RU2745099C1 - Optoelectronic microscope - Google Patents

Optoelectronic microscope Download PDF

Info

Publication number
RU2745099C1
RU2745099C1 RU2020124990A RU2020124990A RU2745099C1 RU 2745099 C1 RU2745099 C1 RU 2745099C1 RU 2020124990 A RU2020124990 A RU 2020124990A RU 2020124990 A RU2020124990 A RU 2020124990A RU 2745099 C1 RU2745099 C1 RU 2745099C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lens
optical
image
objective
resolution
Prior art date
Application number
RU2020124990A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Владимирович Медведев
Александр Васильевич Гринкевич
Дмитрий Сергеевич Соколов
Светлана Николаевна Князева
Original Assignee
Александр Владимирович Медведев
Александр Васильевич Гринкевич
Дмитрий Сергеевич Соколов
Светлана Николаевна Князева
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Александр Владимирович Медведев, Александр Васильевич Гринкевич, Дмитрий Сергеевич Соколов, Светлана Николаевна Князева filed Critical Александр Владимирович Медведев
Priority to RU2020124990A priority Critical patent/RU2745099C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2745099C1 publication Critical patent/RU2745099C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/36Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements
    • G02B21/365Control or image processing arrangements for digital or video microscopes

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)

Abstract

FIELD: microscopy.
SUBSTANCE: microscope contains a television observation system with a matrix photodetector, an illumination system, a first lens, an electron-optical converter and a second lens. The first lens is made of two spherical mirrors, main one a concave and secondary a convex one, and its object surface is made in the form of a concave spherical surface facing the concavity towards the lens, and the photocathode of the image converter is aligned with the image plane. The second lens is optically coupled to the image converter screen and the matrix photodetector of the television channel and is made of two positive components. The object surface, the first lens, the image converter and the illumination system are enclosed in a vacuum volume. The ratios specified in the claims are fulfilled. EFFECT: ability to observe without the use of scanning precision mechanisms and provide a resolution value of less than 50 nm in the vacuum ultraviolet region of the spectrum at a design wavelength of ~ 30 nm.
1 cl, 3 dwg, 4 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть применено в качестве микроскопа высокого разрешения (минимально разрешаемый линейный размер порядка длины волны), обеспечивающего возможность наблюдения препаратов с микроскопическими (в том числе вирусными) объектами в вакуумной ультрафиолетовой области спектра с разрешением менее 50 нм.The proposed invention relates to the field of optoelectronic instrumentation and can be used as a high-resolution microscope (the minimum resolvable linear dimension is of the order of the wavelength), which makes it possible to observe preparations with microscopic (including viral) objects in the vacuum ultraviolet region of the spectrum with a resolution of less than 50 nm.

Известен ультрафиолетовый микроскоп (Авторское свидетельство №115024, СССР, 1955 г.), представляющий собой сочетание визуального ультрафиолетового микроскопа и диспергирующей спектральной системы, установленной перед изучаемым объектом, позволяющий получать в поле зрения микроскопа спектр применяемого источника света. Повышение разрешающей способности здесь достигается уменьшением рабочей длины волны.Known ultraviolet microscope (Inventor's certificate No. 115024, USSR, 1955), which is a combination of a visual ultraviolet microscope and a dispersive spectral system installed in front of the object under study, allowing you to obtain in the field of view of the microscope the spectrum of the applied light source. An increase in the resolution is achieved here by decreasing the operating wavelength.

Недостатком ультрафиолетового микроскопа является высокое значение минимальной длины волны, равное 248 нм и ограниченное интервалом длин волн 248÷689 нм, что не позволяет достичь высокой разрешающей способности менее 200 нм.The disadvantage of the ultraviolet microscope is the high value of the minimum wavelength, equal to 248 nm and limited by the wavelength interval of 248 ÷ 689 nm, which does not allow achieving high resolution less than 200 nm.

Известен монохромный микроскоп сверхвысокого разрешения (патент RU №2441291 С1, опубл. 27.01.2012 г.), содержащий в качестве фокусирующего элемента зонную пластинку, при этом микрообъект освещается монохроматическим излучением. Повышение разрешающей способности здесь достигается увеличением относительной апертуры фокусирующего элемента (Dф.э./Fф.э.) до значения ~ 3. Ожидается, что, при применении гелий-неонового лазера с длиной волны 632,8 нм в качестве источника монохроматического излучения и модифицированной зонной пластинки (с непрозрачной центральной областью) диаметром 30 мм с фокусным расстоянием менее 2 мм, можно достичь разрешения около 55 нм.Known is a monochromatic ultra-high resolution microscope (patent RU No. 2441291 C1, publ. 27.01.2012), containing a zone plate as a focusing element, while the micro-object is illuminated with monochromatic radiation. An increase in the resolving power is achieved here by increasing the relative aperture of the focusing element (D p.e. / F p.e. ) to a value of ~ 3. It is expected that when using a helium-neon laser with a wavelength of 632.8 nm as a source of monochromatic radiation and a modified zone plate (with an opaque central region) 30 mm in diameter with a focal length of less than 2 mm, a resolution of about 55 nm can be achieved.

