DE1572679A1 - Abbildendes System - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein abbildendes System mit einer Anordnung zur Phasenverschiebung, insbesondere ein System zur Abbildung von Objekten, die die Phasenlage der sie durchsetzenden Strahlen beeinflussen, und eine Anordnung zur Phasenverschiebung.

Manche Objekte erzeugen bei sehr starker Lichtdurchlässigkeit relativ starke Veränderungen der Phasenlage des sie beleuchtenden Lichtes ohne die Amplitude dieses Lichtes im geringsten au beeinflussen. Diese Objekte sind daher nur für auf Amplitudenhöhen ansprechende Beobachtungshilfsmittel unsichtbar.

Da derartige nur die Phasenlage des beleuchtenden Lichtes beeinflussende Objekte, iiisb^sond. re in der Medizin, der Biologie, der

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Materialprüfung usw., sehr oft vorkommen, wo sie auch als Phasenobjekte bezeichnet werden, wurden verschiedene Techniken zu ihrer Beobachtung entwickelt. Bei diesen Verfahren wird eine an sich unsichtbare Phasenverschiebung zwischen dem zur Beleuchtung dienenden Licht und dem vom Objekt beeinflussten Licht auf —^— erhöht, so daß eine durch Interferenz bedingte Auslöschung des Lichtes eintritt und diese Objekte sichtbar werden läßt.

Eine solche Anordnung ist das von Zernike 1934 angegebene Phasenkontrast-Mikroskop, der heutige Stand der Entwicklung wird beispielsweise in "Progress in Microscopy", zweites Kapitel von M. Francon, Row, Peterson und Company, Elmsford, New York 1961. wiedergegeben. Eine ähnliche Methode ist die von Toepler angegebene Schlierenmethode, die beispielsweise von Wolter in Encyclopedie der Physik, Vol. 14, Springer, Heidelberg, 1956 beschrieben wurde. Bei beiden dieser Methoden, insbesondere aber bei der zuerst angegebenen, wird die PhBe des vom Objekt gebeugten Lichtes verschoben. Beim Phasenkontrast-Mikroskop tritt eine —~— -Verschiebung am Objekt auf und eine zusätzliche Phasenverschiebung von —~— an einer dielektrischen Phasenplatte. In verschiedenen von Wolter beschriebenen Verfahren wird eine dielektrische Phasenplatte vorgesehen, die die Phase der einen Hälfte des Fraunhofer/Spektrums um —~— verschiebt. In anderen von Wolter angegebenen Systemen wird die Phase der

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einen Hälfte des Fraunhofer Spektrums um ~— beschleunigt und die andere Hälfte um —~— verzögert, so daß sich eine Gesamtdifferenz von —^— ergibt. Bei allen oben angegebenen Verfahren und Vorrichtungen wird die erforderliche Phasenverschiebung durch Phasenplatten erzeugt.

Die in der Phasenplatte erzeugte Verschiebung wird durch den Ausdruck

42- - (n - 1) - t

beschrieben

wobei ^ = Wellenlänge des Lichtes

t = Dicke der Platte

η = η (λ) gleich Brechungsindex.

Da, wie aus der oben angegebenen Formel zu ersehen ist, die Phasenverschiebung eine Funktion von X ist, das zweimal in der Formel vorkommt, ist es erforderlich, das Objekt mit monochromatischem Licht zu beleuchten, wenn optimale Abbildungen erzielt werden sollen. Diese Einschränkung ist in vielen Fällen nachteilig.

Darüberhinaus ist es selbst bei Verwendung von monochromatischem

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Licht nicht möglich, die gewünschte Phasenverschiebung genau einzuhalten, wenn das Licht unter einem anderen als dem vorgeschriebenen Winkel auf die Phasenplatte fällt. Es ist ohne weiteres einzusehen, daß der Weg eines senkrecht auf eine Platte fallenden Lichtstrahls in dieser Platte gleich der Dicke der Platte ist, während ein unter einem von 90 verschiedenen Winkel einfallender Strahl einen längeren Weg in der Platte zurücklegt, so daß auch eine andere Phasenverschiebung auftreten wird.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein abbildendes System mit einer Anordnung zur Phasenverschiebung und eine dazu geeignete Anordnung zur Phasenverschiebung anzugeben, die unabhängig von der Wellenlänge und von der Richtung des einfallenden Lichtes ist.

