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Optisches Polarisationssystem Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches,
bilddarstellendes Polarisationssystem mit einer relativ großen numerischen Objektivöffnung
und einem von einer Lichtquelle gespeisten Polarisator, der dem System polarisiertes
Licht zuführt, einem Analysator, der in gekreuzter Stellung in gewisser Entfernung
zu diesem Polarisator angeordnet ist.
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Auf dem Gebiet der Polarisationsmikroskope ist es bekannt, daß die
Flächen der Kondensor-, Objektträger- und Objektivlinsensysteme, die zwischen dem
üblichen Polarisator und dem Analysator eines Polarisationsmikroskops verwendet
werden, in verschiedenen Graden entsprechend dem Einfallwinkel des durch sie hindurchtretenden
Lichtes als Teilpolarisatoren wirken und den Löschungskoeffizienten des Systems
senken, indem sie das Licht in der Bildebene des Objektivs zu depolarisieren versuchen.
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Dieser Defekt wird zweckmäßig auf der hinteren Brennpunktebene oder
der rückwärtigen Objektivöffnung beobachtet. Wenn der Analysator in einer zum Polarisator
senkrechten Stellung steht, kann man vier durch ein dunkles Kreuz getrennte Lichtflächen
sehen. Infolgedessen konnte bisher eine völlige Löschung des vom Polarisator übertragenen
gesamten Lichtes weder an der hinteren Objektivöffnung noch an der Bildebene des
Objekts durch den in Kreuzstellung dazu aufgestellten Analysator erreicht werden.
Dies war auch dann der Fall, wenn eine mit großer Sorgfalt ausgeführte Optik im
Kondensor und im Objektiv verwendet wurde oder wenn hochwertige Polarisatoren und
Analysatoren verwendet wurden oder wenn im wesentlichen monochromatisches Licht
sorgfältig ausgewählter Wellenlänge benutzt wurde. Sind die Linsen des Systems völlig
verzerrungsfrei, dann ist das Polarisationsmuster ein vollkommen symmetrisches Kreuz.
Beim Drehen des Analysators öffnet sich das Kreuz in zwei in entgegengesetzten Quadranten
befindliche dunkle V, die sich bei weiter fortgesetzter Drehung symmetrisch zur
Kante des Feldes nach außen bewegen. Die Drehung in der entgegengesetzten Richtung
erzeugt zwei V in den beiden anderen gegenüberliegenden Quadranten.
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Diese Beobachtung beweist, daß das Licht noch linear polarisiert ist,
daß es aber tatsächlich beträchtlich gedreht worden ist. Der Drehungsgrad hängt
von der numerischen Systemöffnung und dem Azimutwinkel relativ zum Polarisator ab,
und der Drehungssinn verläuft in benachbarten Quadranten entgegengesetzt. Jeder
Punkt in der Bildebene des Objektivs erhält jedoch Strahlen von allen Teilen der
rückwärtigen Objektivöffnung, und das Ergebnis erscheint nicht als kreisförmig,
sondern als linear polarisiertes Licht, zu dem ein kleiner Teil unpolarisierten
Lichtes hinzukommt. Aus diesem Grunde soll der Ausdruck »Depolarisation« gebraucht
werden. wenn der Lichteffekt in der Bildebene beschrieben werden soll, und der Ausdruck
»Drehung« soll gebraucht werden, wenn der Lichteffekt in der rückwärtigen Öffnung
oder hinteren Brennpunktebene des Objektivs beschrieben werden soll.
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Je steiler die Oberflächen der übertragenden optischen Elemente eines
Systems in bezug auf das einfallende Licht aufgestellt sind, desto größer ist der
Depolarisationseffekt der Flächen. Auch ebene Flächen von lichtübertragenden Elementen
des Systems, beispielsweise ein Objektträger des Mikroskops und ein Deckglas, die
Teile aufweisen, welche das Licht schräg und unter hohem Einfallswinkel aufnehmen,
tragen gleichfalls zu einem Depolarisationseffekt bei. Wenn auch der Depolarisationseffekt
sowohl im Kondensor als auch im Objektiv den gleichen Drehsinn hat, kann er durch
einfachen Einbau von Zusatzlinsen nicht verringert werden. Jede Linsenfläche ist
zwar nur klein, doch summieren sich die Effekte und werden ziemlich groß und nachteilig,
wenn eine Anzahl lichtbrechender Flächen gemeinsam wirken, wie dies der Fall bei
einem hochwertigen üblichen Polarisationsmikroskop ist.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, mehrere eine geringe Reflexionswirkung
aufweisende Überzüge von bestimmter Stärke und richtigem Brechungsindex auf den
Oberflächen zu verschiedenen oder allen lichtübertragenden Elementen eines derartigen
Instruments anzubringen, um den Depolarisationseffekt zu
verringern.
Brechungsflächen, welche Licht schräg unter verschiedenen Einfallswinkeln aufnehmen,
wirken als Teilpolarisatoren und ergeben ungleiche übertragungskoeffizienten für
das in der Einfallsebene schwingende Licht und für das in einer zu dieser Ebene
senkrechten Ebene schwingende Licht. Die Drehung entsteht demgemäß aus verschiedenartigen
Reflexionsverlusten der Komponenten, die in der Einfallsebene und in einer senkrecht
dazu stehenden Ebene polarisiert werden. Wenn auch bessere Ergebnisse in Systemen,
die zur Verringerung der Reflexionsverluste derartige überzöge verwenden, erzielt
worden sind, gelangt immer noch etwas depolarisiertes Licht durch die Bildebene
des Objektivs, und dieses Licht verringert natürlich das Auflösungsvermögen, das
sonst erzielt werden könnte. Die Folge dieser Vorgänge war, daß man, um das Feld
dunkel zu halten, das Mikroskop mit erheblich verkleinerter numerischer Objektivöffnung
benutzte, mit dem Resultat, daß sein Auflösungsvermögen ebenfalls verringert wurde.
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Es wurde nun gefunden, daß eine wesentliche Verbesserung des optischen
Auflösungsvermögens eines Polarisationsmikroskops od. dgl. über die bisher erreichten
günstigsten Ergebnisse hinaus erhalten werden kann, wenn eine zugeordnete optische
Einrichtung in einem optischen Polarisationssystem verwendet wird, so daß es möglich
ist, eine im wesentlichen völlige Löschung des gesamten Lichtes an der hinteren
Objektivöffnung des Mikroskopobjektivs selbst bei verhältnismäßighohennumerischenObjektivöffnungen
zu erhalten und dadurch Einzelheiten sehr kleiner Objekte von schwacher Doppelbrechung
in einer Weise aufzulösen, wie dies bisher nicht erzielbar war.
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Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch eine erste Gruppe und eine
zweite Gruppe von lichtbrechenden Linsenkomponenten, die optisch ausgerichtet auf
einer gemeinsamen optischen Achse zwischen dem Polarisator und dem Analysator angeordnet
sind und polarisiertes Licht vom Polarisator zum Analysator übertragen, wobei die
erste Linsengruppe fast paralleles Licht zur zweiten Linsengruppe überträgt; eine
Objektebene zwischen Polarisator und Analysator, die relativ zur ersten und zweiten
Linsengruppe so angeordnet ist, daß bestimmte Linsenkomponenten auf sie scharf eingestellt
sind und ein an der Objektebene befindliches Objektbild an einer dazugehörigen Bildebene
bilden, wobei die erste und zweite Gruppe von lichtbrechenden Linsen jeweils einen
Dreheffekt auf das schräg auf die lichtbrechenden Flächen fallende polarisierte
Licht ausüben und der von einer der Linsengruppen ausgeübte vorbestimmte Dreheffekt
praktisch gleich groß wie der ebenfalls vorbestimmte von der zweiten Linsengruppe
auf das polarisierte Licht ausgeübte Dreheffekt gehalten wird, und durch eine Phasenänderungseinrichtung,
die im optischen System im annähernd parallelen Lichtbündel zwischen der ersten
und der zweiten Gruppe von lichtbrechenden Linsenkomponenten angeordnet ist, wobei
die Phasenänderungseinrichtung solche vorbestimmten optischen Eigenschaften hat,
daß sie in das Lichtbündel im wesentlichen eine um eine halbe Wellenlänge differierende
Phasenverzögerung zwischen einer in einer ersten Ebene schwingenden Schwingungskomponente
und einer in einer zweiten rechtwinklig dazu gelegenen Ebene schwingenden Schwingungskomponente
erzeugt, wobei, ferner die Phasenänderungseinrichtung im System so angeordnet ist,
daß eine ihrer Schwingungsebenen im wesentlichen parallel zur Polarisationsebene
des einfallenden polarisierten Lichtes liegt und dazu dient, den Richtungssinn des
teilweise gedrehten Lichtes umzukehren, wobei im wesentlichen einfach polarisiertes
Licht vom Analysator aufgenommen werden wird, sofern es nicht durch Objekte auf
der Objektebene geändert worden ist.
