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.

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.

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;