DE2712837B2 - Mikroskop mit großer Schärfentiefe - Google Patents

Description

T = 1 - ar, T= 1 -ar²,

1 > r >0

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wobei T der Transmissions-Koeffizient, die Konstante a der Schwächungsfaktor mit dem Bereich 0 < a < 1 und r der auf den Radius der Austrittspupille normierte Abstand, gemessen von der optischen Achse, ist

4. Mikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß das Filter einen Transmissionskurvenverlauf nach Art einer Cosinuskurve mit maximalem Wert auf der optischen Achse aufweist

5. Mikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß das Filter einen Transmissionskurvenverlauf entsprechend einer Gauß-Verteilung mit Maximalwert auf der optischen Acüse aufweist

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mikroskop mit großer Schärfentiefe und einen Kohärenzgrad M des Beleuchungslichtes von 0,5 < M< 1.

Die durch ein Mikroskop zu betrachtenden Präparate haben immer eine bestimmte Dicke. Die üblichen Mikroskope haben insbesondere bei hoher Vergrößerung geringe Schärfentiefe. 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 Beobdchtungsergebnissen führt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikroskop anzugeben, das so ausgebildet ist, daß es bei dem angegebenen Kohärenzgrad des Beleuchtungslichtes eine hohe Schärfentiefe aufweist und eine Umkehr des Bildkontrastes verhindert.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Filter, dessen Transmissions-Koeffizient an der optischen Achse hoch ist während er zum Rand des Filters fortlaufend abnimmt und das an oder nahe der Ausiriitspupiiie eines Objektivs angeordnet ist.

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65 Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Für die Abbildung von inkohärent beleuchteten Objekten ist der Einfluß von Apodisationsfiltern auf die Kontrastübertragungsfunktion von fotografischen Objektiven schon untersucht worden (R. Röhler, Informationstheorie in der Optik, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft Stuttgart 1967, Seite 82-85 und Optik 19 (1962) H. 7, 351 -356), wobei gefunden wurde, daß bei hohen Ortsfrequenzen durch ApodisationsFilter ein stärkerer Abfall der Kontrastübertragungsfunktion erfolgt Für die bei Mikroskopen mit Kohärenzgraden M=0J5<M<l vorliegenden Verhältnissen können jedoch überraschenderweise mit Filtern, deren Transmissionskoeffizient in der Nähe der optischen Achse hoch ist und der zum Umfang zu zunehmend verringert ist, verbesserte Abbildungseigenschaften erzielt werden, wie im folgenden noch näher erläutert

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung, die das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung erläutert,

F i g. 2 eine grafische Darstellung der Transmissions-Koeffizienten der bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Filter und

Fig. 3A, 3B, 4A, 4B, 5A, 5B Kurven, die die optischen Übertragungsfunktionen erläutern.

In F i g. 1 ist das Prinzip des optischen Systems eines Mikroskops nach der vorliegenden Erfindung erläutert (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 λ treten sie aus der Austrittspupille E\ 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 E\ 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 £Ί angeordnet. In Fig.2 bezeichnet r die Entfernung von der optischen Achse, und wobei rauf den Radius der Austrittspupille E\ normiert ist. T bezeichnet den Transmissions-Koeffizienten und der maximale Transmissionskoeffizient ist zu 1 normiert. Der Verlauf des Transmissionskoeffizienten ist rotationssymmetrisch zur T-Achse der F i g. 2 und damit zur optischen Achse A. Die Form der Kurve für den Transmissions-Koeffizienten T in Fig.2 ist als ein Beispiel zu betrachten und es ist möglich, Transmissions-Koeffizienten Tin folgender V/eise zu wählen

T = 1 - ar, I UrH (1)

T = 1 - ar² J 0 < a < I . (2)

Die Konstante a ist der Schwächungsfaktor und wählbar in einem Bereich von 0<aSl. Es ist daher möglich, verschiedene Effekte auf die Schärfentiefe und auf die Umkehrung des Kontrastes zu verhalten, indem Filter F mit verschiedenen Kurven des Transmissions-Koeffizienten T verwendet werden. Der Verlauf des Transmissions-Koeffizienten T, wie er in F i g. 2 gezeigt ist, kann von der Art einer Cosinuskurve oder einer

Gaußverteilungskurve mit einem Maximalwert am Nullpunkt O in F i g. 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 Austrittspupil-Ie E\ durchlaufen, von dem Filter F am Randabschnitt des Filters Fstärker absorbiert

Um die Wirkung des Filters F zu bestätigen, wurden Mikroskonbetrachtungen und Aufnahmen unter Verwendung von zwei Mikroskopen durchgeführt von denen in einem ein Filter, wie es anhand F i g. 2 erläutert ist verwendet wurde, während das andere kein Filter enthielt Die Experimente zeigten, daß eine merkliche Differenz weder für Grob- noch für Feinstrukturen in den scharf eingestellten Präparatbereichen auftrat In den Präparatbereichen, die zwei Wellenlängen vom Drennpunkt entfernt waren, zeigte jedoch das Mikroskop mit dem Filter höhere WiedergaLequalität für Grobstrukturen und höheren Bildkontrast sowie 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 sowie 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 jo Figuren stellt die Abszisse die reduzierte Raumfunktion entsprechend der folgenden Formel dar

0(x) = 1/2(1 + cos · 2.-7/<x).

