DE2428810C2

DE2428810C2 - Interferenzmikroskop

Info

Publication number: DE2428810C2
Application number: DE2428810A
Authority: DE
Inventors: Johannes Diets de Harvard Mass. Veer
Original assignee: Warner Lambert Technologies Inc Dallas Tex; Warner Lambert Technologies Inc
Current assignee: Warner Lambert Technologies Inc
Priority date: 1973-07-02
Filing date: 1974-06-14
Publication date: 1984-12-06
Also published as: DE2428810A1; JPS613409B2; FR2241798B1; JPS5039145A; US3904267A; DD113271A5; FR2241798A1; CH572630A5; GB1445046A

Description

Die Erfindung betrifft ein Interferenzmikroskop mit mindestens einem doppelbrechenden Element zwischen einem Polarisator und einem Analysator und mit Mitteln zur Justierung optischer Strahlengänge.

Ein derartiges Mikroskop, bei dem zur Justierung optischer Strahlengänge Vorrichtungen zum Verkippen und Verdrehen bestimmter optischer Elemente vorgesehen,sind, ist in der DE-AS 11 34 844 beschrieben.

Bei Interferenzmikroskopen weist das Licht welches ein Wollaston-Prisma als doppelbrechendes Element schräg zur optischen Achse des Systems durchläuft unterschiedliche Phasendifferenzen zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl auf, welche dazu führen, daß das Gesichtsfeld ungleichmäßig wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das optische System des eingangs beschriebenen Interferenzmikroskops derart auszubilden, daß diese den Ungleichmäßigkeiten im Gesichtsfeld zugrundeliegenden unterschiedlichen Phasendifferenzen kompensiert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine einachsige doppelbrechende Kompensationsplatte vorgesehen ist, deren optische Achse im wesentlichen parallel zur optischen Achse des Mikroskops gerichtet ist und deren Dicke abhängig von den Lichteinfallswinkeln auf das doppelbrechende Element und die Kompensationsplatte so bemessen ist, daß die Phasenabweichungen zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl des doppelbrechenden Elements bei schräg zu seiner optischen Achse einfallendem Licht korrigiert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht die Kompensationsplatte aus einem Magnesiumfluoridkrislall.

Wenn das Mikroskop zur Arbeitsweise mit auffallendem Licht ausgebildet ist, besteht das doppelbrechende

Element vorzugsweise aus Quarz und weist eine Dicke von 1,5 mm auf, während die Magnesiumfluoridpiatte eine Dicke von 0,9 mm aufweist, um eine Kompensation hinsichtlich beider Durchquerungen des doppelbrechenden Elements zu erzielen, wobei das doppelbrechende Element und die Kompensationsplatte denselben Lichteinfallswinkel aufweisen.

Wenn das Mikroskop als Polarisationsmikroskop arbeitet ist eine zusätzliche Phasenverzögerungsplatte vorgesehen, die gemäß einer Weiterbildung der Erfindung zur Kompensierung von zusätzlichen Phasenabweichungen, die von Linsenüberzügen verursacht werden, auf eine von 90° verschiedene Phasenverschiebung eingestellt ist.

Die Zeichnungen dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung.

F i g. 1 zeigt ein in der Austrittspupille eines Objektivs von einem Polarisationsmikroskop oder im Gesichtsfeld eines Differential-Interferenzmikroskops erscheinendes Polarisationskreuz;

F i g. 2 zeigt das verzerrte Polarisationskreuz von F i g. 1, wenn der Winkel zwischen Polarisator und Analysator nahe bei, aber nicht genau bei 90° liegt;

F i g. 3 zeigt in schematischer Darstellung einen Lichtstrahl, der durch ein beispielshalber dargestelltes Wollaston-Prisma schräg zu dessen Eintritts- und Austrittsflächen verläuft;

F i g. 4 zeigt in schematischer Darstellung die Schwingungsrichtungen für den ordentlichen und außerordentlichen Lichtstrahl bei schrägem Verlauf desselben durch ein Wollaston-Prisma;

