DD139902A1

DD139902A1 - DOUBLE-BREAKING ELEMENT FOR POLARIZING INTERFERENCE APPARATUS

Info

Publication number: DD139902A1
Application number: DD20989978A
Authority: DD
Inventors: Hermann Beyer
Original assignee: Hermann Beyer
Priority date: 1978-12-19
Filing date: 1978-12-19
Publication date: 1980-01-23
Also published as: JPS5664311A; FR2444949A1; DE2938160A1; GB2038500A

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein doppelbrechendes Bauelement, das vorwiegend in Verbindung mit Interferenzkontrasteinrichtungen für Auf- und Durchlichtmikroskope verwendet wird. Diese Interferenzkontrasteinrichtungen werden im allgemeinen als Ergänzungseinheiten für normale Mikroskope ausgeführt. Sie können aber auch integrierender Bestandteil eines Mikroskops sein. Sie werden vor allem in der Biologie und Medizin und in anderen technischen Arbeitsgebieten wie Chemie und Metallographie zur Kontrastierung von Phasenobjekten eingesetzt. Das sind solche mikroskopischen Objekte, die bei normaler Hellfeldbeobachtung nicht oder nur schwach kontrastiert sind.The invention relates to a birefringent device used primarily in conjunction with interference contrast devices for incident and transmitted light microscopes. These interference contrast devices are generally implemented as supplementary units for normal microscopes. But they can also be an integral part of a microscope. They are mainly used in biology and medicine and in other technical fields of work such as chemistry and metallography for the contrasting of phase objects. These are microscopic objects that are not or only slightly contrasted in normal bright field observation.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Die nach dem Prinzip der differentiellen Bildaufspaltung im polarisierten Licht arbeitenden, zur Kontrastierung von Phasenobjekten dienenden interferenzmikroskopischen Anord" nungen verwenden überwiegend Wollastonprismen, die aus zwei verkitteten Einzelprismen aus doppelbrechendem Material bestehen und deren optische Achsen senkrecht zueinander orientiert sind. Sie befinden sich abbildungsseitig in der Nähe der Austrittspupille des Objektivs und beleuchtungsseitig in der Nähe der vorderen Kondensorbrennebene. Die Wollastonprismen bewirken eine Wirikelaufspaltung des einfallenden, durch einen vorgeschalteten Polarisator linear polarisierten Strahls in seine senkrecht zueinander polarisierten Strahlkomponenten, wodurch von jedem Objekt zwei Bilder entstehen, die um einen geringen Betrag seitlich gegeneinander versetzt sind und durch Interferenz in der Zwischenbildebene zu einem Reliefkontrast führen. Die Mittendicken der Teilprismen v/erden für die beiden abbildungsseitig und beleuchtungsseitig angeordneten Wollastonprismen im allgemeinen so abgestimmt, daß für den Achsenstrahl der Gang» unterschied zwischen der ordentlichen und außerordentlichen Strahlkomponente bei jedem Wollastonprisma null ist. Das ist dann aber nicht für die außeraxialen und geneigten Strahlen der Fall.The interference microscopic arrangements, which operate on the principle of differential image splitting in polarized light and serve to contrast phase objects, mainly use Wollaston prisms, which consist of two cemented single prisms of birefringent material and whose optical axes are oriented perpendicular to each other The Wollaston prisms cause a splitting of the incident incident by a polarizer linearly polarized beam into its perpendicular polarized beam components, resulting in each object two images, the side by a small amount against each other Interference in the intermediate image plane leads to a relief contrast The center thicknesses of the partial prisms are shown on both sides of the image and beleuc The Wollaston prisms arranged on the side of the magnet are generally tuned such that for the axis beam the gear difference between the ordinary and extraordinary beam components in each Wollaston prism is zero. But this is not the case for the off-axis and inclined rays.

