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VERWEIS AUF
ZUGEHÖRIGE
ANMELDUNGEN
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Die
vorliegende Anmeldung beansprucht die Prioritäten der US-Anmeldung serial number 60/098,863 vom
2. September 1998 mit dem Titel „Edge-Wave Contrast Enhancement
for Microscopes" sowie
der US-Anmeldung serial number 60/110,627 mit dem Titel „A Device
for Producing Diffracted-Light Contrast Enhancement in Microscopes" vom 2. Dezember
1998, wobei jeweils deren vollständige
Offenbarung hiermit eingeschlossen wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich sehr allgemein auf optische Systeme
und Elemente und insbesondere auf Beleuchtungssysteme bei Hellfeldmikroskopen.
Durch die Lehre der vorliegenden Erfindung wird durch Drehen eines
opaken konvexen Elementes durch den Lichtweg eine Lichtbeeinflussung
erzielt, um eine sehr günstige
Kontrastverbesserung zu erzeugen.
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2. BESCHREIBUNG DES ZUGEHÖRIGEN STANDES
DER TECHNIK
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Mikroskope
sind allgemein bekannt, um Vergrößerungen
von kleinen Bereichen oder Probenstücken von lebendem oder leblosen
Material zu erhalten. Ein zum Betrachten durch das Mikroskop vorbereitetes
Probenstück
wird als Probe bezeichnet und kann ein lebender biologischer Organismus
oder alternativ ein anderes Stück
Materie sowohl organischen als auch anorganischen Ursprungs sein.
Optische Hellfeldmikroskope, die der Gegenstand der vorliegenden
Erfindung sind, vergrößern Bilder,
die von durch und um eine Probe herum vorbeigelassenem Licht gebildet
sind, um Merkmale zu betrachten, die normalerweise zu klein sind,
als dass sie mit dem bloßen
Auge klar betrachtet werden könnten.
Das Probenstück
kann durchscheinend, durchlässig
eine Kombination eines sich ändernden
Durchlassgrades sein, die auch opakes Material umfassen kann, auch wenn
bei den hierin behandelten Hellfeldmikroskopen die Probenstücke eine
gewisse Lichtdurchlässigkeit
aufweisen müssen,
durch das zum Betrachten Licht durchtreten kann. Das Probenstück kann
in der Größe auch
sehr unterschiedlich sein, auch wenn in den meisten Fällen die
Probe ein verhältnismäßig kleines
Probenstück
ist, so dass es leicht auf einen als Schlitten bezeichneten Träger angeordnet
werden kann. Für
diejenigen, die mit Mikroskopen weniger vertraut sind, sei angemerkt,
dass der Schlitten als eine Unterlage wirkt, um die verhältnismäßig kleine
Probe zum Betrachten zu dem Mikroskop zu transportieren und in Abhängigkeit
der Probe möglicherweise
für eine
nachfolgende Aufbewahrung oder Archivierung zu tragen. In der Hellfeldmikroskopie wird
der Schlitten vorzugsweise aus einem optisch durchlässigen oder
durchscheinenden Material sein, und er wird häufig aus transparentem Glas
hergestellt.
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Bei
dem Hellfeldmikroskop wird von einer Lichtquelle erzeugtes Licht
herkömmlicherweise durch
eine Kollektorlinse gesammelt und durch einen Kondensor auf den
Tisch des Mikroskops gebündelt. Die
Probe ist an dem Tisch angebracht, und das Licht tritt durch die
Probe hindurch und läuft
um diese herum. Das Bild wird dann durch eine Kombination einer Objektivlinse und
eines Okulars oder einer Okularlinse für eine nachfolgende Betrachtung
oder Fotografie vergrößert.
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Hellfeldmikroskopie
ist verhältnismäßig alt und
nicht auf den Einsatz von Kondensoren oder Sammellinsen beschränkt. Mikroskope
gemäß dem Stand
der Technik wurden mit Licht sammelnden Spiegeln und anderen Strukturen
verwendet, die andere Lichtquellen wie Sonnenlicht oder anderes
natürliches
Licht als auch künstliche
Lichtarten verwenden, die von Laternen und Kerzen als auch von elektrischen
Glühlampen
erzeugt worden sind. Wie denjenigen, die auf diesem Gebiet arbeiten,
bekannt ist, bieten elektrische Glühlampen eine besonders bequeme
und verlässliche
Lichtquelle, und daher umfassen heutzutage die meisten Mikroskope
in Laborqualität
eine gewisse Kombination aus Lampe, Sammellinse und Kondensor.
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Im
Laufe der Zeit wurden zahlreiche Anpassungen und Techniken entwickelt,
um Hellfeldmikroskope zu verbessern. Ein häufiges Ziel ist es, das Erfassen
und Differenzieren von Merkmalen innerhalb einer Probe zu verbessern.
Unter den gut dokumentierten Verfahren sind das Anfärben von
biologischen Proben, Beleuchten unter schrägen Winkeln und verschiedene
Kontrast erhöhende
Techniken wie Phasenkontrast-, differentieller Interferenzkontrast-
und Einzelseitenbandmikroskopie. Durch das Anfärben einer Probe führen Unterschiede
in der Durchlässigkeit
und/oder der Absorption des Anfärbemittels
zu sichtbaren Unterschieden zwischen verschiedenen Komponenten der
Probe, und dies kann bei der Identifikation der Probe sehr hilfreich
sein. Nachteiligerweise kehrt die Probe nach dem Anfärben nicht
einfach in den Zustand zurück,
in dem sie vor dem Anfärben
war. Als eine Folge hiervon kann eine einzelne Probe nicht durch
eine Anzahl von auch Anfärben aufweisende
Verfahren untersucht werden, außer wenn
das Anfärben
für den
letzten Schritt aufbewahrt wird. Aufgrund dessen müssen nachteiligerweise
bis auf die bei dem Anfärben
gewonnenen die anderen erwünschten
Daten vollständig
vor dem Anfärben
gesammelt worden seien, und es ist keine Überprüfung oder Bestätigung von
einer zweiten Stelle möglich, nachdem
das Anfärben
abgeschlossen ist. Falls das Anfärben
zu einer Notwendigkeit für
ein weiteres Untersuchen oder Anfärben führt, ist eine derartige Untersuchung
an diesem Probenstück
nicht möglich. Insbesondere
dann, wenn Probenstücke
für Untersuchungen
in lediglich beschränkter
Stückzahl
verfügbar
sind oder wenn eine unabhängige Überprüfung zu
verschiedenen Zeitpunkten bevorzugt wird, kann dieser Nachteil des
Anfärbens
sehr unerwünscht sein.
