DE1953895B2 - Optisches bauelement zur strahlenaufspaltung bzw vereinigung eines polyrisierten lichtbuendels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Bauelement zur

ίο Strahlenaufspaltung bzw. -vereinigung eines polarisierten Lichtbündels, dessen Vereinigungspunkt außerhalb des Bauelements liegt. Derartige Bauelemente lassen sich besonders vorteilhaft bei der Zweistrahlinterferenz-Durchlicht- oder Auflichtmikroskopie verwenden.

Zweistrahlinterferenzeinrichtungen mit Strahlenaufspaltung und -vereinigung durch kristalloptische Hilfsmittel sind bereits bekannt. Geeignete Bauelemente dafür sind von L e b e d e f f (Rev. d'Optique 9 [1930],

S. 385), Smith (britische Patentschrift 639 014) und N ο m a r s k i (deutsche Patentschrift 1 037 174) beschrieben worden.

Nach Lebedeff erfolgt die Aufspaltung bzw. die Vereinigung der Strahlen hinter der Kondensor- bzw. vor der Objektivfrontlinse. Bei diesem Aufbau ist insbesondere bei Objektiven kurzer Brennweite vor der Frontlinse kein Platz für das Teilerplättchen.

Die Interferenzemrichtung nach Smith verwendet zur Strahlenaufspaltung bzw. -vereinigung in der vorderen Brennebene des Kondensors und der hinteren Brennebene des Objektivs je ein Prisma aus doppelbrechenden Kristallen, z. B. Wollaston- oder Rochonprismen. Die durch die Prismen hervorgerufene Winkelaufspaltung des Strahles wird durch den Kondensor bzw. das Objektiv in eine laterale Aufspaltung umgesetzt. Dabei ergeben sich bei stärkeren Mikroskopobjektiven Schwierigkeiten, da die Brennebene meist im Innern des optischen Systems liegt und daher nicht zugänglich ist.

In der Interferenzeinrichtung nach N ο m a r s k i wird eine von dem bekannten Wollaston-Prisma abweichende Prismenkonstruktion verwendet, bei der nunmehr der Vereinigungspunkt der Strahlen außerhalb des Prismas liegt. B<*i Objektiven oder Konden-

4<. soren mit im Innern des optischen Systems liegender Brennebene kann daher das Prisma außerhalb des Objektivs bzw. des Kondensors angeordnet werden. Diese Prismenkonstruktion ist jedoch durch ihren komplizierten Aufbau für die Fertigung nicht einfach.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, die die strahlenaufspaltcnden bzw. strahlcnvereinigendcn Bauelemente nicht zwischen den Frontlinsen des Kondensors und des Objektivs enthält; die auch bei Verwendung stärker vcrgrößernder Mikroskopobjektivc eingesetzt werden kann und die in bezug auf Bekanntes einen einfachen Aufbau aufweist und demzufolge einfacher und mit geringeren Kosten erstellbar ist.
Diese Aufgabe ist erfirtduttgsgemäß dadurch gelöst, daß das optische Bauelement aus einem Wollaston-Prisma besteht, dem eine schräg zur optischen Kristallachse geschnittene Planparallelplatte aus einem einachsigen Kristall zugeordnet ist. Vorzugsweise ist der vorgenannten Planparallel*

⁶S platte eine /.weite Planparallelplatte aus einem einachsigen Kristall zugeordnet, die parallel zur optischen Kristallachse geschnitten ist, deren optische Dicke so bemessen ist, daß der in ihr hervorgerufene Gang-

unterschied mit umgekehrtem Vorzeichen gleich dem Gangunterschied ist, der in der ersten Planparallelplatte hervorgerufen wird. Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform ist die erste Planparallelplatte zusammen mit der zweiten Planparallelplatte um 180° um die Achse des einfallenden Strahlenbündels (Instrumentenachse) drehbar.

In einem Interferenz-Auflichtmikroskop kann ein erfindungsgemäßes optisches Bauelement verwendet sein. In einem Interfcrenz-Durchlichtmikroskop werden zwei derartige Bauelemente angeordnet.

In einem Interferenz-Auflichtmikroskop kann das optische Bauelement derart zwischen einem Strahlenteiler und dem Objektiv angeordnet sein, daß der Vereinigungspunkt der Teilstrahlenbündel mit dem bildseitigen Brennpunkt des Objektivs zusammenfallt. Es i-.t zweckmäßig, zwischen dem Strahlenteiler und dem Okular des Interferenz-Auflichtmikroskops einen Analysator mit vorgeschalteter /./4-Platte pnzuoidnen. Zusätzlich zu der //4-Platte kann eine in den Strahlengang einschaltbare /-Platte vorgesehen sein.

