DE958437C - Verfahren zur vergroesserten Abbildung von Objekten auf elektronenoptischem und lichtoptischem Wege - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 21. FEBRUAR 1957

S 7148IX142 h

Zur vergrößerten Abbildung von Objekten auf elektronenoptischem Wege ist bereits bekanntgeworden, ein Elektronenmikroskop mit einem Lichtmikroskop derart zu kombinieren, daß das auf einem Leuchtschirm auf elektronenoptischem Wege erzeugte Bild mit einem Lichtmikroskop weiter vergrößert und auf eine fotografische Schicht projiziert wird, mit deren Hilfe dann das Bild festgehalten wird. Es zeigt sich, daß bei einer derartigen Anordnung der an sich theoretisch erreichbare Vergrößerungsfaktor nicht ausgenutzt werden kann, weil man bei wachsender Vergrößerung bald zu so hohen Energiedichten im Objekt kommt, daß das Objekt in kurzer Zeit derart beschädigt ist, daß seine Abbildung sinnlos wäre. Eine Herabsetzung der Energiedichte im Objekt und entsprechende Heraufsetzung der Belichtungszeit ist an sich hier wie bei der Aufnahme ohne Lichtmikroskop wohl möglich, macht aber dann die Scharfeinstellung des Bildes unmöglich, so daß man gezwungen ist, eine Vielzahl von Aufnahmen mit verschiedener Einstellung zu machen, um dann aus diesen Aufnahmen das Bild größter Schärfe auswählen zu können.

Die Erfindung hat den Zweck, die genannten Schwierigkeiten zu vermeiden und Bilder hohen Vergrößerungsfaktors herzustellen, ohne daß die Energiedichte im Objekt zu stark ansteigt. Sie geht aus von einem Verfahren zur vergrößerten Abbildung von Objekten auf elektronenoptischem und lichtoptischem Wege, bei dem ein elektronenoptisches Zwischenbild

bestimmter Vergrößerung erzeugt und dieses auf lichtoptischem Wege weiter vergrößert wird. Sie besteht darin, daß bei einem solchen Verfahren die rein elektronenoptische Vergrößerung nur so weit getrieben wird, daß die kleinsten Einzelheiten, welche in der Gesamtvergrößerung noch getrennt sichtbar sein sollen, bis über die Grenze des Auflösungsvermögens der im Vakuumraum angeordneten Fotoschicht, aber nicht bis über die Grenze des Auflösungs-Vermögens des menschlichen Auges vergrößert sind, daß die Scharfstellung des Bildes mit Hilfe einer dem Endbildleuchtschirm zugeordneten lichtoptischen Vergrößerungseinrichtung erfolgt, die das Leuchtschirmbild in der Aufsicht zu betrachten gestattet, und daß das so auf elektronenoptischem Wege auf der Fotoschicht erhaltene Bild auf lichtoptischem Wege bis zum Sichtbarmachen der genannten Einzelheiten weiter vergrößert wird. Zur Ausübung dieses Verfahrens wird man gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung innerhalb des Vakuumraumes des Elektronenmikroskops einen Leuchtschirm und einen Halter für die fotografische Schicht so anordnen, daß der Leuchtschirm nahe an den Ort der Fotoschicht gebracht werden kann, wobei dann zur Scharfstellung des auf dem Leuchtschirm erscheinenden Bildes an dem Mikroskop eine dem Leuchtschirm zugeordnete Vergrößerungsemrichtung, z. B. eine Lupe oder ein Lichtmikroskop, zweckmäßig mit einer Vergrößerung zwischen 50 und 30, angeordnet ist. Diese Vergrößerungseinrichtung ist dabei so angeordnet, daß sie das Leuchtschirmbild in der Aufsicht zu betrachten gestattet. Das mit Hilfe dieser Vergrößerungseinrichtung auf maximale Bildstärke eingestellte Bild kann dann nach dem Ersatz des Leuchtschirmes durch Belichten einer fotografischen Schicht festgehalten und das gewonnene Bild auf lichtoptischem Wege bis über die Grenze des Auflösungsvermögens des menschlichen Auges weiter vergrößert werden. Gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zur Beobachtung des Leuchtschirmbildes eine Lupe schwenkbar angeordnet, deren Apertur gegenüber der Augenapertur im Maße der bewirkten optischen Vergrößerung erhöht ist. Ferner wird die Erfindung noch dadurch verbessert, daß eine Linse der dem Leuchtschirm zugeordneten Vergrößerungseinrichtung einen Teil der Vakuumwand des Mikroskops bildet.

