(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej ( 2 1) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: ( 5 1) IntCl7. G02B 21/14 (54)Urządzenie mikroskopowe do ciągłej zmiany fazy i amplitudy światła bezpośredniego względem dyfrakcyjnego (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 17/97 (73) Uprawniony z patentu: Instytut Optyki Stosow anej, W arszaw a, PL (72) Twórca wynalazku: Maksymilian Pluta, W arszaw a, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 07/00 (74) Pełnomocnik: Bok Jadw iga, Instytut Optyki Stosowanej PL B1 (57) Urządzenie m ikroskopow e do ciągłej zm iany fazy i am plitudy św iatła b ezpośredniego w zględem dyfrakcyjnego zaw ierający p ierścień polaryzacyjny um ieszczony m iędzy dw iem a płytkam i szklanym i, znamienne tym, że składa się z p o lary zato ra (P) lub an alizato - ra (A ) i pierścienia polaroidowego (R ), zaklejonego między dwiema płytkam i szklanymi (S 1) i (S2) klejem optycznym (C ), którego spektralna dyspersyjna n'(λ) w spółczynnika załam ania n' w yraźnie różni się od spektralnej dyspersji n(λ) w spółczynnika załam ania (n) pierścienia polaroidow ego (R). Rys.1

2 Urządzenie mikroskopowe do ciągłej zmiany fazy i amplitudy światła bezpośredniego względem dyfrakcyjnego Zastrzeżenie patentowe Urządzenie mikroskopowe do ciągłej zmiany fazy i amplitudy światła bezpośredniego względem dyfrakcyjnego zawierający pierścień polaryzacyjny umieszczony między dwiema płytkami szklanymi, znamiennie tym, że składa się z polaryzatora (P) lub analizatora (A) i pierścienia polaroidowego (R), zaklejonego między dwiema płytkami szklanymi (S1) i (S2) klejem optycznym (C), którego spektralna dyspersyjna n'(λ) współczynnika załamania n' wyraźnie różni się od spektralnej dyspersji n(λ ) współczynnika załamania (n) pierścienia polaroidowego (R). * * * Przedmiotem wynalazku jest urządzenie mikroskopowe do ciągłej zmiany fazy i amplitudy światła bezpośredniego względem dyfrakcyjnego. Urządzenie to służy do obserwacji preparatów w kontraście fazowym i amplitudowym, z możliwością regulacji kontrastu obrazu poprzez zmianę amplitudy i fazy światła bezpośredniego względem dyfrakcyjnego czyli ugiętego na niejednorodnościach optycznych preparatu. W znanym rozwiązaniu z opisu wynalazku według patentu nr , najważniejszą część stanowi pierścień polaroidowy, zaklejony kleiwem optycznym o współczynniku załamania n, między dwiema płytkami szklanymi. Kleiwo dobrano tak, aby różnica drogi optycznej o między światłem przechodzącym przez pierścień polaroidowy i poza nim równała się zeru lub całkowitej długości fali X stosowanego światła, czyli δr = (n' - n) t = mλ (1) gdzie n jest współczynnikiem załamania pierścienia polaroidowego R, t jest jego grubością, am. = 0,± 1,±2,... Założono przy tym, że wzór powyższy odnosi się do składowej światła, której wektor świetlny jest równoległy do osi przepuszczalności pierścienia polaroidowego. Współczynnik załamania każdego materiału zależy od długości fali przechodzącego przezeń światła. Żądając by różnica drogi optycznej o była zerowa w szerokim przedziale spektralnym, w szczególności w świetle widzialnym o długości fali od około 700 nm do 450 nm, współczynniki załamania n i n' we wzorze m. (1) muszą być takie same w zadanym przedziale spektralnym, czyli n (λ) = n' (λ) (2) W praktyce jest to niemożliwe i według patentu nr przyjęto, że równość (2) jest spełniona w środku wybranego przedziału spektralnego, a na jego krawędziach współczynniki n 1 n' mogą się nieco różnić, ale tylko w takim stopniu by różnica drogi optycznej nie była większa niż 0,03 X. Jeśli do zespołu optycznego z pierścieniem polaroidowym R, dodamy przed lub za nim ćwierćfalówkę Q i umieścimy je między polaryzatorem P i analizatorem A, i mamy urządzenie do ciągłej zmiany fazy i amplitudy światła przechodzącego przez pierścień R i światłem przebiegającym wewnątrz i na zewnątrz niego, gdy jedno i drugie światło pochodzi z tego samego źródła. Zakłada się przy tym, że ćwierćfalówka Q jest tak zorientowana, że jej osie (szybka i wolna) tworzą kąt 45 z osią przepuszczalności pierścienia polaroidowego R, wówczas przez obrót polaryzatora zmienia się faza między jednym i drugim światłem, zaś przez obrót analizatora mamy zmianę amplitudy, czyli natężeń, a właściwie stosunku natężeń obu świateł. Jeżeli urządzenie to zostanie odpowiednio umieszczone w układzie mikroskopowym, to uzyskamy mikroskop fazowo kontrastowy z ciągłą zmianą fazy i amplitudy światła bezpośredniego względem dyfrakcyjnego. Światło bezpośrednie, którego źródłem jest pierścieniowy otwór AO przysłony kondensatorowej D, za badanym przedmiotem O obiektywem mikroskopowym Ob. przechodzi

