Interferenzmikroskop Die Erfindung bezieht sich auf ein Interferenzmikro- skop zur Vermessung von Gangunterschieden an im Durchlicht oder Auflicht beleuchteten Objekten, insbe sondere Phasenobjekten.
Zur kontrastreichen Darstellung und Vermessung von Phasenobjekten bedient man sich der Phasenkon trast- und Interferenzmikroskopie.
Das Phasenkontrastverfahren nach Zernike ist be sonders bestimmt für die Beobachtung kleiner Phasenob jekte, während die verschiedenen bekannten Verfahren der Interferenzmikroskopie besser für die kontrastreiche Darstellung grossflächiger Phasenobjekte sowie die Ver messung von Gangunterschieden an Phasenobjekten geeignet sind.
Während beim Phasenkontrastverfahren die Kontra ste durch unterschiedliche Beeinflussung, wie Änderung der relativen Phasendrehung und Durchlässigkeit zwi schen direkten und am zu untersuchenden Objekt gebeugten Lichts erzeugt werden, wird bei den verschie denen bekannten 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 Phasenobjek ten ermittelt werden. Je nach Justierung der beiden Teilstrahlengänge zueinander erhält man in der Okular bildebene des Interferenzmikroskopes Interferenzstreifen oder ein homogenes Feld, in dem sich dagegen kontra stiert das Bild des Objektes befindet.
Man unterscheidet zwei grundsätzlich verschiedene Interferenzmikroskope. In dem einen Fall handelt es sich um ein Interferenzmikroskop mit einem vom Objekt unbeinflussten Referenzstrahlengang und im anderen Fall um ein solches mit vom Objekt beeinflussten Referenstrahlengang. Im ersteren Fall erfolgt die Auf- spaltung des Strahlenganges beleuchtungsseitig vor dem Objekt und im zweiten Fall abbildungsseitig hinter dem Objekt.
Der Referenzstrahlengang wird bei der ersten An ordnung um das Objekt herumgeleitet und im Abbil- dungsstrahlengang mit dem vom Objekt beeinflussten Strahlengang vereinigt. Nach diesem Prinzip arbeiten z.
B. die bisher bekanntgewordenen Mikro-Mach-Zehn- der-Anordnungen nach Horn und Rienitz. Beide Anord nungen sind theoretisch einwandfrei, führen aber, beson ders bei der letztgenannten zu Schwierigkeiten bei der Justierung und beim Präparatewechsel. Ausserdem erge ben sich Schwierigkeiten hinsichtlich der mechanischen und thermischen Stabilität, weil beide Strahlengänge über eine relativ grosse Strecke unterschiedliche opti sche Elemente durchlaufen. Die Optik einschliesslich Präparat und Leerpräparat muss in beiden Teilstrahlen gängen identisch sein. Es ist also eine ausgesuchte Optik nötig.
Verständlicherweise führt das zu recht kostspieli gen Geräten.
Eine weitere Einrichtung dieser Art stellt das Interfe- renzmikroskop nach Krug und Lau dar.
Neben den bereits genannten Mängeln hinsichtlich Justierung und Präparatewechsel kann bei diesem eben falls bekannten Gerät die Beobachtungsapertur nicht über 0,5 (bei Immersion 0,75) und die Beleuchtungs- apertur nicht über 0,2 gesteigert werden. Damit ist die maximal erreichbare Vergrösserung stark begrenzt. We gen des zwischen Präparat und Objektiv liegenden Teilungselementes sind Spezialobjektive nötig. Das ange wandte Prinzip gestattet nur die Untersuchungen entwe der im gleichmässig gefärbten Feld oder mit Interferenz streifen durchzuführen.
Ferner ist eine Einrichtung dieser Gruppe bekannt geworden, die mit einer virtuellen Referenzfläche arbei tet und im Auflicht einsetzbar ist. Die Teilungselemente liegen zwischen Präparat und Objektiv, so dass auch hier eine Spezialoptik nötig ist. Die Interferenzerscheinungen sind bei dieser Anordnung von der Fokussierung abhän gig und Messungen sind über die Streifenmethode nur bei besonders erschütterungsfreier Aufstellung des Gerä tes mit beschränkter Genauigkeit möglich.
