DE3751148T2 - Vorrichtung zur relativen erhöhung der tiefenschärfe und verbesserung des auflösungsvermögens bei vergrössernden systemen, insbesondere für mikroskope. - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur relativen Erhöhung der Tiefenschärfe und zur Verbesserung des Auflösungsvermögen bei vergrössernden Systemen, insbesondere für Mikroskope.
Stand der Technik
• In der technischen Praxis, aber auch auf anderen Gebieten wie beispielsweise auf medizinischem und biologischern Gebiet, sind Erhöhung der Tiefenschärfe und Verbesserung des Auflösungsvermögens bei vergrössernden Systemen, insbesondere für Mikroskope, immer noch zu lösende Aufgaben. Die DE-B-11 11 845 betrifft zum Beispiel das Verhindern von entoptischen und dioptrischen Störungen bei starken Vergrösserungen.
• Zum Einstellen der Bildebene oder im Fall einer Abbildung im Verhältnis 1:1 wurden bestenfalls mattierte Glasscheiben verwendet. In diesen Fällen sind die mattierten Glasscheiben fixiert, da deren eventuelle Verschiebung keine wesentliche Verbesserung der Bildqualität liefert.
• Im Laufe unserer Experimente hat sich herausgestellt, dass beim Abbilden kleiner Objekte mittels starker Vergrösserung, das heisst im Fall eines mikroskopischen Systems, eine solche Wirkung bereits erscheint. Bei dieser Art von Vergrösserung stellt - unter anderem - die geringe Tiefenschärfe die Grenze der Eeststellbarkeit dar. Wir ermittelten, dass beim Verwenden der mattierten Glasscheiben und beim Bewegen derselben in der Bildebene ein Bild mit besserer Tiefenschärfe und reichhaltigeren Details erhalten werden konnte, das heisst, dass auf diese Art sowohl die Tiefenschärfe als auch der Vergrösserungsgrad erhöhte werden konnte, und demzufolge kann die Anwendbarkeit der zurzeit verwendeten Nikroskope vergrössert werden.
Offenbarung der Erfindung
• Ziel der Erfindung ist, dass das vom Objektiv eines optischen oder physikalischen kompositen vergrössernden Systems hergestellte Bild reichhaltigere Details aufweisen sollte, und dass die grösste Tiefenschärfe erreicht werden kann.
• Nach der Erfindung wird die gestellte Aufgabe durch die Kombination der Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
• Die Bewegung der Scheibe kann entlang irgendeinem gleichmässigen oder ungleichmässigen Weg erfolgen. Eine Bewegung entlang einem kreisförmigen Weg scheint am zweckmässigsten zu sein.
• Im einfachsten Fall kann die Scheibe eine mattierte Glasscheibe sein, wenn jedoch feste Partikel in einer Flüssigkeit verteilt sind - das heisst bei Suspensionen -, oder wenn flüssige Partikel in einer Flüssigkeit verteilt sind - das heisst bei Emulsionen -, oder wenn Gasblasen in einer Flüssigkeit verteilt sind - das heisst bei Schäumen -, oder wenn flüssige Tropfen in einem Gas verteilt sind - das heisst bei Aerosolen, das heisst bei Verteilungssystemen, können im weiteren gelartige Lösungen mit Erfolg als Scheibe verwendet werden. Weiter können auch matte Oberflächen von transparenten festen Materialien verwendet werden, die einen anderen Brechungsindex haben als das Medium, in das es plaziert ist (theoretisch ist ein Vakuum ebenfalls ein "Medium mit einem anderen Brechungsindex"). Als Scheibe kann die matte Oberfläche eines opaken Materials verwendet werden, wobei primäre und sekundäre optische Systeme auf der gleichen Seite der Scheibe angeordnet sind, auf der Seite, die der matten Oberfläche entspricht, wobei optische Fasern, in einem transparenten festen Material verteilte Gasblasen, feste Körner, in einem Gas verteilte flüssige Tropfen oder feste Partikel, beispielsweise Rauch, ebenfalls in Betracht gezogen werden können.
• Diese Scheiben sind in Bewegung, wobei diese Bewegung - wie bereits vorher erwähnt - auf irgendeinem gleichmässigen oder ungleichmässigen Weg stattfinden kann. Neben diesen Bewegungen, die auf gleichmässigen oder ungleichmässigen Wegen oder mit diesen sogar simultan stattfinden, sind auch andere Bewegungen möglich, so zum Beispiel eine Drehbewegung um die eigene Drehachse, eine alternierende Bewegung mit ungleichmässig verändernder Geschwindigkeit entlang einer Geraden, die parallel zur optischen Achse der Vorrichtung verläuft bzw. mit dieser einen Winkel bildet.
• Innerhalb der Scheibe bewegen sich die Partikel, die im Medium verteilt sind, das einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als derjenige der Partikel, nicht oder nur in geringem Ausmass in bezug zum Medium mit dem in gewissen Fällen anderen Brechungsindex, während in anderen Fällen ein beträchtlicher Materialfluss innerhalb der Scheibe festgestellt werden kann, wobei nebenbei in der Scheibe die im Medium zerstreuten Partikel, die einen anderen Brechungsindex aufweisen als das Medium, sogar in der Lage sind zu lumineszieren.
• Die unabhängigen Partikel, die beim Aufbau der Scheibe beteiligt sind, können Lumineszenz hervorrufen, wenn sich ihr Brechungsindex nicht von demjenigen des Mediums unterscheidet, in dem sie verteilt sind.
• Im Fall der Vorrichtung nach der Erfindung kann zum Erzeugen des Bildes des Objekts praktisch irgendein Beleuchtungssystem benutzt werden, bei dem sich die Wellenlänge von der Wellenlänge des sichtbaren Lichts unterscheidet, oder das eine elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge emittiert, die der Wellenlänge des sichtbaren Lichts entspricht, oder sogar ein Beleuchtungssystem, das Elektronenstrahlung emittiert.
• Die Anwendung irgendeines Beleuchtungssystems wahlfreier Anzahl, Anordnung, das in irgendeiner wahlfreien Kombination betätigt wird, ist erlaubt, um das Objekt in einem wahlfreien Winkel zu beleuchten, umso mehr, als diese in einer wahlfreien Kombination und gleichzeitig bedient werden können.
• Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung ist mit einem stroboskopischen Beleuchtungssystem versehen. In der Vorrichtung nach der Erfindung können die Möglichkeiten der Beleuchtung des zu testenden Objekts innerhalb breiter Grenzen variiert werden: so kann zum Beispiel die Beleuchtung durch eine Schicht stattfinden, die aus Partikeln bestehen, welche in einem Medium verteilt sind, das einen anderen Brechungsindex aufweist als irgendeine Scheibe, während diese Scheibe im Strahlengang im Bereich zwischen dem Kondensor und dem Objekt angeordnet ist und sich die Schicht auf einem gleichmässigen oder ungleichmässigen Weg bewegen kann.
