МИКРОСКОП ОТРАЖЕННОГО СВЕТА Российский патент 2011 года по МПК G02B21/00 

Предлагаемое изобретение относится к оптике, а точнее к микроскопии.

Известны микроскопы с аналогичной оптической системой, осветительная часть которых строится по схеме опак-иллюминатора со светоделительным блоком, содержащим полупрозрачное зеркало и глухое кольцевое зеркало.

Типичным представителем такого типа микроскопов является флуоресцентный микроскоп [1], содержащий осветительную часть для освещения непрозрачных объектов или люминесцирующих в отраженном свете объектов и систему наблюдения или регистрации изображения на носитель. В патенте приведено несколько вариантов реализации системы освещения как в светопольном, так и в темнопольном (эпифлюоресценция) вариантах. При организации темнопольного освещения объекта в основном варианте ([1], фиг.3) используется глухое кольцевое зеркало, которое обычно является источником рассеянного света, существенно портящее качество изображения объекта, что является основным недостатком такого технического решения.

Использование нескольких источников света (светодиодов), расположенных по кругу ([1], фиг.4 и фиг.8), не решает проблему устранения рассеянного света из-за широкой индикатрисы излучения светодиодов - более 10°, тогда как полевые углы освещающих пучков в микроскопе не превышают 4,5°. Одновременно использование нескольких светодиодов на практике накладывает требования на одинаковость их светотехнических характеристик - яркость, сила света и пр., что без их селекции (специального подбора) никогда не удается и существенно усложняет процесс изготовления и удорожает изделие.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является металлографический микроскоп отраженного света [2], который содержит осветительный канал, построенный по схеме опак-иллюминатора и включающий в себя источник света, коллектор, блок сменных светофильтров, сменный поляризатор, сменные кольцевую диафрагму темного поля и диафрагму светлого поля, дополнительную линзу, зеркальный светоделительный блок и сменный эпиобъектив, состоящий из микрообъектива и эпизеркала, например, с параболической отражающей поверхностью, при этом микрообъектив выполняет в обратном ходе лучей роль конденсора для светлопольного освещения, а эпизеркало - роль конденсора для темнопольного освещения, визуальный канал, содержащий эпиобъектив, работающий в прямом ходе, сменный анализатор, тубусную линзу, блок призм и окуляр.

Недостатком известного микроскопа является то, что для организации в этой схеме темнопольного освещения необходимо введение в светоделительный блок оптической системы, реализующей освещение по схеме опак-иллюминатора, помимо полупрозрачного зеркала кольцевого диагонального зеркала, являющегося источником рассеянного света, который существенно портит качество темнопольного освещения и снижает контраст изображения при светопольном освещении.

Другим недостатком прототипа является отсутствие канала для регистрации цифрового изображения.

Не менее важным недостатком оптических систем этих микроскопов является то, что при проведении измерений геометрических размеров изображения и элементов его структуры при использовании окуляр-микрометров как обычных MOB-153 ([1], с.479, рис.XXIII.15), так и фотоэлектрических ФОМ-2, которые имеют одномерную шкалу для проведения измерений по разным направлениям, их приходится разворачивать, что утомительно при большом объеме измерений, а главное - практически невозможно точно выставить окуляр, например, по двум ортогональным направлениям, что снижает точность результатов измерений.

Еще одним недостатком является то, что при темнопольном освещении светящееся тело проецируется в плоскость объекта (критический метод освещения) и, если светящееся тело не равнояркое, например, как в спирали лампы накаливания, то поле зрения будет освещено неравномерно.

Не менее важный недостаток связан с тем, что известно [3], что при использовании в качестве эпизеркала параболической отражающей поверхности не обеспечивается больших полей на объекте.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение качества изображения объекта за счет улучшения освещения в темном и светлом полях и повышения контраста изображения, а также создание удобства работы оператора.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого микроскопа отраженного света, который, как и прототип, содержит осветительный канал, построенный по схеме опак-иллюминатора и включающий в себя источник света, коллектор, блок сменных светофильтров, сменный поляризатор, сменные кольцевую диафрагму темного поля и диафрагму светлого поля, дополнительную линзу, зеркальный светоделительный блок и сменный эпиобъектив, состоящий из микрообъектива и эпизеркала, визуальный канал, содержащий эпиобъектив, работающий в прямом ходе, сменный анализатор, тубусную линзу и окуляр.

