DE1447159C - Interferometer Okular - Google Patents
Interferometer OkularInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein interferometrisches System zur Verwendung in einem Mikroskop, in dem
ein Objektiv und ein Kondensor angeordnet sind und eine mit einem engen optischen Spalt versehene
Blende im Brennpunkt des Kondensors angeordnet ist, um bei Beleuchtung des Spalts durch eine übliche
Mikroskopbeleuchtung ein kohärentes Bündel von im wesentlichen parallel gerichtetem Licht von jedem
Punkt im Spalt auf die Objektebene und auf das Objekt zu richten.
Bei Interferenzmikroskopen wird im allgemeinen einfach polarisiertes Licht verwendet, und sie enthalten
ein doppelbrechendes oder teilweise reflektierendes Element (Strahlenteiler), welches das Licht in getrennte
Strahlen unterteilt, von welchen nur einer durch das Objekt hindurchgeht oder auf dieses gerichtet
wird. Die getrennten Strahlenbündel werden dann durch ein doppelbrechendes oder teilweise
reflektierendes Element wieder vereinigt. Um Interlenbündel erforderlich sind. Diese Aufgabe wird dadurch
gelöst, daß in zwei getrennten Strahlengängen von bilderzeugenden Lichtstrahlen Ausrichteeinrichtungen
für die Lichtstrahlen und lichtreflektierende Elemente angeordnet sind, welche die Lichtstrahlen
in beiden Strahlengängen auf Einrichtungen zum interferenzfähigen Vereinigen der Lichtstrahlen richten,
wobei diese Einrichtungen die Lichtstrahlen beider Strahlengänge in einer einzigen Richtung auf ein
Okular richten; daß die lichtreflektierenden Elemente und die die Strahlenbündel vereinigenden Einrichtungen
so einstellbar sind, daß sich die Anzahl der Reflexionen der Lichtstrahlen eines der Strahlengänge
von der Anzahl der Reflexionen der Lichtstrahlen des anderen Strahlenganges nicht oder um
eine gerade Zahl unterscheidet; und daß Einrichtungen zur Änderung der optischen Weglänge des Strahlenganges
einstellbar in wenigstens einem der Strahlengänge angeordnet sind, um die optische Länge des
ferenz zu erhalten, müssen die Strahlenbündel in ge- ao einen Strahlenganges relativ zum anderen Strahlen-
nau der gleichen Weise wieder vereinigt werden, wie sie aufgeteilt worden waren. Jedes Strahlenpaar, das
von einem bestimmten Punkt des ersten Strahlenteilers ausgeht, muß an einem entsprechenden Punkt im
zweiten Strahlenteiler wieder vereinigt werden. Die Querschnitte der vereinigten Strahlenbündel an den
Strahlenteilern müssen genau kongruent sein. Die durch das Objekt eingeführte Phasenverzögerung
verursacht dann Interferenz, welche zur Bestimmung gang zu ändern. Die Erfindung ist mit »Interferometerokular«
bezeichnet, weil sie zwei Flächenteile einer Bildebene in der Nähe des Okulars in Koinzidenz
bringen oder überlagern soll, so daß die Interas ferenzerscheinungen zwischen diesen beiden Flächen
beobachtet und gemessen werden können. Eine dieser Flächenteile enthält das zu prüfende Teilchen,
während die andere Fläche in der Umgebung dieses Teilchens liegt und als Bezugsfläche dient. Die Erfin
der Größe dieser Verzögerung gemessen wird. Da die 30 dung erreicht also den mit weit komplizierteren und
beiden Strahlenbündel in genaue Kongruenz gebracht werden müssen, müssen die in den beiden Strahlengängen
befindlichen optischen Elemente identisch und genau ausgerichtet sein, um gute Kontrastwirkung zu
erzielen.
Interferenzmikroskope haben gewöhnlich die optischen Elemente eines üblichen Mikroskops einschließlich
einer Lichtquelle, eines Kondensorlinsensystems, eines Objektteils und eines Einstell- bzw.
Fokussiersystems, das ein Objektivlinsensystem und ein Okularlinsensystem aufweist. Interferenzmikroskope
weisen normalerweise auch lichtpolarisierende und analysierende Einrichtungen und doppelbrechende
Elemente zum Teilen und zum Wiedervereinigen der getrennten Lichtstrahlen auf. Das Vorhandensein
dieser doppelbrechenden Elemente im Fokussiersystem erschwert die Einstellung und verschlechtert
die Bildwirkung des durch das System hindurchgehenden Lichtes und verringert die Schärfe
und Klarheit des beobachteten Bildes.
Bekannte Interferenzmikroskope, welche reflektierende Strahlenleiter verwenden, benötigen entweder
eine Vielzahl von optischen Elementen — zwei Kondensoren, zwei Objektive, verschiedene Spiegel
teureren Intnrferenzgeräten erreichten Zweck, vermeidet jedoch viele der Nachteile dieser Geräte und
erzeugt ein schärferes Bild.
Da die beim Erfindungsgegenstand verwendete Beleuchtung über die gesamte Fläche der Objektebene
völlig kohärent ist, können der Probenbereich und der Bezugsbereich der Objektebene willkürlich gewählt
werden und im Interferenzokular zur Erzeugung eines Interferenzbildes wieder vereinigt werden.
In bekannten, nicht mit völlig kohärenter Beleuchtung der Objektebene arbeitenden Mikroskopen kann
eine willkürliche Wahl der zu vereinigenden Bereiche nicht getroffen werden.
Ferner entfällt durch die Verwendung einer kohärenten Lichtquelle für die Beleuchtung der Objektebene die Notwendigkeit, polarisierende, doppelbrechende
oder teilweise oberflächenversilberte Elemente im Kondensor des unteren Mikroskopteils zu verwenden.
Die von der Verwendung derartiger EIemente herrührenden Schwierigkeiten werden dadurch
vermieden.
Das InterferometerokuJar gemäß der Erfindung läßt sich leicht in einem Gehäuse unterbringen, um
ein abnehmbares Okular zu schaffen, das bequem in
usw. —, oder sie verwenden eine senkrechte Beleuch- 55 optische Instrumente, wie in übliche biologische Mitung
des Objekts. In diesem Fall wird ein Teil des kroskope eingebaut werden kann, um diese für Interzur
Beleuchtung verwendeten Lichtes reflektiert und
über die Oberfläche jedes der optischen Elemente des
über die Oberfläche jedes der optischen Elemente des
Mikroskops zerstreut. Dieses reflektierte und zerferenzmessungen und Beobachtungen geeignet zu
machen.
