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Kondensorsystem zur gleichzeitigen Hellfeld-und Dunkelfeldbeleuchtung sowie zum schnellen Wechsel dieser Beleuchtungen
Die Erfindung betrifft ein Kondensorsystem zum Erhöhen des Auflösungsvermögens von mit durchfal- lendem Licht arbeitenden Mikroskopen durch gleichzeitige Hellfeld- und Dunkelfeldbeleuchtung sowie zum schnellen Wechsel dieser Beleuchtungen.
Es sind bereits Mikroskope dieser Art bekannt, bei deren Kondensorsystem an der der Frontlinse des- selben in der Richtung der optischen Achse entgegengesetzten Seite ein Filter vorgesehen ist, wobei das
Kondensorsystem quer zu seiner optischen Achse verstellbar angeordnet ist.
Ausser den bei mit durchfalJendem Licht arbeitenden Mikroskopen bisher bekannten vier prinzipiel- len Beleuchtungsarten, nämlich der Hellfeldbeleuchtung, der Dunkelfeldbeleuchtung, der einseitigen Be- leuchtung mittels schiefer Strahlen und der jüngstensverbreiteten sogenannten Phasenkontrastbeleuchtung bildet die Erfindung eine fünfte Art von Beleuchtung, bei welcher eine Hellfeldbeleuchtung und eine Dun- kelfeldbeleuchtung gleichzeitig vorhanden sind. Welche dieser Beleuchtungsarten im gegebenen Fall verwendet werden soll, hängt von der Eigenschaft des zu beleuchtenden Gegenstandes ab.
Die Erfindung besteht nun darin, dass das obenerwähnte Filter einen vollkommen lichtdurchlässigen Spalt aufweist, zu dessen beiden Seiten je ein Feld mit durcheine Metallschicht verminderter Lichtdurchlässigkeit vorgesehen ist. Hiedurch wird ein erhöhtes Auflösungsvermögen erreicht, wie dies aus der nach- folgenden Beschreibung hervorgeht, in der einige Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen erörtert sind.
Fig. 1 zeigt dabei ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Kondensorsystems im Längsschnitt gemäss der Linie 1 - 1 der Fig. 2. Fig. 2 ist ein Querschnitt gemäss der Linie 11-11 der Fig. 1. Fig. 3 zeigt den Längsschnitt einer Einzelheit in grösserem Massstab. Fig. 4 ist die Draufsicht der Einzelheit gemäss Fig. 3. Fig. 5 stellt die Draufsicht einer beispielsweisen Blende dar. Fig. 6 zeigt die Draufsicht einer andern Ausführungsform der Blende gemäss Fig. 5. Fig. 7 stellt ein in der hinteren Brennebene der Objektivlinse des Mikroskopes erscheinendes Bild dar. Fig. 8 ist ein anderes Bild der vorherigen Art. Fig. 9 stellt optische Verhältnisse dar. Schliesslich : Fig. 10 - 13 zeigen je ein weiteres Bild der den Fig. 7 und 8 ähnlichen Art.
Gleiche Bezugszeichen in der Zeichnung weisen auf ähnliche Einzelheiten hin.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 fallen die Lichtstrahlen 21 einer Lichtquelle 20 über eine Sammellinse 22 und eine Blende 23 auf einen Spiegel 25, der zur optischen Achse 24 des Kondensors unter einem Winkel von 450 angeordnet ist. Von diesem Spiegel 25 gelangen die Lichtstrahlen 21 über die Öffnung einer Kondensorblende 26 zu einer nachstehend in Einzelheiten beschriebenen Blende 27, durch welche die Lichtstrahlen 21 lediglich an vorbestimmten Stellen hindurchgelassen werden. Die Lichtstrahlen 21, welche durch die Blende 27 hindurchgelangen, fallen auf das optische System des Kondensors, das aus drei Linsen 28,29, 30 besteht. Von denen bildet die Linse 30 zugleich die Frontlinse des Kondensors.