• Falls eine Scheibe verwendet wird, die aus einem opaken Material hergestellt ist, wird die Beleuchtung mittels des von der matten Oberfläche reflektierten Strahls realisiert; in diesem Fall ist die matte Oberfläche - die entweder stationär ist oder sich bewegt - im Strahlengang zwischen dem Kondensor und dem Objekt angeordnet, während das Beleuchtungssystem auf der gleichen Seite der matten Oberfläche angeordnet ist wie das Objekt.
• Bei einer anderen bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Beleuchtung - unter Verwendung irgendeiner der vorerwähnten Scheiben - durch die Schicht realisiert, die aus Partikeln besteht, die in einem Medium mit einem anderen Brechungsindex verteilt worden sind, während die Scheibe im Strahlengang gefunden werden kann, und zwar im Bereich zwischen der Licht- bzw. Strahlenquelle und dem Kondensor, und wobei die Schicht stationär sein oder sich bewegen kann.
• Im Fall, dass eine mattierte Glasscheibe als Scheibe verwendet wird, wird die Beleuchtung durch diese mattierte Glasscheibe realisiert, und in diesem Fall befindet sich die mattierte Glasscheibe im Strahlengang zwischen der Licht- bzw. Strahlungsquelle und dem Kondensor und bewegt sich dort auf einem regelmässigen oder unregelmässigen Weg, zweckmässigerweise auf einem regelmässigen kreisförmigen Weg, und kann simultan zu dieser Bewegung eine Drehbewegung in wahlfreier Geschwindigkeit um ihre eigene Drehachse ausführen.
• Bei einer anderen bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Beleuchtung mit einem Strahl realisiert, der von der matten Oberfläche einer Scheibe aus opakem Material reflektiert wird, wobei die matte Oberfläche im Strahlengang der Vorrichtung liegt, und zwar im Abschnitt zwischen der Licht- bzw. Strahlungsguelle und dem Kondensor, und entweder stationär ist oder sich bewegt.
• Bei der bevorzugten Ausführungen der Erfindung ist das Strahlenbündel in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet, das das Strahlenbündel teilweise oder vollständig umgibt. In den Strahlengang der Vorrichtung - nach der Erfindung - in irgendeinem Abschnitt von dieser, können irgendwelche optische Elemente in irgendeiner wahlfreien Anzahl, Kombination oder geometrischen Anordnung eingesetzt sein, so ein Spiegel, eine Linse, ein Prisma, eine zur Ebene parallele Platte, eine Faseroptik, ein Filter, eine Polarisiation, Phasen- und Interferenzkontrastmittel usw.
• Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung sind in irgendeinem wahlfreien Abschnitt des Strahlengangs der Vorrichtung Stroboskope in irgendeiner wahlfreien Anzahl und Anordnung plaziert.
• Bei der Vorrichtung nach der Erfindung zum Produzieren des räumlichen Bildes des Objekts weist das optische System zwei primäre Vergrösserungsgläser auf, die auf der Scheibe je ein Bild des Objekts unter verschiedenen Winkeln erzeugen, weiter zwei sekundäre Vergrösserungsgläser, von denen jedes diese Bilder isoliert in die beiden Augen des Beobachters projizieren.
• Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung der Vorrichtung nach der Erfindung führen die eingebauten Objektive - primäres, sekundäres usw. - eine wahlfreie alternierende Bewegung aus, jede separat, unindirekt mit der optischen Achse und ebenfalls mit dieser zusammen, mit gleichmässiger oder ungleichmässiger Beschleunigung bzw. Geschwindigkeit.
• Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung sind im Strahlengang entlang der optischen Achse mehr als zwei Vergrösserungsgläser angeordnet, wobei das Bild, das vom sekundären Vergrösserungsglas erzeugt worden ist, auf eine weitere Scheibe projiziert und von einem dritten - einem tertiären -Vergrösserungsglas vergrössert wird, dass heisst, dieser Vorgang wird auf weiteren Scheiben wiederholt, und wenn eine Vielzahl von Scheiben verwendet wird, und wenn mindestens eine Scheibe in Bewegung versetzt wird, sind die anderen Scheiben entweder stationär oder bewegen sich in einer wahlfreien Kombination.
• Bei allen Ausführungen der Vorrichtung nach der Erfindung ist jedes einzelne optische und mechanische Strukturelement, das am Aufbau der Vorrichtung beteiligt ist, derart angeordnet, dass eine Bewegung in bezug zueinander entlang irgendeinem wahlfreien gleichmässigen oder ungleichmässigen Weg mit irgendeiner wahlfreien Geschwindigkeit und wahlweisen Kombination möglich ist, während das getestete Objekt derart angeordnet ist, dass es mit einer wahlfreien Geschwindigkeit einem wahlfreien gleichmässigen oder ungleichmässigen Weg entlang bewegt werden könnte.
• In irgendeinem Abschnitt des Strahlengangs der bevorzugten Ausführungen der Vorrichtung nach der Erfindung werden eine Photokamera, Videokamera oder irgendeine andere strahlungsempfindliche Schicht, Transducer angeordnet, wobei diese Vorrichtungen entlang irgendeinem wahlfreien Weg verschiebbar sind.
• In Uebereinstimmung mit einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Scheibe von der matten Oberfläche zweier transparenter fester Materialien gebildet, wobei in diesem Fall die matten Oberflächen der zwei transparenten festen Materialien aufeinander und einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei sie stationär sind oder sich in bezug zueinander auf irgendeinem gleichmässigen oder ungleichmässigen Weg bewegen, und zwischen den zwei Oberflächen - ohne die Bewegung der bilderbildenden Schicht zu verhindern - kann ein Material vorhanden sein mit einem Brechungsindex, der sich von demjenigen der Partikel der matten Oberfläche unterscheidet, wobei dieses Material entweder eine Flüssigkeit, ein Gas, ein Vakuum oder irgendein festes oder andersartiges Material sein kann.
• Wie bereits erwähnt, kann eine Vielfalt von Scheiben verwendet werden, der Einfachheit halber wird im weiteren jedoch bloss auf eine mattierte Glasscheibe verwiesen.
