DE2165599A1

DE2165599A1 - Auflicht-Dunkelfeld-Beleuchtungsapparat für ein Mikroskop

Info

Publication number: DE2165599A1
Application number: DE19712165599
Authority: DE
Inventors: Alick Thompson York Yorkshire Lunn (Großbritannien)
Original assignee: Vickers Ltd
Current assignee: Vickers Ltd
Priority date: 1971-01-01
Filing date: 1971-12-30
Publication date: 1972-07-20
Also published as: JPS4840449A; US3752560A; GB1320671A

Description

Dipl.-lng. H. MITSCHERLICH 8 MÖNCHEN 22,

Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN ■ ' ■ ' .
Dr. rer. not. W. KÖRBER
PATENTANWÄLTE

3o. Dez. 1971 (150/71)

VICKERS LIMITED

Vickers House

Millbank Tower, MillBank

London SW 1 / England

Patentanmeldung

Auflicht-Dunkelfeld-Beleuchtungsapparat für ein Mikroskop

Die Erfindung betrifft Auflicht-Dunkelfeld-Beleuchtungsapparate für Mikroskope. -

Ein .bekanntes Mikroskop mit einem solchen Apparat besitzt ein Objektiv, ein Okular, eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahls, der zur Achse des Mikroskops gerichtet ist, zwischen dem Objektiv und dem Okular, eine Linse zwischen der Lichtquelle und der Achse zur Kollimation des Strahls, einen Reflektor, der zwischen dem Objektiv und dem Okular angeordnet und mit einem teilweise reflek-

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tierenden Bereich in seiner Mitte ausgebildet ist, um einen reflektierten Lichtstrahl zu erzeugen, der parallel zur optischen Achse des Mikroskops gerichtet ist, jedoch in der Richtung vom Okular zum Objektiv, und einen ringförmigen Kondensor, der gleichachsig zum Objektiv angeordnet ist und dazu dient, den reflektierten Strahl aufzunehmen und ihn auf das durch das Mikroskop betrachtete Objekt zu fokussieren. Licht, welches durch das Objekt gestreut bzw. gebeugt wird, kann dann durch die transparente Apertur im Reflektor eintreten, wodurch eine Abbildung erhalten wird, welche durch das Okular betrachtet wird.

Für das einwändfreie Arbeiten eines solchen Mikroskops müssen die folgenden drei Bedingungen erfüllt werden:

1. darf kein Licht vom Beleuchtungsapparat zur Rückseite des Objektivs gelangen;

2. darf kein Licht das Okular erreichen, ausgenommen dasjenige, welches nur einmal durch das Objektiv von dessen Vorderseite zu dessen Rückseite hindurchgetreten ist; und

3. sollen die jeweiligen Grossen aller Aperturen längs der optischen Achse des Mikroskops groß genug sein, damit Licht vom Objektiv das ganze Gesichtsfeld des Okulars erreichen kann.

Zur Erfüllung der vorstehend genannten dritten Bedingung muß der Durchmesser des teilweise reflektierenden Bereichs des Reflektors grosser gemacht werden, wenn das Gesichtsfeld grosser gemacht wird oder wenn der Abstand zwischen dem Objektiv und dem Reflektor vergrössert wird.

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Wenn die vorgenannte zweite Bedingung ebenfalls erfüllt werden soll, muß der Durchmesser des ringförmigen Kondensors so groß gemacht werden, daß kein Teil seiner ringförmigen Apertur von irgendeinem Teil des Gesichtsfeldes des Okulars sichtbar ist, da sonst Licht, das im Kondensor intern reflektiert wird, oder vom Objekt und durch den Kondensor gestreut wird, das Okular erreichen kann. Der notwendige Durchmesser des ringförmigen Kondensors wird natürlich grosser, wenn.die Grosse des teilweise reflektierenden Bereichs des Reflektors zunimmt: d.h., wenn das Gesichtsfeld zunimmt.