Fig. ι zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Mit ι ist die Elektronenquelle des Elektronenmikroskops bezeichnet. 2 ist eine Kondensorspule. Die durch diese Spule zusammengefaßten Elektronenstrahlen fallen auf das Objekt 3. Das Objekt wird mit Hilfe der Objektivspule 4 auf einem Zwischenbildschirm 5 und mit Hilfe einer im Strahlengang dahinterliegenden Projektionsspule 6 auf dem Leuchtschirm 7 des Elektronenmikroskops abgebildet. Mit 8 ist die zur Scharfeinstellung des Bildes dienende Beobachtungsoptik (Lupe oder Lichtmikroskop) bezeichnet. Der Leuchtschirm 7 kann durch in der Figur im einzelnen nicht gezeichnete Mittel quer zur Richtung des Strahlenganges verstellt werden, so daß die zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendige fotografische Platte 9 in den Strahlengang gebracht werden kann. Mit 10 ist die Vakuumwand des Elektronenmikroskops bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung erfolgt also die Beobachtung des Leuchtschirmbildes von der Seite der einfallenden Elektronen her.

Es hat sich gezeigt, daß bei der Verwendung feinkörniger Leuchtschirme hoher Empfindlichkeit, wie sie auch für Fersehröhren verwendet werden, bei einer Strahlspannung von 70 000 V eine Stromdichte des Korpuskularstrahles von etwa 10-¹¹AnIp. je cm² ausreicht, um ein Bild so großer Helligkeit entstehen zu lassen, daß man mit dem Auge in der Lage ist, alle Feinheiten zu erkennen. Die bei Anwendung der Erfindung unter dem Auflösungsvermögen des Auges liegenden Feinheiten werden durch Anwendung lichtoptischer Mittel erkennbar gemacht. Wie oben angegeben, wird das auf diese Weise scharf eingestellte Bild mit Hilfe einer fotografischen Schicht fixiert. Das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges beträgt etwa Y₁₀ mm, während das Auflösungsvermögen geeigneter fotografischer Platten Y₁₀₀ mm beträgt. Die auf diese Weise festgehaltenen Bilder werden nachträglich optisch z. B. auf das Zehnfache (oder zur bequemeren Betrachtung auch noch auf das Zwanzig- bis Dreißigfache) vergrößert. Die Objektbelastung trägt dann bei gleicher Endvergrößerung nur etwa den hundertsten Teil derjenigen Belastung, die eintreten muß, wenn man die gesamte Vergrößerung auf elektronenoptischem Wege durchführen wollte. Man erkennt dies, wenn man beachtet, daß die Energiedichte der durch das Objekt hindurchtretenden Strahlen mit dem Quadrat der Vergrößerung verringert wird und daß sie auf dem Leuchtschirm noch so groß sein muß, daß mit dem Auge bei Dunkeladaption scharf eingestellt werden kann. Wie bereits angegeben, dürfen die Vergrößerungsmittel, die gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung zur Scharfeinstellung des elektronenoptischen Bildes benutzt werden, nur möglichst kleine Lichtverluste besitzen, damit die Beleuchtungsstärke von der Netzhaut des Auges trotz der Lupe bzw. des Mikroskops nicht wesentlich kleiner wird.

