DE928853C

DE928853C - Device for observing translucent objects through phase contrast

Info

Publication number: DE928853C
Application number: DEC3765A
Authority: DE
Inventors: Maurice Michel Francon; Georges Nomarski
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1950-02-03
Filing date: 1951-02-02
Publication date: 1955-06-13

Description

Vorrichtung zur Betrachtung lichtdurchlässiger Objekte durch Phasenkontrast Bekanntlich ermöglicht das Verfahren der Betrachtung von Objekten durch Phasenkontrast die Prüfung kleiner lichtdurchlässiger Objekte, die für die üblichen Betrachtungsarten unsichtbar sind.Device for viewing translucent objects through phase contrast As is known, the method enables objects to be viewed by means of phase contrast the inspection of small, translucent objects that are used for normal viewing are invisible.

Dieses Verfahren beruht auf folgendem Prinzip: Wenn eine ebene Lichtwelle, die durch eine im Unendlichen gelegene Lichtquelle z. B. mit Hilfe eines Kollimators erzeugt ist, durch ein kleine Dicken- oder Brechungs.indexände;runaen aufweisendes Mittel hindurchgeht, haben diese Än.derungen örtlich Sc'hwa'nkungen der Phase des. austretenden Lichts zur Folge und werden über ein Wahrnehmungsgerät sichtbar, wenn diese Phasenänderungen durch eine geeignete Vorrichtung in Änderungen der Lichtstärke umgeformt werden. Für dieZwecke der mikroskopischen Betrachtung enthält diese Vorrichtung eine sogenannte die an der Stelle des durch das Objektiv gegebenen Bildes der Lichtquelle angeordnet sein muß.This procedure is based on the following principle: If a plane light wave, by a light source located in infinity z. B. with the help of a collimator is generated by a small thickness or refractive index changes; runa exhibiting Means, these changes have local fluctuations in the phase of the. emitted light and are visible via a perception device, if these phase changes are converted into changes in the light intensity by a suitable device be reshaped. For microscopic viewing purposes, this device includes a so-called the one at the point of the image of the light source given by the lens must be arranged.

Die Verwendung dieser Phasenplatte bringt Übelstände mit sich, die sich hauptsächlich wie folgt äußern: i. Da bei fast allen zur Zeit gebräuchlichen Mikroskopobjektiven der Brennpunkt im Inneren des Objektivs liegt, erfordert die Umwandlung eines gewöhnlichen Objektivs in ein Objektiv mit Kontrastphase die schwierige Maßnahme des Auseinandernehmens und Wiederzusammenbauens der Objektivlinsen.The use of this phase plate brings with it evils that express themselves mainly as follows: i. As in almost all currently used The microscope objectives require the focal point inside the objective Converting an ordinary lens into a lens with a contrast phase the difficult one Measure of disassembling and reassembling the objective lenses.

2. Infolge der Berichtigung des Objektivs nur für die Erzielung einwandfreier Bilder eines in der Nähe seiner Brennpun'ktebene gelegenen Objektes und nicht für im Unendlichen befindliche Objekte fällt das Bild der Lichtquelle schlecht aus, und die P'h'asenlamelle 'kann nicht alle auftretenden Abweichungen verdecken, so daß die durch das lichtdurchlässige Objekt ;gebeugten Lichtstrahlen von durch die Abweichungen bedingten unmittelbaren Strahlen begleitet sind.2. As a result of rectifying the lens only for achieving flawless Images of an object located near its focal point plane and not for objects located in infinity, the image of the light source turns out bad, and the phase lamella cannot contain all the deviations that occur cover up, so that the light rays diffracted by the translucent object; the deviations are accompanied by direct rays.

3. Der Durchgang :der unmittelbaren Welle durch das Objektiv hat das Auftreten eines erheblichen Streulichts zur Folge, das nicht nur auf die Abweichungen, sondern auch auf die Streureflexionen zurückzuführen ist.3. The passage: the direct wave through the lens has that The occurrence of a considerable amount of scattered light, which is not only due to the deviations, but is also due to the scattered reflections.

