DE102015119255A1

DE102015119255A1 - Einstellbare Phasenmaske, Mikroskop und Verfahren zur Phasenkontrastmikroskopie

Info

Publication number: DE102015119255A1
Application number: DE102015119255.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Seesselberg; Wolfgang Singer; Lisa Riedel
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2015-11-09
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2017-05-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine einstellbare Phasenmaske zum Bereitstellen von variablen Gangunterschieden in einem Strahlengang eines Phasenkontrastmikroskops mit einer ersten Phasenplatte, die sich in einer ersten Ebene erstreckt, bei der in einem Teil der ersten Ebene eine erste transparente Zone gebildet ist, in der ein durch die erste Phasenplatte bereitgestellter Gangunterschied quer, insbesondere senkrecht, zur ersten Ebene unabhängig ist von einer Position innerhalb der ersten transparenten Zone, und bei der in einem anderen Bereich der ersten Ebene eine erste transparente Profilzone gebildet ist, in der ein durch die erste Phasenplatte bereitgestellter Gangunterschied quer, insbesondere senkrecht, zur ersten Ebene durch eine erste Gangunterschiedsfunktion gegeben ist, mit einer zweiten Phasenplatte, die sich in einer zweiten Ebene erstreckt, bei der in einem Bereich der zweiten Ebene eine zweite transparente Zone gebildet ist, in der ein durch die zweite Phasenplatte bereitgestellter Gangunterschied quer, insbesondere senkrecht, zur zweiten Ebene unabhängig ist von einer Position innerhalb der zweiten transparenten Zone, und bei der in einem anderen Bereich der zweiten Ebene eine zweite transparente Profilzone gebildet ist, in der ein durch die zweite Phasenplatte bereitgestellter Gangunterschied quer, insbesondere senkrecht, zur zweiten Ebene durch eine zweite Gangunterschiedsfunktion gegeben ist, wobei die erste Phasenplatte und die zweite Phasenplatte einander gegenüberliegend, insbesondere zueinander parallel, angeordnet sind und sich die erste transparente Zone und die zweite transparente Zone einerseits und die erste Profilzone und die zweite Profilzone andererseits gegenüberliegen, wobei durch die Summe der ersten Gangunterschiedsfunktion und der zweiten Gangunterschiedsfunktion ein Gesamtgangunterschied gegeben ist, und wobei eine Positioniereinrichtung vorhanden ist, mit welcher die erste Phasenplatte und die zweite Phasenplatte zum Einstellen des Gesamtgangunterschieds um einen einstellbaren Versatz in einer Verstellrichtung versetzt variabel relativ zueinander positionierbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine einstellbare Phasenmaske, auf ein Mikroskop, bei dem diese einstellbare Phasenmaske zum Einsatz kommt, sowie auf ein Verfahren zur Phasenkontrastmikroskopie.
In der Phasenkontrastmikroskopie werden sogenannte Phasenobjekte, die im normalen Durchlicht- oder Auflichtmikroskop extrem kontrastschwach sind, beispielsweise weil sie praktisch überall in gleicher Weise transparent sind, sichtbar gemacht. Erreicht wird das dadurch, dass eine Phasenverschiebung zwischen Licht, welches direkt an einem Objekt reflektiert oder durch ein solches Objekt direkt transmittiert wird, einerseits, und Licht, welches an dem Objekt gebeugt wird, andererseits, eingeführt wird. Das an dem Objekt direkt reflektierte oder durch das Objekt direkt transmittierte Licht wird dabei als Licht nullter Ordnung bezeichnet. Üblicherweise erfolgt solch eine Phasenverschiebung mithilfe einer sogenannten Köhler'schen Beleuchtung mit einer effektiven Lichtquelle, die die Objektivpupille nur in einem begrenzten Bereich ausfüllt. Dieser Bereich entspricht dann der nullten Ordnung. Ein in der Objektivpupille angeordneter Phasenschieber wird in der Form genau an die Form der effektiven Lichtquelle in der Objektivpupille, nämlich identisch zu der nullten Ordnung, angepasst. Dann kann entweder die nullte Ordnung oder ein dazu komplementärer Bereich durch ein dünnes Phasenplättchen in der Phase verschoben werden. Bei der sogenannten „Spatial Light Interference Microscopy”, SLIM, wird darüber hinaus der Phasenhub des Phasenschiebers variabel gestaltet, um mit üblichen aus der Interferometrie bekannten Phasenverschiebungsalgorithmen (Phase Stepping Interferometry) die Phase eines Objekts quantitativ zu bestimmen. Bei der SLIM wird das durch erreicht, dass als Phasenschieber ein sogenannter Spatial-Light-Modulator auf Grundlage eines Flüssigkristallarrays (LCD) eingesetzt wird. Solche Spatial-Light-Modulatoren arbeiten in Reflexion, sind vergleichsweise teuer und weisen darüber hinaus hohe Lichtverluste auf. Wegen des Funktionsprinzips in Reflexion erfordert dies darüber hinaus einen erheblichen Umbau von bestehenden Mikroskopen.
Beispielsweise ist solch ein Mikroskop nach der SLIM-Technik beschrieben in OPTICS EXPRESS VOL. 19, Nr. 2, Seite 1016. In OPTICS EXPRESS, Vol. 14, Nr. 9, Seite 3792 sind spiralförmige Phasenplatten sind beschrieben.
Als eine Aufgabe der Erfindung kann angesehen werden, eine Phasenmaske zum Bereitstellen von variablen Gangunterschieden in einem Strahlengang eines Phasenkontrastmikroskops zu schaffen, die sich durch geringe Lichtverluste auszeichnet und die außerdem in vorhandenen Mikroskopen leicht nachgerüstet werden kann. Außerdem soll ein Mikroskop und ein Verfahren zur Phasenkontrastmikroskopie angegeben werden, bei denen eine Phasenmaske zum Bereitstellen von variablen Gangunterschieden zum Einsatz kommt.
Diese Aufgabe wird durch die einstellbare Phasenmaske mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Mit Anspruch 26 wird außerdem ein Mikroskop zur Phasenkontrastmikroskopie beansprucht, welches eine erfindungsgemäße Phasenmaske aufweist. Ein Verfahren zur Phasenkontrastmikroskopie schließlich wird mit Anspruch 28 beansprucht.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele und Varianten der erfindungsgemäßen einstellbaren Phasenmaske sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden außerdem in der folgenden Beschreibung insbesondere im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren erläutert.
Gegenstand des Anspruchs 1 ist eine einstellbare Phasenmaske zum Bereitstellen von variablen Gangunterschieden in einem Strahlengang eines Phasenkontrastmikroskops mit einer ersten Phasenplatte, die sich in einer ersten Ebene erstreckt, bei der in einem Teil der ersten Ebene eine erste transparente Zone gebildet ist, in der ein durch die erste Phasenplatte bereitgestellter Gangunterschied quer, insbesondere senkrecht, zur ersten Ebene unabhängig ist von einer Position innerhalb der ersten transparenten Zone, und bei der in einem anderen Bereich der ersten Ebene eine erste transparente Profilzone gebildet ist, in der ein durch die erste Phasenplatte bereitgestellter Gangunterschied quer, insbesondere senkrecht, zur ersten Ebene durch eine erste Gangunterschiedsfunktion gegeben ist, mit einer zweiten Phasenplatte, die sich in einer zweiten Ebene erstreckt, bei der in einem Bereich der zweiten Ebene eine zweite transparente Zone gebildet ist, in der ein durch die zweite Phasenplatte bereitgestellter Gangunterschied quer, insbesondere senkrecht, zur zweiten Ebene unabhängig ist von einer Position innerhalb der zweiten transparenten Zone, und bei der in einem anderen Bereich der zweiten Ebene eine zweite transparente Profilzone gebildet ist, in der ein durch die zweite Phasenplatte bereitgestellter Gangunterschied quer, insbesondere senkrecht, zur zweiten Ebene durch eine zweite Gangunterschiedsfunktion gegeben ist, wobei die erste Phasenplatte und die zweite Phasenplatte einander gegenüberliegend, insbesondere zueinander parallel, angeordnet sind und sich die erste transparente Zone und die zweite transparente Zone einerseits und die erste Profilzone und die zweite Profilzone andererseits gegenüberliegen, wobei durch die Summe der ersten Gangunterschiedsfunktion und der zweiten Gangunterschiedsfunktion ein Gesamtgangunterschied gegeben ist, und wobei eine Positioniereinrichtung vorhanden ist, mit welcher die erste Phasenplatte und die zweite Phasenplatte zum Einstellen des Gesamtgangunterschieds um einen einstellbaren Versatz in einer Verstellrichtung versetzt variabel relativ zueinander positionierbar sind.
Als ein Kerngedanke der erfindungsgemäßen Phasenmaske kann erachtet werden, einen variablen Phasenhub mithilfe von sogenannten Alvarez-Platten zu erzeugen. Solche Alvarez-Platten sind im Vergleich zu Spatial-Light-Modulatoren wesentlich günstiger herzustellen und können in einem Mikroskop prinzipiell an derselben Stelle wie bisher vorhandene Phasenschieber, die eine konstante Phasenverschiebung entweder für das Licht nullter Ordnung oder das gebeugte Licht bereitstellen, eingesetzt werden.
Der variable Phasenhub kann am einfachsten durch gegenseitig verschiebbare oder gegenseitig verdrehbare Paare von Alvarez-Platten, die jeweils ein keilförmiges oder spiralförmiges Phasenprofil aufweisen, erzeugt werden. Prinzipiell sind aber auch andere Formen möglich. Dies wird im Folgenden im Einzelnen beschrieben. Die Profile können insbesondere auf die nullte Ordnung oder den dazu komplementären Bereich beschränkt sein, um den gewünschten Phasenkontrasteffekt zu erreichen. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird der Begriff des Gangunterschieds synonym verwendet mit dem Begriff der Differenz einer optischen Weglänge. In einem Material mit konstanter Brechzahl entspricht der Gangunterschied im Vergleich zum Vakuum dem Produkt der geometrischen Entfernung mit (n – 1), wobei n die Brechzahl des Mediums ist. Allgemein ist mit dem Gangunterschied die optische Weglängendifferenz zwischen zwei Strahlen gemeint, wobei die optische Weglänge durch die geometrische Weglänge multipliziert mit der Brechzahl gegeben ist. Bei einem optisch inhomogenen Material ist die optische Weglänge gegeben durch die Summe, allgemein das Integral, der einzelnen Wegelemente multipliziert jeweils mit der für das jeweilige Wegelement geltenden Brechzahl.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Begriff des Gangunterschieds (Englisch: Optical Path Difference) derjenige Unterschied der optischen Weglänge verstanden, der für einen durch die erste Phasenplatte oder die zweite Phasenplatte hindurchtretenden Strahl jeweils im Vergleich zu einem sich im Vakuum ausbreitenden Strahl bewirkt wird.
Der gesamte Gangunterschied, der bei einem Lichtstrahl nach Durchgang durch die erste und die zweite Phasenplatte bewirkt wird, ist die Summe des Gangunterschieds durch die erste Phasenplatte und des Gangunterschieds durch die zweite Phasenplatte und kann als Gesamtgangunterschied bezeichnet werden. Insbesondere ist für einen Teilstrahl, der durch die erste transparente Zone und die zweite transparente Zone hindurchtritt, der Gesamtgangunterschied gegeben durch die Summe der durch die erste transparente Zone und die zweite transparente Zone bewirkten Gangunterschiede. Entsprechend ist für einen Teilstrahl, der durch die erste Profilzone und die zweite Profilzone hindurchtritt, der Gesamtgangunterschied gegeben durch die Summe der durch die erste Profilzone und die zweite Profilzone bewirkten Gangunterschiede.
Für die Phasenmikroskopie spielt die relative Phasenlage von Teilstrahlen, die entweder durch die erste und die zweite transparente Zone oder durch die erste und die zweite Profilzone hindurchtreten, eine Rolle. Die relative Phasenlage von diesen Teilstrahlen ist gegeben durch die Differenz der den Teilstrahlen jeweils durch die erste und die zweite Phasenplatte aufgeprägten Gangunterschiede. Mit anderen Worten ist also die relative Phasenlage der genannten Teilstrahlen gegeben durch die Differenz der Gesamtgangunterschiede dieser Teilstrahlen.
Es ist klar, dass zu einem Gangunterschied jeweils auch eine bestimmte Phasenverschiebung gehört. Beispielsweise gehört zu einem Gangunterschied von λ eine Phasenverschiebung von 2π. Der variable Gangunterschied entspricht also einer variablen Phasenverschiebung. Eine wesentliche Anwendung der erfindungsgemäßen einstellbaren Phasenmaske besteht darin, den Gangunterschied, oder eben die Phasenverschiebung, an die für die Mikroskopie verwendete Wellenlänge anzupassen.
Bei einer verbesserten Ausführungsform, die weiter unten im Einzelnen beschrieben wird, können die beiden, insbesondere keilförmigen, Phasenplatten jeweils aus polychromatisch korrigierten Platten bestehen, so dass weitgehend unabhängig von der Wellenlänge ein bestimmter Phasenhub für verschiedene Wellenlängen gleichzeitig eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann polychromatisch eine quantitative Phasenmessung erfolgen.
