оптического диапазона с привязкой по спектру и координатам микрообъектов, производить прецизионную обработку поля микрообъектов путем лучевого воздействия. Изобретение обеспечивает повышение быстродействия и точности при получении изображения поля микрообъектов, анализе его спектра и лучевом воздействии на микрообъекты. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и средствам воздействия на материалы и может быть использовано в различных областях науки и техники от обработки деталей в микромеханике и микроэлектронике до фотолитографии, медицины, химии, биотехнологии и генной инженерии. Выше перечисленные применения требуют создания сканирующих систем, позволяющих точно позиционировать луч лазера на микрообъектах как во время исследований микрообъектов, так и при воздействии на них. Для ряда задач необходимо точно определять координаты микрообъекта по изображению поля микрообъектов, полученному в различных спектральных диапазонах оптического излучения.
В ряде устройств оптического диапазона применяются средства сканирования с использованием зеркал и электромеханики. В патенте США N 6057525. "Способ и устройство для прецизионной лазерной микрообработки" используется лазер видимого диапазона излучения и наклонные зеркала по осям X-Y, служащие для позиционирования и сканирования указанного лазерного луча на обрабатываемую деталь, причем каждое зеркало включает электроприводы по осям Х и Y, управляемые по напряжению. Устройство обеспечивает наведение пучка на частотах от 1 Гц до 1000 Гц; существенным недостаткам всех электромеханических устройств является их низкое быстродействие и недостаточная для современных технологических процессов точность позиционирования. В патенте США N 5361269 "Прибор с немеханическим сканированием лазерного пучка с использованием дифракционной решетки и акустооптического дефлектора для оптической записи и считывания" описывается устройство, в котором для сканирования по одной из осей применяется акустооптический дефлектор. Настоящее изобретение кратко может быть описано, как устройство и способ для немеханического сканирования пучка света, излучаемого лазерным диодом, которые реализуются за счет изменения длины волны или частоты пучка с помощью изменения тока, приложенного к диоду, и наведения пучка на дифракционную решетку, (работающую на просвет или на отражение), с тем, чтобы менять положение пучка, когда он выходит из дифракционной решетки. Устройство может быть реализовано в комбинации, например, с акустооптическим сканером, который управляет пучком по 2-ой координате, для записи или считывания информации на всей поверхности подложки. Данное изобретение обеспечивает возможность значительно снизить размеры приборов для считывания информации. Планируется, что комбинация из лазерного диода, электронной схемы управления и дифракционной решетки может быть сконструирована в виде одного элемента, используя известный полупроводник, травление печатного монтажа и известные производственные технологии. Недостатками устройства являются:
1. Низкое быстродействие, вызванное необходимостью изменять ток накачки полупроводникового лазера.
1. Низкое быстродействие, вызванное необходимостью изменять ток накачки полупроводникового лазера.
2. Низкоэффективная работа акустооптического дефлектора при работе с пучком, изменяющим свою длину волны.
3. Отклоненный пучок не монохроматичен.
Большинство из существующих сканеров, работающих в оптическом диапазоне, либо представляют собой сложные механические устройства и, следовательно, обладающие малым быстродействием, либо мало эффективны и не сохраняют параметры пучка при его модуляции.
Известна установка для разделения, элиминации и контроля популяций микрообъектов, принимаемая далее за прототип по первому варианту устройства (патент России 2059712 ) и содержащая замкнутый объем для их размещения при воздействии на них внешними факторами, системы для воздействия на маркированную монокультуру и ее сортировки, при этом замкнутый объем представляет собой плоский капилляр с прозрачными стенками, а системы для воздействия на маркированную монокультуру состоят из ультрафиолетового облучателя, размещенного с одной стороны плоского капилляра, оптической системы, оптико-электронной системы и лазерного излучателя, расположенного с другой стороны, при этом оптико-электронная система включена в цепь обратной связи с лазерным излучателем для ввода информации о результате воздействия ультрафиолетового облучения на монослой и ввода в оптико-электронную систему через оптическую систему, при этом последняя расположена между оптико-электронной системой, выполненной на основе видикона с плоским капилляром, при чем оптическая система включает объектив, проецирующий изображение светящихся маркированных микрообъектов на экран, служащий модулятором лазерного излучения, и выполненный в виде управляемого транспаранта. Оптическая система может быть выполнена и в виде стекловолоконной шайбы с диаметром волокон, обеспечивающих пространственное разрешение на уровне единиц диаметров маркированных микрообъектов.
Недостатками устройства являются:
- низкое быстродействие при определении координат микрообъектов, вызванное необходимостью создания при измерении управляемого транспаранта, повторяющего изображение поля микрообъектов;
- низкое быстродействие при воздействии, обусловленное не индивидуальным, а сканирующим характером воздействия;
- отсутствие канала для исследования поля микрообъектов в спектральном диапазоне инициированного излучения;
- необходимость маркировки микрообъектов перед воздействием.
- низкое быстродействие при определении координат микрообъектов, вызванное необходимостью создания при измерении управляемого транспаранта, повторяющего изображение поля микрообъектов;
- низкое быстродействие при воздействии, обусловленное не индивидуальным, а сканирующим характером воздействия;
- отсутствие канала для исследования поля микрообъектов в спектральном диапазоне инициированного излучения;
- необходимость маркировки микрообъектов перед воздействием.