• Die gekörnte Oberfläche der mattierten Glasscheibe bewegt sich in der Bildebene der ersten - primären - Vergrösserungsstufe des kompositen vergrössernden Systems, während die vom Objekt herkommenden Strahlen von einem einfachen oder kompositen Vergrösserungsglas - im weiteren primäres Vergrösserungsglas genannt - auf die körnige Oberfläche der mattierten Glasscheibe projiziert werden, wodurch das Bild in der Ebene der Partikel erzeugt wird, das heisst die Bildebene des primären Vergrösserungsglases koinzidiert mit der körnigen Oberfläche der mattierten Glasscheibe.
• Dieses Bild wird von einem anderen einfachen oder kompositen Vergrösserungsglas - im weiteren sekundäres Vergrösserungsglas genannt - vergrössert, was bedeutet, dass die Objektebene des sekundären Vergrösserungsglases mit der körnigen Schicht der mattierten Glasscheibe koinzidiert. Wie bereits erwähnt bewegt sich die mattierte Glasscheibe im Laufe der Bildbildung einem gleichmässigen oder ungleichmässigen Weg entlang. Bis heute ist noch kein Beispiel bekannt, bei dem sich die mattierte Glasscheibe in der Bildebene bewegen kann, um ein Bild zu erhalten, das reicher an Details ist und eine erhöhte Tiefenschärfe aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
• Die Erfindung wird im weiteren durch eine beispielhafte bevorzugte Ausführung beschrieben, und zwar anhand der begleitenden Zeichnung, welche die Seitenansicht der schematischen Anordnung der Vorrichtung nach der Erfindung zeigt.
Die beste Durchführungsart der Erfindung
• Wie aus der Figur ersichtlich ist besteht das Beleuchtungssystem aus einer Lampe 1, einer Sammellinse 1a und einem Spiegel 2. Im vom Spiegel 2 projizierten Strahlengang - in der Figur senkrecht nach oben - sind (in der sogenannten optischen Achse) folgende Elemente eines über dem anderen angeordnet: ein Kondensor 3, eine Objekt 4 (allgemein ein mikroskopischer Querschnitt), ein primäres Vergrösserungsglas 5, eine drehbare mattierte Glasscheibe 6, ein sekundäres Objektiv 7 und ein sekundäres Okular 8. Die mattierte Glasscheibe 6 kann um die Drehachse 6a gedreht werden, wobei diese Drehachse 6a in bezug auf die optische Achse exzentrisch angeordnet ist. Im Schnittpunkt der mattierten Glasscheibe 6 und der optischen Achse kann das Bild 6b des Objekts 4 gefunden werden.
• Das Strahlenbündel, das vom Beleuchtungssystem projiziert worden ist, und zwar mit Hilfe eines Kondensors 3 durch das Objekt 4, wird vom primären Vergrösserungsglas auf der blinden Oberfläche der mattierten Glasscheibe 6 in ein Bild umgewandelt. Das so erhaltene Bild 6b wird vom kompositen Vergrösserungsglas, das aus dem sekundären Objektiv 7 und dem sekundären Okular 8 besteht, vergrössert. Die mikroskopische Photovorrichtung kann auf den Platz des sekundären Okulars 8 eingesetzt werden.
• Die Vorteile der Erfindung können wie folgt zusammengefasst werden: Das kombinierte Mikroskopsystem, in das wie vorgängig beschrieben eine mattierte Glasscheibe eingebaut wurde, wird in Uebereinstimmung mit der Erfindung - tatsächlich - von zwei hintereinander plazierten Mikroskopen gebildet. Die Objektpunkte, die innerhalb der Tiefenschärfe des primären Objektivs des ersten Mikroskops liegen, werden in einer Ebene auf der Oberfläche der mattierten Glasscheibe in ein Bild umgewandelt, während das so erhaltene Bild vom sekundären Vergrösserungsglas vergrössert wird. Demzufolge behält das vom sekundären Vergrösserungsglas produzierte Bild die Tiefenschärfe des primären Vergrösserungsglases bei. Als Folge der Bewegung der mattierten Glasscheibe wird die Qualität des auf ihrer Oberfläche erscheinenden Bildes verbessert, wodurch es vom sekundären Vergrösserungsglas weiter vergrössert werden kann. Somit wird im ganzen System die Proportionen der Vergrösserung und der Tiefenschärfe angehoben, so dass eine gegebene Vergrösserung von einer erhöhten Tiefenschärfe begleitet ist, was bedeutet, dass sich die Tiefenschärfe des optischen Systems relativ erhöht. Auf diese Art wird es möglich, mikroskopische Konfigurationen festzustellen, die in tieferen und dickeren Schichten liegen als bis jetzt, wobei gleichzeitig die Untersuchungsmöglichkeit von mikroskopischen Objekten ebenfalls vergrössert wird. Gleichzeitig wird das Auflösungsvermögen des Vergrösserungssystem verbessert.
• Nach der Erfindung ist eine Vorrichtung auf geeignete Art ausgerüstet, um ein räumliches Bild eines Objekts herzustellen. In diesem Fall werden gleichzeitig zwei optische Systeme auf die Oberfläche der Scheibe angewendet, wobei mittels zweier primärer Vergrösserungsgläser zwei Bilder hergestellt werden, jedes in einem unterschiedlichen Winkel, wonach das vom sekundären Vergrösserungsglas hergestellte Bild isoliert in die beiden Augen des Betrachters projiziert wird.
• Es ist klar, dass sich die Erfindung nicht auf die oben beschriebene beispielhafte Ausführung beschränkt, und es sind ebenfalls andere weitere Ausführungen möglich, ohne vom Erfindungsbereich abzuweichen. So kann zum Beispiel zum Herstellen des Bildes eines Objekts irgendeine andere elektromagnetische Strahlung angewendet werden, die eine Wellenlänge aufweist, die sich von der Wellenlänge des sichtbaren Lichts unterscheidet. Primäres und sekundäres Vergrösserungsglas können auf der gleichen oder auf unterschiedlichen Seiten der bildbildenden Schicht angeordnet sein. Im ersten Fall ist der Strahlengang einfallend in bezug auf die Scheibe, während er im zweiten Fall übertragen ist. Im Fall des einfallenden Strahlengang können die matten Oberflächen von opaken Materialien ebenfalls die Scheibe bilden.
• Theoretisch ist es möglich, im Strahlengang entlang der optischen Achse mehr als zwei Vergrösserungsgläser und Scheiben anzuordnen. In einem solchen Fall wird das vom sekundären Vergrösserungsglas produzierte Bild auf eine weitere Scheibe projiziert, das wiederum von einem dritten - tertiären - Vergrösserungsglas vergrössert wird. Basierend auf diesem Prinzip können mehrere Vergrösserungsstufen verwirklicht werden.

