DE3019683A1 - Zwischenabbildungssystem zur durchfuehrung von kontrastverfahren bei mikroskopen - Google Patents

Description

Zwischenabbildungssystem zur Durchführung von Kontrastverfahren bei Mikroskopen

Das Zwischenabbildungs syst ein wird zur Kontrastierung· im Phasenkontrast oder mit polarisiertem Licht arbeitenden Interferenzkontrast von im durchfallenden Licht nicht absorbierender und im auffallenden Licht gleiches Reflexionsvermögen wie die Umgebung aufweisender organischer oder anorganischer Objekte verwendet. Es dient vorwiegend als Ergänzungseinheit in Verbindung mit dazu angepaßten Phasenkontrast- oder Interferenzkontrasteinrichtungen für Durch- und Auflichtmikroskope, kann aber auch integrierender Bestandteil des Mikroskops sein. Dabei sind z.B. für Phasenkontrast keine speziellen Phasenkontrastobjektive erforderlich, sondern die erforderlichen Phasenringe können in einem von einem Teil des Zwischenabbildungssystem erzeugten Bild der Ob₁^ktivp^^pille angeordnet werden. An gleicher Stelle lassen sich die zur Durchführung des polarisationsoptischen Xnterferenzkontrasts erforderlichen Wollastonprismen einschieben. Auf diese ¥eise ist ein schneller Wechsel zwischen beiden Kontrastarten möglich. Der Erfindungsgegenstand wird vor allem in der Biologie und Medizien, aber auch in technischen Arbeitsgebieten, wie Chemie und Metallographie, zur Kontrastierung von Phasenobjek-

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ten eingesetzt. Das sind solche mikroskopische Objekte, die bei normaler Hellfeldbeobachtung nicht oder nur schwach kontrastiert sind.

Die bisher bekanntgewordenen Zwischenabbildungssystene zur Durchführung von Kontrastverfahren, wie sie z.B. von Gabler /1/, Beyer und Schöppe /2/, Reichert /?/, Konzian u.a. /k/ angegeben worden sind, bilden bekannterweise zwar die Objektivpupille in eine zugängliche Ebene ab und sind damit für die Durchführung des Phasenkontrastverfahrens und anderer mit natürlichem Licht wie z,B, nach /2/ arbeitender Interferenzkontrastverfahren geeignet, berücksichtigen aber nicht die für den polarisationsoptischen Interferenzkontrast zu erfüllende Bedingung, daß bei der Pupillenabbildung aus linear polarisiertem Licht wieder angenähert linear polarisiertes Licht entsteht. Das wird durch beliebige Reflexion an den Umlenkelementen verhindert. In /1/ wird bei einem Auflichtmikroskop für Phasenkontrast mit Hilfe einer Beleuchtungslinse und nach Reflexion am Illuininatorspiegel zunächst in der Objektivpupille ein 1. Bild der Ringblende und nach Reflexion am Objekt an der gleichen Stelle ein 2, Bild der Ringblende und schließlich durch den 1. Teil des Zwischenabbildungssystems ein 3» Bild der Ringblende erzeugt, wo das Phasenplättchen angeordnet wird. Schließlich bilden Objektiv und Zwisehenabbildungssysteni das Objekt in der Feldblende des Okulars ab. Mit der in /2/ beschriebenen Anordnung für Durch- und Auflichtmikroskope erfolgt durch das Zwischenabbildungssystem die Abbildung der Objektivpupille in eine Ebene, in der, entweder gekoppelt nit einem Interferometer oder einem Phasenkontrasteinsatz, interferenzoptische oder phasenoptische Modulatoren, wie Glaskeile, Blenden oder Phasenplättchen, angeordnet werden können. Ein zugängliches Zwisehenbild der

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Objektebene erlaubt die Einführung weiterer Meßeleuente, wie Halbschattenplatten, Meßskalen usw..Durch den 2, Teil des Zwischenabbildungssystei is wird dieses Zwischenbild in die Feldebene des Okuars abgebildet.

