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Interferenz-Mikroskop Die Erfindung bezieht sich auf ein Interferenz-Mikroskop.
Ein solches Mikroskop kann auf zwei Weisen ausgeführt werden.
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Beim ersten Typ hat man zwei geometrisch verschiedene optische Wege.
Die Bündel, die dem ersten Weg folgen, bilden den kohärenten Hintergrund, während
die; welche dem zweiten Weg folgen, durch das Objekt gehen.
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Beim zweiten Typ hat man geometrisch nur einen Weg, aber man erzeugt
zwei Bündel mit einem erheblichen Phasenunterschied.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Mikroskop von dem zweiten Typ,
das an sich bekannt ist. Die im bekannten Mikroskop verwendeten. optischen Elemente
zur Aufspaltung bzw. Wiedervereinigung der beiden Bündel sind aber in solcher Weise
ausgebildet und angeordnet, daß verschiedene Nachteile auftreten. Diese Elemente
werden von doppelbrechenden Linsen oder Prismen gebildet, die zu einem verhältnismäßig
komplizierten Aufbau des Interferenzmikroskops führen und im Raum unterhalb des
Kondensors oder im Kondensor bzw. oberhalb des Objektivs oder in diesem angeordnet
sind, wo die Bündel einen ziemlich großen Querschnitt haben. Es sind dadurch doppelbrechende
Elemente großer Abmessungen erforderlich.
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Ein weiterer Nachteil des Mikroskops mit doppelbrechenden Linsen besteht
darin, daß die beiden doppelbrechenden Elemente durch die zwischen diesen liegenden
Kondensor- und Objektivteile aufeinander abgebildet werden müssen. Damit sind die
optischen Wegstrecken, die von aus verschiedenen
Richtungen auf
die doppelbrechenden Elemente einfallenden Lichtstrahlen in diesen Elementen zurückgelegt
werden, einander gleich. Diese konjugierte Abbildung ist aber unumgänglich mit erheblichen
Abbildungsfehlern verbunden, da eine Abbildungsoptik bekanntlich nur für einen einzigen
Dingabstand, und zwar bei einem Mikroskopobjektiv einen sehr kurzen, korrigiert
sein kann und das Objektiv demgegenüber in bezug auf die konjugierte Abbildung der
doppelbrechenden Linsen wegen des parallelen Strahlenganges im Objektraum im wesentlichen
für unendliche Dingentfernung korrigiert sein müßte. Der Forderung der fehlerfreien
konjugierten Abbildung kann daher nicht völlig entsprochen werden.
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Beim bekannten Prismensystem ist zwar die konjugierte Aufstellung
der doppelbrechenden Elemente für die Arbeitsweise des Mikroskops nicht wesentlich.
Eine Abweichung macht sich jedoch dadurch bemerkbar, daß sich voneinander abweichende
Phasenunterschiede für die einzelnen Punkte im Blickfeld ergeben, die zum Entstehen
gerader, isophasischer Linien im Bild Anlaß geben und mit weiteren Hilfsmitteln
beseitigt werden müssen.
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Eine weitere Ursache der Kontrastverschlechterung bei den Anordnungen
der britischen Patentschrift 639 oiq. besteht darin, daß an den zwischen den doppelbrechenden
Elementen (Linsen oder Prismen) liegenden, teilweise stark gekrümmten brechenden
Flächen eine Verdrehung der Polarisationsebenen der Teilbündel infolge der unterschiedlichen
Reflexion der senkrecht bzw. parallel zur Einfallsebene schwingenden Komponente
eintritt. Dadurch enthalten die Teilbündel beim Eintreten in das zweite doppelbrechende
Element wiederum Komponenten, die nicht zum gewünschten Interferenzbild beitragen
und daher den Kontrast verschlechtern. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Interferenz-Mikroskop
vom obenerwähnten zweiten Typ zu schaffen, bei dem diese Nachteile vermieden sind.
