DE3906119C2 - Anordnung zum Messen polarisationsoptischer Gangunterschiede - Google Patents

Description

Die Erfindung findet in optischen Geräten und Anordnungen Anwendung, mit denen bei der Messung der anisotropen optischen Eigenschaften zur Analyse des Phasenbestandes oder der Struk­ turen der untersuchten Gebilde oder Substanzen zirkular polari­ siertes Licht zur azimutunabhängigen Darstellung des von der untersuchten Probe hervorgerufenen Gangunterschiedes eingesetzt wird. Ein markantes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Polarisationsmikroskopie z. B. bei der statischen oder orts­ abhängigen Untersuchung anisotroper Festkörper oder gerichteter biologischer Substanzen.

Zum Bestimmen polarisationsoptischer Gangunterschiede sind eine Reihe objektiv messender Anordnungen bekannt geworden.

Anordnungen gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sind in DE 31 29 505 A1 sowie in DE 36 27 878 A1 beschrieben.

Bei einer Lösung nach DE-OS 29 16 202 wird das hinter einem Wollaston-Prisma entstehende Interferenzmuster hinsichtlich Amplitude und Phasenlage mit einem Dioden-Array aufgenommen, und aus den Meßwerten wird die Elliptizität des Lichtes bestimmt. In einer weiteren Lösung (Journ. Micr. 139 (1985) 239 . . . 247) werden die mit einem Photometer gewonnenen Intensitätswerte in Abhängigkeit von der Analysatordrehung mit einem 64 K-Rechner einer harmonischen Analyse unterworfen und der Gangunterschied nach der S´narmont-Methode berechnet. Bekannt ist auch eine Lösung zur sehr schnellen und genauen Messung des Gangunterschiedes. Hierbei dient nach DE-OS 36 31 959 als Lichtquelle ein transversaler stabilisierter Zee­ man-Laser; gemessen wird die zeitliche Verschiebung von Schwe­ bungsknoten als Funktion des Objekt-Gangunterschiedes. Allen genannten Lösungen gemeinsam ist die erforderliche azimutale Orientierung der Probe zur Meßanordnung, da mit linear polarisiertem Licht gearbeitet wird. Somit ist ein höhe­ rer Geräte- und Arbeitsaufwand notwendig. Es ist auch eine Lö­ sung bekannt, mit der zirkular polarisierte Strahlung über elektro- und magnetooptische Kristalle zu Modulationszwecken in linear polarisierte Strahlung mit konstant rotierender Schwingungsebene umgewandelt wird (DE-OS 17 97 378). Bekannt ist auch eine Lösung, die Tardy-Methode, die eine subjektive Meßmethode ist (Brit. Journ. Appl. Phys. 3 (1952) 176 . . . 181) und nur monochromatisches Licht verwendet. Sie ist sehr zeitaufwendig, da sie in vielen Einzelschritten von gegenläufig gedrehten Polaren das Intensitätsminimum aufsucht und in dieser Lage mit einem S´narmont-Kompensator mißt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung zum Messen polarisationsoptischer Gangunterschiede, mit der die Be­ stimmung von Gangunterschieden erleichtert, die genannten Nach­ teile der bekannten Lösungen beseitigt werden und die mit geringem technisch-ökonomischem Aufwand herstellbar ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Messen polarisationsoptischer Gangunterschiede an anisotropen Objekten zu schaffen, die auch bei beliebiger azimutaler Lage des Objektes eine objektive Messung erlaubt.

Diese Aufgabe löst eine Anordnung zum Messen polarisationsopti­ scher Gangunterschiede, bestehend aus einer Beleuchtungsein­ richtung zur Beleuchtung des zu untersuchenden Objektes, einem Polarisator und einem ersten, vorzugsweise achromatischen Viertelwellen-Retarder zum Erzeugen zirkular polarisierten Lichtes, einem zweiten, vorzugsweise achromatischen Viertelwellen-Retarder zur Wiederherstellung linear polarisierten Lichtes, einem nachgeschalteten Analysa­ tor, sowie einem optischen System zur Abbildung des untersuch­ ten Objektes auf einer das Meßfeld begrenzenden Blende, hinter der ein photoelektrischer Empfänger mit einer Nachweiselektro­ nik angeordnet ist, erfindungsgemäß dadurch, daß zwischen einem Objekt und einem zweiten Viertelwellen-Retarder ein optisch aktives transparentes Bauelement angeordnet ist und daß an sich bekannte mechanische, elektrische oder magnetische Mittel vorgesehen sind, mit denen das Azimut der Schwingungsrichtung des dieses Bauelement verlassenden Lichtbündels kontinuierlich verändert wird.