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Es werden also Phasenänderungseinrichtungen vorbestimmter optischer
Eigenschaften, welche eine Nacheilung um eine halbe Wellenlänge verursachen, und
Drehungskompensationseinrichtungen richtigen Wertes oder richtiger Werte in das
System eingebaut. Die Phasenänderungseinrichtung hat vorzugsweise die Form einer
doppelbrechenden Halbwellenplatte und ist vorzugsweise im parallelen Licht oder
im nahezu parallelen Licht im System zwischen Polarisator und Analysator aufgestellt.
Diese Platte arbeitet zwar mit verbessertem Ergebnis bei leicht verschiedenen Stellungen
seiner Winkeleinstellung oder -orientierung im aufgefangenen Lichtbündel des Instruments,
doch erfolgt die Anordnung der Platte in der Weise, daB ihre langsame oder schnelle
Achse im wesentlichen parallel zur Polarisationsebene des Polarisators aufgestellt
ist. Diese so aufgestellte Platte ändert dann die Richtung oder das Vorzeichen,
nicht aber die Drehungsgröße der Polarisationsebene der auf die Platte fallenden
Lichtstrahlen. Mit dieser Platte arbeitet eine Drehungskompensationseinrichtung
von sorgfältig bestimmtem Wert oder Werten zusammen.
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Durch eine derartige Ausführung und Anordnung von Teilen im erfindungsgemäßen
optischen Polarisationssystem ergibt sich folgender Vorteil: Während die schrägliegenden
Linsenoberflächen usw. der optischen Elemente des Systems oder eine bestimmte Gruppe
dieser Elemente das Bestreben haben, eine bestimmte Depolarisationsgröße des hindurchgehenden
Lichtbündels zu verursachen, dient die Halbwellenplatte oder eine gleichwertige
Phasenänderungseinrichtung zur Umkehr des Richtungssinnes dieser Depolarisation,
und wenn entsprechend eine bestimmte andere Gruppe dieser Linsenelemente
oder eine zweckdienliche Drehungskompensationseinrichtung richtig bestimmten Wertes
ebenfalls in dem optischen System verwendet wird und so angeordnet ist, daß sie
eine Depolarisationsgröße erzeugt, die gerade genügt, um die Depolarisation, die
von den vor der Phasenänderungseinrichtung liegenden Lichtbrechungsoberflächen herrührt,
aufzuheben, dann wird ein ausgeglichener Zustand erhalten. Die Depolarisation, die
durch die rückwärts der Phasenänderungseinrichtung liegende Drehungskompenaationseinrichtung
od. dgl. erzeugt wird, löscht die Drehung, die durch die vor der Phasenänderungseinrichtung
gelegenen Linsenflächen und anderen Lichtbrechungsflächen des Systems eingeführt
oder hervorgerufen wird. Infolgedessen erscheint die gesamte hintere Objektivöffnung
des Objektivs im System bei hohen und sogar bei sehr hohen numerischen Objektivöffnungen
völlig dunkel.
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Mit der Erfindung soll also ein Polarisationsmikroskop oder ein ähnliches
optisches Instrument geschaffen werden, das eine aus einer Phasenänderungseinrichtung
und einer Drehungskompensationseinrichtung von vorbestimmten optischen Eigenschaften
bestehende und in richtiger Anordnung aufgestellte verbesserte optische Einrichtung
aufweist, durch die ein im wesentlichen völliges Löschen von Licht an der
hinteren
Objektivöffnung oder Bildebene des Objektivs des Systems erreicht werden kann, so
daß selbst sehr kleine schwach doppelbrechende Objekte im Bildfeld des Mikroskops
oder eines ähnlichen optischen Instruments gegen einen völlig dunklen Untergrund
leichter zu unterscheiden sind, als dies bisher möglich war.
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Ferner soll mit der Erfindung eine verbesserte Einrichtung inForm
von Phasenänderungs-und Drehungskompensationselementen oder -komponenten vorbestimmter
optischer und physikalischer Eigenschaften geschaffen werden, die in einem optischen
Polarisationssystem so verwendet werden, daß ein im wesentlichen völliges Auslöschen
des Lichtes an der hinteren Objektivöffnung oder Bildebene des Systems erfolgt,
während Einzelheiten von sehr kleinen schwach doppelbrechenden Objekten innerhalb
des Bildfeldes des Instruments leichter unterscheidbar sind.
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Da die Zahl, die Größe und andere physikalische Eigenschaften der
Elemente und Bauteile eines optischen Systems und auch die Leichtigkeit oder Schwierigkeit
der Herstellung und des Zusammenbaues wesentliche und bestimmende Faktoren hinsichtlich
der Kosten eines optischen Instruments sind und da die Gesamtgröße oder Kompaktheit,
die Stabilität und die Leichtigkeit der Verwendung ebenfalls einen direkten Einfluß
auf die Verkaufsmöglichkeit des fertigen Instruments haben, soll ferner mit der
Erfindung ein verbessertes optisches System für ein Polarisationsmikroskop od. dgl.
geschaffen werden, das eine verbesserte Lichtänderungseinrichtung vorbestimmter
optischer Eigenschaften hat, um sehr hohe Bildauflösungen zu erzielen, wobei sich
die Einrichtung verhältnismäßig leicht und preiswert herstellen läßt und in das
optische System des Instruments ohne wesentliche Vergrößerung des Instrumentenumfanges
eingebaut werden kann.
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Ferner soll mit der Erfindung ein verbessertes optisches System für
ein Polarisationsmikroskop od. dgl. geschaffen werden, das ein hohes Bildauflösungsvermögen
hat und eine gedrängt aufgebaute und leicht herzustellende optische Einrichtung
von sorgfältig geregelten optischen Eigenschaften aufweist, die eine Phasenänderungseinrichtung
und eine Drehungskompensationseinrichtung enthält, welche so ausgeführt sind, daß
eine im wesentlichen völlige Löschung von Untergrundlicht an der hinteren Objektivöffnung
oder Bildebene des Objektivs des Systems erfolgt, so daß Bildeinzelheiten von sehr
kleinen, schwach doppelbrechenden Objekten in dem Objektfeld des Systems leichter
unterscheidbar sind als bisher.
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Mit der Erfindung wird ferner eine gedrängt aufgebaute, leistungsfähige
und preiswerte verbesserte Lichtänderungseinrichtung geschaffen, die eine Phasenänderungseinrichtung
und eine Drehungskompensationseinrichtung von sorgfältig geregelten vorbestimmten
optischen und physikalischen Eigenschaften zwecks Verwendung in einem üblichen Polarisationsmikroskop
oder einem ähnlichen optischen Instrument hat und die so ausgeführt ist, daß eine
im wesentlichen völlige Löschung von Streulicht an der hinteren Objektivöffnung
oder Bildebene des Objektivs des optischen Systems, in dem diese Einrichtung verwendet
wird, erfolgt, so daß also Einzelheiten von schwach doppelbrechenden Objekten in
dem Bildfeld des Instruments heller aufgelöst werden und deutlicher zu unterscheiden
sind als bisher. Schließlich soll mit der Erfindung eine verbesserte Richtungssinnänderungs-
und Drehungskompensationseinrichtung geschaffen werden, die leicht dem optischen
System eines Polarisationsmikroskops od. dgl. von bekannter Ausführung angebaut
werden kann, so daß ein derartiges System ein verhältnismäßig hohes Auflösungsvermögen
bei verhältnismäßig hohen numerischen Objektivöffnungen hat.