Ein besonderer Verteil der erfindungsgemäßen Phasenmaske besteht darin, dass diese bei bestehenden Mikroskopen vergleichsweise unproblematisch eingesetzt werden kann. Zweckmäßig erfolgt das bei dem Mikroskop dergestalt, dass die Phasenmaske in einer hinteren Pupillenebene eines Mikroskopobjektivs oder einer dazu konjugierten optischen Ebene im Strahlengang angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Phasenmaske kann insbesondere eingesetzt werden bei der quantitativen Phasenkontrastinterferometrie (Quantitative Phase Contrast Interferometry).
Unter der Eigenschaft transparent soll im Rahmen der vorliegenden Beschreibung verstanden werden, dass die jeweiligen Bereiche der Phasenplatte aus Materialien gefertigt sind, welche Licht der für die Phasenkontrastmikroskopie verwendeten Wellenlängenbereiche ohne signifikanten Intensitätsverlust transmittiert. Die Phasenplatten für die erfindungsgemäße Phasenmaske können insbesondere aus Gläsern oder Kunststoffen, welche die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich der Transparenz und hinsichtlich der zu erzielenden Gangunterschiede aufweisen, gefertigt sein.
Wenn in Anspruch 1 davon die Rede ist, dass die Profilzonen jeweils in einem anderen Bereich der Ebene, in welchem sich die jeweilige Phasenplatte erstreckt, gebildet ist, bedeutet das, dass die Profilzone mit der jeweiligen transparenten Zone keinen Überlapp hat. Besonders bevorzugt sind die Bereiche der Profilzone und der transparenten Zone zueinander komplementär. Die transparenten Zonen der ersten Phasenplatte und der zweiten Phasenplatte können auch als Neutralzone bezeichnet werden, wodurch zum Ausdruck kommen soll, dass innerhalb dieser Zonen der Gangunterschied ortsunabhängig ist und auch unabhängig von einer variablen relativen Positionierung der ersten Phasenplatte relativ zur zweiten Phasenplatte ist.
Grundsätzlich kommt es für die erfindungsgemäße Phasenmaske nur darauf an, dass die erste Phasenplatte und die zweiten Phasenplatte in irgendeiner Verstellrichtung variabel relativ zueinander positioniert werden können. Bei einer besonders bevorzugten Variante ist dabei die Verstellrichtung durch die Koordinatenrichtung eines linearen Koordinatensystems gebildet. Die Positioniereinrichtung ist dann eine lineare Verschiebeeinrichtung, beispielsweise mit Piezoantrieb, mit welcher die erste und die zweite Phasenplatte relativ zueinander verschoben werden können.
Allgemein kommt es nur auf die Relativverschiebung an. Dabei können grundsätzlich beide Phasenplatten bewegt werden. Es ist aber auch möglich, dass nur die erste oder die zweite Phasenplatte relativ zu der jeweils anderen, insbesondere ruhenden, Phasenplatte bewegt wird.
Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Verstellrichtung durch die Koordinatenrichtung eines krummlinigen Koordinatensystems gebildet ist, insbesondere durch eine Winkelkoordinatenrichtung. Bei einer besonders bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Phasenmaske ist die Verstellrichtung gebildet durch die Azimutalwinkelkoordinate eines Polarkoordinatensystems. Als Positioniereinrichtung kommen dann Dreheinrichtungen zum Einsatz, wobei wiederum prinzipiell beide Phasenplatten bewegt werden können oder aber auch eine Phasenplatte ruhen und nur die andere Phasenplatte bewegt werden kann.
Grundsätzlich können vorteilhafte Wirkungen der Erfindung erreicht werden, wenn die erste Profilzone und die zweite Profilzone in der ersten beziehungsweise der zweiten Ebene eine unterschiedliche Form aufweisen. Besonders bevorzugt sind aber Ausführungsvarianten der Phasenmaske, bei denen die erste Profilzone und die zweite Profilzone deckungsgleich sind. Weiterhin ist bevorzugt, dass die erste Phasenmaske und die zweite Phasenmaske parallel zueinander und darüber hinaus so positioniert werden, dass die erste Profilzone und die zweite Profilzone übereinander liegen, das heißt insbesondere in Richtung senkrecht zur ersten Ebene und zur zweiten Ebene fluchten.
Ebenso können vorteilhafte Wirkungen der erfindungsgemäßen Phasenmaske auch mit Phasenplatten erreicht werden, bei denen die erste transparente Zone der ersten Phasenplatte und die zweite transparente Zone der zweiten Phasenplatte unterschiedliche Formen aufweisen. Bei vorteilhaften Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Phasenmaske sind aber die erste transparente Zone und die zweite transparente Zone deckungsgleich. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass außerhalb der ersten und der zweiten Profilzone der Gangunterschied ortsunabhängig ist.
Im Hinblick auf den Umstand, dass die Strahlengänge in einem Mikroskop häufig zylindersymmetrisch sind, sind außerdem Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Phasenmaske bevorzugt, bei denen die erste Profilzone und die zweite Profilzone die Form mindestens eines Kreisrings aufweisen und/oder dass die erste Profilzone und die zweite Profilzone die Form einer Kreisscheibe aufweisen. Die Profilzonen können auch in mehrere Teilzonen unterteilt sein, beispielsweise eine Kreisscheibe und mindestens ein Kreisring, mehrere Kreisringe usw..
Das Erfordernis, dass der Gangunterschied in der ersten transparenten Zone und der zweiten transparenten Zone jeweils nicht vom Ort innerhalb dieser Zonen abhängen soll, wird besonders einfach erreicht, wenn die erste Phasenmaske in der ersten transparenten Zone und/oder die zweite Phasenmaske in der zweiten transparenten Zone eine konstante Dicke aufweisen.
Weil der Gangunterschied über die Brechzahl mit der gegebenenfalls positionsabhängigen Dicke der Phasenplatte zusammenhängt, ist klar, dass die erste und die zweite Gangunterschiedsfunktion bei einer bestimmten Materialzusammensetzung der ersten Phasenplatte und/oder der zweiten Phasenplatte direkt zusammenhängen mit dem Profilverlauf der ersten Phasenplatte beziehungsweise der zweiten Phasenplatte in der ersten beziehungsweise der zweiten Profilzone. Zweckmäßig können deshalb die erste Phasenplatte und/oder die zweite Phasenplatte dergestalt gefertigt werden, dass die erste und/oder die zweite Profilzone einen Profilverlauf aufweisen, der, mindestens bis auf eine additive Konstante, proportional ist zur ersten beziehungsweise zur zweiten Gangunterschiedsfunktion.
Grundsätzlich kommt es für die vorteilhaften Wirkungen der erfindungsgemäßen Phasenmaske nur darauf an, dass die erste Phasenplatte und die zweite Phasenmaske die geforderten Eigenschaften im Bereich der transparenten Zonen und der Profilzonen aufweisen und insbesondere darauf, dass im Bereich der Profilzonen durch die erste Phasenplatte und die zweite Phasenplatte die gewünschten Gangunterschiede bereitgestellt werden. Bei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Phasenmaske sind die erste Phasenplatte und die zweite Phasenplatte baugleich. Dabei kann insbesondere bevorzugt sein, wenn eine der beiden baugleichen Platten im Einbauzustand gegenüber der jeweils anderen Phasenplatte um 180° um eine in der Ebene der Phasenplatte liegende Achse gedreht ist.
Prinzipiell kann bei anderen vorteilhaften Varianten der erfindungsgemäßen Phasenmaske die zweite Gangunterschiedsfunktion aus der ersten Gangunterschiedsfunktion hervorgehen durch Vorzeichenwechsel, Koordinatenspiegelung, Koordinatenverschiebung und/oder Vorzeichenwechsel einer Koordinate in Verstellrichtung.
Grundsätzlich kann die erste Gangunterschiedsfunktion und die zweite Gangunterschiedsfunktion in der ersten Profilzone beziehungsweise der zweiten Profilzone eine beliebige Gestalt aufweisen. Bei besonders bevorzugten Varianten der erfindungsgemäßen Phasenmaske variiert aber die erste Gangunterschiedsfunktion und/oder die zweite Gangunterschiedsfunktion mit einer Koordinate in Verstellrichtung monoton.
Insbesondere ist dabei bevorzugt, wenn die erste Gangunterschiedsfunktion und/oder die zweite Gangunterschiedsfunktion nur von einer Koordinate in der Verstellrichtung abhängt.
Bei einer vorteilhaften einfachen Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Phasenmaske ist die erste Gangunterschiedsfunktion und/oder die zweite Gangunterschiedsfunktion eine in einer Koordinate in der Verstellrichtung lineare Funktion. Dadurch wird erreicht, dass eine Summe der ersten Gangunterschiedsfunktion und der zweiten Gangunterschiedsfunktion mindestens in einem Teilbereich der ersten Profilzone und der zweiten Profilzone unabhängig von der Position innerhalb der ersten Profilzone und/oder der zweiten Profilzone ist. Der Wert der Summe hängt dabei ab von dem zwischen der ersten Phasenplatte und der zweiten Phasenplatte eingestellten Versatz in Richtung der Koordinate in der Verstellrichtung.
Bei den Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Phasenmaske, bei der die erste Gangunterschiedsfunktion und die zweite Gangunterschiedsfunktion nur von der Azimutalwinkelkoordinate abhängt, ist darüber hinaus besonders bevorzugt, wenn ein Gesamthub der ersten Gangunterschiedsfunktion und/oder der zweiten Gangunterschiedsfunktion mindestens für eine Wellenlänge einem Phasenversatz von 2π entspricht. Dadurch wird erreicht, dass, beispielsweise innerhalb einer kreisringförmigen oder kreisscheibenförmigen Profilzone, der variable Gangunterschied innerhalb des gesamten Kreisrings oder der gesamten Kreisscheibe effektiv konstant ist, das heißt, dass sich die Werte der jeweiligen Gangunterschiede höchstens um ganzzahlige Vielfache einer Wellenlänge unterscheiden.
Vorteilhaft sind also auch Varianten, bei denen an einer Unstetigkeitsstelle des Gesamtgangunterschieds der Sprung des Gesamtgangunterschieds in Richtung senkrecht zur ersten und zweiten Ebene ein ganzzahliges Vielfaches von λ/(n – 1) ist, wobei λ eine typische Wellenlänge im System darstellt und wobei n die Brechzahl des Materials, aus dem die Phasenplatten gefertigt sind, bei der Wellenlänge λ ist. Das heißt, dass die Phase an der Unstetigkeitsstelle, in Einheiten der Wellenlänge, auch um mehr als eine Wellenlänge springen kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Phasenmaske, bei der insbesondere die Gangunterschiedsfunktionen der ersten und der zweiten Phasenplatte wiederum nur von einer Koordinate in der Verstellrichtung abhängen, ist die erste Gangunterschiedsfunktion und/oder die zweite Gangunterschiedsfunktion eine in einer Koordinate in der Verstellrichtung quadratische Funktion. Dadurch wird erreicht, dass der Gesamtgangunterschied und mindestens in einem Teilbereich der ersten Profilzone und der zweiten Profilzone eine lineare Funktion der Koordinate in der Verstellrichtung ist, wobei deren Steigung abhängt von dem zwischen der ersten Phasenplatte und der zweiten Phasenplatte eingestellten Versatz in Richtung der Koordinate in der Verstellrichtung.
Die erste Phasenmaske und/oder die zweite Phasenmaske können jeweils homogen aus einem, insbesondere demselben, Material, gefertigt sein. Dadurch wird erreicht, dass die erste und/oder die zweite Profilzone einen Profilverlauf aufweisen, der mindestens bis auf eine additive Konstante, proportional ist zur ersten beziehungsweise zur zweiten Gangunterschiedsfunktion.
Bei verbesserten Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Phasenmaske soll ein definierter Gangunterschied möglichst unabhängig von der Wellenlänge des jeweils verwendeten Lichts erzielt werden. Dazu wird eine Phasenmaske betrachtet aus zwei im Hinblick auf die geometrische Form baugleichen Phasenplatten, die jeweils in der Profilzone ein sich entlang einer Winkelkoordinate α erstreckendes keilförmiges Profil aufweisen. Die erste Phasenplatte sei aus einem ersten Material mit einer ersten Brechzahl n1 und die zweite Phasenplatte aus einem zweiten Material mit einer zweiten Brechzahl n2 gebildet. Die grundlegende Forderung ist, dass sich für einen durch beide Phasenplatten hindurchtretenden Lichtstrahl über die Winkelkoordinate ein konstanter Gangunterschied OPD(0) ergibt. Bei Verdrehung der beiden Phasenplatten relativ zueinander um einen Winkel γ soll sich der Gangunterschied OPD um einen konstanten Betrag zuzüglich einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge ändern: OPD(γ) = h₁(α)(n₁(λ) – n_o) + h₂(α + γ)(n₂(λ) – n_o) = c(γ) + OPD(0) ± m·λ mit OPD(0) = h₁(α)(n₁(λ) – n_o) + h₂(α)(n₂(λ) – n_o) c(γ) = [h₂(α + γ) – h₂(α)]·(n₂(λ) – n_o) ± m·λ
Aus der Änderung des Gangunterschieds folgt für die Phasenänderung φ des Lichts:
Somit kann für monochromatische Anwendungen eine konstante beliebige Phasenänderung modulo 2π eingestellt werden, was quantitative phasenschiebende Interferometrie bei mindestens einer Wellenlänge ermöglicht.
