WO2012028292A1 - Light microscope and optical module - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates in a first aspect to a light microscope according to the preamble of claim 1.
- the invention relates to an optical module according to the preamble of claim 19.
- Generic light microscopes in particular differential interference contrast microscopes and / or polarizing microscopes and / or fluorescence microscopes, have a microscopic beam path for transmitted light and / or Auflichtmikroskopie in which a sample, in particular via a condenser, can be acted upon with illumination light, arranged in the beam path polarizer for polarizing the illuminating light, an analyzer arranged in the beam path for analyzing light coming from the specimen and an objective arranged in the beam path for imaging the specimen to be arranged in a specimen region.
- Known optical modules for arranging in a microscopic beam path of a light microscope between a polarizer and an analyzer have an objective, wherein a sample side of the objective faces a sample area in a state installed in the beam path.
- An interference microscope in particular a differential interference microscope, has within this beam path means for splitting and merging the light, which are needed for contrasting samples. These means can be brought into a centered position to the optical axis of the microscope so that they have substantially no effect on the extinction of the light. In the differential interference microscope, these means are so-called Wollaston or Nomarski prisms. The effects described below apply regardless of the use of these prisms.
- the depolarization refers to influencing both the phase and the amplitude of the light or of components of the light when the light is split into sub-beams polarized perpendicular to one another.
- No. 6,924,893 B2 describes a polarizing microscope in which delay elements are provided in the beam path of the microscope in front of the condenser lens in order to compensate for a depolarization caused by optical components between a polarizer and an analyzer.
- the delay elements each have a plurality of sectors, which are individually controlled and their properties can be set independently. This makes it possible that the polarization of the light is changed only in those areas in which a depolarization is compensated by the optical components.
- the preparation of these delay elements is expensive and requires a lot of effort.
- a re-adjustment of the sectors of the delay elements necessary.
- US 3,904,267 describes a compensation plate for use in differential interference contrast microscopes.
- linearly polarized illumination light is split with a Wollaston prism into two mutually perpendicular polarized partial beams.
- the compensation plate comprises a birefringent crystal, by which the two mutually perpendicularly polarized partial beams are influenced differently.
- the compensation plate is positioned in a section with convergent beam path, namely behind the tube lens downstream of the objective.
- the analyzer must also be arranged behind the tube lens, which can likewise cause depolarization effects, for example by stress birefringence.
- the area behind the tube lens is often difficult to access, so that the compensation plate is only consuming interchangeable.
- a compensation plate would have to be arranged in each tube or intermediate tube.
- At least partial compensation of depolarization effects which is caused by and the analyzer arranged optical components, in particular by the lens, are provided in the beam path, a compensation device which is arranged in incident light microscopy between the sample area and the lens and in transmitted light microscopy between the condenser and the lens.
- a compensation device arranged on the sample side of the objective is present for the at least partial compensation of at least depolarization effects which are brought about by the objective.
- a basic idea of the invention can be seen in arranging the compensation device at the point in the beam path at which the steepest angles for the illumination light or the light coming from the sample are present. Since the compensation achievable by the compensation device is dependent on the angle, a particularly good compensation of depolarization effects can be achieved at this point, ie in front of the objective or between the condenser and the sample.
- the details of the course of the light coming from the sample relate to the imaging beam path, that is, to a beam path emanating from a point of the sample.
- the light coming from the sample diverges at an angle that depends on the numerical aperture of the objective.
- illumination light encompasses the light that flows onto the sample, ie at
- Incident light microscopy the light guided to the sample with the objective and, in transmitted-light microscopy, the light directed onto the sample with the condenser.
- the term "light coming from the sample area”, that is to say “light coming from the sample” comprises the light influenced by the sample, ie the light to be measured which reflects light transmitted through the sample by transmitted light microscopy or reflected by reflected light microscopy on the sample scattered light, in fluorescence microscopy also from the sample of fluorescence light and in other contrast methods, the light generated in each case by the sample.
- the general term light includes the illumination light as well as the light coming from the sample. Particularly advantageous is the arrangement of the compensation device directly adjacent to the lens.
- the objective makes up a high proportion of the caused velvet depolarization effects, which vary in different lenses.
- the compensating device can be exchanged in a simple manner when changing the objective, so that there is always a compensating device tuned for the respective objective in the beam path.
- the compensation device is arranged comparatively far forward in the beam path.
- the analyzer can also be arranged relatively far in the front of the beam path.
- the number of optical components, which are arranged between the polarizer and the analyzer and can cause a Depolari- sationss can be minimized.
- a tube lens located behind the objective in the beam path can be arranged behind the analyzer, so that depolarization effects caused by the tube lens need not be compensated. This is particularly important since tube lenses are generally not tension-free and cause a depolarization of light over its entire cross-sectional area.
- the compensation by the compensation device is effected by a polarization change of the light, in particular by a polarization change, which is different for different regions of a cross-sectional area of the light.
- the compensation device is arranged in a convergent or divergent part of the beam path.
- light that is parallel to the beam path and thus perpendicular to the compensation device is advantageously influenced differently by the compensation device than light which strikes the compensation device obliquely, ie at an angle to the microscopic beam path.
- the optical module according to the invention can also in front of the lens in a divergent or convergent part of the beam path, whereby the above explanations also apply to the optical module.
- the arrangement of the compensation device between the condenser and the objective allows an arrangement between the condenser and the sample area and / or an arrangement between the sample area and the objective.
- an arrangement in the condenser or in the lens is possible.
- the compensation device is preferably arranged between a front optics of the condenser facing the sample area and a front optic of the objective.
- the compensation device in particular exclusively, is also particularly preferably arranged between the sample region and the objective.
- the compensation device has at least one birefringent plate, so it is a material of the plate birefringent.
- a polarization change of the light caused by the plate is dependent on the polarization of the light.
- a proper component of light having a direction of polarization perpendicular to a major axis of the birefringent plate is differently affected than an extraordinary component of light having a polarization direction component parallel to a major axis of the plate.
- Polarization direction is understood to be the direction of oscillation of the electric field of a light beam.
- the change of the polarization depends on the material, in particular on the dielectric property of the material, in particular the birefringence, and on its thickness, advantageously material, position of the major axis and thickness of the plate can be chosen so that the depolarization effects are at least partially compensated.
- fitting algorithms can be used.
- the thickness of the platelet should be understood to mean the expansion of the platelet in the direction of the beam path and / or an optical axis of the objective.
- At least one birefringent plate is a parallel plate which has a main axis which is aligned parallel to an optical axis of the objective.
- any birefringent platelets having a major axis aligned parallel to the optical axis of the objective are understood.
- the platelets can have two opposite sides, ie surfaces, which are perpendicular to the optical axis of the objective and / or to the microscopic beam path. For vertical incidence of light on a parallel plate this has no dependent on the direction of polarization of the incident light effect.
- polarized light falls obliquely on the parallel plate, the light is split into two partial beams, a proper beam of light and an extraordinary beam of light.
- a light beam incident obliquely on the parallel platelet experiences a path difference between its ordinary and extraordinary components.
- the polarization is influenced depending on the angle of incidence of the light on the parallel plate.
- a phase shift based depolarization effect can be at least partially compensated by a parallel plate.
- a phase shift between the perpendicularly polarized incident beam components results in elliptically polarized light.
- the material and thickness of the at least one birefringent parallel plate are chosen such that a path difference between polarization components of light at an angle to a normal of a surface of the platelets, in particular at an aperture angle of the objective incident on the parallel plate is just large enough to cause a polarization change of the light which substantially compensates for a depolarization effect caused by phase shift.
- the half-aperture angle of the objective should be understood as the aperture angle.
- the maximum angle at which incident light from the sample is incident on the platelets is precisely the aperture angle of the objective.
- material and thickness of the parallel plate as a function of the aperture angle, compensation can be made specifically for the outer regions of a cross-sectional area of the light coming from the sample for which a depolarization effect is greatest.