Claims (9)

1. Mikroskop, umfassend zwei optische Systeme, deren optische Achsen sich unter einem Winkel kreuzen, wobei jedes optische System die folgenden Elemente umfasst, aufgeführt in der Reihenfolge, in welcher sie im Strahlengang des Mikroskops positioniert sind: Mittel, um eine Objektebene zu definieren, ein Objektiv (5), das derart ausgebildet und positioniert ist, um von einem in der Objektebene positionierten Objekt (4) ein vergrössertes Bild in einer Bildebene zu bilden, eine in der Bildebene angeordnete Scheibe (6), die in einem Medium verteilte Partikel enthält, wobei der Brechungsindex der Partikel vom Brechungsindex des Mediums verschieden ist, wobei die Schreibe (6) Mittel (6a) zum Bewegen der Scheibe in der Bildebene hat, ein zweites Objektiv (7), das zum Bilden eines vergrösserten Bildes des in der Bildebene vergrösserten Bildes positioniert ist, und ein Okular (8).

2. Mikroskop nach Anspruch 1, wobei in einer weiteren Bildebene der zweiten Objektive (8) eine zweite Scheibe enthaltend in einem Medium verteilte Partikel angeordnet ist, wobei der Brechungsindex der Partikel vom Brechungsindex des Mediums verschieden ist, und wobei ein weiteres Objektiv in jedem optischen System positioniert ist, um zwei vergrösserte Bilder der vergrösserten Bilder auf der zweiten Scheibe zu bilden.

