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Mikroskop mit hohem Auflösungsvermögen
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Die Erfindung bezieht-sich auf ein Mikroskop mit hohem Auflösungsvermögen.
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Obwohl das Auflösungsvermögen eines Mikroskops gesteigert werden kann,
wenn die numerische Apertur des Objektivs groß gemacht wird, ist es schwierig, das
Auflösungsvermögen weiter zu steigern, da die numerische Apertur der zur Zeit erhältlichen
Objektive schon fast den Grenzwert' erreicht hat. Das Auflösungsvermögen eines optischen
Systems' beisoielsweise eines Mikroskops, das ein Beleuchtungssystem besitzt, ist
in großem Maße ebenso von den Beleuchtungsverfahren wie von der numerischen Apertur
des Objektivs beeinflußt. Dies liegt daran, daß das Auflösungsvermögen von dem Kohärenzgrad
des Beleuchtungslichtes abhängt. Es ist ein Ringbeleuchtungsverfahren als eines
der hohe Auf lösung anstrebenden Abbildungsverfahren unter Verwendung dieses Phänomens
bekannt. Dieses Beleuchtungsverfahren ist ein Verfahren, bei dem ein Objekt mittels
Licht beleuchtet wird,
das von einer ringförmigen Sekundärlichtquelle
ausgeht, die an der Blende des Kondensors angeordnet ist. Diese;Ringbeleuchtungsverfahren
erhöht auf der einen Seite im allgemeinen die Empfindlichkeit für hohe Frequenz,
verringert andererseits die Empfindlichkeit für niedrige Frequenz und verursacht
damit eine Verschlechterung des Bildkontrastes. Daher kann ein solches Ringbeleuchtungsverfahren
nicht als wirksam für die Betrachtung von Feinstrukturobjekten mit geringem Kontrast,
wie biologischen Organismen, angesehen werden und dies Verfahren hat weiter den
Nachteil, daß ein besonders hoch aufgelöstes Bild nicht erzielt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung dieser
Nachteile,die bei den üblichen Mikroskopen vorhanden sind, ein hochauflösendes Mikroskop
anzugeben, bei dem ein hoher Kontrast und ein hohes Auflösungsvermögen mittels einer
hohen Empfindlichkeit vom Bereich niedriger Frequenz zu hoher Frequenz erreicht
werden kann.
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Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten
Merkmale.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 schematisch den Aufbau
eines Mikroskops nach der Erfindung, Fig. 2 die Frequenzcharakteristik von optischen
Systemen einschließlich des Mikroskops nach der Erfindung, Fig. 3 die Intensitätsverteilungen
der durch die verschiedenen optischen Systeme erzeugten Bilder für den Fall zweier
punktförmiger, dicht nebeneinander angeordneter Objekte, Fig. 4 das Verhältnis zwischen
dem ringförmigen Filter und der Pupille des Objektivs und des gebeugten Lichts.
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Das erfindungsgemäße Mikroskop, wie es in Fig. 1 dargestellt ist,
besitzt eine Ringblende 1 mit einem Ringschlitz ia, die nahe oder am vorderen Brennpunkt
eines Kondensors 2 angeordnet ist, von dem Licht auf eine Objektfläche 3 gerichtet
wird, das in ein Objektiv 4 gelangt, wobei erfindungsgemäß ein Ringfilter 5 vorgesehen
ist, der einen geeigneten Absorptionskoeffizienten besitzt, um das gebeugte Licht
nullter Ordnung ( das konjugierte Bild der Ringschlitzblende ) zu verringern, d.h.
gebeugtes Licht vom Objekt an dem konjugierten Punkt der Ringschlitzblende 1. In
einem optischen System, das einen derartigen Aufbau besitzt, durchläuft das Beleuchtungslicht
von einer Lichtquelle ( nicht gezeigt ) die Ringschlitzblende 1 und beleuchtet das
Objekt mittels des Kondensors 2. Das Objekt wird auf einer Bildfläche 6 mittels
des Objektivs 4 abgebildet. Gleichzeitig erreicht das gebeugte Licht nullter Ordnung
von dem Objekt die Bildfläche, nachdem
es durch den ringförmigen
Filter in geeigneter Weise geschwächt ist.
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Die Abbildungseigenschaften für das von dem optischen System geformte
Bild werden nachstehend näher erläutert. Wenn das Objekt, wie in Fig. 1 gezeigt,
durch den Kondensor beleuchtet ist, ist es unmöglich, die optische Ubertragungsfunktion
( OTF ) zu berechnen, da das Beleuchtungslicht ein teilweise kohärentes Licht ist
und die Ubertragungsfunktion nur in normalen inkohärenten optischen Systemen berechnet
werden kann. Wenn jedoch die bildformenden Eigenschaften für eine periodische Struktur
betrachtet werden, ist es möglich, Charakteristiken, die der optischen Ubertragungsfuktion
entsprechen, zu berechnen und die Charakteristik des optischen Systems in dem Frequenzbereich
festzustellen. Wenn man annimmt, daß ein Objekt, dessen Amplitudenübertragungsfaktor
durch a(x,y) = 1 + cos 2 # fx gegeben ist, in der Objektebene 3 in Fig. 1 angeordnet
ist, dann kann die Intensitätsverteilung des Bildes auf der Bildfläche unter Verwendung
der Hopkin'schen Abbildungsformel wie folgt berechnet werden I(x', y') = I0 + I1
cos2 #fx' + I2cos2 #fx' worin Io - Js (u,v) p (u,v) ph (u,v) dudv + 1/2 Js (u,v)
p (u + f,v) p* (u + f , v )dudv 11=2J5 (u,v) p (u + f, v) p* (u,v) dudv I2= js (u,v)
p (u + f, v) p* (u-f,v) dudv
worin s (u,v) die Intensitätsübertragung
der Blende, p (u,v) die Pupillenfunktion des Objektivs und * jeweils einen konjugiert
komplexen Ausdruck bezeichnen.