Eine derartige Anordnung hat gegenüber den vorbekannten Phasenplatten den Vorteil, daß bei der Vorbereitung und Durchführung der Beobachtungen sowie bei der Einstellung der abbildenden Systeme weniger Randbedingungen beachtet werden müssen, was einerseits das Arbeiten mit derartigen Anordnungen beschleunigt und erleichtert, andererseits, insbesondere wenn es sich um von wenig fachkundigem Personal zu bedienende und daher durch besondere Maßnahmen gegen Bedienungsfehler weitgehend unempfindlich zu machende Apparaturen handelt, den erforderlichen

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konstruktiven Aufwand stark herabsetzt. Die -örfindungsgemäße Anordnung zur Phasenverschiebung kann grundsätzlich auch in den bekannten abbildenden Systemen für jPhasenobjekte verwendet werden, sie ermöglicht aber eine vorteilhafte Weiterbildung bzw. Anpassung dieser Systeme, die ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist.

Um diese Aufgabe zu lösen, wird gemäß der Erfindung ein abbildendes System mit einer Anordnung zur Phasenverschiebung und eine Anordnung zur Phasenverschiebung vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Anordnung zur Phasenverschiebung aus zwei in der gleichen Ebene liegenden und parallele Gitterlinien aufweisenden Gittern mit gleicher Gitterkonstante besteht, deren jeweils das eine gegen das andere Gitter abgrenzende Gitterlinien einen von der Gitterkonstante verschiedenen Abstand voneinander haben, derart daß die Maxima des einen Gitters gegenüber den Maximas der gleichen Ordnung des anderen Gitters phasenverschoben sind.

Eine besondere Ausbildungsform des Erfindungs gegenstandes ist dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter nebeneinander liegen.

Eine andere Ausführungsform des Erfindungegedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß das eine der beiden Gitter beiderseits des anderen Gitters angeordnet ist,

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Es kann aber auch eine Anordnung zweckmäßig sein, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das eine Gitter in einem geschlossenen, vorzugsweise kreisförmigen, innerhalb des anderen Gitters liegenden Bereich angeordnet ist.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Erfindung sgedankens, wird vorgesehen, daß die Gitter in der Fraunhofer Ebene einer Linse des abbildenden Systems liegen.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform, des Erfindungsgedankens ist ferner durch eine derartige Lage der phasenverschiebenden Anordnung gekennzeichnet, daß das eine Gitter vornehmlich von der vom abzubildenden Objekt beeinflußten, und das andere Gitter vornehmlich von der vom abzubildenden Objekt nicht beeinflußten Strahlung durchsetzt wird.

Eine andere "Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist schließlich gekennzeichnet durch ein zweites, das Bild des durch ein erstes abbildendes System erzeugte. Bild abbildendes System, das ein in einer Fraunhofer Ebene liegendes Beugungsgitter mit einer der Gitterkonstante des ersten Systems gleichen Gitter konstante enthält ι und durch Mittel, beispielsweise Masken, zur Auswahl der Maxima der entsprechenden Ordnung des zweiten Gitters.

Fällt eine parallele Wellenfront auf ein Beugungsgitter, so entsteht

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eine Anzahl von Beugungsmaxima verschiedener Ordnungen. Das durch die Maxima der ersten Ordnung erzeugte Bild liegt in bekannter Weise auf einer Ebene, die mit der Gitterebene einen bestimmten Winkel einschließt. Die aus dem ersten Gitter spalt austretende Welle wird durch die darauffolgende durch den zweiten Gitterspalt tretende Welle und diese durch die dritte durch den dritten Gitterspalt usw. tretende Welle verstärkt. Von dieser Ebene ausgesehen sind die durch aufeinanderfolgende Gitteröffnungen, tretenden Teilwellen jeweils genau um eine Wellenlänge gegeneinander verzögert. In der Abbildungsebene der Maxima einer bestimraten Ordnung werden die einzelnen Maxima durch Wellen dargestellt, die in einer Richtung gesehen jeweils um eine Wellenlänge gegeneinander verzögert sind. Diese Überlegungen treffen für ein Gitter mit konstanten Abständen der einzelnen Gitterlinien voneinander zu. Tritt im Verlaufe eines Gitters eine Gitterlinie auf, deren Abstand zur nächstfolgenden Gitterlinie größer als die Gitterkonstante ist, und setzt sich das die nächste Linie enthaltende Gitter dann mit gleicher Gitterkonstante fort, so wird die Phase der am zweiten Gitter in Richtung auf dieses Gitter zu gebeugten Welle der Phase des am ersten Gitter in gleicher Richtung gebeugten Welle vorauseilen. Das heißt, daß die Phase der am ersten Gitter gebeugten Welle verzögert

wird. Die sich ergebende Phasenverschiebung ist -z—^-*■— wobei

a(x) die Differenz zwischen der Größe des Zwischenraumes zwischen

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beiden Gittern und der Gitterkonstante und d die Gitterkonstante beider Gitter ist. Diese Beziehung ist wellenlängenunabhängig, da der Wert λ in ihr nicht auftritt. Wird eine andere als die Abbildung der Spektren oder Maxima erster Ordnung verwendet, so ist die Phasenverschiebung um den Wert m größer, wenn m. die gewählte Ordnung der Spektren ist. Es wird ferner darauf hingewiesen, daß die oben angegebene Beziehung auch keinen auf den Einfallswinkel bezogenen T^erm enthält, so daß auch die Nachteile der bekannten Phasenplatten vermieden werden, die auf ihrejrAbhängigkeit vom Einfallswinkel des benutzten Lichtes beruhen.