- material and thickness of the mini- at least one parallel plate also be chosen so that averaged over the entire cross-sectional area of the light polarization is maximum.
- the average polarization can be understood to mean the integral of the electric field strength of the light over the cross-sectional area of the light at a particular point in time.
- the refractive indices of the positively birefringent and of the negative birefringent parallel platelet are not equal in magnitude and / or the thicknesses of the platelets differ, an effect can be achieved which corresponds to that of a single, very thin parallel platelet.
- optically positive birefringent As synonyms for optically positive birefringent and optically negatively birefringent, the terms “optically positive” and “optically negative” as well as “positively birefringent” and “negatively birefringent” are also used.
- a birefringent plate which is a vertical plate having a major axis oriented perpendicular to an optical axis of the objective.
- vertical platelets each platelet with a birefringent material having a major axis oriented perpendicular to an optical axis of the objective.
- Differential transmission occurs when optical components have different transmissions for light perpendicular to the input. case level is polarized at the optical component, and for light which is polarized parallel to the plane of incidence on the optical component. Diffusive transmission rotates the plane of oscillation of a linear polarization. An elliptical polarization undergoes a rotation of its major axis.
- the refractive index, thickness and azimuth angle of the main axis about the optical axis of the lens can be chosen such that in those regions of a cross-sectional area of the light in which the plane of oscillation or principal axis of the polarized light is rotated by differential transmission of optical components, the perpendicular wafer causes a change in polarization which causes the light coming from the sample at the analyzer over its entire cross-sectional area to be substantially collinear with the direction of passage of the analyzer, with respect to the plane of oscillation or major axis plane. In this case, a depolarization caused by the sample remains essentially unchanged.
- a polarization change for the entire cross-sectional area of the light, such as through a vertical platelet, does not represent depolarization.
- complete complete extinction of the light between polarizer and analyzer can be achieved without a sample.
- the transmission directions of the polarizer and the analyzer can be aligned with each other by an angle differing from 90 ° and / or an additional vertical plate can be arranged in the compensation position in front of the analyzer.
- the angle of the major axis of the perpendicular wafer to the polarization direction, that is, the forward direction, of the polarizer is significant.
- the perpendicular plate acts as a ⁇ / 4 plate or as a ⁇ / 2 plate.
- the main axis of the vertical plate is aligned so that it affects a rotation angle, in particular canceled, by which a direction of polarization generated on the polarizer would be rotated due to differential transmission through the optical components or through at least the lens.
- a ⁇ / 2 plate causes a rotation of the polarization direction by twice the angle between the polarization direction of the incident light and the direction of the major axis of the ⁇ / 2 plate in the case of linearly polarized incident light.
- the polarization direction is mirrored on the major axis of the ⁇ / 2 plate.
- a ⁇ / 4 plate is commonly used to convert linearly polarized light into circularly or elliptically polarized light, or vice versa.
- a ⁇ / 4 plate generally converts linearly polarized incident light into elliptically polarized light.
- either the small or the large half-axis of the ellipse is parallel to the main axis of the ⁇ / 4 plate.
- the main axis is preferably aligned such that a rotation angle is compensated in order to compensate for the polarization direction produced at the polarizer due to differential transmission through the optical components or at least would be turned through the lens.
- the direction of polarization of the light rotated due to differential transmission should be understood as the polarization direction in the region of the cross-sectional area of the light where the differential transmission is strongest or, in other words, where the change of the polarization direction is strongest.
- the direction of the main axis lies exactly between the polarization direction predetermined by the polarizer and a polarization direction which is present in the region of a cross-sectional area of the light which has the greatest influence through differential transmission becomes.
- the main axis of the perpendicular plate is aligned so that it halves an azimuth angle.
- the azimuth angle is an angle between a polarization direction of the light immediately after passing through the polarizer and a changed polarization direction, which would take the light coming from the sample without the compensation device directly in front of the analyzer, if the changed polarization direction by differential transmission through the optical Components or the lens is conditional.
- vertical platelets and parallel platelets can be combined in such a way that their summed effects, namely the rotation of the polarization plane or the major axis plane of an elliptical polarization and the phase change between two mutually perpendicular polarization components, for an optimized compensation of said depolarization by the Lens guide.
- the birefringent platelets may advantageously be designed for a wavelength range which is in the visible range, in the near infrared range and / or in the near ultraviolet range.
- the determination of the material and the thickness of the platelets can be designed in this case such that, at a wavelength between 500 and 600 nm, the compensation effected by the compensation device is best.
- the platelets are selected so that a dispersion of light coming from the sample area is kept as low as possible, in particular an achromatic or apochromatic behavior of the objective or several or all arranged in the optical beam path components through the compensation device remain unchanged.
- at least one further platelet may be present for this purpose.
- the working distance which is the distance between the sample area and the side of the objective facing the sample area, is between about 0.1 mm and a few millimeters.
- the working distance can be very small.
- the thicknesses of the platelets can be selected so that the total thickness of the compensation device is smaller than the working distance of a lens.
- the thicknesses of the platelets are therefore preferably between 5 ⁇ m and 1 mm, in particular dere between 10 ⁇ and ⁇ .
- larger platelet thicknesses can be provided.
- the birefringent platelets have plane-parallel surfaces.
- the platelets have no imaging effect, which would have to be considered in the design of the lens.
- they can also have a circular shape.
- the plane-parallel surfaces of the birefringent plates may be aligned substantially perpendicular to the optical axis of the objective.
- the platelets can have the same optical properties over the entire plane-parallel surfaces. A segmentation of the platelets is therefore not necessary, but in principle also possible.
- the platelets are tempered, in particular have a multiple coating.
- the compensation device in particular one of the platelets, is fixedly connected to the objective on the sample side of the objective, in particular cemented.
- the compensation device can also be detachably connected to the lens.
- the platelets can also be several or all platelets firmly connected.
- the platelets must not be used separately in the microscopic beam path, but can be introduced together with the lens in the beam path.
- the risk of unintentional breakage of the thin platelets can be reduced.
- a large proportion of the depolarization effects is being caused by the lens. If several lenses are to be usable in the light microscope, for example via a lens revolver, a separate compensation device can be used for each lens because of the different depolarization effects of the different lenses. be available. Thus, a compensating device which is set up to compensate for depolarization effects of the respective objective can be attached to each objective in an objective revolver of the light microscope.
- the platelets show a birefringent effect, in a preferred variant of the optical microscope according to the invention or of the optical module according to the invention each plate on a crystal, in particular a uniaxial crystal, in particular from the group magnesium fluoride MgF2, calcite, CaCO 3, sapphire Al2O3 or crystal quartz SiO 2.
- the platelets may also comprise any other birefringent material, in particular a polymer.
- a device may be provided for generating a mechanical stress, an electric field or a magnetic field in at least one of the platelets in order to effect a birefringent effect in the at least one platelet.
- the platelets are birefringent only through the device.
- the vertical platelet and / or the compensation device are rotatable.
- a mechanical means in particular a mechanical adjusting ring, is provided to allow rotation of the compensating means about the optical axis of the objective for adjusting the polarization change caused by the compensating means.
- the compensation device in particular together with the objective, is preferably rotatable about the optical axis of the objective, even if the objective is permanently installed in the light microscope.
- An angle scale may also be provided on the objective.
- there may be a device for automatically adjusting the compensation device for example by rotating the compensation device and determining for which rotational position the best possible compensation is achieved.
- a tube lens is present and the analyzer is arranged between the objective and the tube lens.
- Depolarisation effects through the tube lens are therefore insignificant and are not taken into account by the compensation device.
- a compensation device can be used independently of the tube lens used.
- the compensation device consists exactly of a parallel plate or exactly two parallel plates or of exactly one or two perpendicular plates and one or two parallel plates.
- the light microscope and / or the objective can be designed for measurements with transmitted light or incident light.
- the optical components, in particular the lens, and also the platelets of the compensation device are manufactured stress-free.
