МИКРОСКОП ПРОХОДЯЩЕГО И ОТРАЖЕННОГО СВЕТА
TRANSMITTED AND REFLECTED LIGHT MICROSCOPE

Изобретение относится к оптике, а точнее к исследовательским микроскопам.
Известны микроскопы с аналогичной оптической системой, среди которых выделены отечественные микроскопы МБИ 11, МБИ 15, Люмам Р8, Люмам РПО11 и зарубежные аналоги Eclipse 90i, Eclipse 80i, (Япония, Nikon) [1], Axioskop 2 plus, Axioskop 2 MOT plus и Axioskop 2 FS MOT plus (Германия K.Zeiss), BX41 и ВХ51 (Япония, Olympus).
Недостатком всех описанных микроскопов является то, что визуальный канал и фототелеканал совмещены, т.е. работают с одной и той же тубусной линзой, что приводит к необходимости введения дополнительного оптического компонента - адаптера или же работать в фототелеканале с полем зрения, меньшим полем зрения визуального канала, что может сопровождаться артефактами в изображении объекта - муар и дискретность изображения.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является микроскоп проходящего и отраженного света МБИ 11 [2]. Известный микроскоп проходящего и отраженного света содержит два осветительных канала, расположенных по разные стороны предметного стола.
Осветительные каналы включают в себя коллектор, блок сменных светофильтров, вспомогательную оптическую систему для обеспечения освещения, сменные кольцевую диафрагму темного поля и диафрагму светлого поля и конденсоры для темнопольного и светлопольного освещения объекта, при этом осветительный канал отраженного света построен по схеме опак-иллюминатора, конденсор которого выполнен в виде сменного эпиобъектива, состоящего из микрообъектива и эпизеркала.
Источником света для обоих осветительных каналов служит лампа накаливания.
Зеркальный светоделительный блок установлен перед эпиобъективом.
Визуальный канал содержит тот же эпиобъектив, работающий в прямом ходе, тубусную линзу и окулярную призменную насадку.
При исследовании объектов в проходящем свете нить лампы накаливания коллектором проецируется в плоскость апертурной ирисовой диафрагмы конденсора. Конденсор и микрообъектив переносят изображения апертурной диафрагмы в плоскость выходного зрачка микрообъектива. В связи с тем, что апертурная диафрагма находится в передней фокальной плоскости конденсора, объект освещается параллельным пучком лучей. Ирисовая полевая диафрагма проецируется конденсором в плоскость объектов. Микрообъектив и дополнительная ахроматическая линза переносят изображение объекта в плоскость изображений, а затем сменный объектив окулярной насадки переносит изображение в передние фокальные плоскости окуляров. Для разведения лучей в окуляры используются блоки призм. Длина тубуса микроскопа 190 мм, а микрообъективы проходящего света рассчитаны на длину тубуса 160 мм и поэтому для сохранения коррекции системы в ход лучей вводится дополнительная ахроматическая линза. Она имеет отрицательную оптическую силу, несколько разводит пучки лучей и изображение отроится в той же плоскости, в которой его построил бы микрообъектив, рассчитанный на длину тубуса 190 мм. Дополнительная ахроматическая линза повышает общее увеличение системы в 1,2 раза. При работе в проходящем свете и темное поле вместо светлопольного конденсора ОИ-14 устанавливается конденсор темного поля (ОИ-13). При исследовании объектов в отраженном свете в светлом поле в ход лучей включаются дополнительное зеркало и полупрозрачное зеркало. В этом случае коллектор и дополнительная линза проецируют источник света в плоскость ирисовой апертурной диафрагмы, которая вспомогательной осветительной системой проецируется в выходной зрачок эпиобъектива. При этом дополнительная линза должна быть выведена из хода лучей, так как эпиобъективы рассчитаны на длину тубуса 190 мм. Полевая диафрагма линзами, полупрозрачным зеркалом и микрообъективом проецируется в плоскость объекта. Свет, отразившийся от объекта, проходит микрообъектив, полупрозрачное зеркало и попадает в бинокулярную насадку. Для получения темного поля в отраженном свете вместо полупрозрачного зеркала в ход лучей вводится кольцевое зеркало и непрозрачная диафрагма. После диафрагмы этот пучок имеет вид полого цилиндра. Пучок отражается от кольцевого зеркала и направляется на кольцевое параболическое зеркало эпиобъектива, которое в данном случае выступает в качестве конденсора и освещает объект наблюдения. Апертура такого конденсора заведомо больше апертуры объектива и зеркально отразившиеся от объекта лучи попадают в объектив. Поле будет темным. Попадут в объектив и будут участвовать в построении изображения только те лучи, которые изменили свое первоначальное направление на микронеровностях объекта. Такие детали будут видны светлыми. При исследовании небольших полупрозрачных и непрозрачных объектов (мелких насекомых, зерен, кристаллов и т.п.) с помощью объективов небольших увеличений применяется смешанное освещение, т.е. освещение в проходящем и в отраженном свете одновременно. Для этих целей в ход лучей вводится полупрозрачная пластинка, которая разделяет пучок лучей, идущий от источника на два канала. При необходимости в ход лучей могут быть введены светофильтры, гнезда для которых предусмотрены сразу за коллектором.
