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Mikroskop mit großer Schärfentiefe
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Mikroskop mit großer Schärfentiefe.
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Die durch ein Mikroskop zu betrachtenden Präparate haben immer eine
bestimmte Dicke. Die üblichen Mikroskope haben insbesondere bei hoher Vergrößerung
geringe Schärfentiefe.
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Mit den üblichen Mikroskopen ist es möglich, eine bestimmte Schnittfläche
zu einem Zeitpunkt zu betrachten. Es ist jedoch erforderlich, zur Betrachtung einer
anderen Schnittfläche die Einstellung zu verändern, wodurch es sehr schwierig ist,
einen Gesamtbereich des Präparates zu betrachten. Weiterhin kann der Kontrast für
feine Strukturen in Bildern außerhalb der Brennebene umgekehrt werden, was zu fehlerhaften
Beobachtungsergebnissen führt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikroskop
anzugeben das so ausgebildeist, daß es
eine hohe Schärfentiefe aufweist
und eine Umkehr des Bildkontrastes verhindert.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Filter, dessen
Transmissions-Koeffizient in der Nähe der optischen Achse hoch ist und der zum Umfang
zu zunehmend verringert ist, an oder nahe der Ebene der Austrittspupille des Objektivs
des Bildes oder an oder nahe der Ebene der Austrittspupille des Objektivs, das von
einer weiteren Linse projiziert ist, angeordnet ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen Fig, 1 eine schematische Darstellung, die das Grundprinzip
der vorliegenden Erfindung erläutert, Fig,2 eine grafische Darstellung der Transmissions-Koeffizienten
der bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Filter, und Fig.3A,B, Kurven, die
die optischen Übertragungsfunktionen 4A,B,5A, erläutern.
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5B
In Fig. 1 ist das Prinzip des optischen Systems
eines Mikroskops nach der vorliegenden Erfindung gezeigt ( das Beleuchtungssystem
ist nicht dargestellt ). Die Strahlen die durch die Aperturblende der Kondensorlinse
S hindurchgegangen sind, werden vom Kondensor C gesammelt und nach Beleuchtung eines
Präparates X treten sie aus der>Austrittspupille E1 aus. Ein von dem Präparat
auf diese Weise erhaltenes Bild wird durch ein Okular E betrachtet. Die optische
Achse ist mit A bezeichnet. Bei einem normalen Mikroskop ist nichts an der Stelle
der Austrittspupille E1 angeordnet, die daher gleichmäßig transparent ist. Bei dem
Mikroskop nach der vorliegenden Erfindung ist jedoch ein Filter F mit einem Transmissions-Koeffizienten,
wie er beispielsweise in Fig. 2 gezeigt ist, an oder nahe der Ebene der Austrittspupille
E1 angeordnet. In Fig. 2 bezeichnet r die Entfernung von der optischen Achse und
der Radius der Austrittspupille E1 ist zu 1 normiert. T bezeichnet den Transmissions-Koeffizienten
und der maximale Transmissionskoeffizient ist zu 1 normiert.
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Das Filter hat insgesamt tatsächlich einen Transmissions-Koeffizientenverlauf,
dessen Kurve mit im wesentlichen konischer Form erhalten wird, wenn die Kurve in
Fig. 2 um die Ordinate (T-Achse) um 36o0 gedreht wird, wobei der Radius gleich dem
der Austrittspupille ist. Das Filter ist dabei so angeordnet, daß die Ordinate (T-Achse)
zur optischen Achse A in Fig. 1 ausgerichtet ist. Die Form der Kurve für den Transmissions-Koeffizienten
T in Fig. 2 ist als ein Beispiel zu betrachten und es ist möglich, Transmissions-Koeffizienten
T in folgender
Weise zu wählen T = 1 - ar, 1 > r > 0 (1) T
= 1 - ar2 (2) Die Kontante a ist der Schwächungsfaktor und wählbar in einem Bereich
von 0 < a 4 1. Es ist daher möglich, verschiedene Effekte auf die Schärfentiefe
und auf die Umkehrung des Kontrastes zü verhalten, indem Filter F mit verschiedenen
Kurven des Transmissions-Koeffizienten T verwendet werden. Die Kurve des Transmissions-Koeffizienten
T, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, kann von der Art einer Cosinuskurve oder einer
Gaussverteilungskurve mit einem Maximalwert am Nullpunkt O in Fig. 2 sein. Filter
F können leicht auf fotografischem Wege durch Aufdampfen oder ähnliche geeignete
Verfahren hergestellt werden. Wie zuvor beschrieben, werden die Strahlen, die die
Austrittspupille E1 durchlaufen, von dem Filter F am Randabschnitt des Filters F
stärker absorbiert.
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Um die Wirkung des Filters F zu bestätigen, wurden Mikroskopbetrachtungen
und Aufnahmen unter Verwendung von zwei Mikrosin kopen durchgeführt, von denen einem
ein Filter, wie es anhand Fig. 2 erläutert ist, verwendet wurde, während das andere
kein Filter enthielt Die Experimente zeigten, daß eine merkbare Differenz weder
für Grob- noch für Feinstrukturen
in den eingestellten Bereichen auftrat. In denABereichen, die zwei Wellenlängen
vom Brennpunkt entfernt waren, zeiste
jedoch das Mikroskop mit dem
Filter höhere Wiedergabequalität für Grobstrukturen und höheren Bildkontrast und
höhere Auflösung für Feinstrukturen. In einem Präparatbereich, der vier Wellenlängen
vom Brennpunkt entfernt war, zeigte das Mikroskop ohne Filter nur stellenweise Auflösung
und Eckringe infolge Umkehr des Bildkontrastes, während das Mikroskop mit dem Filter
F eine bedeutend höhere Bildwiedergabequalität und höheren Kontrast und bessere
Auflösung für Grob- und Feinstrukturen zeigte. Zur quantitativen Prüfung wurde die
optische Übertragungsfunktion für ein Objekt mit sinusförmigem Verlauf der Transmissions-Koeffizienten
entsprechend der nachstehenden Formel (3) berechnet O ) = 1/2 (1 + cos. 25t ) (3)
Darln bezeichnen x die Lagekoordinaten auf der Oberfläche des Objektes, /u die Ortsfrequenz.
