DE1447159C - Interferometer Okular - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein interferometrisches System zur Verwendung in einem Mikroskop, in dem ein Objektiv und ein Kondensor angeordnet sind und eine mit einem engen optischen Spalt versehene Blende im Brennpunkt des Kondensors angeordnet ist, um bei Beleuchtung des Spalts durch eine übliche Mikroskopbeleuchtung ein kohärentes Bündel von im wesentlichen parallel gerichtetem Licht von jedem Punkt im Spalt auf die Objektebene und auf das Objekt zu richten.

Bei Interferenzmikroskopen wird im allgemeinen einfach polarisiertes Licht verwendet, und sie enthalten ein doppelbrechendes oder teilweise reflektierendes Element (Strahlenteiler), welches das Licht in getrennte Strahlen unterteilt, von welchen nur einer durch das Objekt hindurchgeht oder auf dieses gerichtet wird. Die getrennten Strahlenbündel werden dann durch ein doppelbrechendes oder teilweise reflektierendes Element wieder vereinigt. Um Interlenbündel erforderlich sind. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in zwei getrennten Strahlengängen von bilderzeugenden Lichtstrahlen Ausrichteeinrichtungen für die Lichtstrahlen und lichtreflektierende Elemente angeordnet sind, welche die Lichtstrahlen in beiden Strahlengängen auf Einrichtungen zum interferenzfähigen Vereinigen der Lichtstrahlen richten, wobei diese Einrichtungen die Lichtstrahlen beider Strahlengänge in einer einzigen Richtung auf ein Okular richten; daß die lichtreflektierenden Elemente und die die Strahlenbündel vereinigenden Einrichtungen so einstellbar sind, daß sich die Anzahl der Reflexionen der Lichtstrahlen eines der Strahlengänge von der Anzahl der Reflexionen der Lichtstrahlen des anderen Strahlenganges nicht oder um eine gerade Zahl unterscheidet; und daß Einrichtungen zur Änderung der optischen Weglänge des Strahlenganges einstellbar in wenigstens einem der Strahlengänge angeordnet sind, um die optische Länge des

ferenz zu erhalten, müssen die Strahlenbündel in ge- ao einen Strahlenganges relativ zum anderen Strahlen-

nau der gleichen Weise wieder vereinigt werden, wie sie aufgeteilt worden waren. Jedes Strahlenpaar, das von einem bestimmten Punkt des ersten Strahlenteilers ausgeht, muß an einem entsprechenden Punkt im zweiten Strahlenteiler wieder vereinigt werden. Die Querschnitte der vereinigten Strahlenbündel an den Strahlenteilern müssen genau kongruent sein. Die durch das Objekt eingeführte Phasenverzögerung verursacht dann Interferenz, welche zur Bestimmung gang zu ändern. Die Erfindung ist mit »Interferometerokular« bezeichnet, weil sie zwei Flächenteile einer Bildebene in der Nähe des Okulars in Koinzidenz bringen oder überlagern soll, so daß die Interas ferenzerscheinungen zwischen diesen beiden Flächen beobachtet und gemessen werden können. Eine dieser Flächenteile enthält das zu prüfende Teilchen, während die andere Fläche in der Umgebung dieses Teilchens liegt und als Bezugsfläche dient. Die Erfin

der Größe dieser Verzögerung gemessen wird. Da die 30 dung erreicht also den mit weit komplizierteren und

beiden Strahlenbündel in genaue Kongruenz gebracht werden müssen, müssen die in den beiden Strahlengängen befindlichen optischen Elemente identisch und genau ausgerichtet sein, um gute Kontrastwirkung zu erzielen.

Interferenzmikroskope haben gewöhnlich die optischen Elemente eines üblichen Mikroskops einschließlich einer Lichtquelle, eines Kondensorlinsensystems, eines Objektteils und eines Einstell- bzw. Fokussiersystems, das ein Objektivlinsensystem und ein Okularlinsensystem aufweist. Interferenzmikroskope weisen normalerweise auch lichtpolarisierende und analysierende Einrichtungen und doppelbrechende Elemente zum Teilen und zum Wiedervereinigen der getrennten Lichtstrahlen auf. Das Vorhandensein dieser doppelbrechenden Elemente im Fokussiersystem erschwert die Einstellung und verschlechtert die Bildwirkung des durch das System hindurchgehenden Lichtes und verringert die Schärfe und Klarheit des beobachteten Bildes.

Bekannte Interferenzmikroskope, welche reflektierende Strahlenleiter verwenden, benötigen entweder eine Vielzahl von optischen Elementen — zwei Kondensoren, zwei Objektive, verschiedene Spiegel teureren Intnrferenzgeräten erreichten Zweck, vermeidet jedoch viele der Nachteile dieser Geräte und erzeugt ein schärferes Bild.

Da die beim Erfindungsgegenstand verwendete Beleuchtung über die gesamte Fläche der Objektebene völlig kohärent ist, können der Probenbereich und der Bezugsbereich der Objektebene willkürlich gewählt werden und im Interferenzokular zur Erzeugung eines Interferenzbildes wieder vereinigt werden. In bekannten, nicht mit völlig kohärenter Beleuchtung der Objektebene arbeitenden Mikroskopen kann eine willkürliche Wahl der zu vereinigenden Bereiche nicht getroffen werden.

Ferner entfällt durch die Verwendung einer kohärenten Lichtquelle für die Beleuchtung der Objektebene die Notwendigkeit, polarisierende, doppelbrechende oder teilweise oberflächenversilberte Elemente im Kondensor des unteren Mikroskopteils zu verwenden. Die von der Verwendung derartiger EIemente herrührenden Schwierigkeiten werden dadurch vermieden.