Отличие оптических схем зарубежных аналогов в основном заключается в том, что в ветвях отраженного и проходящего света установлен свой источник света, а у микроскопа МБИ 11 - он общий для указанных ветвей.
х
Основным недостатком оптических систем всех перечисленных микроскопов является то, что при работе с микрообъективами с увеличением до 40 могут проявляться следы светящегося тела источника света, несмотря на то, что используется метод освещения по Келеру, когда тело источника света проецируется во входной зрачок конденсора, но за счет большого продольного увеличения оптической системы условия освещения по Келеру выполняются формально, так как изображение светящегося тела вытягивается вдоль оптической оси на десятки и более миллиметров. А при темнопольном освещении вообще используется критический метод освещения, когда светящееся тело проецируется на поверхность объекта.
Организация в этих микроскопах темнопольного освещения при работе в отраженном свете приводит к необходимости введения в светоделительный блок оптической системы, реализующей освещение по схеме опак-иллюминатора, помимо полупрозрачного зеркала кольцевое диагональное зеркало, являющееся источником рассеянного света, который существенно портит качество темнопольного освещения и снижает контраст изображения при светлопольном освещении.
К недостаткам известного микроскопа можно отнести то, что даже при режиме упрощенной поляризации проявляется явление ложного двойного лучепреломления, а последнее приводит к неполному гашению света при скрещенных поляризаторе и анализаторе.
х
Использование параболического зеркала для объективов с увеличением менее 40 не эффективно из-за наличия аберрации и комы у эпизеркала [3].
Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение качества изображения объекта за счет улучшения освещения в темном и светлом полях, повышение контраста изображения, повышение качества изображения и в поляризованном свете и расширение функциональных возможностей.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого микроскопа проходящего и отраженного света, который, как и прототип, содержит два осветительных канала, расположенных по разные стороны предметного стола, включающих в себя свои источник света, коллектор, блок сменных светофильтров, вспомогательную оптическую систему для обеспечения освещения, сменные кольцевую диафрагму темного поля и диафрагму светлого поля и конденсор с кольцевой диафрагмой для темнопольного освещения объекта и конденсор для светлопольного освещения объекта, при этом осветительный канал отраженного света построен по схеме опак-иллюминатора, конденсор которого выполнен в виде сменного эпиобъектива, состоящего из микрообъектива и эпизеркала, зеркальный светоделительный блок, установленный перед эпиобъективом и визуальный канал, содержащий тот же эпиобъектив, работающий в прямом ходе, тубусную линзу и окулярную призменную насадку.
экв.
т
экв.
