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Einrichtung zur Verdeutlichung optischer Abbildungen Die bekannte
Abbesche Beugungstheorie der optischen Abbildung von nicht selbstleuchtenden Objekten
diente bis jetzt dazu, die Auflösungsgrenze, besonders bei Verwendung der zentralen
oder schiefen Beleuchtung mit einem, engen Lichtstrahlenbündel, zu bestimmen. Bei.dem
bekannten Beispiel der mikroskopischen- Abbildung eines Gitters entstehen durch
Beugung am Objekt neben dem direkten Bündel mehrere abgebeugte, welche in der hinteren
Brennebene des Objektivs zu einer Reihe von Bildern (Spektren) der Lichtquelle Anlaß
geben. Das Abbild des Objekts in der zum Objekt konjugierten Bildebene kommt durch
Interferenz der Beugungsbündel zustande, es ist sozusagen die Interferenzwirkung
einer Beugungserscheinung. Berücksichtigt man die Anzahl der durch die Objektivöffnung
jeweils freigelassenen Beugungsbilder, so kommt man auf die bekannten Ergebnisse
über das Auflösungsvermögen. Im, folgenden sei dagegen die Helligkeit der Beugungsbilder
oder genauer ihre Amplitude und Phase in Betracht gezogen, in der Absicht, dadurch
die Grenze der Erkennbarkeit geringer Kontraste im Objekt, verursacht durch Absorptions-
oder Brechungsunterschiede, anzugeben und zu beeinflussen. In diesem Zusammenhang
bedeutet es nur eine auch hinterher leicht zu berücksichtigende Einschränkung, daß
nur eine endliche Zahl von Beugungsbildern wirksam ist. Diese Einschränkung soll
daher vorläufig fortbleiben. Unter diesen Voraussetzungen erzeugt (nach Lummer)
das abbildende System in der zum nicht selbstleuchtenden Objekt konjugierten Ebene
ein nach Struktur und Phase vollkommen ähnliches Abbild. In vielen Fällen genügt
aber eine vollkommen getreue Wiedergabe der Kontraste des Objekts nicht, insbesondere
bleiben in dieser Weise Brechungsunterschiede im Objekt vollkommen unsichtbar, da
sie nur die Phase des durchgelassenen Lichtes verändern. Verschiedene einfache optische
Verfahren zur Kontraststeigerung sind bereits bekannt, beispielsweise die Beleuchtung
mit einem engen, zentralen Bündel, schiefe Beleuchtung oder die verfeinerten Verfahren
der Schlieremnethode und der Dunkelfeldbeleuchtung. Bei diesen Verfahren werden
entweder die Beugungsspektren auf einer Seite oder das direkte Bild oder beide unterdrückt.
Eine Durchrechnung dieser Verfahren auf Grund der Abbeschen Theorie ergibt nun,
daß man dadurch zwar die Verstärkung von Kontrasten und die Sichtbarmachung von
Brechungsunterschieden erreichen kann, dabei aber weit von einer proportionalen
Kontraststeigerung oder getreuen Wiedergabe von Phasenunterschieden durch Intensitätsunterschiede
entfernt bleibt. Bekanntlich läßt das Bild vielmehr Gradienten der Absorption oder
Brechung stark hervortreten. Nach der Berechnung sind aber die Helligkeiten im Bilde
und die Differentialquotienten der Absorptionen und Brechungen im Objekt keineswegs
proportional; scharfe Übergänge werden stark abgerundet wiedergegeben.
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Eine-der Absorption oder Brechung proportionale Kontrastwirkung kann
aber dadurch erreicht werden, daß nur das direkte Bild in Amplitude oder Phase oder
in beiden zugleich absichtlich geändert wird, während die Spektren beiderseits unverändert
wirksam bleiben. Die Wirkungsweise dieses Verfahrens an einem beliebigen
ebenen
Objekt läßt sich am besten an einem. Vektordiagramm der Lichtschwingungen erläutern.