In /3/ und /h/ wird ein Zwischenabbildungssysten für Durch- und Auf licht! lütroskope beschrieben, j:.^!it den es möglich ist, in einen Zwischenbild der Pupille zur Kontrastierung optische Blenente, wie Phasenplättchen, Tfollastonprisnen und in einer:: Zwischenbild der Objektebene in wesentlichen für ließswecke verschiedene Strichfiguren anzuordnen oder nach dort einziispiegeln. Da jedoch keine liaßnahnen vorgesehen sind, uv., die lineare Polarisation des Lichts von der Objektivpupille bis -zv. ihren Zwischenbild zu erhalten, raiß eine ernste Störung der mit Hilfe der VollastonprisLien durchzuführenden polarisationsoptischen Kontrastierung in Kauf genommen werden. Merstallinger gibt in /5/ ein Zwischenabbildungssystem an, daß die genannte Polarisationsbedingung durch die Forderung erfüllt, daß das Zwischenbild der Objektivpupille noch vor dem ersten reflektierenden Element entsteht. Dieser Vorschlag ist aber konstruktiv sehr ungünstig, da bei einem dafür aufzuwendenden erträglichen Korekktionsaufwand eine gewisse liindestlänge erforderlich ist, die entweder zu einer nicht vertretbaren Einblickhöhe führt oder, wie am Beispiel dargestellt, ein aufwendiges und konstruktiv ungünstiges ürilenksystem erforderlich macht, das den Beobachtungsstrahlengang wieder einem in normaler Einblickhöhe liegenden Beobachtungstubus zuführt.

Es soll eine Einrichtung geschaffen werden, die es ermöglicht mit Hellfeldobjektiven für normale oder große Felder und hoher Bildqualität sowohl Phasenkontrast als auch polarisationsoptischen Interferenzkontrast durchzuführen und von einer zur anderen BeobaehtungSi-

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art schnell umzuschalten, wie es für viele mikroskopische Untersuchungen, insbesonder von lebenden Objekten wünschenswert ist und außerdem den Nachteil, der von Merstallinger angegebenen Lösung aufhebt. Es werden mit Hilfe eines Zwischenabbildungssystems optimale Bedingungen für die Kontrastierung mikroskopischer Phasenobjekte in Phasenkontrast und polarisationsoptischen Interferenzkontrast tinter Verwendung von Hellfeldobjektiven für normale und große Felder geschaffen, wobei die für eine gute Interferenzkontrastabbildung einzuhaltende Polarisationsbedingung erfüllt, wird, daß das in der Objektivpupille linear polarisierte Licht in den vom Zwischenabbildungssystem erzeugten Zxvischenbild der Objektivpupille als nahezu linear polarisiertes Licht ankommt. So ist z.B. bei der polarisationsoptischen Interferenzkontrastabbildung die Zerlegung des auf das aus doppelbrechendem Material bestehende beleuchtungsseitige liollastonprisma fallende linear polarisierte Licht in seine senkrecht zueinander schwingende, jede für sich linear polarisierte ordentliche und außerordentliche Komponente wesentlich. Beide verlassen das Wollastonprisma um einen geringen Betrag lateral versetzt. Im abbildungsseitigen Wollastonprisma, das beim E_rfindungsgegenstand im Bild oder in der Nähe des Bildes der Objektivpupille und damit innerhalb des Zwischenabbildungssystems liegt, werden die beiden Komponenten xirieder zu einem Strahl vereinigt, exakt aber nur dann, wenn sie als linear polarisiertes Licht beim abbildungsseitigen tfollastonprisma ankommen. Aus der theoretischen Optik ist bekannt, daß bei der Totalreflexion an einer Glasoberfläche zwischen parallel und senkrecht zur Einfallsebene schwingenden Strahlenkomponenten eine vom Einfallwinkel P^ und der Brechzahl des Glases η abhängige Phasendifferenz cf auf-

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tritt.

Es gilt: „/ = ^oos

n2

. 2

sxn

ist für den Achsenstrahl bei 90° Ablenkung

9 g 5.