Bei Interferenzmikroskopen, die der obengenannten zweiten Anordnung zugeordnet werden können, verzich tet man auf die getrennte Führung beider Strahlengänge und arbeit mit einer Bildaufspaltung, die durch Verwen dung polarisationsoptischer Hilfsmittel realisiert wird, wobei eine teilweise Überlagerung der Bildstrukturen in Kauf genommen wird. Wegen der Verwendung polari sierten Lichts führt die Vermessung von Polarisationsob jekten auf Schwierigkeiten. Ausserdem muss die Be- leuchtungsapertur im allgemeinen stark eingeschränkt werden.
Dagegen sind die Schwierigkeiten hinsichtlich Justierung und Stabilität relativ gering, da beide Strah lengänge nur um einen geringen Betrag seitlich versetzt die gleichen optischen Elemente durchlaufen.
Die bekanntesten Einrichtungen dieser Art sind das Interferenzmikroskop nach Nomarski, Jamin-Lebedeff und Smith.
Ausserdem an bereits beschriebenen Nachteilen bei der Messung doppelbrechender Objekte ist es notwendig, die Optik spannungsarm zu fassen. Die Grösse der Bildaufspaltung ist fest. Bei komplizierten Objekten kann dadurch die Bilddeutung recht erschwert sein. Die häufig notwendige Anpassung der Aufspaltung an die optischen Gegebenheiten des Präparates ist nicht mög lich. Die Einrichtungen nach Jamin-Lebedeff und Smith sind an Spezialoptiken gebunden, nur im Durchlicht einsetzbar und benötigen zur Einstellung von Interfe- renzstreifen Zusatzgeräte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Interferenzmikroskop zur Vermessung von Gangunter schieden an mikroskopischen Objekten, insbesondere Phasenobjekten zu schaffen, das in gleicher Weise sowohl für Durchlieht als auch für Auflicht brauchbar ist und das die den vorhergenannten Interferenzmikrosko- pen anhaftenden Nachteile weitgehend vermeidet.
Diese Aufgabe wird mit einem Interferenzmikro- skop, das ein in der Nähe der Objektivaustrittspupille oder eines Bildes desselben eine Mach-Zehnder-Interfe- rometereinrichtung enthält, erfindungsgemäss durch die Vereinigung folgender Merkmale gelöst:
in einem der beiden Teilstrahlengänge der Interferometereinrichtung ist in oder in der Nähe der Objektivaustrittspupille ein in seiner ablenkenden Wirkung hinsichtlich Grösse und Richtung veränderbarer Keil oder eine zu der Apertur- blende konjugierte Blende, die aus zwei konzentrischen Ringen unterschiedlicher Breite bestehen kann des wei teren ein schwach brechender Einstellkeil, im zweiten Teilstrahlengang eine planparallele Kompensationsplatte und ein Phasenschieber angeordnet.
Da mit zunehmender Grösse der Bildaufspaltung zur Verbesserung des Kontrastes die Beleuchtungsapertur in Aufspaltungsrichtung eingeengt werden muss oder wenn ohne Bildaufspaltung mit konjugierten Blenden gearbei tet werden soll, ist es vorteilhaft, wenn zusätzlich zu dem hinsichtlich Grösse und Richtung veränderbaren oder festen Keil die Aperturblende eine spalt- oder gitterför- mige Gestalt hat oder wenn sowohl die Aperturblende als auch die zu ihr konjugierte Blende ringförmig gestaltet sind.
Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Er findung ist schematisch in der Zeichnung dargestellt.