Man denke sich -das Objekt in eine große Zahl von Flächenelementen gleicher. Größe
geteilt und das durchfallende Licht eine,. jeden Elementes nach Amplitude und PhaSe',
durch einen Vektor oder einfacher durch desse' Endpunkt in einem Diagramm dargestellt.
Allgemein werden dann Amplitude und Phase des direkten Bündels (Spektrum nullter
Ordnung) durch den Schwerpunkt aller dieser Punkte gegeben.
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Es sei nun zuerst der Fall betrachtet, daß- das Objekt die Phase des
durchgehenden Lichtes nicht ändert, die Einzelheiten des Objekts aber eine verschieden
starke Lichtschwächung hervorbringen In dem in Abb. z der Zeichnung wiedergegebenen
entsprechenden Vektordiagramm mit dem Ursprung o liegen die Endpunkte -aller Vektoren
und auch ihr Schwerpunkt M auf einer Geraden. Abb. z stellt aber nach dem oben angeführten
Satze von Lummer auch Amplitude und Phase des Bildes dar, solange die Beugungsbilder
aller Ordnungen unverändert bleiben. Blendet man dagegen das direkte Bündel ab,
so ist überall im Bilde der Vektor 0M in Abzug zu bringen, d. h. M wird an Stelle
von 0 der Ursprung des Vektordiagramms .(zentrale Dunkelfeldbeleuchtung). Da das
Auge oder die photographische Platte nur die Intensitäten, nicht die Phasen wahrnimmt,
liefert die subjektive oder objektive Beobachtung nur die Quadrate der Entfernungen
vom Ursprung, so daß- hier die im Objekt dunkelsten Stellen ebenso wie - die hellsten
sehr hell erscheinen. Nach dem neuen Verfahren hat man es in der Hand, den Ursprung
statt nach M nach einem anderen Punkt O' zu verlegen, um dieser Umkehrung der Kontraste
zu entgehen. Dazu braucht man nur' überall den Vektor 00' zu subtrahieren, so daß
vom direkten Bündel der Teil UM übrigbleibt. Etwa in der hinteren Brennebene des
Abbildungssystems bringt man daher einen im Verhältnis
das Licht schwächenden Streifen an, der gerade das direkte Bild der spaltförmigen
Lichtquelle bedeckt (Absorptionskontrastverfahren).
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Als zweiter Fall sei angenommen, daß das Objekt vollständig absorptionslos
sei. Seine Struktur verursache durch Brechungs- oder Dickenunterschiede nur Phasenänderungen.
Die Vektorendpunkte der Flächenelemente liegen dann auf einem, Kreis um den Ursprung
0, und die Struktur ist ohne besondere Hilfsmittel unsichtbar. Abb. z der Zeichnung
stellt einen Fall dar, bei dem nur geringe Phasenunterschiede vorkommen. - Um diese
sichtbar zu machen, verlegt man den Ursprung nach 0", indem man dem direkten Bilde-
eine Phasenänderung um go ° gibt; Dazu dient z. B. eine Glasplatte mit schwach abgeätztem
Streifen (Tiefe etwa 0,3 ,u) in der hinteren Brennebene des Objektivs (Phasenkontrastverfahren).
Die Empfindlichkeitsdes Verfahrens kann noch bedeutend ge-Aeigert werden, indem
man den Streifen außerdem -absorbierend macht und dadurch den Ur-S rang nach 0`
verlegt. Für Objekte mit großen Phasenunterschieden macht es keinen grundsätzlichen
Unterschied, in welcher Richtung von 0 der neue Ursprung gewählt wird; eine Trennung
nach der Art der Änderung des direkten Bildes (in Amplitude oder Phase) oder nach
der Größe der Phasenänderung - es kommt z. B. auch eine Änderung um r8o ° in Betracht
- hat dann keinen Zweck (allgemeines Phasenkontrastverfahren).
