DE1447212A1 - Einrichtung fuer Phasenmessungen an mikroskopischen Objekten - Google Patents

Description

• Einrichtung für Phasenmessungen an mikroskopischen Objekten Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Vermessung von Gangunterschieden an im Durchlicht oder Auflicht beleuchteten Objekten, insbesondere Phasenobjekten. Zur kontrastreichen Darstellung und Vermessung von Phasenobjekten bedient man sich der Phasenkontrast-und Interferenzmikroskopie.
• Das Phasenkontrastverfahren nach Zernike ist besonders bestimmt für die Beobachtung kleiner Phasen-Objekte, während die verschiedenen bekannten Verfahren der Interferenzmikroskopie besser fUr die kontrastreiche Darstellung großflächiger Phasenobjekte s%-lwie die Vermessung von Gangunterschieden an PhasenobJekten geeignet sind.
• `Nährend beim Phasenkontrastverfahren die Kontraste durch unterschiedliche Beeinflussung, wie Änderung der relativen Phasendrehung und Durchlässigkeit zwischen direkten und am zu untersuchenden Objekt.gebeugten Lichts erzeugt werden, wird bei den versel-,'lede,.ien Interferenzverfahren die Überlagerung des normalen liellfeldbildes mit einem dazu kohärenten Untergrund bewirkt. Letzterer kann strukturlos sein oder ebenfalls Objektstrukturen enthalten. Durch meßbare Veränderung der Phasendifferenz zwischen Hellfeldbild und genanntex Untergrund können optimale Kontraste er-zeugt und relative Gangunterschiede von Phasenobjekten ermittelt werden. Je nach Justierung der beiden Teilstrahlgänge zueinander erhält man im Sehfeld Interferenzstreifen oder ein homogenes Feld, in dem sich dagegen kontrastiert das Bild des Objektes befindet.
• Der strukturlose kohärente Untergrund ist an handelsüblichen Interferenzmikroskopen herkömmlicher Art durch beleuchtungsseitige Aufspaltung des Strahlenganges in der Weise erreicht worden, daß der Vergleichsatrahlengang das Objekt nicht durchsetzt. Diese Methode ist theoretisch einwandfrei, führt aber zu Schwierigkeiten bei der JustierLmg und hinsichtlich der mechanischen und thermischen Stabilität, weil beide Strahlengänge über eine relativ große Strecke unterschiedliche optische Elemente durchlaufen. Bei einwandfreier Durchführung des Prinzips ist diese Methode jedoch recht kostspielig.
• Einige moderne Methoden der Interferenzmikroskopie verzichten auf die getrennte Führung beider Strahlengänge und arbeiten mit einer Bildaufspaltung, die durch Verwendung polarisationsoptischer Hilfsmittef realisiert wird. Es wird also eine teilweise Überlagerung der Bildstrukturen in Kauf genommen. Wegen der Verwendung polarisierten Lichts führt die Vermessung von Polarisationsobjekten auf Schwierigkeiten. -Außerdem muß die Beleuchtungsapertur im allgemeinen stark.eingesehränkt werden. Dagegen sind die Schwierigkeiten hinsichtlich Justierung und Stabilität relativ gering, da beide Strahlengänge nur um einen geringen Betrag seitlich versetzt die gleichen optischen Elemente durchlaufen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Vermessung von Gangunterschieden an mikroskopischen Objekten, insbesondere Phasenobjekten zu schaffen, die in gleicher Weise sowohl für Durchlicht als auch für Auflicht brauchbar ist und die die bei'den anderen interferenzmikroskopischen Abordnungen genannten Nachteile weitgehend vermeidet.
• Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Durchführung genauer Phasenmessungen an mikroskopischen Objekten mit Hilfe eines in der Nähe der 0'&"-;jektivaustrittepupille oder eines Bildes derselben angeordneten Mach-Zehnder-Interferometers bei ausschließlicher Benutzung nichtpolarisierender Elemente der Eigenart des Objektes hinsichtlich Größe und Phasendrehung entsprechende, vorzugsweise lichtdurchlässige, in ihrer 'Nirkung veränderbare Keile oder zur Aperturblende konjugierte Blenden venvendet werden.
• Um besonders bei stärkeren Objektiven ein zugängliches Bild der Objektivpupille zu erhalten, ergibt sich eine vorteilhafte Ausführung, wenn ein die Objektivpupille abbildendes Zwischenabbildungssystem vorgesehen ist.