т
1
2
1
2
В отличие от прототипа микроскоп дополнен каналом для цифровой регистрации изображения объекта, выполненным в виде адаптера, и матричным фотоприемником, а перед блоком сменных диафрагм в обоих осветительных каналах установлен линзовый растр, при этом в осветительном канале отраженного света световой диаметр растра не превышает размера сменной диафрагмы светлого поля, при этом вспомогательная оптическая система выполнена в виде телескопической системы Кеплера с материальной полевой диафрагмой, оптически сопряженной с плоскостью объекта, с полевыми диафрагмами окуляров и плоскостью матричного фотоприемника, а зеркальный светоделительный блок выполнен в виде пары зеркал, одно из которых глухое, а второе светоделительное, размеры которых не превышают размера центральной экранирующей части кольцевой диафрагмы осветительного канала, при этом эквивалентное фокусное расстояние f тубусной линзы визуального канала и адаптера и фокусное расстояние тубусной линзы f визуального канала находятся в соотношении f=f×Д/Д, где Д и Дсоответственно размеры матричного фотоприемника, например диагональ ПЗС матрицы и диаметр полевой диафрагмы окуляра.
Кроме того, в зеркальном светоделительном блоке светоделительное зеркало выполнено полупрозрачным.
Источник света в обоих осветительных каналах выполнен в виде светодиодного источника, содержащего не менее одного светодиода.
В осветительном канале отраженного света источник света выполнен в виде дуговой лампы, например ртутной или ксеноновой, перед сменным зеркальным светоделительным блоком со светоделительным зеркалом и после него установлены сменные светофильтры, при этом произведение коэффициентов пропускания указанных светофильтров и светоделительного зеркала стремится к нулю, область пропускания светоделительного зеркала совпадает с областью пропускания первого по ходу лучей светофильтра, а область отражения совпадает с областью пропускания второго светофильтра.
В осветительном канале отраженного света после вспомогательной оптической системы перед зеркальным светоделительным блоком установлен поляризатор, а после зеркального светоделительного блока перед эпиобъективом установлено сменное устройство дифференциально-интерференционного контраста, например призма Номарского.
В осветительном канале проходящего света после вспомогательной оптической системы установлены поляризатор и призма Волланстона.
В обоих осветительных каналах установлены поляризаторы, а на выходе из зеркального светоделительного блока по ходу луча перед тубусной линзой визуального канала установлен анализатор с возможностью вращения вокруг оптической оси.
В обоих осветительных каналах установлены поляризаторы, а на выходе из зеркального светоделительного блока по ходу луча перед тубусной линзой визуального канала установлен анализатор с возможностью вращения вокруг оптической оси, а после поляризатора в каждом из осветительных каналов и перед анализатором установлены четвертьволновые фазовые пластинки, быстрые оси которых взаимно перпендикулярны и при скрещенных поляризаторе и анализаторе составляют угол 45° с указанными быстрыми осями.
Линзовые растры имеют хаотическую упаковку линзовых элементов.
Эпизеркало имеет коническую отражающую поверхность, перед эпизеркалом установлена тороидальная линза и рассеиватель, например линзовый растр, а эквивалентный фокус конического эпизеркала и тороидальной линзы совпадает с центром освещаемого поля.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том что, благодаря тому, что зеркальный светоделительный блок выполнен в виде пары зеркал, одно из которых глухое, а второе светоделительное, размеры которых не превышают размера центральной экранирующей части кольцевой диафрагмы осветительного канала, исключается появление рассеянного света и бликов, что улучшает качество освещения в темном и светлом полях и повышает контраст изображения.
А размещение в обоих осветительных каналах поляризаторов, а на выходе из зеркального светоделительного блока по ходу луча перед тубусной линзой визуального канала - анализатора с возможностью вращения вокруг оптической оси, а после поляризатора в каждом из осветительных каналов и перед анализатором размещение четвертьволновых фазовых пластинок, быстрые оси которых взаимно перпендикулярны и при скрещенных поляризаторе и анализаторе составляют угол 45° с указанными быстрыми осями, позволяет улучшить качество изображения в поляризованном свете и расширить функциональные возможности микроскопа.
Таким образом, технический результат, заключающийся в повышении качества изображения объекта за счет улучшения освещения в темном и светлом полях, повышении контраста изображения, повышении качества изображения и в поляризованном свете, в предлагаемом устройстве достигнут, а совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленную задачу.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 приведена принципиальная схема работы микроскопа в проходящем и отраженном свете при освещении объекта по методу светлого поля;
на фиг.2 представлена принципиальная схема работы микроскопа в проходящем и отраженном свете при освещении объекта по методу темного поля.