Недостатком монохромного микроскопа сверхвысокого разрешения является сложность изготовления модифицированной зонной пластинки с большой затемненной центральной областью, требующей использования современных методов электронной литографии.The disadvantage of an ultrahigh-resolution monochrome microscope is the complexity of manufacturing a modified zone plate with a large darkened central region, which requires the use of modern methods of electron lithography.

Известен сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (патент на полезную модель RU №106958 U1, опубл. 27.07.2011 г.), содержащий зонд с сенсором поверхности, систему позиционирования зонда над образцом вдоль оси z, сканер, перемещающий образец вдоль осей x и у, светосильный зеркальный объектив, расположенный в дальней зоне, и передающий собранное излучение по многомодовому световоду в ФЭУ, электронный блок управления микроскопом. Микроскоп размещен на вставке в криостат, работающий в диапазоне температур от 1,8 до 300 К, вставка находится непосредственно в парах криогенного газа (гелия, или азота). Повышение разрешающей способности здесь достигается до величины оптического разрешения, равной ~ 50 нм, что стало возможным благодаря обеспечению в предложенной конструкции возбуждения образца через зонд и сбору отраженного излучения через светосильный зеркальный объектив, расположенных по одну сторону от образца. Излучение видимого диапазона фокусируется на маленькое отверстие перед объектом, которое по принципу действия конфокального микроскопа и определяет его разрешение. Сверхмалая диафрагма - базовый принцип работы большинства «ближнепольных» микроскопов.Known scanning near-field optical microscope (patent for utility model RU No. 106958 U1, publ. 27.07.2011), containing a probe with a surface sensor, a probe positioning system over the sample along the z axis, a scanner that moves the sample along the x and y axes, high-aperture a mirror lens located in the far zone and transmitting the collected radiation through a multimode fiber to a photomultiplier, an electronic microscope control unit. The microscope is placed on an insert in a cryostat, operating in the temperature range from 1.8 to 300 K, the insert is located directly in the vapor of a cryogenic gas (helium, or nitrogen). An increase in the resolving power is achieved here to an optical resolution of ~ 50 nm, which became possible due to the provision in the proposed design of excitation of the sample through the probe and collection of reflected radiation through a high-aperture mirror lens located on one side of the sample. The visible light is focused onto a small aperture in front of the object, which, like a confocal microscope, determines its resolution. The ultra-small aperture is the basic principle of operation of most "near-field" microscopes.

Недостатком сканирующего ближнепольного оптического микроскопа является возможность работы только в режиме сканирования, что требует довольно прецизионной механики, кроме того, значительное уменьшение светового потока, прошедшего за малое отверстие и вернувшегося обратно, существенно увеличивает время обработки изображения.The disadvantage of a scanning near-field optical microscope is the ability to operate only in the scanning mode, which requires rather precise mechanics; in addition, a significant decrease in the light flux that has passed through a small hole and returned back significantly increases the image processing time.

Известен инфракрасный микроскоп (Авторское свидетельство №980043, опубл. 07.12.1982 г.), содержащий оптическую систему и приемник излучения, установленные по ходу излучения от объекта, а также источник подсветки объекта и устройство сканирования и обработки электрического сигнала, подключенное к выходу приемника излучения, кювету, установленную на предметном столе и заполненную жидкой или газообразной средой, контактирующей с исследуемой поверхностью объекта и содержащей взвесь инертных по отношению к среде и объекту частиц, оптические свойства которых отличны от оптических свойств среды, а также блок измерения уширения спектра сигнала, вход которого соединен с выходом приемника излучения, а выход - со входом устройства обработки электрического сигнала. Вместо кюветы среда со взвесью частиц может быть нанесена на микрообъект в виде капли, т.е. с использованием свободного растекания по объекту. Введение жидкой или газообразной среды со взвесью частиц дает возможность проводить измерение распределения температуры на поверхности объекта косвенным методом, обеспечивающим высокую разрешающую способность, так как при таком методе измеряется изменение скорости броуновского движения частиц, пропорциональное распределению абсолютной температуры на поверхности объекта. Измерение изменения скорости броуновского движения частиц осуществляется в блоке измерения уширения спектра сигнала, получаемого от приемника излучения, поскольку указанное изменение скорости вызывает соответствующее уширение спектра источника подсветки. Благодаря применению косвенного метода измерения температуры в предлагаемом устройстве превзойден теоретически возможный для прямых методов предел разрешения, равный длине волны излучателя, т.е на длине волны 5÷10 мкм возможно достижение пространственного разрешения ~ 2 мкм.Known infrared microscope (Inventor's certificate No. 980043, publ. 07.12.1982), containing an optical system and a radiation receiver installed in the direction of radiation from the object, as well as a source of illumination of the object and a device for scanning and processing an electrical signal connected to the output of the radiation receiver , a cuvette installed on the stage and filled with a liquid or gaseous medium in contact with the investigated surface of the object and containing a suspension of particles inert with respect to the medium and the object, the optical properties of which are different from the optical properties of the medium, as well as a unit for measuring the broadening of the signal spectrum, the input of which is connected to the output of the radiation receiver, and the output is connected to the input of the electrical signal processing device. Instead of a cuvette, a medium with a suspension of particles can be applied to a micro-object in the form of a drop, i.e. using free flowing over the object. The introduction of a liquid or gaseous medium with a suspension of particles makes it possible to measure the temperature distribution on the surface of an object by an indirect method that provides a high resolution, since this method measures the change in the speed of Brownian motion of particles, which is proportional to the distribution of the absolute temperature on the surface of the object. The measurement of the change in the speed of the Brownian motion of the particles is carried out in the unit for measuring the broadening of the spectrum of the signal received from the radiation receiver, since the indicated change in the speed causes a corresponding broadening of the spectrum of the illumination source. Due to the use of the indirect method of measuring the temperature in the proposed device, the theoretically possible limit of resolution equal to the wavelength of the emitter, which is theoretically possible for direct methods, is exceeded, i.e. at a wavelength of 5 ÷ 10 μm it is possible to achieve a spatial resolution of ~ 2 μm.