Um polychromatisch messen zu können, muss der Gangunterschied und demgemäß die Phasenänderung φ für mehrere Wellenlängen nahezu identisch sein. Das heißt für verschiedene relative Drehstellungen der Phasenplatten soll trotz unterschiedlicher Wellenlängen φ für diese Wellenlängen gleich sein. Dafür muss der Gangunterschied, also die optische Weglängendifferenz OPD proportional zur Wellenlänge sein.
Damit der Gangunterschied und damit die Phasenänderung unabhängig von der Wellenlänge wird, muss also gelten:
(für n1 aus Symmetriegründen).
Oder, anders ausgedrückt, die Brechzahldifferenz zum umgebenden Medium (z. B. Luft mit n_o) muss proportional zur Wellenlänge sein. Mit einem Material ist dies nicht möglich. Aus der diffraktiven Optik ist aber bekannt, dass eine Kombination von mindestens zwei Materialien mit unterschiedlichen Abbe-Zahlen die Erzeugung einer zur Wellenlänge proportionalen effektiven Brechzahl ermöglicht. Wenn man also Luft mit der Brechzahl n_o durch ein geeignetes zweites Material ersetzt, gilt näherungsweise:
wobei zwei Materialien mit Brechzahlen n₁₂(λ) und n₀₁(λ) so gewählt sind, dass die Differenz der Dispersionen des kombinierten Elements nahezu proportional zur Wellenlänge ist. Die Abbezahl entspricht vereinfacht der normierten Steigung der Dispersionskurve, so daß über die Differenz zweier Keilplatten mit unterschiedlicher Abbe-Zahl die Proportionalität der Phasenänderung zur Wellenlänge erreicht werden kann.
Die absolute optische Weglänge ist für die verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich, jedoch steigt die Phasendifferenz für alle Wellenlängen, beispielsweise über den Radius der Phasenplatten, von der Wellenlänge unabhängig um die gleiche Phasenverschiebung an, so daß durch Verdrehen der beiden Phasenplatten eine für jede Wellenlänge nahezu identische Phasenverschiebung eingestellt werden kann. Die absolute Phasendifferenz zwischen den Wellenlängen spielt bei der quantitativen Phasenmessung keine Rolle.
Werden beide Phasenplatten, wie die dem Fachmann bekannten diffraktiven optischen Elemente mit achromatisierter Effizienz (siehe beispielsweise US-6,912,092 und die dort zitierten Schriften) ausgelegt, so erzeugen beide Phasenmasken jeweils eine weitgehend wellenlängenunabhängige Phasendifferenz. Durch Verdrehung oder Verschiebung der Keilplatten kann also eine weitgehend wellenlängenunabhängige konstante Phasenverschiebung erreicht werden. Kleine Phasenfehler können dabei weitgehend toleriert und durch aus der Interferometrie bekannte robuste Phasenschrittalgorithmen (wie dem 5-Schritt-Verfahren nach Schwider) kompensiert werden.
Eine erste Möglichkeit, achromatisierte Phasenmasken zu erreichen, besteht nach alldem darin, dass die erste Phasenplatte aus einem ersten Material und die zweite Phasenplatte aus einem zweiten Material aufgebaut ist, wobei das erste Material eine erste wellenlängenabhängige Brechzahl und das zweite Material eine zweite wellenlängenabhängige Brechzahl aufweist und wobei eine Differenz zwischen der ersten Brechzahl und der zweiten Brechzahl proportional zur Wellenlänge ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass man unabhängig von der Wellenlänge eine Phasenverschiebung und einen Gangunterschied erhält, die sich nur um ein ganzzahliges Vielfaches von 2π beziehungsweise ganzzahlige Vielfache einer Wellenlänge unterscheiden.
Eine weitere Möglichkeit, achromatisierte Phasenplatten zu verwirklichen, besteht bei der erfindungsgemäßen Phasenmaske darin, dass die erste Phasenplatte und/oder die zweite Phasenplatte jeweils aus einem ersten Material und einem davon verschiedenen zweiten Material aufgebaut ist oder sind, wobei das erste Material eine dritte wellenlängenabhängige Brechzahl und das zweite Material eine vierte wellenlängenabhängige Brechzahl aufweist und wobei eine Differenz zwischen der dritten Brechzahl und der vierten Brechzahl proportional zur Wellenlänge ist. Hierdurch wird wieder erreicht, dass unabhängig von der Wellenlänge ein Gangunterschied und eine Phasenverschiebung erzielt wird, der beziehungsweise die bis auf ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge beziehungsweise ganzzahlige Vielfache von 2π gleich ist.
Schließlich kann auch der Zwischenraum zwischen der ersten Phasenplatte und der zweiten Phasenplatte mit einem Medium, insbesondere einem fluiden Medium, gefüllt werden, um eine achromatisierte Phasenmaske zu erzielen. Genauer gesagt zeichnet sich eine solche Ausgestaltung dadurch aus, dass die erste oder die zweite Phasenplatte mindestens teilweise aus einem Material mit einer fünften Brechzahl besteht, dass ein ein Zwischenraum zwischen der ersten Phasenplatte und der zweiten Phasenplatte mit einem ein fluiden Medium mit einer sechsten Brechzahl gefüllt ist, wobei eine Differenz zwischen der fünften Brechzahl und der sechsten Brechzahl proportional zur Wellenlänge ist. Die Wirkung dieser Maßnahme ist, wie zuvor beschrieben, dass man unabhängig von der Wellenlänge einen Gangunterschied und eine Phasenverschiebung erzielt, die bis auf ganzzahlige Vielfache einer Wellenlänge beziehungsweise ganzzahlige Vielfache von 2π gleich sind.
Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Phasenmaske auch so ausgestaltet sein, dass beliebige nicht-rotationssymmetrische Wellenfrontaberrationen in ein gegebenes System eingebracht werden können. Dies ermöglicht beispielsweise die variable Korrektur von Verzeichnung, Astigmatismus und Koma durch einfache Drehbewegungen.
Im Stand der Technik (Palusinski et al., Applied Optics, Vol. 38, Nr. 1, Seite 86) wurde bereits beschrieben und hergeleitet, wie man durch laterale Verschiebung zweier Alvarez-Humphrey Platten Verzeichnung, D-Focus, Astigmatismus, Koma und sphärische Aberration beliebiger Stärke einstellen beziehungsweise korrigieren kann. Diese Lösung hat aber einige Nachteile. Erstens wird, um laterale Verschiebungen durchführen zu können, vergleichsweise viel Platz benötigt.
Beide Nachteile lassen sich durch den Einsatz der hier vorgeschlagenen Alvarez-Humphrey Platten, die gegeneinander verdreht werden, vermeiden. Außerdem haben die im genannten Stand der Technik vorgestellten Alvarez-Humphrey Platten das Problem, dass beispielsweise die Einstellung von Koma begleitet wird durch die Entstehung von Verzeichnung und Astigmatismus. Auch diese Probleme treten bei der hier erläuterten Lösung nicht auf.
Bei den im Folgenden erörterten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Phasenmaske besteht das System aus zwei sich gegenüberstehenden Phasenplatten, die gegeneinander verdreht werden. In der unverdrehten Ausgangsstellung sollen die beiden Phasenplatten keine Wellenfrontdeformationen induzieren. Deshalb wird das Profil der zweiten Phasenplatte an das Profil der ersten Phasenplatte angepasst: Die erste Phasenplatte hat das Profil T(r, φ) und die zweite Phasenplatte hat das Profil –T(r, φ). Für die Darstellung der Höhenprofile werden im Folgenden Polarkoordinaten anstelle von kartesischen Koordinaten verwendet. Diese beiden Phasenplatten können nun erfindungsgemäß gegeneinander um einen Winkel von φ₀ verdreht werden. Beispielsweise kann die erste Phasenplatte im Uhrzeigersinn um φ₀ und die zweite Phasenplatte gegen den Uhrzeigersinn um φ₀ gedreht werden.
Man kann herleiten, welche Wellenfrontaberration durch diese entgegengesetzte Drehbewegung der beiden Platten induziert wird. Hierfür betrachten wir die Auswirkungen der beiden Platten auf ein kollimiertes Strahlenbüschel. Die Phasenplatte induziert jeweils einen Gangunterschied von OPD_links(r, φ) = (n – 1)T(r, φ) (für die linke Platte) und OPD_rechts(r, φ) = –(n – 1)T(r, φ) (für die rechte Platte) wobei n die Brechzahl ist und r, φ die Polarkoordinaten für Punkte in den Profilzonen der ersten Phasenplatte beziehungsweise der zweiten Phasenplatte sind. Wenn die Phasenplatten nun gegensinnig jeweils um den Winkel φ₀ gedreht werden, ergibt sich eine Wellenfrontdeformation wie folgt: W(r, φ) = (n – 1)[T(r, φ + φ₀) – T(r, φ – φ₀)]
Diese Gleichung kann man nun dazu benutzen, um abzuleiten, wie das Oberflächenprofil T(r, φ) aussehen muss, um eine bestimmte Wellenfrontdeformation zu induzieren:
Einen Kandidaten für ein geeignetes Oberflächenprofil T(r, φ) zur Einstellung einer gegebenen Ziel-Wellenfrontaberration W(r, φ) erhält man also durch Integration: T(r, φ) = c∫W(r, φ)dφ
Dabei ist c eine Konstante, die so gewählt werden sollte, dass das Oberflächenprofil nicht zu hoch wird. Es soll, mit anderen Worten, sichergestellt sein, dass die erste Phasenplatte und die zweite Phasenplatte ohne größere Luftabstände gegeneinander verdreht werden können. Beispielsweise können die im Folgenden beschriebenen Oberflächenprofile zur Einstellung von interessanten, gegebenenfalls gewünschten Wellenfrontaberrationen zum Einsatz kommen. In jedem Fall ist dabei die Verstellrichtung durch die Azimutalwinkelkoordinate eines Polarkoordinatensystems gebildet.
Kippung in x
Wenn eine Kippung in x-Richtung ausgeglichen werden soll, das heißt eine Wellenfrontdeformation W(r, φ) der Form: W(r, φ) = r·cosφ, muss das Oberflächenprofil T(r, φ) folgende Form aufweisen: T(r, φ) = r·sinφ. Bevorzugt ist demnach die Gangunterschiedsfunktion der ersten und der zweiten Profilzone zum Ausgleichen einer Kippung in x-Richtung proportional zu r sin(φ). Nach relativem Verdrehen der beiden Phasenplatten hat der Ausdruck W(r, φ) / (n – 1) die Gestalt: 2sin(φ₀)·r·cosφ.
Kippung in y
Wenn eine Kippung in y-Richtung ausgeglichen werden soll, das heißt eine Wellenfrontdeformation W(r, φ) der Form: W(r, φ) = r·sinφ, muss das Oberflächenprofil T(r, φ) folgende Form aufweisen: T(r, φ) = –r·cosφ. Bevorzugt ist demnach die Gangunterschiedsfunktion der ersten und der zweiten Profilzone zum Ausgleichen einer Kippung in y-Richtung proportional zu –rcos(φ). Nach relativem Verdrehen der beiden Phasenplatten hat der Ausdruck W(r, φ) / (n – 1) die Gestalt: 2sin(φ₀)·r·sinφ.
Defokus
Wenn ein Defokus ausgeglichen werden soll, das heißt eine Wellenfrontdeformation W(r, φ) der Form: W(r, φ) = 2r² – 1, muss das Oberflächenprofil T(r, φ) folgende Form aufweisen: T(r, φ) = (2r² – 1)·φ. Bevorzugt ist demnach die Gangunterschiedsfunktion der ersten und der zweiten Profilzone zum Ausgleichen eines Defokus proportional zu (2r² – 1)·φ. Nach relativem Verdrehen der beiden Phasenplatten hat der Ausdruck W(r, φ) / (n – 1) die Gestalt: 2φ₀·(2r² – 1).
Astigmatismus in x
Wenn ein Astigmatismus in x-Richtung ausgeglichen werden soll, das heißt eine Wellenfrontdeformation W(r, φ) der Form: W(r, φ) = r²·cos(2φ), muss das Oberflächenprofil T(r, φ) folgende Form aufweisen:
Bevorzugt ist demnach die Gangunterschiedsfunktion der ersten und der zweiten Profilzone zum Ausgleichen eines Astigmatismus in x-Richtung proportional zu (r²/2)·sin(2φ). Nach relativem Verdrehen der beiden Phasenplatten hat der Ausdruck W(r, φ) / (n – 1) die Gestalt: sin(2φ₀)·r²·cos(2φ).
