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Interferenzmikroskop Die Erfindung betrifft ein Interferenzmikroskop
für Auflichtbeobachtungen mit einem Objektiv, wobei der Vergleichsstrahlengang nicht
über das Objekt geführt wird.
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Eine Reihe verschiedener Geräte dieser Art sind bekannt, von denen
jedes gegenüber den anderen spezielle Vorteil und damit auch Anwendungsmöglichkeiten
aufweist. Derartige spezielle Vorteile sind z. B.: a) einfacher Aufbau der zugrunde
liegenden Anordnung, b) Unabhängigkeit von kleinen Fehlern einer Vergleichsfläche
(Referenzspiegel).
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Insbesondere ist ein Gerät bekannt, welches den Vorteil a) aufweist
(s. Fig. 1). Die Linse LL symbolisiert das Objektiv, PP die zu prüfende Objektoberfläche;
auf der Mitte zwischen LL und PP liegen zwei aneinandergekittete Glasplatten G und
H gleicher Dicke mit der teildurchlässig verspiegelten Strahlenteilungsfläche SS
zwischen sich. Ein von A kommender Lichtstrahl nimmt zunächst den Weg A-B-C, in
C erfolgt an der Fläche SS seine Teilung, wobei ein Teilstrahl als der Objektstrahl
den Weg C-D-E-F, der mit diesem interferierende Teilstrahl als der Vergleichsstrahl
den Weg C-D'-E-F nimmt. Dieser letztere Teilstrahl wird in D' an der Vergleichsfläche
RR (Referenzspiegel) reflektiert, wobei dieser Referenzspiegel optisch scharf in
gleicher Weise wie die zu prüfende Objektoberfläche abgebildet wird, da die Bilder
von D und D' zusammenfallen. Die Fläche SS besorgt die gesamte Strahlenteilung und
auch -wiedervereinigung. Dieses Gerät weist den Vorteil a) insofern auf, als zur
Erzeugung verwertbarer Interferenzen im Mikroskop zusätzlich im wesentlichen nur
zwei planparallele Glasplatten G und H erforderlich sind.
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Ferner ist ein Gerät bekannt, das den Vorteil b) besitzt (s. Fig.
2). Das von L kommende Licht wird an der Fläche T geteilt, wobei der Objektstrahl
den Weg T-W-O-W-B, der Vergleichsstrahl den Weg T-S-W-B nimmt. T ist die Teilungsfläche,
W die Wiedervereinigungsfläche, O die Objektoberfläche und S ein Spiegel. Beobachtet
wird hier von B aus, und zwar mittels eines unmittelbar über W befindlichen Objektivs.
Dieses Gerät weist den Vorteil b auf, und zwar aus folgendem Grunde. Praktisch meist
nur schwer vermeidbare örtlich kleine Fehler (Kratzer, kleinste Unebenheiten, auch
Stäubchen usw.) auf mikroskopisch fehlerfreien Flächen, besonders Spiegeln, führen
zu Verfälschungen des Meßergebnisses im Bild der Objektoberfläche, wenn sie an der
gleichen Stelle wie diese Objektoberfläche abgebildet werden. Das ist z. B. bei
dem Gerät nach Fig. 1 der Fall, wo die VergleichsflächeRR (Referenzspiegel) an der
gleichen Stelle wie die Objektoberfläche PP abgebildet wird. Dadurch liefern kleine
Fehler auf der Vergleichsfläche (Referenzspiegel) in diesem Interferenzmikroskop
dasselbe Bild, als wenn sie auf der Objektoberfläche vorhanden wären, und es kann
hier interferenzoptisch nur die Differenz der Unebenheiten beider Flächen ermittelt
werden. Bei dem Gerät nach Fig. 2 dagegen ist das nicht der Fall, denn der Spiegel
S wird wegen Verschiedenheit der Entfernungen S-W und O-W an einer anderen Stelle
abgebildet als die Objektoberfläche 0, und örtlich kleine Fehler von S treten am
Bildort von 0 infolge optischer Mittelbildung nicht mehr in Erscheinung.
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Es liegt hier somit der Vorteil der Unabhängigkeit von kleinen Fehlern
einer Vergleichsfläche (Referenzspiegel) vor, da eine Vergleichsfläche, die an der
gleichen Stelle wie die Objektoberfläche abgebildet wird, hier nicht vorhanden ist.
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Keins der genannten Geräte weist nun die Vorteile a) und b) gemeinsam
auf. Das Gerät nach Fig. 1 nämlich besitzt nicht den Vorteil b), wie eben erläutert.