- the compensation device is adapted, in addition to depolarizing the lens and depolarization effects of other optical components, which are arranged in the beam path between the polarizer and the analyzer, in particular of a condenser to compensate.
- the compensation device according to the invention should not be confused with a compensator known in polarization microscopy.
- This is a ⁇ / 4 plate at 45 ° to the polarizer and the analyzer, which is used, for example, to judge whether measured interference colors are actually caused by a sample in the sample area, or depolarization effects of optical components are attributed.
- a compensator thus the depolarization, so a reduction over the cross-sectional area of the light averaged polarization, not compensated.
- the polarization of certain areas of the cross-sectional area of the light are selectively changed by the compensation device according to the invention. This increases a polarization averaged over the cross-sectional area of the light.
- Fig. 1 is a schematic representation of light in the pupil of a
- Fig. 2 is a graph of depolarization in dependence of the sine of
- FIG. 3 shows a schematic representation of essential components of a light microscope according to the invention and of an optical module according to the invention
- Fig. 5 is a schematic view of an optical according to the invention
- FIGS. 7a to 7d show a refractive index ellipsoid.
- FIG. 1 shows a schematic representation of a cross-sectional area 1 of light in a pupil of a light microscope 100.
- a polarizer 50, 51 and an analyzer 52 are present, whereby the passage direction of the analyzer 52 is perpendicular to the passage direction of the polarizer 50, 51 stands.
- the cross-sectional area 1 of the light should be understood to mean a surface perpendicular to the microscopic beam path 5 and to the optical axis 15 of the objective 10.
- the light in the pupil should be completely extinguished. Without compensation device 20, however, only an area 2 from the cross-sectional area 1 of the light is dark. At cross-sectional edges 3, however, light is visible. The resulting form is called Maltese Cross.
- the brightening at the cross-sectional edge 3 is due to a depolarization of the light, that is, a change in the polarization in certain areas of the cross-sectional area of the light, namely at the cross-sectional edges 3.
- the depolarization is caused by various Depolarisations bine on optical components in the beam path 5 of the microscope 100.
- the optical components, the lens 10, the condenser 55 and the Wollaston prisms 60, 61 count.
- the strengths of the depolarization effects are generally dependent on the numerical aperture of the objective 10 used. According to Fresnel's rules, light components whose polarization direction is perpendicular and parallel to an incidence plane of the light on an optical component are refracted differently.
- the optical components 10, 60, 61, 55 may be stress birefringent.
- the voltage may already be present in the material of the optical components or be generated by the pressure of the version of the optical components.
- optical multilayers which are used for example for anti-reflection on optical components 10, 60, 61, 55, can cause a phase rotation of the incident light, ie a path difference between perpendicular and parallel polarized light.
- FIG. 2 shows a simulation of the dependence of the depolarization of the light on the sine of the aperture angle of the objective 10.
- the aim is to compensate for the depolarization shown here with the help of the compensation device as far as possible, so that a dark pupil is visible through crossed polarizers.
- the depolarization illustrated in FIG. 2 light passes through crossed polarizers, between which inter alia a lens is arranged. Since there is no sample in the sample area, ideally no light coming from the sample area should be able to pass through the analyzer. However, the objective leads to a depolarization, as a result of which the proportion of the light coming from the sample area, which portion is changed in its polarization, can pass through the analyzer.
- FIG. 2 shows the dependency of the depolarization occurring on the sine of the aperture angle ⁇ .
- an imaging beam path is considered for which light emanating from a point of a sample area diverges and strikes the lens at the aperture angle ⁇ .
- Graph 70 shows the depolarization by phase shifting between the portion of the light polarized perpendicular to and parallel to an incidence plane on the objective.
- phase shifting linearly polarized light becomes elliptically polarized light.
- the degree specification of the depolarization for the graph 70 indicates the phase difference between the two polarized components of the light perpendicular to each other.
- Graph 71 indicates the depolarization by differential transmission as a function of the sine of the aperture angle ⁇ . Differential transmission causes in linearly polarized light rotation of the polarization direction, the light is still linearly polarized. However, since light coming from the specimen diverges on the objective, that is, different areas of the cross-sectional area of the light coming from the specimen hit the objective at different angles, differential transmission causes depolarization across the cross-sectional area of the light. Here, the degree of depolarization indicates the rotation of the linearly polarized light.
- FIG. 2 shows a schematic representation of a light microscope 100 according to the invention.
- the light microscope 100 includes the compensation device 20 as well as components required for polarization measurements or differential interference contrast measurements, namely the polarizer 50, the Wollaston prisms 60, 61, the objective 10 and the analyzer 52 ,
- a condenser 55 which directs illumination light onto the sample area 30.
- the structure shown here corresponds to that of a transmitted-light microscope. All statements made for this purpose, except for the condenser 55, but are also valid for a reflected-light microscope.
- the microscope 100 according to the invention may also be suitable for fluorescence contrast methods in which the polarization properties of the sample are used.
- Indications such as "before”, “behind” and “after” with respect to the components 10, 50, 51, 52, 55, 60, 61 or the microscopic beam path 5 are defined by the running direction of the light 42, 43, 44.
- Illumination light is irradiated along the microscopic beam path 5.
- the illumination light may initially be unpolarized.
- it can be either monochromatic or spectral broadband in the visible, in the near UV and / or in the near IR region.
- the illumination light passes through the polarizer 50 and is linearly polarized along the transmission direction of the polarizer 50.
- a Wollaston prism 60 or a comparable optical component is arranged to divide the polarized illumination light into two spatially spaced or split perpendicularly polarized sub-beams.
- a ⁇ / 4 plate may be present to produce circularly polarized light.
- the polarized illumination light is then directed to a sample area 30, in which a sample to be examined can be located.
- the light coming from the sample passes through the illumination aperture, the diffraction, the refraction or scattering on the structures of the sample or on the ground the fluorescence of the sample diverges and hits the lens 10.
- the light coming from the sample passes through the compensation device 20. This is arranged on the sample side 16 of the lens 10. The exact effect of the compensation device 20 on the polarization of the light will be explained in detail with reference to FIG.
- the compensation device 20 between the condenser 55 and the sample area 30. Since at this point the illumination light is generally convergent, a compensation of depolarization effects can also be achieved here.
- the light coming from the sample strikes the objective 10 in the illustrated embodiment, whose optical axis 15 is arranged parallel to the microscopic beam path 5.
- the objective 10 and the compensation device 20 represent the optical module 90 according to the invention.
- another Wollaston prism 61 or a comparable optical component is arranged in the beam path behind the objective 10 in order to combine and to bring the two partial beams of the light coming from the sample into interference.
- an analyzer 52 is arranged in the microscopic beam path 5. It is a polarizer whose direction of passage is rotated to that of the polarizer 50, usually by 90 °.
- the analyzer 52 is intended to transmit only light from the sample whose polarization has been changed by the sample.
- the Wollaston prisms 60, 61 are omitted.
- the components otherwise shown in Fig. 3 are identical for polarization contrast microscopy and differential interference contrast microscopy.
- FIG. 4 A schematic overall representation of a light microscope 100 according to the invention is shown in FIG. 4.
- a light source 40, 41 emits illumination light 42, 43 onto a sample region 30. From the sample region 30, the light 44 passes through the light 44, which is not shown here. Finally, the light coming from the sample 44 is coupled out of the light microscope 100.
- the beam cross-section shown here indicates the maximum occurring beam cross section, ie the total envelope of all occurring light, which in transmitted light microscopes roughly corresponds to the pupil beam path.
- the light microscope 100 may include a light source 40 for incident light and / or a light source 41 for transmitted light.
- the light sources 40, 41 emit unpolarized illumination light 42, 43 along a microscopic beam path 5.
- the illumination light 42, 43 is polarized by the polarizers 50, 51. In this case, linearly polarized light can be generated or also circularly polarized light for circular differential interference contrast microscopy.
- the polarized illumination light 42, 43 is then focused on a sample area 30, to which a condenser 55 can be used.
