способ визуализации микроконтрастных объектов и оптический поляризационный наноскоп для его осуществления

Формула изобретения

СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ МИКРОКОНТРАСТНЫХ ОБЪЕКТОВ И ОПТИЧЕСКИЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ НАНОСКОП ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

1. Способ визуализации микроконтрастных объектов, при котором монохроматическим, поляризованным и когерентным излучением осуществляют засветку поля микрообъекта, а отраженное излучение электрически преобразуют в соответствующие точки изображения, отличающийся тем, что засветку поля микрообъекта осуществляют в интерференционном и поляризационном режимах работы наноскопа, отраженное излучение преобразуют путем сканирования по x, y координатам и положению фокусировки по z координате в набор изменений от пространственных координат {x,y,z} фаз "Ф" электрических сигналов, которые электрически обрабатывают методом временных интервалов, и амплитуды переменной составляющей - электрического сигнала, которую обрабатывают методом синхронного детектирования, при этом в поляризационном режиме работы наноскопа по измеренным значениям определяют азимут поляризации j{x,y,z) и анизотропию (x,y,z) из системы уравнений

(x,y,z) = -2_эл(x,y,z),



где Ф _эл(x,y,z) - измереннный цифровой массив функции фазы поля микрообъекта;

_эл(x,y,z) - измеренный цифровой массив функции амплитуды поля микрообъекта,

в интерференционном режиме измеряют величины амплитуды и фазы Ф_инт при фиксированных поляризациях засветки d_i а каждый элемент засвеченного поля микрообъекта интерпретируют показателем преломления n, физической высотой h, плоскими углами элемента , b и определяют по формулам



где f₁ ....f₄ - функции соответствующих величин,

Ф_инт - измеренный цифровой массив функции амплитуды поля микрообъекта,

_инт - измеренный цифровой массив функции амплитуды поля микрообъекта,

_i - фиксированные поляризации входного излучения засветки в соответствии с фиксированными значениями модулирующего напряжения U₂₀, U₂₁, ... U_2i.

2. Оптический поляризационный наноскоп, содержащий установленные на одной оптической оси лазер, модулятор, светоделитель, первый микрообъектив, а на второй оптической оси, перпендикулярной первой, по одну из сторон светоделителя - фотоприемник, соединенный с фазометрическим каналом, а также генератор модулирующих напряжений, соединенный с модулятором, отличающийся тем, что в него введены установленные на первой оптической оси между лазером и электрооптическим модулятором конденсор, между светоделителем и первым микрообъективом - шторка, а за упомянутым микрообъетивом - зеркало с пьезоэлектрическим модулятором, а на второй оптической оси по одну из сторон от светоделителя - второй микрообъектив, установленный с возможностью перемещения вдоль второй оптической оси, а по другую - соответственно анализатор, окуляр и сканирующий фотоэлектронный умножитель с расположенными вне его рабочей зоны, но в поле его засветки фотоприемником, а также второй идентичный первому фазометрический канал, амплитудный канал, блок управления шторкой, блок системы автофокусировки второго микрообъектива, блок программного управления, соединенный через шину обмена с микроЭВМ, причем выход фотоэлектронного умножителя соединен соответственно через амплитудный и второй фазометрический каналы с первым и вторым информационными входами блока программного управления, третий вход которого подключен к выходу первого фазометрического канала, первый, второй, третий и четвертый управляющие выходы блока программного управления соединены соответственно с входом управления генератора модулирующих напряжений, с входом управления блока системы автофокусировки, входом блока управления шторкой и входом управления сканированием фотоэлектронного умножителя, второй выход генератора модулирующих напряжений соединен с вторыми входами управления первого, второго фазометрических каналов и вторым входом управления амплитудного канала, третий его выход - с входом управления пьезоэлектрическим модулятором, при этом первый и второй фазометрические каналы включают первую дифференциальную схему, управляющий вход которой соединен с информационным входом первого синхронного фильтра, а выход - через первую схему выделения фронта импульса с первым входом формирования импульса, а выход первого синхронного фильтра через последовательно соединенные усилитель-ограничитель, делитель частоты на два, вторую схему выделения фронта импульса подключен к второму входу схемы формирования импульса, выход которой через схему совпадения соединен с входом выходного счетчика, а схема совпадения через второй вход - с генератором импульсов, а амплитудный канал включает вторую дифференциальную схему, выход которой через последовательно соединенные третью схему выделения фронта импульса, второй синхронный фильтр с информационным входом и фильтр нижних частот подключен к входу выходного аналого-цифрового преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптике для исследования микрообъектов с линейным разрешением выше 100-50 нм, в частности, к оптической технологии для исследования микрообъектов со слабо выраженным визуальным контрастом, в медико-биологических исследованиях объектов прижизненной микроскопии, а также - динамических процессов и их функций корреляции.

