DD270987A1

DD270987A1 - ARRANGEMENT FOR MEASURING POLARISSATION OPTICAL TRANSITION DIFFERENCES

Info

Publication number: DD270987A1
Application number: DD31453788A
Authority: DD
Inventors: Rainer Danz; Joachim Bergner
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1988-04-08
Filing date: 1988-04-08
Publication date: 1989-08-16

Abstract

Die Anordnung zum Messen polarisationsoptischer Gangunterschiede findet in optischen Geraeten Anwendung, mit denen zur Analyse des Phasenbestandes oder der Strukturen der untersuchten Gebilde oder Substanzen zirkular polarisiertes Licht zur azimutunabhaengigen Darstellung des von der Probe hervorgerufenen Gangunterschiedes eingesetzt wird. Ein markantes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Polarisationsmikroskopie z. B. bei der statischen oder ortsabhaengigen Untersuchung anisotroper Festkoerper oder gerichteter biologischer Substanzen. Die Aufgabe der azimutunabhaengigen Gangunterschiedsmessung wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass zwischen einem Objekt und einem zweiten Viertelwellen-Retarder einer Zirkular-Polarisationseinrichtung ein optisch aktives Bauelement angeordnet ist und dass an sich bekannte mechanische, elektrische oder magnetische Mittel vorgesehen sind, mit denen das Azimut der Schwingungsrichtung des dieses Bauelement verlassenden Lichtbuendels kontinuierlich veraendert wird. Fig. 5The arrangement for measuring polarization-optical path differences is used in optical devices with which circularly polarized light for azimuth-independent depiction of the path difference caused by the sample is used to analyze the phase balance or the structures of the investigated structures or substances. A striking field of application of the invention is the polarization microscopy z. B. in the static or location-dependent investigation of anisotropic solids or directed biological substances. The object of the azimuth-independent retardation measurement is achieved according to the invention in that an optically active component is arranged between an object and a second quarter-wave retarder of a circular polarization device and that known mechanical, electrical or magnetic means are provided with which the azimuth of the oscillation direction of this component leaving Lichtbuendels is continuously changed. Fig. 5

Description

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Messen polarisationsoptischer Gangunterschiede an anisotropen Objekten zu schaffen, die auch bei beliebiger azimutaler Lage des Objektes eine objektive Messung erlaubt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anordnung zum Messen polarisationsoptischer Gangunterschiede, bestehend aus einer Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des zu untersuchenden Objektes, einem Polarisator und einem ersten, vorzugsweise achromatischen Viertelwellen-Retarder zum Erzeugen zirkulär polarisierten Lichtes, einem zweiten, vorzugsweise achromatischen Viertelwellen-Retarder zur Wiederherstellung linear polarisierten Lichtes, einem nachgeschalteten Analysator sowie einem optischen System zur Abbildung des untersuchten Objektes auf einer das Meßfeld begrenzenden Blende, hinter der ein photoelektrischer Empfänger mit einer Nachweiselektronik angeordnet ist, dadurch gelöst, daß zwischen einem Objekt und einem zweitem Viertelwellen-Retarder ein optisch aktives transparentes Bauelement angeordnet ist und daß an sich bekannte mechanische, elektrische oder magnetische Mittel vorgesehen sind, mit aenen das Azimut der Schwingungsrichtung des dieses Bauelement verlassenden Lichtbündels kontinuierlich verändert wird.The invention has for its object to provide an arrangement for measuring polarization optical path differences on anisotropic objects that allows an objective measurement even with any azimuthal position of the object. According to the invention, the object in an arrangement for measuring polarization optical path differences, consisting of a lighting device for illuminating the object to be examined, a polarizer and a first, preferably achromatic quarter wave retarder for generating circularly polarized light, a second, preferably achromatic quarter-wave retarder for restoration linearly polarized light, a downstream analyzer and an optical system for imaging the object under investigation on a diaphragm delimiting the measuring field, behind which a photoelectric receiver is arranged with detection electronics, achieved by an optically active between an object and a second quarter-wave retarder transparent component is arranged and that per se known mechanical, electrical or magnetic means are provided, leaving with aenen the azimuth of the direction of vibration of this device light beam is continuously changed.

