DD143183A1

DD143183A1 - Zwischenabbildungssystem zur durchfuehrung von kontrastverfahren bei mikroskopen

Info

Publication number: DD143183A1
Application number: DD21316479A
Authority: DD
Inventors: Hermann Beyer; Rainer Danz
Original assignee: Hermann Beyer; Rainer Danz
Priority date: 1979-05-28
Filing date: 1979-05-28
Publication date: 1980-08-06
Also published as: DE3019683A1; GB2055223A; DD143183B1; FR2458088A1; ATA281780A; AT386082B; SU1125592A1; GB2055223B; PL224561A1; JPS55157712A

Abstract

Das Zwischenabbildungssystem wird zur Kontrastierung im Phasenkontrast oder mit polarisiertem Licht arbeitendem Interferenzkontrast von im durchfallenden Licht nichtabsorbierender und im auffallenden Licht gleiches Reflexvermoegen wie die Umgebung aufweisender organischer oder anorganischer Objekt, insbesondere in Verbindung mit Durch- oder Auflichtmikroskopen verwendet. Die Erfindung hat das Ziel, eine Einrichtung zu schaffen, die es ermoeglicht, mit Hellfeldobjektiven (fuer normale oder grosse Felder) sowohl Phasenkontrast als auch polarisationsoptischen Interferenzkontrast durchzufuehren und von einer zur anderen Beobachtungsart schnell umzuschalten. Das Wesen der Erfindung leigt darin, dass mit Hilfe eines Zwischenabbildungssytems optimale Bedingungen fuer die Kontrastierung mikroskopischer Phasenobjekte im Phasenkontrast und polarisationsoptischen Interferenzkontrast unter Verwendung von Hellfeldobjektiven fuer normale und grosse Felder geschaffen werden, wobei die fuer eine gute Interferenzkontrastabbildung einzuhaltende Polarisationsbedingung erfuellt wird, dass im Bild der Objektivpupille nahezulinear polarisiertes Licht ankommt. Die Erfindung wird vor allem zur mikroskopischen Untersuchung von Objekten in der Biologie und Medizin, aber auch in technischen Arbeitsgebieten, wie Chemie und Metallographie eingesetzt.-Figur-

Description

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Titel: Zwischenabbildungssystem zur Durchführung von Kontrastverfahren bei Mikroskopen

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Das Zwischenabbildungssystem wird zur Kontrastierung im Phasenkontrast oder mit polarisiertem Licht arbeitenden Interferenzkontrast von im durchfallenden Licht nicht absorbierender und im auffallenden Licht gleiches Reflexionsvermögen "Wie die Umgebung aufweisender organischer oder anorganischer Objekte verwendet. Es dient vorwiegend als Ergänzungseinheit in Verbindung mit dazu angepaßten Phasenkontrast- oder Interferenzkontrasteinrichtungen für Durch- und Auflichtmikroskope, kann aber auch integrierender Bestandteil des Mikroskops sein. Dabei sind z. B. für Phasenkontrast keine speziellen Phasenlcontrastobjektive erforderlich, sondern die erforderlichen Phasenringe können in einem von einem Teil des Zwischenabbildungssystems erzeugten Bild der Gtgektivpupille angeordnet werden. An gleicher Stelle lassen sich die zur Durchführung des polarisationsoptischen Interfeüoiakontrasts erforderlichen Wollastonprismen einschieben. Auf diese Weise ist ein schneller Wechsel zwischen beiden Kontrastarten möglich. Der Srfindungsgegenstand wird vor allem in der Biologie und Medizin, aber auch in technischen Arbeitsgebieten, wie Chemie und Metallographie, zur Kontrastier.ung von Phasenobjek-

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ten eingesetzt. Das sind solche mikroskopische Objekte, die bei normaler Hellfeldbeobachtung nicht oder nur schvüach kontrastiert sind.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: Die bisher bekanntgewordenen Zwischenabbildungssysteme zur Durchführung von Kontrastverfahren, wie sie z. S. von Gabler /1/, Beyer und Schappe /2/, Reichert /3/, Kenzian u.a. /4/ angegeben worden sind, bilden bekannterweise zwar die Objektivpupille in eine zugängliche

^JQ Ebene ab und sind damit für die Durchführung des Phasenkontrastverfahren und anderer mit natürlichem Licht wie ζ. Β« nach /2/ arbeitender Interferenzkontrastverfahren geeignet, berücksichtigen aber nicht die für den polarisationsoptischen Interferenzkontrast zu er-