Nur eine einfache Abänderung ist erforderlich, um
streute Licht verringert die erreichbare Kontrastwir- 60 bei einem üblichen Mikroskop das erfindungsgemäße
kung erheblich. Ferner kann eine vertikale Beleuchtung in einem üblichen Mikroskop nur für interferometrische
Beobachtung der Oberfläche eines Objekts verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile von üblichen interferometrischen Geräten zu
erreichen, ohne daß dabei doppelbrechende Elemente zum Teilen und Wiedervereinigen getrennter Strah-Interferometerokular
verwenden zu können. Es können jedoch auch kompliziertere Anordnungen verwendet werden. Bei dieser einfachen Abänderung
wird eine Blende mit einem kleinen Loch oder einem engen Spalt verwendet, um eine punkt- oder linienförmige
Lichtquelle zu bilden. Die Blende wird in oder nahe der ersten Brennebene des im unteren Teil
des Mikroskops befindlichen Kondensors angeordnet.
Der Erfindungsgegenstand ist in der Zeichnung
beispielsweise näher erläutert. .In den Zeichnungen zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung des unteren Teils eines bei einem üblichen Mikroskop verwendeten
optischen Systems, dessen Aufbau gemäß den Lehren der Erfindung abgeändert ist,
F i g. 2 eine schematische Darstellung einer Ausbildungsform, welche für die Verwendung in Verbindung
mit dem in F i g. 1 gezeigten Mikroskop geeignet ist und bei dem ein Zusammenführungselement
mit einer teilweise reflektierenden Oberfläche vorgesehen ist,
F i g. 3 eine schematische Darstellung des in F i g 2 gezeigten optischen Systems mit einigen Abänderungen,
F i g. 4 eine schematische Darstellung des in F i g. 2
gezeigten optischen Systems mit weiteren Abwandlungsmöglichkeitcn,
F i g. 5 eine schematische Darstellung des in F i g. 2 gezeigten optischen Systems mit anderen Abwandlungen,
F i g. 6 eine Seitenansicht einer abgewandelten Form eines der in den F i g. 2, 3, 4 und 5 gezeigten
optischen Elemente,
Fig. 7 eine schematische Darstellung des optischen Systems nach Fig. 5, bei dem zusätzliche, für polarisiertes
Licht besonders geeignete Elemente verwendet worden sind,
F i g. 8 eine schematische Darstellung des in F i g. 7 gezeigten optischen Systems mit einer weiteren Abwandlung,
F i g. 9 eine schematische Darstellung eines in einer Bildebene des Gerätes erhaltenen Bildes,
Fig. 10 eine schematische Darstellung des optischen Systems einer weiteren Ausführungsform, bei
der ein anderes Zusammenführungselement verwendet worden ist, das sowohl total reflektierende als
auch nur teilweise reflektierende Flächen aufweist,
Fig. 11 eine schematische Darstellung des in
Fig. 10 gezeigten optischen Systems, in dem zusätzliche Spiegel und ein Prisma vorgesehen sind,
Fig. 12 eine schematische Darstellung des in Fig. 10 gezeigten optischen Systems mit einem anderen
Spiegel-Prisma-System,
Fig. 13 eine von vorn gesehene Schnittansicht
eines Interferenzokulars, in welchem eine der in Fig. 10 gezeigten Anordnung ähnliche Ausführungsform der Erfindung eingebaut worden ist,
Fig. 14 eine von unten gesehene, teilweise im
Schnitt gezeigte Ansicht des in Fig. 13 gezeigten Interferenzokulars,
Fig. 15 eine im Schnitt und Aufriß gezeigte Ansicht
des Interferenzokulars nach Fig. 13,
Fig. 16 eine Blende eines optischen Systems einer weiteren Ausführungsform, in welcher ein Wollaston
oder Doppel-Bildprisma als Zusammenführungselement verwendet wird,
Fig. 17 eine schematische Darstellung des in Fig. 16 gezeigten optischen Systems mit gewissen
Abwandlungen,
Fig. 18 eine schematische Darstellung des in
Fig. 16 gezeigten optischen Systems mit gewissen weiteren Abwandlungen und
Fig. 19 eine schematische Darstellung eines optischen
Systems, welches die Merkmale der in den Fig. 12 und 18 gezeigten Systeme vereinigt.
Die grundsätzliche Wirkungsweise der Erfindung geht am besten aus den F i g. 1 und 2 hervor, in denen
eine der Hauptausführungsmöglichkeiten schematisch dargestellt ist.
Ein Abschnitt des optischen Systems eines üblichen Mikroskops mit erfindungsgemäß abgeändertem unterem
Teil ist schematisch in F i g. 1 gezeigt. Von einer nicht gezeigten Lichtquelle herrührendes Licht 31
wird auf einen Spalt 32 gerichtet und darauf als Bündel von parallelen Strahlen mittels eines Kondensors
ίο 34 auf eine Probe S mit einem kleinen Objekt O ge
richtet. Das Objektivlinsensystem, das schematisch durch das Element 36 angedeutet ist, fokussiert Licht
von der Objektebene auf die Bildebene 22, wobei das Objekt O im Prüfling S bis O' erscheint und ein Bets zugspunkt R der Probe S bei R'. Die mittlere öffnung
der Blende 35 begrenzt die numerische Apertur des Objektivs.
Der Spalt 32 ist, wie dargestellt, vorzugsweise eng. Er ist senkrecht zur Papierebene der F i g. 1 angeord-
*> net. Das Licht, das von jedem Punkt des Spaltes ausgeht,
ist zu einem Bündel von parallelen Strahlen zusammengefaßt, von denen jeder eine im wesentlichen
ebene Wellenfront hat, welche die Probe beleuchtet.
»5 Da Licht von jedem Punkt im Spalt 32 alle Punkte in der Objektebene beleuchtet, kann durch irgendeinen
Punkt dieser Ebene hindurchgehendes Licht mit durch irgendeinen anderen Punkt dieser Ebene hindurchgehendem
Licht interferieren. Das Objekt wird also mit Licht beleuchtet, das an allen Punkten der
Objektebene im wesentlichen kohärent ist.
