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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Stereomikroskop mit zwei zur Beobachtung
di¢vznden, optischen Systemen für die stereoskopische Beobachtung einer Probe, und
insbesondere eine Verbesserung eines koaxialen Auflicht-Stereomikroskops, bei dem
die Objektive, beispielsweise die hierzu verwendeten Linsen, in jedem optischen
System sowohi für die Beleuchtung als auch für die Beobachtung eingesetzt werden.
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Bei einer koaxialen Auflicht-Beleuchtungseinrichtung für Stereomikroskope
werden ein Analysator und ein Polarisator verwendet, die so angeordnet sind, daß
sie im rechten Winkel zueinander verlaufende Polarisationsrichtungen haben, um die
Erzeugung von Streulicht bzw. Reflexen an dem Okular durch das an den Oberflächen
der Objektivlinsen reflektierte Beleuchtungslicht zu vermeiden.
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Das Grundprinzip einer solchen Beleuchtungseinrichtung wird in der
US-PS 3 405 990 beschrieben. Die dort erläuterte Konstruktion hat jedoch den Nachteil,
daß ein relativ starker Verlust an Beleuchtungslicht auftritt; außerdem führt ein
eventueller Unterschied im Polarisationszustand der beiden Beobachtungssysteme zu
unterschiedlichen Helligkeitspegeln und zu unterschiedlichen Farben in den beiden
Beobachtungsfeldern und zwar sogar dann, wenn die Probe selbst keine polarisierende
Wirkung hat; dies ist darauf zurückzuführen, daß die Polarisationsrichtungen der
Beobachtungslichtstrahlen in beiden Beobachtungssystemen jeweils im rechten Winkel
zueinander liegen.
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Aus der offengelegten, japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 53-52145
der Anmelderin ist eine Konstruktion eines Stereomikroskops bekannt, die im wesentlichen
gleiche
Helligkeitspegel und gleiche Farben für die beiden Beobachtungssysteme liefert;
auch hier trittjedoch der oben erwähnte Nachteil des relativ starken Lichtverlustes
auf.
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Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein koaxiales
Auflicht-Stereomikroskop zu schaffen, das ohne relevante Lichtverluste gleiche Helligkeitspegel
und gleiche Farben für die beiden Beobachtungssysteme liefern kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dies durch ein koaxiales Auflicht-Stereomikroskop
mit der üblichen Konstruktion erreicht, das zwei Beobachtungssysteme mit jeweils
einer Objektivlinse, einer Okularlinse und einem Strahlteiler, der zwischen dem
Objektiv und dem Okular liegt, und zwei Beleuchtungssysteme mit einer gemeinsamen
Einfallsebene für die beiden Strahlteiler aufweist, wobei der Strahlteiler einen
wesentlichen Teil der polarisierten Lichtkomponente senkrecht zu der Einfallsebene
reflektieren und einen wesentlichen Teil der polarisierten Lichtkomponente parallel
zu der Einfallsebene durchlassen kann; außerdem sind ein Polarisator im Strahlengang
jedes Beleuchtungssystems vor dem Strahlenteiler, wobei die Polarisationsrichtung
senkrecht zu der Einfallsebene auf den Strahlenteiler verläuft, ein Analysator im
Strahlengang in jedem Beobachtungssystem zwischen dem Okular und dem Strahlenteiler,
wobei die Polarisationsrichtung parallel zu der Einfallsebene verläuft, und eine
Wellenlängenplatte vorgesehen, die eine Weglängendifferenz einer halben Wellenlänge
erzeugt und im Strahlengang zwischen den beiden Objektiven und durch die Oberfläche
der Probe angeordnet ist, wobei die Achse in einem Winkel von 450 zur Einfallsebene
gerichtet ist.
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Die Erfindung schafft also ein koaxiales Auf licht-Stereomikroskop
mit zwei Beobachtungssystemen, die jeweils eine Objektlinse, eine Okularlinse und
einen zwischen dem Objektiv und dem Okular angeordneten Strahlenteiler aufweisen,
sowie mit zwei Beleuchtungssystemen, die jeweils eine gemeinsame Einfallsebene für
die Strahlenteiler haben.
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Der Strahlenteiler kann einen wesentlichen Teil der polarisierten
Lichtkomponente senkrecht zu der Einfallsebene reflektieren und einen wesentlichen
Teil der polarisierten Lichtkomponente parallel zu der Einfallsebene durchlassen.