Die folgende Rechnung zeigt, wie die Verhältnisse liegen; es bedeute:
B₀ die Leuchtdichte der nach einer Lambertschen Verteilung strahlenden Fläche in Richtung der

Flächennormale (si), E die Beleuchtungsstärke auf der Netzhaut des

verlustlos gedachten Auges (Ix), E₀ bei unbewaffnetem Auge,
El bei Beobachtung mit Lupe,
Em bei Beobachtung mit Mikroskop,
P Pupillendurchmesser des Auges (cm),

f_a Brennweite des Auges (cm),
K Durchlässigkeit der Lupe,
K₁ Durchlässigkeit des Mikroskopobjektivs,
K_s Durchlässigkeit des Mikroskopokular,
S deutliche Sehweite (cm) S = 25 cm,

A₀ die objektseitigeAugenapertur = — = — = 0,02,

ο 50

β die bildseitige Augenapertur = —,

Ja

die Gesamtvergrößerung, die Objektivvergrößerung des Mikroskops,

V₂ die Okularvergrößerung des Mikroskops,
— die Lichtstärke der Lupe,

™ It

-=- die Lichtstärke des Mikroskopobjektivs.

Mit diesen Bezeichnungen ergeben sich die Beleuchtungsstärken auf der Netzhaut des Auges wie folgt:

F - ^X
χο ^E°~rt

B₀ - A%

(Ix),

El = ~ ■ ίο* · B₀ ■ A% ■ K

ι +

-E₀-K

100

(Ix),

E„=

ίο* -B_o-A%-

ι +

100

(Ix).

A \2

Beobachtet man die leuchtende Fläche unter dem Winkel α gegen die Flächennormale, so verringern sich die Beleuchtungsstärken auf der Netzhaut, und zwar etwa auf den Betrag E · cos α.

Man sieht aus den Gleichungen 1 bis 3, daß die Beleuchtungsstärke bei Beobachtung mit der Lupe oder dem Mikroskop gegenüber der mit dem bloßen Auge einerseits um die Absorptionsverluste der Optik herabgeht und andererseits um einen gewissen Faktor, der im allgemeinen von 1 wenig verschieden ist und erst bei höheren optischen Vergrößerungen eine Rolle zu spielen beginnt. Da jedoch Vergrößerungen über 30 keinen Sinn haben, bleibt dieser Faktor immer größer als 0,9. Auch die Absorptionsverluste der optischen Geräte sind nie so groß, als daß dadurch etwa der oben nachgewiesene Vorteil einer hundertfach niedrigeren Obj ektbelastung beeinträchtigt werden könnte.

Die Gleichungen 1 bis 3 gelten aber nur unter der Voraussetzung, daß die Apertur der Lupe bzw. des Lichtmikroskops gegenüber der Augenapertur im Maße der bewirkten optischen Vergrößerung erhöht ist. Beim Mikroskop kommt noch eine zweite Forderung hinzu, nämlich die, daß auch der gesamte vom Objektiv aufgenommene Lichtstrom in die Pupille des Auges gelangen muß. Die mathematische Form, in die diese Bedingungen gefaßt werden können, ist durch die beiden Gleichungen

—rp,— >■ w bei Lupenbeobachtung,

PfS p/S ι + B₁

bei Mikroskopbeobachtung

gegeben. Mit p/S = 0,02 ergibt sich für die zu fordernden Öffnungen der Lupe abhängig von der Vergrößerung die Kurve der Abb. 1. Fl muß immer Meiner sein als der durch die Kurve gegebene Wert. Für das Mikroskopobjektiv ergibt sich die Größe von -F₀ aus Abb. 2. Hier muß .F₀ immer kleiner sein als die stark ausgezogene Kurve und jeweils größer als die für die gewählte Objektivvergrößerung V₁ geltende dünne Kurve.