Bei bisher bekannten Interferenzmikroskopen mit Strahlenteilem wurde durch einen Strahlenteiler ein
Bündel von gewöhnlich nicht kohärentem Licht in zwei komplementäre Strahlenbündel unterteilt. Diese
beiden Bündel wurden über zwei getrennte Strahlengänge geleitet, wobei in einem dieser Strahlengänge
eine Bezugsobjektebene und in dem anderen eine Probenobjektebene lag. Die beiden Bündel wurden
dann mittels eines zweiten Strahlenteilers wieder vereinigt. Lichtstrahlen, die von einem Punkt des ersten
Strahlenteilers ausgehen, werden an einem kongruenten Punkt in dem zweiten Strahlenteiler vereinigt, und
da sie Wege von unterschiedlicher optischer Länge zurückgelegt haben, tritt Interferenz auf.
In der in F i g. 1 gezeigten Anordnung wird durch das kleine Objekt O hindurchgehendes Licht, das
durch den Strahl T und die gestrichelten Strahlen 7" dargestellt ist, durch das Objekt 36 auf einen Brennpunkt
bei O' gerichtet. Das durch den Bezugspunkt R hindurchgehende Licht hat einen Brennpunkt im
Bildpunkt R'. Wenn die optische Weglänge der Probe bei O und R verschieden ist, dann kann bei den die
Bildpunkte O' und R' bildenden Lichtstrahlen, die auf Grund der kohärenten Beleuchtung der Objektebene kohärent sind, Interferenz eintreten, wenn diese
Strahlen sich decken. Dies trifft für jedes Paar von beliebig ausgewählten Punkten in der Objektebene
zu, wenn diese in der in Fig. 1 gezeigten Weise beleuchtet wird. Daher ist die Kongruenz oder die
Punkt-für-Punkt-Übereinstimmung der Objekt- und Bezugsflächen, welche bei bekannten Interferenzmikroskopen
notwendig war, bei der Erfindung nicht erforderlich. Jeder »Bezugsteil« der Objektebene
kann irgendeiner ausgewählten Objektfläche überlagert werden, um ein Interferenzbild zu erzeugen,
ohne daß anfängliche Strahlenteiler, aufeinander abgestimmte Kondensoren und Objektive oder eine Prä-
zisionsausrichtung von optischen Elementen notwendig ist.
Optische Anordnungen zur Überlagerung von willkürlich gewählten Objekt- und Bezugsflächen der kohärent beleuchteten Objektebene sind in den F i g. 2
bis 19 gezeigt.
Ein Interferometerokular gemäB der Erfindung ist
in Fig. 2 schematisch wiedergegeben, welche die Verlängerung der F i g. 1 darstellt, wobei die Punkte
O1 und R' in jeder Figur die gleichen sind. Die mittleren Strahlen R'A und O'B von den Punkten A
und O werden durch die Elemente des Interferometerokulars in der folgenden Weise vereinigt und
überlagert. Strahl O'B wird entlang der Linie IM
durch die Reflexionsfläche 38 reflektiert, die ein voll versilberter Spiegel sein kann, und dieser reflektierte
Strahl geht durch den einstellbaren Strahlenteiler 40 hindurch. Ein Teil des Strahls R'A wird auf einem
zweiten Strahlenteiler 42 entlang der Linie AC reflektiert und dann wieder vom Strahlenteiler 40 entlang
der Linie Öl. Strahl BA und Strahier werden auf
diese Weise überlagert, und die Teile von jedem der Strahlen, welche zusammen den Strahlenteiler 42 passieren, können durch das Okular 44 beobachtet werden. Die mittleren Strahlen jedes Bündels sind nunmehr durch die optischen Elemente des Systems hindurch verfolgt worden. Die Kombination der Elemente 38, 40, 42 ist als an der anderen Seite der
Bildebene 37 des Objektivs liegend dargestellt, in der die Punkte Cf und R' erscheinen. Es ist aber ersichtlich, daß diese Elemente auch zwischen dem Objektiv
36 und seiner Bildebene 22 liegen können, da die bei diesen Elementen untereinander auftretenden Reflexionen nicht die Konvergenz dieser getrennten
Bündel beeinträchtigen, durch welche die Bildpunktc R' und O" gebildet werden, wie dies weiter oben für
die mittleren Strahlen des Bündels ausgeführt wurde.
Bei dem bevorzugten Beleuchtungsverfahren, das in Fig. 1 gezeigt ist, wird das Licht 31 von der nicht
gezeigten Quelle aus auf den Spalt 32 fokussiert. Dies ist als »Köhlerc-Beleuchtung bekannt. Der Spalt kann
dann als selbstleuchtend angesehen werden. Von jedem Punkt im Spalt tritt kohärentes Licht aus und
beleuchtet alle Punkte in der Probe. Die überlagerten Bilder von R' und O\ die von Licht, das von jedem
Punkt des Spalts herrührt, gebildet sind, bestehen aus kohärentem Licht. Wenn daher die Bilder von R'
und Ο" sich nahe überlagern, kann ein Satz von im
wesentlichen geraden Interferenzstreifen durch das Okular beobachtet werden. Die Streifenbreite kann
dadurch geändert werden, daß man die relative winkelmäßige Einstellung, die die Elemente 38, 40, 42
zueinander haben, etwas ändert. Insbesondere ist es, wenn gewünscht, möglich, einen einzelnen Streifen
Über das ganze Blickfeld auszubreiten. Der Strahlenteiler 40, der ebenfalls entlang der Linie AB einstellbar ist, kann linear bewegt werden, um eine das Bild
entweder dunkler oder heiler scheinend lassende Interferenz im Blickfeld hervorzurufen. Wenn ein
Bild eines plattenförmigen Teilchens im Blickfeld erscheint, kann dieses Bild durch Einstellung des Strahlenteilers 40 heller oder dunkler als das Bild seiner
Umgebung erscheinen. Es kann also der Bildkontrast durch eine Bewegung des Strahlenteilers 40 geregelt
werden. Wenn die Spaltbreite 32 sehr eng ist, dann kann die Energiedichte im Bild des Teilchens oder
im Bild der Umgebung annähernd gleich Null gemacht werden. Die Kontrastwirkung wird demgemäß
sehr groß sein. Es ist daher wünschenswert, verschiedene Spaltbreiten vorzusehen, so daß der Beobachter
die Intensität der Beleuchtung und die Größe des Kontrastes nach seinem eigenen Wunsch regeln kann.
