DE3224791A1

DE3224791A1 - Bildformendes optisches system

Info

Publication number: DE3224791A1
Application number: DE19823224791
Authority: DE
Inventors: Kimiaki Hachiouji Tokyo Yamamoto
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1981-07-06
Filing date: 1982-07-02
Publication date: 1983-01-20
Also published as: JPS587123A; FR2509055A1; FR2509055B1; GB2102981B; GB2102981A; JPH0381129B2; US4472023A

Description

PATENTANWALT Diptf?^.'"'RICHARD LUYKEN

■ - ·..- : . 2224791

oot 7835 2. ?, 1982 L/ho

Bildformendes optisches System Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein bildformendes optisches System für die Formung eines Bildes eines durch ein Hilfsbeleuchtungssystem beleuchteten Objekts, insbesondere auf ein bildformendes optisches System hoher Auflösung, das bezüglich der Güte der Bildformung verbessert ist.

Zur Erhöhung der Auflösung bei der Bildformung in einem bildformenden optischen System mit einem Objektiv unter Beleuchtung des Gegenstandes mittels eines Hilfsbeleuchtungssystems, wie beispielsweise bei einem Mikroskop IC Drucker oder Projektor sind die folgenden Methoden verwendet worden. Eine dieser Methoden besteht darin, daß die numerische Apertur (N.A.) groß gemacht wird, was beispielsweise bei Objektiven für Mikroskope angewendet wird. Im Laufe der Entwicklung über lange Zeit ist jedoch die numerische Apertur von Objektiven mittlerweile so groß, das sie nah an der Grenze liegt und es ist sehr schwierig, ein Objektiv mit einer höheren numerischen

Apertur anzugeben, als heute schon erreicht ist. Daher ist man bestrebt, nicht nur das bildformende optische System sondern auch das Beleuchtungssystem zu verbessern, da im allgemeinen das Auflösungsvermögen eines optischen Systems mit einem solchen optischen Hilfssystem von der Kohärenz des Beleuchtungslichtes abhängt und daher

eine Verbesserung des Beleuchtungsverfahrens zu einer Erhöhung der Auflösung beiträgt. Es ist ein Ring-Beleuchtungssystem bekannt, mit dem die Auflösung unter Benutzung dieser Tatsache erhöht wird. Dies ist ein Verfahren bei dem eine ringförmige ' Aper"fcurblende iⁿ einer Stellung angeordnet wird, in der normalerweise in einem Mikroskop od. dgl. eine

Aperturblende vorgesehen ist und diese wird zur Sekundärlichtquelle zur Beleuchtung eines Objektes.

Dieses King-Beleuchtungsverfahren erhöht allgemein die Empfindlichkeit für hohe Frequenzen, verringert aber die Empfindlichkeit für niedrige Frequenzen und damit den Kontrast des Bildes. Daher hat diese Methode den Nachteil, daß keine wesentliche Wirkung bei der Betrachtung einer Makrostruktur von einer Substanz mit niedrigem Kontrast, wie einem biologischen Objekt erzielt wird und daß es kaum möglich ist, ein Bild hoher Auflösung zu erzeugen.

Vom Erfinder ist schon ein optisches System hoher Auflösung vorgeschlagen, bei dem diese Nachteile vermieden sind (japanische Offenlegungsschrift 12615/1981).

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines hochauflösenden optischen Systems nach der Erfindung und

Fig. 2 und 3 Diagramme bezüglich der IntensitätS-Durchlaßgradverteilung eines Gegenstandes und der Bildcharakteristik eines Gegenstandes.