Ausserdem ist zur Erfüllung der ersten Bedingung eine Blende zwischen dem Reflektor und der Lichtquelle vorgesehen, um den auf den Reflektor einfallenden Strahl zu verengen, so daß kein von diesem reflektiertes Licht auf die Rückseite des Objektivs fällt. Die Blende hat die Form eines lichtundurchlässigen Mittelteils, der von einem lichtdurchlässigen Ringteil umgeben ist, so daß auf den Reflektor einfallendes und von diesem reflektiertes Licht einen ringförmigen Querschnitt hat. In diesem Falle wird der erforderliche Durchmesser des lichtundurchlässigen Mittelteils der Blende durch die Entfernung der Blende vom Objektiv und durch den Durchmesser der hinteren Apertur des Objektivs bestimmt.

Dieses bekannte Mikroskop ist auf Seite 65 - 67 von "Applied Optics and Optival Engineering", Volume IV, veröffentlicht durch Academic Press im Jahre 1967.

Wenn ein breiteres Feld betrachtet werden soll, muß der teilweise reflektierende Bereich des Reflektors grosser gemachtwerden, und wenn die zweite Bedingung immer noch erfüllt werden muß, muß der Innendurchmesser des ringförmigen

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Kondensors vergrössert werden. Dies erfordert wiederum, daß der Innendurchmesser des ringförmigen Lichtstrahls vergrössert wird, so daß, um eine Herabsetzung der Helligkeit der Beleuchtung zu vermeiden, der Aussendurchmesser des ringförmigen Lichtstrahls ebenfalls vergrössert werden muß. Bei dem vorangehend beschriebenen Mikroskop muß zur Vergrösserung des Aussendurchmessers des ringförmigen Lichtstrahls die Kollimationslinse zwischen der Lichtquelle und der Achse des Mikroskops durch eine grössere Linse oder grössere Linsen ersetzt werden, wodurch der Raumbedarf des Beleuchtungsapparats vergrössert wird.

In der britischen Patentschrift Nr. 38 9 414 ist ein Auf- W licht-Dunkelfeld-Beleuchtungsapparat beschrieben, bei welchem der Aussendurchmesser des ringförmigen Strahls mit Bezug auf den Durchmesser des Strahls aus der Kollimationslinse u.a. durch ein optisches Element vergrössert wird, das auf seiner einen Seite einen Einlaßbereich für den Zutritt von Licht eines Strahls besitzt, der von der Lichtquelle stammt und längs einer optischen Achse des Elements zu dessen einer Seite gerichtet wird, welches Element so geformt ist, daß es Licht, welches durch den Einlaßbereich Zutritt erhält, ablenkt und dieses Licht so richtet, daß es das Element auf einer entgegengesetzten Seite desselben als ringförmiger Austrittsstrahl verläßt. Dieses optische ^ Element ist jedoch von komplexer Form und erfordert ein komplexes Hilfselement oberstromseitig zur Umwandlung des Strahls aus der Kollimationslinse in eine für die Zufuhr zum optischen Element geeignete Form. Es ist daher wünschenswert, einen Auflicht-Dunkelfeld-Beleuchtungsapparat zu schaffen, mit dem ein ringförmiger Strahl von vergrössertem Durchmesser mit Bezug auf den Strahl aus der Kollimationslinse, jedoch unter Verwendung eines optischen Elements von einfacherer Form, ohne daß ein komplexes Hilfselement erforderlich ist, erhalten werden kann.