Eine diesen Mängeln abhelfende Vorrichtung zur Betrachtung lichtdurchlässiger Objekte durch Pfiasenkonbrast, die nicht im Inneren, sondern am Äußeren des Objektivs angeordnet ist und ein durch unmittelbare Betrachtung walhrnehmbares Bild liefert sowie die sofortige Umwandlung eines gewöhnlichen in ein mit Phasenkontrast wirksames Mikroskop ohne Abbau von Teilen ermöglicht, ist bereits von Maurice F r an qon in seiner Abhandlung »Le contraste de phase en optique et en microscopie«, Ausgabe 1949, S. ä2 bis 9o, vorgeschlagen worden. Diese Vorrichtung besteht in der Hauptsache aus einer mit einem Kondensor und einem ausrichtbaren Polarisator zusammenarbeitenden Halbkugel aus lichtdurchlässigem Werkstoff, die nach einer zu ihrer Grundfläche im gleichen Abstand von dieser und ihrem Gipfelpunkt parallelen Ebene in zwei Teil. durch eine Zwischenschicht aus halb lichtdurchlässigem und halb reflektierendem Werkstoff, wie z. B. Titanoxyd, und eine auf dieser vorgesehene ringförmige; zur Halbkugelachse zentrische Phasenplatte geschieden und auf der Oberfläche ihres den Gipfel enthaltenden Teiles mit einer Schicht aus reflektierendem Stoff, mit Ausnahme eines an ihrem Gipfel gelegenen Flecks, bedeckt ist.A device to remedy these deficiencies for viewing more translucent Objects through Pfiasenkonbrast that are not on the inside but on the outside of the lens is arranged and provides an image that can be perceived by direct observation as well as the instant conversion of an ordinary one into one that is effective with phase contrast A microscope without dismantling parts has already been introduced by Maurice F r an qon in of his treatise "Le contraste de phase en optique et en microscopie", edition 1949, pp. 2 to 90, has been proposed. This device consists mainly from a cooperating with a condenser and an orientable polarizer Hemisphere made of translucent material, which after one to its base at the same distance from this and its apex parallel plane in two parts. through an intermediate layer of semi-translucent and semi-reflective Material such as B. titanium oxide, and one provided on this annular; to the Hemispherical axis centric phase plate divorced and on the surface of their den Summit containing part with a layer of reflective material, with the exception a spot at its summit, is covered.

Diese Vorrichtung erfährt nach der Erfindung dadurch eine Weiterbildung und Verbesserung, daß der von. der ringförmigen Phasenplatte nicht eingenommene Teil der Trennebene der beiden Halbkugelteile von einer oder mehreren lichtdurchlässigen Lamellen mit einem vom Bredhungsindex der Phasenplatte stark abweichenden Brechungsindex bedeckt ist und der Durchmesser und die Breite der ringförmigen Phasenplatte so bestimmt sind, daß diese die unmittelbar vom Objekt kommenden unter dem Brewsterschen Einfallwinkel empfängt, während eine kegelstumpfförmige Halbwellenlamelle, die vorzugsweise in die der Halbkugel am nächsten liegende Linse des Kondensors eingefügt ist, derart angeordnet ist, daß sie von der Gesamtheit der hernach vom Objekt ausgehenden und .in dann die Halbkugel eintretenden Lichtstrahlen durchquert wird.According to the invention, this device experiences a further development and improvement that that of. not occupied by the annular phase plate Part of the parting plane of the two hemispherical parts of one or more translucent Lamellas with a refractive index that differs greatly from the Bredhungsindex of the phase plate is covered and the diameter and width of the annular phase plate so are determined that these are those coming directly from the object under Brewster's Angle of incidence receives while a frustoconical half-wave lamella, which is preferably is inserted into the lens of the condenser closest to the hemisphere, in such a way is arranged that it is based on the totality of the following from the object and .In then the hemisphere entering light rays is traversed.

Diese Vorrichtung .stellt ein optisches System dar, das sich so verhält, als wenn es "zwei verschiedene Phasenplatten besäße, von denen .die eine durch Lichtübertragung arbeitet und die Phasenänderung hervorruft und die andere durch Reflexion wirksam ist und nur die Aufgabe der Schwächung des unmittelbaren Strahlenbündels zu erfüllen hat. Da für die ringförmige lichtdurchlässige Phasenplatte der Brewstersche Einfallwinkel bei gerade polarisiertem Licht gilt, kann man den Reflexionsfaktor des, Ringges in einer genau bestimmten Einfallsebene durch Drehen des Pol@ärisators verändern. Man kann daher in. dieser Ebene die Intensität des am Halbkugelgipfel ankommenden direkten Lichts ändern. Der ganze optische Vorgang spielt sich wie bei einer DDhhasenplatte mit veränderlicher Ab- sorption ab, und durch die kegelstumpfförmige Halbwellenlameble wird er unabhängig von der Ausrichtung der Einfallsebene. Auch bietet die Vorrichtung nach der Erfindung den weiteren Vorteil, daß die Absorption des unmittelbaren Lichthündels vor dessen Eintritt in das Mikroskop ermöglicht und so jede Ursache für das Auftreten von Streulicht beseitigt ist.This device represents an optical system which behaves as if it "had two different phase plates, one of which works by transmitting light and causes the phase change and the other is effective by reflection and only has the task of weakening the immediate Since Brewster's angle of incidence applies to the ring-shaped, transparent phase plate for straight polarized light, the reflection factor of the ring can be changed in a precisely defined plane of incidence by turning the polarizer. In this plane, the intensity of the the hemisphere summit incoming direct light to change. the whole optical process takes place as in a DDhhasenplatte variable exhaust absorption from, and through the frustoconical Halbwellenlameble it is independent of the orientation of the plane of incidence. also provides the device according to the invention has the further advantage that the absorption of u n direct bundle of light before it enters the microscope and so every cause of the occurrence of stray light is eliminated.