• Zur Erzielung einer Bildaufspaltung in einem hinter dem Mach-Zehnder-Int-erferometer gelegenen Zwischenbild ist in oder in der Nähe einer der beiden im Interferometer gelegenen Objektivaustrittspupillen oder in einem im Interferometer gelegenen Bild derselben ein lichtdurchangeordnet. Eine vorteilhafte Ausführung ergibt sich, wenn die ablenkende Wirkung des lichtdurchlässigen Keiles veränderbar ist, und wenn der Keil auf einer Drehvorrichtung angeordnet ist, deren Drehachse einerseits und die optische Achse des Gerätes andererseits vorzugsweise senkrecht auf der durch die Keilkante gehende Symmetrieebene des Keiles stehen. Dadurch-ist es möglich, Größe und Richtung der Bildaufspaltung kontinuierlich zu verändern.
• Zur Begrenzung der Beleuchtungsapertur ist im Beleuchtungsteil eine vorzugsweise spaltförmige Blende angeordnet, deren Blendenöffnung zur Erzielung optimaler Beleuchtungebedingungen, die dem zu untersuchen Objekt angepaßt sind, veränderbar ist.
• Zur Erzielung optimalen Bildkontrasts muß die Spaltblende senkrecht zur Aufspaltungsrichtung des Bildes stehen. Es ist deshalb von Vorteil, wenn diese Blende um eine hicht zur optischen Achse senkrechte Achse drehbar ist.
• Bei Beleuchtung mit monochromatischex oder nahezu monochromatischem licht ergibt sich eine weitere vorteilhafte Ausführung, wenn zur Erhöhung der Intensität und Bildqualität die im Beleuchtungsstrahlengang befindliche Blende oder ein Spalt gegen ein die Beleuchtungsapertur vergrößerendes Gitter auswechselbar ist, dessen Spaltabstände der Größe der Objektaufspaltung angepaßt sind.
• Wenn beleuchtungsseitig Blenden, vorzugsweise Ringblenden, und in der Nähe äliKer der beiden, im Interferometer gelegenen Objektiv Austrittspupillen oder im dort gelegenen Bild derselben, je,##jeils'eine zur Beleuchtungsseitigen Blende konjugierte Blende ausl"jechselbar angeordnet werden, ergibt sich eine besonders vorteilhafte Anordnung zur Vermessung d'er relativen Phasendrehung kleiner Phas'enobjekte. In diesem Fall bildet das durch die konjugierte Blende hindurchgegangene direkte licht eine homogene Vergleichswelle, die mit der Objektwelle interferiert und so eine kontrastreiche Darstellung des Phasenobjekts ermöglicht.
• Zur optimalen Anpassung an die Objektgröße ergibt sich weiterhin eine vorteilhafte Ausfühlrung, wenn die Blenden aus zwei konzentrischen, die optimale Anpassung an die Objektgröße gewährleistenden Ringen unterschiedlicher Breite bestehen, von denen der breite im Beleuchtungsteil als auch im Interferometer wahlweise abdeckbar ist.
• Für die Durchführung genauer Phasenmessungen auch CD bei großen Gangunterschieden hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn im Interferometer ein Phasenschieber angeordnet ist, der vorzugsweise aus einem verstellbaren durchsichtigen-Keil oder aus einer Kombination von mindestens zwei Keilen besteht, und wenn der Phasenschieber oder eine andere dafür eingesetzte Platte oder ein Keil einzeln oder mit dem Phasenschieber kombiniert um eine zur optischen Achse nicht parallele Achse drehbar ist.
• Zur Kompensation der optischen 1.Veglängen in beiden Teilstrahlengängen sind im Interferometer zusätzliche feste oder bewegliche durchsichtige Platten oder Keile vorgesehen.
• Um die Einrichtung für verschiedene Anwendungsgebiete einsetzen zu können, sind alle optisch wirksamen Elemente im Beleuchtungs- und interferometerteil auswechselbar.
• Eine Erhöhung der Meßgenauigkeit ergibt sich, wenn in einem vor dem Interferometer gelegenen Zwischenbild eine Halbschattenplatte (Platte mit planparallelen Stufen) geeigneter Phasendrehung angeordnet ist, die entweder eine Phasenstufe oder einen oder mehrere Phasenstreifen oder -ringe enthält, deren Breite ist, wobei Wellenzahl, Breite des Blendenringes im Interferometer und f = die für die Ab- bildung der Ringblende wirksame Brennweite bedeuten. Dadurch wird erreicht, daß die vom Phasenkontrastverfahren bekannten Halo-Erscheinungen die Meßgenauigkeit nicht oder kaum beeinträchtigen.
