DE1918704A1 - Optische Vorrichtung zum Beleuchten bestimmter Ebenen - Google Patents

Description

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Research.Corporation, 4Q5 Lexington Avenue, New York, USA

Optische Vorrichtung zum Beleuchten bestimmter Ebenen

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zum Beleuchten bestimmter Ebenen und insbesondere zum Beleuchten der in der Brennebene liegenden Bildteile bzw. zur FPS.-Beleuchtung. Mit der Bezeichnung "FPS"-Beleuchtung ist hier eine Anordnung gemeint, mit der nur die Strahlung zu einem Bildaufnehmer, beispielsweise dem Auge oder einer Kamera geleitet wird, die von einer im Brennpunkt'liegenden Fläche ausgeht, während die außerhalb des Brennpunktes liegenden Flächen wahlweise abgedeckt werden. , .

Genauer gesagt, wird mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Zwecke,eine Strahlung auf einem schmalen Streifen einer ausgewählten Ebene des zu betrachtenden Objektes oder Feldes in einem Brennpunkt zusammenzufassen, die von dem beleuchteten Streifen reflektierte, zurückgeworfene, ausgesandte oder in anderer Weise ausgehende Bestrahlung auf eine ein Bild bildende Einrichtung durch einen optischen Pfad übertragen, der in einem Winkel gegenüber dem optischen Pfad der die Ausleuchtung bewirkenden Strahlung verläuft, wobei der beleuchtete Streifen und die von demselben ausgehende Strahlung über

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eine quer zur Längsrichtung des Streifens verlaufende Ebene gleichzeitig betrachtet bzw. abgetastet wird.

Die Bezeichnung "Strahlung" umfaßt jede Form einer Strahlung, mit der ein sichtbares oder reproduzierbares Bild erzeugt werden kann, v/ie sichtbare und unsichtbare elektromagnetische Strahlungen, Strahlenbündel von Ladungsträgern wie Elektronen und Ultraschallstrahlung.

Die Erfindung gestattet eine Auflichtbeleuchtung bzw. EpiBeleuchtung oder eine Reflektionsmikroskopie von durchsichtigen Materialien, welche schwierig dünn genug gemacht werden können, um sie im Durchlichtverfahren mikroskopisch betrachten zu können und die ungeeignet für bisher bekannte Epi-Beleuchtungsverfahren sind, bei denen von außerhalb des Brennpunktes liegenden Schichten diffus reflektiertes Licht einenthellen unscharfen Hintergrund von ungenügendem Kontrast mit den Einzelheiten der im Brennpunkt liegenden Ebene erzeugt. Solche Materialien sind nicht nur viele Papiere, Textilstoff e, keramische Materialien, Mineralien, Kunststoffe und dgl. _t sondern auch biologische Gewebe einschließlich lebender Gewebe.

Mit einem Prototyp-Mikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung war es möglich, mit großer Klarheit bei Vergrößerungen bis zu 100Ofach und bei Tiefen unterhalb der Oberfläche bis zu 50 /u Einzelheiten von Zellgeweben von noch lebenden Nie- -ren, Lebern, Gehirnmassen und anderen inneren Organen- von Lebewesen mit großer Klarheit zu erkennen. Auch bei Tiefen von 100 Ai sind einige Strukturen noch sichtbar.und bei transparenten Geweben wie beim Gewebe des Auges ist die Eindringtiefe nur durc.h die Arbeitsdistanz des Objektives begrenzt. Strukturen wie die Zellbegrenzungen, Zellkerne-, kleinste Zellf kerne, zytoplasmische Körnchen, Zilien, Nervenfasern, Muskel-; stränge und dgl. sind auf Grund der Reflektionsunterschiede \

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von ihren Umgebungen sichtbar. Es können nicht toxische fluoreszierende Färbemittel zugegeben werden, um bestimmte Strukturen unterschiedlich zu färben. Das so zu erhaltende fluoreszierende Bild ist in der Auflösung und im Kontrast einem bekannten fluoreszierenden Bild von sehr dünnen Proben gleichwertig.

Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung zeigt

Pig. 1 eine schematische schaubildliche Ansicht eines gemäß der vorliegenden Erfindung gebauten Mikroskops ,

Fij· 2 eine schematische Darstellung eines anderen Mikroskops mit einer abgewandelten Beobachtungseinrichtung,

Pig. 3 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zum Betätigen der Abtasteinrichtungen der Mikroskope gemäß Pig. 1 und 2,

Pig. 4 eine Seitenansicht der Vorrichtung aus Pig. 3,

- Pig. 5 einen vergrößerten Teilschnitt nach Linie 5-5 aus Pig. 3,

Pig. 6 eine schematische Draufsicht einer weiteren AusfUlirungsforn eines Mikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung,

Pig. 7 eine Teilseitenansicht des Mikroskops genäß Pi^. 6,

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.

