WO2003029872A1 - Optisches modulationselement zur nutzung in mikroskopen - Google Patents

Optisches modulationselement zur nutzung in mikroskopen Download PDF

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Carsten Hoyer
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Carl Zeiss Jena Gmbh
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/06—Means for illuminating specimens
    • G02B21/08—Condensers
    • G02B21/14—Condensers affording illumination for phase-contrast observation

Definitions

  • the invention relates to an optical modulation element for use in an optical microscope. It is known in microscopy that objects which do not have any transparency differences from the surroundings, but only differ in refractive index or thickness from the surroundings, cannot be made visible using normal bright-field microscopy methods. So-called phase contrast devices can be used to make these objects visible, e.g. are described in German patents DR 63 61 68 and DE 97 41 73. In these devices, so-called "phase rings” are usually arranged in the exit pupil of the objective, which are mapped onto corresponding diaphragms arranged in conjugate planes of the illuminating beam path. These phase rings consist of ring-shaped structures which change the phase or amplitude of the transmitted light. Corresponding ring-shaped diaphragms become usually arranged in the rear focal plane of the condenser so that they are imaged exactly on the phase rings by the optical system consisting of condenser and objective.
  • DE-OS 25 23 463 and 25 23 464 it was proposed to use three strip-shaped areas with different optical properties (transparency, color, polarization, phase shift) instead of the ring-shaped structures. In addition to the visualization of the phase differences, there is a relief effect similar to that with one-sided oblique lighting. This effect is called Hoffman modulation contrast after its inventor.
  • the ring-shaped or strip-shaped structures mentioned are referred to as modulation elements or modulators.
  • the size and shape of the modulator can be adjusted or the permeability of the central region can be varied.
  • an optical modulation element for use in an optical microscope with an optical beam path, consisting of at least three areas of different optical properties, means being provided which determine the size of the optical areas and / or the optical properties of the beam path Ranges vary.
  • optical elements of different transparency are defined jointly or individually, that is to say can be introduced into the optical beam path with a predetermined effective cross section.
  • Preferred optical elements are plates, a first of which is preferably made of glass and has a transparency of 50%, a second has a transparency of 0% and which are oriented essentially perpendicular to the optical axis of the microscope. In order to achieve 100% transparency, the light is let through unhindered at the predetermined points.
  • the optical elements are glass plates which are provided with a stripe pattern having a sin z -shaped distribution of transparency, so that the average transparency of 50% results, the periods of the sin 2 -shaped distribution are preferably the same.
  • a preferred embodiment of the invention results if the two plates are realized in the form of slides, as is common in microscopy, for example in the form of filter slides. By inserting the slider at different distances and thus the. Plates can be easily realize different areas with different transparency values in the optical beam path of the microscope.
  • a particularly preferred implementation of the invention results if the two slides have projections on the mutually facing sides which can engage with one another, so that the second slider is taken along when one slider is moved. As a result, the second slide can be implemented without its own actuating element and can nevertheless be inserted or removed in a defined manner in the beam path.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of the modulator according to the invention in a side view
  • FIGS. 2 to X show different settings of the modulator for realizing the different types of contrast.
  • the modulator receptacle 1 of a condenser defines the effective beam cross section of the illuminating beam path of a microscope, also not shown here.
  • a glass plate 3 movable in the modulator receptacle 1 perpendicular to the optical axis 2 of the illuminating beam path has 50% transparency and is operatively connected via a front projection 4 and a rear projection 5 to a front projection 6 and a rear projection 7 of a second plate 8, which 0% transparency, feasible.
  • This second plate 8 can also be moved perpendicular to the optical axis 2 via an actuating element 9. If the plate 8 is now inserted into the beam path from the position shown in FIG.
  • the plate 8 does not slide permeable plate 8 over the semipermeable plate 3.
  • the rear projections 5 and 7 then take the plate 3 to an end stop, not shown here.
  • the result is illumination in the one-sided dark field, as shown in FIG. 2.
  • the plate 8 is now pulled out of the beam path by means of the actuating element 9, the semi-transparent plate 3 initially remains in place, the plate 9 exposes an area of the beam path with 50% transparency. The result is shown in Fig. 3 and brings about the normal Hoffman modulation contrast.
  • the plate 8 If the plate 8 is pulled further out of the beam path, the proportion of the effective cross section of the illumination beam path increases, which is damped by 50%; a modified Hoffman modulation contrast results. If the plate 8 is pulled out further, the rear projection 7 of the plate 8 comes into operative connection with the front projection 4 of the semipermeable plate 3 and takes it along, so that the beam path is released. In the front end position, which is shown in FIG. 4, the illuminating beam path is not influenced by the modulator, normal bright field illumination results.
  • any distributions of the uninfluenced, 50% subdued and completely blocked lighting can be achieved, which allows a variable adaptation of the imaging conditions to the specimens in a simple manner.
  • the two plates 3 and 8 consist of glass and are each covered with a stripe structure with a sin 2 -shaped distribution of transparency and the same period, the transparency changing spatially between 0 and 100% and so that the average transparency is 50%.
  • the arrangement and movement of the plates 3 and 8 is realized in the same way as in the above embodiment. With this solution it is also possible to sensitively adjust the transparency in the overlap area of the two plates between 50% (stripe structures congruent) and 100% (stripe structures shifted by half a period).
  • the implementation of the invention is not tied to the specified exemplary embodiments; in particular, other devices for displacing the optical means of the modulator can also be implemented.
  • the two plates 3 and. 8 in such a way that other optical properties such as color, polarization or phase shift can be specifically varied instead of transparency.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Modulator zur Nutzung in einem optischen Mikroskop, welcher die Einstellung verschiedener Kontrastmethoden ermöglicht. Dazu besteht der Modulator aus 2 Platten (3 und 8) verschiedener Transparenz, die gezielt in den Beleuchtungsstrahlengang des Mikroskops einbringbar sind.

