Микроскопное покровное стекло
Владельцы патента RU 2436137:
Учреждение Российской академии наук Конструкторско-технологический институт научного приборостроения Сибирского отделения РАН (RU)
Изобретение относится к области оптического приборостроения, нанотехнологий в оптике, в частности к области микроскопических исследований и получению цифровых изображений биологических объектов. Заявленное устройство содержит стеклянную или пластмассовую пластинку, имеющую первую поверхность и вторую поверхность, первая поверхность имеет расположенное на ней клеевое покрытие, на которое нанесена поляризационная пленка с наноструктурированными поверхностями. Оптическая толщина полученного таким образом микроскопного элемента равна таковой для стандартного покровного стекла, а оптическая ось поляризационной пленки параллельна оптической оси микроскопа. Технический результат заключается в устранении влияния деполяризации света, возникающей на границах раздела микроскопных элементов, каждого из компонентов микрообъектива и тубусных элементов, на качество (контраст) изображения в поляризационном микроскопе; повышении разрешающей способности поляризационного микроскопа; повышении прочности микроскопного элемента. 3 ил.
Настоящее изобретение относится к области оптического приборостроения, нанотехнологий в оптике, в частности к области микроскопических исследований и получению цифровых изображений биологических объектов.
Известны и повсеместно используются покровные стекла (микроскопные элементы) для предметных стекол, предназначенные для предохранения микропрепаратов от пыли и механических повреждений при микроскопировании в видимой области спектра. ГОСТ 6672-75 регламентирует размеры покровных стекол, неплоскостность и непараллельность рабочих поверхностей, марки стекла, из которого они могут изготовляться, их оптические постоянные и химическую стойкость. Однако при использовании стандартных покровных стекол для заключения микропрепарата они слабо влияют на поляризационные характеристики рассеянного света. Деполяризация, вносимая покровным стеклом, сравнима с деполяризации на элементах микрообъектива и тубусных элементах.
Известен микроскопный элемент, выбранный в качестве аналога изобретения - это двулучепреломляющая компенсационная пластинка, работающая совместно с устройствами компенсации изменений фазы, происходящих в оптической системе интерференционного микроскопа, и расположенная в тубусе, оптическая ось которой параллельна оптической оси микроскопа [патент Франции №2241798, МПК G02B 21/00 - Plaque de compensation pour fournir un champ uniforme dans un microscope a interference]. Такой элемент способен повысить качество изображения при визуальном наблюдении. Однако в современной биологической микроскопии ведется не визуальная, а цифровая регистрация изображения с помощью цифровых камер с повышенной дигитализацией. Цифровой формат изображений позволяет получать не только качественную визуальную информацию об объекте, но и количественно характеризовать такие процессы, как поглощение, рассеяние света отдельными белками, а также характеризовать флуоресценцию объекта. Системы такого рода обладают повышенной яркостной чувствительностью, обеспечивая 16384 уровней серого в изображении, что позволяет производить чрезвычайно тонкие биологические эксперименты. Например, цифровые методы съемки и обработки изображений в микроскопе пригодны для получения количественной информации об анизотропии поляризации флуоресценции, вызванной резонансным транспортом энергии между GFP-маркированными белками (который происходит только для сближенных в пространстве белков) в живой клетке [А. Squire et al. / Journal of Structural Biology 147 (2004) 62-69]. Однако именно в экспериментах такого рода проявляются аппаратные ограничения микроскопов. В частности, деполяризация света флуоресценции на компонентах микрообъектива вносит ощутимую погрешность в измерения. Причем следует учесть, что распределение излучения в фокальной области объектива имеет сложную поляризационную структуру. [А.Л.Соколов. Поляризационная структура излучения в фокальной области линзы. «Оптика и спектроскопия», 2009, том 107, №2, с.219-224.] Поэтому компенсаторы, в частности рассматриваемый аналог, не позволяют достичь качества изображения, требуемого в современной цифровой микроскопии.
Известен микроскопный элемент, выбранный в качестве прототипа изобретения [заявка на изобретение №2008120125 МПК G02B 21/34, дата публикации 10.12.2009 г., Бюл. №34]. Это покровное стекло микроскопа, содержащее стеклянную или пластмассовую пластинку, имеющую первую, вторую поверхности и наружный периферический край, клеевые покрытия и знак на одной из поверхностей, пригодный для идентификации покровного стекла.
В процессе использования такого микроскопного элемента в поляризационных методиках проявляется недостаток, связанный с появлением дополнительной деполяризации, вносимой каждой из поверхностей покровного стекла и клеевым слоем, которая сравнима с деполяризацией на элементах микрообъектива и тубусных элементах микроскопа.
Общими с предлагаемым изобретением признаками являются пластмассовая или стеклянная пластинка, имеющая первую и вторую поверхность, причем первая поверхность имеет клеевое покрытие.
Задачей настоящего изобретения является дальнейшее совершенствование элементной базы микроскопии и поляризационных методик микроскопического наблюдения объектов как визуально, так и в цифровом изображении.
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в устранении влияния деполяризации света, возникающей на границах раздела микроскопных элементов, каждого из компонентов микрообъектива и тубусных элементов, на качество (контраст) изображения в поляризационном микроскопе; повышении разрешающей способности поляризационного микроскопа; повышении прочности микроскопного элемента.
