Лазерный доплеровский микроскоп Советский патент 1984 года по МПК G01P3/36 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в экспериментальной физике и биологии для исследования двршения микрообъектов.

Известно устройство для определения скорости тока крови в сосудах допплеровским .способом, содержащее лазерный двухлучевой интерферометр, в Котором в качестве референтного пучка используется свет, рассеянный стенками стеклянного капилляра 1 .

Исследуемая среда (например, кровь) двигается внутри капилляра. Допплеровский сдвиг частоты определяется с помощью. анализатЪра спектра

Недостатком этого устройства яв пяется малая точность измерений изза присутствия в выходном сигнале низкочастотного пьедестала, понижающего отношение сигнал - шум.

Известно устройство для измерения скорости движения микрообъектов лазерный микроскоп, содержащий канал визуального наблюдения и измерительный канал, в котором последовательно размещены источник когерентного светового излучения, оптический формирователь зондирующего светового поля, микрообъектив, фильтр угловых спектральных компонент оптического сигнала, оптический рекомбинационный элемент-с взаимной фазовой инверсией каналов и двухканальное фотоприемное устройство, последовательно к которому подключены дифференциальный усилитель и электронный измеритель допплеровского сдвига частоты 2 J.

В предметной плоскости лазерного допплеровского микроскопа, выполненного по такой схеме, формируются два зондирующих ортогонально-поляризованных интерференционных поля, полосы в которых находятся в противофазе. Изображения этих интерференционных полей в свете, рассеянном движущимся микрообьектом, разделяются по поляризации и формируются на соответствующих фотоприемниках. Вследствие деполяризации рассеянного излучения сигнал каж,цого из каналов на выходе фотоприемного устройства содержит наряду с синфазным низкочастотным пьедесталом и противофазной интерференционной, компонентой синфазн то интерференционную компоненту. На выходе дифференциального усилителя синфазные низкочастотный пьедестал и интерференционная компонента подавляются. С усилением деполяризации происходит перекачка энергии из полезной противофазной компоненты в паразитную компоненту допплеровского сигнала, что ведет к уменьшению отношения сигнал - шум следовательно, к понижению точности измерений. Так как результирующий Допплеровский сдвиг частоты определяется произведением пространственной частоты зондирующего интерференционного поля на скорость движения микрообъекта, результат измерения зависит от геометрии освещающего лазерного пучка.

Цель изобретения - повьш1ение точности измерений .скорости движения за счет устранения влияния деполяризирующих факторов микрообъектов.

Цель достигается тем, что в извесном лазерном микроскопе, содержащем канал визуального наблюдения и измертельный канал, в котором последовательно размещен источник когерентного светового излучения, оптический формирователь зондирующего светового поля, микрообъектив, фильтр угловых спектральных компонент оптического си--;.ала, оптический рекомбинационный элемент с взаимной фазовой инверсией каналов и двухканальное фотопр.иемное устройство, последовательно к которому подключены дифференциальный усилитель и электронный измеритель допплеровского сдвига частоты, оптический рекомбинационный элемент с взаимной фазовой инверсией каналов выполнен в виде двух усеченных призм из материалов с разными показателями преломления, основания которых совмещены и ориентированы параллельно оптической оси, причем отражательные грани призм, наклонены в рабочей плоскости к основанию под углом, удовлетворяющим условиям: , Т 35° ,

,

Lil. «L

sin2f Ь .

где а и Ь- расстояния между-осями входных пучков и общим основанием;

п.., и показатели преломления; -у и - углы наклона отражательных граней к основанию,