• Für die Untersuchung doppelbrechender Objekte ist es weiterhin von Vorteil, wenn beleuchtungsseitig und abbildungsseitig Polarisatoren und Kompensatoren einsetzbar sind.
• Für die gleichzeitige oder nacheinander erfolgende Anwendung verschiedener aufeinander abstimmbarer entsprechend vorgesehener Lichtarten hat es sich schließlich für die universelle Anwendbarkeit der Einrichtung als günstig erwiesen, wenn im Beleuchtungsstrahlengang eine Teilungsfläche vorgesehen ist.
• Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist schematisch in der Zeichnung dargestellt. Eine vor dem Kondensor 1 befindliche Spalt- oder Ringblende 2 wird über diesen Kondensor 1 durch die Objektebene 3 hindurch von einem Objektiv 4 über ein aus den Iinsensystemen 5 und 6 bestehendes Zwischenabb2dungssystem in eine hinter dem Teilungsprisma 7 gelegene Bildebe ne 8 abgebildet, in der sich auch in der Zeichnung hintereinander dargestellt ein verstellbarer Glankeil 9 befindet. Anstelle dieses Glaskeiles kann sich auch eine Ringblende befinden, die im Gegensatz zum Glaskeil keine Bildaufspaltung hervorruft. Durch das Teilungsprisma 7 wird der beschriebene Strahlengang in zwei Strahlengänge aufgespalten und Prisma 10 wieder vereinigt. Die Prismen 7 und 10 stellen in ihrer Vereinigung ein Mach-Zehnder-Interferometer mit den lichtaustritten 11 und llt dar. Die hinter--dem Prisma 10 -entstehenden Zwischenbilder der Objektebene 3 können mit Hilfe eines nicht dargestellten Morß- oder Binokulars beobachtet werden. Allerdings sind diese beiden Bilder nicht identisch, sondern zueina,nder komplementär. Mittels eines Phasenschiebers 12 kann die Phasendifferenz.der im Interferometer verlaufenden Teilstrahlen meßbar verändert werden, wodurch das Feld die Helligkeit oder bei Beleuchtung mit weißem licht die Farbe verändert. Befindet sich in der Objektebene 3 ein Phasenobjekt, so wird dig Wellenfläche durch dieses deformiert. Im Zwischenbild überlagern sich beide Wellenflächen, ohne daß dabei schon Kontraste auftreten. Dies ist deswegen nicht der Fall, weil beide Wellenflächen gleich und nicht seitlich gegeneinander verschoben sind.
• Wird jedoch am Ort des Bildes vom Spalt 2 ein Glaskeil 13 mit geringem Keilwinkel eingefügt, dann tritt die schon aus den polarisationsoptischen Interferenzanordnungen bekannte Bildaufspaltung'auf. Es interferieren dann jeweils eine Objektstelle der einen Wellenfläche mit der das Objekt umgebenden Stelle der anderen Wellenfläche. Mit Hilfe des Phasenschiebers 12 wird nacheinander eine dieser Objektstellen und deren Umgebung durchs Interferenzen auf größte Dunkelheit gebrach#. Aus der Differenz beider Einstellungen ergibt sich die Objektphasendrehung. Eine planparallele Glasplatte 14 und ein Keil 15 dienen zur Kompensierung des Glasweges i n den Keilen 9-- 13 und des Phasenschiebers 12.
• Man kann den Keilwi nkel des kombinierten Keiles 9; 13 auch go klein machen, daß die Objektaufspaltung in der Größenordnung der Auflösungsgrenze des Objektivs liegt. Dann entsteht bei Objekten mit kontinuierlich veränderlichen Phasenänderungen ein Relief-E±fekt. In diesem Fall wird nicht die tötale Phasenänderung, sondern der Gradient derselben bzw. der Brechzahl angezeigt. Das Bild ähnelt de4 einer elektronenmikroskopischen Aufnahme eines Schr,ag bedampften Präparates. Durch eine gegensinnige Drehung'des schwachen Keiles 15 und des Phasenschiebers 12 um Achsen, die nicht parallel zur 9'tischen Achse verlau' p fen, werden sowohl das Bild als auch die Pupille aufgespalten. Durch gegensinniges Drehen der Keile 9 und 13 um eine zu der erstgenannten nicht parallelen Drehachse kann jedoch die genannte Bildaufspaltung ganz oder teilweise rückgängig gemacht w erden. Die Größe der Pupillenaufspaltung kann also =abhängig von der Objektaufspaltung gewählt werden. Aus dieser Pupillenaufspaltung resultiert bei Beleuchtung mit polychromatischem licht ein in der Bildebene farbiges Interferenzstreifensystem. Der Abstand der Interferenzstreifen ist umgekehrt prop ortio-#al der Pupillenaufspaltung. Bei gleichzeitiger Bildaufspaltung ergibt sich eine durch die relative Objektphasendrehung hervorgerufene Streifenversetzung, die insbesondere für die Vermessung sehr großer Gangunterschiede mit Vorteil benutzt werden kann. Die Streifenversetzung kann direkt im Okular oder unter Verwendung des Phasenschiebers 12 gemessen werden. Eine für kleine Objekte besonders vorteilhafte Anordnung ergibt sich, wenn man die Spaltblende 2 durch die beim Phasenkontrast übliche und die Keilkombination 9 ; 13 durch eine dazu konjugierte Ringblende ersetzt.
