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Interferenzgerät
Das Gerät nach der Erfindung dient im Zusammenhang
mit einem Mikroskop zur Verdeutlichung und zur Vermessung von mikroskopischen Phasenobjekten,
d. h. von solchen Gegenständen, die sich von ihrer Umgebung vorwiegend im Brechungsindex
unterscheiden.
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Diesem Zweck dient auch das bekannte Phasenkontrastverfahren nach
Zerni'ke, das Reflexiorsinterferometer nach Fizeau und Tolansky und das M i c h
e l s o n s c h e Interferometer. Das erste gibt keineeindeutige Zuordnung zwischen
Phasen und Bildkontrast, wie das in der Veröffentlichung von H. W o l t e r, Ann.
der Phys. (6),7,S.33[1950], im einzelnen gezeigt wurde. Das zweite erfordert geringen
Abstand zwischen dem dort verwendeten versilberten Objektträger und dem versilberten
Deckgias, sofern weißes Licht zur Beleuchtung benutzt werden soll, und läßt daher
nur die Beobachtung sehr dünner Objekte zu. Das Michelsonsche Interferometer bedingt
bei seinem Ausbau zum Interferenzmikroskop eine komplizierte Anordnung und erlaubt
keine bequeme Kombination mit der Polarisationsmikroskopie.
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Es sind Interferenzgeräte bekannt, die zwischen den Kondensor und
das Objektiv insbesondere eines Mikroskops eingesetzt werden. Das in der Zeitschrift
Nature I949, S. 229, beschriebene Gerät von Dyson besitzt drei halbdurchlässige
Spiegel, so daß nur ein geringer Bruchteil des einfallenden Lichtes nutzbar ist.
Bei einer Anordnung mit nur einer halbdurchlässigen Spiegelfläche zwischen zwei
vollständig spiegelnden Flächen, die z. B. in dem
Buch "Die Anwendung
der Interferenzen in Spektroskopie und Metrologie" von Gehrcke (1906), S. 122, Fig.
6, dargestellt ist, entstehen Interferenzen niederer Ordnung nur dann, wenn die
halbdurchlässige Spiegel fläche genau gleichen Abstand von den beiden anderen Spiegeln
hat. Dies ist schwer zu erreichen.
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Der Erfindung biegt die Aufgabe zugrunde, den Strahlengang in einem
Interferenzgerät so zu führen, daß auch bei unsymmetrischer Lage des Strahlenteilers
zu beiden Spiegelflächen die optischen Wege beider Strahlen gleich oder zumindest
sehr nahezu gleich sind, so daß Interferenzen nullter oder sehr geringer Ordnung
erreicht werden.
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Die Erfindung besteht darin, daß jedes der am Strahlenteiler getrennten
Strahlenbündel vor ihrer Wiedervereinigung mindestens zwei Reflexionen erleidet,
wobei das eine Strahlenbündel durch das Objekt, das andere durch eine Kompensationsschicht
geleitet ist. Insbesondere erfolgt die zusätzliche Reflexion an einer zylindrischen
Spiegelfläche, deren Achse mit der optischen Achse des Gerätes zusammenfällt.
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Das Gerät nach der Erfindung wird auf den Objekttisch eines Mikroskops
aufgesetzt und besteht entsprechend ;der Fig. I aus zwei einander annähernd oder
genau parallelen, vorzugsweise undurchlässigen, ebenen und vorzugsweise kreisförmig
begrenzten Spiegeln I und 2 und aus einer zu beiden Spiegeln parallelen teildurchlässigen
Spiegelfläche 3, ferner einem vorzugsweise als Zylinder geformten Spiegel 4, dessen
Achse mit der optischen Achse 5 des Mikroskops annähernd oder genau zusammenfällt.
Die drei Flächen I, 2, 3 können senkrecht zur optischen Achse angebracht und fest
oder gegeneinander beweglich sein.
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Beleuchtet wird mit einem Lichtkegel, der z. B. dadurch hergestellt
werden kann, daß in die untere Brennebene des Mikroskopkondensors eine Ringblende
eingelegt wird. Mit 6 ist ein einfallender Strahl des Lichtkegels bezeichnet. Der
Teil 7 dieses Strahles wird an der teildurchlässigen Fläche 3, dann an den Flächen
I, 4, 2 und schließlich an der Rückfläche des Spiegels 3 reflektiert. Er verläßt
das Gerät als Strahl 8 und tritt dort in das Mikroskopobjektiv ein. Der andere Teil
10 des einfallenden Strahles wird an den Spiegeln 2, 4 und I reflektiert und durchsetzt
die zur Aufnahme des Objekts bestimmte Objektkammer II, dann die hralbdurchlässige
Fläche 3 und vereinigt sich mit dem Strahl 7. iMit I2 ist eine Kompensationskammer
bezeichnet. Beide Strahlenwege haben gleiche Länge, wenn in die Kompensationskammer
ein Medium eingebracht ist, dessen Brechungsindex dem des Objektes gleich ist. Liegen
innerhalb des Objektes mikroskopische Phasenobjekte, so tritt ein Gangunterschied
auf, der sich bei ETerwendung weißer Beleuchtung in Farbunterschieden oder bei Verwendung
monochromatisehenLichtes inHelligl;eitsunterschieden äußert. Das Gerät besteht vorzulgsweise
aus miteinander verkitteten Glaskörpern, die zwei in der Ebene der Objektliammer
zusammenpassende Stünde bilden, wie in Fig. I durch die Linie 14 angedeutet ist.