Bei einem Interferenz-Durchlichtmikroskop nach der Erfindung ist ein optisches Bauelement zweckmäßig auf der Beleuchtungsseite derart angeordnet, daß der Strahlen vereinigungspunkt mit dem der Lichtquelle zugewandten Brennpunkt des Kondensors zusammenfallt, während das zweite optische Bauelement nach der Erfindung zwischen Objektiv und Analysator vorzugsweise derart angeordnet ist, daß der objcktseitige Strahlenvereinigungspunkt mit dem Brennpunkt des Objektivs zusammenfällt. Es ist vorteilhaft, auf der Beleuchtungsseite zwischen dem Polarisator und dem optischen Bauelement eine /./4-Platte, gegebenenfalls zusammen mit einer zusätzlich in den i3clcuchtungsstrahlengang einschaltbaren/-Platte, vorzusehen.

Mit dem Gegenstand vorliegender Anmeldung ausgerüstete Anordnungen weisen den Vorteil auf daß ein und dasselbe Wollaston-Prisma auch für mehrere in der Lage ihrer Brennebenen unterschiedliche Objektive verwendet werden kann und lediglich die kristalloptisch orientierte Planparallelplatte auszuwechseln ist. Darüber hinaus kann durch Drehung der Planparallclplatten um 180 der Slrahlenvereinigungspunkt aus der Brennebene verlagert und damit ein ursprünglich homogene·· Bildfeld in ein solches mit Interfcren/streifen übergeführt werden.

In den Zeichnungen sind schcmatisch die bisher bekannten Bauelemente zur Strahlcnaufspaltung bzw. -vereinigung und das optische Bauelement nach der Erfindung dargestellt. Ferner sind schematisch ein Interferenz-Durchlicht- und ein Interferenz-Auflichtmikroskop gezeigt, bei denen die erfindungsgemäßen optischen Bauelemente verwendet sind Im einzelnen zeigt

F i g. I die Anordnung nach Lebedeff,

F i g. 2 die Anordnung nach Smith,

F i g. 3 das abgewandelte Wollaston-Prisma nach

Nomarski, F i g. 4a und 4b das optische Bauelement nach der

Erfindung,

F i g. 5 ein Interfeienz-Auflichtmikroskop und F i g. 6 ein Inierferenz-Durchlichtmikroskop in der

erflndungsgemäßen Ausgestaltung.

In der F i g. I wird das durch den Kondensor 11 einfallende Licht in der Planparallelplatte 12, die schräg zur optischen Kristallachse geschnitten ist, auf· gespalten und in der λ/2-Platte 13 hinsichtlich der Polarisationsebenen um 9Q^a gedreht. Nach Durchtritt durch das Objekt 14 bewirkt die Planparallelplatte 15 die Wiedervereinigung der beiden Teilstrahlen vor dem Objektiv 16.

In der F i g. 2 wird das in das Wollaston-Prisma 21 einfallende polarisierte Licht in bekannter Weise aufgespalten und in dem Kondensor 22 parallel gerichtet. Nach Durchtritt durch das Objekt 23 und durch das

ίο Objektiv 24 werden die Teilstrahlen in dem Wollaston-Prisma 25 wieder vereinigt und können nach Durchtritt durch einen hier nicht eingezeichneten Analysator miteinander interferieren. Mit j\ und /_u sind die Brennweiten des Kondensors bzw. des Objektivs bezeichnet.

Die F i g. 3 stellt schematisch das von Nomarski abgewandelte Wollaston-Prismn dar, bei dem dadurch, daß das eine Teilprisma schräg i'ir optischen Kristallachse geschnitten ist, eine Aufspaltung und Wiedervereinigung der Teilstrahlenbündel außerhalb des Prismas erfolgt.

In der F i g. 4a ist das optische Bauelement nach der Erfindung dargestellt, das aus der schräg zur optischen Kristallachse geschnittenen Planparallelplatte 41, der parallel zur optischen Kristallachse geschnittenen Planparallelplatte 42 und dem Wollaston-Prisma 43 besteht. Die Lateralaufspaltung der beiden senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlen ist mit <\ die Winkelaufspaltung mit η und die Verschiebung des Vereinigungspunktes 5 mit I bezeichnet. Wenn α der Aufspaltungswinkel des Wollaston-Prismas ist und Λ die durch die Planparallelplatte 41 verursachte laterale Versetzung, dann gilt für die Verschiebung I des Vereinigungspunktes S:

I =

Die Lateralaufspaltung f> kann aus der Dicke und den optischen Konstanten der Planpaiallelplatte 41 errechnet werden.