Damit wird bei η = J 3 q/■=. 60°, so daß nach dreimaliger Reflexion die Phasendifferenz 18O° beträgt und die Resultierende aus beiden Strahl enlcompon en ten wieder in der gleichen Ebene wie vorher schwingt, also linear polarisiert ist. Dieser Effekt wird schon seit ffahrzehnten in einem Prisma mit dreifacher Reflexion, dem sog. Berek-Prisnxa /6/, zur Beleuchtung bei Auflicht-Polarisationsinikroskopen ausgemitzt. Er wird durch zweckmäßigen Aufbau eines Zwischenabbildungssystems zur Erfüllung der Polarisationsbedingungen verwandt, indem die dreimalige Reflexion auf drei zwischen Objektivpupille und Pupillenbild gelegene einzelne totalreflefctierende Prismen verteilt wird. Eine ähnliche Wirkung wird mit vier Prismen erreicht, wenn η (u.U. auch V*) so verändert wird, daß^= k-5 ist. In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, die Schwingungsrichtung der Strahlkomponenten drireh Einschalten einer polarisationspptischen A/2- Platte um 90° zu drehen, wenn z.B. wegen Drehung der Einfallsebene von einem zum folgenden Prisma der an einer reflektierenden Fläche ordentliche Strahl an der folgenden Fläche zum außerordentlichen und der außerordentliche zttm ordentlichen und somit die aus diesen beiden Reflexionen resultierende Phasendifferenz null wicd. Durch die λ/2- Plafcte wird erreicht, daß auch in diesem Teil der ordentliche Strahl ordentlicher und der außerordentliche Strahl

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außerordentlicher bleiben.

Da die auf die Prismenflachen einfallenden abbildenden Strahlen etwas ΐΐηΐβΓβοηχβαΙίοΙη.ε Neigung haben und deshalb die reflektierenden Flächen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln erreichen, ist die Phasendifferenz nicht für alle Strahlen gleich, und es ist für die außeraxialen Strahlen mit einer geringen Elliptizität des polarisierten Lichts zu rechnen, die aber im Extremfall nicht mehr als 1"j beträgt und in der Praxis kaum stört. Da die Öffnungswinkel der abbildenden Lichtbündel an den verschiedenen Flächen im allgemeinen unterschiedlich sind, ist außerdem eine Optimierung durch Prismen unterschiedlicher Brechzahl möglich.

Anhand, der Abbildung soll an zwei Ausführungsbeispielen für Durchlichtbeobachtung die Erfindung erläutert werden. Das von der nicht gezeichnenten Lichtquelle kommende

ι Ο

Lichtbündel 1 wird durch den unter 45 zum belexicn.-tungsseitigen ¥ollastonprii:'sa orientierten Polarisator 2 linear polarisiert und im beleuchtringsseitigen WollastonprisKia 3 in die ordentliche und außerordentliche Komponente zerlegt, die senkrecht zueinander schwingen.

Nach Passieren des Kondensors '+ gehen beide Teilbündel um einen geringen Betrag lateral versetzt durch die Objektebene 5> passieren dasObjektiv 6, die durch ein Strichkreuz angedeutete Objektivpupille 7 und werden an der voll verspiegelten Fläche 9 des aus zwei verkitteten rechtwinkligen Prismen bestehenden Glaswürfels 3 reflektiert. Da die Komponenten mit ihrer Schwingungsriehtung senkrecht bzw. parallel zur Einfallsebene auf die Fläche 9 treffen, bleibt die lineare Polarisation für beide erhalten. An den Prismen 10, 13 und 14, die aus Glas mit der angenäherten Brechzahl η ^ ^3 ΐ)β-stehen, werden beide Teilbündel totalreflektiert. Zwischen den

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parallel und senkrecht zur Einfallsebene schwingenden Komponenten jedes Teilbündels tritt dabei eine Phasendifferenz von U Ss 6O° auf, so daß am Prisma 10 aus dem linear polarisierten Licht elliptisch polarisiertes wird. Da der gleiche Vorgang an den Prismen I3 und 1k stattfindet, summiert sich die genannte Phasendifferenz und beträgt an dem durch Strichkreur^ angedeuteten, vom Linsensystem 11 erzeugten Pupillenbild 16 180 , so daß dort wieder linear polarsiertes Licht entsteht. Es treten also zwei um einen geringen Betrag lateral versetzte, senkrecht zueinander schwingende und im allgemeinen einen geringen Gan^nterschied aufweisende Teilbündel in das abbildungsseitige TiTollastonprisma I5 ein und treten räumlich vereinigt wieder saxs. Der senkrecht oder parallel zum Polarisator 2 orientierte Analysator 17 läßt nur die in seiner Durchlaßrichtung schwingenden Koirponenten der beiden senkrecht zueinander schwingende Teilbündel passieren, die miteinander interferieren. Das vom Objektiv 6 und Linsensystem 11 erzeugte Zwischenbild 12 des in der Objektivebene 5 gelegenen Objektes, in den für Meßzwecke Strichplatten oder andere MaiJderungen eingeführt werden können, wird vom Linsensystem 18 über das Prisma 19 und die voll verspiegelte Fläche 9 in die in Richtung 20 gelegene, nicht gezeichnete Feldblende des Olculars kontrastiert abgebildet. Die Brechzahl des Glases von Prisma 19 ist dabei unwesentlich. Prisma I9 kann auch durch eine andere verspiegelte Fläche ersetzt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft die Möglichkeit mit h Totalreflexionen mit Glasprismen niedrigerer Brechzahl auszukommen. Die Anordnung entspricht der in der Abbildung dargestellten, es werden jedoch die voll verspiegelte Fläche 9 durch eine dünne Luftschicht