Известен люминесцентный анализатор изображений, принимаемый далее за прототип по второму варианту устройства (патент России 2144780), содержащий осветитель, приемник люминесцентного излучения и волоконно-оптический жгут с приемопередающей торцевой поверхностью и пучками световодов осветительного и приемного каналов, при этом волоконно-оптический жгут выполнен в виде кабеля из индивидуальных диагностических щупов, каждый из которых содержит пучки световодов осветительного и приемного каналов, при этом площадки торцов индивидуальных диагностических щупов пространственно разнесены и сведены в общую приемопередающую поверхность, по конфигурации подобную выходному торцу приемного канала, при этом входные торцы световодов осветительных каналов всех диагностических щупов оптически сопряжены с общим осветителем, а выходные торцы световодов приемных каналов каждого диагностического щупа независимо друг от друга оптически сопряжены с многоэлементным приемником излучения с возможностью независимой регистрации излучения отдельно от каждого излучаемого участка образца. Входные торцы световодов объединенных осветительных каналов могут образовывать общую поверхность, а выходной торец приемного канала диагностического щупа по конфигурации может быть подобен объединенной площадке того же щупа и пространство между объединенными площадками торцов приемопередающей поверхности и между торцами площадок приемных каналов щупов могут быть заполнены твердым наполнителем. Устройство обладает высоким быстродействием, которое ограничено только быстродействием многоэлементного приемника. К недостаткам устройства следует отнести:
1. Ограниченость пространственного разрешения диаметром световедущей жилы.
1. Ограниченость пространственного разрешения диаметром световедущей жилы.
2. Наличие перекрестных связей между каналами.
3. Геометрическая определенность формы поля наблюдения в виде формы торцевой поверхности тупа.
4. Отсутствие возможности избирательного воздействия на поле микрообъектов.
Техническим результатом изобретения по обоим вариантам является повышение быстродействия устройства, увеличение точности определения координат микрообъектов, расширение оптического диапазона наблюдения и исследования микрообъектов, увеличение быстродействия при воздействии на поле микрообъектов.
Указанный технический результат в устройстве по первому варианту достигается тем, что в устройство, содержащее первый лазер с блоком питания, первый коллиматор, блок модуляции мощности лазерного пучка, блок сканирования лазерного пучка, объектив или микрообъектив, подвижный столик для микрообъектов, блок приема и обработки излучения, рассеянного от объекта, блок приема и обработки инициированного излучения, блок управления, содержащего средства управления перечисленных выше блоков и соединенные с последними, контроллер, содержащий программные средства управления перечисленными выше блоками, и средство хранения информации, поступающей от блоков приема и обработки инициированного и рассеянного излучений, при этом оптические входы последних связаны через свои объективы с полем микрообъектов, дополнительно введены:
- блок определения координат микрообъектов;
- блок определения геометрических параметров пучка в поле микрообъектов и уровня освещенности микрообъекта относительно эталонного тест-объекта, введенного в устройство и расположенного на подвижном столике;
- средство перемещения объектива блока приема и обработки инициированного излучения вдоль оптической оси объектива;
- маркерный оптический канал, включающий второй лазер и второй коллиматор, оптически связанный с выходом первого лазера;
- датчик режимов работы первого лазера;
- средство синхронизации работы блока питания первого лазера, блока модуляции мощности первого лазера; блока сканирования его лазерного пучка и датчика режимов работы первого лазера, при этом вход средства синхронизации работы блоков соединен с выходом датчика режимов работы первого лазера, вход которого соединен оптически с выходом первого лазера, либо электрически с выходом блока питания первого лазера, а выход средства синхронизации работы блоков взаимосвязан с входом блока управления, а его выход соединен с входом блока питания лазера так, что начало работы блока модуляции мощности лазера и блока сканирования лазерного пучка; совпадает с появлением луча, а окончание работы лазера определяется моментом завершения работы указанных блоков, а блоки модуляции мощности и сканирования выполнены в виде двух координатного акустооптического дефлектора (X, Y-АОД), при этом средство управления X, Y-АОД, расположенное в блоке управления, включает как минимум, два управляемых генератора, выходы которых подсоединены к соответствующим управляющим входам X, Y-АОД.
- блок определения координат микрообъектов;
- блок определения геометрических параметров пучка в поле микрообъектов и уровня освещенности микрообъекта относительно эталонного тест-объекта, введенного в устройство и расположенного на подвижном столике;
- средство перемещения объектива блока приема и обработки инициированного излучения вдоль оптической оси объектива;
- маркерный оптический канал, включающий второй лазер и второй коллиматор, оптически связанный с выходом первого лазера;
- датчик режимов работы первого лазера;
- средство синхронизации работы блока питания первого лазера, блока модуляции мощности первого лазера; блока сканирования его лазерного пучка и датчика режимов работы первого лазера, при этом вход средства синхронизации работы блоков соединен с выходом датчика режимов работы первого лазера, вход которого соединен оптически с выходом первого лазера, либо электрически с выходом блока питания первого лазера, а выход средства синхронизации работы блоков взаимосвязан с входом блока управления, а его выход соединен с входом блока питания лазера так, что начало работы блока модуляции мощности лазера и блока сканирования лазерного пучка; совпадает с появлением луча, а окончание работы лазера определяется моментом завершения работы указанных блоков, а блоки модуляции мощности и сканирования выполнены в виде двух координатного акустооптического дефлектора (X, Y-АОД), при этом средство управления X, Y-АОД, расположенное в блоке управления, включает как минимум, два управляемых генератора, выходы которых подсоединены к соответствующим управляющим входам X, Y-АОД.
