<Desc/Clms Page number 1>
Vorrichtung zur Erhöhung des Auflösungsvermögens und zur Kontraststeigerung in lichtoptischen Mikroskopen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erhöhung des Auflösungsvermögens und zur Kontraststeigerung in lichtoptischen Mikroskopen mit inkohärenter Beleuchtung.
Es gibt eine Reihe von Gründen, die verursachen, dass die Abbildungen von Gegenständen unter gewissen Umständen verschwommen erscheinen und nicht den erforderlichen Kontrast zeigen. Einer dieser Gründe ist, dass das Auflösungsvermögen von klassischen Mikroskopen, wie durch Rayleigh und Abbe gezeigt wurde, durch Lichtbeugung an deren Blenden gegeben ist, die verursacht, dass die Abbildung eines Punktes nicht ein Punkt ist, sondern ein Airy-Scheibchen, das sich mit kleiner werdender numerischer Apertur vergrössert. Da es unmöglich ist, die numerische Apertur beliebig zu vergrössern, hat das bestehende Mikroskop klassischer Bauart die Grenze seines Auflösungsvermögens erreicht.
Es ist naheliegend, dass man das Problem des Auflösungsvermögens von zwei Punkten eines Bildes durch das Problem des Auflösungsvermögens der Airy-Scheibchen dieser Punkte in der Abbildung ersetzen kann, soweit eine Belichtung mit nicht kohärentem Licht vorausgesetzt wird. Die Airy-Scheibchen bilden in der Abbildung eine Summationsfigur und die Mittelpunkte der Airy-Scheibchen, die den geometrischen Abbildungen von Punkten entsprechen, können unterschieden werden, soweit die Lichtintensität zwischen diesen Mittelpunkten in so einem Mass abnimmt, dass das Auge oder ein anderes Fühlorgan fähig ist, diese Abnahme wahrzunehmen.
Es ist möglich, die sogenannte Rayleigh-Grenze zu unterschreiten, falls statt der photographischen Platte oder dem Auge ein Fühlorgan verwendet wird, das eine andere übertragungsfunktion besitzt oder falls auf eine andere Art als durch Vergrösserung der numerischen Apertur die Bildung der Beugungserscheinungen beeinflusst wird, da die numerische Apertur nicht weiter zahlenmässig erhöht werden kann. Es ist eine Reihe von Vorschlägen bekannt, die eine Lösung dieses Problems anstrebten.
In manchen Fällen kann das Auflösungsvermögen durch Apodisation der Objektive erhöht werden, wobei die Airy-Scheibchen durch Scheiben mit Gauss'scher Intensitätsverteilung ersetzt wurden. Das Verfahren gemäss der DDR-Patentschrift Nr. 26832 mit einer rotierenden Mattscheibe erhöht das Auflösungsvermögen nur wenig, bietet jedoch andere Vorteile. über das Verfahren mit Belichtung durch Kugelwellen nach der DDR-Patentschrift Nr. 37427 ist nicht bekannt, wie weit es das Auflösungsvermögen erhöht.
Gemäss der franz. Patentschrift Nr. 1. 124. 217 wird der Gegenstand Punkt nach Punkt abgebildet, die Abbildung des Punktes (der Beugungsring) wird in zwei Bilder zerlegt, die zu Ringfiltern geführt werden, die so gewählt sind, dass die Lichtintensität beider Bilder nach Durchgang durch diese Filter gegenseitig subtrahiert werden kann, wobei diese Differenz unabhängig von den Eigenschaften der nahen Umgebung eines Punktes des beobachteten Gegenstandes sein soll. Das durch jedes Filter durchgegangene Licht fällt auf eine eigene Lichtzelle auf und die Subtraktion wird auf elektrischem
<Desc/Clms Page number 2>
Weg ausgeführt. Das resultierende Signal wird wieder in Licht umgewandelt und durch rotierende Spiegel wird das Bild wieder zusammengesetzt.
Es ist naheliegend, dass die Verwirklichung dieses Verfahrens sehr schwierig, wenn nicht unmöglich, sein wird, da die Anforderungen hinsichtlich genauem Einstellen von Abbildungen an Filtern, an die Genauigkeit von Winkeln und Gleichlauf von rotierenden Spiegeln und an die Genauigkeit deren Achsenlager Bruchteile von Sekunden und einige Nanometer erreichen. Die Anforderungen hinsichtlich Stabilität und Linearität der Verstärker sind ebenfalls sehr hoch. Für eine geeignete Zerlegungsfeinheit und/oder geeignete Grösse des Bildfeldes benötigt man entweder eine ungemein hohe Drehgeschwindigkeit der Spiegel oder eine sehr lange Zeitspanne für das Zusammensetzen einer ganzen Abbildung.