Pig. 8 eine schematische schaubildliche Ansicht

eines Teleskops gemäß der vorliegenden Erfindung ,

Fig. 9 eine schematische schaubildliche Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform eines Teleskops gemäß der Erfindung und

Mg. 10 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Mikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist ein zu beobachtendes Objekt 10 zu erkennen, über dem sich ein mit Schlitzen versehenes Spiegelsystem 1*1 befindet, das aus rechtwinklig zueinander angeordneten Schlitzblenden 12 und 13, die jeweils mit einem schmalen Schlitz 14 bzw. 15 versehen sind, und einem Spiegel 16 besteht, welcher genau zwischen den beiden Schlitzblenden 12 und 13 derart angeordnet ist, daß seine eine längskante 16a in derselben Ebene mit den Schlitzen 14 und 15 liegt. Der Spiegel 16 ist so eingestellt, daß das Spiegelbild des Schlitzes 14 mit dem Spiegelbild des Schlitzes 15 zusammenfällt.

Die Schlitzblenden 12 und 13 und der Spiegel 16 sind so gelagert, daß sie um eine Achse 17 oszillierende Bewegungen ausführen können, die in derselben Ebene wie die Schlitze und 15 liegt. Die Achse 17 verläuft senkrecht zur Oberseite des Spiegels 16 und in einem Winkel von 45° zu dem von diesem Spiegel reflektierten Strahl. Bei der Ausführungsform gemäß Fi£. 1 verläuft die Achse 17 außerdem durch den optischen Mittelpunkt der öffnung eines Objektives 20. Bei anderen Ausführung sformen der Erfindung verläuft die Drehachse durch einen Punkt, der etwas aus dem optischen Mittelpunkt des Objektives versetzt ist, um eine verbesserte optische. Auflösung

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in der beobachteten Ebene bzw· dem beobachteten PeId sicherzustellen.

Die von einer Strahlungsquelle 18, welche eine normale Lichtglühbirne sein kann, ausgehende Strahlung wird von einer Linse 19 durch den Schlitz 14 auf den Spiegel 16 entlang einer Achse geworfen, die senkrecht zum Schlitz 14 und in einem Winkel von 45° zur Spiegeloberfläche liegt. Die vom Spiegel 16 reflektierte Strahlung 21a, 21b und 21c wird durch ein übliches Objektiv 20, beispielsweise eine optische Linse, auf einen sohmalen Streifen 22 in einer ausgewählten Ebene 23 des Objektes 10 gebündelt. Die von dem Streifen 22 reflektierte Strahlung 24a, 24b und 24c wird von dem Objektiv 20 durch den Schlitz 15 in ein Okular 25 geworfen·

In Pig. 1 ist die Anordnung in einer mittleren Lage darge- · stellt, wobei der Schlitz 15 die Hauptachse 36 schneidet und in der richtigen Bildebene liegt· Beim Oszillieren der Anordnung um die Achse 17 über einen kleinen Winkel nach beiden Seiten aus dieser mittleren Stellung folgt der Schlitz 15 eine: konischen Oberfläche, welche der tatsächlichen Bildebene sehr nahekommt.

Die von der Strahlungsquelle 18 ausgehende und durch den Sohliijz 14 und den Spiegel 16 begrenzte Strahlung beleuchtet nur einen kleinen i'eil des Volumens des Objektes 10, der durch die Begrenzungslinien der reflektierten Strahlung 21b und 21c umrissen ist. Damit ein Punkt des Objektes 10 für das Auge oder eine Kamera sichtbar wird, muß er nicht nur beleuchtet, sondern auch durch den Sohlitz 15 sichtbar sein. Das Volumen der so sichtbaren Punkte ist durch, das getüpfelte Strahlenvolumen 24a und seine Projektion unter die Ebene 23 umrissen. Das durcl den Schlitz 15 sichtbare Volumen ist bis auf den Streifen 22, der das zusammenfallende Bild beider Schlitze 14 und 15 ist, vollständig von dem beleuchteten Volumen des Objektes getrennt

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Wegen der endlichen Weite der Schlitze 14 und 15 und wegen des "begrenzten Auflösungsvermögens des Objektives umfassen

und

in der Praxis beleuchtete J sichtbare Punkte ein kleines Volumen entlang dem Streifen 22. Wenn man Jedoch genügend schmale Schlitzbreiten wählt, kann dieses Volumen so eng begrenzt werden, daß es praktisch nur im Brennpunkt der Strahlungen liegt.

Der Bereich der gleichzeitig beleuchteten und betrachteten Punkte wird über die Ebene 23 des Brennpunktes durch Oszillation der gesamten Anordnung um die Achse 17 verbreitert, so daß der Schlitz 15 über die wirkliche Bildebene der Strahlung 24 von einer Seite zur anderen wandert, wobei der Streifen 22 entsprechend über die Ebene 23 des Objektes 10 bewegt wird. Anders als durch Abtasten in zwei Ebenen entstandene Bilder ist das so erzeugte Bild frei von Abtastlinien. Ein einziger Abtastvorgang genügt für Fotomikrografie. Zum Direktbetrachten muß das Abtasten mit einer Frequenz wiederholbar sein, die hoch genug ist, um ein Flimmern zu vermeiden. Wegen der besonderen Anordnung der Drehachse der aus dem Spiegel und den Schlitzblenden bestehenden Anordnung verläuft die Ebene, in welcher die Schlitze 14 und 15 und die eine Längskante 16a des Spiegels 16 liegt, immer durch denselben Punkt der Öffnungsebene des Objektives 20, so daß die Proportionen der die auf das Objekt auffallende Strahlung und die vom Objekt reflektierte Strahlung durchlassenden Öffnung unabhängig von der Lage der Anordnung sind. Da weiterhin die Ebene des Spiegels 16 sich beim Verdrehen des Spiegelsystems 11 nicht ändert, wenn in jeder Lage des Spiegelsystems die Strahlungsquelle 18 so angeordnet ist, daß sie eine maximale Konzentration von Licht oder sonstiger Strahlung auf dem Objekt liefert, bleibt die Lichtquelle auch für jede andere Stellung ebenso optisch ausgerichtet zum Schlitz 14 und Spiegel 16. .