- the light 44 passes through a compensation device, not shown in FIG. 4.
- the light coming from the sample diverges below the aperture angle of the objective 10.
- An objective 10 is arranged in the microscopic beam path 5 behind the compensation device.
- Various objective lenses 10 of an objective revolver are shown in FIG. 4, with only the optical elements 11, 12, 13 of the objective 10 being shown for the objective 10 located in the beam path 5 ,
- the beam path can have further elements, such as a DIC slider for differential interference contrast microscopy.
- the light coming from the sample strikes the optical elements 11, 12, 13 of the objective 10 on an analyzer 52.
- FIG. 1 A schematic view of an optical module 90 according to the invention is shown in FIG.
- the optical module 90 has the compensation device 20 and the objective 10.
- the descriptions of the compensation device 20 and the objective 10 also apply with respect to the light microscope 100 according to the invention.
- the light 44 coming from the sample area 30 extends divergently at an aperture angle of the objective 10.
- the light 44 coming from the sample passes through the compensation device 20.
- This can have one or more birefringent platelets.
- the compensation device 20 is arranged on a sample area 30 facing sample side 16 of the lens 10.
- the compensation device 20 can be firmly connected to the objective 10, in particular to the lens L1 of the objective 10, for example by cementing or be glued.
- the lens L1 is here a daughter ball, which engages in a parent ball L2. In this case, the compensation device 20 does not cover the entire surface of the parent ball L2, but only the daughter ball L1.
- the compensation device 20 and the platelets of the compensation device 20 not shown here are arranged such that they have surfaces which are perpendicular to the optical axis 15 of the objective 10 and the microscopic beam path 5.
- Embodiments of the compensation device 20 according to the invention are shown schematically in FIGS. 6a to 6e.
- the compensation device 20 has one or more plates 21, 22, 23 which are located on a sample side 16 of the objective 10 are arranged. In each case, the front optics of the objective 10, namely the optical element 11, are shown.
- the platelets 21, 22, 23 may each comprise a birefringent, preferably uniaxial, crystal.
- the embodiments differ in material, thickness and number of platelets 21, 22, 23 and in the crystal direction of the platelets 21, 22, 23.
- the crystal direction of the platelets that is, the direction of the optical axis of the crystal, parallel 25 and / or perpendicular 26 with respect to the optical axis 15 of the lens 10 extend.
- the terms "main axis" and “main axis of the plate” are synonymous with crystal direction.
- one or more platelets can be present whose major axes, that is to say crystal axes, are aligned obliquely, ie, neither parallel nor perpendicular, to the optical axis 15 of the objective 10.
- the platelets can also have a non-constant thickness in the cross-sectional direction. The decisive factor is that the desired compensation of the depolarization is achieved by the platelets.
- FIG. 6 a shows an exemplary embodiment of the invention, in which the compensation device 20 comprises a plate 22 made of magnesium fluoride, which has a main axis 25 parallel to an optical axis 15 of the objective 10 and the optical element 11.
- Light which passes through the plate 22 parallel to the optical axis 15, undergoes no polarization change by the plate 22.
- a partial beam of light may have a polarization perpendicular to the major axis of the plate.
- Another partial beam may have a polarization, which in turn is perpendicular thereto.
- These sub-rays are called neat and extraordinary ray.
- a path difference between the ordinary and extraordinary beam is generated.
- a phase rotation is achieved, that is, the polarization of that portion of the light which obliquely meets the compensation device 20 is changed.
- the magnitude of the phase rotation depends on the refractive index n 0 for the ordinary ray and on the refractive index n a for the extraordinary ray.
- an indicatrix, ie a refractive index ellipsoid, of an optically uniaxial crystal is shown in FIGS. 7a and 7b.
- the refractive indices ni, n 2 and ⁇ 3 describe the refractive indices for light which has a polarization, ie an electric field, in the direction of the vector ni, ⁇ 2 or n 3 .
- the refractive index n 3 is greater than ⁇ ⁇ and n 2 for positively birefringent crystals, while it is smaller for negatively birefringent crystals.
- Fig. 7c shows the ordinary ray and Fig. 7d the extraordinary ray.
- the propagation direction k of the beams assumes an angle of incidence ⁇ to the optical axis 15.
- the electric field of the ordinary ray is perpendicular to the optical axis 15.
- the electric field of the extraordinary ray shown in Fig. 7d is perpendicular to that of the ordinary ray.
- the extraordinary ray has a polarization component parallel to the propagation direction k, that is, its polarization lies in a plane which is spanned by the optical axis 15 and the propagation direction k.
- the extraordinary refractive index n a is dependent on the angle of incidence ⁇ , which is measured relative to the optical axis 15, ie to a perpendicular of a surface of the compensation device.
- Magnesium fluoride MgF 2 and quartz Si0 2 have an ordinary refractive index smaller than their extraordinary refractive index, and are thus positively birefringent.
- Calcite and sapphire, calcium carbonate CaCO 3 and aluminum oxide Al 2 O 3 are, however, negatively birefringent.
- FIGS. 6b and 6c each show a compensating device 20 which has two plates 22, 23 whose main axes are aligned parallel to the optical axis 15 of the objective 10.
- a positive birefringent plate 23 and a negatively birefringent plate 22 are present.
- the positive and negative birefringent platelets 22, 23 cause opposite effects.
- the platelets 22, 23 can therefore have greater thicknesses than a single platelet with a parallel main axis. Due to the greater thickness, the plates 22, 23 are easier to manufacture and less fragile.
- an achievable path difference between ordinary and extraordinary light beam through the use of two plates 22, 23 can be achieved very precisely.
- the dispersion can also be kept low.
- the angle of incidence may just be the aperture angle.
- FIG. 6d shows a compensation device 20 arranged on a sample side 16 of an optical element 11 of the objective 10. It has two plates 22, 23 with a parallel main axis, and another plate 21 with a main axis 26 perpendicular to the optical axis 15 of the objective 10 ,
- the platelets 22, 23 with a vertical main axis may have the materials MgF 2 and Al 2 O 3 .
- the main vertical axis plate 21 may comprise MgF 2 .
- the plate 21 with a vertical main axis can compensate for a differential transmission-based depolarization effect.
- differential transmission linearly polarized light is rotated in its oscillation direction, and in the case of elliptically polarized light, the position of the ellipse main axis is rotated.
- the platelet 21 with a vertical crystal axis can again produce linearly polarized light when suitably positioned from elliptically polarized light.
- the direction of oscillation is influenced, so that both ellipticity and oscillation direction of the resulting linearly polarized light can be adjusted together with the effect of one or more parallel plates.
- material and thickness of the plate 21 can initially be selected be that it acts for the light as a ⁇ / 4 plate or ⁇ / 2 plate.
- the direction of the major axis within a plane perpendicular to the optical axis 15 of the objective 10 is significant. This direction is indicated by the azimuth angle, which describes the angle between the forward direction of the polarizer 50, 51 and the direction of the major axis of the plate.
- the analyzer 52 can be aligned accordingly and / or an additional vertical plate between the objective 10 and the analyzer 52, in particular in a parallel part of the beam path 5, be present. This polarization change thus causes no disadvantage.
- a phase angle dependent on the angle of incidence is generated.
- a parallel plate 22, 23 followed by a vertical plate 21 at the same thickness namely the thickness as it would be for a vertical plate 21 with ⁇ / 4 property
- in case of oblique incidence again give a phase difference of 90 °, ie a phase shift as a ⁇ / 4 plate under normal incidence alone.
- a thickness of the parallel plate 22, 23, which exceeds this thickness consequently causes an additional phase change, which can be used to achieve the overall phase change to be achieved.
- FIG. 6 e shows an exemplary embodiment in which the compensation device 20 shows exactly one plate 21 with the main axis direction 26 perpendicular to an optical axis 15 of an objective 10.
- the compensation device 20 shows exactly one plate 21 with the main axis direction 26 perpendicular to an optical axis 15 of an objective 10.
