МОНОХРОМНЫЙ МИКРОСКОП СВЕРХВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
MONOCHROMATIC SUPER-RESOLUTION MICROSCOPE

Область техники
Изобретение относится главным образом к средствам микроскопии высокого разрешения (минимально разрешимый линейный размер порядка длины волны), но также может быть полезным во многих других областях медицины, биологии, науки и техники. Везде, где требуется предельно высокое разрешение микрообъектов с небольшим полем наблюдения, но не требуется цветное изображение самих объектов.
Предшествующий уровень техники
С момента изобретения микроскопа и осознания принципов его работы микроскопы широко используются в различных областях техники - от медицины до контроля материалов и качества микросхем. При этом важнейшим параметром любого оптического прибора является его предельное разрешение, которое ограничено дифракцией. Минимальный размер пятна определяется формулой (1), справедливой для любой оптической системы, например, при использовании зонной пластинки [1] вместо линзы дифракционный предел не меняется:
здесь Δφ - угловая полуширина дифракционного пятна, λ - длина волны излучения, D(=2R) - диаметр фокусирующего элемента.
Минимальный линейный размер Δx определяется формулой (2), которая получается из формулы (1) домножением углового размера на фокусное расстояние F:
Соотношения (1) и (2) известны в оптике как дифракционный предел и определяют минимальные размеры или максимальное разрешение любых оптических систем.
При использовании линз и сферических зеркал фокусное расстояние всегда больше или примерно равно диаметру фокусирующего элемента, поэтому минимально разрешимое расстояние (предельное разрешение) в лучшем случае порядка длины волны, как следует из формулы (2). Следовательно, основные способы улучшения разрешения микроскопов напрямую связаны с уменьшением длины волны. Так в [2] предложена конструкция рентгеновского микроскопа с длинами волн 4,37-6,5 нм и с дополнительной подсветкой ультрафиолетом. Автор Y.Iketaki не уточняет конструкцию оптики для рентгена, хотя это очень большая проблема. Так использование зонной пластинки в рентгеновской области затруднено из-за невозможности при изготовлении зонной пластинки обеспечить столь небольшое (в несколько ангстрем), к тому же контролируемое расстояние между зонами. Кроме того, любые оптические материалы непрозрачны в рентгеновской области. Поэтому линзовая оптика также невозможна. Зеркала в рентгеновской области работают только под скользящими лучами, следовательно, фокусное расстояние всегда значительно превышает диаметр зеркала, что согласно (2) существенно увеличивает минимально различимый размер.
Пример микроскопа высокого разрешения описан в [3], где представлена конструкция конфокального микроскопа. Излучение видимого диапазона фокусируется на маленькое отверстие перед объектом, которое по принципу действия конфокального микроскопа и определяет его разрешение. Диафрагма - базовый принцип работы большинства «ближнепольных» микроскопов. Кроме того, существуют микроскопы на плазмонах и т.п., где (как и в ближнепольных микроскопах) изображение формируется косвенно по результатам компьютерной обработки некоторого сигнала. Таким образом, получается «непрямое» изображение и такие устройства в рамках данного патента не анализируются. Недостатком предложенного микроскопа [3] является существенное уменьшение светового потока, прошедшего за отверстие и вернувшегося обратно. Соответственно, время обработки изображения существенно возрастает. Кроме того, ближнепольные микроскопы работают только в режиме сканирования, что дополнительно требует довольно прецизионной механики.
Следует подчеркнуть, что в патенте [3] допускается использование зонной пластинки в качестве фокусирующего элемента, как замена линзовой оптики.
В качестве прототипа рассмотрим рентгеновский микроскоп с зонной пластинкой [4]. Проблему плохой работы зонной пластинки в рентгеновской области авторы решают за счет специальной геометрии пластинки и использования утолщающейся к краю зонной пластинки, Бреговского отражения (при скользящем распространении лучей в каждой зоне Френеля) или поглощения рентгена в центре пластинки. Данные принципы оправданы в УФ области и области мягкого рентгена, но проблемы изготовления пластинки переменной толщины с контролируемым расстоянием между зонами (и прочими условиями) в рентгеновской области сегодня технологически невыполнимы.
Сущность изобретения
В последние годы предприняты многочисленные попытки преодолеть дифракционный предел. Так в работе [5] предложен метод и сообщается о преодолении дифракционного предела и достигнутом разрешении 180 нм на длине волны 633 нм при использовании интерференционного микроскопа. Декларируется и новый предел разрешения оптических систем λ/4. Таким образом, создание устройств с разрешением меньше длины волны возможно и актуально в свете последних достижений техники.
Целью данного изобретения является разработка способа и устройства микроскопа, который позволит существенно (на порядок) повысить разрешение по сравнению с существующим дифракционным пределом (порядка длины волны).
