DE2301549A1

DE2301549A1 - Optische vorrichtung

Info

Publication number: DE2301549A1
Application number: DE2301549A
Authority: DE
Inventors: Francis Hughes Smith
Original assignee: Vickers Ltd
Current assignee: Vickers Ltd
Priority date: 1972-01-14
Filing date: 1973-01-12
Publication date: 1973-07-19
Also published as: US3820870A; GB1407021A

Description

Dipl.-lng. H. MITSCHERLICH 8 MÜNCHEN

Dipl-lng. K. GUNSCHMANN steinsdorfsfraBe 10

Dr. rer. not. W. KÖRBER ·I⁰⁸")^t296684

Dipl-Jng. J. SCHMIDT-EVERS

PATENTANWÄLTE

12. Januar 1973

VICKERS LIMITED

Vickers House

Millbank Tower

Millbank, London S,W.I / England

P at ent anme 1 dun g

Optische Vorrichtung

Die Erfindung betrifft optische Vorrichtungen.

In der photometrischen Mikroskopie ist es gewöhnlich erforderlich, sicherzustellen, daß das Licht, welches den Photodetektor erreicht, von einem genau definierten Bereich des untersuchten Objekts stammt. Dies läßt sich leicht dadurch erzielen, daß eine verstellbare Blende an einer orthoskopischen Bildebene oberstromseitig des Photodetektors angeordnet wird. Um jedoch sicherzustellen, daß der interessierende Bereich durch die Blende richtig isoliert ist, müssen das Bild des Objekts und die Blende gleichzeitig beobachtet werden.

Wenn lediglich das Bild an einer Stelle unterstromseitig der Blende betrachtet wird, wird nur der isolierte Bereich gesehen, da jas restliche Objektfeld für den

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Blick verdeckt ist. Die bekannten Lösungen dieses Problems sind mit Nachteilen verbunden. So wird, wenn ein beleuchtetes Bild der Blende dem Gesichtsfeld (z.B. durch einen Strahlenteiler) überlagert wird, der gewählte Bereich wegen des verschleiernden Glanzes von der von aussen täeuchteten Blende weniger klar gesehen. Wenn diese Wirkung dadurch vermieden wird, daß der Blende die Form eines Spiegels gegeben wird, der mit Löchern versehen ist, welche den Durchtritt von Licht zum Photodetektor ermöglichen, wird hierdurch offensichtlich die Verwendung einer Irisblende verhindert.

Eine erfxndungsgemässe optische Vorrichtung mit einer Eintrittsöffnung, durch welche ein Eintrittsstrahlenganz von einem Objekt Zutritt erhält, das durch die Vorrichtung, wenn sich diese in Gebrauch befindet, betrachtet wird, besitzt einen ersten Strahlenteiler, der so angeordnet ist, daß er den Eintrittsstrahlengang von der Eintrittsöffnung aufnimmt und ihn in einen ersten und einen zweiten Strahlengang aufteilt, eine die Apertur begrenzende Blende, die in der Bahn des ersten Strahlengangs angeordnet ist, um diejenigen Strahlen des Strahlengangs durchzulassen, die von einem begrenzten Bereich des Objekts ausgehen, und diejenigen Strahlen des ersten Strahlengangs zu blockieren, die von Bezirken des Objekts ausserhalb des erwähnten begrenzten Bereiches ausgehen, einen-zweiten Strahlenteiler, der unterstromseitig der Blende angeordnet ist, um die durchgelassenen Strahlen des ersten Strahlengangs aufzunehmen und sie in ein erstes Strahlenbündel, das auf eine erste Austrittsöffnung der Vorrichtung gerichtet ist, und in ein zweites Strahlenbündel aufzuteilen, und ein Strahienvereinigungselement, das zur Aufnahme das zweiten Strahlengangs und des zweiten Strahlenbündel?

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angeordnet ist, um hieraus einen zusammengesetzten Austritts strahlengang zu bilden, der zur zweiten Austrittsöffnung der Vorrichtung geöffnet ist und der in einen Brennpunkt gebracht werden kann, um ein Bild des Objekts zu erzeugen, bei welchem Bild der erwähnte begrenzte Bereich des Objekts mit erhöhter Helligkeit im Vergleich zu den Bezirken ausserhalb des erwähnten begrenzten Bereichs erscheint.

Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese durchgeführt werden kann, wird beispielsweise auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen und zwar zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemässe optische Vorrichtung in Kombination mit einem Photodetektor und anderen Bauelementen eines photometrischen Mikroskops;

Fig. 2 eine zweite erfindungsgemässe optische Vorrichtung in Kombination mit einem Photodetektor;

Fig. 3 die Kombination nach Fig. 2 als Teil eines Durchlxchtmikroskops verwendet und

Fig. H die Kombination nach Fig. 2 als Teil eines Auflichtmikroskops verwendet.

In den verschiedenen Figuren bezeichnen gleiche Bezugsziffern gleiche Bauelemente,

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist zwei Rhomboid-Prismen 1 und 2 auf. Die eine Endfläche des Prismas 1 ist

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«limit einer Strahlentexlungsschxcht 3 zwischen dieser Endfläche und' der Hypotenusenfläche eines 45° - 4-5° Prismas 4 versehen. Die beiden Endflächen des anderen Rhomboid-Prismas 2 sind je mit einer Strahlentexlungsschxcht 5 bzw. 6 zwischen diesen Flächen und den Hypotenusenflächen von 45° - 45° -90° Prismen 7 und 8 versehen. Die Vorrichtung besitzt daher eine Prismenanordnung 1 + und eine Prismenanordnung 2 +7 +8. Zwischen diesen beiden Prismenanordnungen befindet sich eine Blende 9, welche eine Öffnung begrenzt, die auf einer optischen Achse liegt, welche durch eine Eintrittsöffnung 10 der Vorrichtung und eine erste Austrittsöffnung 11 derselben bestimmt wird. Der Photodetektor, der in der Zeichnung mit 13 bezeichnet ist, ist so angeordnet, daß er das die Vorrichtung durch die Öffnung 11 verlassende Licht aufnimmt. Die Vorrichtung besitzt ferner eine zweite Austrittsöffnung 12, in welcher eine Bxldübertragungs linse 20 angeordnet ist. Zur Verwendung ist die dargestellte Vorrichtung zwisc hen dem Objektiv 21 und dem Okular 22 des photometrischen Mikroskops angeordnet, wobei das durch das Objektiv von einem bei 0 - O¹ untersuchten Objekt einen Eintrittsstrahlengang 14 für die Vorrichtung bildet. Das Okular ist zur Betrachtung eines Bildes angeordnet, welches durch die Bxldübertragungslinse aus dem Licht gebildet wird, welches die Vorrichtung durch die öffnung 12 verläßt. Das Okular kann gegebenenfalls durch einen binokularen Betrachtungskopf ersetzt werden.

Beim Eintritt in die Vorrichtung wird der Eintrittsstrahlengang 14 an der Schicht 3 in einen reflektierten Strahlengang 15 und in einen durchfallenden Strahlengang 16 unterteilt. Der durchfallende Strahlengang 16 formt ein Bild des Objekts in der Ebene der Blende 9, so daß die öffnung in der Blende nur Lichtstrahlen hindurchtreten läßt, die von einem begrenzten Bereich des Objekts aus-

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gehen, wobei die Grosse dieses Bereichs durch die Grosse der Öffnung bestimmt wird. Die durchgelassenen Strahlen des Strahlengangs 16 fallen auf die Schicht 5 und werden in ein reflektiertes Strahlenbündel 17 sowie in ein durchfallendes Strahlenbündel 18 unterteilt, welches durch die Öffnung 11 aus der Vorrichtung herausgerichtet wird. Der von der Schicht 3 reflektierte Strahlengang 15 tritt durch das Prisma 1 zur entgegengesetzten Endfläche desselben hindurch, an welcher er zur Schicht 6 totalreflektiert wird. Der Strahlengang 15 wird durch die Schicht 6 teilweise durchgelassen. Das Strahlenbündel 17 nimmt seinen Weg von der Schicht 5 durch das Prisma 2 hindurch zur Schicht 6, an welcher es teilweise reflektiert wird» Der durchfallende Teil des Strahlengangs 15 wird daher an der Schicht 6 mit dem reflektierten Teil des Strahlenbündels 17 vereinigt, um einen zusammengesetzten Austrittsstrahlengang 19 zu bilden, der durch die Öffnung 12 aus der Vorrichtung herausgerichtet wird. Der zusammengesetzte Strahlengang wird durch die Bildübertragungslinse in einen B-ennpunkt gebracht und an diesem Brennpunkt wird ein Bild erzeugt, das durch das Okular betrachtet werden kann. Ein Betrachter des Bildes sieht ein abgeblendetes Feld, das einem hellen und nicht abgeblendeten Feld überlagert ist. Daher erscheint der begrenzte Bereich des Objekts, der durch die Öffnung in der Blende bestimmt wird, lediglich heller als das übrige Feld, so daß die Bildeinzelheiten aufrechterhalten werden. Der Grad der Steigerung der Helligkeit des abgeblendeten Bereiches mit Bezug auf die Bezirke ausserhalb dieses Bereiches hängt von dem relativen Reflexionsvermögen der jeweiligen Strahlenteilungsschicht ab. Diese Reflexionsvermögen können während der Herstellungsstufe festgelegt werden oder sie können von Hand unter Verwendung eines Polarisationssystems eingestellt werden.

