Микроскопное покровное стекло

Изобретение относится к области оптического приборостроения, нанотехнологий в оптике, в частности к области микроскопических исследований биологических объектов, клеток крови и т.д. Устройство микроскопного покровного стекла включает покровное стекло, на заднюю поверхность которого нанесена одна или более микролинз. Микролинзы выполнены в виде мезоразмерных частичек с относительным показателем преломления по отношению к показателю преломления окружающей среды, находящимся в диапазоне примерно от 1.2 до 1.8 и характерным размером не менее длины волны падающего излучения, формирующих на своей задней поверхности фотонную струю с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел. Изобретение обеспечивает повышение качества получаемого изображения исследуемого объекта за счет повышения разрешающей способности оптического микроскопа. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, нанотехнологий в оптике, в частности к области микроскопических исследований биологических объектов, клеток крови и т.д.

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. Покровные стекла изготавливаются из силикатного стекла с коэффициентом преломления материала равного 1.515.

Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) оптического излучения с помощью линзовых систем [Борн М., Вольф Э., Основы оптики // - М.: Наука. - 1970]:

h=2.44 λFD^-1,

где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы, F - фокусное расстояние фокусирующего устройства.

Диаметр пятна Эйри h является важным параметром фокусирующей системы, который определяет ее собственную разрешающую способность в фокальной плоскости и определяет качество получаемого изображения. Он показывает минимальное расстояние между полем точечных источников в фокальной плоскости, которое способна зарегистрировать данная система. Максимальное разрешение идеальной линзовой системы не может превышать величины λ/2.

Продольное разрешение объектива определяется по выражению [Борн М., Вольф Э., Основы оптики // - М.: Наука. - 1970]

Δ_z ~ ±8λ(F/D)²

Связь между поперечным и продольным разрешением дается выражением:

Δ_z~6.5(F/D)h.

Таким образом, с увеличением поперечного разрешения объектива, протяженность области фокуса вдоль оптической оси уменьшается. Поэтому толщина покровного стекла должна уменьшаться с увеличением объектива, а предельное разрешение объектива не достижимо из-за конечной толщины покровного стекла [Как работать со световым микроскопом / Ф.М. Кэррил; (перевод с английского и под редакцией И.Я. Барского, М.М. Аптинова), С.А. Бабушкин. - Москва.: Вест Медика, 2010. - 112 с.].

Известно устройство микроскопного покровного стекла по патенту РФ №2436137, 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. Оптическая толщина полученного таким образом микроскопного элемента равна таковой для стандартного покровного стекла, а оптическая ось поляризационной пленки параллельна оптической оси микроскопа.

Недостатком данного устройства является низкое пространственное разрешение, ограниченное дифракционным пределом формирующей системы с учетом толщины покровного стекла.

Известно покровное стекло с нанесенной на ее заднюю поверхность рельефно-фазовой голограммной миколинзой [Патент РФ 1314295], применяемую в голографическом оптическом микроскопе и принятое за прототип.

Однако устройство микроскопного покровного стекла с нанесенной на ее заднюю поверхность микролинзой не позволяет повысить пространственного разрешение микроскопа выше дифракционного предела.

Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является повышение качества получаемого изображения исследуемого объекта, за счет повышения разрешающей способности оптического микроскопа.

Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного устройства - улучшение разрешающей способности оптических систем построения изображения исследуемых объектов.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в устройстве микроскопного покровного стекла, включающем покровное стекло на заднюю поверхность которого нанесена микролинза, новым является то, что одна или несколько микролинз выполнены в виде мезоразмерных частичек с относительным показателем преломления по отношению к показателю преломления окружающей среды находящимся в диапазоне примерно от 1.2 до 1.8 и характерным размером не менее длины волны падающего излучения и формирующих на своей задней поверхности фотонную струю с пространственным разрешением превышающий дифракционный предел.

Кроме того, новым является то, что мезоразмерные частицы внедрены в материал покровного стекла и фотонная струя формируется непосредственно на задней поверхности покровного стекла.

Кроме того, новым является то, что мезоразмерные частицы расположены в виде одномерного монослоя.

Кроме того, новым является то, что мезоразмерные частицы расположены в виде двумерного монослоя.

Кроме того, новым является то, что мезоразмерные частицы выполнены в форме решетки с цилиндрическим профилем.

Кроме того, новым является то, что мезоразмерные частицы выполнены в форме решетки с прямоугольным профилем.

