DE1953895C - Optisches Bauelement zur Strahlenaufspaltung bzw. -vereinigung eines polarisierten Lichtbündels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Bauelement zur

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'Oplique 9 [1930],

zo 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 Objektivnontlinse. Bei diesem Aufbau ist insbesondere bei Objektiven kurzer Brennweite vor der Frontlinse kein Platz für das Teilerplättchen.

Die Interferenzeinrichtung 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 Konden-

sor 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 Noraarski wird eine von dem bekannten Wollaston-Prisma abweichende Prismenkonstruktion verwendet, bei der nunmehr der Vereinigungspunkt der Strahlen außerhalb des Prismas liegt. Bei Objektiven oder Kondensoren 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 strahlenaufspaltenden bzw. strahlenvereinigenden Bauelemente nicht zwischen den Frontlinsen des Kondensors und des Objektivs enthält; die auch bei Verwendung stärker vergrößernder Mikroskopobjektive 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 erfindungsgemäß 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 Planparallelplatte eine zweite 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 erst^a Planparallelplatte hervorgerufen wird. Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform ist die erste Planparallelplatte zusammen mit der zweiten Planparallelplutte um 180° um die Achse des einfallenden Strahlenbündels (Instninientenachse) drehbar.

In einem Interferenz-Auflichtmikroskop kann ein erfindungsgemäßes optisches Bauelement verwendet sein. In einem Interferenz-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 zusammenfällt. Es ist zweckmäßig, zwischen dem Strahlenteiler und dem Okular des Interferenz-Auflichtmikroskops einen Analysator mit vorgeschalteter /./4-Platte anzuordnen. Zusätzlich zu der A/4-Platte kann eine in den Strahlengang einschaltbare λ- Platte vorgesehen sein.

Bei einem Interferenz-Durchlichtmikroskop nach der Erfindung ist ein optisches Bauelement zweckmäßig auf der Beleuchtungsseite derart angeordnet, daß der Strahlenvereinigungspunkt mit dem der Lichtquelle zugewandten Brennpunkt des Kondensors zusammenfällt, während das zweite optische Bauelement nach der Erfindung zwischen Objektiv und Analysator vorzugsweise derart angeordnet ist, daß der objektseitige 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 Beleuchtungsstrahlengang einschaltbaren λ- 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 Planparallelplatten um 180° der Strahlenvereinigungspunkt aus der Brennebene verlagert und damit ein ursprünglich homogenes Bildfeld in ein solches mit Interferenzstreifen übergeführt werden.

In den Zeichnungen sind schematisch die bisher bekannten Bauelemente zur Strahlenaufspaltung 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. 1 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 Interferenz-Auflichtmikroskop und
F i g. 6 ein Interferenz-Durchlichtmikroskop in der

erfindungsgemäßen Ausgestaltung.

In der F i g. 1 wird das durch den Kondensor 11 einfallende Licht in der Planparallelplatte 12, die schräg zur optischen Kristallachse geschnitten ist, aufgespalten und Jn der λ/2-Platte 13 hinsichtlich der Polarisationsebenen um 90° 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

ι ο 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 f_k und f₀ sind die Brennweiten des Kondensors bzw. des Objektivs bezeichnet.

Die F i g. 3 stellt schematisch das von Nomarski abgewandelte Wollaston-Prisma dar, bei dem dadurch, daß das eine Teilprisma schräg zur optischen Kristallachse geschnitten ist, eine Aufspaltung und Wieder-

vereinigung der Teilstrahlenbündel außerhalb des Prismas erfolgt.

In der F i g. 4 a 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 Λ, die Winkelaufspaltung mit α und die Verschiebung des

Vereinigungspunktes S mit 1 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:

_Λ

Die Lateralaufspaltung f> kann aus der Dicke und

den optischen Konstanten der Planparallelplatte 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 Planparallelplatten 41 und 42 um 180° um die Achse des

einfallenden Strahlenbündels (Instrumentenachse) gedreht, dann erhält man einen virtuellen Vereinigungspunkt S', für dessen Verschiebung ebenfalls die oben angeführte Gleichung gilt.

In dem Auflicht-Interferenzmikroskop nach F i g. 5 fällt das von der 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 S liegt in der Brennebene des Objektivs 54 mit

der Brennweite /₀. 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 Planparallelplatten 41 und 42 liegenden Vereinigungspunkt S* durch den

Strahlenteiler 53 zum Analysator 56 und schließlich zum Okular 57. Dem Analysator 56 ist eine A/4-Platte 58 vorgeschaltet. Zusätzlich ist eine A-Platte 59 in den Strahlengang einschaltbar.