Известен способ визуализации с помощью оптического микроскопа, заключающийся в том, что строят два действительных изображения объекта, различающихся оптическими характеристиками - амплитудой, частотой, поляризацией, фазой, длительностью. Эти изображения сканируют с помощью электронных узлов микроскопа и усиливают. Разность видеосигналов, характеризующих различные изображения, используют для формирования видимого изображения (патент ФРГ N 2437984, 1976).

Недостатком данного способа является сложность и невысокое линейное разрешение.

Из уровня техники наиболее близким является способ визуализации микроконтрастных объектов, при котором монохроматическим, поляризованным и когерентным излучением осуществляют засветку поля микрообъекта, отраженное излучение преобразуют электрически в соответствующие точки изображения (авт.св. СССР 1734066, 1992).

Из уровня техники наиболее близким является микроскоп, содержащий установленные на одной оптической оси лазер, модулятор, светоделитель, первый микрообъектив, а на второй - оптической оси, перпендикулярной первой, по одну из сторон от светоделителя - фотоприемник, соединенный с фазометрическим каналом, а также генератор модулирующих напряжений, соединенный с модулятором (авт.св. СССР N 1734066, 1992).

Недостатком способа и устройства для его реализации является недостаточно высокое линейное разрешение, обусловленное ограничением размера пятна фокусировки, а также погрешностью при сканировании.

Целью изобретения является повышение качества визуализации микроконтрастных объектов за счет увеличения линейного разрешения.

Поставленная цель достигается тем, что в способе визуализации микроконтрастных объектов, при котором монохроматическим, поляризованным и когерентным излучением осуществляют засветку поля микрообъекта, а отраженное излучение электрически преобразуют в соответствующие точки изображения, засветку поля микрообъекта осуществляют в фазометрическом и поляризационном режимах работы наноскопа, отраженное излучение преобразуют путем сканирования по X,Y координатам и положению фокусировки по Z координате в набоp от пространственных координат { x,y,z} фаз Ф электрических сигналов, которые электрически обрабатывают методом временных интервалов и амплитуды переменной составляющей электрического сигнала, которую обрабатывают методом синхронного детектирования, при этом в поляризационном режиме работы наноскопа по измеренным значениям определяют азимут поляризации (x,y,z) и анизотропию (x,y,z) из системы уравнений:

(x,y,z) = -2Ф_эл(x,y,z).

(x, y, z) = arcsin, где Ф_эл(x,y,z) - измеренный цифровой массив функции фазы поля микрообъекта;

_эл(x,y,z) - измеренный цифровой массив функции амплитуды поля микрообъекта.