Указанный технический результат достигается тем, что известное покровное стекло содержит пластмассовую или стеклянную пластинку, имеющую первую поверхность с клеевым покрытием и вторую поверхность, причем на клеевом покрытии первой поверхности расположена поляризационная пленка с наноструктурированными поверхностями. Оптическая ось поляризационной пленки параллельна оптической оси микроскопа, а оптическая толщина заявляемого покровного стекла равна таковой для стандартного покровного стекла.
На фиг.1 показано сечение заявляемого покровного стекла и ход лучей через него. Покровное стекло содержит стеклянную или пластмассовую пластинку 1 с первой и второй поверхностями, клеевое покрытие 2 и поляризационную пленку 3. Падающий световой поток имеет волновой фронт W. Для определенности на фиг.1 изображен волновой фронт, состоящий из двух областей I и II с ортогональными состояниями поляризации световой волны, что обозначено как .
На фиг.2 изображены традиционная (а) и предлагаемая (б) схема расположения поляризационных элементов в оптической схеме микроскопа, реализующего поляризационную методику. На фиг.2а по ходу лучей показано положение источника света, светофильтра, поляризатора, плоскости предмета, микрообъектива и анализатора. На фиг.2б по ходу лучей показано положение источника света, светофильтра, поляризатора, плоскости предмета, анализатора и микрообъектива.
На фиг.3 приведены графики изменения градаций уровня, серого вдоль однопиксельной прямой, перпендикулярной к изображению резкого края тестового поляризующего объекта, рассчитанные из экспериментальных цифровых изображений, полученных по традиционной и заявляемой схемам.
Заявляемый микроскопный элемент действует следующим образом (фиг.1). Волновой фронт W, сформированный объектом, расположенным в плоскости предмета (не изображенной на фиг.1), падает на микроскопное покровное стекло, Световые лучи проходят через стеклянную или пластмассовую пластинку 1, клеевое покрытие 2 и поляризационную пленку 3. Поляризационная пленка 3 пропускает только одну поляризационную компоненту света, параллельную собственной оси поляризационной пленки 3. На фиг.1 показано, что на выходе из микроскопного элемента имеется свет только в области I.
Различия двух способов проведения наблюдения в поляризованном свете выявляются в процессе функционирования.
В традиционной схеме наблюдения (фиг.2а) свет от источника через светофильтр и линейный поляризатор (будем считать идеальной его способность полностью пропускать одну линейно поляризованную компоненту светового поля E|| и полностью поглощать ортогональную к ней линейно поляризованную компоненту E⊥) проходит через плоскость предмета и микрообъектив. Затем свет проходит анализатор (считаем его идеальным) и в плоскости промежуточного изображения строится изображение объекта. Поверхность каждой линзы микрообъектива деполяризует свет. После прохождения микрообъектива кроме компоненты E||, пропущенной поляризатором, будет присутствовать и компонента E⊥ даже в отсутствие объекта.
В заявляемой схеме наблюдения (фиг.2б) свет от источника через светофильтр и линейный поляризатор проходит через плоскость предмета и уже здесь попадает на анализатор. Затем свет проходит микрообъектив и в плоскости промежуточного изображения строится изображение объекта. Это означает, что вносимая поверхностью каждой линзы микрообъектива деполяризация не оказывает влияния на качество изображения объекта.
За счет присутствия поляризационной компоненты E⊥, пропускаемой анализатором, изображение, построенное микрообъективом согласно схеме фиг.2а, будет иметь меньший контраст, чем изображение, построенное согласно схеме фиг.2б. В схеме фиг.2б возникновение поляризационной компоненты E⊥ в областях II волнового фронта, показанных на фиг.1, исключается, т.к. анализатор выполнит свою функцию прежде микрообъектива, а значит, и микрообъектив не внесет дополнительную поляризационную засветку в изображение. Таким образом, сущность новизны в заявляемой поляризационной методике заключается в исключении воздействия деполяризации света микрообъективом на качество изображения.
Сравнительные экспериментальные испытания заявляемого микроскопного покровного стекла проводились на микроскопе Dialux 20EB, оснащенном цифровой фотокамерой CANON EOS 500D с повышенной дигитализацией (digitalization) - 14 bit. В качестве поляризационной пленки 3 (фиг.1) применялись полимерные поливинил-спиртовые поляризационные пленки. Исследовалось изменение контраста в изображении резкого края тестового объекта - черно-белого жидкокристаллического экрана, имеющего резкий край по своему периметру, который и наблюдался в поляризованном свете. На фиг.3 приведены данные, полученные с микрообъективом 10× ПЛОМО. Графики на фиг.3 строились в среде программирования MATHCAD путем выборки значений уровней серого вдоль однопиксельной прямой, перпендикулярной изображению резкого края границы. Заявляемая схема расположения поляроидов по сравнению с традиционной дает увеличение контраста изображения на 5,8% для объектива 10×.
Указанное усовершенствование в оптической схеме проведения микроскопической поляризационной методики подтвердило эффективность использования заявляемых покровных стекол и позволило повысить качество изображения по сравнению с традиционными методиками.
Микроскопное покровное стекло, содержащее стеклянную или пластмассовую пластинку, имеющую первую поверхность и вторую поверхность, первая поверхность имеет расположенное на ней клеевое покрытие, на которое нанесена поляризационная пленка с наноструктурированными поверхностями, причем оптическая толщина полученного таким образом микроскопного покровного стекла равна таковой для стандартного покровного стекла, а оптическая ось поляризационной пленки параллельна оптической оси микроскопа.