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Andere Vorteile und Kennzeichen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung an Hand der Zeichnungen. In den Zeichnungen ist Fig. 1 eine schematische
Darstellung des optischen Systems eines Polarisationsmikroskops od. dgl. mit der
erfindungsgemäßen Phasenänderungs- und Drehungskompensationseinrichtung, Fig.2 eine
schematische Darstellung der Polarisationsverhältnisse an der hinteren Brennebene
eines üblichen Polarisationsmikroskops, Fig.3 eine schematische Darstellung der
Polarisationsverhältnisse an der hinteren Brennebene eines erfindungsgemäß geänderten
Systems, Fig. 4 die Darstellung eines Vektordiagramms, das bei der Erklärung des
mit dem optischen System nach Fig. 1 erhaltenen verbesserten Zustandes verwendet
wird, Fig. 5 in etwas verkleinertem Maßstab eine Seitenansicht einer abgeänderten
Form der Phasenänderungseinrichtung, die in dem in Fig. 1 dargestellten optischen
System verwendet werden kann, Fig.6 eine schematische Darstellung des abgeänderten
optischen Systems eines Polarisationsmikroskops od. dgl., und Fig. 7 ist ein Teilschnitt
einer abgeänderten Form der Drehungskompensationseinrichtung, die in dem in Fig.6
dargestellten optischen System verwendet werden kann; Fig. 8 und 9 sind vergrößerte
Teilschnitte von Brechungsabschnitten der verbesserten Drehungskompensationseinrichtung
nach Fig. 6 bzw. 7; Fig. 10 und 11 sind Teilschnitte von Abänderungen der Drehungskompensationseinrichtung,
die in dem in Fig.6 dargestellten optischen System verwendet werden kann, und Fig.
12 ist das erfindungsgemäße optische System des Objektivs eines Polarisationsmikroskops.
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Das optische System 10 eines Polarisationsmikroskops (Fig.
1) besteht aus einem Polarisationsprisma 12, das ein Lichtbündel einer kräftigen
Lichtquelle 14
aufnimmt, nachdem das Lichtbündel von einem in optischer Ausrichtung
mit dem Prisma befindlichen konkaven Reflektor 16 reflektiert und kondensiert
worden ist. Zufriedenstellende Erfolge sind mit einer wassergekühlten Hochdruck-Quecksilberdampflampe
erzielt worden. Es können aber auch andere Lichtquellen verwendet werden. Als Polarisator
12 wird ein Glann-Thompson-Prisma bevorzugt, doch läßt sich auch eine andere
Prismenform, beispielsweise ein Ahrens-Prisma oder ein Nikolsches Prisma oder auch
ein bahnförmiges Polarisationsmaterial zufriedenstellend verwenden.
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Oberhalb und unterhalb von Polarisationsprisma 12
sind eine
obere Blende 20 bzw. eine untere Blende 22
zur Regelung des Lichtbündels
im System vorhanden. Mit dem Reflektor 16 und dem Polarisator 12 ist ein erster
achromatischer Kondensorlinsensatz 18 optisch ausgerichtet. Dieser Kondensor
18 sammelt das polarisierte Licht aus dem Prisma 12 und richtet das
Licht als Beleuchtungsstrahl zu einer ersten Brennebene 24.
Ein
übliches Polarisationsmikroskopsystem hat für gewöhnlich zwischen dieser Brennebene
24 und der Bildebene für das System ein Objektiv und einen Analysator, jedoch
ist in dem erfindungsgemäßen verbesserten System eine abweichende Ausführung
und Anordnung der Teile getroffen.
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In dem verbesserten System 10 ist im optischen Abstand zum
ersten Kondensor 18 ein achromatisches Objektiv 26 vorhanden, und zwischen
diesem Objektiv und einer Bildebene 28 desselben ist ein Analysator
30
aufgestellt. Das Objektiv 26 ist jedoch so angeordnet, daß es auf
einer Objektebene oder Dingebene 32
scharf eingestellt ist, die von der ersten
Brennebene 24 einen Abstand hat. Zu Erläuterungszwecken ist nahe dieser Objektebene
oder Dingebene ein üblicher Objektträger 34 und ein Deckglas 36, das ein zu prüfendes
oder zu beobachtendes Objekt 38 einschließt, dargestellt.
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Bei der dargestellten Ausführung des verbesserten Systems befindet
sich zwischen der ersten Brennebene 24 und der Objektebene oder Dingebene 32 ein
sogenanntes Relaislinsensystem 40, das aus einer ersten verzerrungsfreien
Linsenzusammensetzung 42
und aus einer zweiten verzerrungsfreien Linsenzusammensetzung
44 besteht. Die erste Linsenzusammensetzung 42 kann als das Äquivalent
eines Objektivs angesehen werden und ist im System so aufgestellt, daß sie im wesentlichen
auf der Brennebene 24 ihren Brennpunkt hat. Diese Zusammensetzung nimmt das
polarisierte Beleuchtungsstrahlenbündel aus dem Kondensor 18 auf und formt
dieses Strahlenbündel zu einem aus parallelen Lichtstrahlen bestehenden Bündel
46. Die zweite Linsenzusammenstellung 44, die als das Äquivalent eines
zweiten Kondensors angesehen werden kann, die aber tatsächlich die gleiche optische
Ausführung wie die Linsenzusammenstellung 42 hat, ist in dem System in umgekehrter
optischer Anordnung zur Linsenzusammenstellung 42 angeordnet.
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Die zweite Linsenzusammenstellung 44 nimmt also das aus parallelen
Lichtstrahlen bestehende Strahlenbündel 46 auf und richtet das Strahlenbündel
als ein Beleuchtungsbündel auf das auf dem Objektträger 34
und das an der
Objektebene 32 befindliche Objekt oder die Probe 38. Das Relaissystem
40 kann also als ein Teleskop hoher optischer Qualität bezeichnet werden. In der
beschriebenen Weise wird die an der Brennebene 24 vorhandene Beleuchtung
auf die Objektebene 32 übertragen.
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In dem Parallelstrahlenbündel 46 aus polarisiertem Licht ist
eine zusätzliche optische Einrichtung in Form eines Phasenänderungsteils
50 von genau bestimmten optischen Eigenschaften angeordnet. Dieser besondere
Phasenänderungsteil kann als Halbwellenplatte bezeichnet werden und wird so groß
ausgeführt, daß er das Strahlenbündel 46 völlig auffängt. Die Platte besteht aus
einem Material, das eine Doppelbrechung bewirkt. Außerdem hat die Platte eine solche
optische Stärke, daß sie den einen Lichtstrahl der ordentlichen und außerordentlichen
Lichtstrahlen, vorzugsweise im wesentlichen monochromatisches Licht, differential
verzögert, so daß infolgedessen der eine Lichtstrahl um eine halbe Wellenlänge in
bezug auf den anderen Strahl übertragen wird. Der eine Strahl liegt infolgedessen
eine halbe Wellenlänge hinter dem anderen Strahl, wenn die Strahlen die Platte
50 verlassen, verglichen mit dem Eintritt der Lichtstrahlen in die Platte.
Wenn auf diese Weise auch die Phasenstellung zwischen dem ordentlichen Strahl und
dem außerordentlichen Strahl geändert wird, erfolgt doch keine wesentliche Änderung
der Amplitude. Eine derartige Platte kann aus Quarz, Glimmer oder einem gleichwertigen
Doppelbrechungsmaterial bestehen.
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Da, wie erwähnt, jede schrägliegende Brechungsfläche im bestimmten
Ausmaß als ein Teilpolarisator für Licht, das nicht senkrecht auf diese Fläche fällt,
wirkt, haben alle diese Flächen zusammen das Bestreben, die Polarisationsebene um
ein schädliches Ausmaß zu drehen. Die Ergebnisse einer derartig gehäuften Drehung
in der Feldebene oder der hinteren Brennebene eines sonst gut korrigierten Polarisationsmikroskops,
bei dem ein 43-Objektiv und ein Kondensor verwendet wird und das bei einer numerischen
Objektivöffnung 0,84 arbeitet, ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Eine Prüfung
dieser Fig. 2 in Verbindung mit Fig. 3 wird das Verständnis der Erfindung erleichtern.
