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Vorrichtung zur Untersuchung von Licht durchlassenden oder an ihrer
Oberfläche reflektierenden, nur auf die Phase von Lichtwellen einwirkenden Körpern
Es gibt eine große Anzahl von optischen Instrumenten, welche die physikalischen
Erscheinungen der Beugung und der Interferenz des Lichts ausnutzen, um mehr oder
weniger treu das reelle Profil einer Licht reflektierenden Fläche wiederzugeben
oder die Verteilung der Brechungszahlen nach den Dickenänderungen eines lichtdurchlässigen
Körpers festzustellen.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung von Licht
durchlassenden oder an ihrer Oberfläche reflektierenden, und auf die Phase von Lichtwellen
einwirkenden Körpern unter Verwendung eines von der Lichtquelle hinter dem Objekt
ein rechtes Bild erzeugenden optischen Systems. Man kann ein Objekt dieser Art kurz
als »Phasenobjekt« bezeichnen, da es nicht auf die Amplitude, sondern auf die Phase
der einfallenden Welle einwirkt. Der Phasenunterschied ist aber nicht mit dem Auge
wahrnehmbar, und daher muß man zu seiner Anzeige den Phasenänderungen entsprechende
Amplitudenänderungen verwenden.
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Zur Untersuchung von lichtdurchlässigen oder an ihrer Oberfläche reflektierenden,
nur auf die Phase der Lichtwellen einwirkenden Körpern sind bereits Phasenkontrastmikroskope
im Gebrauch, bei denen eine ein kohärentes Licht liefernde Strahlenquelle und ein
von dieser ein reelles Bild hinter dem Objekt erzeugendes optisches System mit einem
Polarisationssystem zusammenarbeiten, das eine aus mehreren Abschnitten oder Zonen
zusammengesetzte Pupille in Form einer doppelbrechenden Lamelle enthält.
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Im Gegensatz zu diesem nach dem bekannten Phasenköntrastverfahren
von F. Z e r n i ke arbeitenden Mikroskopen wird nach der Erfindung ein mit Polarisation
verbundenes Interferenzkontrastverfahren ohne Aufteilung des Strahlenbündels vor
dessen Auftreffen auf dem Objekt zur Untersuchung von lichtdurchlässigen oder lichtreflektierenden,
nur die Liohtwellenamplitude beeinflussenden Körpern nutzbar gemacht.
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Die Vorrichtung zur Untersuchung derartiger Körper ist zu diesem Zweck
erfindungsgemäß unter Verwendung eines von der Lichtquelle hinter dem Objekt ein
reelles Bild erzeugenden optischen Systems so ausgebildet, daß die freie Öffnung
des Objektivs, d. h. die Pupille, ungeteilt belassen ist und Interferenzstreifen
mit Hilfe einer Lamelle aus doppelbrechendem Kristall in der hinter dem Objekt gelegenen
Ebene und damit in der Pupille des optischen Aufnahme- oder Beobachtungssystems
erzeugt werden. Diese Vorrichtung weist gegenüber den bisher gebräuchlichen PhasenkontrastmikrGskopen
den Vorteil auf, daß sie sowohl bei weißem wie auch bei monochromatischem Licht
zu arbeiten vermag und keine Intensitätsänderung des Strahlenbündels zeigt. Das
polarisierende Interferenzsystem kann erfindungsgemäß mehrere, z. B. zwei Polarisatoren
irgendwelcher Art aufweisen, die zueinander in zweckmäßiger optischer Lagenbeziehung
stehen und die Endteile des Systems bilden, während zwischen ihnen mindestens eine
doppelbrechende Kristallamelle und gegebenenfalls wenigstens eine Hilfslamelle eingefügt
sind. Die doppelbrechende kristalline Lamelle steht zwischen den beiden Polarisaboren
senkrecht zum Lichtstrahlenbündel und befindet sich dabei in kurzer Entfernung von
der Pupille des zur Betrachtung oder zur photographischen Aufnahme des »Phasenobjekts«
dienenden optischen Systems. Die doppelbrechende Lamelle kann dabei aus einer ebenen
und parallelflächigen Lamelle gewonnen sein, deren Dicke man entweder in einer einzigen
Richtung oder radial unter Wahrung der Umdrehungssymmetrie von der Mitte zum Rand
nach irgendeiner Gesetzmäßigkeit geändert hat.
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Die als Hilfslamelle arbeitende kristalline Lamelle ist an irgendeinem
Punkt der Achse des Interferenzsystems zwischen den beiden Polarisatoren vorgesehen
und kann eben und parallelflächig sein oder mehr oder weniger von der Pärallelflächigkeit
abweichen. Diese
Hilfslamelle ist durch den Wert ihrer Doppelbrechungswirkung
in ihrem Mittelpunkt bestimmt, die vorzugsweise gleich, aber im Vorzeichen entgegengesetzt
der Doppelbrechungszahl ist, welche die Hauptlamelle in ihrer Mitte aufweist. Man
kann je nach den durch die unterschiedliche Anwendungsarten bestimmten Ausführungsformen
der Vorrichtung nach der Erfindung in Verbindung mit diesen Haupt- und Hilfslamellen
oder ohne sie auch andere kristalline Lamellen vorsehen.
