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Einrichtung zur Messung von Gangunterschieden an mikroskopischen Objekten
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung von Gangunterschieden an im Durchlicht oder Auflicht beleuchteten Objekten, insbesondere Phasenobjekten, mit Hilfe eines hinter dem Objektiv gelegenen, unter ausschliesslicher Verwendung nichtpolarisierender Elemente arbeitenden MachZehnder-Interferometers, in dessen Innerem sich in einer zugänglichen Ebene die Objektivaustrittspupille oder ein Bild derselben befindet.
Zur kontrastreichen Darstellung und Vermessung von Phasenobjekten bedient man sich der Phasenkontrast-und Interferenzmikroskopie.
Das Phasenkontrastverfahren nach Zernike ist besonders zur Beobachtung kleiner Phasenobjekte bestimmt, wogegen die verschiedenen bekannten Verfahren der Interferenzmikroskopie besser für die kontrastreiche Darstellung grossflächiger Phasenobjekte sowie die Vermessung von Gangunterschieden an Phasenobjekten geeignet sind.
Während beim Phasenkontrastverfahren die Kontraste durch unterschiedliche Beeinflussung, wie Änderung der relativen Phasendrehung und Durchlässigkeit zwischen direkten und am zu untersuchenden Objekt gebeugten Lichtes erzeugt werden, wird bei den verschiedenen Interferenzverfahren die Überlagerung des normalen Hellfeldbildes mit einem dazu kohärenten Untergrund bewirkt. Letzterer kann strukturlos sein oder ebenfalls Objektstrukturen enthalten. Durch messbare Veränderung der Phasendifferenz zwischen Hellfeldbild und genanntem Untergrund können optimale Kontraste erzeugt und relative Gangunterschiede von Phasenobjekten ermittelt werden. Je nach Justierung der beiden Teilstrahlgänge zueinander erhält man im Sehfeld Interferenzstreifen oder ein homogenes Feld, in dem sich dagegen kontrastiert das Bild des Objekts befindet.
Der strukturlose kohärente Untergrund ist an handelsüblichen Interferenzmikroskopen herkömmlicher Art durch beleuchtungsseitige Aufspaltung des Strahlenganges in der Weise erreicht worden, dass der Vergleichsstrahlengang das Objekt nicht durchsetzt. Diese Methode ist theoretisch einwandfrei, führt aber zu Schwierigkeiten bei der Justierung und hinsichtlich der mechanischen und thermischen Stabilität, weil beide Strahlengänge über eine relativ grosse Strecke unterschiedliche optische Elemente durchlaufen.
Bei einwandfreier Durchführung des Prinzips ist diese Methode jedoch recht kostspielig.
Einige moderne Methoden der Interferenzmikroskopie verzichten auf die getrennte Führung beider Strahlengänge und arbeiten mit einer Bildaufspaltung, die durch Verwendung polarisationsoptischer Hilfsmittel realisiert wird. Es wird also eine teilweise Überlagerung der Bildstrukturen in Kauf genommen. Wegen der Verwendung polarisierten Lichtes führt die Vermessung von Polarisationsobjekten auf Schwierigkeiten. Ausserdem muss die Beleuchtungsapertur im allgemeinen stark eingeschränkt werden.
Dagegen sind die Schwierigkeiten hinsichtlich Justierung und Stabilität relativ gering, da beide Strahlengänge nur um einen geringen Betrag seitlich versetzt, die gleichen optischen Elemente durchlaufen.
Neben diesen Interferenzmikroskopen gibt es eine ganze Reihe von Kontrastanordnungen, die zwar eine Änderung des Bildkontrastes der beobachteten Phasenobjekte erlauben, jedoch keine Messung des Gangunterschiedes zulassen.