S Im allgemeinen wird die Genauigkeit der Messung von StrahJengangabweichungen vergrößert, wenn man
die Spaltbreite verringert. Bei dem einfachsten Verfahren zum Messen von Unterschieden in den Strahlengängen des Teilchens und seiner Umgebung werden die winkelmäßigen Einstellungen der Elemente
38, 40, 42 derart vorgenommen, daß ein Satz von geraden Streifen sich über das Blickfeld erstreckt.
Wenn beispielsweise ein plattenförmiges Teilchen vorhanden ist, dann wird eine Streifenversetzung am
Rand des Teilchens beobachtet werden können. Diese Streifenversetzung kann leicht in an sich bekannter
Weise mit nicht polarisiertem monochromatischem Licht gemessen werden, um den Unterschied in den
Strahlengängen von Teilchen und Umgebung zu be-•0 stimmen. Der Gangunterschied kann beispielsweise
durch Verwendung eines üblichen Mikrometerokulars an Stelle des in Fig. 13 gezeigten Okularsl08 oder
durch Verwendung von in geeigneter Weise kalibrierten Scheiben bewirkt werden, die an den drehbaren
Wellen der Knöpfe 116 und 118 angeordnet sind, mittels welchen die winkelmäßigen Versetzungen dieser Wellen gemessen werden, wenn ein Interferenzstreifen und dann ein nachfolgender Streifen durch
eine in der Bildebene des Okulars vorgesehene Fadenkreuzlinie hindurchgeht. Es sind jedoch auch viele
andere Arten von Messungen des Gangunterschiedes möglich. Beispielsweise kann der Gangunterschied
mit Elementen gemessen werden, wie sie in Fig.7 und 8 gezeigt sind und weiter unten näher beschrieben werden.
Obwohl das in den F i g. 1 und 2 gezeigte Ausführungsbeispiel die gewünschte Wirkung aufweist, ist es
doch vorteilhaft, zusätzliche optische Elemente oder Abänderungen zu verwenden, um die Variabilität und
damit die Brauchbarkeit des Systems zu erhöhen. So kann z. B. die durch eine Bewegung des Strahlenteilers 40 erreichte Einstellung verhältnismäßig grob
sein, und wie in F i g. 3 gezeigt, kann eine drehbare durchsichtige Platte 46 in dem Strahlengang R'A zur
Feineinstellung des Strahlenganges R'A relativ zum Strahlengang O'BA angeordnet werden. Die Drehung
der Platte 46 führt zu einer Veränderung des vom Strahlenbündel R'A zurückgelegten Weges.
Diese Feineinstellung der Strahlenganglänge kann auch, wie in F i g. 6 gezeigt, dadurch erreicht werden,
daß man eine abgeänderte Form des Elementes 40 verwendet, bei welcher die Keile 40a und 40 b gleitbar vereinigt sind, so daß eine Gleiteinstellung die
optische Länge des Strahlenbündels BC geringfügig ändern wird. Das ganze Element 40 kann auch in
Richtung des Bündels BC verstellbar sein, um eine Grobeinstellung der relativen Strahlenganglängen beider Bündel zu erreichen.
In manchen Fällen kann es wünschenswert sein, βο die Amplitude oder Frequenz des Lichtes im Strahl
R'A zu verändern, und dies kann dadurch geschehen, daß man eine drehbare teilweise absorbierende
Platte 48 in den Strahlengang R'A einfügt, wie dies in F i g. 4 gezeigt ist. Hier wird durch die beim Drehen
der Platte 48 hervorgerufene größere Weglänge eine gewünschte vorbestimmte Absorptionsveränderung
erreicht. Bei dieser Ausführungsform kann eine weitere Feineinstellung der relativen Strahlenganglängen
7 8
durch Einfügung der drehbaren Platte 46' in den gezeigt ist. Die Vorrichtung 60 wird dann in der
Strahlengang O'B erreicht werden, wie dies in F i g. 4 Ebene des endgültigen Objektbildes aufgestellt. Deriezeigt
ist. Eine ähnliche Änderung der relativen Am- artige Halbschattenvorrichtungen, welche, wenn bei
plituden der Strahlenbündel R'A und O'B kann man Anordnungen von erheblicher axialer Länge eine
durch Einfügung fest angeordneter Polarisatoren 50 5 Hilfslinse erforderlich ist, in der Brennebene dieser
jnd 52 in den Strahlengängen R'A und O'B errei- Hilfslinse 75 angeordnet werden, können Soliel oder
■±en, wie dies in F i g. 5 gezeigt ist. Diese Polaris'ato- Makamura-Doppelplatten sein. Beim Vorhandensein
ren haben senkrecht zueinander stehende Polarisa- dieser Vorrichtungen können die beiden Hälften des
i.ions-Azimute, um in den beiden Strahlenbündeln Bildes mittels eines drehbaren Analysator gleich
senkrecht zueinander polarisiertes Licht zu übertra- io hell eingestellt werden. Die durch das Objekt eingehen,
wobei die Polarisationsebenen normal bzw. par- führte Verzögerung kann auf diese Weise mit größeallel
zur Einfallsebene des Lichtes auf die Reflexions- rer Genauigkeit gemessen werden,
