DE1447212B2 - Interferenzmikroskop zur messung von gangunterschieden an mikroskopischen objekten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Interferenzmikroskop zur Messung von Gangunterschieden an mikroskopischen Objekten mit Hilfe eines in der Nähe der Objektivaustrittspupille oder eines Bildes derselben angeordneten modifizierten Mach-Zehnder-Interferometers.

Die Erfindung bezieht sich somit auf eine Einrichtung zur Vermessung von Gangunterschieden an im Durch- oder Auflicht beleuchteten mikroskopischen Objekten, insbesondere Phasenobjekten.

Zur kontrastreichen Darstellung von Phasenobjekten bedient man sich verschiedener Kontrastverfahren, die vorwiegend auf einer getrennten Beeinflussung des gebeugten und direkten Lichtes beruhen, von denen das bekannteste das Phasenkontrastverfahren ist.

Die genannten Kontrastverfahren sind besonders zur Beobachtung kleiner Phasenobjekte bestimmt. Die in der Interferenzmikroskopie angewandten Interferenzverfahren sind sowohl zur Kontrastierung als auch für Gangunterschiedsmessungen an kleinen und großflächigen Phasenobjekten geeignet.

Während bei den erstgenannten Kontrastverfahren die Kontraste durch unterschiedliche Beeinflussung der relativen Phasendrehung, Intensität und Wellenlängen des direkten gegenüber dem vom Objekt gebeugten Lichtes erzeugt werden, entstehen die Bildkontraste bei den Interferenzanordnungen durch Überlagerung des normalen Hellfeldbildes mit einem dazu kohärenten Untergrund, der strukturlos sein kann oder lateral bzw. axial gegen das Hellfeldbild verschobene Objcktstrukluren enthalten kann.

Zur Kontrastieriing gibt es eine große Anzahl von Phasenkontrasteinrichtungen der verschiedensten Bauart sowie eine recht vielseitige, in der deutschen Patentschrift 822 023 beschriebenen Kontrastanordnung. Bei dieser wird der Strahlengang in der Weise aufgespaltet, daß gebeugtes und direktes Licht getrennte Wege geführt werden. Nach getrennter Beeinflussung von gebeugtem und/oder direktem Licht werden beide Anteile mit oder ohne Berücksichtigung der Phasenlage wieder vereinigt.

ίο Nach den dort beschriebenen Ausführungsbeispielen lassen sich keine interferenzmikroskopische Abbildungen erzeugen und keine Gangunterschiedsmessungen durchführen, da die hierfür erforderlichen Meß- und Justierelemente fehlen. Die angeführten Graukeile, Farbfilter, Polarisatoren und Phasenplatten werden lediglich als Kontrastmittel eingesetzt.

Bei handelsüblichen Interferenzmikroskopen mit strukturlosem Untergrund ist eine beleuchtungsseitige Aufspaltung des Strahlenganges erforderlich. Der Vergleichsstrahlengang durchsetzt dabei das Objekt nicht. Diese Methode ist theoretisch vollkommen einwandfrei, führt aber zu erheblichen Schwierigkeiten hinsichtlich Justierung sowie thermischer und mechanischer Stabilität, weil beide Strahlengänge relativ große getrennte Wege und unterschiedliche optische Elemente durchlaufen.

Moderne Methoden der Interferenzmikroskopie verzichten auf die getrennte Führung beider Strahlengänge und arbeiten mit einer lateralen oder axialen Verdoppelung des Bildes, die durch polarisationsoptische Hilfsmittel realisiert wird. Es wird dabei eine teilweise Überlagerung der Bildstrukturen in Kauf genommen, beim Interferenzkontrast nach Nomarski bewußt ausgenutzt.

Wegen der Verwendung polarisationsoptischer Prinzipien bei der Interferenzerzeugung ergeben sich Schwierigkeiten bei der Messung polarisierender Objekte. Außerdem ist eine relativ starke Beschränkung der Beleuchtungsapertur notwendig. Beim Arbeiten können die fest vorgegebenen Bildaufspaltungen und die geringe Anpassungsfähigkeit recht nachteilig sein. Die Justierung dieser Einrichtungen ist relativ einfach, die Stabilität gut, da beide Strahlengänge nur um geringe Beträge versetzt die gleichen optischen Elemente durchlaufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Interferenzmikroskop zur Vermessung von Gangunterschieden an mikroskopischen Objekten, insbesondere Phasenobjekten, zu schaffen, das in gleicher Weise sowohl für Durch- als auch für Auflicht brauchbar ist, in beiden Fällen sowohl die Vorteile der polarisationsoptischen Interferenzmikroskopie als auch die Vorteile der getrennten Führung von Referenz- und Abbildungsstrahlengang in sich vereinigt, dabei aber die Nachteile dieser Einrichtungen vermeidet und eine einfache zielsichere Justierung und umfassende Anpaßbarkeit an das Meßproblem erlaubt. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Vereinigung folgender Merkmale gelöst: In einem der beiden Teilstrahlengänge des Interferometers sind in oder in der Nähe der Objektivaustrittspupille oder eines Bildes derselben auswechselbar gegen zur Aperturblende konjugierte, aus zwei konzentrischen Ringen unterschiedlicher Breite bestehende Blenden angeordnet. Weiterhin sind angeordnet ein ein seiner ablenkenden Wirkung hinsichtlich Größe und Richtung veränderbarer, aus zwei Teilen bestehender transparenter Bildaufspaltungskeil