Das optische System hat den in Fig. 1 gezeigten Aufbau, bei dem eine ringförmige Aper-turblende 1 nahe der vorderen Brennebene einer Kondensorlinse 2 angeordnet und von der linken Seite-in der Zeichnungfc.beleuchtet ist durch eine Lichtquelle (nicht dargestellt), so daß die Apertur dieser Ringblende eine Sekundärlichtquelle zur Beleuchtung einer Objektfläche 3 durch die Kondensorlinse 2 darstellt. Ein ringförmigem Absorptionsfilter 5 ist in einer Stellung angeordnet, in der das Bild der Ringblende 1 durch das Licht erzeugt wird (nullte Brechung) das direkt in ein Objektiv 4- gelangt, ohne durch das Objekt gebeugt zu sein, (von dem Beleuchtungslicht, das so das Objekt beleuchtet hat\ so daß das Objektbild geformt werden kann an einer erwarteten bildformenden Oberfläche 6 durch das gebeugte Licht nullter Ordnung, das in geeigneter Weise durch diesen ringförmigen Absorptionsfilter 5 geschwächt ist und das gebeugte Licht 1-ster, 2-ter .... Ordnung. Wie sich daraus ergibt, wird bei einem optischen System eines solchen Aufbaus, eine hohe Empfindlichkeit vom Bereich niedriger Frequenz zu hoher Frequenz (Raumfrequenz) und die Bildung eines Bildes mit hoher Auflösung erreicht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches bildformendes System hoher Auflösung so weiter zu entwickeln, daß es bezüglich der Auflösung verbessert ist.

Dies wird erreicht durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale.

Erfindungsgemäß ist also eine ringförmige Äper-turblende nahe der vorderseitigen Brennebene einer Kondensorlinse und ein ringförmiges Filter vorgesehen, das einen Teil des gebeugten Lichtes nullter Ordnung absorbiert und in zur ringförmigen Aperturblende konjugierter Stellung in Bezug auf das optische System einschließlich Kondensor und Objektiv angeordnet ist, wo bei dem andere¹gebeugte¹Licht außer dem nullter Ordnung ein Phasenvorsprung θ ^ 2 tan φ gegeben ist, worin φ eine mittlere Phasendifferenz eines Objekts darstellt.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das ringförmige Filter so ausgebildet, daß es einen Phasenvorsprung von O ^ % für anderes Licht als dem nullter Ordnung gibt.

Das bildformende optische System nach der Erfindung ist einfach im Aufbau, hat ein höheres Auflösungsvermögen als die üblichen hochauflösenden optischen Systeme und ermöglicht es, Phasenobjekte zu beobachten.

Die Wirkung des erfindungsgemaßen bildformenden optischen Systems kann wie folgt erklärt werden.

Der Aufbau des optischen Systems ist ähnlich dem eines hochauflösenden optischen Systems, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Bei dem bisher verwendeten optischen System wurde ein Ringfilter verwendet, das die Aufgabe hatte, nur das Licht nullter Ordnung zu absorbieren und reduzieren während in dem erfindungsgemäßen optischen System das Filter neben der Absorption des Lichtes nullter Ordnung eine Phasenvariation hervorrufen soll, um eine höhere Auflösung zu erzielen.

Der Grund dafür kann wie folgt erklärt werden.

In dem in Fig. 1 gezeigten optischen System kann die Intensitätsverteilung I (v) des Objektbildes durch folgende Formel (1) wiedergegeben werden:

Kv) » //Τ(χ_1/χ₂)α(χ₁)3*(χ₂)βχρ(2πίν(χ₁-χ₂) IdX₁^dX₂ .....(D

In der oben erwähnten Formel (1) bezeichnet a (χ) ein ObjektSpektrum, * einen komplex konjugierten Wert und T(X., x*₂) kann durch die folgende Formel (2) angegeben werden:

T(XwX₂) - /s(q)p(q+x₁)p*(q+x₂)dq (2)

worin s(q) die Helligkeitsverteilung der Ringblende und p(q*) die Pupillenfunktion des Objektivs darstellt. Im übrigen ist die Charakteristik des Ringfilters als in p(q) enthalten anzusehen.