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Erfindungsgemäß wird die Lösung dieses Problems in der Weise erreicht, daß das optische Element so ausgebildet ist, daß es eine erste reflektierende Fläche auf der erwähnten entgegengesetzten Seite aufweist, um das Licht aufzunehmen, welches durch den Einlaßbereich Zutritt erhält, und dieses Licht zu einer zweiten reflektierenden Fläche des Elements zu reflektieren, welche den erwähnten Einlaßbereich an der erwähnten einen Seite des Elements umgibt und so geformt ist, daß es das von der ersten reflektierenden Fläche empfangene Licht reflektiert, um den erwähnten Austrittslichtstrahl zuerhalten, welche die erste reflektierende Fläche umgibt. Um den maximalen Vorteil aus der erfindungsgemässen Lösung zu erzielen, soll der Querschnitt des Austrittslichtstrahls grosser als der Einlaßbereich des optischen Elements sein, so daß ein schmaler Eintrittslichtstrahl dadurch in einen breiteren Austrittsstrahl umgewandelt wird, ·

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nachfolgend beispielsweise in Verbindung mit der beiliegenden schematischen Zeichnung näher beschrieben und zwar zeigen:

Fig. 1 die optische Anordnung eines Mikroskops, das mit einem Auflicht-Dunkelfeld-Beleuchtungsapparat ausgerüstet ist;

Fig.la in Draufsicht den Reflektor des Beleuchtungsapparats und

Fig. 2 in vergrössertem Maßstab einen Teil des Beleuchtungs· apparats.

Das in Fig. 1 gezeigte Mikroskop besitzt ein Okular 12 und ist mit einem Auflicht-Dunkelfeld-Beleuchtungsapparat 13

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ausgerüstet, der ein Objektiv IO zur Zusammenwirkung mit dem Okular 12 zur Betrachtung eines Objekts in einer Objektebene 11 umfaßt. Der Beleuchtungsapparat 13 besitzt ferner eine erste Feldlinse 3, zwei Irisblenden ^ und 5 und eine zweite Feldlinse 6, die alle auf einer gemeinsamen optischen Achse 0-0 angeordnet sind. Der Beleuchtungsapparat 13 wird mit einer Lampenquelle 1 und mit einem Lampenkondensor 2 verwendet, der so angeordnet ist, daß Licht von der Quelle 1 durch den Kondensor 2 zur Blende H hin gesammelt wird, während die Feldlinse 3 den Kondensor auf die Blende 5 von neuem abbildet. Der erste Brennpunkt der Feldlinse 6 befindet sich an der Blende 5, so daß der Lichtstrahl, der die Linse 6 verläßt, im wesentlichen parallel ist.

Der Beleuchtungsapparat 13 besitzt ferner ein afokales katadioptrisches Element 7, das auf der Achse 0-0 zur Aufnahme des parallelen Lichtstrahls aus der Linse 6 angeordnet ist, einen ebenen Reflektor 8 mit einem vollrefJektierenden äusseren Teil 8a und einem transparenten, jedoch teilweise reflektierenden Mittelteil 8b, sowie einen ringförmigen Kondensor 9, welcher das Objektiv 10 gleichachsig umgibt, wobei der Kondensor 9, das Objektiv 10 und das Okular 12 sich alle auf einer gemeinsamen Achse P-P befinden, welche die Achse 0-0 in der Mitte des Teils 8b des Reflektors schneidet. Vorzugsweise ist der Beleuchtungsapparat, der die Elemente 3-10 umfaßt, aus dem übrigen Mikroskop ausbaubar, so daß er durch andere Zubehörteile ersetzt werden kann. Normalerweise sind das Objektiv 10 und der Kondensor 9 Teile eines auswechselbaren Revolvers, der an dem übrigen Beleuchtungsapparat abnehmbar angebracht ist· Der ringförmige Kondensor 9 ist so angeordnet, daß Licht, welches an der Oberseite des Kondensors 9 pa-

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rallel zur optischen Achse des Mikroskops eintritt, zur Achse P-P gesammelt wird, auf welcher es die Objektebene 11 trifft, so daß dieses Licht zum Objekt hin gesammelt wird.