Die Lichtstrahlen 21, welche die Frontlinse 30 verlassen, treffen sich im Objektpunkt 31 des Kondensors, 'pflanzen sich sodann unter einem durch den Kondensor bestimmten Winkel zur Objektivlinse 32 des Mikroskopes fort.
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Die Frontlinse 30 ist in eine Fassung 33 eingebaut, die am Kondensor auswechselbar angebracht ist.
Zu diesem Zweck weist die Fassung 33 beim dargestellten Ausführungsbeispiel einen ringförmigen Ansatz 34 auf, mittels dessen die Fassung 33 an die zylindrische Fassung 35 des Kondensors anliegt, wie dies in Fig. l dargestellt ist.
Die Blende 27 ist an einem ringförmigen Ansatz 37 im zylindrischen Hohlraum 36 der Fassung 35 angeordnet. Das aus den Elementen 35,36, 37 bestehende System ist in einer zur optischen Achse 24 des Kondensors quergerichteten Ebene entlang einer Geraden verschiebbar gelagert. Zu diesem Zweck weist der Kondensor einen in Fig. 2 in waagrechtem Schnitt dargestellten Halterungsring 38 auf, an dessen zwecks Durchlassen der Lichtstrahlen 21 in der Mitte mit einer Öffnung 39 versehenen -reisringförmigen Boden40 ein unterer Ansatz 41 der Fassung 35 aufliegt.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, hat der Ansatz 41 die Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken, wobei das Rechteck mittels seiner zueinander parallel liegenden beiden Ränder zwischen Klötzen 42a bzw. 42b geführt ist, durch welche zwei einander gegenüberliegende Seiten des Halterungsringes 38 zu einer Geradführung ergänzt sind. Zwecks Verstellbarkeit in Querrichtung zur optischen Achse 24 des Kondensors entlang einer Geraden greift der Ansatz 41 mit dem Kopf 44 einer Verstellschraube 43 ein, wobei der Kopf 44 in einer Ausnehmung 45 des Ansatzes 41 mit Spiel angebracht ist. Der Gewindeteil der Verstellschraube 43 greift mit einer Gewindebohrung 46 des Halterungsringes 38 ein. Die Verstellschraube wird mittels eines Knopfes 47 mit geriffelter Fläche gedreht.
Beim Drehen des Knopfes 47 wird der Ansatz 41 und somit die Fassung 35 samt dem optischen System 28,29, 30 und der Blende 27 zwischen den Klötzen 42a und 42b in Abhängigkeit von der Drehungsrichtung der Verstellschraube 43 in einem der Richtungssinne des Doppelpfeiles 48 verstellt.
Die Armatur der Frontlinse 30 ist in Fig. 3 in grösserem Massstab dargestellt. Am Scheitel des halb-
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te ist ein scheibenförmiger Klotz 50 aus undurchsichtigem Material, z. B. aus Metall oder Kunststoff, vorgesehen und z. B. durch Kleben befestigt. Dies bezweckt, auf der Frontlinse 30 eine auswechselbare Abschirmkappe 52 befestigen zu können, die eine an die Austrittsfläche 49 der Frontlinse angrenzende Kugelzone 51 freilässt. Die Kappe 52 weist hiezu eine kreisförmige zentrale Öffnung 53 auf, die dicht auf der zylindrischen Fläche des Klotzes 50 aufliegt, wie dies aus Fig. 4 ersichtlich ist. Wenn demnach die Kappe 52 auf den auf der Frontlinse 30 befestigten Klotz 50 geschoben wird, können nur jene Lichtstrahlen 21 durch die Frontlinse 30 hindurchgehen, deren Bahn über die Kugelzone 51 führt.