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Wenn man irgendeine doppelbrechende kristalline Lamelle betrachtet,
die in irgendeiner Ebene liegt, jedoch einen Winkel zwischen 0 und 45° mit der Achse
des Interferenzsystems einschließt und deren Dicke nicht gleichförmig ist, kann
man bekanntlich in polarisiertem Licht ein System von in monochromatischem Licht
sichtbaren Interferenzstreifen beobachten. Eine solche, z. B. schwach prismatische
Lamelle ordnet man in der Pupille eines optischen Betrachtungsgerätes mit endlichem
Sichtabstand an und, wenn das Objekt, z. B. ein mikroskopisches lichtdurchlässiges
Präparat, in Lage gebracht ist, projiziert man mit Hilfe eines optischen Beleuchtungssystems
unter Begrenzung seiner Öffnungsweite das Bild eines Schlitzes auf das System der
Interferenzstreifen, das auf der prismatischen Lamelle selbst und in geringem Abstand
von dieser entsteht. Die von dem Schlitz als Lichtquelle kommenden Lichtstrahlen
gehen, bevor sie die Lamelle erreichen, durch den Kondensor und das zu untersuchende
Objekt sowie gegebenenfalls durch ein oder mehrere optische Elemente des angegliederten
Instrumentes.
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Um das weiße Licht benutzen zu können, ordnet man in der Lichtstrahlenbahn,
z. B. in der Nähe des als Lichtquelle wirksamen Schlitzes, vorzugsweise eine weitere
kristalline, ebene und z. B. parallelflächige Lamelle an, deren Dicke und Ausrichtung
so gewählt sind, daß ihre Doppelbrechungswirkung praktisch die Doppelbrechungswirkung
der prismatischen Lamelle an der Stelle ausgleicht, wo sich auf ihr das Bild des
lichtspendenden Schlitzes projiziert.
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Wenn die beiden Lamellen sich zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren
befinden, wird das Objekt, auf schwarzem oder grauem Grund betrachtet, je nach dem
das Bild des lichtspendenden Schlitzes genau oder nicht genau mit dem schwarzen
Interferenzstreifen der in der Nähe einer der Pupillen des Betrachtungsinstrumentes
angeordneten prismatischen Hauptlamelle zusammenfällt. Der erste Polarisator wird
unter 45° zu den neutralen Linien der ersten kristallinen Hauptlamelle ausgerichtet,
um gleiche Amplituden den beiden rechtwinklig polarisierten, aus dieser Lamelle
austretenden Wellen zu geben. Unter der theoretischen Annahme, daß die Hilfslamelle
genau die Doppelbrechung der Hauptlamelle ausgleicht, wird sich das am Bild ankommende
Licht durch Interferenz infolge der Anwesenheit des mit den ersten Polarisator gekreuzten
zweiten Polarisators vernichten. Der Phasenunterschied zwisch; n den beiden polarisierten
Wellen wird dabei gleich @z sein, und dies trifft ganz genau nur bei Abwesenheit
des Objektes zu.
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Die Phasenstruktur dieses Objektes ruft bei dem Lichtbündel kleine
örtliche Abweichungen hervor, welche eine Ausbreitung des pupillaren Bildes des
Schlitzes zur Folge haben. Nun ändert sich aber die Übertragung der komplexen Lichtamplituden
rasch in der zu den Interferenzstreifen senkrechten Richtung in polarisiertem Licht,
d. h. senkrecht zu der Kante des- durch die Seitenflächen der Lamelle bestimmten
Gebildes. Die Amplitude und die Phase des durch die Pupille gehenden Lichtes sind
vollständig durch den Abstand festgelegt, welcher den schwarzen Streifen von dem
Punkt trennt, durch den der von einer phasenverschiebenden Einzelheit des Objektes
kommende Strahl geht. Dieser Strahl ist aber mehr oder weniger je nach der örtlichen
Größe der Neigung der Änderung des optischen Weges abgelenkt, die durch die Struktur
des Objektes eingeführt wird. Daraus ergibt sich ein Interferenzkontrast, welcher
das Phasengefüge des zu untersuchenden Objektes zum Verschwinden bringt. Die Belichtungsänderungen
in dem Bild sind nämlich proportional dem Abfall der Änderungen der optischen Dicke,
welche durch die kombinierten Änderungen der absoluten Dicke und der Brechungszahl
bedingt sind. Der so erhaltene Kontrast ist durch die Relativverschiebung der prismatischen
Lamelle und des sich auf dieser oder nicht weit davon formenden Bildes des lichtspendenden
Schlitzes regelbar.
