RU2285279C1 - Laser scanning microscope - Google Patents
Laser scanning microscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2285279C1 RU2285279C1 RU2005101287/28A RU2005101287A RU2285279C1 RU 2285279 C1 RU2285279 C1 RU 2285279C1 RU 2005101287/28 A RU2005101287/28 A RU 2005101287/28A RU 2005101287 A RU2005101287 A RU 2005101287A RU 2285279 C1 RU2285279 C1 RU 2285279C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- polarization
- laser
- scanning microscope
- laser scanning
- Prior art date
Links
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Microscoopes, Condenser (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптическим устройствам для измерения оптической разности фаз методами интерферометрии, измерения поляризации света, а также для управления интенсивностью, фазой и поляризацией излучения.The invention relates to optical devices for measuring the optical phase difference by interferometry, measuring the polarization of light, and also to control the intensity, phase and polarization of the radiation.
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).Known scanning optical microscopes with optical circuits that implement scanning the beam at an angle without displacement in the plane of the input window of the lens in reflection mode (Dyukov VG and Kudeyarov Yu.A. “Raster optical microscopy”, Moscow, 1991, P.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.This microscope includes a laser radiation source, at the output of which an expander and a beam splitter plate are installed. Two mirror reflectors of the scanning system and a lens are installed on the path of the beam passing through the beam splitter plate, and a photodetector is installed in the path of the beam reflected from the object under study and the beam splitter plate. A spatial filter and an input spectral filter are located in front of the photodetector. Between the deflectors added a telecentric system of two lenses.
Микроскоп оснащен цифровой техникой для обработки изображений, а также видеокамерой. Такой комбинированный прибор позволяет исследовать микрообъекты в различных областях науки и техники.The microscope is equipped with digital technology for image processing, as well as a video camera. Such a combined device allows you to explore micro-objects in various fields of science and technology.
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.Known confocal system for obtaining images containing a scanning multi-color laser and a microscope (US patent No. 512730, US / C1 356-318, MKU 5 G 01 No. 21/64). This system allows using photomultipliers to obtain an image by which one can get an idea of the properties of the test sample exposed to dyes.
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.Known confocal scanning microscope (US patent No. 5032720, US C1 250-236, MKU 5 G 02 B 21/06), selected by us as a prototype, which has a scanning system with two deflectors. Each of these deflectors scans the deflecting rays in mutually perpendicular planes. The system of mirrors is located between the deflectors of the scanning system in such a way as to transmit a beam from one deflector to another and to a microscope with an objective. The light reflected by the sample hits the lens, deflectors and a system of mirrors until it hits the detector. The aperture is in front of the detector and blocks any ray that leaves points spatially remote from the radiation spot. However, confocal laser microscopes, the description in analogues and prototype in some cases of application have a low signal-to-noise ratio, which, for example, is important in the study of biological objects.
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.The technical result of the proposed invention is to improve the signal-to-noise ratio due to the use of differential contrast, in addition, a higher sensitivity to weak differences in the optical density of objects is achieved and the linearity of measuring the height of the profile of the object under study is increased.
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.This result is achieved by improving the well-known laser scanning microscope containing a laser source, a beam splitting element, a scanning system with two mirror deflectors and a lens, and a radiation receiver with a system located on the path of the beam reflected from the studied and beam splitting element signal processing.
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.The improvement consists in the fact that a plane-polarized beam to circularly polarized beam converter is installed in front of the beam splitting element, and a beam-splitting element is placed between the beam splitting element and the scanning system, which converts the input radiation beam into two beams with orthogonal polarization directions and spatial displacement, while being a receiver radiation, a power meter of components of crossed polarizations of radiation was used.
В качестве преобразователя поляризации излучения может быть использована четвертьволновая пластина для длины волны используемого излучения.A quarter-wave plate for the wavelength of the radiation used can be used as a radiation polarization converter.
Преобразователь излучения может быть размещен в источнике лазерного излучения.The radiation converter may be located in a laser source.
Предусмотрены также следующие усовершенствования:The following enhancements are also provided:
- лучеразводящий элемент выполнен в виде пластины из двулучепреломляющего материала;- the beam-spreading element is made in the form of a plate of birefringent material;
- измеритель мощности состоит из призмы Волластона и двух фотопримников для раздельного измерения двух компонент, скрещенных поляризаций излучения;- the power meter consists of a Wollaston prism and two photodetectors for separate measurement of two components, crossed radiation polarizations;
- между светоделительным элементом и измерителем мощности размещен телескоп с регулируемой диафрагмой, установленной в его внутреннем фокусе;- between the beam splitting element and the power meter placed a telescope with an adjustable diaphragm mounted in its internal focus;
- между двумя дефлекторами сканирующей системы введен телескоп, передний и задний фокусы которого размещены на осях качания дефлекторов;- a telescope is introduced between the two deflectors of the scanning system, the front and rear foci of which are located on the swing axes of the deflectors;
- 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;- between the scanning system and the lens there is an additional telescope, one of the tricks of which coincides with the swing axis of the scanning system deflector located next to it, and the second coincides with the rear focus of the lens;
- между источником лазерного излучения и преобразователем поляризации излучения установлена система регулировки контроля мощности источника лазерного излучения.- between the laser radiation source and the radiation polarization converter, a control system for controlling the power of the laser radiation source is installed.