Vorteilhafte erfindungsgemäße Ausführungsformen bestehen darin, daß als optisch aktives Bauelement eine senkrecht zu ihrer optischen Achse geschnittene erste Quarzplatte vorgesehen ist, die keilförmig ausgebildet und in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Anordnung verschiebbar ist oder als optisch aktives Bauelement eine zweite und dritte Quarzplatte vorgesehen ist und diese Quarzplatten senkrecht zu ihrer opti­ schen Achse geschnitten, gleichsinnig drehend, keilförmig mit dem gleichen Keilwinkel ausgebildet und gegenläufig so zueinan­ der orientiert sind, daß sie zusammen eine planparallele Platte bilden und daß beide keilförmigen Glasplatten gegenläufig in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Anordnung ver­ schiebbar sind.

Weiterhin ist es vorteilhaft, die erste Quarzplatte mit einem Glaskeil so zu verkitten, daß eine planparallele Platte entsteht. Vorzugsweise ist die Brechzahl des verwendeten Glas­ keils annähernd gleich der Brechzahl n_w der ersten Quarzplatte. Folgend wird die Wirkungsweise erläutert.

Das vom Polarisator linear polarisierte Lichtbündel mit dem Azimut α_P = 0 seiner Schwingungsrichtung S_P wird vom ersten Viertelwellen-Retarder mit dem Azimut α₁ = π/4 seiner Hauptschwingungsrichtung n_{z 1} in ein zirkular polarisiertes Lichtbündel umgewandelt und passiert das anisotrope nichtabsor­ bierende Objekt mit dessen Hauptschwingungsrichtung n_{z 0} in einem Azimut α₂ und der dem Gangunterschied proportionalen Phasendrehung δ₂, so daß im allgemeinen ein elliptisch polarisiertes Lichtbündel mit einem Hauptachsenazimut π/4 ± α₂ und der Elliptizität ε = f (δ₂) auf den zweiten Viertelwellen- Retarder mit dem Azimut α₃ = -α₁ der Hauptschwingungsrichtung n_{z 2} trifft, wobei das Azimut der Schwingungsrichtung S_A des Analy­ sators α₄ = π/2 ist.

Die Intensität I nach dem Analysator berechnet ist zu

(1) I = ¹/₂ · E₀ ² · (1 - cos δ₂) = E₀ ² · sin^{2 1}/₂ · δ₂,

wobei E₀ die Amplitude des elektrischen Feldstärkevektors ist. Das ansisotrope Objekt wird also unabhängig von seinem Schwin­ gungsazimut α₂ kontrastiert.

Die dem Lichtbündel aufgeprägte Gesamt-Phasendifferenz R be­ trägt nach dem zweiten Viertelwellen-Retarder gemäß Gleichung

(2) R = π/2 + arctan (-cos δ₂/sin δ₂ · sin 2 α₂).

Die interessierende Phasendifferenz δ₂ des Objektes wird einer Messung mit der weitgehend von systematischen Meßfehlern freien Kompensationsmethode nach S´armont zugänglich, wenn das von der Probe kommende Lichtbündel mit der Gesamt-Phasendifferenz R vor dem Analysator linear polarisiert ist. Nach (2) ist das nur dann der Fall, wenn

(3) R = n · π (n = 0, 1, 2, 3, . . .),

d. h. wenn α₂ = 0, π/2, π, . . . beträgt.

Dieser Fall kann aber nicht ohne weiteres erkannt werden, da nach (1) die beobachtete oder gemessene Intensität unabhängig vom Objekt-Azimut α₂ ist.

Durch die erfindungsgemäße Einführung des optisch aktiven transparenten Bauelements wird das Azimut der Hauptachse π/4 - α₂ des das Objekt verlassenden elliptisch polarisierten Lichtbün­ dels kontinuierlich verändert, bis die Hauptachse mit der Schwingungsrichtung n_{z 2} des zweiten Viertelwellen-Retarders zu­ sammenfällt. Zur Erkennung dieses Zustandes wird die Intensi­ tät I des Lichtbündels mittels rotierendem Analysator, einem in DD-WP 2 47 751 beschriebenen Polarisationsmodulator oder in anderer geeigneter Weise moduliert und das optisch aktive Bau­ element durch an sich bekannte mechanische, elektrische oder magnetische Mittel manipuliert, bis der Kontrast K