Недостатком инфракрасного микроскопа является высокое значение минимальной длины волны, равное 5 мкм и ограниченное интервалом длин волн 5÷10 мкм, что не позволяет достичь высокой разрешающей способности менее 2 мкм.The disadvantage of the infrared microscope is the high value of the minimum wavelength, equal to 5 microns and limited to the wavelength interval of 5-10 microns, which does not allow achieving high resolution less than 2 microns.

Известен инфракрасный микроскоп (Авторское свидетельство №194356, опубл. 30.III.1967 г.), содержащий осветитель, объектив, приемник излучения, в качестве которого использован электронно-оптический преобразователь, систему для проектирования изображения и систему поляроидов. Здесь применение для коноскопирования оптической системы, непосредственно проектирующей интерференционную картину, возникающую в выходном зрачке объектива, на фотокатод электронно-оптического преобразователя и расположение этой оптической системы и проекционных окуляров для ортоскопии на револьвере, позволяет упростить оптическую схему прибора для работы в обычном свете и при работе в инфракрасных лучах и создать максимальные удобства наблюдателю.Known infrared microscope (Inventor's certificate No. 194356, publ. 30.III.1967), containing an illuminator, a lens, a radiation receiver, which is used as an electro-optical converter, a system for projecting an image and a system of polaroids. Here, the use of an optical system for conoscopy, which directly projects the interference pattern arising in the exit pupil of the objective, onto the photocathode of an electron-optical converter and the location of this optical system and projection eyepieces for orthoscopy on a revolver, makes it possible to simplify the optical scheme of the device for operation in normal light and during operation. in infrared rays and create maximum comfort for the observer.

Недостатком инфракрасного микроскопа является разрешающая способность, определяемая возможностями обычного видимого света и наблюдением в инфракрасных лучах.The disadvantage of an infrared microscope is the resolution, determined by the capabilities of conventional visible light and observation in infrared rays.

Наиболее близким по технической сущности является микроскоп (патент на полезную модель RU №126481 U1, опубл. 27.03.2013 г.), включающий телевизионную систему наблюдения с матричным фотоприемником, первый фильтр, первый объектив, оптически связанный с последовательно расположенными первым фильтром и матричным фотоприемником, систему подсветки, включающую излучающий диод, второй фильтр и второй объектив, расположенные на оптической оси микроскопа между первым фильтром и матричным фотоприемником, при этом излучающий диод оптически связан с первым объективом посредством первого фильтра, выполненного в виде первой плоскопараллельной пластины, имеющей на одной поверхности спектроделительное оптическое покрытие с пропусканием под углом 45 градусов более или равным 0,3 в диапазоне длин волн 540-700 нм и отражением под углом 45 градусов более или равным 0,3 в диапазоне длин волн 610-640 нм, второй фильтр выполнен в виде второй плоскопараллельной пластины, имеющей пропускание вдоль нормали к ее плоскопараллельным рабочим поверхностям более или равное 0,4 в диапазоне длин волн 550-700 нм и менее 0,01 в диапазоне длин волн менее 500 нм, а излучающий диод имеет спектральный состав излучения с коротковолновой границей в пределах от 600 нм до 620 нм и длинноволновой границей в пределах от 640 нм до 670 нм. Здесь задача увеличения разрешающей способности микроскопа решается путем сужения спектрального состава оптического излучения, используемого для формирования изображения.The closest in technical essence is a microscope (patent for a useful model RU No. 126481 U1, publ. 03/27/2013), including a television observation system with a matrix photodetector, the first filter, the first lens, optically connected to the first filter and matrix photodetector in series , an illumination system including an emitting diode, a second filter and a second objective located on the optical axis of the microscope between the first filter and the array photodetector, while the emitting diode is optically connected to the first objective by means of a first filter made in the form of a first plane-parallel plate having on one surface spectral-splitting optical coating with a transmission at an angle of 45 degrees greater than or equal to 0.3 in the wavelength range of 540-700 nm and a reflection at an angle of 45 degrees greater than or equal to 0.3 in the wavelength range of 610-640 nm, the second filter is made in the form of a second plane-parallel plate with transmission along the normal to its plane-parallel working surfaces more than or equal to 0.4 in the wavelength range 550-700 nm and less than 0.01 in the wavelength range less than 500 nm, and the emitting diode has a spectral composition of radiation with a short-wavelength boundary in the range from 600 nm to 620 nm and a long-wavelength border in the range from 640 nm to 670 nm. Here, the problem of increasing the resolution of the microscope is solved by narrowing the spectral composition of the optical radiation used to form the image.