Wie sich aus Fig. 2 ergibt, tritt der parallele Lichtstrahl, der die Linse 6 verläßt, in das Element 7 normalerweise durch eine Eintrittsfläche 20 desselben ein und wird durch eine sphärisch konvexe reflektierende Fläche zu einer sphärisch konkaven reflektierenden Fläche 2 2 abgelenkt, welche das Licht aus dem Element 7 heraus normalerweise durch eine Austrittsfläche 2 3 reflektiert. Die jeweiligen Krümmungen der reflektierenden Flächen 21 und'22 und der Abstand der Pole dieser Flächen längs der Achse 0-0 sind derart, daß die Brennpunkte "F der beiden Flächen 21 und 22 zusammenfallen, so daß der aus dem Element 7 austretende Strahl parallel ist. Der austretende Strahl ist von ringförmigem Querschnitt, wobei der Innendurchmesser des Ringes durch den Durchmesser der reflektierenden Fläche 21 bestimmt wird, während der Aussendurchmesser des Ringes mit dem Durchmesser der Eintrittsfläche 20 in Beziehung steht. Wie sich aus Fig. 2 ergibt, ist der Aussendurchmesser des Ringes grosser als der Durchmesser des aus der Linse 6 eintretenden Strahls.

Der aus dem Element 7 austretende Strahl wird durch den Reflektor 8 parallel zur optischen Achse des Mikroskops, jedoch in der Richtung vom Okular zum Objektiv reflektiert, so daß der ringförmige Strahl an der ringförmigen Oberseite des Kondensors 9 eintritt. Der Strahl wird zum Objektin der Ebene 11 hin gesammelt und vom Objekt gestreutes Licht tritt in das Mikroskopobjektiv 10 ein und durch den teilweise reflektierenden Mittelteil 8b hindurch, um eine primäre Abbildung zu erzeugen, die mittels

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des Okulars betrachte* wird.

Wenn das Element 7 entfernt wird, erzeugt die zweite Feldlinse 6 eine Abbildung der Blende 4 nahe der Rückseite des Mikroskopobjektivs 10 infolge des Umstandes, daß der Mittelteil 8b des Reflektors 8 teilweise reflektierend statt voll reflektierend ist und unter diesen Umständen liefert der Beleuchtungsapparat eine einfallende Hellfeldbeleuchtung, in welcher der Bereich des betrachteten Objekts und die Apertur des verwendeten Objektivs leicht und unabhängig mit Hilfe der Blenden 5 und 4 geregelt werden können. Wenn nur eine Dunkelfeldbeleuchtung erforderlich ist, kann der in Fig. 1 dargestellte Beleuchtungsapparat durch die Wegnahme der Blenden 4 und und der Linsen 3 und 6 und dadurch vereinfacht werden, daß die Lampe 1 und deren Kondensor 2 nahe zum Element bewegt werden. Ausserdem braucht der Mittelteil 8b des Reflektors 8 nicht teilweise reflektierend zu sein, sondern kann voll transparent sein.

Wenn das Verhältnis der Apertur des EintrittsStrahls des Elements 7 zur Apertur des AustrittsStrahls desselben gleich dem Verhältnis der Brennweite des Objektivs 10 zur Brennweite des Kondensors 9 gemacht wird, wird der gleiche Bereich des Objekts für jede einzelne Einstellung der Blende 5 entweder mit Hellfeldbeleuchtung oder mit Dunkelfeldbeleuchtung beleuchtet. Das Verhältnis der Aperturen des Eintritts- und des Austrittsstrahls des Elements 7 wird durch die Krümmungen der reflektierenden Flächen 21 und 22 des Elements 7 und durch dessen axiale Dicke bestimmt.

s Gegebenenfalls können die Oberflächenkrümmungen und die Dicke des Elements so gewählt werden, daß das Element 7

