КОНФОКАЛЬНЫЙ СКАНИРУЮЩИЙ МИКРОСКОП Российский патент 1994 года по МПК G02B21/00 

Изобретение относится к микроскопии, а именно к устройству конфокальных микроскопов, и может быть использовано при послойном исследовании различных образцов методом сканирования в проходящем или отраженном свете.

Известны конфокальные сканирующие микроскопы (КСМ) содержащие точечный источник излучения и конфокально расположенные фокусирующие устройства (конденсор и объектив), в общей фокальной плоскости которых помещен предметный столик со средствами его координатных перемещений [1]. Такие КСМ позволяют производить послойное сканирование образцов, однако для этого требуются двухкоординатные перемещения предметного столика и система поточечного формирования изображений. Эти факторы ведут к усложнению конструкции средств сканирования и снижению скорости получения изображений.

Известны также лазерные КСМ с оптоакустическими и зеркально-механическими средствами сканирования (первые - для быстрой линейной, а вторые - для более медленной строчной развертки изображения) [2]. Такие КСМ дают весьма высокую скорость получения изображений: 20 видов в секунду 1000 х 1000 пикселей в каждом. Однако такие КСМ достаточно сложны, требуют высокого уровня технологий, применяемых при их создании, и рассчитаны на источники монохроматического света. Переход к другим диапазонам спектра требует замены многих элементов КСМ: частотных и пространственных фильтров, поляризационных устройств и т.д.

Более простым типом КСМ являются устройства с механическими средствами линейного сканирования в виде специально перфорированных неподвижного и быстро вращающегося дисков (Nipkow-дисков) [3]. Для получения изображений с высоким разрешением в дисках с размерами порядка 100 мм следует выполнить около 70 тысяч отверстий диаметром порядка 60 мкм по особому рисунку. Кроме того, требуется высокая точность взаимной выставки дисков. Основным недостатком данных устройств является ограничение максимально достижимой яркости изображения из-за высокой степени затенения объекта непрозрачной частью диска.

Наиболее близким является КСМ, содержащий блок источника излучения, размещенные по ходу лучей в оптическом тракте микроскопа неподвижный непрозрачный экран со щелью, конфокально установленные первое и второе фокусирующие устройства, а также размещенный в общей фокальной плоскости этих устройств предметный столик, снабженный средством перемещения в данной плоскости, и расположенный в плоскости изображения приемник излучения [4]. Щель в экране выполнена кольцевой, а приемник излучения - в виде амплитудно-чувствительного детектора излучения. Максимальные качества КСМ (разрешение, контрастность, надежность фокусировки) достигаются в монохроматическом свете.

Недостатками известного КСМ являются недостаточная универсальность, поскольку наиболее качественные изображения могут быть получены всякий раз лишь для определенной длины волны; усложненность конструкции из-за необходимости быстрого двухкоординатного сканирования предметным столиком и поточечной системы развертки изображения; трудность получения высокой яркости изображения ввиду ограничений по энергетическому воздействию на образец точечным источником; принципиальное ограничение на максимально возможную скорость сканирования (например, по действующим на столик и образец ускорениям) при двухкоординатных возвратно-поступательных перемещениях.

КСМ содержит средство перемещения предметного столика, выполненное в виде одностепенного привода возвратно-поступательных движений в направлении, перпендикулярной щели. В таком варианте исполнения достигается наибольшая простота конструкции механической части КСМ.

Кроме того, КСМ снабжен устройством построчного формирования изображения, а приемник излучения выполнен в виде линейки фотодетекторов, связанных с указанным устройством. В этом исполнении достигается дальнейшее упрощение КСМ в части системы получения изображений, что обусловливает также возможность повышения скорости сканирования.

В КСМ блок источника излучения содержит излучающую поверхность, вытянутую вдоль щели экрана, и прямоугольно-цилиндрическую линзу, установленную между экраном и излучающей поверхностью, причем щель расположена в фокальной плоскости линзы и совмещена с изображением излучающей поверхности в этой плоскости. Таким частным исполнением, в совокупности с остальными признаками, достигается повышение качества изображения: более однородная яркость, малые искажения, высокая контрастность и т.д.

Наконец, в КСМ первое фокусирующее устройство содержит конденсорную прямоугольно-цилиндрическую линзу, установленную конфокально прямоугольно-цилиндрической линзе блока источника излучения. Это отличие так же, как предыдущее, обусловливает повышение качества получаемых изображений.

Известно использование линеек фотодиодов с зарядовым накоплением, щелевые апертуры [7] . Однако в указанном источнике не отражены технические аспекты реализации процедуры построения изображения в КСМ.

На фиг. 1 показана схема КСМ в варианте с проходящим светом; на фиг.2 показана возможная схема КСМ в варианте с отраженным светом; на фиг.3 - вариант исполнения блока источника излучения.

