DE3026387A1 - Mikroskop mit hohem aufloesungsvermoegen - Google Patents

Mikroskop mit hohem aufloesungsvermoegen

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DE3026387A1
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annular
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slit
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Application number
DE19803026387
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English (en)
Inventor
Kimiaki Yamamoto
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)

Description

  • Mikroskop mit hohem Auflösungsvermögen
  • Die Erfindung bezieht-sich auf ein Mikroskop mit hohem Auflösungsvermögen.
  • 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.
  • 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.
  • Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • L e e r s e i t e

Claims (1)

  1. Patentanspruch Hochauflösendes Mikroskop mit einem Kondensor, einer nahe am vorderen Brennpunkt des Kondensors gelegenen Ringschlitzblende, einem Objektiv zur Erzeugung eines Bildes des von dem Beleuchtungslicht, das die Ringschlitzblende und den Kondensor durchläuft, beleuchteten Objekts, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Ringfilter an der Stelle angeordnet ist, an der das Bild der Ringschlitzblende von dem Kondensor und dem Objektiv erzeugt wird und daß das Filter so ausgebildet ist, daß ein Teil des Beugungslichtes nullter Ordnung von dem Objekt ausgefiltert wird.
DE19803026387 1979-07-12 1980-07-11 Mikroskop mit hohem aufloesungsvermoegen Pending DE3026387A1 (de)

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