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.
Interference microscope The invention relates to an interference microscope for measuring path differences on objects illuminated in transmitted or reflected light, in particular special phase objects.
Phase contrast and interference microscopy are used for the high-contrast representation and measurement of phase objects.
The phase contrast method according to Zernike is particularly intended for the observation of small phase objects, while the various known methods of interference microscopy are better suited for the high-contrast display of large-area phase objects and the measurement of path differences on phase objects.
While in the phase contrast method the contrasts are generated by different influences, such as changes in the relative phase rotation and transmittance between direct light and light diffracted on the object to be examined, in the various known interference methods the normal brightfield image is superimposed with a coherent background. The latter can be structureless or also contain object structures.
Through measurable changes in the phase difference between the brightfield image and the background mentioned, optimal contrasts can be generated and relative path differences of phase objects can be determined. Depending on the adjustment of the two partial beam paths to each other, interference fringes or a homogeneous field are obtained in the eyepiece image plane of the interference microscope, in which, on the other hand, the image of the object is in contrast.
There are two fundamentally different interference microscopes. In one case it is an interference microscope with a reference beam path that is not influenced by the object and in the other case it is one with a reference beam path that is influenced by the object. In the first case, the beam path is split on the illumination side in front of the object and in the second case on the imaging side behind the object.
In the first arrangement, the reference beam path is guided around the object and combined in the imaging beam path with the beam path influenced by the object. According to this principle z.
B. the previously known micro-Mach-tens arrangements according to Horn and Rienitz. Both arrangements are theoretically flawless, but lead, especially with the latter, to difficulties in adjustment and when changing the preparation. In addition, difficulties arise in terms of mechanical and thermal stability because both beam paths pass through different optical cal elements over a relatively large distance. The optics including the specimen and the empty specimen must be identical in both partial beam paths. So a selected optic is necessary.
Understandably, this leads to quite expensive equipment.
Another facility of this type is the Krug and Lau interference microscope.
In addition to the deficiencies already mentioned with regard to adjustment and preparation change, the observation aperture cannot be increased above 0.5 (with immersion 0.75) and the illumination aperture cannot be increased above 0.2 with this device, which is also known. The maximum achievable magnification is thus severely limited. Because of the dividing element between the specimen and the objective, special objectives are necessary. The applied principle only allows the examinations to be carried out either in a uniformly colored field or with interference fringes.
Furthermore, a device of this group has become known that arbei tet with a virtual reference surface and can be used in incident light. The dividing elements are between the specimen and the objective, so that special optics are also required here. In this arrangement, the interference phenomena are dependent on the focusing and measurements using the strip method are only possible with limited accuracy if the device is set up particularly vibration-free.
In interference microscopes, which can be assigned to the above-mentioned second arrangement, one waives the separate guidance of both beam paths and works with an image splitting that is realized by using polarization-optical aids, with a partial superimposition of the image structures is accepted. Because of the use of polarized light, the measurement of polarization objects leads to difficulties. In addition, the illumination aperture must generally be severely restricted.
On the other hand, the difficulties with regard to adjustment and stability are relatively minor, since both beam paths pass through the same optical elements, offset laterally by only a small amount.
The most famous devices of this type are the interference microscope according to Nomarski, Jamin-Lebedeff and Smith.
In addition to the disadvantages already described in the measurement of birefringent objects, it is necessary to grasp the optics with little tension. The size of the image split is fixed. In the case of complex objects, this can make the interpretation of the image very difficult. The often necessary adaptation of the splitting to the optical conditions of the preparation is not possible, please include. The devices according to Jamin-Lebedeff and Smith are tied to special optics, can only be used in transmitted light and require additional devices to adjust interference fringes.
The invention is based on the object of creating an interference microscope for measuring the differences in gait on microscopic objects, in particular phase objects, which can be used in the same way for both transmitted and reflected light and which largely avoids the disadvantages associated with the aforementioned interference microscopes.
This object is achieved with an interference microscope, which contains a Mach-Zehnder interferometer device in the vicinity of the objective exit pupil or an image thereof, according to the invention by combining the following features:
In one of the two partial beam paths of the interferometer device, in or near the objective exit pupil, a wedge whose deflecting effect is variable in terms of size and direction or a diaphragm conjugated to the aperture diaphragm, which can consist of two concentric rings of different widths, is also weak refractive adjusting wedge, a plane-parallel compensation plate and a phase shifter arranged in the second partial beam path.