Кроме того, новым является то, что мезоразмерные частицы выполнены в форме решетки с треугольным профилем.

Кроме того, новым является то, что мезоразмерные частицы выполнены в форме сферы.

Кроме того, новым является то, что мезоразмерные частицы выполнены в форме усеченной сферы.

Кроме того, новым является то, что мезоразмерные частицы выполнены в форме куба.

Кроме того, новым является то, что мезоразмерные частицы выполнены в форме цилиндра, при падении излучения с его торца.

Известно, что фундаментальный рэлеевский критерий разрешения оптических систем заключается в том, что минимальный размер различимого объекта несколько меньше длины волны используемого излучения и принципиально ограничен дифракцией этого излучения [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978]. Невозможность сфокусировать свет в свободном пространстве в пятно с размерами меньше некоторого дифракционного предела следует и из соотношения типа соотношения неопределенностей Гейзенберга [Minin I.V., Minin O.V. Experimental verification 3D subwavelength resolution beyond the diffraction limit with zone plate in millimeter wave // Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 56, No. 10, October 2014, 2436-2439].

Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с поперечными размерами меньше, чем у пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].

Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например, с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006); Y.F. Lu, L. Zhang, W.D. Song, Y.W. Zheng, and B.S. Luk’yanchuk, // J. Exp. Theor. Phys. Lett. 72, 457 (2000); B. S. Luk'yanchuk, Z. B. Wang, W. D. Song, and M. H. Hong, “Particle on surface: 3D-effects in dry laser cleaning,” Appl. Phys., A Mater. Sci. Process. 79(4-6), 747-751 (2004)). Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки. Было показано, что при падении плоской волны на сфероидальную частицу достижимо пространственное разрешение до трети длины волны, что ниже классического дифракционного предела.

Сферическая микрочастица, таким образом, выполняет роль рефракционной сферической микролинзы, фокусирующей световое излучение в пределах субволнового объема [Ю. Гейнц, А. Землянов, Е. Панина. Микрочастица в интенсивном световом поле. - Palmarium Academic Publishing (2012), ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 с.; Daniel S. Benincasa, Peter W. Barber, Jian-Zhi Zhang, Wen-Feng Hsieh, and Richard K. Chang Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatterers // Applied Optics, Vol. 26, No. 7, 1987, рр. 1348-1356].

Позднее возможность получения фотонных наноструй были изучены для диэлектрических осесимметричных тел, например, эллиптических наночастиц [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития – Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; T. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol.61, No. 13, 1069-1076 (2014).], многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления [César Méndez Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / OPTICS EXPRESS 16805], а также полусфер [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp.23–28.], дисков [B. Luk`yanchuk, N.I. Zheludev, S.A. Maier, N.J. Halas, P. Nordlander, H. Giessenand T.C. Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nat. Mater.9, 707-715 (2010); C-Y. Liu and C-C. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267–273 (2016).], цилиндра-сферы [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].

Так же было обнаружено, что фотонные струи могут быть сформированы несимметричными мезоразмерными диэлектрическими частицами, например, куб, усеченный шар, пирамида, усеченная пирамида, призма, объемный шестигранник и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I. V. Minin and O. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin, O.V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; Yu. E. Geintz, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910 (2015); Yu. E. Geints, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); И.В.Минин, О.В.Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, С. 4-10.].

В результате проведенных исследований, было обнаружено, что диэлектрические мезочастицы произвольной формы, например в форме куба или сферы, усеченной сферы или форме цилиндра, в форме пирамиды или конуса или цилиндра при падении излучения с его торца, с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала лежащего в диапазоне примерно от 1.2 до 1.8 по отношению к коэффициенту преломления окружающей среды, при ее облучении электромагнитной волной с плоским волновым фронтом, формируют на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения локальную область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 (фотонную струю).

При относительном коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы менее 1.2 поперечный размер локальной области концентрации поля становится порядка и более дифракционного предела и не обеспечивает значительного повышения интенсивности электромагнитного поля на ее границе. При относительном коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы примерно более 1.8 локальная концентрация электромагнитного поля возникает внутри частицы.

В результате проведенных исследований, было обнаружено, что диэлектрическая частица, например, в форме кубика или шарика или усеченного шарика или кругового конуса или цилиндра и формирующие непосредственно на своей теневой границе фотонную струю, в зависимости от характерного размера частицы (от λ до примерно 200λ), относительного коэффициента преломления (примерно от 1.2 до 1.8), возможно получение увеличение интенсивности оптического излучения на образце от 10 до примерно 150). При этом повышение усиления интенсивности оптического излучения увеличивается с увеличением характерного размера частицы, при пространственном разрешении превышающим дифракционный предел.