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Beim Aus fülirungsbei spiel gemäß Pig. 2, bei dem die den Teilen aus Fig. 1 entsprechenden Teile mit einer durch einen Strich ergänzten entsprechenden Positionsziffer versehen sind, ist eine Sammellinse 30 zwischen dem Objektiv 20' und der wirklichen Bildebene angeordnet, um die Größe des Bildes zu verringern. Bei dieser Anordnung bildet die Sammellinse

30 ein Bild des Zentrums der öffnung des Objektives, wobei die Drehachse 17¹ besser durch das Bild als durch die öffnung des Objektives verläuft. Die Sammellinse 30 kann auch benutzt werden, um eine restliche seitliche chromatische Aberration des Objektives zu korrigieren. Bei nichtfluoreszierender Anwendung kann diese Korrektur im Okular hinter dem Spiegelsystem 11 vorgenommen werden, während bei fluoreszierender Mikroskopie die Korrektur zwischen dem Objektiv und dem Spiegelsystem vorgenommen werden sollte.

Das reelle Bild, welches durch die Sammellinse 30 verkleinert wurde, wird durch eine weitere Linse 31 wieder auf seine ursprüngliche Größe vergrößert. Außerdem vergrößert die Linse

31 den Abstand unterhalb des Okulars 25', so daß man den üblichen Binokular- oder'Trinokular-Kopf eines Mikroskopes verwenden kann. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Pig. 2 können die Sammellinse 30, das aus dem Spiegel und den Schlitzblenden bestehende Spiegelsystem 11* mit dem Oszilliermechanismus und die Linse 31 als Einheit hergestellt werden, welche zwischen den Körper und den entfernbaren Kopf oder Oberteil eines üblichen Labormikroskopes eingesetzt werden kann, wodurch dieses bekannte Mikroskop in ein Mikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung umgewandelt wird.

Bei einem Prototyp eines Likroskops gemäß der Ausführungsform aus Pig. 2 ist das Objektiv 20' eine 4Ofach vergröisernde Climmersionsfluoritlinse mit einer numerischen Öffnung von 1,00, die Linse 30 ein Achromat mit 5 cm Brennweite, die Linse 31

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ein 50 mm f/3,5 Tessar und die linse 25' ein kompensiertes Weitwinkelokular mit 1Ofacher Vergrößerung. Die Strahlungsquelle 18' ist eine 200-Watt-Gleichstromquecksilberlichtbogenlampe. Eine G-leichstromiampe wird vorgezogen, weil es hierdurch überflüssig wird, die Oszil'lations "bewegungen des Spiegelsystems mit der Frequenz eines Wechselstromes zu synchronisieren. Die Schlitze der Schlitzblenden 12' und 13' sind jeweils 1 cm lang und 10/u breit. Wenn das Licht so scharf wie möglich auf die Brennebene beschränkt werden soll, sollte die Schlitzbreite gleich der Auflösungsentfernung des Objektives multipliziert mit der Vergrößerung des reellen Bildes sein. Wenn hingegen eine hellere Beleuchtung gewünscht ist und ein gewisses Austreten von licht in außerhalb des Brennpunktes liegende Bereiche in Kauf genommen werden kann, können die Schlitze breiter sein. Auch müssen die Schlitze ' nicht rechteckig sein. Sie können beispielsweise keilförmig verlaufen und langer als die nicht abgetastete Dimension des reellen Bildes sein, so daß durch Wahl des in das zu betrachtende Feld zu rückenden Teiles des Schlitzes die tatsächliche Schlitzbreite groß oder klein gewählt werden kann, um den jeweils gewünschten Verhältnissen angepaßt zu werden. Die Breite eines solchen einstellbaren Schlitzes kann auch stufenweise zunehmen bzw. abnehmen.

In Mg. 3, 4 und 5 ist ein Mechanismus zum oszillierenden Bewegen des aus einem Spiegel und Schlitzblenden bestehenden Spiegelsystem 11« des Llikroskopes gemäß Pig. 2 um-die Achse 17" dargestellt, das keine Vibrationen auf die anderen Elemente des Iüikroskopes überträgt. Hierbei sind die auch in Fig. 2 dargestellten Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen.

Das Spiegelsystem 11« ist an einem Arm 32 gelagert, der verschwenkbar an einem Träger 33 über Blattfedern 34 befestigt ist. Außerdem ist ein Massenausgleich 35 vorgesehen, der mit

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Hilfe einer Blattfeder 36 koaxial zum Spiegelsystem 11' verschwenkbar ist. Am Arm 32 sind elektrische Kontakte 37 und 38 angeordnet, während Kontakte 39 und 40 an Armen 41 bzw. 42 federnd befestigt sind.

