ФАЗОВОКОНТРАСТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ФАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 1997 года по МПК G02B27/52 

Изобретение относится к оптике, а более точно к микроскопам, предназначенным для исследования объектов по методу фазового контраста и может быть использовано в микроскопии.

Известно несколько вариантов построения фазовоконтрастных устройств. В качестве аналога выбрано устройство содержащее кольцевую диафрагму, конденсор, объект, объектив и фазовую пластинку. Главным недостатком устройства /1/ является необходимость ограничения численной апертуры освещения, которая ведет к потере разрешения.

Наиболее близким к предлагаемому решению является фазовоконтрастное устройство, включающее в себя конденсор, в передней фокальной плоскости которого расположена кольцевая апертурная диафрагма и визуализирующую оптическую систему, в задней фокальной плоскости которой расположена фазовая пластинка. Устройство может быть использовано в любом биологическом микроскопе, например микроскопе МББ-1А. Главным недостатком в прототипе является, как и в аналоге снижения примерно на 20% разрешающей способности микроскопа, так как апертура освещения ограничивается узкой кольцевой диафрагмой со строго фиксированным радиусом световых колец, составляющем примерно 2/3 от радиуса апертуры освещения. Кроме того, происходит искажение информации об объекте из-за резкого снижения контраста и разрешения изображения на грубой структуре объекта, а также вокруг элементов структуры объекта образуется "гало" (ореол вокруг изображения фазовых объектов).

Задачей изобретения является повышение разрешающей способности при сохранении максимального контраста изображения и высокой равномерности освещения, увеличение информативной емкости метода фазового контраста, что приводит к повышению качества изображения в целом.

Поставленная цель решается в предложенном фазовоконтрастном устройстве, состоящем из источника света, осветительной оптической системы, включающей не менее одного оптического компонента, например, в передней фокальной плоскости которого расположена кольцевая апертурная диафрагма, визуализирующей оптической системы, включающей в себя не менее одного компонента, например, объектива, в задней фокальной плоскости которого, или в плоскости, оптически сопряженной с ней, расположена фазовая пластинка, установкой мультипликатора изображения линзового растра (ЛР) перед кольцевой апертурной диафрагмой таким образом, что в отсутствие линзового источника света оптически сопряжен с плоскостью освещаемого объекта, а при введенном ЛР источник света оптически сопряжен с плоскостью кольцевой апертурной диафрагмы конденсора, размеры же этой кольцевой диафрагмы определяются радиусами прозрачного кольца
R_max и R_min, значение которых удовлетворяет неравенству:
R_o ≥R_max > R_min ≥0
где R_o максимальный радиус апертурной диафрагмы конденсора,
R_max, R_min максимальный и минимальный радиусы прозрачных колец апертурной диафрагмы, а фазовая пластинка выполнена в виде двухмерной фазовой ступенчатой решетки, нанесенной на поверхности указанной пластины в пределах зоны, контур которой определяется контуром кольцевой апертурной диафрагмы, а размеры определяются из зависимости:

где r_max, r_min максимальный и минимальный размер зон на пластине,
β₁ линейное увеличение в плоскостях: кольцевая апертурная диафрагма - фазовая пластина, на которую нанесена фазовая решетка, упаковка ступенек фазовой решетки подобна упаковке линзовых элементов растра, а шаги решетки X", Y" и ширина ступеньки по обеим направлениям определяются зависимостями

где X', Y' шаги мультиплицированного изображения источника света в плоскости кольцевой апертурной диафрагмы по обоим направлениям,
β₂ линейное увеличение из плоскости источника в плоскость апертурной диафрагмы,
l_X, l_Y размеры тела накала источника по обоим направлениям.

Целесообразно в плоскости кольцевой апертурной диафрагмы установить двухмерную решетку с прозрачными отверстиями, упаковка которых подобна упаковке линзовых элементов растра, шаги X', Y' равны шагам мультиплицированного изображения источника света в плоскости кольцевой диафрагмы в обеих направлениях, а размер прозрачного отверстия D' определяется зависимостью
D′ = l_maxβ₂ (6)
Целесообразно выполнить источник света в виде лазера.

Сущность изобретения заключается в том, что установка в оптическую схему фазовоконтрастного устройства линзового растра, мультиплицирующего в плоскости апертурной диафрагмы изображение источника света, позволяет с одной стороны, обеспечить равномерное освещение объекта, а с другой обеспечить освещение разряженной апертурой, что позволяет в промежутках, не заполненных освещающими пучками, устанавливать амплитудные и фазовые решетки различных конфигураций. Условие (1), которое наложено на размеры апертурной диафрагмы, показывает, что она может выражаться в круглое отверстие, имеющее максимальный размер R₀, равный максимальному значению апертуры освещения, что означает возможность реализации в заявляемом устройстве максимально возможной для микроскопа разрешающей способности без снижения контраста изображения.