Astigmatismus in y
Wenn ein Astigmatismus in y-Richtung ausgeglichen werden soll, das heißt eine Wellenfrontdeformation W(r, φ) der Form: W(r, φ) = r²·sin(2φ), muss das Oberflächenprofil T(r, φ) folgende Form aufweisen:
Bevorzugt ist demnach die Gangunterschiedsfunktion der ersten und der zweiten Profilzone zum Ausgleichen eines Astigmatismus in y-Richtung proportional zu (r²/2)·cos(2φ). Nach relativem Verdrehen der beiden Phasenplatten hat der Ausdruck W(r, φ) / (n – 1) die Gestalt: sin(2φ₀)·r²·sin(2φ).
Koma in x
Wenn ein Koma in x-Richtung ausgeglichen werden soll, das heißt eine Wellenfrontdeformation W(r, φ) der Form: W(r, φ) = (3r² – 2r)·cosφ, muss das Oberflächenprofil T(r, φ) folgende Form aufweisen: T(r, φ) = (3r² – 2r)·sinφ. Bevorzugt ist demnach die Gangunterschiedsfunktion der ersten und der zweiten Profilzone zum Ausgleichen eines Koma in x-Richtung proportional zu (3r² – 2r)·sin(φ). Nach relativem Verdrehen der beiden Phasenplatten hat der Ausdruck W(r, φ) / (n – 1) die Gestalt: 2sin(φ₀)(3r² – 2r)·cosφ.
Koma in y
Wenn ein Koma in y-Richtung ausgeglichen werden soll, das heißt eine Wellenfrontdeformation W(r, φ) der Form: W(r, φ) = (3r² – 2r)·sinφ, muss das Oberflächenprofil T(r, φ) folgende Form aufweisen: T(r, φ) = –(3r² – 2r)·cosφ. Bevorzugt ist demnach die Gangunterschiedsfunktion der ersten und der zweiten Profilzone zum Ausgleichen eines Koma in y-Richtung proportional zu –(3r² – 2r)·cos(φ). Nach relativem Verdrehen der beiden Phasenplatten hat der Ausdruck W(r, φ) / (n – 1) die Gestalt: 2sin(φ₀)(3r² – 2r)·sinφ.
Sphärische Aberration
Wenn eine sphärische Aberration ausgeglichen werden soll, das heißt eine Wellenfrontdeformation W(r, φ) der Form: W(r, φ) = 6r⁴ – 6r² + 1, muss das Oberflächenprofil T(r, φ) folgende Form aufweisen: T(r, φ) = (6r⁴ – 6r² + 1)·φ. Bevorzugt ist demnach die Gangunterschiedsfunktion der ersten und der zweiten Profilzone zum Ausgleichen einer sphärischen Aberration proportional zu (6r⁴ – 2r² – 1)·φ. Nach relativem Verdrehen der beiden Phasenplatten hat der Ausdruck W(r, φ) / (n – 1) die Gestalt: 2φ₀·(6r⁴ – 6r² + 1).
Auch Linearkombinationen dieser Profile sind möglich.
Beansprucht wird schließlich auch ein Verfahren zur Phasenkontrastmikroskopie, bei dem ein erfindungsgemäßes Mikroskops verwendet wird und bei dem bei mindestens zwei unterschiedlichen Einstellungen der Positioniereinrichtung mindestens einer der Phasenplatten mindestens zwei mikroskopische Bilder eines zu untersuchenden Objekts aufgenommen werden und bei dem durch Verrechnung der mindestens zwei unterschiedlichen Bilder eine Phase des Objekts bestimmt wird.
Dieses Verfahren ist insbesondere für die quantitative Phasenkontrastmikrokopie geeignet. Beispielsweise können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Dicken von Phasenobjekten bestimmt werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden erläutert unter Bezug auf die beigefügten Figuren. Im Einzelnen zeigen:
1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Phasenmaske;
2: ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Phasenmaske;
3: Eigenschaften des Gesamtgangunterschieds für das zweite Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Phasenmaske;
4: eine Phasenplatte für ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Phasenmaske;
5–8: Beispiele für die mit einer Phasenmaske unter Verwendung der in 4 gezeigten Phasenplatten erreichbaren Gangunterschiede;
9: eine Phasenplatte für ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Phasenmaske;
10 und 11: Gangunterschiedsprofile, die erzielt werden können mit einer Phasenmaske unter Verwendung der in 9 dargestellten Phasenplatte;
12: eine schematische Anordnung zur Erzielung einer achromatisierten Phasenmaske;
13: eine weitere Anordnung zur Erzielung einer achromatisierten Phasenmaske;
14: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mikroskops;
15: eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Funktionsprinzips von Alvarez-Platten; und
16: eine schematische Darstellung von kreisförmigen Alvarez-Keilen.
Bevor ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit 1 beschrieben wird, soll mit Bezug auf die 15 und 16 das Prinzip einer variablen Phasenplatte erläutert werden, die sich insbesondere zur Bereitstellung einer sogenannten Zernike-Phasenmaske mit räumlich konstanter Phasenverschiebung eignet. Der von einer transparenten Platte einem hindurchtretenden Lichtstrahl aufgeprägte Gangunterschied ist bekanntlich das Produkt aus der Dicke dieser Platte und der Brechzahl des Materials. Naturgemäß korrespondiert ein solcher Gangunterschied mit einer Phasenänderung der elektromagnetischen Welle. Aus elementar geometrischen Gründen ergänzen sich zwei keilförmige Platten mit gleicher Steigung zu einer planen Platte. Dabei hängt die effektive Gesamtdicke ab von der Relativposition der beiden keilförmigen Platten zueinander.
Dies ist in 15 veranschaulicht. 15a) zeigt eine erste keilförmige Platte 12 und eine zweite keilförmige Platte 14, die dergestalt hintereinander angeordnet sind, dass in der Richtung, in welcher die Dicke der Platte 12 zunimmt, die Dicke der Platte 14 abnimmt und umgekehrt. Weil beide Keile dieselbe Steigung aufweisen, bewirkt dies, dass die Summe der Dicken der Platten unabhängig von der Vertikalposition konstant ist. In 15a) sind die beiden keilförmigen Platten 12 und 14 auf derselben Höhe dargestellt. Ein durch beide Platten hindurchtretender Lichtstrahl ist mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Unabhängig von der Höhe erfährt jeder durch das Plattenpaar 12, 14 hindurchtretende Strahl 10 die gleiche Phasenänderung. Versetzt man nun die beiden keilförmigen Platten 12, 14 in der Höhenrichtung zueinander, wie das beispielhaft in 15b) gezeigt ist, nimmt, wie sofort ersichtlich, die von dem Lichtstrahl 10 im Material der ersten und der zweiten Platte 12, 14 durchlaufene Wegstrecke ab. Versetzt man also die beiden Platten 12, 14 relativ zueinander, kann die Länge des Lichtwegs geändert werden. Der Gangunterschied und damit die Phasenänderung nimmt ab, wenn, wie in 15b) gezeigt, die Phasenplatten 12, 14 so zueinander verschoben werden, dass die vom Lichtstrahl 10 innerhalb der Platten 12, 14 durchlaufene Wegstrecke abnimmt. Eine konstante Phasenänderung beziehungsweise ein konstanter Gangunterschied ergibt sich überall dort, wo die Lichtstrahlen durch beide Platten 12, 14, die auch als Phasenplatten bezeichnet werden können, hindurchtreten. Im oberen und unteren Bereich, wo die Lichtstrahlen nur durch die Platte 12 beziehungsweise nur durch die Platte 14 hindurchtreten, trifft dies nicht zu und es gehen Strahlen verloren.
Eine andere Variante eines solchen sogenannten Phasenschiebers mit einstellbarer Phasenänderung durch ein Paar von keilförmigen Phasenplatten wird im Zusammenhang mit 16 erläutert. Dort sind zwei Platten mit jeweils spiralförmigen Keilen dargestellt, wobei das Keilprofil linear mit einem Azimutalwinkel φ ansteigt. Mit den Bezugszeichen 31 bei der oberen Platte 20 in 16 und den Bezugszeichen 32 bei der unteren Platte 40 in 16 sind Höhenlinien der jeweiligen Keilprofile bezeichnet. Die Bezugszeichen 21 und 41 bezeichnen die Sprungstellen in dem oberen Profil 20 beziehungsweise dem unteren Profil 40. Einem durch beide Platten 20, 40 von oben nach unten durchtretenden Lichtstrahl wird wiederum ein Gangunterschied und damit eine Phasenänderung aufgeprägt wird, die wegen der Keilform im Bereich der Platten konstant ist. Der gesamte Gangunterschied kann dann durch Verdrehen der Platten 20, 40 relativ zueinander verändert werden. Legt man die spiralförmigen Keile außerdem so aus, dass an der Sprungstelle ein Phasensprung um ein ganzzahliges Vielfaches von 2π auftritt, so springt auch die Summe der Gangunterschiede, die einem durchtretenden Lichtstrahl durch die beiden Platten 20, 40 aufgeprägt werden, jeweils um ein ganzzahliges Vielfaches von 2π und wirkt sich deshalb im Winkelbereich zwischen den Sprungstellen 21 und 41 physikalisch nicht aus. Auf diese Weise kann ein nahezu randloser und übergangsfreier variabler Phasenschieber erzeugt werden.
In allen Figuren kennzeichnen gleiche Bezugszeichen in der Regel gleiche oder äquivalente Bestandteile.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Phasenmaske 400 wird nun im Zusammenhang mit 1 erläutert. 1b) zeigt die erfindungsgemäße Phasenmaske 400 mit einer ersten Phasenplatte 80, einer zweiten Phasenplatte 90 und einer Positioniereinrichtung 98 in einer schematischen Seitenansicht. 1a) zeigt die erste Phasenplatte 80 in einer Draufsicht und 1c) zeigt die zweite Phasenplatte 90 in einer Ansicht von unten.
Die erste Phasenplatte 80 und die zweite Phasenplatte 90 sind baugleich homogen aus einem transparenten Material, welches im Hinblick auf die zu verwendende Wellenlänge eine geeignete Brechzahl aufweist, gebildet. Die erste Phasenplatte 80 erstreckt sich in einer Ebene, die in 1b) gegeben ist durch einen Doppelpfeil 83 und die Richtung senkrecht zur Papierebene. Bezogen auf das in 1a) gezeigte xy-Koordinatensystem 51 erstreckt sich die erste Phasenplatte 80 in Richtung einer zur xy-Ebene parallelen Ebene. In einem ersten Teil der ersten Ebene 83 ist bei der ersten Phasenplatte 80 eine erste transparente Zone 81 gebildet, in der ein durch die erste Phasenplatte 80 bereitgestellter Gangunterschied 84 senkrecht zur ersten Ebene 83 unabhängig ist von einer Position innerhalb der ersten transparenten Zone 81. Die erste Phasenplatte 80 weist in der ersten transparenten Zone 81 überall dieselbe Materialdicke auf. Das bedeutet insbesondere, dass auch in den mit den Bezugszeichen 81 gekennzeichneten Randbereichen der ersten Phasenplatte 80 in 1b) senkrecht zur ersten Ebene durch die erste Phasenplatte 80 ein Gangunterschied entsprechend dem Doppelpfeil 84 bereitgestellt wird.
Weiterhin ist in der ersten Phasenplatte 80 in einem anderen Bereich der ersten Ebene 83, der im gezeigten Ausführungsbeispiel gebildet ist durch den zur ersten transparenten Zone 81 komplementären Bereich, eine transparente Profilzone 82 gebildet, in der ein durch die erste Phasenplatte 80 bereitgestellter Gangunterschied senkrecht zur ersten Ebene x, y, 83 durch eine erste Gangunterschiedsfunktion gegeben ist. Die erste Profilzone 82 weist die Form eines Kreisrings auf. Aus der in 1b) dargestellten Querschnittsansicht ist ersichtlich, dass die erste Gangunterschiedsfunktion an unterschiedlichen Orten innerhalb der ersten Profilzone 82 unterschiedliche Werte, im gezeigten Beispiel veranschaulicht durch die Doppelpfeile 85 und 88, aufweist. Im gezeigten Beispiel ist in der ersten transparenten Profilzone 82 der ersten Phasenplatte ein keilförmiges Profil gebildet, wobei die Profilhöhe nur abhängt von der Winkelkoordinate φ, welche gebildet ist durch den Azimutalwinkel eines Polarkoordinatensystems, dessen Ursprung sich im Zentrum der kreisringförmigen ersten Profilzone 82 befindet. Im gezeigten Beispiel soll in der Querschnittsansicht der 1b) der Schnitt entlang der in 1a) gestrichelt gezeigten Linie A-A verlaufen, das heißt bei einem Azimutalwinkel von φ = 135°. Das bedeutet, dass in der schematischen Ansicht der 1b) der Wert der Gangunterschiedsfunktion bei = 135° durch den Doppelpfeil 85 und bei φ = 315° durch den Doppelpfeil 88 veranschaulicht wird. Das Profil der ersten Phasenplatte 80 in der ersten Profilzone 82 ist im gezeigten Beispiel ein mit dem Azimutalwinkel φ linear ansteigendes Keilprofil. Die Sprungstelle oder Sprungkante ist in 1a) mit dem Bezugszeichen 89 gekennzeichnet.