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Man kann stets einen Kontrast erhalten, der gleich der Einheit für
ein bestimmtes Objekt ist. Dieses Objekt, das durch die Ableitung des normalen Profils
seiner ausgehenden Welle wiedergegeben wird, erscheint auf einem kohärenten Grund,
dessen Phase man zweckmäßig regelt. Es genügt dabei, die allgemeine Regel zu beachten,
daß man das Bild des Schlitzes in um so weiterer Entfernung von dem schwarzen Minimum
des achromatischen Interferenzstreifens projiziert, je größer der Unterschied der
optischen Wege ist, der durch die untersuchte Einzelheit des Objektes bedingt ist.
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Die Relativverschiebung des Bildes der Lichtquelle und der Interferenzstreifen
der Hauptlamelle kann auf verschiedene Weise bewirkt werden. Beispielsweise kann
man einerseits die effektive Verschiebung der Hauptlamelle oder der Schlitzblende
und andererseits die Verschiebung der Interferenzfigur der Hauptlamelle ohne Änderung
ihrer Lage anwenden. Diese letztere Verschiebung kann entweder durch Verschiebung
der Hilfslamelle, wenn diese prismatisch ist, oder mit Hilfe eines doppelbrechenden
Kompensators irgendwelcher Bauart erfolgen, der in den die beiden Polarisatoren
trennenden Zwischenraum eingefügt ist.
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Um die Lichtwirkung der Bilder zu steigern, kann man die Blende beseitigen,
welche die Öffnungsweite des optischen Beleuchtungssystems begrenzt. Es genügt hierfür,
der Hilfslamelle eine besondere Form in Anpassung an die Form der Hauptlamelle zu
geben. Beispielsweise kann diese Lamelle mit dem optischen Beleuchtungssystem verbunden
werden.
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Nimmt man den einfachsten Fall als Beispiel, so weisen die beiden
prismatischen Lamellen die gleichen Winkel auf und sind mit einer zur Achse des
Kristalls parallelen Seitenfläche ausgeführt, und außerdem sind ihre Achsen um 90°
zueinander ausgerichtet, wenn bei übereinanderliegenden Lamellen die Kanten der
Prismen parallel sind.
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Wenn man eine dieser Lamellen, z. B. die Hilfslamelle, in der Eintrittspupille
des Kondensors und die andere - Lamelle, z. B. die Hauptlamelle, in der Austrittspupille
dies die gleiche Brennweite wie der Kondensor aufweisenden Objektivs anordnet, kann
man die ganze Öffnungsweite des Lichtbündels ausnutzen, ohne daß der sich daraus
ergebende Kontrast eine Verminderung erfährt. Man muß natürlich die Lamellen so
ausrichten, daß ein die Hilfslamelle an irgendeinem Punkt ihrer nützlichen Öffnung
durchquerender Lichtstrahl nach einem Punkt der Hauptlamelle gelangt. wo die Doppelbrechung
gleich und im Vorzeichen entgegengesetzt der bei der Hilfslamelle
an
dem entsprechenden Punkt vorhandenen Doppelbrechung ist.
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Wenn man sich einen die Öffnung der prismatischen Hilfslamelle abtastenden
Schlitz vorstellt, kann man leicht verstehen, da:B die örtlich auf die Hauptlamelle
beschränkte Interferenzfigur sich gleichzeitig mit dem auf diese Lamelle projizierten
Bild des Schlitzes verschieben wird. Nichts steht daher der vollständigen Öffnung
des Lichtbündels entgegen, da alle Lichtstrahlen in gleicher Weise zu der Interferenzerscheinung
heitraen, was die zur Anwendung kommende Lichtenergie ohne Trübung des Interferenzbildes
zu erhöhen gestattet. Die Regelung des Interferenzkontrastes, - der dem zu untersuchenden
Objekt anzupassen ist, geschieht durch Relativverschiebung der kristallinen Lamellen
in der Richtung ihrer Schrägflächen. -Um die Anordnung ohne Schlitz in dem Falle
benutzen zu können, wo die Leistungen des Objektivs und des Kondensors in irgendeinem
Verhältnis zueinander stehen, müssen die Winkel der mit diesen Systemen verbundenen
prismatischen Lamellen proportional den Leistungen des Objektivs bzw. des Kondensors
sein.
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Man kann auch eine einer einfachen prismatischen Lamelle mit veränderlichem
Winkel gleichwertige kristalline Doppellamelle verwenden, welche sich aus zwei Lamellen
zusammensetzt, deren Achsen sich kreuzen und deren eine Seitenfläche konvex oder
konkav, kugelig oder zylindrisch ist. Wenn die beiden Lamellen exzentrisch zueinander
sind, ändert sich die sich ergebende Doppelbrechung linear um so rascher, je größer
die Exzentrizität und je stärker die Krümmung an dem Scheitel der gewölbten Seitenflächen
ist. Eine Doppellamelle, die mit einem die Exzentrizität der beiden Einzellamellen
regelnden Mechanismus versehen ist, kann in der Art einer T-Tniversal-Hilf slam@elle
benutzt werden, welche sich den irgendeinen Winkel aufweisenden prismatischen Hauptlamellen
anpaßt und mit einem optischen Betrachtungssystem beliebiger Brennweite verbunden
ist. Eine Doppellamelle dieser Art kann ohne weiteres an Stelle einer einfachen
Hauptlamelle verwendet werden, was die Empfindlichkeit der Vorrichtung nach Bedarf
und Wunsch zu regeln gestattet.