F i g. 5 zeigt in schematischer Darstellung die Schwingungsrichtungen des ordentlichen und außerordentlichen Lichtstrahls bei schrägem Verlauf durch eine Magnesiumfluorid-Kristallplatte;

F i g. 6 zeigt die Orientierung der X- V-Achsen bei den Darstellungen der F i g. 3 bis 5;

F i g. 7 die Polarisationsrichtungen in der Austrittspupille eines Objektivs von einem Polarisationsmikroskop; F i g. 8 zeigt in schematischer Darstellung die Anordnung einer Kompensationsplatte und einer Viertelwellenlängenplatte in einem Polarisationsmikroskop.

Ein Polarisationsmikroskop, dessen Polarisator und Analysator in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind, zeigt in der Objektivpupille eine Kreuzfigur, die ähnlich der in F i g. 1 gezeigten ist. Wenn der Analysator sehr wenig gedreht wird, werden die beiden Hyperbeln, wie sie in F i g. 2 gezeigt sind, sichtbar. Ein ähnliches

Problem tritt bei Differential-Interferenzkontrastniikroskopen auf.

Ein Wollaston-Prisma in einem Differential-Interferenzmikroskop kann zur Erklärung der auftretenden Phasenbeziehungen als planparallele Platte angesehen werden. Im folgenden wird unter einem »doppelbrechenden Element« entweder der Strahlungstoier oder der Kompensator eines Differential-Interferenzmikroskops verstanden.

Fig. 3 zeigt eine solche Platte, wobei der Gangunterschied zwischen dem ordentlichen Lichtstrahl (o) und dem außerordentlichen Lichtstrahl (e) annähernd die folgende Größe aufweist:
mit

Das Muster von F i g. 1 beruht auf dem Term
cos2öxrfx/²

der vorstehenden Gleichung.

F i g. 4 veranschaulicht die Schwingungsrichtungen für den ordentlichen Strahl (o) und für den außerordentlichen Strahl (e) in einem Kristall, dessen optische Achse senkrecht oder fast senkrecht zur optischen Achse des Instruments liegt. Wenn der Winkel (i) klein ist, sind die (e—o>> Schwingungsrichtungen ungefähr parallel bzw. senkrecht zu der optischen Achse, und zwar unabhängig vom Winkel Θ.

Zur Kompensation der Änderungen des Gangunterschiedes J_c~o zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Lichtstrahl, die von Änderungen in θ und (i) verursacht werden, ist eine doppelbrechende Kompensationsplatte vorgesehen, deren optische Achse im wesentlichen parallel zur optischen Achse des Mikroskops liegt. Die doppelbrechende Kompensationsplatte kann hinsichtlich der Doppelbrechung dasselbe oder ein anderes Vorzeichen aufweisen wie das doppelbrechende Element. Wenn das Vorzeichen der Doppelbrechung verschieden ist, muß eine Halbwellenlängenplatte zu dem System hinzugefügt werden und zwischen dem doppelbrechenden Element und der Kompensationsplatte angeordnet werden. Es können die meisten einachsigen doppelbrechenden Stoffe verwendet werden, wie etwa Magnesiumfluorid, Saphir, Kalkspat und ähnliches, nicht jedoch Quarz und ähnliche Stoffe, die im Sinne einer Drehung der Polarisationsebene optisch aktiv sind. Vorzugsweise wird als doppelbrechender Stoff Magnesiumfluorid verwendet, wie das bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Fall ist.