Микроскоп проходящего и отраженного света содержит два осветительных канала, расположенных по разные стороны предметного стола, включающих в себя свои источник света 1, коллектор 2, блок сменных светофильтров 3, вспомогательную оптическую систему для обеспечения освещения 4 и 5, сменные кольцевую диафрагму темного поля 6 и диафрагму светлого поля 7 и конденсоры для темнопольного 8 и светлопольного 9 освещения объекта 10.
Осветительный канал отраженного света построен по схеме опак-иллюминатора, конденсор которого выполнен в виде сменного эпиобъектива 11, состоящего из микрообъектива 12 и эпизеркала 13, или в виде микрообъектива 12, зеркальный светоделительный блок 14, 15, установленный перед эпиобъективом 11 или микрообъективом 12, и визуальный канал, содержащий тот же эпиобъектив 11 или микрообъектив 12, работающий в прямом ходе, тубусную линзу 16 и бинокулярную насадку 17.
экв.
т
экв.
т
1
2
1
2
Микроскоп дополнен каналом для цифровой регистрации изображения объекта, выполненным в виде адаптера 18, и матричным фотоприемником 19, а перед блоком сменных диафрагм 6 и 7 в осветительных каналах установлен сменный линзовый растр 20, при этом в осветительном канале отраженного света световой диаметр растра 20 не превышает размера сменной диафрагмы светлого поля 7, при этом вспомогательная оптическая система 4, 5 выполнена в виде телескопической системы Кеплера с материальной полевой диафрагмой 21, оптически сопряженной с плоскостью объекта 10, с полевыми диафрагмами окуляров 22 и плоскостью матричного фотоприемника 19, а зеркальный светоделительный блок выполнен в виде пары зеркал 14 и 15, одно из которых глухое 14, а второе светоделительное 15, размеры которых не превышают размера центральной экранирующей части кольцевой диафрагмы 7 осветительного канала, при этом эквивалентное фокусное расстояние f тубусной линзы 16 визуального канала и адаптера 18 и фокусное расстояние тубусной линзы 16 f визуального канала находятся в соотношении f=f×Д/Д, где Д и Д - соответственно размеры матричного фотоприемника 19, например диагональ ПЗС матрицы и диаметр полевой диафрагмы окуляра 22.
Кроме того, в зеркальном светоделительном блоке светоделительное зеркало 15 выполнено полупрозрачным.
Источник света 1 в обоих осветительных каналах выполнен в виде светодиодного источника, содержащего не менее одного светодиода.
В осветительном канале отраженного света источник света 1 выполнен в виде дуговой лампы, например ртутной или ксеноновой, при этом элементы 2, 4, 5 и 12 выполнены из нелюминесцирующих стекол, перед сменным зеркальным светоделительным блоком со светоделительным зеркалом 15 и после него установлены сменные светофильтры 23, 24, при этом произведение коэффициентов пропускания указанных светофильтров 23 и 24 и светоделительного зеркала 15 стремится к нулю, область пропускания светоделительного зеркала 15 совпадает с областью пропускания первого по ходу лучей светофильтра 23, а область отражения совпадает с областью пропускания второго светофильтра 24.
В осветительном канале отраженного света после вспомогательной оптической системы 4 и 5 перед зеркальным светоделительным блоком установлен поляризатор 25, а после зеркального светоделительного блока перед эпиобъективом 11 установлено сменное устройство дифференциально-интерференционного контраста, например призма 26 Номарского.
В осветительном канале проходящего света после вспомогательной оптической системы установлены поляризатор 25 и призма 27 Волланстона.
В обоих осветительных каналах установлены поляризаторы 25, а на выходе из зеркального светоделительного блока по ходу луча перед тубусной линзой визуального канала установлен анализатор 28 с возможностью вращения вокруг оптической оси, а после поляризатора в каждом из осветительных каналов и перед анализатором установлены четвертьволновые фазовые пластинки 29, быстрые оси которых взаимно перпендикулярны и при скрещенных поляризаторе и анализаторе составляют угол 45° с указанными быстрыми осями.
Линзовые растры 20 имеют хаотическую упаковку линзовых элементов.