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Diese sich auf den Bildkontrast ungünstig auswirkenden Gangunterschiedsdifferenzen zwischen den Komponenten der verschiedenen Strahlen lassen sich durch geeignete Abstimmung der Daten des beleuchtungsseitigen zum abbildungsseitigen Wollastonprisma teilweise kompensieren. Solche Anordnungen sind zuerst in der GB-PS 639 014 und in der FR-PS 1.059.123 vorgeschlagen worden. In der GB-PS 639 014 werden die Wollastonprismen direkt in der Brennebene von Objektiv und Kondensor angeordnet, wo auch die Strahlenaufspaltung erfolgt, während in der FR-PS 1.059.123 durch veränderte Orientierung der optischen Achse des einen Teilprismas, das so etwas abgewandelte Wollastonprisma auch außerhalb der Brennebene und damit anwendungsfreundlicher angeordnet werden kann und die Strahlenaufspaltung so erfolgt, daß sich die Komponenten oder ihre rückwärtigen Verlängerungen in der Brennebene von Objektiv oder Kondensor schneiden. Eine vollständige Kompensation der Gangunterschiedsdifferenzen gelingt bei den Anordnungen nach GB-PS 6 39 014 und FR-PS 1.059.123 für Pupille und Bildfeld allerdings nur bei völlig symmetrischem Aufbau nach der obengenannten GB-PS, d.h. wenn die Brennweiten von Kondensor und Objektiv gleich sind, denn nur dann sind auch die beiden Wollastonprismen gleich. Jedoch ist ein solcher Aufbau in der Praxis nur in Sonderfällen realisierbar. Je stärker die Symmetrie gestört ist, umso weniger vollständig ist eine Kompensation möglich.· Die Pupillenkompensation für die durch einen Achspunkt des Bildfeldes gehenden Strahlen gelingt immer. Es sind lediglich Prismenwinkel und Orientierung der optischen Achsen beider Wollastonprismen so aufeinander abzustimmen, daß die im beleuchtungsseitigen Wollastonprisma aufgespalteten Strahlkomponenten im bildseitigen Wollastonprisma wieder vereinigt werden. Für außeraxiale Bildpunkte ist die Pupillenkompensation auch noch mit guter Näherung möglich.. Das ist nicht für die Feldkompensation zur Erreichung der gleichmäßigen Kontrastierung über das gesamte Bildfeld der Fall, insbesondere, wenn man die mit den heute üblichen GroßfeldobjektivenThese path difference differences between the components of the different beams, which have an unfavorable effect on the image contrast, can be partially compensated for by suitable matching of the data of the illumination side to the image-side Wollaston prism. Such arrangements have been proposed first in GB-PS 639,014 and in FR-PS 1,059,123. In GB-PS 639 014, the Wollaston prisms are placed directly in the focal plane of the lens and condenser, where the beam splitting takes place, while in FR-PS 1,059,123 by changing the orientation of the optical axis of a sub-prism, the slightly modified Wollaston prism can be arranged outside the focal plane and thus more user-friendly and the beam splitting takes place so that intersect the components or their rear extensions in the focal plane of the lens or condenser. Complete compensation of the differences in gait difference succeeds in the arrangements according to GB-PS 6 39 014 and FR-PS 1,059,123 for pupil and image field, however, only in completely symmetrical structure according to the abovementioned GB-PS, i. if the focal lengths of condenser and lens are the same, because only then are the two Wollaston prisms the same. However, such a construction is feasible in practice only in special cases. The stronger the symmetry is disturbed, the less complete a compensation is possible. · The pupil compensation for the rays passing through an axis point of the image field always succeeds. Only prism angles and orientation of the optical axes of both Wollaston prisms are to be matched to one another such that the beam components split in the illumination-side Wollaston prism are reunited in the image-side Wollaston prism. For off-axis pixels, the pupil compensation is also possible with good approximation. This is not the case for the field compensation to achieve the uniform contrast over the entire field of view of the case, especially if you use the today's usual large field objectives

