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Die Erfindung betrifft die Mikroskopie, vor allem die analytische
Mikroskopie.
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Auf diesem Gebiet ist es wünschenswert, ein Maximum des vom
Objekts ausgestrahlten Lichts zu sammeln, folglich zu diesem Zweck
über eine erhöhte numerische Apertur zu verfügen. Außerdem muß die
Sammeloptik über einen möglichst breiten Wellenlängenbereich
arbeiten; idealerweise sollte die Sammeloptik achromatisch sein
vom Infrarot bis zum Ultraviolett.
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In einem Mikroskop ist das Objektiv die Sammeloptik. Die aktuellen
Linsenobjektive, selbst der gehobenen Qualitäts- und Preisklasse,
erfüllen nicht die Doppelbedingung der großen numerischen Apertur
und der Achromasie über eine große Bandbreite.
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So hat in der französischen Patentanforderung Nº 86 04947 der
Patentinhaber neue optische Vorrichtungen vorgeschlagen.
Diese gestatten bei der Mikroanalyse an einer Probe gleichzeitig
mehrere Analysetechniken anzuwenden : elektronische und/oder
ionische Sonden, oder Lasersonden, oder Röntgen- und/oder
optischer Spektometrie, oder Massenspektrometrie, oder Ramansonde.
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Eine dieser optischen Vorrichtungen enthält zwei Spiegel, jeder
definiert durch eine konkav elliptische (genauer ellipsoidische)
reflektierende Fläche, versehen mit einer Öffnung im Scheitelpunkt
ihrer Hauptachse. Die in der früheren Patentanmeldung (Figur 6)
vorgeschlagene Montage ist eine symetrische Anordnung der beiden
Spiegel. Der Sondenstrahl (z.B. ein Elektronenstrahl) tritt in der
Symetieebene ein und das Objekt ist im Symetriezentrum angeordnet.
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Bei der Ausführung dieser Arbeiten hat der Patentinhaber ein neues
Objektiv entdeckt, das die Lösung der weiter oben erwähnten
Probleme erlaubt.
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Die Erfindung betrifft folglich ein Objektiv mit großer
numerischer Apertur, besonders für Mikroskopie, das
zusammengestellt enthält: einen ersten Spiegel der eine
ellipsoidisch konkave reflektierende Oberfläche aufweist, versehen
mit einer Öffnung im Scheitelpunkt seiner Hauptachse, einen
zweiten, planen Spiegel, senkrecht zur Hauptachse der
ellipsoidischen reflektierenden Fläche und im wesentlichen
angebracht auf gleicher Höhe mit dem ersten Brennpunkt der
ellipsoidischen Fläche, im wesentlichen mit gleichem Abstand von
genannter Öffnung, die als Austrittsöffnung dient, und dem zweiten
Brennpunkt der ellipsoidischen Fläche, eine Anordnung des Objekts
im wesentlichen auf gleicher Höhe mit deren erstem Brennpunkt,
wobei das Austrittslicht ausgehend vom ersten Brennpunkt der
ellipsoidischen Fläche reflektiert wird auf dem ersten Spiegel,
dann auf dem zweiten Spiegel und schließlich konvergiert in der
Höhe der Öffnung, und dabei die Objektivblende definiert wird vom
freien, dem zweiten Spiegel benachbarten Hauptdurchmesserrand des
ersten Spiegels.
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Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Objektträger im
planen Spiegel montiert auf dem Niveau seines Schnittpunkts mit
der Hauptachse der ellipsoidischen reflektierenden Fläche des
ersten Spiegels. Dadurch erhält man eine sehr einfache Montage mit
automatischer Fokussierung. Dazu genügt es z.B., das der den
zweiten Spiegel enthaltende Körper mit Mitteln zur Feinverstellung
ausgestattet ist, die folglich gleichzeitig zur Verstellung des
Objektträgers dienen.
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Für bestimmte Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn die
Austrittsöffnung des erfindungsgemäßen Objektivs mit mindestens
einem weiteren Objektiv gekoppelt ist. Dieses weitere Objektiv
kann, vorteilhafterweise, so konstruiert sein wie das erste.
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Übrigens können die Spiegel gefertigt werden aus einem
Metallblock, etwa aus hochreinem Aluminium, optisch poliert. Sie
können auch aus hochreinem Beryllium sein. Sie können noch
hergestellt werden durch multidielektrische Beschichtung mit einem
adäquaten Substrat.