Частными признаками выполнения устройства по первому варианту являются:
- введение в блок приема инициированного излучения узкополосного, перестраиваемого оптического фильтра, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления;
- применение в качестве узкополосного, перестраиваемого оптического фильтра инициированного излучения однокоординатного Х(У)-АОД с поляризатором излучения на его оптическом входе, при этом управляющие вход Х(У)-АОД соединен с соответствующим выходом блока управления;
- дополнительно установлены между лазером и коллиматором, блок ввода излучения в оптоволоконный кабель и оптоволоконный кабель, сохраняющий спектральный состав и направление поляризации исходного излучения;
- установлено несколько разнотипных или однотипных по длине волны излучения лазеров, а ввод излучения в первый коллиматор осуществляется с помощью сумматора излучения лазеров, например, зеркального или оптоволоконного;
- перед ХУ-АОД установлен компенсатор деполяризации лазерного пучка, управляющий вход которого подключен к соответствующему выходу блока управления;
- в качестве блока приема и обработки инициированного излучения, блока приема и обработки рассеянного излучения, блока определения координат объекта; блока определения геометрических параметров пучка в плоскости объекта и уровня освещенности объекта относительно эталонного тест-объекта устройства используются ПЗС-матрицы с компьютером, работающие соответственно в спектральных диапазонах рассеянного и инициированного излучения, входы которых с помощью приемных объективов соединены с полем микрообъектов, а выходы ПЗС-матриц соединены с компьютером и предусмотрена взаимная связь между блоком управления и компьютером;
- перед ПЗС-матрицей, работающей на приеме инициированного излучения, установлен либо сменный, либо перестраиваемый оптический фильтр, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления, а работа фильтра синхронизована компьютером с работой X, У-АОД по управляющему каналу связи компьютера с блоком управления всего устройства;
- используется ультрафиолетовый лазер, а оптические элементы, установленные по ходу луча от лазера до ПЗС-матрицы на приеме рассеянного излучения включительно, работают в ультрафиолетовом диапазоне длин волн.
- введение в блок приема инициированного излучения узкополосного, перестраиваемого оптического фильтра, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления;
- применение в качестве узкополосного, перестраиваемого оптического фильтра инициированного излучения однокоординатного Х(У)-АОД с поляризатором излучения на его оптическом входе, при этом управляющие вход Х(У)-АОД соединен с соответствующим выходом блока управления;
- дополнительно установлены между лазером и коллиматором, блок ввода излучения в оптоволоконный кабель и оптоволоконный кабель, сохраняющий спектральный состав и направление поляризации исходного излучения;
- установлено несколько разнотипных или однотипных по длине волны излучения лазеров, а ввод излучения в первый коллиматор осуществляется с помощью сумматора излучения лазеров, например, зеркального или оптоволоконного;
- перед ХУ-АОД установлен компенсатор деполяризации лазерного пучка, управляющий вход которого подключен к соответствующему выходу блока управления;
- в качестве блока приема и обработки инициированного излучения, блока приема и обработки рассеянного излучения, блока определения координат объекта; блока определения геометрических параметров пучка в плоскости объекта и уровня освещенности объекта относительно эталонного тест-объекта устройства используются ПЗС-матрицы с компьютером, работающие соответственно в спектральных диапазонах рассеянного и инициированного излучения, входы которых с помощью приемных объективов соединены с полем микрообъектов, а выходы ПЗС-матриц соединены с компьютером и предусмотрена взаимная связь между блоком управления и компьютером;
- перед ПЗС-матрицей, работающей на приеме инициированного излучения, установлен либо сменный, либо перестраиваемый оптический фильтр, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления, а работа фильтра синхронизована компьютером с работой X, У-АОД по управляющему каналу связи компьютера с блоком управления всего устройства;
- используется ультрафиолетовый лазер, а оптические элементы, установленные по ходу луча от лазера до ПЗС-матрицы на приеме рассеянного излучения включительно, работают в ультрафиолетовом диапазоне длин волн.
Указанный технический результата в изобретении по второму варианту достигается тем, что в лазерном устройстве для исследования поля микрообъектов с лучевым воздействием, содержащее осветитель, многоэлементный приемник излучения и волоконно-оптический жгут с приемопередающей торцевой поверхностью и пучками световодов осветительного и приемного каналов, осветитель включает лазер, а перед входным торцом осветительных световодов жгута дополнительно по ходу луча лазера установлены коллиматор, двухкоординатный акустооптический дефлектор (Х,У-АОД) и объектив, при этом блок управления работой Х, У-АОД синхронизирован через контроллер с многоэлементным приемником излучения, выполненным в виде ПЗС-матрицы.
В частных случаях выполнения изобретения по второму варианту:
- волоконно-оптический жгут собран из волокон, каждое из которых включает три отрезка волокна и направленный волоконный ответвитель, при этом одни концы отрезков волокон соединены с тремя волокнами направленного волоконного ответвителя, а другие концы отрезков собраны в три волоконно-оптических кабеля с регулярной укладкой волокон по поверхности каждого торца кабеля, при чем в кабель уложены волокна, которые присоединены к однотипному торца кабеля, при чем в кабель уложены волокна, которые присоединены к однотипному по функциональному назначению (вход, выход) концу направленного волоконного ответвителя, при этом волоконно-оптический кабель, собранный из волокон, присоединенных к входным волокнам направленного волоконного ответвителя, своим торцом устанавливается по ходу луча за объективом в его фокусе, а два других волоконно-оптических кабеля своими торцами обращены соответственно к полю микрообъектов и к ПЗС-матрице,
- волоконно-оптический жгут собран из направленных волоконных ответвителей, а концы волокон направленных волоконных ответвителей, однотипные по функциональному назначению (вход, выход), собраны в три волоконно-оптических кабеля с регулярной укладкой волокон по торцам.
