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Interferenz-Polarisationsmikroskop
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Polarisationsmikroskop fürdopplungsfähigkeit auszuwechseln, was viel Umstände verursacht und nicht immer möglich ist.
Diese Unzulänglichkeiten weist das Interferenz-Polarisationsmikroskop, das den Gegenstand der
Erfindung bildet, nicht auf. Es gestattet nämlich für das gegebene doppelbrechende System und bei der gegebenen Objektivvergrösserung verschiedene Bildverdoppelungswerte zu erlangen, sowie schnell von der sogenannten differentiellen Verdoppelung zur totalen Verdoppelung sowohl mit homogenem als auch mit Linien-Interferenzfeld überzugehen. Die maximalen Verdoppelungswerte im homogenen In- terferenzfeld sind dabei derart gross, dass man Messungen auf breiten Objekten, z. B. auf grossen Zel- len, breiten Fasern oder selbst auf histologischen Schnitten durchführen kann.
Die grundsätzliche Neuheit in diesem Mikroskop, die es von andern bereits bekannten Interferenz-
Polarisationsmikroskopen unterscheidet, liegt darin, dass es im Bildraum des Mikroskopobjektivs zwei doppelbrechende Wollaston-Prismen enthält, von denen das eine sich unmittelbar hinter dem Objektiv befindet, um dessen Achse drehbar ist und die Interferenzebene im Bildbrennpunkt des Objektivs loka- lisiert. Das zweite Prisma mit einer ebenfalls im Bildbrennpunkt des Objektivs oder ausserhalb dieser
Ebene lokalisierten Interferenzebene befindet sich im Tubus des Mikroskops und führt zwei geradlinige
Bewegungen aus : in zur Achse des Objektivs paralleler Richtung sowie in zu dieser Achse und zur eige- nen brechenden Kante senkrechter Richtung. Die Drehbewegung des ersten dieser Prismen ermöglicht die Änderung der Verdoppelung der Bilder des zu prüfenden Gegenstandes.
Abhängig von der Einstellung dieses Prisma im Verhältnis zum zweiten, im Tubus befindlichen Prisma werden die durch beide Pris- men bewirkten Verdoppelungen entweder addiert oder voneinander subtrahiert bzw. die Verdoppelungs- wirkung des drehbaren Prisma wird zu Null reduziert.
Das Prinzip der Konstruktion und der Wirkungsweise des erfindungsgemässen Interferenz-Polarisa- tionsmikroskops ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt.
Hauptelemente dieses Mikroskops sind : drehbares doppelbrechendes Prisma --W 1-- mit äusserer Lo- kalisierungsebene der Interferenzstreifen, verschiebbares doppelbrechendes Prisma--W -ebenfalls mit äusserer Lokalisierungsebene der Interferenzstreifen oder ein dagegen austauschbares gewöhnliches dop-
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Polarisator-P-, Kondensator-K-, Blende-D-mitSchlitz --S--, der im Fokus des Kondensators --K-- parallel zur brechenden Kante des Prisma-W- liegt, Objektiv-Ob-, Mikrometerplatte-M--, die mit dem Prisma-W-verbunden ist, Analy- sator --A-, gewöhnlicher binokularer Mikroskopaufsatz --ND-- mit Okular zum Beobachten des Bil- des des in der Objektebene--r-angebrachten Gegenstandes-B-- sowie mit einem Hilfsmikro- skop-MP-,
das sich aus dem Objektiv --L--, Strichplatte --PO--, Okular --E-- zusammensetzt und dazu dient, die Grösse der Verschiebung des Prisma-W-beim Messen des Gangunterschiedes in dem geprüften Gegenstand-B-auf der Mikrometerplatte-M-- abzulesen.
Die doppelbrechenden Prismen-W und W-sind einander ähnlich und jedes von ihnen besteht aus drei Quarzkeilen --1, 2 und 3-, die auf bekannte Weise im Verhältnis zur in der Zeichnung mittels eines doppelten Pfeiles (Achse in der Ebene der Zeichnung) oder mittels eines Kreises mit Punkt (Achse in zur Zeichnung senkrechter Ebene) angedeuteten optischen Achse des Kristalls ausgeschnitten sind. Die optische Achse im Keil--1-- verläuft senkrecht zu dessen brechender Kante und unter einem Winkel-0R'-45 zur Frontebene des Prismas, dagegen ist die optische Achse in den Keilen --2 und 3-parallel zu ihren brechenden Kanten.
Die Brechungswinkel"ex. und %-des Keiles--1-- sind in jedem der Prismen-W. und W-gleich der Summe der Brechungswinkel der Keile-2 und 3--.
