Микроскопы Labor-Microscopes
Разработка и производство микроскопов
онлайн заказ   подобрать микроскоп
 (812) 933-25-78
labomed@list.ru
Немного о нас

Разработка микроскопа для NUV-DUV спектральных областей

Современная эпидемиологическая ситуация дала мощный импульс для поиска новых инженерных решений в области микроскопостроения, оптики. В нашем проекте Labor-Microscopes® мы стараемся принести максимально возможную пользу и внести свой вклад в дело разработки новых оптических приборов, в том числе, не имеющих аналогов и прототипов. Всё последнее время наши специалисты, подтверждая репутацию профессиональных разработчиков высочайшей квалификации, отрабатывали концепцию и выполняли проектирование принципиально нового по своей конструкторской реализации прибора – микроскопа для исследования в «ближней» и «глубокой» ультрафиолетовой спектральных областях. Такого оборудования ещё нет на мировом рынке, и отечественные разработки, технологии могут очередной раз стать пионерами в деле технического прогресса, например, в области оптического приборостроения.

Известные соотношения Аббе и Рэлея связаны со значением разрешающей способности объектива в зависимости от его числовой апертуры и используемой длины волны. В этом случае использование более короткой длины волны является единственным способом дальнейшего повышения разрешающей способности микроскопа. В настоящее время в световой микроскопии в качестве рабочего спектрального диапазона в основном используется видимый спектральный диапазон. В этом спектральном диапазоне в объективах без иммерсии можно получить значения разрешающей способности 270-470 нм. Широко известным и часто используемым методом повышения разрешающей способности является использование иммерсии. В микроскопах, которые используют воду в качестве иммерсии, можно увеличить разрешающую способность в 1,3 - 1,4 раза по сравнению с воздушной системой. Это справедливо и для систем, предназначенных для работы в NUV (ближний ультрафиолет) и DUV (глубокий ультрафиолет).

В Таблице 1 представлены значения теоретического разрешения для числовой апертуры 0,95 и 1,20 водной иммерсии для некоторых длин волн NUV и DUV.

Длина волны(нм) 244 193.4 157 121.6 106
Значение разрешающей способности для апертуры NA=0.95 (нм) 157 124 101 78 68
Значение разрешающей способности для апертуры NA=1.20 водной иммерсии (нм) 124 98 80 невозможно в настоящее время

Таблица 1 Соотношения теоретической разрешающей способности для числовых апертур NA=0.95 и NA=1.20 водной иммерсии в зависимости от длины волны.

Эта таблица иллюстрирует, что при переходе от видимого диапазона к более короткому спектральному диапазону теоретическая разрешающая способность микроскопа может быть повышена в 3-5 раз. Это серьезный аргумент для создания систем, работающих в NUV-DUV спектральных диапазонах.

Мы уже рассматривали концепцию создания микроскопов, работающих в DUV диапазоне. Рассмотренные системы являются катодиоптрическими (зеркально-линзовыми); в них не реализованы предельно высокие значения числовых апертур. Как продолжение, есть смысл рассмотреть диоптрическую (линзовую) оптику, поскольку только она даёт возможность получения полной числовой апертуры без так называемого центрального экранирования зрачка. Такое экранирование, присущее зеркальным системам, изменяет распределение энергии в центре дифракционного пятна изображения. Это приводит к значительному снижению контрастности и резкости изображения и является неприемлемым для высокоапертурной микроскопии.

1. Описание концепции построения NUV и DUV микроскопов

Исходным требованием для создания NUV и DUV микроскопов является необходимость достижения предельных (максимальных) числовых апертур, что позволяет обеспечить максимально высокую разрешающую способность оптики. В этом случае невозможно использовать катоптрическую (зеркальную) или катодиоптрическую (зеркально-линзовую) оптику, поскольку она характеризуется наличием центрального экранирования зрачка.

