Лазерный доплеровский микроскоп

,ЯО 882322 1 Р 3/36 НИ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ де и этомоснован 2-с ятветственно ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(72) Ю.Н. Дубнищев и В.А. Павлов (71) Институт автоматики и электрометрии СО АН СССР(54)(57) ЛАЗЕРНЫИ ДОППЛЕРОВСКИЙ МИКРОСКОП, содержащий канал визуального наблюдения и измерительный ка. - нал, в котором последовательно размещены источник когерентного светового излучения, оптический формирова= тель 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 допв плеровского сдвига частоты, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повьппения точности измерений скорости движения за счет устранения влияния деполяризующих факторов микро- объектов, 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, приъ чем отражательные грани наклонены в рабочей плоскости к основанию под углом, удовлетворяющим условиям:.уо 2 Эа51 п 2 Ь ы и Ь - расстояния между осямивходных пучков и общимоснованием;и и - показатели преломлениямиу и- углы наклона отражатель-ных граней к основанию,выходная грань составляетием угол, равный 2 у -- " и250 1 88Изобретение относится к области.измерительной техники и может бытьиспользовано в экспериментальной физике и биологии для исследованиядвижения микрообъектов.Известно устройство для определения скорости тока крови в сосудахдопплеровским .способом, содержащеелазерный двухлучевой интерферометр,в котором в качестве референтногопучка используется свет, рассеянныйстенками стеклянного капилляра 1 3.Исследуемая среда (например,кровь) двигается внутри капилляра,Цопплеровский сдвиг частоты определяется с помощью анализатора спектра,Недостатком этого устройства являяется малая точность измерений изза присутствия в выходном сигналенизкочастотного пьедестала, понижающего отношение сигнал - шум,Известно устройство для измеренияскорости движения микрообъектовлазерный микроскоп, содержащий каналвизуального наблюдения и измерительный канал, в котором последовательно размещены источник когерентногосветового излучения, оптический Формирователь зондирующего световогополя, микрообъектив, Фильтр угловыхспектральных компонент оптическогосигнала, оптический рекомбинационныйэлемент с взаимной фазовой инверсиейканалов и двухканальное фотоприемноеустройство, последовательно к которому подключены дифференциальный усилитель и электронный измеритель допплеровского сдвига частоты 2 .В предметной плоскости лазерногодопплеровского микроскопа, выполненного по такой схеме, формируютсядва зондирующих ортогонально-поляризованных интерференционных поля,полосы в которых находятся в противофазе, Изображения этих интерференционных полей в свете, рассеянномдвижущимся микрообъектом, разделяются по поляризации и Формируются насоответствующих фотоприемниках,Вследствие деполяризации рассеянного излучения сигнал каждого из каналов на выходе фотоприемного устройства содержит наряду с синфазным низкочастотным пьедесталом и противофазной интерференционной, компонентойсинфазную интерференционную компоненту. На выходе дифференциальногоусилителя синфазные низкочастотныйпьедестал и интерференционная ком 2322 1понента подавляются, С усилениемдеполяризации происходит перекачкаэнергии из полезной противофазнойкомпоненты в паразитную компонентудопплеровского сигнала, что ведет 5к уменьшению отношения сигнал - шум и,следовательно, к понижению точностиизмерений. Так как результирующийдопплеровский сдвиг частоты определяется произведением пространственнойчастоты зондирующего интерференционного поля на скорость движения микро"объекта, результат измерения зависитот геометрии освещающего лазерногопучка еЦель изобретения - повышение точности измерений .скорости движенияза счет устранения влияния деполяри -зирующих Факторов микрообъектов.Цель достигается тем, что в известном лазерном микроскопе, содержащемканал визуа.ьного наблюдения и измерительный канал, в котором последовательно размещен источник когерентного светового излучения, оптическийформирователь зондирующего световогополя, микрообъектив, фильтр угловыхспектральных компонент оптическогоси-ала, оптический рекомбинационный 30элемент с взаимной Фазовой инверсиейканалов и двухканальное фотоприемноеустройство, последовательно к которому подключены дифференциальныйусилитель и электронный измерительдопплеровского сдвига частоты, оптический рекомбинационный элемент свзаимной фазовой инверсией каналоввыполнен в виде двух усеченных призмиз материалов с разными показателями преломления, основания которыхсовмещены и ориентированы параллельно оптической оси, причем