In Fig.5 ist ein Magnesiumfluoridkristall gezeigt, dessen optische Achse parallel zur optischen Achse des Instrumentes liegt. Der Gangunterschied A'_c-_O ist ungefähr gleich

Die Schwingungsrichtungen der e- und o-Strahlenrichtungen verlaufen in einer senkrecht zum Lichtstrahl liegenden Ebene. Die Schwingungsrichtung des e-Strahles in dem den Magnesiumfluoridkristall durchbrechenden Lichtbündel bildet einen Winkel θ mit der Schwingungsrichtung des e-Strahles des das doppelbrechende Element von F i g. 3 durchsetzenden Lichtbündels. Verwendet man das Koordinatensystem von F i g. 6, so kann der Gangunterschied zwischen den λ'- und ^-Schwingungen bei dem doppelbrechenden Element von F i g. 3 folgendermaßen ausgedrückt werden:

Bei der Magnesiumfluoridplatte ergibt sich

A> _ = ⁿ'^e ~"° χ cos 2 θ χd' χ/'² (H)

Der Term (n_e— n_o) wird durch das andere doppelbrechende Element fortgehoben und kann daher vernachlässigt werden. Eine Kompensation gemäß 4*-., = -4'_t_, wird dadurch erhalten, daß die Dicke d' geeignet gewählt wird.

Wenn man die Gleichung (I) und die Gleichung (II) miteinander kombiniert, sieht man, daß eine Kompensation gemäß Δχ-y + Λ'χ-y = 0 dann erreicht wird, wenn folgende Beziehung gilt:

^- χ d χ / = —-—ϊ-²- χ d χ ι .

—-—j-²- x d χ / = —-—ϊ-2/j n'²

Es kann somit eine Kompensation dadurch erreicht werden, daß die geeignete Dicke d'für die Kompensationsplatte gewählt wird, wenn (i) proportional ist zu (i'). Wenn das doppelbrechende Element und die aus Magnesiumfluorid bestehende Kompensationsplatte optisch aufeinander oder unmittelbar nphpnpinnnHir a™«-

ordnet werden, gilt / = /'. Ein aus Quarz bestehendes doppelbrechendes Element wird kompensiert, indem d' — 0,31 dgewählt wird. Die Größe (d) stellt die Gesamtdicke des Elements oder der Elemente dar, dessen bzw. deren Kompensation mittels einer einzigen Kompensationsplatte erfolgen soll. Zum Beispiel kann eine einzige Kompensationsplatte in einem mit auffallendem Licht arbeitenden Mikroskop dazu verwendet werden, um Anpassungen an Phasenänderungen vorzunehmen, die durch beide Durchquerungen des doppelbrechenden Elements entstehen, indem als Wert für (d) ein Wert genommen wird, der gleich dem Zweifachen der tatsächlichen Dicke des doppelbrechenden Elements ist.

Die Kompensationsplatte kann an irgendeiner Stelle zwischen dem Polarisator und dem Analysator angeordnet werden, solange (e) proportional ist zu (i'), z. B. über dem Objektiv oder unter dem Kondensator des

ίο Mikroskops. Die Kompensationsplatte kann auch in jeder Stellung benützt werden. Entweder soll dabei die Kompensationsplatte Eingangs- und Ausgangsflächen haben, die zur optischen Achse des Mikroskops senkrecht verlaufen, oder, wenn diese zwecks Reduzierung des Streulichtes usw. leicht geneigt sind, sollte ihre optische Achse gedreht werden, um optisch parallel zur optischen Achse des Mikroskops zu bleiben. Optische Systeme für Differential-Interferenzmikroskope, bei denen die Erfindung angewendet werden kann, sind in den US-Patenten 26 01 175 und 29 24 142 und der DE-OS 24 01 979 beschrieben.

Mit auffallendem Licht arbeitende Mikroskope verwenden häufig ein gemeinsames doppelbrechendes Element sowohl als Strahlungsteiler als auch als Kompensator. Bei einem solchen Instrument wird ein aus Quarz bestehendes doppelbrechendes Element vom Wollaston-Typ mit einer tatsächlichen Dicke von 1,5 mm bezüglich der Kompensierung mittels einer einzigen Kompensationsplatte so bewertet, als hätte es eine Gesamtdicke von 3 mm. Die Kompensationsplatte kann zwischen der Lichtquelle und dem Strahlungsteiler oder zwischen dem Strahlungsteiler und dem Okular angeordnet werden. In jeder von diesen Stellungen kann eine Kompensation in dem Instrument dadurch erreicht werden, daß eine Platte aus einem Magnesiumfluoridkristall verwendet wird, die entlang der optischen Achse eine Dicke von 0,9 mm aufweist und deren optische Achse im wesentlichen parallel zur optischen Achse des Instruments verläuft. Es werden häufig runde Kompensationsplatten anstelle von rechteckigen Platten, wie sie in den Zeichnungen gezeigt werden, verwendet, und zwar wegen der einfacheren Möglichkeit der Montage derselben in üblichen Mikroskopen. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß auch ovale Platten benutzt werden können, wenn die Kompensationsplatte bezüglich der optischen Achse des Systems geneigt ist.