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Das Prüfgerät nach der Erfindung kann auch zur Untersuchung von Körpern
in reflektiertem Licht mit Hilfe von geeigneten optischen Instrumenten verwendet
werden. Die Lage allein des Belichtungssystems, das bei dien Änderungen in Betracht
kommt, muß bei der jeweiligen Ausführung der Vorrichtung angepaßt werden. Beispielsweise
sei die Benutzung ein-es Mikroskops für die Untersuchung von reflektierenden Flächen
angenommen, bei welchen das Lichtbündel durch Vermittlung des gleichzeitig auch
als Kondensor dienenden Objektivs auf das Objekt geworfen wird.
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Man will z. B. eine zur Achse des Mikroskops senkrechte oder praktisch
senkrechte ebene Fläche mit Hilfe der Interferenzvorrichtung nach der Erfindung
auf ihre Beschaffenheit hin untersuchen. Die Brennweiten des Betrachtungssystems
und des Lichtsystems sind dabei gleich, da es sich um das gleiche System handelt,
das nacheinander diese beiden Aufgaben erfüllt, und man verwendet daher zwei Lamellen
von ähnlicher Form. Wenn diese Lamellen z. B. prismatisch sind, klebt man. sie zusammen,
so daß sie ein (xesamtgebilde in Form einer ebenen, parallelflächigen Lamelle ergeben.
Die Eingangspupille des Kondensorsystems fällt mit der Ausgangspupille des Objektivs
in der hinteren Brennebene des Objektivs zusammen, und' die beiden miteinander verbundenen
Lamellen sind in dieser hinteren Brennebene angeordnet.
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Die Regelung des Kontrastes, die züm Zweck hat, mit einem Optimum
von Empfindlichkeit eine ausgewählte Kategorie von Fehlern der Ebenflächi.gkeit
zu ermitteln, wird entweder in der gleichen Weise wie im Falle der Betrachtung durch
Transparenz oder durch Neigung des Probestückes erzielt. Auch ist die Vorrichtung
nach der Erfindung nicht auf die ausschließliche Benutzung von schwach prismatischen
Lamellen beschränkt, und die Symmetrie zu einer Ebene kann durch eine Umdrehungssymmetrie
zu der Achse des angeschlossenen Instrumentes ersetzt werden. Es werden dann alle
optischen Erscheinungen auch diese Umdrehungssymmetrie zeigen, und in diesem Falle
gibt es keine gerichtete Wirkung mehr bei der Kontrastbildung, mit der eine Änderung
des optischen Weges entsteht, die durch das Objekt eingeführt wird.
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Die einfachste Form, welche wenigstens einer der Flächen der Hauptlamelle
gegeben werden kann, ist die Kugelform mit einem gegenüber dem nützlichen Durchmesser
großen Halbmesser, wobei Meridiane nicht ausgeschlossen sind, welche von dem Kreis
abweichen. Ist die Hilfslamelle beispielsweise eben und parallelflächig, so wird
man auf der Hauptlamelle die schon von B i o t beschriebenen Interferenzringe beobachten.
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Einer dieser kreisbogenförmigen Interferenzstreifen ist achromatisch
und zwischen den gekreuzten Polarisatoren schwarz, wenn die Dicke der Hilfslamelle
zwischen der Dicke in der Mitte und der Dicke am Rand der Hauptlamelle liegt. Wenn
die Öffnungsweite des Kondensors auf einen feinen Ring, d. h. einem kreisförmigen
Spalt beschränkt ist und sich auf den schwarzen Interferenzstreifen projiziert,
beobachtet man das Objekt auf dem schwarzen Grund. Der Phasenunterschied zwischen
den beiden unter einem rechten Winkel polarisierten und auf dem Bild zusammentreffenden
Wellen ist gleich a. Auf Grund der durch die Struktur des Objektes eingeführten
Phasenverschiebung ist es vorteilhaft, sich von dem Phasenunterschied n zu entfernen,
und diese Abweichung muß proportional dem Betrag der örtlichen Phasenverschiebung
des Objekts sein.
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Wie bei den Lamellen mit geradlinigen Interferenzstreifen muß man
das Bild der ringförmigen Lichtquelle etwas von dem schwarzen Interferenzstreifen
entfernen, aber diesesmal unter Aufrechterhaltung der Umdrehungssymmetrie. Hierfür
genügt es, die relatiren Durchmesser des Bildes der ringförmigen Lichtquelle und
des Interferenzstreifens zu ändern. Man kann hierfür entweder ein mit einer veränderlichen
@% ergrößerung das Bild seiner Pupille auf die Pupille des Objektivs projizierendes
Lichtsystem benutzen oder zwischen die Polarisatoren einen regelbaren doppelbrechenden
Kompensator einschalten, welcher durch Erzeugung einer ergänzenden Doppelbrechung
dien Durchmesser der Interferenzringe der Hauptlamelle zu Änderungen veranlaßt.