Будем исходить из того, что использование в микроскопе более короткой (чем обычно) длины волны даёт максимальный эффект, в основном, для предельных значений числовых апертур оптики микроскопа.

Оптическая система микроскопа, содержащая систему освещения (коллектор, конденсор, промежуточные согласующие компоненты) и проекционную систему (объектив), должна не только обеспечивать высокую пропускающую способность, но и иметь идеальную коррекцию аберраций.

Например, конденсор должен обеспечивать числовую апертуру не менее 0.90-0.95, его аберрационная коррекция должна соответствовать таковой – у объектива. Логично использовать два одинаковых объектива, один из которых может служить конденсором. Обычно считается, что промежуточная оптика осветительной системы микроскопа, а также коллектора, может существенно уступать качеству коррекции аберраций для конденсора и объектива. Однако для того, чтобы реализовать максимальные значения числовой апертуры 0.90, требуется очень тщательная коррекция аберрации этих узлов микроскопа - тоже.

Всё это определяет подход к выбору принципиальной оптической системы для реального микроскопа NUV или DUV спектрального диапазона. Особенностью аберрационной коррекции для такого микроскопа может быть монохроматическая аберрационная коррекция для одной выбранной рабочей длины волны. В зависимости от выбранной длины волны для проектирования и изготовления линзовой оптики микроскопа. выбираются соответствующие оптические материалы линз.

Естественно, наибольший интерес представляет оптическая конструкция оптической системы микроскопа для длины волны около 106 нм. Однако, учитывая многие факторы (прежде всего, технологические аспекты, наличие стабильных источников и приемников изображений и др.), можно выбрать несколько длин волн 106, 121.6, 193.4 и 244 нм в качестве рабочих для разных объективов. В этом случае требуется создать конструкции микроскопов, работающих в NUV и DUV диапазонах – в соответствии с перечисленными длинами волн.

2. Проектирование линзовых (диоптрических) NUV и DUV высокоапертурных объективов

Использование линзовых (диоптрических) систем позволяет выполнить условия для реализации максимального разрешения. Главным в оптической системе такого микроскопа является объектив, который служит для выполнения оптической проекции изображения исследуемого объекта в плоскость приемника изображения.

Для объективов без иммерсии теоретические значения числовой апертуры составляют 0.90-0.95; для иммерсионных объективов теоретические значения числовой апертуры составляют 1.20 водной иммерсии.

В рамках выполненных работ было предложено оригинальное концептуальное решение по построению принципиальных систем объективов для разрабатываемых NUV и DUV микроскопов; всего разработано 21 наименование специальных объективов, не имеющих аналогов.

Объективы предназначены для работы с дополнительной фокусирующей системой, фокусное расстояние которой равно F’= 200 мм; изображение после неё фокусируется в задней фокальной плоскости. Поперечные размеры получаемых объективов могут достигать 60 мм, если принять во внимание механическую конструкцию объектива и оправы корпуса.

В Таблице 2 представлены основные технические параметры объективов, а также принципиальные оптические схемы.