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Beispielsweise können die Strahlenteilungsschichten die Form einer dielektrischen polarisierenden Strahlenteilungsschicht haben, so daß ihre Transmissions/Reflexions-Verhältnisse dadurch geregelt werden können, daß die Polarisationsazimute der einfallenden und/oder durchfallenden Strahlengänge verstellt werden* Gegebenenfalls könnten die Prismen in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Zeichnung ausreichend verlängert werden, um Raum für eine Anzahl Strahlenteilungsschichten zu schaffen, die längs der Prismen verteilt sind und unterschiedliche Transmissions-Reflexions-Verhältnisse haben. Die verschiedenen Schichten können dann durch Verlagern der Prismen in· der Verlängerungsrichtung gewählt werden.

Die Vorrichtung nach Fig, 2 ist der in Fig. 1 sowohl in ihrem Aufbau als auch in ihrer Wirkungsweise insofern ähnlich, als sie zur Verwendung als Teil eines photometrischen Mikroskops bestimmt ist. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Vorrichtungen besteht darin, daß in die Vorrichtung nach Fig. 2 ein Okular zur Betrachtung der Ebene der Blende 9 und der äquivalenten Ebene in der Bahn des reflektierten Strahlengangs 15 eingebaut ist. Bei der Vorrichtung nach Fig. 2 ist daher die Verwendung einer Bildübertragungslinse nicht erforderlich. Das Okular besitzt eine Feldlinse 23 und eine Augenlinse 24. Ferner ist bei der Vorrichtung nach Fig. 2 eine Blende 25 vorgesehen, die in der Bahn des durchfallenden Strahlenbündels 18 angeordnet ist, um zu verhindern, daß Streulicht in den Photodetektor eintritt. Solches Streulicht kann in das die Vorrichtung enthaltende Gehäuse durch die Öffnung 12 eintreten und nach mehrfachen Reflexionen zur Öffnung 14 gerichtet werden, jedoch gewährleistet die Blende 22, daß nur Lichtstrahlen, die zur öffnung 14 verlaufen j innerhalb eines engen Bereiches von Richtungen

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tatsächlich die Öffnung IH erreichen. Die Blende 25 begrenzt den engen Bereich von zulässigen Richtungen besser, je kleiner ihre Öffnung ist, und da es erforderlich ist, daß die Blende 25 das Licht des Strahlengangs 16, der durch die Blende 9 hindurchgetreten ist, nicht blockiert, ergibt sich, daß die Blende 25 da angeordnet werden muß, wo das Strahlenbündel 18 am schmälsten ist. Allgemein gesprochen ist der bildtragende Strahlengang eines Mikroskops am schmälsten in der Ebene der Austrittspupille^der Objektivlinse des Mikroskops und in mit der Austrittspupillenebene konjugierten Ebenen. Die Feldlinse 23 wird daher dazu verwendet, die Austrittspupille des Objektivs des photometrischen Mikroskops in der Ebene der Blende abzubilden.

Ferner ist die Vorrichtung nach Fig. 2 mit einem Spektralfilter 26 ausgerüstet, um aus dem Strahlenbündel 18 die Wellenlänge zu isolieren, bei welcher der Photodetektor betrieben werden muß. Schließlich besteht, während im Falle der Vorrichtung nach Fig. 1 der Austrittsstrahlengang 19 vertikal durch die Öffnung 12 hindurchtritt, im Falle der Vorrichtung nach Fig. 2 der Austrittsstrahlengang 19 aus dem durchfallenden Teil des Strahlenbündels 17 und dem reflektierten Teil des Strahlenbands 15 und die Öffnung 12 ist so angeordnet, daß der Strahlengang 19 die Vorrichtung horizontal verlassen kann. Der Grund hierfür besteht darin, daß es für einen Benutzer eines Mikroskops angenehmer ist, eine horizontale statt eine vertikale Betrachtungsrichtung zu haben.