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Was den Einfluß der Dicke der Lamellen auf die Konstanz des kohärenten
Grundes bei jedem benutzten Objektfeld betrifft, so überschreitet beispielsweise
in einem üblichen Mikroskop der halbe Feldwinkel kaum den Wert von a=115, und eine
sehr einfache Rechnung zeigt, daß Quarzlamellen von 0,5 mm Dicke einte Phasenänderung
in der Größenordnung von gz/20 von der Mitte bis zum Rand des Feldes hervorrufen.
Wenn man eine höhere Genauigkeit erreichen will
oder wenn der Feldwinkel
größer ist, nimmt man Kombinationen von kristallinen Lamellen zu Hilfe, welche einfachen
Lamellen mit der Dicke Null gleichwertig sind. Man erhält diese Lamellen, indem
man an Lamellen mit nicht parallelen Seitenflächen kristalline Lamellen anklebt,
welche die Doppelbrechung in der Mitte dieser nicht parallelflächigen Lamellen aufheben.
Dieser Ersatz der einfachen Lamellen durch Doppellamellen macht zwar die Vorrichtung
etwas verwickelt, ermöglicht aber die Benutzung von optischen Instrumenten mit großem
Lichtfeld.
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Die Zeichnung veranschaulicht die Vorrichtung nach der Erfindung beispielsweise
in mehreren Ausführungsformen.
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Fig.l zeigt in einem schematischen Achsschnitt eine optische Vorrichtung
mit einer polarisierenden Interferenzvorrichtung mit zwei kristallinen Lamellen,
welche beide in der Austrittspupille des Objektivs angeordnet sind; Fig. 2 läßt
ebenfalls in schematischem Achsschnitt einen zur Betrachtung von isotropen Körpern
durch Lichtübertragung dienenden Apparat erkennen, der zwei am Kondensor bzw. am
Objektiv vorgesehene prismatische kristalline Lamellen enthält und die nicht von
einer Blende abhängige Öffnungsweite des Lichtbündels auszunutzen gestattet; Fig.3
gibt in schematischer Darstellung die Verwendung einer Doppellamelle als Hilfslamelle
wieder, welche als Prisma mit veränderlichem Winkel wirkt und die Benutzung von
Objektiven und von prismatischen Hauptlamellen irgendwelcher Ausführung ermöglicht;
Fig.4 zeigt im schematischen Achsschnitt ein lichtstarkes Mikroskopobjektiv üblicher
Ausführung, dessen Pupille und damit dessen hintere Brennebene nicht zugänglich
ist; Fig.5 ist ein schematischer Schnitt durch ein Betrachtungsokular, das mit einer
polarisierenden Interferenzvorrichtung nach der Erfindung an seiner Ausgangspupille
versehen ist und eine kristalline prisinatische Lamelle von der gleichen Ausführung
wie die Lamelle in Fig. 4 aufweist; Fig.6 zeigt im Achsschnitt eine der Vorrichtung
nach Fig. 4 ähnliche Vorrichtung, die aber eine Hauptlamelle von einer eine Drehachse
zulassenden Form enthält; Fig. 7 gibt schematisch in größerem Maßstabe einen photogräphischen
Apparat wieder, der zur Untersuchung im reflektiertem Licht entweder der Beschaffenheit
von optischen Oberflächen oder der Schichten in gasförmigen oder flüssigen Körpern
dient; Fig. 8 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein sogenanntes metallographisches
Mikroskop, das mit der Vorrichtung nach der Erfindung ausgerüstet ist und die Erzielung
eines Bildes im Interferenzkontrast ohne Kollimation des Lichtbündels gestattet;
Fig. 9 zeigt schematisch eine Anordnung der kristallinen Hauptlamelle in einem System
mit reiner Reflexion.
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Die Anordnung nach Fig. 1 ist insbesondere für die mit Transparenz
durchzuführende Untersuchung von Körpern geeignet, welche eine sich ihrer Beleuchtung
durch polarisiertes Licht wiedersetzende Doppelbrechung aufweisen. Gemäß Fig. 1
ist die Lichtquelle durch einen ausgeleuchteten Schlitz .S gegeben, vor dem ein
als Kollimator wirkender Kondensor C angeordnet ist, auf den in der Bahn des Lichtbündels
das zu diesem senkrecht stehende Objekt X und weiterhin ein Objektiv O folgt, und
dieses enthält in seiner Ausgangspupille ein mit Polarisation arbeitendes Interferenzsystem,
welches einen Polarisator Pp eine Hauptlamelle Q, einen Kompensator K und einen
zweiten Polarisator P2 umfaßt. In der praktischen Ausführung der ganzen Vorrichtung
können die Brennweiten der beiden auswechselbaren Objektive O des Mikroskops beispielsweise
16 und 8 mm betragen und die Brennweite des als Kollimator wirkenden Kondensors
C 25 mm und die Länge des Mikroskoprohres 180 mm sein. Die Hauptlamelle Q besteht
parallel zur Achse aus Quarz und weist in der Mitte eine Dicke von 0,5 mm auf. Die
kristallographische Achse der Lamelle Q ist senkrecht zur Zeichnungsebene ausgerichtet,
und die Lamelle ist schräg unter einem Winkel von 1 ° geschnitten und durch eine
Glaslamelle von gleichem Neigungswinkel ergänzt.