Außerdem sind ein Polarisator, der sich im Strahlengang jedes Beleuchtungssystems
vor dem Strahlenteiler befindet, wobei die Polarisationsrichtung senkrecht zu der
Einfallsebene auf den Strahlenteiler ist, ein Analysator, der sich in dem Strahlengang
in jedem Beobachtungssystem zwischen dem Okular und dem Strahlenteiler befindet,
wobei die Polarisationsrichtung senkrecht zu der Einfallsebene ist, und eine Wellenlängenplatte
vorgesehen, die eine Weglängendifferenz von einer halben Wellenlänge erzeugen kann
und in dem Strahlengang zwischen den beiden Objektiven und durch die Oberfläche
der Probe angeordnet ist, wobei die Achse in einem Winkel von 450 zu der Einfallsebene
gerichtet ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Querschnitt durch das optische System -einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, Fig. 2 eine Ansicht der Beziehung zwischen der Polarisationsrichtung
P des Polarisators, dem Winkel der Achse H der /4 Platte, dem Winkel der Einfallsebene
S zu dem Strahlenteiler und
der Polarisationsrichtung A des Analysators,
Fig. 3 eine Kurvendarstellung der Spektralkennlinie der Durchlässigkeit T und des
Reflexionsvermögens R des Strahlenteilers, und Fig. 4 eine Querschnittsansicht durch
die optischen Systeme einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 1 zeigt schematisch einen-Querschnitt durch die optischen Systeme
eine Stereomikroskops nach der vorliegenden Erfindung; dabei sind ein erstes Beobachtungssystem
und ein erstes Beleuchtungssystem symmetrisch in Bezug auf die Mitte des Stereomikroskops
zu einem zweiten Beobachtungssystem und einem zweiten Beleuchtungssystem angeordnet;
das erste Beobachtungssystem weist ein Objektiv la, das beispielsweise durch.eine
Linse gebildet werden kann, und ein Okular 2a auf, während das erste Beleuchtungssystem
eine Lichtquelle 3a und einen Strahlenteiler 4a enthält; das zweite Beobachtungssystem
weist ein Objektiv Ib, das beispielsweise durch eine Linse gebildet werden kann,
und ein Okular 2a auf, während das zweite Beleuchtungssystem eine Lichtquelle 3b
und einen Strahlenteiler 4b enthält.
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Die optische Achse Ya des ersten Beleuchtungssystems kreuzt die optische
Achse Xa des ersten Beobachtungssystems im rechten Winkel in der Mitte des ersten
Strahlenteilers 4a, während die optische Achse Yb des zweiten Beleuchtungssystems
die optische Achse Xb des zweiten Beobachtungssystems in der Mitte des zweiten Strahlenteilers
4b im rechten Winkel kreuzt; alle optischen Achsen liegen in der gleichen Ebene
von Fig. 1 horizontal symmetrisch. Außerdem ist eine Hilfsobjektivlinse 9 vorgesehen,
um die optischen Achsen der Objektive la und ib parallel zu machen. Das zweite Beleuchtungssystem
liefert das Beleuchtungslicht für eine Probe 5, die durch das erste Beobachtungssystem
beobachtet
werden soll, während das erste Beleuchtungssystem in ähnlicher Weise das Beleuchtungssystem
für die Beobachtung durch das zweite Beobachtungssystem erzeugt.
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Zwischen der Lichtquelle 3a und dem Strahlenteiler 4a des ersten Beleuchtungssystems
sowie zwischen der Licht quelle 3b und uem Strahlenteiler 4b des zweiten Beleuchtungssystem
sind jeweils Polarisatoren 6a und 6b vorgesehen, deren Polarisationsrichtung im
rechten Winkel zu der Einfallsebene zu den beiden Strahlenteilern 4a und 4b verläuft;
diese Einfallsebene ist als die Ebene definiert, die den einfallenden Lichtstrahl
und den reflektierten Lichtstrahl enthält und deshalb mit der Ebene von Fig. 1 zusammenfällt.
Außerdem ist zwischen dem Okular 2a des ersten Beobachtungssystems und dem Strahlenteiler
4a des ersten Beleuchtungssystems sowie zwischen dem Okular 2b des zweiten Beobachtungssystems
und dem Strahlenteiler 4b des zweiten Beleuchtungssystems jeweils ein Analysator
7a und 7b vorgesehen, dessen Polarisationsrichtung parallel zu der Einfallsebene
zu den Strahlenteilern 4a und 4b verläuft, die mit der Ebene von Fig. 1 zusammenfällt.
Außerdem ist zwischen den Objektiven 1a, 1b und der Probe 5 eine »/4 Platte 8 angeordnet,
deren Achse in einem Winkel von 459 zu der Einfallsebene auf die Strahlenteiler
verläuft.