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Bei der Annahme einer Vergrößerung lx kann die Bildintensitätsverteilung
1 I(x) für ein Objekt, das einen Tranmissions-Koeffizienten entsprechend Formel
(3) besitzt, wie folgt ausgedrückt werden I(x) = D + A1 cos 22» x + A2 cos 4 zur
x (4) Fig. 3A,3B,4A,4B,5A und 5B zeigen die Kontrastkurven des Objekts, das eine
Bildintensitätsverteilung entsprechend
Formel (4) besitzt. Zur Ermittlung
dieser Kurven wurde ein Filter F mit einem Transmissions-Koeffizienten T entsprechend
Formel (2) und mit a=o,8 verwendet. A2/D wurde als vernachlässigbar klein fortgelassen.
Fig. 3A, Fig. 4A und Fig. 5A zeigen die charakteristischen Kontrastkurven eines
Mikroskops ohne das Filter F. Fig, 3B, Fig. 4B und Fig. 5B zeigen dagegen die charakteristischen
Kontrastkurven eines Mikroskops nach der vorliegenden Erfindung. Dabei zeigen Fig.
3A und Fig. 3B die charakteristischen Kontrastkurven für Präparatbereiche im Brennpunkt,
während Fig. 4A und Fig . 4B die charakteristischen Kontrastkurven für Bereiche,
die eine halbe Wellenlänge zehen außerhalb vom Brennpunkt in bezug auf die Wellenfrontaberration
und Fig. 5A und Fig.5B zeigen die charakteristischen Kontrastkurven für Abschnitt,
die eine Wellenlänge vom Brennpunkt entfernt sind, In diesen Figuren stellt die
Abszisse die reduzierte Raumfunktion entsprechend der folgenden Formel dar s= A
Zu (5) N A0 Darin bezeichnet 9< die Wellen länge, 1udie Raumfrequenz auf der
Objektoberfläche und N.Ao die numerische Apertur auf der Gegenstandsseite des Objektivs.
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Das Verhhltnis zwischen der numerischen Apertur des Objektivs und
der der Kondensorlinse C in Fig. 1 ist wie folgt definiert:
N .
Ac M = N - Ac Darin bezeichnet N.Ac die numerische Apertur der Kondensorlinse C.
In Fig. 3A, 3B, 4A, 4B und Fig. 5A und 5B repräsentiert die Ordinate den Kontrast
C=A1/D eines Objekts mit einer Bildintensitätsverteilung, wie sie durch die Formel
(4) ausgedrückt ist. Obwohl ein kleiner Unterschied zwischen den in Fig. 3A und
Fig. 3B gezeigten Kurven erkennbar ist, ist dieser Unterschied von keiner Bedeutung
in der Mikroskopiepraxis. Bei der Kurve für M=1 in Fig. 4A ist der Kontrast C=O
bei der Raumfrequenz S=1 und ein geringer Kontrast C ist wieder hervorgerufen, wenn
S 1 übersteigt. In Fig. 4B ist der Kontrast C hoch in dem Bereich von S ( 1 und
wird Null bei einer weit größeren Frequenz als in Fig. 4A. Daraus ergibt sich, daß
das Mikroskop nach der vorliegenden Erfindung einen höheren Kontrast und ein höheres
Auflösungsvermögen als ein Mikroskop ohne solch ein Filter liefern kann.
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Beim Verhältnis M=o,5 wird der Kontrast C negativ in einem Bereich
von 5 > 1, wodurch die Bildwiedergabe entsprechend Fig.4A beeinträchtigt wird.
Entsprechend Fig. 4B kann jedoch der Kontrast kaum negativ werden und die dem Kontrast
C=O entsprechende Frequenz ist im wesentlichen die gleiche wie in Fig. 4A . Das
Mikroskop nach der vorliegenden Erfindung kann daher eine bessere Bildwiedergabe
bei im wesentlichen unveränderter Auf lösung gewahrleisten.
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Ein Vergleich von Fig. 5A und Fig. SB zeigt eine größere Differenz
zwischen einem erfindungsgemäßen Mikroskop mit Filter und einem Mikroskop ohne Filter.
Das heißt, das Mikroskop nach der vorliegenden Erfindung erweist sich als desto
vorteilhafter, je mehr die Bilder beträchtlich vom Brennpunkt wegliegen und das
Verhältnis M kleiner ist. Diese unter bezug auf die Zeichnungen gegebene Erklärung
ist durch praktische Mikroskopuntersuchungen bestätigt worden.
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Bei der Herstellung des Mikroskops nach der vorliegenden Erfindung
kann es praktisch schwierig sein, das Filter F direkt in der Ebene der Austrittspupille
E1 anzuordnen. Es ist jedoch möglich, ein reelles Bild der Austrittspupille E1 durch
Verwendung einer konvexen Linse zu erzeugen und das Filter F dann so anzuordnen,
daß es gegen andere Filter leicht austauschbar ist, die verschiedene Transmissions-Koeffizienten
entsprechend der Formel (2) besitzen. Die Anordnung eines geeignetes Filters bei
solchen Untersuchungen kann der Fachmann leicht vornehmen.
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