Eine vor dem Kondensor 1 befindliche Spalt- oder Ringblende 2 wird über diesen Kondensor 1 durch die Objektebene 3 hindurch von einem Objektiv 4 über ein aus den Linsensystemen 5 und 6 bestehendes Zwischen abbildungssystem in eine hinter dem Teilungsprisma 7 gelegene Ebene 8 abgebildet, in der sich auch in der Zeichnung hintereinander dargestellt ein verstellbares Glaskeilpaar 9; 13 befindet. An der Stelle dieses Glas keilpaares kann sich auch eine zu der Ringblende 2 konjugierte Ringblende befinden, die im Gegensatz zum Glaskeilpaar keine Bildaufspaltung hervorruft.
Durch das Teilungsprisma 7 wird der Strahlengang in zwei Strahlengänge aufgespalten und im Prisma 10 wieder vereinigt. Die Prismen 7 und 10 stellen eine Mach-Zehnder-Interferometereinrichtung mit den Licht austritten 11 und 11' dar. Die hinter dem Prisma 10 entstehenden Zwischenbilder der Objektebene 3 können mit Hilfe eines nicht dargestellten Mon- oder Binokulars beobachtet werden. Allerdings sind diese beiden Bilder nicht identisch, sondern zueinander komplementär.
Mit tels eines Phasenschiebers 12 kann die Phasendifferenz der in der Interferometereinrichtung verlaufenden Teil strahlen messbar verändert werden, wodurch das Feld bei Beleuchtung mit monochromatischem Licht 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. In dem hinter der Interferenzeinrichtung gelegenen Zwischenbild überlagern sich beide Wellenflä chen, 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 8 des Bildes von der Spaltblen de 2 ein Glaskeilpaar 9; 13 mit sehr kleinem Keilwinkel eingefügt, dann tritt die schon aus den polarisationsopti schen Interferenzanordnungen bekannte Bildaufspaltung auf. Durch gegensinniges Drehen der Keile 9, 13 um eine Achse, die nicht senkrecht auf der optischen Achse steht, kann der wirksame Keilwinkel und damit die Grösse der Aufspaltung kontinuierlich von Null bis zu einem Maximalwert von etwa einem Viertel des Okular- bildfelde.s verändert werden.
Damit kann das von den polarisationsoptischen interferenzmikroskopischen An ordnungen her bekannte Shearing-Verfahren verwirk licht werden. Dieses Verfahren wird vorwiegend zur Vermessung relativ grossflächiger Phasenobjekte ver wendet. Es ist sowohl die differentielle als auch die totale Bildaufspaltung durchführbar.
Ein Zwischenabbildungssystem 5 und 6 erzeugt in jedem Teilstrahlengang der Interferometereinrichtung ein Bild 8 der Objektivaustrittspupille, die bei Nulljustie rung der Interferometereinrichtung an die gleiche Stelle der Austrittspupille des Mikroskopes abgebildet werden.
Laufen die Teilstrahlen in der Interferometereinrichtung parallel (die Wirkung des Glaskeilpaares 9, 13 ist dann gleich Null), dann fallen in der hinter der Interferometer einrichtung gelegenen Okularbildebene die von ihnen vermittelten Bilder zusammen, die Wellenflächen sind identisch und es entstehen von Phasenobjekten keinerlei Kontraste. Jede Neigung der von der Pupille ausgehen den Strahlen bedeutet nach dem Dualitätsprinzip der Optik eine laterale Versetzung in der Bildebene.
Wird also in dem einen der in der Interferometereinrichtung gelegenen Pupillenbilder 8 das oben beschriebene rich tungsablenkende Glaskeilpaar 9; 13 eingesetzt, dann fallen die in der Okularbildebene entstehenden beiden Bilder nicht mehr zusammen, sondern sind seitlich gegeneinander versetzt, was dem Shearing-Verfahren entspricht. Die Pupillenbilder dagegen werden in ihrer Lage nicht verändert.