при этом входная грань каждой из призм ортогональна оптической оси. а выходная грань составляет с основанием угол, равный 2 у- - и -у соответственно, На фиг. 1 показана схема устройства; на фиг. 2 - оптический рекомбинационный элемент с взаимной фазовой инверсией каналов. Микроскоп содержит канал визуаль ного наблюдения и измерительный канал. Канал визуального наблюдения состоит из микрообъектива 1, светоделительной призмы 2 и окуляра 3. Измерительнай канал содержит последовательно расположенные источник когерентного света (лазер) 4, оптический формирователь зондирующего светового поля, состоящий из поворотного зеркала 5 и объектива 6, микрообъектив 1, светоделительную призму 2, согласующий объектив 7, фильтр 8 угловых спектральных компонент оптического сигнала и двухканальный оптический рекомбинадионный элемент 9. Фильтр 8 установлен в плоскости Фурье, сопряженной с предметной плоскостью. На выходе рекомбинационного элемента 9 расположено двухканальное фотоприемное устройство, состоящее из фотоприемников 10 и 11, помещенных в плоскос тях, оптически сопряженных с предме ной плоскостью. К выходам фотоприем ников подключены дифференциальный усилитель 12 и электронный измеритель 13 допплеровского сдвига часто ты. Оптический рекомбинадионный элемент состоит из двух отражательны усеченных призм,- выполненных из материалов с отличающимися показателя ми преломления п и Основания призм совмещены и ориентированы параллельно оптической оси. Задние от ражательные грани призм наклонены в рабочей плоскости к общему основ нию под углом, удовлетворяют услови ям: Т4- Я - -IC1C ° ( 7/ 135 I п COS 2- 2 . а Ъ где а и b - расстояния между осями входных пучков и общим основанием призм. Входная грань каждой из при ортогональна оптической оси, а выходная грань составляет с основанием угол, равный разности удвоенного угла наклона отражательной грани к основанию и прямого угла. Устройство работает следующим образом. Луч лазера 4 зеркалом 5 и объективом 6 направляется в предметную плоскость микроскопа, где движется исследуемый микрообъект. Фильтр 8 выделяет две симметричные узкополосные угловые спектральные компоненты оптического сигнала от движущегося микрообъекта, поле которых можно описать вьфажением -j(uJo-fu)d )t е А р 1 ) -j(,i где А2 амплитуды поля; U)Q - частота излучения лазера; ijjd iKjJi y- допплеров-ские сдвиги частоты. (ч-Ч Wcf V k ..c), VK где V - вектор скорости микрообъекта-, -fcволновой вектор освещающего микрообъект лазерного пучка;Kg К волновые вектора выделенных и--Jo ф1-лътром угловых спектральных компонент. Вьщеленные фильтром световые пучки направляются в рекомбинадионный элемент 9 (фиг. 2). Геометрия и ориентадия рекомбинадионього элемента таковы, что точки на общем основании, в которых входные пучки преломляются, являются совмещенными. Рассмотрим геометрию рекомбинадионного элемента (фиг. 2). Из треугольников О/М N и получим для углов падения следующие соотношения: , 2-Ч-т Условия совмещения точек преломления первого и второго пучков следуют из рассмотрения треугольников откуда следует соотношекие (3), . 5 Найдем условие пространственног совмещения отраженных и преломленны в точке О пучков. Для этого углы 9 и 02 должны удовлетворять закону Преломления n2Sin е 9 . (7) После подстановки (6) и (7) пол чаем соотношение (2) П2С052 . Выходные грани ориентированы нор мально к выходным пучкам и наклонены к совмещенному основанию призм под углом 2 -j- у и - соответственно. Пусть вектор поля в I пучке направлен под углом 0, к плоскости падения, а вектор во II пучке - под углом . Тогда составляющие векторов поля, параллельные и перпендику лярные к плоскости падения, будут иметь вид: ,cosot, . e; e 5inoC . для первого пучка и -W . V... для второго. Результирующий сигнал на выходе дифференциального усилителя имеет вид: 2 .i-.VV/b{(-.;)A cos2ot -A cos2cfJ. l) : (5(1к 5 od cosot +t г Sinot sinotj )cosu)oli|, где f - коэффициент пропускания; С - коэффициент отражения для волны соответствующей поляризации. При Д Aj, d d ot получается полная компенсация низкочастотного пьедестала: , й 4(5Л(1Г||Г||С05 ; + jcosujc -t . W Поскольку tuci wc/ - ujcfj , TO учитывая (2), лолучаем: .d.v(.) Из (12) видно, что результирующй) разностньй допштеровский сдвиг частоты не зависит от геометрии падающего пучка. Следовательно, исследуемый движущийся микрообъект может освещаться лазерным пучком произвольной геометрии и под любым углом. Таким образом, предложенное устройство удовлетворяет поставленной цели, а реализация его отличается простотой и не требует дорогостоящей поляризационной оптики.

Фие. /

ЛАЗЕРНЬЙ ДОППЛЕРОВСКИЙ МИКРОСКОП, содержащий канал визуального наблюдения и измерительный канал, в котором последовательно размещены источник когерентного светового излучения, оптический формирователь зондирующего светового поля, микрообъектив, фильтр угловых спектральных компонент оптического сигнала, оптический рекомбинационный элемент с взаимной фазовой инверсией каналов и двухканальное фотоприемное устройство, последовательно к которому подключены дифференциальный усилитель и электронный измеритель допплеровского сдвига частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений скорости движения за счет устранения влияния деполяризующих факторов микрообъектов, оптический рекомбинационный элемент с взаимной фазовой инверсией каналов выполнен в виде двух усеченных призм из материалов с разными показателями преломления, основания которых совмещены и ориентированы параллельно оптической оси, причем отражательные грани наклонены в рабочей плоскости к основанию под i углом, удовлетворяющим условиям: -J- x135°, (Л П.,COS 2 , У М с Sin2 b где cf и Ъ - расстояния между осями входных пучков и общим 00 00 основанием; HT и Hj- показатели преломления го оо ю у и К - углы наклона отражательных граней к основанию, при этом выходная грань составляет 1чЭ с основанием угол, равный 2-у-- и ос Я 2j-2 соответственно.