-jcj füllende Bedingung, daß bei der Pupillenabbildung aus linear polarisiertem Licht wieder angenähert linear polarisiertes Licht entsteht. Das wird durch beliebige Reflexionen an den Umlenkelementen verhindert. In /1/ wird bei einem Auflichtmikroskop für Phasenkontrast mit Hilfe einer Beleuchtungslinse und nach Reflexion am Illuminatorspiegel zunächst in der Objektivpupille ein 1. Bild der Ringblende und nach Reflexion am Objekt an der gleichen Stelle ein 2. Bild der Ringblende und schließlich durch den 1. Teil des Zwischenabbildungssystems ein 3· Bild der Ringblende erzeugt, wo das Fhasenplättchen angeordnet wird. Schließlich bilden Objektiv und Zwischenabbildungssystem das Objekt in der Feldblende des Okulars ab. Mit der in /2/ beschriebenen Anordnung für Durch- und Auflichtmikroskope erfolgt durch das Zwischenabbildungssystem die Abbildung der Objektivpupille in eine Ebene, in der, entweder gekoppelt mit einem Interferometer oder einem Phasenkontrasteinsatz, interferenzoptische oder phasenoptische Modulatoren, wie Glaskeile, Blenden oder Phasenplättchen angeordnet werden können. Ein zugängliches Zwischenbild der Objektebene er-

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laubt die Einführung weiterer Meßelemente, "wie KaIbscbattenplatten, Meßskalen usw.. Durch den 2. Teil des Zwischenabbildungssystems wird dieses Zwischenbild in die Feldblende des Okulars abgebildet. In /3/ und /4/ wird ein Zwischenabbildungssystem für Durch- und Auflichtmikroskope beschrieben, mit dem es möglich ist, in einem Zwischenbild der Pupille zur Kontrastierung optische Elemente, wie Phasenplättchen^ Wollastonprismen und in einem Zwischenbild der Objektebene im wesentlichen für Meßzwecke verschiedene Strichfiguren anzuordnen oder nach dort einzuspiegeln. Da jedoch keine Maßnahmen vorgesehen sind, um die lineare Polarisation des Lichts von der Objektivpupille bis zu ihrem Zwischenbild zu erhalten, muß eine ernste Störung der mit Hilfe der Wollastonprismen durchzuführenden polarisationsoptischen Kontrastierung in Kauf genommen werden. Merstallinger gibt in /5/ ein Zwischenabbildungssystem an, daß die genannte Polarisationsbedingung durch die Forderung erfüllt, daß das Zwischenbild der Objektivpupille noch vor dem ersten reflektierenden Element entsteht. Dieser Vorschlag ist aber konstruktiv sehr ungünstig, da bei einem dafür aufzuwendenden erträglichen Korrektionsaufwand eine gewisse Mindestlänge erforderlich ist, die entweder zu einer nicht vertretbaren . Einblickhohe führt oder, wie am Beispiel dargestellt, ein aufwendiges und konstruktiv ungünstiges Umlenksystem erforderlich macht, das den Beobachtungsstrahlengang wieder einem in normaler Einblickhöhe liegenden Beobachtungstubus zuführt.

Ziel der Erfindung:

Es soll eine Einrichtung geschaffen werden, die es ermöglicht, sit Hellfeldobjektiven für normale und große Felder und hoher Bildqualität sowohl Phasenkontrast als auch polarisationsoptischen Interferenzkontrast durchzuführen und von einer zur anderen Beobachtungs-

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art schnell umzuschalten, wie es für viele mikroskopische Untersuchungen, insbesondere von lebenden Objekten wünschenswert ist und außerdem den Nachteil, der von Merstallinger angegebenen Lösung aufhebt.

Darlegung des Wesens der Erfindung:

Es werden mit Hilfe eines Zwischenabbildungssystems optimale Bedingungen für die Kontrastierung mikroskopischer Phasenobjekte im Phasenkontrast und polarisationsoptischen Interferenzkontrast unter Verwendung von Hellfeldobjektiven für normale und große Felder ge- ' schaffen, wobei die für eine gute Interferenzkontrastabbildung einzuhaltende Polarisationsbedingung erfüllt wird, daß das in der Objektivpupille linear polarisierte Licht in dem vom Zwischenabbildungssystem erzeugten Zwischenbild der Objektivpupiile als nahezu linear polarisiertes Licht ankommt. So ist z, B. bei der polarisationsoptischen Interferenzkontrastabbildung die Zerlegung des auf das aus doppelbrechendem Material beste-.hende beleuchtungsseitige Wollastonprisma fallende Iinear polarisierte Licht in seine senkrecht zueinander schwingende, jede für sich linear polarisierte ordent-.liehe und außerordentliche Komponente wesentlich. Beide verlassen das Wollastonprisma um einen geringen Betrag lateral versetzt. Im abbildungsseitigen Wollastonprisma, das beim Erfindungsgegenstand im Bild oder in der Nähe des Bildes der Objektivpupille und damit innerhalb des Zwischenabbildungssystems liegt, werden die beiden Komponenten wieder zu einem Strahl vereinigt, exakt aber nur dann, wenn sie als linear polarisiertes Licht beim abbildungsseitigen ?vollastonprisma ankommen. Aus der theoretischen Optik ist bekannt, daß bei der !Totalreflexion an einer Glasoberfläche zwischen parallel und senkrecht zur Einfallsebene schwingenden Strahlenkomponenten eine vom Einfallswinkel λ/·> und der Brechzahl des Glases η abhängige Phasendifferenz cf