Недостатком микроскопа является возможность работы в диапазоне длин волн от 540 до 700 нм, дифракционный предел для которых не позволяет достичь высокой разрешающей способности менее 500 нм.The disadvantage of the microscope is the ability to work in the wavelength range from 540 to 700 nm, the diffraction limit for which does not allow achieving high resolution less than 500 nm.

Задачей настоящего изобретения является создание оптико-электронного микроскопа, обеспечивающего возможность наблюдения микроскопических (в том числе вирусных) препаратов без использования сканирующих прецизионных механизмов при достижении значения разрешающей способности порядка 50 нм.The objective of the present invention is to create an optical-electronic microscope that provides the ability to observe microscopic (including viral) preparations without using precision scanning mechanisms when the resolution value is about 50 nm.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в оптико-электронном микроскопе, содержащем телевизионную систему наблюдения с матричным фотоприемником, первый объектив, систему подсветки и второй объектив, в отличие от известного, содержится электронно-оптический преобразователь, а первый объектив выполнен из двух сферических зеркал, главного вогнутого и вторичного выпуклого, причем предметная поверхность первого объектива выполнена в виде вогнутой сферической поверхности, обращенной вогнутостью к объективу, а с плоскостью изображения совмещен фотокатод электронно-оптического преобразователя, при этом второй объектив оптически сопряжен с экраном электронно-оптического преобразователя и матричным фотоприемником телевизионного канала и выполнен из двух положительных компонентов, каждый из которых содержит четыре оптических элемента, а апертурная диафрагма расположена между первым и вторым компонентами второго объектива, при этом предметная поверхность, первый объектив, электронно-оптический преобразователь и система подсветки заключены в вакуумный объем и выполняются следующие соотношения:The technical result due to the task is achieved by the fact that in an optical-electronic microscope containing a television observation system with a matrix photodetector, the first lens, the illumination system and the second lens, unlike the known one, contains an electro-optical converter, and the first lens is made of two spherical mirrors, the main concave and secondary convex, and the object surface of the first lens is made in the form of a concave spherical surface facing the concavity to the lens, and the photocathode of the image converter is aligned with the image plane, while the second lens is optically coupled with the screen of the image converter and a matrix photodetector of a television channel and is made of two positive components, each of which contains four optical elements, and the aperture diaphragm is located between the first and second components of the second lens, while the object surface, ne A single lens, an image intensifier and a backlight system are enclosed in a vacuum volume and the following ratios are fulfilled:

Figure 00000001
Figure 00000001

где λОБ1 - расчетная длина волны для первого объектива и системы подсветки;where λ OB1 is the calculated wavelength for the first lens and illumination system;

VOб1 - линейное увеличение первого объектива;V Oб1 - linear magnification of the first lens;

ρэ - линейная разрешающая способность оптической системы первого объектива;ρ e - linear resolution of the optical system of the first objective;

NЭОП - разрешающая способность электронно-оптического преобразователя;N EOP - resolution of the image intensifier;

RПП - радиус кривизны предметной поверхности;R PP - radius of curvature of the object surface;

FОБ1 - фокусное расстояние первого объектива;F OB1 - focal length of the first lens;

VOБ2 - линейное увеличение второго объектива;V OB2 - linear magnification of the second objective;

dфп - размер пикселя матричного фотоприемника.d fp - pixel size of the matrix photodetector.

Такой оптико-электронный микроскоп обеспечивает возможность наблюдения препаратов с микроскопическими (в том числе вирусными) объектами в вакуумной ультрафиолетовой области спектра с разрешением менее 50 нм без использования сканирующих прецизионных механизмов.Such an optical-electronic microscope makes it possible to observe preparations with microscopic (including viral) objects in the vacuum ultraviolet region of the spectrum with a resolution of less than 50 nm without using precision scanning mechanisms.

Оптическая схема оптико-электронного микроскопа приведена на фигуре 1.The optical scheme of the optical-electronic microscope is shown in figure 1.

Оптико-электронный микроскоп содержит предметную поверхность 1, систему подсветки 2, первый объектив I, состоящий из вторичного выпуклого сферического зеркала 3 и главного вогнутого сферического зеркала 4, электронно-оптический преобразователь (ЭОП) 5, второй объектив II, состоящий из первого компонента III, состоящего из оптических элементов 6, 7, 8 и 9, апертурной диафрагмы 10 и второго компонента IV, состоящего из оптических элементов 11, 12, 13 и 14, защитное стекло 15 матричного фотоприемника 16, электронный блок 17, монитор 18 телевизионного канала 19 и вакуумный объем 20.An optical-electronic microscope contains an object surface 1, an illumination system 2, a first objective I, consisting of a secondary convex spherical mirror 3 and a main concave spherical mirror 4, an electro-optical converter (EOC) 5, a second objective II, consisting of the first component III, consisting of optical elements 6, 7, 8 and 9, aperture diaphragm 10 and the second component IV, consisting of optical elements 11, 12, 13 and 14, protective glass 15 of the matrix photodetector 16, electronic unit 17, monitor 18 of the television channel 19 and vacuum volume 20.

