Αρχές Συνεστιακής Μικροσκοπίας
Το ομοεστιακό μικροσκόπιο είναι ένα όργανο απεικόνισης υψηλής ακρίβειας που εμφανίστηκε και αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1980 και είναι ένα απαραίτητο όργανο επιστημονικής έρευνας για τη μελέτη δομών υπομικρών. Με την ανάπτυξη των υπολογιστών, του λογισμικού επεξεργασίας εικόνας και των λέιζερ, τα ομοεστιακά μικροσκόπια έχουν επίσης υποστεί μεγάλη ανάπτυξη και χρησιμοποιούνται πλέον ευρέως στους τομείς της βιολογίας, των μικροσυστημάτων και της μέτρησης υλικών. Το ομοεστιακό μικροσκόπιο είναι ένας νέος τύπος μικροσκοπίου που ενσωματώνει ομοεστιακή αρχή, τεχνολογία σάρωσης και τεχνολογία επεξεργασίας γραφικών υπολογιστών. Τα κύρια πλεονεκτήματά του είναι: υψηλή πλευρική ανάλυση και υψηλή αξονική ανάλυση, και αποτελεσματική καταστολή του αδέσποτου φωτός, με υψηλή αντίθεση.
Μια τυπική διάταξη ομοεστιακού μικροσκοπίου είναι η τοποθέτηση δύο μικρών οπών στο συζευγμένο επίπεδο του εστιακού επιπέδου του μετρούμενου αντικειμένου, η μία από τις οποίες τοποθετείται μπροστά από την πηγή φωτός και η άλλη μπροστά από τον ανιχνευτή, όπως φαίνεται στο σχήμα. 1. Μπορεί να φανεί από το σχήμα ότι όταν το μετρούμενο δείγμα βρίσκεται στο επίπεδο σχεδόν εστίασης, η ένταση φωτός που συλλέγεται από το άκρο ανίχνευσης είναι η μεγαλύτερη. όταν το μετρούμενο δείγμα βρίσκεται σε θέση εκτός εστίασης, η φωτεινή κηλίδα στο άκρο ανίχνευσης διαχέεται και η ένταση του φωτός μειώνεται γρήγορα. Επομένως, μόνο το φως που εκπέμπεται από σημεία στο εστιακό επίπεδο μπορεί να περάσει από την οπή εξόδου, ενώ το φως που εκπέμπεται από σημεία εκτός του εστιακού επιπέδου αποεστιάζεται στο επίπεδο της οπής εξόδου και τα περισσότερα από αυτά δεν μπορούν να περάσουν από την κεντρική οπή καρφίτσας. Επομένως, το σημείο στόχος παρατήρησης στο εστιακό επίπεδο εμφανίζεται φωτεινό και το σημείο μη παρατήρησης εμφανίζεται μαύρο ως φόντο, αυξάνοντας την αντίθεση και καθαρίζοντας την εικόνα. Κατά τη διαδικασία απεικόνισης, οι δύο οπές καρφίτσας είναι ομοεστιακές, το ομοεστιακό σημείο είναι το σημείο που ανιχνεύεται και το επίπεδο όπου βρίσκεται το σημείο που ανιχνεύεται είναι το ομοεστιακό επίπεδο.
Το μέγεθος της οπής καρφίτσας στον ανιχνευτή στην ομοεστιακή μικροσκοπία παίζει κρίσιμο ρόλο. Επηρεάζει άμεσα την ανάλυση και την αναλογία σήματος προς θόρυβο του συστήματος. Εάν η οπή είναι πολύ μεγάλη, δεν θα επιτευχθεί το φαινόμενο ομοεστιακής ανίχνευσης, το οποίο όχι μόνο μειώνει την ανάλυση του συστήματος, αλλά εισάγει και περισσότερο αδέσποτο φως. εάν η τρύπα είναι πολύ μικρή, θα μειώσει την αποτελεσματικότητα ανίχνευσης και θα μειώσει τη μικροσκοπική εικόνα. λάμψη. Μελέτες έχουν δείξει ότι όταν η διάμετρος της οπής καρφίτσας είναι ίση με τη διάμετρο του δίσκου Airy, πληρούνται οι συνεστιακές απαιτήσεις και η αποτελεσματικότητα ανίχνευσης δεν μειώνεται σημαντικά. Δεδομένου ότι η διάμετρος της οπής καρφίτσας είναι γενικά της τάξης των μικρών, εάν υπάρχει απόκλιση μεταξύ του σημείου εστίασης της δέσμης λέιζερ και της θέσης της οπής καρφίτσας, θα συμβεί παραμόρφωση του σήματος. Επομένως, τα ομοεστιακά μικροσκόπια χρησιμοποιούν γενικά ένα σύστημα αυτόματης εστίασης, το οποίο ουσιαστικά αυξάνει τον χρόνο μέτρησης.