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Für die Anwendung vor allem in der Mikroanalyse wird der den
ersten Spiegel definierende Körper vorteilhafterweise von
Öffnungen durchquert. Diese erlauben den Durchgang von
Erregerstrahlen (elektronische, ionische oder Laser-Sonde)
und/oder von der Probe ausgesandte Strahlen für die Spektometrie
mit Röntgen- oder optischen Strahlen, die Massenspektrometrie oder
die Ramananalyse.
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In der traditionellen Mikroskopie kann die Beleuchtung des Objekts
von der Rückseite erfolgen, wobei der Objektträger transparent
ist.
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Weitere Charakteristiken und Vorteile der Erfindung erscheinen
beim Studium der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und der
beigefügten Zeichnungen, auf denen
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- die Figur 1 ein Schema des Prinzips einer elementaren optischen
Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist;
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- die Figur 2 eine Figur ist, welche die Funktionsweise der
Vorrichtung aus Figur 1 präzisiert;
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- die Figur 3 eine vollständigere optische Vorrichtung ist, die
das Spiegelojektiv mit einem klassischen Linsenobjektiv verbindet;
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- Die Figur 4 eine Vorrichtung zeigt, die zwei erfindungsgemäße
aufeinanderfolgende Spiegelobjektive verbindet.
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Die beigefügten Zeichnungen enthalten Elemente, vor allem
geometrische, von bestimmter Eigenschaft. Folglich dienen sie
nicht nur dem besseren Verständnis der nachfolgenden Beschreibung,
sondern tragen ggf. auch zur Definition der Erfindung bei.
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Der Eintrittsaperturwinkel und der Austrittsaperturwinkel werden
hier mit v bezeichnet. Wenn n den Brechungsindex des optischen
Ausbreitungsmediums bezeichnet, dann ist die numerische
Eintrittsapertur gleich dem Produkt n.sin v.
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Die Begrenzungen der numerischen Eintrittsapertur sind im
allgemeinen den Aberrationen zuzuschreiben. Für die Linsensysteme
entspricht die Begrenzung einem Winkel v von ungefähr 72º für eine
numerische Apertur von 0,95; die spektrale Bandbreite ist zudem
relativ reduziert. Bei den bekannten Spiegelobjektiven des Typs
Cassegrain-Schwarzschild beträgt der Winkel v ungefähr 40º für
eine numerische Apertur von 0,65. Man kann feststellen, daß ein
ellipsoidischer Spiegel einen sehr viel höheren
Sammlungsraumwinkel zuläßt; aber der Austrittsstrahl besitzt
ebenfalls einen sehr hohen Aperturwinkel, inkompatibel mit der
Kopplung eines Lichtkollektors mit einem Instrument der
Spektralanalyse, wie etwa einem Monochromator oder einem
Interferometer. Dazu muß das Vorhandensein eines Objektträgers
bedacht werden in Kooperation mit einem solchen Spiegel. Daraus
resultiert ein Verlust am nutzbaren optischen Strahlenbündel.
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Der Patentinhaber hat festgestellt, daß es wünschenswert ist zwei
Spiegel zu kombinieren, um einen erhöhten Sammlungsraumwinkel mit
einem Austrittsstrahlenbündel von reduzierter Apertur in
Übereinstimmung zu bringen.
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Die Figur 1 zeigt eine Ausführung dieser Art, die besonders
vorteilhaft ist.
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Der erste Spiegel wird definiert durch einen Körper oder ein
Substrat C1, dessen Innenwand M1 eine elliptische reflektierende
Oberfläche bildet. Die beiden Brennpunkte der Ellipse sind mit F1
und F2 bezeichnet. Im Scheitel, auf der Hauptachse F1-F2 der
Ellipse, wird eine Öffnung 010 angebracht, nach außen so
aufgeweitet, um dem Austittsaperturwinkel zu entsprechen, der
ungefähr 53º beträgt (Wert gegeben als Präferenzbeispiel).
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Der zweite Spiegel, getragen von einem Körper C2, wird definiert
durch dessen plane reflektierende Oberfläche. Der Spiegel M2 steht
im Prinzip senkrecht zur Hauptachse F1-F2 (wenn die
Austrittsöffnung am Scheitelpunkt O des Körpers C1 angebracht ist;
bei anderen Ausführungen könnte es anders sein).
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Das Objekt (nicht dargestellt) ist im Brennpunkt F1 des
ellipsoidischen Spiegels M1 angebracht. Dieser Spiegel würde
folglich ein Abbild davon in F2 bilden. Das Abbild aus F2 wird
durch den Spiegel M2 übertragen auf das Niveau der
Austrittsöffnung 010 des Spiegels M1.