Bei Beobachtung des Leuchtschirmbildes von der Seite der einfallenden Elektronen her muß man die optische Einrichtung zur Achse des Elektronenstrahlbildes neigen. Diese Neigung möchte man, um die dadurch unvermeidlichen optischen Verzerrungen möglichst hintanzuhalten, klein wählen, Hier tritt aber die Schwierigkeit auf, daß Elektronen am Objektiv des Mikroskops vorbeifallen müssen, und zwar noch ein hinreichend großes Beobachtungsfeld erhellen müssen. Diese Bedingung läßt sich bei Objektiven mit größerer Brennweite und infolgedessen größerem Objektabstand leichter erfüllen als bei gewöhnlichen Mikroskopobjektiven. Da gleichzeitig aus Gründen der Bildhelligkeit hohe Aperturen nötig sind, kommt man dazu, fotografische Objektive hoher Öffnung und mäßiger Brennweite zu verwenden, beispielsweise ein Objektiv mit einer Öffnung 1:1,5 und einer Brennweite von 36 mm. Dabei ist es im Hinblick auf eine möglichst große Durchlässigkeit zweckmäßig, Okular und Objektiv des Mikroskops oder auch die Lupe so aufzubauen, daß sie nur wenige Flächen Luft—Glas bzw. Vakuum—Glas enthalten; dies ist zulässig, weil die Anforderungen an die Bildgüte bei der geringen geforderten Vergrößerung nur mäßig sind. Man kann dabei, um zwei weitere Flächen Luft— Glas zu ersparen, eine der Linsen als Teil der Vakuumwand ausbilden. Um das Auge vor Röntgenstrahlen zu schützen, kann man statt der üblichen Schutzscheibe aus Bleiglas eine der Linsen aus Bleiglas herstellen.

Wichtig ist es für die Scharfeinstellung des Bildes, daß man Leuchtmaterial verwendet, das einerseits hochempfindlich ist, andererseits aber mindestens die gleiche Auflösung wie die fotografische Platte hat. Weiterhin muß man entweder dafür sorgen, daß die fotografische Schicht in genau dieselbe Ebene zu liegen kommt, in der man den Leuchtschirm beobachtet hat, oder nach Entfernung des Leuchtschirmes eine vorher bekannte Korrektur der Brennweite, beispielsweise der Projektionslinse, vornehmen, um auf die Fotoebene, einzustellen.

Als fotografisches Material ist diejenige Schicht die beste, bei der das Produkt aus dem Quadrat der zur Erreichung einer bestimmten Schwärzung nötigen Ladungsdichte in Coul/cm² und aus der linearen Auflösung in Zentimeter ein Minimum ist.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Verfahren zur vergrößerten Abbildung von Objekten auf elektronenoptischem und lichtoptischem Wege, bei dem ein elektronenoptisches Bild bestimmter Vergrößerung erzeugt und dieses auf lichtoptischem Wege weiter vergrößert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die rein elektronen-

   optische Vergrößerung nur so weit getrieben wird, daß die kleinsten Einzelheiten, welche in der Gesamtvergrößerung noch getrennt sichtbar sein sollen, bis über die Grenze des Auflösungsvermögens der im Vakuumraum angeordneten Fotoschicht, aber nicht bis über die Grenze des Auflösungsvermögens des menschlichen Auges vergrößert sind, daß die Scharfstellung des Bildes mit Hilfe einer dem Endbildleuchtschirm zugeordneten lichtoptischen Vergrößerungseinrichtung erfolgt, die das Leuchtschirmbild in der Aufsicht zu betrachten gestattet, und daß das so auf elektronenoptischem Wege auf der Fotoschicht erhaltene Bild auf lichtoptischem Wege bis zum Sichtbarmachen der genannten Einzelheiten weiter vergrößert wird.
2. 2. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Vakuumraumes des Elektronenmikroskops ein Leuchtschirm und ein Halter für die fotografische Schicht so angeordnet sind, daß der Leuchtschirm nahe an den Ort der fotografischen Schicht gebracht werden kann, und daß zur Scharfstellung des auf dem Leuchtschirm erscheinenden Bildes an dem Mikroskop eine dem Leuchtschirm zugeordnete Vergrößerungseinrichtung (Lupe oder Lichtmikroskop) angeordnet ist, die das Leuchtschirmbüd in der Aufsicht zu betrachten gestattet.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine schwenkbar angeordnete Lupe, deren Apertur gegenüber der Augenapertur im Maße der bewirkten optischen Vergrößerung erhöht ist.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Linse der dem Leuchtschirm zugeordneten Vergrößerungseinrichtung einen Teil der Vakuumwand des Mikroskops bildet.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   USA.-Patentschrift Nr. 2 058 914;
   »Zeitschrift für Physik«, 1934, S. 587 und 602 ;
   »Die Naturwissenschaften«, 1937, S. 828.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 609 801 2.57