Das InterferometerokuJar gemäß der Erfindung läßt sich leicht in einem Gehäuse unterbringen, um ein abnehmbares Okular zu schaffen, das bequem in

usw. —, oder sie verwenden eine senkrechte Beleuch- 55 optische Instrumente, wie in übliche biologische Mitung des Objekts. In diesem Fall wird ein Teil des kroskope eingebaut werden kann, um diese für Interzur Beleuchtung verwendeten Lichtes reflektiert und
über die Oberfläche jedes der optischen Elemente des

Mikroskops zerstreut. Dieses reflektierte und zerferenzmessungen und Beobachtungen geeignet zu machen.

Nur eine einfache Abänderung ist erforderlich, um

streute Licht verringert die erreichbare Kontrastwir- 60 bei einem üblichen Mikroskop das erfindungsgemäße

kung erheblich. Ferner kann eine vertikale Beleuchtung in einem üblichen Mikroskop nur für interferometrische Beobachtung der Oberfläche eines Objekts verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile von üblichen interferometrischen Geräten zu erreichen, ohne daß dabei doppelbrechende Elemente zum Teilen und Wiedervereinigen getrennter Strah-Interferometerokular verwenden zu können. Es können jedoch auch kompliziertere Anordnungen verwendet werden. Bei dieser einfachen Abänderung wird eine Blende mit einem kleinen Loch oder einem engen Spalt verwendet, um eine punkt- oder linienförmige Lichtquelle zu bilden. Die Blende wird in oder nahe der ersten Brennebene des im unteren Teil des Mikroskops befindlichen Kondensors angeordnet.

Der Erfindungsgegenstand ist in der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. .In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung des unteren Teils eines bei einem üblichen Mikroskop verwendeten optischen Systems, dessen Aufbau gemäß den Lehren der Erfindung abgeändert ist,

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer Ausbildungsform, welche für die Verwendung in Verbindung mit dem in F i g. 1 gezeigten Mikroskop geeignet ist und bei dem ein Zusammenführungselement mit einer teilweise reflektierenden Oberfläche vorgesehen ist,

F i g. 3 eine schematische Darstellung des in F i g 2 gezeigten optischen Systems mit einigen Abänderungen,

F i g. 4 eine schematische Darstellung des in F i g. 2 gezeigten optischen Systems mit weiteren Abwandlungsmöglichkeitcn,

F i g. 5 eine schematische Darstellung des in F i g. 2 gezeigten optischen Systems mit anderen Abwandlungen,

F i g. 6 eine Seitenansicht einer abgewandelten Form eines der in den F i g. 2, 3, 4 und 5 gezeigten optischen Elemente,

Fig. 7 eine schematische Darstellung des optischen Systems nach Fig. 5, bei dem zusätzliche, für polarisiertes Licht besonders geeignete Elemente verwendet worden sind,

F i g. 8 eine schematische Darstellung des in F i g. 7 gezeigten optischen Systems mit einer weiteren Abwandlung,

F i g. 9 eine schematische Darstellung eines in einer Bildebene des Gerätes erhaltenen Bildes,

Fig. 10 eine schematische Darstellung des optischen Systems einer weiteren Ausführungsform, bei der ein anderes Zusammenführungselement verwendet worden ist, das sowohl total reflektierende als auch nur teilweise reflektierende Flächen aufweist,

Fig. 11 eine schematische Darstellung des in Fig. 10 gezeigten optischen Systems, in dem zusätzliche Spiegel und ein Prisma vorgesehen sind,

Fig. 12 eine schematische Darstellung des in Fig. 10 gezeigten optischen Systems mit einem anderen Spiegel-Prisma-System,

Fig. 13 eine von vorn gesehene Schnittansicht eines Interferenzokulars, in welchem eine der in Fig. 10 gezeigten Anordnung ähnliche Ausführungsform der Erfindung eingebaut worden ist,

Fig. 14 eine von unten gesehene, teilweise im Schnitt gezeigte Ansicht des in Fig. 13 gezeigten Interferenzokulars,

Fig. 15 eine im Schnitt und Aufriß gezeigte Ansicht des Interferenzokulars nach Fig. 13,

Fig. 16 eine Blende eines optischen Systems einer weiteren Ausführungsform, in welcher ein Wollaston oder Doppel-Bildprisma als Zusammenführungselement verwendet wird,

Fig. 17 eine schematische Darstellung des in Fig. 16 gezeigten optischen Systems mit gewissen Abwandlungen,

Fig. 18 eine schematische Darstellung des in Fig. 16 gezeigten optischen Systems mit gewissen weiteren Abwandlungen und

Fig. 19 eine schematische Darstellung eines optischen Systems, welches die Merkmale der in den Fig. 12 und 18 gezeigten Systeme vereinigt.

Die grundsätzliche Wirkungsweise der Erfindung geht am besten aus den F i g. 1 und 2 hervor, in denen eine der Hauptausführungsmöglichkeiten schematisch dargestellt ist.

Ein Abschnitt des optischen Systems eines üblichen Mikroskops mit erfindungsgemäß abgeändertem unterem Teil ist schematisch in F i g. 1 gezeigt. Von einer nicht gezeigten Lichtquelle herrührendes Licht 31 wird auf einen Spalt 32 gerichtet und darauf als Bündel von parallelen Strahlen mittels eines Kondensors

ίο 34 auf eine Probe S mit einem kleinen Objekt O ge richtet. Das Objektivlinsensystem, das schematisch durch das Element 36 angedeutet ist, fokussiert Licht von der Objektebene auf die Bildebene 22, wobei das Objekt O im Prüfling S bis O' erscheint und ein Bets zugspunkt R der Probe S bei R'. Die mittlere öffnung der Blende 35 begrenzt die numerische Apertur des Objektivs.

Der Spalt 32 ist, wie dargestellt, vorzugsweise eng. Er ist senkrecht zur Papierebene der F i g. 1 angeord-

*> net. Das Licht, das von jedem Punkt des Spaltes ausgeht, ist zu einem Bündel von parallelen Strahlen zusammengefaßt, von denen jeder eine im wesentlichen ebene Wellenfront hat, welche die Probe beleuchtet.