• Bei genügend kleinem Objekt und genügend schmaler Ringblende wird das am Objekt gebeugtÖ licht in dem einen Strahlengang durch eine an die Stelle der Keilkombination 9 ; 13 getretene Ringblende fast restlos zurückgehalten, während im zweiten Teilstrahlengang sowohl das direkte als auch das am Objekt gebeugte licht zur Wirkung kommt.
• Da das direkte Licht allein keinerlei Strukturen abbilden kann, wird in der Bildebene dem Hellfeldbild des einen Strahlenganges ein homogener dazu kohärenter Untergrund mit Berücksichtigung der Phase überlagert. Mit Hilfe des Phasenschiebers 12 kann man die relative Phase zwischen beiden Anteilen in weiten Grenzen beliebig verändern und durch Interferenz sowohl Objekt als auch Umgebung nacheinander in verschiedenen Helligkeiten oder Farben erscheinen lassen. Durch Einstellung auf größte Dunkelheit des Objektes und der Umgebung kann die relative Phasendrehung des Objektes gemessen werden. Durch Verwendung einer Halbschattenplatte 16 kann man im allgemeinen die Meßgenauigkeit erhöhen, indem man eine der

  Phasenkanten durch das Objekt legt und als Ein-

  ...,bild 3'

  stellkriterium die Helligkeitagleichheit beiderseits der Kante benutzt. Die Halbschattenmethode kann auch bei Bildaufspaltung verwendet werden.
• Bei dieser Methode der Interferenzmikroskopie ohne laterale Bildaufspaltung mußten EinE3ehrä'nk=gen hinsichtlich Objektgröße und Ringbreite gemacht würden. Als Kriterium dafür, inwieweit die einschränkenden Bedingungen erfüllt sind, kann der Parameterwert wobei B Radius eines kreisförmigen Objektes, Viellenzahl, 4a P, Breite des Blendenringes im Interferometer und f die für die Abbildung der Ringblende wirksame Brennweite bedeuten.
• Die für diesen Parameterwert zu fordernde Größe hängt von-der Objektphasendrehung und von der geforderten Meßgenauigkeit ab. Die auftretenden Fehler sind auf jeden Fall zu vernachlässigen, wenn r nicht gröSer als 1 ist. Für etwas geringere Genauigkeit ist es ausreichend, wenn r< 225 ist.
• Der Vorteil dieser Methode gegenüber den vorher beschriebenen Methoden besteÜt darin, daß keine Bildaufspaltung erforderlich ist, daß ohne Beschränkung der Objektivapörtur die Beleuchtungaapertur nicht stärker als beim Phasenkontrast beschränkt zu werden braucht, nur ein dem Objekt unmittelbar benachbarter Bereich der Objektebene zur Messung herangezogen wird und somit an Objektträger und Deckglas keine besonders hohen Forderungen gestellt werden mÜssen'und die Bedienung und Zentrierung der Ringblenden nicht schwieriger als beim Phasenkontrast ist. Daraus resultiert eine gute Bildqualität und eine relativ einfache Durchführung von Messungen.
• Zusammenfassend können mit Hilfe dieser Einrich-#ung ohne Verwendung polarisierten Lichtes durch Aufspaltung des Abbildungsstrahlenganges hinter dem Objektiv nach getrennt er Beeinflussung und läfiedervereinigung zwei Teilbilder ohne bzw. mit differentieller oder totaler lateraler Aufspaltung zur Interferenz gebracht werden. Durch unterschiedliche Neigung der beiden Teilstrahlen zueinander können im Sehfeld unabhängig von der Objekt-;lufspaltung Interferenzstreifen mit unters'chiedlichem Streifenabstand oder Interferenzkontrast erzeugt werden', Die :Phasendifferenz zwischen-beiden Teilstrahlen kann meßbar verän'de:ü t werden, wodurch genaue Ganguntetschiedabestimmungen auch an kleinen Phasenobjekten möglich sind.