flächen 38 und 42 liegen, um dadurch eine elliptische F i g. 9 zeigt eine schematische Darstellung von Depolarisation bei der Reflexion in diesen Flächen den beiden Teilen der Bildebene ab, welche die zu vermeiden. Wenn ein drehbarer Polarisator 54 in 15 durch das erfindungsgemäße Interferenzokular zu den Strahlengang beider Strahlenbündel angeordnet überlagernden Strahlenbündel O' und R' umgeben, wird, dann wird seine Dreheinstellung um eine im Das Reflexionssystem gemäß Fig. 2 arbeitet in wesentlichen parallel zur optischen Achse O'Z des sehr befriedigender Weise. Es ergibt sich dabei, daß Systems liegenden Achse die Amplitude des einen die Anzahl der Reflexionen, denen die Bündel R'ACA Strahlenbündels vergrößern und gleichzeitig die Am- ao und OBCA der F i g. 2 unterworfen sind, um eine plitude des anderen Bündels verringern, so daß jedes ungerade Zahl differiert. Wenn die Zahl der Re-Strahlenbündel im wesentlichen gesperrt werden und flexionen, denen die zu überlagernden Bündel von R' eine große Anzahl von Amplituden für diese beiden und O' ausgesetzt sind, um eine ungerade Zahl diffe-Strahlenbündel gewählt werden kann. Ein Sperren riert, dann wird durch die geneigten Wellenfronten oder Festlegen eines Strahlenbündels gestattet eine 25 ein Interferenzbild mit vielen schmalen Streifen für sorgfältige Auswahl der Fläche der Probe, die durch das Licht erzeugt, welches von Punkten ausgeht, die das andere Strahlenbündel abgebildet werden soll. genügend weit von der Mittellinie des zentrierten Wenn keine Polarisatoren vorhanden sind, kann ein Spaltes angeordnet sind. Glücklicherweise kann aber ähnliches Festlegen dadurch erreicht werden, daß das Auftreten dieser schmalen Streifen vermieden man eines der Bündel durch irgendein geeignetes Mit- 30 werden, wenn man das Reflexionssystem so abändert, tcl. beispielsweise eine in den Strahlengang angeord- daß die Anzahl der Reflexionen der interferierenden nete (nicht dargestellte) Blende ablenkt oder be- Bündel von R' und O' um Null oder eine ganze Zahl hindert. differiert, wie dies bei den reflektierenden Flächen
flächen 38 und 42 liegen, um dadurch eine elliptische F i g. 9 zeigt eine schematische Darstellung von Depolarisation bei der Reflexion in diesen Flächen den beiden Teilen der Bildebene ab, welche die zu vermeiden. Wenn ein drehbarer Polarisator 54 in 15 durch das erfindungsgemäße Interferenzokular zu den Strahlengang beider Strahlenbündel angeordnet überlagernden Strahlenbündel O' und R' umgeben, wird, dann wird seine Dreheinstellung um eine im Das Reflexionssystem gemäß Fig. 2 arbeitet in wesentlichen parallel zur optischen Achse O'Z des sehr befriedigender Weise. Es ergibt sich dabei, daß Systems liegenden Achse die Amplitude des einen die Anzahl der Reflexionen, denen die Bündel R'ACA Strahlenbündels vergrößern und gleichzeitig die Am- ao und OBCA der F i g. 2 unterworfen sind, um eine plitude des anderen Bündels verringern, so daß jedes ungerade Zahl differiert. Wenn die Zahl der Re-Strahlenbündel im wesentlichen gesperrt werden und flexionen, denen die zu überlagernden Bündel von R' eine große Anzahl von Amplituden für diese beiden und O' ausgesetzt sind, um eine ungerade Zahl diffe-Strahlenbündel gewählt werden kann. Ein Sperren riert, dann wird durch die geneigten Wellenfronten oder Festlegen eines Strahlenbündels gestattet eine 25 ein Interferenzbild mit vielen schmalen Streifen für sorgfältige Auswahl der Fläche der Probe, die durch das Licht erzeugt, welches von Punkten ausgeht, die das andere Strahlenbündel abgebildet werden soll. genügend weit von der Mittellinie des zentrierten Wenn keine Polarisatoren vorhanden sind, kann ein Spaltes angeordnet sind. Glücklicherweise kann aber ähnliches Festlegen dadurch erreicht werden, daß das Auftreten dieser schmalen Streifen vermieden man eines der Bündel durch irgendein geeignetes Mit- 30 werden, wenn man das Reflexionssystem so abändert, tcl. beispielsweise eine in den Strahlengang angeord- daß die Anzahl der Reflexionen der interferierenden nete (nicht dargestellte) Blende ablenkt oder be- Bündel von R' und O' um Null oder eine ganze Zahl hindert. differiert, wie dies bei den reflektierenden Flächen
Obwohl beobachtbare Interferenzerscheinungen in 38, 41a und 426, 42 in Fig. 10 der Fall ist. Jede
dem Interferometerokular gemäß der vorliegenden 35 Reflexion kehrt die Wirkung, die sich aus seiner
Erfindung sowohl als auch dann auftreten, wenn pola- Neigung der Wellenfront oder einer Abweichung der-
risiertes oder nichtpolarisiertes Licht verwendet wird, selben von einer geraden Front ergibt, um, und wenn
so kann doch durch die Einlührung von Polarisatoren zwei Bündel Strahlengängen folgen, die um eine un-
50 und 52 das Gerät zusammen mit einstellbaren Eic- gerade Zahl von Reflexionen differieren, dann wird
menten verwendet werden, welche so bemessen sind, 40 die Wirkung einer solchen Neigung oder Abweichung
daß sie die von einem zu prüfenden Teilchen in bezug erhöht, so daß das Interferenzbild viele schmale
auf seine Umgebung eingeführte Phasenverzögerung Streifen enthalten kann. Durch eine geradzahlige
quantitativ messen können. Beispielsweise ist in dem Differenz in der Anzahl der Reflexionen werden je-
in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ein Senar- doch die ungünstigen Auswirkungen solcher Neigun-
mont-Kompensator verwendet, dessen Viertelwellen- 45 gen oder Abweichungen aufgehoben, wodurch viel
platte 56 und dessen drehbarer Analysator 58 (der breitere Interferenzstreifen entstehen, deren Breite
ein Blatt aus einem polarisierenden transparenten durch winkelmäßige Einstellung der Elemente 38,41
Material sein kann) zwischen dem Element42 und und 42 in Fig. 10 geregelt werden kann, wenn die
dem Okular 44 angeordnet ist. Dieser Kompensator, Schlitzweitc vergrößert wird.