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In Fig. 2 ist das Bildfeld 52 zur Erleichterung der Beschreibung
nicht nur in vier Quadranten A, B, C
und D mittels der Abszisse
X-X und der Ordinate Y-Y geteilt, sondern ist auch durch einen ersten Kreis, der
auf dem halben Abstand vom Mittelpunkt o zum Feldumfang gezeichnet ist, ferner durch
einen zweiten Kreis, der auf drei Viertel dieses Abstandes liegt, und ferner durch
Radiallinien, die jeden Quadranten in vier gleiche Sektoren teilen, geteilt.
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Wenn die verschiedenen Schnittpunkte dieser Linien und Kreise von
Quadrant A (Fig. 2) nach Depolarisationsmaßen (#, in Graden) gemessen
werden, wie sie für gewöhnlich in einem Polarisationsmikroskop hoher optischer
Vollkommenheit auftreten, so weisen diese Schnittpunkte annähernd die folgende Drehung
der Polarisationsebene, ausgedrückt in Winkelgraden, auf:
a= 0 j= 0 k= 0 |
b = +6,4 g = +2,1 1 = +0,6 |
c = +9,6 h = +3,0 m = +1,0 |
d = +6,4 i = +2,1 n = +0,6 |
e= 0 j= 0 q= 0 |
Die von bestimmten Schnittpunkten ausgehenden Pfeile zeigen etwas übertrieben die
Drehrichtung aus der durch die gestrichelten Linien dargestellten Polarisationsebene.
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Die anderen Quadranten B, C und D (Fig. 2) zeigen in ähnlicher Weise
gleiche Depolarisationsgrößen. Nur das Vorzeichen der Drehung ist in den verschiedenen
Quadranten verschieden. Beispielsweise ist Punkt c im Quadrant B wie im Quadrant
A gleich 9,6 Winkelgrade, jedoch ist sein Vorzeichen negativ. Punkt c im Quadrant
B hat den gleichen numerischen Wert, ist jedoch positiv, und Punkt c im Quadrant
D ist gleich 9,6, hat jedoch ein negatives Vorzeichen.
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Eine Prüfung der obigen Werte für das Bildfeld 52 in Fig. 2 zeigt,
daß die schlechtesten Depolarisationsverhältnisse in jedem Quadranten in der Mitte
zwischen der X-X-Achse und der Y-Y-Achse und an Punkten nahe der Außenkante des
Feldes vorhanden sind. Die besten Verhältnisse finden sich auf diesen Achsen.
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Das das Feld 52 in Fig. 2 liefernde übliche Instrument kann natürlich
nicht zufriedenstellend bei einer numerischen Objektivöffnung von annähernd 0,84
verwendet werden. Dies war der Hauptgrund, warum Mikroskopiker das »Abblenden« ihrer
optischen Systeme gefordert haben, um freier von solchen Depolarisationswirkungen
zu sein und die Einzelheiten
von kleinen und schwach doppelbrechenden
Objekten besser zu erkennen. Andererseits verringert das Abblenden des optischen
Systems weitgehend das Gesamtauflösungsvermögen des Instruments.
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Wird jedoch eine Phasenänderungseinrichtung, beispielsweise die in
Fig. '. dargestellte Halbwellenplatte 50, mit ihrer Achse im wesentlichen
parallel zur X-X-Achse oder der Y-Y-Achse und in nahezu parallele Lichtstrahlen
zwischen Polarisator und Analysator des üblichen Polarisationsmikroskops eingeschaltet,
dann wird die obenerwähnte Depolarisationswirkung nicht korrigiert, jedoch wird
die Drehrichtung der Polarisationsebene des Systems umgekehrt. Fig. 3 zeigt dieses
Verhältnis. Während einige Punkte, beispielsweise die Punkte n, f, q und
e im QuadrantA (Fig.2), die im wesentlichen eine Ablenkung Null haben, in Fig. 3
ungeändert erscheinen, sind andere, eine abweichende Depolarisationsgröße aufweisende
Punkte durch die Halbwellenplatte 50 in Fig. 2 in ihrer Richtung umgekehrt oder
sind um gleiche abweichende Größen zur entgegengesetzten Seite der Polarisationsebene
P abgelenkt.
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Bestimmte Pfeile, die in Fig. 2 schräg nach außen gerichtet sind,
sind in Fig. 3 nach innen geneigt, obwohl andere Pfeile in beiden Fig. 2 und 3 ungeändert
erscheinen. Beispielsweise ist Punkt c in allen Quadranten in Fig. 3 um annähernd
9,6 Winkelgrade abgelenkt, jedoch ist sein Vorzeichen in den Quadranten
A und C negativ und in den Quadranten B und D positiv. Dies ist die
Umkehrung von Fig. 2. Die allein von der Halbwellenplatte geschaffene Umkehrung
ergibt jedoch keine besser arbeitende Anordnung als vorher. Streulicht gelangt weiterhin
durch das System und begrenzt die Verwendbarkeit oder das Auflösungsvermögen des
Instruments.
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Zusätzlich zur Verwendung der Phasenänderungseinrichtung 50 wird bei
dem verbesserten optischen System nach Fig. 1 eine Drehungskompensationseinrichtung
benutzt. Diese Drehungskompensationseinrichtung dreht die Polarisationsebene des
mit der Halbwellenplatte od. dgl. ausgerüsteten verbesserten Systems um eine Winkelgröße,
die im wesentlichen gleich der von der Depolarisation bewirkten Drehung ist, die
dem System von Anfang an von den Schrägflächen oder anderen Lichtbrechungsflächen
gegeben worden ist, so daß in der endgültigen Analyse an Stelle von Licht mit verschiedenartigen
Polarisationsebenen im wesentlichen einfach polarisiertes Licht aufgenommen und
von dem Analysator des Systems selbst bei hohen numerischen Objektivöffnungen abgeschirmt
wird.
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In Fig. 1 ist zu sehen, daß die von dem System aus erstem Kondensor
18 und erster Linsenzusammenstellung 42 geschaffene Depolarisationsgröße im wesentlichen
gleich der von der Linsenzusammenstellung 44 geschaffenen Depolarisationsgröße ist,
wobei die Linsenzusammenstellung 44 als ein Kondensor zur Beleuchtung der auf der
Ebene 32 befindlichen Objekte dient. Das hiermit ausgerichtete Objektiv 26 bildet
Bilder dieser Objekte auf der zugehörenden Bildebene 28.
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Das in Fig. 1 dargestellte kombinierte System kann also so angesehen
werden, als ob die Bestandteile 18 und 42 die Polarisationsebene im wesentlichen
in die in Fig. 2 dargestellten Stellungen gedreht hätten; daß die dieses gedrehte
polarisierte Licht aufnehmende Doppelbrechungsplatte 50 die Richtung, wie in Fig.
3 dargestellt, umgekehrt hätte und daß dieses Licht bei seinem Durchgang durch die
Linsenzusammenstellung 44 und das Objektiv 26, deren Schrägflächen im wesentlichen
gleich den Schrägflächen der Bestandteile 18 und 42 sind, zusätzlich um Größen gedreht
worden wäre. die gleich den Größen sind, die ursprünglich die Drehung auf Grund
der Bestandteile 18 und 42 einführten. Für einen noch besseren Ausgleich
der Depolarisationen, die von den oberhalb und unterhalb der Platte 50 liegenden
Bestandteilen erzeugt werden, ist es ratsam, an der Ebene 24 Platten anzuordnen,
die die von dem Objektträger 34 und dem Deckglas verursachte Depolarisationswirkung
ausgleichen.
