ЛАЗЕРНЫЙ ПРОЕКЦИОННЫЙ МИКРОСКОП Российский патент 2001 года по МПК G02B21/00 

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к лазерным проекционным системам, и может быть использовано для неразрушающего контроля больших интегральных схем, процессов обработки различных материалов концентрированными потоками энергии в промышленности, исследования микрообъектов в медицине и биологии.

Известно устройство для лазерной обработки объектов с визуальным контролем на просвет [1], содержащее расположенные последовательно вдоль оптической оси экран, лазерный усилитель, два объектива и отражатель. Известно также устройство для регистрации и наблюдения объектов [2], содержащее элемент размещения объекта, фокусирующую оптическую систему, сверхизлучающую лазерную среду, зеркало обратной связи, светоделительный элемент, четвертьволновую пластину и регистратор.

Недостатком данных устройств является отсутствие простой и удобной системы формирования изображения, позволяющей сохранять размер изображения объекта наблюдения неизменным при изменении его положения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для осуществления обработки, регистрации и наблюдения объектов с помощью сверхизлучающей лазерной среды [3] , содержащее сверхизлучающую лазерную среду, с одной стороны от которой вдоль оптической оси установлены фокусирующая оптическая система и объект, а с другой стороны от сверхизлучающей лазерной среды установлены светоделительный элемент, отражающий элемент и регистрирующая среда. Излучение сверхизлучающей лазерной среды направляют через фокусирующую оптическую систему на объект и после отражения от него с помощью фокусирующей оптической системы возвращают в сверхизлучающую лазерную среду, где оно усиливается и затем попадает на светоделительный элемент, который расщепляет его на две части, одна из которых направляется на регистрирующую среду, а другая - на отражающий элемент, который возвращает часть попадающего на него излучения обратно в сверхизлучающую лазерную среду и далее через фокусирующую оптическую систему к объекту. Однако и при помощи данного устройства невозможно сохранять размер изображения объекта наблюдения на регистрирующей среде неизменным при изменении его положения.

Задача, решаемая изобретением, - сохранение неизменным размера изображения наблюдаемого объекта на приемном устройстве при изменении его положения вдоль оптической оси и как следствие увеличение точности контроля.

Эта задача решается тем, что лазерный проекционный микроскоп, содержащий установленные соосно объектив, лазерный усилитель и систему регистрации изображения, оснащен трехлинзовой системой формирования изображения, причем первая и вторая линзы жестко закреплены относительно друг друга так, что задний фокус первой линзы совмещен с передним фокусом второй линзы, третья линза жестко закреплена относительно приемного устройства системы регистрации изображения, расстояние l₁ от наблюдаемого объекта до первой линзы выбрано из условия l₁>(f₁+f₂)· f₁/f₂, где f₁ и f₂ - фокусные расстояния первой и второй линзы соответственно, а система первой и второй линз выполнена перемещающейся относительно третьей линзы строго пропорционально перемещению объекта наблюдения с коэффициентом пропорциональности K=(f₂/f₁)/(1-(f₂/f₁)).

Жесткое закрепление первой и второй линзы относительно друг друга и жесткое закрепление третьей линзы относительно приемного устройства системы регистрации изображения уменьшает количество элементов, положение которых необходимо регулировать, и таким образом облегчает решение поставленной задачи. Совмещение фокусов первой и второй линз и выполнение вышеуказанного соотношения между расстоянием l₁ от наблюдаемого объекта до первой линзы фокусными расстояниями f₁ и f₂ позволяет получать действительное изображение объекта наблюдения на приемном устройстве системы регистрации. Перемещение системы первой и второй линз пропорционально перемещению объекта наблюдения с коэффициентом пропорциональности K позволяет сохранять размер объекта наблюдения на приемном устройстве системы регистрации постоянным.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства.

На фиг. 2 приведена схема системы формирования изображения.

Лазерный проекционный микроскоп содержит лазерный усилитель 1, с одной стороны от которого вдоль оптической оси расположены объектив 2 и объект 3 наблюдения, а с другой стороны - телевизионная камера 4, сопряженная с компьютером 5, на приемном устройстве которой при помощи системы 6 формирования изображения формируется изображение объекта 3 наблюдения.