An jedem der Arme 41 und 42 ist je ein Permanentmagnet 43 bzw. 44 befestigt, die gemäß Pig. 3 polarisiert sind. Außerdem ist ein Elektromagnet 45 am Arm 32 angebracht. Durch Schließen der Kontakte 38 und 40 wird ein elektronischer bistabiler Multivibrator 49 eingeschaltet, wodurch elektrischer Strom durch den Elektromagneten 45 strömt und eine Abweisung zwischen dem Permanentmagnet 44 und dem Elektromagnet 45 und ein Anziehen zwischen dem Elektromagnet 45 und dem Permanentmagnet 43 bewirkt. Die magnetischen Kräfte verdrehen das Spiegelsystem 11' solange, bis sich die Kontakte 37^<vund 39 schließen, wodurch der bistabile Multivibrator 49 ausgeschaltet und der elektrische Strom durch den Elektromagnet 45 abgeschaltet wird, woraufhin die in einer Feder 46 gespeicherte mechanische Energie das Spiegelsystem 11' und den Massenausgleich 35 in die entgegengesetzte Richtung zurückbewegt, bis sich die Kontakte 38 und 40 wieder schließen und der gesamte Vorgang erneut beginnt. Der Berührungspunkt der Kontaktpaare wird in bezug auf die Massenverteilung der oszillierenden Teile gewählt, um den auf den Träger 33 bei jeder Berührung übertragenen Impuls auf einem Minimum zu halten. Zum Einstellen der Massenverteilung des Massenausgleichs 35 sind an den Armen desselben Ausgleichsgewichte 48 angebracht.

Wenn eine sehr starke Abtastung gewünscht ist, können zwei oder mehr identische Spiegelsysteme mit Schlitzen radial um eine gemeinsame Drehachse gelagert werden, wobei die so entstandene vergrößerte Anordnung kontinuierlich mit hohen Geschwindigkeiten gedreht wird.

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Um ein "Abtasten" ohne.mechanische Bewegung zu erzeugen, kann man ein Prisma oder optisches Gitter zwischen dem Objektiv und einem feststehenden, mit Schlitzen versehenen Spiegelsystem anordnen, so daß in der Brennpunktebene des Objektes das überlagerte Bild der Schlitze chromatisch zerlegt wird, um sich über das gesamte zu sehende Feld zu erstrecken, wobei sich das rote Bild jedes Schlitzes an einer Seite des Feldes und das blaue zugehörige Bild an der entgegengesetzten Seite des Feldes befindet. Die einfallenden Strahlen jeder Wellenlänge konvergieren im Objekt auf einen Streifen, der vom Licht dieser Wellenlänge FPS-beleuchtet ist. Wenn die lichtquelle ein kontinuierliches Spektrum erzeugt, ist jeder Punkt im Gesichtsfeld bzw. Bildwinkel durch Licht einer Wellenlänge FPS-beleuchtet. Ein zweites Prisma oder Gitter zwischen dem Spiegelsystem und dem Okular erzeugt für das Auge oder eine Kamera ein chromatisch zerlegtes Bild des Schlitzes 15, das Punkt für Punkt mit einem normalen reellen Bild der Brennpunktebene übereinstimmt.

Mikroskope und andere gemäß der Erfindung ausgebildete Vorrichtungen können so eingestellt werden, daß die einfallenden und reflektierten Strahlungen sich unterhalb der Brennpunktebene überschneiden statt in der Brennpunktebene, was für FPS-BeIeuchtung erforderlich ist. Die Einstellung kann durch eine kleine Parallelverschiebung jedes der Schlitze erfolgen, beispielsweise durch Bewegung des in Fig. 1 dargestellten Schlitzes 14 um ein geringes Stück nach rechts. Wenn die einfallenden und reflektierten Strahlen, sich unterhalb der Brennpunktebene schneiden, bilden außerhalb des Brennpunktes liegende Objekte im Bereich der sich überschneidenden Strahlen einen hellen diffusen Hintergrund, auf dem in der Brennpunktebene liegende,Licht absorbierende Objekte dunkel erscheinen. Eine solche Beleuchtung kann als"Beleuchtung hinter der Brennpunktebene" bezeichnet werden. Mit -reflektiertem Licht arbeitende Mikroskope, die diese Beleuchtung

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ermöglichen, können die optischen Eigenschaften der Durchlichtmikroskopie mit dem Vorteil verbinden, daß nur eine Seite des Objektes betrachtet werden muß.

Die gemäß der Erfindung ausgestalteten Mikroskope bringen beachtliche Vorteile, wenn sie zur Oberflächenmikroskopie verwendet werden. Aus demselben Grund, daß von außerhalb des Brennpunktes liegenden Schichten des Objektes reflektiertes Licht abgewiesen wird, werden von den Elementen des Objektes zurückgeworfene einfallende Strahlen ebenso abgewiesen, wodurch eine bedeutende Verbesserung des Bildkontrastes gegenüber einer bekannten durch die Linse erfolgenden Epi-Beleuchtung erzielt wird. Durch Abwandlung einer Verstärkung der Beobachtungstiefe des Gesichtsfeldes in der unten beschriebenen Weise können die Mikroskope gemäß der Erfindung ein Gesichtsfeld erzeugen, das so flach wie das Objekt ist und abhängig von der Krümmung des Gesichtsfeldes des Objektives. Da die Mikroskope gemäß der Erfindung nur Licht verwenden, das von dem Teil des Objektes reflektiert wird, der scharf im Brennpunkt liegt, können sie mit hohem Kontrast kleinste Unterschiede' in Oberflächenerhebungen feststellen.