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Wenn irgendein Punkt des Bildfeldes, beispielsweise Punkt c im Quadrant
A in Fig. 2, an dem der zuerst eingeführte Polarisationsfehler merkbar ist, graphisch
für sich betrachtet wird, so kann seine Richtung und Amplitude vektormäßig vom Vektor
ET (Fig. 4) dargestellt werden. Dieses falsch gerichtete polarisierte Licht
ET ist die Resultierende der Ampulitude der richtig gerichteten polarisierten
Komponente E und der falsch gerichteten Komponente ER, die durch die Lichtbrechungsflächen
des Kondensors 18, Objektivs 42 und anderer vor der Platte 50 befindlicher Obertragungsflächen
entstehen. Die in das System eingeschaltete Halbwellenplatte 50 kehrt jedoch infolge
ihrer Verzögerungswirkung auf die ordentlichen und außerordentlichen Komponenten
des von der Platte aufgefangenen Lichtes das Vorzeichen der falsch gerichteten Komponente
um. so daß die Komponente infolgedessen in der entgegengesetzten Richtung gerichtet
wird, wie dies bei -ER dargestellt ist. Es wird daher eine neue Resultierende -Ea;,
geschaffen. Der durch die Drehungskompensationswirkung der Bestandteile 44 und 26
geschaffene Vektor RRc summiert sich jedoch zum Vektor -Ew, und da E,tc in der gleichen
Richtung wie ER wirkt, wird die Polarisationsebene im wesentlichen in die von dem
Vektor E eingenommene Stellung zurückgeführt. Die Resultierende wirkt daher als
einfach polarisiertes Licht.
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Das verbesserte System kann auch in umgekehrter Weise betrachtet werden.
In diesem Falle wird der Standpunkt eingenommen, daß das Kondensorsystem 44 und
das Objektiv 26 gemeinsam mit den dazwischenliegenden ebenen Brechungsflächen als
die die Polarisationsdrehung einführenden Bestandteile des Instruments wirken; daß
die Halbwellenplatte 50 zur Umkehrung der Polarisationswirkung verwendet wird und
daß der erste Kondensor 18 und die Linsenzusammenstellung 42 zusammenarbeiten, um
die zum Ausgleich des Systems erforderliche notwendige Größe der Drehungskompensation
einzuführen. In jedem Falle muß die .Anordnung natürlich so getroffen werden. daß
die die Depolarisation erzeugenden und die Kompensation bewirkenden Flächen so ausgeführt
sind. daß bei Verwendung der Halbwellenplatte die Wirkun?en gegenseitig aufgehoben
werden.
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In Fig. i wird das Objekt vorzugsweise nicht an der Querebene 24,
sondern an der Querebene 32 aufgestellt. da dann nur die nachfolgenden optischen
Elemente des Systems hinsichtlich der üblichen Aberrationen eines gut korrigierten
bildformenden Systems hoch korrigiert werden müssen.
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Zum wirksamen Arbeiten der Halbwellenplatte 50 wird vorzugsweise das
die Platte durchdringende Licht möglichst senkrecht auf die Platte gerichtet, obwohl
eine kleine Konvergenz oder Divergenz in dem aufgefangenen Lichtbündel vorhanden
sein kann. Der
Grund hierfür ist darin zu sehen, daß eine derartige
Platte nur bei senkrechtem Einfallen ein Halbwellendifferential zwischen den beiden
Schwingungskomponenten des von der Platte übertragenen polarisierten Lichtes bildet.
Es würde beispielsweise nicht ratsam sein, die Platte 50 in einem üblichen
Polarisationsmikroskopsystem an oder nahe der Objektebene zu verwenden, in der Hoffnung,
daß die durch die Kondensorelemente hervorgerufene Depolarisation durch das Objektiv
nach Umkehr durch die Halbwellenplatte kompensiert wird und daß das System mit verhältnismäßig
hohen numerischen Objektivöffnungen verwendet werden kann. Ganz allgemein werden
vorzugsweise Einfallswinkel, die größer als wenige Winkelgrade sind, vermieden.
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Platte 50 kann so angeordnet sein, daß sie um eine Querachse
54 (Fig. 1) etwas gedreht werden kann, wenn kleinere Verstellungen erwünscht
sind, um ein genaues Halbwellendifferential zwischen den die Platte durchsetzenden
Schwingungskomponenten zu erzielen.
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Wenn auch eine Halbwellenlängenplatte in dem verbesserten optischen
System bevorzugt wird, können andere dickere Wellenlängenplatten, die ähnliche Außerphaseverhältnisse,
beispielsweise l'/2 i. 21/2 i
usw. schaffen, verwendet werden.
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Soll an Stelle von monochromatischem Licht weißes Licht verwendet
werden, dann werden an Stelle der erwähnten Halbwellenplatte zwei doppelt nach innen
reflektierende verzerrungsfreie Fresnel-Rhomben oder ein einziger Fresnel-Rhombus
mit vier nach innen gerichteten Reflexionen verwendet, von denen jede Reflexion
eine Achtelwellenphasenänderung als Phasenänderungseinrichtung verwendet. Ein derartiger
Rhombus 56 ist in Fig. 5 dargestellt. Da ein Achtel der Wellenphasenänderung
an jeder inneren Reflexionsfläche 56 a, 56 b, 56 c und 56 d erfolgt,
erzeugen diese Flächen gemeinsam eine volle Halbwellenphasenänderung zwischen Schwingungskomponenten,
die sich in rechtwinklig zueinander angeordneten Ebenen befinden. Der Vorteil dieser
Vorrichtung liegt natürlich in der Tatsache, daß alle Wellenlängen des weißen Lichtes
in im wesentlichen gleicher Weise beeinflußt werden. Auch hier wird die Phasenänderungseinrichtung
vorzugsweise in möglichst parallel gerichteten Lichtstrahlen verwendet.
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In Fig. 6 ist ein abgeändertes optisches System 60 für ein Polarisationsmikroskop
dargestellt mit einem Kondensator 62 und einem Objektiv 64, die im
Abstand voneinander auf einer gemeinsamen optischen Achse aufgestellt sind, so daß
sie auf entgegengesetzten Seiten einer Objektebene 66 des Systems und in
Arbeitsstellung zu dieser Objektebene stehen. Nahe der Objektebene 66 sind
ein üblicher Objektträger 68
und ein Deckglas 70 gezeichnet. Der Kondensator
62 und das Objektiv 64 werden als Ofmmersionen 72 bzw. 74 ausgebildet.
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Das zu Beleuchtungszwecken von einer äußeren Lichtquelle dem optischen
System zugeführte Licht durchdringt ein Polarisationsprisma 76, z. B. ein Nicolsches
Prisma od. dgl. Die das Prisma verlassenden polarisierten Lichtstrahlen durchdringen
zuerst die die Drehungskompensationseinrichtung 78 und die Phasenänderungseinrichtung
80 aufweisende Lichtänderungseinrichtung 77, ehe sie durch die Lichtbrechungselemente
82 und 84 des Kondensors 62 an der Objektebene 66 gerichtet
und konzentriert werden. Wenn auch als bevorzugte Ausführung der Phasenänderungseinrichtung
eine doppelbrechende Halbwellenplatte, wie bei 50 in Fig. 1 dargestellt, verwendet
wird, sind auch andere verwendbare Ausführungen bekannt und bereits beschrieben.
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Lichtstrahlen dagegen, die ein auf dem Objektträger 68 vorhandenes
Objekt beleuchten und über die Objektebene 66 hinausstrahlen, werden von den Lichtbrechungsteilen
86 und 88 des Objektivs 64 gesammelt und gelangen nach Durchgang durch die Lichtänderungseinrichtung
89 und den Analysator 94 zu einem Brennpunkt an einer Bildebene (nicht dargestellt)
des Systems. Die Lichtänderungseinrichtung 89 enthält die Phasenänderungseinrichtung
90 und die Drehungskompensationseinrichtung 92. Der Analysator
94 hat die Form eines Polarisationsprismas, z. B. eines Nicolschen Prismas
od. dgl., das in gekreuzter Stellung relativ zum Polarisator 76 aufgestellt
ist.