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Der Hauptvorzug dieser Anordnung ist, daß keine Feineinstellung
des zweiten Spiegels M2 erforderlich ist, denn es genügt, daß er
im wesentlichen senkrecht steht zu Hauptachse F1-F2 des
ellipsoidischen Spiegels M1.
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Im allgemeinen Fall der Erfindung verläuft der Spiegel M2 nicht
notwendigerweise durch den Brennpunkt F1. Man kann die den
ellipsoidischen Spiegel M1 definierenden Parameter OF&sub1; und F&sub1; F&sub2;
beliebig wählen. Jedoch sollte man sich nicht zu weit von einer
Sphäre entfernen, denn das nutzbare Objektfeld wird sonst sehr
klein.
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Die bisher genannten Konditionen fordern nicht, daß der Spiegel M2
in F1 angebracht wird, sondern nur, daß er in der Mitte des
Segments OF&sub2; angebracht wird, damit das Abbild zusammenfällt mit
der Austrittsöffnung 010. Jedoch bringt das Vorhandensein eines
virtuellen Bilds des Objekts (erzeugt vom planen Spiegel), das
nicht zusammenfällt mit dem Brennpunkt F1, ein störendes
parasitäres Licht mit sich.
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In der Praxis begrenzt das Objekt selbst, ebenso wie sein Träger,
den Zugang auf einen Halbraum (180º). Der Patentinhaber hat
festgestellt, daß dies in der Mehrzahl der Fälle die Suche nach
einer numerischen Apertur größer als 1 zwecklos macht, was einem
Sammlungsraumwinkel von 2 pi Steradiant entspricht.
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Unter diesen Bedingungen wird die interessanteste Konfiguration
der Erfindung, für eine numerische Einheits-Sammelapertur (es sei
v = 90º), folglich begrenzt durch eine zur Achse senkrechten, und
den Brennpunkt F1 enthaltenden Ebene, wie in Figur 1 gezeigt. Die
Strecken OF&sub1; und F&sub1;F&sub2; sind dann gleich, was die Exzentrizität des
Ellipsoids festlegt.
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Es empfiehlt sich folglich, den Spiegel M2 in die Nähe des
Brennpunkts F1 zu bringen. Man wird feststellen, daß der
ellisoidische Spiegel M1 hier der Sphäre ziemlich nahe bleibt, um
ein befriedigend großes nutzbares Objektfeld zu bewahren.
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Daraus entstehen interessante Vorteile, denn das Objekt kann im
Schnittpunkt des planen Spiegels M2 mit der Achse F1-F2 angeordnet
werden in einer Zelle von kreisförmigem Querschnitt mit einem
Trägergitter als Objektträger, zum Beispiel des Typs, wie er
häufig in der Elektonenmikroskopie Verwendung findet. Solange das
Objekt klein ist, bleibt die entstehende mittige Versperrung (für
die nutzbaren Lichtstrahlen) praktisch vernachläßigbar.
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Außerdem kann der ebene Spiegel M2, der einstellbar ist durch
dreidimensionale Verstellung, Teil des Objektträgers sein. In der
Tat kann man eine ziemlich große Toleranz zulassen bezüglich der
Übertragung des Bildes in die Nähe des Punkts O durch den planen
Spiegel.
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In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung beträgt die Höhe
des Körpers C1 8,5 mm. Sein Durchmesser beträgt 25 mm. Der
Durchmesser der Öffnung 010 beträgt 0,5 mm. Der Abstand zwischen
den benachbarten Teilen des Körpers C1 und des Körpers C2 beträgt
0,25 mm. Schließlich beträgt der Abstand OF&sub1; 7,5 mm.
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Nun bezieht man sich auf Figur 2 für die Determinierung der
numerischen Austrittsapertur in der bevorzugten Ausführungsform,
wo der Spiegel M2 durch den Brennpunkt F1 verläuft. Der fokale
Abstand wird jetzt mit f bezeichnet. Wenn M der Punkt ist, der
sich an der (fiktiven) Schnittstelle der reflektierenden Flächen
M1 und M2 befindet, bezeichnet man seine Abstände zu den
Brennpunkten F1 und F2 mit a und b. Entsprechend den Eigenschaften
der Ellipse ist die Summe a+b gleich 3.f. Außerdem wird man in
Figur 2 zu Punkt M feststellen, daß MF&sub1; senkrecht zu F&sub1;- F&sub2; steht.