in dem die feste Viertelwellcnplatte 56 unter 45" zu 50 in der in Fig. 10 gezeigten abgewandelten Ausden
senkrechten Polarisationsebenen dci überlagerten führungsform der Erfindung ist ein anderes Element
Strahlenbündel geneigt ist, verwandelt diese Strahlen- 41 zum Vereinigen der beiden Strahlenbündel vorbündel
in sich gegenläufig drehende kreisförmige gesehen. Das Element 41 hat eine im wesentlichen
polarisierende Bündel, welche von dem drehbaren totalreflekticrende oder vollversilberte Oberfläche
Analysator 58 analysiert werden. Der Unterschied in 55 41a, die so angeordnet ist, daß sie das Bezugsbündel
der winkelmäßigen Einstellung des Analysator 58 für AC entlang der Linie CD reflektiert, und eine teilminimale
Objekthelligkeit und für minimale Umge- weise reflektierende oder halbversilberte Oberfläche
bungshelligkeit ergibt, wenn mit Zwei multipliziert, 41 ft, die so angeordnet ist, daß ein Teil des Bündels
die Größe des Gangunterschicds zwischen Objekt und CD durch die Fläche 41 ft entlang der Linie DE hinseiner
Umgebung. 60 durchgeht, während der übrige Teil des Bündels CD
Da eine genaue Wahrnchmbarkeit der Einstellun- entlang der Linie DF reflektiert wird. Zur gleichen
gen für minimale Helligkeit für das menschliche Zeit wird das von dem Probeteilchen ausgehende
Auge schwierig ist, können auch, was für das Strahlenbündel BD in der Fläche 41 ft gespalten, wo-
mcnschliche Auge leichter ist, die relativen Hellig- bei ein Teil dieses Bündels durch die Fläche 41 ft
keilen benachbarter Flächen für diesen Zweck ver- 65 entlang der Linie DF hindurchgeht und der übrige
glichen werden, wenn eine Halbschattcnvorrichtung Teil entlang der Linie DE reflektiert wird. Wenn da-
60 zwischen der Viertelwellcnplatte 56 und dem her das Okular im Punkt E liegt, wird jedes Bündel
Analysator 58 angeordnet wird, wie dies in F i g. 8 zwei Reflexionen unterworfen, während bei Anord-
nung des Okulars in der alternativen Stellung das Bezugsbündel drei Reflexionen unterworfen ist, während
das Bündel des Probeteilchens nur eine Reflexion erfährt. Der geradzahlige Unterschied in der
Anzahl der Reflexionen jedes Sirahlenbündels verringert also in erwünschter Weise die von kleineren
Fehlern im optischen System und von der Spaltbreite verursachten ungünstigen Auswirkungen, wie dies
bereits weiter oben ausgeführt wurde. Die Flachen 41a und 41 b können in dem in Fig. 10 gezeigten
zusammengesetzten Prisma 41 liegen. Sie könnten aber auch eine vollversilberte Spiegelfläche und eine
halbversilberte Spiegelfläche sein, die in einem beweglichen Rahmen angeordnet sind.
Das Element 41 kann zur Grobeinstellung des Gangunterschiedes der beiden Bündel in Richtung
BF bewegt werden, während Feineinstellungen durch Einfügung einer drehbaren transparenten Platte in
den Strahlengang des Bündels R'A nach Art der F i g. 3 ermöglicht werden können. Andererseits kann
auch das die Bündel vereinigende Element 41 selbst drehbar angeordnet sein, wie dies in Fig. 10 gezeigt
ist. Wenn das Element 41 beispielsweise um den Punkt D drehbar ist, wird eine geringe Drehung die
Linie AC etwas verlängern oder verkürzen, während die anderen Teile beider optischen Wege im wesentlichen
unverändert bleiben.
Eine besonders brauchbare Ausführungsform mit einem die Bündel vereinigenden Element, wie dem
zusammengesetzten Prisma 41 ist schematisch in Fig. 10 gezeigt, in der die Bündeln'/ und O'G so
nahe beieinander liegen, daß das Element 41 schlecht zwischen ihnen angeordnet werden kann. Hier wird
der das Bündel R'J entlang JKA von den Elementen 43 und 47 reflektiert, während das Bündel O'G entlang
GHB von den Elementen 43 und 39 reflektiert wird. Bei dieser Anordnung ist genügend Raum für
das Element 41 und auch für dessen Parallelverschiebung und dessen Drehbewegung zur Einstellung des
Gangunterschiedes der beiden Bündel vorhanden.
Eine ähnliche Trennung der Strahlengänge kann durch andere Kombinationen von Spiegeln und
Prismen erreicht werden, wie die Ausführungsform in F i g. 12 zeigt. Hier sind die Flächen 43 a und 43 b
keine Flächen eines zentralen Prismas 43, wie dies in Fig. 11 der Fall ist, sondern sind statt dessen
Teile von benachbarten, sich gegenüberliegenden Prismen 45 und 47, deren gegenüberliegende Enden
reflektierende Flächen 37 und 39 bilden.
Ein Ausführungsbeispiel eines die Anordnung nach Fig. 10 bzw. 11 verwendetenInterferenzokulars
ist in den Fig. 13 bis 15 dargestellt. Ein Gehäuse 102 weist einen die Eintrittsöffnung für durch das
Mikroskop hindurchgehendes Licht bildenden Ringflansch 104 auf. Hinter dem Flansch 104 ist am
Vorderende des Gehäuses 102 eine transparente Deckplatte 72 angeordnet, durch die das Licht in das
Gehäuse eintritt und über feste Prismen 74, 76, 78 und 80 zunächst über getrennte Strahlengänge auf
das zusammengesetzte Prisma 41 fällt. Vom Prisma 41 wird das Licht in der an Hand der Fig. 10 und 11
beschriebenen Weise überlagert und in Richtung auf das eigentliche Okular 108 reflektiert. Das zusammengesetzte
Prisma 41 ist auf einem Rahmen 82 angeordnet, der um die Achse eines parallel zur Spaltlichtquelle
32 (F i g. 1) angeordneten Zapfens 86 verschwenkbar ist. Der Zapfen 86 ist drehbar in einer
querverschiebbaren Konsole 114 gelagert, die in einer Gleitführung 120 eines im Gehäuse 102 angeordneten
Sockels 88 gleitet. Über eine an einen Flansch 114 a der Konsole 114 angreifende Schraubvorrichtung
118, 122 kann die Konsole 117 au: der Gleitführung 120 verschoben werden. Die Drehung
des Prismas 41. erfolgt ebenfalls durch eine Schraubvorrichtung 116, 124, welche an einem Flanschen
82a des Rahmens 82 angreift. Federn 123 kompensieren den toten Gang der Schraubverbindung.