Линзовый растр мультиплицирует изображение источника света, то есть каждый линзовый элемент растра строит свое изображение источника света, которое локализуется в плоскости апертурной диафрагмы осветительного устройства и переносится в плоскость фазовой пластины с линейным увеличением β₁ Размеры зон фазовой пластины, в пределах которых нанесена ступенчатая фазовая решетка будут определены линейным увеличением β₁ и размерами кольцевых зон апертурной диафрагмы R_min и R_max. Фазовая решетка имеет число ступенек, равное числу линзовых элементов растра и, следовательно, равное числу мультиплицированных изображений источника света. Упаковка ступенек подобна упаковке линзовых элементов растра, а шаги решетки X", Y" и ширина ступеньки будут определены однозначно зависимостями (4) и (5).

Таким образом, размер ступеньки фазовой решетки будет перекрывать изображение источника света и вносить свой фазовый сдвиг, а лучи, проходящие мимо ступеньки, фазового сдвига не испытывают. Тот факт, что фазовый слой наносится не в узкой кольцевой зоне, а в зоне, размер которой может определяться полной апертурой микрообъектива, позволяет не терять разрешение не только на тонкой структуре объекта, но и на грубой, резко повышает качество изображения в том числе и в отношении снижения эффекта "гало", повышается контраст изображения. Действительно, в /4/ приведена формула для вычисления контраста изображения фазового объекта, которую в наших обозначениях можно написать с точностью до постоянного множителя.

γ контраст изображения.

В случае нашего устройства, содержащего линзовый растр, проделав аналогичные вкладки получим формулу для вычисления контраста изображения

Множитель (D"/X")² меньше единицы, следовательно, контраст γ в нашем случае выше, чем в прототипе, и центральный максимум выше, а энергии в боковых лепестках меньше, то есть уменьшается "гало".

Кроме того, введение в плоскости кольцевой апертурной диафрагмы конденсора двухмерной решетки с прозрачными отверстиями, упаковка которых в решетке подобна упаковке линзовых элементов в растре, позволяет экранировать действие рассеянного света, распространяющегося после растра в промежутках между элементами мультиплицированного изображения источника света, чем повышается контраст изображения. При этом оптимальным будет выполнение размера прозрачного отверстия D' в соответствии с формулой (6)
D′ = l_maxβ₂, где
l_max максимальный размер светящегося тела источника света
β₂ линейное увеличение в паре оптически сопряженных плоскостей, одна из которых плоскость источника света, а вторая плоскость кольцевой апертурной диафрагмы конденсора.

Использование фазовоконтрастного устройства подразумевает то, что освещение объекта когерентно, но использование ламп накаливания, что и имеет место в прототипе, позволяет получить частично когерентное освещение. Выполнение источника света в виде лазера обеспечивает требуемый режим освещения в отношении его когерентности, что в свою очередь обеспечивает повышение контраста изображения в целом.

На фиг. 1 изображено фазовоконтрастное устройство, состоящее из последовательно установленных источника света 1, линзового растра 2, кольцевой апертурной диафрагмы 3, расположенной в передней фокальной плоскости конденсора 4, микрообъектива 5 и фазовой пластины 6; на фиг. 2 вид фазовой пластинки /сечение в плоскости ZOY/ со ступенчатым профилем, которая используется в устройстве по п.1. на фиг. 3 вид этой же плоскости в другом, перпендикулярном первому, сечении /сечении XOY/; на фиг. 4 вид кольцевой апертурной диафрагмы в сечении XOY с установленной перед ней двухмерной решеткой с прозрачными отверстиями /наблюдается со стороны конденсора/; на фиг. 5 фазовоконтрастное устройство, состоящее из лазерного источника света 1, телескопической системы, состоящей из компонентов 7 и 8, линзового отверстия растра 2, двухмерной решетки с прозрачными отверстиями 9, совмещенной с плоскостью апертурной диафрагмы 3, расположенной в передней фокальной плоскости конденсора 4 и имеющей размеры R_min 0 и R_maxR_c микрообъектива 5 и фазовой пластинки 6.

Устройство на фиг. 1 работает следующим образом: изображение источника света 1 мультиплицируется линзовым растром 2 в плоскости кольцевой апертурной диафрагмы 3. Каждый линзовый элемент растра 2 строит свое изображение источника света 1 с линейным увеличением β₂ которое определяется фокусным расстоянием линзового элемента растра и его положением относительно источника света. Таким образом, в плоскости кольцевой диафрагмы 3 формируется множество изображений источника света 1, расстояние между которыми однозначно связано с шагом линзового растра X и Y по обоим направлениям и увеличением β₂ Это мультиплицированное изображение конденсором 4 и микрообъективом 5 переносится в плоскость фазовой пластинки 6, где осуществляется фазовое изменение, необходимое для визуализации объекта.