Таблица 2 Основные технические параметры и принципиальные оптические схемы объективов.
Увеличение / F’ NA Оптический материал λ (нм) р.р (мм) R (nm) поле на объекте (мм) поле в изображении (мм) Принципиальная оптическая схема
100x / 2.0 0.90 кварц 244.08 0.22 156 0.20 20
100x / 2.0 0.95 LiF 106 0.40 68 0.20 20
100x / 2.0 0.95 MgF2 121.6 0.34 78 0.20 20
100x / 2.0 0.95 CaF2 157 0.46 101 0.20 20
100x / 2.0 1.20 вода кварц 193.4 0.17 98 0.20 20
100x / 2.0 1.20 вода кварц 244.08 0.12 124 0.20 20
250x / 0.8 0.95 LiF 106 0.40 68 0.08 20
250x / 0.8 0.95 MgF2 121.6 0.34 78 0.08 20
250x / 0.8 0.95 CaF2 157 0.46 101 0.08 20
250x / 0.8 1.20 вода кварц 193.4 0.17 98 0.08 20
250x / 0.80 1.20 вода кварц 244.08 0.12 124 0.08 20
350x / 0.57 0.95 LiF 106 0.40 68 0.057 20
350x / 0.57 0.95 MgF2 121.6 0.34 78 0.057 20
350x / 0.57 0.95 CaF2 157 0.46 101 0.057 20
350x / 0.57 1.20 вода кварц 193.4 0.17 98 0.057 20
350x / 0.57 1.20 вода кварц 244.08 0.12 124 0.057 20
500x / 0.4 0.95 LiF 106 0.40 68 0.04 20
500x / 0.40 0.95 MgF2 121.6 0.34 78 0.04 20
500x / 0.40 0.95 CaF2 157 0.46 101 0.04 20
500x / 0.4 1.20 вода кварц 193.4 0.17 98 0.04 20
500x / 0.4 1.20 вода кварц 244.08 0.12 124 0.04 20

Эта таблица показывает, что разработанные объективы отличаются значениями линейных увеличений (от 100х до 500х), числовыми апертурами (0.95 и 1.20 водной иммерсии), а также значениями рабочих длин волн (от 106 нм до 244 нм). Такой подход позволяет обеспечить элементную базу для NUV и DUV микроскопов «на все случаи жизни».

На следующих Фигурах 1 и 2 представлены принципиальные оптические схемы и графики аберрационной коррекции наиболее «интересных» объективов, имеющих линейные увеличения 500х и предельные числовые апертуры 0.95 и 1.20 водной иммерсии, соответственно.

Фигура 1 Принципиальная оптическая схема и графики аберрационной коррекции объектива План Монохромата 500x NA=0.95 для длины волны 106 нм.

Фигура 2 Принципиальная оптическая схема и графики аберрационной коррекции объектива План Монохромата 500x NA=1.20 водной иммерсии для длины волны 193.4 нм.

Если провести анализ параметров дизайна объективов, приведённых в Таблице 2, можно заметить, что представлены два вида принципиальных оптических систем. В качестве примера построения принципиальной оптической системы можно привести описание для «сухого» варианта объективов, где числовая апертура составляет NA=0.95, следующим образом: «объектив, содержащий последовательно расположенные вдоль оптической оси линзы, первая из которых выполнена в виде мениска, обращённого вогнутостью к пространству объекта, вторая, положительная линза, третья – отрицательная линза, выполненная двояковогнутой. Четвёртая линза выполнена в виде мениска, обращённого вогнутостью к пространству объекта. Пятая линза – положительная. Шестая линза выполнена двояковогнутой. Седьмая и восьмая линзы – положительные. Остальные линзы могут иметь различную конфигурацию».

Таким образом, для этого вида принципиальной оптической системы реализован принцип построения, использующий элементы унификации. Более того, принцип унификации можно распространить на более конкретные параметры объективов, а именно, конструктивные параметры первых (по ходу лучей слева направо) восьми линз. Анализ оптических дизайнов показывает, что эти одинаковые линзы используются во всех объективах, предназначенных для работы на конкретной длине волны. Достижение изменения значения линейного увеличения достигается в таких объективах путём смены 9й, 10й, 11й и 12й линз. Фигура 3 иллюстрирует такую унификацию для «сухих» объективов, имеющих числовую апертуру NA=0.95;

Фигура 3 Постоянная и «переменная» части оптических систем объективов с NA=0.95

Фигура 4 показывает аналогичный принцип унификации для иммерсионных объективов, имеющих числовую апертуру 1.20 в водной иммерсии.

Фигура 4 Постоянная и «переменная» части оптических систем объективов с NA=1.20 водной иммерсии

Такая унификация может оказаться весьма удобной при дизайне механических частей; сменные части могут располагаться в, так называемом, револьверном устройстве. При этом при изменении значений линейных увеличений дополнительная фокусировка объектива на объект не требуется; объективы остаются парфокальными.