На Фиг. 1 показан пример схемы устройства микроскопного покровного стекла с одной (а) и нескольких микролинз выполненных в виде мезоразмерных частичек (б) при размещении их на задней поверхности покровного стекла.

На Фиг. 2 показан пример схемы устройства микроскопного покровного стекла с мезоразмерными частицами внедренными в материал покровного стекла и формировании фотонной струи непосредственно на задней поверхности покровного стекла.

На Фиг. 3 мезоразмерные частицы расположены в виде одномерного монослоя. в форме решетки с цилиндрическим профилем, в форме решетки с прямоугольным профилем, в форме решетки с треугольным профилем, размещенных на задней поверхности покровного стекла и внедренными в материал покровного стекла и формировании фотонной струи непосредственно на задней поверхности покровного стекла.

На Фиг. 4 мезоразмерные частицы расположены в виде двумерного монослоя размещенных на задней поверхности покровного стекла и внедренными в материал покровного стекла и формировании фотонной струи непосредственно на задней поверхности покровного стекла.

На Фиг. 5 приведен пример формирования фотонной струи в случае падения излучения на мезоразмерную частицу с характерным размером порядка λ в форме сферы (а), куба (б), шестиугольника (в-г), треугольника (д-е) с относительным коэффициентом преломления 1.46.

Обозначения: 1 - падающее электромагнитное излучение, 2 - покровное стекло, 3 - передняя поверхность покровного стекла, 4 - задняя поверхность покровного стекла, 5 мезоразмерная диэлектрическая частица на задней поверхности покровного стекла, 6 - фотонная струя с пространственным разрешением превышающим дифракционный предел и формируемая в непосредственной близости от поверхности частицы 5, 7 - мезоразмерная диэлектрическая частица внедренная в материал покровного стекла, 8 - мезразмерные диэлектрические частицы расположенные в виде одномерной цилиндрической решетки на задней поверхности покровного стекла, 9 - мезразмерные диэлектрические частицы расположенные в виде одномерной прямоугольной решетки на задней поверхности покровного стекла, 10 - мезразмерные диэлектрические частицы расположенные в виде одномерной треугольной решетки на задней поверхности покровного стекла, 11 - мезразмерные диэлектрические частицы расположенные в виде одномерной цилиндрической решетки внедренные в материал покровного стекла и формирующие фотонные струи непосредственно на задней поверхности покровного стекла, 12 - мезразмерные диэлектрические частицы расположенные в виде одномерной прямоугольной решетки внедренные в материал покровного стекла и формирующие фотонные струи непосредственно на задней поверхности покровного стекла, 13 - мезразмерные диэлектрические частицы расположенные в виде одномерной треугольной решетки внедренные в материал покровного стекла и формирующие фотонные струи непосредственно на задней поверхности покровного стекла, 14 - мезразмерные диэлектрические частицы расположенные в виде двумерной решетки на задней поверхности покровного стекла, 15 - мезразмерные диэлектрические частицы расположенные в виде двумерной решетки внедренные в материал покровного стекла и формирующие фотонные струи непосредственно на задней поверхности покровного стекла внедренные в материал покровного стекла.

Устройство, работает следующим образом. Падающее электромагнитное излучение 1 освещает поверхность покровного стекла 2, при этом падающее электромагнитное излучение может формироваться системой объективов, например, микроскопа. На задней поверхности 4 покровного стекла 2 размещается одна или несколько мезоразмерных диэлектрических частиц 5. Частица 5 преобразует падающую электромагнитную волну в локальную область, формируемую непосредственно у ее внешней границы по направлению распространения электромагнитного излучения 1, с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4 и протяженностью не более 10 λ, формирующих фотонную струю 6.

В другом варианте устройства, мезоразмерные диэлектрические частицы могут быть внедрены в материал покровного стекла 2, при формировании фотонной струи 6 непосредственно на задней поверхности 4 покровного стекла 2.

Мезоразмерные диэлектрические частицы могут располагаться на задней поверхности покровного стекла или могут быть внедрены в материал покровного стекла в форме отдельной частицы, нескольких частиц или монослоя одномерной решетки, монослоя двумерной решетки.