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Anders
als beim Anfärben
können
andere Verfahren zerstörungsfrei
sein und die Probe nicht verändern.
Ein Beleuchten unter schrägen
Winkeln erzeugt sichtbare Reflexionen und Brechungen an den Grenzflächen zwischen
Materialien mit sogar verhältnismäßig kleinen
Unterschieden in den Brechungsindizes. Es wurden verschiedene Verfahren für schräge Beleuchtung
vorgeschlagen, die das Verwenden einer exzentrischen Anordnung in
Zusammenhang mit der Kondensoröffnung
umfasst, die verschiedentlich als Irisblende oder Kondensorblende und
nachfolgend als Aperturblende bezeichnet wird. Durch Verwenden einer
exzentrischen Anordnung wird die Aperturblende von einer mittigen
Stellung, die von einer gleichen Menge Licht aus allen Richtungen
um die zentrale optische Achse beaufschlagt wird, in eine achsversetzte
Anordnung verschoben, in der lediglich Beleuchtung von einer Seite
der zentralen optischen Achse durch den Kondensor zu dem Tisch durchtritt.
Diese Technik, die beispielsweise von H. N. Ott in US-Patent 863,805 erörtert wird,
führt zu
einem Schattenwurfbild mit verbessertem Kontrast. Allerdings geht
das Auflösen
von kleineren Merkmalen innerhalb der Probe verloren, und die Schärfentiefe
ist aufgrund der verringerten nummerischen Apertur des Kondensors
verringert. Für
diejenigen, die mit Hellfeldmikroskopen nicht sonderlich vertraut
sind, sei angemerkt, dass die Schärfentiefe den Abstand darstellt,
der auf der Achse des Lichtdurchtritts durch die Probe im Fokus
ist. Bei einem unendlichen dünnen
Probenstück
ist die Schärfentiefe
nicht sonderlich von Bedeutung. Allerdings kann man sich vorstellen,
dass es bei zunehmender Dicke des Probenstückes entlang der Achse des
Lichtdurchtritts, was bei allen lebenden Probenstücken gegeben
ist, mehr und mehr Merkmale innerhalb des optischen Weges gibt.
Wenn viele dieser Merkmale im Fokus sind, was der Fall ist, wenn
die Schärfentiefe
zunimmt, dann wird das Bild zunehmend gestört. Da ein Betrachten mit zunehmenden
Störungen
eine Identifikation von Merkmalen schwieriger gestaltet, ist normalerweise
eine zunehmende Schärfentiefe sehr
unerwünscht.
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Eine ähnliche
Technik ist durch Ott in dem US-Patent 1,503,800 als auch von Diggins
in dem US-Patent 2,195,166 dargestellt, wo jeweils eine konkav ausgestaltete
schräge
Lichtblende dargestellt ist, die benachbart der Irisblende angeordnet
ist. Die schräge
Blende umfasst eine Lamelle, die teilweise und zunehmend von einer
Seite der Blende stammendes Licht abblockt, wenn sich die Lamelle
von einer Seite in den Lichtweg eindreht. Während die schräge Lichtblende
eine Verbesserung ist, die die nummerische Apertur des Kondensors
weniger als das frühere
Patent von Ott verringert, ist durch diese Erfindungen von Ott und
Diggins die Schärfentiefe nachteiligerweise
weiterhin erhöht,
und das sich ergebende Bild ist von einer geringeren als der erwünschten
Qualität.
Wie nachfolgend mit Bezug auf die vorliegende Erfindung detaillierter
beschrieben führt
die bei Ott und Diggins dargestellte konkave Oberfläche zu einer
unerwünschten
Interferenz in dem sich ergebenden Lichtweg, was zu einem verringerten
Kontrast und einem eher zweidimensionalen Bild führt.
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In
dem US-Patent 3,490,828 stellt Rehm ein anderes Verfahren mit schräger Beleuchtung
dar, wobei in diesem Fall die Licht quelle von einem sich auf der
Achse befindlichen Spiegel zu einem sich neben der Achse befindlichen
zweiten Spiegel bewegt wird, wobei der sich neben der Achse befindliche Spiegel
für verschiedene
Winkel von auf den Tisch und die Probe anfallendes Licht eingestellt
werden kann. Während
diese Erfindung den Vorteil bietet, nicht wesentlich die sich im
Fokus befindliche Schärfentiefe
zu verändern
und dadurch einem Betrachter gestattet, auf verhältnismäßig enge vertikale Abschnitte
innerhalb einer Probe ohne sichtbare Störungen zu fokussieren, erfordert
die Erfindung von Rehm ein speziell ausgelegtes Mikroskop und ist nicht
in einfacher Weise bei vorhandenen Mikroskopen nachrüstbar. Weiterhin
bietet die Erfindung von Rehm nicht die Vorteile, die sich bei Benutzen
von gebrochenem Licht ergeben, wobei diese Eigenschaft nachfolgend
mit Bezug auf die vorliegende Erfindung ausführlicher diskutiert wird. Statt
dessen ist die Erfindung von Rehm auf schräges Licht mit vollständigen Wellenfronten
beschränkt.