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Im allgemeinen Fall, daß die Einzelheiten des Objekts sowohl eine
Schwächung als eine Phasenänderung des durchfallenden Lichtes bewirken, wird man
zur vollständigen Erforschung eine Beobachtung ohne Hilfsmittel mit einer solchen
mit Phasenkontrast kombinieren. Im Vektordiagramm (Abb: 3) wird die Lage jedes Punktes
aus seinen Entfernungen von 0 und 0" gefunden. Bei schwachen Kontrasten wird man
außerdem die Empfindlichkeit. beider Beobachtungen - durch Schwächung des direkten
Bündels erhöhen; man benutzt dann in Abb. 3 die Punkte 0' und 0"'. Um, unerwünschte
Dunkelfeldeffekte zu vermeiden, wird man dabei diese Punkte nicht in den Bereich
der Vektorendpunkte hineinschieben, sondern sie außerhalb desselben anordnen. Die
so erreichbare Kontraststeigerung ist um so größer, je enger die Vektorendpunkte
um M herum liegen, d. h. je geringer die Unterschiede im Objekt sind.
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Für die Anwendung der neuen Verfahren am Mikroskop braucht man zwei
Hilfsmittel, und zwar eine Blende mit geeignet geformter Blendenöffnung im Beleuchtungsapparat
und Streifen in der konjugierten Ebene im Strahlengänge des Mikroskopobjektivs.
Die Blendenöffnung der Einrichtung kann aus wenigstens einer geraden oder gekrümmten,
schmalen, spaltförmigen Öffnung bestehen, also beispielsweise einen Spalt, ein Kreuz
oder einen Kreisring darstellen, von denen ein Bild auf den Streifen entworfen wird,
welche nach der Erfindung so ausgebildet sind.;- daß sie das Licht unter Änderungen
in Amplitude oder Phase oder in beiden durchlassen, derart, daß das Bild des Objekts
durch Interferenz des neben den Streifen unverändert hindurchgehenden, vom Objekte
abgebeugten Lichtes mit dem abgeänderten direkten Bündel entsteht. Die Streifen
können auf einer besonderen Glasplatte oder auf einet Linse des Mikroskopobjektivs
angebracht sein, wobei im erstgenannten Falle eine Zwischenabbildung durch ein besonderes
Linsensystem stattfinden kann. Ein Drehen oder Verschieben der Kondensorblende setzt
das
Verfahren außer Wirkung, kann aber auch dazu dienen, die Blende
auf ein zweites Streifensystem von anderer Wirkung abzubilden.
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Das neue Verfahren ist nicht nur für durchsichtige, sondern auch für
spiegelnde Objekte anwendbar. Bei der metallographischen Untersuchung von polierten
Metallproben geben die verschiedenen Strukturelemente nach den Gesetzen der Metallreflexion
ungleiche Phasenänderungen im reflektierten Licht. Das Phasenkontrastverfahren wird
hier die gebräuchliche Ätzung ersetzen können.
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Das Phasenkontrastverfahren ist auch für die Prüfung, von sphärischen
Hohlflächen durch Spiegelung anwendbar und somit auch für die Prüfung beliebiger
optischer Teile oder Systeme. Die Prüfanordnung entspricht dabei derjenigen der
Schlierenmethode oder der Messerschneidenmethode, wobei das zu prüfende System ein
Bild eines hell beleuchteten Spaltes oder anderen geeigneten Objekts entwirft und
die Öffnung des Systems betrachtet wird, wie sie von diesem Bilde aus erscheint.
Bei den bekannten Verfahren wird das Spaltbild teilweise durch undurchsichtige Schirme
abgedeckt, während seine Abbildungsstrahlen bei dem neuen Verfahren vor allem in
Phase gegen das abgebeugte Licht geändert und gegebenenfalls außerdem durch Absorption
geschwächt werden. Geringe Abweichungen der aus dem System austretenden Wellenfläche
von ihrer idealen Gestalt werden in dieser Weise eindeutig durch Intensitätsänderungen
wiedergegeben.