Хотя из формулы (2) следует, что предельное разрешение микроскопа не может быть менее длины волны излучения, но подробно не анализируется природа столь строгого ограничения. Простейший анализ указывает, что ограничение напрямую связано с ограничением отношения апертуры к фокусу объектива (относительное отверстие) микроскопа. Можно доказать, что, просто уменьшая фокусное расстояние, невозможно сколь угодно повышать разрешение оптической системы. Это связано с волновой природой фотона. Например, зонная пластинка Френеля позволяет реализовать фокус много меньше диаметра и формально улучшить разрешение микроскопа, но квантово-механический принцип неопределенности Гейзенберга принципиально ограничивает предельное разрешение любой оптической системы. Исходя из строго соотношения принципа неопределенности [6] можно доказать, что предельно разрешаемый размер в оптике из соображений квантовой механики всегда больше линейного размера (3):
что примерно на порядок меньше длины волны и соответствующего дифракционного предела.
Принцип действия
Максимальное разрешение оптической системы достигается при эффективном использовании краев линзы. Качественно это можно пояснить так: чем меньше диаметр, тем хуже разрешение (2), поэтому уменьшение вклада центральных лучей приводит к лучшему разрешению. Более строго это утверждение доказывается применением методов Фурье анализа изображения в фокальной плоскости объектива.
Кроме того, при относительном отверстии а=D/F примерно 1 только 10% энергии рассеянного микрообъектом излучения попадает в апертуру линзы. Увеличение относительного отверстия (другой термин - относительная апертура) до 3 позволяет увеличить долю рассеянной объектом энергии в телесный угол линзы примерно до 45%. Таким образом, разработка оптических систем с относительным отверстием больше единицы выгодно во всех отношениях. Использование большого диметра при неизменном фокусе повышает разрешение и светосилу любого оптического прибора.
Такая оптика сегодня может быть изготовлена (например, методами электронной литографии) на основе классической зонной пластинки Френеля (Фиг.1) или модифицированной зонной пластинки с непрозрачной центральной областью (Фиг.2). Причем область непрозрачной части должна быть по возможности большой, например более 50% всей площади зонной пластинки, чтобы получить заметное увеличение разрешения.
Точное значение параметров зонной пластинки зависит от геометрии поверхности, на которую она нанесена, от расстояния до объекта и изображения, длины волны. Условие расчета соответствует разности хода лучей в четверть длины волны на границах одной зоны Френеля. Приближенно, фокусное расстояние зонной пластинки определяется формулой (4) [7]:
где F - фокусное расстояние пластинки, λ - длина волны излучения, a R - диаметр m-зоны, который в свою очередь определен формулой (5) [7]:
при этом выполняется дополнительное условие:
где а и b - соответственно расстояние от пластинки до объекта и до изображения.
При расстоянии b много больше чем а можно достигнуть значительного линейного увеличения (b/a - крат). При этом для зонной пластинки справедливы обычные соотношения геометрической оптики (6). Но принципиальным отличием от стандартной оптики является необходимость использовать для зонной пластинки монохроматических источников света, поскольку она обладает значительными хроматическими аберрациями.
В соответствии с формулой (3) теоретически можно достичь разрешения примерно λ/12, что для длины волны 200 нм соответствует пределу разрешения менее 20 нм. Но даже при использовании обычного гелий-неонового лазера (633 нм) можно ожидать разрешения порядка 50 нм. При этом следует отметить, что предельное разрешение достигается при использовании только модифицированной зонной пластинки (Фиг.2) с большой затемненной центральной областью. Как показывают расчеты, классическая зонная пластинка (Фиг.1) дает разрешение в 3-4 раза хуже теоретического предела.
Кроме того, для зонной пластинки возрастают требования к монохроматичности источника излучения, к точности изготовления зонной пластинки, к юстировке и т.д.
Использование зонной пластинки, выполненной на сферической поверхности [1], радиус которой близок либо совпадает с расстоянием b до изображения, позволяет значительно снизить аберрации, хотя при этом возрастает сложность изготовления такой зонной пластинки.
Можно совместить зонную пластинку с системой осветителя микрообъекта, изготовив зонную пластику (плоскую либо сферическую) и осветитель в виде единого оптического блока (см. Фиг.3). Данная конструкция упрощает юстировку системы и обеспечивает освещение микрообъекта под углами, близкими к 90 градусам относительно оптической оси, что важно при реализации предельного разрешения. Если фокус осветительной системы расположен на «предметном столике», то такой осветитель дополнительно совмещает в себе функцию автофокуса, столь необходимую в современной микроскопии [8].
Данные устройства и способ можно использовать как дополнение к стандартному оптическому микроскопу, располагая прибор перед объективом так, чтобы область изображения прибора совпадала с областью наблюдения объектива, либо используя устройства независимо от микроскопа и располагая в области изображения, например, светочувствительную матрицу высокого разрешения. Также возможно использовать предложенное устройство в режиме сканирования, как в обычном либо конфокальном сканирующем микроскопе.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные реализации изобретения пояснены при помощи следующих чертежей.
Фиг.1 - схематичное представление классической зонной пластинки.
Фиг.2 - схематичное представление модифицированной зонной пластинки с непрозрачной центральной областью.