Die zweite Phasenplatte 90 ist baugleich wie die erste Phasenplatte 80 aufgebaut, wobei zu beachten ist, dass die zweite Phasenplatte in 1c) von unten dargestellt ist. Die zweite Phasenplatte erstreckt sich in einer zweiten, zur ersten Ebene 83 parallelen Ebene, also ebenfalls parallel zur xy-Ebene. Diese Ebene ist in 1b) durch den Doppelpfeil 93 und die Richtung senkrecht zur Papierebene gegeben. In einem Bereich der zweiten Ebene 93 ist eine zweite transparente Zone 91 gebildet, in der ein durch die zweite Phasenplatte 90 bereitgestellter Gangunterschied 94 senkrecht zur zweiten Ebene 93 unabhängig ist von einer Position innerhalb der zweiten transparenten Zone 91. Die zweite Phasenplatte 90 weist überall im Bereich der zweiten transparenten Zone 91 dieselbe Dicke auf. Das bedeutet insbesondere, dass der durch den Pfeil 94 veranschaulichte Gangunterschied in der zweiten transparenten Zone 91 der zweiten Phasenplatte 90 auch im linken und rechten Randbereich der zweiten Phasenplatte 90, die mit den Bezugszeichen 91 versehen sind, durch die zweite Phasenplatte 90 generiert wird.
In einem anderen Bereich der zweiten Ebene 93 ist eine zweite transparente Profilzone 92 gebildet, in der ein durch die zweite Phasenplatte 90 bereitgestellter Gangunterschied senkrecht zur zweiten Ebene 93 durch eine zweite Gangunterschiedsfunktion gegeben ist. Wie bei der ersten Phasenplatte 80 weist die zweite Profilzone 92 eine Kreisringform auf und die zweite transparente Zone 91 ist durch den zur zweiten Profilzone 92 komplementären Flächenanteil gebildet. Weil die 1c) die zweite Phasenplatte 90 von unten zeigt, im Unterschied zur 1a), in welcher die erste Phasenplatte 80 von oben dargestellt ist, weist der mit der Winkelkoordinate φ bezeichnete Pfeil, welcher die Richtung angibt, in welche die Winkelkoordinate φ zunimmt, bei 1c) im Vergleich zu 1a) in die entgegengesetzte Richtung. Wie bei der ersten Phasenplatte 80 ist auch bei der zweiten Phasenplatte 90 das Profil in der zweiten transparenten Profilzone durch ein mit zunehmendem Azimutalwinkel φ linear ansteigendes Keilprofil gegeben. Die Sprungkante bei φ = 0° ist in 1c) mit dem Bezugszeichen 99 kennzeichnet. 1b) zeigt einen Querschnitt der zweiten Phasenplatte 90 entlang der Linien B-B. Das heißt, dass die in 1b) durch die Doppelpfeile 95 und 96 veranschaulichten Werte der zweiten Gangunterschiedsfunktion den Werten des Gangunterschieds bei den Azimutalwinkeln φ = 225° (Bezugszeichen 95) und φ = 45° (Bezugszeichen 96) entsprechen.
Bei der in 1b) gezeigten Anordnung bildet, mit der Konvention, dass die z-Achse in 1b) nach oben zeigen soll, die Richtung, in welcher bei der zweiten Phasenplatte 90 die Höhe des Keils zunimmt, mit der z-Achse eine Rechtsschraube. Weil die erste Phasenplatte 80 und die zweite Phasenplatte 90, wie aus 1b) ersichtlich, zwar baugleich sind, aber unterschiedlich orientiert sind, bildet die Richtung, in welcher bei der ersten Phasenplatte 80 die Profilhöhe zunimmt, mit der in 1b) nach oben zeigenden z-Achse eine Linksschraube.
Der letztere Umstand ist bedeutsam für die Eigenschaft der Phasenmaske 400, dass die Summe der ersten Gangunterschiedsfunktion und der zweiten Gangunterschiedsfunktion, wenn die beiden Phasenplatten 80, 90 so relativ zueinander positioniert sind, dass die Kanten 89, 99 übereinander liegen, unabhängig von der Position innerhalb der Profilzonen, konstant ist. Diese Situation entspricht der in 16 gezeigten.
Wie aus 1b) ersichtlich, sind die erste Phasenplatte 80 und die zweite Phasenplatte 90 einander gegenüberliegend und zueinander parallel angeordnet. Dabei liegen die erste Profilzone 82 und die zweite Profilzone 92 einerseits und die erste transparente Zone 81 und die zweite transparente Zone 91 andererseits genau übereinander. Durch die Summe der ersten Gangunterschiedsfunktion 85, 88 und der zweiten Gangunterschiedsfunktion 95, 96 ist eine Gesamtgangunterschiedsfunktion gegeben, die wegen der im Einzelnen erläuterten Keilform der Profile in der ersten Profilzone 82 und der zweiten Profilzone 92 jedenfalls dann überall konstant sind, wenn die Sprungkanten 89, 99 in z-Richtung genau übereinander liegen.
Außerdem ist eine Positioniereinrichtung 98 vorhanden, mit welcher die erste Phasenplatte 80 und die zweite Phasenplatte 90 zum Einstellen des Gesamtgangunterschieds um einen einstellbaren Versatz Δφ in einer Verstellrichtung versetzt variabel relativ zueinander positionierbar sind. Die Wirkverbindung zwischen der Positioniereinrichtung 98 und der ersten Phasenplatte 80 einerseits und der zweiten Phasenplatte andererseits ist durch die Pfeile 87 beziehungsweise 97 veranschaulicht. Die oben im Einzelnen beschriebene Keilform der Profile in der ersten Profilzone 82 und der zweiten Profilzone 92 führt dazu, dass bei Verdrehung der ersten Phasenplatte 80 relativ zu der zweiten Phasenplatte 90 der Gesamtgangunterschied erst einmal abgesehen von dem Bereich zwischen den Sprungkanten 89 und 99, die um den eingestellten Winkelversatz 2Δφ voneinander beabstandet sind, überall gleich ist. Wenn außerdem die Form der Keile in der ersten Profilzone 82 und der zweiten Profilzone 92 so gewählt ist, dass an den Sprungkanten 89 und 99 ein Phasensprung auftritt, der ein ganzzahliges Vielfachen von 2π darstellt, oder, mit anderen Worten, ein Gangunterschied, der einem ganzzahligen Vielfachen einer Wellenlänge entspricht, erhält man auch in diesem Bereich zwischen den Sprungkanten 89 und 99 einen Gangunterschied, der bis auf die genannten ganzzahligen Vielfachen einer Wellenlänge dem Gesamtgangunterschied im übrigen Profilbereich entspricht. Letzten Endes ist bei dieser Variante der Gesamtgangunterschied im gesamten kreisringförmigen Bereich 82, 92 gleich.
Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen einstellbaren Phasenmaske 110 wird mit Bezug auf 2 erläutert. Die einstellbare Phasenmaske besteht wieder aus einer ersten Phasenplatte 22, die sich in einer zur xy-Ebene parallelen Ebene, die durch den Pfeil 15 angedeutet ist, erstreckt. Außerdem ist eine baugleiche zweite Phasenplatte 19 vorhanden, die parallel zur ersten Phasenplatte 22 angeordnet ist und die sich in einer durch den Pfeil 16 angeordneten zweiten Ebene erstreckt. Der untere Teil von 2 zeigt eine Schnittdarstellung durch die einstellbare Phasenmaske 110 in der yz-Ebene. Ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel aus 1 weist die erste transparente Profilzone 24 die Form eines Kreisrings auf und die erste transparente Zone 23 ist durch die zu diesem Kreisring komplementären Bereiche der ersten Phasenplatte 22 gebildet, siehe oberer Teil von 2. Der wesentliche Unterschied im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel aus 1 besteht darin, dass in der ersten Profilzone 24 zwar ebenfalls eine Keilform gebildet ist, diese aber nicht, wie beim Ausführungsbeispiel aus 1, in Richtung des Azimutalwinkels φ, sondern vielmehr in y-Richtung, das heißt im unteren Teil der 2 von links nach rechts und im oberen Teil der 2 von oben nach unten gebildet ist.
Wiederum sind die erste Phasenplatte 22 und die baugleiche zweite Phasenplatte 19 dergestalt übereinander angeordnet, dass die erste Profilzone 24, 26 der ersten Phasenplatte und die dazu korrespondierende Profilzone 25 der zweiten Phasenplatte 19 übereinander liegen (siehe Koordinatensystem 52). In der im unteren Teil von 2 dargestellten Situation stehen die erste Phasenplatte 22 und die zweite Phasenplatte 19 exakt übereinander. Das bedeutet, dass wegen der oben im Zusammenhang mit 15a) erläuterten Zusammenhänge den durch die erste Phasenplatte 22 und die zweite Phasenplatte 19 hindurchtretenden Lichtstrahlen im Bereich der Profilzonen überall ein konstanter Gangunterschied aufgeprägt wird. Im unteren Teil der 2 sind beispielhaft Lichtstrahlen 11, 13 dargestellt, die durch die erste Phasenplatte 22 und die zweite Phasenplatte 19 im Bereich der Profilzonen hindurchtreten. Insbesondere ist im unteren Teil der 2 auch erkennbar, dass die Profilzone 24 der ersten Phasenplatte 22 eine mit der y-Koordinate linear verlaufende Keilform aufweist. Der den Strahlen 11 und 13 aufgeprägte Gangunterschied ist aufgrund der erläuterten Zusammenhänge bei der im unteren Teil von 2 dargestellten Situation überall gleich. Ebenso ist für alle Lichtstrahlen, die, wie der beispielhaft gezeigte Lichtstrahl 17, durch die erste Phasenplatte 22 und die zweite Phasenplatte 19 im Bereich der ersten transparenten Zone und der zweiten transparenten Zone hindurchtritt, der Gangunterschied überall konstant, hängt außerdem nicht von der Relativverstellung der ersten und der zweiten Phasenplatte ab und ist insbesondere durch die Dicke der ersten Phasenplatte 22 und der baugleichen Phasenplatte 19 in der ersten transparenten Zone 23 beziehungsweise der entsprechenden zweiten transparenten Zone in der zweiten Phasenplatte 19 gegeben. Die in 2 im unteren Teil dargestellte Phasenmaske 110 ist nun insoweit einstellbar, also durch Verstellen der Relativposition der ersten Phasenplatte 22 bezüglich der zweiten Phasenplatte 19 in y-Richtung um eine bestimmte Weglänge Δy der den Lichtstrahlen, welche die Profilzonen durchdringen, aufgeprägte Gangunterschied verändert werden kann.
Beispielsweise kann ein Ausführungsbeispiel der im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Art so ausgelegt sein, dass für eine Wellenlänge von λ = 550 nm bei einem Verschiebeweg von ±25 um ein Gangunterschied einstellbar ist in einem Bereich von –λ/2 bis +λ/2. Der Außendurchmesser der Profilzonen kann beispielsweise 2 mm, der Innendurchmesser beispielsweise 1 mm betragen. Die Profilhöhe des Keils in der Profilzone weist dann folgende Form auf: z(x, y) = λ / 4· y / (n(λ) – 1)·Δy
Dabei sind x, y die Koordinaten eines Punkts auf der Phasenmaske, Δy ist der relative Verschiebeweg der beiden Phasenplatten, bei dem der gesamte Phasenhub erreicht wird, im gewählten Beispiel also 2 × 25 μm = 50 μm. λ ist die Wellenlänge, bei welcher der Phasenhub erreicht wird und n(λ) ist die Brechzahl des Glases, aus dem die erste Phasenplatte und die baugleiche zweite Phasenplatte besteht. Abweichend von der in 1 erläuterten Situation, wo, insbesondere wenn der Phasensprung an der Kante geeignet gewählt wird, prinzipiell der gesamte von den Profilzonen ausgefüllte Flächenbereich nutzbar gemacht werden kann, entstehen bei dem in 2 dargestellten Beispiel einer einstellbaren Phasenmaske 110 sichelförmige Bereiche, bei denen der Gesamtgangunterschied von den Werten im übrigen Bereich der Profilzonen abweicht. Die Abweichungen in den sichelförmigen Randbereichen der Profilzonen, die als Artefakte bezeichnet werden können, weisen eine Breite auf, die der jeweiligen Verschiebung in y-Richtung entspricht. Dies wird näher im Zusammenhang mit 3 erläutert.
3 zeigt eine Veranschaulichung 60 des Gesamtgangunterschieds für eine Phasenmaske der in 2 gezeigten Art mit dem Unterschied, dass die Außenkontur der ersten und der zweiten Phasenplatte nicht quadratisch, sondern kreisförmig ist. In einem Außenbereich 61, in dem die erste transparente Zone der ersten Phasenplatte und die zweite transparente Zone der zweiten Phasenplatte übereinander liegen, ist der Gangunterschied überall konstant und weist denselben Wert auf wie in der mittigen Kreisscheibe 63, die ebenfalls einem Bereich entspricht, in welchem die erste transparente Zone der ersten Phasenplatte und die zweite transparente Zone der zweiten Phasenplatte übereinander liegen.