Daraus kann man die zwei folgenden Funktionen ableiten:
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a = 3.f - b
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a² = f² + b²
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Daraus geht hervor, daß a gleich 5/3 f ist und daß b gleich 4/3 f
ist.
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Der Austrittswinkel u besitzt dann einen Sinus gleich 0,8, was
einem Winkel von 53º13 entspricht, nahe den schon angegebenen 53º.
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Somit erhält man, für eine numerische Eintritts-oder Sammelapertur
gleich der Einheit, eine numerische Austrittsapertur gleich 0,8,
in die Luft oder ins Vakuum.
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Das so erhaltene erfindungsgemäße Objektiv kann man leicht mit
bestehenden Linsenobjektiven koppeln, die eine numerische
Eintrittsapertur gleich 0,8 haben. Solche Objektive sind
gegenwärtig im Handel erhältlich, sind aber nur für einen
reduzierten Spektralbereich korrigiert.
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Somit stellt die Figur 3 schematisch die Kopplung eines ersten
Objektivs gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem klassischen
Mikroskopobjektiv O13 mit numerischen Apertur 0,8 dar.
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Um die Achromasie beizubehalten, koppelt man das erfindungsgemäße
Objektiv vorzugsweise mit Spiegeloptiken, z.B. ellipsoidisch
außerhalb der Achse, oder parabolisch außerhalb der Achse, wenn
man ein paralleles Austrittsstrahlenbündel wünscht (Figuren 7 bzw.
6, weiter unten beschrieben).
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Eine interessante Variante ist in Figur 4 dargestellt. Sie besteht
aus dem Einsatz von zwei aufeinanderfolgenden (oder mehr)
Objektiven gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Das erste Objektiv ist das gleiche wie vorher, außer daß die obere
Fläche des Körpers C1, plan, mit einer reflektierenden Oberfläche
M20 versehen ist. Diese reflektierende Oberfläche M20 kooperiert
mit einem zweiten ellipsoidischen Spiegel M10, angebracht in einem
Körper C10, im oberen Teil mit einer Öffnung O20 versehen.
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Der zweite Spiegel M10 hat die gleichen Charakteristiken hat wie
M1, die numerische Apertur des durch die Öffnung O20 austretenden
Strahls beträgt jedoch 0,47, was einem Halbwinkel von 28º
entspricht. Eine solche Apertur ist kompatibel mit der Kopplung
mit einem dritten Objektiv mit sphärischen Spiegeln des Typs
Cassegrain-Schwarzschild, im Handel erhältlich; es ist ebenfalls
kompatibel mit einem ellipsoidischen oder parabolischen Spiegel.
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Die Figur 5 betrifft eine Montage von zwei erfindungsgemäßen
Objektiven und einem Objektiv nach Cassegrain-Schwarzschild,
aufeinanderfolgend und nur aus Spiegeln betehend, folglich
achromatisch vom Ultraviolett bis zum Infrarot. Sein unterer Teil
ist identisch mit der Figur 4. Das aus der Öffnung O20
ausgetretene Licht wird empfangen vom Spiegel M15, im allgemeinen
sphärisch, eingesenkt in einen Körper C15.
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Der Spiegel M25 (sphärisch für eine numerische Apertur von 0,47)
reflektiert das Licht zur Austrittsöffnung O15. Ein weiterer
Spiegel M27, plan, unter 45º geneigt, kann verwendet werden für
einen seitlichen Lichtaustritt.
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Die Spiegel M25 und M27 sind auf der Achse O20-O15 durchbohrt. Es
sei daran erinnert, daß der vom Spiegel M25 zwangläufig
verursachte optische Schattenkonus verwendet werden kann, um in
der Anwendung der elektronische Mikrosonden ein
Elektonenstrahlenbündel passieren zu lassen.
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Die Montage nach Figur 5 liefert ein optisches System, das
achromatisch ist vom Ultraviolett bis zum Infrarot, übergehend von
einer numerischen Apertur 1 in ein paralleles Strahlenbündel.
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Die Figur 6 stellt eine andere Weise dar, wie man ein paralleles
Strahlenbündel erhält am Ausgang von einem (oder mehreren)
erfindungsgemäßen Objektiven (wie jenes aus Figur 1).
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Das aus der Öffnung O10 austretende Licht wird empfangen von einem
Spiegel MP, bestehend aus einem Rotationsparaboloid, dessen
Brennpunkt F3 zusammenfällt mit dem Scheitel O (Figur 1) des mit
M1 verbundenen Ellipsoids. Für eine 90º-Reflektion ist die Achse
AP des Paraboloids parallel zum Spiegel M2. Das
Austrittsstrahlenbündel FS ist parallel.