В качестве примера работы объективов такого типа опишем порядок работы иммерсионных объективов, в которых достигается числовая апертура NA=1.20 в водной иммерсии. Оптическая система таких иммерсионных объективов достаточно сложна. «Они содержат (слева по ходу луча) первую линзу в форме мениска, обращённого вогнутостью в пространство объекта. Первая поверхность, граничащая с водой, выполнена с учетом особых смачивающих свойств воды. Вторая и третья линзы также выполнены в виде менисков, обращённых вогнутостью к пространству предметов. Форма поверхностей этих линз выполнена с некоторым отклонением от апланатики - для наиболее эффективного уменьшения входной числовой апертуры. Интересна конфигурация четвертой линзы, которая выполнена двояковогнутой. Это отрицательная линза, она обладает широкими компенсационными возможностями для исправления аберраций в объективе в целом. Несмотря на то, что числовая апертура после этой линзы несколько увеличивается, ее использование позволило оптимизировать количество линз в объективе в целом. Следующие несколько линз служат для выравнивания коррекции аберрации объектива при уменьшении входной числовой апертуры. Также изображение оборачивается, и его проекция находится в плоскости, сопряжённой с последней группой линз. Последняя группа линз, в свою очередь, создает изображение в бесконечности (параллельные пучки лучей), компенсируя остаточные аберрации (в основном, такие как кривизна и искажения изображения)».

3. Некоторые приложения использования такого рода оптики

Например, представляет интерес создание микроскопа для люминесцентного анализа.

В качестве инструмента для обнаружения люминесценции исследуемого объекта может использоваться специальный объектив малого или среднего увеличения, имеющий хорошее пропускание в областях спектра NUV и DUV, в котором достигается мульти апохроматическая аберрационная коррекция. Например, можно использовать зеркально-линзовый объектив, принципиальная оптическая схема и графики аберрационной коррекции которого представлены на Фигуре 5.

Фигура 5 Параметры оптического дизайна и графики аберрационной коррекции зеркально-линзового объектива МультиАпохромата 40x NA=0.50 для спектральной области 106-1000 нм.

Такой объектив рассчитан для работы (выполнена ахроматизация) в спектральном диапазоне от 106 нм до 1000 нм, то есть по типу аберрационной коррекции является мульти апохроматом. Требования, предъявляемые к аберрационной коррекции такого объектива, могут быть несколько иные, чем обычно. Например, не исправленная аберрация кривизны изображения может способствовать расширению функциональных параметров объектива. Если он предназначен, в основном, для обнаружения и регистрации света флюоресценции от исследуемого объекта, то это, так называемая, «не изображающая оптика», объектив может работать «в глубину» на периферии линейного поля и фиксировать люминесценцию объектов, находящихся не в фокусе системы. Это можно интерпретировать как довольно ценное и интересное свойство. Другой интересной особенностью зеркально - линзовых объективов вообще, и предлагаемого здесь, в частности – это возможность точной фокусировки на любой длине волны в пределах выбранного спектрального диапазона. При этом аберрационная коррекция на фиксированной длине волны будет вполне удовлетворительная. Это обстоятельство может позволить делать некоторую корреляцию между длиной волны источника излучения и объективом; это может позволить сделать некоторое «сканирование» по нескольким длинам волн (которые генерируются источником излучения) – используя только один зеркально-линзовый объектив.

Такой объектив может позволить наблюдать достаточно большое линейное поле на объекте, что помогает найти источник люминесценции. Достижение максимальной разрешающей способности для такого объектива не требуется; он может использоваться как «обзорный». После обнаружения люминесценции исследуемого образца становится известной длина волны (спектральный диапазон) этой люминесценции; после этого в качестве объектива для более детального изучения образца можно использовать тот или иной объектив (из перечня, представленного в Таблице 2), имеющий максимальную числовую апертуру, возможную для выявленной длины волны.