In den oben erwähnten Formeln (1) und (2) ist die zweidimensionale Anzeige durch einen Vektor dargestellt, sind die Koordinaten auf der Objekt- und Bildebene durch. Brechungseinheiten und die Koordinaten der Pupille so normiert wiedergegeben, daß der maximale Radius 1 betragen kann.[Wenn man nun die Charakteristik der Formel (1) im Raumfrequenzbereich betrachtet, ergibt sich bei einer Fouriertransformation die folgende Formel (5), wobei die Fouriertransformation durch ~ veranschaulicht wird:

'/T(x'+x,x"')ä(x'+x)ä*(x')dx· (3)

Wenn die Objektspektren Linien haben, werden sie durch folgende Formel (4) wiedergegeben:

ä(x) - 6(x) + b(x) (4)

Worino (x) eine Delta-Funktion darstellt, worauf sich die folgende Formel (5) ergibt:

I(x) - T(x,0)6(x)+b(x)T(x,0)+b*(-x)T(0,-x)

+ /T(x¹+x,x^I)b(x^l+x)b*(x')dx^l (5)

In dem Fall, daß/ b(x)/ klein ist und / b(x) / ²<& |b(x)i in

ver der obigen Formel 5 kann der vierte Ausdruck als nachlässigbar angesehen werden und daher ergibt sich aus der Formel (5) die folgende Formel (6):

ΐ(χ) - Τ(χ,0)δ(χ)+έ(χ)Τ(χ,0)+έ*(-χ)Τ(0,-κ) (6)

Das bedeutet, daß das optische System als vom Lineartyp angesehen werden kann.

Ein solches System gilt in dem Fall, daß ein kleines Objekt vor einem hellen Hintergrund oder dem Fall, daß ein großes Objekt in niedrigem Kontrast oder ein phasenkontrastarmes Objekt vorgesehen ist. In den meisten anderen Fällen, in denen im allgemeinen das Objekt vor einem hellen Hintergrund vorhanden ist, kann das System als annnähernd geltend angesehen werden.

Wenn nun die Helligkeitsverteilung der Ringblende und die

Pupillenfunktion des Objektivs symmetrisch zur optischen Achse sind, kann man die folgende Formel (7) aus der Formel (2) erhalten.

T(O,-x) - T*(x,0) (7)

JS

Weiterhin kann diese Amplitudenverteilung a(u) des Objekts wie folgt geschrieben werden, wenn man die Phase <J(u) als klein betrachtet.

atf) = U+ctf) }β^ί

* l+c(u)+ig(u)

Wenn nun die Formeln (7), (9) und (10) in die Formel (6) eingesetzt wird, ergibt sich die folgende Formel!

und es gilt

b(x) - c(x)+ig(x) ·

bM-x) = 3(X)Xg(X) ...·· ⁽¹⁰⁾

T(x,0)6(x)+2c(x)ReT(x,0)-2g(x)ImT(xV0)

worin Re und Im Operatoren sind, die jeweils den Realteil bzw. Imaginärteil darstellen.

- 9 Nebenbei haben in der Formel (8)

g(u) - il+c(u)}<t>(G) (12)

und c(u) nur einen Wert im Bereich, in dem ein Objekt vorhanden ist und es sich um ein kleines Objekt bei
hellem Hintergrund handelte

für ändere Bereiche als oben.

Wenn man die Charakteristiken eines Objekts wie eines Mikroskop-Präparates betrachtet, kann man nicht davon ausgehen, daß das Objekt den gleichen Brechungsindex als seine Umgebung besitzt und es ist im allgemeinen so, daß, wenn ein helles und dunkles Objekt (Amplituden objekt) klein ist, es gegenüber der Umgebung Phasendifferenz besitzt. Weiterhin ist es allgemein so, daß es gegenüber der Phase der Umgebung verzögert.

Wenn nun die Phase des Objekts angenommen wird mit
(u) = -£' = konstant und ImT(O₁O) = 0 kann die Formel (11) in die folgende Formel (14) transformiert werden.