В интерференционном режиме измеряют величины амплитуды _инт и фазы Ф_инт при фиксированных поляризациях засветки _i,а каждый элемент засвеченного поля микрообъекта интерпретируют показателем преломления n, физической высотой h, плоскими углами элемента , и определяют по формулам:

n(x,y) = f₁[ (x,y), (x,y), Ф_инт(x,y, _i), _инт(x,y, _i)]

h(x,y) = f₂[ (x,y), (x,y), Ф_инт(х,y, _i), _инт(x,y, _i)]

(x,y) = f₃[ (x,y), (x,y),Ф_инт(x,y, _i), _инт(x,y, _i)]

(2)

(x,y) = f₄[ (x,y), (x,y),Ф_инт(x,y, _i), _инт(x,y, _i)]

где f₁,...,f₄ - функции соответствующих величин;

Ф_инт- измеренный цифровой массив функции фазы поля микрообъекта;

_инт- измеренный цифровой массив функции амплитуды поля микрообъекта;

_i - фиксированные поляризации входного излучения засветки в соответствии с фиксированными значениями модулирующего напряжения U₂₀,U₂₁,...,U_2i.

Поставленная цель достигается также тем, что в оптическом поляризационном наноскопе, содержащем установленные на одной оптической оси лазер, модулятор, светоделитель, первый микрообъектив, а на второй оптической оси, перпендикулярной первой, по одну из сторон светоделителя - фотоприемник, соединенный с фазометрическим каналом, а также генератор модулирующих напряжений, соединенный с модулятором, введены установленные на первой оптической оси между лазером и электрооптическим модулятором, конденсор, между светоделителем и первым микрообъективом - шторка, а за упомянутым микрообъективом - зеркало с пьезоэлектрическим модулятором, а на второй оптической оси по одну из сторон от светоделителя - второй микрообъектив, установленный с возможностью перемещения вдоль упомянутой оси, а по другую - соответственно анализатор, окуляр и сканирующий фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) с расположенным вне его рабочей зоны, но в поле его засветки, упомянутым фотоприемником, а также второй идентичный первому фазометрический канал, амплитудный канал, блок управления шторкой, блок системы автофокусировки второго микрообъектива, блок программного управления, соединенный через шину обмена с микро-ЭВМ, причем выход фотоэлектронного умножителя соединен соответственно через амплитудный и второй фазометрический каналы с первым и вторым информационными входами блока программного управления, третий вход которого - с выходом первого фазометрического канала, первый, второй, третий и четвертый управляющие выходы блока программного управления соединены соответственно со входом управления генератора модулирующих напряжений, со входом управления блока системы автофокусировки, со входом блока управления шторкой и входом управления сканированием фотоэлектронного умножителя, второй выход генератора модулирующих напряжений соединен со вторыми входами управления первого, второго фазометрических каналов и вторым входом управления амплитудного канала, третий его выход - со входом управления пьезоэлектрическим модулятором, при этом первый и второй фазометрические каналы включают в себя первую дифференциальную схему, управляющий вход которой соединен с информационным входом первого синхронного фильтра, а выход - через первую схему выделения фронта импульса с первым входом формирования импульса, а выход первого синхронного фильтра через последовательно соединенные усилитель-ограничитель, делитель частоты на два, вторую схему выделения фронта импульса - со вторым входом схемы формирования импульса, выход которой через схему совпадения соединен со входом выходного счетчика, а схема совпадения через второй вход - с генератором импульсов, а амплитудный канал включает в себя вторую дифференциальную схему, выход которой через последовательно соединенные третью схему выделения фронта импульса, второй синхронный фильтр с информационным входом и фильтр нижних частот соединен со входом выходного аналого-цифрового преобразователя. На чертеже изображено устройство для реализации предлагаемого способа, где на фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг.2 - блок-схема первого и второго фазометрических каналов; на фиг.3 - блок-схема амплитудного канала; на фиг. 4 - схема расположения фотоприемника относительно фотоэлектронного умножителя; на фиг.5 - диаграммы сигналов для блок-схемы фиг.1, 2, 3.