Vorteilhafte erfindungsgemäße Ausführungsformen bestehen darin, daß als optisch aktives Bauelement eine senkrecht zu ihrer optischen Achse geschnittene erste Quarzplatte vorgesehen ist, die keilförmig ausgebildet und in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Anordnung verschiebbar ist, oder als optisch aktives Bauelement eine zweite und dritto Quarzplatte vorgesehen ist und diese Quarzplatten senkrecht zu ihrer optischen Achse geschnitten, gleichsinnig drehend, keilförmig mit dem gleichen Keilwinkel ausgebildet und gegenläufig so zueinander orientiert sind, daß sie zusammen eine planparallele Platte bilden, und daß beide keilförmigen Glasplatten gegenläufig in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Anordnung verschiebbar sind.Advantageous embodiments of the invention are that is provided as an optically active component a perpendicular to its optical axis cut first quartz plate which is wedge-shaped and displaceable in a plane perpendicular to the optical axis of the arrangement, or provided as an optically active device, a second and third quartz plate and these quartz plates cut perpendicular to their optical axis, in the same direction rotating, wedge-shaped with the same wedge angle and are oriented in opposite directions so that they together form a plane-parallel plate, and that both wedge-shaped glass plates in opposite directions in a plane perpendicular to the optical axis of the arrangement are displaceable.

Weiterhin ist es vorteilhaft, die erste Üuarzplatte mit einem Glaskeil so zu verkitten, daß eine planparallele Platte entsteht. Vorzugsweise ist die Brechzahl des verwendeten Glaskeils annähernd gleich der Brechzahl η_ω der ersten Quarzplatte. Folgend wird die Wirkungsweise erläutert.Furthermore, it is advantageous to cement the first Üuarzplatte with a glass wedge so that a plane-parallel plate is formed. Preferably, the refractive index of the glass wedge used is approximately equal to the refractive index η _{ω of} the first quartz plate. The mode of action is explained below.

Das vom Polarisatior linear polarisierte Lichtbündel mit dem Azimut a_p = 0 seiner Schwingungsrichtung Sp wird vom ersten Viertelwellen-Retarder mit dem Azimut α, = n/4 seiner Hauptschwingungsrichtung n_z1 in ein zirkulär polarisiertes Lichtbündel umgewandelt und passiert das anisotrope nichtabsorbierende Objekt mit. essen Hauptschwingungsrichtung n_zo in einem Azimut 02 und der dem Gangunterschied proportionalen Phasendrehung , so daß im allgemeinen ein elliptisch polarisiertes Lichtbündel mit einem Hauptachsenazimut n/4 ± o₂undderElliptizitäte = f(6₂) auf den zweiten Viertelwellen-Retarder mit dem Azimut a₃ = -O) der Hauptschwingungsrichtung nz2 trifft, wobei das Azimut der Schwingungsrichtung Sa des Analysators O₄ = n/2 istThe polariser linearly polarized light beam with the azimuth a _p = 0 of its oscillation direction Sp is converted by the first quarter-wave retarder with the azimuth α, = n / 4 of its main vibration n _z1 in a circularly polarized light beam and passes through the anisotropic non-absorbing object. The main oscillation direction n _{zo is} in an azimuth 02 and the phase difference is proportional to phase difference, so that generally an elliptically polarized light beam having a major axis azimuth n / 4 ± o _{2 and the} ellipticity = f (6 ₂ ) to the second quarter wave retarder with the azimuth a ₃ = O) of the main vibration direction nz2 applies, wherein the azimuth of the vibration direction of the analyzer is Sa O ₄ = n / 2

Die Intensität I nach dem Analysator berechnet sich zu The intensity I after the analyzer is calculated to

I = (E2 / 2X1 - COSO ₂₎ = E sin ² ö _2/2 (1)?

wobei E₀ die Amplitude des elektrischen Feldstärkevektors ist. Das anisotrope Objekt wkd also unabhängig von seinemwhere E _{0 is} the amplitude of the electric field strength vector. The anisotropic object wkd thus independent of his