Eine derartige, recht vielseitige Anordnung ist in der deutschen Patentschrift Nr. 822 023 beschrie-
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ben worden. Bei dieser Anordnung wird der Strahlengang in der Weise aufgespaltet, dass gebeugtes und direktes Licht in einer Mach-Zehnder-Anordnung getrennte Wege geführt werden. Nach einer getrenn-
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mit den dort beschriebenen Ausführungsbeispielen keinerlei Phasenmessungen durchführen, da die dafür erforderlichen Mess- und Justierelemente fehlen. Es werden lediglich kontraststeigernde Mittel, wie Graukeile, Farbfilter, Polarisatoren und Phasenplatten, eingesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Vermessung von Gangunterschieden an mikroskopischen Objekten, insbesondere Phasenobjekten, zu schaffen, die in gleicher Weise sowohl für Durchlicht als auch für Auflicht brauchbar ist und die bei den andern interferenzmikroskopischen Anordnungen genannten Nachteile weitgehend vermeidet.
Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Einrichtung zur Messung von Gangunterschieden an mikroskopischen Objekten mit Hilfe eines hinter dem Objektiv gelegenen, unter ausschliesslicher Verwendung nichtpolarisierender Elemente arbeitenden Mach-Zehnder-Interferometers, in dessen Innerem sich in einer zugänglichen Ebene die Objektiv-Austrittspupille oder ein Bild derselben befindet, dadurch gelöst, dass in einem der beiden Teilstrahlengänge des Mach-Zehnder-Interferometers in oder in der Nähe der Ebene der Objektivaustrittspupille oder eines Bildes derselben auswechselbar gegen zur Aperturblende konjugierte Ringblenden sich ein Ablenkkeil befindet, der aus einem Prisma oder aus einer Kombination mindestens zweier schwacher Prismen besteht,
deren Ablenkung hinsichtlich Grösse und Richtung veränderbar oder fest sein kann, dass in andern Ebenen im Inneren des Interferometers um zur optischen Achse geneigte Achsen kippbare Streifenerzeuger, die transparente Platten oder Keile sein können, sowie Justierplatten und-keile mit vorzugsweise kleinem Keilwinkel angeordnet sind.
Eine vorteilhafte Ausführung ergibt sich, wenn der Ablenkkeil auf einer Drehvorrichtung angeordnet ist, deren Drehachse einerseits und die optische Achse des Gerätes anderseits einen Winkel von 45 bis 900 zur durch die Keilkante gehenden Symmetrieebene des Ablenkkeiles bilden. Dadurch ist es möglich, Grösse und Richtung der Bildaufspaltung kontinuierlich zu verändern.
Zur Begrenzung der Beleuchtungsapertur ist im Beleuchtungsteil eine spaltförmige Blende angeordnet, deren Blendenöffnung zur Erzielung optimaler Beleuchtungsbedingungen, die dem zu untersuchenden Objekt angepasst sind, veränderbar ist.
Zur Erzielung optimalen Bildkontrastes muss die Spaltblende senkrecht zur Aufspaltungsrichtung des Bildes stehen. Es ist deshalb von Vorteil, wenn diese Blende um eine näherungsweise in der optischen Achse liegende Achse drehbar ist.
Bei Beleuchtung mit monochromatischem oder nahezu monochromatischem Licht ergibt sich eine weitere vorteilhafte Ausführung, wenn zur Erhöhung der Intensität und Bildqualität die im Beleuchtungsstrahlengang befindliche, spaltförmige Blende gegen ein die Beleuchtungsapertur vergrösserndes Gitter auswechselbar ist, dessen Spaltabstände der Grösse der Objektaufspaltung angepasst sind.
Wenn beleuchtungsseitigt : Blenden, vorzugsweise Ringblenden, und in der Nähe einer der beiden im Interferometer gelegenen Objektivaustrittspupillen oder im dort gelegenen Bild derselben jeweils eine zur beleuchtungsseitigen Blende konjugierte Blende auswechselbar angeordnet werden, ergibt sich eine besonders vorteilhafte Anordnung zur Vermessung der relativen Phasendrehung kleiner Phasenobjekte. In diesem Fall bildet das durch die Blende hindurchgehende direkte Licht bei geeigneter Blendendimensionierung eine homogene, praktisch ebene Vergleichswelle, die mit der Objektwelle interferiert und so eine kontrastreiche Darstellung des Phasenobjektes ermöglicht.