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Wie bereits bei Fig. 1 erwähnt wurde, wirken gekrümmte Flächen von
Kondensator und von Objektivlinsen des optischen Systems eines Polarisationsmikroskops
sowie auch andere lichtübertragende Elemente des Systems, deren Flächen unter verschiedenen
Einfallswinkeln polarisiertes Licht aufnehmen, in unterschiedlichem Ausmaß als Teilpolarisatoren
und verringern den Löschungskoeffizienten eines derartigen optischen Systems, indem
sie die Polarisationsebene des Lichtes an jeder zusätzlichen lichtübertragenden
Schrägfläche des Systems summierend erhöhen. Infolgedessen konnte eine vollkommene
Löschung an der hinteren Objektivöffnung des Objektivs des Systems des von dem Polarisator
übertragenen gesamten Lichts bisher nicht erreicht werden, und zwar selbst bei Verwendung
von verzerrungsfreier Optik und monochromatischem Licht. In Fig. 1 ist eine Drehungskompensationseinrichtung
von sorgfältig vorbestimmten optischen Eigenheiten bei 18 und 42 und
ebenfalls auch bei 24 vorhanden, um einen Depolarisationseffekt einzuführen,
der tatsächlich ein wesentliches Äquivalent des innewohnenden Depolarisationseffektes
ist, der von den Schrägflächen und anderen lichtbrechenden optischen Flächen des
Mikroskopsystems, d. h. dem Kondensor 44, Objektiv 26 und Elementen
34, 36 hervorgerufen wird. Zwischen beide Hauptteile des kombinierten optischen
Systems ist eine Phasenänderungseinriehtung 50 geschaltet, um die Richtung des Depolarisationseffektes
des einen Bauteiles relativ zum anderen Bauteil umzukehren. Auf diese Weise löschen
sich zwei im wesentlichen gleiche Effekte, mit dem Ergebnis, daß lediglich im wesentlichen
einfach polarisiertes Licht den Analysator des Systems erreicht.
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Die Drehungskompensationseinrichtung 18 und 42
der Fig.
1 ist jedoch ziemlich groß, ist auch ziemlich schwierig anzufertigen und ist nur
mit großen Kosten herzustellen. Sie ist ein im wesentlichen vollständiges zusätzliches
Kondensor- und Objektivsystem, das mit dem üblichen Kondensor und Objektiv des Instruments
zusammenarbeitet. An Stelle dieser ziemlich mühsam herzustellenden und teuren Anordnung
von optischen Bestandteilen kann jedoch ein im wesentlichen gleichwertiger Drehungskompensationseffekt
einer nicht vergrößernden oder im wesentlichen nicht vergrößernden Meniskushnseneinrichtung
erhalten werden, die eine zweckdienliche vorbestimmte optische Eigenheit hat und
der eine richtige Stellung in einem derartigen optischen System gegeben wird. Beispielsweise
kann diese Art von Drehungskompensationseinrichtung
zum Kompensieren
des Kondensorabschnittes des in Fig.6 dargestellten Systems durrch den Bauteil 78
geschaffen werden. Dieser Bautei178 hat die Form eines nichtvergrößernden Meniskus,
der aus einer Luftlinse 96 besteht, die zwischen einem plankonkaven ersten Lichtbrechungselement
98 und einem plankonkaven zweiten Lichtbrechungselement 100 eingeschlossen ist.
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In einer derartigen Anordnung ist eine Zwischenfläche 98a zwischen
Luftlinse 96 und Element 98 geformt, während eine zweite Zwischenfläche 100a zwischen
Luftlinse 96 und Element 100 vorhanden ist. Auf beiden Zwischenflächen treffen
die polarisierten Lichtstrahlen unter verschiedenartigen und verschiedenen Winkeln
auf. Infolgedessen werden diese polarisierten Lichtstrahlen hinsichtlich der Depolarisation
des Lichtes verschiedenartig beeinflußt. Die nahe der Mitte vorhandenen Lichtstrahlen
werden unter einem nahezu senkrechten Einfallswinkel aufgenommen, während die näher
den Außenkanten vorhandenen Lichstrahlen unter verhältnismäßig hohen Einfallswinkeln
aufgenommen werden. Auf diese Weise beeinflussen verschiedene Flächeneinheiten dieser
Lichtbrechungsoberflächen die ordentlichen und außerordentlichen Komponenten des
Polarisationslichtes. die in der Einfallswinkelebene und in einer hierzu senkrechten
Ebene schwingen. Hierdurch wird ein Depolarisationseffekt erzeugt, der den Kondensorabschnitt
des Systems kompensiert, so daß an der Objektebene 66 ein einfach polarisiertes
Licht auftritt. Da die gekrümmten Zwischenflächen im wesentlichen parallel oder
nahezu parallel sind und da die vordere Planfläche und die hintere Planfläche der
Kompensationseinrichtung 78 ebenfalls im wesentlichen parallel verlaufen, wird keine
merkbare Änderung in der Vergrößerung erzeugt.
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In gleicher Weise kann die bereits erwähnte Drehungskompensationseinrichtung
92 zum Kompensieren des Objektivabschnitts des Mikroskopsystems von einem ersten
plankonvexen Lichtbrechungselement 102 und einem zweiten plankonkaven Lichtbrechungselement
104 gebildet werden, die gemeinsam zwischen sich eine Luftlinse 106 formen.
Die zwischen Element 102 und Luftlinse 106 geformte Zwischenfläche 102 a und die
zwischen Luftlinse 106 und Element 104 geformte Zwischenfläche 104a haben
solche Krümmungen, daß sie im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die vordere
Planfläche und die hintere Planfläche der Elemente 102 bzw. 104
verlaufen
ebenfalls parallel zueinander, so daß diese Elemente 102 und 104 mit der dazwischen
befindlichen Luftlinse 106 die Schwingungskomponenten der übertragenen polarisierten
Lichtstrahlen modifizieren oder kompensieren, ohne daß eine merkbare Änderung in
der Vergrößerung des Bildes an der Bildebene des Objektivs erfolgt.
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Der Krümmung der in dem unteren Teil des Systems befindlichen Luftlinse
96 wird eine solche Größe gegeben, daß ein Depolarisationseffekt erzielt wird, der
im wesentlichen gleich dem Depolarisationseffekt ist. welcher durch den Kondensor
und den zwischen Prisma 76 und Objektebene 66 vorhandenen optischen Lichtbrechungselementen
auftritt. In ähnlicher Weise wird die Krümmung der Luftlinse 106
so ausgeführt,
daß der Depolarisationseffekt, der durch das Objektiv und die zwischen der Objektebene
66 und dem Analysator 94 vorhandenen anderen optischen Flächen auftritt, im wesentlichen
aufgehoben wird. Kleine Änderungen in der Krümmung dieser Luftlinsen können verwendet
werden, um den erzeugten Depolarisationseffekt zu erhöhen oder zu verringern. so
daß eine nahezu völlige Kompensation des vorhandenen Depolarisationseffektes erfolgt.
Es kann eine Vergrößerung oder Verkleinerung der Krümmung der Luftlinse 96 oder
100 erfolgen, um einen großen Einfluß auf das von der Einrichtung 78 oder 92 hervorgerufene
Depolarisationsausmaß auszuüben.
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Da die von den Außenteilen des Kondensorelementes und der Objektivelemente
übertragenen Strahlen des Lichtbündels tatsächlich die Strahlen des polarisierten
Lichtbündels sind, die die größten Depolarisationsausmaße aufweisen, werden diese
Strahlen so gerichtet, daß sie die Außenteile der Luftlinsen durchdringen und infolgedessen
kompensiert werden. Die näher der Mitte gelegenen Strahlen werden dagegen weniger
beeinflußt und werden auch durch die verbesserte Kompensationseinrichtung weniger
kompensiert. In dieser Weise erzeugt Bauteil 78 (oder Bauteil 92)# der mit der Phasenänderungseinrichtung
80 (oder 90) zusammenarbeitet, für gewöhnlich nur im wesentlichen einfach polarisiertes
Licht an der Objektebene 66 (oder am Analysator 94), und zwar ohne daß eine wesentliche
Änderung in der Vergrößerung durch jede der Drehungskompensationseinrichtungen erfolgt.
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Wie bereits erwähnt. kann die Krümmung der in Fig.6 dargestellten
Luftlinsen größer oder kleiner gemacht werden, um den richtigen Ausgleich hinsichtlich
der Depolarisationskompensation zu erhalten. Eine sehr kleine Änderung oder Einstellung
kann jedoch für das Kondensorsystem durch eine kleine Axialbewegung der Kompensationseinrichtung
78 erhalten werden, wie dies von dem Pfeil 110 angedeutet wird. Eine
gleichwertige kleine Änderung oder Einstellung für das Objektivsystem kann durch
eine kleine Axialbewegung der Kompensationseinrichtung 92 erfolgen, wie Pfeil 112
zeigt. Diese Einstellungen oder Verstellungen sind infolge der geringen Konvergenz
der übertragenen Lichtstrahlen möglich.