(4) K = (I_max - I_min)/(I_max + I_min) ∼ sinc k · ε

mit k = Wellenzahl und sinc k · ε = (sin k · ε)/(k · ε)
seinen Maximalwert erreicht. Dann ist α₂ = 0, π/2, π, . . . In diesem Fall wandelt der zweite Viertelwellen-Retarder das einfallende elliptisch polarisierte Lichtbündel in ein linear polarisiertes Lichtbündel um, dessen Azimut β vom Gangunter­ schied (Phasendrehung) der Probe abhängig ist. Der Gangunter­ schied kann somit nach dem von S´narmont bzw. Mac Cullagh angegebenen Verfahren gemessen werden, wobei das Azimut π/4 zwischen Analysatorschwingungsrichtung und Hauptschwingungs­ richtung n_{z 2} des zweiten Viertelwellen-Retarders zu berück­ sichtigen ist.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in einer Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung

Fig. 1 Teil des optischen Aufbaues gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 Teil des optischen Aufbaues gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 3 Anordnung der Schwingungsrichtungen von Objekt und polarisationsoptischen Bauteilen vor der Kompensation des Gangunterschiedes,

Fig. 4 Anordnung der Schwingungsrichtungen von Objekt und polarisationsoptischen Bauteilen nach der Kompensation des Gangunterschiedes und

Fig. 5 die erfindungsgemäße Anordnung im Strahlengang eines Polarisationsmikroskopes.

Ein Teil des optischen Aufbaues gemäß eines ersten Ausführungs­ beispiels ist in Fig. 1 gezeigt. Entlang einer optischen Achse sind nacheinander ein Linearpolarisator 1, ein erster, vorzugs­ weise achromatischer Viertelwellen-Retarder 2, ein Polarisa­ tionsmodulator 2′, ein Objekt 3, ein optisch aktives Bauelement 3′, ein zweiter, vorzugsweise achromatischer Viertelwellen-Retar­ der 4 und ein Analysator 5 angeordnet. Das optisch aktive Bau­ element 3′ ist erfindungsgemäß eingefügt und ein senkrecht zur optischen Achse der Anordnung verschiebbarer Quarzkeil.

In Fig. 2 sind in einem der Fig. 1 analogen Aufbau als optisch aktives Bauelement 3′ eine zweite und eine dritte keilförmige Quarzplatte 3′b, 3′c vorgesehen.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung in einem Polari­ sationsmikroskop ist in Fig. 5 dargestellt.

Dem von einer aus Lichtquelle 16, Kollektor 15, Leuchtfeld­ blende 14, Telezlinse 13 und dem Kondensator 12 bestehenden Beleuchtungseinrichtung beleuchteten Objekt 3 sind ein Linear­ polarisator 1 und ein erster, vorzugsweise achromatischer Vier­ telwellen-Retarder 2 so vorgeschaltet, daß auf das Objekt 3 ein zirkular polarisiertes, durch das Bild der Leuchtfeldblende 14 begrenztes Lichtbündel fällt. Nach dem Passieren des Objektes 3 ist dieses Lichtbündel elliptisch polarisiert; die Elliptizität ist ein Maß für die gesuchte Phasendrehung δ₂. Erfindungsgemäß wird mit dem optisch aktiven Bauelement 3′, das vorzugsweise aus einem senkrecht zur optischen Achse geschnittenen, mit einem ausgleichenden Glaskeil 3′d angenäherter Brechzahl ver­ bundenen und senkrecht zur optischen Achse der Anordnung ver­ schiebbaren Quarzkeil 3′a besteht, das Hauptachsenazimut so gedreht, daß die Achsen der Schwingungsellipse mit den Haupt­ schwingungsrichtungen des zweiten, vorzugsweise achromatischen Viertelwellen-Retarders 4 zusammenfallen. Diesen zweiten Vier­ telwellen-Retarder 4 verläßt dann ein linear polarisiertes Lichtbündel mit einer der Phasendifferenz im Objekt 3 propor­ tionalen Drehung β gegen die Hauptschwingungsrichtung n_{Z 2} des zweiten Viertelwellen-Retarders 4. Der Winkel β = δ₂/2 wird durch Nachdrehen des Analysators 5 bis zur Auslöschung der linear polarisierten Schwingung gemessen.

Zum Bestimmen dieser Auslöschungslage dient die aus Meßfeld­ blende 6, abbildendem System 7, Photoempfänger 8 und Nachweis­ elektronik 9 bestehende photometrische Einrichtung; das zu messende Objekt 3 wird dabei von einem Objektiv 11 und einer Tubuslinse 10 auf die Meßfeldblende 6 abgebildet und von dieser begrenzt.