Изображение предмета 1 переносится в плоскость фотокатода электронно-оптического преобразователя 5 с помощью первого объектива I. Конструктивные параметры возможного варианта исполнения первого объектива I оптико-электронного микроскопа приведены в таблице 1.The image of the object 1 is transferred to the plane of the photocathode of the electron-optical converter 5 using the first objective I. The design parameters of a possible embodiment of the first objective I of the optical-electron microscope are shown in Table 1.

Figure 00000002
Figure 00000002

Параметры возможного варианта исполнения первого объектива I оптико-электронного микроскопа следующие:The parameters of a possible version of the first objective I of the optical-electronic microscope are as follows:

- линейное увеличение первого объектива I, крат- linear magnification of the first objective I, times 67;67; - линейное поле зрения, мм- linear field of view, mm 0,26;0.26; - числовая апертура первого объектива I- numerical aperture of the first objective I 0,4;0.4; - расчетная длина волны, нм- calculated wavelength, nm 30;thirty; - теоретическая разрешающая способность, нм- theoretical resolution, nm 45,75;45.75; - диаметр фотокатода ЭОП, мм- diameter of the photocathode of the image intensifier, mm 17,5;17.5; - разрешающая способность ЭОП, штр/мм- resolution of the image intensifier, lines / mm 150;150; - длина по оптической оси от предмета до фотокатода ЭОП, мм- length along the optical axis from the object to the photocathode of the image intensifier, mm 407,3.407.3.

В качестве системы подсветки 2 возможно использование спектральной лампы тлеющего разряда типа ЛГВМ-0,5 с наполнением смесью гелия и водорода. Разрядные лампы рекомендованы ГОСТ Ρ 25645.338-96 для области спектра от 10 до 200 нм. ЛГВМ-0,5 содержит окно из фтористого магния, вакуумно-плотно припаянное к стеклу, серийно выпускается Государственным оптическим институтом им. С.И. Вавилова, конструктивные параметры приведены в таблице 2.As an illumination system 2, it is possible to use a spectral glow discharge lamp of the LGVM-0.5 type filled with a mixture of helium and hydrogen. Discharge lamps are recommended by GOST 25645.338-96 for the spectral range from 10 to 200 nm. LGVM-0.5 contains a window made of magnesium fluoride, vacuum-tightly soldered to the glass, serially produced by the State Optical Institute named after V.I. S.I. Vavilov, design parameters are given in table 2.

Figure 00000003
Figure 00000003

Для работы в области длин волн короче 105 нм в качестве варианта исполнения входного окна ЛГВМ-0,5 возможно использование тонких полимерных пленок, помещенных на мелкую сетку.For operation in the region of wavelengths shorter than 105 nm, as a variant of the LGVM-0.5 entrance window, it is possible to use thin polymer films placed on a fine grid.

Электронно-оптический преобразователь 5 разработан предприятием ООО «МЭЛЗ ФЭУ» под наименованием «ЭОП Со», конструктивные параметры ультрафиолетового варианта исполнения электронно-оптического преобразователя «ЭОП Со» приведены в таблице 3.Electron-optical converter 5 was developed by LLC MELZ FEU under the name “EOP Co”, design parameters of the ultraviolet version of the image converter “EOP Co” are given in Table 3.

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

Изображение экрана электронно-оптического преобразователя 5 переносится в плоскость матричного фотоприемника 16 телевизионного канала 19 с помощью второго объектива II.The image of the screen of the electron-optical converter 5 is transferred to the plane of the matrix photodetector 16 of the television channel 19 using the second lens II.

Конструктивные параметры варианта исполнения второго объектива II оптико-электронного микроскопа приведены в таблице 4.The design parameters of the version of the second objective II of the optical-electronic microscope are shown in Table 4.

Figure 00000006
Figure 00000006

Figure 00000007
Figure 00000007

Линейное увеличение второго объектива II составляет 1,785 крата.The linear magnification of the second objective II is 1.785 krat.

Общая длина оптической системы от люминофора экрана ЭОП 5 до чувствительной площадки матричного фотоприемника 16 равна ~ 109,2 мм.The total length of the optical system from the phosphor of the image intensifier tube 5 to the sensitive area of the matrix photodetector 16 is ~ 109.2 mm.

В качестве матричного фотоприемника 16 применен фотоприемник в варианте формата 12 мегапикселей, имеющий обозначение CMV12000. Разработан предприятием CMOSIS и производителем полупроводниковой продукции Tower Jazz, характеризуется шагом пикселей 5,5×5,5 мкм с разрешением активной области 4096×3072 пикселей, позволяет выполнять считывание данных со скоростью 300 кадров в секунду. Производится на предприятии Fab-2.As a matrix photodetector 16, a photodetector in a 12 megapixel format version, designated CMV12000, is used. Developed by CMOSIS and semiconductor manufacturer Tower Jazz, it has a pixel pitch of 5.5 × 5.5 µm with an active area resolution of 4096 × 3072 pixels, and can read data at 300 frames per second. Produced at Fab-2.

Принцип действия оптико-электронного микроскопа заключается в следующем.The principle of operation of an optical-electronic microscope is as follows.

Исследуемый образец помещается на предметную поверхность 1 и освещается системой подсветки 2 излучением с длиной волны, выбранной из соотношения:The sample under study is placed on the object surface 1 and illuminated by the illumination system 2 with radiation with a wavelength selected from the ratio:

Figure 00000008
Figure 00000008

где λОБ1 - расчетная длина волны для первого объектива I и системы подсветки 2.where λ OB1 is the calculated wavelength for the first lens I and illumination system 2.

