Лазерный доплеровский микроскоп

 

ЛАЗЕРНЬЙ ДОППЛЕРОВСКИЙ МИКРОСКОП , содержащий канал визуального наблюдения и измерительный канал , в котором последовательно размещены источник когерентного светового излучения, оптический формирователь 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 допплеровского сдвига частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений скорости движения за счет устранения влияния деполяризующих факторов микрообъектов , 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, причем отражательные грани наклонены в рабочей плоскости к основанию под i углом, удовлетворяющим условиям: -J- x135°, (Л П.,COS 2 , У М с Sin2 b где cf и Ъ - расстояния между осями входных пучков и общим 00 00 основанием; HT и Hj- показатели преломления го оо ю у и К - углы наклона отражательных граней к основанию, при этом выходная грань составляет 1чЭ с основанием угол, равный 2-у-- и ос Я 2j-2 соответственно.

„„SU„„882322

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

gag С 01 P 3/36

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2 i ) 2957885/18-10 (22) 16.07.80 (46) 15.12,84. Бюл. № 46 (72) Ю.Н. Дубнищев и В.А. Павлов (71) Институт автоматики и электрометрии CO АН СССР (53) 532.574(088.8) (56) 1. Riva С. и др. Investigative

Ophthalmology. 1972, II, ¹ 11, 936944.

2. Mishina M. и др. Optics and

Laser Technology. 1976, 8, № 3, 121127 (прототип). (54)(57) ЛАЗЕРНЫЙ 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 допплеровского сдвига частоты, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повьппения точности измерений скорости движения за счет устранения влияния деполяризующих факторов микрообъектов, 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, причем отражательные грани наклонены в рабочей плоскости к основанию под углом, удовлетворяющим условиям:

g+f ) 135 и„сО5 2 f п2 С05 2 : .яо 2Э. с(S1n 2 Ь где cf и Ь вЂ” расстояния между осями входных пучков и общим основанием; и и — показатели преломления у и — углы наклона отражатель- ных граней к основанию, при этом выходная грань составляет с основанием угол, равный 2 у — —" и

2 я

2f- — соответственно.

1 88

Изобретение относится к областиизмерительной техники и может быть использовано в экспериментальной физике и биологии для исследования движения микрообъектов.

Известно устройство для определения скорости тока крови в сосудах допплеровским .способом, содержащее лазерный двухлучевой интерферометр, в котором в качестве референтного пучка используется свет, рассеянный стенками стеклянного капилляра (1 ).

Исследуемая среда (например, кровь) двигается внутри капилляра.

Цопплеровский сдвиг частоты определяется с помощью анализатора спектра.

Недостатком этого устройства яв ля яется малая точность измерений изза присутствия в выходном сигнале низкочастотного пьедестала, понижающего отношение сигнал — шум.

Известно устройство для измерения скорости движения микрообъектов лазерный микроскоп, содержащий канал визуального наблюдения и измерительный канал, в котором последовательно размещены источник когерентного светового излучения, оптический формирователь 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 допплеровского сдвига частоты (2 J.

В предметной плоскости лазерного доппю еровского микроскопа, выполненного по такой схеме, формируются два зондирующих ортогонально-поляризованных интерференционных поля, полосы в которых находятся в противофазе. Изображения этих интерференционных полей в свете, рассеянном движущимся микрообъектом, разделяются по поляризации и формируются на соответствующих фотоприемниках, Вследствие деполяризации рассеянного излучения сигнал каждого из каналов на выходе фотоприемного устройства содержит наряду с синфазным низ кочастотным пьедесталом и противофаз ной интерференционной, компонентой синфазную интерференционную компоненту. На выходе дифференциального усилителя синфазные ниэкоча тотный пьедестал и интерференционная ком2322 1 понента подавляются, С усилением деполяризации происходит перекачка энергии из полезной противофазной компоненты в паразитную компоненту допплеровского сигнала, что ведет

S к уменьшению отношения сигнал — шум и, следовательно, к понижению точности измерений. Так как результирующий допплеровский сдвиг частоты определяется произведением пространственной частоты зондирующего интерференционного поля на скорость движения микро" объекта, результат измерения зависит от геометрии освещающего лазерного пучка

Цель изобретения — повышение точности измерений .скорости движения за счет устранения влияния деполяри— зирующих факторов микрообъектов.

Цель достигается тем, что в известном лазерном микроскопе, содержащем канал визуа. ьного наблюдения и измерительный канал, в котором последовательно размещен источник когерентного светового излучения, оптический формирователь зондирующего светового поля, микрообъектив, фильтр угловых спектральных компонент оптического си-..ала, оптический рекомбинационный

30 элемент с взаимной фазовой инверсией каналов и двухканальное фотоприемное устройство, последовательно к которому подключены дифференциальный усилитель и электронный измеритель допплеровского сдвига частоты, 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, причем отражательные грани призм наклонены в рабочей плоскости к основанию под углом, удовлетворяющим условиям: у+(r 5Á и соз 2у =11 соь 2(510 2 f

5115 "f O где и и Ь вЂ” расстояния между. осями входных пучков и общим основанием; и, и и — показатели преломления; у и — углы наклона отражатель55 ных граней к основанию, при этом входная грань каждой из призм ортогональна оптической оси, 88232 с осно и 2 -—

j7

3 а выходная грань составляет

JI ванием угол, равный 2 у —— ты.