Ein ähnliches außerachsiges
Spiegelsystem ist von Greenberg in den US-Patenten 5,345,333 und
5,592,328 dargestellt, das ebenfalls mit den gleichen Nachteilen
und Missständen
behaftet sind.
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Andere
Kontrast erhöhende
Techniken verschiedener Ausgestaltung verändern den Beleuchtungsstrahl,
indem sie im allgemeinen den Kondensor durch das Vorsehen von speziellen
Aperturen, Polarisatoren und Prismen oder halbseitigen Masken verändern. Das
sich ergebende Bild wird dann in der Abbildungsebene der Objektivlinse
gefiltert oder moduliert. Diese Techniken erfordern verschiedene
zusätzliche
Komponenten und sehr häufig
verhältnismäßig aufwendige
Bildanalysierer oder elektronische Kontrastverbesserungen. Beispiele
hierzu können unter
anderem in den US-Patenten 4,407,569 von Piller et al., 5,394,263
von Galt et al., 5,673,144 und 5,715,081 von Chastang et al., 5,684,626
und 5,706,128 von Greenberg, 5,703,714 von Kojiama und 5,729,385
von Nishida et al. ge funden werden. Während viele dieser Techniken
verbesserte Bildeigenschaften liefern, beschränken die mit diesen Techniken
verknüpfte
Komplexität
und Kosten die Anwendbarkeit auf lediglich einige zu speziellen Zwecken
ausgelegte Forschungsmikroskope. Diese Techniken sind nicht einfach
auf vorhandene Mikroskopen, preisgünstige Studiermikroskope oder
allgemeine Laboranwendungen übertragbar.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einer
ersten Ausführung
der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Betrachten eines
lichtbrechenden Probenstückes
geschaffen, die
ein Mikroskop, das einen Tisch zum Anordnen
einer Probe innerhalb eines Lichtwegs, eine Lichtquelle, die den
Lichtweg beleuchtet, und ein Mittel zum Bilden eines vergrößerten virtuellen
Bilds eines ersten Teils der Probe aufweist, eine Randplatte innerhalb des
Lichtwegs, die einen Oberflächenbereich,
der einen Teil der Beleuchtung blockiert, einen konvexen Rand, der
die Beleuchtung benachbart des Randes beugt, um einen chromatischen
Beugungsbereich zu erzeugen, und eine Umfangskante aufweist, die
sich von dem konvexen Rand erstreckt und die Randplattenoberfläche einschließt,
und
ein Mittel zum Einstellen eines Bereiches des chromatischen Beugungsbereichs,
um den Tisch benachbart des Hellfeldbereiches zu beleuchten, während gleichzeitig
die Beugung entlang des Umfangsrandes zu einem anderen Bereich des
Probenstückes
geführt
wird, umfasst.
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Gemäß einer
zweiten Ausführung
der vorliegenden Erfindung ist ein Mikroskop geschaffen, das
eine
Lichtquelle, die innerhalb eines Lichtwegs ein helles Feld bildet,
eine
lichtbrechende Probe und eine optische Anzeige umfasst,
und
das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Mikroskop weiterhin eine
Randplatte umfasst, die einen Oberflächenbereich aufweist, der innerhalb
des Lichtwegs einen dunklen Schatten bildet und der einen Beugungsrand
aufweist, der ein chromatisches Licht bei einer optischen Verbindungsstelle
zwischen dem dunklen Schatten und dem hellen Feld, das in Richtung
des Hellfelds divergiert, erzeugt,
wobei die lichtbrechende
Probe durch das chromatische Licht zum Bilden von charakteristischen
optischen Beleuchtungsmaxima und -minima beleuchtet ist und wobei
die optische Anzeige die charakteristischen Beleuchtung als Hauptteil
des Gesichtsfels darstellt.
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ZIELE DER
ERFINDUNG
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Ein
erstes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kontrast verbesserndes
Beleuchtungsverfahren zu schaffen. Ein zweites Ziel ist es, den
Kontrast zu verbessern, ohne die Probe zu verändern, so dass die Probe in
einfacher Art und Weise unverändert
für die
Zukunft oder für
eine weitere Analyse aufbewahrt werden kann. Ein drittes Ziel der
Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die sowohl in neue
als auch bereits vorhandene Mikroskope an verschiedenen Stellen
innerhalb des optischen Weges eingebaut werden kann und die nicht
auf lediglich einen Typ oder wenige Typen oder Marken von Mikroskopen
beschränkt
ist. Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, eine preiswerte
Vorrichtung anzugeben, die von Besitzern vorhandener Mikroskope
problemlos erworben werden kann und die eine Bildverbesserung bietet,
die vergleichbar zu der von kostspieligeren Systemen gemäß dem Stand
der Technik ist. Diese und weitere Ziele der Erfindung werden durch das
bevorzugte Ausführungsbeispiel
erreicht, das nachfolgend beschrieben wird und das am besten in Verbindung
mit den beigefügten
Zeichnungen verständlich
ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 stellt ein fotografisches
Mikroskop in Verbindung mit einem bevorzugten vorrichtungsmäßigen Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar.
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2 zeigt ein bevorzugtes
vorrichtungsmäßiges Ausführungsbeispiel
der Erfindung gemäß 1 in einer Ansicht von oben.
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3 stellt die bevorzugte
Kombination von 1 in
einer Nahansicht dar, die die relative Abmessung des bevorzugten
vorrichtungsmäßigen Ausführungsbeispiels
der Erfindung in Bezug auf die Gesichtsfeldblende des fotografischen
Mikroskops zeigt.
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4a–4c stellen
einen Verfahrensschritt der Erfindung in Zusammenhang mit der bevorzugten
Kombination dar.
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5 veranschaulicht die Beugung
von Licht benachbart des Randes eines alternativen vorrichtungsmäßigen Ausführungsbeispiels
in einer räumlichen
Ansicht.