- the main axis direction 26 perpendicular to an optical axis 15 of an objective 10.
- the compensation device 20 preferably has at least one small plate 22, 23 with a parallel main axis and at least one plate 21 with a vertical main axis.
- depolarization effects which are based on differential transmission and / or phase shift, can be largely compensated.
- it can thus be achieved that, without a sample, the light can not pass the analyzer 52 over its entire cross-sectional area 1.
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Abstract
Description
Lichtmikroskop und optisches Modul Light microscope and optical module
Die vorliegende Erfindung bezieht sich in einem ersten Aspekt auf ein Lichtmikroskop nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The present invention relates in a first aspect to a light microscope according to the preamble of claim 1.
In einem zweiten Gesichtspunkt betrifft die Erfindung ein optisches Modul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 19. In a second aspect, the invention relates to an optical module according to the preamble of claim 19.
Gattungsgemäße Lichtmikroskope, insbesondere differentielle Interferenzkontrast- Mikroskope und/oder Polarisationsmikroskope und/oder Fluoreszenzmikroskope, weisen einen mikroskopischen Strahlengang für Durchlicht- und/oder Auflichtmikroskopie auf, in dem eine Probe, insbesondere über einen Kondensor, mit Beleuchtungslicht beaufschlagbar ist, einen im Strahlengang angeordneten Polarisator zum Polarisieren des Beleuchtungslichts, einen im Strahlengang angeordneten Analysator zum Analysieren von von der Probe kommendem Licht und ein im Strahlengang angeordnetes Objektiv zum Abbilden der in einem Probenbereich anzuordnenden Probe. Generic light microscopes, in particular differential interference contrast microscopes and / or polarizing microscopes and / or fluorescence microscopes, have a microscopic beam path for transmitted light and / or Auflichtmikroskopie in which a sample, in particular via a condenser, can be acted upon with illumination light, arranged in the beam path polarizer for polarizing the illuminating light, an analyzer arranged in the beam path for analyzing light coming from the specimen and an objective arranged in the beam path for imaging the specimen to be arranged in a specimen region.
Bekannte optische Module zum Anordnen in einem mikroskopischen Strahlengang eines Lichtmikroskops zwischen einem Polarisator und einem Analysator weisen ein Objektiv auf, wobei eine Probenseite des Objektivs in einem in den Strahlengang eingebauten Zustand einem Probenbereich zugewandt ist. Known optical modules for arranging in a microscopic beam path of a light microscope between a polarizer and an analyzer have an objective, wherein a sample side of the objective faces a sample area in a state installed in the beam path.
Bei Lichtmikroskopen, die mit polarisiertem Licht messen, wie zum Beispiel differentielle Interferenzkontrast-Mikroskope oder Polarisationskontrast-Mikroskope, ist es wichtig, dass eine vom Polarisator des Lichtmikroskops vorgegebene Polarisation des Beleuchtungslichts durch optische Komponenten des Mikroskops nicht unbeabsichtigt verändert wird. Im Allgemeinen beeinflussen optische Komponenten, beispielsweise die Linsen eines Objektivs, die Polarisation des Beleuchtungslichts oder des von der Probe kommenden Lichts. Durch gekreuzte Polarisatoren, das heißt Polarisatoren, deren Polarisationsrichtungen um 90° zueinander gedreht sind, kommt es dann zu keiner vollständigen Auslöschung der Intensität des von der Probe kommenden Lichts. Für eine hohe Bildgüte eines im Mikroskop erzeugten Bilds ist jedoch eine möglichst vollständige Auslöschung der Intensität des Lichts durch gekreuzte Polarisatoren gefordert. In light microscopes that measure with polarized light, such as differential interference contrast microscopes or polarization contrast microscopes, it is important that a predetermined by the polarizer of the light microscope polarization of the illumination light is not unintentionally changed by optical components of the microscope. In general, optical components, such as the lenses of an objective, affect the polarization of the illumination light or of the light coming from the sample. By crossed polarizers, that is, polarizers whose polarization directions are rotated by 90 ° to each other, then there is no complete extinction of the intensity of the light coming from the sample. For a high image quality of an image generated in the microscope, however, as complete as possible extinction of the intensity of the light is required by crossed polarizers.
Ein Interferenzmikroskop, insbesondere ein Differentielles Interferenzmikroskop, weist innerhalb des genannten Strahlengangs Mittel zum Aufspalten und zum Zusammenführen des Lichts auf, die zur Kontrastierung von Proben benötigt werden. Diese Mittel können in eine zentrierte Lage zur optischen Achse des Mikroskops gebracht werden, so dass sie im Wesentlichen keine Wirkung auf die Auslöschung des Lichtes haben. Beim Differentiellen Interferenzmikroskop sind diese Mittel sogenannte Wollaston- oder Nomarski-Prismen. Die im Folgenden beschriebenen Effekte haben unabhängig von der Verwendung dieser Prismen Gültigkeit. An interference microscope, in particular a differential interference microscope, has within this beam path means for splitting and merging the light, which are needed for contrasting samples. These means can be brought into a centered position to the optical axis of the microscope so that they have substantially no effect on the extinction of the light. In the differential interference microscope, these means are so-called Wollaston or Nomarski prisms. The effects described below apply regardless of the use of these prisms.
Insbesondere bei Verwendung von Objektiven mit hoher numerischer Apertur kann es zum Pupillenrand hin zu Änderungen der Polarisation kommen, so dass diese Bereiche zum Teil hell erscheinen. Als Folge ist oftmals ein sogenanntes Malteser- Kreuz sichtbar. Hierdurch wird der Bildkontrast reduziert. Für diesen Sachverhalt wird im Folgenden der Begriff Depolarisation verwendet. Die Depolarisation bezieht sich auf Beeinflussung sowohl der Phase als auch der Amplitude des Lichtes oder von Komponenten des Lichtes bei Zerlegung des Lichtes in senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen. In particular, when using lenses with high numerical aperture, there may be changes to the polarization towards the pupil edge, so that these areas appear partly bright. As a result, a so-called Maltese cross is often visible. This reduces the image contrast. In the following, the term depolarization is used for this situation. The depolarization refers to influencing both the phase and the amplitude of the light or of components of the light when the light is split into sub-beams polarized perpendicular to one another.
In US 6,924,893 B2 ist ein Polarisationsmikroskop beschrieben, bei dem Verzögerungselemente im Strahlengang des Mikroskops vor der Kondensor-Linse vorgesehen sind, um eine Depolarisation, die von optischen Komponenten zwischen einem Polarisator und einem Analysator hervorgerufen werden, auszugleichen. Dabei weisen die Verzögerungselemente jeweils mehrere Sektoren auf, die einzeln angesteuert und deren Eigenschaften unabhängig voneinander eingestellt werden können. Hierdurch ist es möglich, dass die Polarisation des Lichts ausschließlich in denjenigen Bereichen geändert wird, in denen eine Depolarisation durch die optischen Komponenten auszugleichen ist. Die Herstellung dieser Verzögerungselemente ist teuer und erfordert hohen Aufwand. Zudem ist bei einem Wechsel von optischen Komponenten, beispielsweise des Objektivs, ein erneutes Einstellen der Sektoren der Verzögerungselemente notwendig. No. 6,924,893 B2 describes a polarizing microscope in which delay elements are provided in the beam path of the microscope in front of the condenser lens in order to compensate for a depolarization caused by optical components between a polarizer and an analyzer. In this case, the delay elements each have a plurality of sectors, which are individually controlled and their properties can be set independently. This makes it possible that the polarization of the light is changed only in those areas in which a depolarization is compensated by the optical components. The preparation of these delay elements is expensive and requires a lot of effort. In addition, when changing from optical Components, such as the lens, a re-adjustment of the sectors of the delay elements necessary.