Es würde natürlich möglich sein, eine Betrachtungsrichtung zwischen den beiden Extremen der Fig. 1 und 2 durch ein entsprechendes Reflektieren des Strahlengangs 19 vorzusehen.

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Natürlich kann die Blende 9 bei jeder der dargestellten Vorrichtungen eine Irisblende sein, welche eine wahlweise Veränderung der Grosse der Öffnung und damit des begrenzten Bereiches sein, der durch die Blende für den Durchtritt zum Photodetektor isoliert wird. Gegebenenfalls kann gewünschtwerden, eine Untersuchung unter Verwendung verschiedener genau bekannter öffnungsgrössen durchzuführen, beispielsweise zum genauen Vergleich verschiedener Objekte, in welchem Falle die Blende 9 die Form eines Durchziehglases haben kann, das mit mehreren Öffnungen von verschiedener Grosse versehen ist, von denen jede genau bekannt ist.

Fig. 3 zeigt ein Durchlichtmikroskop, das mit einer Kombination von der in Fig. 2 dargestellten Art statt mit einem herkömmlichen Okular ausgerüstet ist. Das Mikroskop besitzt eine Lampe 27, einen Lampenkondensor 28 und eine Feldblende 29, die dazu, verwendet wird, die durch die Lampe erzielte Beleuchtung auf denjenigen Bezirk des Präparats in der Ebene 0 - 0' zu begrenzen, der sic-h unter Betrachtung befindet. Der horizontale Beleuchtungsstrahlengang von der Feldblende 2 9 wird in die vertikale Richtung durch einen Trägerspiegel 30 reflektiert und tritt durch eine Träger-Irisblende 31 und einen Träger-Kondensor32 zur Ebene 0 - O¹ hindurch. Die Aufgabe der Blende 31 besteht darin, die effektive numerische Apertur des Beleuchtungskegels, der durch den Kondensor 32 erzeugt wird, verändern zu können. Der Strahlengang verläuft von der Ebene 0 *· 0' vertikal nach oben durch eine Objektivlinse 33, um in die Vorrichtung nach Fig. 2 durch die Feldlinse 23 einzutreten. Eine Abbildung des Präparats in der Ebene 0-0' wird in der Ebene der Blende 9 und in der vorerwähnten äquivalenten Ebene in der Bahn des reflektierten Strahlengangs 15 gebildet·

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Fig. 4 zeigt ein Auflichtmikroskop, das mit einer Kombination nach Fig. 2 statt mit einem herkömmlichen Okular ausgerüstet ist. Der Hauptunterschied zwischen dem Mikroskop nach Fig. M· und dem Mikroskop nach Fig. 3 besteht darin, daß während im Falle des Mikroskops nach Fig. 3 der horizontale Beleuchtungsstrahlengang von der Lampe 27 zum Spiegel 30 gerichtet wird, der unterhalb der Ebene 0 - O¹ liegt, im Falle des Mikroskops nach Fig. 4 der horizontale Beleuchtungsstrahlengang durch eine Korrektionslinse zu einem teildurchlässigen Reflektor 35 gerichtet wird, der den Strahlengang vertikal nach unten durch die Objektivlinse 33 reflektiert, die als Kondensor dient, um das Präparat von oben zu beleuchten. Das von dem Präparat reflektierte Licht nimmt seinen Weg zurück durch die Objektivlinse 33, von dem ein Teil durch den teildurchlässigen Reflektor 35 zur Vorrichtung nach Fig. 2 über die Feldlinse 23 hindurchtritt. Dieses reflektierte Licht, das durch den Reflektor übertragen wird, bildet eine Abbildung des Präparats in der Ebene der Blende 9 und in der vorerwähnten äquivalenten Ebene in der Bahn ,!es Strahlengangs 15. Die Korrektionslinse 34 ist vorgesehen, um die Feldblende 29 in ein genaues konjugiertes Verhältnis mit der endgültigen Bildebene der Objektivlinse 33 zu projizieren.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 oder 2 kann natürlich mit einem Mikroskop verwendet werden, das mit einem monokularen oder binokularen Betrachtungskopf ausgerüstet ist, wenn ein Prismensystem verwendet wird, das so angeordnet ist, daß der bildtragende Strahlengang vom Objektiv entweder zum Betrachtungskopf oder zur Vorrichtung nach Fig. 1 oder 2 gerichtet wird. Gegebenenfalls kann das Mikroskop mit einem Strahlenteiler versehen werden, der das

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Licht gleichzeitig sowohl zum"Betrachtungskopf als auch zur Vorrichtung nach Fig. 1 oder 2 richtet.