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Man benutzt dieselbe Lamelle für die beiden Objektive O und nimmt
an, daß sie ein positives Bild liefern. Die Quarzlamellen werden dann in den Brennebenen
der Objektive O angeordnet. Der Kompensator K ist in dem Rohr des Mikroskops untergebracht
und besteht aus zwei schwach prismatischen, nach einer Ebene parallel zur Achse
geschnittenen Lamellen. Die Ausrichtung der Achse ist parallel zur Zeichnungsebene
bei der ersten Lamelle und senkrecht zu dieser Ebene bei der zweiten Lamelle. Der
Winkel des Keiles ist von der Größenordnung von 20', und die Dicke der ersten Lamelle
beträgt 0,5 mm und die Dicke der zweiten Lamelle 1 mm, und der Dickenunterschied
dient zur Aufhebung der Doppelbrechung im Mittelpunkt der Hauptlamelle Q.
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Als Polarisatoren P1 und P2 werden Polarisationsfolien verwendet,
die je zwischen zwei Lamellen angeordnet und unter 45° zur Zeichnungsebene ausgerichtet
sind. Die Regelung des Kontrastes erfolgt durch die Verschiebung des beweglichen
Keiles aus Quarz am Kompensator K.
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Fig. 2 zeigt die Vorrichtung nach der Erfindung in ihrer einfachsten
Ausführungsform, welche die vollständige Öffnungsweite des Lichtstrahlenbündels
auszunutzen gestattet. Gemäß Fig. 2 ist eine Lamelle q in der vorderen Brennebene
des Kondensors C angeordnet, dessen Brennweite beispielsweise 16 mm beträgt und
dessen Öffnungsweite ein sin u von etwa 0,50 aufweist. Man verwendet zwei Lamellen
q mit einer Dicke von 0.5 mm und mit einem Winkel von 1° bzw. 30' in Verbindung
mit den zwei Objektiven O von 16 bzw. 8 mm Brennweite, und beide enthalten identische
Lamellen mit einem Winkel von 1° und mit einer Dicke von 0,5 mm. Die Ausrichtung
der Lamellen q, Q ist aus Fig. 2 ersichtlich.
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Die Regelung des Kontrastes wird mit Hilfe .des Kompensators K erreicht,
welcher Schrägflächen aus Quarz von gleicher Form aufweist, von denen eine sich
verschieben läßt. Man kann die Kontrastregelung auch durch Einwirkung auf die Lamelle
q erreichen, wenn der Kompensator K fehlt, Um die Auswechselung der Lamellen q zu
vermeiden, kann man eine stetig veränderbare Einstellamelle verwenden, die einer
einfachen prismatischen Lamelle mit veränderlichem Spitzwinkel gleichwertig ist
und gemäß Fig. 3 aus zwei Lamellen q1 und q2 besteht, deren Achsen sich kreuzen
und bei denen eine der Seitenflächen beispielsweise konkav gekrümmt ist. Wenn die
beiden Lamellen qi, q2 um einen bestimmten Betrag in exzentrisch zueinander eingestellt
sind, wirkt ihre Gesamtheit wie eine prismatische Lamelle mit dem Winkel
wobei R der Krümmungsradius der Lamellen q1, q2 ist und zweckmäßig zu etwa 50 mm
gewählt wird.
Da die Doppelbrechung in der Mitte der Hilfslamelle
Null ist, wird zweckmäßig eine Hauptlamelle verwendet, die aus zwei Teilen zusammengesetzt
ist und deren Doppelbrechung ebenfalls in ihrer- Mitte ausgeglichen ist. Um ähnliche
Verhältnisse wie im Falle der Fig. 2 zu schaffen, wird die Lamelle Q aus zwei prismatischen
Lamellen Q, und Q2 mit einem Winkel von je 30' in der aus Fig.3 ersichtlichen Weise
zusammengesetzt.