Es interferieren von den beiden Wellenflächen, denen die Objektstrukturen aufgeprägt sind, jeweils zwei Bereiche miteinander, denen in der Objektebene ein Abstand entspricht, der von der Grösse der Neigung des einen Teilstrahles gegenüber dem anderen abhängt. Mit Hilfe des Phasenschiebers 12 wird nacheinander eine dieser Objektstellen und deren Umge bung durch Interferenzen auf grösste Dunkelheit ge bracht.
Aus der Differenz beider Einstellungen ergibt sich die Objektphasendrehung. Eine planparallele Glas platte 14 und ein schwachbrechender Keil 15 dienen zur Kompensierung des Glasweges in dem Glaskeilpaar 9; 13 und des Phasenschiebers 12.
Man kann den wirksamen Keilwinkel des Glaskeil paares 9; 13 auch so klein machen, dass die Bildaufspal tung in der Grössenordnung der Auflösungsgrenze des Objektivs liegt. Dann entsteht bei Objekten mit konti nuierlich veränderlichen Phasenänderungen ein Relief- Effekt. In diesem Fall wird nicht die totale Phasenände rung, sondern der Gradient derselben bzw. der Brech- zahl angezeigt. Das Bild ähnelt dem einer elektronenmi kroskopischen Aufnahme eines schräg bedampften Prä parates.
Durch eine gegensinnige Drehung des schwachbre chenden Keiles 15 und des Phasenschiebers 12 um Achsen, die nicht parallel zur optischen Achse verlaufen, werden sowohl das Bild als auch die Pupille aufgespal ten. 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 gemacht werden. Die Grösse der Pupillenaufspaltung kann also unabhängig von der Bild aufspaltung gewählt werden.
Aus dieser Pupillenauf spaltung resultiert bei Beleuchtung mit polychromati schem Licht ein in der Okularbildebene farbiges Interfe- renzstreifensystem. Der Abstand der Interferenzstreifen ist umgekehrt proportional der Pupillenaufspaltung. Bei gleichzeitiger Bildaufspaltung ergibt sich eine durch die relative Objektphasendrehung hervorgerufene Streifen versetzung, die insbesondere für die Vermessung sehr grosser 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 An ordnung ergibt sich, wenn man die Spaltblende 2 -durch die beim Phasenkontrast übliche Ringblende und das Glaskeilpaar 9; 13 durch eine dazu konjugierte Ring blende ersetzt.
Bei genügend kleinem Objekt mit genügend schmaler Ringblende wird das am Objekt gebeugte Licht in dem einen Strahlengang durch eine an die Stelle des Glaskeil paares 9; 13 getretene Ringblende fast restlos zurückge halten, während im zweiten Teilstrahlengang sowohl das direkte als auch das am Objekt gebeugte Licht zur Wirkung kommt.
Aus der Theorie der mikroskopischen Abbildung geht hervor, dass das direkte Licht allein keinerlei Strukturen vermitteln kann; der von dem direkten Licht in der Okularbildebene erzeugten Wellenfläche sind also keinerlei Objektstrukturen aufgeprägt. Sie entspricht einer nahezu ebenen Wellenfläche.
Wird also in einem der beiden Teilstrahlengänge das am Objekt gebeugte Licht durch eine geeignete Anordnung von Blenden, wie oben beschrieben, durch eine Ringblende zurück gehalten, so wird über diesen Teilstrahlengang nur ein strukturloser Untergrund, also eine nahezu ebene Wel lenfläche vermittelt.
Der zweite Teilstrahlengang enthält keine Blende und vermittelt deshalb eine Wellenfläche mit den aufge prägten Objekteigenschaften. Beide Wellen sind interfe- renzfähig, da sie von der gleichen Lichtquelle ausgegan gen sind. Auf diese Weise wird ohne Bildaufspaltung die erforderliche Vergleichsfläche geschaffen. In der Okular- bildebene wird dem Hellfeldbild des einen Strahlengan ges ein homogener dazu kohärenter Untergrund mit Berücksichtigung der Phase überlagert.
