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Interferenzeinrichtung für Mikroskope Die Erfindung betrifft eine
Interferenzeinrichtung für Mikroskope zur Durchführung von Durchlichtinterferenzuntersuchungen
mit eingebauten polarisationsoptischen Strahlenleiter und Strahlenvereiniger, die
aus planparallelen Platten aus doppelbrechendem Material bestehen.
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Derartige Einrichtungen basieren im allgemeinen auf einem von L e
b e d e f f (Revue d'Optique, 9, 1930) angegebenen Prinzip, nach dem ein Beleuchtungsstrahlenbündel
in zwei nach der Seite zueinander versetzte kohärente Anteile aufgeteilt, sodann
der eine Anteil durch das Objekt und der andere durch ein Vergleichsflächenelement
neben dem Objekt geführt wird, und schließlich beide Anteile nach der Wiedervereinigung
zur Interferenz gebracht werden.
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Im einzelnen sei dieses bekannte Prinzip noch an Hand der Fig. 1 näher
erläutert.
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Zwischen zwei gekreuzten linear polarisierenden Elementen Ni und N2,
die als Polarisator bzw. Analysator dienen, befinden sich zwei gleich dicke und
gleich orientierte Platten Q, und Q2 aus doppelbrechendem Material. Die doppelbrechenden
Platten Q1 und Q2 sind so geschnitten und orientiert, daß eine möglichst große seitliche
Versetzung des außerordentlichen Strahles gegenüber dem ordentlichen Strahl erfolgt.
Bekanntlich wird bei doppelbrechenden Kristallen der den normalen Brechungsgesetzen
folgende Strahl als »ordentlicher« Strahl und der davon abweichende Strahl als »außerordentlicher«
Strahl bezeichnet. Bei senkrechtem Auffall behält beispielsweise der ordentliche
Strahl beim Durchgang durch eine planparallele doppelbrechende Platte seine ursprüngliche
Richtung bei, während der außerordentliche Strahl eine seitliche Versetzung erfährt.
Beide sind senkrecht zueinander linear polarisiert. Zwischen den beiden doppelbrechenden
Platten Q1 und Q2 befindet sich ein 2./2-Plättchen und zwischen der Platte Q2 und
dem Analysator N2 ein Kompensator K. Die -Hauptschwingungsebenen des 2./2-Plättchens
sind gleichgerichtet mit den Schwingungsebenen der polarisierenden Elemente Ni und
N2 und bilden einen Winkel von 45° mit den Hauptschnitten der Platten Q1 und Q2.
Als »Kristallhauptschnitt« wird bekanntlich jede die optische Achse des. Kristalls
enthaltende Ebene bezeichnet. Die sogenannte »optische Achse« ist die Richtung gleich
großer Fortpflanzungsgeschwindigkeit von ordentlichen und außerordentlichen Strahlen,
in der allein also keine Doppelbrechung auftritt. Das zu untersuchende Objekt O
wird in einen der parallel verlaufenden Strahlengänge zwischen dem A/2-Plättchen
und einer der doppelbrechenden Platten Q1 bzw. Q2 eingebracht.
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Die Wirkung des V2-Plättchens ist folgende: Die Lage der Schwingungsrichtungen
ist in Fig. 1 durch die im Kreise eingezeichneten Pfeile gekennzeichnet. Die Polarisationsebenen
dieser Strahlen werden beim Durchgang durch das 2./2-Plättchen um 90° gedreht. Hierdurch
wird der die Platte Q1 als ordentlicher Strahl verlassende Strahl für die gleich
orientierte Platte Q2 zum außerordentlichen Strahl und umgekehrt, so daß in Q2 die
Strahlen nun im umgekehrten Verhältnis wie in Q1 gebrochen werden und somit wieder
vereinigt werden. Q1 fungiert also als Strahlenteiler und Q2 als Strahlenvereiniger.
