Способ исследования рельефных и фазовых объектов и лазерный сканирующий микроскоп для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G02B21/00 

Изобретение относится к оптике, в частности к исследованию рельефных и фазовых объектов в лазерном сканирующем микроскопе, и может быть использовано в электронной и оптической технологии, ме- дицине, биологии, геологии и т.д.

Цель изобретения -уменьшение времени получения изображения.

На чертеже приведена схема лазерного сканирующего микроскопа для исследова- ния рельефных и фазовых объектов.

Устройство содержит источник 1 лазерного излучения, последовательно расположенные по ходу лазерного пучка акустооптическую. ячейку 2, устройство 3 развертки луча, светоделитель 4, линзу 5 и объект 6, а также генераторы 7 и 8 электрических сигналов, выходы которых соединены как с акустооптической ячейкой 2, так и с входом смесителя 9, расположенный по ходу отраженного от объекта луча фотоприемник 10, фазовый детектор 11, один вход которого соединен с выходом смесителя 9, второй -с выходом фотоприемника 10, а его выход - с входом видеоконтрольного уст- ройства 12.

Акустооптическая ячейка 2 выполнена в виде звукопровода, снабженного пьезопре- образователем, который подключен к генераторам 7 и 8 высокочастотных электрических сигналов. Ячейка работает в режиме дифракции Брэгга, обеспечивая отклонение светового луча на угол, пропорциональный частоте электрического сигнала.

Устройство развертки луча состоит из последовательно расположенных телескопической оптической системы 13, расширяющей световой пучок, двух акустооптических дефлекторов 14 и 15, выполненных аналогично выше указанной аку- стооптической ячейке 2 и расположенных во взаимно ортогональных плоскостях, и цилиндрической линзы 16, компенсирующей расходимость светового пучка, возникающую при быстрой строчной развертке, при этом акустооптические дефлекторы 14 и 15 подключены к блоку 17 управления, кото- оый представляет собой два генератора вы- высокочастотных электрических сигналов, управляемых. от телевизионного генератора строчной и кадровой разверток.

Устройство работает следующим образом.

Световой пучок от источника 1 лазерного излучения проходит через акустооптическую ячейку 2 и отклоняется на угол, пропорциональный частоте ультразвуковой волны, возбужденной в ячейке 2, Поскольку в этой ячейке возбуждаются две волны с частотами, определяемыми генераторами 7 и 8, на

выходе ячейки 2 формируются два световых пучка, угол между которыми определяют из условия Брэгга:

50 (A/Vi)Jf.(1)

где Я-длина волны света;

Vi - скорость звука в ячейке 2;

д f (f2 - f i) - разность частот генераторов 7 и 8. Одновременно происходит сдвиг частоты света в пучках соответственно на fi и f2. После прохождения этих световых пучков через телескопическую систему 13 угол между пучками уменьшается в соответствии с коэффициентом увеличения телескопа

& д в/К. Далее пучки последовательно проходят через акустооптические дефлекторы 14 и 15 и отклоняются в соответствии с законами строчной и кадровой разверток во взаимно ортогональных плоскостях на углы:

A00(A/V2)Afc,(2)

A0K(A/V2)AfK

где V2 - скорость звука в дефлекторах 14 и 15; Afc, Дтк - девиации частот высокочастотных генераторов строчной и кадровой разверток, входящих в состав блока 17 управления, и приобретают сдвиг частоты (fc + fK + fi) и (fc + TK +12) соответственно. При прохождении дефлектора, отклоняющего световой пучок по строкам, возникает дополнительная расходимость в одной плоскости, которую компенсируют цилиндрической линзой 16. После прохождения через светоделитель 4 пучки фокусируются объективом на объект 6 в два пятна, центры которых разнесены в пространстве на расстояние, равное их диаметру. Это расстояние определяет разность частот генераторов 7 и 8, которую определяют из формулы (1):

Однако, используя формулу (2), получаем

,

где N - число элементов разложения по строкам. Отсюда разность частот генераторов 7 и 8 определяется следующим образом:

«f-fe-f.-ЈЈAb

О)