Das Gerät nach Fig.2 dagegen weist den Vorteil a) nicht in dem Maße auf, und zwar
aus folgendem Grunde. Die Teilungsfläche T und die Wiedervereinigungsfläche W in
dieser Figur liegen schräg zur optischen Achse. Würden sie nun z.B. lediglich durch
zwei entsprechende schrägliegende, teildurchlässig verspiegelte Glasplatten realisiert,
so würden diese schrägliegenden Platten (bei Trockensystemen) einen Astigmatismus
bewirken, besonders bei höheren Aperturen. Insbesondere für höhere Aperturen und
damit Vergrößerungen sind (bei Trockensystemen) die Flächen T und W in Fig.2 daher
als Grenzflächen solcher durchsichtiger Körper auszubilden, die der (gezeichnete)
Hauptstrahl beim Übertritt von und nach Luft nur senkrecht passiert
(oder
angenähert senkrecht). Das bedeutet, daß die beiden Flächen T und W dann Grenzflächen
von mindestens drei Körpern (ein Körper zwischen T und W, ein Körper und einer W
von außen her begrenzend) sind, deren Flächen verschiedene Winkel miteinander bilden.
Der Aufbau dieser Interferenzanordnung erfordert daher gegenüber der Interferenzanordnung
nach Fig. 1, wo demgegenüber nur zwei planparallele Glasplatten erforderlich sind,
einen entsprechenden technischen Mehraufwand und weist nicht die gleiche :Einfachheit
auf. Diese, in der gesamten Interferenzmikroskopie vorhandene, verschiedene Verteilung
spezieller Vorteile auf die einzelnen Geräte bewirkt für jedes Gerät einen speziellen
Anwendungsbereich, der den anderen Geräten teilweise oder ganz verschlossen ist.
Benötigt man nun einen sehr großen Anwendungsbereich, ist man daher oft gezwungen,
verschiedene Geräte zu verwenden. Schon aus Gründen einer -Aufwandsverringerung
besteht daher das Bedürfnis nach einem Gerät, welches einen möglichst großen Anwendungsbereich
umfaßt, d. h. möglichst viele Vorteile in sich vereinigt.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zu entwickeln,
das unter anderem die Vorteile a) und b) gemeinsam aufweist und dabei außerdem möglichst
hohe Aperturen und damit Vergrößerungen zu erreichen gestattet.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird erreicht durch ein Interferenzmikroskop
für Auflichtbeobachtungen, bei dem erfindungsgemäß eine beiderseitig teildurchlässig
spiegelnde Planparallelplatte parallel zur Planfläche der Objektivfrontlinse auf
der Mitte zwischen dieser Fläche und der Objektoberfläche liegt. Diese Planparallelplatte
erzeugt erfindungsgemäß zwei Vergleichsstrahlenbündel und vereinigt sie wieder mit
dem Objektstrahlenbündel. Die interferenzoptische Funktion der Planfläche der Objektivfrontlinse
besteht in einer Reflexion der beiden Vergleichsstrahlenbündel; diese Funktion kann,
insbesondere bei größeren Abständen zwischen Objektiv und Objekt, statt der eben
erwähnten Planfläche auch eine andere, unmittelbar vor dem Objektiv befindliche
Planfläche übernehmen; in diesem Falle liegt die beiderseitig teildurchlässig spiegelnde
Planparallelplatte erfindungsgemäß parallel zu dieser unmittelbar vor dem Objektiv
befindlichen Planfläche auf der Mitte zwischen dieser Planfläche und der Objektoberfläche.
Die beiderseitig teildurchlässig spiegelnde Planparallelplatte besitzt erfindungsgemäß
eine derartige Dicke, daß, auch beim Gangunterschied Null, außer der Objektoberfläche
keine weitere Fläche mit merklicher Intensität im Schärfebereich der mikroskopischen
Abbildung erscheint. Ferner enthält dieses Interferenzmikroskop für Auflichtbeobachtungen
erfindungsgemäß eine zentrale Aperturblende, welche andere Bündel, als das Objekt-und
die beiden Vergleichs strahlenbündel, ausblendet.
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Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, und
zwar aus folgenden Gründen.