Je grösser der Durchmesser der Kappe 52, umso grösser ist der Öffnungswinkel ci der auf der Frontlinse 30 heraustretenden und tatsächlich wirksamenLichtstrahlen 21.Bei Verwendung vonKappen 52 mit verschiedenem Durchmesser besteht demnach die Möglichkeit, die Breite der Kugelzone 51 zu ändern und somit den Austrittswinkel et der Lichtstrahlen 21 zu bestimmen. Wenn dieser Winkel Ci geringer ist als der die numerische Apertur der Objektivlinse 32 kennzeichnende Winkel, so treten die den Objektpunkt 31 beleuchtenden Strahlen in die Objektivlinse ein. In diesem Fall entsteht eine Lichtfeldbeleuchtung, an welcher die sogenannten zentralen Strahlen, die mit der optischen Achse 24 einen geringen Winkel einschliessen, nicht teilnehmen.
Durch Anbringung einer Kappe 52 von geeignetem Durchmesser kann auch erreicht werden, dass der Austrittswinkel Ci der die Frontlinse 30 verlassenden Lichtstrahlen 21 grösser ist, als der der Apertur der Frontlinse 32 entsprechende Winkel, wie dies zur erfindungsgemässen Dunkelfeldbeleuchtung erforderlich ist.
Wenn der Kondensor auch mit einer Einheit versehen ist, die aus der Fassung 33 und der Frontlinse 30 besteht, und bei welcher die Frontlinse 30 keinen Klotz 50 aufweist und somit auch zur Anbringung einer Kappe nicht geeignet ist, treten aus der Frontlinse 30 des Kondensors auch die zentralen Lichtstrahlen aus und gelangen in die Objektivlinse 32. In diesem Fall entsteht demnach eine Lichtfeldbeleuchtung, bei welcher die Lichtstrahlen über die volle Öffnung der Objektivlinse 32 eintreten.
Fig. 5 stellt die Draufsicht der Blende 27 dar, die auf der zur Lichtquelle 20 des Kondensorsystems 28, 29, 30 zugekehrten. Seite angeordnet ist. Die Blende 27 Ist stellenweise vollständig lichtdurchlässig, sie weist aber auch mindestens einen Flächenanteil oder ein Feld mit Filterwirkung auf. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Oberfläche der Blende 27 zu diesem Zweck in mehrere Felder unterteilt. Der äussere kreisringförmige Teil 54 der Oberfläche ist vollständig lichtdurchlässig. Vollständig lichtdurchlässig ist auch ein Feld 55, das den kreisringförmigen Teil 54 in der Richtung des Durchmessers überquert, wobei das Feld 55 in der Mitte der Blende zu einer kreisförmigen Öffnung 56 erweitert ist.
Die Felder 57a bzw. 57b der Blende 27, die durch die das Licht vollständig durchlassenden Felder 54,55, 56 umfasst sind, lassen die Lichtstrahlen lediglich zum Teil durch. Zu diesem Zweck sind diese Felder mit einem Überzug, z. B. aus Aluminium, Silber, Rhodium oder aus einem andern Edelmetall versehen, wobei die Dicke des Überzuges derart gewählt ist, dass durch die Felder 57a und 57b mit Filterwirkung lediglich 10 - 50go des
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einfallenden Lichtes durchgelassen werden. An den Flächenteilen oder Feldern 57 a und 57b geht demnach ein Licht hindurch, das gedämpft und einigermassen gestreut, sowie in Abhängigkeit von den spektralen
Eigenschaften des Überzuges in kleinerem oder grösserem Mass gegen den Bereich der geringeren Wellen- längen verschoben ist.
Wie bekannt, ist dies mit Rücksicht auf das Auflösungsvermögen des Mikroskops von
Bedeutung. Je geringer ist nämlich die Wellenlänge der beleuchtenden Strahlen, umso winzigere Einzel- heiten werden im mikroskopischen Bild sichtbar. Die gestreuten Lichtstrahlen erhöhen dabei u. a. die
Gleichmässigkeit der Beleuchtung.