In einem Polarisationsmikroskop wird der in den F i g. 1 und 2 erläuterte Mangel an Gleichmäßigkeit dadurch verursacht, daß die Polarisationsrichtung in bestimmten Bereichen der Austrittspupille des Mikroskopobjektivs gedreht ist. Häufig zeigen handelsübliche Polarisationsmikroskope auch Phasendifferenzen, die durch Linsenüberzüge verursacht werden, die zusätzlich zu der Drehung eine elliptische Struktur zur Folge haben. F i g. 7 veranschaulicht die Polarisationsrichtungen in der Austritspupille eines Mikroskopobjektivs vor der Kompensierung. F i g. 8 zeigt eine schematische Darstellung von einem Teil eines Polarisationsmikroskops mit einer Austrittspupille E, einer Teleskoplinse 7^ einer Viertelwellenlängenplatte Q, einer Kompensationsplalte CP, einem Polarisationsanalysator A und einer Bildebene /. Die Kompensationsplatte CP erzeugt elliptisch polarisiertes Licht als Funktion des Einfallswinkels des polarisierten Lichtes. In Kombination mit der Viertelwellenlängenplatte Q wird linear polarisiertes Licht erzeugt, das jedoch von der Kompensationsplatte CPgedreht ist, und zwar als Funktion des Einfallswinkels. Diese Drehung korrigiert die unerwünschte Drehung der Polarisationsrichtung in der Austrittspupille E des Mikroskopobjektivs, so daß für eine gleichmäßige Lichtverteilung in der Austrittspupille gesorgt wird.

Zusätzliche von Linsenüberzügen verursachte Phasendifferenzen werden durch Wahl einer von 90° abweichenden Phasenverzögerung korrigiert, um diese zusätzlichen Phasendifferenzen auszugleichen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Interferenzmikroskop mit mindestens einem doppelbrechenden Element zwischen einem Polarisator und einem Analysator und mit Mitteln zur Justierung optischer Strahlengänge, dadurch gekennzeichnet, daß eine einachsige doppelbrechende Kompensationsplatte vorgesehen ist, deren optische Achse im wesentlichen parallel zur optischen Achse des Mikroskops gerichtet ist und deren Dicke abhängig von den Lichteinfallswinkeln auf das doppelbrechende Element und die Kompensationsplatte so bemessen ist, daß die Phasenabweichungen zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl des doppelbrechenden Elements bei schräg zu seiner optischen Achse einfallendem Licht korrigiert werden.

ίο

2. Interferenzmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsplatte aus

einem Magnesiumfluoridkristall besteht

3. Interferenzmikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikroskop zur Arbeitsweise mit auffallendem Licht ausgebildet ist, daß das doppelbrechende Element aus Quarz besteht und eine Dicke von 1,5 mm aufweist und daß die Magnesiumfluoridpiatte eine Dicke von 0,9 mm aufweist, um eine Kompen-

IS sation hinsichtlich beider Durchquerungen des doppelbrechenden Elements zu erzielen, wobei das doppelbrechende Element und die Kompensationsplatte denselben Lichteinfallswinkel aufweisen.

4. Interferenzmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensierung von zusätzlichen Phasenabweichungen, die von Linsenüberzügen verursacht werden, eine zusätzliche Phasenverzogerungsplatte vorgesehen ist, die auf eine von 90° verschiedene Phasenverschiebung eingestellt ist