Erst wenn die Ringblenden optimal dimensioniert und mit um verschiedene Achsen dreh-und kippbaren sowie verschiebbaren Justier- und Messelementen, wie Streifenerzeugern, Kompensationskeilen und-platten, kombiniert sind, kann die bei diesem Verfahren zur Messung notwendige Phasenkonstanz über Feld und Pupille eingestellt und die Anordnung als Interferenzmikroskop zur Messung von Gangunterschieden eingesetzt werden.
Für die Durchführung genauer Phasenmessungen auch bei grossen Gangunterschieden hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn im Interferometer ein Phasenschieber angeordnet ist, der vorzugsweise aus einem verstellbaren durchsichtigen Keil oder aus einer Kombination von mindestens zwei Keilen besteht, und wenn der Phasenschieber oder eine andere dafür eingesetzte Platte oder ein Keil einzeln oder mit dem Phasenschieber kombiniert um eine zur optischen Achse näherungsweise senkrechte Achse drehbar ist.
Zur Kompensation der optischen Weglängen in beiden Teilstrahlengängen sind im Interferometer zusätzliche feste oder bewegliche durchsichtige Platten oder Keile vorgesehen.
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Um die Einrichtung für verschiedene Anwendungsgebiete einsetzen zu können, sind alle optisch wirksamen Elemente im Beleuchtungs-und Interferometerteil auswechselbar.
Eine Erhöhung der Messgenauigkeit ergibt sich, wenn in einem vor dem Interferometer gelegenen Zwischenbild eine Halbschattenplatte (Platte mit planparallelen Stufen) geeigneter Phasendrehung angeordnet ist, die entweder eine Phasenstufe oder einen oder mehrere Phasenstreifen oder-ringe enthält, deren Breite
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= ---Wellenzahl, ARPhasenkontrastverfahren bekannten Halo-Erscheinungen die Messgenauigkeit nicht oder kaum beeinträchtigen.
Für die Untersuchung doppelbrechender Objekte ist es weiterhin von Vorteil, wenn beleuchtungsseitig und abbildungsseitig Polarisatoren und Kompensatoren einsetzbar sind.
Für die gleichzeitige oder nacheinander erfolgende Anwendung verschiedener, aufeinander abstimmbarer, entsprechend vorgesehener Lichtarten hat es sich schliesslich für die universelle Anwendbarkeit der Einrichtung als günstig erwiesen, wenn im Beleuchtungsstrahlengang eine Teilungsfläche vorgesehen ist.
Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist schematisch in der Zeichnung dargestellt.
Eine vor dem Kondensor --1-- befindliche Spaltblende, die gegen eine Ringblende auswechselbar ist, wird über diesen Kondensor-l-durch die Objektebene --3-- hindurch von einem Objektiv-4-
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ein Mach-Zehnder-Interferometer mit den Lichtaustritten--11 und 11'-- dar. Die hinter dem Prisma - entstehenden Zwischenbilder der Objektebene --3- können mit Hilfe eines nicht dargestellten Mono-oder Binokulars beobachtet werden. Allerdings sind diese beiden Bilder nicht identisch, sondern zueinander komplementär. Mittels eines Phasenschiebers --12-- kann die Phasendifferenz der im Interferometer verlaufenden Teilstrahlen messbar verändert werden, wodurch das Feld die Helligkeit oder bei Beleuchtung mit weissem Licht die Farbe verändert.
Befindet sich in der Objektebene-3-- ein Phasenobjekt, so wird die Wellenfläche durch dieses deformiert. Im Zwischenbild überlagern sich beide Wellenflächen, ohne dass dabei schon Kontraste auftreten. Dies ist deswegen nicht der Fall, weil beide Wellenflächen gleich und nicht seitlich gegeneinander verschoben sind.