Наноскоп для визуализации микроконтрастных объектов, реализующий предлагаемый способ, содержит установленные на одной оптической оси лазер 1, конденсор 2, электрооптический модулятор 3, светоделитель 4, шторку 5, первый микрообъектив 6 и зеркало 7 с пьезоэлектрическим модулятором 8, а на второй оптической оси, перпендикулярной первой, по одну сторону от светоделителя - второй микрообъектив 9, установленный с возможностью перемещения вдоль упомянутой оси, а по другую - анализатор 10, окуляр 11 и сканирующий фотоэлектронный умножитель 12 с фотоприемником 13, расположенным вне его рабочей зоны, но в поле его засветки, а также первый 14 и второй 15 идентичные фазометрические каналы, амплитудный канал 16, генератор модулирующих напряжений 17, блок управления шторкой 18, блок системы автофокусировки 19 второго микрообъектива 9, блок программного управления 20, через шину обмена 21 соединенный с микро-ЭВМ 22, причем выход фотоэлектронного умножителя 12 соединен соответственно через амплитудный 16, второй 15 фазометрический каналы с первым и вторым информационными входами блока программного управления 20, третий вход которого через первый 14 фазометрический канал - с выходом фотоприемника 13, первый, второй, третий и четвертый управляющие выходы блока программного управления 20 соединены соответственно со входом управления генератора модулирующих напряжений 17, со входом управления блока системы автофокусировки 19, со входом блока управления шторкой 18 и входом управления сканированием фотоэлектронного умножителя 12, первый выход генератора модулирующих напряжений 17 соединен со входом управления электрооптическим модулятором 3, второй его выход - со вторыми входами управления фазометрических 14, 15 и амплитудного 16 каналов, третий его выход - со входом управления пьезоэлектрическим модулятором 8, при этом первый и второй идентичные фазометрические каналы включают в себя первую дифференцирующую схему 23, управляющий вход которой соединен с информационным входом первого 24 синхронного фильтра, а выход - через первую 25 схему выделения фронта импульса с первым входом формирования импульса 26, а выход первого 24 синхронного фильтра через последовательно соединенные усилитель-ограничитель 27, делитель частоты на два 28, вторую схему 29 выделения фронта импульса - со вторым входом схемы формирования импульса 26, выход которой через схему совпадения 30 соединен со входом выходного счетчика 31, а схема совпадения 30 через второй вход - с генератором импульсов 32, а амплитудный канал 16 включает в себя вторую 33 входную дифференцирующую схему, выход которой через последовательно соединенные третью 34 схему выделения фронта импульса, второй 35 синхронный фильтр с информационным входом и фильтр нижних частот 36 соединен со входом выходного аналого-цифрового преобразователя 37.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. В предложенном способе визуализации получают эффект сверхразрешения в дальней зоне дифракции благодаря предложенной схеме построения наноскопа. Сверхразрешение предполагает следующие требования: источники вторичного излучения должны быть когеpентными, монохроматическими, иметь различные поляризации и фазы. В этом случае функции суммарного поля, то есть азимут поляризации (x,y, z), анизотропия (x,y,z), фаза Ф(x,y,z) и амплитуда переменной составляющей (видности модуляции) (x,y,z) изменяются вдоль всего поля и возможна идентификация точек поля с различными функциями , , Ф,.

В предложенном способе используют два режима работы наноскопа: поляризационный и интерференционный режимы измерений. Это связано с тем, что каждый элемент засвеченного лазером 1 поля микрообъекта монохроматическим, поляризационным и когерентным излучением интерпретируется показателем преломления n, физической высотой h, плоскими углами элемента , и определяется по формулам (2).

По полученным с помощью наноскопа (фиг.1) массивам данных решают систему уравнений (2) в следующей последовательности, что является одним из возможных решений с применением законов: Снеллиуса в приближении действительных показателей преломления сред, формализма векторов Джонса для описания состояния поляризации, законов Френеля для коэффициентов отражений s- и p-поляризаций, некоторых уравнений эллипсометрии:

1.