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Die Figur 7 stellt eine andere Variante dar, wo der
Austrittsspiegel ein Teil eines Ellipsoids ME ist, dessen
Brennpunkt F3 in O ist. Das Austrittsstrahlenbündel FS konvergiert
in seinem anderen Brennpunkt F4. Für bestimmte Anwendungen können
die beiden Brennpunkte F3 und F4 auf der Achse F1-F2 liegen, wobei
der Spiegel ME dann ein doppelt abgestumpftes Ellipsoid ist (oder
eine asymetrische, einem Ellipsoid gleichende Fläche, z.B.
eiförmig). Die gleiche Anmerkung bezüglich der Achse gilt für das
Parabolid von Figur 6.
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Der Fachmann wird begreifen, daß einer der wesentlichen Vorteile
der erfindungsgemäßen Objektive darin besteht, daß sie sich, bei
vergleichbaren optischen Charakteristiken, zu einem deutlich
geringeren Preis verwirklichen lassen, während ihre
Spiegelstruktur ohne weiteres und ohne Aberrationen ein
Funktionieren über die Gesamtheit des optischen Spektrums
ermöglicht, vom Infrarot bis zum Ultraviolett. Keines der
gegewärtigen Linsenobjektive besitzt diese Eigenschaften.
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Die Spiegel erhält man z.B: durch direkte automatische Bearbeitung
("Schnitt") eines Metallblocks (hochreines Aluminium z.B., oder
auch hochreines Beryllium). Eine Variante besteht im Auftragen
einer metallischen oder multidielektischen Beschichtung, um die
reflektierende Fläche zu determinieren. Diese Variante könnte auch
zur Anwendung kommen, wenn die Körper C1 und/oder C2 aus Glas oder
aus synthetischem Material wären, entstanden durch Zerspanen oder
Gießen.
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Obgleich die erfindungsgemäßen Objektive für die alalytische
Mikroskopie gedacht sind, können sie sehr interessante Anwendungen
finden in der photonischen Mikroskopie, vor allem im
ultravioletten und im infraroten Bereich.
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Bezüglich der Anwendungen in der analytischen Mikroskopie ist der
beschreibende Teil der Patentanmeldung 86 04 947 wie in die
vorliegende Beschreibung eingefügt zu betrachten.
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Man wird feststellen, daß sich das erfindungsgemäße Objektiv,
besser noch als die vorher beschriebenen, sehr leicht unterbringen
läßt in dem Raum zwischen der Linse und dem Probenträger im Innern
eines Mikroskops und/oder einer elektronischen Mikrosonde.
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Ein erfindungsgemäßes Objektiv wird angebracht zwischen dem
Probenträger und den Polschuhen des letzten magnetischen
Kondensors. Die Passage der Polschuhöffnung kann ausgeführt werden
mit Hilfe des zweiten erfindungsgemäßen Objektivs (Figur 5), das
auch die herkömmliche Cassegrain-Optik einer elektronischen
Mikrosonde zeigt. Die Passage der Polschuhe kann ebenso ausgeführt
werden mit Hilfe des Paraboloids oder des Ellipsoids der Figuren 7
und 8, doppelt abgestumpft und koaxial montiert.
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Unter diesen Bedingungen kann das erfindungsgemäße Objektiv für
das weiter oben erwähnte Mikroanalyseverfahren angewendet werden
auf eine Weise, die im Detail beschrieben ist in der früheren
Patentanmeldung Nº 86 04 947.
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Die axialen und seitlichen Öffnungen O10, O11 und O12, angebracht
in den Körpern C1 des primären Spiegels M1 (Figur 1) eignen sich
für den Durchgang des Sondenstrahls und der Analysestrahlen, die
sein können ein Laserstrahl, ein Röntgenstrahl, ein Partikel-,
Elektonen- oder auch Ionenstrahl.
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Für den Fall einer Verwendung in der photonischen Mikroskopie
empfiehlt es sich, das erfindungsgemäße Objektiv in einem kleinen,
mit einem standardmäßigen Mikroskopgewinde versehenen Zylinder
unterzubringen, wobei seine geringe Größe die Sache erleichtert.
Die seitlichen Öffnungen O11 und O12 sind dann nutzlos.
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Das erfindungsgemäße Objektiv ist auch interessant für
Tieftemperatur-Cryostaten, wo eine thermische Abschirmung
notwendig ist. Wegen seines metallischen Aufbaus gewährleistet es
diese Funktion sehr gut.