Выполнение этого соотношения позволяет обеспечить в центре поля зрения теоретически достижимую разрешающую способность менее 50 нм при соответствующей числовой апертуре первого объектива I. Зеркальные поверхности выпуклого 3 и вогнутого 4 сферических зеркал могут быть выполнены в варианте с многослойным Mo-Si покрытием на кварцевом стекле (плавленый кварц КУ-1), отработанным для ВУФ диапазона в технике электронной литографии и в вакуумной ультрафиолетовой астрономии.The fulfillment of this ratio allows to provide in the center of the field of view the theoretically achievable resolution of less than 50 nm with the corresponding numerical aperture of the first objective I. The mirror surfaces of the convex 3 and concave 4 spherical mirrors can be made in the version with a multilayer Mo-Si coating on quartz glass (fused silica KU-1), developed for the VUV range in the technique of electron lithography and in vacuum ultraviolet astronomy.

Первый объектив I, состоящий из вторичного выпуклого сферического зеркала 3 и главного вогнутого сферического зеркала 4, переносит изображение образца, находящегося на предметной поверхности 1, в плоскость фотокатода электронно-оптического преобразователя 5, при этом линейное увеличение первого объектива I выбирается из соотношения:The first objective I, consisting of a secondary convex spherical mirror 3 and a main concave spherical mirror 4, transfers the image of the sample located on the object surface 1 into the plane of the photocathode of the image converter 5, while the linear magnification of the first objective I is selected from the ratio:

Figure 00000009
Figure 00000009

где VОБ1 - линейное увеличение первого объектива I;where V OB1 - linear magnification of the first lens I;

ρэ - линейная разрешающая способность оптической системы первого объектива I;ρ e - linear resolution of the optical system of the first objective I;

ΝЭОП - разрешающая способность электронно-оптического преобразователя 5.Ν Image intensifier - the resolution of the image intensifier 5.

Выполнение этого соотношения позволяет обеспечить согласование разрешающей способности электронно-оптического преобразователя 5 с теоретически достижимой разрешающей способностью первого объектива I. Предметная поверхность 1 первого объектива I выполнена в виде вогнутой сферической поверхности, обращенной вогнутостью к объективу I, радиус кривизны которой выбирается из соотношения:Fulfillment of this ratio makes it possible to match the resolution of the image-converter 5 with the theoretically achievable resolution of the first lens I. The object surface 1 of the first lens I is made in the form of a concave spherical surface facing the concavity of the lens I, the radius of curvature of which is selected from the ratio:

Figure 00000010
Figure 00000010

где RПП - радиус кривизны предметной плоскости 1;where R PP is the radius of curvature of the object plane 1;

Fоб1 - фокусное расстояние первого объектива I.F about1 - focal length of the first lens I.

Выполнение этого соотношения позволяет обеспечить высокое качество изображения образца, находящегося на предметной поверхности 1 диаметром ∅ 0,26 мм, построенное первым объективом I на фотокатоде ЭОП 5 диаметром ∅ 17,5 мм, как в центре, так и по всему полю зрения. Контрастные характеристики качества изображения варианта исполнения объектива I для частоты Найквиста 150 штр/мм, определяемой разрешающей способностью ΝЭОП, близки к дифракционному пределу для всего поля зрения и показаны на фиг. 2.The fulfillment of this ratio makes it possible to ensure a high quality of the image of the sample located on the object surface 1 with a diameter of ∅ 0.26 mm, built by the first objective I on the photocathode of an image intensifier 5 with a diameter of ∅ 17.5 mm, both in the center and throughout the field of view. The contrast characteristics of the image quality of the lens version I for the Nyquist frequency of 150 lines / mm, determined by the resolution Ν of the image intensifier tube , are close to the diffraction limit for the entire field of view and are shown in Fig. 2.

Изображение экрана электронно-оптического преобразователя 5 переносится в плоскость матричного фотоприемника 16 телевизионного канала 19 с помощью второго объектива II, при этом линейное увеличение второго объектива II выбирается из соотношения:The image of the screen of the image converter 5 is transferred to the plane of the matrix photodetector 16 of the television channel 19 using the second lens II, while the linear magnification of the second lens II is selected from the ratio:

Figure 00000011
Figure 00000011

где VОБ2 - линейное увеличение второго объектива II;where V OB2 - linear magnification of the second objective II;

dфп - размер пикселя матричного фотоприемника 16.d fp - pixel size of the matrix photodetector 16.

Выполнение этого соотношения позволяет обеспечить согласование размера пикселя матричного фотоприемника 16 телевизионного канала 19 с теоретически достижимой разрешающей способностью первого объектива I, не ухудшая качество исходного изображения.Fulfillment of this ratio makes it possible to ensure that the pixel size of the matrix photodetector 16 of the television channel 19 is matched with the theoretically achievable resolution of the first lens I without degrading the quality of the original image.