-i 9 Sri 1·ί ! J '^hI. Uli i ι;

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tritt

Es gilt:

tan 4 s c os $ \l sin²$- -_p ^ V n·

ist für den Achsenstrahl bei 90° Ablenkung 4-5°. Damit wird bei η = "f^? σ = 60°, so daß nach dreimali

ger Reflexion die Phasendifferenz 180° beträgt und die Resultierende aus beiden Strahlenkomponenten wieder in der gleichen Ebene wie vorher schwingt, also linear polarisiert ist. Dieser Effekt wird schon seit Jahrzehnten in einem Prisma mit dreifacher Reflexion, dem sog. Berek-Prisma /6/, zur Beleuchtung bei Auflicht-Polarisationsmikroskopen ausgenutzt. Ss wird durch zweck mäßigen Aufbau eines Zwischenabbildungssystems zur Erfüllung der Polarisationsbedingungen verwandt,'indem die dreimalige Reflexion auf drei zwischen Objektivpupille und Pupillenbild gelegene einzelne totalreflektierende Prismen verteilt wird. Eine ähnliche Wirkung wird mit vier Prismen erreicht, wenn η (u.U. auch on so verändert wird, daß ö = 4-5° ist. In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, die Schwingungsrichtung der Strahlkomponenten durch Einschalten einer polarisationsoptischen Λ /2-Platte um 90° zu drehen, wenn z. Bo wegen Drehung der Einfallsebene von einem zum folgenden Prisma der an einer reflektierenden Fläche ordentliche Strahl an der folgenden Fläche zum außerordentlichen und der außerordentliche zum ordentlichen und somit die aus diesen beiden Reflexionen resultierende Phasendifferenz null wird. Durch die /\/2-Plat~ te wird erreicht, daß auch in diesem Seil der ordentliehe Strahl ordentlicher und der außerordentliche Strahl

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außerordentlicher bleiben.

Da die auf die Prismenflächen einfallenden abbildenden Strahlen etwas unterschiedliche Neigung haben und deshalb die refelktierenden Flächen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln at> erreichen, ist die Phasendifferenz nicht für alle Strahlen gleich, und es ist für die. außeraxialen Strahlen mit einer geringen Elliptizität des polarisierten Lichtes zu. rechnen, die aber im Extremfall nicht mehr als 1% beträgt und in der Praxis kaum stört. Da die Öffnungswinkel der abbildenden Lichtbündel an den verschiedenen Flächen im allgemeinen unterschiedlich sind, ist außerdem eine Optimierung durch Prismen unterschiedlicher Brechzahl möglich.

Au s f uhr u ngsb eis, ρ i e 1:_ ·

Anhand der Abbildung soll an zwei Ausführungsbeispielen für Durchlichtbeobachtung die Erfindung erläutert werden. Das von der nicht gezeichneten Lichtquelle kommende Lichtbüiidel 1 ^ird durch den unter 45° zum beleuchtungsseitigen Wollastonprisma orientierten Polarisator 2 linear polarisiert und im beleuchtungsseitigen Wollastonprisma 3 iⁿ öle ordentliche und außerordentliche Komponente zerlegt, die senkrecht zueinander schwingen

Nach Passieren des Kondensors 4- gehen beide Teilbündel um einen geringen Betrag lateral versetzt durch die Objektebene 5, passieren das Objektiv 6, die durch ein Strichkreuz angedeutete Obgektivpupille 7 und werden an der voll verspiegelten Fläche 9 des aus zwei verkitteten rechtwinkligen Prismen bestehenden Glaswürfels 8 reflektiert. Da die Komponenten mit ihrer Sch^ingungsrichtung senkrecht bzvj. parallel zur Einfallsebene auf die Fläche 9 treffen, bleibt die lineare Polarisation für beide erhalten. An den Prismen 10 5 13 und 14-, die aus Glas mit der angenäherten Brechzahl η ^/J* bestehen, werden beide Teilbündel