Vibration azimuth a ₂ contrasts. The total phase difference R impressed on the light bundle is in accordance with the second quarter-wave retarder

Gleichungequation

R = n / 2 + arctane (-cos5 ₂ / sin0 ₂ sin2a ₂ ). (2)

Die interessierende Phasendifferenz δ₂ des Objektes wird einer Messung mit der weitgehend von systematischen Meßfehlern freien Kompensationsmethode nach Sonarmont zugänglich, wenn das von der Probe kommende Lichtbündel mit der Gesamt-Phasendifferenz R von dem Analysator linear polarisiert ist. Nach (2) ist das nur dann der Fall, wennThe interesting phase difference δ _{2 of} the object becomes a measurement with the compensation method free of systematic measurement error according to Sonarmont accessible when the coming of the sample light beam with the total phase difference R of the analyzer is linearly polarized. According to (2) this is only the case if

R = nn(n = 0,1,2,3,...), (3)R = nn (n = 0,1,2,3, ...), (3)

d. h., wenn a₂ = O, n/2, n,... beträgt.ie, if a ₂ = 0, n / 2, n, ....

However, this case can not be readily recognized because, according to (1), the observed or measured intensity is independent

vom Objekt-Azimut O₂ ist.from the object azimuth O ₂ .

As a result of the introduction according to the invention of the optically active transparent component, the azimuth becomes the main axis

n/4 - a₂ des das Objekt verlassenden elliptisch polarisierten Lichtbündels kontinuierlich verändert, bis die Hauptachse mit dern / 4 - a ₂ of the object leaving elliptically polarized light beam continuously changed until the main axis with the

Vibration direction n _{Z2 of} the second quarter-wave retarder coincides. To recognize this condition, the Intensity I of the light beam by means of a rotating analyzer, a polarization modulator described in DD-WP 247751

oder in anderer geeigneter Weise moduliert und das optisch aktive Bauelement durch an sich bekannte mechanische, elektrische oder magnetische Mittel manipuliert, bis der Kontrast Kor modulated in another suitable manner, and manipulating the optically active device by mechanical, electrical or magnetic means known per se until the contrast K

K = (Imax - lmin) / (lmax + imine) sine k · ε. ,

(mit k = Wellenzahl und sine k · e = sin k · e/k · e)(with k = wavenumber and sine k · e = sin k · e / k · e)

seinen Maximalwert erreicht. Dann ist a₂ = O, π/2, π,...reached its maximum value. Then a ₂ = O, π / 2, π, ...

In diesem Fall wandelt der zweite Viertelwellen-Retarder das einfallende elliptisch polarisierte Lichtbündel in ein linear polarisiertes Lichtbündel um, dessen Azimut β vom Ganounterschied (Phasendrehung) der Probe abhängig ist. Der Gangunterschied kann somit nach dem von-Sonarmo it bzw. ι Iac Cullagh angegebenen Verfahren gemessen werden, wobei das Azimut n/4 zwischen Analysatorschwingungsrichtunt, und Hauptschwingungsrichtung n_Z2 des zweiten Viertelwellen-Retarders zu berücksichtigen ist.In this case, the second quarter-wave retarder converts the incident elliptically polarized light beam into a linearly polarized light beam whose azimuth β is dependent on the Ganounterschied (phase rotation) of the sample. The retardation can thus be measured according to the method specified by-Sonarmo it or Iac Cullagh, wherein the azimuth n / 4 between Analyzerschwingungsrichtunt, and main vibration direction n _{Z2 of} the second quarter-wave retarder is taken into account.

isführungsbelsplele isführungsbelsplele

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen in schematischer DarstellungThe invention will be explained in more detail with reference to embodiments shown in the drawings. It show in a schematic representation

1: part of the optical structure according to a first embodiment, 2: part of the optical structure according to a second embodiment, Fig. 3: Arrangement of the vibration directions of the object and polarization-optical components before the compensation of the

Gangunterschiedes, Fig.4: Anordnung der Schwingungsrichtungen von Objekt und polarisationsoptischen Bauteilen nach der Kompensation desGangunterschiedes, Figure 4: Arrangement of the vibration directions of the object and polarization - optical components after the compensation of

Gangunterschiedes und Fig. 5: die erfindungsgemäße Anordnung im Strahlengang eines Polarisationsmikroskopes.Gangunterschiedes and Fig. 5: the arrangement according to the invention in the beam path of a polarizing microscope.