Description

OPTISCHES MODULATIONSELEMENT ZUR NUTZUNG IN MIKROSKOPEN
Die Erfindung betrifft ein optisches Modulationselement zur Benutzung in einem optischen Mikroskop. In der Mikroskopie ist es bekannt, dass Objekte, welche keine Transparenzunterschiede zur Umgebung aufweisen, sondern sich lediglich in der Brechzahl oder der Dicke vom Umfeld unterscheiden, mit normalen Hellfeld-Mikroskopierverfahren nicht sichtbar gemacht werden können. Zur Sichtbarmachung dieser Objekte kann man sogenannte Phasen- ko trasteinrichtungen benutzen, wie sie z.B. in den deutschen Patentschriften DR 63 61 68 und DE 97 41 73 beschrieben sind. Bei diesen Einrichtungen werden meist in der Austrittspupille des Objektivs sogenannte „Phasenringe" angeordnet, welche auf entsprechende in konjugierten Ebenen des Beleuchtungsstrahlenganges angeordnete Blenden abgebildet werden. Diese Phasenringe bestehen aus ringförmigen Strukturen, welche die Phase oder Amplitude des durchgelassenen Lichts ändern. Entsprechende kreisringförmige Blenden werden in der Regel in der hinteren Brennebene des Kondensors so angeordnet, dass sie von dem aus Kondensor und Objektiv bestehenden optischen System exakt auf die Phasenringe abgebildet werden.
In den DE-OS 25 23 463 und 25 23 464 wurde vorgeschlagen, statt der ringförmigen Strukturen drei streifenförmige Bereiche mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften (Transparenz, Farbe, Polarisierung, Phasenverschiebung) zu verwenden. Dabei tritt zu der Sichtbarmachung der Phasenunterschiede noch ein Reliefeffekt ähnlich dem bei einseitiger schiefer Beleuchtung hinzu. Dieser Effekt wird nach seinem Erfinder Hoffman-Modulations-Kontrast genannt. Die genannten ring- oder streifenformigen Strukturen werden als Modulationselemente oder Modulatoren bezeichnet. In der DE-OS 25 23 463" wurde auch vorgeschlagen, dass Größe und Form des Modulators verstellbar sind bzw. die Durchlässigkeit der mittleren Region variiert werden kann. Technische Mittel, mit denen sich diese Variationen realisieren lassen, wurden nicht offenbart . Auch in der Folgezeit wurden die entsprechenden Mikroskope ausschließlich mit vorbestimmten, vom Nutzer nicht veränderbaren Modulatoren gebaut. Dadurch war eine Anpassung der Beobachtungsbedingungen an die jeweiligen Eigenschaften der zu mikroskopierenden Präparate nur durch Austausch der Modulatoren möglich, wie dies z.B. in der Patentschrift US 5,969,853 mit einer Vielzahl verschiedener Modulatoren zum Ausdruck kommt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, diese Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und einen optischen Modulator anzugeben, welcher in einfacher Weise an unterschiedliche Präparatbedingungen angepasst werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein optisches Modulationselement zur Nutzung in einem optischen Mikroskop mit einem optischen Strahlengang, bestehend aus mindestens drei Bereichen unterschiedlicher optischer Eigenschaften, wobei Mittel vorgesehen sind, welche die im Strahlengang wirksame Größe der optischen Bereiche und/oder die optischen Eigenschaften der Bereiche variieren.
Weitere vorteilhafte* Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt .
Dabei ist es von Vorteil, wenn zwei oder mehr optische Elemente unterschiedlicher Transparenz gemeinsam oder einzeln definiert, d.h. mit vorbestimmten Wirkquerschnitt in den optischen Strahlengang einbringbar sind. Bevorzugte optische Elemente sind Platten, von denen eine erste vorzugsweise aus Glas ist und eine Transparenz von 50% aufweist, eine zweite eine Transparenz von 0% aufweist und welche im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse des Mikroskops orientiert sind. Zur Realisierung einer 100% Transparenz wird das Licht an den vorbestimmten Stellen ungehindert durchgelassen. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn die optischen Elemente Glasplatten sind, welche mit einem Streifenmuster mit einer sinz-förmigen Verteilung der Transparenz versehen sind, so dass die gemittelte Transparenz 50% ergibt, wobei die Perioden der sin2 -formigen Verteilung bevorzugt gleich sind. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn die beiden Platten in Form von Schiebern realisiert werden, wie das in der Mikroskopie z.B. in der Form von Filterschiebern weithin üblich ist. Durch unterschiedlich weites Einbringen der Schieber und damit der . Platten lassen sich in einfacher Weise unterschiedliche Bereiche mit verschiedenen Transparenzwerten im optischen Strahlengang des Mikroskops realisieren. Eine besonders bevorzugte Verwirklichung der Erfindung ergibt sich, wenn die beiden Schieber an den einander zugewandten Seiten Auskragungen aufweisen welche ineinander eingreifen können, so dass bei Bewegung eines Schiebers der zweite mitgenommen wird. Dadurch lässt sich der zweiten Schieber ohne eigenes Betätigungselement realisieren und trotzdem definiert in den Strahlengang einbringen oder herausnehmen. Überraschenderweise lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Modulator nicht nur Ergebnisse erzielen, die dem Hoffman- Modulations-Kontrast entsprechen, sondern auch' dem VAREL- Kontrast vergleichbar sind (variabler Reliefkontrast, beschrieben in DE-GM 82 19 123) ; darüber hinaus sind sowohl einseitiges Dunkelfeld sowie Hellfeld realisierbar.
Die zur Realisierung der verschiedenen Kontrastarten notwendigen Stellungen der beiden Glasplatten zueinander werden im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Modulators in Seitenansicht und die Fig. 2 bis X verschiedene Einstellungen des Modulators zur Realisierung der verschiedenen Kontrastarten.
In Fig. 1 definiert die Modulatoraufnahme 1 eines hier nicht dargestellten Kondensors den wirksamen Strahlquerschnitt des Beleuchtungsstrahlengangs eines ebenfalls hier nicht dargestellten Mikroskops. Eine in der Modulatoraufnahme 1 senkrecht zur optischen Achse 2 des BeleuchtungsStrahlengangs bewegbare Glasplatte 3 weist 50% Transparenz auf und ist über eine vordere Auskragung 4 und eine hintere Auskragung 5 in Wirkverbindung mit einer vorderen Auskragung 6 und eine hintere Auskragung 7 einer zweiten Platte 8, welche 0% Transparenz aufweist, bringbar. Diese zweite Platte 8 ist über ein Betätigungselement 9 ebenfalls senkrecht zur optischen Achse 2 bewegbar. Wird nun mittels des Betätigungselementes 9 die Platte 8 ausgehend von der in Fig. 1 dargestellten Stellung in den Strahlengang eingeschoben, so schiebt sich die nicht durchlässige Platte 8 über die halbdurchlässige Platte 3. Über die hinteren Auskragungen 5 und 7 wird dann die Platte 3 mitgenommen bis zu einem hier nicht dargestellten Ξndanschlag. Das Ergebnis ist eine Beleuchtung im einseitigen Dunkelfeld, wie in Fig. 2 dargestellt.
Wird jetzt mittels des Betätigungselementes 9 die Platte 8 aus dem Strahlengang gezogen, verbleibt die halbdurchlässige Platte 3 zunächst an ihrem Platz, die Platte 9 gibt einen Bereich des Strahlengangs mit 50% Transparenz frei. Das Ergebnis ist in Fig. 3 dargestellt und bewirkt den normalen Hoffman-Modulations- Kontrast .
Wenn die Platte 8 weiter aus dem Strahlengang gezogen wird, steigt der Anteil des Wirkquerschnitts des Beleuchtungsstrahlengangs, welcher zu 50% gedämpft wird; es ergibt sich ein modifizierter Hoffman-Modulations-Kontrast . Wird die Platte 8 weiter herausgezogen, so kommt die hintere Auskragung 7 der Platte 8 in Wirkverbindung mit der vorderen Auskragung 4 der halbdurchlässigen Platte 3 und nimmt diese im weiteren Verlauf mit, so dass der Strahlengang freigeben wird. In der vorderen Endstellung, welche in Fig. 4 dargestellt ist, wird der Beleuchtungsstrahlengang durch den Modulator nicht beeinflusst, es ergibt sich normale Hellfeld-Beleuchtung.
Insgesamt lassen sich mit dieser Realisierung der Erfindung beliebige Verteilungen der unbeeinflussten, zu 50% gedämpften und komplett geblockten Beleuchtung erzielen, was eine variable Anpassung der Abbildungsverhältnisse an die Präparate in einfacher Weise erlaubt.
Eine weitere günstige Realisierung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass die beiden Platten 3 und 8 aus Glas bestehen und jeweils mit einer Streifenstruktur mit sin2-förmiger Verteilung der Transparenz und gleicher Periode belegt werden, wobei die Transparenz räumlich zwischen 0 und 100% wechselt und damit die mittlere Transparenz bei 50% liegt. Die Anordnung und Bewegung der Platten 3 und 8 wird in gleicher Weise wie im obigen Ausführungsbeispiel realisiert. Mit dieser Lösung ist es zusätzlich möglich, die Transparenz im Überdeckungsbereich der beiden Platten feinfühlig zwischen 50% (Streifenstrukturen deckungsgleich) und 100% (Streifenstrukturen um eine Halbe Periode gegeneinander verschoben) zu variieren.
Die Realisierung der Erfindung ist nicht an die angegebenen Ausführungsbeispiele gebunden, insbesondere sind auch andere Einrichtungen zum Verschieben der optischen Mittel des Modulators realisierbar .
Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung möglich, die beiden Platten 3 und. 8 so auszugestalten, dass statt der Transparenz andere optische Eigenschaften wie Farbe , Polarisation oder Phasenverschiebung gezielt variiert werden können .