Weiterhin ist in einem kreisringförmigen Bereich 62, welcher den Gesamtgangunterschied in dem Bereich wiedergibt, in welchem die erste Profilzone der ersten Phasenplatte und die zweite Profilzone der zweiten Phasenplatte übereinander liegen, der Gesamtgangunterschied ebenfalls konstant und kann, je nach Verschiebeweg Δy in der oben angegebenen Formel, zwischen –λ/2 und +λ/2 variieren. Eine Eigenheit der Geometrie der Phasenplatten der in 2 gezeigten Art, bei welcher in einer kreisringförmigen Profilzone ein Keil gebildet ist, dessen Höhe nur von der y-Koordinate abhängt, sind die in 3 dargestellten typischen sichelförmigen Artefakte, die mit dem Bezugszeichen 64 gekennzeichnet sind und eine Breite in y-Richtung von Δy aufweisen. Diese Artefakte entstehen dadurch, dass bei Verschiebungen der ersten Phasenplatte relativ zur zweiten Phasenplatte die erste Profilzone der ersten Phasenplatte nicht mehr genau mit der ringförmigen Profilzone der zweiten Phasenplatte fluchtet. In den Bereichen 64 liegen deshalb erheblich größere Gesamtgangunterschiede vor, die im gezeigten Beispiel von –5,5 μm bis +9,9 μm betragen können.
Mit dem im Zusammenhang mit den 2 und 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein einfaches Konzept zur Realisierung einer Zernike-Phasenmaske mit variablem Hub bereitgestellt. Benötigt werden dabei zwei baugleiche Phasenplatten, bei denen jeweils auf einem ringförmigen Träger, nämlich in der jeweiligen Profilzone der Phasenplatten, ein Keil aufgebracht ist. Mit einer Breite des Verschiebewegs Δy treten, wie im Zusammenhang mit 3 beschrieben, Artefakte auf. Um Lichtanteile mit nicht passendem Gangunterschied, die sich in diesen Artefaktbereichen befinden können, zu unterdrücken, können diese Bereiche geschwärzt werden (dies gilt allgemein, das heißt auch bei anderen Profilverläufen und anderen Formen der Profilzonen). Der Verschiebeweg Δy als solcher ist ein Parameter und kann für die Fertigung der Platte prinzipiell vorgegeben werden. Grundsätzlich kommt es auf eine Relativbewegung der ersten Phasenplatte und der zweiten Phasenplatte an. Das bedeutet, es können beide Platten oder aber nur eine der Platten gegen die jeweils andere, dann feststehende, Platte bewegt werden.
Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich analog zu 2 und 3, indem die Profilzonen nicht rotationssymmetrisch gewählt werden, sondern eine beliebige Geometrie aufweisen (z. B. quadratisch, elliptisch oder streifenförmig).
Ein weiteres Ausführungsbeispiel wird mit Bezug auf die 4 bis 8 erläutert. Dieses Ausführungsbeispiel ist strukturell ähnlich zu der im Zusammenhang mit 1 erläuterten Variante. Das heißt, die einstellbare Phasenmaske weist wieder eine erste Phasenplatte 27 und eine baugleiche zweite Phasenplatte, die in 4 nicht dargestellt ist, auf. Mit zwei Phasenplatten des in 4 gezeigten Typs wird eine erfindungsgemäße einstellbare Phasenmaske, die auch als Zernike-Phasenmaske bezeichnet wird, bereitgestellt, bei der ein Gangunterschied eingestellt werden kann im Bereich von –λ/2 bis +λ/2, bei einer Wellenlänge von λ = 550 μm. Im Unterschied zu den in 1 gezeigten Phasenplatten weist die in 4 gezeigte erste Phasenplatte 27 eine kreisförmige Außenkontur auf. Der Außendurchmesser kann beispielsweise 20 mm betragen, der Außendurchmesser der ringförmigen Profilzone kann 14 mm und deren Innendurchmesser kann beispielsweise 6 mm betragen. Die Höhe des Keils in Polarkoordinaten kann wie folgt geschrieben werden: z(r, φ) = ±φ· λ / 2π·(n(λ) – 1 für r_min < r < r_max, z(r, φ) = 0 sonst
Man kann baugleiche Phasenplatten verwenden, wobei dann im eingebauten Zustand eine der beiden Phasenplatten relativ zur anderen um 180° in einer zur Plattennormalen senkrechten Achse gedreht werden. Dasselbe wird erreicht, wenn man nicht baugleiche Phasenplatten verwendet, wobei bei der ersten Phasenplatte die angegebene Keilform das positive Vorzeichen und bei der jeweils anderen Phasenmaske die Keilform dann das negative Vorzeichen aufweist. Der Phasenhub P(φ₀) der Zernike-Phasenmaske, der sich aus dem Gesamtgangunterschied dividiert durch die Wellenlänge ergibt, ist bei einem Drehwinkel von φ₀ jeder der beiden Platten: P(φ₀) = φ₀ / π in einem ersten Bereich und P(φ₀) = φ₀ / π – 1•sign(φ₀) in einem zweiten Bereich.
Mit den Bezugszeichen 34 sind in 4 Höhenlinien des Keilprofils dargestellt. Diese verlaufen radial, das heißt, dass die Höhe des Keils, wie bei dem im Zusammenhang mit 1 erläuterten Beispiel, nur von dem Azimutalwinkel abhängt. Mit dem Bezugszeichen 35 ist die Sprungstelle in dem Keilprofil bezeichnet, das heißt an dieser Stelle findet sich in der Phasenplatte eine Kante, wo die Höhe des Keils um 1,06 μm springt; diese Höhe ergibt sich aus der Brechzahl n = 1,51852 des Schott-Glases NBK7 bei der Wellenlänge λ = 550 nm gemäß λ/(n – 1) = 0,55 μm/0,51852 ≈ 1,06 μm. Die transparente Zone besteht bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Phasenplatte 27 aus einem kreisringförmigen Bereich 28, der die kreisringförmige Profilzone 33 umgibt sowie aus einem kreisscheibenförmigen Bereich 29 im Inneren der Profilzone 33.
Die Wirkung einer aus zwei Phasenmasken des in 4 gezeigten Typs zusammengesetzten erfindungsgemäßen einstellbaren Phasenmaske wird im Folgenden mit Bezug auf die 5 bis 8 für verschiedene Verdrehungen der ersten Phasenplatte relativ zur zweiten Phasenplatte erläutert. Dargestellt ist jeweils schematisch eine Veranschaulichung 65 des Gesamtgangunterschieds in einer den Phasenplatten entsprechenden Kreisscheibe. In jedem einzelnen Fall finden sich dabei zusammenhängende Bereiche, in welchen der Gesamtgangunterschied jeweils konstant ist. Zunächst sind dies der zu dem äußeren Ring 28 der Phasenplatten gehörende äußere Ring 66 in der Verteilung des Gesamtgangunterschieds sowie die innere Kreisscheibe 67, die mit der inneren Kreisscheibe 29 der ersten und der zweiten Phasenplatte korrespondiert. In den Bereichen 66 und 67 ist der Gesamtgangunterschied jeweils konstant und weist den gleichen Wert auf, der der zweifachen Dicke der Phasenplatten multipliziert mit der Brechzahl des Glases entspricht, aus welchem die Phasenplatten gefertigt sind. Hieran ändert sich bei unterschiedlichen relativen Drehstellungen der ersten Phasenmaske relativ zur zweiten Phasenmaske nichts.
Unterschiede ergeben sich hierbei aber im Bereich der Profilzone 33 (4), das heißt im Bereich des mittleren Kreisrings. Mit Bezugszeichen 69 bis 73 sind in den 5 bis 8 Teilbereiche in der zu den Profilzonen gehörenden mittleren kreisringförmigen Zone in der Veranschaulichung 65 des Gesamtgangunterschieds gekennzeichnet. Bei dem in 5 dargestellten Beispiel ist die erste Phasenplatte um einen Winkel von 45° beziehungsweise φ₀ = 2π(–45°)/360° = –π/4. in Uhrzeigerrichtung und die zweite Phasenplatte um einen Winkel von 45° gegen die Uhrzeigerrichtung verdreht. Hier ergeben sich zwei Bereiche 72, 73. Im Bereich 72 beträgt der Gesamtgangunterschied P in Einheiten der Wellenlänge P = –0,25. Oben wurde erläutert, dass der Profilverlauf in den Phasenplatten so gestaltet ist, dass sich an der Sprungstelle 35 (siehe 4) ein Phasensprung um 2π, mit anderen Worten, ein Gangunterschied um eine Wellenlänge, einstellt. Das bedeutet, dass im Bereich 73 der Gesamtgangunterschied in Einheiten der Wellenlänge +0,75 beträgt, was physikalisch äquivalent ist zu –0,25.
Ähnlich verhält es sich bei dem in 6 gezeigten Beispiel. Der Unterschied des Beispiels aus 6 im Vergleich zu 5 besteht darin, dass die Verdrehrichtungen der ersten Phasenplatte und der zweiten Phasenplatte vertauscht sind, dass also die erste Phasenplatte um einen Winkel von 45° gegen die Uhrzeigerrichtung und die zweite Phasenplatte um einen Winkel von 45° in die Uhrzeigerrichtung verdreht wurde. Man erhält dann im Bereich 69 einen Gesamtgangunterschied in Einheiten der Wellenlänge von +0,2 und im Bereich 68 einen physikalisch äquivalenten Gesamtgangunterschied in Einheiten der Wellenlänge von –0,8. Der Sprung an den Grenzstellen beträgt in Einheiten der Wellenlänge wieder jeweils 1.
Bei dem Beispiel aus 7 wurde die erste Phasenplatte um einen Winkel von 90° im Uhrzeigersinn beziehungsweise φ₀ = 2π(–90°)/360° = –π/2 und die zweite Phasenplatte entsprechend um einen Winkel von 90° gegen den Uhrzeigersinn verdreht. Man erhält im Bereich 70 einen Gesamtgangunterschied von P = –0,5 und im Bereich 71 einen Gesamtgangunterschied von P = +0,5, jeweils in Einheiten der Wellenlänge. Auch hier beträgt der Sprung entlang der y-Achse orientierten Grenze jeweils 1 in Einheiten der Wellenlänge. Die Gangunterschiede P von 0,5 und –0,5 sind physikalisch äquivalent.
Das Beispiel aus 8 unterscheidet sich von dem Beispiel aus 7 dadurch, dass die Drehrichtungen der ersten und der zweiten Phasenplatte vertauscht wurden, dass also die erste Phasenplatte um einen Winkel von 90° gegen die Uhrzeigerrichtung und entsprechend die zweite Phasenplatte um einen Winkel von 90° in Uhrzeigerrichtung verdreht wurde. Das Ergebnis im Vergleich zu 7 ist eine Vertauschung der Bereiche 71 und 70, das heißt, dass der Bereich 71, wo der Gesamtgangunterschied –0,5 beträgt bei der Situation in 8 sich nunmehr auf der rechten Seite befindet, wohingegen man in der linken Hälfte 70 des mittleren ringförmigen Bereichs einen Gesamtgangunterschied von +0,5 erhält. Auch hier erfolgt an den in y-Richtung verlaufenden Grenzen jeweils ein Sprung des Gesamtgangunterschieds um eine Wellenlänge.
Im Zusammenhang mit den 4 bis 8 wurde ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen einstellbaren Phasenmaske beschrieben, für welches zwei Phasenplatten zum Einsatz kommen mit einem Profilverlauf innerhalb der ersten und der zweiten Profilzone, der im Wesentlichen durch folgende Formel beschrieben wird Z(r, φ) = ±const. × φ.
Mit einer Breite des Drehwinkels 2φ₀ treten wiederum Artefakte auf, die aber unterdrückt werden können, wenn die keilförmigen Profile so dimensioniert werden, dass an der Sprungstelle ein Phasensprung auftritt, der ein ganzzahliges Vielfaches von 2π oder wie im gezeigten Beispiel genau 2π ist, was einer Gangunterschiedsdifferenz von einer Wellenlänge entspricht und demgemäß für Interferenzeffekte keine Rolle spielt. Wie bei dem im Zusammenhang mit den 2 und 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel können beide Phasenplatten bewegt, hier also gedreht werden. Prinzipiell ist aber genauso möglich und es reicht auch aus, wenn nur eine der Phasenplatten bewegt wird gegenüber der anderen Phasenplatte, die dann ruht. Die vorteilhaften Eigenschaften der Phasenplatte für den Fall, dass der Phasensprung an der Sprungkante 35 (siehe 4) ein ganzzahliges Vielfaches von 2π beziehungsweise ein ganzzahliges Vielfaches einer Wellenlänge ist, ist bei einfachen Varianten nur möglich für eine bestimmte Wellenlänge. Bei dem im Zusammenhang mit den 4 bis 8 erläuterten Beispiel handelte es sich dabei um die Wellenlänge λ = 550 nm.