Aus den bisher gemachten Ausführungen kann entnommen werden, daß die Größe der Phasenverschiebung durch die Wahl des Abstandes zweier in einer Ebene liegender Gitter mit gleicher Gitterkonstante oder durch die Wahl der Ordnung der Spektren des Gitters bestimmt werden kann.

Es wurde gezeigt, daß die Phasenverschiebung unabhängig von der Wellenlänge ist. Dies trifft jedoch für den Beugungswinkel nicht zu. Das hat zur Folge, daß bei Verwendung von nicht monochromatischem Licht eine chromatische Seiten-Aber ration auftritt. Der langw elligere Anteil der Strahlung wird um einen größeren Winkel abgelenkt und daher in einem größeren Abstand von der optischen

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— 7 —

Achse abgebildet als dies beim kurzwelligen Anteil der Strahlung der Fall ist. Diese Aberration kann gemäß der Erfindung durch ein drittes optisches System korrigiert werden, das ein Gitter mit einer Gitterkonstante enthält, die der Gitterkonstante des zur Erzeugung der Phasenverschiebung verwendeten Gitters entspricht, d. h., die der Gitter konstante der zur Phasenverschiebung verwendeten Gitter unter Berücksichtigung gegebenenfalls unterschiedlicher Brennweiten der beiden Systeme gleich ist. Das dritte Gitter erzeugt einen wellenlängenabhängigen Beugungswinkel, der dem Beugungswinkel der die Phasenverschiebung erzeugenden Gitter entgegengesetzt gerichtet ist. Durch Verwendung eines dritten Gitters zur Kompensation der durch die ersten Gitter erzeugten chromatischen Aberration kann eine volle chromatische Korrektur erreicht werden.

Die Erfindung wird an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: die schematische Darstellung eines zum Stande der Technik gehörenden Phasenkontrast-Mikroskops,

Fig. 2: die schematische Darstellung eines Phaeenkontraat-Mikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3i die Darstellung der Phasenplatte der in Fig. 2 dargestellten Anordnung, - _. i

9120/088« ^{BAD 0R;}äJ

Fig. 4: die schematische Darstellung der durch die erfindungsgemäße Anordnung bewirkten Phasenverschiebung,

Fig. 5: die Darstellung einer Schlierenoptik nach Wolter,

Fig. 6: die Darstellung einer Schlierenoptik nach Wolter, die gemäß der Erfindung ausgebildet ist,

Fig. 7: eine in der Anordnung nach Fig. 6 verwendete Phasenplatte,

Fig. 8: die schematische Darstellung eines Phasenkontrast-Mikroskops mit der erfindungsgemäßen Anordnung zur Phasenverschiebung und mit der erfindungsgemäßen Korrektur der chromatischen Aberration,

Fig. 9; die schematische Darstellung einer Wolter'sehen Schlierenoptik mit der erfindungsgemäßen Anordnung zur Phasenverschiebung und mit der erfindungs gemäß en Korrektur der chromatischen Aberration.

Fig. 1 enthält die schematische Darstellung eines bekannten Phasenkortrast-Mikroskops. Die Strahlen einer monochromatischen punktförmigen Lichtquelle 1 werden mit Hilfe der Linse 2 kollimiert, so daß im Bereich des Objektes 3 eine ebene Welle vorliegt. Die Linse 4

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bildet die Lichtquelle in der Fraunhofer Ebene 5 ab. Die am Objekt 3 gebeugten Strahlen werden mit Hilfe der Linsen 4 und 6 im Bereich der Bildebene 7 fokussiert. Es sei angenommen, daß das Objekt 3, wie das in verschiedenen medizinischen Anwendungen der Fall ist, durchsichtig ist. Dieses auch als Phasenobjekt bezeichnete Objekt bewirkt eine kom-

i (x) plexe Amplitudenübertragung: u (x) = e ^v .

Für kleine Phasenwinkel gilt:

u (χ) ^f 1 + i *f (x) ο

Die Abbildung zeigt keinerlei Kontrast, da die Intensität ein heitlich ist

I(x) = I u_o(x) / ² = 1

= 1

Die Fraunhofer-Beugung tritt zwischen der Objektebene 1 und der Bildebene 7 auf. Erstens, wenn das Licht von der Objektebene zur Fraunhofer Ebene gelangt und zweitens, wenn das Licht von der Fraunhofer Ebene zur Bildebene gelangt. Dieser Vorgang kann durch die Fraunhofer Transformation beschrieben werden. Die "1" im Ausdruck u (x) <** 1 + i '-f (x) ist eine Konstante, die die

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— J. Lt ~

in der Mitte der Fraunhofer Ebene 5 ein Lichtmaximum erzeugt. Es handelt sich dabei um das sogenannte direkte oder ungebeugte Licht. Die Phasenplatte 8 weist eine Dicke auf, die für die Wellenlänge des Lichtes der Lichtquelle 1 eine Pha senver zöge rung von —r— erzeugt und einen Amplitudenschwächungsfaktor a hat.