4. Источник света

При использовании предлагаемой оптики необходимо обеспечить освещение на разных длинах волн спектральных диапазонов NUV-DUV. С одной стороны, такие источники должны иметь возможность выбирать узкую спектральную полосу и получение монохроматического света. Как пример, приемлемым вариантом такого источника может быть обычный монохроматор, дополненный специальной оптикой для заполнения зрачка конденсора (для микроскопа, работающего в проходящем свете) или заполнения зрачка объектива - для микроскопа отраженного света. С другой стороны, некоторая проблема с обнаружением белков и вирусов в микроскопе с проходящим светом состоит в том, что исследователь не знает наверняка – на какой длине волны белок начинает люминесцировать. Кроме того, разные типы белков и вирусов люминесцируют в разных областях спектра. Поэтому, как минимум, источник DUV-освещения и оптика осветительного устройства должны обеспечивать (иметь высокую прозрачность) сканирование в выбранном спектральном диапазоне «вдоль» выбранных длин волн, «перебирая» их по очереди.

5. Приёмники

Для диапазона NUV выбор приемника не представляет сложности. Однако, скорее всего, ширина регистрируемого спектра несколько ограничена. Поэтому лучше использовать монохроматические приемники. Для полосы DUV это довольно сложная технологическая задача – создание приемника широкополосного излучения. Поэтому, наиболее вероятно, что выбор монохроматического приемника является единственно приемлемым вариантом для этого случая. В некоторых исследованиях рассказывается об опыте создания экспериментальных образцов приемников излучения на длине волны 121,6 нм и некоторых других.

6. Телецентрический осветитель

Источник света расположен в передней фокальной плоскости коллектора, передняя фокальная плоскость каждого последующего компонента расположена в задней фокальной плоскости предыдущего, а освещаемый объект находится в задней фокальной плоскости конденсатора. Преимуществом такой схемы оптического осветителя является наличие промежуточных изображений, которые сопряжены с плоскостями апертурной и полевой диафрагм осветителя. Таким образом, в осветителе могут быть расположены материальные апертурная и полевая диафрагмы. Естественно, вся оптика системы освещения также должна быть изготовлена из оптических материалов, которые имеют хорошее пропускание в спектральной области NUV-DUV. Например, LiF может использоваться в качестве оптического материала для коллектора и линз промежуточных согласующих систем осветителя. На Фигуре 6 представлена принципиальная оптическая схема телецентрической осветительной системы.

Фигура 6 Принципиальная оптическая схема телецентрической осветительной системы

7. Дополнительные требования к частям микроскопа

Такие требования можно считать основными, потому что если они не будут выполнены, то работа на микроскопе будет невозможна. Естественными дополнительными требованиями являются, например, такие как обеспечение некоторой герметичности для заполнения внутреннего пространства газом (для опции диапазона DUV). Микроскоп должен быть защищен от других внешних воздействий, таких как вибрация, влажность, температура. Микроскоп должен использовать точные микромеханизмы и приводы движения и фокусировки. Оптические фильтры (для проведения флуоресцентного анализа) должны быть самого высокого качества.

В самое ближайшее время мы планируем начать построение описанного микроскопа для исследования в NUV-DUV спектральных диапазонах. Уже начаты подготовительные работы по изготовлению новых оригинальных объективов. Вместе с тем, объективы, разработанные нами ранее, в том числе линзовые, зеркальные, зеркально-линзовые - постоянно доступны для заказа. В ближайшее время мы будем готовы к принятию заказов на изготовление оригинального NUV-DUV микроскопа, не имеющего в настоящее время мировых аналогов.

По всем интересующим вопросам, дискуссиям и приобретению можно обращаться в проект Labor-Microscopes® к нашим специалистам по телефону +7(812)933-25-78 или на электронную почту labomed@list.ru