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Mikroskop mit Einrichtung zur Erzielung von Phasenkontrast- und Blendeneffekten
Beim Phasenkontrastverfahren wird eine in der Eintrittspupille des Kondensors befindliche
Lichtdurchtrittsöffnung (im folgenden als ringförmig angenommen, wie dies üblich
ist) durch das aus diesem Kondensor und dem Mikroskopobjektiv bestehende optische
System in der Ebene der Austrittspupille des Objektivs abgebildet, woselbst sich
eine das Bild der Kondensoröffnung genau deckende »Phasenplatte« befindet. Deren
Aufgabe ist es bekanntlich, dem das Objekt direkt durchsetzenden Licht gegenüber
dem am Objekt gebeugten Licht eine passend gewählte Phasenverschiebung zu erteilen,
was zu einer bemerkenswerten Kontrasterhöhung im mikroskopischen Bild führt (F.
Zernikt, Z. f. techn. Physik, 16, 1935, S - 454; A. K
ö h 1 e r und W. L o o s , Naturwiss., 29, IW, S. 49).
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Der Gedanke, durch Einführen einer zwischen Objektiv und Okular angeordneten
Hilfsoptik ein Zwischenbild der Austrittspupille des Objektivs zu erzeugen, um dort
Phasenplatten einzuführen, ist an sich nicht neu (F. Zernike, Physica,
9, 1942, S - 974; H. 0 s t e r b e r
g, JI. Opt. Soc. Amer. 38,
1948, S. 685) und bringt viele Vorteile
mit sich. Vor allem erlaubt diese Methode die Verwendung normaler Mikroskopobjektive
an Stelle der sogenannten Phasenobjektive, teurer Spezialobjektive, welche eine
eingebaute Phasenplatte enthalten. Insbesondere beim Auflichtmikroskop umgeht dieses
Zwischenbildverfahren auch die aus zahlreichen
Arbeiten bekannten
Schwierigkeiten (F. W. Cukow, JI. Iron and Steel Inst., 161, 1949, S. i;
HJ up nik, H. Ost er bergandG.E.Pride, JI. Op. Soc. Amer., 38, 1948, S.
338; E. W. T aylor, JI. Roy. Microsc. Soe., 69, 1949,
S. 49).
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Entscheidend für diese Methode ist die Wahl der Hilfsoptik, des sogenannten
Zwischensystems.
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So ist eine Auflicht-Phasenkontrastanordnung bekanntgeworden, welche
im Prinzip als Zwischensystem ein Okular verwendet (j. k. B e n f o r
d
and R. L. Seidenberg, jl. Opt. Soc. Amer., 4o, 1950, S. 314). Dies ist deshalb
möglich, weil bekanntlich im sogenannten Ramsdenschen Kreis eine Abbildung der Austrittspupille
des Objektivs erfolgt. Aber abgesehen davon, daß der Korrektionszustand eines handelsüblichen
Ohulars im Ramsdensehen Kreis nicht ausreicht, um dort eine quasiaehromatische Abbildung
der Kondensorringöffnung zu erhalten, so daß für diesen Fall ein Sonderokular durchgerechnet
werden muß, ist die Austrittspupille im Ramsden-Kreis auch bei schwachen Okularen
so stark verkleinert, daß eine Herstellung hinreichend kleiner Phasenringe beträchtliche
technische Schwierigkeiten mit sich bringt; und schließlich benötigt man dann zur
Beobachtung des Bildes noch ein Fernrohr, dessen Objektiv man, genaugenommen, noch
dem Zwischensystem zuzählen muß. Auch die Verwendung eines der üb-
lichen
Zusatzsysteme zum Mikroskop (vgl. z. B. deutsches Patent 410 071), deren
Zweck es ist, eine Tubusverlängerung für die Verwendung eines binokularen Aufsatzes
zu erzielen, und die gleichzeitig eine Verlagerung der Austrittspupille bewirken,
ist nicht zweckmäßig, weil sie nicht in axialer Richtung verschoben werden können,
ohne die Vergrößerungsverhältnisse und die Tubuslänge zu verändern.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine für verschiedene
Objektive universell anwendbare Vorrichtung zur Erzeugung von Phasenkontrast- und
Blendeneffekten zu schaffen. Durch die Erfindung kann weiters auch das Problem gelöst
werden, für eine ganze Reihe von Objektiven mit einer einzigen Phasenplatte oder
Blende das Auslangen zu finden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, bei einem Mikroskop,
bei dem zwischen Ob-
jektiv und Okular eine Einrichtung zur Erzeugung von
Phasenkontrast- und Blendeneffekten sowie eine ein Zwischenbild der Austrittspupille
des Objektivs erzeugende Hilfsoptik vorgesehen sind, diese Hilfsoptik aus einem
zur Mikroskopachse koaxialen und in dieser Achse verschiebbaren teleskopischen Linsensystem
mit der Vergrößerung i auszubilden und eine Haltevorrichtung für die Phasenplatten
und Blenden am Ort der Zwischenabbildung der Austrittspupille vorzusehen, die vorzugsweise
gleichfalls axial verschiebbar ausgebildet wird.