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Nach der Erfindung wird bei einem Interferenz-Mikroskop, in welchem
ein polarisiertes Lichtbündel in ein Abbildungsbündel und ein Bündel für den kohärenten
Hintergrund aufgeteilt wird, welche Teilbündel geometrisch dieselben Wege durchlaufen,
die Aufteilung in die beiden Teilbündel durch eine parallel zur optischen Achse
geschliffene, doppelbrechende Kristallplatte erzeugt, die im konvergierenden, polarisierten
Lichtbündel zwischen dem Kondensor und dem Objekt angeordnet ist, während die Vereinigung
der beiden Teilbündel von einer zweiten, ebenfalls parallel zur optischen Kristallachse
geschliffenen, doppelbrechenden Kristallplatte bewerkstelligt wird, die in dem divergierenden
Teilbündel zwischen dem Objekt und dem Objektiv angeordnet ist, wonach die wiedervereinigten
Teilbündel einen Analysator durchlaufen.
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Mit einem solchen Mikroskop vermeidet man nicht nur die obenerwähnten
Nachteile des bekannten Mikroskops, sondern es wird außerdem der große Vorteil erzielt,
daß durch Anwendung von zwei kleinen Kristallplatten und des üblichen Polarisators
und Analysators bei einem Mikroskop normaler Bauart dieses zu einem Interferenz-Mikroskopwird,
wie das auch bei einem von A. A. L eb ed e f f in »Revue d'Optique«, Bd. 9, 1930,
S. 385 bis 388 und 392 bis 395, beschriebenen Mikroskop der Fall ist. Die Kristallplatten
können klein sein, weil sie erfindungsgemäß nahe am Objekt angeordnet werden können,
wo die wirksamen Lichtbündel ihren kleinsten Durchmesser haben.
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Es sei erwähnt, daß die Anwendung doppelbrechender Kristallplatten
bei einem Mikroskop an sich aus dem obenerwähnten Aufsatz von Lebede f f in »Revue
d'Optique« bekannt ist. Dort sind die Kristallplatten jedoch nicht parallel oder,
wie es bei einer nachstehend zu beschreibenden weiteren Ausführungsform der Erfindung
der Fall ist, senkrecht zur optischen Kristallachse geschliffen, sondern derart,
daß bei senkrechtem Einfall des Lichtstrahls der größtmögliche Abstand zwischen
dem ordentlichen und dem außerordentlichen Strahl erhalten wird. Dieser grundsätzliche
Unterschied führt dazu, daß beim Lebedeffschen Mikroskop die beiden erhaltenen Teilbilder
nicht wie bei der Erfindung axial, sondern lateral verschoben sind, also gleichzeitig
scharf beobachtet werden. Beim erfindungsgemäßen Mikroskop wird nur eins der Teilbilder
beobachtet, während das andere so weit außer der Einstellebene liegt, daß es unsichtbar
ist.
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Abgesehen von diesem grundsätzlichen Unterschied ist ein weiterer
Nachteil der Anordnung nach L eb e d e f f darin zu erblicken, daß bei größtmöglichem
Abstand zwischen den Teilbildern wegen der dann benötigten dicken doppelbrechenden
Platten nur schwache Vergrößerungen anwendbar sind. Bei stärkeren Vergrößerungen
können die dicken Platten nicht mehr in dem geringen Raum zwischen der Frontlinse
des Objektivs und dem Objekt untergebracht werden.
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Versucht man aber, diesen Nachteil unter Aufgabe der maximalen lateralen
Verschiebung der Teilbilder dadurch zu umgehen, daß man die doppelbrechenden Platten
dünner macht, so muß bekanntlich zwecks Steigerung des Auflösungsvermögens und Vermeidung
von Störungserscheinungen durch Stäubchen und Unregelmäßigkeiten im Okular die Beleuchtungsapertur
gesteigert werden. Dann tritt aber der Nachteil auf, daß jedes der Teilbündel nach
Durchgang durch die Y2-Platte nicht mehr linear, sondern-elliptisch polarisiert
ist, weil der optische Weglängeunterschied für die beiden Teilbündel bei schiefer
Einfallsrichtung im allgemeinen einen anderen Wert als Y2 hat. Ein weiterer Effekt
besteht darin, daß die längere Achse dieser elliptischen Schwingungen um einen von
9o° abweichenden Winkel zur Schwingungsrichtung der auf die 212-Platte einfallenden
Teilbündel gedreht ist. Die in die zweite Platte eintretenden Teilbündel enthalten
also Komponenten, die nicht zum gewünschten Interferenzbild beitragen und daher
zu einer Verringerung des Kontrastes führen.