»5 Da Licht von jedem Punkt im Spalt 32 alle Punkte in der Objektebene beleuchtet, kann durch irgendeinen Punkt dieser Ebene hindurchgehendes Licht mit durch irgendeinen anderen Punkt dieser Ebene hindurchgehendem Licht interferieren. Das Objekt wird also mit Licht beleuchtet, das an allen Punkten der Objektebene im wesentlichen kohärent ist.

Bei bisher bekannten Interferenzmikroskopen mit Strahlenteilem wurde durch einen Strahlenteiler ein Bündel von gewöhnlich nicht kohärentem Licht in zwei komplementäre Strahlenbündel unterteilt. Diese beiden Bündel wurden über zwei getrennte Strahlengänge geleitet, wobei in einem dieser Strahlengänge eine Bezugsobjektebene und in dem anderen eine Probenobjektebene lag. Die beiden Bündel wurden dann mittels eines zweiten Strahlenteilers wieder vereinigt. Lichtstrahlen, die von einem Punkt des ersten Strahlenteilers ausgehen, werden an einem kongruenten Punkt in dem zweiten Strahlenteiler vereinigt, und da sie Wege von unterschiedlicher optischer Länge zurückgelegt haben, tritt Interferenz auf.

In der in F i g. 1 gezeigten Anordnung wird durch das kleine Objekt O hindurchgehendes Licht, das durch den Strahl T und die gestrichelten Strahlen 7" dargestellt ist, durch das Objekt 36 auf einen Brennpunkt bei O' gerichtet. Das durch den Bezugspunkt R hindurchgehende Licht hat einen Brennpunkt im Bildpunkt R'. Wenn die optische Weglänge der Probe bei O und R verschieden ist, dann kann bei den die Bildpunkte O' und R' bildenden Lichtstrahlen, die auf Grund der kohärenten Beleuchtung der Objektebene kohärent sind, Interferenz eintreten, wenn diese Strahlen sich decken. Dies trifft für jedes Paar von beliebig ausgewählten Punkten in der Objektebene zu, wenn diese in der in Fig. 1 gezeigten Weise beleuchtet wird. Daher ist die Kongruenz oder die Punkt-für-Punkt-Übereinstimmung der Objekt- und Bezugsflächen, welche bei bekannten Interferenzmikroskopen notwendig war, bei der Erfindung nicht erforderlich. Jeder »Bezugsteil« der Objektebene kann irgendeiner ausgewählten Objektfläche überlagert werden, um ein Interferenzbild zu erzeugen, ohne daß anfängliche Strahlenteiler, aufeinander abgestimmte Kondensoren und Objektive oder eine Prä-

zisionsausrichtung von optischen Elementen notwendig ist.

Optische Anordnungen zur Überlagerung von willkürlich gewählten Objekt- und Bezugsflächen der kohärent beleuchteten Objektebene sind in den F i g. 2 bis 19 gezeigt.

Ein Interferometerokular gemäB der Erfindung ist in Fig. 2 schematisch wiedergegeben, welche die Verlängerung der F i g. 1 darstellt, wobei die Punkte O¹ und R' in jeder Figur die gleichen sind. Die mittleren Strahlen R'A und O'B von den Punkten A und O werden durch die Elemente des Interferometerokulars in der folgenden Weise vereinigt und überlagert. Strahl O'B wird entlang der Linie IM durch die Reflexionsfläche 38 reflektiert, die ein voll versilberter Spiegel sein kann, und dieser reflektierte Strahl geht durch den einstellbaren Strahlenteiler 40 hindurch. Ein Teil des Strahls R'A wird auf einem zweiten Strahlenteiler 42 entlang der Linie AC reflektiert und dann wieder vom Strahlenteiler 40 entlang der Linie Öl. Strahl BA und Strahier werden auf diese Weise überlagert, und die Teile von jedem der Strahlen, welche zusammen den Strahlenteiler 42 passieren, können durch das Okular 44 beobachtet werden. Die mittleren Strahlen jedes Bündels sind nunmehr durch die optischen Elemente des Systems hindurch verfolgt worden. Die Kombination der Elemente 38, 40, 42 ist als an der anderen Seite der Bildebene 37 des Objektivs liegend dargestellt, in der die Punkte Cf und R' erscheinen. Es ist aber ersichtlich, daß diese Elemente auch zwischen dem Objektiv 36 und seiner Bildebene 22 liegen können, da die bei diesen Elementen untereinander auftretenden Reflexionen nicht die Konvergenz dieser getrennten Bündel beeinträchtigen, durch welche die Bildpunktc R' und O" gebildet werden, wie dies weiter oben für die mittleren Strahlen des Bündels ausgeführt wurde.