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Damit wird eine Zusatzeinrichtung geschaffen, die zu jedem Mikroskop
für Auf- oder Durchlichtbeobachtung paßt und erlaubt, am Ort der Zwischenabbildung
die gewünschten Phasenkontrast- und Blendeneffekte zu erzeugen. Der mit der erfindungsgemäßen
Einrichtung erreichbare Fortschritt beruht auf der Verwendung eines weder vergrößernden
noch verkleinernden teleskopischen Linsensystems und seiner Verschiebbarkeit relativ
zur Haltevorrichtung für Phasenplatten oder Blenden, die ihrerseits selbst verschiebbar
sein kann. Ein Hauptvorteil besteht darin, daß durch das Verschieben der Hilfsoptik
das Objektbild in seiner Größe und Schärfe nicht verändert wird. Dies ermöglicht
eine normale Beobachtung und photographische Auswertung, dein noch der Vorzug der
leichten Korrigierbarkeit der Hilfsoptik zur Seite steht. Ein weiterer Fortschritt,
der namentlich bei gleichzeitiger Verschiebbarkeit von teleskopischem System und
Haltevorrichtung erzielbar ist, besteht darin, daß man nun mit nur einer Phasenplatte
für mehrere Objektive auskommen kann, was bei einem Mikroskop mit Wechselobjektiven
einen wesentlich geringeren Aufwand als bisher bei der Erzeugung von Phasenkontrast-
und Blendeneffekten erfordert.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip und die sich daraus ergebenden
Vorteile sind nachfolgend noch im einzelnen näher erläutert.
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Das teleskopische System besteht im Prinzip aus zwei Gliedern gleicher
Brennweite f (vgl. Abb. i). Der hintere BrennpanktF, des ersten Gliedes L,
(vorderer Breniipunkt.V1, Hauptpunktsabstand HJI, hl) fällt mit dem vorderen
Brenn punktP, des zweiten Gliedes L2 (hinterer Brennpunkt F 2'. Hauptpunktsabstand
H., - ' = h. zusammen. _I,2 Ein solches System hat die Eigenschaft,
den Dingraum verkehrt, aber maßstabrichtig i - i, und um die Distanz 4f
+ hl + A2 in der Lichtdurchgangsrichtung verschoben, in den Bildraum
überzuführen. Sein Vorteil liegt auf der Hand: Baut man es, in der Richtung seiner
Achse (die sich mit der Mikroskopachse deckt) verschiebbar, in einem um 4
f + le, + k2 verlängerten Mikroskoptubus ein, so entsteht unabhängig
von der Lage dieses Hilfssystems ein Bild des Objektes ohne übervergrößerung in
genau demselben unveränderlichen Ab-
stand vom Ende des verlängerten Tubus,
in dem es ohne Zwischensystem vom Ende' des normalen Tubus entstehen würde. Es kann
daher, wie üblich, mit dem Okular beobachtet und z. B. mittels Aufsatzkamera photographiert
werden. Führt man außerdem dort, wo das Hilfssystem (oder ein Teil des Hilfssystems)
ein reelles Bild der Austrittspupille des Objektivs erzeugt, eine Phasenplatte mit
Hilfe einer geeigneten Aufnahmevorrichtung (die auch eine Wechselvorrichtung nach
Art eines Revolvers od. dgl. sein kann) ein, so zeigt das Bild des Objektes im Okular
oder in der Kamera auch den als Phasenkontrast bekannten Effekt (vorausgesetzt,
daß die auch sonst für das Phasenkontrastverfahren üblichen Zusatzeinrichtungen,
wie Ringöffnung unterhalb des Kondensors und Hilfsmikroskop für die Einstellung
und Justierung, vorgesehen sind). Ein weiterer Vorteil dieses Zwischensystems ist
es, daß sich sein Korrektionszustand ohne besondere Schwierigkeiten auf eine alle
Ansprüche
befriedigende Höhe bringen läßt. Häufig wird auch die
bildaufrichtende Wirkung des Zwischensystems als Vorteil empfunden werden.