(x,y) = f₃[ _инт(x,y, _i)]

f₃: (x,y) = arctg ,

(Функция f₃ в явном виде), где начальные поляризации засветки _o и обеспечивают взаимно перпендикулярные р и s 2 поляризации.

2.

(x.y) = f₄[ (x,y), (x,y), _инт(x,y, _i)]

f₄: =

sin²(x,y) + ,

(Функция f₄ в неявном виде) где (x,y) = tg (x,y)exp{i (x,y)}

начальные поляризации засветки _o и обеспечивают взаимно перпендикулярные р и s поляризации.

3.

n(x,y) = f₁[ (x,y), (x,y), _инт(x,y, _i)]

f₁: n(x,y) = n₀sin(x,y)1 + tg(x,y) ,

(Функция f₁ в явном виде) где (x,y) = tg (x,y)exp{i (x,y)}

n_o - показатель преломления внешней среды (для воздуха n_o = 1),

- определяется функцией f₄.

4.

h(x,y) = f₂ [ (x,y), (x,y), Ф_инт(x,y, _i), _инт(x,y, _i)]

f₂: h(x,y) = ,

(Функция f₂ в явном виде) где l = 1 - ,

- длина волны засветки,

NA - числовая апертура оптической системы,

n - показатель преломления, определяется функцией f₁.

Решение упомянутых уравнений представляют собой изображения физических величин h(x, y), n(x,y), (x,y), (x,y) с поочередным выводом на дисплей (не показан) осуществляется по специальной программе с помощью микро-ЭВМ 22. Сбор массивов для решения уравнений (1), (2), производится блоком программного управления 20 (БПУ) по командам с микро-ЭВМ. БПУ 20 осуществляет также переключение между поляризационным и интерференционным режимами измерения в оптической схеме наноскопа, построенного по принципу интерферометра с возможностью перекрытия одного из его оптических плеч (элементов 6, 7, 8) с помощью управляемой БПУ 20 шторки 5 с механизмом управления 18. Кроме того, БПУ управляет подачей модулирующего напряжения на соответствующий модулятор (в зависимости от режима), формирует сигналы сканирования по координатам x и y для ФЭУ 12, осуществляет управление схемой автофокусировки 19. При этом используемые режимы реализуются в следующей последовательности.

Сначала задают поляризационный режим измерения для определения азимута поляризации (x,y,x) и анизотропии (x,y,z) из системы уравнений (1). Для этого шторка 5 перекрывает с помощью механизма управления 18 по команде с БПУ 20 элементы 6 и 7 интерферометра. Генератор модулирующих напряжений 17 подает (с выхода 1) периодическое модулирующее напряжение (см. фиг.5, эпюра А1) на электрооптический модулятор 3, использующий эффект управления двулучепреломлением электрическим полем, в котором производят изменение поляризации проходящего излучения лазера по закону модуляции.

Конденсор 2 формирует размер пятна засветки в плоскости микрообъекта.

Далее засветку фокусируют микрообъективом 9 на поверхности исследуемого объекта, после отражения от которого, пройдя через светоделитель 4, излучение попадает на анализатор 10, преобразующий изменения поляризации в соответствующие по закону формулы (1) изменения комплексной амплитуды.

Гомаль (окуляр) 11 формирует размер пятна засветки в плоскости ФЭУ 12. Сканирующий ФЭУ 12 преобразует оптический сигнал в электрический для каждой точки поля засветки. Фотоприемник 13 осуществляет аналогичное преобразование для одной фиксированной точки поля. Сигнал со сканирующего ФЭУ 12 (фиг.5, эпюра Г) поступает на вход 1 фазометра 15. На вход 2 этого фазометра подается синфазный сигнал с выхода 2 генератора 17. Фазометр 15 измеряет разность фаз двух входных сигналов методом временного интервала (ВИ).