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Bei Beugungsgittern können in derselben Weise die Teilungsfehler durch
Intensitätsänderungen abgebildet werden.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Abb. q. gibt einen schematischen Längsschnitt durch die optischen Teile eines Mikroskops
zur Ausübung des Verfahrens wieder. In den Abb. 5 und 6 sind Einzelteile dieses
Mikroskops in vergrößertem Maßstabe in der Draufsicht angegeben. Die Abb. 7, 8 und
9 zeigen einen Schnitt nach der Linie A-A des in Abb. 6 dargestellten Einzelteils
in drei verschiedenen Ausführungsformen. In den Abb. io und i1 sind zwei andere
Ausführungsformen des Einzelteils nach Abb.5, gleichfalls vergrößert, in Draufsichten
angegeben. Einen zu diesen Ausführungsformen gehörenden, der Abb. 6 entsprechenden
Einzelteil gibt Abb. 12 in gleichem Maßstabe in der Draufsicht wieder. Abb. 13 ist
ein Schnitt nach der Linie B-B der Abb. 12.
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Das als Beispiel gewählte Mikroskop (Abb. q.) ist mit einem zweilinsigen
Kondensor i ausgestattet und dient zur Untersuchung von Objekten, die auf der Oberfläche
eines Objektträgers 2 angebracht sind. Die der Beobachtung dienenden optischen Teile
des Mikroskops sind ein Objektiv 3 und ein aus einer Feldlinse 4 und einer Augenlinse
5 bestehendes Okular. Vor dem Kondensor i ist eine Glasplatte 6 so angebracht, daß
ihre Oberfläche mit der Ebene der Eintrittspupille des aus dem Kondensor und dem
Objektiv 3 bestehenden -Systems zusammenfällt. Diese Oberfläche ist mit Ausnahme
eines zur optischen Achse des Mikroskops konzentrischen Ringes 7 (Abb. 5) mit einer
lichtundurchlässigen Schicht 8 bedeckt. In der Austrittspupille des aus dem Kondensor
i und dem Objektiv 3 bestehenden Systems liegt die Oberfläche einer Glasplatte 9,
auf welcher ein durchlässig verspiegelter Ring 1o (Abb. 6 und 7) angebracht ist.
Bei einer anderen Ausführungsform (Abb.8) ist an Stelle des verspiegelten Ringes
1o eine ringförmige Vertiefung 1i in die Platte 9 geätzt, und bei einer dritten
Ausführungsform (Abb.9) ist diese Vertiefung 1i noch mit einer durchlässigen Verspiegelung
x2" versehen. An Stelle der Platte 6 (Abb. 5) kann auch eine Platte 13 (Abb. io)
oder eine Platte 14 (Abb. 1i) in das Mikroskop eingesetzt werden, wobei die Platte
9 (Abb. 7 bis 9) durch eine Platte 15 (Abb. 12 und 13) zu ersetzen ist. Bei den
Platten 13 und 14 bedecken die lichtundurchlässigen Schichten 8 die Oberflächen
der Platten bis auf zwei symmetrisch zu den Plattenmitten freigelassene Streifen
16 bzw. 17. Die Platte 15 ist mit zwei symmetrischen, streifenförmigen Vertiefungen
18 und zwei gleichfalls symmetrisch angeordneten, durchlässig verspiegelten Streifen
19 versehen.
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Der Verlauf der Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlen ist in ' Abb.
4 angegeben. Es ist angenommen, daß ein parallelstrahliges Beleuchtungsstrahlenbündel
von unten her in den Kondensor i eintritt. Dieses Strahlenbündel wird vom Kondensor
i in der Objektebene, der Oberfläche des Objektträgers 2, vereinigt. Das Objektiv
3 bildet die Objektebene auf der vorderen Fläche der Feldlinse 4 ab. Diese Fläche
wird von der Augenlinse 5 in großer Entfernung abgebildet. Die Oberfläche der Glasplatte
6 wird, da sie in der Ebene der Eintrittspupille des aus dem Kondensor i und -dem
Objektiv 3 bestehenden Systems liegt, in der Ebene der Austrittspupille dieses Systems
abgebildet, d.-h. auf der Oberfläche der Glasplatte g wird ein Bild des Ringes 7
(Abb. 5) entworfen. -Der verspiegelte Ring 1o (Abb. 7) und die Vertiefung 1i (Abb.