Устройство работает следующим образом. Излучение лазерного усилителя 1, работающего в режиме сверхсветимости (без зеркал), фокусируют на наблюдаемый объект 3 при помощи объектива 2. Отраженное от объекта 3 наблюдения излучение частично собирают и направляют на вход лазерного усилителя 1 тем же объективом 2. Далее излучение проходит через активную среду лазерного усилителя 1, усиливаясь в нем и при помощи системы 6 формирования изображения изображение наблюдаемого объекта 3 формируется на приемном устройстве телевизионной камеры 4. Система 6 формирования изображения лазерного проекционного микроскопа выполнена трехлинзовой (фиг. 2). Линзы F₁ и F₂ жестко зафиксированы относительно друг друга так, что задний фокус линзы F₁ совмещен с передним фокусом линзы F₂. Тогда при выполнении условия l₁ > (f₁+f₂) · f₁/f₃, где l₁ - расстояние от линзы F₁ до изображения наблюдаемого объекта h, создаваемого объективом 2, f₁ и f₂ - фокусные расстояния линз F₁ и F₂ соответственно, изображение объекта после линзы F₂ является мнимым, а его размер h₂ постоянен и равен h₂=h · f₂/f₁, где h - размер изображения, создаваемого объективом 2, в противном случае невозможно получить изображение h₂ мнимым и перевернутым относительно объекта 3 наблюдения, что необходимо для получения действительного изображения h₃ на приемном устройстве телекамеры 4. Линза F₃ жестко закреплена относительно неподвижного приемного устройства телекамеры 4. При перемещении объекта 3 наблюдения вдоль оптической оси изображение h₂ сдвинется и изменится расстояние L от него до линзы F₃, а значит, и размер изображения h₃ объекта 3 наблюдения на приемном устройстве телевизионной камеры 4. Перемещением системы линз F₁-F₂ относительно линзы F₃ на Δl₃ расстояние L и размер изображения h₃ приводится в исходное состояние, а значит, размер изображения наблюдаемого объекта 3 на приемном устройстве телекамеры 4 h₃ также приводится в исходный. Необходимое перемещение Δl₃ системы линз F₁-F₂ строго пропорционально перемещению Δl₁ объекта 3 наблюдения и связана с ним соотношением Δl₃= K·Δl_1, где коэффициент пропорциональности K=(f₂/f₁)/(1-(f₂/f₁)).

Изготовление заявленного лазерного проекционного микроскопа возможно на любом предприятии, ориентированном на изготовление оптических приборов при использовании традиционного оборудования.

Источники информации
1. А.С. СССР N 1583911, МКИ G 02 B 21/00 / Л.С. Глинкин, В.А.Горбаренко, В. Н. Епихин, В. В. Королев. Устройство для лазерной обработки объектов с визуальным контролем на просвет; Заявл. 16.03.87. Опубл.07.08.90, БИ N29.

2. А. с. СССР N 1659960, МКИ G 02 B 6/00 / Ю.П. Васильев, К.И. Земсков, М. А. Казарян, Г.Г. Петраш, В.В. Чвыков. Устройство для регистрации и наблюдения объектов; Заявл. 27.07.89, Опубл. 30.06.91, БИ N24.

3. Международная заявка N WO 81/02951, МКИ H 01 S 3/00; B 23 K 26/00/ К. И. Земсков, В.А. Бурмакин, В.В. Савин и др. Способ обработки, регистрации и наблюдения объектов с помощью сверхизлучающей лазерной среды и устройство для его осуществления; Заявл. 22.08.80, Опубл. 15.10.81.

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к лазерным проекционным системам, и может быть использовано для неразрушающего контроля больших интегральных схем, процессов обработки материалов концентрированными потоками энергии в промышленности, исследования микрообъектов в медицине и биологии. Лазерный проекционный микроскоп содержит установленные соосно лазерный усилитель, объектив, телевизионную камеру, сопряженную с компьютером, на приемном устройстве которой при помощи системы формирования изображения формируется изображение наблюдаемого объекта. Система формирования изображения лазерного проекционного микроскопа выполнена трехлинзовой. Первая и вторая линзы жестко зафиксированы относительно друг друга так, что задний фокус первой линзы совмещен с передним фокусом второй линзы, третья линза жестко закреплена относительно приемного устройства системы регистрации изображения, расстояние от наблюдаемого объекта до первой линзы l₁ выбрано из условия l₁ > (f₁ + f₂) · f₁ / f₂, где f₁ и f₂ - фокусные расстояния первой и второй линзы соответственно. При перемещении объекта наблюдения вдоль оптической оси изображение объекта наблюдения после второй линзы сдвинется и изменится расстояние от него до третьей линзы. Перемещением системы первой и второй линз относительно третьей линзы расстояние приводится в исходное состояние, а значит, размер изображения наблюдаемого объекта на приемном устройстве телекамеры также приводится в исходный. Необходимое перемещение системы первой и второй линз строго пропорционально перемещению объекта наблюдения с коэффициентом пропорциональности: K = (f₁ / f₂) / [1 - (f₁ / f₂)] . Технический результат - сохранение неизменным размера изображения наблюдаемого объекта на приемном устройстве при измерении его положения вдоль оптической оси и как следствие увеличение точности контроля. 2 ил.

Лазерный проекционный микроскоп, содержащий установленные соосно объектив, лазерный усилитель и систему регистрации изображения, отличающийся тем, что микроскоп оснащен трехлинзовой системой формирования изображения, причем первая и вторая линзы жестко закреплены относительно друг друга так, что задний фокус первой линзы совмещен с передним фокусом второй линзы, третья линза жестко закреплена относительно приемного устройства системы регистрации изображения, расстояние от наблюдаемого объекта до первой линзы l₁ выбрано из условия
l₁ > (f₁ + f₂) · f₁/f₂,
где f₁ и f₂ - фокусные расстояния первой и второй линзы соответственно,
а система первой и второй линз выполнена перемещающейся относительно третьей линзы вдоль оптической оси строго пропорционально перемещению объекта наблюдения с коэффициентом пропорциональности
K = (f₂/f₁)/[1-(f₂/f₁)].