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Wenn die numerische Apertur des Mikroskops größer ist als
0,30, so empfiehlt es sich nach der
Erfindung, im Interferenz-Mikroskop
die Aufteilung in die beiden Teilbündel durch eine senkrecht zur optischen Kristallachse
geschliffene, doppelbrechende Kristallplatte zu erzeugen, die im konvergierenden,
polarisierten Lichtbündel zwischen dem Kondensor und dem Objekt angeordnet ist,
während die Wiedervereinigung der beiden Teilbündel von einer zweiten, ebenfalls
senkrecht zur optischen Kristallachse geschliffenen, doppelbrechenden Kristallplatte
bewerkstelligt wird, die in den divergierenden Teilbündeln zwischen dem Objekt und
dem Objektiv angeordnet ist, wonach die wiedervereinigten Teilbündel einen Analysator
durchlaufen. Der Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, daß noch dünnere Kristallplättchen
als bei der oben beschriebenen, ebenfalls erfindungsgemäßen Anordnung zur Anwendung
kommen können.
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Bei einer besonderen Weiterbildung dieser Ausführungsform ist das
aufzuteilende polarisierte Lichtbündel zirkular polarisiert und zwischen den beiden
doppelbrechenden Kristallplatten eine Schicht angeordnet, die die Polarisationsebene
um 9o° dreht.
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Diese und weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend an
Hand der Zeichnung näher erläutert.
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Fig. i stellt eine beispielsweise Ausführungsform des Interferenz-Mikroskops
nach der Erfindung schematisch dar; Fig.2 zeigt den Strahlengang in der Nähe der
Objektebene in Fig. i; Fig.3 stellt eine zweite Ausführungsform des Interferenz-Mikroskops
dar.
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Die Ausführungsform nach Fig. i und 2 eMpfiehlt sich für Mikroskope
mit einer numerischen Apertur bis höchstens 0,5.
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In Fig. i ist P ein Polarisator, C ein dreiteiliger Kondensor, Q1
eine einachsige Kristallplatte, die parallel zur optischen Achse geschliffen ist
und in dein 45°-Stand zum Polarisator P aufgestellt ist, G ein Objektträger, TI
das Objekt, Q2 eine einachsige Kristallplatte, die identisch mit Q1 und dazu gekreuzt
aufgestellt ist, O die Frontlinse des Objektivs, O, die Okularlinsen, A der Analysator.
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Weiterhin zeigt Fig. 2 den Strahlengang in der Nähe der Objektebene.
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Jeder von rechts kommende Strahl in Fig. 2 hat den Polarisator P (Fig.
i) durchlaufen und ist daher linear polarisiert. Dieser Strahl wird in der Kristallplatte
Q1 aufgespalten in einen ordinären Strahl o und einen extraordinären Strahl e von
gleicher Amplitude, weil Q1 in dem 45°-Stand zu P angeordnet ist. Beide Strahlen
passieren darauf G und V und treffen dann Q2. Da die optische Achse von Q2 zu der
von Q1 gekreuzt steht, wird der extraordinäre Strahl aus Q1 zum ordinären Strahl
in Q2, und umgekehrt. Es entstehen also nachfolgende zwei Abbildungen: i. Das Objekt
V wird von den ordinären Strahlen von Q2 in der Brennebene des Okulars abgebildet
und kann daher scharf beobachtet werden. 2. Die punktierte Fläche he wird von den
extraordinären Strahlen von Q2 außerhalb der Okularbrennebene abgebildet werden.
Man wird also bei geeigneter Dimensionierung von Q1 und Q2 in der Abbildung von
he nichts von dem Objekt beobachten.
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Die ordinären und extraordinären Lichtstrahlen, welche in Q1 entstanden
sind, werden von Q2 wieder zu einem Lichtstrahl vereinigt und haben dann denselben
optischen Weg zurückgelegt, wenn das Objekt nicht vorhanden ist. Wenn dies aber
vorhanden ist, entsteht ein Wegunterschied zwischen den Abbildungsbündeln und den
Bündeln, die den kohärenten Hintergrund bilden. Letztgenannte werden zwar auch von
dem Objekt V beeinflußt, aber der dadurch auftretende Phasenunterschied in der Okularbrennebene
wird für einen großen Teil des Objektes einen Mittelwert bilden und demzufolge nur
einen geringen Wert haben.