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6 stellt die Beugung von
Licht in den Hellfeldbereich des alternativen Ausführungsbeispiels
gemäß 5 in einer Draufsicht von
oben dar.
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7 zeigt die Beugung von
Licht in den Hellfeldbereich eines zweiten alternativen vorrichtungsmäßigen Ausführungsbeispiels
in einer Draufsicht von oben.
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8 veranschaulicht die Beugung
von Licht in den Hellfeldbereich des bevorzugten vorrichtungsmäßigen Ausführungsbeispiels
in einer Draufsicht von oben.
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BESCHREIBUNG
DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Wie
in 1 dargestellt weist
ein Mikroskop 100 einen Grundkörper 102 auf, der
sich ausgehend von einem ersten Ende vertikal von einer Grundplatte 104 erstreckt.
Der Grundkörper 102 trägt an einem zweiten
Ende einen Rohrkörper 110,
der zusammen mit der Grundplatte 104 ausreichend steif
mit dem Grundkörper 102 verbunden
ist, um für
die übrigen Komponenten
des Mikroskopes 100 einen Träger zu bilden. Zwischen dem
Rohrkörper 110 und
der Grundplatte 104 ist ein Tisch 106 getragen,
der auf dem optischen Weg entlang einer optischen Achse 190 eine
Probe 150 aufnimmt. Der Tisch 160 wird üblicherweise
von einer in Zusammenhang mit dem Grundkörper 102 ausgebildeten
und hierzu eingerichteten Struktur gelagert, um durch Drehen eines Objektivfokuseinstellrades 112 in
vertikaler Richtung in Bezug auf ein Objektiv 160 näher an oder
in einem größeren Abstand
von diesem angeordnet zu werden. Mit dem Tisch 106 wird
ein Kondensor 142 und eine Aperturblende 140 geführt, die
in Bezug auf den Tisch 106 durch Drehen des Kondensorfokuseinstellrades 114 bewegbar
sind, um den Kondensor 142 und die Aperturblende 140 entweder
näher an
den Tisch 106 heran oder weiter von diesem weg zu bewegen.
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Die
optischen Komponenten des Mikroskopes 100 können als
von einer Lichtquelle 120 ausgehend angesehen werden, die typischerweise
einen bestimmten Glühdraht 122 aufweist
und normalerweise eine Lampe wie eine Halogen- oder Wolframlampe
aufweist. Die spezielle Natur der Lichtquelle 120 ist für die Erfindung
nicht kritisch, und es sind andere Lichtquellen bekannt, in die
bei bestimmten Anwendungen anwendbar sind und unter bestimmten Umständen sogar
zu bevorzugten Ergebnissen führen.
Eine Reihe von verfügbaren
Quellen sind voranstehend bei der Würdigung des Standes der Technik genannt,
auch wenn es vorstellbar ist, dass fast jede beliebige Lichtquelle
benutzt werden kann. Wie bei einer üblichen Auslegung ist eine
Sammellinse 124 vorzugsweise benachbart der Lichtquelle 120 eingesetzt,
um so viel Licht wie möglich
von der Lichtquelle 120 zu sammeln und dadurch den Wirkungsgrad
der Lichtquelle 120 zu maximieren und den zum Betrieb des
Mikroskopes 100 erforderlichen Leistungs- und Kühlbedarf
zu verringern. Ein Spiegel 126 dient dazu, von der Lichtquelle 120 stammende,
horizontal ausgerichtete optische Energie in eine vertikale Achse und
durch eine Gesichtsfeldblende 128 zu lenken. Die Gesichtsfeldblende 128 dient
in erster Linie dazu, den Gesamtanteil an Licht, der schließlich die
Probe 150 beaufschlagt, zu beeinflussen, und bei dem bevorzugten
kombinierten Ausführungsbeispiel
gemäß 1 wird die Gesichtsfeldblende 128 vorzugsweise in
einer weit geöffneten
Stellung bleiben, um eine maximale Beleuchtung zu gestatten. Ein
Verkleinern der Gesichtsfeldblende 128 wird den Schattenwurfeffekt
verringern, der bei der vorliegenden Erfindung merklich vorhanden
ist.
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Bei
der am meisten bevorzugten Kombination ist benachbart der Gesichtsfeldblende 128 eine Randplatte 130 angeordnet.
Die Randplatte 130 ist in dem durch die optischen Achse 190 angedeuteten allgemeinen
optischen Weg angeordnet und führt
zu dem Ergebnis, dass ein Lichtanteil, der ansonsten durch die Gesichtsfeldblende 128 in
den Kondensor 142 gelangt wäre, abgeblockt wird. Allerdings
blockiert die Randplatte 130 höchst bevorzugt einen geringen
Anteil des durch die Gesichtsfeld blende 128 durchtretenden
Lichtes. Nach Durchtritt durch die Gesichtsfeldblende 128 und
Wechselwirken mit der Randplatte 130 tritt das Licht anschließend durch
die Aperturblende 140 durch, die benachbart des Kondensors 142 ist.
Bei der bevorzugten Kombinationen ist die Aperturblende 140 ebenfalls
soweit wie möglich
geöffnet,
um den größtmöglichen
Lichtdurchtritt durch den Kondensor 142 zu gestatten. Ein
Verengen der Aperturblende 140 hat den schwerwiegenden
Effekt, dass der Kondensor 142 „ausgeblendet" wird. Bei geringen
Vergrößerungen
wird dies den dreidimensionalen Schattenwurfeffekt verringern. Bei großen Vergrößerungen
jedoch wird dies in unerwünschter
Art und Weise das Gesichtsfeld vergrößern. Der Kondensor 142 dient
dazu, das Licht aus der Probe 150 in eine Objektivlinse 160 zu
bündeln, die
wiederum ein erstes virtuelles Bild der Probe 150 ausbildet.