Streulicht ist ein anderer Grund der Herabsetzung des Auflösungsvermögens und des Bildkontrastes. Quelle von Streulicht kann eine Reflexion an optischen Oberflächen von Mikroskopelementen und Streuung in verschiedenen Lagen eines dickeren beobachteten Gegenstandes sein. Das Streulicht verschlechtert insbesondere Abbildungen bei Auflichtmikrokopie von dickeren transparenten Gegenständen.
Das durch Reflexion an optischen Oberflächen entstandene Streulicht kann mittels eines Polarisators im Belichtungssystem und durch einen gekreuzten Analysator im Abbildungssystem und durch eine Viertelwellenplatte vor dem Objektiv nach dem Verfahren von Zeiss oder Nomarski behoben werden (s. M. Franco : Progres in Microscopy, Row Petersen and Co, Evanston III, [1961], S. 131).
Das in dem beobachteten Gegenstand entstandene Streulicht, vor allem falls der beobachtete Gegenstand durchscheinend ist, kann mittels des Verfahrens nach Zeiss jedoch nicht behoben werden und die einzelnen Lagen des beobachteten Gegenstandes verschlechtern den Kontrast der eingestellten Lagen durch einen Schleier.
Eine wesentliche Herabsetzung der Grösse der beleuchteten Flächen erhöht den Kontrast durch Begrenzung des Streulichtes, praktisch ist dies jedoch nicht von hohem Wert, da die Verkleinerung des Sehfeldes eine Verringerung der Information mit sich bringt.
Die Nachteile der bekannten Vorschläge werden bei einer Vorrichtung zur Erhöhung des Auflösungsvermögens und zur Kontraststeigerung in lichtoptischen Mikroskopen mit inkohärenter Beleuchtung erfindungsgemäss durch eine an sich bekannte Bildzerlegungsvorrichtung beseitigt, die in der Ebene des beobachteten Gegenstandes Lichtpunkte erzeugt, welche eine lückenlose Abtastung des beobachteten Gegenstandes ausführen, wobei in der Bildebene des vom Mikroskopobjektiv erzeugten Bildes dieser Lichtpunkte eine der Bildzerlegungsvorrichtung entsprechende Bildzusammensetzungsvorrichtung angeordnet ist, welche jeweils nur den zentralen Teil, vorzugsweise nur das Maximum nullter Ordnung, des Beugungsbildes dieser Lichtpunkte fortlaufend freigibt.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Vorrichtung sind in den Zeichnungen dargestellt. In diesen zeigen Fig. 1 schematisch die Anwendung an einem Auflichtmikroskop, Fig. 2 dieselbe Anordnung im Teilschnitt, Fig. 3 eine schematische Darstellung der Anwendung an einem Durchlichtmikroskop, Fig. 4 dieselbe Anordnung im Teilschnitt, Fig. 5 eine Detailansicht eines Umkehrgerätes mit Einstellelementen im Aufriss und Fig. 6 die entsprechende Draufsicht im Schnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 5.
Fig. 1 zeigt eine Flächenlichtquelle --7--, z. B. eine Wolframbandlampe, eine ZirkoniumoxydLichtbogenlampe, die Sonne oder eine andere geeignete Lichtquellen, deren Lichtstrahlen mittels eines Objektivs --8-- über einen Spiegel --9-- in der Ebene einer Nipkowscheibe-l-fokussiert sind. Die Bilder der Löcher der Nipkowscheibe-l-werden schliesslich mittels des Mikroskopobjektivs--4-in der Objektebene --6-- des beobachteten Gegenstandes abgebildet.
Die Lichtstrahlen werden im Verlauf ihres Weges zum Mikroskopobjektiv --4-- durch eine Reihe von Spiegeln oder Prismen abgelenkt. Es besteht hier ein Umkehrsystem--2-, welches durch eine ungerade Zahl von Reflexionen eine Reversion bezüglich einer beliebigen Symmetrieebene ausführt, die durch die optische Hauptachse geht, welche parallel mit der Achse der Nipkowscheibe-l-ist und
EMI2.1
andere Teil, der vom Spiegel --3-- durchgelassen wird, wird an den Wänden des Mikroskopes absorbiert. Das durch das Mikroskopobjektiv --4-- durchtretende Licht formt in der Ebene-6des beobachteten Gegenstandes eine Abbildung der Löcher der Nipkowscheibe --1--.
Das von den Punkten des beobachteten Gegenstandes reflektierte Licht geht wieder durch das erwähnte Mikroskopobjektiv-4--, dann teilweise durch den halbdurchlässigen Spiegel-3-, wird durch einen Spiegel--l1-- oder ein Prisma senkrecht zur Achse des Mikroskopobjektivs-4-und
<Desc/Clms Page number 3>
durch den Spiegel --12-- wieder in die ursprüngliche Richtung reflektiert, geht durch ein dem Umkehrsystem--2--ähnliches Umkehrsystem--5--und erreicht die Nipkowscheibe--l--an einer Stelle, die der Stelle gegenüberliegt, wo die den beobachteten Gegenstand beleuchteten Lichtstrahlen von der Nipkowscheibe--l--durchgelassen wurden.