- волоконно-оптический жгут собран из волокон, каждое из которых включает три отрезка волокна и направленный волоконный ответвитель, при этом одни концы отрезков волокон соединены с тремя волокнами направленного волоконного ответвителя, а другие концы отрезков собраны в три волоконно-оптических кабеля с регулярной укладкой волокон по поверхности каждого торца кабеля, при чем в кабель уложены волокна, которые присоединены к однотипному торца кабеля, при чем в кабель уложены волокна, которые присоединены к однотипному по функциональному назначению (вход, выход) концу направленного волоконного ответвителя, при этом волоконно-оптический кабель, собранный из волокон, присоединенных к входным волокнам направленного волоконного ответвителя, своим торцом устанавливается по ходу луча за объективом в его фокусе, а два других волоконно-оптических кабеля своими торцами обращены соответственно к полю микрообъектов и к ПЗС-матрице,
- волоконно-оптический жгут собран из направленных волоконных ответвителей, а концы волокон направленных волоконных ответвителей, однотипные по функциональному назначению (вход, выход), собраны в три волоконно-оптических кабеля с регулярной укладкой волокон по торцам.
Сущность изобретения поясняется фиг.1-3, где на фиг.1 и 2 представлены выполнения устройство по первому варианту, а на фиг.3а и 3б - возможные выполнения устройства по второму варианту. На фиг.1 обозначено:
1 - лазер,
2 - блок питания лазера,
3 - коллиматор,
4 - двухкоординатный акустооптический модулятор (X, У)-АОД,
5 - передающий объектив,
6 - тест объект,
7 - поле микрообъектов,
8 - подвижный столик для микрообъектов,
9 - блок приема и обработки излучения, рассеянного от микрообъектов,
10 - первый приемный объектив,
11 - блок приема и обработки инициированного излучения,
12 - второй приемный объектив,
13 - блок управления,
18 - блок определения координат микрообъектов в спектре рассеянного излучения,
19 - блок определения координат микрообъектов в спектре инициированного излучения,
20 - блок определения геометрических параметров пучка в поле микрообъектов и уровня освещенности микрообъекта относительно эталонного тест-объекта прибора,
21 - маркерный оптический канал,
22 - светоделитель,
23 - датчик режимов работы первого лазера,
24 - блок синхронизации,
На фиг.2 обозначено:
1 - лазер,
2 - блок питания лазера,
3 - коллиматор,
4 - двухкоординатный акустооптический модулятор (X, У)-АОД,
5 - передающий объектив,
6 - тест-объект,
7 - поле микрообъектов,
8 - подвижный столик для микрообъектов,
9 - ПЗС-приемник инициированного излучения,
10 - первый приемный объектив,
11 - ПЗС-приемник ультрафиолетового (рассеянного) излучения,
12 - второй приемный объектив,
13 - блок управления,
14 - компьютер,
15 - средство перемещения вдоль оси приема входного объектива блока приема и обработки инициированного излучения вдоль оптической оси объектива,
16 - сменный или управляемый оптический фильтр,
21 - маркерный оптический канал,
22 - светоделитель,
23 - датчик режимов работы лазера,
24 - блок синхронизации работы устройства,
17 - компенсатор деполяризации пучка.
1 - лазер,
2 - блок питания лазера,
3 - коллиматор,
4 - двухкоординатный акустооптический модулятор (X, У)-АОД,
5 - передающий объектив,
6 - тест объект,
7 - поле микрообъектов,
8 - подвижный столик для микрообъектов,
9 - блок приема и обработки излучения, рассеянного от микрообъектов,
10 - первый приемный объектив,
11 - блок приема и обработки инициированного излучения,
12 - второй приемный объектив,
13 - блок управления,
18 - блок определения координат микрообъектов в спектре рассеянного излучения,
19 - блок определения координат микрообъектов в спектре инициированного излучения,
20 - блок определения геометрических параметров пучка в поле микрообъектов и уровня освещенности микрообъекта относительно эталонного тест-объекта прибора,
21 - маркерный оптический канал,
22 - светоделитель,
23 - датчик режимов работы первого лазера,
24 - блок синхронизации,
На фиг.2 обозначено:
1 - лазер,
2 - блок питания лазера,
3 - коллиматор,
4 - двухкоординатный акустооптический модулятор (X, У)-АОД,
5 - передающий объектив,
6 - тест-объект,
7 - поле микрообъектов,
8 - подвижный столик для микрообъектов,
9 - ПЗС-приемник инициированного излучения,
10 - первый приемный объектив,
11 - ПЗС-приемник ультрафиолетового (рассеянного) излучения,
12 - второй приемный объектив,
13 - блок управления,
14 - компьютер,
15 - средство перемещения вдоль оси приема входного объектива блока приема и обработки инициированного излучения вдоль оптической оси объектива,
16 - сменный или управляемый оптический фильтр,
21 - маркерный оптический канал,
22 - светоделитель,
23 - датчик режимов работы лазера,
24 - блок синхронизации работы устройства,
17 - компенсатор деполяризации пучка.
На фиг.3а обозначено:
1 - лазер,
2 - блок питания лазера,
3 - коллиматор,
4 - двухкоординатный акустооптический модулятор (X, У-АОД),
5 - передающий объектив,
6 - волоконный жгут, у которого 6.1 - осветительный конец жгута, 6.2 - приемопередающий конец жгута и 6.3 - приемный конец жгута,
7 - поле микрообъектов,
9 - многоэлементный приемник.