Bei dem bevorzugten Beleuchtungsverfahren, das in Fig. 1 gezeigt ist, wird das Licht 31 von der nicht gezeigten Quelle aus auf den Spalt 32 fokussiert. Dies ist als »Köhlerc-Beleuchtung bekannt. Der Spalt kann dann als selbstleuchtend angesehen werden. Von jedem Punkt im Spalt tritt kohärentes Licht aus und beleuchtet alle Punkte in der Probe. Die überlagerten Bilder von R' und O\ die von Licht, das von jedem Punkt des Spalts herrührt, gebildet sind, bestehen aus kohärentem Licht. Wenn daher die Bilder von R' und Ο" sich nahe überlagern, kann ein Satz von im wesentlichen geraden Interferenzstreifen durch das Okular beobachtet werden. Die Streifenbreite kann dadurch geändert werden, daß man die relative winkelmäßige Einstellung, die die Elemente 38, 40, 42 zueinander haben, etwas ändert. Insbesondere ist es, wenn gewünscht, möglich, einen einzelnen Streifen Über das ganze Blickfeld auszubreiten. Der Strahlenteiler 40, der ebenfalls entlang der Linie AB einstellbar ist, kann linear bewegt werden, um eine das Bild entweder dunkler oder heiler scheinend lassende Interferenz im Blickfeld hervorzurufen. Wenn ein Bild eines plattenförmigen Teilchens im Blickfeld erscheint, kann dieses Bild durch Einstellung des Strahlenteilers 40 heller oder dunkler als das Bild seiner Umgebung erscheinen. Es kann also der Bildkontrast durch eine Bewegung des Strahlenteilers 40 geregelt werden. Wenn die Spaltbreite 32 sehr eng ist, dann kann die Energiedichte im Bild des Teilchens oder im Bild der Umgebung annähernd gleich Null gemacht werden. Die Kontrastwirkung wird demgemäß sehr groß sein. Es ist daher wünschenswert, verschiedene Spaltbreiten vorzusehen, so daß der Beobachter die Intensität der Beleuchtung und die Größe des Kontrastes nach seinem eigenen Wunsch regeln kann. S Im allgemeinen wird die Genauigkeit der Messung von StrahJengangabweichungen vergrößert, wenn man die Spaltbreite verringert. Bei dem einfachsten Verfahren zum Messen von Unterschieden in den Strahlengängen des Teilchens und seiner Umgebung werden die winkelmäßigen Einstellungen der Elemente 38, 40, 42 derart vorgenommen, daß ein Satz von geraden Streifen sich über das Blickfeld erstreckt. Wenn beispielsweise ein plattenförmiges Teilchen vorhanden ist, dann wird eine Streifenversetzung am Rand des Teilchens beobachtet werden können. Diese Streifenversetzung kann leicht in an sich bekannter Weise mit nicht polarisiertem monochromatischem Licht gemessen werden, um den Unterschied in den Strahlengängen von Teilchen und Umgebung zu be-•0 stimmen. Der Gangunterschied kann beispielsweise durch Verwendung eines üblichen Mikrometerokulars an Stelle des in Fig. 13 gezeigten Okularsl08 oder durch Verwendung von in geeigneter Weise kalibrierten Scheiben bewirkt werden, die an den drehbaren Wellen der Knöpfe 116 und 118 angeordnet sind, mittels welchen die winkelmäßigen Versetzungen dieser Wellen gemessen werden, wenn ein Interferenzstreifen und dann ein nachfolgender Streifen durch eine in der Bildebene des Okulars vorgesehene Fadenkreuzlinie hindurchgeht. Es sind jedoch auch viele andere Arten von Messungen des Gangunterschiedes möglich. Beispielsweise kann der Gangunterschied mit Elementen gemessen werden, wie sie in Fig.7 und 8 gezeigt sind und weiter unten näher beschrieben werden.

Obwohl das in den F i g. 1 und 2 gezeigte Ausführungsbeispiel die gewünschte Wirkung aufweist, ist es doch vorteilhaft, zusätzliche optische Elemente oder Abänderungen zu verwenden, um die Variabilität und damit die Brauchbarkeit des Systems zu erhöhen. So kann z. B. die durch eine Bewegung des Strahlenteilers 40 erreichte Einstellung verhältnismäßig grob sein, und wie in F i g. 3 gezeigt, kann eine drehbare durchsichtige Platte 46 in dem Strahlengang R'A zur Feineinstellung des Strahlenganges R'A relativ zum Strahlengang O'BA angeordnet werden. Die Drehung der Platte 46 führt zu einer Veränderung des vom Strahlenbündel R'A zurückgelegten Weges.

Diese Feineinstellung der Strahlenganglänge kann auch, wie in F i g. 6 gezeigt, dadurch erreicht werden, daß man eine abgeänderte Form des Elementes 40 verwendet, bei welcher die Keile 40a und 40 b gleitbar vereinigt sind, so daß eine Gleiteinstellung die optische Länge des Strahlenbündels BC geringfügig ändern wird. Das ganze Element 40 kann auch in Richtung des Bündels BC verstellbar sein, um eine Grobeinstellung der relativen Strahlenganglängen beider Bündel zu erreichen.

In manchen Fällen kann es wünschenswert sein, βο die Amplitude oder Frequenz des Lichtes im Strahl R'A zu verändern, und dies kann dadurch geschehen, daß man eine drehbare teilweise absorbierende Platte 48 in den Strahlengang R'A einfügt, wie dies in F i g. 4 gezeigt ist. Hier wird durch die beim Drehen der Platte 48 hervorgerufene größere Weglänge eine gewünschte vorbestimmte Absorptionsveränderung erreicht. Bei dieser Ausführungsform kann eine weitere Feineinstellung der relativen Strahlenganglängen