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Fig. 2 zeigt die Winkelbeziehung zwischen der Polarisationsrichtung
P der Polarisatoren 6a, 6b, der Polarisationsrichtung A der Analysatoren 7a, 7b,
der Achse H der jet/4 Platte 8 und der Einfallsebene S auf die Strahlenteiler 4a,
4b.
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Der von der Lichtquelle 3a des ersten Beleuchtungssystems zugeführte
Beleuchtungsstrahl wird in der Richtung P senkrecht zu der Richtung S der Einfallsebene
zu dem Strahlteiler 4a beim Durchgang durch den Polarisator 6a linear polarisiert,
dann an dem Strahlenteiler 4a nahezu total reflektiert, durch die Objektivlinse
1a, die Hilfsobjektivlinse 9 und die lot/4 Platte 8, deren Achse H in einem Winkel
von 450
gerichtet ist, durchgelassen, nach der Reflexion an der
Probe 5 wieder durch die »/4 Platte 8 und das Hilfsobjektiv 9 durchgelassen und
in die Objektivlinse 1b eingeführt. Die Polarisationsrichtung dieses Strahls wird
bei den beiden Durchgängen durch die t/4 Platte 8, die äquivalent zu einem Durchgang
durch eine Halbwellenlängen-Platte ist, um 900 gedreht. Als Folge hiervon wird der
Strahl durch den Strahlenteiler 4b und außerdem total durch den Analysator 7b durchgelassen,
da dessen Polarisationsrichtung A mit der Polarisationsrichtung des Strahls zusammenfällt,
so daß dieser Strahl das Okular 2b erreicht.
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Andererseits erreicht der Beleuchtungsstrahl des ersten Beleuchtungssystems,
der an dem Strahlenteiler 4a sowie an der Objektivlinse 1a reflektiert und durch
den Strahlenteiler 4a durchgelassen wird, nicht das Okular 2a, da dessen Polarisationsrichtung
P senkrecht zu der Polarisationsrichtung A des Analysators 7a verläuft.
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Die obige Erläuterung läßt sich auch bei dem von der Lichtquelle 3b
des zweiten Beleuchtungssystems zugeführten Lichtstrahl -, der den Analysator 7a
durch den Strahlenteiler 4b, die Probe 5 und wieder den Strahlenteiler 4b erreicht,
sowie bei dem an dem Objektiv 1b reflektierten Lichtstrahl anwenden.
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Fig. 3 zeigt schematisch die Spektral-Charakteristik bzw.
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-Kennlinie der Durchlässigkeit T und des Reflexionsvermögens R der
Strahlenteiler 4a, 4b, die bei dem Stereomikroskop nach der vorliegenden Erfindung
eingesetzt werden.
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Diese Strahlenteiler sind mit mehreren dielektrischen Schichten versehen
und zeigen in Abhängigkeit von der polarisierten Lichtkomponente wesentliche Unterschiede
in ihrer Kennlinie. In Fig. 3 stellen die Indizes p bzw. s an den Buchstaben T und
R jeweils die Komponenten dar, die parallel bzw. senkrecht zu der Einfallsebene
verlaufen. Wie man in Fig. 3 erkennen kann, haben die Strahlenteiler für die senkrecht
zu der Einfallsebene-verlaufende Komponente ein
Reflexionsvermögen
R5, das bis zu ca. 90 % reichen kann, während die Durchlässigkeit TP für die zu
der Einfallsebene parallele Komponente bis zu ca. 90 % betragen kann.
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Eine solche Kennlinie für polarisiertes Licht ist spezifisch für Strahlenteiler,
die aus mehreren dielektrischen Schichten bestehen; außerdem sind solche Strahlenteiler
auch noch in Bezug auf ihren hohen Wirkungsgrad zweckmäßig, weil ihre Absorption
relativ gering ist.
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Bei dieser Konstruktion wird der den Polarisator 6a oder 6b passierende
Beleuchtungsstrahl zu näherungsweise 90 % an der Probe 5 reflektiert, während der
den Strahlenteiler 4a oder 4b nach zwei Durchgängen durch die Ä /4 Platte 8 vor
oder nach der Reflexion an der Probe 5 erreichende Strahl zu näherungsweise 90 %
zu dem Okular 2a oder 2b durchgelassen wird. Damit ist also der von den beiden Strahlenteilern
4a und 4b erreichte Wirkungsgrad 90% x 90 % oder 81 %, also wesentlich höher als
der Wirkungsgrad bei der herkömmlichen Konstruktion nach der offengelegten japanischen
Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 53-52154, bei der jeder Strahlenteiler einen Lichtverlust
von 50 % hat, so daß sich insgesamt nur ein Wirkungsgrad von 50 % x 50 % oder 25
% ergibt. In der Praxis ist jedoch der tatsächliche Wirkungsgrad noch wesentlich
geringer als 25 %, da ein herkömmlicher Strahlenteiler mit gleicher Durchlässigkeit
und gleichem Reflexionsvermögen eine erhöhte Absorption hat. Da bei der obigen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die Strahlenteiler 4a, 4b eine geringe Durchlässigkeit
T5 von ca. 10 % für die senkrecht zu der Einfallsebene verlaufende Komponente haben,
wird nur ungefähr 10 % des an der Objektivlinse reflektierten Beleuchtungslichtes
durch die Strahlenteiler zu den Analysatoren durchgelassen.