Оптический рекомбинационный элемент состоит из двух отражательных усеченных призм; выполненных из материалов с отличающимися показателями преломления п1 и и . Основания призм совмещены и ориентированы параллельно оптической оси. Задние отражательные грани призм наклонены в рабочей плоскости к общему основанию под углом, удовлетворяют условиям: у+ ) 135

50 сиз 2З =и 0os 2k

51п 2Э

В1 1 2 Ь (zL где д и Ь вЂ” расстояния между осями 55 входных пучков и общим основанием призм. Входная грань каждой из призм ортогональна оптической оси, а высоответственно.

На фиг. 1 показана схема устрой5 ства; на фиг. 2 — оптический рекомбинационный элемент с взаимной фазовой инверсией каналов, Микроскоп содержит канал визуального наблюдения и измерительный каf0 нал. Канал визуального наблюдения состоит из микрообъектива 1, светоделительной призмы 2 и окуляра 3.

Измерительнай канал содержит последовательно расположенные источник l5 когерентного света (лазер) 4, оптический формирователь зондирующего светового поля, состоящий из поворотного зеркала 5 и объектива 6, микрообъектив 1, светоделительную

20 призму 2, согласующий объектив 7, фильтр 8 угловых спектральных компонент оптического сигнала и двухканальный оптический рекомбинационный элемент 9. Фильтр 8 установлен

25 в плоскости Фурье, сопряженной с предметной плоскостью, На выходе рекомбинационного элемента 9 расположено двухканальное фотоприемное устройство, состоящее из фотоприемников 10 и 11, помещенных в плоскос30 тях, оптически сопряженных с предметной плоскостью. К выходам фотоприемников подключены дифференциальныи усилитель 12 и электронный измеритель 13 допплеровского сдвига часто- 35

2 4 ходная 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 микрообъекта, поле которых можно описать выражением

-1 (A>+ Ы d„) g

e„=A„e

2 е,=Я е

2 2 где Я„и 42 — амплитуды поля;

ы, — частота излучения лазера;

ыd иод — допплеровские сдвиги частоты.

Md = / К вЂ” К 1 (s) >d =V К -К.

sz где V — вектор скорости микрообьекта;

k. — волновой вектор освещающего

1 микрообъект лазерного пучка; и К„ — волйовые вектора выделенных фильтром угловых спектральных компонент.

Выделенные фильтром световые пучки направляются в рекомбинационный элемент 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 ОМ1й„и ОМ2М получим для углов падения 8 и 8> следующие соотношения:

0 =21 ——

1 О 2 (ь), л

ez= zf

Условия совмещения точек преломления первого и второго пучков следуют из рассмотрения треугольников Ой„ D и ONZ D . откуда следует соотношение (3).

882322

Выходные грани мально к выходным ны к совмещенному под углом 2 1. ——

2 ориентированы норпучкам и наклоне-. оснойанию призм

Г и 2 - — соответ2

20 (8) ЗО

Найдем условие пространственного

;совмещения отраженных и преломленных в точке О пучков, Для этого углы В„ и 92 должны удовлетворять закону преломления 5

nZS1n 8 =n 51п 8 . (7)

2 1

После подстановки (6) и (7) полу чаем соотношение (2)

n cos 2y = n co5 2 ственно.

Пусть вектор поля в I пучке направлен под углом с „, к плоскости падения, а вектор во II пучке — под углом 0 . Тогда составляющие векторов поля, параллельные и перпендикулярные к плоскости падения, будут иметь вид:

Е =Е С050

1 " 1 > (I.)

Е =е 5пС

1 1 1 для первого пучка и (и!

= е cos9

2 2 е ()

2 для второго.

Результирующий сигнал на выходе дифференциального усилителя имеет вид: й1 = 1 -1 =P — Г ) А со5 с(-A соь 0(+

/2 21Г 2 2 2 2

2 1 0 !() 1

1 2 2

)(8 а п 2 -А sin e() ФА A

/2 2)Г 2 . 2 Z . 2

j)t, 1 1 2 2 1 2

Х Ь Г С05 OL С050(+ С Г 51П СС 51ПС(С05Щд1 ,и н 1 2 11 1 2/

1 где Т вЂ” коэффициент пропускания; — коэффициент отражения для волны соответствующей поляризации.

При 41= А2, Ы1 2 0С получается полная компенсация низкочастотного пьедестала:

01= 4jSA ь Г cos 8+v r sin 3 cos dk

2 (,» 2 . 2 Н 0.Е

Поскольку w d = Md„— (u dz 1 o учитывая (2), золучаем: (12 )

Из (12) видно, что результирующий разностный допплеровский сдвиг частоты не зависит от геометрии пада10щ го 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

Корректор 1 ясно

Редактор Л. Письман Техред C.Èèãóíîâà

Подписное

Филиал ПП11 "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 9205/2 Тираж 822

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

rro делам изобретений и открытий

113035, Г1осква, й-35, Раушская наб., д. 4/5