Das Abbilden der beleuchteten Punkte des beobachteten Gegenstandes genau in die
EMI3.1
- erzielt. Die Nipkowscheibe-l-muss genau zentriert sein, so dass die Mittelpunkte alle Lochspiralen auf der Drehachse der Scheibe sind, die Scheibenachse senkrecht zu der Scheibenebene steht und praktisch mit der optischen Achse des Mikroskopobjektivs-4-zusammenfällt.
Durch Drehen und Neigen der Umkehrsysteme-2, 5-- und der Reflexionselemente
EMI3.2
zum Abtasten des beobachteten Gegenstandes und zum Zusammensetzen des Bildes aus den vom beobachteten Gegenstand ausgestrahlten Lichtstrahlen, welcher Vorgang üblicherweise durch eine Anzahl von Lichtpunkten gleichzeitig ausgeführt wird. Die Abtastfrequenz muss hoch genug sein, um ein stabiles Bild zu erreichen. Da die abtastenden Lichtpunkte durch das Objektiv abgebildet werden, sind sie kleiner und einander näher für grössere Objektivstärken und eine einzige Nipkowscheibe ist für alle Objektive, die stärksten inbegriffen, ausreichend. Falls Trockensysteme, d. h. Objektive ohne Immersionsflüssigkeit, verwendet werden, können bei durchscheinenden Gegenständen Abbildungen der Oberflächengestaltung erzielt werden.
Falls vor ein solches Objektiv ein dünnes Deckglas gegeben wird, kann diese Kombination als Immersionsobjektiv verwendet und können gute Abbildungen von Einzelheiten desselben Gegenstandes bis zu einer gewissen Tiefe unterhalb der Oberfläche erzielt werden.
Eine besonders bedeutsame Möglichkeit der Anwendung des Erfindungsgegenstandes ist das Beobachten von lebendigen Zellen und deren Teilen in einem unpräparierten und ungefärbten Gewebe.
Es wurden z. B. Nervenzellen und Fasern in Gehirn, Rückenmark und Ganglien von lebendigen Tieren beobachtet, was mit andern bekannten Verfahren unmöglich oder sehr unvollkommen war.
Die Löcher der Nipkowscheibe, die den üblich für Bildübertragung verwendeten ähnlich ist, sind entlang von wenigstens zwei archimedischen Spiralen vorgesehen, um für eine Lochreihe eine zu dieser zentralsymmetrische zweite Lochreihe zu haben. Bei praktischen Ausführungen werden Nipkowscheiben mit einer grösseren Zahl von Lochreihen vorgezogen, z. B. achtzig, so dass das Abtasten und Zusammensetzen des Bildes gleichzeitig durch eine Reihe von Punkten geschieht.
Fig. 2 zeigt die hauptsächlichen Bestandteile einer erfindungsgemässen Anordnung. Die Welle - -14-- der Nipkowscheibe --1-- ist mittels Lagern --15-- in einem Gehäuse-16-gelagert und mit gleichmässiger Geschwindigkeit über eine Transmission --18-- durch einen Elektromotor - 17-angetrieben. Die Umkehrsysteme-2 und 5-- (s. auch Fig. 5 und 6) bestehen aus einer ungeraden Zahl von reflektierenden Flächen, im gegebenen Fall Spiegeln--19, 20 und 21--, die in einem Träger-22-vorgesehen sind, dessen Lage gegenüber dem Gehäuse-16-mittels einer geeigneten Einstellvorrichtung einstellbar ist, z.
B. durch Stellschrauben--24, 25, 26-- und durch eine Schraube --23-- mit Druckfeder, die den Träger-22-gegen die Stellschrauben drückt.
Falls die durch die schon erwähnten Airy-Scheibchen entstehenden Schwierigkeiten behoben werden sollen, müssen bei gleichzeitiger Abtastung durch mehrere Löcher die Abmessungen und gegenseitigen Entfernungen der Löcher der Bedingung entsprechen, dass in der Objektebene --6-- des beobachteten Gegenstandes Lichtflecken einer den Airy-Scheibchen entsprechenden Grösse entstehen, die in einer Entfernung voneinander liegen, dass sie sich in dieser Objektebene --6-- nicht überlagern.