3. Mikroskop nach Anspruch 2, wobei die zweite Scheibe in ihrer Ebene beweglich ist.

4. Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend zusätzlich ein Beleuchtungssystem (1-3) zum Beleuchten des Objektes (4) in der Objektebene mit elektromagnetischer Strahlung und/oder einem Elektronenstrahl.

5. Mikroskop nach Anspruch 4, wobei das Beleuchtungssystem ein Stroboskop umfasst.

6. Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Scheibe aus einem opaken Material besteht und die ersten und zweiten Objektive auf derselben Seite der Scheibe angeordnet sind.

7. Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Scheibe aus festen und/oder flüssigen Partikeln besteht, die in einer Flüssigkeit verteilt sind oder aus Gasblasen, die in einer Flüssigkeit oder in einer gelartigen Lösung oder in einem festen Material und/oder aus festen Partikeln in einem festen Material, wobei die im Medium verteilten Partikel im wesentlichen stationär zueinander und zum Medium sind.

8. Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Scheibe durch feste oder flüssige, in einer Flüssigkeit verteilte Partikel gebildet ist oder durch in einer Flüssigkeit verteilte Gasblasen oder durch Flüssigkeitstropfen und/oder feste Partikel, die in einem Gas oder in einer gelartigen Lösung verteilt sind, und wobei die im Medium verteilten Partikel gegeneinander und gegenüber dem Medium beweglich sind.

9. Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Stroboskop im Strahlengang des Lichtes vom Objekt angeordnet ist.