Wegen der FPS-Beleuchtung bei hohen Vergrößerungen kann man mit Mikroskopen gemäß der vorliegenden Erfindung auch Lichtmikroskopie mit großer Tiefenschärfe bei hoher Vergrößerung durchführen. D. McLachlan hat in der Zeitschrift Applied Optics 3J1009, 1964 gezeigt, daß die Tiefenschärfe bei einer mikroskopischen Aufnahme enorm vergrößert werden kann, wenn man eine J¹PS-BeIeuchtung des Objektes vornimmt und zahlreiche Aufnahmen bzw. Belichtungen des Objektes mit vielen dicht aneinanderliegenden Brennpiinkteinstellungen auf eine einzige fotografische Platte überträgt. Obwohl dies theoretisch bei allen Vergrößerungen anwendbar ist, besaß das Verfahren in der Praxis eine obere Grenze bei 20Cfacher bis 400facher Vergrößerung, weil die Beleuchtung des Objektives von der Seite

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Schwierigkeiten bereitete. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es j dieses Verfahren auch bei den höchsten Vergrößerungen von Lichtmikroskopen anzuwenden.

Wenn ein Objektiv mit chromatischer Längsaberration bzw. mit Farblängsfehler bei Mikroskopen gemäß der Erfindung verwendet wird, werden Ebenen verschiedener Tiefe des Objektes jeweils mit Licht FPS-beleuchtet, dessen Farbe sich mit der Tiefe verändert, so daß eine tief in dem Objekt liegende Ebene besonders mit roter Strahlung beleuchtet wird, während eine weiter zur Oberfläche liegende Ebene eine Beleuchtung mit mehr blauen Strahlen erhält. Die für die McLachlan-Technik für Mikroskopie mit hoher Tiefenschärfe benötigte FPS-Beleuchtung in vielen dicht übereinanderliegenden Ebenen v/ird daher erzielt, onne den Brennpunkt des Objektes mecha- ' nisch verändern zu müssen. Das in der reellen Bildebene des Mikroskopes erhaltene zusammengesetzte Bild kann mit einer stereoskopischen Illusion von Paralaxe gesehen werden, wenn Farbzerlegungsprismen zwischen das Bild und die zwei Okulare eingebracht werden, so daß für das rechte Auge das rote Bild nach rechts gegenüber dem blauen Bild und für das linke Auge das rote Bild nach links gegenüber dem blauen Bild verschoben ist.

Die vorliegende Erfindung ist für Fluoreszenz- und Dunkelfeldmikroskopie anwendbar, weil sie außerhalb des Brennpunktes liegende Punkte ausschaltet, welche bei Dunkelfeldverfahren sehr viel mehr ins Gewicht fallen und zu beanstanden' sind als bei Verfahren mit hell ausgeleuchtetem Gesichtsfeld. Deshalb können Objekte, deren Dicke eine übliche Fluoreszenz- oder Dunkelfeldmikroskopie verbietet, mit ausgezeichnetem Kontrast und ausgezeichneter Auflösung betrachtet und untersucht werden. Das bei den Llikroskopen gemäß der Erfindung durch reflektiertes Licht erzeugte Bild ist ein "Dunkelfeld"-3ild, weil die Einzelheiten des Bildes hell vor

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einem dunklen Hintergrund erscheinen. Außerdem erhält man mit dem Mikroskop der vorliegenden Erfindung auch dieselbe allgemeine Klasse von Strukturen wie bei üblicher Dunkelfeldmikroskopie .

Die einfachste Möglichkeit, die Tiefe zwischen zwei Ebenen eines mikroskopischen Objektes zu messen, besteht darin,

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den Abstand zu messen,/den das Objektiv oder der Objekttisch bewegt wird, wenn der Brennpunkt aus einer dieser Ebene in die andere verstellt wird. Dieses Verfahren macht jedoch eine sehr präzise Einstellung des Brennpunktes erforderlich, die unmöglich ist, wenn die Oberfläche sehr glatt ist und keine auffallenden Einzelheiten bzw. Details zeigt. Bei Mikroskopen gemäß der Erfindung wird eine Fläche, wenn sie die Brennpunktebene erreicht, plötzlich beleuchtet, so daß sogar Flächen, die frei von allen Einzelheiten oder Details sind, präzise in die Brennpunktebene gebracht werden können. Auf diese Weise kann man mit dem Mikroskop gemäß der Erfindung die Tiefe bzw. den Abstand zwischen glatten Flächen mit .einer Präzision messen, die früher allenfalls mit sehr großem Aufwand zu erzielen war.

Eine andere Anwendung der Erfindung auf die Tiefenmessung ist die Herstellung von Karten mit Höhenlinien komplexer Oberflächen. Solch eine Karte entsteht, wenn verschiedene Belichtungen des Objektes bei der der betreffenden Kontur entsprechenden Brennpunkteinsteilung nacheinander auf eine einzige fotografische Platte aufgebracht und dabei einander überlagert werden.