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Der entscheidende Vorteil des beschriebenen Zwischensvstems lieLyt,
wie schon bemerkt, darin, daß man es in der Richtung seiner Achse verschieben kann,
ohne dabei die Lage oder die Größe des Objektbildes zu beeinflussen. Diese Verschiebungsmöglichkeit
sowie die Möglichkeit, die Phasenplatten (bzw. ihre Aufnahmevorrichtung) zu verschieben
oder auch Zwischensystem und Phasenplatten gleichzeitig (gekoppelt oder voneinander
unabhängig) zu verschieben, ist nach der Erfindung, je nach Ausführungsform,
aus folgenden Gründen vorgesehen: i. Soll die Vorrichtung für verschiedene
Objek-
tive anwendbar sein, so muß die Tatsache berücksichtigt werden, daß
die Austrittspupillen der Objektive nicht alle im gleichen Abstand von der Ansitzfläche
der Objektive und daher ihre Zwischenbilder im Tubtis keineswegs an ein- und demselben
Ort liegen. Aus konstruktiven Gründen ist es aber weitaus am einfachsten, die Aufnahinevorrichtung
für die Phasenplatten fest anzuordnen und das Zwischensvstem zwecks Fokussierung
des Bildes der iingöffnung auf die Phasenplatte verschiebbar zu machen. (Zu diesem
Zwecke muß, vgl. das folgende Ausführungsbeispiel B, das Zwischensystem in einem
Abstand von der Austrittspupille der Objektive angeardriet ein. dür größer isr als
2i).
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2. Anstatt zu jedem Objektiv eine eigene Phasenplatte mit den für
die Phasenringe üblichen Aperturverhältnissen vorzusehen, kann man mit einer einzigen
Phasenplatte das- Auslangen finden, indem man nur die Austrittspupille des stärksten
verwendeten Objektivs etwa in wahrer Größe abbildet; die Austrittspupillen aller
schwächeren Objektive bildet man hingegen durch entsprechendes Einstellen des Zwischensysterns
(und zwar durch Entfernen von der Austrittspupille) nur durch dessen erstes Glied
reell und so weit verkleinert ab, daß die Zwischenbilder der gebräuchlichen Kondensorringöffnungen
auf der zu diesem Zwecke ebenfalls verschiebbaren Phasenplatte gleich groß sind.
(Nimmt man es in Kauf, daß die Phasenringe bei starken Objektiven relativ große,
bei schwachen relativ kleine Aperturanteile einnehmen, während es üblicherweise
umgekehrt ist, bedarf es dieser verkleinernden Abbildung natürlich nicht.) Im folgenden
seien Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben: A. Für das normale,
aufrechte Mikroskop üblicher Bauart (beispielsweise Reichert Type RC oder Me
N).