Prinzipiell können die erste Phasenplatte und/oder die zweite Phasenplatte auch aus unterschiedlichen Gläsern gefertigt werden und dadurch kann die Phasenmaske achromatisiert werden. Dies wird weiter unten im Zusammenhang mit den 12 und 13 näher erläutert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen einstellbaren Phasenmaske wird mit Bezug auf die 9 bis 11 erläutert.
Die einstellbare Phasenmaske ist dabei aus einer ersten Phasenplatte und einer zweiten Phasenplatte aufgebaut, die zwar nicht vollständig baugleich ist wie die erste Phasenplatte, sich jedoch von dieser nur dadurch unterscheidet, dass der Profilverlauf in der Profilzone ein umgekehrtes Vorzeichen hat. Wesentliches Charakteristikum der in 9 gezeigten ersten Phasenplatte 37 für dieses Ausführungsbeispiel ist, dass innerhalb der Profilzone 36, die wie bei dem im Zusammenhang mit den 4 bis 8 erläuterten Beispiel ebenfalls zwischen einer äußeren kreisringförmigen transparenten Zone und einer inneren kreisscheibenförmigen transparenten Zone 29 als kreisringförmige Profilzone gebildet ist, ein mit dem Quadrat der Azimutalwinkelkoordinate ansteigendes Profil gebildet ist. Es handelt sich also um eine Phasenplatte mit spiralförmigem Profil. Der Außendurchmesser der ersten Profilplatte 37 in 9 kann beispielsweise 20 mm, der Außendurchmesser der Profilzone 36 beispielsweise 14 mm und der Innendurchmesser der Profilzone 36 beispielsweise 6 mm betragen. Die Platten können für eine Verdrehung von ±4°, also einer Gesamtrelativverdrehung von 8° ausgelegt sein. Die Höhe des Profils ist in Polarkoordinaten: z(r, φ) = ±c·φ² für r_min < r < r_max, z(r, φ) = 0 sonst
Die zweite Phasenplatte unterscheidet sich aber von der ersten Phasenplatte 37 nur durch das Vorzeichen des Profils in der Profilzone 36. Wie aus 9 ersichtlich, manifestiert sich die Abhängigkeit der Profilhöhe in der Profilzone 36 vom Quadrat des Azimutalwinkels darin, dass die Höhenlinien 34 nicht mehr, wie in der in 4 gezeigten Situation, winkelmäßig äquidistant verlaufen, sondern werden vielmehr ausgehend von der Sprungstelle 38 mit zunehmendem Azimutalwinkel (im Uhrzeigersinn) immer dichter. Bei einem Drehwinkel von φ₀ beträgt der Phasenhub P(φ₀) der einstellbaren Phasenmaske in Einheiten der Wellenlänge:
Veranschaulichungen 74, 77 des Gesamtgangunterschieds, der mit einer einstellbaren Phasenmaske erreichbar ist, die aus zwei Phasenplatten des in 9 dargestellten Typs aufgebaut sind, werden im Zusammenhang mit den 10 und 11 erläutert. Gezeigt sind dort jeweils in schematischer Form Veranschaulichungen des Gesamtgangunterschieds 74 (10) beziehungsweise 77 (11). In beiden Fällen ergeben sich, wie bei dem im Zusammenhang mit den 2 bis 4 erläuterten Beispiele Bereiche 66 und 67, die zu der äußeren ringförmigen Zone 28 beziehungsweise der inneren kreisscheibenförmigen Zone 29 der Phasenplatte 37 (siehe 9) gehören, welche gemeinsam die erste transparente Zone bei der ersten Phasenplatte beziehungsweise die zweite transparente Zone bei der zweiten Phasenplatte bilden. In diesen Bereichen 66 und 67 ist der Gesamtgangunterschied konstant und es ergibt sich bei einer Veränderung der relativen Drehstellung der ersten Phasenplatte und der zweiten Phasenplatte keine Änderung.
Wesentlich bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist, dass, abhängig von der relativen Drehstellung der ersten Phasenplatte 37 und der zweiten Phasenplatte jeweils ein mit der Azimutalkoordinate linearer Anstieg des Gesamtgangunterschieds in dem zu der Profilzone der Phasenplatten gehörenden inneren kreisringförmigen Bereich erzielt wird, wobei sich die Steigung dieses linearen Anstiegs mit der relativen Drehstellung φ₀ gemäß der oben angegebenen Formel linear ändert. Die in 10 gezeigte Darstellung 74 des Gesamtgangunterschieds entspricht einer Relativverdrehung der ersten Phasenplatte (+2°) und der zweiten Phasenplatte (–2°) von 4°. Ausgehend von einer Zone 75, die eine Ausdehnung von 4° aufweist und einen Artefaktbereich darstellt, wächst der Gesamtgangunterschied in Uhrzeigerrichtung linear an, was sich in einer jeweils äquidistanten Positionierung der Höhenlinien 76 manifestiert.
Durch Veränderung der relativen Drehstellung kann dieser Verlauf nun beeinflusst werden. Zunächst ist hierzu festzustellen, dass bei einer relativen Drehstellung von 0° im Prinzip die Situation aus 15a) vorliegt, das heißt, dass der Gesamtgangunterschied über die gesamte Phasenmaske gleich ist und insbesondere, dass auch in den zu den Profilzonen gehörenden Bereichen des inneren Kreisrings der Gangunterschied gleich ist wie in den Bereichen 66 und 67.
Die 10 kann auch angesehen werden als eine Darstellung der Situation, bei der die beiden Phasenplatten zwar wiederum um jeweils 2° gegeneinander verschoben sind, wobei jedoch dieses Mal die erste Phasenplatte gegen die Uhrzeigerrichtung und die zweite Phasenplatte in Uhrzeigerrichtung gedreht wurde. Dann erhält man einen Profilverlauf, der ausgehend von dem Artefaktbereich 75 in Uhrzeigerrichtung abnimmt. Das bedeutet, dass mit jeder weiteren Höhenlinie 76 der Gesamtgangunterschied um einen weiteren konstanten Betrag abnimmt.
Die in 11 dargestellte Veranschaulichung 77 des Gesamtgangunterschieds der einstellbaren Phasenmaske unterscheidet sich von dem Beispiel aus 10 dadurch, dass die erste Phasenplatte und die zweite Phasenplatte weiter gegenüber einander verdreht wurden, nämlich um +4° beziehungsweise –4°, das heißt um insgesamt 8°. Das führt zunächst dazu, dass der Artefaktbereich 78 doppelt so groß ist, nämlich eine Winkelausdehnung von 8° aufweist. Wenn die erste Phasenplatte in Uhrzeigerrichtung und die zweite Phasenplatte gegen die Uhrzeigerrichtung gedreht wurde, erhält man einen Verlauf, bei dem der Gesamtgangunterschied ausgehend von dem Artefaktbereich 78 in Uhrzeigerrichtung linear zunimmt. Der wesentliche Unterschied im Vergleich zu 10 ist dabei, dass die radial verlaufenden Höhenlinien 76 dichter, nämlich doppelt so dicht liegen, wie bei dem Beispiel aus 10. Vorzeichenwechsel der Drehrichtung liefert auch hier einen Vorzeichenwechsel des linearen Verlaufs. Dreht man also die erste Phasenplatte entgegen dem Uhrzeigersinn um 4° und die zweite Phasenplatte im Uhrzeigersinn um 4°, nimmt der Gesamtgangunterschied ausgehend von dem Artefaktbereich 78 in Uhrzeigerrichtung linear mit dem Azimutalwinkel ab. Im gezeigten Beispiel aus 11 ist der Gesamtgangunterschied etwa ±0,46 in Einheiten der Wellenlänge.
Im Zusammenhang mit den 10 bis 12 wurde ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen einstellbaren Phasenmaske beschrieben, welches auch als Spiral-Phasenmaske mit variablem Hub bezeichnet werden kann. Benötigt werden dazu zwei (bis auf das Vorzeichen des Profilverlaufs) baugleiche Phasenplatten, die ein Profil Z(r, φ) = const. × φ² aufweisen. Es treten dabei Artefakte mit einer Breite von 2φ₀ auf, wobei φ₀ der Drehwinkel ist. Wie bei den zuvor beschriebenen Beispielen können sowohl beide Platten jeweils um betragsmäßig gleiche Winkel, nur mit anderem Vorzeichen, gedreht werden. Es kommt aber prinzipiell nur auf die Relativverdrehung an, das heißt es kann prinzipiell auch nur eine Phasenplatte gegenüber der anderen, dann ruhenden Phasenplatte gedreht werden. Der Vorteil der Betätigung dergestalt, dass beide Phasenplatten in jeweils getrennten Drehrichtungen um denselben Winkel gedreht werden ist, dass die Artefakte immer an derselben Winkelposition auftreten. Letzteres gilt immer bei Phasenmasken, bei denen die Phasenplatten relativ zueinander verdreht werden.
Die bisher beschriebenen Beispiele beinhalteten jeweils Phasenplatten aus nur einem Material. Das bedeutet, dass wegen der Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl die Eigenschaften der beschriebenen einstellbaren Phasenmasken mit der Wellenlänge variieren. Phasenmasken, bei denen die Gangunterschiede nicht von der Wellenlänge abhängen, werden im Folgenden achromatisiert genannt.
Bei Phasenmasken, bei denen die Phasenplatten aus Glas bestehen und der Zwischenraum von Luft ausgefüllt wird, nimmt die Phasenverschiebung oder der Gangunterschied mit der Wellenlänge ab. Dies liegt daran, dass die Phasenverschiebung gegeben ist durch den Gangunterschied dividiert durch die Wellenlänge, der Gangunterschieb aber nur schwach von der Wellenlänge abhängt. Achromatisierte Phasenmasken können prinzipiell aus zwei Medien hergestellt werden, deren Brechzahlverläufe zueinander passen. Grundsätzlich gilt dabei, dass ein erstes Medium eine etwas höhere Brechzahl und eine hohe Abbe-Zahl und dass das zweite Medium eine etwas kleinere Brechzahl und eine kleine Abbe-Zahl aufweist. Ergänzend oder alternativ lassen sich mit zwei beliebigen an Luft grenzenden Medien achromatisierte Phasenmasken herstellen. Die Pfeilhöhen, also die Höhen des Profils, lassen sich dabei analog zum effizienzachromatisierten diffraktiven optischen Element des Typs „Canon” bestimmen. Grundsätzlich können aber achromatisierte Phasenmasken auch mit variablem Hub ausgestaltet werden. Gesichtspunkte hierzu werden im Zusammenhang mit den 12 und 13 erläutert.
In 12 ist ein Beispiel einer einstellbaren Phasenmaske 200 schematisch dargestellt, wobei nur Teilbereiche von sich gegenüber liegenden Profilzonen einer ersten Phasenplatte 210 und einer zweiten Phasenplatte 220 gezeigt sind. Die erste Phasenplatte 210 soll dabei aus einem ersten Material mit einer ersten Brechzahl n1 und die zweite Phasenplatte 220 aus einem zweiten Material mit einer zweiten Brechzahl n2 danach gebildet sein. Die zur ersten Phasenplatte 210 beziehungsweise zur zweiten Phasenplatte 220 gehörenden Keile sind demgemäß aus unterschiedlichem Material mit unterschiedlicher Dispersion gefertigt, so dass für zwei Wellenlängen λ1, λ2 Strahlen 230, 240 jeweils zwar leicht parallel versetzt, jedoch nicht abgelenkt werden. Dafür muss die Brechzahldifferenz, also die Differenz zwischen n1 und n2 so gewählt sein, dass sich darüber hinaus unabhängig von der Wellenlänge eine Phasenverschiebung einstellt, welche sich nur um ein ganzzahliges Vielfaches von 2π unterscheidet.
Weitere Maßnahmen werden bei dem in 13 gezeigten Beispiel einer erfindungsgemäßen einstellbaren Phasenmaske 300 erläutert. Auch hier sind nur Ausschnitte aus der Profilzone der ersten Phasenplatte 310 und der zweiten Phasenplatte 350 dargestellt. Die erste Phasenplatte 310 ist aus einem ersten Material 320 mit einer Brechzahl n3 und einem zweiten Material 330 mit einer Brechzahl n4 gebildet. Die Materialien sind so gewählt, dass die Differenz der Brechzahlen n3 und n4 nicht von der Wellenlänge abhängt. Außerdem ist bei dem in 13 gezeigten Beispiel ein Zwischenraum 340 zwischen der ersten Phasenplatte 310 und der zweiten Phasenplatte 350, die aus einem Material mit einer Brechzahl n5 gebildet ist, mit einem fluiden Medium 342 gefüllt, welches eine Brechzahl n6 aufweist. Das fluide Medium 342 und das Material, aus welchem die zweite Phasenplatte 350 gefertigt ist, sind so gewählt, dass die Differenz der Brechzahlen n5 und n6 nicht von der Wellenlänge abhängt. Durch die im Zusammenhang mit den 12 und 13 beschriebenen Maßnahmen können Phasenplatten bereitgestellt werden, bei denen der Gangunterschied nicht von der Wellenlänge abhängt. Mit solchen Phasenplatten können achromatisierte Phasenmasken hergestellt werden.