erreichbaren großen Bildfelder voll nutzen will. Es läßt sich theoretisch und experimentell zeigen, daß ein vom Azimut der die Wollastonprismen durchsetzenden Lichtbündel abhängiger Effekt auftritt, der zu einer hyperbelförmigen Ilelligkeitsverteilung im Bildfeld führt, DD-PS 113 271, Etude et application d'un interferometre ä polarisation, Optica Acta 1 (1954) 50-58. Die Größe der auftretenden Helligkeitsunterschiede und des gleichmäßig kontrastierten Bereiches hängt bei optimaler Anpassung der beiden Wollastonprismen vor allem von ihrer Dicke und nach der FR-PS 1.059.123 vom Orientierungswinkel der optischen Achse im schräg zur Prismenbasis orientierten Teilprisma, also dem Abstand von der Brennebene ab. Die Wollastonprismen können aus Stabilitätsgründen nicht beliebig dünn gemacht werden. Das gilt insbesondere für das abbildungsseitige Prisma, v/eil schon eine geringe Abweichung von der Planparallelität zu deutlichen Mängeln in der Bildqualität führen kann, so daß ohne zusätzliche Hilfsmittel durch Verringerung der Prismendicke die Feldinhomogenität nicht entscheidend reduziert werden kann.wants to fully exploit achievable large image fields. It can be shown theoretically and experimentally that an azimuth of the Wollaston prisms passing through the light beam dependent effect occurs, which leads to a hyperbolic Ilelligkeitsverteilung in the image field, DD-PS 113 271, Etude et application d'un interferometer polarization, Optica Acta 1 ( 1954) 50-58. The size of the occurring differences in brightness and the uniformly contrasted region depends on optimal adaptation of the two Wollaston prisms especially on their thickness and according to FR-PS 1,059,123 from the orientation angle of the optical axis in the obliquely prism-oriented prism, ie the distance from the focal plane , The Wollaston prisms can not be made arbitrarily thin for stability reasons. This applies in particular to the image-side prism, since even a small deviation from the plane parallelism can lead to significant defects in the image quality, so that without additional aids, the field inhomogeneity can not be decisively reduced by reducing the prism thickness.

In der DD-PS 113 271 wird ein zusätzliches pölarisationsoptisches Element und die Möglichkeit seiner Anwendung zur Reduzierung der Inhomogenitäten im Feld eines mit Wollastonprismen ausgestatteten Interferenzmikroskops beschrieben, das aber nur sehr beschränkt anwendbar ist, da das Wollastonprisma vereinfacht als planparallele Kristallplatte mit zu den Basisflächen paralleler Kristallachse angenommen wird, die zur optischen Geräteachse senkrecht angeordnet ist. Bei Auflichtanordnungen, in etwas geringerem Maße aber auch im Durchlicht, besteht die Gefahr, daß durch Reflexion an den Grenzflächen der abbildungsseitigen Wollastonprismen unerwünschte Lichtreflexe ins Bild gelangen, die zu einer Verschleierung desselben führen.In DD-PS 113 271 an additional pölarisationsoptisches element and the possibility of its application for reducing the inhomogeneities in the field of equipped with Wollaston prisms interference microscope is described, but which is only very limited applicability, since the Wollaston prism simplified as a plane-parallel crystal plate parallel to the base surfaces Crystal axis is assumed, which is arranged perpendicular to the optical device axis. In Auflichtanordnungen, to a lesser extent, but also in transmitted light, there is a risk that come through reflection at the interfaces of the image-side Wollaston prisms unwanted light reflections in the image, which lead to the same obfuscation.