Эпизеркало 13 имеет коническую отражающую поверхность, перед эпизеркалом 13 установлены тороидальная линза 30 и рассеиватель, например линзовый растр 31, а эквивалентный фокус конического эпизеркала и тороидальной линзы совпадает с центром освещаемого поля.
В схему микроскопа введены три глухих зеркала 32 для излома оптической оси.
Работа микроскопа проходящего и отраженного света осуществляется следующим образом.
На фиг.1 представлены режимы работы микроскопа в проходящем и отраженном свете при освещении объекта по методу светлого поля. Обе части - верхняя (отраженный свет) и нижняя (проходящий свет) могут работать одновременно - смешанное освещение объекта или по отдельности.
При работе в проходящем свете и светлопольном освещении объекта световой пучок от источника света 1, в роли которого может быть использована как лампа накаливания, так и светодиодный источник света, проходя коллектор 2, светофильтр 3 линзовый, растр 20, апертурную диафрагму 7 и первый компонент 4 телескопической системы Кеплера равномерно освещает полевую диафрагму 21. Изображение полевой диафрагмы переносится зеркалом 32, вторым компонентом 5 системы Кеплера, и конденсором 9 на поверхность объекта 10. Изображение объекта 10 с помощью микрообъектива 12, зеркала 14, установленного на место светоделительного зеркала 15 и тубусной линзы 16 поступает в оба канала бинокулярной насадки 17 и окуляры 22, через которые происходит визуальное наблюдение изображение. При цифровой регистрации изображения в ход лучей после тубусной линзы 16 вводится зеркало 32. Лучи после отражения от зеркала 32 проходят адаптер 18 и поступают на матричный фотоприемник 19, где оно регистрируется и передается на экран монитора или в компьютер. При введении в ход лучей между компонентом 5 и конденсором 9 поляризатора производится наблюдение изображения объекта в поляризованном свете, а при введении между зеркалом 14 и тубусной линзой 16 анализатора 28, который имеет возможность разворота вокруг оптической оси, появляется возможность регулировки интенсивности изображения вплоть до полного ее гашения по всему полю изображения или отдельных его участков. Чтобы избежать изменения картины гашения изображения при развороте объекта и ее искажения за счет проявления ложного двулучепреломления из-за поляризации световых лучей при преломлении и отражении от оптических поверхностей между поляризатором 25 и анализатором 28 вводятся в ход лучей фазовые пластинки λ/4 29, быстрые оси которых перпендикулярны и составляют угол 45° с плоскостями поляризации скрещенных на полное гашение поляризатора 25 и анализатора 28. Получается режим круговой поляризации.
При работе по методу дифференциального интерференционного контраста (ДИК) из хода лучей выводятся пластинки 29, перед конденсором 9 устанавливается в ходе лучей призма 27олланстона, а между объективом 12 и зеркалом 14 устанавливается призма 26 Номарского.
При всех режимах в ходе лучей стоит линзовый растр 20, упаковка линзовых элементов может быть как упорядоченной, например ортогональной или гексагональной, так и хаотической. Хаотический растр позволяет избежать возможных интерференционных эффектов в плоскости изображения, а также артефактов за счет явления саморепродукции.
Конденсор 9 может быть сухим и иммерсионным, светлопольным 9 и темнопольным 8. Работа последнего будет рассмотрена ниже.
При работе в отраженном свете и светлопольном освещении объекта элементы схемы 1, 3, 20, 7, 4, 21, 32 и 5 работают аналогично при работе в проходящем свете, но в роли конденсора выступает объектив 12, вместо зеркала 14 устанавливается светоделительное полупрозрачное зеркало 15. Свет после объектива 12 попадает на объект 10, отражается от него и попадает в объектив 12, который вместе с тубусной линзой 16 переносит изображение объекта 10 через бинокулярную насадку 17 в переднюю фокальную плоскость окуляров 22, через которые происходит его визуальное наблюдение. Такое построение схемы называется опак-иллюминатор.
Переход к цифровой регистрации изображения осуществляется введением в ход лучей после тубусной линзы зеркала 32. Далее аналогично случаю работы в проходящем свете.