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sowie in anderen Ebenen im Inneren des Interfero- vergrößert, daß von den Objekten deutlich getrennte

meters um zur optischen Achse geneigte Achsen kipp- Doppelbilder entstehen, dann spricht man von totaler

bare Streifenerzeuger, ein genaue Messungen ermög- Bildaufspaltung. Dabei sind die im Objekt vorliegeii-

lichender Phasenschieber sowie weitere bewegliche den Gangunterschiede selbst für die entstehenden

Kompensationsplatten und Keile mit vorzugsweise 5 Helligkeitsunterschiede verantwortlich,

kleinem Keilwinkel. Ein wesentlicher Vorteil des Erfindungsgegenstan-

Zur Einhaltung der Kohärenzbedingungen hat bei des gegenüber herkömmlichen Interferenzanordnun-Verwendung des in seiner ablenkenden Wirkung hin- gen besteht in der mit dem Keil 9, 13 veränderbaren sichtlich Größe und Richtung veränderbaren Keiles Bildaufspaltung und der daraus resultierenden Andie Aperturblende vorzugsweise eine spalt- oder io passungsfähigkeit an die Objektgröße und die Meßgitterförmige Gestalt, und bei Verwendung der zur aufgäbe. Es sind die Vorteile der Interferenzkontrast-Aperturblende konjugierten, aus zwei konzentrischen einrichtungen und Shearing-Interferenzmikroskopie Ringen bestehenden Blenden mit unterschiedlichen in einem Gerät vereint.

Verhältnissen von Ringbreite zu Durchmesser haben Bei der Durchführung von Gangunterschiedsmes-

beide Blenden vorzugsweise ringförmige Gestalt. 15 sungen kann auf diese Weise das verschobene Teil-

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Er- bild an eine gewünschte objektfreie Stelle gelegt wer-

findung ist schematisch in der Zeichnung dargestellt. den. Bei Anwendung im differentiellen Interferenz-

Eine vor dem Kondensor 1 befindliche Spalt-, kontrast ist durch Wahl der Bildaufspaltungsgröße Gitter- oder Ringblende 2 wird über diesen Konden- eine optimale Anpassung an die im Objekt auftretensor 1 durch die Objektebene 3 hindurch von einem 20 den Gradienten des Gangunterschiedes und damit die Objektiv 4 und dem aus den Linsen 5 und 6 bestehen- günstigste Kontrasteinstellung möglich,
den Zwischenabbildungssystem in eine hinter dem Mit Hilfe des Phasenschiebers 12 kann dem ge-Teilungsprisma 7 gelegene Ebene 8 abgebildet, in der samten Bild in einem der beiden Teilstrahlengänge sich auch der in der Zeichnung darauffolgend darge- ein zusätzlicher meßbar veränderlicher Gangunterstellte Bildaufspaltungskeil 9, 13 befindet. An Stelle 25 schied überlagert werden. Dadurch kann jedes Obdieses Glaskeiles kann sich auch eine Ringblende jektdetail und die Umgebung des Objektes nacheinbefinden, die im Gegensatz zum Bildaufspaltungskeil ander auf eine bestimmte Farbe im weißen Licht oder keine laterale Bildaufspaltung hervorruft. größte Dunkelheit im monochromatischen Licht ein-

Durch das Teilungsprisma 7 wird der beschriebene gestellt werden. Die Verstellung des Phasenschiebers

Strahlengang in zwei Teilstrahlengänge aufgespalten 30 12, die notwendig ist, um von der Dunkelstellung der

und im Prisma 10 unter Berücksichtigung der Phasen- Umgebung bis zur Dunkelstellung des Objektdetails

lage wieder vereinigt. zu gelangen, ist bei totaler Bildaufspaltung ein Maß

Die Prismen 7 und 10 bilden in ihrer Vereinigung für den Gangunterschied des Objektes bei differenein kleines Mach-Zehnder-Interferometer mit den tieller Bildaufspaltung ein Maß für den Gangunter-Lichtaustritten 11 und 11'. Die hinter dem Prisma 10 35 schiedsgradienten.