T(x,0)6(x)+2c(x) [ReT(x,0)+<i>'ImT(x,0) ] (14)

Hierbei ist I(x) eine Fourier-Transformation der
Intensitätsverteilung I(v) des Bildes und der Spektrum-

JBildes
Verteilung des^im Raumfrequenzbereichs. Wenn weiter in Betracht gezogen wird, daß<f (x)+2c(x) das Spektrum der Intensitätsverteilung des Objekts in einem solchen linearen System darstellt, wenn R(x) = ReT(x,0)+^'ImT(x,0) geeignet formiert wird, wird dies ähnlich der Wiedergabefunktion.

Daher wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn das Ringfilter für hochauflösende Mikroskope eine Charakteristik hat, bei der das durch die folgende Formel (15) gegebene R(x) größer wird.

R(x) « ReT(X,0)+φΊπιΤ(χ,0)

In dieser Formel (15) wird ImT(x,0) im zweiten Ausdruck 0, wenn das Filter kdne Phasenverschiebung liefert, hat aber einen Wert, wenn eine Phasenverschiebung erfolgt. Daher schwächt das Ringfilter nicht nur die Intensität des gebeugten Lichtes nullter Ordnung, sondern liefert auch eine Phasenverschiebung, die als besonders wirksam in hochauflösenden Mikroskopen angesehen wird. Nebenbei gesagt, ergibt sich bei einem die Phase verzögernden Objekt p(\i) = -φ' und daher wird entsprechend Formel (15) wenn ΙηιΤ(χ,Ο) positiv ist, R(x) größer. Andererseits wird für ein die Phase beschleunigendes Objekt, wenn ImT(x,0) negativ ist, R(x) größer. Daher kann diese Phasenverschiebungsgröße so vorgegeben werden, daß,bei Phasen -——verzögerung des Objekts, die Phase des Lichts nullter Ordnung beschleunigt und bei der Phasenbeschleunigung durch das Objekt - was kaum der Fall ist die Phase des Lichts nullter Ordnung verzögert wird.

Nun sei als ein Beispiel der Fall betrachtet, daß ein Ringfilter von großem Transmissionskoeffizienten und unendlich kleiner Veite an der äußersten Randseite der Pupille einer Linse angeordnet ist.

Wennj .

(in einem solchen Fall R(x) der Formel (15) unter Beachtung der Formel (2) bestimmt und R'(x) erhalten

wird durch in Beziehung setzen dieses R(?) mit T(O,0) 2

ergibt sich folgendes, wenn die Raumfrequenz

χ gleich χ 4= 0 ist,

R'(|x|) - —-Y-(cos0+<t>'sin6) (16)

η ' —1 IX* I
worin p » cos *-i^- .

Daher wird, verglichen mit dem Fall θ» 0, in dem keine Phasenverschiebung gegeben ist, im Fall einer solchen Phasenverschiebung wie in den\ folgenden mit dem " .· Ringfilter dem Fall gegenüber überlegen sein, in dem das Ringfilter keine Phasenverschiebung ergibt.

1 < σοβθ+φ'είηθ „ (17)

Diese Formel (17) gilt wenn θ<2 tan" ^¹.

In den Fig. 2 und 3 ist diese Tatsache durch Simulation identifiziert.

In Fig. 3 werden zwei kleine scheibenförmige Objekte mit einem solchen Intensitäts-Transmissionskoeffizienten

wie in Fig. 2 und verzögert in Phase um Ο,ίΤνοη der Peripherie angenommen und die erhaltene Bildcharakteristik wenn ein Ringfilter geringer Weite und mit einem Intensitätstransmissionskoeffizienten von 0,3 an der Randseite einer Linsenpupille angeordnet ist, ist für drei in der Phasenverschiebung B verschiedene Filter berechnet.

Die Berechnung wurde unter Verwendung der Formel (1) durchgeführt. In Fig. 3 ist die Kurve B im Falle von Φ =■ O (keine Phasenverschiebung) , die Kurve 0 für den Fall£ =7Z"/6 und die Kurve D für den Fall β »7Γ/3 angegeben. Die Kurve A gilt für den Fall, daß kein Ringfilter verwendet worden ist und zeigt die Bildcharakteristik von bloßer Ringbeleuchtung zur Information.