Die Blende 27 kann aber auch gemäss Fig. 6 ausgebildet werden. Dieses Ausführungsbeispiel unter- scheidet sich von jenem gemäss Fig. 5 insofern, dass lediglich die Felder 55 in der Richtung des Durch- messers vollständig lichtdurchlässig sind, wogegen die Felder 57a bzw. 57b an den Rand der Blende her- anreichen und die mittlere Öffnung 56 vollständig abgedeckt ist.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Kondensors arbeitet wie folgt : a) Zentrale Hellfeldbeleuchtung : Es sei angenommen, dass mit dem Kondensor eine zentrale Hell- feldbeleuchtung bewirkt werden soll. In diesem Fall wird auf die Fassung 35 eine Fassung 33 gelegt, in die eine Frontlinse 30 ohne Abdeckung eingebaut ist. Dann wird in der hinteren Brennebene 58 der Objek- tivlinse 32 des Mikroskopes das Bild der Lichtquelle in der in Fig. 7 dargestellten Form erscheinen. Hier ist
59 das Bild der Apertur der Objektivlinse, 60 die Begrenzungslinie der Kondensorblende 26, 57a und 57b jeweils das Bild der Felder mit Filterwirkung der Blende 27. Der Wirkungsgrad einer derartigen zentralen
Hellfeldbeleuchtung ist höher als der Wirkungsgrad der bekannten Beleuchtungen ähnlicher Art.
Durch die Felder 57a und 57b gehen nämlich, wie bereits erwähnt, gefilterte Lichtstrahlen mit verhältnismässig geringerer Wellenlänge hindurch, die das Auflösungsvermögen des Mikroskopes erhöhen. Offensichtlich kann der Durchmesser des Feldes dieser Hellfeldbeleuchtung durch Einstellung der Öffnung der Kondensorblen- de 26 erweitert oder verringert werden. b) Allseitige Hellfeldbeleuchtung : Zu diesem Zweck müssen die zentralen Strahlen ausgeblendet werden. Wie bekannt, ist dies bisher dadurch erreicht worden, dass in einen unterhalb der Kondensorblende 26 angeordneten nicht dargestellten Filterhalter eine sogenannte zentrale Blende eingelegt worden ist, die in der Mitte vollständig abgeschirmt war. In diesem Fall erscheint in der hinteren Brennebene 58 der Objektivlinse 32 das in Fig. 8 dargestellte Bild.
Der abgeschirmte Teil dieser Blende ist mit 61 und ihr lichtdurchlässiger Teil mit 62 bezeichnet.. Die Kondensorblende 26 ist in der Brennebene F des Kondensors angeordnet. Wenn demnach das Kondensorsystem als durch eine einzige Linse 64 ersetzt vorgestellt wird, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist, dann kann leicht eingesehen werden, dass die einzelnen Strahlen eines Lichtbündels, das aus einem Punkt A im Hellfeld 61 ausgeht, auch durch den Mittelpunkt 65 des Kondensors hindurchgehen. Tatsächlich sind die Lichtstrahlen des die Linse 64 verlassenden Bündels nicht parallel zum Hauptstrahl 66, der durch den Mittelpunkt 65 hindurchgeht, da die Lichtstrahlen, die den äusseren Teil der Linse 64 durchqueren, erheblich gebeugt werden und den sogenannten Komafehler verursachen.
Infolge des Komafehlers wird die Beleuchtung des untersuchten Gegenstandes unvollkommen, wodurch dann auch die Güte des Bildes des Gegenstandes nachteilig beeinträchtigt wird.
Wenn jedoch anstatt der Blende gemäss Fig. 8 die erfindungsgemässe und mit Kappe versehene Frontlinse gemäss Fig. 3 verwendet wird, lässt die dem einfallenden Licht zugekehrte Fläche der Linse 64 das Licht im Abschnitt B - C nicht durch. Somit durchqueren lediglich die innerhalb des durch die Strahlen 67 und 68 begrenzten Bündels liegenden Lichtstrahlen die Linse, wobei der in Fig. 9 gestrichelt gezeichnete Teil des vollen Bündels zwischen dem Hauptstrahl 66 und dem Strahl 68 liegende Teil vollständig ausgeblendet ist. Hiedurch nimmt der Komafehler wesentlich ab.