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Auf diese Weise wird es möglich, die Wirkung der senkrecht angeordneten
Polarisatoren 6a, 6b und Analysatoren 7a, 7b weiter zu erhöhen bzw. zu verstärken,
um das Streulicht zu
eliminieren, das auf das an den Objektivlinsen
reflektierte Licht zurückzuführen ist.
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Bei dem Stereomikroskop nach der vorliegenden Erfindung sollten die
Strahlenteiler zweckmäßigerweise mit einem Reflexionsvermögen von wenigstens 70
% für die senkrecht zu der Einfallsebene verlaufende, polarisierte Komponente und
mit einer Durchlässigkeit von wenigstens 70 % für die parallel zu der Einfallsebene
verlaufende, polarisierte Komponente versehen sein, wodurch es möglich wird, einen
Wirkungsgrad von 70 % x 70 % oder ca. 50 % zu erhalten; es ergibt sich also insgesamt
ein Wirkungsgrad, der doppelt so hoch wie bei herkömmlichen Systemen ist.
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Außerdem kann die Konstruktion der vorliegenden Erfindung auch für
ein einfaches Polarisations-Stereomikroskop für die stereoskopische Beobachtung
des polarisierten Zustandes der Probe durch geeignete Drehung der i /4 Platte 8
ausgenutzt werden, wenn die Polarisationsrichtung des durch das Okular verlaufenden
Strahls in beiden Beobachtungssystemen gleich ist.
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Bei der eben beschriebenen Ausführungsform ist die i/4 Platte 8 auf
der Probenseite der Objektive la, 1b angeordnet und dient im Strahlengang von einem
Objektiv zu dem anderen durch die Reflexion an der Probe im wesentlichen als Halbwellenlängen-Platte;
diese i/4 Platte 8 kann jedoch durch eine Halbwellenlängen(R/2)-Platte ersetzt werden,
die sich vor jedem Objektiv befindet; durch Drehung der Halbwellenlängen-Platte
kann diese Konstruktion ebenfalls als Polarisations-Mikroskop eingesetzt werden.
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Wie oben erläutert wurde, schafft also die vorliegende Erfindung ein
koaxiales Auflicht-Stereomikroskop, das bei verringertem Lichtverschluß gleiche
Helligkeitsspiegel und
gleiche Farben für beide Betrachtungsfelder
liefern kann.
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Obwohl die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
bei einem Stereomikroskop mit gemeinsamem Objektivsystem verwendet wird, ist die
vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Ausführungsform beschränkt, sondern
kann augen bei einem Stereomikroskop mit dem sogenannten "Greenough-System" eingesetzt
werden.
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Eine solche Ausführungsform ist in Fig. 4 dargestellt; dabei sind
ein erstes Beobachtungssystem, das aus einer Objektivlinse 11a und einer Objektivlinse
12 a besteht, ein zweites Beobachtungssystem, das aus einer Objektivlinse 11b und
einer Okularlinse 12b besteht, ein erstes Beleuchtungssystem, das aus einer Lichtquelle
13a und einem ersten Strahlenteiler 14a besteht, und ein zweites Beleuchtungssystem
vorgesehen, das aus einer Lichtquelle 13b und einem zweiten Strahlenteiler 14 b
besteht. Das Greenough-System zeichnet sich dadurch aus, daß die optischen Achsen
Xa' und Xb' des ersten und zweiten Beobachtungssystems einander direkt auf der Probe
5 kreuzen.
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Die optischen Achsen Xa', Xb' des ersten und zweiten Beobachtungssystems
und die optischen Ya' und Yb' des ersten und zweiten Beleuchtungssystems liegen
gemeinsam in der Ebene von Fig. 2; die beiden Polarisatoren 16a, 16b und die beiden
Analysatoren 17a, 17b haben den gleichen Aufbau und die gleiche Funktion, wie sie
bereits oben unter Bezugnahme auf die Ausführungsform nach Fig. 1 erläutert wurde.