В отличие от прототипа зеркальный светоделительный блок выполнен в виде не менее одной пары сменных зеркал, и при этом в каждой паре одно из зеркал глухое, а другое - полупрозрачное, размеры которых не превышают размера центральной экранирующей части кольцевой диафрагмы осветительного канала, после зеркального светоделительного блока в ходе лучей отраженного света установлен канал для регистрации цифрового изображения, включающий адаптер и мозаичный фотоприемник, например матрицу типа ПЗС, между тубусной линзой визуального канала и окуляром установлена призма Пехана с возможностью вращения вокруг оптической оси, а фокусное расстояние f₁ адаптера канала регистрации цифрового изображения и фокусное расстояние тубусной линзы f₂ визуального канала находятся в соотношении f₁=f₂×Д₁/Д₂, где Д₁ - размер диагонали фотоприемника, Д₂ - диаметр полевой диафрагмы окуляра.

Кроме того, источник света осветительного канала выполнен в виде светодиода.

Перед эпизеркалом установлена тороидальная линза и рассеиватель, например, линзовый растр, эквивалентный фокус эпизеркала и тороидальной линзы совпадает с центром освещаемого поля, а эпизеркало выполнено с конической отражающей поверхностью.

Окуляр выполнен в виде окуляр-микрометра или в виде фотоэлектрического окуляр-микрометра.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что выполнение зеркального светоделительного блока в виде не менее одной пары сменных зеркал и при этом в каждой паре одно из зеркал глухое, а другое - полупрозрачное, размеры которых не превышают размера центральной экранирующей части кольцевой диафрагмы осветительного канала, приводит к тому, что осветительный и визуальный канал меняются местами. Отсутствует кольцевое зеркало - источник рассеянного света и паразитной засветки.

Введение канала для регистрации цифрового изображения, включающего адаптер и мозаичный фотоприемник, например матрицу типа ПЗС, и размещение его после зеркального светоделительного блока в ходе лучей отраженного света, а также выбор фокусных расстояний тубусных линз канала регистрации цифрового изображения и визуального канала в соответствии с условием: f₁=f₂×Д₁/Д₂, где Д₁ и Д₂ соответственно размеры фотоприемника, например Д₁ - размер диагонали ПЗС матрицы, Д₂ - диаметр полевой диафрагмы окуляра, позволяет реализовать все поле зрения и соблюсти критерий Найквиста, устранив при этом муар и выполнив условия теоремы Котельникова, что в итоге позволяет точно восстановить изображение объекта после его дискретизации на ПЗС матрице.

Замена лампы накаливания со спиральным светящимся телом на светодиод, имеющий в качестве светящегося тела площадку с достаточно равнояркостной поверхностью, позволяет выравнивать светораспределение на объекте при темнопольном критическом освещении.

Тем не менее есть светодиоды с наборным из нескольких кристаллов светящимся телом, что требует введения в ход освещающих пучков рассеивателя и, как более эффективного, - линзового растра.

Коническое эпизеркало в меридиональном сечении не имеет аберраций как и плоское зеркало, поэтому если эпизеркало выполнено с конической отражающей поверхностью и перед эпизеркалом установлена тороидальная линза и рассеиватель, например линзовый растр, эквивалентный фокус конического эпизеркала и тороидальной линзы совпадает с центром освещаемого поля, задача равномерного освещения больших полей решается.

Таким образом, технический результат, заключающийся в повышении качества изображения объекта за счет улучшения освещения в темном и светлом полях и повышения контраста изображения, в предлагаемом устройстве достигнут, а совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленную задачу.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где

на фиг.1 приведена принципиальная схема микроскопа отраженного света в светлом поле;

на фиг.2 - принципиальная схема микроскопа отраженного света в темном поле.

Микроскоп отраженного света содержит осветительный канал, построенный по схеме опак-иллюминатора и включающий в себя источник света 1, коллектор 2, блок сменных светофильтров 3, сменный поляризатор 4, сменные кольцевую диафрагму темного поля 5 и диафрагму светлого поля 6, дополнительную линзу 7, зеркальный светоделительный блок 8, 9 и сменный эпиобъектив 10, состоящий из микрообъектива 11 и эпизеркала 12, визуальный канал, содержащий эпиобъектив 10, работающий в прямом ходе, сменный анализатор 13, тубусную линзу 14 и окуляр 15.