отражательные грани призм. наклонены в рабочейплоскости к основанию под углом,удовлетворяющим условиям:у+ )1355 2 у:"25 2510 2 у51 2 Ьгде в и Ь - расстояния между осямивходных пучков и общимоснованием;п 1 и п 2 показатели преломленияу и- углы наклона отражательных граней .: основанию,при этом входная грань каждой изпризм ортогональна оптической оси,3 а выходная грань составляет Л ванием угол, равный 2 у --88232 с оснои 2- -7 2 соответственно,На фиг. 1 показана схема устрой 5ства; на фиг. 2 - оптический рекомбинационный элемент с взаимной фазовой инверсией каналов,Микроскоп содержит канал визуального наблюдения и измерительный ка 1 Онал. Канал визуального наблюдениясостоит из микрообъектива 1, светоделительной призмы 2 и окуляра 3,Измерительнай канал содержит последовательно расположенные источник15когерентного света (лазер) 4, оптический формирователь зондирующегосветового поля, состоящий из поворотного зеркала 5 и объектива б,микрообъектив 1, светоделительную20призму 2, согласующий объектив 7,фильтр 8 угловых спектральных компонент оптического сигнала и двухканальный оптический рекомбинационный элемент 9, Фильтр 8 установлен25в плоскости Фурье, сопряженной спредметной плоскостью, На выходерекомбинационного элемента 9 расположено двухканальное фотоприемноеустройство, состоящее из фотоприемников 10 и 11, помещенных в плоскос 30тях, оптически сопряженных с предметной плоскостью. К выходам фотоприемников подключены дифференциальныиусилитель 12 и электронный измеритель 13 допплеровского сдвига часто ям: У+ 3 135(2 50 п со 5 2 З =и соз 2 Р51 п 2 Эв 2 Ь где д и Ь - расстояния между осями 55входных пучков и общим основаниемпризм, Входная грань каждой из призмортогональна оптической оси, а выты,Оптический рекомбинационный элемент состоит из двух отражательных усеченных призм; выполненных из материалов с отличающимися показателя- ф ми преломления п 1 и и 2, Основания призм совмещены и ориентированы параллельно оптической оси, Задние отражательные грани призм наклонены в рабочей плоскости к общему основанию под углом, удовлетворяют услови 2 4ходная 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 микро- объекта, поле которых можно описать выражением где Яи 42 - амплитуды поля;ы, - частота излучения лазера;ыд иод - допплеровские сдвигичастоты,Ис 1 =/ К - К, 1.1 с -/ К - К52 1/ 1где Ч - вектор скорости микрообьекта;К. - волновой вектор освещающегомикрообъект лазерного пучка;и К - волйовые вектора выделенныхфильтром угловых спектральных компонент.Выделенные фильтром световые пучки направляются в рекомбинационныйэлемент 9 (фиг. 2). Геометрия и ориентация рекомбинационного элемента таковы, что точки на общем основании,в которых входные пучки преломляются,являются совмещенными,Рассмотрим геометрию рекомбинационного элемента (фиг. 2),Из треугольников О/Ч, йи ОМ 2 Мгполучим для углов падения В и Огследующие соотношения;0 =2 т --1 О(ь)л92= 21- -2Условия совмещения точек преломления первого и второго пучков следуют из рассмотрения треугольников Ой Р и ОМ 2 Р . откуда следует соотношение (3),882322 Выходные грани мально к выходным ны к совмещенному под углом 2 ) - -Л 2;совмещения отраженных и преломленныхв точке О пучков, Для этого углы В 1и 92 должны удовлетворять законупреломления 5 п 251 п 9 - и 51 п 8 . (7) 2 1 1 После подстановки (6) и (7) получаем соотношение (2)Оп соэ 2 у = и со 5 2ственно.Пусть вектор поля в 1 пучке направлен под углом с, к плоскости падения, а вектор во 11 пучке - под углом Ы, Тогда составляющие векторов поля, параллельные и перпендикулярные к плоскости падения, будут иметь вид:Е =Е СОБСС1 1 1(1)Е = Е 51 П 0 Сдля первого пучка и(ц2 2для второго.Результирующий сигнал на выходедифференциального усилителя имеетвид: й 1=1 -1 =/3- иА с 05 с( -А с 05 с(г г 1 Гг г г гг 1 1 Н 1 г л ап ч -д нл)+ФА Йг 2112,2 2.21) 1 1 г гХ 1 С Г С 050 С С 0501 +С Г 51 ПСС 51 ПС( С 010 йки Н 1 2 11 1 г/11 где ч - коэффициент пропускания;- коэффициент отражения дляволны соответствующей поляризации,При 41= А 2, с = с = с- получается полная компенсация низкочастотного пьедестала д 1= 4 А ь Г сОз 0+ т Г 51 п с с 05 Оз Ю г/ 2 . 2Н 0 Поскольку %се= Озс 1 - МОгто учитывая (2), получаем; а:ч(к -к,1-чк -к.1чк -к(12) Из (12) видно, что результирующий разностный допплеровский сдвиг частоты не завМсит от геометрии падаютго 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,882322 едактор Л, Письм тор хред С.Мигунова аказ 9205 2 Тираж 822НИИПИ Государственного комитета по делам изобретений и открыти 035, Москва, й, Раушская наб Подписное ССР д. 4/ Филиал П Патент", г. Ужгород, ул, Проектна