US 3,904,267 beschreibt eine Kompensationsplatte zum Einsatz in differentiellen Interferenzkontrastmikroskopen. Bei diesen Mikroskopen wird linear polarisiertes Beleuchtungslicht mit einem Wollaston-Prisma in zwei zueinander senkrecht polarisierte Teilstrahlen aufgeteilt. Bei schrägem Einfall auf das Wollaston-Prisma kann es zu einer unerwünschten Änderung der Polarisation, einer Depolarisation, kommen. Um dies auszugleichen, umfasst die Kompensationsplatte einen doppelbrechenden Kristall, durch den die beiden zueinander senkrecht polarisierten Teilstrahlen unterschiedlich beeinflusst werden. Dabei wird die Kompensationsplatte in einem Abschnitt mit konvergentem Strahlverlauf positioniert, nämlich hinter der dem Objektiv nachgeordneten Tubuslinse. Nachteilig hierbei ist, dass auch der Analysator hinter der Tubuslinse angeordnet sein muss, die ebenfalls, beispielsweise durch Spannungsdoppelbrechung, Depolarisationseffekte verursachen kann. Zudem ist der Bereich hinter der Tubuslinse oftmals schwer zugänglich, so dass die Kompensationsplatte nur aufwendig auswechselbar ist. Schließlich müsste eine Kompensationsplatte in jedem Tubus oder Zwischentubus angeordnet sein. US 3,904,267 describes a compensation plate for use in differential interference contrast microscopes. In these microscopes, linearly polarized illumination light is split with a Wollaston prism into two mutually perpendicular polarized partial beams. With oblique incidence on the Wollaston prism, it can lead to an undesirable change in polarization, a depolarization. To compensate for this, the compensation plate comprises a birefringent crystal, by which the two mutually perpendicularly polarized partial beams are influenced differently. In this case, the compensation plate is positioned in a section with convergent beam path, namely behind the tube lens downstream of the objective. The disadvantage here is that the analyzer must also be arranged behind the tube lens, which can likewise cause depolarization effects, for example by stress birefringence. In addition, the area behind the tube lens is often difficult to access, so that the compensation plate is only consuming interchangeable. Finally, a compensation plate would have to be arranged in each tube or intermediate tube.
Weitere optische Anordnungen mit doppelbrechenden Komponenten sind beschrieben in DE 103 55 725 A1 , DE 10 2006 017 350 A1 , DE 10 2009 023 166 A1. Further optical arrangements with birefringent components are described in DE 103 55 725 A1, DE 10 2006 017 350 A1, DE 10 2009 023 166 A1.
Als eine A u f g a b e der Erfindung kann angesehen werden, ein Lichtmikroskop zu schaffen und ein optisches Modul zum Anordnen in einem mikroskopischen Strahlengang eines Lichtmikroskops bereitzustellen, bei denen eine Depolarisation von polarisiertem Licht in einfacher Weise ausgeglichen wird. As an aspect of the invention, it can be considered to provide a light microscope and to provide an optical module for arranging in a microscopic optical path of a light microscope in which a depolarization of polarized light is easily compensated.
Diese Aufgabe wird durch das Lichtmikroskop mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch das optische Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst. This object is achieved by the light microscope with the features of claim 1 and by the optical module having the features of claim 19.
Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Lichtmikroskops und des erfindungsgemäßen optischen Moduls sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden außerdem in der folgenden Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, beschrieben. Preferred embodiments of the light microscope according to the invention and of the optical module according to the invention are the subject matter of the dependent claims and are also described in the following description, in particular in conjunction with the figures.
Bei dem Lichtmikroskop der oben genannten Art ist erfindungsgemäß zum mindestens teilweisen Ausgleich von Depolarisationseffekten, die von zwischen dem Polari- sator und dem Analysator angeordneten optischen Komponenten, insbesondere von dem Objektiv, bewirkt werden, in dem Strahlengang eine Kompensationseinrichtung vorhanden, die bei Auflichtmikroskopie zwischen dem Probenbereich und dem Objektiv und bei Durchlichtmikroskopie zwischen dem Kondensor und dem Objektiv an- geordnet ist. In the light microscope of the abovementioned type, according to the invention, at least partial compensation of depolarization effects, which is caused by and the analyzer arranged optical components, in particular by the lens, are provided in the beam path, a compensation device which is arranged in incident light microscopy between the sample area and the lens and in transmitted light microscopy between the condenser and the lens.
Bei dem optischen Modul der oben genannten Art ist erfindungsgemäß eine an der Probenseite des Objektivs angeordnete Kompensationseinrichtung vorhanden zum mindestens teilweisen Ausgleich wenigstens von Depolarisationseffekten, die von dem Objektiv bewirkt werden. Ein grundlegender Gedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, die Kompensationseinrichtung an der Stelle im Strahlengang anzuordnen, an der die steilsten Winkel für das Beleuchtungslicht oder das von der Probe kommende Licht vorliegen. Da der durch die Kompensationseinrichtung erzielbare Ausgleich winkelabhängig ist, kann an dieser Stelle, also vor dem Objektiv oder zwischen dem Kondensor und der Probe, ein besonders guter Ausgleich von Depolarisationseffekten erzielt werden. In the case of the optical module of the abovementioned type, according to the invention a compensation device arranged on the sample side of the objective is present for the at least partial compensation of at least depolarization effects which are brought about by the objective. A basic idea of the invention can be seen in arranging the compensation device at the point in the beam path at which the steepest angles for the illumination light or the light coming from the sample are present. Since the compensation achievable by the compensation device is dependent on the angle, a particularly good compensation of depolarization effects can be achieved at this point, ie in front of the objective or between the condenser and the sample.
Die Angaben zum Verlauf des von der Probe kommenden Lichts beziehen sich auf den Abbildungsstrahlengang, das heißt auf einen von einem Punkt der Probe ausgehenden Strahlengang. Damit verläuft das von der Probe kommende Licht divergent unter einem Winkel, der von der numerischen Apertur des Objektivs abhängt. Der Begriff Beleuchtungslicht umfasst das auf die Probe zulaufende Licht, also beiThe details of the course of the light coming from the sample relate to the imaging beam path, that is, to a beam path emanating from a point of the sample. Thus, the light coming from the sample diverges at an angle that depends on the numerical aperture of the objective. The term illumination light encompasses the light that flows onto the sample, ie at
Auflichtmikroskopie das mit dem Objektiv auf die Probe geleitete Licht und bei Durchlichtmikroskopie das mit dem Kondensor auf die Probe geleitete Licht. Der Ausdruck „von dem Probenbereich kommendes Licht", das heißt„von der Probe kommendes Licht", umfasst das durch die Probe beeinflusste Licht, also das zu messende Licht, welches bei Durchlichtmikroskopie durch die Probe transmittiertes Licht, bei Auflichtmikroskopie an der Probe reflektiertes oder gestreutes Licht, bei Fluoreszenzmikroskopie auch von der Probe fluoresziertes Licht und bei sonstigen Kontrastverfahren das jeweils von der Probe erzeugte Licht umfasst. Der allgemeine Begriff Licht umfasst das Beleuchtungslicht sowie das von der Probe kommende Licht. Besonders vorteilhaft ist die Anordnung der Kompensationseinrichtung direkt benachbart zum Objektiv. In der Regel wird durch das Objektiv ein hoher Anteil der ge- samten Depolarisationseffekte verursacht, wobei diese bei verschiedenen Objektiven unterschiedlich ausfallen. Durch die Positionierung der Kompensationseinrichtung am Objektiv kann bei einem Wechsel des Objektivs die Kompensationseinrichtung in einfacher Weise mitgewechselt werden, so dass sich stets eine für das jeweilige Objektiv abgestimmte Kompensationseinrichtung im Strahlengang befindet. Incident light microscopy, the light guided to the sample with the objective and, in transmitted-light microscopy, the light directed onto the sample with the condenser. The term "light coming from the sample area", that is to say "light coming from the sample", comprises the light influenced by the sample, ie the light to be measured which reflects light transmitted through the sample by transmitted light microscopy or reflected by reflected light microscopy on the sample scattered light, in fluorescence microscopy also from the sample of fluorescence light and in other contrast methods, the light generated in each case by the sample. The general term light includes the illumination light as well as the light coming from the sample. Particularly advantageous is the arrangement of the compensation device directly adjacent to the lens. As a rule, the objective makes up a high proportion of the caused velvet depolarization effects, which vary in different lenses. By positioning the compensation device on the lens, the compensating device can be exchanged in a simple manner when changing the objective, so that there is always a compensating device tuned for the respective objective in the beam path.