Die komplexe Bildamplitude ist:

-ia + ΐ

Die Intensität ist:

|-ia·+ if(x)| ² = f-a +V(x)J²^ a² [l - 2/a f (x)J

Auf diese Weise wird die Phase <-f (x) des Objektes in Intensitätsänderungen des Phasenkontras tbild es umgewandelt.

Gemäß einer anderen Deutung der Vorgänge kann auch gesagt werden, daß die Strahlen innerhalb des schraffierten Bereiches in Fig. 1 durch die in einem Punkt der Objektebene 3 gebeugten Strahlen sind. Es sei darauf hingewiesen, daß nur ein kleiner Anteil dieser Strahlen auf die Phasenplatte 8 fällt. Andererseits fällt das Bild der Lichtquelle mit der Phaseöplatteι 8 zusammen, so daß die Phasenplatte vorwiegend direktes Licht überträgt. Wie schon er-

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^Bad

wähnt, verursacht die Beugung am Objekt, daß die gebeugte Welle hinter der Welle des direkt übertragenen Lichtes um —~— zurückbleibt. Gleichzeitig bewirkt die Phasenplatte 8, daß die Phase des direkten Lichtes der Phase des gebeugten Lichtes urn -^i—

Cl

voreilt. In der Bildebene 7 weisen die beiden Wellen eine Phasendifferenz von IX oder —~— auf, so daß eine Auslöschung durch Interferenz eintritt. Die Phasenplatte 8 weist eine derartige Größe auf, daß nur ein relativ kleiner Teil des gebeugten aber fast das gesamte direkte Licht durch sie hindurchtritt.

Diese zum Stande der Technik gehörende Anordnung hat den Nachteil, daß monochromatisches Licht verwendet werden muß und daß die Phasenverschiebung innerhalb der Phasenplatte 8 auf Grund der unterschiedlichen Einfallwinkel der einzelnen Strahlen nicht einheitlich ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß bei Änderung der verwendeten Wellenlänge auf die Phasenplatte ausgetauscht werden muß.

In Fig. 2 wird ein Phasenkoritrast-Mikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Licht einer punktförmigen Lichtquelle 21 wird durch die Linse 22 kollimiert, so daß' ά&ν Objektebene 23 eine ebene Welle entsteht,. Die Linse 24 IJIdtu. die j.vu.ukiförmige Lichtquelle 21 in der Mitte der Fra-.-.^Jiof; r Eigene 25 ab. An den einzelnen Punkten des Objekts 23 geheugl^ fjt'-dbleii wender*.

0 9 8 2 0/<>8 i β ^{BAD Or}"

durch die Linsen 24 und 2b auf der Bildebene 27 fokussiert.

In Mg. 3 wird die.in der Fraunhofer Ebene 25 der Anordnung nach Fig» 2 liegende Phasenplatte 28 dargestellt. Der mittlere Teil 29 und der äußere Teil 30 bestehen aus Gittern mit gleicher Gitterkonstante. Die Gitterlinien des Mittelteils 29 sind gegenüber den Gitterlinien des äußeren Teils 30 leicht versetzt angeordnec.

Die Wirkung dieser Versetzung auf die übertragenen Wellen wird in Fig. 4 dargestellt, die ein Schnittbild durch die aus den Interferenzen der ersten Ordnung bestehende Wellenfront wiedergibt. Die äußeren Bereiche der Wellen 30a und 30b haben die gleiche Phasenlage, da sie durch das gleiche Beugungsgitter erzeugt werden. Der innere Teil der Welle 29a eilt den anderen Wellen voraus, so tl?_J? angenommen werden kann, daß eine Phasenverschiebung stattgefunden hat. Der Betrag um den die Phasen der beiden :Vn.t-i:l'2 ·""?/' ei*stJ?i Iiiterferensordnung verschoben worden ist, wird du: Sn üi<· 3sizlehi-iig

Αφ- -^2LAJL

definiert, wobei

L> φ ~ ve rar sachte Phasenverschiebung Δ χ. ~· \⁷':::-"S£Z;y-:ss? tier Gitterlinien

= Gitterkonstante (Abstand zwischen den einzelnen Gitter öffnungen)

- te

Für die m -Ordnung nimmt die Beziehung die Form an:

_Αψ ₌

Aus der Fig. 4 ist zu ersehen, wie die Phasenverschiebung erfolgt. Da die Interferenzen der ersten Ordnung durch die im Abstand von jeweils einer Wellenlänge erfolgende Verstärkung der durch aufeinanderfolgende Gitteröffnung tretenden Strahlung entstehen, sind die durch aufeinanderfolgende Gitter öffnungen durchtretenten Strahlungsanteile einheitlich jeweils um λ gegeneinander verzögert. Dieser Tatbestand kann auch anders ausgedrückt werden. Zur Vereinfachung der Darstellung werden die Schlitze in der in Fig. 4 dargestellten Anordnung von oben nach unten von 1 bis η durchnummeriert. Die erste auf das Gitter treffende Welle wird in allen Öffnungen des Gitters'gebeugt. Zunächst sei die Welle entlang der Linie 30-1 untersucht. Hat sich diese Welle eine Wellenlänge weit fortgepflanzt, so trifft die zweite Welle das Gitter. Aus der Figur ist zu ersehen, daß die an der öffnung 2 entlang der Linie 30-2 gebeugte Welle mit der Welle entlang der Linie 30-1 in Phase ist und sie daher verstärkt. Da die öffnung 3 des Gitters die gleiche Entfernung von derßffnung 2 hat, wird die dritte das Gitter treffende Welle durch die öffnung 3 entlang der Linie 30-3 gebeugt und

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verstärkt die durch die Linie 30a dargestellte Welle weiter.

Der Abstand zwischen der vierten Öffnung und der dritten Öffnung ist größer als die Abstände zwischen den-vorherigen Öffnungen. Daher wird der Teil der vierten auf das Gitter treffenden und entlang der Linie 29-4 gebeugte"n Welle einer gedachten Welle voreilen, die durch eine im normalen Gitterabstand angeordnete Öffnung gebeugt worden wäre. Diese voreilende Wellenfo]rnt wird durch die fünfte das Gitter treffende und entlang der Linie 29-5 gebeugte Welle verstärkt.

Die sechste Gitterlinie liegt näher an der fünften Gitterlinie als dies der Gitterkonstanten entspricht. Daher wird die sechste das Gitter treffende und entlang der Linie 30-6 gebeugte Welle geringfügig gegenüber einer Welle verzögert sein, die durch eine entspreche chend der Gitterkonstante angeordnete Gitterlinie hindurcHtreten wäre.. Diese Welle weist jedoch in bezug auf die durch die Gitterlinien 1, 2 und 3 erzeugten Wellenfronten die richtige Phasenlage auf, da die sechste Gitterlinie wieder in Übereinstimmung mit der Gitter konstante in bezug auf die ersten drei Gitterlinien angeordnet ist.

Es ist leicht einzusehen, daß höchstens eine Phasenverschiebung von -—>— auf diese Weise erreicht werden kann, was der ma-

009820/0658 "ad orkW

ximalen, durch eine bekannte Phasenplatte erreichbaren Phasenverschiebung gleichkommt.

In der in Fig. 2 dargestellten Anordnung bewirkt die in der Fraunhofer Ebene 25 angeordnete Phasenplatte eine Phasenverschiebung um —4 der durch den Bereich 29 hindurchgehenden Interferenzen der ersten Ordnung in bezug auf die durch den Bereich 30 gebildeten Interferenzen der ersten Ordnung. Die Lichtquelle 21 wird in der Ebene 25 abgebildet, so daß der größte Teil der direkten Strahlen durch den Bereich 29 der Phasenplatte gelangt. Der Hauptanteil des in der Objektebene 23 gebeugten Lichtes durchsetzt den zweiten Teil 30 der Phasenplatte. Das sich ergebende Interferenzmuster zwischen dem Beugungsbild der ersten Ordnung und der direkten Strahlung ergibt eine amplitudenmodulierte Abbildung der in der Objektebene 23 erzeugten Phasendifferenzen, so daß das Phasenobjekt sichtbar wird.

Die erfindungsgemäße Phasenplatte kann auch zur Beobachtung von Schlierengegenständen benützt werden. Schlierenobjekte sind beispielsweise unebenes Glas, unhomogenes Glas und durch Temperatur oder Druck erzeugte Inhomogenitäten in einem Gas-In Fig. 5 wird eine von Wolter angegebene Schlierenmethode veranschaulicht.