Сущность изобретения поясняется прилагаемым чертежом, на котором показана структурная оптическая схема лазерного сканирующего микроскопа.The invention is illustrated by the attached drawing, which shows a structural optical diagram of a laser scanning microscope.
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.The laser scanning microscope contains a laser radiation source 1, which can be used as a continuous gas (for example, a helium-neon, argon, krypton, argon-krypton laser and others). A film polarizer 2 (polarizing filter) is installed in the path of the gas laser beam, designed to control the radiation power, a Glan-Thomson 3 prism to improve its polarization characteristics, and a dividing plate 4 to split off part of the beam (about 5%) in order to control the radiation power with using the photodetector 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.Further along the main laser beam, a radiation polarization converter is installed, in particular a quarter-wave plate for a given radiation wave. After the radiation polarization converter, a beam splitting element 8, a beam-spreading element 9, a scanning system including two mirror deflectors 10, 11, a lens 12 and a table 13 for placing the object under study are installed. The beam-spreading element 9 is made in the form of a plate of birefringent material and is placed in the internal focus of the telescope 14.
Ось качания дефлектора 10 совпадает с передним фокусом телескопа 14, который совпадает с передним фокусом телескопа 15.The swing axis of the deflector 10 coincides with the front focus of the telescope 14, which coincides with the front focus of the telescope 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.Between the deflectors 10 and 11 there is a telescope 15 for pairing the points of scanning of the beam in two mutually perpendicular directions. The swing axis of the deflector 11 is located in the rear focus of the telescope 15. If necessary, to further increase the diameter of the laser beam, as well as to transfer the angular scan scan point to the rear focus of the lens 12, an additional telescope 16 is installed between the deflector 11 and the lens 12. One of the focuses of the telescope 16 coincides with the swing axis of the deflector 11, and the other with the rear focus of the lens 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.The beam splitting element 8 serves to redirect the beam reflected from the object under study to a power meter, which consists of a Wollaston prism 17 and two photodetectors 18, 19 for separately measuring the intensity or power of the components of orthogonal radiation polarizations. Photodetectors 18 and 19 are used to convert optical power into a measured electrical signal.
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.The beam splitter element 8 can also be used for additional control of the radiation power using a photodetector 20. To implement confocal contrast, an adjustable diaphragm 21 is installed in front of the power meter, located in the inner focus of the telescope 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.A film polarizer 2, a Glan-Thomson 3 prism, and a laser source power control system including a photodetector 5 and a dividing plate 4 are provided for commercially available lasers. In the case of satisfactory quality lasers, these elements are not required.
Работает лазерный сканирующий микроскоп следующим образом.A laser scanning microscope operates as follows.
Плоскопараллельный частично поляризованный луч газового лазера 1 проходит пленочный поляризатор 2 и призму Глана-Томсона 3, приобретая высокую степень поляризации 1:1000 и выше.A plane-parallel partially polarized beam of a gas laser 1 passes through a film polarizer 2 and a Glan-Thomson 3 prism, acquiring a high degree of polarization of 1: 1000 and higher.
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.The polarization planes 1 and 3 coincide, while the position of the plane of polarization 2 can be changed by rotation. Thus, the radiation intensity can vary from a maximum to extremely small values.
Делительная пластина 4 отводит небольшую часть луча (около 5%) на фотодиод 5 для измерения и управления мощностью излучения.The dividing plate 4 diverts a small part of the beam (about 5%) to the photodiode 5 for measuring and controlling the radiation power.
Фазовая пластина 6 преобразует плоскополяризованный луч лазерного излучения в луч с круговой поляризацией. Это необходимо для перевода поляриметра в квазилинейный режим измерения фазы.The phase plate 6 converts a plane-polarized laser beam into a circularly polarized beam. This is necessary to transfer the polarimeter to the quasilinear phase measurement mode.
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.The dividing plate 8 splits the input beam into two with the same radiation intensity. In this case, one beam is used for measurements, and the second can be used for additional power control.
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.The block, consisting of a phase plate 9 and a telecentric lens system of the telescope 14, is designed to split a circularly polarized beam into two linearly polarized with crossed polarization components. In this case, due to external conical refraction in the phase plate 9, a spatial displacement of the extraordinary beam occurs, depending on the thickness of the plate, its angular position, the orientation of the optical axis and the focal length of the lenses.
Далее расщепленный луч попадает на дефлектор 10, который обеспечивает его отклонение и формирование таким образом линейной угловой развертки в плоскости, перпендикулярной оси дефлектора 10.Next, the split beam hits the deflector 10, which ensures its deflection and thus forming a linear angular scan in a plane perpendicular to the axis of the deflector 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.The telecentric lens system of the telescope 15 transfers the focus of the angular scan of the beam from a point lying on the axis of the deflector 10 to a point lying on the axis of the deflector 11, leaving the remaining parameters of the beam unchanged.