Zum Bestimmen des Maximalkontrastes wird das Lichtbündel mit dem Polarisationsmodulator 2′ moduliert und das optisch aktive Bauelement 3′ in der Ebene senkrecht zur optischen Achse der Anordnung so weit verschoben, bis der dem Kontrast entsprechen­ de Anzeigewert auf der Nachweiselektronik 9 seinen Größtwert erreicht. Dann verläßt ein linear polarisiertes Lichtbündel den zweiten Viertelwellen-Retarder 4. Durch Drehen des Analysators 5 wird der Anzeigewert auf Null gebracht und damit die lineare Schwingung ausgelöscht. Aus dem Drehwinkel des Analysators 5 wird die gesuchte Phasendrehung berechnet.

Aus Fig. 3 und 4 ist die Lage der Schwingungsrichtungen der in Fig. 5 dargestellten polarisationsoptischen Bauteile des Pola­ risationsmikroskopes und des Objektes 3 vor und nach der Kom­ pensation des Gangunterschiedes ersichtlich. Dabei sind S_P die Schwingungsrichtung des Polarisators 1, S_A die des Analysators 5, n_{z 0}, n_{z 1} und n_{z 2} die Schwingungsrichtungen der langsameren Lichtwelle im Objekt 3, ersten Viertelwellen-Retarder 2 bzw. zweiten Viertelwellen-Retarder 4. α₁, α₂ und α₃ sind die jewei­ ligen Azimute bezüglich der Schwingungsrichtung S_P des Pola­ risators 1, der Winkel zwischen den Schwingungsrichtungen von Polarisator 1 und Analysator 5. β ist das Azimut der wie­ derhergestellten linearen Schwingung bezogen auf die Schwin­ gungsrichtung n_{z 2} des zweiten Viertelwellen-Retarders 4.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Linearpolarisator
2 erster Viertelwellen-Retarder
2′ Polarisationsmodulator
3 Objekt
3′a erste Quarzplatte
3′b zweite Quarzplatte
3′c dritte Quarzplatte
3′d Glaskeil
4 zweiter Viertelwellen-Retarder
5 Analysator
6 Meßfeldblende
7 abbildendes System
8 Photoempfänger
9 Nachweiselektronik
10 Tubuslinse
11 Objektiv
12 Kondensator
13 Telezlinse
14 Leuchtfeldblende
15 Kollektor
16 Lichtquelle

Claims (5)

1. Anordnung zum Messen polarisationsoptischer Gangunterschiede, bestehend aus einer Beleuchtungseinrichtung (12, 13, 14, 15, 16) die einen Polarisator (1) sowie einen ersten, vorzugsweise achromatischen Viertelwellen-Retarder (2) zum Erzeugen zirkular polarisierten Lichts beinihaltet und der in Beleuchtungsrichtung ein zu untersuchendes Objekt (3) sowie ein optisches System (10, 11) zur Abbildung des zu untersuchenden Objektes (3) auf eine das Meßfeld begrenzende Meßblende (6) nachgeordnet sind, wobei das optische System (10, 11) einen zweiten, vorzugsweise achromatischen Viertelwellen- Retarder (4) sowie einen diesem nachgeschalteten Analysator (5) beinhaltet und in Beleuchtungsrichtung der Meßblende (6) ein photoelektrischer Empfänger (8) mit einer Nachweiselektronik (9) nachgeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Objekt (3) und dem zweiten Viertelwellen-Retarder (4) ein optisch aktives, transparentes Bauelement (3′) angeordnet ist und daß an sich bekannte mechanische, elektrische oder magnetische Mittel vorgesehen sind, mit denen das Azimut der Schwingungsrichtung des dieses Bauelement (3′) verlassenden Lichtbündels kontinuierlich verändert wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als optisch aktives Bauelement (3′) eine senkrecht zu ihrer optischen Achse geschnittene erste Quarzplatte (3′a) vorgesehen ist, die keilförmig ausgebildet und in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Anordnung verschiebbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als optisch aktives Bauelement (3′) eine zweite und dritte Quarzplatte (3′b, 3′c) vorgesehen und diese Quarzplatten senkrecht zu ihrer optischen Achse geschnitten, gleichsinnig drehend, keilförmig mit dem gleichen Keilwinkel ausgebildet und gegenläufig so zueinander orientiert sind, daß sie zusammen eine planparallele Platte bilden und daß beide keilförmigen Quarzplatten gegenläufig in einer Ebene senk­ recht zur optischen Achse der Anordnung verschiebbar sind.

4. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die erste Quarzplatte (3′a) mit einem Glaskeil (3′d) so verkit­ tet ist, daß eine planparallele Platte entsteht.

5. Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Brechzahl des Glaskeiles (3′d) annähernd gleich der Brech­ zahl n_w der ersten Quarzplatte (3′a) ist.