Устройство на фиг. 5 работает следующим образом: световой пучек лазера 1 расширяется телескопической системой 7; 8 до размеров кольцевой апертурной диафрагмы 3 R₀, мультиплицируется линзовым растром 2, проходит через указанную диафрагму, конденсор 5 и попадает на фазовую пластинку 6, где осуществляется фазовое изменение и далее в плоскости изображения получается визуализация фазового объекта.

Таким образом, использование данного изобретения в фазовоконтрастной микроскопии позволяет повысить качество оптического изображения в отношении получения более высокого его контраста, повышения информативной емкости за счет лучшей разрешающей способности системы при перераспределении энергии из боковых лепестков дифракционного изображения точки в центральный максимум при одновременном уменьшении "гало". Кроме того при стремлении R_min к нулю повышается качество изображения "грубой" структуры объекта, а при стремлении R_max и R₀ будет отсутствовать 20%-я потеря в разрешающей способности.

Использование лазера в качестве источника света обеспечивает максимально возможный контраст изображения, что в сочетании с использованием линзового растра еще больше улучшает качество изображения. Например, в отношении контраста изображения улучшение составляет в 2-2,5 раза. Все это вместе обеспечивает максимальный эффект от использования предлагаемого фазовоконтрастного устройства.

Использование: для исследования объектов по методу фазового контраста. Сущность изобретения: в устройство, содержащее источник света, конденсор, в передней фокальной плоскости которого расположена апертурная диафрагма, объектив, в задней фокальной плоскости которого или в плоскости, сопряженной с ней, расположена фазовая пластина, введен линзовый растр, установленный перед апертурной диафрагмой с возможностью формирования в плоскости апертурной диафрагмы изображений источника света, причем отверстие апертурной диафрагмы выполнено или в форме прозрачного кольца, или в форме прозрачного круга, а фазовая пластина содержит двухмерную ступенчатую решетку, выполненную на фазовой пластине в пределах зоны, оптически сопряженной с отверстием апертурной диафрагмы. Причем в плоскости отверстия апертурной диафрагмы может быть установлена двухмерная решетка с прозрачными отверстиями, расположенными с шагами, равными шагам изображений источника света в плоскости апертурной диафрагмы. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Фазово-контрастное устройство для визуализации фазовых объектов, содержащее источник света, осветительную оптическую систему, включающую по крайней мере конденсор, в передней фокальной плоскости которого расположена апертурная диафрагма, визуализирующую оптическую систему, включающую по крайней мере объектив, в задней фокальной плоскости которого или в плоскости, сопряженной с ней, расположена фазовая пластина, отличающееся тем, что введен линзовый растр, установленный перед апертурной диафрагмой изображений источника света, расположенным с шагом X' и Y' по двум взаимно перпендикулярным направлениям X и Y, причем отверстие апертурной диафрагмы выполнено или в форме прозрачного кольца, радиусы которого R_m a x и R_m i n удовлетворяют условию
R₀ > R_m a x > R_m i n > 0, или в форме прозрачного круга с радиусом R, удовлетворяющим условию
R₀ > R,
где R₀ максимально возможный радиус апертурной диафрагмы,
а фазовая пластина содержит двухмерную фазовую ступенчатую решетку, выполненную на фазовой пластине в пределах зоны, оптически сопряженной с отверстием апертурной диафрагмы, при этом ступеньки фазовой решетки расположены в двух взаимно перпендикулярных направлениях X и Y с шагами соответственно X'' и Y'', определямых из соотношений
X″ = X′β₁, Y″ = Y′β₁,
причем размеры ступенек в этих направлениях определяются из соотношений
и
где l_x, l_y размеры светящегося тела в направлениях X, Y;
β₁- линейное увеличение в сопряженных плоскостях апертурной диафрагмы и фазовой пластины;
β₂- линейное увеличение в сопряженных плоскостях источника света и апертурной диафрагмы. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в плоскости отверстия апертурной диафрагмы установлена двухмерная решетка с прозрачными отверстиями, расположенными в направлениях X, Y с шагами соответственно X' и Y', равными шагам изображений источника света в плоскости апертурной диафрагмы, а размер D' прозрачных отверстий в обоих направлениях X, Y определяется из соотношения
D′ = l_maxβ₂,
где l_m a x максимальный размер светящегося тела источника света. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник света выполнен в виде лазера.