(3)

Darin bezeichnen 3-,

χ die Lagekoordinaten auf der Oberfläche des Objekts, μ die Ortsfrequenz.

Bei der Annahme einer Vergrößerung \x kann die Bildintensitätsverteilung I(x) für ein Objekt, das einen Transmissions-Koeffizienten entsprechend Formel (3) besitzt, wie folgt ausgedrückt werden

l(x) = D + /I₁ cos 2 .τ /ι χ + A₂ cos 4 η /ι χ . (4)

■Γι

Fig. 3Α, 3Β, 4Α, 4Β, 5Α und 5B zeigen die Kontrastkurven des Objekts, das eine Bildintensitätsverteilung entsprechend Formel (4) besitzt. Zur Ermittlung der Kurven in den F i g. 3B, 4B und 5B wurde ein Filter F mit einem Transmissions-Koeffizienten T entsprechend Formel (2) und mit a = 0,8 verwendet. A2ID wurde als vernachlässigbar klein fortgelassen. F i g. 3A, F i g. 4A und F i g. 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 F i g. 3A und F i g. 3B die charakteristischen Kontrastkurven für Präparatbereiche im Brennpunkt, während F i g. 4A und _bo Fig.4B die charakteristischen Kontrastkurven für Bereiche, die eine halbe Wellenlänge außerhalb vom Brennpunkt in bezug auf die Wellenfrontaberration liegen und F i g. 5A und F i g. 5B zeigen die charakteristischen Kontrastkurven für Abschnitte, die eine _b<-, Wellenlänge vom Brennpunkt entfern* sind. In diesen s =

N-Ao⁴

Darin bezeichnet

λ die Wellenlänge,

μ die Raumfrequenz auf der Objektoterfläche und N ■ ,4odie numerische Apertur auf der Gegenstandsseite des Objektivs.

Das Verhältnis zwischen der numerischen Apertur des Objektivs und der der Kondensorlinse Cin F i g. 1 ist wie folgt definiert

M =

N-Ac N-Ao

Darin bezeichnet N ■ Ac die numerische Apertur der Kondensorlinse C In F i g. 3A, 3B, 4A, 4B und F i g. 5B repräsentiert die Ordinate den Kontrast C= A\/Deines 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 F i g. 4A ist der Kontrast C= 0 bei der Raumfrequenz S= 1 und ein geringer Kontrast C ist wieder vorhanden, wenn S1 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. Beim Verhältnis M= 0,5 wird der Kontrast C in F i g. 4A negativ in einem Bereich von S> 1, wodurch die Bildwiedergabe beeinträchtigt wird. Entsprechend F i g. 4B kann jedoch der Kontrast kaum negativ werden und die dem Kontrast C=O entsprechende Frequenz ist im wesentlichen die gleiche wie in F i g. 4A. Das Mikroskop nach der vorliegenden Erfindung kann daher eine bessere Bildwiedergabe bei im wesentlichen unveränderter Auflösung gewährleisten.

Ein Vergleich von Fig.5A und Fig.5B 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. Diese unter Bezug auf die Zeichnung gegebene Erklärung ist durch praktische Mikroskopuntersuchungen bestätigt worden.

Bei der Herstellung des Mikroskop nach der vorliegenden Erfindung kann es praktisch schwierig sein, das Filter Fdirekt in der Ebene der Austrittspupille E\ anzuordnen. Es ist jedoch möglich, ein reelles Bild der Austrittspupille E\ durch Verwendung einer konvexen Linse zu erzeugen und das Filter Fdann so anzuordnen, daß es gegen andere Filter leicht austauschbar ist; die verschiedene Transmissions-Koeffizienten entsprechend der Formel (2) besitzen. Die Anordnung eines geeigneten Filters bei solchen Untersuchungen kann der Fachmann leicht vornehmen.

Hierzu 1 HhUi

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Mikroskop mit großer Schärfentiefe und einem Kohärenzgrad M des Beleuchtungslichtes von 0,54<Αί<1, gekennzeichnet durch ein Filter F, dessen Transmissions-Koeffizient an der optischen Achse A hoch ist, während er zum Rand des Filters fortlaufend abnimmt und das an oder nahe der Austrittspupille eines Objektivs (O) to angeordnet ist

2. Mikroskop nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Linse, wobei das Filter an oder nahe der Ebene des von der zusätzlichen Linse projiziert en Bildes der Austrittspupille des Objektivs liegt

3. Mikroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche', dadurch gekennzeichnet, daß das Filter einen durch die folgenden Formeln gegebenen Transmissions-Koeffizienten aufweist