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Man kann auch in an sich bekannter Weise einen Kugeispiegel 9 vorsehen,
von dem die Uchtstrahlen über die Rückfläche 2t des Spiegels 2 dem Objektiv zugeführt
werden. Benutzt man den Kugelspiegel nicht, so treten die Strahlen 8 un mittelbar
in das Mikroskopobjektiv ein. Das Objektiv wird dann auf die Objektkammer 11 scharf
eingestellt. Da die gebräuchlichen Mikroskopobjektive sehr kleine Frontlinsen haben,
müßte das Interferometer in diesem Falle unbequem klein ausgeführt werden.
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Deshalb ist es zweckmäßig, den Kugelspiegel 9, der in der Umgebung
der optischen Achse 5 ausgespart ist, in bekannter Weise zu verwenden und durch
ihn die Objektkammer bei I3 abzubilden und dieses Bild mit dem Mikroskopobjektiv
zu betrachten.
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Hierdurch wird die Größe des Gerätes weitgehend änabhänigig von der
'Größe der Frontl'inse.
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Die Lage der Objektkammer kann weitgehend variiert werden. So kann
sie z. B. unmittelbar an der Eläche 1 oder 2 liegen, so daß das Objekt von den auf
den Spiegel I bzw. 2 auftreffenden und von den an ihnen reflektierten Strahlen durchsetzt
wird.
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Dadurch erreicht man die doppelte Empfindlichkeit.
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Man kann auch darauf verzichten, die Objektkammer und die Kompensationskammer
voneinander zu trennen. Am einfachsten werden beide als ein gemeinsamer Raum wie
der zwischen einem Objektträger und einem Deckglas gebildete Raum verwendet.
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In Fig. 2 ist dargestellt, daß die Objektkammer und die Kompensationskammer
oberhalb der Teilerfläche 3 liegen.
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Das Gerät nach der Erfindung erlaubt die Herstellung niederer Interferenzordnungen
auch bei Verwendung einer dieleen Objektkammer. Darin liegt der entscheidende Vorteil
gegenüber der Anordnung von Tolansky, in der dicke Objekte nur mit hohen Interferenlzordnungen
beobachtet werden könne.
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Die Verwendung niederer Interferenz ordnungen bietet mehrere Vorteile:
a) Es kann beliebig spektral zusa1nmengesetztes Licht benutzt werden, so daß kurze
Belichtungszeiten erreicht Werden, auch können Elektron;enblitzlampen bei der eN;Likrophotographie
benutzt werden. b) Bei Verwendung weißen Lichtes kann man den Gangunterschied z.
B. so wählen, daß das Gesichtsfeld in der Farbe Purpur erscheint. Die Objekte erscheinen
dann farbig differenziert, weiße Blutkörperchen z. B. grün mit blauem Kern.
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Bakterien sind deutlich farbig von der Umgebung abgesetzt. Um feine
Bakterien nachzuweisen, stellt man zweckmäßig den Gangunterschied auf fast dunkles
Gesichtsfeld ein, auf dem die Bakterien sich dann hell abheben. Bei allerfeinsten
Spirochäten hat sich freilich am besten Quecksilberlicht bewährt, c) Die Benutzung
weißen Lichtes läßt eine Kombination mit der Polarisationsmikroskopie zu; die Vorrichtung
ist dann zwischen Kondensor und Objektiv eines Polarisationsmikroskops zu setzen,
das
die Polarisationsunterschiede zweckmäßig durch eine in den Strahlengang gebrachte
Quarzplatte oder Glimmerplatte in bekannter Weise zu Farbunterschieden umwandelt.
Die Depolarisation an den Spiegelflächen erschwert zwar die quantitative Auswertung,
doch erlaubt ein so aufgebautes Mikroskop, Polarisationsobjekte und Phasenobjekte
gleichzeitig sichtbar zu machen. Amplitudenobjekte sind ebenfalls ohne Schwierigkeiten
erkennbar.