Claims

Ansprüche :
1. Optisches Modulationselement zur Nutzung in einem optischen Mikroskop mit einem optischen Strahlengang, bestehend aus mindestens drei Bereichen unterschiedlicher optischer Eigenschaften, wobei Mittel vorgesehen sind, welche die im Strahlengang wirksame Größe der optischen Bereiche und/oder die optischen Eigenschaften der Bereiche variieren.
2. Optisches Modulationselement nach Anspruch 1, bei dem die Mittel zur Variation der optisch wirksamen Bereiche aus mindestens einem ersten und einem zweiten optischen Element unterschiedlicher Transparenz bestehen, welche einzeln und/oder gemeinsam so in den optischen Strahlengang einbringbar sind, dass ihre Wirkungsfläche in dem optischen Strahlengang variierbar ist.
3. Optisches Modulationselement nach Anspruch 2, wobei das erste optisches Element eine Glasplatte mit einer Transparenz von vorzugsweise 50% und das zweite optische Element eine Platte mit einer Transparenz von vorzugsweise 0% ist, wobei die Platten im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse des optischen Strahlengangs orientiert sind.
4. Optisches Modulationselement nach Anspruch 2, wobei das erste und das zweite optisches Element im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse des optischen Strahlengangs orientierte Glasplatten mit einem Streifenmuster mit sin3- förmiger Verteilung der Transparenz sind, wobei die mittlere Transparenz vorzugsweise 50% beträgt.
5. Optisches Modulationselement nach Anspruch 4, wobei die Perioden der sin2-förmigen Verteilung der Transparenz des ersten und des zweiten optischen Elements im wesentlichen gleich sind.
6. Optisches Modulationselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die beiden optischen Elemente jeweils als Schieber ausgeführt sind.
7. Optisches Modulationselement nach Anspruch 6 , wobei die beiden Schieber miteinander gekoppelt sind und nur eine der beiden Schieber ein Betätigungselement aufweist.
8. Optisches Modulationselement nach Anspruch 7, wobei der erste Schieber ein Betätigungselement und im wesentlichen an seiner distalen und an seiner proximalen Seite eine Auskragung aufweist, welche in Richtung auf den zweiten Schieber gerichtet ist, wobei der zweite Schieber ebenfalls im wesentlichen an seiner distalen und proximalen Seite Auskragungen aufweist, welche ihrerseits in Richtung auf den ersten Schieber gerichtet sind und wobei die Auskragungen mittels des Betätigungselementes lösbar in Eingriff bringbar sind, so dass bei Betätigen des Bedienelementes eine definierte Mitnahmebewegung des zweiten Schiebers bewirkt werden kann.
9. Mikroskop mit einem Optischen Modulationselement nach einem der vorherigen Ansprüche.
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