Дефлектор 11 обеспечивает отклонение луча в плоскости, перпендикулярной плоскости угловой развертки дефлектора 10, завершая таким образом формирование углового растра.The deflector 11 provides a deflection of the beam in a plane perpendicular to the plane of the angular scan of the deflector 10, thus completing the formation of the angular raster.
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.Next, the beam passes through the telecentric lens system of the telescope 16, which transfers the focus of the angular raster from a point lying on the axis of the deflector 11 to a point that coincides with the rear focus of the lens 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.Thus, a plane-parallel beam with split polarization components is virtually emitted from the back focus of the lens 12 at different angles determined by the positions of the deflectors 10 and 11. Next, the beam is focused on the surface of the object under study, and the geometric focus of the extraordinary beam can be spatially shifted relative to the focus of an ordinary beam due to cleavage in the phase plate 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.The beam reflected from the object passes back along the same path as the input beam, right up to the dividing plate, where it is divided into two rays of equal power. One of the rays is deflected to a differential photodetector, where its parameters are measured.
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.The photodetector consists of a Wollaston prism 17, which splits the input beam into two with crossed directions of linear polarization, and two photodiodes that measure the intensities of these components. Depending on the angular orientation of the phase plate 9 and the mutual orientation of the phase plate 9 and the Wollaston prism 17, several methods for obtaining information about the object under study, the so-called contrasts, are implemented.
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.To implement the amplitude contrast, the phase plate 9 is in a position in which the beam splitting does not occur, and the photodiode signals are added and the sum is transmitted to the imaging system.
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.The proposed device allows for differential phase contrast and, as a result, to increase the signal-to-noise ratio due to the integration of signals when constructing a real profile of an object from differential signals, which also leads to an increase in sensitivity to weak differences in the optical density of objects and an increase in the linearity of measurement of the profile height of the studied object.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005101287/28A RU2285279C1 (en) | 2005-01-21 | 2005-01-21 | Laser scanning microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005101287/28A RU2285279C1 (en) | 2005-01-21 | 2005-01-21 | Laser scanning microscope |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2285279C1 true RU2285279C1 (en) | 2006-10-10 |
Family
ID=37435677
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005101287/28A RU2285279C1 (en) | 2005-01-21 | 2005-01-21 | Laser scanning microscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2285279C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2649045C2 (en) * | 2016-09-12 | 2018-03-29 | ФАНО России Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) | Multichannel confocal microscope |
-
2005
- 2005-01-21 RU RU2005101287/28A patent/RU2285279C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2649045C2 (en) * | 2016-09-12 | 2018-03-29 | ФАНО России Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) | Multichannel confocal microscope |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9638909B2 (en) | Focusing apparatus and method | |
| US6020963A (en) | Optical quadrature Interferometer | |
| US4845352A (en) | Scanning differential phase contrast microscope | |
| US6134009A (en) | Imaging system using polarization effects to enhance image quality | |
| US5225671A (en) | Confocal optical apparatus | |
| US7379188B2 (en) | Phase shift interferometer | |
| CN110987817B (en) | Ellipsometer integrating dark field observation based on large-numerical-aperture objective lens and measurement method | |
| US7084983B2 (en) | Interferometric confocal microscopy incorporating a pinhole array beam-splitter | |
| RU2007115154A (en) | OPTICAL MEASURING DEVICE FOR MEASURING CHARACTERISTICS OF MULTIPLE SURFACES OF THE OBJECT OF MEASUREMENT | |
| KR20050119672A (en) | Apparatus and method for joint measurement of fields of scattered/reflected or transmitted orthogonally polarized beams by an object in interferometry | |
| US7151632B2 (en) | Apparatus for production of an inhomogeneously polarized optical beam for use in illumination and a method thereof | |
| JP2006518854A (en) | Interferometric confocal microscope observation method incorporating a pinhole array beam splitter. | |
| KR20050101335A (en) | Transverse differential interferometric confocal microscopy | |
| CN109632756A (en) | A kind of real-time fluorescence radiation differential super-resolution microscopic method and device based on parallel beam spot scans | |
| US9625380B2 (en) | Optical coherence tomography with homodyne-phase diversity detection | |
| JP2006518487A (en) | Vertical differential interference confocal microscope | |
| CN108132026A (en) | Infrared visible ray dual wavelength transmission-type interference testing device in semiconductor | |
| WO2021180013A1 (en) | Optical apparatus and method for achieving autofocusing | |
| RU2285279C1 (en) | Laser scanning microscope | |
| US20220075170A1 (en) | Apparatus and method for light-beam scanning microspectrometry | |
| JP2000241128A (en) | Plane-to-plane space measuring apparatus | |
| CN207816210U (en) | Infrared visible light dual wavelength transmission-type interference testing device in semiconductor | |
| EP0818670B1 (en) | Optical pulse autocorrelator | |
| JP2950004B2 (en) | Confocal laser microscope | |
| CN114216864B (en) | Confocal microscopy method and device based on laser feedback |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070122 |