Wie sich aus Fig. 3 ergibt, ist in einem hochauflösenden Mikroskop unter Verwendung eines Ringfilters die Kurve C wo eine Phasenverschiebung in geeigneter Weise gegeben ist, so im Kontrast als auch in der Auflösung der Kurve B überlegen, bei der keine Phasenverschiebung gegeben ist. Das bedeutet, daß bei den dargestellten Beispielen der Fall mit# ="^"/6 der Beste ist. Die Phase eines Objekts ist bei ,jedem Objekt verschieden und daher ist der wünschenswerte Wert auch verschieden.θ sollte lieber klein sein.Ißj S- t, ^^s^ ^^m allgemeinen vorteilhaft.

Wie vorstehend erläutert, sollte daher klar sein, daß für den Fall, daß ein Objekt eine Phase besitzt, das Ringfilter besser nicht nur Absorption sondern auch eine geeignete Größe der Phasenverschiebung bei einem hochauflösenden Mikroskop besitzen sollte. Dies kann als praktisch hervorragend gelten, aus dem nachstehend erläuterten Grund.

Es sei nun der Fall betrachtet, daß das Bild des Phasen objekts eine Hell-Dunkel-Struktur aufweist und nur eine kleine Phasenvariation.

In diesem Fall wird c(u) = 0 in der Formel (8) und g(u) =» p (u) in der Formel (12) und daher werden die Formeln (9) und (10)

b(x) = ii(x) und b*(-x) = χφ(χ).

Wenn diese Formeln in die Formel (6) eingesetzt werden, ergibt sich folgende Formel

Τ(χ,Ο)<5(χ)-2φ(£)ΙΐηΤ(χ,Ο) (18)

Das bedeutet, das wenn ImT(x,0) einen von 0 abweichenden Wert besitzt, das Phasenobjekt sichtbar gemacht werden kann.

Um ImT(x,0) zu einem Maximum zu machen, kann dem Ringfilter eine Phasenverschiebung von0=T/2 gegeben werden aber dies ist selbst ein Phasenkontrastmikroskop. Selbst wenn für & nicht gilt-ö ="#/2, wenn vielmehr nur eine kleine Phasenverschiebung vorhanden ist, besitzt ImT(x,0) der Formel (18) einen Wert. Daher ergeben sich

erfindungsgemäß, wenn solch ein Ringfilter, das eine vorgegebene Größe der Phasenverschiebung liefert, in einem hochauflösenden Mikroskopobjektiv der Ausbildung wie in Fig. 1 verwendet wird, als Vorteile nicht nur eine hohe Auflösung für ein Amplitudenobjekt sondern auch die Struktur eines PhasenObjekts, die ohne Phasenverschiebung nicht gesehen würde, kann betrachtet werden.

L e θ r s e i t e

Claims

PATENTANWALT Dipi.-Pbys. RECHARD LUYKEN

OLYMPUS OPTICAL GO., LTD.' oot 7855

Hatagaya 2-43-2, Shibuya-ku, 2. ψ. 1§82

Tokyo-to, Japan L/ho

Bildformendes optisches System

Pat ent anspruche

Hochauflösendes optisches System mit einer ringförmigen Aperturblende (1) nahe der frontseitigen Brennebene einer Kondensorlinse (2) und mit einem Ringfilter in konjugierter Stellung zur ringförmigen

Aper-turblende in Bezug auf das optische System einschließlich Kondensorlinse und Objektiv, das einen Teil des gebeugten Lichtes nullter Ordnung absorbiert, dadurch gekennzeichnet , daß das ringförmige Filter (5) so ausgebildet ist, daß es Licht anderer Ordnung als nullter Ordnung einen Phasenvorsprung vonÖ^. 2 tan" f> , worin ρ eine mittlere Phase des Objekts darstellt, erteilt.
2. Hochauflösendes optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das ringförmige Filter so ausgebildet ist, daß es ein Thasenvorsprung von&^.Ύ dem gebeugten Licht anderer Ordnung als der nullten erteilt.