Claims (1)

1. Patentansprüche 1. Einrichtung für Phase=essungen an mikroskopischen Objekten mit Hilfe eines in der Nähe der Objektivaustrittspupille oder eines Bildes derselben angeordneten Mach-Zehnder-Interferometers, dadurch gekennzeichnet, daß bei ausschließlicher Benutzung nichtpolarisierender Elemente der Eigenart des Objektes hinsichtlich Größe und Phasendrehung entsprechende, vorzugsweise lichtdurchT lässige$ in ihrer Wirkung veränderbare Keile (9; 12-15) oder-zur Aperturblende konjugierte Blenden vorgesehen sind. 2.. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet# daß ein die Objektivpupille abbildendes Zivischenabbildungssystem (5 1 6) vorgesehen ist. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich in oder in der Nähe einer der beiden im Interferoineter gelegenen Objektivaustrittspupillen (8) oder in einem im Interferometer gelegenen Bild derselben ein lichtdurchlässiger Keil (9 oder 13) befindet"der eine Bildaufspaltung in einem hinter dem Mach-Zehnder-Interferometer gelegenen Zwischenbild bewirkt. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ablenkende Jirkung des Keiles (9; 13) veränderbar ist. 5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der KeilVauf einer Drehvorrichtung angeor,'net ist, deren Drehachse einerseits und die optische Achse des Gerätes andererseits, vorzugsweise senkrecht auf der durch die Keilkante gehende Symmetrieebene des Keiles stehen. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Beleuchtungsteil eine die Beleuchtungsapertur begrenzende, vorzugsweise spaltförmige Blende (2 angeordnet ist. 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenöffnung veränderbar ist. 8. Einrichtung nach Anspruch Coder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende um eine nicht zur optischen Achse senkrechte Achse drehbar ist. g. Einrichtung nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die im Beleuchtungsstrahlengang befindliehe Blende (2) oder ein Spalt gegen ein die Beleuchtungsapertur vergrößerndes Gitter auswechselbar ist, dessen Spaltabstände der Größe der Objektaufspaltung angepaßt sind. 10. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beleuchtungsseitig Blenden (2) und in der Nähe einer der beiden, im Interferometer gelegenen Objektivaustrittspupillen oder im dort gelegenen Bild (8) derselben, jeweils.eine zur beleuchtungsseitigen Blende konjugierte Blende auswechselbar angeordnet sind. 11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden aus zwei konzeniorischen, die optimale Anpassung an die Objektgröße gewährleistenden Ringen unterschiedlicher Breite bestehen, von denen der .breite sowohl im Beleuchtungsteil als auch im Interferometer wahlweise abdeckbar ist. 12. Einrichtung nach Anspruch 9 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Interferometer ein genaue Phasenmessung ermöglichender Phasenschieber (12) angeordnet ist. 13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber aus einem verstellbaren durchsichtigen Keil oder aus einer Kombination von mi.ndestens zwei Keilen besteht. 14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber (12) oder eine andere dafür eingesetzte Platte oder ein Keil (15) einzeln oder kombiniert mit dem Phasenschieber (12) um eine zur optischen Achse nicht parallele Achse drehbar ist. 15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet., daß im Interferometer zusätzliche, die optischen Weglängen in beiden Teilstrahlengängen kompensierende feste oder be,--iegliche durchsichtige Platten oder Keile (14 15) vorgesehen sind. 16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß alle optisch wirksamen Elemente im Beleuchtungs- und Interferdmeterteil ausviechselbar sind. 17. Einrichtung nach.Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in einem vor dem Interferometer gelegenen Zwischenbild eine Halbschattenplatte (16) mit geeigneter Phasendrehung angeordnet ist. 18. Einrichtung nach Anspruch -17, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbschattenplatte (16) einen oder mehrere Phasenstreifen oder -ringe enthält, deren Breite ist, wobei Wellenzahl, 4 R - Breite des Blendenringes im Interferometer und f - die für die Abbildung'der Ringblende wirksame Brennweite bedeuten. 19. Einrichtung nach Ahspruch 18, dadurch gekenn-.zeichnet, daß beleuchtungs- und abbildungsseitig Polarisatoren und Konipensatoren einsetzbar sind. 20. Einrichtung nach-Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß im Beleuchtungsstrahlengang eine Teilungsfläche in der Weise vorgesehen ist, daß mit deren Hilfe nacheinander-oder gleichzeitig verschiedene aufeinander abstimmbare entsprechend vorgesehene lichtarten anwend-_bar sind.