Dieses Bild wird nachfolgend durch ein Okular 170 vergrößert, das
lediglich zu Zwecken der Erläuterung
beispielsweise eine Okularfeldlinse 172 und eine Okularaugenlinse 174 aufweisen
kann. Für ein
herkömmliches
Betrachten in Zusammenhang mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist keine zusätzlichen
Struktur erforderlich. Wenn jedoch das Mikroskop entsprechend eingerichtet
ist, können
von der vergrößerten Probe
durch das Verwenden einer Kamera oder eines Filmhalters 180 mit
einem Verschluss 182 und einer Filmebene 184 Aufnahmen
gemacht werden.
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Wie
aus 2 ersichtlich weist
die Randplatte 130 ein Griffstück 132 auf, das die
Handhabung der Randplatte 130 durch eine menschliche Hand ohne
nachteilige Wechselwirkung mit oder Verunreinigung von benachbarten
optischen Komponenten ermöglicht.
Das Griffstück 132 ist
vorzugsweise erhebliche dünner
als ein Grundkörper 134 ausgebildet,
um die asymmetrische Unterbrechung des Beleuchtungsstrahles und
jeglichen sich ergebenden Astigmatismus zu verringern, was ansonsten
das Bild unterbrechen würde.
Der Grundkörper 134 wird durch
nicht aktive Ränder 135, 136 und 138 begrenzt.
Diese nicht aktiven Ränder
müssen
ausreichend von einem aktiven Rand 137 beabstandet sein,
um jegliche optische Wechselwirkung innerhalb der aktiven Region
durch Lichtwurf durch den Rand 137 zu verhindern, wie es
nachfolgend beschrieben wird. Ansonsten ist es bevorzugt, diese
Ränder
so nahe wie möglich
beabstandet anzuordnen, um ein asymmetrisches Blockieren von Licht
und einen sich ergebenden Astigmatismus zu minimieren. Der aktive
Rand 137 ist wie in 2 dargestellt
am meisten bevorzugt in der Geometrie konvex ausgebildet. Die Dicke
der Randplatte 130 ist für die Erfindung nicht kritisch,
auch wenn die Randplatte 130 vorzugsweise aus einem relativ
dünnen
und gleichgewichtigen Blechmaterial wie schwarz anodisiertes Aluminium hergestellt
ist, das aufgrund der Eigenschaften geringe Kosten, einfache Herstellung,
Dauerhaftigkeit und inhärente
optische Absorption ausgewählt
ist. Das Griffstück 132 kann
zusammen mit der Randplatte 130 gestanzt werden oder kann
alternativ Bestandteil einer kleinen Stange oder eines anderen Griffstückes sein.
Im übrigen
können
auch andere Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften und
relativer Dicke bei der Ausgestaltung der Erfindung zufriedenstellend
eingesetzt werden. Während
bei dem am meisten bevorzugten Ausführungsbeispiel die Randplatte 130 lediglich
einen einzigen aktiven Rand verwendet, sei hiermit angemerkt, dass
mehr als ein einziger aktiver Rand dazu vorgesehen sein können, als
ein aktiver Rand zu wirken. Beispielsweise kann der Rand 138 ebenfalls
als aktiv bezeichnet werden, auch wenn es zum Vermeiden von optischer
Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Rändern ersichtlich ist, dass
der Rand 138 in einem anderen Bereich der Probe 150 als
der Rand 137 aktiv ist.
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3 zeigt die Platzierung
der Randplatte 130 in einer perspektivischen Ansicht, um
die Anordnung und relativen Größen der
Komponenten besser darzustellen. Wie hierin ersichtlich nimmt die
Randplatte 130 einen kleineren Teil des entlang der optischen
Achse 190 genommenen Querschnittes ein, so dass ein Großteil des
Lichtes durch den Kondensor 142 durchgelassen wird. Wie
dargestellt ist das Griffstück 132 nicht
fest mit dem Mikroskop 100 verbunden. Es versteht sich
jedoch, dass ein Durchschnittsfachmann bei Bedarf das Griffstück 132 und das
Mikroskop 100 abändern
kann, um andere Befestigungspunkte oder -mechanismen oder Vorrichtungen
wie beispielsweise Lagerungen zur Verfügung zu stellen, die verwendet
werden können,
um die Randplatte 130 in einer festgelegten Stellung zu dem
Mikroskop 100 zu positionieren. Ein Vorteil des kleineren
Oberflächenbereiches
der Randplatte 130, der Licht abblockt, und die in 3 dargestellte mittige Anordnung
der Randplatte 130 liegt darin, dass der Astigmatismus
innerhalb des Bildes verringert wird. Allein dies verbessert weiterhin
die Qualität
des durch das Mikroskop 100 bereitgestellten Bildes.
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4a–4c zeigen
das Verfahren der Erfindung, wie es sich durch die Okularaugenlinse 174 darstellt.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die Randplatte 130 im
Bereich der Gesichtsfeldblende 128 angeordnet. Wenn das
Mikroskop 100 einen in die übliche, in 4a dargestellte Köhler-Stellung gebrachten Kondensor 142 aufweist,
ergibt sich ein Dunkelbereich 210, der der Schattenwurf
des Randes 137 der Randplatte 130 ist. In der
Köhler-Stellung
ist die Gesichtsfeldblende 128 normalerweise im Brennpunkt,
und da die Randplatte 130 im gleichen Bereich ist, liegt
auch die Randplatte 130 im Brennpunkt und wird, wie durch
den Dunkelbereich 210 dargestellt, einen scharten Schatten
auf die Probe 150 werfen. Wie aus 4a ersichtlich, ist von der Probe 150 nur
sehr wenig sichtbar, auch wenn eine schwache Umrandung einer Zelle 240 nahe
der Grenze zwischen dem Hellfeldbereich 220 und dem Dunkelbereich 210 erkennbar
ist. Wenn jedoch das Kondensorfokuseinstellrad 114 eingestellt wird,
um den Kondensor 142 entweder geringfügig oberhalb oder unterhalb
von der Köhler-Stellung
anzuordnen, werden der Dunkelbereich 210 und der Hellfeldbereich 220 durch
einen chromatischen Bereich 230 voneinander getrennt. Zu
Beginn führt
der Einstellvorgang wie in 4b dargestellt
zu lediglich einem kleinen chromatischen Bereich 230, wobei
jedoch eine weitere Zelle 241 und mehr Details der Zelle 240,
und zwar nicht nur die Membran sondern auch der Kern, sichtbar werden.