Качество изображения второго объектива II обеспечивается его конструктивным исполнением. Объектив конструктивно выполнен из двух положительных компонентов III и IV, каждый из которых содержит четыре оптических элемента (6, 7, 8, 9 и 11, 12, 13, 14 соответственно), при этом апертурная диафрагма расположена между первым и вторым компонентами второго объектива II. Контрастные характеристики качества изображения объектива II для частоты Найквиста 91 штр/мм, определяемой размером пикселя матричного фотоприемника dфп (5,5 мкм), показаны на фиг. 3.The image quality of the second lens II is ensured by its design. The lens is structurally made of two positive components III and IV, each of which contains four optical elements (6, 7, 8, 9 and 11, 12, 13, 14, respectively), while the aperture diaphragm is located between the first and second components of the second lens II ... The contrast characteristics of the image quality of objective II for the Nyquist frequency of 91 lines / mm, determined by the pixel size of the matrix photodetector d fp (5.5 μm), are shown in Fig. 3.

Исходная разрешающая способность микроскопа определяется параметрами первого объектива I по величине радиуса кружка Эри в пространстве предметов (формула II.37 монографии «Оптика микроскопов. Расчет и проектирование», Панов В.Α., Андреев Л.Н., Ленинград, «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1976):The initial resolution of the microscope is determined by the parameters of the first objective I by the size of the radius of the Airy circle in the space of objects (formula II.37 of the monograph "Optics of microscopes. Calculation and design", Panov V.Y., Andreev LN, Leningrad, "Mechanical engineering", Leningrad branch, 1976):

Figure 00000012
Figure 00000012

где: λ - расчетная длина волны объектива I (λ=λОБ1);where: λ is the calculated wavelength of the lens I (λ = λ OB1 );

А - числовая апертура объектива I в пространстве предметов.A is the numerical aperture of objective I in the object space.

Figure 00000013
Figure 00000013

где: n - показатель преломления среды в пространстве предметов;where: n is the refractive index of the medium in the space of objects;

u - передний апертурный угол объектива I.u is the front aperture angle of the lens I.

Формула критерия Релея демонстрирует основные пути увеличения разрешающей способности микроскопов и фотолитографических систем, один из которых - уменьшение длины волны λ (λОБ1). Исходя из расчетной длины волны λОБ1=30 нм и числовой апертуры объектива, равной А=0,4 (см. табл. 1), получаем теоретически достижимую разрешающую способность первого объектива I, равную ρэ ≈ 45,75 нм. Выполнение выше приведенных соотношений не ухудшает разрешающей способности первого объектива I, таким образом, полученная величина ρэ ≈ 45,75 нм позволяет наблюдать микроскопические (в том числе вирусные) объекты с размерами 50-200 нм. Для учета особенности спектрального диапазона вакуумной ультрафиолетовой области спектра с длинами волн от 20 до 40 нм предметная поверхность 1, первый объектив I, электронно-оптический преобразователь 5 и система подсветки 2 заключены в вакуумный объем 20, так как в воздухе резко возрастает поглощение этого излучения и для работы с ним необходимо создавать вакуум на протяжении всего тракта, где распространяется это излучение.The Rayleigh criterion formula demonstrates the main ways to increase the resolution of microscopes and photolithographic systems, one of which is to decrease the wavelength λ (λ OB1 ). Based on the calculated wavelength λ OB1 = 30 nm and the numerical aperture of the objective equal to A = 0.4 (see Table 1), we obtain the theoretically achievable resolution of the first objective I equal to ρ e ≈ 45.75 nm. Fulfillment of the above relations does not impair the resolution of the first objective I, thus, the obtained value of ρ e ≈ 45.75 nm makes it possible to observe microscopic (including viral) objects with sizes of 50-200 nm. To take into account the peculiarities of the spectral range of the vacuum ultraviolet region of the spectrum with wavelengths from 20 to 40 nm, the object surface 1, the first objective I, the electron-optical converter 5 and the illumination system 2 are enclosed in a vacuum volume 20, since the absorption of this radiation sharply increases in air and to work with it, it is necessary to create a vacuum throughout the entire path where this radiation propagates.

Предлагаемый оптико-электронный микроскоп обеспечивает возможность наблюдения препаратов с микроскопическими (в том числе вирусными) объектами в вакуумной ультрафиолетовой области спектра с разрешением менее 50 нм на расчетной длине волны ~ 30 нм без использования сканирующих прецизионных механизмов.The proposed optical-electronic microscope provides the ability to observe preparations with microscopic (including viral) objects in the vacuum ultraviolet region of the spectrum with a resolution of less than 50 nm at a design wavelength of ~ 30 nm without using precision scanning mechanisms.

Claims (10)