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Man kann die Kristallplatten z. B. aus Kalkspat herstellen mit einer
Dicke von 1,4 mm. Der Abstand VV, beträgt dann, in Luft gemessen, ioo Mikron, während
die Schärfetiefe bei einer numerischen Apertur von 0,30 nur 6 Mikron beträgt.
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Das in Fig. 3 dargestellte Mikroskop ist für eine numerische Apertur
größer als 0,30 gedacht und arbeitet mit einem zirkulär polarisierten Lichtbündel.
Es bedeutet P einen Polarisator, Pd eine 1/4 R-Platte, die in dem 45°-Stand zu P
angeordnet ist, D eine ringförmige Blende, C einen Kondensor, S1 eine einachsige
Kristallplatte, die senkrecht zur optischen Achse geschliffen ist, U eine Platte
von einem optisch aktiven Stoff, die die Polarisationsebene um go° dreht, G einen
Objektträger, h das Objekt, S2 eine Kristallplatte, die identisch mit S1 ist, O
die Frontlinse des Objektivs, Ad eine i/4 A-Platte, die in dem 45°-Stand
zum AnalysatorA angeordnet ist, A den Analysator.
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Das Objekt wird vorzugsweise mit einem konischen Lichtbündel beleuchtet.
Dies wird im Beispiel von Fig. 3 durch die ringförmige Blende D erreicht. Ein schräg
auf S1 einfallender Strahl zirkular polarisierten Lichtes wird in die senkrecht
zueinander schwingenden ordinären und extraordinären Strahlen aufgespalten, welche
in verschiedener Weise gebrochen werden. Es entsteht somit eine Situation, die mit
der in Fig. 2 gezeichneten analog ist. Um auch hier zu erreichen, daß der ordinäre
Strahl in S1 als extraordinärer Strahl durch S2 geht, und umgekehrt, wird U angebracht.
Dies ist eine Schicht, welche die Polarisationsebene um go° dreht und zu diesem
z. B. aus einer Platte aus einem optisch aktiven Stoff besteht. Da die Aufstellung
rotationssymmetrisch zur optischen Achse von S1 und S2 ist, trifft obige Beweisführung
für jeden Lichtstrahl zu.
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Es empfiehlt sich, die Platte U aus optisch aktivem Stoff zu achromatisieren,
weil optisch aktive Stoffe eine starke Dispersion des Drehungsvermögens aufweisen.
Die Achromatisierung kann durch Anordnung von zwei optisch aktiven Platten erzielt
werden, von denen die eine aus einem links- und die andere aus einem rechtsdrehenden
Stoff hergestellt
ist, welche beiden Stoffe eine verschiedene Dispersion
aufweisen. Durch geeignete Wahl der Dicken der beiden Platten wird erreicht, daß
für zwei Wellenlängen die Drehung der Polarisationsebene go° ist. Als Kombination
von optisch aktiven Stoffen kommt z. B. der aktive paranitrobenzolaminozimtsaure
Amylester und der paranitrozimtsaure Cholestervlester in Betracht.
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Die optisch aktive Platte U in Fig. 3 kann durch einen Satz von zwei
a/2-Platten ersetzt werden, die in 45°-Stellung zueinander angeordnet sind. Auf
diese Weise wird eine Drehung der Polarisationsebene um 9o° erzielt. Die zwei Platten
werden vorzugsweise durch die Anwendung von zwei geeigneten Stoffen achromatisiert,
z. B. Kunststoff und Gips oder sehr dünne Plättchen von Kalkspat und künstlichem
Rutil.
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Bei einer anderen Ausführungsform des Mikroskops nach der Erfindung
sind die zwei Kristallplatten S1 und S2 wieder einachsig und senkrecht zur optischen
Achse geschnitten, aber S1 ist nun aus einem positiven und S2 aus einem negativen
Kristall oder umgekehrt hergestellt, wobei keine Platte U benutzt wird. Die ordinären
und extraordinären Strahlen, die aus der ersten Kristallplatte treten, werden also
von der zweiten Kristallplatte wieder genau vereinigt, wenn kein Objekt vorhanden
ist, das Phasenunterschiede herbeiführt. Eine geeignete Kombination setzt sich z.
B. aus einem positiven Kristall aus künstlichem Rutil und einem negativen Kristall
aus Kalkspat zusammen.