Ein weiteres Defokussieren führt
wie in 4c dargestellt
zu einem verbreiteten chromatischen Bereich 230. Dieser chromatische
Bereich 230 kann so eingestellt werden, dass er das gesamte
durch das Okular 170 sichtbare Gesichtsfeld überdeckt.
Nun ist eine erheblich größere Anzahl
von Zellen innerhalb der Probe 150 sichtbar, und weiterhin
sind die charakteristischen Merkmale innerhalb der ersten sichtbaren
Zellen 240 und 241 erheblich deutlicher. Der chromatische
Bereich 230 nimmt üblicher
Weise eine verhältnismäßig monochromatische
blaue Farbe, wenn der Kondensor gerade unterhalb der Köhler-Stellung
angeordnet wird, und eine rote Farbe an, wenn der Kondensor gerade
oberhalb der Köhler-Stellung mit der Randplatte 130 im
Bereich der Gesichtsfeldblende 128 ist. Auch wenn die Erfindung
nicht allein auf eine bestimmte theoretische Betrachtungsweise beschränkt ist,
wird angenommen, dass sich das chromatische Licht von einer Beugung
an dem aktiven Rand 137 der Randplatte 130 ergibt.
Da die gesamte Intensität
des Lichtes innerhalb des chromatischen Bereiches 230 im
Vergleich zu dem Hellfeldbereich 220 verringert ist, ist
es einsichtig, die Intensität
des durch die Lichtquelle 120 abgegebenen Lichtes zu erhöhen, auch
wenn dies in vielen Fällen
nicht erforderlich ist.
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Die
Randplatte 130 kann an jeder Stelle im wesentlichen über den
gesamten Beleuchtungsweg unterhalb des Tisches angeordnet sein.
Die am meisten bevorzugten Stelle ist jedoch wie in 1 dargestellt in einem Abstand von dem
Kondensor 142. Das Bild der Randplatte 130 ist
in der Probe 150 geringfügig außerhalb des Fokus des Kondensors 142.
Eine zweite bevorzugte Stelle für
die Randplatte 130 liegt zwischen der Lichtquelle 120 und
der Sammellinse 124. Bevorzugt wird insbesondere auch bei
jeder der vorangehend als besonders bevorzugt genannten Stellen
die Randplatte 130 durch den Grundkörper 102 an der Grundplatte 104 getragen
und bewegt sich nicht, wenn das Objektivfokuseinstellrad 112 gedreht
wird, und auch nicht, wenn das Kondensorfokuseinstellrad 114 gedreht
wird. Vor allen Dingen gibt es nicht das Erfordernis von speziellen
Abständen oder
Freiraum für
die Randplatte 130. Wenn die Randplatte 130 zusammen
mit dem Kondensor 142 bewegt wird, muss es ausreichend
Platz geben, um die Bewegung der Randplatte 130 zu ermöglichen. Ansonsten
muss die Randplatte 130 erheblich näher an dem Kondensor 142 angeordnet
werden. Wenn allerdings die Randplatte 130 näher an dem
Kondensor 142 angeordnet wird, beginnt die Randplatte 130 in
ungünstiger
Art und Weise die optischen Eigenschaften einschließlich insbesondere
die Schärfentiefe
und die Auflösung
des Mikroskopes 100 zu beeinflussen. Zusätzlich könnte die
Bewegung des Kondensors die Anordnung der Randplatte 130 unerwünscht negativ
beeinflussen, oder sie könnte
eine aufwendigere Befestigung zwischen der Randplatte 130 und
den umgebenden Trageelementen des Mikroskopes 100 erforderlich
machen. Weiterhin verfügen
nicht alle Mikroskope über
einen einfachen Zugang an einer oder an mehreren der bevorzugten Stellen.
Die Anordnung der bevorzugten Randplatte 130 der vorliegenden
Erfindung unterliegt sehr wenig Beschränkungen, so dass es die vorliegende
Erfindung ermöglicht,
dass eine große
Vielzahl von Mikroskoptypen von ihr profitiert, während keine
Wechselwirkung mit bereits vorhandenen Komponenten auftritt. Weitere
Vorteile können
sich durch die relative Bewegung zwischen dem Kondensor 142 und
der Randplatte 130 ergeben. Während die Randplatte 130 unterhalb
des Tisches an einer beliebigen Stelle in dem Beleuchtungsweg zwischen
der Lichtquelle 120 und dem Tisch 106 angeordnet
werden kann, liegt der am meisten bevorzugte Bereich in der Höhe der Gesichtsfeldblende 128.
Die ansonsten weiterhin bevorzugte Anordnung umfasst die Stellen
zwischen der Gesichtsfeldblende 128 und der Lichtquelle 120.