Фиг.3 - схематическое изображение совмещенной зонной пластинки и системы освещения микрообъекта. Здесь 1 - лучи от источника монохроматического освещения, 2 - микрообъект, 3 - совмещенный блок системы освещения и зонной пластинки, 4 - зонная пластинка, 5 - изображение объекта.
Описание предпочтительной реализации
При использовании модифицированной зонной пластинки с непрозрачной центральной областью порядка 90% от всей площади зонной пластинки разрешение максимально и близко к предельно возможному.
Если в качестве источника монохроматического излучения использовать гелий-неоновый лазер с длиной волны 632,8 нм и зонную пластинку, которая имеет диаметр 30 мм (см. Фиг.2), то согласно (3) можно достичь разрешения около 55 нм. Предпочтительно использовать модифицированную зонную пластинку как имеющую лучшее разрешение. Необходимо, чтобы дифракционный предел, определяемый формулой (2), был меньше квантово-механического предела (3), что соответствует допустимым фокусным расстояниям меньше 2 мм.
Использовать зонную пластинку (Фиг.1 и Фиг.2) возможно в режиме отражения или напросвет, а изготовить на плоскости, сфере или даже более сложной поверхности. Но с точки зрения технологичности предпочтительно использовать зонные пластинки на плоскости. Как отмечалось выше, зонные пластинки на сфере позволяют в некоторых случаях уменьшить аберрации, но усложняют технологию их изготовления. Сегодня методами литографии (в частности, электронной литографии) возможно изготовить зонную пластинку для видимого и УФ диапазона с разрешением единицы-десятки нанометров между зонами Френеля.
Можно совместить зонную пластинку с блоком осветителя (Фиг.3), например, выполнив зонную пластинку 4 на сферической поверхности плоско-выпуклой линзы 3 в отраженных лучах (фактически она работает как фрагмент зеркала) с фокусным расстоянием 2 мм. Если изготовить данную линзу такой толщины, чтобы отраженные лучи фокусировались вблизи плоской поверхности линзы, то изучаемый объект можно просто поместить на поверхность (с иммерсией или без) данной системы. Это очень важно для практических применений, поскольку значительно упрощает процесс юстировки при подготовке микроскопа к работе.
Чтобы без потери качества отобразить изображение 5 (см. Фиг.3) размером 55 нм на пзс матрицу с размером пикселя 5 мкм, необходимо обеспечить кратность увеличения (b/F) более примерно 100, что при фокусе 2 мм соответствует расстоянию до изображения более 200 мм. Относительное отверстие у данной системы равно 15 и даже при использовании модифицированной зонной пластинки можно передать на матрицу до 10% энергии излучения лазера. Пиксель 5 мкм не является пределом для современных пзс матриц, поэтому для улучшения качества изображения на пзс матрице можно использовать камеры с меньшим пикселем либо увеличить расстояние до плоскости изображения - 400-500 мм, что улучшит качество изображения.
Выполненные выше расчеты подтвердили, что габариты предложенного устройства и параметры изображения позволяют использовать его в качестве дополнения для стандартных микроскопов (разрешение 5 мкм доступно современной микроскопии) либо как независимое устройство.
В некоторых случаях можно использовать более сложные оптические системы, включающие несколько зонных пластинок, расположенных последовательно, или системы, состоящие из зонной пластики (пластинок) и линз, призм и зеркал. Последовательное использование нескольких зонных пластинок либо совместное использование зонной пластинки и обычных оптических элементов позволяет оптимизировать аберрации, упростить конструкцию устройства, повышать увеличение и качество изображения. Например, использование поворотной призмы может потребоваться для поворота оптической оси и т.п.
Принцип расчета других модификаций микроскопа аналогичен выполненному выше.
Промышленная применимость
Таким образом, монохромный микроскоп предельно высоко разрешения для надежного визуального контроля микрообъектов возможно реализовать на современном этапе развития технологий, и данный способ и устройство имеют коммерческую перспективу. Также данное изобретение полезно как дополнение к различному, стандартному оптическому оборудованию и существенно улучшает его эксплуатационные параметры.
Ссылки на литературу и патенты
1. С.М.Райский, «Зонная пластинка» // УФН, том XL, VII, 1952, стр.519.
2. Y.Iketaki. Патент США №5590168 от 31 декабря 1996.
3. L.D.Favro, R.L.Thomas, P.K,Troy, L Chem, Патент США №5162941 от 10 ноября 1992.
4. G.Schnelder. Патент США №6167112 от 26 декабря 2000 (прототип).
5. Y.Kuznetsova, A.Neumann and S.R.J.Brueck «Imaging interferometric microscopy - approaching the linear systems limits of optical resolution» // Optics Express, v.15 (11), 2007 - p.6651-6663.
6. Д.В.Сивухин, «Атомная и ядерная физика» // Изд-во Физматлит, 2006, том.5, 2006, стр.120.
7. Д.В.Сивухин «Оптика» // Изд-во Физматлит, 2006, том.4, 2005, стр.286-287.
8. A.Weiss, Патент США №7301133 от 27 ноября 2007.