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Abb. 2 skizziert ein Schema für Durchlicht, Abb. 3 eines für
Auflicht. Das Zwischensystem L,L2 ist innerhalb des (nicht gezeichneten) Tubus so
nahe an das Objektiv 0 herangebracht, daß von der Austrittspupille
A ein reelles, unvergrößertes Bild bei A' entsteht, woselbst die Phasenplatte
in ihrer Halte- oder Wechselvorrichtui-ig angeordnet wird, während in B' das Bild
des Objektes P ohne Übervergrößerung und im Abstand 4 f + hl
+ h2 von jenem Ort B entsteht, an dem es ohne Zw:ischensystem liegen
würde. Man erkennt leicht, daß, sofern der Abstand s des Vordergliedes L,
von der Austrittspupille A kleiner ist als :2 f, das Bild der
Austrittspupille ebenfalls wahre Größe hat. Um diesen Betrag 4f + ki + h2
ist also die Baulänge des Mikroskoptubus zu vergrößern, um dieselben Ab-
bildungsverhältnisse
wie beim normalen Mikroskop zu erhalten. Falls diese Tubusverlängerung als störend
empfunden wird, kann durch entsprechende Umlenkung des Strahlenganges mit bekannten
Mitteln leicht erreicht werden, daß das Auge des Beobachters trotzdem in bequemer
Arbeitsstellung ist. Übrigens läßt sich auch zeigen (und das gilt auch für den folgenden
Absatz B), daß die von jedem Zwischensystem erzeugte Bildverschiebung von B nach
B' gerade beim teleskopischen Svstem mit der Vergrößerung i : i ein Minimum
ist. Bei alldem macht es hinsichtlich der Anwendung der Einrichtung mit der Zwischenoptik
keinen Unterschied aus, ob es sich um Durchlicht- oder Auflichtbeobachtung handelt.
Im ersten Fall befindet sich die mit dem Phasenring korrespondierende Ringöffnung
D unterhalb des Durchlichtkondensors K (Abb. --,), während im zweiten Fall
ein VertikalilluminatorI unter Verivendung #,erkürzter Objektive am Mikroskop beiestigt
ist und die Ringöffnung D am Eingang des summarisch mit K bezeichneten Beleuchtungsansatzes
liegt (Abb. 3). Die Doppelpfeile i und a deuten in den Abb. 2 und
3 die oben beschriebene Möglichkeit an, Zwischensystem und Aufnahmevorrichtung
für die Phasenplatte allein oder gemeinsam verschiebbar anzuordnen.
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B. Gestürztes Mikroskop vom Le Chatelier-Typ (vgl. z. B. W. W i e
n und F. H a r m s, Handb. d.
Exper. Phys., Bd. XX/2, S. 4o2), beispielsweise
Reichert Type Me A.
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Aus konstruktiven Gründen ist es hier nicht möglich, mit dem Zwischensystem
so nahe an das Mikroskopobjektiv heranzukommen, daß die Austrittspupille durch das
System hindurch reell und in wahrer Größe abgebildet wird. Es ist vielmehr stets
ihr Abstand vom Vorderglied der Zwischenoptik größer als 2f und die AustrittspupilleA
(Abb.4, welche die Verhältnisse für Auflichtbeobachtung wiedergibt) wird jetzt reell
und etwas verkleinert im Raum zwischen den beiden Gliedern Li und L2 des Zwischensystems
abgebildet, woselbst die Phasenplatte verschiebbar angeordnet ist. Das Bild des
Objektes P hingegen entsteht wieder bei B' in gleicher Größe und in einer Entfernung
von 4 f + hl + h2 von j enem Ort B, an dem es ohne Anwendung
des Zwischensystems entworfen würde. Dabei ist es gleichgültig, ob das System im
normalen Einblicktubus (Beobachtung bei eingerücktem Prisma U,) oder in einem
zweiten, am gestürzten Mikroskop meist vorgesehenen seitlichen Beobachtungs- und
Phototubus (Beobachtung
bei ausgerücktem Prisma U, über
das Prisma U',) eingeführt wird.
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Die im Ausführungsbeispiel B) beschriebene Anordnung des Zwischensystems
ist übrigens mit Vorteil-auch beim aufrechten Mikroskoptypus'verwendbar.
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Es sei hervorgehoben, daß die vorstehend beschriebene Erfindung nicht
nur als Phasenkontrasteinrichtung, sondern auch zur Realisierung verschiedener Blendeneffekte,
wie z. B. des Effektes -von »schiefer« Beleuchtung und von »Dunkelfeld«-Beleuchtung
(vgl. F. Zernike, Physica, 9, 1942, S. 686 und 974) sowie des Blendenkontrastes
(vgl. A. F. Hallimond, Nature, 159, 1947, S. 851), Verwendung finden
kann, indem am Ort des Bildes der Austrittspupille anstatt der Phasenplatten passend
geformte Blenden und in der Eintrittspupille des Kondensors die korrespondierenden
Öffnungen eingeführt werden.