Die Abbildungen der beleuchteten Stellen des beobachteten Gegenstandes in der Ebene der Nipkowscheibe--l--sind ringförmige Beugungsbilder, die den Airy-Scheibchen ähnlich sind. Deren mittlerer Teil, der dem nullten Maximum des Airy-Scheibchens entspricht, ist grösser als das geometrische Bild des nullten Maximums des Airy-Scheibchens am beobachteten Gegenstand und gleichzeitig mehrmals grösser als die Löcher der Nipkowscheibe. Durch genaue Einstellung der ganzen Vorrichtung kann erzielt werden, dass die Mittelpunkte der Beugungsfigur mit den Mittelpunkten der Löcher der Nipkowscheibe zusammenfallen, wobei nur das durch die Löcher der Nipkowscheibe
<Desc/Clms Page number 4>
durchgelassene Licht das Okular--13--erreicht.
Das durch ein Loch der Nipkowscheibe durchgelassene Licht ist die Summe von Beiträgen aller Teile des entsprechenden Airy-Scheibchens am beobachteten Gegenstand, wobei das Licht der höheren Maxima (d. i. von Stellen, die geometrisch nicht den Löchern der Nipkowscheibe entsprechen) in Abhängigkeit von der Ordnung der Maxima schwächer wird. Das Ergebnis ist, dass bei einer Bildzerlegung durch einzelne Löcher der Nipkowscheibe jeder Bildpunkt weniger Licht bekommt, das von den höheren Maxima der Airy-Scheibchen stammt und welches keine Informationen über die Gestaltung des beobachteten Gegenstandes in der Stelle besitzt, welche geometrisch dem Loch der Nipkowscheibe entspricht.
Eine quantitative Betrachtung des Summierens von Teilen des durch die Nipkowscheibe durchgehenden gebeugten Lichtes zeigt, dass das Auflösungsvermögen eines derartigen Mikroskopes im Vergleich mit einem klassischen etwa 2fach erhöht werden kann. Gleichzeitig wird auch das Streulicht herabgesetzt, so dass auch der Kontrast erhöht wird.
In manchen Fällen bei Auflichtmikroskopen, besonders beim Mikroskopieren von durchscheinenden Gegenständen, wird die Güte der Abbildung wesentlich gegenüber klassischen Mikroskopen erhöht, falls auch die oben erwähnte Bedingung nicht erfüllt ist und die Lichtpunkte wesentlich grösser sind, als Airy-Scheibchen. Das wird durch Zurückhaltung des Streulichtes und des Schleiers durch undurchlässige Teile der Nipkowscheibe erzielt, welches Licht von Lagen des betrachteten Gegenstandes stammt, die oberhalb und unterhalb der eingestellten Objektebene liegen. Manchmal muss ein derartiger Kompromiss wegen ungenügender Lichtintensität der Belichtung zugelassen werden.
Fig. 3 und 4 zeigen eine Anwendung des Erfindungsgegenstandes an Durchlichtmikroskopen. Die
EMI4.1
1Objektebene --6-- des betrachteten Gegenstandes dient, in welcher ein Halterndes betrachteten Gegenstandes vorgesehen ist ; das zweite Objektiv--4"--, das optisch mit dem Objektiv --4'-- identisch ist, dient zum Abbilden der beleuchteten Punkte des betrachteten Gegenstandes in der Bildebene In Fig. 3 sind auch Einstellelemente für das gegenseitige Einstellen der verschiedenen Bestandteile dargestellt. Beide Objektive-4', 4"- werden durch Träger-27, 28- getragen, deren Lage in beschränkten Grenzen durch Stellschrauben--29, 30-- eingestellt werden kann.
Die Lage des betrachteten Gegenstandes-33-gegenüber den Objektiven--4', 4"-- kann gleichfalls durch den Träger --31-- mittels einer Stellschraube--32--eingestellt werden.
Die Anordnung für Durchlicht eignet sich vor allem zum Betrachten sehr dünner Gegenstände, um voll das höhere Auflösungsvermögen und die erzielbaren grösseren Kontraste auszunutzen. Man muss hier nicht mit ungenügender Beleuchtung rechnen und so kann die Bedingung immer erfüllt sein, dass die durch das Objektiv --4-- erzielten Abbildungen der Löcher in wesentlichen Airy-Scheibchen sind und in so einer Entfernung voneinander liegen, dass sie sich gegenseitig nicht stören, wie im Vorangehenden erwähnt wurde.
Es sollte angeführt werden, dass der Winkel, den die Symmetrieebenen der beiden Umkehrsysteme
EMI4.2
die erwähnten Ebenen einschliessen, ist 900. Falls z. B. die Zahl der Lochreihen der Nipkowscheibe --l-- ein Vielfaches der Zahl 3 wäre, könnten entsprechende Löcher der Nipkowscheibe--l--für Beleuchtung des Gegenstandes und für die Bilderzeugung unter dem Winkel 1200 angeordnet sein und der Winkel der betreffenden Ebenen der Umkehrsysteme--2 und 5--könnte 60c) betragen.
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.