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durch Einfügung der drehbaren Platte 46' in den gezeigt ist. Die Vorrichtung 60 wird dann in der Strahlengang O'B erreicht werden, wie dies in F i g. 4 Ebene des endgültigen Objektbildes aufgestellt. Deriezeigt ist. Eine ähnliche Änderung der relativen Am- artige Halbschattenvorrichtungen, welche, wenn bei plituden der Strahlenbündel R'A und O'B kann man Anordnungen von erheblicher axialer Länge eine durch Einfügung fest angeordneter Polarisatoren 50 5 Hilfslinse erforderlich ist, in der Brennebene dieser jnd 52 in den Strahlengängen R'A und O'B errei- Hilfslinse 75 angeordnet werden, können Soliel oder ■±en, wie dies in F i g. 5 gezeigt ist. Diese Polaris'ato- Makamura-Doppelplatten sein. Beim Vorhandensein ren haben senkrecht zueinander stehende Polarisa- dieser Vorrichtungen können die beiden Hälften des i.ions-Azimute, um in den beiden Strahlenbündeln Bildes mittels eines drehbaren Analysator gleich senkrecht zueinander polarisiertes Licht zu übertra- io hell eingestellt werden. Die durch das Objekt eingehen, wobei die Polarisationsebenen normal bzw. par- führte Verzögerung kann auf diese Weise mit größeallel zur Einfallsebene des Lichtes auf die Reflexions- rer Genauigkeit gemessen werden,
flächen 38 und 42 liegen, um dadurch eine elliptische F i g. 9 zeigt eine schematische Darstellung von Depolarisation bei der Reflexion in diesen Flächen den beiden Teilen der Bildebene ab, welche die zu vermeiden. Wenn ein drehbarer Polarisator 54 in 15 durch das erfindungsgemäße Interferenzokular zu den Strahlengang beider Strahlenbündel angeordnet überlagernden Strahlenbündel O' und R' umgeben, wird, dann wird seine Dreheinstellung um eine im Das Reflexionssystem gemäß Fig. 2 arbeitet in wesentlichen parallel zur optischen Achse O'Z des sehr befriedigender Weise. Es ergibt sich dabei, daß Systems liegenden Achse die Amplitude des einen die Anzahl der Reflexionen, denen die Bündel R'ACA Strahlenbündels vergrößern und gleichzeitig die Am- ao und OBCA der F i g. 2 unterworfen sind, um eine plitude des anderen Bündels verringern, so daß jedes ungerade Zahl differiert. Wenn die Zahl der Re-Strahlenbündel im wesentlichen gesperrt werden und flexionen, denen die zu überlagernden Bündel von R' eine große Anzahl von Amplituden für diese beiden und O' ausgesetzt sind, um eine ungerade Zahl diffe-Strahlenbündel gewählt werden kann. Ein Sperren riert, dann wird durch die geneigten Wellenfronten oder Festlegen eines Strahlenbündels gestattet eine 25 ein Interferenzbild mit vielen schmalen Streifen für sorgfältige Auswahl der Fläche der Probe, die durch das Licht erzeugt, welches von Punkten ausgeht, die das andere Strahlenbündel abgebildet werden soll. genügend weit von der Mittellinie des zentrierten Wenn keine Polarisatoren vorhanden sind, kann ein Spaltes angeordnet sind. Glücklicherweise kann aber ähnliches Festlegen dadurch erreicht werden, daß das Auftreten dieser schmalen Streifen vermieden man eines der Bündel durch irgendein geeignetes Mit- 30 werden, wenn man das Reflexionssystem so abändert, tcl. beispielsweise eine in den Strahlengang angeord- daß die Anzahl der Reflexionen der interferierenden nete (nicht dargestellte) Blende ablenkt oder be- Bündel von R' und O' um Null oder eine ganze Zahl hindert. differiert, wie dies bei den reflektierenden Flächen

Obwohl beobachtbare Interferenzerscheinungen in 38, 41a und 426, 42 in Fig. 10 der Fall ist. Jede

dem Interferometerokular gemäß der vorliegenden 35 Reflexion kehrt die Wirkung, die sich aus seiner

Erfindung sowohl als auch dann auftreten, wenn pola- Neigung der Wellenfront oder einer Abweichung der-

risiertes oder nichtpolarisiertes Licht verwendet wird, selben von einer geraden Front ergibt, um, und wenn

so kann doch durch die Einlührung von Polarisatoren zwei Bündel Strahlengängen folgen, die um eine un-

50 und 52 das Gerät zusammen mit einstellbaren Eic- gerade Zahl von Reflexionen differieren, dann wird

menten verwendet werden, welche so bemessen sind, 40 die Wirkung einer solchen Neigung oder Abweichung

daß sie die von einem zu prüfenden Teilchen in bezug erhöht, so daß das Interferenzbild viele schmale

auf seine Umgebung eingeführte Phasenverzögerung Streifen enthalten kann. Durch eine geradzahlige

quantitativ messen können. Beispielsweise ist in dem Differenz in der Anzahl der Reflexionen werden je-

in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ein Senar- doch die ungünstigen Auswirkungen solcher Neigun-

mont-Kompensator verwendet, dessen Viertelwellen- 45 gen oder Abweichungen aufgehoben, wodurch viel

platte 56 und dessen drehbarer Analysator 58 (der breitere Interferenzstreifen entstehen, deren Breite

ein Blatt aus einem polarisierenden transparenten durch winkelmäßige Einstellung der Elemente 38,41

Material sein kann) zwischen dem Element42 und und 42 in Fig. 10 geregelt werden kann, wenn die

dem Okular 44 angeordnet ist. Dieser Kompensator, Schlitzweitc vergrößert wird.

in dem die feste Viertelwellcnplatte 56 unter 45" zu 50 in der in Fig. 10 gezeigten abgewandelten Ausden senkrechten Polarisationsebenen dci überlagerten führungsform der Erfindung ist ein anderes Element Strahlenbündel geneigt ist, verwandelt diese Strahlen- 41 zum Vereinigen der beiden Strahlenbündel vorbündel in sich gegenläufig drehende kreisförmige gesehen. Das Element 41 hat eine im wesentlichen polarisierende Bündel, welche von dem drehbaren totalreflekticrende oder vollversilberte Oberfläche Analysator 58 analysiert werden. Der Unterschied in 55 41a, die so angeordnet ist, daß sie das Bezugsbündel der winkelmäßigen Einstellung des Analysator 58 für AC entlang der Linie CD reflektiert, und eine teilminimale Objekthelligkeit und für minimale Umge- weise reflektierende oder halbversilberte Oberfläche bungshelligkeit ergibt, wenn mit Zwei multipliziert, 41 ft, die so angeordnet ist, daß ein Teil des Bündels die Größe des Gangunterschicds zwischen Objekt und CD durch die Fläche 41 ft entlang der Linie DE hinseiner Umgebung. 60 durchgeht, während der übrige Teil des Bündels CD