Eine weitere Anwendung der Mikroskope der Erfindung auf Tiefenmessung ist die Herstellung von mikroskopischen Bildern oder Fotografien, bei denen das Objekt gedreht erscheint, so daß verschiedene Tiefen des Objektes in seitliche oder

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nebeneinanderliegende Entfernungen umgesetzt auf dem mikrofotografischen Bild erscheinen. Ein solches mikrofotografisches Bild entsteht, wenn das die Schlitze aufweisende Spiegelsystem festgehalten wird, während sich das Objekt kontinuierlich auf das Objektiv zubewegt oder von demselben wegbewegt und die fotografische Platte kontinuierlich nach der Seite bewegt wird.

Alle diese Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung, die in Verbindung mit der Mikroskopie erläutert wurden, sind auch bei allen optischen Vorrichtungen anwendbar, bei denen die Vergrößerung kleiner als 1 ist.

Fig. 6 und 7 zeigen schematisch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der durch einen Schlitz geformte, für die Beleuchtung verwendete Strahl 50 von einer Quelle für stark konzentriert gebündeltes Licht wie einem Laser 51 ausgeht und von zwei im Winkel zu dem Laserstrahl angeordneten parallelen Spiegeln 52 und 53 umgelenkt und durch eine Planzylinderlinse 54 geleitet wird.

Die Spiegel 52 und 53 sind starr mit dem Spiegelsystem 11" verbunden und drehen sich somit synchron mit demselben um die Achse 17", welche sich in Längsrichtung durch den durch den Schlitz gebildeten Brennpunkt des Strahles 50 und durch den Mittelpunkt des aus einer Linse bestehenden Objektives 20" erstreckt. Die Spiegel 52 und 53 versetzen den Laserstrahl 50 seitlich, ohne seine Richtung zu ändern, so daß beim Verdrehen des Spiegelsystems der Brennpunkt des Strahles 50 im Raum stationär bleibt und sich der Strahl 50 derartdreht, daß er gegenüber dem Spiegelsystem stets in derselben Relation verbleibt. Da die Planzylinderlinse 54 den Strahl in einen schlitzförmigen Brennpunkt sammelt, benötigt man keine Schlitzblende wie die mit dem Schlitz 14 versehene Schlitzblende 12 aus Fig. 1. Der Spiegel 16" ist so angeordnet

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daß das Spiegelbild des Brennpunktes des Strahles 50 mit dem des Schlitzes 15" zusammenfällt. Nach Reflektion vom Spiegel 16" sind die Strahlungswege gleich denen der Mikroskope aus Pig. 1 und 2.

Beim Teleskop gemäß Pig. 8 besteht ein Schlitze aufweisendes Spiegelsystem 60 aus rechtwinklig zueinander angeordneten Schlitzblende'n 61 und 62, die jeweils mit einem Schlitz 63 bzw. 64 versehen sind, und einem Spiegel 65. Dieses Spiegelsystem 60 ist insgesamt um eine Achse 66 oszillierend verdrehbar, welche durch den Schlitz 63 verläuft. Der Spiegel 65 ist so gegenüber der Achse 66 angeordnet, daß das Spiegelbild des Schlitzes 63 dem Schlitz 64 diametral gegenüberliegt.

Ein Strahl A aus stark konzentriert gebündeltem Licht, der aus einer Lichtquelle 76, beispielsweise einem Laser kommt, wird von einer Planzylinderlinse 68 in einem Brennpunkt gesammelt und im rechten Winkel von einem Spiegel 69 umgelenkt, so daß er zu einem Schlitzbrennpunkt zusammenläuft, der mit dem Schlitz 63 zusammenfällt. Danach wird der Strahl A durch hintereinander angeordnete Spiegel 65, 70 und 71 jeweils rechtwinklig umgelenkt und schließlich von einem Objektiv 72 zu einem schmalen Brennpunktstreifen gesammelt, der in der Brennebene des zu betrachtenden Feldes liegt oder dessen Entfernung von dieser Ebene bestimmt werden kann. Ein von dem beleuchteten Streifen in der Brennpuructebene des betrachteten Feldes reflektierter Strahl A¹ wird durch ein Objektiv 73 und über zwei rechtwinklige Herlektionen durch Spiegel 74 und 75 durch den Schlitz 64 zum Okular 7ö des Teleskops geworfen. Wie bei den anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung überschneiden sich der einfallende Strahl A und der reflektierte Strahl A¹ nur im schnalen beleuchteten Streifen in der Brennebene, so da.? eine PPS-Beleuchtun,,- gegeben ist.