— _φ EAD ORIGINAL

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Das von derydurch einen Schlitz begrenzten Lichtquelle 51 ausgehende Licht wird durch die Linse 52 kollimiert, so daß sich am Objekt 53 eine ebene Welle ergibt. Die Linse 54 bildet die Lichtquelle 51 is der Fraunhofer Ebene 55 ab. Die Linse 56 erzeugt im Zusammenwirken mit der Linse 54 in der Bildebene 57 eine Abbildung der Objektebene 53. Eine dielektrische Phasenplatte mit einer Phasenverzögerung von ——— ist derartig in der Fraunhofer Ebene 55 angeordnet, daß die eine Hälfte des Fraunhofer Spektrums um —~— verzögert wird. Dies hat

Ct

zur Folge, daß die beleuchtende Strahlung (direkte Bestrahlung) durch Interferenz ausgelöscht wird, Die Hälfte des am Objekt 53 gebeugten Lichtes durchsetzt die Phasenplatte 55 und wird um —~~ phasenverschoben. Der phasenverschobene Anteil des gebeugten Lichtes wird mit dem unveränderten Anteil des gebeugten Lichtes in der Bildebene 57 vereinigt, so daß sich ein Interfer^iiKinustei· ergibt. Eg wird darauf hingewiesen, daß die Wi.tkung des Objektes 53 vorwiegend in einer Beugung besteht und d&i* keinerlei Phasenvers chi ebung eriolgen muß. Auf diese W'iise kann die Anordnung zur Beobachtung von Veränderungen der ßrecix-oagsindizcs, der Dicken oder der Homogenitäten verwendet werden, die eine prismatische Ablenkung des Lichtes bewirken.

Diene Anordnung enthält grundsätzlich, die gleichen Nachteile,

Qyä32Q/QS58 ^ßAD original

wie sie im Zusammenhang mit dem Farbenkontrast-Mikroskop

r
bespochen wurden. Insbesondere fällt es ins Gewicht, daß eine monochromatische Lichtquelle erforderlich ist und daß die in der Phasenplatte 55 erfolgte Phasenverschiebung eine starke Bichtungsabhängigkeit aufweist. Darüberhinaus muß die Phasenplatte bei Änderung von A ausgewechselt werden.

Eine Schlierenoptik gemäß der Erfindung wird in Fig. 6 dargestellt. Das Licht einer durch einen Schlitz begrenzten Lichtquelle 61 wird durch die Linse 62 kollimiert, um am Objekt 63 eine ebene Welle zu erzeugen. Die Linse 64 bildet die Lichtquelle 61 in der Fraunhofer Ebene 65 ab. Durch einzelne Punkte in der Objektebene 63 gebeugte Strahlen werden durch die Linsen 64 und 66 in der Bildebene 67 fokussiert.

Die in der Fraunhofer Ebene angeordnete Phasenplatte 68 ist in Fig. 7 wiedergegeben. Aus dieser Figur ist zu ersehen, daß ein erster Teil 69 und ein zweiter Teil 70 aus optischen Gittern mit der gleichen Gitterkonstante bestehen, die gegeneinander jedoch leicht versetzt angeordnet sind. Der Abstand zwischen den beiden in der Mitte der Anordnung liegenden Schlitzen ist größer als die Gitterkonstante.

Die Phasenplatte 68 erzeugt eine Phasendifferenz von —r— zwi-

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sehen der am Teil 69 und am Teil 70 gebeugten einfallenden Welle, Die sich bei der Phasenverschiebung abspielenden Vorgänge sind die gleichen wie die im Zusammenhang mit den Fig. 2, 3 und 4 beschriebenen.

Da das Bild der Lichtquelle 61 im Übergangsbereich zwischen den Teilen 69 und 70 der Phasenplatte 68 liegt, hindert der breitere Bereich zwischen den benachbarten Öffnungen die Übertragung des Bildes der Lichtquelle. Das Bild der nullten Ordnung wird keine Phasenveränderung aufweisen. Die. Wellen der +1 und -1 Interferenz-Ordnung, die von den Gitterteilen 6Q und 70 kommen, sind Λ

um 2— verschoben. Wenn die + 1 Welle vom Teil 69 kommenden voraus. Die an der Phasenplatte 68 abgebildete direkte Strahlung wird in der Bildebene 67 einheitlich in der oben angegebenen Weise oder durch Interferenz ausgelöscht. Die am Objekt 63 gebeugte Strahlung ist bei ihrem Durchtritt durch die Fraunhofer Ebene 65 nicht einheitlich verfeilt. Auf diese Weise stellt das Interferenzmuster der von den entsprechenden Teilen der Phasenplatte 65 komm-enden Wellen erster Ordnung die Steigung, Diskontinuitäten etc. des Objektes jdar.

Es kann entweder das Bild der minus ersten oder plus ersten

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Ordnung beobachtet werden. Der einzige Unterschied liegt in der Erscheinung der Bilder, Beide haben den gleichen Kontrast. Die nullte Ordnung erzeugt ein gewöhnliches Bild, das sich für Vergleichszwecke eignet«

Wie schon erwähnt, ist die durch die erfindungsgemäße Phasenplatte erzeugte Phasenverschiebung vollständig wellenlängenunabhängig. Die Richtung des gebeugten Strahles ist aber wellenlängenabhängig, was zu einer seitlichen chromatischen Aberration führt, wenn nicht monochromatisches Licht verwendet wird.