В качестве материала мезоразмерных частиц могут использоваться различные материалы, например, SiO₂ с коэффициентом преломления 1.538 на длине волны 0.7 мкм, полиэстер, с коэффициентом преломления 1.59 на длине волны 0.532 мкм, различные виды стекол, ситаллы, кварц, полиметилметакрилат, полистирол, поликарбонаты [Справочник конструктора оптико-механ. приборов/Под ред. В.А. Панова. - Л.: Машиностроение, 1980.] с относительными коэффициентами преломления материала лежащего в диапазоне примерно от 1.2 до 1.7.

Например, возможно применения мезоразмерных частиц из диоксида циркония ZrO₂, прозрачного в спектральном диапазоне 0,25-7,0 мкм с показателем преломления 1.97-2.05, тяжелые баритные флинты, например, ТБФ14 с показателем преломления 1.9624, сверхтяжелые флинты, например, СТФ2, СТФ11 с показателем преломления соответственно равным 1.9554, 2.0711, плавленый кварц с показателем преломления 1.95-2 в диапазоне длин волн 0.3-30 мм, композиты с наполнителем из TiO₂ в матрице из фторопласта, полистирола или полиэтилена с показателем преломления порядка 2, керамика Mg₂F₂ с показателем преломления 2.167 на длине волны 1 мм, ЦМ-4 с показателем преломления 2.17 на длине волны 2 мм [ГОСТ 3514-94, Минин И.В., Минин О.В. Дифракционная квазиоптика и ее применения. Новосибирск: СибАГС, 1999. - 306 с. ] и т.д.

Одним из примеров диэлектрических частичек, например, микросфер, которые могут быть использованы для производства таких фотонных струй, являются стекловолокно из боросиликатного стекла серии 9000 и микросферы из натрий-кальциевого стекла, продаваемые Duke Scientific Corporation.

Показатель преломления материала диэлектрических частиц будет различным для разных длин волн оптического излучения, например, для диэлектрических частичек из боросиликатного стекла показатель преломления на разных длинах волн может составлять: 1,60425 при 400 нм, 1,56442 при 632,8 нм и 1,56031 при 700 нм.

Изготовление или формирование мезоразмерных частиц задней поверхности покровного стекла возможно, например, методами фотолитографии [патент РФ №2350996], 3D принтера и т.д.

Достигаемый в такой конструкции покровного стекла положительный эффект выражается в повышении пространственного разрешения микроскопа с использованием покровного стекла, при существующих объективах.

1. Микроскопное покровное стекло, включающее покровное стекло, на заднюю поверхность которого нанесена микролинза, отличающееся тем, что одна или несколько микролинз выполнены в виде мезоразмерных частичек с относительным показателем преломления по отношению к показателю преломления окружающей среды, находящимся в диапазоне примерно от 1.2 до 1.8, и характерным размером не менее длины волны падающего излучения, формирующих на своей задней поверхности фотонную струю с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел.

2. Микроскопное покровное стекло по п. 1, отличающееся тем, что мезоразмерные частицы внедрены в материал покровного стекла и фотонная струя формируется непосредственно на задней поверхности покровного стекла.

3. Микроскопное покровное стекло по п. 1 или 2, отличающееся тем, что мезоразмерные частицы расположены в виде одномерного монослоя.

4. Микроскопное покровное стекло по п. 1 или 2, отличающееся тем, что мезоразмерные частицы расположены в виде двумерного монослоя.

5. Микроскопное покровное стекло по п. 1 или 2, отличающееся тем, что мезоразмерные частицы выполнены в форме решетки с цилиндрическим профилем.

6. Микроскопное покровное стекло по п. 1 или 2, отличающееся тем, что мезоразмерные частицы выполнены в форме решетки с прямоугольным профилем.

7. Микроскопное покровное стекло по п. 1 или 2, отличающееся тем, что мезоразмерные частицы выполнены в форме решетки с треугольным профилем.

8. Микроскопное покровное стекло по п. 1 или 2, отличающееся тем, что мезоразмерные частицы выполнены в форме сферы.

9. Микроскопное покровное стекло по п. 1 или 2, отличающееся тем, что мезоразмерные частицы выполнены в форме усеченной сферы.

10. Микроскопное покровное стекло по п. 1 или 2, отличающееся тем, что мезоразмерные частицы выполнены в форме куба.

11. Микроскопное покровное стекло по п. 1 или 2, отличающееся тем, что мезоразмерные частицы выполнены в форме цилиндра, при падении излучения с его торца.