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Bei der Anordnung nach Fig. 4 ist eine aus zwei prismatischen Lamellen
Q, und Q2 gebildete Hauptlamelle mit einem lichtstarken Mikroskopobjektiv vereinigt,
wobei die Kristallatome der beiden Lamellen so ausgerichtet sind, daß die Ebene
der Einstellung der Interferenzstreifen um den nötigen Abstand versetzt wird, um
eine bequeme Ausführung der Vorrichtung zu ermöglichen. Fig. 4 stellt die praktische
Art der Anpassung einer Hauptlamelle an ein Objektiv dar, dessen hintere Brennebene
nicht zugänglich ist. Für das gute Arbeiten des Apparates und zur Vermeidung einer
zu sehr verwickelten Ausführung des üblichen Mikroskops müssen die Interferenzstreifen
in dieser Ebene örtlich festgelegt werden Zu diesem Zweck benutzt man eine prismatische
Lamelle, deren eine Seitenfläche senkrecht zu der die Achse enthaltenden Hauptebene
geschnitten ist und einen bestimmten Winkel mit dieser Achse einschließt. Die Ouarzlamelle
Q1 hat eine um 45° geneigte Achse, und ihr Keilwinkel ist 30', und ihre Dicke in
der Mitte beträgt 1 mm. Die Lamelle Q2 ist parallel zur Achse geschnitten, und ihre
Dicke ist 0,5 mm, was zum Ausgleich der zweimal schwächeren Doppelbrechung der Lamelle
Q genügt. Unter diesen Verhältnissen ist die Ebene der örtlichen Festlegung der
Interferenzstreifen um ungefähr 30 mm, gemessen in der Luft, versetzt. Wenn diese
Versetzung zu groß ist, kann man die Neigung der Achse der Lamelle Q, verringern.
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Eine derartige Anordnung, welche die bemerkenswerte Eigenschaft aufweist.
die Interferenzerscheinungen örtlich festzulegen, wird nach Abb.5 praktisch verwendet,
wo auch durch eine besondere Lage der kristallographischen Achse die Versetzung
der Ebene der örtlichen Festlegung der Interferenzstreifen und damit eine bequeme
okulare Beobachtung für den Betrachter ermöglicht wird.
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Wenn man das Verfahren des Interferenzkontrastes bei einem gewöhnlichen
Mikroskop ohne Änderung der Objektive anwenden will, kann man die Lamelle Q (vgl.
Fig. 5) in der Ausgangspupille des Betrachtungsokulars 0" anordnen. Aber diese Pupille
ist durch das Auge des Betrachters eingenommen, und es ist viel bequemer, aus der
Lamelle Q heraus, dieses Mal in der anderen Richtung, die Ebene der Entstehung der
Interferenzstreifen, welche die Augenpupille berühren soll, heraustreten zu lassen.
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Beispielsweise bringt man vor ein Vergrößerungsokular eine Lamelle
Q, welche sich (vgl. Fig. 5) aus einer Lamelle 0, mit dem Winkel 1°
30' und einer Achsenneigung von 45° sowie einer mittleren Dicke von 1,5 mm und aus
einer Lamelle Q2 mit einer mittleren Dicke von 0,75 mm in der Mitte und mit zur
Achse parallelen Flächen zusammensetzt. Der Polarisator P vervollständigt die ganze
Anordnung, welche mit einem Beleuchtungsgerät der anläßlich der Hauptiig. 1, 2 und
3 beschriebenen und aus diesen ersichtlichen Art benutzt werden kann.
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Die in Fig.6 wiedergegebene Vorrichtung weist eine Hauptlamelle Q
auf, deren eine Seitenfläche konkav ist. Im Falle eines gewöhnlichen Mikroskops
ist diese Lamelle in der Austrittspupille des Objektivs 0 angeordnet. Der Krümmungsradius
dieser Lamelle Q ist beispielsweise in der Größenordnung von 75 mm, wenn sie aus
nuarz besteht, und von 1400 mm, wenn sie aus Kalkspat besteht. Die Lamelle ist parallel
zur Achse geschnitten, welche senkrecht zu der Zeichnungsebene steht. Die Mindestdicke
der Lamelle Q ist z. B. 1 mm, wenn die prismatische Lamelle des Konipensators K
eine mittlere Dicke von 1 mm aufweist. Die Hilfslamelle q muß die Lamelle Q und
die in gleicher Weise ausgerichtete prismatische Lamelle des Kompensators K ausgleichen,
weshalb ihre Dicke gleich der Summe der Dicken von Lamelle Q und Kompensatorlamelle
K. d. h. gleich 2 mm ist.
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Da die örtlich festgelegten Interferenzstreifen gleicher Doppelbrechung
kreisförmig sind, benutzt man in diesem Fall gemäß Fig. 6 eine ringförmige Lichtquelle
S, die in der Eingangsöffnung des Kondensors C ähnlich wie bei dem Falle eines mit
Phasenkontras:t arbeitenden Mikroskops. bekannter Bauart angeordnet ist.