экв
т
1
2
1
2
т
Значение эквивалентного фокусного расстояния тубусной линзы 16 визуального канала и адаптера 18 выбрано в соответствии с условием соотношения f=f·Д/Д, где Д и Д - соответственно размеры фотоприемника, например диагональ ПЗС матрицы 19 и диаметр полевой диафрагмы окуляра 22, f фокусное расстояние тубусной линзы 16. Полевая диафрагма окуляра 22 находится в его передней фокальной плоскости.
При введении в ход лучей между компонентом 5 и светоделительным зеркалом 15 поляризатора 25 объект 10 освещается плоскопроляризованным светом. Интенсивность изображения может регулироваться вращением введенным в ход лучей между светоделительным зеркалом 15 и тубусной линзой 16 анализатора 28. Режим круговой поляризации осуществляется введением после поляризатора 25 и перед анализатором 28 пластинок 29 с такой же как и ранее ориентацией быстрых осей.
Режим ДИК осуществляется при выведенных из хода лучей пластинках 29 и введенном между светоделительным зеркалом 15 и объективом 12 призмы Номарского 26.
При использовании в качестве источника света 1 ртутной лампы и замене светоделительного полупрозрачного зеркала 14 на светоделительное зеркало с интерференционным покрытием 14, перед которым по ходу падающего луча устанавливается светофильтр 23, после него по ходу отраженного от него луча светофильтр 24 реализуется режим люминесценции, при котором на изображении объекта 10 присутствуют лишь структуры объекта люминесцирующие под воздействием падающего на него возбуждающего света, выделяемого светофильтром 23 и светоделителем 14 из излучения ртутной лампы. От объекта отражается как возбуждающее излучение, так и свет люминесценции объекта, поэтому для отделения света люминесценции от света возбуждения устанавливается запирающий светофильтр 24. Светофильтры 23, 24 и светоделитель с интерференционным покрытием 14 имеют коэффициент пропускания при нелюминесцирующем объекте 10, близкий к нулю.
На фиг.2 представлены режимы работы микроскопа в проходящем и отраженном свете при освещении объекта по методу темного поля.
При работе в проходящем свете конденсор 9 заменяется на конденсор темного поля 8 с кольцевой диафрагмой. Элементы схемы 1, 3, 20, 7, 4, 21, 32 и 5 работают аналогично рассмотренным случаям. Конденсор 8 имеет апертуру освещающих пучков больше апертуры объектива 12, поэтому лучи, прошедшие объект 10 без отклонений в объектив, не попадают, а попадают в объектив лучи, изменившие первоначальное направление распространения. В этих лучах и строится изображение объекта. После объектива 10 устанавливается зеркало 15, и далее система работает как в случае светлопольного освещения в проходящем свете.
х
При работе в отраженном свете на место светоделительного зеркала 14 устанавливается зеркало 15, апертурная диафрагма 7 заменяется кольцевой диафрагмой 6, формирующей кольцевое сечение освещающего пучка, который пройдя элементы 4, 21, 32, и 5, попадает на параболическое эпизеркало 13, апертура отраженных от него пучков больше апертуры объектива 12. В построении изображения участвуют лишь лучи, изменившие первоначальное направление. Далее аналогично предыдущему случаю. При работе с объективами малого увеличения до 40 за счет аберрации кома не удается получить качественного освещения объекта 10. Поэтому для таких объективов используется коническое эпизеркало 13, перед которым, по ходу падающего пучка устанавливается тороидальная линза 30 и линзовый растр 31 кольцевой формы.
Таким образом, в предлагаемом микроскопе достигнуто повышение качества изображения объекта за счет улучшения освещения в темном и светлом полях, повышение контраста изображения, повышение качества изображения и в поляризованном свете и расширение функциональных возможностей.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. «Nikon», WWW/microscopyu.com.
2. Г.Е.Скворцов и др. Микроскопы. - Л.: Машиностроение, 1969, с.297-298, рис.Х.4. а, б - прототип.
3. Грамматин А.П., Кириченко Е.В. Особенности расчета осветительного устройства микроскопа с параболоидальным эпизеркалом. ОПМ. 1979, №4, с.20.