14 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikroskops 120. Dargestellt ist dort schematisch ein Strahlengang des erfindungsgemäßen Mikroskops 120 mit einem Mikroskopobjektiv 160, welches vor einem zu untersuchenden Objekt 170 positioniert ist, einer Tubuslinse 140 und einem Zwischenbild 150 des zu untersuchenden Objekts 170. Die erfindungsgemäße einstellbare Phasenmaske 130 ist in einer hinteren Objektivpupille positioniert. Prinzipiell kann die einstellbare Phasenmaske 130 auch in einer zur hinteren Objektivpupille konjugierten Ebene angeordnet sein.
Vorstehend wurde eine neuartige einstellbare Phasenmaske beschrieben, deren Grundgedanke darauf beruht, dass zwei gegeneinander bewegte lineare Keile mit gleicher optischer Steigung einen variablen Phasenhub generieren. Die einstellbare Phasenmaske kann insbesondere Profilzonen aufweisen, die kreisringförmig oder kreisrund sind oder zu einer solchen Form komplementär sind. Die einstellbare Phasenmaske ist deshalb für die Zernike-Phasenkontrastmikroskopie besonders geeignet.
Wenn die Keile, wie vorstehend im Einzelnen beschrieben, beispielsweise auf ein ringförmiges Gebiet auf einem planaren Träger begrenzt werden, so kann mit zwei derartigen Phasenplatten eine ringförmige Phasenmaske mit variablem Hub generiert werden. Die Phasenplatten selbst können beispielsweise lithografisch hergestellt werden. Die Steigung der Keile kann entweder in einer linearen Koordinatenrichtung oder in Azimutalrichtung (spiralförmiger Keil) verlaufen. Bei weiterentwickelten Varianten sind die Profilzonen, also die Zonen, in welchen sich die Keile befinden, jeweils achromatisch korrigiert. Dadurch kann ein polychromatischer Phasenschieber mit farbunabhängiger variabler Phasenverschiebung erzeugt werden. Anstelle von Keilen können prinzipiell auch andere Geometrien verwendet werden, so dass komplexere Phasenmasken (beispielsweise Spiralphasenmasken) mit variablem Hub ermöglicht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6912092 [0042]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

OPTICS EXPRESS VOL. 19, Nr. 2, Seite 1016 [0003]
OPTICS EXPRESS, Vol. 14, Nr. 9, Seite 3792 [0003]
Palusinski et al., Applied Optics, Vol. 38, Nr. 1, Seite 86 [0047]

Claims

Einstellbare Phasenmaske zum Bereitstellen von variablen Gangunterschieden in einem Strahlengang eines Phasenkontrastmikroskops mit einer ersten Phasenplatte (80), • die sich in einer ersten Ebene (x, y; 83) erstreckt, • bei der in einem Teil der ersten Ebene (x, y; 83) eine erste transparente Zone (81) gebildet ist, in der ein durch die erste Phasenplatte (80) bereitgestellter Gangunterschied (84) quer, insbesondere senkrecht, zur ersten Ebene (x, y; 83) unabhängig ist von einer Position (x, y; r, φ) innerhalb der ersten transparenten Zone (81), und • bei der in einem anderen Bereich der ersten Ebene (x, y; 83) eine erste transparente Profilzone (82) gebildet ist, in der ein durch die erste Phasenplatte (80) bereitgestellter Gangunterschied quer, insbesondere senkrecht, zur ersten Ebene (x, y; 83) durch eine erste Gangunterschiedsfunktion (85, 88) gegeben ist, mit einer zweiten Phasenplatte (90), • die sich in einer zweiten Ebene (x, y; 93) erstreckt, • bei der in einem Bereich der zweiten Ebene (x, y; 93) eine zweite transparente Zone (91) gebildet ist, in der ein durch die zweite Phasenplatte (90) bereitgestellter Gangunterschied (94) quer, insbesondere senkrecht, zur zweiten Ebene (x, y; 93) unabhängig ist von einer Position (x, y; r, φ) innerhalb der zweiten transparenten Zone (91), und • bei der in einem anderen Bereich der zweiten Ebene (x, y; 93) eine zweite transparente Profilzone (92) gebildet ist, in der ein durch die zweite Phasenplatte (90) bereitgestellter Gangunterschied quer, insbesondere senkrecht, zur zweiten Ebene (x, y; 93) durch eine zweite Gangunterschiedsfunktion (95, 96) gegeben ist, wobei die erste Phasenplatte (80) und die zweite Phasenplatte (90) einander gegenüberliegend, insbesondere zueinander parallel, angeordnet sind und sich die erste transparente Zone (81) und die zweite transparente Zone (91) einerseits und die erste Profilzone (82) und die zweite Profilzone (92) andererseits gegenüberliegen, wobei durch die Summe der ersten Gangunterschiedsfunktion (85, 88) und der zweiten Gangunterschiedsfunktion (95, 96) ein Gesamtgangunterschied gegeben ist, und wobei eine Positioniereinrichtung (98) vorhanden ist, mit welcher die erste Phasenplatte (80) und die zweite Phasenplatte (90) zum Einstellen des Gesamtgangunterschieds um einen einstellbaren Versatz (Δy, Δφ₀) in einer Verstellrichtung versetzt variabel relativ zueinander positionierbar sind.
Phasenmaske nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gangunterschiedsfunktion (85, 88) und/oder die zweite Gangunterschiedsfunktion (95, 96) mit einer Koordinate (y; φ) in Verstellrichtung monoton variiert.
Phasenmaske nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gangunterschiedsfunktion (85, 88) und/oder die zweite Gangunterschiedsfunktion (95, 96) nur von einer Koordinate (y; φ) in der Verstellrichtung abhängt.
Phasenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Profilzone (82) und die zweite Profilzone (92) deckungsgleich sind.
Phasenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste transparente Zone (82) und die zweite transparente Zone (92) deckungsgleich sind.
Phasenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Profilzone (82) und die zweite Profilzone (92) die Form eines Kreisrings aufweisen oder dass die erste Profilzone (82) und die zweite Profilzone (92) die Form einer Kreisscheibe aufweisen.
Phasenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Phasenmaske (80) in der ersten transparenten Zone (81) und/oder die zweite Phasenmaske (90) in der zweiten transparenten Zone (91) eine konstante Dicke aufweisen.
Phasenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (82) und/oder die zweite Profilzone (92) einen Profilverlauf (z(x, y); z(r, φ)) aufweisen, der mindestens bis auf eine additive Konstante, proportional ist zur ersten beziehungsweise zur zweiten Gangunterschiedsfunktion.
Phasenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Phasenmaske (80) und/oder die zweite Phasenmaske (90) jeweils homogen aus einem, insbesondere demselben, Material, gefertigt sind.
Phasenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gangunterschiedsfunktion (95, 96) aus der ersten Gangunterschiedsfunktion (85, 88) durch Vorzeichenwechsel, Koordinatenspiegelung, Koordinatenverschiebung und/oder Vorzeichenwechsel einer Koordinate (y; φ) in Verstellrichtung hervorgeht.
Phasenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Phasenplatte (80) und die zweite Phasenplatte (90) baugleich sind.
Phasenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gangunterschiedsfunktion (85, 88) und/oder die zweite Gangunterschiedsfunktion (95, 96) eine in einer Koordinate (y; φ) in der Verstellrichtung lineare Funktion ist.
Phasenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gesamthub der ersten Gangunterschiedsfunktion und/oder der zweiten Gangunterschiedsfunktion mindestens für eine Wellenlänge einem Phasenversatz von 2π entspricht.
Phasenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, das die erste Gangunterschiedsfunktion (85, 88) und/oder die zweite Gangunterschiedsfunktion (95, 96) eine in einer Koordinate (y; φ) in der Verstellrichtung quadratische Funktion ist.
Phasenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Phasenplatte (210) aus einem ersten Material und die zweite Phasenplatte (220) aus einem zweiten Material aufgebaut ist, wobei das erste Material eine erste wellenlängenabhängige Brechzahl (n1) und das zweite Material eine zweite wellenlängenabhängige Brechzahl (n2) aufweist und wobei eine Differenz zwischen der ersten Brechzahl (n1) und der zweiten Brechzahl (n2) proportional zur Wellenlänge (λ) ist.
Phasenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Phasenplatte (310) und/oder die zweite Phasenplatte jeweils aus einem ersten Material (320) und einem davon verschiedenen zweiten Material (330) aufgebaut ist oder sind, wobei das erste Material (320) eine dritte wellenlängenabhängige Brechzahl (n3) und das zweite Material (330) eine vierte wellenlängenabhängige Brechzahl (n4) aufweist und wobei eine Differenz zwischen der dritten Brechzahl (n3) und der vierten Brechzahl (n4) proportional zur Wellenlänge (λ) ist.
Phasenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder die zweite Phasenplatte (310, 350) mindestens teilweise aus einem Material mit einer fünften Brechzahl (n5) besteht, dass ein ein Zwischenraum (340) zwischen der ersten Phasenplatte (310) und der zweiten Phasenplatte (350) mit einem ein fluiden Medium (342) mit einer sechsten Brechzahl (n6) gefüllt ist, wobei eine Differenz zwischen der fünften Brechzahl (n5) und der sechsten Brechzahl (n6) proportional zur Wellenlänge (λ) ist.
Phasenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellrichtung durch die Koordinatenrichtung (x, y) eines linearen Koordinatensystems gebildet ist.
Phasenmaske nach einem der Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellrichtung durch die Azimutalwinkelkoordinate (φ) eines Polarkoordinatensystems (r, φ) gebildet ist.
Phasenmaske nach einem der Ansprüche 1 4 bis 9, 11, 15 bis 17, soweit diese nicht rückbezogen sind auf die Ansprüche 2, 3, 10, 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellrichtung durch die Azimutalwinkelkoordinate (φ) eines Polarkoordinatensystems (r, φ) gebildet ist und dass die Gangunterschiedsfunktion der ersten und der zweiten Profilzone zum Ausgleichen einer Kippung in x-Richtung proportional ist zu rsin(φ).
Phasenmaske nach einem der Ansprüche 1, 4 bis 9, 11, 15 bis 17, soweit diese nicht rückbezogen sind auf die Ansprüche 2, 3, 10, 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellrichtung durch die Azimutalwinkelkoordinate (φ) eines Polarkoordinatensystems (r, φ) gebildet ist und dass die Gangunterschiedsfunktion der ersten und der zweiten Profilzone zum Ausgleichen einer Defokussierung proportional ist zu (2r² – 1)·φ.
Phasenmaske nach einem der Ansprüche 1, 4 bis 9, 11, 15 bis 17, soweit diese nicht rückbezogen sind auf die Ansprüche 2, 3, 10, 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellrichtung durch die Azimutalwinkelkoordinate (φ) eines Polarkoordinatensystems (r, φ) gebildet ist und dass die Gangunterschiedsfunktion der ersten und der zweiten Profilzone zum Ausgleichen eines Astigmatismus in x-Richtung proportional ist zu (r²/2)·sin(2φ).
Phasenmaske nach einem der Ansprüche 1, 4 bis 9, 11, 15 bis 17, soweit diese nicht rückbezogen sind auf die Ansprüche 2, 3, 10, 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellrichtung durch die Azimutalwinkelkoordinate (φ) eines Polarkoordinatensystems (r, φ) gebildet ist und dass die Gangunterschiedsfunktion der ersten und der zweiten Profilzone zum Ausgleichen eines Koma in x-Richtung proportional ist zu (3r² – 2r)·sin(φ).
Phasenmaske nach einem der Ansprüche 1, 4 bis 9, 11, 15 bis 17, soweit diese nicht rückbezogen sind auf die Ansprüche 2, 3, 10, 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellrichtung durch die Azimutalwinkelkoordinate (φ) eines Polarkoordinatensystems (r, φ) gebildet ist und dass die Gangunterschiedsfunktion der ersten und der zweiten Profilzone zum Ausgleichen einer sphärischen Aberration proportional ist zu (6r⁴ – 2r² – 1)·φ.
Phasenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Unstetigkeitsstelle des Gesamtgangunterschieds der Sprung des Gesamtgangunterschieds in Richtung senkrecht zur ersten und zweiten Ebene ein ganzzahliges Vielfaches von λ/(n – 1) ist.
Mikroskop zur Phasenkontrastmikroskopie mit einer Phasenmaske (130) nach einem der Ansprüche 1 bis 25.
Mikroskop nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenmaske (130) in einer hinteren Pupillenebene eines Mikroskopobjektivs (160) angeordnet ist.
Verfahren zur Phasenkontrastmikroskopie unter Verwendung eines Mikroskops nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens zwei unterschiedlichen Einstellungen der Positioniereinrichtung (98) mindestens einer der Phasenplatten (80, 90) mindestens zwei mikroskopische Bilder eines zu untersuchenden Objekts aufgenommen werden und dass durch Verrechnung der mindestens zwei unterschiedlichen Bilder eine Phase des Objekts bestimmt wird.