Ausser der Verringerung des Komafehlers ist aber die Ausblendung der Mitte der Linse 64 auch deshalb wichtig, weil lediglich hiedurch erreicht werden kann, dass in den Beleuchtungsbündeln die gestreuten Lichtstrahlen bzw. die nachteilige Wirkung der an den Rändern der Blende 26 gebeugten Strahlen gleichwie beseitigt werden. Dies ist insbesondere bei der Dunkelfeldbeleuchtung mit grossem Öffnungswinkel (Apertur) von Bedeutung.
Zwecks allseitiger schiefer Beleuchtung wird demnach beim erfindungsgemässen Kondensor nicht eine in die Blende 26 oder in einen unterhalb derselben angeordneten Halter gelegte und in der Mitte abgeschirmte Blende verwendet, sondern eine Frontlinse gemäss Fig. 3 auf die Fassung 35 gelegt, nachdem die Frontlinse mit einer Kappe 52 von der gewünschten Beleuchtung entsprechendem Durchmesser versehen worden ist. In der hinteren Brennebene 58 der Objektivlinse 32 erscheint dann das aus Fig. 10 ersichtliche Bild. Dies ist zum Teil identisch mit dem Bild gemäss Fig. 7, indem die Umrisslinie 59 der Objektivapertur, sowie die Umrisslinie 60 der Kondensorblende 26 auch hier sichtbar sind. Ausserdem ist aber auch ein dunkles Feld 69 sichtbar, das der abgeschirmten Kugelkalotte der Frontlinse 30 entspricht und die zentralen Beleuchtungsstrahlen ausschliesst.
Durch Verstellung der Kondensorblende 26 kann offensichtlich auch
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die Zone der allseitigen. Hellfeldbeleuchtung vergrössert bzw. verringert und hiedurch der Wirkungsgrad der
Beleuchtung beliebig geändert werden. c) Phasenkontrastbeleuchtung : Im Halterungsring 38 können in an sich bekannter und deshalb nicht dargestellter Weise Kondensorringe angeordnet werden, die in eine um einen exzentrischen Zapfen dreh- bare Scheibe gelegt sind. Durch Auswechseln der Scheibe können zu den verschiedenen Phasenkontrast- objektiven erforderliche Beleuchtungen bewirkt werden.
Dies ist an sich bekannt, so dass von einer nä- heren Beschreibung abgesehen werden kann. d) Kombinierte Beleuchtung : Zum Zweck der erfindungsgemässen kombinierten Beleuchtung, d. h. zwecks einer Beleuchtung, bei welcher mindestens aus einer Richtung eine Dunkelfeldbeleuchtung und mindestens aus einer Richtung mittels schiefer Strahlen eine Hellfeldbeleuchtung gleichzeitig vorhanden ist, wird eine Frontlinse 30 mit Kappe gemäss Fig. 3 verwendet, wobei der Kondensor durch Drehen des
Knopfes 47 in einem Richtungssinn des Pfeiles 48 solange verschoben wird, bis in der hinteren Brennebe- ne 58 der Objektivlinse 32 das in Fig. ll dargestellte Bild erscheint. Dann werden im Feld 70a eine Hellfeldbeleuchtung bewirkende schiefe Strahlen hoher Intensität wirken.