Der durch die erste Planparallelplatte 41 erzeugte Gang- oder Phasenunterschied wird durch die zweite Planparallelplatte 42. die ja parallel zu ihrer optischen Kristallachse geschnitten ist und daher keine räumliche Trennung der beiden senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlen verursacht, kompensiert.

Werden, wie in der Fig. 4b dargestellt, die Planpari'llelplattcn 41 und 42 um 180° um die Achse vies einfallenden Strahlenbündels (Instrumentenachse) gedreht, dann erhält man einen virtuelle.) Vereinigungspunkt S', für dessen Verschiebung ebenfalls die eben angeführte Gleichung gilt.

In dem Auflicht-Intcrferenzmikroskop nach F i g. 5 fällt das von dci Lichtquelle 51 ausgehende Licht nach Durchtritt durch den Polarisator 52 und Ablenkung an dem Strahlenteiler 53 auf das erfindungsgemäße optische Bauelement 42, 41, 43. Der Vereinigungspunkt 5 liegt in der Brennebene des Objektivs 54 mit

der Brennweite />. Nach Reflexion an dem Objekt 55 gelangen die abbildenden Strahlen über das Objektiv 54, das optische Bauelement 43, 41, 42 mit dem in der Trennfläche zwischen den beiden PlanparaHelplatten 41 und 42 liegenden Vereinigungspunkt S* durch den

Strahlenteiler S3 zum Analysator 56 und schließlich zum Okular 57. Dem Analysator 56 ist eine λ/4-Platte 58 vorgeschaltet. Zusätzlich ist eine λ-Platte 59 in den Strahlengang einschaltbar.

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Die Wirkungsweise dieses Interferenz-Auflichtmikroskops ist folgende: Das von der Lichtquelle 51 kommende Licht wird vom Polarisator 52 polarisiert und vom Strahlenteiler 53 in Richtung auf das Objekt 55 reflektiert. In der Planparallelplattc 42 wird das polarisierte Licht in zwei senkrecht zueinander polarisierte Komponenten aufgespalten, die jedoch nicht räumlich getrennt verlaufen, sondern diese I'lanparullclplattc 42 nur mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durchsetzen. Die Planparallelplattc 42 ist so dimensioniert und orientiert, daß der durch sie erzeugte Ganguntcrschicd dem Betrage nach gleich ist dem durch die Planparallclplatte 41 erzeugten Gangunlcrschicd, jedoch umgekehrtes Vorzeichen besitzt. Die in den Planparallelplatten 42 und 41 erzeugten Gangunterschiede kompensieren sich also.

Die Planparallclplatte 41, die schräg zur optischen Kristall-Achse geschnitten ist, bewirkt, daß die beiden senkrecht zueinander polarisierten Komponenten eine Latcralaufspaltung Λ erfahren. In dem Wollaston-Prisma 4.1 werden die beiden Komponenten unterschiedlich gebrochen, so daß sic selbst unter dem

Winkel t '' bzw. - '' gegen die optische Instrumentenachse verlaufen. Die Winkelaufspaltung η wird durch das Objektiv 54 in eine laterale Aufspaltung I umgesetzt, so daß die beiden Komponenten an verschiedenen Stellen des Objektes 55 reflektiert werden und nach Rücklauf durch das Objektiv 54. das Wollaston-Prisma 43 und die Planparallelplatte 4I in .V* zur Vereinigung kommen. Die nun nicht mehr räumlich getrennt verlaufenden Tcilstrahlen durchsetzen die Planparallelplatte 42, den Strahlenteiler 53 und den Analysator 56 und können miteinander interferieren.

Die /./4-Platte dient in Verbindung mit dem drehbaren Analysator 56 zur Variation des Gangunterschicdes zwischen den beiden senkrecht zueinander polarisierten Komponenten nach dem Prinzip des

Senarmont-Kompensators. Durch Drehen des Analysators lassen sich in bekannter Weise Gangunterschiede von· t λ/2 erzeugen. Um größere Gangunterschiede zu ermöglichen, kann zusätzlich die /-Platte 59 in den Strahlengang eingeschaltet werden, so JaD durch die Kombination der /.-Platte mit der //4-Platte

Gangunterschiede von /./2 bis ^ /. erzeugt werden können.