Der den Strahlenvereiniger verlassende Strahl ist im allgemeinen elliptisch (Grenzfälle:
linear oder zirkular) polarisiert. Dieser Strahl wird schließlich mit Hilfe des
Kompensators K und des Analysators N2 analysiert. Ist nun ein Objekt in einem der
parallelen Strahlengänge zwischen dem Strahlenteiler Q1 und dem V2-Plättchen bzw.
zwischen dem )?/2-Plättchen und dem Strahlenvereiniger Q2 plaziert, so wird der
das Objekt durchsetzende Strahl eine Phasenverschiebung gegenüber dem anderen erfahren,
und beide Strahlen werden nach der Wiedervereinigung und Gleichrichtung durch den
Analysator interferieren.
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Wesentliche Voraussetzung für eine einwandfreie Funktion und insbesondere
bei einer meßbaren Verfolgung der durch das eingebrachte Objekt hervorgerufenen
Phasenverschiebung mit einem Mikroskop ist eine exakte Justierung der gegenseitigen
Lage von Strahlenteiler und Strahlenvereiniger. Andererseits muß aber auch beim
Mikroskopieren eine gewisse Nachjustiermöglichkeit, beispielsweise zum Einstellen
eines
beliebigen Schwarzweiß- oder Farbkontrastes im Mikroskopinterferenzbild oder beim
Messen von Phasendifferenzen zum Einstellen der als Indikator dienenden Schwärzung
oder Interferenzfarbe des Bilduntergrundes vorhanden sein.
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Zur Justierung von optischen Strahlengängen sind eine Anzahl von Vorrichtungen
bekanntgeworden, die Verkippungen oder Verdrehungen bestimmter optischer Elemente
oder des im Strahlengang eingebrachten Objektes zulassen.
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Beiden bekannten Auflichtinterferenzmikroskopen, die mit strahlenteilenden
Spiegelflächen bzw. Prismenkombinationen arbeiten, werden derartige Vorrichtungen
benutzt, um die Lage von in den Strahlengang eingebrachten zusätzlichen planparallelen
Platten, die entweder zur Ablenkung der Strahlengänge, zur Änderung der Streifenbreite
oder der Streifenrichtung oder zur Erzeugung oder Kompensation von Gangunterschieden
dienen, zu verändern. Auch ist bei derartigen Interferenzmikroskopen die Anordnung
von drehbaren Glaskeilen zum Ausgleich etwaiger Ungleichheiten der Glaswege bekannt.
Die eigentlichen strahlenteilenden bzw. strahlenvereinigenden Elemente sind bei
diesen bekannten Anordnungen fest orientiert.
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Es ist ferner ein wahlweise für Durchlicht- bzw. Auflichtuntersuchungen
umschaltbares Interferenzmikroskop bekanntgeworden, bei der die gegenseitige Justierung
von vier Spiegelflächen einer Mach-Zehnder-Einrichtung dahingehend vereinfacht ist,
daß zwei oder drei Spiegelflächen durch Anwendung von Prismenkombinationen in ihrer
relativen Lage zueinander festgelegt sind und alsdann nur noch eine bzw. zwei Spiegelflächen
gegenüber den Objektiven zu justieren sind. Der bei dieser bekannten Anordnung benutzte,
mit dem Objektiv fest verbundene Teilungswürfel ist zur Umschaltung von Durchlicht-
auf Auflichtbetrachtung um 180° um die Achse des Mikroskopobjektivs schwenkbar gelagert.
Zur Feinjustierung benötigt auch diese bekannte Anordnung noch eine voll kardanisch
gelagerte zusätzliche planparallele Glasplatte.
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Bei den bisher bekanntgewordenen Durchlichtinterferenzmikroskopen,
deren Strahlenteiler und Strahlenvereiniger aus doppelbrechendem Material bestehen,
ist der Strahlenteiler gegenüber dem feststehenden Strahlenvereiniger beweglich
angeordnet. Er ist bei den bekannten Anordnungen in einer für Kondensoren üblichen
Dreipunktverstellung dreh-und kippbar gelagert. Der wesentliche Nachteil derartiger
Dreipunktverstellungen ist jedoch, daß eine Kippung stets mit einer Drehung verbunden
ist, und umgekehrt. Die Verstellung ist also völlig undefiniert und zufällig. Daher
ist ein gegenseitiges exaktes Ausrichten der kristalloptischen Achse von Strahlenteiler
und Strahlenvereiniger, wie es beispielsweise mit Hilfe einer »konoskopischen« Beobachtung,
d. h. einer Betrachtung der Austrittspupille des Objektivs mit einem Hilfsmikroskop
(Einstellung auf »Auslöschungskreuz«), geschehen kann, recht kompliziert und langwierig.