Since the illumination aperture has to be narrowed in the direction of the splitting with increasing size of the image splitting to improve the contrast or if conjugate diaphragms are to be used without image splitting, it is advantageous if, in addition to the wedge that can be changed in size and direction or fixed, the aperture diaphragm has a slit diaphragm. or has a grid-like shape or if both the aperture stop and the stop that is conjugated to it are annular.
An embodiment of the subject matter of the invention is shown schematically in the drawing.
A slit or annular diaphragm 2 located in front of the condenser 1 is imaged via this condenser 1 through the object plane 3 from an objective 4 via an intermediate imaging system consisting of the lens systems 5 and 6 into a plane 8 located behind the dividing prism 7, in which Also shown one behind the other in the drawing is an adjustable pair of glass wedges 9; 13 is located. At the point of this pair of glass wedges there can also be an annular diaphragm conjugated to the annular diaphragm 2, which, in contrast to the glass wedge pair, does not cause any image splitting.
The beam path is split into two beam paths by the splitting prism 7 and combined again in the prism 10. The prisms 7 and 10 represent a Mach-Zehnder interferometer device with the light exits 11 and 11 '. The intermediate images of the object plane 3 arising behind the prism 10 can be observed with the aid of a monocular or binocular lens, not shown. However, these two images are not identical, but complement one another.
By means of a phase shifter 12, the phase difference of the rays running in the interferometer device can be changed measurably, whereby the field changes the brightness when illuminated with monochromatic light or the color when illuminated with white light. If there is a phase object in the object plane 3, the wave surface is deformed by this. In the intermediate image located behind the interference device, the two wave surfaces are superimposed without any contrasts occurring. This is not the case because both wave surfaces are the same and not laterally shifted from one another.
If, however, at the location 8 of the picture of the Spaltblen de 2 a pair of glass wedges 9; 13 inserted with a very small wedge angle, the image splitting already known from the polarization-optical interference arrangements occurs. By rotating the wedges 9, 13 in opposite directions around an axis that is not perpendicular to the optical axis, the effective wedge angle and thus the size of the split can be continuously changed from zero to a maximum value of about a quarter of the eyepiece image field .
This allows the Shearing method known from the polarization-optical interference microscopic arrangements to be realized. This method is mainly used to measure phase objects with a relatively large area. Both the differential and the total image splitting can be carried out.
An intermediate imaging system 5 and 6 generates an image 8 of the objective exit pupil in each partial beam path of the interferometer device, which is imaged at the same point of the exit pupil of the microscope when the interferometer device is zeroed.
If the partial beams run parallel in the interferometer device (the effect of the glass wedge pair 9, 13 is then zero), then the images conveyed by them coincide in the ocular image plane located behind the interferometer device, the wave surfaces are identical and there are no contrasts whatsoever from phase objects. Any inclination of the rays emanating from the pupil means, according to the principle of duality of optics, a lateral displacement in the image plane.
If, therefore, in one of the pupil images 8 located in the interferometer device, the direction-deflecting glass wedge pair 9 described above; 13, then the two images created in the ocular image plane no longer coincide, but are laterally offset from one another, which corresponds to the shearing method. In contrast, the position of the pupil images is not changed.
Two areas of the two wave surfaces on which the object structures are impressed interfere with one another, to which a distance in the object plane corresponds which depends on the magnitude of the inclination of one partial beam relative to the other. With the help of the phase shifter 12, one of these object locations and their surroundings are brought to the greatest darkness by interference.
The object phase rotation results from the difference between the two settings. A plane-parallel glass plate 14 and a weakly refractive wedge 15 are used to compensate for the glass path in the glass wedge pair 9; 13 and the phase shifter 12.
You can determine the effective wedge angle of the glass wedge pair 9; 13 make it so small that the image splitting is of the order of magnitude of the resolution limit of the lens. This creates a relief effect in objects with continuously changing phase changes. In this case, it is not the total phase change, but the gradient of the same or the refractive index that is displayed. The image resembles that of an electron microscope image of an obliquely vaporized preparation.