Patentansprüche;

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Claims

Paten tansprüche

' Iy Optische Vorrichtung mit einer Eintrittsöffnung für einen Eintrittsstrahlengang von einem zu untersuchenden Objekt und einer ersten sowie einer zweiten Austrittsöffnung, durch welche Licht die Vorrichtung verlassen kann, ferner mit einem ersten Strahlenteiler, der den erwähnten Eintrittsstrahlengang von der Eintrittsöffnung her aufnimmt und diesen in einen ersten und in einen zweiten Strahlengang aufteilt, einer die Apertur begrenzende Blende, die in der Bahn des ersten Strahlengangs angeordnet ist, um diejenigen Strahlen des Strahlengangs hindurchtreten zu la'ssen, die von einem begrenzten Bereich des Objekts ausgehen, und diejenigen Strahlen des ersten Strahlengangs zu blockieren, die von Bezirken des Objekts ausserhalb des erwähnten begrenzten Bereiches ausgehen, einem zweiten Strahlenteiler, der unterstromseitig der Blende angeordnet ist, um die durchfallenden Strahlen des ersten Strahlengangs aufzunehmen und sie in ein erstes Strahlenbündel, das zur ersten Austrittsöffnung der Vorrichtung gerichtet ist, und in ein zweites Strahlenbündel aufzuteilen, gekennzeichnet durch ein Strahlenvereinigungselement (6), das so angeordnet ist, daß es den zweiten Strahlengang (15) und das zweite Strahlenbündel (17) aufnimmt und daraus einen zusammengesetzten Austrittsstrahlengang (19) bildet, der zu der erwähnten zweiten Austrittsöffnung (12) gerichtet ist und in einen Brenn-

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punkt gebracht werden kann, um eine Abbildung des Objekts zu erzeugen, in welcher Abbildung der begrenzte Bereich des Objekts mit erhöhter Helligkeit im Vergleich zu den Bezirken außerhalb des erwähnten begrenzten Bereiches erscheint.
2.Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte Blende (9) durch eine Irisblende gebildet wird, damit die Grosse der durch sie begrenzten Öffnung wahlweise verändert werden kann.
3, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (9) durch ein Glied gebildet wird, das eine Anzahl Öffnungen von verschiedener Grosse aufweist und das so angeordnet ist, daß es beweglich ist, um eine ausgewählte der erwähnten Öffnungen in die Bahn des ersten Strahlengangs zu bringen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3 j gekennzeichnet durch eine Bildübertragungslinse (20), die so angeordnet ist, daß sie den zusammengesetzten Ausgangsstrahlengang (10) aufnimmt und das erwähnte Bild in einem endlichen Abstand unterstromseitig der Bildübertragungslinse (20) bildet.
5_# Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Kombination mit einem Okular (22) zur Verwendung für die

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Betrachtung des erwähnten Bildes.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Augenlinse (24), die zur Aufnahme des erwähnten zusammengesetzten Austrittsstrahlengangs (19) und zur Bildung der erwähnten Abbildung oberstromseitig der Augenlinse (24) angeordnet ist.

Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 6, oder eine Kombination nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Kombination mit einer Objektivlinse (21; 33), die zur Bildung einer Abbildung des Objekts an der Blende (9) angeordnet ist, und mit einem Photodetektor (13), der zur Aufnahme des erwähnten ersten Strahlenbündels (18) angeordnet ist.

Kombination nach Anspruch 7 in Verbindung mit Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Blende (25), die in der Bahn des erwähnten ersten Strahlenbündels (18) angeordnet ist, um zu verhindern, daß andere Lichtstrahlen als diejenigen des ersten Strahlenbündels den Photodetektor (13) erreichen, und eine Feldlinse (23), die oberstromseitig der Blende (9) angeordnet ist, um eine Abbildung der Austritt spupille der Objektivlinse (33) an der Stelle der erwähnten Blende (25) zu bilden.

Der Patentanwalt

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