Diese Reflexe können durch eine geringe Neigung des Wollastonprismas unschädlich gemacht werden. Durch eine Neigung um gegen die optische Geräteachse wird z.B. erreicht, daß diese Reflexe auch bei einem Bildfelddurchmesser von 32 mm nicht ins Bildfeld gelangen. Allerdings, muß man dann einenThese reflections can be rendered harmless by a slight inclination of the Wollaston prism. By tilting towards the optical axis of the device, e.g. ensures that these reflections do not get into the field of view even with an image field diameter of 32 mm. However, one must then one

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unsymmetrischen Durchgang durch das Wollastonprisma in Kauf nehmen, woraus sich eine weitere Störung der Symmetrie und damit der Kompensation ableitet.asymmetric passage through the Wollaston prism, resulting in a further disturbance of the symmetry and thus the compensation derives.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Es soll eine Einrichtung geschaffen werden, die bei wesentlicher Reduzierung des Reflexlichtes eine gleichmäßige Kontrastierung über große Bildfelder ermöglicht. Daraus resultiert eine deutliche Steigerung des Kontrastes und der Bildqualität sowie die wesentliche Herabsetzung der Feldinhomogenitäten.It should be created a device that allows for substantial reduction of the reflected light uniform contrast over large image fields. This results in a significant increase in contrast and image quality as well as the significant reduction in field inhomogeneities.

Wesen der ErfindungEssence of the invention

Es werden optimale Bedingungen für die Kontrastierung mikroskopischer Phasenobjekte im Interferenzmikroskop geschaffen, indem das Wollastonprisma sehr dünn in der Größenordnung von 1 mm ausgeführt und zur mechanischen Stabilisierung in Glaskeile eingebettet wird, deren Brechzahl angenähert der mittleren Brechzahl von Quarz entspricht, so daß an den Grenzflächen Glas-Quarz kein Reflexlicht entsteht. Die Glaskeile werden so ausgeführt, daß. insgesamt eine planparallele Platte ausreichender Dicke (3 bis 4 mm) entsteht. Diese Platte wird so zur optischen Geräteachse geneigt (etwa 3 bis 4 ), daß der sowohl bei Auf licht- als auch bei Dur-chlichtbeleuchtung entstehende Hauptreflex nicht ins Bildfeld gelangt. Der Keilwinkel der Glaskeile wird so gewählt, daß der an der ersten Grenzfläche gebrochene Achsenstrahl nahezu senkrecht auf die Grenzfläche des eingekitteten Wollastonprismas trifft und damit wegen des symmetrischen Durchgangs der Lichtbündel durch das Prisma günstigste Bedingungen zur Kompensation der Feldinhomogenitäten geschaffen werden. Ein solches Bauelement ist für eine Auflichtanordnung besonders zweckmäßig, weil hier die Gefahr der Bildverschleierung durch Reflexe besonders groß ist.Optimal conditions for the contrasting microscopic phase objects in the interference microscope are created by making the Wollaston prism very thin on the order of 1 mm and embedded for mechanical stabilization in glass wedges whose refractive index is approximately equal to the average refractive index of quartz, so that at the interfaces glass Quartz no reflex light arises. The glass wedges are designed so that. Overall, a plane-parallel plate of sufficient thickness (3 to 4 mm) is formed. This plate is inclined to the optical device axis (about 3 to 4) so that the resulting both on light and Durl chlichtbeleuchtung main reflex does not get into the field of view. The wedge angle of the glass wedges is chosen such that the axis beam refracted at the first interface strikes the boundary surface of the cemented Wollaston prism almost perpendicularly, thereby creating favorable conditions for compensating the field inhomogeneities because of the symmetrical passage of the light beams through the prism. Such a device is particularly useful for a Auflichtanordnung, because here the risk of image fogging by reflections is particularly large.