Пара пятен движется по объекту синхронно по закону строчной и кадровой разверток. Отраженный от поверхности объекта свет, пройдя через объектив и светоделитель 4, регистрируют фотоприемником 10. Частота выходного сигнала фотоприемника 10, возникающего при оптическом смешении отраженных пучков, равна разности частот (f2 - fi). При отражении от рельефного или при прохождении

неоднородного фазового объекта в выходном сигнале фотоприемника 10 возникает сдвиг фаз Д, обусловленный разностью высот рельефа Ah, или разностью показателей преломления An объекта в точках, совпадающих с центрами сфокусированных пятен на исследуемой поверхности, и равный

A 4|nAh,

,(4)

где п - показатель преломления;

h - толщина объекта.

Этот сдвиг фаз выделяют фазовым детектором 11, для которого опорным сигналом является сигнал разностей частоты, поступающий с выхода смесителя 9, и подают на телевизионное видеоконтрольное устройство 12.

Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит акустическую ячейку, выполненную из РЬМоО, которая снабжена пьезопреобразователем, подключенным к генераторам 7 и 8 высокочастотных электрических сигналов с частотами fi 140 МГцит2 146 МГц.Телескопическая система 13 длиной 30 мм состоит из двух положительных линз и имеет коэффициент увеличения К 16. Двухкоординатный аку- стооптический дефлектор представляет собой две взаимно ортогональные ячейки, изготовленные из ТеОа, расстояние между которыми 20 мм. К дефлекторам подключены генераторы высокочастотных электрических сигналов с несущей частотой 140 МГц, которые управляются телевизионными генераторами строчной (fc 15,625 кГц) и кадровой (тк 50 Гц) разверток. Акустооптическая ячейка и дефлекторы выполнены в виде призм, что обеспечивает распространение дифрагированного луча по оптической оси и отклонение от оси основного луча.

Использование предлагаемого способа исследования рельефных и фазовых объектов в лазерном сканирующем микроскопе позволяет повысить скорость формирования изображения. Это достигается путем замены акустооптической ячейки, периодически отклоняющей световой пучок по поверхности объекта в пределах диаметра светового пятна, акустооптической ячейкой, одновременно формирующей два световых пучка, которые дают на поверхности объекта два пятна, центры которых разнесены в пространстве на расстояние, равное диаметру пятна.

Для реального значения частоты периодического отклонения светового луча акустооптической ячейки N

Тоткл 2 МГц при

forwi : -. где Тс - период строчной разверТс

ТКИ, ПУСТЬ Тоткл

10N

Тс

10 где N 500, тогда

1C

2500 мкс.

откл

0

5

0

5

5

0

5

Отсюда период кадровой развертки в известном устройстве составит ,5 с, а

0 в предлагаемом Тк 40 мс (стандартная телевизионная развертка), т.е. период развертки в предлагаемом -устройстве по сравнению с известным уменьшился, т.е. скорость формирования изображения уве5 личилась примерно в 50 раз.

Предлагаемый лазерный сканирующий микроскоп для исследования рельефных и фазовых объектов является дифференциальным фазовоконтрастным т.е. чувствитель- ным только к изменению разности фаз световых волн, и для оценки его чувствительности или разрешающей способности по глубине или изменению показателя преломления можно применить известную формулу:

л 64KW0AfF. .

Д Рмцнг,(р)

Т где W0 - частота световой волны;

Af- полоса частот видеосигнала;

Р - мощность лазера;

г - квантовая эффективность фотоприемника;

F - коэффициент шума.

При реально достижимых параметрах х; Af 6 МГц, F 2, Р 1 МВт, rj Q,8, Я 0,63 мкм фазовая чувствительность достигает - 0,5-10 рад, что соответствует разрешающей способности по глубине Q A h - 0,25 А и изменению показателя преломления An -2, (при h 1 мм). Эти величины сравнимы с соответствующими значениями известного устройства.