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nicht afokal ist und sich die Blende 4 am ersten Brennpunkt der Kombination aus dem Element 7 und der Linse 6 befindet. In diesem Falle wird bei weit geöffneter Irisblende 5 eine Abbildung der Lampe 1 nahe der Objektebene 11 gebildet, was vom Gesichtspunkt der Erzielung einer maximalen BeIeuchtüngsintensität an der Objektebene 11 vorteilhaft und daher in manchen Fällen wünschenswert ist, und ferner kann der beleuchtete Bereich des Objekts dadurch verstellt werden, daß der ,Durchmesser der Apertur der Blende H verstellt wird. Natürlich kann sich, wenn das Element 7 dann ausgebaut wird, um Hellfeldbeleuchtung zu erhalten, der beleuchtete Bereich des Objekts ändern, jedoch kann die Grosse des beleuchteten Bereichs immer noch mit Hilfe derELende 5 eingestellt werden.

Die Durchmesser der in Fig. 1 gezeigten Linsen. 2,3 und 6 sind kleiner als notwendig sein würde, um den gleichen Aussendurchmesser für den ringförmigen Strahl zu erhalten, der auf den Reflektor 8 fällt, wenn das Element 7 nicht verwendet wird. Die Verkleinerung ist um einen Betrag, der annähernd proportional dem Verhältnis der Durchmesser des Eintrittsstrahls und des Austrittsstrahls des Elements 7 ist.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

Auflicht-DunkelfeId-Beleuchtungsapparat für ein Mikroskop, mit einem optischen Element, das auf seiner einen Seite einen Einlaßbereich für den Zutritt von Licht eines gegebenen Beleuchtungsstrahls hat, der zu dieser einen Seite längs einer optischen Achse des Elements gerichtet ist, welches Element so geformt ist, daß es Licht, das durch den erwähnten Einlaßbereich auf der erwähnten einen Seite des Elements Zutritt erhalten hat, ablenkt und dieses Licht so richtet, daß es das Element an seiner entgegengesetzten Seite als Austrittsstrahl verläßt, der eine erste reflektierende Fläche umgibt, ferner mit einem Reflektor, der einen transparenten Mittelbereich für den Durchtritt von Licht von einem Objektiv zu einem Okular des Mikroskops aufweist, welcher Mittelbereich von einem undurchlässigen reflektierenden Umfangsbereich des Reflektors umgeben ist, der schräg zum Austrittsstrahl angeordnet ist, um diesen in einen reflektierten Strahl von ringförmigem Querschnitt für die Zufuhr zu einer ringförmigen Eintrittsfläche eines Kondensors mit Aperturen des Mikroskops bei in Gebrauch befindlichem Apparat zu verwandeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkung des erwähnten Lichts mit Hilfe einer ersten reflektierenden Fläche (21) geschieht, die auf der erwähnten entgegengesetzten Seite des Elements (7) so angeordnet ist, daß 8ie dieses zugeführte Licht aufnimmt und zu einer zweiten reflektierenden Fläche (22) des Elements (7) re-

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flektiert, welche den Einlaßbereich (20) auf der erwähnten einen Seite des Elements (7) umgibt, und so geformt istj daß sie das von der ersten reflektierenden Fläche (21) empfangene Licht reflektiert, um den erwähnten Austrittsstrahl zu bilden.
2. Beleuchtungsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste reflektierende Fläche (21) zylindrisch symmetrisch um die erwähnte optische Achse (0-0) und zu dem Einlaßbereich (20) hin konvex ist, während die zweite reflektierende Fläche (22) zylindrisch symmetrisch um die optische Achse (0-0) und konkav zur ersten reflektierenden Fläche (21) ist.
3. Beleuchtungsapparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennpunkt (F) der ersten reflektierenden Fläche (21) mit dem Brennpunkt (F) der zweiten reflektierenden Fläche (22) zusammenfällt.
Beleuchtungsapparat nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Irisblende (5), die eine Apertur auf der optischen Achse (0-0) begrenzt, von der der erwähnte gegebene BeIeuchtungsstrahl ausgeht, wenn der Apparat in Gebrauch ist, und die Apertur beleuchtet wird, und eine Linse (6) zwischen der Apertur und dem Element (7) an einer solchen Stelle daß der erwähnte Austrittsstrahl eine Kollimation erfährt.
5. Beleuchtungsapparat nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekenn-