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Auch
wenn nicht beabsichtigt ist, durch einen bestimmten theoretischen
Ansatz in den merkmalsmäßigen Ausprägungen der
Erfindung gebunden zu sein, die ansonsten verständlich und durch die hierin beschriebenen
und dargestellten Techniken als funktionsfähig gezeigt ist, stellt 5 umfassendere Grundprinzipien
der Erfindung dar. Diese breiteren Merkmale werden Fachleuten nach
Studium der vorliegenden Offenbarung verständlich und nicht auf eine einzige
körperliche
Ausprägung
oder Vorrichtung beschränkt
sein. Vielmehr erlauben es die Merkmale der vorliegenden Erfindung
den Fachleuten, eine grundsätzlich
unbeschränkte
Anzahl von Ausführungsbeispielen
auszulegen, die sich jedoch innerhalb des Bereiches der vorliegenden
Erfindung und Ansprüche
befinden und hiermit ausführbar
sind. Wie in 5 dargestellt
weist die Randplatte 130' einen
geraden aktiven Rand 137' auf,
der sich hinter die Gesichtsfeldblende 128 erstreckt. Durch
die Gesichtsfeldblende 128 und die Randplatte 130' werden Lichtstrahlen 10 blockiert,
während
Strahlen 12 weder durch die Randplatte 130' noch durch
die Gesichtsfeldblende 128 blockiert werden. Ein Teil der optischen
Strahlen 14 wird durch die Randplatte 130' entlang des
aktiven Randes 137' gebeugt
und bildet eine durch die Strahlen 14a, 14b und 14c dargestellte
Beugungsfront. Die Beugungsfronten, die sich aus der Wechselwirkung
mit einem Rand ergeben und durch die Strahlen 14a–14c dargestellt
sind, weisen bekanntermaßen
chromatische Bereiche auf. Diese chromatischen Bereiche sind als
ein Ergebnis der an der Randplatte 130' auftretenden Beugung verhältnismäßig monochrom.
Wie in 5 dargestellt
weist der Strahl 14c eine vertikale Komponente 18 und eine
horizontale Komponente 16 auf. Die gebeugten Strahlen 14,
die einen chromatischen Bereich 230 bilden, werden dann
in Wechselwirkung mit der Probe 150 in Bereichen mit einem
veränderlichen
Brechungsindex wie beispielsweise bei Zellmembranen oder innerhalb
des Kernes der Zelle beobachtet. Es hierin gezeigt, dass das gebeugte
Licht mit diesen Bereichen eines sich verändernden Brechungsindex wechselwirken,
um neue konstruktive (helle) oder destruktive (dunkle) Interferenzbilder
oder einfacher additive und substraktive Beleuchtungsbereiche zu
bilden. In jedem Fall ist der sich ergebende Effekt eine deutlich
verbesserter Kontrast, der sowohl ein Aufhellen als auch ein Abdunkeln
von verschiedenen Einheiten und Bereichen innerhalb der Probe 150 umfasst.
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Verschiedene
zusätzliche
Merkmale der vorliegenden Erfindung dienen dazu, das Abbilden einer Probe
weiter zu verfeinern und zu verbessern, und diese Merkmale sind
in 6–8 dargestellt.
Wie in 6 dargestellt
ist die einen geraden aktiven Rand 137' aufweisende Randplatte 130' des alternativen Ausführungsbeispiels
mit einem Beugungsmuster in der seitlichen Richtung rechtwinklig
zu der optischen Achse 190 in Richtung des Hellfeldbereiches 220, wie
durch Pfeile 16' dargestellt,
gezeigt. Die Pfeile 16' divergieren
und konvergieren nicht. Wie in 7 dargestellt
verfügt
die Randplatte 130'' über einen konkaven
aktiven Rand 137'', der in der
seitlichen Richtung ein Beugungsmuster aufweist, das durch in Richtung
des Hellfeldbereiches 220 gerichtete Pfeile 16'' dargestellt ist. Es ist klar,
dass diese Pfeile dazu neigen zu konvergieren. Wie in 8 gezeigt verfügt die Randplatte 130 über einen
aktiven Rand 137, der eine konvexe Gestalt aufweist. Strahlen 16,
die von dem aktiven Rand 137 in Richtung des Hellfeldbereiches 220 gebeugt
werden, neigen dazu zu divergieren.
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Es
wurde gezeigt, dass das Verwenden eines konvexen aktiven Randes 137 einen
wesentlich besseren Kontrast und ein dreidimensionaler wirkendes
Bild mit einer herkömmlichen
biologischen Probe liefert als mit einem geraden aktiven Rand 137' erhältlich ist,
während
ein gerade aktiver Rand 137' zu einer
besseren Auflösung
führt als
mit einem konkaven aktiven Rand 137'' erzielbar
ist. Das Verwenden eines konkaven Randes 137 führt damit
zu einem wesentlichen zusätzlichen
Vorteil. Da ein Festlegen auf einen bestimmten theoretischen Erklärungsansatz für die Funktionsweise
nicht gewünscht
ist, wird angenommen, dass dieser Vorteil auf die Natur der divergierenden
Strahlen 16 zurückzuführen ist.
Bei einem theoretisch perfekten optischen System bleibt die Beziehung
zwischen den Strahlen 16 in dem optischen System erhalten.
Da jedoch alle Linsen auf Grund von Aberrationen nicht perfekt sind,
wird ein bestimmter Grad an Schrägreflexionen
zwischen den aus benachbarten Gebieten des Randes stammenden Strahlen
auftreten. Weiterhin sind alle in der Praxis vorkommenden Ränder einschließlich des
Randes 137 nicht perfekt und weisen inhärente optisch signifikante
Effekte auf, die benachbarte Strahlen 16 fehlleiten können. Schließlich kann
auch die Probe 150 gewisse Fehlstellen aufweisen, die dazu
neigen, unerwünschte
Interferenzen hervorzurufen. Divergierende Strahlen 16 sind
auf Grund der geringen Divergenz weniger zu optischen Interferenzen
mit benachbarten Strahlen prädestiniert.
Die geringfügige
Divergenz neigt dazu, die Effekte von in dem Rand 137 vorhandenen
optisch relevanten Fehlstellen und in den übrigen optischen Komponenten
des Mikroskopes 100 vorhandenen optischen Defekten zu relativieren.
Dieser Vorteil wird durch die relative Einfarbigkeit des chromatischen
Bereiches 230 erhöht,
der die interferierende Brechung von anderen Wellenlängen begrenzt,
was ansonsten dazu führen
würde, das
Bild der Probe gemäß der vorliegenden
Erfindung zu beeinträchtigen
oder sogar vollständig
zu überdecken.