Im Feld 70b ausserhalb der Apertur der Objektivlinse 32 sind Lichtstrahlen wirksam, deren Öffnungswinkel grösser ist als der der Apertur der Objektivlinse 32 entsprechende Öffnungswinkel und die somit eine Dunkelfeldbeleuchtung ergeben. In den Feldern 71a bzw. 71b sind dagegen einigermassen diffuse schiefe Strahlen von verhältnismässig gerin gerer Intensität wirksam. Durch das vollständig abgeschirmte Feld 52 werden dagegen die zentralen Beleuchtungsstrahlen vollständig abgeblendet. Bei dieser Beleuchtung sind die für die Formtreue des Bildes nachteiligen optischen Illusionen auf das Mindestmass verringert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die bei der allseitigen schiefen Beleuchtung auftretende und die Kanten des untersuchten Gegenstandes überleuchtende störende Wirkung durch das diffuse Licht von verringerter Intensität der Felder 71a und 71b beseitigt ist.
Bei einer derartigen Beleuchtung erscheint das Bild des Gegenstandes 31 vollständig plastisch und auch die Einzelheiten der Oberfläche werden scharf sichtbar. e) Dunkelfeldbeleuchtung : Zu diesem Zweck wird der Kondensor mittels der Schraube 47 indiezentrale Lage (in den Mittelpunkt) gebracht, sodann die Frontlinse 30 mit einer Kappe 52 versehen, bei welcher infolge der Breite der Kugelzone 51 der Öffnungswinkel a der die Austrittsfläche 49 der Frontlinse 30 verlassenden Lichtstrahlen grösser ist als der der Apertur der Objektivlinse 32 entsprechende Winkel. In diesem Fall können die den Punkt 31 beleuchtenden direkten Strahlen nicht in die Objektivlinse 32 gela- gen, so dass eine allseitige Dunkelfeldbeleuchtung entsteht.
In der hinteren Brennebene 58 der Objektivlinse 32 erscheint dann das in Fig. 12 dargestellte Bild.
Die die Dunkelfeldbeleuchtung bewirkenden Strahlen durchqueren die ringförmige Fläche 73, wobei die Apertur der Objektivlinse 32 durch das lichtundurchlässige Feld 52 bedeckt ist. Wenn der Kondensor mittels der Schraube 47 in der Querrichtung entlang einer Geraden verstellt wird, z. B. in der Weise, dass in der hinteren Brennebene 58 der Objektivlinse 32 das Bild der Lichtquelle in der aus Fig. 11 ersichtlichen Form erscheint, bei welcher demnach eine sichelförmige kombinierte Beleuchtung entsteht, jedoch gleichzeitig die Apertur der Objektivlinse 32 durch eine der Objektivlinse des Mikroskopes zugeordnete nicht dargestellte Blende derart verengt wird, dass die Apertur der Objektivlinse 32 in das vollkommen abgedeckte Feld 52 zu liegen kommt, so wird ebenfalls eine Dunkelfeldbeleuchtung erhalten.
Diese Dunkelfeldbeleuchtung ist jedoch nicht allseitig, sondern kann als eine gleichsam mehrseitig Dunkelfeldbeleuchtung bezeichnet werden, deren Wirkungsgrad höher ist, als der Wirkungsgrad der allseitigen Dunkelfeldbeleuchtung. Das Grundfeld des mikroskopischen Bildes wird nämlich bei einer derartigen Beleuchtung so dunkel, wie dies bisher lediglich mittels katoptrischer Kondensoren (Spiegelkondensoren) erreicht werden konnte. Die optischen Verhältnisse, die hiefür bürgen, gehen aus den Darlegungen bezüglich der Fig. 9 hervor.
Wenn die Apertur der Objektivlinse 32 des Mikroskopes gross und eine Iris zur Abänderung der Apertur vorgesehen ist, oder wenn die Apertur der Objektivlinse 32 verhältnismässig gering ist, weist die quergerichtete geradlinige Verstellbarkeit des optischen Systems des Kondensors auch den Vorteil auf, dass von der ein plastisches Bild ergebenden Hellfeldbeleuchtung allmählich auf die Dunkelfeldbeleuchtung übergegangen werden kann.
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