Da eine genaue Wahrnchmbarkeit der Einstellun- entlang der Linie DF reflektiert wird. Zur gleichen

gen für minimale Helligkeit für das menschliche Zeit wird das von dem Probeteilchen ausgehende

Auge schwierig ist, können auch, was für das Strahlenbündel BD in der Fläche 41 ft gespalten, wo-

mcnschliche Auge leichter ist, die relativen Hellig- bei ein Teil dieses Bündels durch die Fläche 41 ft

keilen benachbarter Flächen für diesen Zweck ver- 65 entlang der Linie DF hindurchgeht und der übrige

glichen werden, wenn eine Halbschattcnvorrichtung Teil entlang der Linie DE reflektiert wird. Wenn da-

60 zwischen der Viertelwellcnplatte 56 und dem her das Okular im Punkt E liegt, wird jedes Bündel

Analysator 58 angeordnet wird, wie dies in F i g. 8 zwei Reflexionen unterworfen, während bei Anord-

nung des Okulars in der alternativen Stellung das Bezugsbündel drei Reflexionen unterworfen ist, während das Bündel des Probeteilchens nur eine Reflexion erfährt. Der geradzahlige Unterschied in der Anzahl der Reflexionen jedes Sirahlenbündels verringert also in erwünschter Weise die von kleineren Fehlern im optischen System und von der Spaltbreite verursachten ungünstigen Auswirkungen, wie dies bereits weiter oben ausgeführt wurde. Die Flachen 41a und 41 b können in dem in Fig. 10 gezeigten zusammengesetzten Prisma 41 liegen. Sie könnten aber auch eine vollversilberte Spiegelfläche und eine halbversilberte Spiegelfläche sein, die in einem beweglichen Rahmen angeordnet sind.

Das Element 41 kann zur Grobeinstellung des Gangunterschiedes der beiden Bündel in Richtung BF bewegt werden, während Feineinstellungen durch Einfügung einer drehbaren transparenten Platte in den Strahlengang des Bündels R'A nach Art der F i g. 3 ermöglicht werden können. Andererseits kann auch das die Bündel vereinigende Element 41 selbst drehbar angeordnet sein, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist. Wenn das Element 41 beispielsweise um den Punkt D drehbar ist, wird eine geringe Drehung die Linie AC etwas verlängern oder verkürzen, während die anderen Teile beider optischen Wege im wesentlichen unverändert bleiben.

Eine besonders brauchbare Ausführungsform mit einem die Bündel vereinigenden Element, wie dem zusammengesetzten Prisma 41 ist schematisch in Fig. 10 gezeigt, in der die Bündeln'/ und O'G so nahe beieinander liegen, daß das Element 41 schlecht zwischen ihnen angeordnet werden kann. Hier wird der das Bündel R'J entlang JKA von den Elementen 43 und 47 reflektiert, während das Bündel O'G entlang GHB von den Elementen 43 und 39 reflektiert wird. Bei dieser Anordnung ist genügend Raum für das Element 41 und auch für dessen Parallelverschiebung und dessen Drehbewegung zur Einstellung des Gangunterschiedes der beiden Bündel vorhanden.

Eine ähnliche Trennung der Strahlengänge kann durch andere Kombinationen von Spiegeln und Prismen erreicht werden, wie die Ausführungsform in F i g. 12 zeigt. Hier sind die Flächen 43 a und 43 b keine Flächen eines zentralen Prismas 43, wie dies in Fig. 11 der Fall ist, sondern sind statt dessen Teile von benachbarten, sich gegenüberliegenden Prismen 45 und 47, deren gegenüberliegende Enden reflektierende Flächen 37 und 39 bilden.

Ein Ausführungsbeispiel eines die Anordnung nach Fig. 10 bzw. 11 verwendetenInterferenzokulars ist in den Fig. 13 bis 15 dargestellt. Ein Gehäuse 102 weist einen die Eintrittsöffnung für durch das Mikroskop hindurchgehendes Licht bildenden Ringflansch 104 auf. Hinter dem Flansch 104 ist am Vorderende des Gehäuses 102 eine transparente Deckplatte 72 angeordnet, durch die das Licht in das Gehäuse eintritt und über feste Prismen 74, 76, 78 und 80 zunächst über getrennte Strahlengänge auf das zusammengesetzte Prisma 41 fällt. Vom Prisma 41 wird das Licht in der an Hand der Fig. 10 und 11 beschriebenen Weise überlagert und in Richtung auf das eigentliche Okular 108 reflektiert. Das zusammengesetzte Prisma 41 ist auf einem Rahmen 82 angeordnet, der um die Achse eines parallel zur Spaltlichtquelle 32 (F i g. 1) angeordneten Zapfens 86 verschwenkbar ist. Der Zapfen 86 ist drehbar in einer querverschiebbaren Konsole 114 gelagert, die in einer Gleitführung 120 eines im Gehäuse 102 angeordneten Sockels 88 gleitet. Über eine an einen Flansch 114 a der Konsole 114 angreifende Schraubvorrichtung 118, 122 kann die Konsole 117 au: der Gleitführung 120 verschoben werden. Die Drehung des Prismas 41. erfolgt ebenfalls durch eine Schraubvorrichtung 116, 124, welche an einem Flanschen 82a des Rahmens 82 angreift. Federn 123 kompensieren den toten Gang der Schraubverbindung.