ίο Ausführungsbeispiele, bei denen eine andere Form
von Strahlenteilern als ein die Strahlenbündel vereinigendes Element verwendet sind, sind in den
Fig. 17, 18 und 19 gezeigt. In den in diesen Figuren gezeigten Systemen besteht das die Überlagerung der
Bündel bewerkstelligende Element aus einem Doppelbildprisma 61, wie einem Wollaston-Prisma, das zwei
entsprechend ausgerichtete Strahlenbündel AC und BD aufnimmt und sie durch Brechung zu einem
Bündel PE vereinigt, das auf das nicht gezeigte
so Okular gerichtet ist. Der Winkel zwischen den Bündeln AC und BD ist so gewählt, daß das Doppeibildprisma
diese Strahlenbündel vereinigen kann. Das Wollaston-Prisma wird ein solches Vereinigen der
Strahlenbündel nur für solche Komponenten der beiden Bündel ausführen, welche in senkrecht zueinanderliegenden
Ebenen polarisiert sind und weiche ferner in richtiger Weise relativ zu der geneigten
brechenden Innenfläche des Prismas ausgerichtet sind. Es können daher überflüssige Komponenten des
Lichtes ausgeschieden werden, wenn man Polarisatoren 64 und 66 in den Strahlengängen AC und BD
vorsieht, wie dies in Fig. 16 gezeigt ist. Diese Polarisatoren
sind so ausgebildet und angeordnet, daß nur die gewünschten Komponenten zu dem WoUaston-Prisma
62 gelangen.
Andererseits werden, falls die Polarisatoren 64 und 66 weggelassen werden, die Komponenten der
beiden Strahlenbündel, die nicht in die gewünschter. Ebenen fallen, durch das Prisma in anderer Weise
gebrochen. Sie werden daher beim Verlassen des Prismas divergieren und können dann durch eine
Blende 68 blockiert werden, deren Öffnung so gewählt ist, daß nur das vereinigte Bündel PE durch
sie hindurchgeht, wie dies in Fig. 17 gezeigt ist.
Falls Polarisatoren 64 und 66 an Stelle der Blende 68 verwendet werden, dann können die relativen
Amplituden der beiden Strahlenbündel dadurch geändert und einander angeglichen werden, daß man
einen drehbaren Polarisator 54 im Strahlengang beider Bündel vorsieht, wie dies in Fig. 16 gezeigt ist.
Die Drehung des Polarisators 54 wird dann die relativen Amplituden der Strahlenbündel AC und BD
ändern oder gleichmachen, wie dies bereits weiter oben mit Bezug auf Fi g. 5 erklärt worden ist.
Ein weiterer Vorteil des in Fig. 16 gezeigten Systems
mit den Polarisatoren 64 und 66 besteht darin, daß die Kombination zusammen mit den HaIbschattenokularelementen
75, 56, 58 und 60 verwendet werden kann, die weiter oben mit Bezug auf Fig. 8 beschrieben wurden. DieSenarmont-Kompensatorelemente
56 und 58, die in Fig. 7 gezeigt sind, können, falls erwünscht, auch ohne das Halbschattenelement
60 verwendet werden.
Drei verschiedene Kombinationen von Elementen, die dazu verwendet werden können, Lichtbündel in
das Wollaston-Prisma 62 einzuführen, sind in den Fig. 16, 17 und 18 gezeigt. In Fig. 16 werden zwei
brechende Prismen 70 und 71 verwendet, und falls
eines dieser Prismen, beispielsweise das Prisma 70, in einer normal zur optischen Achse des Systems
liegenden Richtung einstellbar ist, können Feineinstellungen des Gangunterschiedes der beiden Bündel
vorgenommen werden. Wenn beispielsweise das Prisma 70 aufwärts bewegt wird, dann bleiben die
Brechungswinkel seiner beiden Flächen unverändert, während der von dem durch das Prisma hindurchgehenden
Bündel zurückgelegte Weg vergrößert wird.
Wie in Fig. 17 gezeigt, kann ein Paar von in ge- ίο
cigneter Weise orientierten Spiegeln 77 und 79 verwendet
werden, um die beiden Strahlen auf das Wollaston-Prisma 62 zu richten. Falls erwünscht,
können die Spiegel die Strahlenbündel auch auf ein Prisma 78 richten, dessen Flächen so ausgebildet
sind, daß sie die getrennten Lichtbündel in das Wollaston-Prisma 62 unter den erforderlichen Winkeln
einführen,wie dies in Fig. 18 gezeigt ist. Dieses weitere Prisma 78 kann in einer senkrecht zur optischen
Achse des Systems liegenden Ebene beweglich ao angeordnet sein, um den Gangunterschied der beiden
Strahlenbündel einzustellen. Andere Kompensationseinrichtungen, wie die in Fig. 3 und 4 gezeigten
Einrichtungen, können, falls erwünscht, mit diesen Systemen kombiniert werden. . a5
Die beiden Strahlenbündel liegen oft sehr nahe beieinander, wenn sie sich der Bildebene nähern,
und es kann vorteilhaft sein, sie durch reflektierende Kombinationen, wie sie in den Fig. 11 und 12 gezeigt
sind,zu trennen. So zeigt beispielsweise Fig. 19 eine Ausführungsform der Erfindung mit Prismen 45
und 47 zum Trennen der beiden Bündel und ferner mit Spiegeln 77 und 79, um die Bündel nach einem
einstellbaren weiteren Prisma 78 zu führen, welches sie in das Wollaston-Prisma 62 unter den gewünschten
Winkeln einführt. Senkrecht angeordnete Polarisatoren 64 und 66 arbeiten zusammen, um Δία Bündel
in der für das Wclhston-Prisma benötigten Weise zu polarisieren, während ein einstellbarer
Polarisator 54 eine Änderung ihrer Amplitude gestattet. Die durch die Phasenverzögerung des zu
prüfenden Objektteilchens erzeugten Interferenzerscheinungen können durch Verwendung von HaIbschatten-Okularelementen
75, 56, 58 und 16 in der weiter oben beschriebenen Weise gemessen werden. Eine Feineinstellung der Längen der Strahlengänge
kann in einem der Strahlenbündel durch Drehen der transparenten Platte 46 bewirkt werden.