.Außerdem ist in diesem Fall die spezielle Anpassung des Kompensationsprismas an das abbildungsseitige Prisma zurIn addition, in this case, the special adaptation of the compensation prism to the image-side prism is

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optimalen Feldkorapensation nicht möglich, da Beleuchtungsund Abbildungsstrahlen durch dasselbe Wollastonprisma gehen, das demnach gleichzeitig als Kompensationsprisma und als abbildungsseitiges Prisma wirkt. Als wesentliches Mittel zur Verringerung der Feldinhomogenitäten verbleibt deshalb hier nur die Verringerung der Prismendicke. Das vorgeschlagene Bauelement ist aber auch für Durchlicht, insbesondere bei Verwendung auf unendlichem Bildabstand korrigierter Objektive, zur Feldkompensation und zur Vermeidung von Reflexen vorteilhaft anzuwenden.Optimal field correction is not possible because illumination and imaging rays pass through the same Wollaston prism, which thus acts simultaneously as a compensation prism and as an image-side prism. As an essential means for reducing the field inhomogeneities, therefore, only the reduction of the prism thickness remains here. The proposed device is also advantageous for transmitted light, especially when used on infinite image distance corrected lenses, field compensation and to avoid reflections.

Ausführungsbeispielembodiment

Anhand einer Abbildung soll mit einem Ausführungsbeispiel für Auflichtbeleuchtung die Erfindung erläutert werden. Das durch den Polarisator 1 linear polarisierte einfallende Licht wird nach Reflexion am Planglas 2 und Passieren des Glaskeils 3 an dem aus den beiden aus Quarz bestehenden Teilprismen 4 und 5 zusammengesetzten Wollastonprisma aufgespalten. Die beiden senkrecht zueinander polarisierten Strahlkomponenten schneiden sich nach Passieren des Glaskeils 6 in der Objektivbrennebene 7, durchlaufen das Objektiv δ und werden nach Reflexion am Objekt 9 durch die Wirkung des Objektivs in der Objektivbrennebene wieder zum Schnitt gebracht und im Wollastonprisma vereinigt. Vom Analysator 10 werden nur die in gleicher'Ebene schwingenden Anteile der Strahlkomponenten hindurchgelassen, die miteinander interferieren, und im Bild erscheint das beobachtete Objekt durch eine geringe seitliche Aufspaltung reliefartig kontrastiert.. Das in zwei Glaskeile eingekittete Wollastonprisma wird so geneigt, daß der sonst vorhandene Leuchtfeldblendenreflex nicht mehr ins Bild gelangt. Der Keilwinkel der Glaskeile wurde so gewählt, daß der Achsenstrahl senkrecht auf das Wollastonprisma trifft, weil damit wegen des symmetrischen Durchgangs der Strahlenbündel günstige Kompensationsbedingungen geschaffen werden.The invention will be explained with reference to an illustration with an exemplary embodiment for incident illumination. The light polarized linearly by the polarizer 1 incident light is split after reflection on the plane glass 2 and passing the glass wedge 3 on the composed of the two existing quartz prisms 4 and 5 Wollaston prism. The two perpendicularly polarized beam components intersect after passing through the glass wedge 6 in the lens focal plane 7, pass through the lens δ and are brought after reflection on the object 9 by the action of the lens in the lens focal plane again cut and united in Wollaston prism. From the analyzer 10 only the same vibrating parts of the beam components are transmitted, which interfere with each other, and in the image, the observed object appears in relief contrasted by a slight lateral splitting .. The cemented into two glass wedges Wollaston prism is inclined so that the otherwise existing Light field shutter reflex no longer enters the picture. The wedge angle of the glass wedges was chosen so that the axis beam is perpendicular to the Wollaston prism, because it is because of the symmetrical passage of the beam favorable compensation conditions created.

Claims

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Invention claim:

Birefringent device for polarizing interference apparatus, which is brought into the microscopic beam path for the high-contrast representation of phase objects and causes a differential image splitting, characterized

in that a Wollaston prism consisting of two thin partial prisms of birefringent material is cemented into glass wedges in such a way that, when the component according to the invention inclines with respect to the optical axis of the instrument, the axis beam strikes almost perpendicular to the interface of the Wollaston prism.

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