1 - лазер,
2 - блок питания лазера,
3 - коллиматор,
4 - двухкоординатный акустооптический модулятор (X, У-АОД),
5 - передающий объектив,
6 - волоконный жгут, у которого 6.1 - осветительный конец жгута, 6.2 - приемопередающий конец жгута и 6.3 - приемный конец жгута,
7 - поле микрообъектов,
9 - многоэлементный приемник.
На фиг.3б обозначено:
6 - волоконный жгут, у которого 6.1 - осветительный конец жгута, 6.2 - приемопередающий конец жгута и 6.3 - приемный конец жгута,
7 - поле микрообъектов,
9 - многоэлементный приемник,
25 - блок управления работой X,Y-АОД и приемника,
У1,2...N - с первого по N-ый направленный волоконный ответвитель,
11,2...N - с первого по N-ый входы направленных волоконных ответвителей,
21,2...N - с первого по N-ый приемоизлучающие выходы направленных волоконных ответвителей,
31,2...N - с первого по N-ый приемные выходы направленных волоконных ответвителей.
6 - волоконный жгут, у которого 6.1 - осветительный конец жгута, 6.2 - приемопередающий конец жгута и 6.3 - приемный конец жгута,
7 - поле микрообъектов,
9 - многоэлементный приемник,
25 - блок управления работой X,Y-АОД и приемника,
У1,2...N - с первого по N-ый направленный волоконный ответвитель,
11,2...N - с первого по N-ый входы направленных волоконных ответвителей,
21,2...N - с первого по N-ый приемоизлучающие выходы направленных волоконных ответвителей,
31,2...N - с первого по N-ый приемные выходы направленных волоконных ответвителей.
Устройство по первому варианту работает следующим образом (фиг.1-2). Луч лазера 1 через коллиматор 3 и блок модуляции мощности 4, блок сканирования угловым положением пучка фокусируется объективом 5 на поле микрообъектов 7, находящееся на предметном столике 8. Свет, рассеянный микрообъектами, собирается вторым приемным объективом 12 и поступает на вход блока приема и обработки рассеянного излучения 11. Одновременно свет, инициированный лазерным пучком и излучаемый микрообъектами, собирается первым приемным объективом 10 в блоке приема и обработки инициированного излучения 9. Выходы обоих блоков подключены к блоку управления 13. В блоке 13 информация обрабатывается по заданному алгоритму, характерному для данного поля микрообъектов. Результаты обработки либо сохраняются в блоке 13, либо оформляются на любом носителе информации. Одновременно сигнал с выхода блока 11 поступает в блоки определения координат микрообъектов 18 и определения геометрических параметров пучка в плоскости микрообъектов и уровня освещенности микрообъекта относительно эталонного тест-объекта устройства 20, а сигнал с выхода блока 9 поступает в блок определения координат микрообъектов в инициированном спектре излучения 19. Информация о координатах микрообъекта, определенная в блоках 18, 19, 20, поступает в блок управления 13. Работа блоков модуляции и сканирования пучка 3, 4, блоков приема рассеянного 9 и инициированного 11 излучения, блоков определения координат микрообъектов и параметров пучка 18, 19, 20 регулируется блоком синхронизации 24 через блок управления 13, который связан управляющими каналами с перечисленными выше блоками 11, 9, 18, 19, 20. Работа устройства с вышеназванными блоками синхронизируется либо от лазера, либо из блока управления, а, именно, от источника питания блока сканирования, которое размещено в блоке управления. Для синхронизации от лазера в устройстве установлен датчик режимов работы лазера 23, который либо оптически через светоделитель 22 связан с выходом лазера 1, либо электрически с выходом блока питания 2 лазера 1. Выход датчика 23 соединен с блоком синхронизации 24. При наличии излучения на выходе лазера датчик 23 выдает в блок 24 электрический сигнал, который запускает работу блоков устройства. Для целевого воздействия на поле микрообъектов или его диагностики в устройстве предусмотрен блок измерения координат микрообъектов, позволяющий связать оптические характеристики рассеянного инициированного излучения с конкретным микрообъектом и далее принять решение о характере воздействия на тот или иной микрообъект, используя модулятор мощности излучения, а для наведения - блок сканирования лазерного пучка. Для этого сигнал с выхода источника питания акустооптического дефлектора поступает на вход двух координатного акустооптического дефлектора, а параллельно сигнал подается в блок измерения координат микрообъектов, изображение которых получено как в спектре рассеянного, так и инициированного излучения. В блоках определения координат 18, 19 сигнал, принятый из блоков 11 и 9, привязывается к частоте сигнала, подаваемого на вход X, У-АОД. Частоте сигнала источника питания X, У-АОД соответствует определенное положение пучка на поверхности поля микрообъектов. Таким образом, определяя частоту сигнала, поступающего из блока управления на момент прихода сигнала из блоков 9, 11 в блоках 18, 19, вырабатываются координаты микрообъектов. Положение микрообъектов может быть определено либо относительно тест-объекта устройства, либо относительно маркерной метки в поле микрообъектов. Для этого в устройстве запускается режим сканирования, при котором частота сигнала, питающего X, У-АОД, изменяется по линейным законам. В момент появления отклика в блоке приема рассеянного излучения вырабатывается команда на измерение частоты сигнала, поступающего из блока управления в блок определения координат микрообъектов. Далее положение откликов от микрообъектов в частотном диапазоне сигнала управления, подаваемого на X, У-АОД, привязывается в блоке определения координат к положению либо тест-объекта, либо маркера в поле микрообъектов. Синхронизация режимов работы блоков от лазера производится путем подачи синхронизирующего импульса с блока 24 в блок управления 13, возникающий в момент появления лазерного пучка. По окончанию работы устройства по реализации конкретной задачи в блоке управления вырабатывается импульс, поступающий через блок синхронизации 24 на внешний вход блока питания. 2. При синхронизации работы устройства от блока питания X, У-АОД синхронизирующие импульсы начала и конца работы для каждого блока и устройства в целом вырабатывает блок управления устройства.