Зеркальный светоделительный блок выполнен в виде не менее одной пары сменных зеркал 8, 9, и при этом в каждой паре одно из зеркал глухое 16, 17, а другое - полупрозрачное 8, 9, размеры которых не превышают размера центральной экранирующей части кольцевой диафрагмы 5 осветительного канала, после зеркального светоделительного блока в ходе лучей отраженного света установлен канал для регистрации цифрового изображения, включающий адаптер 18 и мозаичный фотоприемник 19, например матрицу типа ПЗС, между тубусной линзой 14 визуального канала и окуляром 15 установлена призма Пехана 20 с возможностью вращения вокруг оптической оси, а фокусное расстояние f₁ адаптера 18 канала регистрации цифрового изображения и фокусное расстояние тубусной линзы 14 f₂ визуального канала находятся в соотношении f₁=f₂×Д₁/Д₂, где Д₁ - размер диагонали фотоприемника 19, Д₂ - диаметр полевой диафрагмы окуляра 15.

Источник света 1 осветительного канала выполнен в виде светодиода.

Перед эпизеркалом 12 установлена тороидальная линза 21 (фиг.2) и рассеиватель 22 (фиг.2), например линзовый растр, эквивалентный фокус конического эпизеркала 12 и тороидальной линзы 21 совпадает с центром освещаемого поля на поверхности объекта 23, а эпизеркало 12 выполнено с конической отражающей поверхностью.

Окуляр 15 выполнен в виде окуляр-микрометра типа MOB-1-16 или в виде фотоэлектрического окуляр-микрометра ФОМ-2-16.

Работа микроскопа отраженного света осуществляется следующим образом.

При исследовании объектов в отраженном свете, темном поле (фиг.1) источник света 1 расположен в фокусе коллектора 2. Параллельный пучок лучей, выходя из коллектора 2, проходит блок сменных светофильтров 3, сменный поляризатор 4 и сменную кольцевую диафрагму темного поля 5, попадает в эпиобъектив 10, т.е. проходит линзовый рассеиватель 22, например линзовый растр, тороидальную линзу 21, причем эквивалентный фокус системы тороидальная линза 21 - коническое эпизеркало 12 совпадает с центром освещаемой поверхности объекта 23.

Свет, отражаясь от объекта, проходит объектив 11, отражаясь от сменного глухого зеркала 16 светоделительного блока, собирается тубусной линзой 14 в плоскости полевой диафрагмы окуляра 15. Между тубусной линзой 14 и окуляром 15 устанавливается сменный анализатор 13 и призма Пехана 20.

Призма Пехана 20 обеспечивает возможность вращения изображения вокруг оптической оси.

Сменное глухое зеркало 17 направляет свет на адаптер 18, который строит изображение на ПЗС-матрице 19.

Между сменным глухим зеркалом 17 и адаптером 18 установлен сменный анализатор 13.

Для работы микроскопа в отраженном свете, светлом поле (фиг.2) сменную кольцевую диафрагму темного поля 5 заменяют диафрагмой светлого поля 6 и дополнительной линзой 7, которая строит изображение источника света 1 в выходном зрачке микрообъектива 11.

Между дополнительной линзой 7 и микрообъективом 11 размещена пара полупрозрачных зеркал 8 и 9.

Полупрозрачное зеркало 9 пропускает весь пучок лучей через микрообъектив 11, выполняющий роль конденсора в этом ходе, и лучи попадают на плоскость объекта 23, освещают поле зрения.

Отражаясь от объекта 23, свет проходит микрообъектив 11, отражается от полупрозрачного экрана 9, а тубусная линза 14 строит изображение в плоскости полевой диафрагмы окуляра 15.

Сменное полупрозрачное зеркало 8 направляет свет на адаптер 18, который строит изображение на ПЗС-матрице 19.

Между тубусной линзой 14 и окуляром 15 установлены сменный анализатор 13 и призма Пехана 20, обеспечивающая возможность вращения изображения вокруг оптической оси.