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Ziel der Erfindung ist es, sowohl die Grundjustierung als auch die
Feinjustierung der Interferenzeinrichtung für Mikroskope der letztgenannten Art
wesentlich zu vereinfachen und dabei eine größere Einstellsicherheit zu erreichen.
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Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, daß der Strahlenteiler
(1) in einem im Kondensorgehäuse (16) eingelassenen, verdrehungsfrei kippbaren Einsatz
(17) angeordnet ist, dessen Kippachse (I) senkrecht zum Kristallhauptschnitt und
senkrecht zur Beobachtungsrichtung (A) des Mikroskops orientiert und festgelegt
ist, daß die Kippung des Einsatzes (17) über eine mit einer Einstellskala (18) versehenen
Mikrometerschraube (17) meßbar einzustellen ist, daß der Strahlenteiler (1) um eine
die Kippachse (1) des Einsatzes (17) senkrecht schneidende und parallel zur Ebene
des Kristallhauptschnittes gerichtete Achse (1I) kipp- und arretierbar angeordnet
ist und daß der Strahlenvereiniger (2) in einer um die Beobachtungsrichtung (A)
des Mikroskops drehbaren Fassung (4) des Objektivs angeordnet ist und die Objektivfassung
(4) von einer zweiten drehbaren Fassung (7) umgeben ist, deren azimutale Drehung
mit Hilfe eines Anschlages (9) auf etwa 5° begrenzt ist.
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Die erfindungsgemäße Anordnung hat nun den wesentlichen Vorteil, daß
mit ihr die Feinjustierung von Strahlenteiler und Strahlenvereiniger bedeutend schneller
und exakter erfolgen kann, als dies mit den bisher bekannten Anordnungen möglich
war. Darüber hinaus besteht nun noch der Vorteil, daß man die Anordnung eines gesonderten
Kompensators einsparen kann.
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Ausführungsbeispiele der Ausbildung der Interferenzeinrichtung nach
der Erfindung sind in Fig. 2 bis 6 dargestellt, und zwar zeigt Fig. 2 ein Mikroskopobjektiv
mit eingebautem verstellbarem Strahlenvereiniger, Fig.3 einen mit dem Mikroskopobjektiv
nach Fig.2 zusammenarbeitenden Kondensor mit eingebautem verstellbarem Strahlenteiler,
Fig.4 den Kondensor nach Fig.3, um 90° gedreht, Fig.5 eine weitere Bauart eines
Kondensors für eine Mikroskopinterferenzeinrichtung (zugehöriges Objektiv nach Fig.
2), Fig. 6 den Kondensor nach Fig.5, um 90° gedreht.
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Die Erfindung sei nun an Hand dieser Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Der Strahlenteiler 1 und der Strahlenvereiniger 2, die aus Platten
doppelbrechenden Materials, z. B. Kalkspat, bestehen, sind jede für sich verstellbar
im Kondensor bzw. Objektiv eines Mikroskops, dessen optische Achse mit A bezeichnet
ist, eingebaut.
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Zum Beispiel befindet sich der Strahlenvereiniger 2 (Fig. 2) in einer
die Objektivlinse 3 enthaltenden und azimutal drehbaren Fassung 4, die auf einem
mit dem Objektivgehäuse 5 verbundenen Vorspannring 6 aufliegt. Um den unteren Teil
der Fassung 4 ist eine weitere Fassung 7 gelegt, die durch die Verbindungsschraube
8 mit der inneren Fassung 4 verbunden ist. Ein mit der äußeren Fassung 7 verbundener
Anschlagstift 9 greift in eine in ihrer Länge begrenzte, kreisbogenförmige Führungsnut
10 des um das Gehäuse 5 drehbaren Begrenzungsringes 11 ein. Die Stellung
des Begrenzungsringes 11 bzw. der Führungsnut 10 ist durch die Gewindeschraube
12 am Gehäuse 5 arretierbar.