Ein Teil des optischen Aufbaues gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels ist in Fig. 1 gezeigt. Entlang einer optischen Achse sind nacheinander ein Linearpolarisator 1, ein erster, vorzugsweise achromatischer Viertelwellen-Retarder 2, ein Polarisationsmodulator 2', ein Objekt 3, ein optisch aktives Bauelement 3', ein zweiter, vorzugsweise achromatischer Viertelwellen-Retarder 4 und ein Analysator 5 angeordnet. Das optisch aktive Bauelement 3' ist erfindungsgemäß eingefügt und ein senkrecht zur optischen Achse der Anordnung verschiebbarer Quarzkeil.A part of the optical structure according to a first embodiment is shown in FIG. Along an optical axis are successively a linear polarizer 1, a first, preferably achromatic quarter wave retarder 2, a polarization modulator 2 ', an object 3, an optically active device 3', a second, preferably achromatic quarter wave retarder 4 and an analyzer 5 are arranged , The optically active component 3 'is inserted according to the invention and a quartz wedge displaceable perpendicular to the optical axis of the arrangement.

In Fig. 2 sind in einem der Fig. 1 analogen Aufbau als optisch aktives Bauelement 3' eine zweite und eine dritte keilförmige Quarzplatte 3' b, 3'c vorgesehen.In FIG. 2, a second and a third wedge-shaped quartz plate 3 'b, 3'c are provided as an optically active component 3' in a structure analogous to FIG.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung in einem Polarisationsmikroskop ist in Fig. 5 dargestellt. Dem von einer aus Lichtquelle 16, Kollektor 16, Leuchtfeldblende 14, Telezlinse 13 und dem Kondensate·· 12 bestehenden B( leuchtungseinrichtung beleuchteten Objekt 3 sind ein Linearpolarisator 1 und ein erster, vorzugsweise achromatischer V'ertelwelle:i-Retarder 2 so vorgeschaltet, daß auf das Objekt 3 ein zirkulär polarisiertes, durch das Bild der Leuchtfeldblende 14 begrenztes Lichtbündel fällt. Nach dem Passieren des Objektes 3 ist dieses Lichtbündel elliptisch polarisiert; die Elliptizität ist ein Maß für die gesuchte Phasendrehung δ₂. Erfindungsgemäß wird mit dem optisch aktiven Bauelement 3', das vorzugsweise aus einem senkrecht zur optischen Achse geschnittenen, mit einem ausgegleichenden Glaskeil 3'd angenäherter Brechzahl verbundenen und senkrecht zur optischen Achse der Anordnung verschiebbaren Quarzkeil 3' a besteht, das Hauptachsenazimiit so gedreht, daß die Achsen der Schwingunguellipse mit den Hauptschwingungsrichtungen des zweiten, vorzugsweise achromatischen Viertelwellen-Retarders 4 zusammenfallen. Diesen zweiten Viertelwellen-Retarder 4 verläßt dann ein linear polarisiertes Lichtbündel mit einer der Phasendifferenz in Objekt 3 proportionalen Drehung β gegen die Hauptschwingungsrichtung n_Z2 des zweiten Viertelwellen-Retarders 4. Der Winkel β = δ₂/2 wird durch Nachdrohen des Analysators 5 bis zur Auslösung der linear polarisierten Schwingung gemessen.The application of the arrangement according to the invention in a polarizing microscope is shown in FIG. A linear polarizer 1 and a first, preferably achromatic, optical waveguide: i-retarder 2 are connected upstream of a light source 16, collector 16, field diaphragm 14, telezine lens 13 and the condensate ·· 12 B (illuminating device illuminated object 3) a circularly polarized light beam bounded by the image of the field diaphragm 14 is incident on the object 3. After passing through the object 3, this light beam is elliptically polarized and the ellipticity is a measure of the sought phase rotation δ ₂ ', which preferably consists of a perpendicular to the optical axis cut, with a compensating glass wedge 3'd approximated refractive index and displaceable perpendicular to the optical axis of the arrangement quartz wedge 3' a, the Hauptachsenazimiit rotated so that the axes of the Schwingunguellipse with the main vibration directions of second, preferably achromati quarter wave retarder 4 coincide. Said second quarter-wave retarder 4 then leaves a linearly polarized light beam having a phase difference in object 3 proportional rotation β against the main direction of vibration n _Z2 of the second quarter-wave retarder 4. The angle β = δ _2/2 is Nachdrohen of the analyzer 5 to the Triggering the linearly polarized oscillation measured.