Die Zeichnung veranschaulicht die Vorrichtung nach der Erfindung beispielsweise in einer Ausführungs.form in schematischer Darstellung in einem Achsschnitt.The drawing illustrates the device according to the invention, for example in a Ausführungs.form in a schematic representation in an axial section.

Die in der Zeichnung wiedergegebene Vorrichtung weist eine aus zwei Teilen 1, 2 zusammengesetzte Halbkugel aus Glas auf, bei der die Trennungsebene H-H' .der beiden Teile 1 und 2 parallel zur ebenen Grundfläche N-N' verläuft und gleich weit von der Halbkugelmitte 0 und dem Gipfel 0' der Kalotte 2 entfernt ist.The device shown in the drawing has one of two Divide 1, 2 assembled hemispheres made of glass at which the parting plane H-H '. Of the two parts 1 and 2 runs parallel to the flat base surface N-N' and equidistant from the hemisphere center 0 and the summit 0 'of the dome 2.

Die Kalotte 2 wird bei. der Herstellung der Halbkugel an ihrem in der Ebene H-H' liegenden Grundkreis mit einer Schicht geeigneter Dicke aus einem halb durchsichtigen und halb reflektierenden Stoff bedeckt und trägt die ringförmige Phasenplatte Q. Nach Anbringung dieser Zwischenschicht und der Phasenplatte an der Kalotte 2 wird diese mit dem anderen Halbkugelteill durch Kleben verbunden und an ihrer gewölbten Fläche H-0'-H' mit Ausnahme einer kleinen, am Gipfel 0' gelegenen Zone versilbert. Das zu betrachtende durchsichtige Objekt wird in dem Mittelpunkt 0 der Halbkugel 1, 2 in Lage gebracht.The calotte 2 is at. the manufacture of the hemisphere at its in the plane H-H 'lying base circle with a layer of suitable thickness from a semi-transparent and semi-reflective fabric covers and carries the ring-shaped Phase plate Q. After this intermediate layer and the phase plate have been attached to the Calotte 2 is this connected to the other hemispherical part by gluing and on its curved surface H-0'-H 'with the exception of a small one at the summit 0' Zone silver-plated. The transparent object to be viewed becomes the center 0 of the hemisphere 1, 2 brought into position.

Auf der Phasenplatte Q entsteht das Bild der ringförmigen Lichtquelle. Der Strahl direkten Lichts verfolgt dabei :die Bahn O-Q-M-Q-0' durch die Phasenplatte Q, und,das gebeugte Licht nimmt den gleichen Weg, bedeckt aber die ganze Fläche H-H'. Die gestrichelte Linie 0-M' gibt beispielsweise den Verlauf eines einzelnen Strahls gebeugten Lichts wieder, der im Punkt M' reflektiert wird und in sieh selbst zurückkehrt, um dann durch die lichtdurchlässige Halbkugelzone am Gipfelpunkt Q' aus, der Kalotte 2 :auszutreten. Durch die auf der Fläche H-H' aufgetragene halb lichtdurchlässige und halb. reflektierende Schicht z. B. aus Titanoxyd oder Antimontrisulfid wird erzielt, daß ein Viertel des gebeugten Lichts den Punkt Q' erreicht. Man erhält somit an der Stelle 0' ein. Bild des Objekts bereits im Phasenkontrast, und dieses genau stigmatische und aplanatische Bild kann durch ein gewö'hnlic'hes Mikroskop oder eine Lupe unmittelbar betrachtet werden.The image of the ring-shaped light source is created on the phase plate Q. The beam of direct light follows: the orbit OQMQ-0 'through the phase plate Q, and, the diffracted light takes the same path, but covers the entire surface H-H'. The dashed line 0-M ' shows, for example, the course of a single beam of diffracted light, which is reflected at point M' and returns to itself in order to then exit through the translucent hemispherical zone at the summit point Q ', the dome 2 :. Due to the semi-transparent and semi-reflective layer applied to the surface HH ', e.g. B. from titanium oxide or antimony trisulfide is achieved that a quarter of the diffracted light reaches the point Q '. One thus obtains at the position 0 'a. Image of the object already in phase contrast, and this precisely stigmatic and aplanatic image can be viewed directly through a conventional microscope or a magnifying glass.