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zeichnet durch eine Irisblende (4), die eine Apertur auf der erwähnten optischen Achse (0-0) begrenzt, von der der erwähnte gegebene Beleuchtungsstrahl ausgeht, wenn der Apparat in Gebrauch ist, und die Apertur beleuchtet wird, eine Linse (6) zwischen der Apertur und dem Element (7) an einer solchen Stelle, daß der erwähnte Austrittsstrahl eine KoIlimation erfährt, und eine zweite Irisblende (5) auf der optischen Achse eine Apertur begrenzt und zwischen der ersten Blende (4) und der linse (6) angeordnet ist.
6. Beleuchtungsapparat nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine erste Irisblende (5), die auf der optischen Achse (0-0) eine Apertur begrenzt, von der der erwähnte gegebene Beleuchtungsstrahl ausgeht, wenn der Apparat in Gebrauch ist, und die Apertur beleuchtet wird, eine Linse (6) zwischen der Apertur (7) an einer solchen Stelle, daß der erwähnte Austrittsstrahl eine Kollimation erfährt, eine zweite Irisblende (4), die auf der optischen Achse (0-0) oberstromseitig der ersten Irisblende (5) eine Apertur begrenzt, und eine Feldlinse (3), die benachbart der zweiten Irisblende (4) angeordnet ist, um Licht von einer Abbildung einer Lichtquelle, die an der zweiten Irisblende (4) gebildet wird, zur Ebene der ersten Irisblende (5) hin zu sammeln.
7. Beleuchtungsapparat nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das erwähnte optische Element so

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angeordnet ist, daß es aus dem BeIeuchtungsapparat ausgebaut werden kann.
8, Beleuchtungsapparat nach den Ansprüchen 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnte Mittelbereich des Reflektors teilweise reflektierend ist.
9. BeIeuchtungsapparat nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelbereich des Reflektors voll transparent ist.
10. Kombination gekennzeichnet durch eine an sich bekannte Lampe, einen an sich bekannten Lampenkondensor und einen Beleuchtungsapparat nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Lampenkondensor zwischen der Lampe und dem optischen Element angeordnet ist, um den erwähnten gegebenen Beleuchtungsstrahl zu bilden·
11. Beleuchtungsapparat nach den Ansprüchen 1-9 oder Kombination nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen solchen Kondensor, der im Apparat so angeordnet ist, daß er den erwähnten reflektierten Strahl gleichachsig auf seiner ringförmigen Eintrittsfläche aufnimmt, und ein Mikroskopobjektiv, das in der Apertur des Kondensors mit seiner Rückseite zum Reflektor Hn so angeordnet ist, daß der Kondensor es gleichachsig umgibt und praktisch kein Licht des reflektierten Strahls in das Objektiv durch dessen Rückseite ein-

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tritt.
12. Beleuchtungsapparat oder Kombination nach Anspruch 11 in Verbindung mit Anspruah 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Apertur des erwähnten gegebenen Strahls zur Apertur des AustrittsStrahls gleich dem Verhältnis der Brennweite des Objektivs zur Brennweite des Kondensors ist.
13. Beleuchtungsapparat bzw. Kombination nach Anspruch 11 oder 12,dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensor und das Mikroskopobjektiv aus dem BeIeuchtungsapparat ausbaubar sind.

IH. Mikroskop mit einem Okular und gekennzeichnet durch einen Beleuchtungsapparat nach den Ansprüchen 1 - 9, 11, 12 oder 13 oder eine Kombination nach Anspruch 10, 11, 12 oder 13, wobei der BeIeuchtungsapparat mit Bezug auf das übrige Mikroskop so angeordnet ist, daß er aus diesem ausgebaut werden kann.

Der Patentanwalt

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