Als wesentlicher Vorteil der Erfindung kann zudem erachtet werden, dass die Kompensationseinrichtung vergleichsweise weit vorne im Strahlengang angeordnet ist. Hierdurch kann auch der Analysator relativ weit vorne im Strahlengang angeordnet werden. Vorteilhafterweise kann somit die Anzahl optischer Komponenten, welche zwischen dem Polarisator und dem Analysator angeordnet sind und einen Depolari- sationseffekt bewirken können, möglichst gering gehalten werden. Beispielsweise kann eine sich im Strahlengang hinter dem Objektiv befindende Tubuslinse hinter dem Analysator angeordnet werden, so dass von der Tubuslinse verursachte Depolarisationseffekte nicht ausgeglichen werden müssen. Dies ist besonders bedeutsam, da Tubuslinsen in der Regel nicht spannungsfrei aufgebaut sind und eine Depolarisa- tion von Licht über dessen gesamte Querschnittsfläche bewirken. Durch die Anordnung der Kompensationseinrichtung vor dem Objektiv können schließlich die Depolarisationseffekte unabhängig von der Wahl der Tubuslinse ausgeglichen werden. As a significant advantage of the invention may also be considered that the compensation device is arranged comparatively far forward in the beam path. As a result, the analyzer can also be arranged relatively far in the front of the beam path. Advantageously, thus the number of optical components, which are arranged between the polarizer and the analyzer and can cause a Depolari- sationsseffekt be minimized. For example, a tube lens located behind the objective in the beam path can be arranged behind the analyzer, so that depolarization effects caused by the tube lens need not be compensated. This is particularly important since tube lenses are generally not tension-free and cause a depolarization of light over its entire cross-sectional area. By arranging the compensation device in front of the objective, finally, the depolarization effects can be compensated independently of the choice of the tube lens.
Der Ausgleich durch die Kompensationseinrichtung erfolgt durch eine Polarisationsänderung des Lichts, insbesondere durch eine Polarisationsänderung, die für verschiedene Bereiche einer Querschnittsfläche des Lichts unterschiedlich ist. The compensation by the compensation device is effected by a polarization change of the light, in particular by a polarization change, which is different for different regions of a cross-sectional area of the light.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lichtmikroskops ist die Kompensationseinrichtung in einem konvergenten oder divergenten Teil des Strahlengangs angeordnet. Hierdurch wird vorteilhafterweise Licht, das parallel zum Strahlengang verläuft und somit senkrecht auf die Kompensationseinrichtung trifft, anders durch die Kompensationseinrichtung beeinflusst als Licht, welches schräg, also unter einem Winkel zum mikroskopischen Strahlengang, auf die Kompensationseinrichtung trifft. Somit ist es möglich, die Polarisation in bestimmten Bereichen einer Querschnittsfläche des Lichts zu verändern, so dass eine über die Querschnittsfläche des Lichts im Wesentlichen gleich gerichtete Polarisation erreicht wird. Das erfindungsgemäße optische Modul kann sich ebenfalls vor dem Objektiv in einem divergenten oder konvergenten Teil des Strahlengangs befinden, wodurch die oben stehenden Ausführungen auch für das optische Modul gelten. In a preferred embodiment of the light microscope according to the invention, the compensation device is arranged in a convergent or divergent part of the beam path. As a result, light that is parallel to the beam path and thus perpendicular to the compensation device is advantageously influenced differently by the compensation device than light which strikes the compensation device obliquely, ie at an angle to the microscopic beam path. Thus, it is possible to change the polarization in certain areas of a cross-sectional area of the light, so that a substantially uniformly directed over the cross-sectional area of the light polarization is achieved. The optical module according to the invention can also in front of the lens in a divergent or convergent part of the beam path, whereby the above explanations also apply to the optical module.
Die Anordnung der Kompensationseinrichtung zwischen dem Kondensor und dem Objektiv erlaubt eine Anordnung zwischen dem Kondensor und dem Probenbereich und/oder eine Anordnung zwischen dem Probenbereich und dem Objektiv. Dabei ist grundsätzlich auch eine Anordnung im Kondensor oder im Objektiv möglich. Bevorzugt ist die Kompensationseinrichtung aber zwischen einer dem Probenbereich zugewandten Frontoptik des Kondensors und einer Frontoptik des Objektivs angeordnet. Besonders bevorzugt ist auch bei Durchlichtmikroskopie die Kompensationseinrichtung, insbesondere ausschließlich, zwischen dem Probenbereich und dem Objektiv angeordnet. The arrangement of the compensation device between the condenser and the objective allows an arrangement between the condenser and the sample area and / or an arrangement between the sample area and the objective. In principle, an arrangement in the condenser or in the lens is possible. However, the compensation device is preferably arranged between a front optics of the condenser facing the sample area and a front optic of the objective. In the case of transmitted-light microscopy, the compensation device, in particular exclusively, is also particularly preferably arranged between the sample region and the objective.
Bei einer vorteilhaften Alternative des erfindungsgemäßen Lichtmikroskops oder des erfindungsgemäßen optischen Moduls weist die Kompensationseinrichtung mindestens ein doppelbrechendes Plättchen auf, es ist also ein Material des Plättchens doppelbrechend. Dadurch ist eine durch das Plättchen bedingte Polarisationsänderung des Lichts abhängig von der Polarisation des Lichts. Somit wird eine ordentliche Komponente von Licht mit Polarisationsrichtung senkrecht zu einer Hauptachse des doppelbrechenden Plättchens anders beeinflusst als eine außerordentliche Komponente von Licht mit einer Polarisationsrichtungskomponente parallel zu einer Hauptachse des Plättchens. Unter Polarisationsrichtung wird die Schwingungsrichtung des elektrischen Felds eines Lichtstrahls verstanden. In an advantageous alternative of the light microscope according to the invention or the optical module according to the invention, the compensation device has at least one birefringent plate, so it is a material of the plate birefringent. As a result, a polarization change of the light caused by the plate is dependent on the polarization of the light. Thus, a proper component of light having a direction of polarization perpendicular to a major axis of the birefringent plate is differently affected than an extraordinary component of light having a polarization direction component parallel to a major axis of the plate. Polarization direction is understood to be the direction of oscillation of the electric field of a light beam.
Da die Änderung der Polarisation vom Material, insbesondere von der dielektrischen Eigenschaft des Materials, insbesondere der Doppelbrechung, und von dessen Dicke abhängt, können vorteilhafterweise Material, Lage der Hauptachse und Dicke des Plättchens so gewählt sein, dass die Depolarisationseffekte mindestens teilweise ausgeglichen werden. Hierzu können Anpassalgorithmen benutzt werden. Unter der Dicke des Plättchens soll die Ausdehnung des Plättchens in Richtung des Strahlengangs und/oder einer optischen Achse des Objektivs verstanden werden. Since the change of the polarization depends on the material, in particular on the dielectric property of the material, in particular the birefringence, and on its thickness, advantageously material, position of the major axis and thickness of the plate can be chosen so that the depolarization effects are at least partially compensated. For this purpose fitting algorithms can be used. The thickness of the platelet should be understood to mean the expansion of the platelet in the direction of the beam path and / or an optical axis of the objective.