Mit Hilfe des Phasenschiebers 12 kann man die relative Phase zwi schen beiden Anteilen in weiten Grenzen beliebig verän dern und durch Interferenz sowohl Objekt als auch Umgebung nacheinander in verschiedenen Helligkeiten oder Farben erscheinen lassen. Durch Einstellung auf grösste Dunkelheit des Objektes und der Umgebung kann die relative Phasendrehung des Objektes gemessen werden. Durch Verwendung einer Halbschattenplatte 16 kann man im allgemeinen die Messgenauigkeit erhöhen, indem man eine der Phasenkanten durch das Objektbild 3' legt und als Einstellkriterium die Helligkeitsgleichheit beiderseits der Kante benutzt.
Die Halbschattenmethode kann auch bei Bildaufspaltung verwendet werden.
Bei dieser Methode der Interferenzmikroskopie ohne Bildaufspaltung müssen Objektgrösse und Blendenbreite aufeinander abgestimmt sein. Da die Grösse der Rich tungsablenkung durch Beugung der Objektgrösse umge kehrt proportional ist, geht das gebeugte Licht um so weiter entfernt vom direkten Licht durch die Pupille, je kleiner das Objekt ist. Ausserdem lässt sich das gebeugte Licht umso besser getrennt vom direkten Licht beein flussen, je schmaler die ringförmige Blende ist.
Ein Kriterium für die Güte des Verfahrens liefert der Parameterwert z. Dieser Parameterwert, der sich im wesentlichen auf die Objektgrösse und die Ringbreite bezieht, darf einen bestimmten Betrag nicht überschrei ten, wenn man ausreichende Kontraste erzielen und genaue Messungen durchführen will. Der Parameterwert ist definiert durch die Beziehung
EMI0003.0067
wobei B = Radius eines kreisförmigen Objektes, K =
EMI0003.0068
Wellenzahl, d R = Breite des Blendenringes im Interferometer und f = die für die Abbildung der Ringblende wirk same Brennweite bedeuten.
Die für diesen Parameterwert zu fordernde Grösse hängt von der Objektphasendrehung und von der gefor derten Messgenauigkeit ab. Die auftretenden Fehler sind auf jedem Fall zu vernachlässigen, wenn a nicht grösser als 1 ist. Für etwas geringere Genauigkeit ist es ausrei chend, wenn z < 2,5 ist.
Der Vorteil dieser Methode gegenüber der vorher be schriebenen Methode besteht darin, dass erstens keine Bildaufspaltung erforderlich ist, dass zweitens ohne Beschränkung der Objektivapertur die Beleuchtungsa- pertur nicht stärker als beim Phasenkontrast beschränkt zu werden braucht und dass drittens nur ein dem Objekt unmittelbar benachbarter Bereich der Objektebene zur Messung herangezogen wird. An Objektträger und Deckglas brauchen deshalb keine besonders hohen For derungen gestellt zu werden und die Bedienung und Zentrierung der Ringblenden ist nicht schwieriger als beim Phasenkontrast. Daraus resultiert eine gute Bild qualität und eine relativ einfache Durchführung von Messungen.
Mit Hilfe des beschriebenen Interferenzmikroskopes können ohne Verwendung polarisierten Lichtes durch Aufspaltung des Abbildungsstrahlenganges hinter dem Objektiv nach getrennter Beeinflussung und Wiederver einigung zwei Teilbilder ohne oder mit differentieller oder totaler lateraler Aufspaltung zur Interferenz ge bracht werden. Durch unterschiedliche Neigung der beiden Teilstrahlen zueinander können in der Okular- bildebene unabhängig von der Objektaufspaltung Inter- ferenzstreifen mit unterschiedlichem Streifenabstand oder Interferenzkontrast bei homogenem Umfeld erzeugt werden.
Die Phasendifferenz zwischen beiden Teilstrah len kann messbar verändert werden, wodurch genaue Gangunterschiedsbestimmungen auch an kleinen Pha senobjekten möglich sind.