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Zwecks Einstellung auf höchsten Kontrast paßt man den Durchmesser
des Bildes der Lichtquelle auf der Lamelle Q und den Durchmesser des schwarzen achromatischen
Interferenzringes, der bei sich kreuzenden Polar isatoren P, ;und P2 auf der Lamelle
Q entsteht, einander ungefähr an. Die Dicke der plankonkaven Lamelle ändert sich
von der Mitte zum Rande nach dem angenäherten Gesetz
bei welchem h der Abstand des in Betracht kommenden Punktes von der Mitte der Lamelle
und e, die Dicke in der Mitte der Lamelle bezeichnet. Wenn der Radius des Bildes
der Lichtquelle S,. gleich h ist, genügt es, dem Dickenunterschied der Lamellen
K und q einen Wert gleich e zu geben, um einen schwarzen Interferenzgrund zu erhalten.
Da eine Änderung von 32 iL der Ouarzdicke einer Änderung von )l2 entspricht, genügt
es, die Dicke eu+ek um ± 15 #t um den Wert e des genauen Ausgleiches schwanken zu
lassen, um alle möglichen Erscheinungen des achromatischen Interferenzkontrastes
zu erzielen, was gestattet, den Wert der Phasenverschiebung in bester Anpassung
an das zu untersuchende Objekt zu wählen. Eine derartige Anordnung kann auch mit
prismatischen Lamellen ausgeführt werden, und in diesem Fall ist das Änderungsgeset7
für die Dicke der Hauptlamelle Q ein lineares Gesetz, statt parabolisch wie bei
dem im einzelnen beschriebenen Beispiel zu sein.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung kann auch, wie Fig. 7 zeigt, für
die photographische Aufzeichnung von Bildern benutzt werden. In diesem Fall wird
das Licht der Lichtquelle S durch Vermittlung eines halblichtdurchlässigen Spiegels
G auf die z. B. prisinatische Lamelle Q geleitet, welche sich in dem Krümmungsmittelpunkt
eines konkav gewölbten Spiegels 1i1 befindet, dessen Oberflächenbeschaffenheit man
untersuchen will. Von da wird das Licht durch Reflexion zurückgeworfen und geht
ein zweites Mal durch die Lamelle Q. Ein photographischer Aufnahmeapparat, der nach
der Oberfläche des Spiegels !1T gerichtet ist, vervollständigt die ganze Vorrichtung.
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Man kann auch eine derartige Vorrichtung zur Schichtenuntersuchungbenutzen
und braucht zu diesem Zweck nur einen Spiegel IV von guter Beschaffenheit
zu nehmen und den Raum zwischen dem Spiegel NI und der Lamelle Q zur Prüfung
und Untersuchung der Schichten von gasförmigen oder flüssigen Körpern auszunutzen.
Diese Anordnung ist insbesondere für die Untersuchung von kurzzeitig auftretenden
Erscheinungen
auf Grund ihrer großen Leuchtwirkung ge; ignet, da sie im Gegensatz zu den hierfür
bekann:_n Anordnungen ein nicht kollimatiertes Lichtbündel benutzt. ohne die erzielte
Empfindlichkeit zu mindern.
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Fig. 8 zeigt die Anwendung der Vorrichtung nach der Erlindung bei
einem üblichen metallographischen Mikroskop, bei dem das von der Lichtqu,-lle S
kommende Strahlenbündel auf der unteren Hälfte der Lamelle Q mittels eines kleinen
lichtundurchlässigen Spiegels ;;zum Auftreffen gebracht wird. Die Lamelle O befindet
sich in der Brennebene des Objektivs O, wenn dieses zugänglich ist. Anderenfalls
benutzt man eine Hauptlamelle von der anläßlich der Fig.4 beschriebenen besonderen
Ausführungsforte. Nach Reflexion auf der Oberfläche des reflektierenden Objektes
X kehrt das Lichtbündel nach dem Objektiv 0 zurück, geht durch die obere Hälfte
der Lamelle Q und vereinigt sich zu dem Bild X'. Der Polarisator P1 ist dabei dem
Spiegel in vorgeschaltet und der Polarisator P, der Lamelle Q nachgeschaltet.
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Die Ausführungsform der Erfindung nach Fig.9 eignet sich vor allem
für die Untersuchung in einem ausgedehnten spektralen Bereich. Die Anordnung enthält
nach Fig.9 ein zusammengesetztes Mikroskop mit reiner Reflexion. Die Spiegel ml
und m2 bilden das Objektiv, und der Spiegel m. wirkt als Feldlinse, welche gleichzeitig
die Ausgangspupille des Objektivs zugänglich macht, indem es sein reelles Bild auf
der Hauptlamelle Q zum Entstehen bringt. Das Bild X' des Objekts X wird dann durch
das Spiegel-<< stem rfa4 und res von der Bauart Cassegrain aufgenommen, welches
die Rolle des Projektionsokulars spielt und auf einer Aufnahmefläche das endgültige
Bild X" erzeugt.
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Die Anwendung der Vorrichtung nach der Erfindung im Ultraviolett-
und Infrarotbereich mit Durchgang durch den sichtbaren Bereich ist durchaus angezeigt
und auf Grund des genauen Achromatismus der zur Wirkung gebrachten Interferenzerscheinungen
und der spektralen Transparenz des natürlichen Kristalls der Lamelle Q sehr vorteilhaft.