Wird jedoch am Ort des Bildes vom Spalt --2-- ein Ablenkkeil--13-- mit geringem Keilwinkel eingefügt, dann tritt die schon aus den polarisationsoptischen Interferenzanordnungen bekannte Bildaufspaltung auf. Es interferierendann jeweils eine Objektstelleder einen Wellenfläche mit der dem Objekt benachbarten Stelle der andern Wellenfläche. Mit Hilfe des Phasenschiebers-12-wird nacheinander eine dieser Objektstellen und deren Umgebung durch Interferenzen auf grösste Dunkelheit gebracht. Aus der Differenz beider Einstellungen ergibt sich die Objektphasendrehung. Eine planparallele Glasplatte -- 14--und ein Keil--15--dienen zur Kompensierung des Glasweges in den Keilen --9, 13-- und des Phasenschiebers-12--.
Man kann den wirksamen Keilwinkel des kombinierten Ablenkkeiles --9, 13-- auch so klein machen, dass die Objektaufspaltung in der Grössenordnung der Auflösungsgrenze des Objektivs liegt. Dann entsteht bei Objekten mit kontinuierlich veränderlichen Phasenänderungen ein Relief-Effekt. In diesem Fall wird nicht die totale Phasenänderung, sondern der Gradient derselben bzw. der Brechzahl angezeigt. Das Bild ähnelt dem einer elektronenmikroskopischen Aufnahme eines schräg bedampften Präparats. Durch eine gegensinnige Drehung des schwachen Keiles --15-- und des Phasenschiebers --12-um Achsen, die nicht parallel zur optischen Achse verlaufen, werden sowohl das Bild als auch die Pupille aufgespalten.
Durch gegensinniges Drehen der Keile--9 und 13-- um eine zu der erstgenannten, nicht parallelen Drehachse kann jedoch die genannte Bildaufspaltung ganz oder teilweise rückgängig ge-
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macht werden. Die Grösse der Pupillenaufspaltung kann also unabhängig von der Objektaufspaltung gew ählt werden. Aus dieser Pupillenaufspaltung resultiert bei Beleuchtung mit polychromatischem Licht ein in der Bildebene farbiges Interferenzstreifensystem. Der Abstand der Interferenzstreifen ist umgekehrt proportional der Pupillenaufspaltung. Bei gleichzeitiger Bildaufspaltung ergibt sich eine durch die relative Objektphasendrehung hervorgerufene Streifenversetzung, die insbesondere für die Vermessung sehr gro- sser Gangunterschiede mit Vorteil benutzt werden kann.
Die Streifenversetzung kann direkt im Okular oder unter Verwendung des Phasenschiebers-12-gemessen werden. Eine für kleine Objekte besonders vorteilhafte Anordnung ergibt sich, wenn man die Spaltblende --2-- durch die beim Phasenkontrast übliche Ringblende und dieKeilkombination-9, 13-- durch eine dazu konjugierte Ringblende ersetzt. Das Verhältnis von Fläche zu Berandung soll bei dieser Ringblende kleiner als 1/15 des Durchmessers der Objektivaustrittspupille oder deren in der Bildebene gelegenen Bildes sein.
Bei genügend kleinem Objekt und genügend schmaler Ringblende wird das am Objekt gebeugte Licht in dem einen Strahlengang durch eine an die Stelle der Keilkombination-9, 13-getreten Ringblende fast restlos zurückgehalten, während im zweiten Teilstrahlengang sowohl das direkte als auch das am Objekt gebeugte Licht zur Wirkung kommt.
Da das direkte Licht allein keinerlei Strukturen abbildenkann, wird in der Bildebene dem Hellfeldbild des einen Strahlenganges ein homogener dazu kohärenter Untergrund mit Berücksichtigung der Phase überlagert. Mit Hilfe des Phasenschiebers-12-kann man die relative Phase zwischen beiden Anteilen in weiten Grenzen beliebig verändern und durch Interferenz sowohl Objekt als auch Umgebung nacheinander in verschiedenen Helligkeiten oder Farben erscheinen lassen. Durch Einstellung auf grösste Dunkelheit des Objekts und der Umgebung kann die relative Phasendrehung des Objekts gemessen werden. Durch Verwendung einer Halbschattenplatte --16-- kann man im allgemeinen die Messgenauigkeit erhöhen, indem man eine der Phasenkanten durch das Objektbild legt und als Einstellkriterium die Helligkeitsgleichheit beiderseits der Kante benutzt.