Перед адаптером 18 расположен еще один сменный анализатор 13. Сменные поляризатор 4 и анализатор 13 устанавливаются в режиме поляризации.

Таким образом, предлагаемый микроскоп отраженного света позволяет повысить качество изображения объекта за счет улучшения освещения в темном и светлом полях и повысить контраст изображения.

Источники информации

1. Российская Федерация, патент №2182328, МПК: 7 G01N 21/64, G02B 21/00, 2002 г.

2. Г.Е.Скворцов и др. Микроскопы, Л., Машиностроение, 1969, с.345, рис.XIII.I - прототип.

3. Грамматин А.П., Кириченко Е.В. Особенности расчета осветительного устройства микроскопа с параболоидальным эпизеркалом. ОПМ, 1979, №4, с.20.

Изобретение относится к области микроскопии. Микроскоп отраженного света содержит осветительный канал, построенный по схеме опак-иллюминатора и включающий в себя источник света, коллектор, блок сменных светофильтров, сменный поляризатор, сменные кольцевую диафрагму темного поля и диафрагму светлого поля, дополнительную линзу, зеркальный светоделительный блок, сменный эпиобъектив, состоящий из микрообъектива и эпизеркала, визуальный канал, содержащий эпиобъектив, работающий в прямом ходе, сменный анализатор, тубусную линзу и окуляр. Светоделительный блок выполнен в виде не менее одной пары сменных зеркал, где в каждой паре одно из зеркал глухое, а другое - полупрозрачное. После светоделительного блока в ходе лучей отраженного света установлен канал для регистрации цифрового изображения, включающий адаптер и мозаичный фотоприемник. Между тубусной линзой визуального канала и окуляром установлена призма Пехана с возможностью вращения вокруг оптической оси. Фокусное расстояние f₁ адаптера канала регистрации цифрового изображения и фокусное расстояние тубусной линзы f₂ визуального канала находятся в соотношении f₁=f₂×Д₁/Д₂, где Д₁ - размер диагонали фотоприемника, Д₂ - диаметр полевой диафрагмы окуляра. Технический результат - повышение качества изображения объекта и удобства работы оператора. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Микроскоп отраженного света, содержащий осветительный канал, построенный по схеме опак-иллюминатора и включающий в себя источник света, коллектор, блок сменных светофильтров, сменный поляризатор, сменные кольцевую диафрагму темного поля и диафрагму светлого поля, дополнительную линзу, зеркальный светоделительный блок и сменный эпиобъектив, состоящий из микрообъектива и эпизеркала, визуальный канал, содержащий эпиобъектив, работающий в прямом ходе, сменный анализатор, тубусную линзу и окуляр, отличающийся тем, что зеркальный светоделительный блок выполнен в виде не менее одной пары сменных зеркал, и при этом в каждой паре одно из зеркал глухое, а другое полупрозрачное, размеры которых не превышают размера центральной экранирующей части кольцевой диафрагмы осветительного канала, после зеркального светоделительного блока в ходе лучей отраженного света установлен канал для регистрации цифрового изображения, включающий адаптер и мозаичный фотоприемник, например матрицу типа ПЗС, между тубусной линзой визуального канала и окуляром установлена призма Пехана с возможностью вращения вокруг оптической оси, а фокусное расстояние f₁ адаптера канала регистрации цифрового изображения и фокусное расстояние тубусной линзы f₂ визуального канала находятся в соотношении f₁=f₂·Д₁/Д₂, где Д₁ - размер диагонали фотоприемника; Д₂ - диаметр полевой диафрагмы окуляра.

2. Микроскоп отраженного света по п.1, отличающийся тем, что источник света осветительного канала выполнен в виде светодиода.

3. Микроскоп отраженного света по п.1, отличающийся тем, что перед эпизеркалом установлена тороидальная линза и рассеиватель, например линзовый растр, эквивалентный фокус конического эпизеркала и тороидальной линзы совпадает с центром освещаемого поля, а эпизеркало выполнено с конической отражающей поверхностью.

4. Микроскоп отраженного света по п.1, отличающийся тем, что окуляр выполнен в виде окуляр-микрометра или в виде фотоэлектрического окуляр-микрометра.