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Die konkave Seite der Luftlinse 96 weist zwar nach oben, doch ist
diese Lage nicht von wesentlicher Bedeutung, denn ein ungefähr gleichwertiger Depolarisationseffekt
kann auch in den Fällen erzielt werden. in denen diese Luftlinse nach unten weist.
Das gleiche gilt auch für die Aufstellung der Luftlinse 106.
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1n dem optischen Polarisationssystem der Fig.6 wird polarisiertes
Licht aus dem Prisma 76 von der Kompensationseinrichtung 78 um ein vorbestimmtes
Ausmaß depolarisiert, wobei der Richtungssinn oder das Vorzeichen von der Halbwellenplatte
80 umgekehrt wird, und dann wird dieses Licht von dem Kondensor und den anderen
zugehörenden optischen Elementen des Instruments wieder depolarisiert, so daß an
der Objektebene 66 zur Beleuchtung von auf dem Objektträger 68 befindlichen Objekten
im wesentlichen einfach polarisiertes Licht verwendet wird. Befindet sich im Objektfeld
kein Objekt, dann wird dieses einfach polarisierte Licht bei seinem Durchtritt über
die Objektebene 66 hinaus durch das oberhalb dieser Ebene gelegene Objektiv und
die zugehörenden Elemente des optischen Systems depolarisiert, sein Vorzeichen wird
durch die Halbwellenplatte 90 umgekehrt, und das Licht wird dann wieder um ein gleichwertiges
Ausmaß von der Kompensationseinrichtung
92 depoIarisiert,
so daß nur im wesentlichen einfach polarisiertes Licht von dem Analysator
94 aufgenommen wird. Da der Analysator 94 das gesamte einfach polarisierte
Licht abschirmt, erscheint zu diesen Zeiten das Bildfeld oder die hintere Objektivöffnung
des Objektivs dunkel. Wird jedoch ein doppelbrechendes Objekt in das Objektfeld
des Objektivs 64 gebracht, dann beeinflußt oder dreht das Objekt das darauf
auftreffende polarisierte Licht in unterschiedlicher Weise mit dem Ergebnis, daß
das den Analysator 94 erreichende Licht geändert wird und Teile des Objekts
an der Bildebene des Instruments sichtbar werden.
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Bei der an Hand der Fig.6 beschriebenen optischen Anordnung ist das
einfach polarisierte Licht an der Objektebene 66 geschaffen worden. Eine derartige
Anordnung wird zwar bevorzugt, doch kann die Lichtänderungseinrichtung 77, die die
Drehungskompensationseinrichtung 78 und die Phasenänderungseinrichtung
80 enthält, gewünschtenfalls aus dem System weggelassen werden, wobei noch
annehmbare Ergebnisse in Bildern an der hinteren Objektivfläche des Objektivs
64 lediglich durch Verwendung der Lichtänderungseinrichtung 89 erhalten
werden. Dies ist der Fall, obwohl das Licht, das ein auf der Objektebene 66 befindliches
Objekt beleuchtet, gering depolarisiertes Licht sein kann, das durch die schrägstehenden
Linsenflächen des Kondensors und der zugehörenden lichtbrechenden optischen Elemente
der ersten Hälfte des Systems depolarisiert worden ist. In einer derartigen Anordnung
würde natürlich das von dem Analysator 94 aufgenommene Licht nur teilweise
kompensiert. Bessere Ergebnisse werden in einer derartigen Anordnung erhalten, wenn
die Depolarisationseigenschaften der Lichtänderungseinrichtung 89 stärker
gemacht und so gewählt werden, daß sie im wesentlichen gleich den kombinierten Depolarisationseigenschaften
des Kondensors 62, des Objektivs 64 und der dazwischen befindlichen Lichtbrechungselemente
sind. Obwohl gering depolarisiertes Licht an der Objektebene 66 zu Beleuchtungszwecken
vorhanden ist, wird in diesem Falle im wesentlichen einfach polarisiertes Licht
in den Analysator gerichtet, sofern nicht eine Änderung durch in dem Objektfeld
befindliche Objekte erfolgt. Eine mehr oder weniger gegenteilige Anordnung der Lichtänderungseinrichtung
kann mit annehmbaren Ergebnissen leicht verwendet werden. In einem solchen Falle
wird nur eine Lichtänderungseinrichtung zwischen Polarisator 76 und Kondensorsystem
62 verwendet, wobei diese Einrichtung solche Depolarisationseigenschaften hat, daß
sie im wesentlichen völlig die Depolarisationseigenschaften des Kondensors, des
Objektivs und der dazwischenliegenden optischen L_ichtbrechungselemente kompensiert.
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Wie erwähnt, wird jedoch die getrennte Kompensation des Kondensors
und des Objektivs eines Instruments bevorzugt. Wenn Objektiv und Kondensor getrennt
kompensiert werden, ist es beispielsweise möglich, mehrere austauschbare Objektive
und einen Revolver gemeinsam mit ihren zugehörenden Drehungskompensationseinrichtungen
anzuordnen, ähnlich wie dies in Mikroskopen mit auf gleiche Brennpunkte eingestellten
Objektiven bekannt ist und angewendet wird. Ein anderer Grund für die getrennte
Drehungskompensation liegt darin, daß nur doppelbrechende Objekte gesehen werden,
wenn lediglich einfach polarisiertes Licht an der Objektebene 66 zur Beleuchtung
der Proben vorhanden ist. Sonst könnten kleine Gegenstände in dem teilweise depolarisierten
Licht am Objektfeld etwas Licht längs einer neuen und ungenau kompensierten Bahn
ablenken, und dieses abgelenkte Licht würde dann keine richtige Indikation der Doppelbrechung
der Gegenstände sein. Daraus folgt also, daß Helligkeitsmessungen genauer ausgeführt
werden können, wenn das an der Objektebene vorhandene Licht einfach polarisiertes
Licht ist.
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Fig. 7 zeigt eine abgeänderte Form der Lichtänderungseinrichtung 114.
Diese Einrichtung enthält eine Drehungskompensationseinrichtung 116 und eine
Phasenänderungseinrichtung 118, die zusammengebaut sind und in gegenseitiger Stellung
mittels einer spannungsfreien Lagerung 120 gehalten werden. Die Linseneinrichtung
116 weicht in diesem Falle etwas von der in Fig. 6 dargestellten Luftlinseneinrichtung
96 oder 106 insofern ab, als die Einrichtung 116 aus Glas oder
einem Kunststoff besteht, aber im wesentlichen immer noch eine nichtvergrößernde
Meniskuslinse ist. Wenn eine derartige Linse richtiger Größe und konkaver Krümmung
die genau vorbestimmten optischen Eigenschaften hat, kann sie an Stelle der Drehungskompensationseinrichtung
78 oder 92 im optischen System der Fig. 6 verwendet werden. Natürlich muß in jedem
Falle die Phasenänderungseinrichtung 80 oder 90 notwendigerweise zwischen der im
wesentlichen nichtvergrößernden Linse und den üblichen optischen Bestandteilen des
Kondensors oder des Objektivs der Vorrichtung angeordnet werden. Sowohl die konkave
als auch die konvexe Seite der Linse kann nächst der angrenzenden Phasenänderungseinrichtung
mit im wesentlichen den gleichen Ergebnissen aufgestellt sein.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß vom praktischen Standpunkt
aus der nichtvergrößernde Luftlinsentyp der Drehungskompensationseinrichtung dem
Glas- oder Kunststofftyp etwas vorgezogen wird. Der Grund hierfür ergibt sich aus
einer Prüfung der Fig. 8 und 9 und der nachstehenden Erläuterung. Fig. 8 zeigt einen
kleinen Teilschnitt durch eine Drehungskompensationseinrichtung ähnlich der Einrichtungen
92 der Fig. 6, während Fig. 9 einen ähnlichen kleinen Teilschnitt durch eine nichtvergrößernde
Glasmeniskusfinse einer Drehungskompensationseinrichtung zeigt, die als Ersatz für
die erste Einrichtung beabsichtigt ist. Ein Lichtstrahl, beispielsweise Lichtstrahl
122 in Fig. 8, hat einen größeren Brechungswinkel beim Eintritt in den zwischen
den Elementen 124 und 126 gelegenen Luftraum 125 als ein ähnlicher Lichtstrahl 128
in Fig. 9, der in das Glaselement 130 infolge der Unterschiede in den Brechungsindizes
gebrochen wird. Zur Erzielung eines gleichwertigen Depolarisationseffektes an den
Schrägflächen des aus Glas bestehenden Kompensators muß also dieser Teil der Linse
steiler gestellt werden. Mit anderen Worten: Die nicht vergrößernde Glaskompensationslinse
muß nahe ihrer Außenkanten steilere Schrägflächen aufweisen als eine nicht verstärkende
Luftlinse, die gleiche Depolarisationseigenschaften hat. Natürlich ist die Glas-
oder Kunststofflinse mit steil gestellten Außenabschnitten schwieriger optisch genau
herzustellen als die Glaselemente 124 und 126 der Fig. B.