Для юстировки оптических элементов устройства в нем предусмотрен маркерный оптический канал 21, включающий, например, маломощный лазерный коллимированный излучатель, пучок которого через светоделитель 22 вводится в оптический канал устройства.
Для обеспечения оптимального согласования направления поляризации излучения лазера 1 с X, У-АОД 4 перед указанным блоком установлен управляемый компенсатор деполяризации поляризации 25, управляющий вход которого связан с блоком 13.
Для определения оптимальности настройки канала излучения в устройстве установлен блок измерения геометрических параметров пучка и его мощности в плоскости микрообъектов. Сигналом с выхода блока управления 13 с помощью X, У-АОД устанавливается луч лазера на тест-объекте и производится сканирование луча в пределах тест-объекта, паспортизованные параметры которого (угловой размер) известны. Далее в блоке 20 определяется угловой размер пучка и тест-объекта и вычисляется их соотношение, информация о котором передается в блок управления 13, где вырабатывается, при необходимости команда оператору о наличии неисправности в канале передачи лазерного пучка.
Для обеспечения оптической широкополосности канала приема инициированного излучения в устройстве предусмотрена регулировка приемного объектива 10, которая реализуется средством механического перемещения 15, например, пьезокерамическим. В этом случае вручную или автоматически по алгоритму блока управления вырабатывается сигнал, передаваемый в блок 15. Положение объектива изменяется, например, до тех пор, пока изображение поля микрообъектов не станет минимальным.
В устройство может быть введен в блок приема инициированного излучения узкополосный, перестраиваемый оптический фильтр 16, (см. фиг.2) управляющий вход которого соединен с выходом блока управления всего устройства. Это позволяет получать изображение поля микрообъектов в различных диапазонах спектра инициированного излучения.
В качестве узкополосного, перестраиваемого оптического фильтра инициированного излучения может быть применен однокоординатный Х(У)-АОД с поляризатором излучения на его оптическом входе, при этом управляющие входы Х(У)-АОД соединен с соответствующими выходом блока управления устройства. Применение указанного фильтра повышает быстродействие записи изображения поля микрообъектов.
Для удобства компоновки излучающей части в устройстве между лазером и коллиматором могут быть установлены блок ввода излучения в оптоволоконный кабель и оптоволоконный кабель (на фиг. не показаны), сохраняющий спектральный состав и направление поляризации исходного излучения.
Для увеличения мощности излучающей части устройства или для создания возможности иметь излучатель с несколькими длинами волн в устройстве может быть установлено несколько разнотипных или однотипных по длине волны излучения лазеров, а блок ввода излучения в оптоволоконный кабель, включает сумматор излучения лазеров, например, зеркальный или оптоволоконный (на фиг. не показаны).
Для увеличения КПД устройства путем согласования поляризации пучка и Х, У-АОД в устройстве перед ХУ-АОД может быть установлен компенсатор 17 деполяризации лазерного пучка, управляющий вход которого подключен к соответствующему выходу блока управления всего устройства. Под действием управляющего сигнала компенсатор деполяризации меняет направление поляризации так, чтобы оно совпадало с оптимальным для данного кристалла Х,У-АОД.
С целью упрощения конкретной реализации устройства и увеличения быстродействия приемных каналов и всего устройства в целом вместо блока приема и обработки инициированного излучения, блока приема и обработки рассеянного излучения, блока определения координат объекта; блока определения геометрических параметров пучка в плоскости объекта и уровня освещенности объекта относительно эталонного тест-объекта устройства в устройстве могут быть установлены многоэлементные приемники типа ПЗС-матрицы, работающих соответственно в спектральных диапазонах рассеянного и инициированного излучения, входы которых с помощью приемных объективов соединены с полем микрообъектов, а выходы ПЗС-матриц соединен с компьютером, где работа ПЗС-матриц программно синхронизована через блок управления устройства с работой лазера и X, У-АОД для чего в устройстве предусмотрена связь между блоком управления и компьютером.
Перед ПЗС-матрицей, работающей на приеме инициированного излучения, может быть установлен либо сменный, либо перестраиваемый оптический фильтр, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления всего устройства, а работа фильтра синхронизована компьютером с работой X, У-АОД по управляющему каналу связи компьютера с блоком управления.
Предлагаемое устройство может работать в ультрафиолетовом диапазоне. Для чего используется ультрафиолетовый лазер, а оптические элементы, установленные по ходу луча от лазера до ПЗС-матрицы на приеме рассеянного излучения включительно, работают в ультрафиолетовом диапазоне длин волн.
Поставленную задачу можно решить, используя волоконно-оптическую технику. В устройстве по второму варианту предложено в качестве осветителя установить лазер 1 с блоком питания 2, а вдоль его оси коллиматор 3 и двухкоординатный акустооптический дефлектор (Х,У-АОД) 4, объектив 5 и блок управления работой Х,У-АОД 25, синхронизированный через контроллер (на фиг. не показан) с работой многоэлементного приемника (ПЗС-матрица) 9, а волокна в жгуте регулярно уложены так, чтобы определенной координате центра волокна на входе соответствует координата центра того же волокна на выходе.