Оптико-электронный микроскоп, содержащий телевизионную систему наблюдения с матричным фотоприемником, первый объектив, систему подсветки и второй объектив, отличающийся тем, что содержит электронно-оптический преобразователь, а первый объектив выполнен из двух сферических зеркал, главного вогнутого и вторичного выпуклого, причем предметная поверхность первого объектива выполнена в виде вогнутой сферической поверхности, обращенной вогнутостью к объективу, а с плоскостью изображения совмещен фотокатод электронно-оптического преобразователя, при этом второй объектив оптически сопряжен с экраном электронно-оптического преобразователя и матричным фотоприемником телевизионного канала и выполнен из двух положительных компонентов, каждый из которых содержит четыре оптических элемента, а апертурная диафрагма расположена между первым и вторым компонентами второго объектива, при этом предметная поверхность, первый объектив, электронно-оптический преобразователь и система подсветки заключены в вакуумный объем и выполняются следующие соотношения:An optoelectronic microscope containing a television observation system with a matrix photodetector, a first lens, an illumination system and a second lens, characterized in that it contains an electro-optical converter, and the first lens is made of two spherical mirrors, the main concave and secondary convex, and the object surface of the first lens is made in the form of a concave spherical surface facing the concavity to the lens, and the photocathode of the electron-optical converter is aligned with the image plane, while the second lens is optically coupled with the screen of the image-converter and the matrix photodetector of the television channel and is made of two positive components, each of which it contains four optical elements, and the aperture diaphragm is located between the first and second components of the second lens, while the object surface, the first lens, the image converter and the illumination system are enclosed in a vacuum reasonable volume and the following ratios are met:
Figure 00000014
Figure 00000014
где λОБ1 - расчетная длина волны для первого объектива и системы подсветки;where λ OB1 is the calculated wavelength for the first lens and illumination system; VОБ1 _ линейное увеличение первого объектива;V OB1 _ linear magnification of the first objective; ρэ - линейная разрешающая способность оптической системы первого объектива;ρ e - linear resolution of the optical system of the first objective; NЭОП - разрешающая способность электронно-оптического преобразователя;N EOP - resolution of the image intensifier; RПП - радиус кривизны предметной поверхности;R PP - radius of curvature of the object surface; FОБ1 - фокусное расстояние первого объектива;F OB1 - focal length of the first lens; VОБ2 - линейное увеличение второго объектива;V OB2 - linear magnification of the second objective; dфп - размер пикселя матричного фотоприемника.d fp - pixel size of the matrix photodetector.
RU2020124990A 2020-07-20 2020-07-20 Optoelectronic microscope RU2745099C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020124990A RU2745099C1 (en) 2020-07-20 2020-07-20 Optoelectronic microscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020124990A RU2745099C1 (en) 2020-07-20 2020-07-20 Optoelectronic microscope

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2745099C1 true RU2745099C1 (en) 2021-03-19

Family

ID=74874453

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020124990A RU2745099C1 (en) 2020-07-20 2020-07-20 Optoelectronic microscope

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2745099C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5149972A (en) * 1990-01-18 1992-09-22 University Of Massachusetts Medical Center Two excitation wavelength video imaging microscope
DE69822807T2 (en) * 1997-04-09 2005-01-13 Richardson Technologies Inc., Bolton UV MICROSCOPE WITH COLOR IMPLEMENTATION
US20100012822A1 (en) * 2006-03-22 2010-01-21 Ikonisys, Inc. Imager system
EP3648453A1 (en) * 2018-10-31 2020-05-06 Uniwersytet Warszawski System for detection with high temporal and spatial resolution and method for detection with high temporal and spatial resolution

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5149972A (en) * 1990-01-18 1992-09-22 University Of Massachusetts Medical Center Two excitation wavelength video imaging microscope
DE69822807T2 (en) * 1997-04-09 2005-01-13 Richardson Technologies Inc., Bolton UV MICROSCOPE WITH COLOR IMPLEMENTATION
US20100012822A1 (en) * 2006-03-22 2010-01-21 Ikonisys, Inc. Imager system
EP3648453A1 (en) * 2018-10-31 2020-05-06 Uniwersytet Warszawski System for detection with high temporal and spatial resolution and method for detection with high temporal and spatial resolution

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102088650B1 (en) Optical characteristic measurement apparatus and optical system
US8472111B2 (en) Apparatus and method for deep ultraviolet optical microscopy
US6987609B2 (en) Microscope
US6839469B2 (en) Multiparallel three dimensional optical microscopy system
US9081193B2 (en) Interferometric systems and methods
US6867915B2 (en) Microscope for reflected-light and transmitted-light microscopy
JPS6353443A (en) Measuring apparatus with high spatial/temporal resolution
US3437395A (en) Optical system for inverted microscope
JP5046442B2 (en) Apparatus for examining microscopic preparations with a scanning microscope
JP5461527B2 (en) Apparatus and method for evanescent illumination of sample
US20020018291A1 (en) Microscope system
JP5337774B2 (en) Optoelectronic image enlargement system
KR101387823B1 (en) Catadioptric system and image pickup apparatus
US20020001090A1 (en) Illumination device; and coordinate measuring instrument having an illumination device
RU2745099C1 (en) Optoelectronic microscope
US8477418B2 (en) Confocal laser microscope
US6907390B1 (en) Miniaturized opto-electronic magnifying system
US3624400A (en) Apparatus for the production of high-resolution visible images of objects illuminated by or emitting infrared radiation
Amos Instruments for fluorescence imaging
JP2010508542A (en) Confocal microscope and method of using a confocal microscope
EP1560058A2 (en) Miniaturized opto-electronic magnifying system for simultaneous infrared spectral analysis and optical microscopy
US20240369945A1 (en) Optical system for a metrology system and metrology system with such an optical system
US20240369946A1 (en) Optical system for a metrology system and metrology system with such an optical system
JP3071886B2 (en) Detection optical system of scanning optical microscope
Lewi et al. Silver halide single mode fibers for modal filtering in the middle infrared