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Wenn man annimmt, daß f in Gleichung (1) ein Parameter ist, der die
Raumfrequenz darstellt, kann die der optischen Ubertraqunqsfunktion entsprechende
Charakteristik durch Ermittlung - bestimmt werden der Werte von I1 (f)/Ig und 12
(f)/I Obwohl I2 (f)/Ig davon auch die der optischen Ubertragungsfunktion entsprechende
Charakteristik darstellt, ist ihr Beitrag zur Bildformung geringer als der von I1
(f)/Ig und daher ist es ausreichend, wenn I1 (f)/Ig bei der Untersuchung des optischen
Systems in Betracht gezogen wird. Fig. 2 zeigt das Frequenzverhalten des optischen
Systems, das mit den zuvor erläuterten Schritten unter der Annahme erhalten worden
ist, daß im optischen System keine Aberrationen vorhanden sind. In dieser grafischen
Darstellung verkörpert die Kurve a die Bildcharakteristik bei inkohärenter Beleuchtung
und entspricht einer üblichen Modulationsübertragungsfunktion (MTF). Die Kurve b
zeigt die Frequenzabhängigkeit, wenn das Objekt beleuchtet wird unter Verwendung
einer Ringschlitzblende mit sehr engem Schlitz. Die Kurve c zeigt die Frequenzabhängigkeit,
die mit einem Mikroskop, das von der vorliegenden Erfindung Gebrauch macht, erhalten
wird und zwar sind es im vorliegenden Falle Ergebnisse, die erhalten wurden, wenn
die Amplitudenübertragung des Ringfilters für
das gebeugte Licht
nullter Ordnung einem Absorptionsfilter mit o,5 Amplitudendurchlaßgrad entspricht.
Wenn die Ringschlitzblende und das Ringfilter mit Amplitudendurchlaßgraden von o,5
in erfindungsgemäßen Mikroskopen verwendet werden, zeigt sich, daß die Frequenzcharakteristik
vom Bereich niedriger Frequenz zum Bereich hoher Frequenz über der liegt von Mikroskopen,
die mit inkohärenter Beleuchtungsvorrichtung oder nur mit Ringschlitzbeleuchtungsvorrichtung
versehen sind.
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Fig. 3 zeigt die im Mikroskop nach der vorliegenden Erfindung auftretenden
Effekte und erläutert die Intensitätsverteilungen der Bilder, wenn die Bilder von
zwei kleinen Objektpunkten mit o,2 Kontrast eng nebeneinander angeordnet erhalten
und unter den den Kurven a,b und c in Fig. 2 entsprechenden Bedingungen abgebildet
werden. Wie sich klar aus dieser Darstellung ergibt, liefert die Kurve c,bei der
von der vorliegenden Erfindung Gebrauch gemacht ist,die besten Kontrasteigenschaften
im Bild.
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Das Optimum des Amplitudendurchlaßgrades liegt bei ungefähr o,5 für
ein Objekt mit hohem Kontrast, wie mit Kontrast 1. Es ist jedoch auch noch sehr
wirksam für ein Objekt mit niedrigem Kontrast, wie in Fig. 3 gezeigt, es ist jedoch
günstiger, wenndann der Amplitudendurchlaßgrad geringer ist. Da der optimale Durchlaßgrad
von parametern, wie den Abmessungen des Objekts über dessen Kontrast hinaus, abhängt,
kann ein allgemein geeigneter Wert nicht ohne weiteres angegeben werden. Es ist
jedoch eine Tendenz gegeben, daß für Objekte mit niedrigem Kontrast ein
Filter
mit niedrigem Durchlaßgrad vorteilhafter ist. Wie in Fig. 4(A)gezeigt, kann ein
hochaufgelöstes Bild erreicht werden, wenn das Bild der Ringschlitzblende oberhalb
des Umfangsabschnitts der Pupille des Objektivs erzeugt wird und das Ringfilter
so angeordnet ist, daß es das Bild an der Pupille des Objektivs abdeckt. Der Grund
dafür ist, daß das Beugungslicht 1 einen Bereich durchläuft, der außerordentlich
nahe zum Rand der Pupille verläuft, wenn das Ringfilter über dem Umfangsabschnitt
der Pupille der Linse angeordnet ist. Dementsprechend trägt, da der Abstand von
dem gebeugten Licht nullter Ordnung zum gegenüberliegenden Rand der Pupille weiter
ist als der bei dem in Fig. 4 (B) gezeigten Ausführungsbeispiel, das gebeugte Licht
1' höherer Ordnung zur Bilderzeugung bei, wodurch ein klares und schärferes Biid
geliefert wird.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines Durchlichtmikroskops
erläutert wurde, kann sie auch bei Auflichtmikroskopen, wie Mikroskopen für metallurgische
Zwecke, in ähnlicher Anordnung verwendet werden. Dabei sei auch hervorgehoben, daß
beispielsweise zur Verhinderung von Geisterbildern ein Ringfilter mit Antireflexeigenschaften
besonders vorteilhaft ist.
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Wie sich aus den vorstehenden Darlegungen ergibt, ist es mit dem erfindungsgemäßen
Mikroskop möglich, ein Bild mit hoher Auflösung und hohem Kontrast nur durch Anordnung
einer Ringblende und eines Ringfilters mit geringem Durchlaßgrad zu erhalten.
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L e e r s e i t e