Δεδομένου ότι το ομοεστιακό μικροσκόπιο σάρωσης λέιζερ είναι μια σημειακή απεικόνιση, για να ληφθεί μια δισδιάστατη εικόνα του αντικειμένου, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί δισδιάστατη σάρωση στις κατευθύνσεις x και y. Διαφορετικά μικροσκόπια χρησιμοποιούν διαφορετικές μεθόδους σάρωσης:
(1) Σάρωση αντικειμένων. Δηλαδή, το ίδιο το αντικείμενο κινείται σύμφωνα με έναν ορισμένο νόμο, ενώ η φωτεινή δέσμη παραμένει αμετάβλητη. Πλεονεκτήματα: σταθερή οπτική διαδρομή. Μειονεκτήματα: απαιτείται μεγάλος πίνακας σάρωσης, επομένως η ταχύτητα σάρωσης είναι πολύ περιορισμένη.
(2) Ένα σύστημα σάρωσης δέσμης σχηματίζεται χρησιμοποιώντας ένα ανακλαστικό γαλβανόμετρο. Δηλαδή, ελέγχοντας το γαλβανόμετρο σάρωσης, το εστιασμένο φωτεινό σημείο ανακλάται τακτικά σε ένα συγκεκριμένο στρώμα του αντικειμένου για να ολοκληρωθεί η δισδιάστατη σάρωση. Το πλεονέκτημά του είναι ότι έχει υψηλή ακρίβεια και χρησιμοποιείται συχνά για μετρήσεις υψηλής ακρίβειας. Η ταχύτητα σάρωσης έχει βελτιωθεί σε σχέση με τη σάρωση αντικειμένων, αλλά εξακολουθεί να μην είναι γρήγορη.
(3) Χρησιμοποιήστε το ακουστικό-οπτικό στοιχείο εκτροπής για σάρωση και η σάρωση πραγματοποιείται αλλάζοντας τη συχνότητα εξόδου του ηχητικού κύματος και στη συνέχεια αλλάζοντας την κατεύθυνση μετάδοσης του φωτεινού κύματος. Το εξαιρετικό του πλεονέκτημα είναι ότι η ταχύτητα σάρωσης είναι πολύ γρήγορη. Το σύστημα σάρωσης που αναπτύχθηκε από τις Ηνωμένες Πολιτείες χρησιμοποιεί έναν ακουστικό-οπτικό εκτροπέα για τη δημιουργία εικόνων βίντεο σε πραγματικό χρόνο. Χρειάζεται μόνο 1/30 για να σαρώσει μια δισδιάστατη εικόνα και σχεδόν επιτυγχάνει έξοδο σε πραγματικό χρόνο.
(4) Σάρωση δίσκου Nipkow. Η διαδικασία σάρωσης ολοκληρώνεται με την περιστροφή του δίσκου Nipkow ενώ τα άλλα εξαρτήματα παραμένουν ακίνητα. Μπορεί να απεικονιστεί ταυτόχρονα και η ταχύτητα είναι πολύ γρήγορη. Ωστόσο, δεδομένου ότι η δέσμη απεικόνισης είναι φως εκτός άξονα, η εκτροπή εκτός άξονα του φακού πρέπει να διορθωθεί και ο ρυθμός χρήσης της φωτεινής ενέργειας είναι πολύ χαμηλός.