3 przez pierścień polaroidowy R, natomiast światło dyfrakcyjne, tworzone przez przedmiot O, przechodzi w przeważającej mierze obok pierścienia R, przez jego wnętrze i na zewnątrz. W wyniku interferencji obydwu rodzajów świateł otrzymujemy w płaszczyźnie obrazowej II obraz badanego przedmiotu. Kontrastowość obrazu optymalizujemy lub j ą dowolnie zmieniamy przez obrót polaryzatora P i analizatora A. Jest to oczywiście obrót wokół osi optycznej układu mikroskopowego. W ogólności najlepsze wyniki uzyskuje się, gdy pierścieniowa przysłona D znajduje się w przednim ognisku kondensatora Co, a pierścień polaroidowy R w tylnym ognisku obiektywu Ob. To drugie wymaganie jest możliwe tylko wtedy, gdy obiektyw Ob. ma małe powiększenie (mniejsze niż 10x). Obiektywy mikroskopowe o średnich i dużych powiększeniach mają tylne ognisko w swoim wnętrzu i trzeba je, za pomocą dodatkowego układu optycznego, przerzutować w łatwo dostępne miejsce, w którym można byłoby usytuować zespół optyczny z pierścieniem polaroidowym R. W mikroskopii fazowo-kontrastowej różnica drogi optycznej δr, powodowana przez pierścień polaroidowy R, czy jakikolwiek inny pierścień fazowy, równa całkowitej wielokrotności długości fali świetlnej, jest równoważna zerowej wartości. Zamiast pierścienia polaroidowego z δr=0, można więc stosować pierścień z δ-1 λ,2λ,3λ,... W tej sytuacji jednak spektralna dyspersja współczynników załamania n i n muszą być bardziej do siebie podobne niż w sytuacji, gdy δr = 0. Dlatego też w praktyce trudno jest stosować pierścień polaroidowy, powodujący różnicę drogi optycznej większą niż 2λ,gdy mikroskop fazowo - kontrastowy ma działać w świetle białym lub umiarkowanie monochromatycznym. Inaczej natomiast sprawa przedstawia się, gdy jest stosowane światło wysoce monochromatyczne. Wówczas różnica drogi optycznej δrmoże być większa niż 2 X i spektralne współczynników załamania n (λ) i n' (λ) nie muszą być wzajemnie dopasowane, a nawet jest korzystnie, aby między sobą znacznie się różniły. Można wówczas zrezygnować z polaryzatora P lub analizatora A i ćwierćfalówki Q, by przesunięcie fazowe między światłem bezpośrednim i dyfrakcyjnym zmieniać nie przez obrót polaryzatora P, ale przez zmianę długości fali światła monochromatycznego. Urządzenie fazowo-kontrastowe według wynalazku składa się tylko z polaryzatora P i pierścienia polaroidowego R lub alternatywnie z pierścienia R i analizatora A, przy czym pierścień R jest zaklejony między płytkami szklanymi S1i S2 klejem optycznym C tak dobranym, że spektralna n' (A.) jego współczynnika załamania n znacznie różni się od spektralnej dyspersji n (λ) współczynnika załamania n pierścienia polaroidowego R. Zaletą polaryzacyjnego urządzenia według wynalazku do mikroskopii fazowo-kontrastowej jest przede wszystkim to, że składa się nie z czterech jak pierwotnie, ale tylko z dwóch elementów optycznych. Poza tym charakteryzuje się większą wydajnością świetlną, albowiem polaryzator P lub analizator A przepuszcza znacznie więcej światła niż łącznie polaryzator P i analizator A. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, którego rys. 1 przedstawia pierścień polaroidowy R, rys. 2 - zespół optyczny z pierścieniem R i ćwierćfalówkąq umieszczoną między polaryzatorem P i analizatorem A, rys. 3 - układ optyczny mikroskopu fazowo-kontrastowego, rys. 4 - schemat polaryzatora P i pierścienia polaroidalnego R, rys. 5 - układ pierścienia polaroidalnego R i analizatora A, rys. 6 i 7 pokazują dwa z wielu możliwych, wykresy dróg optycznych w urządzeniu według wynalazku. W rozwiązaniu według wynalazku urządzenie mikroskopowe do ciągłej zmiany fazy i amplitudy światła bezpośredniego względem dyfrakcyjnego, składa się z polaryzatora P lub analizatora A 1pierścienia polaroidowego R, zaklejonego między dwiema płytkami szklanymi S1i S2 klejem optycznym C, którego spektralna dyspersyjna n' (λ) współczynnika załamania n wyraźnie różni się od spektralnej dyspersji n (λ) współczynnika załamania n pierścienia polaroidowego R. Przykładowe wyjaśnienie istoty polaryzacyjnego urządzenia fazowo-kontrastowego jest przedstawione na rys. 6 i 7, pokazujących dwa z wielu możliwych w praktyce wykresów drogi optycznej δr, powodowanej przez pierścień polaroidowy R (rys. 4 i 5) w sytuacji, gdy spektralne dyspersje n (λ) i n' (λ) współczynnika załamania n i n', odpowiednio, pierścienia polaroidowe-