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Bei gelockerter Schraube 12 erfolgt zunächst eine Grobjustierung des
Strahlenvereinigers 2 durch azimutale Drehung der Fassung 7. Hierbei wird der nun
vom Gehäuse 5 gelöste Begrenzungsring 11 durch den Anschlagstift 9 mitgenommen.
Wird nun die Schraube 12 angezogen, so ist der Begrenzungsring 11 fest mit
dem Gehäuse 5 verbunden, und eine Drehbewegung
der Fassung 7 bzw.
der mit dieser verbundenen Fassung 4 kann dann nur noch entsprechend der Länge der
Nut 10 erfolgen. Hierdurch wird die Möglichkeit einer azimutalen Drehung des Strahlenvereinigers
2 um die optische Achse A des Mikroskops auf wenig Grade (etwa 5°) begrenzt.
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Der Strahlenteiler 1 (Fit>. 3 bis 6) befindet sich zusammen mit einer
i/2-Platte 13 in einer gemeinsamen Fassung 14 in der zentralen Bohrung 15 eines
am Kondensorgehäuse 16 eingelassenen kippbaren Einsatzes 17. Die Fassung
14 ist um die Achse 1I in der Bohrung 1.5 des Einsatzes 17 kipp- und arretierbar
angeordnet. Der Einsatz 17 weist entweder einen kugelförmigen Ansatz 1.8 auf, der
in einer an der Oberseite des Kondensorlinsengehäuses 19 eingelassenen Kugelschale
20 gleitend gelagert (Fig. 3 und 4) oder an zwei auf dem Kondensorlinsengehäuse
19 aufgesetzten Trägern 21 (Fig. 5 und 6) pendelnd aufgehängt ist. Der Einsatz 17
(Fig. 3 und 4) ist dabei so bemessen und angeordnet, daß seine Kippachse I durch
den Kugelmittelpunkt des Ansatzes 18 geht. In dem Einsatz 17 sind schmale Nuten
22, 23, in welche die Hebel 24, 25 eingreifen, die einerseits eine Kippbewegung
des Einsatzes 17 um die Achse I übertragen und andererseits (insbesondere in der
Anordnung nach Fig.3 und 4) eine Verdrehung des Einsatzes um die optische Achse
A verhindern sollen. Die Festlegung der Kippachse 1 erfolgt in der Anordnung nach
Fig. 5 und 6 bereits durch die Träger 21. Der Hebel 25 steht unter dem Druck der
an dem Kondensorlinsengehäuse 19 befestigten Druckfeder 26. Die Drehachsen der Hebel
24, 25 sind im Kondensorgehäuse festgelegt. Der zweite Arm des Hebels 24 steht mit
einer Mikrometerschraube 27 in Verbindung. Bei Betätigung dieser Mikrometerschraube
27 übt der in der Nut 22 des Einsatzes 17 eingreifende Arm des Hebels 24 einen mehr
oder weniger starken Druck auf den Einsatz 17 aus, der in Zusammenwirkung mit dem
Hebel 25 eine Kippbewegung des Einsatzes 17 um die Kippachse I in der einen oder
anderen Richtung (Pfeilrichtung) bewirkt. Die Kipplage des Einsatzes 17 ist mit
einer in Neigungswinkel des Einsatzes 17 geeichten und mit der Mikrometerschraube
27 fest verbundenen Skala 28 und einer gehäusefesten Ablesemarke 29 ables-und einstellbar.
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Die Kippachsen I und 1I des Strahlenteilers 1 und die optische Achse
A stehen räumlich orthogonal aufeinander und schneiden sich im optischen Schwerpunkt
des Systems Strahlenteiler 1 /2-Plättchen 13, während der optische Schwerpunkt des
Strahlenvereinigers 2 oberhalb des optischen Schwerpunktes des Strahlenteilers 1
auf der optischen Achse A zu liegen kommt.
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Die Darstellungen in Fig. 2 bis 6 beschränken sich auf die für die
Erfindung wesentlichen Teile der Interferenzeinrichtung für Mikroskope. So sind
auch beispielsweise der zwischen Lichtquelle und Kondensor des Mikroskops eingeschaltete
Polarisator und die nach dem Strahlenvereiniger angeordneten Analysierelemente fortgelassen.