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Bin Oszillieren des Spiegelsystems 60 um die Achse 66 bewirkt, daß der durch die einfallenden und reflektierten Strahlen gemeinsam gebildete Streifen synchron über die gesamte Brennebene wandert und dieselbe abtastet. Da es sich um eine FPS-BeIeuchtung handelt, d. h. um eine in der Brennebene liegende Beleuchtung, ist das Bild der Brennebene praktisch frei von Interferenzlicht, das von Dunst, Nebel oder anderen lichtzerstreuenden Partikeln zwischen dem Teleskop und dem Objekt reflektiert wurde. Mit dem Teleskop kann man auch durch trübes Wasser beobachten. Weil die Winkelparalaxe zwischen den Strahlen A und A¹ sich mit dem Abstand zwischen dem Teleskop und der Brennebene ändert, kann man diese Strahlen bei unterschiedlichen Entfernungen nur dann in der Brennebene" zusammenfallen lassen, wenn man eine Kompensation der Paralaxe, beispielsweise durch Nocken od.dgl. vornimmt, mit deren Hilfe die Objektive 72 und 75 dichter aneinander bewegt werden, als die Abstände des Objektes abnehmen.

Das Teleskop aus Pig. 8 kann mit bekannten Einrichtungen zum Begrenzen des optischen Bereiches für die Brennpunktbeleuehtung bzw. FPS-Beleuchtung verbunden werden, wobei im Anschluß an einen kurzen Lichtimpuls von einer auslösbaren bzw. einschaltbaren Lichtquelle ein ultraschnell ansprechender elektro-optischer Lichtverschluß für einen Augenblick nach einem genau eingestellten VerzögerungsIntervall geöffnet wird, das gleich der Zeit ist, die das Licht benötigt, um von der LichtQuelle zum Objekt und von dort zurück zum Verschluß zu gelangen. Eine solche Kombination könnte bei dem Teleskop gemäß der Fig. 8 dadurch erzielt werden, daß man die Lichtquelle 76 als Hochfrequenz-Kurzimpuls-Laser ausbildet, der in sich wiederholender Folge arbeitet, und indem man einen geeigneten synchronisierten elektrooptischen Lichtverschluß in äen Weg des Strahles A¹ einbaut. Die Kombination von Teleskopen geir.äß der Erfindung mit den optischen Bereich

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begrenzenden Einrichtungen ermöglicht eine wesentlich bessere wählbare PPS-Beleuchtung als mit jedem dieser kombinierten Verfahren allein.

Beim Teleskop gemäß Pig. 9, bei dem Teile, welche denen aus ffig. 8 entsprechen, mit entsprechenden Positionsziffern versehen sind, besitzt eine Scheibenblende 77 radiale Schlitze 78, 79, 80 und 81, die symmetrisch auf zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Durchmesserlinien angeordnet sind. Von einer lichtquelle 82 wird ein Strahl B mit Hilfe einer Linse 83 durch den Schlitz 78 auf einen Spiegel 70' geworfen und von dort ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel aus Pig. 8 reflektiert und auf einen schmalen Streifen der Brennebene zu einem Brennpunkt zusammengefaßt. Der von hier reflektierte Strahl B' ist ebenso wie der reflektierte Strahl· A¹ aus Mg. 8 geführt und wird durch den Schlitz 80, der dem Schlitz 64 aus Pig. 8 entspricht, in seinen Dimensionen begrenzt.

Ein Verdrehen der Scheibenblende 77 um eine Achse 66' bewirkt, daß der einfallende Strahl B und der reflektierte Strahl B¹ synchron und in immer neuer Polge über die Brennebene geführt werden und dieselbe abtasten, wobei der Strahl B zunächst durch den Schlitz 78 und der Strahl B¹ durch den Schlitz 80 begrenzt wird, woraufhin der Strahl B durch den Schlitz 79 und der Strahl B' durch den Schlitz 81 und dann der Strahl B durch den Schlitz 80 und der Strahl B^f durch den Schlitz 78 begrenzt bzw. unterbrochen wird usw.

Die Scheibenblende 77 kann jede gerade Zahl von Schlitzen aufweisen, vorausgesetzt, daß sie in genügend großem Abstand voneinander angeordnet sind, daß sich zu keiner Zeit mehr als ein Schlitz im Gesichtsfeld befindet. Wenn zwei oder-mehr Schlitze gleichzeitig im Gesichtsfeld auftauchen, ist ein Überschneiden eines einfallenden Strahles mit einem reflektierten Strahl unvermeidbar, wodurch die PPS-BeIeuchtung ausgeschlossen wird.

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Beim Mikroskop gemäß Fig. 10 wird ein schlitzförmiger Strahl 92 von einer Lichtquelle 93 durch eine Linse 94 auf eine Blende 95 geworfen, der einen Schlitz 96 enthält. Dieser Schlitz 96 bestimmt die Form des durch ihn hindurchfallenden Strahles 92, der seitlich nochmals durch eine mit einer Meßschneide versehene Öffnung 97 begrenzt und dann von einem als Linse ausgebildeten Objektiv 98 auf einen schmalen Streifen in der Brennebene 99 eines Objektes 100 konzentriert wird.