In der I- i g. 6 ist das Prinzip eines Interferenz-Durchlichtmikroskops unter Verwendung der erfindungsgemäßen optischen Bauelemente dargestellt. Das von der Lichtquelle 61 kommende Licht wird in dem Polarisator 62 polarisiert und durch das optische Hauclement 42«. 41«. 41« in zwei senkrecht zueinander polarisierte Komponenten aufgespalten und in dem Vereinigungspunkt S„. der in der Brennebene des Kondensors 63 liegt, vereinigt. Der Kondensor 63 verwandelt die Winkelaufspaltung in eine Lateralversetzung der nun parallel zueinander verlaufenden Komponenten, die an verschiedenen Stellen das Objekt 64 durchdringen. Das Objektiv 65. in dessen Brennebene der bildseitige Vereinigungspunkt S_h liegt, bewirkt eine Umwandlung der Lateralversetzung in eine Winkelaufspaltung, die durch das Wollaston-Prisma 4.i/> erneut zur Lateralaufspaltung der Teilkomponenten führt, die schließlich nach Durchtritt durch die Planparallelplatte 41 h zur Wiedervereinigung der Teilkomponenten an der Trennfläche zwischen der Planparallelplatte 41 b und der Planparallelplatte 42h führt. Damit können die Teilkomponenten nach Durchsetzen des Analysators 66 miteinander interferieren. Das Okular 67 vervollständigt die Interferenzeinrichtung.

Wie bereits bei der Interferenz-Auflichteinrichtung beschrieben, ist es zweckmäßig, im Strahlengang nach dem Prinzip des Senarmont-Kompensators eine /4- Platte 68 und gegebenenfalls eine zusätzlich einschaltbare /-Platte 69 vorzusehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Optisches Bauelement zur Strahlenaufspaltung bzw. -vereinigung eines polarisierten Lichtbündels, dessen Vereinigungspunkt außerhalb des Bauelementes liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bauelement aus einem Wollaston-Prisma (43) besteht, dem eine schräg zur optischen Kristallachse geschnittene Planparallelplatte (41) aus einem einachsigen Kristall zugeordnet ist.

2. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Planparallelplatte (41) eine parallel zur optischen Kristallachse geschnittene zweite Planparallelplatte (42) zugeordnet ist, deren optische Dicke so bemessen ist, daß der in ihr hervorgerufene Gangunterschied mit umgekehrtem Vorzeichen gleich dem Gangunterschied ist, der in der ersten Planparallelplatte (41) hervorgerufen wird.

3. Optisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Planparallelplatte (41) zusammen mit der Pias^parallelplatte (42) um 180 um die Achse des einfallenden Strahlenbündels (Instrumentenachse) drehbar ist.

4. Interferenz-Auflichtmikroskop, gekennzeichnet durch die Verwendung eines optischen Bauelementes (42, 4i, 43) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3.

5. Interferenz- Duvchlichtmikro.skop, gekennzeichnet durch die Verwendung ..»veier optischei Bauelemente (42a, 41a, 43a; 43h, 41 b, 42 b) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3.

6. Interferenz - Auslichtmikroskop nach Anipruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das optiichc Bauelement (42.41,43) derart zwischen einem Strahlenteiler (53) und dem Objektiv (54) angeordnet ist, daß der Vereinigungspunkt (S) der Strahlenbündel mit dem bildseitigen Brennpunkt de.; Objektivs (54) zusammenfällt.

7. Interferenz - Auflichtmikroskop nach Anipruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Strahlenteiler (53) und dem Okular (57) ein Analysator (56) mit vorgeschalteter /./4-Platte (58) angeordnet ist.

8. Interferenz - Auflichtmikroskop nach Anipruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor der 1/4-Platte (58) eine in den Strahlengang einschaltfcarc /-Platte vorgesehen ist.

9. Interferenz - Durchlichtinikroskop nach Anipruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden optischen Bauelemente (42«. 41a, 43a) auf der Beleuchtungsseite derart angeordnet ist, daß der Strahlcnvercinigungspunkt [SJ mit dem der Lichtquelle (61) zugewandten Brennpunkt des Kondensors (63) zusammenfällt und daß das zweite optische Bauelement (43b, 41 b, 42b) zwischen Ob* jektiv (65) und Analysator (66) derart angeordnet ist, daß der objektseitige Strahlenvereinigungspunkt (S_h) mit dem Brennpunkt des Objektivs (65) zusammenfällt.

10. Interferenz · Durchlichtmikroskop nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Beleuchtungsseite zwischen dem Polarisator (62) und dem optischen Bauelement (42ο, 41α, 43α) eine λ/4'Platte (68) eingeschaltet ist.

11. Interferenz* Durchlichtmikroskop nach An*

spruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine in den Beleuchtungsstrahlengang einschaltbare /-Platte (69) vorgesehen ist.