Diese Prismen wirken ähnlich wie das schon bekannte im Nomarski-Interferenz-Polarisationsmikroskop angewendete Prisma, das nur aus zwei Keilen-1 und 2-- mit gleichen Brechungswinkeln besteht. Vom gewöhnlichen doppelbrechenden Wollaston-Prisma unterscheiden sie sich darin, dass sie zwischen Polarisatoren (Polarisator-P-- und Analysator-A-), im durchgehenden Licht geradlinige Interferenzstreifen ergeben, die nicht innen lokalisiert sind, wie es beim gewöhnlichen Wollaston'schen Prisma der Fall ist, sondern aussen in einem gewissen Abstand --H1,H2--, der umso grösser ist, je kleiner der Brechungswinkel--xcx"', je grösser die Dicke der Prismen und je grösser der Ausschnittswinkel --ss-- der Komponente --1-- im Verhältnis zur optischen Achse des Kristalls sind.
Diese Prismen nennt man doppelbrechende Prismen mit äusserer Lokalisierungsebene der Interferenzstreifen. Wenn die Lokalisierungsebenen der Interferenzstreifen-H, H - dieser Prismen sich mit dem Bildbrenn- punkt-F'-des Objektivs-Ob-decken, dann erhält man in der Bildebene des Mikroskops eine homogene Interferenz. Wenn dagegen die Lokalisierungsebene der Interferenzstreifen wenigstens eines dieser Prismen sich mit dem Brennpunkt - fI-- nicht deckt, dann erhält man in der Bildebene des Mikroskops eine Streifeninterferenz.
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Das einen Bestandteil des Objektivs --Ob-- bildende doppelbrechende Prisme-zist um die Achse des Objektivs --Ob-- drehbar angebracht, wobei dessen Lokalisierungsebene der Interferenzstreifen sich mit dem Bildbrennpunkt-F'-des Objektivs deckt. Die Drehbewegung dieses Prisma dient zur Änderung der Verdoppelungsgrösse der Bilder des zu prüfenden Gegenstandes. Das doppelbrechende prisme-zist im Tubus des Mikroskops angebracht und kann sich in zur Achse des Mikroskops --Ob-- paralleler Richtung --w-- und senkrechter Richtung --p-- verschieben.
Das Verschieben des Prisma --W2-- in paralleler Richtung --w-- ist dazu bestimmt, dessen Lokalisierungsebene der Interferenzstreifen mit dem Bildfokus der erwähnten Objektive verschiedener Vergrösserungen zur Deckung zu bringen die Querverschiebung in senkrechter Richtung p dient zur Phasenänderung zwischen den verdoppelten Lichtwellen sowie zum Messen der Phasenverschiebung des zu prüfenden Gegenstandes.
Diese Messung kann man auf vielerlei Weise durchführen. Am bequemsten wird sie im Felde der homogenen Interferenz durchgeführt, indem man durch Querverschiebung des Prisma-W-die Farbe oder die Lichtstärke des einen (z. B. ordentlichen) und dann des zweiten (ausserordentlichen) Bildes des zu prüfenden Gegenstandes auf eine beliebig gewählte (am besten schwarze oder purpurrote) Ausgangsfarbe des Hintergrundes des Sichtfeldes des Mikroskops bringt.
Die Brechungswinkel --α1 und a2-- sowie die Dicken der Prismen--W. und W-sind so gewählt, dass sich die Lokalisierungsebenen der Interferenzstreifen-H, und H,-dieser Prismen im Bildbrennpunkt-F'-des Objektivs-Ob-- befinden. Bei typischen Mikroskopobjektiven kann der maximale Brechungswinkel --α1-- des Prisma --W1-- etwa 15 bis 200 und der Brechungswinkel des Prisma --W2-- nicht mehr als 3 bis 40 ausmachen.
Wenn die Brechungswinkel --α1 und α2-- der Prismen --W1 und W-- den gleichen Sinn haben (dies ist der in der Zeichnung gezeigte FaLl), dann erhält man eine maximale Bildverdopplung des zu prüfenden Gegenstandes, die die Summe der durch jedes der Prismen gesondert gegebenen Verdoppelungen
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und W2-- ist.
Wenn dagegen das Prisma - W1 -- so orientiert ist, dass dessen Brechungswinkel --α1-- zum Bre- chungswinkel --α2-- des Prisma --W2-- entgegengesetzt gerichtet ist, beträgt die resultierende Ver- doppelung-r-des Bildes die Differenz der Verdoppelungen --rl und r-.
Bei mittleren Lagen des Prisma-W.-, wenn dessen brechende Kante mit der brechenden Kante des Prismas--L-einen Winkel von 45 bildet, erhält man eine resultierende Bildverdoppelung, die gleich der Verdoppelung-r-ist, welche nur das Prisma-W-gibt. In diesem Falle ist es so, als
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Wird das Prisme-zum die Achse des Objektivs --Ob-- gedreht, erhält man demnach drei Bildverdoppelungswerte : rl + r,, r. und r..-r,. Man kann demnach abhängig von der Breite des zu prü- fenden Gegenstandes die entsprechende Bildverdoppelung im homogenen Interferenzfeld, ohne das Objektiv oder das doppelbrechende Prisma auswechseln zu müssen, schnell wählen.