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"S 0,01 mm und die totalreflektierenden Prismen S, 10, 13 und Ik durch Prismen aus Glas mit einer Brechzahl η £=1,554 ersetzt. Dann entsteht an jeder

C . 0
Fläche bei ^ = 45 Einfallswinkel eine Phasendifferenz von i/W 45°. Da jedoch die Einfalls eben en der reflektierenden Flächen der Prismen 9 und 10 gedreht sind, wird die nach 9 ordentliche bei 10 außerordentliche Komponente und umgekehrt, so daß sich die Phasendifferenzen gegenseitig aufheben. Diese Schwierigkeit läßt sich durch Einfügen einer polarisationsoptischen X/2- Platte beheben, da diese die Schwingungsrichtung um 90 dreht, so daß sich die bei Reflexion an den vier genannten Prismen entstehenden Phasendifferenzen addieren und im Pupillenbild wieder linear polarisiertes Licht entsteht.

Durch Variation der Anordnung der reflektierenden Elemente und der abbildenden Systeme sind weitere Varianten möglich. Insbesondere kann durch unterschiedliche Brechzahlen der totalreflektierenden Prismen eine Optimierung hinsichtlich der von Prisma zu Prisma sich ändernden Offnungswinkel der abbildenden Strahlenbündel erfolgen.

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Literaturverzeichnis

/1/ Gabler, F. u.R.Hitsche

/Ζ/ Beyer, H. u. Schöppe G.

/3/ Reichert C.

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"Mikroskop mit einerc für Durchlicht- und Aufliehtuntersuchungen eingerichteten Grundkörper" Oe-Pat. 314 222, Kl. 42h, 14-01, Int. Cl. G 02b 21/24 "Mikroskop mit einem für Durch— licht- und Auflichtuntersuchungen eingerichteten Grundkörper" Oe-Pat. 333 052, Kl. 42h, 012/02 Int. Cl. G 02b 021/13 Anm. 4. 4. 73

Optische Anordnung für Mikroskope"
Zeitschrift "Instrumentenkunde" 55 (1930) 11. 1, s. 1 "Ein Prisma für 90°-Ablenkung"

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Claims (5)

Pa ten tan spin cb

1. ZWischenabbi^^ingssysten zur Durchführung von Kontarast verfahr en bei MikxOskopen, das in den Strahlengang gebracht wird lind nit Hilfe reflektierender Elemente und der Abbildungsoptik zugängliche Zwischenbilder der Objektebene und der Objektivpupille erzeugt in denen für Heßzwecke verschiedene Strichfiguren angeordnet oder eingespiegelt werden können bzw, arts tauschbare Kontrastierungseleriente, wie Ph.asenplättchen und Ivollastonprisnen, vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Elemente und die Abbildungsoptik, die zur Durchführung des polarisationsoptischen J'ontrastverfahrens notwendige Bedingung erfüllt wird, daß das in der Objektivpupille linear polarisierte Licht wieder als angenähert linear polarisiertes Licht ir! Zwischenbild der Objektivpupille ankonn.it.

2. Zwischenabbildungssystem nach Punkt 1, dadttrch gekennzeichnet, daß zwischen Objektivpupille und dem Zwischenbild der Objektivpupille das Licht dreimal an Glasprismen der Brechzahl vn n-OiJj'totalreflektiert wird.

3. Zwischenabbildunssystem nach Anspruch? ,dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Objektivpupille und Zwischen bild der Objektivpupille das Licht viermal an Glasprismen der Brechzahl von n?=- 1,55^· totalreflektiert wird.

' Zwischenabbildungssysteiu nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehung der Polarisationsebene eine polarisationsoptische p. /2- Platte vorgesehen ist.

5. Zwischenabbildungssystem nach Anspruch 1 bis k, dadtirch gekennzeichnet, daß die Brechzahlen der totalreflektierenden Prismen unterschiedlich sind.

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