In Fig. 8 ist ein zweites abbildendes System dargestellt, das eine Korrektur für alle Weilenlängen erzeugt. Die Anordnung ist bis zur Bildebene 27 gleich der in Fig. 2 dargestellten. Es werden daher auch die gleichen Bezugs zeichen verwendet. In der Ebene 27 ist ein Schirm 80 mit einem Fenster 81 angeordnet, durch das eine bestimmte Interferenzordnung übertragen werden kaim. Es sei angenommen, daß wie dargestellt, die minus erste Interferenzordnung übertragen werden soll. Mit Hilfe der Linse 82 wird eine Fraunhofer Beugung des Zwischenbildes erzeugt. Ein Kompenaationsgitter 84, das die gleiche wirksame Gitter« konstante wie die Phasenplatte aufweist, ißt in der ii-autihofer Ebene 85 angeordnet. Das auf das Gitter 84 fallende Licht wird in der gleichen Weise gebeugt, in der es an der Phaeenplatte

., — — * BAD ORIGINAL

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28 der Fall ist. Die Linse 86 erzeugt die Beugungsbilder in der · Bildebene 87. Der Schirm 88 hat ein Fenster 89, durch das das auf der optischen Achse liegende Beugungsbild der minus ersten Ordnung beobachtet werden kann. In dieser Weise wird die bei größerer Wellenlänge größere Ablenkung von der optischen Achse des Gitters 28 durch eine entsprechende größere Ablenkung für größere Wellenlängen in Richtung auf die optische Achse zu durch das Gitter 84 kompensiert. Die Anwendung dieser Anordnung zur Korrektur seitlicher chromatischer Aberrationen führt zu einer theoretischen Herabsetzung des Wirkungsgrades des Systems.

Diese Verluste beruhen auf den ~~k Intensitätsver-

¹Tf 2

lusten an jedem Beugungsgitter. Das die Linsen 82 und 86 und das Kompens ations gitter 84 enthaltende zweite abbildende System erlaubt jedoch die Verwendung von Breitbandlichtquellen hoher Intensität. Auf diese Weise führt die Verwendung der Anordnung zar Korrektur seitlicher chromatischer Aberrationen, trotz des herabgesetzten theoretischen Wirkungsgrades für mono ehrOXIlίiisch.es Licht, zu helleren Bildern,

Die .'.η der Anordnung nach Fig. 6 auftretenden seitlichen chromatischen Aberrationen können in ähnlicher Weise durch die in Fig. 9 dargestellte Anordnung korrigiert werden.

Die Ausbildung der Objektseite bis zur EJbene 67 ist gleich der

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in Fig. 6 dargestellten, so daß die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. In der Ebene 67 ist ein Schirm 90 mit einem Fenster 91 vorgesehen, das so angeordnet werden kann, daß ein bestimmtes Beugungsbild übertragen wird. Es sei angenommen, daß das Beugungsbild der minus ersten Ordnung ausgewäh. It wurde und die Linse 92 eine Fraunhofer Beugung des Zivischenbildes erzeugt. Ein Kompensationsgitter 94 mit der gleichen wirksamen Gitter konstante wie die Phasenplatte 68 ■wird in der Fraunhofer Ebene 95 angeordnet. Haben, wie in der Figur alle Linsen die gleiche Brennweite, so sind die Abstände der Gitterlinien der Gitter 68 und 94 die gleichen. Haben die Linsen verschiedene Brennweiten, so ist es erforderlich, die Abstände der Gitterlinien voneinander entweder im Gitter 68 und im Gitter 94 zu verändern, damit die gleiche wirksame Gitterkonstante erhalten bleibt.

Das auf das Gitter 94 auffallende Licht wird in gleicher Weise wie das auf die Phasenplatte 68 auffallende gebeugt. Die Linse 96 erzeugt Beugungsbilder in der zweiten Bildebene 97. Der in dieser Ebene liegende Schirm 98 hat ein Fenster 99, durch das das auf der optischen Achse liegende Beugungsbild der minus ersten Ordnung beobachtet werden kann. Auf diese Weise wird die bei längeren Wellen stärkere Ablenkung durch das Gitter (58 durch eine ähnliche jedoch im entgegengesetzten Sinne ver-

BAD ORiGlNAL 009820/0658

größerte Ablenkung für längere Wellenlängen am Gitter 94 ausgeglichen.