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In Fig. 10 ist eine abgeänderte Drehungskompensationseinrichtung 132
gezeigt, die sich von der Einrichtung 92 nach Fig. 6 in der Hauptsache darin unterscheidet,
daß sie in zwei Teile oder Kompensatoren
132A und
132B geteilt ist, die gemeinsam die gewünschte Depolarisationsgröße erzeugen
und von denen jeder Kompensator eine im wesentlichen nichtvergrößernde Luftlinse
zwischen den auf Abstand stehenden Lichtbrechungselementen aufweist. Am Kompensator
132A ist eine doppelbrechende Halbwellenplatte 133 angebracht. Teil 132B
erzeugt einen geringeren Depolarisationseffekt, da er eine weniger steil gekrümmte
Luftlinse 135 bildet. Dieser Teil ist daher, wie Pfeil 134 andeutet,
mittels Feineinstellung axial einstellbar, um ein optisches Polarisationssystem
oder den Teil eines derartigen Systems, dem der Kompensator zugeordnet ist, richtig
auszugleichen.
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In Fig. 11 ist eine abgeänderte Form einer Drehungskompensationseinrichtung
137 dargestellt, die aus zwei Hauptteilen 138A und 138B besteht, welche in
entgegengesetzte Richtungen weisende Luftlinsen haben. Ihre Depolarisationswirkung
ist gleichfalls summierend oder akkumulativ. In dieser Anordnung kann es, wie die
Pfeile 140 und 142 zeigen, zur Erzielung eines richtigen Ausgleichs in einem
zugehörenden optischen Polarisationssystem erwünscht sein, einen Teil oder beide
Teile axial relativ zu einem Ring 139 in parallelem oder nahezu parallelem
Licht einzustellen. Eine Verstellung dieser beiden Teile ergibt keine merkbare Änderung
in der Bildvergrößerung, wenn eine Verwendung auf der Objektivseite des Systems
erfolgt. Es ist eine doppelbrechende Halbwellenplatte 143 vorhanden. Die
gleiche Einrichtung optisch richtiger Ausführung kann natürlich auch an der Kondensorseite
des Systems zur Kompensation verwendet werden. Zwei nichtvergrößernde Glaslinsen
oder Kunststofflinsen können gewünschtenfalls für Kompensationszwecke in ähnlicher
Weise an Stelle der Luftlinsen nach Fig. 10 und 11 verwendet werden. Gewünschtenfalls
kann auch eine größere Zahl als eine oder zwei Glaslinsen, Kunststofflinsen oder
Luftlinsen verwendet werden, um in dem optischen System nach Fig. 6 od. dgl. einen
erforderlichen summierenden und kompensierenden Depolarisationseffekt zu erzielen.
Die Anordnung wird so getroffen. daß sich keine oder nahezu keine Änderung in der
Bildvergrößerung ergibt.
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Fig. 12 zeigt ein Mikroskopobjektiv 150 von verhältnismäßig
sehr hoher Vergrößerung, wie es z. B. für Medizin- oder Forschungszwecke benutzt
wird. Bei diesem Objektiv wird einfach polarisiertes Licht am zugehörenden Objekfeld
verwendet. Entsprechend den erfindungsgemäßen Lehren hat dieses Objektiv eine Phasenänderungseinrichtung
in Form einer Halbwellenplatte 152, die in dem nahezu parallelen Licht zwischen
einer vorderen Gruppe von Lichtbrechungskomponenten 154 und einer hinteren
Gruppe von Lichtbrechungskomponenten 156 angeordnet ist. Diese Halbwellenplatte
152 dient zur Umkehr des Vorzeichens des teilweise depotarisierten Lichtes,
das von der vorderen Gruppe 154 kommt. Bei sorgfältiger Abstimmung dieses
Depolarisationseffektes in bezug auf den Depolarisationseffekt, der von der hinteren
Gruppe 156 erzeugt wird, ist es möglich, ein im wesentlichen völliges Drehungskompensationsverhältnis
für dieses Objektivsystem zu schaffen. Wenn auch noch eine Feldlinse (nicht dargestellt)
mit einem derartigen Objektiv nahe dessen Bildebene verwendet werden soll, muß ihre
Depolarisationswirkung gemeinsam mit dem Depolarisationseffekt der hinteren Gruppe
berücksichtigt werden, um einen besten Ausgleich oder eine beste Drehungskompensation
zu schaffen. Ein nichtvergrößerndes Element oder ein im wesentlichen nichtvergrößerndes
Element 158
schwacher Krümmung ist manchmal an der hinteren Gruppe erwünscht,
um einen besseren Ausgleich des gesamten Systems zu sichern. Ein deartiges Element
158 kann noch nützlicher bei seiner Verwendung mit der vorderen Gruppe sein.
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In allen dargestellten Ausführungen, in denen die Halbwellenplatte
50, 80, 90, 118, 133, 143 oder 152
von der zugehörenden Drehungskompensationseinrichtung
auf Abstand steht oder von dieser Einrichtung etwas auf Abstand gestellt werden
kann, wird die Anordnung so gewählt, daß eine kleine Drehung in bezug auf die optische
Achse des Instruments möglich ist.
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Die infolge der Depolarisation auftretenden Drehungsgrößen oder der
Drehungsgrad kann zwar durch Verwendung von Aufstrichen geringer Reflexion vermindert
werden, doch läßt sich die Depolarisation auch durch nichtmetallische Aufstriche
hoher Reflexion erhöhen. Diese Möglichkeit kann ausgenutzt werden, um eine engere
Anpassung oder einen besseren Ausgleich zwischen den Depolarisationseffekten eines
bestimmten Systems und der Drehungskompensationseinrichtung hierfür zu erzielen.
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Während ein übliches Polarisationsmikroskop, das bei einer numerischen
Objektivöffnung von annähernd 0,84 wirkungsvoll arbeitet, wie bereits erwähnt, an
den Stellen c in den vier Ouadranten der Fig. 2 eine Drehung von 9,6 Winkelgraden
hat, ist in entsprechenden Stellen c des Objektfeldes einer erfindungsgemäß verbesserten
optischen Polarisationssystems nach Fig. 6 diese Drehung von 9,6 Winkelgraden auf
einen Höchstwert von annähernd 0,10 Winkelgraden verringert worden. Die Auflösungskraft
des erfindungsgemäßen verbesserten optischen Polarisationssystems ist also stark
erhöht.
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In der vorstehenden Beschreibung sind zwar Polarisator und Analysator
in gekreuzter Stellung zueinander angeordnet (wobei eine Achse der Phasenplatte
oder Phasenänderungseinrichtung gleichzeitig parallel zur Polarisationsebene des
Polarisators liegt). Diese gekreuzte Stellung bezieht sich nicht auf die Stellung
im geometrischen Sinn, sondern auf die Stellung im optischen Sinn, d. h. der Analysator
ist so eingestellt, daß er das auf ihn treffende Licht löscht. Es ist beispielsweise
möglich, annehmbare Ergebnisse zu erhalten, wenn die Achse der Halbwellenplatte
nicht genau parallel zur Polarisationsebene des Polarisators liegt, und in diesem
Fall wird die beste Einstellung die sein, wenn man die Achse der Halbwellenplatte
in einem mittleren Winkel oder bezüglich des Winkels halbwegs zwischen die Polarisationsebene
des Polarisators und die Ebene des Analysators legt.