Die hier aufgezeigten Teile entsprechen etwa dem Ausschnitt aus dem schematischen
Strahlengang nach Fig. 1 zwischen dem dort skizzierten Strahlenteiler Q1 und dem
Strahlenvereiniger Q2.
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Die Justierung der oben dargestellten Interferenzeinrichtung nach
der Erfindung geschieht folgendermaßen. I. Die Grundjustierung zum Erzeugen absolut
gleicher Gangunterschiede im Strahlenteiler 1 und Strahlenvereiniger 2 vor Gebrauch
des Mikroskops erfolgt bei der Montage durch den Hersteller. Diese umfaßt 1. azimutales
Ausrichten der Kristallhauptschnitte des Strahlenteilers 1 und des Strahlenvereinigers
2 a) absolut parallel zueinander und b) derart, daß beide einen Winkel von 45° mit
der Schwingungsrichtung des in Nullstellung befindlichen Polarisators bilden.
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Der Kristallhauptschnitt des Strahlenteilers 1 wird parallel zur Achse
II eingestellt und fixiert. Dabei wird die 45°-Lage zum Polarisator durch Einrasten
der Kondensorhalterung am Kondensorträger gewährleistet. Das Ausrichten des Kristallhauptschnittes
des Strahlenvereinigers 2 erfolgt über die drehbare Fassung 4, die nach richtiger
Azimuteinstellung mit dem Gewindestift 12 arretiert wird. Das Objektiv ist im Einschraubgewinde
30 festgesetzt und gelangt beim Objektivwechsel immer in die gleiche Drehstellung.
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2. Zueinander-Parallelrichten der Kristallachsen des Strahlenteilers
1 und des Strahlenvereinigers 2 durch Ausrichten der Kristallachsen des Strahlenteilers
1 zur Achse des Strahlenvereinigers 2 durch Kippen um die Achsen I und II. Die so
eingestellte Kipplage wird vom Hersteller fixiert. 1I. Nachjustieren der Einrichtung
während des Mikroskopierens durch den Benutzer mit Hilfe der Vorrichtung nach der
Erfindung. Ein Nachjustieren ist aus folgenden Gründen erforderlich und wünschenswert:
1. Zum Einstellen eines beliebigen Schwarzweiß-oder Farbkontrastes im mikroskopischen
Interferenzbild. Der zweckmäßigste Kontrast bzw. die Farbe richtet sich nach dem
Objekt und Untersuchungszweck.
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2. Zum Einstellen der bei der Messung von Phasendifferenzen als Indikator
dienenden Schwärzung oder Interferenzfarbe des Bilduntergrundes (im allgemeinen
vollkommen dunkel durch Einstellen eines Gangunterschiedes 0).
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3. Zur Kompensation von Phasendifferenzen, die durch unerwünschte
Einflüsse wie Unebenheiten im Präparat, Verkippen des Präparates usw. bewirkt werden.
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4. Zum Ausgleich der Gegeneinanderverdrehung des Strahlenteilers 1
und Strahlenvereinigers 2 um die Mikroskopachse A, wie sie auch beim Zentrieren
des Kondensors oder Objektivs mit Dreipunktmechanismus auftritt.
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Punkt 1 bis 3 ist mit der Anordnung nach der Erfindung leicht durch
Verkippen des Strahlenteilers 1 um die Achse I, welche durch Verdrehen der Verstellschraube
31 der Mikrometerschraube 27 um die Achse III in Gang gesetzt wird. Da die jeweilige
Kipplage mit Hilfe der Einstellskala 28 meßbar verfolgt werden kann, läßt sich diese
Kippeinrichtung auch als Kompensator benutzen.
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Punkt 4 sowie weitere Feinjustierung zu Punkt 1 bis 3 werden mit der
Anordnung nach der Erfindung durch azimutales Drehen des Strahlenvereinigers 2
zusammen
mit der Objektivfassung 4 durch eine zweite drehbare Fassung 7, deren Drehbereich
etwa auf 5° begrenzt ist, erreicht.
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Es wird also eine schnelle und übersichtliche Feinjustierung durch
begrenztes Verdrehen des Strahlenvereinigers2 um die optische Achse A und sukzessives
Kippen des Strahlenteilers 1 um die Achse I erreicht.