entstehenden Zwischenbilder der Objektebene 3 kön- Werden die Platten bzw. Keile 15, 14 oder auch

nen mit Hilfe eines nicht dargestellten Mon- oder der Phasenschieber 12 gemeinsam oder einzeln um

Binokulares beobachtet werden. Die Bilder der Licht- Achsen geneigt, die unterschiedliche Richtungen auf-

austritte 11 und 11' sind hinsichtlich der Interferenz- weisen, aber etwa senkrecht auf der optischen Achse

erscheinungen zueinander komplementär. 4° stehen, so tritt eine Parallelverschiebung des gesam-

In dem Grundzustand ist das Interferometer für ten Strahlenganges in der Weise ein, daß das Bild die Interferenzmikroskopie bei dieser Anordnung des Spaltes in der Ebene 8 und das nicht gezeichnete vollkommen wertlos. In der Ebene des Objektbildes im Prisma 7 entstehende Bild gegeneinander versetzt wurden sich gleichartige Objektstellen mit gleicharti- werden. Es entstehen Doppelbilder des Spaltes, die gen Phasenbeziehungen überlagern, ohne daß durch 45 kohärenten Lichtquellen entsprechen und Anlaß zu Interferenz Gangunterschiede des Objektes in Hellig- einem System von Interferenzstreifen in der Bildkeitsunterschiede des Bildes umgewandelt werden. ebene geben.

Wird jedoch am Ort des Bildes von Spalt 2 ein Mit Hilfe der Platten 15 bzw. Keile 14 und 12 Bildaufspaltungskeil 9, 13 eingefügt, dann tritt die können also Interferenzstreifen beliebiger Richtung aus polarisationsoptischen Interferometer!! bekannte 5° im Bild oder eine bestimmte Interferenzfarbe vollseitliche Bildaufspaltung ein. In der Bildebene inter- kommen gleichmäßig über das ganze Bild eingestellt ferieren dann jeweils eine Objektstelle der einen werden. Bei Interferenzanordnungen mit Bildauf-Wellenfläche mit einer dieser benachbarten Objekt- spaltung herkömmlicher Art ist eine Streifeneinstelstelle der anderen Wellenfläche, und es werden die lung nur mit Hilfe von Zusatzeinheiten oder in einer Ganguntcrschiede im Objekt in mehr oder weniger 55 bestimmten konstruktiv festliegenden Richtung möggroße Helligkeitsunterschiede im Bild des Objektes lieh.

transformiert. Der wirksame Keilwinkel des kombi- Schließlich ist zur Funktion des Gerätes die Mög-

nierten Keiles 9, 13 kann so klein eingestellt werden, Iichkeit der Einstellung konstanter Phasenbeziehun-

daß die Objektaufspaltung in der Größenordnung gen über das ganze Bild der Objektivaustrittspupille

der Auflösungsgrenze des Objektivs liegt. Man 60 nötig. Diese Möglichkeit wird dadurch geschaffen,

spricht dann von differentieller Bildaufspaltung. In daß die Platten 15 und 14 als Keile mit geringem

diesem Fall entstehen Helligkeitsuntcrschiede im Keilwinkel ausgebildet werden und um die optische

Bilde, die von der örtlichen Änderung des Gang- Achse drehbar und senkrecht zur optischen Achse

Unterschiedes im Objekt abhängen. Das entstehende verschiebbar angeordnet sind. Damit können Ferti-

BiId zeigt dann einen Relief-Effekt und ähnelt dem 65 gungstoleranzcn einzelner Elemente in weiten Gren-

BiId eines schräg bedampften elektronenmikroskop!- zcn ausgeglichen werden. Verschiedene Elemente 12,

sehen Präparates. 14, 15 können auch mehrere der oben beschriebenen

Wird der wirksame Keilwinkel des Keiles 9, 13 so Funktionen ausüben.

Wechselt man die Keile 9, 13 gegen zur Aperturblende konjugierte, aus zwei konzentrischen Ringen bestehende Blenden mit mathematisch definiertem verschiedenem Verhältnis von Ringbreite zu Durchmesser aus, so wird bei genügend kleinen Objekten das am Objekt gebeugte Licht in einen Teilstrahlengang fast restlos zurückgehalten, während im zweiten Teilstrahlengang sowohl das direkte als auch das gebeugte Licht übertragen wird.