Andere Randgeometrien, die entsprechend dem konvexen Rand 137 den
gleichen Vorteil von divergierenden Strahlen 16 bieten,
sind ebenfalls angedacht und werden von Fachleuten auf diesem Gebiet
als hierin eingeschlossen betrachtet.
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Während es
in den meisten Fällen
wünschenswert
ist, einen konvexen Rand zu verwenden, beabsichtigt und offenbart
die vorliegende Erfindung die Anwendung von verschiedenen Randplatten,
die jeweils unterschiedlich ausgelegte aktive Ränder aufweisen. Beispielsweise
können,
wie in 6–8 dargestellt, verschiedene
Anwendungen eine Randplatte 130' mit einem geraden Rand 137' oder eine Randplatte 130'' mit einem konkaven Rand 137'' erfordern. Aufgrund des mechanisch
einfachen Aufbaus der Erfindung können während einer Betrachtungssitzung verschiedene
Randplatten eingefügt
werden, die es erlauben, verschiedene Ansichten einer einzigen Probe
vorzunehmen. Da die Randplatte 130 höchst bevorzugt aus einem haltbaren
Material wie anodisiertes Aluminium oder andere oberflächenbehandelte
Metalle oder sogar Kunststoffe, Keramiken, Verbundmaterialien oder
ein anderes geeignetes Material hergestellt ist, ist die Randplatte 130 widerstandsfähig gegen
Beschädigung
oder Bruch. Dies kann insbesondere bei Einsätzen beispielsweise in Schullaboratorien
sehr wichtig sein, bei denen die Gerätschaften sowohl haltbar als
auch preiswert sein sollten.
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Wie
durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel
dargestellt führt
das relativ monochromatische gebeugte Licht, das in additiver und
substraktiver oder konstruktiver und destruktiver Weise wechselwirken,
zu einer deutlich besseren Kontrastverbesserung und Auflösung von
Proben als bislang mit anderen Techniken erhältlich. Als ein Ergebnis der
Wechselwirkung zwischen gebeugtem Licht, Hellfeldlicht und Probe
und der weiteren Kombinationen von Vorteilen durch den konvexen
aktiven Rand 137 übertrifft die
vorliegende Erfindung die durch schräge Beleuchtung erzielte Kontrastverbesserung
und zieht gleich mit dem oder übertrifft
das, was durch erheblich komplexere und kostspieligere Forschungstechniken
wie differentieller Interferenzkontrast erzielbar ist. Da die Schärfentiefe
durch die relativ kleine Randplatte 130 nicht nachteilig
beeinflusst wird, bleibt das Bild klar und ungestört, wie
hiermit durch 4a–4c gezeigt ist.
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GEWERBLICHE
ANWENDBARKEIT
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Innerhalb
des Bereiches, der durch die gebeugten Strahlen 14c und
Strahlen 12 gemäß 5 gemeinsam beaufschlagt
wird, weist die Probe den höchsten
Kontrast auf. Die gleichzeitig additive und substraktive Natur der
Reflexions- und/oder Interferenzmuster, die innerhalb des chromatischen
Bereiches 230 aufgrund der Wechselwirkung zwischen gebeugtem
Licht 14, Hellfeldbeleuchtung 12 und Probenstück 150 erzeugt
werden, liefert einen erstaunlichen Kontrast. Aufgrund der einfachen
Ausgestaltung der zum Erzeugen dieses verbesserten Kontrastes erforderlichen
Vorrichtung gibt es viele Anwendungen, für die die vorliegende Erfindung
geeignet ist, von denen lediglich eine im Bereich der biologischen
Analyse und Beobachtung liegt. Andere bekannte Anwendungen in der
Mikroskopie, die bislang aufgrund unzureichenden Kontrastes schwierig
waren, aber Probenstücke
mit verschiedenen optischen Eigenschaften bereitstellen, können von
der vorliegenden Erfindung ebenfalls profitieren. Da die Ziele der
Erfindung wie in der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
erläutert
durch die vorliegende Erfindung erreicht werden, ist die vorliegende Erfindung
nicht nur bei neuen Mikroskopen, sondern auch bei dem preiswerten
Nachrüsten
von vorhandenen Mikroskopen gewerblich anwendbar. Dieses Nachrüsten führt zu einer
Kontrastverbesserung, die ausreichend ist, die bislang nicht sichtbare
Merkmale durch ein gewöhnliches
Okular in einem herkömmlichen
Mikroskop vollständig
zu Gesicht bringen.
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Während das
bislang Gesagte angibt, was als das bevorzugte Ausführungsbeispiel
der Erfindung angesehen wird, sind keine Beschränkungen im Material in Zusammenhang
mit der beanspruchten Erfindung beabsichtigt. Weitere Merkmale und
alternative Ausgestaltungen, die für einen Durchschnittsfachmann
auf diesem Gebiet selbstverständlich
sind, werden als hierin eingeschlossen betrachtet. Während beispielsweise
das bevorzugte Ausführungsbeispiel
den Einsatz eines Mehrkomponentenmikroskopes mit einer internen
Lichtquelle 120 erläutert,
kann die Randplatte gemäß der vorliegenden
Erfindung in anderen Lichtwegen, die aus anderen Typen von Quellen
stammen, und in anderen optischen Anordnungen neben dem bevorzugten
Mehrkomponentenmikroskop implementiert werden, wie es bei den Fachleuten
nach Studium in der vorliegenden Offenbarung unstreitig sein wird.
Strukturen und Anordnungen, die zu entsprechenden Effekten wie die
vorliegende Randplatte führen,
werden hiermit eingeschlossen. Anstatt durch die Offenbarung eines
einzelnen bevorzugten Ausführungsbeispieles
eingeschränkt
zu sein, ist statt dessen der volle Umfang der Erfindung in den
nachfolgenden Ansprüchen
angegeben und beschrieben.