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Die mit dem Einbau des Kugelspiegels verbundenen Abbildungsfehler
vermeidet man, wenn man den Kugeispiegel nur für radiale in sich reflektierte Strahlen
verwendet. Der Spiegel 2 muß dann von einer durchlässigen verspiegelten Fläche I5
umgeben sein. Dies führt jedoch zu einem gewissen Lichtverlust.
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In Fig. 2 ist dargestellt, daß unmittelbar über den Spiegel 2 ein
nach oben erhabener Spiegel I6 gesetzt ist, dieser reflektiert das von dem Kugeln
spiegel kommende Licht und entwirft ein Bild in dem Okular des Mikroskops, so daß
ein Mikroskopobjektiv entbehrlich ist.
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Das Interferometer nach der Erfindung kann auch so ausgerü;stet sein,
daß reflektierende Objekte im Auflicht betrachtet werden können. Das reflektierende
Objekt tritt dann an die Stelle des Spiegels I, und eine besondere Objektkammer
ist dann entbehrlich.
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Das Interferometergerät kann noch in verschiedener Hinsicht abgewandelt
werden. Wenn es auf die Lichtintensität nicht ankommt, wie z. B. bei der Beobachtung
und M ikrophotographie unbeweglicher Objekte, so kann man die Spiegelfläche 2 in
der gesamten Ausdehnung der Oberfläche des Gerätes halbdurchlässig spiegelnd ausführen.
Man gewinnt dadurch größere Freiheit in der Wahl der Objektivapertur, besonders
dann, wenn man auch die Fläche ganz oder größtenteils halb durchlässig verspiegelt.
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Es ist nicht unbedingt erforderlich, den Spiegel 4 als Zylinderspiegel
auszubilden. Sein Querschnitt senkrecht zur optischen Achse kann auch ein Vieleck
sein, vorzugsweise ein regelmäßiges Vieleck.
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Dann wird man statt eines Beleuchtungskegels zweckmäßig eine Beleuchtung
verwenden, die man durch eine Kondensorblende mit so viel Öffnungen herstellt, wie
die Seitenzahl des Vielecks beträgt.
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Ausnahmsweise kann auch der Spiegel 4 durch zwei oder einen ebenen
Spiegel ersetzt werden.
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Der Spiegel 4 braucht nicht versilbert zu sein; man kann ihn unter
Umständen als totalreflektierende Innenfläche eines Glaskörpers od. dgl. ausbilden.
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Ein besonders empfindliches und zu quantitativen Messungen geeignetes
Gerät zur Sichtbarmachung der Phasenunterschiede erhält man, wenn man, wie in Fig.
3 dargestellt ist, zu beiden Seiten der Teilerschicht 3 einen z. B. radial polarisierenden
Ring 17 und einen z. B. tangential polarisierenden Ring I8 anbringt. Man kann dabei
die Wlorte tangential und radial miteinander vertauschen. Die Ringe können auch
an andere Stellen des geteilten Strahlenganges gebracht werden. Man kann die Ringe
auch durch polarisierende, auf- der optischen Achse liegende Kreisscheiben ersetzen,
die in Fig. 4 mit 19 und 20 bezeichnet sind. Hierdurch werden die Gangunterschiede,
die das Objekt verursacht, in Gangunterschiede zwischen zwei polarisierten Komponenten
im Strahle 8 umgewandelt. Dadurch werden auf dieses Interferenzmikroskop alle vom
Polaris ationsmikroskop her bekannten Verfahren zum Nachweis von Gangunterschieden
zweier senkrecht zueinander polarisierter Schwinigungskomponenten übertragbar. Man
setzt hierzu insbesondere in den Weg der Strahlen 8 und Io je einen vorzugsweise
unter 450 gegen den Radius polarisierenden Ring. Werden zwischen diese Ringe noch
doppelt brechende oder rotationsdispersion zeigende Platten oder Ringe eingelegt,
so können die Polarisationsunterschiede in Farbunterschiede umgewandelt werden,
wie das an sich vom Polarisationsmikroskop her bekannt ist.
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Alle beschriebenen Ausführungsformen des Gerätes nach der Erfindung
können auch so ausgerüstet werden, daß reflektierende Objekte im Auflicht betrachtet
werden können. Das reflektierende Objekt tritt dann an die Stelle des Spiegels I,
so daß eine Objektkammer entbehrlich ist.
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PATENTANSPRÜCEXE I. Interferenzgerät mit einer zwischen zwei parallelen
Spiegelflächen angeordneten Strahlenteilerfläche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes
der ausgenutzten beiden am Strahlenteiler getrennten Strahlenbündel vor ihrer Wiedervereinigung
mindestens zwei Reflexionen erleidet und daß das eine Strahlenbündel durch das Objekt,
das andere durch eine Kompensationsschicht geleitet ist.