Zum Bestimmen dieser Auslöschungslage dient die aus Meßfeldblende 6, abbildendem System 7, Photoempfänger 8 und Nachweiselektronik 9 besahende photometrische Einrichtung; das zu messende Objekt 3 wird dabei von einem Objektiv 11 und einer Tubuslinse 10 auf die Meßfeldblende 6 abgebildet und von dieser begrenzt.To determine this Auslöschungslage serves from Meßfeldblende 6, imaging system 7, photoreceiver 8 and detection electronics 9 viewing photometric device; the object 3 to be measured is imaged by an objective 11 and a tube lens 10 on the measuring field diaphragm 6 and bounded by this.

Zum Bestimmen des Maximalkontrastes wird das Lichtbündel mit dem Polarisationsmodulator 2' moduliert und das optisch aktive Bauelement 3' in der Eoene senkrecht zur optischen Achse der An Ordnung so weit geschoben, bis der dem Kontrast entsprechende Anzeigewert auf der Nachweiselektronik 9 seinen Größtwert erreicht. Dann verläßt ein linear polarisiertes Lichtbündel den zweiten Viertelwellen-Retarder 4. Durch Drehen des Analysators 5 wird der Anzeigewert auf Null gebracht und damit die lineare Schwingung ausgelöst. Aus dem Drehwinkel des Analysators 5 wird die gesuchte Phasendrehung berechnet. Aus Fig. 3 und 4 ist die Lage der Schwingungsrichtungen der in Flg. 5 dargestellten polarisationsoptischen Bauteile des Polarisationsmikroskopes und des Objektes 3 vor und nach der Kompensation des Gangunterschiedes ersichtlich. Dabei sind Sp die Schwingungsrichtung des Polarisators 1, Sa die des Analysators 5, nzo, nzi, n_z2 die Schwingungsrichtungen der langsameren Lichtwelle im Objekt 3, ersten Viertelwellen-Retarder 2 bzw. zweiten Viertelwellen-Retarder 4.0₁, a₂ und a₃ sind die jeweiligen Azimute bezüglich der Schwingungsrichtung Sp des Polarisators 1, cu der Winkel zwischen den Schwingungsrichtungen von Polarisator 1 und Analysator 5. β ist das Azimut der wiederhergestellten linearen Schwingung, bezogen auf die Schwingungsrichtung n_Z2 des zweiten Viertelwellen-Retarders 4.To determine the maximum contrast, the light beam is modulated with the polarization modulator 2 'and the optically active component 3' in the Eoene perpendicular to the optical axis of the order pushed so far until the contrast corresponding display value on the detection electronics 9 reaches its maximum value. Then, a linearly polarized light beam leaves the second quarter-wave retarder 4. Turning the analyzer 5, the display value is brought to zero and thus triggered the linear oscillation. From the rotation angle of the analyzer 5, the desired phase rotation is calculated. From Fig. 3 and 4, the position of the vibration directions of the in Flg. 5 polarization-optical components of the polarizing microscope and the object 3 shown before and after the compensation of the path difference. In this case, Sp are the direction of oscillation of the polarizer 1, Sa of the analyzer 5, nzo, nzi, n _{z2 are} the _{directions of} vibration of the slower light wave in the object 3, first quarter wave retarder 2 and second quarter wave retarder 4.0 ₁ , a ₂ and a ₃ , respectively the respective azimuths with respect to the oscillation direction Sp of the polarizer 1, cu the angle between the oscillation directions of polarizer 1 and analyzer 5. β is the azimuth of the restored linear oscillation with respect to the oscillation direction n _{Z2 of} the second quarter wave retarder 4.