Da das direkte Licht allein keinerlei Strukturen abbilden kann, wird in der Bildebene dem Hellfeldbild des zweiten Teilstrahlenganges ein im ersten Teilstrahlengang erzeugter nahezu homogener kohärenter Untergrund überlagert, und es entstehen unter Berücksichtigung der Phase durch Interferenz je nach Gangunterschied des Objektes unterschiedliche Farben oder Helligkeiten zwischen Objekt und seiner Umgebung. Diese Helligkeiten bzw. Farben können wiederum mit dem Phasenschieber 12 in bereits beschriebener Weise verändert und somit die Gangunterschiede zwischen Objekt und Umgebung gemessen werden. Der Vorteil dieser Anordnung besteht in der Anwendbarkeit hoher Beleuchtungsaperturen, der damit verbundenen hohen Bildqualität, dem Fehlen des Doppelbildes sowie geringen Forderungen an die Qualität von Objektträger und Deckglas. Sie ist in ihrer Wirkung mit Interferenzmikroskopen zu vergleichen, deren Strahlengang vor dem Objektiv aufgeteilt ist, jedoch ohne deren Justierschwierigkeiten zu besitzen.

Da diese Methode die Beugung des Lichtes am Objekt ausnutzt, müssen durch geeignete Abstimmung von Objektgröße und Ringbreite optimale Verhältnisse geschaffen werden.

Als Kriterium dient der wie fol"t definierte Γ-Wert

Γ-

JR,

wobei

B = Radius eines kreisförmigen Objektes,

K =

die Wellenzahl,

Λ R = Breite des Blendenringes im Interferometer,
/ = die Brennweite des für die Abbildung der
Ringblende wirksamen Systems

bedeutet.

Optimale Verhältnisse liegen vor, wenn Γ ^Ll ist, jedoch kann bei geringeren Ansprüchen bis Γ = 2,5 gearbeitet werden.
Die Verwendung zweier konzentrischer Ringe mit

ίο unterschiedlicher Breite gestattet die Einhaltung dieser Bedingung für einen relativ breiten Objektgrößenbereich.

Der Vorteil dieser Methode gegenüber der vorher beschriebenen Methode besteht darin, daß erstens keine Bildaufspaltung erforderlich ist, daß zweitens ohne Beschränkung der Objektivapertur die Beleuchtungsapertur nicht stärker als beim Phasenkontrast beschränkt zu werden braucht und daß drittens nur ein dem Objekt unmittelbar benachbarter Bereich der Objektebene zur Messung herangezogen wird. Am Objektträger und Deckglas brauchen deshalb keine besonders hohen Forderungen gestellt zu werden, und die Bedienung und Zentrierung der Ringblenden ist nicht schwieriger als beim Phasenkontrast. Daraus resultiert eine gute Bildqualität und eine relativ einfache Durchführung von Messungen.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Interferenzmikroskops können ohne Verwendung polarisierten Lichtes durch Aufspaltung des Abbildungsstrahlenganges hinter dem Objektiv nach getrennter Beeinflussung und Wiedervereinigung zwei Teilbilder zur Interferenz gebracht werden, die bei Verwendung der konjugierten Ringblenden keine oder bei Verwendung der Ablenkkeile 9, 13 eine differentielle oder totale laterale Aufspaltung aufweisen. Durch unterschiedliche Neigung der beiden Teilstrahlen zueinander können in der Okularbildebene unabhängig von der Objektaufspaltung Interferenzstreifen mit unterschiedlichem Streifenabstand oder Interferenzkontrast bei homogenem Umfeld erzeugt werden. Die Phasendifferenz zwischen beiden Teilstrahlen kann meßbar verändert werden, wodurch genaue Gangunterschiedsbestimmungen auch an kleinen Phasenobjekten möglich sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche: »

1. Interferenzmikroskop zur Messung von Gangunterschieden an mikroskopischen Objekten mit Hilfe eines in der Nähe der Objektivaustrittspupille oder eines Bildes derselben angeordneten modifizierten Mach-Zehnder-Interferometers, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale: In einem der beiden Teilstrahlengänge des Interferometers sind in oder in der Nähe der Objektivaustrittspupille oder eines Bildes derselben auswechselbar gegen zur Aperturblende konjugierte aus zwei konzentrischen Ringen unterschiedlicher Breite bestehende Blenden angeordnet. Weiterhin sind angeordnet ein in seiner ablenkenden Wirkung hinsichtlich Größe und Richtung veränderbarer, aus zwei Teilen bestehender transparenter Bildaufspaltungskeil (9; 13) sowie in anderen Ebenen im Inneren des Interferometers um zur optischen Achse geneigte Achsen kippbare Streifenerzeuger (14; 15), ein genaue Messungen ermöglichender Phasenschieber (12) sowie weitere bewegliche Kompensationsplatten und Keile mit vorzugsweise kleinem Keilwinkel.

2. Interferenzmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung des in seiner ablenkenden Wirkung hinsichtlich Größe und Richtung veränderbaren oder festen Keiles (9; 13) die Aperturblende (2) eine spalt- oder gitterförmige Gestalt hat und bei Verwendung der zu der Aperturblende (2) konjugierten Blende (8) beide Blenden (2; 8) ringförmig gestaltet sind.