Ode ringförmige Phasenplatte Q besteht erfindungsgemäß aus. einer oder mehreren dünnen Lamellen, und der vom Ring Q nicht eingenommene Rest der Ebene H-H' ist ebenfalls mit einer oder mehreren dünnen Lamellen P bedeckt. Die Lamellen Q und P sind so beschaffen, daß ein die Phasenplatte Q durchquerender Strahl unmittelbaren Lichts eine Phasenverschiebung ic/2 gegenüber einem durch die Lamelle oder die Lamellen P gegangenen Strähl gebeugten Lichts aufweist. Ferner werden die Lamellen P so gewählt, daß das übertragene Licht die. gleiche Intensität wie das reflektierte Licht besitzt. Bei Einhaltung dieser Bedingung erreicht ein Viertel des einfallenden Lichts den Gipfel 0' der Kalotte 2.Ode ring-shaped phase plate Q is made according to the invention. one or several thin lamellae, and the remainder of the plane not occupied by the ring Q H-H 'is also covered with one or more thin lamellae P. the Slats Q and P are such that a beam passing through the phase plate Q is immediate Light has a phase shift ic / 2 compared to that caused by the lamella or the lamellas P having passed Strähl diffracted light. Furthermore, the slats P are chosen so that that the transmitted light the. has the same intensity as the reflected light. If this condition is met, a quarter of the incident light reaches the Summit 0 'of the dome 2.

Das unmittelbare Licht trifft auf die Phasenlamelle Q unter dem Brewsterschen Einfallswinkel, während man der oder den Lamellen P einen vom Brechungsindex der Phasenplatte Q stark abweichenden. Brechungsindex gibt, so daß bei ihnen der Einfallswinkel für die sie erreichenden Strahlen gebeugten Lichts weit entfernt von dem Brewsterschen Wert ist.The direct light hits the phase lamella Q under Brewster's Angle of incidence, while one or the lamellae P one of the refractive index of the Phase plate Q strongly deviating. Refractive index there, so that with them the angle of incidence for the rays of diffracted light reaching them far from Brewster's Is worth.

Wenn das einfallende Licht gerade polarisiert ist, wird nur bei bestimmten Bereichen der ringförmigen Phasenplatte Q die vollständige Auslöschung des Lichts eintreten. Durch eine geeignete vorherige Polarisation des Lichtbündels ist es aber möglich, den Reflexionsfaktor der Phasenplatte Q .ohne Beeinflussung des Reflexionsfa;lztors der Lamelle oder der Lamellen P zu ändern und so eine scheinbare Absorption des Phasenringes Q zu erreichen. Zu diesem Zweck wendet man die in der unteren Hälfte der Zeichnung wiedergegebene Vorrichtung an, die an sieh bereits in dem Abbeischen Kondensor enthalten ist.If the incident light is polarized straight, it will only be used for certain Areas of the annular phase plate Q the complete extinction of the light enter. However, it is due to a suitable previous polarization of the light beam possible, the reflection factor of the phase plate Q without influencing the reflection trap door of the lamella or lamellae P to change and so an apparent absorption of the Phase ring Q to achieve. To do this, turn the one in the lower half The device shown in the drawing, which is already in the stripping process Condenser is included.