Claims

1. An arrangement for measuring polarization-optical path differences, consisting of a lighting device for illuminating the object to be examined, a polarizer and a first, preferably achromatic quarter-wave retarder for generating circularly polarized light, a second, preferably achromatic quarter wave retarder for restoring linearly polarized light, a downstream analyzer, as well as an optical system for imaging the object under investigation on a diaphragm delimiting the measuring field, behind which a photoelectric receiver with detection electronics is arranged, characterized in that between an object (3) and a second quarter-wave retarder (4) optically active transparent component (3 ') is arranged and that per se known mechanical, electrical or magnetic means are provided, with which the azimuth konti the direction of vibration of this component leaving the light beam is changed in a different way.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that as optically active component (3 ') is a perpendicular to its optical axis cut quartz plate (3'a) is provided, which is wedge-shaped and displaceable in a plane perpendicular to the optical axis of the arrangement ,

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that as optically active component (3 ') a second and third quartz plate (3'b, 3'c) provided and these quartz plates cut perpendicular to its optical axis, rotating in the same direction, wedge-shaped with the formed the same wedge angle and are oriented in opposite directions to each other so that they together form a plane-parallel plate, and that both wedge-shaped quartz plates are movable in opposite directions in a plane perpendicular to the optical axis of the arrangement.

4. Arrangement according to claim 2, characterized in that the first quartz plate (3'a) with a glass wedge (3'd) is cemented so that a plane-parallel plate is formed.

5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the refractive index of the glass wedge (3'd) is approximately equal to the refractive index η _{ω of} the first quartz plate (3'a).

For this 3 pages drawings

Field of application of the invention

The invention finds application in optical devices and arrangements with which in the measurement of the anisotropic optical properties for analyzing the phase balance or the structures of the investigated structures or substances circularly polarized light is used for azimuth-independent representation of the path difference caused by the examined sample. A striking field of application of the invention is polarization microscopy ζ. B. in the static or location-dependent investigation of anisotropic solid odor directed biological substances.

Characteristic of the known state of the art

For determining polarization-optical path differences, a number of objectively measuring arrangements have become known. In a solution according to DE-OS 2916202, the interference pattern arising behind a Wollaston prism is recorded with respect to amplitude and phase position with a diode array, and the measured values are determined as the ellipticity of the light. In another solution (Journal Micr 139 (1985) 239-247), the intensity values obtained with a photometer are subjected to a harmonic analysis with a 64-K computer as a function of the analyzer rotation and the path difference according to the Sonarmont method calculated. Also known is a solution for fast and accurate measurement of the path difference. Here, according to DE-OS 3631959 serves as a light source, a transversal stabilized Zeeman laser; the time shift of beat nodes is measured as a function of the object-path difference. Common to all of these solutions is the required azimuthal orientation of the sample to the measuring arrangement, since it works with linearly polarized light. Thus, a higher equipment and labor is necessary. It is also known a solution is converted with the circularly polarized radiation via electro- and magneto-optical crystals for modulation purposes in linearly polarized radiation with a constant rotating vibration level (DE-OS 1797378). Also known is a solution, the Tardy method, which is a subjective measuring method (B'it. Journ. Appl. Phys. 3 [1952] 176 ... 181) and uses only monochromatic light. It is very time-consuming, since it visits the Ir.tensitätsminimum in many steps of oppositely rotated polar and measures in this situation with a Sänarmont compensator.

Object of the invention

The object of the invention is to provide an arrangement for measuring polarization-optical path differences, with which facilitates the determination of gait differences, said disadvantages of the known solutions are eliminated and which can be produced with little technical and economic effort.