Как показано на фиг.1, КСМ содержит блок источника излучения (обычного или монохроматического), в состав которого могут входить ламповый или лазерный излучатель 1 и фокусирующее устройство 2 в виде одной или более линз. В неподвижном непрозрачном экране 3, расположенном за блоком источника излучения, выполнена узкая прямоугольная щель 4. Установленные конфокально первое 5 и второе 6 фокусирующие устройства (соответственно блоки конденсора и объектива, содержащие по одной или более линз в каждом) имеют общую фокальную плоскость, вблизи которой размещен предметный столик 7, снабженный ручным или автоматическим приводом возвратно-поступательных перемещений (в направлении стрелок). В плоскости изображения 8 за вторым фокусирующим устройством 6 размещен приемник 9 излучения, выполненный, например, в виде линейки фотодетекторов аналогично приемнику 5 излучения.

Приемники излучения, а также привод перемещений предметного столика могут быть интегрированы с телевизионной системой формирования изображений, как, например, в прототипе [4] или по аналогии с системой [6], или другим известным способом.

Как показано на фиг.2, предложенное устройство КСМ может быть реализовано и в оптической схеме с отраженным светом. В этой схеме может быть предусмотрено дихроическое зеркало 10, пропускающее отраженный (переизлученный) образцом свет спектрального состава, отличного от такового для падающего на образец света, к приемнику 9 излучения в плоскости изображения 8. Данная схема может, в частности, использоваться при люминесцентном анализе образцов.

Как показано на фиг.3, блок излучения может содержать излучающую поверхность 11, вытянутую в направлении щели 4, а также прямоугольно-цилиндрическую линзу 12, расположенную между экраном 3 и излучателем 1 так, что сфокусированное линзой 12 изображение излучающей поверхности 11 совмещено со щелью 4.

Конфокально линзе 12 расположена аналогично выполненная линза 5 конденсорного фокусирующего устройства (фиг.1), что обеспечивает однородную яркость щелевого светового пятна в конфокальной плоскости фокусирующих устройств 5 и 6 на предметном столике и уменьшает возможные искажения светового поля за щелью. При необходимости линзы объектива могут быть также выполнены прямоугольно-цилиндрическими.

Работа предложенного КСМ осуществляется следующим образом.

На предметном столике 7 (фиг. 1) закрепляют подготовленный тонкий прозрачный образец. Совмещают уровень интересующего среза образца (например, путем регулирования фокусировки устройств 5 и 6 аналогично описанному в [1] с конфокальной плоскостью данных устройств). При этом в плоскости изображения 8, а именно в приемнике 9, возникает изображение узкой полоски среза образца. Перемещая столик 7, например перпендикулярно щели 4, "построчно" формируют изображение всего среза. Причем скорость перемещения может быть выбрана весьма большой, в частности соответствующей скорости кадровой развертки изображения телевизионной системой, интегрированной с данным КСМ.

Работа КСМ по схеме на фиг.2 аналогична.

Производя перефокусировку (вручную или автоматически) на другие срезы образца и повторяя описанные действия, можно получить послойную "томограмму" всего образца.

Техническая оснастка КСМ предложенной схемы допускает значительную унификацию и легко интегрируется с различными вспомогательными системами.

Использование: в микроскопии при послойном исследовании различных образцов методом сканирования в проходящем или отраженном свете. Сущность изобретения: в непрозрачном экране, установленном между блоком источника излучения и конденсатором, выполнена узкая щель прямоугольной формы, изображение которой за объективом совмещено с чувствительным элементом в виде, например, линейки фотодетекторов. При сканировании среза образца предметный столик с этим образцом перемещается в конфокальной плоскости по направлению, перпендикулярному щели. Для повышения качества изображения может применяться система прямоугольно-цилиндрических линз, ориентированных по направлению цели. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. КОНФОКАЛЬНЫЙ СКАНИРУЮЩИЙ МИКРОСКОП, содержащий блок источника излучения, размещенные по ходу лучей в оптическом тракте микроскопа непрозрачный экран с щелью, конфокально установленные первое и второе фокусирующие устройства, а также размещенный в общей фокальной плоскости этих устройств предметный столик, снабженный средством перемещения в данной плоскости, и расположенный в плоскости изображения приемник излучения, отличающийся тем, что, с целью унификации и упрощения конструкции микроскопа при обеспечении повышенных яркости и скорости получения изображения в широком спектральном диапазоне с сохранением допустимого энергетического воздействия на исследуемый образец, в нем непрозрачный экран с щелью выполнен неподвижным, щель выполнена прямоугольной формы, предметный столик снабжен устройством, обеспечивающим линейное перемещение препарата в момент построения изображения, а приемник излучения совмещен с изображением щели и выполнен в виде линейки фотодетекторов, связанных с устройством построчного формирования изображения. 2. Микроскоп по п. 1, отличающийся тем, что блок источника излучения содержит излучающую поверхность, вытянутую вдоль щели экрана, и прямоугольно-цилиндрическую линзу, установленную между экраном и излучающей поверхностью, причем щель расположена в фокальной плоскости линзы и совмещена с изображением излучающей поверхности в этой плоскости. 3. Микроскоп по п.2, отличающийся тем, что первое фокусирующее устройство содержит конденсорную прямоугольно-цилиндрическую линзу, установленную конфокально прямоугольно-цилиндрической линзе блока источника излучения.