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 Planparallelplatte 42 wird das polarisierte Licht in zwei senkrecht zueinander polarisierte Komponenten aufgespalten, die jedoch nicht räumlich getrennt verlaufen, sondern diese Planparallelplatte 42 nur mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durchsetzen. Die Planparallelplatte 42 ist so dimensioniert und orientiert, daß der durch sie erzeugte Gangunterschied dem Betrage nach gleich ist dem durch die Planparallelplatte 41 erzeugten Gangunterschied, jedoch umgekehrtes Vorzeichen besitzt. Die in den Planparallelplatten 42 und 41 erzeugten Gangunterschiede kompensieren sich also.

Die Planparallelplatte 41, die schräg zur optischen Kristall-Achse geschnitten ist, bewirkt, daß die beiden senkrecht zueinander polarisierten Komponenten eine Lateralaufspaltung Λ erfahren. In dem Wollaston-Prisma 43 werden die beiden Komponenten unterschiedlich gebrochen, so daß sie selbst unter dem

Winkel + ^ bzw. — ~ gegen die optische Instrumentenachse verlaufen. Die Winkelaufspaltung α wird durch das Objektiv 54 in eine laterale Aufspaltung 1 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 41 in S* zur Vereinigung kommen. Die nun nicht mehr räumlich getrennt verlaufenden Teilstrahlen durchsetzen die Planparallelplatte 42, den Strahlenteiler 53 und den Analysator 56 und können miteinander interferieren.

Die λ/4-Platte dient in Verbindung mit dem drehbaren Analysator 56 zur Variation des Gangunterschiedes zwischen den beiden senkrecht zueinander polarisierten Komponenten nach dem Prinzip des Senarmont-Kompensators. Durch Drehen des Analy sators lassen sich in bekannter Weise Gangunter schiede von ± A/2 erzeugen. Um größere Gangunter schiede zu ermöglichen, kann zusätzlich die A-Platte 5! in den Strahlengang eingeschaltet werden, so dal durch die Kombination der Α-Platte mit der A/4-Platt

Gangunterschiede von A/2 bis = A erzeugt werdei

können.

In der F i g. 6 ist das Prinzip eines Interferenz Durchlichtmikroskops unter Verwendung der erfin dungsgemäßen optischen Bauelemente dargestellt Das von der Lichtquelle 61 kommende Licht wird ii dem Polarisator 62 polarisiert und durch das optischi Bauelement 42 a, 41a, 43 a in zwei senkrecht zuein ander polarisierte Komponenten aufgespalten und ii dem Vereinigungspunkt S_a, der in der Brennebene de Kondensors 63 liegt, vereinigt. Der Kondensor 63 ver wandelt die Winkelaufspaltung in eine Lateralver setzung der nun parallel zueinander verlaufendei Komponenten, die an verschiedenen Stellen das Ob jekt 64 durchdringen. Das Objektiv 65, in dessei Brennebene der bildseitige Vereinigungspunkt S_b liegt bewirkt eine Umwandlung der Lateralversetzung ii eine Winkelaufspaltung, die durch das Wollaston Prisma 43 b erneut zur Lateralaufspaltung der Teil komponenten führt, die schließlich nach Durchtrit durch die Planparallelplatte 41 b zur Wiedervereini gung der Teilkomponenten an der Trennfläche zwi sehen der Planparallelplatte 41 b und der Planparallel platte 42b führt. Damit können die Teilkomponentei nach Durchsetzen des Analysators 66 miteinande interferieren. Das Okular 67 vervollständigt die Inter ferenzeinrichtung.

Wie bereits bei der Interferenz-Auflichteinrichtuni beschrieben, ist es zweckmäßig, im Strahlengang nacl dem Prinzip des Senarmont-Kompensators eiro A/4-Platte 68 und gegebenenfalls eine zusätzlich ein schaltbare A-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 Planparallelplatte (42) um 180° um die Achse des einfallenden Strahlenbündels (Instrumentenachse) drehbar ist.

4. Interferenz-Auflichtmikroskop, gekennzeichnet durch die Verwendung eines optischen Bauelementes (42, 41, 43) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3.

5. Interferenz - Durchlichtmikroskop, gekennzeichnet durch die Verwendung zweier optischer Bauelemente (42a, 41a, 43a; 43b. 41 b, 42 b) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3.

6. Interferenz - Auslichtmikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das optische 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 des Objektivs (54) zusammenfällt.

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

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

9. Interferenz - Durchlichtmikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden optischen Bauelemente (42 a, 41a, 43 a) auf der Beleuchtungsseite derart angeordnet ist, daß der Strahlenvereinigungspunkt (S₀) mit dem der Lichtquelle (61) zugewandten Brennpunkt des Kondensors (63) zusammenfällt und daß das zweite optische Bauelement (43 b, 41 b, 42 b) zwischen Objektiv (65) und Analysator (66) derart angeordnet ist, daß der obj'ektseitige Strahlenvereinigungspunkt (S₆) 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 (42 a, 41a, 43 a) eine A/4-Platte (68) eingeschaltet ist.

11. Interferenz-Durchlichtmikroskop nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine in den Beleuchtungsstrahlengang einschaltbare A-Platte (69) vorgesehen ist.