1 '2 Shi.13 / B ·^;·ο 'i.O

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totalreflektiert. Zwischen den parallel und senkrecht zur Einfallsebene schwingenden Komponenten jedes Teilbündels tritt dabei eine Phasendifferenz von S^a 60° auf, so daß am Prisma 10 aus dem linear polarisierten Licht elliptisch polarisiertes wird. Da der gleiche Vorgang an den Prismen I3 und 14· stattfindet, summiert sich die genannte Phasendifferenz und beträgt an dem durch Strichkreuz angedeuteten, vom Linsensystem 11 erzeugten Pupillenbild 16 Ä2-18O⁰, so daß dort wieder linear polarisiertes Licht entsteht. Es treten also zwei um einen geringen Betrag lateral versetzte senkrecht zueinander schwingende und im allgemeinen einen gelingen Gangunterschied aufweisende Teilbündel in das abbildungsseitige Wollastonprisma 15 ein und treten räumlich vereinigt wieder aus. Der senkrecht oder parallel zum Polarisator 2 orientierte Analysator 17 läßt nur die in seiner Durchlaßrichtung schwingenden Komponenten der beiden senkrecht zueinander schwingende Teilbündel passieren, die miteinander interferieren. Das vom Objektiv 6 und Linsensystem 11 erzeugte Zwischenbild 12 des in der Objektebene 5 - gelegenen Objektes, in dem für Meßzwecke Strichplatten oder andere Markierungen eingeführt werden können, wird vom Linsensystem 18 über das Prisma 19 ^Ed die voll verspiegelte Fläche 9 in die in Richtung 20 gelegene, nicht gezeichnete Feldblende des Okulars kontrastiert abgebildet. Die Brechzahl des Glases von Prisma 19 ist dabei unwesentlich. Prisma 19 kann auch durch eine andere verspiegelte Fläche ersetzt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft die Möglichkeit mit 4 Totalreflexionen mit Glasprismen niedrigerer Brechzahl auszukommen. Die Anordnung entspricht der in der Abbildung dargestellten, es werden jedoch die voll verspiegelte Fläche 9 durch eine dünne Luftschicht

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= 0,01 mm und die tota!reflektierenden Prismen 8, 10, 13 und 14 durch Prismen aus Glas mit einer Brechzahl η c=^ 1,554 ersetzt. Dann entsteht an jeder Fläche bei ^ = 45° Einfallswinkel eine Phasendifferenz von (Ti=^, 45°. Da jedoch die Einfallsebenen der reflektierenden Flächen der Prismen 9 und 10 gedreht sind, wird'die nach 9 ordentliche "bei 10 außerordentliche Komponente und umgekehrt, so daß sich die Phasendifferenzen gegenseitig aufheben. Diese Schwierigkeit läßt sich durch Einfügen einer polarisationsoptischen A/2-Platte beheben, da diese die Schwingungsrichtung um 90° dreht, so daß sich die bei Reflexion an den vier genannten Prismen entstehenden Phasendifferenzen addieren und im Pupillenbild mieder linear polarisiertes Licht entsteht.

Durch Variation der Anordnung der reflektierenden Elemente und der abbildenden Systeme sind weitere Varianten möglich. Insbesondere kann durch unterschiedliche Brechzahlen der totalreflektierenden Prismen eine Optimierung hinsichtlich der von Prisma zu Prisma sich ändernden öffnungswinkel der abbildenden Strahlenbündel erfolgen.

Claims

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Erfindungsanspruch ·

1. Zwischenabbildungssystem zur Durchfuhrung von Kontrastverfahren bei Mikroskopen, das in den Strahlengang gebracht wird und mit Hilfe reflektierender Elemente und der Abbildungsoptik zugängliche Zwischenbilder der Objektebene und der Objektivpupille erzeugt, in denen für Meßzwecke verschiedene Strichfiguren angeordnet oder eingespiegelt werden können bzw. austauschbare Kontrastierungselemente, wie Phasenplättchen und Wollastonprismen, vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Elemente und die Abbildungsoptik, die zur Durchführung des polarisationsoptischen Kontrastverfahrens notwendige Bedingung erfüllt wird, daß das in der Objektivpupille linear polarisierte Licht wieder als angenähert linear polarisiertes Licht im Zwischenbild der Objektivpupille ankommt.
2. Zwischenabbildungssystem nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Objektivpupille und dem Zwischenbild der Objektivpupille das Licht dreimal an Glasprismen der Brechzahl von nzify totalreflektiert wird.
3. Zwischenabbildungssystem nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Objektivpupille und Zwischenbild der Objektivpupille das Licht viermal an Glasprismen der Brechzahl von^n 1,554- totalreflektiert wird.
4. Zwischenabbildungssystem nach Punkt 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehung der Polarisationsebene eine polarisationsoptische AV2-Platte vorgesehen ist.

5· Zwischenabbildungssystem nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechzahlen der totalreflektierenden Prismen unterschiedlich sind.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

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