Das doppelbrechende Prisma-Q-ist ein gewöhnliches oder symmetrisches Wollaston'sches Prisma, wie es in der Zeichnung angegeben ist. Es kann durch das Prisma-W,-ersetzt werden und dient dazu, um in der Bildebene des Mikroskops die Streifeninterferenz zu erlangen. Dessen Brechungswinkel-a- ist so gewählt, dass dieses Prisma das Bild des zu prüfenden Gegenstandes nur etwas mehr oder etwas weniger als das Prisma-W-verdoppelt Man erhält dann eine Differentialinterferenz mit einem Streifenfeld.
Zu diesem Zwecke genügt es, dass die folgende Bedingung erfüllt wird :
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worin G = eigene Vergrösserung des Objektivs --Ob--, h = Abstand des Wollaston'schen Prismas-Q- vom Brennpunkt --F'-- des Objektivs --Ob--, f1 die Bildbrennweite des Objektivs-Ob--, D und D die Doppelbrechung des Prisma-wound die Doppelbrechung des Wollaston'schen Prismas-Q- sind.
Die obige Formel bedingt die gleichen Bildverdoppelungswerte für das Prisma --Q und Wiz -. Beim Verschieben des Prismas --Q-in senkrechter Richtung, d. i. beim Ändern des Abstandes -11--, er-
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langt man geringe Bildverdoppelungsunterschiede, die von dem einen und vom andern doppelbrechen- den Prisma herrühren, und demnach kann man, abhängig von der Breite des zu prüfenden Gegenstandes und von den in ihm auftretenden Veränderungen der Phasenverschiebung, die optimale (verschwindend kleine) resultierende differentielle Verdoppelung wählen.
i Dreht man das Prisma--Wl-- um 180 so, dass die Richtung seines Brechungswinkels mit der Rich- tung des Brechungswinkels des Prismas-Q-'ubereinstimmt, dann erhält man ein Interferenzlinienfeld und eine grosse resultierende Bildverdoppelung.
Verfügt man über einen Satz von Objektiven-Ob-mit drehbaren doppelbrechenden Pris-
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Prismen-W ;-'mitkel, kann man mikroskopische Prüfungen und Messungen des Gangunterschiedes oder dessen Gradienten auf vierfache Weise durchführen : nach der Methode der homogenen Interferenzfarbe mit grosser (ver- änderlicher) Bildverdoppelung, nach der Methode der Differentialverdopplung im homogenen Interfe- renzfeld, nach der Methode der Streifeninterferenz mit grosser (veränderlicher) Bildverdoppelung oder nach der Methode der Differentialverdopplung im Streifenfeld.
Der Polarisator-P--und der Analysator-A-sind gewöhnliche, in Fassungen angebrachte Polarisatoren, die sich um die Achse des Objektivs Ob-- drehen können. Ein maximaler Interferenz- effekt wird erlangt, wenn die Lichtschwingungsebenen in diesen Polarisatoren zueinander senkrecht oder parallel sind und mit der Brechungskante des Prisma-- (oder-Q-) einen Winkel von 45 bilden. Wenn man den Polarisator oder den Analysator mit einer Winkelskala versieht, kann man ausser der Phasenverschiebung des durch den zu prüfenden Gegenstand hindurchgehenden Lichtes auch den Schwächungsgrad dieses Lichtes messen, wenn dieser Gegenstand in einem gewissen Grade Licht absorbiert.
Anstatt der Blende --D-- mit dem Spalt --S--, die für das Mikroskop die Quelle kohärenten Lichtes bildet, kann man einen entsprechenden Quarzkompensator in Form eines Wollaston'schen Prismas mit entsprechend gewähltem und im Verhältnis zum doppelbrechenden Prisma---'-entsprechend orientiertem Brechungswinkel anwenden.
Das Interferenz-Polarisationsmikroskop gemäss der Erfindung kann besonders bei biologischen Untersuchungen (z. B. zur Bestimmung des Inhalts an Trockenmasse in Zellen, Geweben und verschiedenen deren Fragmenten), in der physikalischen Chemie (Messung des Brechungskoeffizienten verschiedener Substanzen, Messung der Dicke dünner Schichten), im Textilwesen (Messung der Doppelbrechung) sowie in der Kristallographie und in der Mineralogie weite Anwendung finden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Interferenz-Polarisationsmikroskop mit zwischen dem Polarisator und dem Analysator angebrachtem doppelbrechendem Element im Bildraum des Objektivs und mit einer spaltförmigen Aperturblende im Kondensator, dadurch gekennzeichnet, dass es im Bildraum zwei doppelbrechende Prismen vom Wollaston-Typ enthält, von denen das eine Prisma (W, das sich unmittelbar hinter dem optischen System des Objektivs (Ob) befindet, um die Achse des Objektivs drehbar ist, und das zweite Prisma (W oder Q), das sich im Tubus des Mikroskops befindet, in zwei Richtungen verschiebbar ist parallel zur Achse des Objektivs (Ob) sowie senkrecht zu dieser Achse und zu seiner Brechungskante, die parallel zu der Richtung des Spaltes (S) in der Blende (D) des Kondensators (K) liegt.