ίο Ausführungsbeispiele, bei denen eine andere Form von Strahlenteilern als ein die Strahlenbündel vereinigendes Element verwendet sind, sind in den Fig. 17, 18 und 19 gezeigt. In den in diesen Figuren gezeigten Systemen besteht das die Überlagerung der Bündel bewerkstelligende Element aus einem Doppelbildprisma 61, wie einem Wollaston-Prisma, das zwei entsprechend ausgerichtete Strahlenbündel AC und BD aufnimmt und sie durch Brechung zu einem Bündel PE vereinigt, das auf das nicht gezeigte

so Okular gerichtet ist. Der Winkel zwischen den Bündeln AC und BD ist so gewählt, daß das Doppeibildprisma diese Strahlenbündel vereinigen kann. Das Wollaston-Prisma wird ein solches Vereinigen der Strahlenbündel nur für solche Komponenten der beiden Bündel ausführen, welche in senkrecht zueinanderliegenden Ebenen polarisiert sind und weiche ferner in richtiger Weise relativ zu der geneigten brechenden Innenfläche des Prismas ausgerichtet sind. Es können daher überflüssige Komponenten des Lichtes ausgeschieden werden, wenn man Polarisatoren 64 und 66 in den Strahlengängen AC und BD vorsieht, wie dies in Fig. 16 gezeigt ist. Diese Polarisatoren sind so ausgebildet und angeordnet, daß nur die gewünschten Komponenten zu dem WoUaston-Prisma 62 gelangen.

Andererseits werden, falls die Polarisatoren 64 und 66 weggelassen werden, die Komponenten der beiden Strahlenbündel, die nicht in die gewünschter. Ebenen fallen, durch das Prisma in anderer Weise gebrochen. Sie werden daher beim Verlassen des Prismas divergieren und können dann durch eine Blende 68 blockiert werden, deren Öffnung so gewählt ist, daß nur das vereinigte Bündel PE durch sie hindurchgeht, wie dies in Fig. 17 gezeigt ist.

Falls Polarisatoren 64 und 66 an Stelle der Blende 68 verwendet werden, dann können die relativen Amplituden der beiden Strahlenbündel dadurch geändert und einander angeglichen werden, daß man einen drehbaren Polarisator 54 im Strahlengang beider Bündel vorsieht, wie dies in Fig. 16 gezeigt ist. Die Drehung des Polarisators 54 wird dann die relativen Amplituden der Strahlenbündel AC und BD ändern oder gleichmachen, wie dies bereits weiter oben mit Bezug auf Fi g. 5 erklärt worden ist.

Ein weiterer Vorteil des in Fig. 16 gezeigten Systems mit den Polarisatoren 64 und 66 besteht darin, daß die Kombination zusammen mit den HaIbschattenokularelementen 75, 56, 58 und 60 verwendet werden kann, die weiter oben mit Bezug auf Fig. 8 beschrieben wurden. DieSenarmont-Kompensatorelemente 56 und 58, die in Fig. 7 gezeigt sind, können, falls erwünscht, auch ohne das Halbschattenelement 60 verwendet werden.

Drei verschiedene Kombinationen von Elementen, die dazu verwendet werden können, Lichtbündel in das Wollaston-Prisma 62 einzuführen, sind in den Fig. 16, 17 und 18 gezeigt. In Fig. 16 werden zwei brechende Prismen 70 und 71 verwendet, und falls

eines dieser Prismen, beispielsweise das Prisma 70, in einer normal zur optischen Achse des Systems liegenden Richtung einstellbar ist, können Feineinstellungen des Gangunterschiedes der beiden Bündel vorgenommen werden. Wenn beispielsweise das Prisma 70 aufwärts bewegt wird, dann bleiben die Brechungswinkel seiner beiden Flächen unverändert, während der von dem durch das Prisma hindurchgehenden Bündel zurückgelegte Weg vergrößert wird.

Wie in Fig. 17 gezeigt, kann ein Paar von in ge- ίο cigneter Weise orientierten Spiegeln 77 und 79 verwendet werden, um die beiden Strahlen auf das Wollaston-Prisma 62 zu richten. Falls erwünscht, können die Spiegel die Strahlenbündel auch auf ein Prisma 78 richten, dessen Flächen so ausgebildet sind, daß sie die getrennten Lichtbündel in das Wollaston-Prisma 62 unter den erforderlichen Winkeln einführen,wie dies in Fig. 18 gezeigt ist. Dieses weitere Prisma 78 kann in einer senkrecht zur optischen Achse des Systems liegenden Ebene beweglich ao angeordnet sein, um den Gangunterschied der beiden Strahlenbündel einzustellen. Andere Kompensationseinrichtungen, wie die in Fig. 3 und 4 gezeigten Einrichtungen, können, falls erwünscht, mit diesen Systemen kombiniert werden. . a5

Die beiden Strahlenbündel liegen oft sehr nahe beieinander, wenn sie sich der Bildebene nähern, und es kann vorteilhaft sein, sie durch reflektierende Kombinationen, wie sie in den Fig. 11 und 12 gezeigt sind,zu trennen. So zeigt beispielsweise Fig. 19 eine Ausführungsform der Erfindung mit Prismen 45 und 47 zum Trennen der beiden Bündel und ferner mit Spiegeln 77 und 79, um die Bündel nach einem einstellbaren weiteren Prisma 78 zu führen, welches sie in das Wollaston-Prisma 62 unter den gewünschten Winkeln einführt. Senkrecht angeordnete Polarisatoren 64 und 66 arbeiten zusammen, um Δία Bündel in der für das Wclhston-Prisma benötigten Weise zu polarisieren, während ein einstellbarer Polarisator 54 eine Änderung ihrer Amplitude gestattet. Die durch die Phasenverzögerung des zu prüfenden Objektteilchens erzeugten Interferenzerscheinungen können durch Verwendung von HaIbschatten-Okularelementen 75, 56, 58 und 16 in der weiter oben beschriebenen Weise gemessen werden. Eine Feineinstellung der Längen der Strahlengänge kann in einem der Strahlenbündel durch Drehen der transparenten Platte 46 bewirkt werden.