В тоже время предлагаемый микроскоп имеет достаточно высокую помехоустойчивость к различным изменениям, приводящим к сдвигу фаз в каждом из двух световых пучков, например изменению расстояния до объекта, неоднородности оптических элементов и т.д. Изменение фазы, обусловленное такими причинами, определяется выражением, следующим из формул:

A (5(nh),(6)

где A f f2 - fi, f - частота световой волны.- ,

В соответствии с этим выражением при минимальной фазовой чувствительности 0, рад область нечувствительf

ности по расстоянию составляет б h 0,4 см при п 1 и по показателю преломления d n 0,4 при h 1 см, таким образом при значениях п и h, которые меньше приведенных, изменение фазы фиксироваться не бу- дет, что свидетельствует о хорошей помехозащищенности предлагаемого устройства.

Применение предлагаемого способа исследования рельефных и фазовых объектов в лазерном сканирующем микроскопе позволяет по сравнению с известным увеличить скорость формирования изображения исследуемого объекта. Кроме того, предлагаемое устройство обладает достаточно вы- сокой помехоустойчивостью к различным изменениям, приводящим к сдвигу фаз в каждом из двух световых пучков. При этом разрешающая способность по глубине и изменению показателя преломления соответ- ствуетзначениям известных устройств.

Формула изобретения

Способ исследования рельефных и фазовых объектов в лазерном сканирующем микроскопе, заключающийся в том, что изображение объекта формируют путем сравнения фаз световых пучков, отраженных от поверхности объекта в двух точках, разнесенных на диаметр светового пятна, преоб- разования этой разности фаз в электрический сигнал с фазовой демодуляцией и модуляции электрическим сигналом соответствующей точки изображения, о т- личающийся тем, что, с целью умень-

шения времени получения изображения, лазерный пучок разделяют на два параксиальных пучка, каждый из которых одновременно сдвигают по частоте с различными значениями сдвига, синхронно развертывают их по поверхности объекта и оптически смешивают два отраженных от поверхности луча.

2. Лазерный сканирующий микроскоп для исследования рельефных и фазовых объектов, содержащий источник лазерного излучения, светоделитель, акустооптиче- скую ячейку, генераторы электрических сигналов, устройство развертки луча, объектив, фотоприемник и последовательно соединенные смеситель, фазовый детектор и видеоконтрольное устройство, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени получения изображения, акустооп- тическая ячейка, устройство развертки луча, светоделитель и объектив последовательно установлены по ходу лазерного луча, выходы генераторов электрических сигналов подключены к входу акустооптической ячейки и к смесителю, устройство развертки луча содержит блок управления, последовательно расположенные по ходу луча телескопическую оптическую систему, два акустооптических дефлектора, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях, и цилиндрическую линзу, причем два акустооптических дефлектора присоединены к блоку управления, а фотоприемник, расположенный вдоль оси отраженного от светоделителя луча, соединен с входом фазового детектора.

Изобретение относится к оптике, в частности к исследованию рельефных и фазовых объектов в лазерном сканирующем микроскопе, и может быть использовано в электронной и оптической технологии, медицине, биологии и т.д. Способ заключается в формировании изображения путем его 1J синхронного сканирования двумя световыми лучами, разнесенными в пространстве на диаметр пятна и сдвинутых по частоте с различными значениями сдвига. Отраженные пучки направляют на фотоприемник и получают сигнал, связанный с разностью фаз обоих пучков. Этим сигналом моделируется соответствующая точка изображения сканирующего объекта. Лазерный сканирующий микроскоп содержит источник 1 лазерного излучения, акустооптическую ячейку 2, устройство 3 развертки луча, светоделитель 4, объект 6, два генератора 7 и 8 электрических сигналов, смеситель 9, фазовый дектор 11. Акустооптическая ячейка 2 расщепляет лазерный луч4 на два луча, сдвинутых по частоте на два разных значения сдвига. Эти лучи разделяются также и по направлению. После отражения от объекта 6 оба луча попадают на фотоприемнйк, а сигнал с фотоприемника - на фазовый детектор. Благодаря большому значению сдвига по частоте возможно увеличить скорость сканирования и уменьшить время получения изображения. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. (Л С -ч 00 N О О о