Die Halbschattenmethode kann auch bei Bildaufspaltung verwendet werden.
Bei dieser Methode der Interferenzmikroskopie ohne laterale Bildaufspaltung müssen die Objektgrösse, die Brennweite des Objektivs und die Ringbreite aufeinander abgestimmt sein. Als Kriterium dafür, inwieweit die einschränkenden Bedingungen erfüllt sind, kann der Parameterwert
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dienen, wobei
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AR = Breite des Blendenringes im Interferometer und f = die für die Abbildung der Ringblende wirksame Brennweite bedeuten.
Die für diesen Parameterwert zu fordernde Grösse hängt von der Objektphasendrehung und von der geforderten Messgenauigkeit ab. Die auftretenden Fehler sind auf jeden Fall zu vernachlässigen, wenn r nicht grösser als 1 ist. Für etwas geringere Genauigkeit ist es ausreichend, wenn r < 2, 5 ist.
Der Vorteil dieser Methode gegenüber den vorher beschriebenen Methoden besteht darin, dass keine Bildaufspaltung erforderlich ist, dass ohne Beschränkung der Objektivapertur die Beleuchtungsapertur nicht stärker als beim Phasenkontrast beschränkt zu werden braucht, nur ein dem Objekt unmittelbar benachbarter Bereich der Objektebene zur Messung herangezogen wird und somit an Objektträger und Deckglas keine besonders hohen Forderungen gestellt werden müssen und die Bedienung und Zentrierung der Ringblenden nicht schwieriger als beim Phasenkontrast ist. Daraus resultiert eine gute Bildqualität und eine relativ einfache Durchführung von Messungen.
Zusammenfassend können mit Hilfe dieser Einrichtung ohne Verwendung polarisierten Lichtes durch Aufspaltung des Abbildungsstrahlenganges hinter dem Objektiv nach getrennter Beeinflussung und Wiedervereinigung zwei Teilbilder ohne bzw. mit differentieller oder totaler lateraler Aufspaltung zur Interferenz gebracht werden. Durch unterschiedliche Neigung der beiden Teilstrahlen zueinander können im Sehfeld unabhängig von der Objektaufspaltung Interferenzstreifen mit unterschiedlichem Streifenabstand oder Interferenzkontrast erzeugt werden. Die Phasendifferenz zwischen beiden Teilstrahlen kann
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messbar verändert werden, wodurch genaue Gangunterschiedsbestimmungen auch an kleinen Phasenobjekten möglich sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Messung von Gangunterschieden an mikroskopischen Objekten mit Hilfe eines hinter dem Objektiv gelegenen, unter ausschliesslicher Verwendung nichtpolarisierender Elemente arbeitenden Mach-Zehnder-Interferometers, in dessen Innerem sich in einer zugänglichen Ebene die Objektivaustrittspupille oder ein Bild derselben befindet, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der beiden Teilstrahlengänge des Mach-Zehnder-Interferometers in oder in der Nähe der Ebene der Objektivaustrittsspupille oder eines Bildes derselben auswechselbar gegen zur Aperturblende konjugierte Ringblenden sich ein Ablenkkeil (13) befindet, der aus einem Prisma oder aus einer Kombination mindestens zweier schwacher Prismen besteht,
deren Ablenkung hinsichtlich Grösse und Richtung veränderbar oder fest sein kann, dass in andern Ebenen im Inneren des Interferometers um zur optischen Achse geneigte Achsen kippbare Streifenerzeuger, die transparente Platten oder Keile sein können, sowie Justierplatten und-keile mit vorzugsweise kleinem Keilwinkel angeordnet sind.
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