8 und 9) sind so bemessen, .daß sie sich mit diesem Bilde des Ringes 7 decken. Nach
den Gesetzen der geometrischen- Optik können wegen der Lichtundurchlässigkeit der
Schicht 8 nur solche direkten Abbildungsstrahlen des Objekts an der Entstehung des
Bildes auf der Feldlinse .4 mitwirken, welche die Verspiegelung 1o bzw. die Vertiefung
1i durchsetzen. An der Entstehung des Bildes wirken außerdem am Objekt abgebeugte
Lichtstrahlen mit, deren überwiegender Teil die
Platte g neben der
Verspiegelung bzw. der Vertiefung durchsetzt, die also im wesentlichen den Einflüssen
der Verspiegelung io oder der Vertiefung ii nicht unterworfen sind. Diese Einflüsse
bestehen bei der Verspiegelung io gemäß Abb. 7 in einer Schwächung, also in teilweiser
Absorption der Strahlen, während durch die Vertiefung ii gemäß Abb. 8 im allgemeinen
eine Veränderung der Schwingungsphase der Lichtstrahlen hervorgerufen wird. Ist
die Vertiefung gemäß Abb. g mit einer Verspiegelung 12 versehen, dann erleidet ein
hindurchgehender Strahl sowohl eine Schwächung als auch eine Phasenänderung gegenüber
den die Platte neben der Vertiefung durchsetzenden Strahlen. Das mikroskopische
Bild auf der Feldlinse q. entsteht durch Interferenz der nicht beeinflußten abgebeugten
mit den auf die beschriebene Weise beeinflußten direkten Abbildungsstrahlen mit
dem Erfolge, daß sowohl Brechungsunterschiede als auch Intensitätsunterschiede im
Objekt durch Kontrastveränderungen des Bildes sichtbar gemacht werden.
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Die in den Abb. iö bis 13 dargestellten Glasplatten sind so eingerichtet,
daß entweder eine Schwächung oder eine Phasenveränderung der direkten Abbildungsstrahlen
durch den Austausch der Platten 13 und 1q. gegeneinander hervorgerufen wird. Die
Vertiefungen 18 entsprechen dem vom Kondensor i und dem Objektiv 3 erzeugten Bilde
der Blendenöffnungen 16 der Platte 13, während die verspiegelten Streifen ig dem
Bilde der Blendenöffnungen 17
der Platte 1q. entsprechen. Bei Benutzung der
Platte 13 mit der Platte 15 im Mikroskop interferieren direkte Abbildungsstrahlen,
die an den Vertiefungen 18 eine Phasenänderung erfahren haben, mit abgebeugten Strahlen,
welche die ganze Platte 15 durchsetzen, wobei es ohne Bedeutung ist, daß ein kleiner
Teil dieser abgebeugten Strahlen beim Durchgang durch die verspiegelten Streifen
ig geschwächt wird, ein anderer Teil an den Vertiefungen 18 eine Phasenänderung
erfährt. Setzt man an Stelle der Platte 13 die Platte 1q. ein, dann können direkte
Abbildungsstrahlen nur nach Schwächung durch die spiegelnden Streifen ig zur Bilderzeugung
beitragen. Auch hier spielt es keine Rolle, daß ein kleiner Teil des abgebeugten
Strahlen eine Phasenänderung an den Vertiefungen 18 erfährt, ein anderer Teil beim
Durchgang durch die Verspiegelungen ig ebenfalls geschwächt wird.