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Gegenüber der Anordnung nach Fig. 1 wird statt zweier Glasplatten
zwischen Objektiv und Objektoberfläche nur noch eine benötigt. Dadurch wird der
unmittelbar über dem Objekt zur Verfügung stehende freie Arbeitsabstand (unter sonst
gleichen Bedingungen) vergrößert. Das bedeutet, daß man nunmehr Objektive wählen
kann, die einen geringeren Gesamtabstand Objektiv-Objekt benötigen. d. h. Objektive,
die (bei gleicher Tubuslänge) eine
stärkere Vergrößerung erreichen. Die zu diesem
Vergrößerungsgewinn führende Raumeinsparung infolge Fortfall einer der Glasplatten
ist bei starken Vergrößerungen und damit knapp bemessenen Arbeitsabständen wesentlich,
da Interferenzen erzeugende Glasplatten nicht zu dünn sein dürfen. Ein weiterer
Vorteil der Reduzierung der Gesamtglasdicke zwischen Objektiv und Objekt auf die
Hälfte besteht darin, daß die sphärische Aberration bei einer Glasplatte geringer
ist als bei zwei, so daß man bei einer noch bis zu höheren Aperturen ohne ihre Korrigierung
am Objektiv auskommt. Insofern, als gegenüber zwei Platten nur noch eine zur Erzeugung
der Interferenzen benötigt wird, weist der Erfindungsgegenstand den Vorteil a) in
besonders starkem Maße auf.
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Der Vorteil b) liegt hier deswegen vor, weil eine Vergleichsfläche,
die an der gleichen Stelle wie die Objektoberfläche abgebildet wird, hier nicht
vorhanden ist; denn außer der Objektoberfläche erscheint keine weitere Fläche mit
merklicher Intensität im Schärfebereich der mikroskopischen Abbildung.
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Der angestrebte Apertur- und Vergrößerungsgewinn gegenüber der Anordnung
nach Fig. 2 wird aus folgenden Gründen erreicht. Zur Realisierung der Flächen T
und W in dieser Skizze sind, wie oben erörtert, mehrere durchsichtige Körper erforderlich.
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Das bedeutet einen größeren technischen Aufwand und einen erhöhten
Raumbedarf zwischen Objektiv und Objekt gegenüber dem Erfindungsgegenstand, der
nur einen durchsichtigen Körper benötigt. Dieser Unterschied im Raumbedarf wird
im allgemeinen noch dadurch vergrößert, daß in Fig. 2 die Schrägstellung der Flächen
T und W (bei gegebenem Strahlenbündelquerschnitt) eine Mindestlänge in Richtung
der optischen Achse zur Folge hat. Der geringere Raumbedarf des Erfindungsgegenstandes
ermöglicht daher eine geringere Weglänge zwischen Objektiv und Objekt und damit
stärkere Aperturen und Vergrößerungen, und zwar aus demselben Grunde, der in diesem
Absatz beim Vergleich des Erfindungsgegenstandes mit Fig. 1 entwickelt wurde.
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Die Wirkungsweise wird an Hand der Fig. 3 an einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt.
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Diese Abbildung zeigt eine Seitenansicht der Interferenzanordnung.
Diese Anordnung befindet sich zwischen der Objektivfrontlinse 1 und dem Objekt 2.
Sie enthält insbesondere die beiderseitig teildurchlässig spiegelnde Planparallelplatte3.
Der Strahlenverlauf ist dabei folgender: Ein (in der bei einem Auflichtmikroskop
üblichen Weise) seitlich in den Tubus eintretender und (mit den üblichen Mitteln)
nach unten in Richtung auf das Objektiv abgelenkter Strahl 4 tritt durch die Frontlinse
1 hindurch und trifft im Punkt 5 auf die teildurchlässig spiegelnde Fläche 6 der
Planparallelpiatte 3. An dieser Fläche 6 wird er geteilt: ein Teil geht als der
Objektstrahl den Weg 5-7-8-9-10-11> ein anderer Teil geht als Vergleichsstrahl
den Weg5-12-13-9-10-11. Die Wiedervereinigung dieser beiden Strahlen erfolgt also
an der teildurchlässig spiegelnden Flächel4 der Planparallelplatte 3. Von da an
verlaufen sie wieder gemeinsam den Weg 9-10-11-15 und gelangen in der üblichen Weise
zur Beobachtung, wobei auf der Objektoberfläche 16 Interferenzen gleicher Dicke
erscheinen. Bei der gezeichneten Lage dieser Fläche haben sie den Gangunterschied
Null. Dabei erscheint außer dieser Objektoberfläche 16 keine weitere Fläche im Schärfebereich
der mikroskopischen Abbildung; z. B. liegt der gleichzeitig
mit
dem Punkt 8 scharf abgebildete Punkt 17 in der Luft. Die Funktionen der Flächen
6 und 14 der Planparallelplatte 3 lassen sich jedoch auch miteinander vertauschen,
indem die zweite Fläche 14 strahlenteilend und die erste Fläche 6 -wiedervereinigend
wirkt. Dabei ist der Objektstrahl der gleiche, während als Vergleichsstrahl der
Strahl 7-18-19-10-: l fungiert. Erfindungsgemäß liegen nun beide Möglichkeiten gleichzeitig
vor; d. h. jede der beiden Flächen 6 und 14 wirkt sowohl strahlenteilend als auch
-wiedervereinigend, und zwar derart, daß der an der ersten Fläche 6 abgespaltene
Vefgleichsstrahl 5-12-13-9 sich an der zweiten Fläche 14 und der an der zweiten
Fläche 14 abgespaltene Vergleichs strahl 7-18-i9-10 sich an der ersten Fläche 6
mit dem Objektstrahl 8-9-10-11 wiedervereinigt. Es sind also (statt des sonst vielfach
üblichen einen) zwei Vergleichsstrahlenbündel vorhanden, die durch die Planparallelplatte
3 (durch Abspaltung vom Objektstrahlenbündel) getrennt erzeugt und mit dem Objektstrahlenbündel
wiedervereinigt werden.