Устройство по второму варианту работает следующим образом.
Излучение лазера 1 формируется коллиматором 3 и поступает на вход Х,У-АОД 4, с выхода которого пучок подается на объектив 5. В фокусе объектива 5 располагается передающий конец жгута 6.1. Далее по одному из волокон жгута излучение транспортируется к объекту 7 через приемопередающий конец 6.2. Рассеянное излучение от объекта поступает в ближайшее волокно приемопередающего конца 6.2 и по нему транспортируется к элементу приемника 9. При сканировании пучка с помощью Х,У-АОД 4 излучение транспортируется по различным волокнам к различным точкам поля микрообъектов для исследования микрообъектов и воздействия на них.
При использовании направленного волоконного ответвителя в жгуте излучение поступает на первый вход направленного волоконного ответвителя 11, а выходит с второго, который является составной частью приемопередающего конца жгута. Излучение со второго выхода направленного волоконного ответвителя поступает к микрообъекту. Рассеянное излучение от микрообъектов собирается тем же вторым входом направленного волоконного ответвителя и передается на третий его выход. Световоды, связанные со вторыми выходами направленного волоконного ответвителя, собраны в приемный кабель, торец которого 6.3 установлен перед многоэлементным приемником 9. Таким образом, свет от микрообъектов транспортируется к элементам приемника. При необходимости, по передающему каналу может осуществляться световое воздействие на поле микрообъектов с одновременным анализом результатов воздействия. Устройство компактно и высокоэффективно.
Изобретение может найти широкое применение в промышленности, медицине, биологии, генной инженерии и предназначено для воздействия когерентным излучением оптического диапазона на биологические структуры; анализа бактерий и вирусов; генной инженерии; лазерной индуцированной флуоресценции и спектроскопии; лазерного маркирования; лазерного контроля полупроводниковых структур, лазерного разрушения микроструктур; лазерной обработки материалов; производства ДВД дисков; лазерной фотолитографии; наблюдения и регистрации поверхности микрообъектов в рассеянном излучении; получения изображения поверхности микрообъектов в свете, инициированном УФ-излучением; получения с высоким временным и пространственным разрешением распределений органических веществ на поверхности микрообъекта; исследования минеральных примесей в структуре микрообъектов не минерального происхождения; силового воздействия сфокусированным пучком на выбранные элементы исследуемых микрообъектов.
Claims (12)
1. Лазерное устройство для исследования поля микрообъектов с лучевым воздействием, содержащее первый лазер с блоком питания, коллиматор, блок модуляции мощности лазерного пучка, блок сканирования лазерного пучка, объектив или микрообъектив, подвижный столик для микрообъектов, блок приема и обработки излучения, рассеянного от объекта, блок приема и обработки излучения, инициированного объектом, блок управления, содержащий средства управления упомянутыми выше блоками, контроллер, содержащий программные средства управления перечисленными выше блоками и средства хранения информации, поступающей от блоков приема и обработки инициированного и рассеянного излучений, при этом на оптических входах последних установлены объективы, в фокусе которых на подвижном столике расположено поле микрообъектов, отличающееся тем, что дополнительно введены и взаимосвязаны с блоком управления блок определения координат микрообъектов, блок определения геометрических параметров пучка в поле микрообъектов и уровня освещенности микрообъекта относительно эталонного тест-объекта устройства, дополнительно введенного и расположенного на предметном столике, средство перемещения объектива, установленного на входе блока приема и обработки инициированного излучения, вдоль его оптической оси, маркерный оптический канал, содержащий второй лазер и второй коллиматор, оптически соединенный с выходом первого лазера, датчик режимов работы первого лазера и средство синхронизации работы блока питания первого лазера, блока модуляции мощности лазера, блока сканирования лазерного пучка и датчика режимов работы лазера, при этом вход средства синхронизации работой блоков соединен с выходом датчика режимов работы лазера, который соединен оптически с выходом первого лазера либо электрически с выходом блока питания лазера, а первый выход средства синхронизации работой блоков соединен с одним из входов блока управления, а его второй выход соединен с входом блока питания лазера, а блок модуляции мощности и блок сканирования выполнены в виде двухкоординатного акустооптического дефлектора (X, Y-АОД), при этом средство управления блоком X, Y-АОД, размещено в блоке управления и содержит, как минимум, два управляемых генератора, выходы которых подсоединены к соответствующим управляющим входам блока X, Y-АОД.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в блок приема инициированного излучения дополнительно введен узкополосный, перестраиваемый оптический фильтр, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве узкополосного, перестраиваемого оптического фильтра инициированного излучения установлен однокоординатный Х(Y)-АОД с поляризатором излучения на его оптическом входе, при этом управляющий вход Х(Y)-АОД соединен с соответствующим выходом блока управления.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между лазером и коллиматором дополнительно установлены блок ввода излучения в оптоволоконный кабель и оптоволоконный кабель, сохраняющий спектральный состав и направление поляризации исходного излучения.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно установлено несколько разнотипных или однотипных по длине волны излучения лазеров, с блоком ввода излучения в первый коллиматор в виде оптического либо оптоволоконного сумматора излучения лазеров.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перед Х, Y-АОД установлен компенсатор деполяризации лазерного пучка, управляющий вход которого подключен к соответствующему выходу блока управления.