Применение синхронного фильтра 24 входного сигнала позволяет значительно повысить отношение сигнал/шум (тепловые шумы ФЭУ) на входе фазометра и достигнуть предела разрешения в 1,5-2 мрад. Механизм синхронной фильтрации основывается на эффекте запоминания фазы входного колебания в резонансном колебательном контуре при совпадении частоты входного сигнала с частотой резонанса контура. При этом процессы подключения (отключения) контура к источнику сигнала, динамического изменения добротности и сброса начальной фазы синхронизированы с опорным сигналом генератора модулятора (вход 2 фазометра).

Дифференцирующая схема 23 совместно с формирователем импульсов 25 формируют из опорного сигнала (со входа 2) импульс начала ВИ, а усилитель-ограничитель 27, делитель частоты на 2 (28) и формирователь импульсов 29 - соответственно импульс окончания ВИ. Формирование ВИ происходит в блоке 26 (эпюра И), затем ВИ заполняется счетными импульсами (эпюра К) генератора 32 в схеме совпадения 30. Счетчик 31 преобразует выделенное число импульсов (эпюра Л) в двоичный код, пропорциональный количеству импульсов, а следовательно и измеряемой разности фаз. Этот код поступает с выхода блока 15 на БПУ (20).

Сигнал с выхода фотоприемника 13 (имеет аналогичную форму фиг.5, эпюра Г) поступает на вход 1 второго фазометра 14, который работает аналогично блоку 15 и реализует дифференциальный метод уменьшения уровня вибрационного шума. Вычитание кодов, формируемых блоками 14 и 15 реализуется программой БПУ и запоминается в оперативной памяти БПУ (не показана). Затем БПУ переводит ФЭУ 12 в следующую точку поля. После формирования массив Ф_эл(x,y) передают в микро-ЭВМ 22, которая строит на дисплее изображение функции Ф_эл(x, y) и вычисляет (x,y).

Процедура автофокусирования осуществляется путем программно управляемого микроперемещения объектива 9 параллельно оптической оси для сканирования по оси z. Послойная фокусировка необходима для получения более объективной информации при значениях h(x,y) превышающих глубину резкости объектива 9.

В интерференционном режиме измерения механизм управления 18 открывает шторку 5 и второе плечо интерферометра (элементы 6-8). Генератор модулирующих напряжений 17 подает (с выхода 3) периодическое модулирующее напряжение (см. фиг.5, эпюра А2) на модулятор 8, который осуществляет микроперемещения зеркала 7 и изменяет длину оптического пути отраженной световой волны. Одновременно на электрооптический модулятор 3 подается постоянное напряжение, вызывающее статическое изменение начальной поляризации излучения (фиг.5, эпюра А3) для решения системы уравнений (2). После отражения от зеркала 7 опорный пучок поступает через светоделитель 4 на общее плечо 10-11-12-13 интерферометра, где в плоскости фотоприемников 12 и 13 происходит интерференция пучков. Анализатор 10 выделяет состояние поляризации для решения системы уравнений (2). Измерение фаз и обработка кодов производятся аналогично поляризационному режиму, с той разницей что в результате формируется массив Ф_инт(x,y,z), а микро-ЭВМ строит на дисплее функции Ф_инт(x,y, _i) для различных значений начальной поляризации _i.

Измерение амплитуды производится в блоке 16 (фиг.1). Измеряемый сигнал подается на вход 1 блока, на вход 2 поступает опорный сигнал с генератора 17. Измерение производится методом синхронного детектирования. Дифференцирующая схема 33 выполняет функцию аналогичную 23. Схема 34 формирует импульсы управления усилителя 35 (эпюра М). На выходе усилителя 35 формируется функция абсолютного значения от входной функции Г (эпюра Н). Интегратор со сбросом 36 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 37 формируют код, передаваемый на БПУ. Дальнейшая обработка кода амплитуды осуществляется аналогично сбору данных кода фаз. Далее после решения уравнений (2) на дисплей поочередно выводятся изображения величин h(x,y), n(x,y), (x,y), (x,y).