By rotating the wedge 15 and the phase shifter 12 in opposite directions about axes that are not parallel to the optical axis, both the image and the pupil are split open. By rotating the wedges 9 and 13 in opposite directions by one that is not parallel to the former Axis of rotation, however, the aforementioned image splitting can be completely or partially reversed. The size of the pupil split can therefore be selected independently of the image split.
When illuminated with polychromatic light, this splitting of the pupils results in a colored interference fringe system in the ocular image plane. The distance between the interference fringes is inversely proportional to the splitting of the pupils. If the image is split at the same time, there is a strip offset caused by the relative object phase rotation, which can be used with advantage, in particular, for measuring very large path differences. The fringe displacement can be measured directly in the eyepiece or using the phase shifter 12.
An arrangement that is particularly advantageous for small objects is obtained if the slit diaphragm 2 is used through the annular diaphragm and the pair of glass wedges 9; 13 replaced by a conjugated ring aperture.
In the case of a sufficiently small object with a sufficiently narrow ring diaphragm, the light diffracted on the object is in one beam path through a pair of glass wedges 9; 13 retracted ring diaphragm almost completely, while in the second partial beam path both the direct and the light diffracted at the object come into effect.
The theory of microscopic imaging shows that direct light alone cannot convey any structure; the wave surface generated by the direct light in the ocular image plane is therefore not imprinted with any object structures. It corresponds to an almost flat wave surface.
So if the diffracted light on the object in one of the two partial beam paths is held back by a suitable arrangement of diaphragms, as described above, through an annular diaphragm, only a structureless background, i.e. an almost flat surface, is conveyed via this partial beam path.
The second partial beam path does not contain a diaphragm and therefore conveys a wave surface with the imprinted object properties. Both waves are capable of interference, as they emanated from the same light source. In this way, the required comparison surface is created without splitting the image. In the eyepiece image plane, a homogeneous, coherent background is superimposed on the bright field image of one beam path, taking the phase into account.
With the help of the phase shifter 12, the relative phase between the two components can be changed as desired within wide limits and both the object and the environment can appear one after the other in different brightnesses or colors through interference. By setting the object and its surroundings to be as dark as possible, the relative phase rotation of the object can be measured. By using a penumbra plate 16, the measurement accuracy can generally be increased by placing one of the phase edges through the object image 3 'and using the equality of brightness on both sides of the edge as a setting criterion.
The penumbra method can also be used with image splitting.
With this method of interference microscopy without image splitting, the object size and aperture width must be coordinated with one another. Since the size of the direction deflection due to diffraction is inversely proportional to the size of the object, the smaller the object, the further away the diffracted light goes from the direct light through the pupil. In addition, the diffracted light can be better separated from direct light, the narrower the annular aperture.
One criterion for the quality of the method is the parameter value z. This parameter value, which essentially relates to the object size and the ring width, must not exceed a certain amount if sufficient contrasts are to be achieved and precise measurements are to be carried out. The parameter value is defined by the relationship
EMI0003.0067
where B = radius of a circular object, K =
EMI0003.0068
Wave number, d R = width of the diaphragm ring in the interferometer and f = the focal length effective for imaging the ring diaphragm.
The size required for this parameter value depends on the object phase rotation and the required measurement accuracy. The errors that occur are negligible if a is not greater than 1. For somewhat lower accuracy it is sufficient if z <2.5.
The advantage of this method over the previously described method is that, firstly, no image splitting is required, secondly, without restricting the objective aperture, the illumination aperture does not need to be restricted more than with the phase contrast, and thirdly, only an area immediately adjacent to the object Object plane is used for measurement. Therefore, no particularly high demands need to be placed on the slide and cover slip, and the operation and centering of the ring diaphragms is no more difficult than with phase contrast. This results in good image quality and relatively simple measurements.
With the help of the interference microscope described, without using polarized light by splitting the imaging beam path behind the lens after separate influencing and reunification, two partial images with or without differential or total lateral splitting can be brought to interference. Due to the different inclination of the two partial beams with respect to one another, interference fringes with different fringe spacing or interference contrast can be generated in the ocular image plane independently of the splitting of the object.
The phase difference between the two Teilstrah len can be changed measurably, which means that precise path difference determinations are also possible on small phase objects.