7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок приема и обработки инициированного излучения, блок приема и обработки рассеянного излучения, блок определения координат объекта, блок определения геометрических параметров пучка в плоскости объекта и уровня освещенности объекта относительно эталонного тест-объекта устройства выполнены в виде ПЗС-матриц, соединенных с компьютером, работающих соответственно в спектральных диапазонах рассеянного и инициированного излучения, при этом блок управления взаимосвязан с компьютером.
8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что перед ПЗС-матрицей, работающей на приеме инициированного излучения, установлен сменный или перестраиваемый оптический фильтр, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления, а работа фильтра синхронизована компьютером с работой X, Y-АОД по управляющему каналу связи компьютера с блоком управления.
9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что первый лазер и ПЗС-матрица на приеме рассеянного излучения работают в ультрафиолетовом диапазоне длин волн.
10. Лазерное устройство для исследования поля микрообъектов с лучевым воздействием, содержащее осветитель, многоэлементный приемник излучения и волоконно-оптический жгут с приемопередающей торцевой поверхностью и пучками световодов осветительного и приемного каналов, отличающееся тем, что осветитель включает лазер, а перед входным торцом осветительных световодов жгута дополнительно по ходу луча лазера установлены коллиматор, двухкоординатный акустооптический дефлектор (Х, Y-АОД) и объектив, при этом блок управления работой Х, Y-АОД синхронизирован через контроллер с многоэлементным приемником излучения, выполненным в виде ПЗС-матрицы.
11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что волоконно-оптический жгут собран из волокон, каждое из которых включает три отрезка волокна и направленный волоконный ответвитель, при этом одни концы отрезков волокон соединены с тремя волокнами направленного волоконного ответвителя, а другие концы отрезков собраны в три волоконно-оптических кабеля с регулярной укладкой волокон по поверхности каждого торца кабеля, причем в кабель уложены волокна, которые присоединены к однотипному по функциональному назначению (вход, выход) концу направленного волоконного ответвителя, при этом волоконно-оптический кабель, собранный из волокон, присоединенных к входным волокнам направленного волоконного ответвителя, своим торцом устанавливается по ходу луча за объективом в его фокусе, а два других волоконно-оптических кабеля своими торцами обращены соответственно к полю микрообъектов и к ПЗС-матрице.
12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что волоконно-оптический жгут собран из направленных волоконных ответвителей, а концы волокон направленных волоконных ответвителей, однотипные по функциональному назначению (вход, выход), собраны в три волоконно-оптических кабеля с регулярной укладкой волокон по торцам.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002117921/28A RU2199729C1 (ru) | 2002-07-04 | 2002-07-04 | Лазерное устройство для исследования поля микрообъектов с лучевым воздействием (варианты) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002117921/28A RU2199729C1 (ru) | 2002-07-04 | 2002-07-04 | Лазерное устройство для исследования поля микрообъектов с лучевым воздействием (варианты) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2199729C1 true RU2199729C1 (ru) | 2003-02-27 |
Family
ID=20255832
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002117921/28A RU2199729C1 (ru) | 2002-07-04 | 2002-07-04 | Лазерное устройство для исследования поля микрообъектов с лучевым воздействием (варианты) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2199729C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2532649C2 (ru) * | 2012-12-29 | 2014-11-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" | Панкратическая фокусирующая система |
-
2002
- 2002-07-04 RU RU2002117921/28A patent/RU2199729C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2532649C2 (ru) * | 2012-12-29 | 2014-11-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" | Панкратическая фокусирующая система |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7355710B2 (en) | Optical system and method for exciting and measuring fluorescence on or in samples treated with fluorescent pigments | |
| CN107615121B (zh) | 用于自由空间光耦合的集成装置及系统 | |
| US6958470B2 (en) | Scanning microscope with a detector and light source for exciting an energy state in a specimen and module for a scanning microscope | |
| JP5779597B2 (ja) | 顕微鏡の構造ユニット、顕微鏡装置及び顕微鏡の構造ユニットの使用 | |
| CN113474708B (zh) | 用于在显微镜中对样本进行点状照明的方法和装置 | |
| US7759635B2 (en) | Miniaturized optical tweezer array | |
| US6548796B1 (en) | Confocal macroscope | |
| US7440084B2 (en) | Micromechanical and related lidar apparatus and method, and fast light-routing components | |
| US6677566B2 (en) | Device and method for examining and manipulating microscopic objects | |
| EP2976670B1 (en) | Random access stimulated emission depletion (sted) microscopy | |
| US20110188038A1 (en) | Label-Independent Optical Reader System And Methods With Optical Scanning | |
| US20070051869A1 (en) | Scanning microscope and method for examining a sample by using scanning microscopy | |
| CN107064082B (zh) | 用于多点扫描显微的设备和方法 | |
| CN105723194B (zh) | 显微镜以及用于显微镜的声光合束器 | |
| US5557452A (en) | Confocal microscope system | |
| US7660035B2 (en) | Scanning microscope | |
| JP2008503782A (ja) | 顕微鏡 | |
| EP1508057A2 (en) | Imaging lidar with micromechanical components | |
| US20160306152A1 (en) | Laser scanning microscope apparatus | |
| RU2199729C1 (ru) | Лазерное устройство для исследования поля микрообъектов с лучевым воздействием (варианты) | |
| JP4406108B2 (ja) | 多光子励起レーザ顕微鏡 | |
| JP2002521733A (ja) | コンパクト単一対物レンズθ顕微鏡 | |
| CN210571973U (zh) | 一种带有光镊的显微拉曼系统 | |
| JP5506266B2 (ja) | 画像形成装置 | |
| CN218646268U (zh) | 一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置及其系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC4A | Invention patent assignment |
Effective date: 20050413 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070705 |