In allen weiteren Ausführungsformen wird "das Grundprinzip der Überlagerung zweier getrennter
Bildteile in verschiedener Weise bewirkt, so daß eine große Flexibilität in der Auswahl und für die Einstellung
der optischen Elemente möglich ist. Ferner sind alle optischen Elemente des Interferometerokulars
in einem einzigen Gehäuse vereint, wie beispielsweise in den Fig. 13, 14 und 15 gezeigt ist, so
daß interferometrische Beobachtungen mit einem üblichen Mikroskop oder anderen optischen Geräten
durch Einbau eines verhältnismäßig einfachen und billigen optischen Anbauteils vorgenommen werden
können. Bei der Erfindung ist es ferner erforderlich, daß die Objektebene mit Licht beleuchtet wird, das
in allen Punkten dieser Ebene kohärent ist. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Objektebene
mit dem Beiigungsbild eines Löchleins oder des in den Zeichnungen gezeigten Spaltes oder durch die
Verwendung irgendeiner anderen Quelle von kohärentem Licht, wie einem Laser, beleuchtet wird.
In den in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispielen ist das einzige notwendigerweise außerhalb
des Interferenzokulars angeordnete Element die Blende mit der vorzugsweise spaltförmigen »Lichtquelle«
32, die zweckmäßig in der ersten Brennebene der Kondensorlinse 34 angeordnet wird, wobei sich
der Spalt senkrecht zur Papierebene der Figuren erstreckt und deshalb senkrecht zu den Einfallebenen
der verschiedenen reflektierenden Flächen des Interferenzokulars liegt. In dem gezeigten System wird
durch die Anordnung des Schlitzes 32 die notwendige kohärente Beleuchtung der ganzen Objektebene bewirkt.
Die Auswahl der beiden zu überlagernden Bildteile kann dadurch erleichtert werden, daß man eines der
Strahlenbündel in der oben beschriebenen Weise blockiert. Wenn das Mikroskop mit einem rotierenden
Objekttisch versehen ist, können der Tisch und die Probe so gedreht werden, bis eine geeignete Bildfläche
gefunden ist. Falls eine Mehrzahl von Objektivlinsen vorhanden ist, kann eine Änderung der Vergrößerung
oft die Auswahl der Bildfläche erleichtern. Falls es erwünscht ist, das Interferometerokular
selbst für die Auswahl der Bildfläche zu verwenden, können verschiedene optische Elemente im Okular
beweglich angeordnet werden. So könnten in den Fig. 2, 3, 4, 5, 7, 8, 10, 11, 12, 18 und 19 die reflektierenden
Flächen 42 oder 77 in einer normal zur optischen Achse des Systems liegenden Richtung zur
Einstellung beweglich angeordnet sein. Dies würde in bequemer Weise die Auswahl der 3ezugs- oder
Vergleichsbildfläche gestatten, ohne dabei die Elemente zu beeinflussen, welche auf das vom Objektteilchen
ausgehende Strahlenbündel einwirken.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Interferometerokulare
ist keineswegs auf Mikroskope beschränkt, denn sie können in Verbindung mit irgendeinem
optischen System angewendet werden, bei dem interferometrische Beobachtungen ausgeführt
werden müssen. Beispielsweise kann die Erfindung dazu verwendet werden, die sphärische Aberration
eines Teleskops zu messen oder die Phasendifferenz von zwei Teilen eines durch ein optisches Instrument
erzeugten Bildes.
Claims (4)
1. Interferometrisches System zur Verwendung in einem Mikroskop, in dem ein Objektiv und
ein Kondensator angeordnet sind und eine mit einem engen optischen Spalt versehene Blende
im Brennpunkt des Kondensors angeordnet ist, um bei Beleuchtung des Spalts durch eine übliche
Mikroskopbeleuchtung ein kohärentes Bündel von im wesentlichen parallel gerichtetem Licht
von jedem Punkt im Spalt auf die Objektebene und das Objektiv zu richten, dadurch gekennzeichnet,
daß in zwei getrennten Strahlengängen von bilderzeugenden Lichtstrahlen
Ausrichteeinrichtungen (37, 38, 39, 40, 43, 45,
47, 70, 71, 77, 78, 79) für die Lichtstrahlen und lichtreflektierende Elemente (37, 38, 39, 42, 43,
45, 47, 77, 78, 79) angeordnet sind, welche die Lichtstrahlen in beiden Strahlengängen auf Einrichtungen
(40, 41, 62) zum interferenzfähigen Vereinigen der Lichtstrahlen richten, wobei diese
Einrichtungen die Lichtstrahlen beider Strahlengänge in einer einzigen Richtung auf ein Okular
(44) richten; daß die lichtreflektierenden Elemente und die die Strahlenbündel vereinigenden Einrichtungen
so einstellbar sind, daß sich die Anzahl der Reflexionen der Lichtstrahlen eines der
Strahlengänge von der Anzahl der Reflexionen der Lichtstrahlen des anderen Strahlenganges
nicht oder um eine gerade Zahl unterscheidet; und daß Einrichtungen (40, 46, 46', 50, 52, 70)
zur Änderung der optischen Weglänge des Strahlenganges einstellbar in wenigstens einem der
Strahlengänge angeordnet sind, um die optische Länge des einen Strahlenganges relativ zum anderen
Strahlengang zu ändern.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zur Änderung der Lichtintensität dienende
Einrichtungen (48), die in einem der Strahlengänge angeordnet sind, um die Lichtintensität
in diesem Strahlengang zu ändern, ohne
die Lichtintensität des anderen Strahlengangs zu ändern.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen ersten Polarisator (50),
der in einem der Strahlengänge angeordnet ist, und durch einen zweiten Polarisator, der im anderen
Strahlengang angeordnet ist und dessen Polarisationsrichtung senkrecht zur Polarisationsrichtung
des ersten Polarisators verläuft; und durch einen drehbaren Anlysator (58), der in
dem Strahlengang der überlagerten Strahlen beider Flächen angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Strahlenbündel vereinigenden
Einrichtungen einen teilweise übertragenden, teilweise reflektierenden Spiegel (40,
41) enthalten, der linear verschiebbar entlang dem Weg der vereinigten Strahlen angeordnet ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Family
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