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Die in der Abbildung gezeichneten Strahlenverläufe sind die für die
Interferenzen gewünschten. Es treten jedoch grundsätzlich auch noch andere Verläufe
auf; z. B. geht der Strahl 4-5-12-13 nicht nur, wie allein gezeichnet, den Weg 13-9-10-11
weiter, sondern ein Teil wird im Punkt 13 auch reflektiert und gelangt unmittelbar
zur Frontlinse 1. Dieser Teil kann zur Überlagerung unerwünschten Zusatzlichtes
Anlaß geben, wenn nicht seine seitliche Versetzung gegenüber dem gewünschten Strahl
10-11 so groß ist, daß er (durch die Gesichtsfeldblende im Okular) ausgeblendet
wird. Die zu dieser Ausblendung nötige seitliche Versetzung ist bei den genügend
schräg verlaufenden Strahlen vorhanden, bei den parallel oder angenähert parallel
zur optischen Achse verlaufenden Strahlen dagegen nicht. Diese Strahlen sind daher
durch eine zentrale Aperturblende auszublenden. Die Ausblendung kann z. B. durch
eine entsprechende Beleuchtungsaperturblende mit ringförmiger Durchlässigkeit geschehen.
Unerwünschte Strahlen, die infolge ihrer Hin- und Herreflexionen intensitätsmäßig
genügend schwach sind, brauchen selbstverständlich nicht ausgeblendet zu werden.
Die Planfläche 20 der Frontlinse 1 hat in der Abbildung die Aufgabe, die Vergleichsstrahlen
zu reflektieren. In manchen Fällen genügt dazu das Reflexionsvermögen des Glases
der Frontlinse 1. In anderen Fällen kann man den für die Reflexion allein benötigten
Mittelteil jener Planfläche 20 in bekannter Weise total verspiegeln. In anderen
Fällen ist es zweckmäßig, diese Planfläche 20 über ihre ganze Flächenausdehnung
gleichmäßig teildurchlässig spiegelnd (insbesondere mit größerem Reflexionsvermögen
als dem des Glases) auszubilden.
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Die Planfläche 20 enthält dann keinen total verspiegelten Mittelteil,
der auf Grund seiner Lage unter Umständen in ungünstiger Weise teils als Gesichtsfeld,
teils als Beleuchtungsapertur- und teils als Beobachtungsaperturblende wirken kann.
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Insgesamt hat man jedenfalls verschiedene teildurchlässig spiegelnde
Flächen, nämlich, außer der zuletzt genannten 20, auf jeden Fall die beiden Flächen
6 und 14 der Planparallelplatte 3. Die Verspiegelungsgrade dieser verschiedenen
Flächen (bzw. verschiedener Flächenteile) sind nun zweckmäßig so zu wählen, daß
unter den vorhandenen Verhältnissen
(z. B. Reflexionsvermögen des Objektes 2) eine
optimale Wirkung erreicht wird, d. h., daß sowohl optimaler Kontrast als auch maximale
Intensität erreicht werden. Optimaler Kontrast bedeutet dabei möglichste Gleichheit
der Summe der Amplituden der beiden Vergleichsstrahlen mit der Amplitude des Objektstrahls;
maximale Intensität unter dieser Bedingung ergibt sich, wenn jene Amplituden außerdem
maximal sind. Hat man verschiedene Objekte 2 mit verschiedenen Reflexionsvermögen,
so kann man einigen oder alle der einander parallelen und den Vergleichsstrahlengang
beeinflussenden Flächen (in der Abbildung der Flächen 20, 6 und 14) auswechselbar
gestalten, wobei dann für jedes Objektreflexionsvermögen eine bestimmte Flächenkombination
(mit bestimmten Verspiegelungsgraden) vorgesehen ist.
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Ferner ermöglicht die oben dargestellte optischeAnordnung, diePlanparallelplatte
3 ausisotropemMaterial, z. B. Glas, herzustellen. Man vermeidet dadurch störende
Polarisationseffekte infolge Doppelbrechung.