In allen weiteren Ausführungsformen wird "das Grundprinzip der Überlagerung zweier getrennter Bildteile in verschiedener Weise bewirkt, so daß eine große Flexibilität in der Auswahl und für die Einstellung der optischen Elemente möglich ist. Ferner sind alle optischen Elemente des Interferometerokulars in einem einzigen Gehäuse vereint, wie beispielsweise in den Fig. 13, 14 und 15 gezeigt ist, so daß interferometrische Beobachtungen mit einem üblichen Mikroskop oder anderen optischen Geräten durch Einbau eines verhältnismäßig einfachen und billigen optischen Anbauteils vorgenommen werden können. Bei der Erfindung ist es ferner erforderlich, daß die Objektebene mit Licht beleuchtet wird, das in allen Punkten dieser Ebene kohärent ist. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Objektebene mit dem Beiigungsbild eines Löchleins oder des in den Zeichnungen gezeigten Spaltes oder durch die Verwendung irgendeiner anderen Quelle von kohärentem Licht, wie einem Laser, beleuchtet wird.

In den in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispielen ist das einzige notwendigerweise außerhalb des Interferenzokulars angeordnete Element die Blende mit der vorzugsweise spaltförmigen »Lichtquelle« 32, die zweckmäßig in der ersten Brennebene der Kondensorlinse 34 angeordnet wird, wobei sich der Spalt senkrecht zur Papierebene der Figuren erstreckt und deshalb senkrecht zu den Einfallebenen der verschiedenen reflektierenden Flächen des Interferenzokulars liegt. In dem gezeigten System wird durch die Anordnung des Schlitzes 32 die notwendige kohärente Beleuchtung der ganzen Objektebene bewirkt.

Die Auswahl der beiden zu überlagernden Bildteile kann dadurch erleichtert werden, daß man eines der Strahlenbündel in der oben beschriebenen Weise blockiert. Wenn das Mikroskop mit einem rotierenden Objekttisch versehen ist, können der Tisch und die Probe so gedreht werden, bis eine geeignete Bildfläche gefunden ist. Falls eine Mehrzahl von Objektivlinsen vorhanden ist, kann eine Änderung der Vergrößerung oft die Auswahl der Bildfläche erleichtern. Falls es erwünscht ist, das Interferometerokular selbst für die Auswahl der Bildfläche zu verwenden, können verschiedene optische Elemente im Okular beweglich angeordnet werden. So könnten in den Fig. 2, 3, 4, 5, 7, 8, 10, 11, 12, 18 und 19 die reflektierenden Flächen 42 oder 77 in einer normal zur optischen Achse des Systems liegenden Richtung zur Einstellung beweglich angeordnet sein. Dies würde in bequemer Weise die Auswahl der 3ezugs- oder Vergleichsbildfläche gestatten, ohne dabei die Elemente zu beeinflussen, welche auf das vom Objektteilchen ausgehende Strahlenbündel einwirken.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Interferometerokulare ist keineswegs auf Mikroskope beschränkt, denn sie können in Verbindung mit irgendeinem optischen System angewendet werden, bei dem interferometrische Beobachtungen ausgeführt werden müssen. Beispielsweise kann die Erfindung dazu verwendet werden, die sphärische Aberration eines Teleskops zu messen oder die Phasendifferenz von zwei Teilen eines durch ein optisches Instrument erzeugten Bildes.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Interferometrisches System zur Verwendung in einem Mikroskop, in dem ein Objektiv und ein Kondensator angeordnet sind und eine mit einem engen optischen Spalt versehene Blende im Brennpunkt des Kondensors angeordnet ist, um bei Beleuchtung des Spalts durch eine übliche Mikroskopbeleuchtung ein kohärentes Bündel von im wesentlichen parallel gerichtetem Licht von jedem Punkt im Spalt auf die Objektebene und das Objektiv zu richten, dadurch gekennzeichnet, daß in zwei getrennten Strahlengängen von bilderzeugenden Lichtstrahlen Ausrichteeinrichtungen (37, 38, 39, 40, 43, 45, 47, 70, 71, 77, 78, 79) für die Lichtstrahlen und lichtreflektierende Elemente (37, 38, 39, 42, 43, 45, 47, 77, 78, 79) angeordnet sind, welche die Lichtstrahlen in beiden Strahlengängen auf Einrichtungen (40, 41, 62) zum interferenzfähigen Vereinigen der Lichtstrahlen richten, wobei diese Einrichtungen die Lichtstrahlen beider Strahlengänge in einer einzigen Richtung auf ein Okular

(44) richten; daß die lichtreflektierenden Elemente und die die Strahlenbündel vereinigenden Einrichtungen so einstellbar sind, daß sich die Anzahl der Reflexionen der Lichtstrahlen eines der Strahlengänge von der Anzahl der Reflexionen der Lichtstrahlen des anderen Strahlenganges nicht oder um eine gerade Zahl unterscheidet; und daß Einrichtungen (40, 46, 46', 50, 52, 70) zur Änderung der optischen Weglänge des Strahlenganges einstellbar in wenigstens einem der Strahlengänge angeordnet sind, um die optische Länge des einen Strahlenganges relativ zum anderen Strahlengang zu ändern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zur Änderung der Lichtintensität dienende Einrichtungen (48), die in einem der Strahlengänge angeordnet sind, um die Lichtintensität in diesem Strahlengang zu ändern, ohne

die Lichtintensität des anderen Strahlengangs zu ändern.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen ersten Polarisator (50), der in einem der Strahlengänge angeordnet ist, und durch einen zweiten Polarisator, der im anderen Strahlengang angeordnet ist und dessen Polarisationsrichtung senkrecht zur Polarisationsrichtung des ersten Polarisators verläuft; und durch einen drehbaren Anlysator (58), der in dem Strahlengang der überlagerten Strahlen beider Flächen angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Strahlenbündel vereinigenden Einrichtungen einen teilweise übertragenden, teilweise reflektierenden Spiegel (40, 41) enthalten, der linear verschiebbar entlang dem Weg der vereinigten Strahlen angeordnet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen