Голографический микроскоп Советский патент 1987 года по МПК G02B21/18 

плоскости установки. Часть излучения монохроматического источника 1 света, направленная светоделителем 2 на исследуемый объект 5, преобразуется микрообъективом, 6 в сходящийся пучок, после зеркала 7 поступает на голограмму 11; Туда же направляется и часть излучения, вьппедшая из оптических элементов 8 - 10 в виде расходящегося пучка. Образованная взаимодей1

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано при исследовании фазовых микрообъектов преимущественно в биологии и медицине для изучения клеток крови, микрососудов и т.д.

Цель изобретения - повьшение точности, измерений и расширение функциональных возможностей голографичес- кого микроскопа.

На чертеже изображена оптическая схема голографического микроскопа.

Голографический микроскоп содержит Iмонохроматический источник 1 света, светоделитель 2, объектную ветвь, включающую предметное 3 и покровное 4 сТекла с расположенным между ними исследуеьпзМ объектом 5, микрообъектив 6 и Поворотное зеркало 7, опорную ветвьу включающую оптические элемен- ты 8 - 10, голограмму 11, размещенную на пересечении объектной и опорной ветвей, и приемную систему 12. Микрообъектив 6 выполнен в виде рельефно-фазовой- осевой голограммной линзы, нанесенной на заднюю поверхность покровного стекла 4, установленного с возможностью линейных перемещений в плоскости установки. Положения колец рельефно-фазовой структуры голо- граммной линзы (микрообъектива) 6, состоящей из двух зон - круговой и кольцевой, смещенных по фазе на /2 относительно друг друга, определяется соотношением

п ( + У L2 + J) т -L - (m+k), (1)

ствием волн обоих пучков интерференционная картина регистрируется приемной системой 12. Перемещением поворотного зеркала 7 по поверхности эллипсоида в направлении смещения пок ровного стекла 4 достигается изменение угла падения пучка лучей на голограмму 11 без изменения длины его пути и смещения в плоскости голограммы. 1 ил.

где п и d - показатель преломления и толщина покровного стекла 4 соответственно;

L - расстояние от задней поверхности покровного стекла 4 до голограммы 11;

радиус т-го кольца голограммной линзы (микро- объектива) 6;

Л - длина волны источника 1 света;

1/4 при Якр

при

р - радиус круговой зоны голограммной линзы 6; - Световой диаметр голо

граммной линзы.

Поворотное зеркало 7 установлено за микрообъективом 6 с возможность поворота вокруг оси, совмещенной с отражающей поверхностью зеркала и установленной, в свою очередь, с возможностью перемещения по эллиптической направляющей, один фокус которой совмещен с точкой пересечения нормали к задней поверхности покровного стекла 4, опущенной от центра светоделителя 2, с данной поверхностью, а другой - с центром голограммы 11. Эллиптическая направляющая установле на с возможностью поворота вокруг большой полуоси эллипса, а само зеркало 7 ориентировано по касательной к эллипсоиду вращения с указанными фокусами.

Голографический микроскоп работает следующим образом.

Излучение монохроматического источника 1 света направляется на светоделитель 2, после которого образу- ются два пучка: отраженный объектный и прямо прошедший опорный. Объектный пучок, пройдя через предметное стекло 3, просвечивает исследуемый объект 5, расположенньй практически на пе- /о редней поверхности покровного стекла 4, проходит через него и преобразуется в сходящийся рельефно-фазовой голограммной линзой (микрообъективом)

6. Зеркалп 7 направляет преобразован-f5 терференционных полос, ухудшающая

ныи расходящийся пучок на голограмму 11. Опорный пучок, прошедший через светоделитель 2, оптическими элементами 8-10 преобразуется в расходящийся и также направляется на голограмму 11. Приемной системой 12 регистрируется интерференционная картина, образованная взаимодействием волны, восстановленной голограммой 11

при освещении опорной волной с объект- 25 ем, при визуализации малых полей

обеспечивает повьшгение точности интерференционных измерений.

Установка покровного стекла 4 с возможностью линейных перемещений в

установки, а поворотного зеркала 7 объектной ветви - по касательной к поверхности вьш1еуказанного эллипсоида вращения с возможностью перемещения по ней в любых направле- и перемещение кинематически свяной волной, прошедшей через объект. При использовании прибора в режиме голографи ческого интерференционного микроскопа покровное стекло 4 линейно смещается таким образом, чтобы пу-зо плоскости чок, прошедший через объект 5 и покровное стекло 4, оказался на голограммной линзе (микрообъектива) 6 в кольцевой зоне. В этом случае работает внеосевая часть голограммной лин- , ниях зы, поэтому обеспечивается простран- занных покровного стекла и поворотно- ственная фильтрация всех нерабочих го зеркала в совпадающих направлениях пучков от объектного.обеспечивают возможность перестройки

микроскопа в широком диапазоне частот

Поскольку голограммная линза (микро-40 и направлений интерференционньпс по- объектив) 6 нанесена на заднюю поверх- ,. лос без смещения объектного пучка в ность покровного стекла 4,то удается л плоскости голограммы 11. Действитель- существенно уменьшить апертуру пучков А но, благодаря линейным перемещениям дифрагированных на объекте 5. Лучи, покровного стекла 4 вдоль радиуса го- прошедшие через покровное стекло, не 5 лограммной линзы (микрообъектива) 6

относительно его положения при записи голограммы 11 происходит перестройка частоты интерференционных по-о лос. Любое другое направление переме- 50 щения изменяет еще и ориентацию полос. -При этом объектный пучок, направленный на поворотное зеркало 7, изменяет свое направление и угол. Перемещая поворотное зеркало по поверхности эллипсоида в том же направлепретерпевают отклонений от оптической оси при переходе через границу стекло - воздух, как это происходит при использовании классических сухих микрообъективов. Выполнение

рельефно-фазовой структуры голограммной линзы (микрообъектива) 6 в соответствии с соотношением (1) обеспечивает полную компенсацию сферической аберрации покровного стекла 4. При 55

этом для точки на оси достигается дифракционный предел разрешения, т.е. для малого, поля визуализации голо- граммный микрообъектив является безаберрационным. Предлагаемое распределение по поверхности покровного стекла 4 рельефно-фазовой структуры голограммной линзы (микрообъектива) 6 обеспечивает сдвиг по фазе на 7Г/2 центральной круговой зоны относительно кольцевой. Поскольку голограммная линза вместе с покровным стеклом образует фактически одну компоненту, то на ней, в отличие от многокомпонентных классических объективов, практически отсутствуют переотражен- ные пучки, при взаимодействии которых образуется произвольная структура инкачество получаемых картин (уменьшается контраст полос настройки, появляется их рваность).

Таким образом, выполнение микра- объектива голографического микроскопа в виде рельефно-фазовой осевой голограммной линзы, нанесенной на заднюю поверхность покровного стекла в соответствии с вышеуказанным соотношениобеспечивает повьшгение точности интерференционных измерений.

Установка покровного стекла 4 с возможностью линейных перемещений в

установки, а поворотного зеркала 7 объектной ветви - по касательной к поверхности вьш1еуказанного эллипсоида вращения с возможностью перемещения по ней в любых направле- и перемещение кинематически свяплоскостиниях занных покровного стекла и поворотно- го зеркала в совпадающих направлениях обеспечивают возможность перестройки

нии, что и покровное стекло, и одновременно с ним, удается (без изменения длины пути и смещения пучка в плоскости голограммы 11) изменить

513

угол его падения на голограмму. Этот факт следует из свойств эллипсоида вращения. Изменение ориентации объектного пучка относительно голограммы без изменения длины его пути и без емещения его в плоскости голограммы гарантирует высокий контраст интерференционных полос даже при условии невысокой монохроматичности и пространственной когерентности источника излучения, идентичность формы поверхностей интерферирующих волн, обеспечивающую получение неискаженных аберрациями интерференционных картин, и как следствие, существенно более высокую точность интерференционных измерений по сравнению с прототипом.

Другим преимуществом предлагаемого голографического микроскопа является его более широкие функциональные возможности. Так, выполнение голо- граммной линзы (микрообъектива) 6 в соответствии с вышеуказанным соотношением, обеспечивает совмещение в ней двух функций: фокусирующей и фа- зово-сдвигающей. Действительно, совместив ось голограммы 11 с главным лучом падающего на нее объектного пучка можно добиться того, что лучи, прошедшие через объект 5 без дифракции, преобразуются центральной зоной голограммной линзы (микрообъективом) 6, а дифрагированные объектом лучи пройдут через ее кольцевую зону и будут отставать по фазе от лучей нулевого порядка на /2. При этом режиме использования голограммной линзы (микрообъектива) 6 и при выведенной из оптической системы голограмме 11 в плоскости регистрации приемной системы 12 будет наблюдаться фазово-кон трастная картина визуализации, в которой обнаруживаются объекты, незаметные на интерференционной картине ввиду ее недостаточно высокой чувствительности. Таким образом, без введения в микроскоп дрполнительной фа- зовосдвигающей пластины, а только ли- нейным смещением покровного с текла 4 и голограммы 11 удается реализоват метод фазового контраста. Если на фазовую структуру голограммы в какой- либо внеосевой части нанесен непрозрачный экран в виде круга, то смещением голограммы, при котором пучок нулевого Направления окажется перекрытым непрозрачным экраном, можно добиться нacтpoйkи прибора на режим

6

емного поля, также расширяющийся ункциональные возможности микроскоа,

ормула изобретения

Голографический микроскоп, содержащий монохроматический источник света, светоделитель, объектную ветвь,

включающую предметное и покровное стекла, микрообъектив и поворотное зеркало, опорную ветвь, голограмму, . размещенную на пересечении объектной и опорной ветви, и приемную систему,

отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности измерений и расширения функциональных возможностей микроскопа, микрообъектив выполнен в виде рельефно-фазовой осевой

голограммной линзы, нанесенной на

заднюю поверхность покровного стекла, установленного Q возможностью линейных перемещений в плоскости установки, причем положение колец рельефнофазовой структуры голограммной линзы, состоящей из двух зон - круговой и кольцевой, смещенных по фазе на 7F/2 относительно друг друга, определяется соотношением

п ( -d)+VL2+p 2 L

Л(m+K);

где n и d - показатель преломления

и толщина покровного стекла соответственно; L - расстояние от задней поверхности покровного стекла до голограммы;:

р - радиус т-го кольца голограммной линзы; Д - длина волны;

45

К

1/4 при О ,.p при р.,

f - радиус круговой зоны голограммной линзы; световой диаметр этой линзы, поворотное зеркало объектной ветви установлено за микрообъективом с воз- можностью поворота вокруг оси, совмещенной с отражающей поверхностью зеркала и установленной в свою очередь, с возможностью перемещения по эллиптической направляющей, один фо7 13142958

кус которой совмещен с точкой пере-установлена с возможностью поворота

сечения нормали к задней поверхностивокруг большой полуоси эллипса, а

покровного стекла, опущенной из цент-;самоповоротное зеркало ориентирора светоделителя с данной поверх-вано по касательной к зллипсоиностью, а другой - с центром голо- ДУ вращения с указанными фокуграммы, эллиптическая направляющаясами.

Изобретение может быть использовано при исследовании фазовых микрообъектов преимущественно в биологии и медицине для изучения клеток крови, микрососудов и т.д. Цель изобретения- повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей микроскопа. В устройстве микрообъектив 6 выполнен в виде рельефнофазо- вой осевой голограммной линзы, нанесенной на заднюю поверхность покровного стекла 4, установленного с возможностью линейных перемещений в (Л с со 4ik ю со СП