Ein als Streustrahlung von dem beleuchteten Streifen der Brennebene 99 ausgehender schlitzförmiger Strahl 101 wird durch ein als Linse ausgebildetes Objektiv 102 zusammengefaßt und durch eine eine Meßschneide aufweisende Öffnung 103 begrenzt und gelangt durch einen Schlitz 104 einer Blende 105 zu einem Okular 106. Die Öffnung 97, deren Meßschneide durch die Achse des Objektives 98 läuft, begrenzt den beleuchteten Bereich des Objektes, während die Öffnung 103, welche in ähnlicher Weise zum Objektiv 102 und zum Schlitz 104 angeordnet ist, den sichtbaren Bereich des Objektes begrenzt, so daß sich diese beiden Bereiche nur in dem schmalen Streifen der Brennebene 99 überschneiden können, so daß man eine I¹PS-Beleuchtung wie bei den anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung erhält. Ein gleichzeitiges Bewegen der beiden Strahlen über die Brennebene im Objektiv wird durch gleichzeitige Translationsbewegung der Blenden 95 und 105 um ihre entsprechenden Feldebenen erzielt, beispielsweise durch Verschiebung eines nicht dargestellten starren Teiles, an dem beide Blenden befestigt sind.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der die Beleuchtung bewirkende schlitzförmige Strahl vom einzelnen Streifensegment einer mit parallelen, einzeln elektrisch zu erregenden streifenförmigen Lichtquellen wie Licht aus- ^; sehenden Dioden erzeugt, die in der Blickfeldebene eines optischen Beleuchtungssystems liegen. Das Wandern des die

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Beleuchtung hervorrufenden Strahles über die Objektebene des zu betrachtenden Gegenstandes wird durch Einschalten der nebeneinander liegenden streifenförmigen Lichtquellen dieser Vorrichtung in konstanter Folge erzielt. Ein synchrones Bewogen des reflektierten schlitzförmigen Strahles wird durch geeignetes synchrones Einschalten von entsprechend angeordneten Streifensegmenten einer Platte aus parallelen einzeln elektrisch zu betätigenden streifenförmigen Lichtbegrenzungseinrichtungen wie Festkörper-Bildverstärker bewirkt, die in der Blickfeldebene des für die Betrachtung verwendeten optischen Systemes liegen.

Patentansprüche:

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Claims (1)

1. Patentansprüche: * * ° ' ^{u H}

   /j/ Vorrichtung zum Herstellen eines Bildes einer ausgewählten Ebene eines Objektes oder Feldes, dadurch gekennzeichnet , daß sie Einrichtungen zum Sammeln eines schlitzförmigen Strahles beliebiger Strahlung in einem schmalen Streifen in oder nahe der ausgewählten Ebene, Einrichtungen zum Leiten eines von dem beleuohteten Streifen oder, einem nahe von und parallel zu demselben liegenden Streifen ausgehenden schlitzförmigen Strahl entlang einer Achse, die in einem Winkel gegenüber der Achse des in eine ein Bild erzeugende Einrichtung einfallenden Strahles verläuft, und Einrichtungen zum synohronen Abtasten bzw. Bewegen der einfallenden und reflektierten Strahlen über eine ausgewählte Ebene in einer Riohtung senkreoht zur Längsrichtung des beleuchteten Streifens aufweist.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß der schlitzförmige Strahl (A, B) der die Beleuchtung hervorrufenden Strahlung durch eine Blende (12, 61, 77) erzeugt wird, die wenigstens eine schlitzförmige öffnung (H, 63, 78-81) besitzt, die senkreoht zur optischen Aohse des einfallenden Strahles verläuft.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, daduroh gekennzeichnet, daß die Quelle für den schlitzförmigen Strahl einen Laser (51, 67) enthält.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle für den schlitzförmigen Strahl wenigstens einen geradlinigen heizbaren Draht aufweist.

   5. Vorrichtung nach Anspruch. 1 oder 2, daduroh gekennzeichnet,

   daß die Quelle für den schlitzförmigen Strahl eine Platte mit parallelen, einzeln aktivierbaren bzw. zu betätigenden streifen- oder schlitzförmigen Strahlungsquellen aufweist

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   und zum Bewegen des Strahles über die ausgewählte Ebene Einrichtungen vorgesehen sind, um nacheinander nebeneinanderliegende schlitzförmige Strahlungsquellen der Platte aktivieren bzw· ein- und ausschalten zu können.

   6· Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Spiegel (16) aufweist, der den schlitzförmigen Beleuchtungsstrahl an seiner einen Längskante (16a) unterbricht und der in einem Winkel zu dem Strahl angeordnet ist, um denselben auf das Objekt (10) zu lenken.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (16) und die Blende (12) um eine Achse (17) synchron drehbar gelagert sind, die in derselben Ebene mit den optischen Achsen der einfallenden und reflektierten Strahlen liegt·

   3« Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Drehachse (17) des Spiegels (16) und der Blenden (12, 13) durch oder nahe vom optischen Zentrum der das Objektiv bildenden Linse (20) der Vorrichtung verläuft.

   9· Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Drehachse des Spiegels und der Blende durch oder nahe von dem optischen Zentrum bzw· Mittelpunkt des von der das Objektiv bildenden Linse erzeugten reellen Bildes Verläuft.

   10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüohe 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Bündeln und Sammeln der die Beleuchtung hervorrufenden Strahlen auf einer ausgewählten Ebene und die Einrichtungen zum Bündeln der reflektierten Strahlen auf einem Bildaufnehmer wenigstens eine gemeinsame Linse (20) aufweisen.

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   11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen sum chromatischen Streuen des auf dem Objekt in einem Brennpunkt gesammelten Strahles aufweist, so daß Strahlen verschiedener Wellenlängen auf verschiedenen Streifen dee Objektes in ihren jeweiligen Brennpunkten gesammelt werden.

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