Diese Vorrichtung besteht aus einem Polarisator R, der z. B. in der Form eines »Polaroids« an der Eingangsseite eines Kondensors angeordnet und in seiner Ebene drehbar ist und vor dem eine Blende D liegt, und aus einer kegelstumpfförmigen Halbwellenlamelle C, die vorzugsweise durch eine Folie aus plastischer Masse, z. B. eine Zellglasfolie, gebildet sein kann und in. die erste Linse des Abbeschen Kondensors eingesetzt ist, der zu diesem Zweck, wie die Zeichnung .andeutet, aus zwei getrennten Teilen zusammengesetzt ist. Der Spitzenwinkel der kegelstumpfförmigen Lamelle C beträgt 6o°, so daß die unmittelbare Strahlung in die Lamelle ungefähr senkrecht zu deren Wandung eintritt.This device consists of a polarizer R, the z. B. in the Arranged in the form of a »polaroid« on the input side of a condenser and in its Plane is rotatable and in front of which a diaphragm D is located, and from a frustoconical Half-wave lamella C, which is preferably formed by a sheet of plastic material, e.g. B. a cellulose film, can be formed and in. The first lens of the Abbe Condenser is used, which for this purpose, as the drawing .indicates is composed of two separate parts. The apex angle of the frustoconical Lamella C is 60 °, so that the direct radiation into the lamella is approximately occurs perpendicular to the wall.

Die Berechnung zeigt und die Erfahrung bestätigt, daß man mit dieser Vorrichtung D, R, C das vollständige Auslöschen gleichzeitig für die Gesamtheit aller Punkte der Phasenplatte Q und nicht wie beim Fehlen dieser Vorrichtung lediglich für die zwei am den Enden eines Durchmessers einander ,gegenüberliegenden Zonen erzielen kann. Die Änderung der Absorption des unmittelbaren Lichtbündels wird durch einfache Drehung des Polarisators R bewirkt.The calculation shows and experience confirms that you can use this Device D, R, C the total extinction at the same time for the whole of all points of the phase plate Q and not only as in the absence of this device for the two opposite zones at the ends of a diameter can achieve. The change in absorption of the immediate light beam is due to simple rotation of the polarizer R causes.

Die dünne Ringplatte Q 'kann beispielsweise eine Kryolithschicht sein, die durch Verdampfung auf die ebene Fläche der oberen Hälfte der Halbkugel z, 2 aufgebracht ist, und ihre Abmes-suingen und ihre Lage sind derart gewählt, daß .der mittlere Öffnungswinkel Uo gleich 42° ist. Die Phasenplatte Q `hat dann einen Gangunterschied von einem Viertel der Wellenlänge ,-i der Lichtstrahlen für den Einfallwinkel 42° zur Folge.The thin ring plate Q 'can for example be a cryolite layer, which by evaporation on the flat surface of the upper half of the hemisphere z, 2 is applied, and their dimensions and their location are chosen so that .der mean opening angle Uo is 42 °. The phase plate Q `then has a path difference of a quarter of the wavelength, -i of the light rays for the angle of incidence 42 ° result.

Die Lamelle oder die Lamellen P können vorzugsweise aus Antimöntrisulfid in einer Schichtdicke von n/4 bestehen und, ebenfalls durch Auftragen dieses Stoffes mittels Verdampfung erzeugt sein.The lamella or the lamellae P can preferably be made of antimony trisulfide exist in a layer thickness of n / 4 and, also by applying this substance be generated by evaporation.

Die Vorrichtung nach der Erfindung kann man sowohl bei trockenen Objektiven als auch bei nach dem Immersionssys.tem ausgebildeten Objektiven verwenden und dabei mit den Öffnungszahlen bis 1,35 gehen.The device according to the invention can be used both with dry lenses as well as with lenses designed according to the immersion system and at the same time go with opening numbers up to 1.35.

Claims

PATENT CLAIM: Device for viewing translucent objects by phase contrast, one with a condenser and one alignable Polari; sator cooperating hemisphere made of translucent material according to one to its base at the same distance from it and from its summit parallel plane in two parts through an intermediate layer of semi-reflective Substance and a ring-shaped, provided on this, centric to the hemisphere axis Phase plate separated and on the surface of its part containing the peak with a layer of reflective fabric except for one at its top located spot, is covered, characterized in that that of the annular Phase plate (Q) not occupied part of the parting plane (H-H ') of the two hemispherical parts (r, 2) from one or more translucent lamellae (P) with one from the refractive index of the phase plate (Q) is covered with a strongly deviating refractive index and the diameter and the width of the annular phase plate (Q) are determined so that this (Q) the light rays coming directly from the object (0) at the Brewster angle of incidence receives, while a frustoconical half-wave lamella (C), which is preferably -Inserted the lens of the condenser closest to the hemisphere (i, 2) i, st, is arranged in such a way that it is from the entirety of the 'afterwards from the object (0) outgoing light rays and then entering the hemisphere (r, 2) will. Printed publications: Maurice Franqon: »Le contraste de phase en optique et en microscopie ”, 1949, pp. 82 to 90; German patent specification No. 636 r68.