4 go i otaczającego kleiwa optycznego C znacznie (rys. 6) i umiarkowanie (rys. 7) wzajemnie się różnią, przy czym rys. 6 obejmuje sytuację, gdy w środkowej części widma widzialnego współczynniki załamania n i n' są takie same, a rys. 7 dotyczy sytuacji, kiedy współczynnik załamania n w całym branym pod uwagę zakresie spektralnym jest większy od współczynnika załamania n. Weźmy najpierw pod uwagę rys. 6. W świetle monochromatycznym o długości fali λ0 różnica drogi optycznej δr=0. Jednak wraz ze zmianą długości fali świetlnej w jednym i drugim kierunku od λ0,różnica drogi optycznej δr systematycznie wzrasta, a maleje w świetle o długościach fali większym od λ0i jest dodatnia, zaś ujemna w świetle o długościach fali mniejszych od λ0 W mikroskopie fazowo-kontrastowym mamy więc do czynienia z ciągłą zmianą fazy światła bezpośredniego względem dyfrakcyjnego wraz ze zmianą długości fali świetlnej. Natomiast amplitudę obu rodzajów światła można dowolnie zmieniać przez obrót polaryzatora P (rys. 4) lub analizatora A (rys. 5). W sytuacji, gdy stosowane jest światło należycie monochromatyczne o długości fali λ = λ0,to wtedy zmianę fazy między światłem bezpośrednim i dyfrakcyjnym w mikroskopie fazowo-kontrastowym uzyskuje się jak poprzednio za pomocą urządzenia składającego się z polaryzatora P, ćwierćfalówki Q, pierścienia polaroidowego R i analizatora A (rys. 2), a zatem zawierającego cztery a nie dwa elementy optyczne (rys. 4 lub 5). W tej drugiej sytuacji należy jednak mieć światło monochromatyczne o zmiennej w sposób ciągły długości fali. Najprościej uzyskuje się je ze źródła światła białego, np. mikroskopowego oświetlacza z żarówką halogenową, przepuszczanego przez monochromator interferencyjny (filtr interferencyjny ciągły). Bardzo często w badaniach mikroskopowych obiektów czysto fazowych optymalna zmiana fazy między światłem bezpośrednim i dyfrakcyjnym wynosi -90 lub +90. Odpowiada to różnicy drogi optycznej δr = -λ/4 lub δr = + λ/4. Dotyczy to zwłaszcza takich szczegółów obiektu, które wprowadzają do przechodzącego przez nie lub od nich odbitego światła bardzo małe zmiany fazowe. Wówczas można stosować światło monochromatyczne bez ciągłej zmiany długości fali, lecz o jednej, której na rys. 6 odpowiada wartość λ1 lub λ2. W praktyce nie jest łatwo znaleźć takie kleiwo optyczne, aby było idealnie chemicznie czy fizykochemiczne obojętne wobec pierścienia polaroidowego R i by w zakresie światła widzialnego, przynajmniej w jednym miejscu jego widma współczynnik załamania n' kleju był taki sam jak współczynnik załamania n pierścienia polaroidowego R, jak to pokazano na rys. 6. Do poprawnego działania polaryzacyjnego urządzenia fazowo-kontrastowego według wynalazku nie jest zresztą konieczne, albowiem wystarcza, by mniej więcej w środku wybranego zakresu widma różnica drogi optycznej δr równała się λ0, 2λδ,3λ0... itd. ze znakiem plus lub minus, jak to pokazano na rys. 7, gdzie przyjęto n', < n w całym zakresie widma widzialnego i δr = -3λ0.To co poprzednio (rys. 6) odpowiadało różnicy drogi optycznej δr = -X1/4 i δr = +X2/4,. teraz ma wartość δr = -3λ0 - λ 1/4 i δr = -λ0+ λ0/4. Obydwie sytuacje, przedstawione na rys. 6 i 7, są sobie równoważne, z tym że ta druga (rys. 7) jest łatwiejsza do realizacji w praktyce.

5 Rys. 3 Rys. 4 Rys. 5

6 Rys.6

7 Rys. 7

8 R y s.1 R y s. 2 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.