Die angegebene Methode zur Phasenänderung eignet sich auch gut zur gleichzeitigen Veränderung von Amplituden. Beispielsweise ist die Amplitude der in der Anordnung gemäß Fig. 2 gebeugten Welle durch folgende Beziehung mit der Schlitzbreite des Gitters 28 verknüpft:

ma
Amplitude = Sinus ( ■ —

wobei m = B eugung so rdnung des beobachteten Bildes

a = Schlitzbreite
d = Gitterkonstante

In der Phasenkontrast-Mikroskopie ist es oft erwünscht, die relativen Größen der Amplituden des direkten und des am Objekt gebeugten Lichtes zu steuern. Das kann in einfacher Weise durch Bemessung der Schlitzbreiten der Gitterteile 29 und 30 des Gitters 28 gemäß der folgenden Beziehung geschehen:

ma

TX O

Amplitude (direkt) _ Sinus (

Amplitude (gebeugt) ~ ma

Sinus ( Ή-.

wobei a = Schlitzbreite des Teils 29 des Gitters 28

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a = Schlitzbreite des Teils 30 des Gitters 28

Eine andere Methode zur Amplitudenbeeinflussung wird in der Patentanmeldung J 30 885 angegeben, in der gezeigt wird, daß ein Gitter aus einer Vielzahl einzelner Zellen gebildet werden kann. Der Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Zellen ist die Gitterkonstante d. Die Amplitude der an einem aus derartigen Zellen bestehenden Gitter gebeugten "Welle ist:

mw ma Amplitude = Cos ( —"-; ) Sin ( -^-; )

wobei w der Abstand zwischen zwei Schlitzen in einer einzelnen Zelle a die Schlitzbreite ist.

der

Die relativen Amplituden an den Teilen 29 und 30 eines aus derartigen Zellen bestehenden Gitters gebeugten Wellen sind:

mw ma

IL 2. _r.

Amplitude (direkt) _ Cos ( d ) Sin ( - )

Amplitude (gebeugt) " _Cos ( OL L.) _Sin / _2l

Je nach der Art der Herstellung der Gitter wird die zuerst oder die zuletzt genannte Art von Gittern bei der Bestimmung der Amplitudenhöhe verwendet werden. Beispielsweise könnte eine computergesteuerte Anordnung zur Erzeugung der erforderlichen Gitter ver-

BAD OR¹G-J₁MAL

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wendet werden. Derartige Anordnungen können Linien verschiedener Dicke nur durch Wiederholung des Ausziehens erzeugen. Es ist daher in so einem Fall einfacher, eine konstante Spaltbreite zu verwenden und die Steuerung der Amplitude durch Änderung der Gitterabstände innerhalb der Zellen zu bewirken.

Die Ausführungsbeispiele waren auf lichtdurchlässige Objekte beschränkt, die angegebenen Anordnungen sind aber auch für reflektiertes Licht verwendbar.

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Claims (7)

1. •Λ Böblingen, 18. 4. 1967

   pr-hn

   PATENTANSPRÜCHE

   /f_f Abbildendes System mit einer Anordnung zur Phasenverschiebung und Anordnung zur Phasenverschiebung, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Phasenverschiebung aus zwei in der gleichen Ebene liegenden und parallele Gitterlinien aufweisenden Gittern mit gleicher Gitterkonstante besteht, deren das eine gegen das andere Gitter abgrenzenden Gitterlinien einen von der Gitterkonstante verschiedenen Abstand voneinander haben, derart, daß die Maxima der an einem Gitter gebeugten Strahlung gegenüber den Maximas der gleichen Ordnung der am anderen Gitter gebeugten Strahlen phasenverschoben sind.
2. 2. Abbildendes System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter nebeneinander liegen.
3. 3. Abbildendes System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine der beiden Gitter beiderseits des anderen Gitters angeordnet ist.
4. 4- Abbildendes System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß das eine Gitter in einem geschlossenen, vorzugsweise kreisförmigen, innerhalb des anderen Gitters liegenden Bereich angeordnet ist. 00 9820/06 58
5. 5. Abbildendes System nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter in der Fraunhofer Ebene einer Linse des abbildenden Systems liegen.
6. 6. Abbildendes System nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine derartige Lage der phasenverschiebenden Anordnung, daß das eine Gitter vornehmlich von der vom abzubildenden Objekt beeinflußten und das andere Gitter vornehmlich von der vom abzubildenden Objekt nicht beeinflußten Strahlung durchsetzt wird.
7. 7. Abbildendes System nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein zweites, das Bild des durch ein erstes abbildendes System erzeugte Bild abbildendes System, das aus einem in einer Fraunhofer Ebene liegenden Beugungsgitter mit einer der Gitterkonstante des ersten Gitters gleichen Gitterkonstante besteht, und "durch Mittel, beispielsweise Masken zur Auswahl der Maxima der entsprechenden Ordnung des ersten und des zweiten Gitters, derart, daß die durch die wellenlängenabhängige seitliche Auslenkung der gebeugten Strahlen am ersten Gitter bedingte chromatische Aberration durch eine in entgegengesetzter Richtung erfolgende wellenlängenabhängige seitliche Auslenkung am zweiten Gitter kompensiert wird.

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