Eine vorteilhafte Alternative des erfindungsgemäßen Lichtmikroskops oder des erfindungsgemäßen optischen Moduls sieht vor, dass mindestens ein doppelbrechendes Plättchen ein Parallel-Plättchen ist, das eine Hauptachse hat, die parallel zu einer optischen Achse des Objektivs ausgerichtet ist. Unter Parallel-Plättchen sollen hier jegliche doppelbrechende Plättchen mit einer Hauptachse, die parallel zu der optischen Achse des Objektivs ausgerichtet ist, verstanden werden. Die Plättchen können zwei gegenüberliegende Seiten, also Oberflächen, aufweisen, die senkrecht zu der optischen Achse des Objektivs und/oder zu dem mikroskopischen Strahlengang stehen. Für senkrechten Lichteinfall auf ein Parallel-Plättchen weist dieses keine von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts abhängige Wirkung auf. Fällt aber polarisiertes Licht schräg auf das Parallel-Plättchen, so wird das Licht in zwei Teilstrahlen, einen ordentlichen Lichtstrahl und einen außerordentlichen Lichtstrahl, gespalten. Abhängig von der Brechzahl des doppelbrechenden Materials des Plättchens und dessen Dicke erfährt ein schräg auf das Parallel-Plättchen einfallender Lichtstrahl einen Gangunterschied zwischen seiner ordentlichen und außerordentlichen Komponente. Somit wird abhängig vom Einfallswinkel des Lichts auf das Parallel-Plättchen die Polarisation beeinflusst. Es kann also ein auf Phasenverschiebung beruhender Depolarisationseffekt durch ein Parallel-Plättchen mindestens teilweise kompensiert werden. Eine Phasenverschiebung zwischen den senkrecht zueinander polarisierten einfallenden Strahlkomponenten ergibt resultierend elliptisch polarisiertes Licht. An advantageous alternative of the light microscope according to the invention or the optical module according to the invention provides that at least one birefringent plate is a parallel plate which has a main axis which is aligned parallel to an optical axis of the objective. Under parallel plates are supposed here any birefringent platelets having a major axis aligned parallel to the optical axis of the objective are understood. The platelets can have two opposite sides, ie surfaces, which are perpendicular to the optical axis of the objective and / or to the microscopic beam path. For vertical incidence of light on a parallel plate this has no dependent on the direction of polarization of the incident light effect. But if polarized light falls obliquely on the parallel plate, the light is split into two partial beams, a proper beam of light and an extraordinary beam of light. Depending on the refractive index of the birefringent material of the platelet and its thickness, a light beam incident obliquely on the parallel platelet experiences a path difference between its ordinary and extraordinary components. Thus, the polarization is influenced depending on the angle of incidence of the light on the parallel plate. Thus, a phase shift based depolarization effect can be at least partially compensated by a parallel plate. A phase shift between the perpendicularly polarized incident beam components results in elliptically polarized light.
Bei einer vorteilhaften Alternative des erfindungsgemäßen Lichtmikroskops oder des erfindungsgemäßen optischen Moduls sind Material und Dicke des mindestens einen doppelbrechenden Parallel-Plättchens so gewählt, das ein Gangunterschied zwischen Polarisationskomponenten von Licht, das unter einem Winkel zu einer Normalen einer Fläche der Plättchen, insbesondere unter einem Aperturwinkel des Objektivs, auf das Parallel-Plättchen einfällt, gerade so groß ist, dass eine Polarisationsänderung des Lichts bewirkt wird, die einen durch Phasenverschiebung hervorgerufenen Depolarisationseffekt im Wesentlichen kompensiert. In an advantageous alternative of the light microscope according to the invention or the optical module according to the invention, the material and thickness of the at least one birefringent parallel plate are chosen such that a path difference between polarization components of light at an angle to a normal of a surface of the platelets, in particular at an aperture angle of the objective incident on the parallel plate is just large enough to cause a polarization change of the light which substantially compensates for a depolarization effect caused by phase shift.
Hier soll unter dem Aperturwinkel der halbe Öffnungswinkel des Objektivs verstanden werden. Durch eine Anordnung der doppelbrechenden Plättchen zwischen dem Probenbereich und dem Objektiv ist der größte Winkel, unter dem von der Probe kommendes Licht auf die Plättchen einfällt, gerade der Aperturwinkel des Objektivs. Indem Material und Dicke des Parallel-Plättchens abhängig vom Aperturwinkel gewählt werden, kann eine Kompensation gezielt für die äußeren Bereiche einer Querschnittsfläche des von der Probe kommenden Lichts, für die ein Depolarisationseffekt am größten ist, durchgeführt werden. Alternativ können Material und Dicke des min- destens einen Parallel-Plättchens auch so gewählt werden, dass eine über die gesamte Querschnittsfläche des Lichts gemittelte Polarisation maximal ist. Unter der gemittelten Polarisation kann beispielsweise das Integral der elektrischen Feldstärke des Lichts über die Querschnittsfläche des Lichts zu einem bestimmten Zeitpunkt verstanden werden. Here, the half-aperture angle of the objective should be understood as the aperture angle. By arranging the birefringent platelets between the sample area and the objective, the maximum angle at which incident light from the sample is incident on the platelets is precisely the aperture angle of the objective. By selecting the material and thickness of the parallel plate as a function of the aperture angle, compensation can be made specifically for the outer regions of a cross-sectional area of the light coming from the sample for which a depolarization effect is greatest. Alternatively, material and thickness of the mini- at least one parallel plate also be chosen so that averaged over the entire cross-sectional area of the light polarization is maximum. For example, the average polarization can be understood to mean the integral of the electric field strength of the light over the cross-sectional area of the light at a particular point in time.
Die für die gewünschten Phasenverschiebungen notwendigen Gangunterschiede zwischen ordentlichem und außerordentlichem Lichtstrahl sind relativ gering. Das heißt, bei einer Phasenverschiebung von wenigen Grad entspricht der Gangunterschied abhängig von der verwendeten Wellenlänge des Lichts nur einige Nanometer. Daher ist die erforderliche Dicke eines Parallel-Plättchens sehr gering. Die Herstellung eines derart dünnen Plättchens ist aber schwierig und das Plättchen ist sehr fragil. Bei einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Lichtmikroskops oder des erfindungsgemäßen optischen Moduls sind deshalb zwei Parallel-Plättchen vorhanden, von denen das eine optisch positiv doppelbrechend und das andere optisch negativ doppelbrechend ist. Hierdurch bewirken die beiden Parallel-Plättchen entgegengesetzte Wirkungen auf einfallendes Licht. Sind die Brechzahlen des positiv doppelbrechenden und des negativen doppelbrechenden Parallel-Plättchens nicht betragsgleich und/oder die Dicken der Plättchen unterschiedlich, so kann eine Wirkung erreicht werden, die dem eines einzelnen, sehr dünnen Parallel-Plättchens entspricht. The necessary for the desired phase shifts path differences between ordinary and extraordinary light beam are relatively low. That is, with a phase shift of a few degrees, the path difference is only a few nanometers, depending on the wavelength of the light used. Therefore, the required thickness of a parallel plate is very small. However, the production of such a thin plate is difficult and the plate is very fragile. In an advantageous embodiment of the light microscope according to the invention or the optical module according to the invention therefore two parallel plates are present, of which one is optically birefringent positive and the other is optically negatively birefringent. This causes the two parallel plates opposite effects on incident light. If the refractive indices of the positively birefringent and of the negative birefringent parallel platelet are not equal in magnitude and / or the thicknesses of the platelets differ, an effect can be achieved which corresponds to that of a single, very thin parallel platelet.
Als Synonyme für optisch positiv doppelbrechend und optisch negativ doppelbrechend werden auch die Ausdrücke„optisch positiv" und„optisch negativ" sowie„positiv doppelbrechend" und„negativ doppelbrechend" verwendet. As synonyms for optically positive birefringent and optically negatively birefringent, the terms "optically positive" and "optically negative" as well as "positively birefringent" and "negatively birefringent" are also used.
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Lichtmikroskops oder des erfindungsgemäßen optischen Moduls ist zum Ausgleich eines auf differentieller Transmission beruhenden Depolarisationseffekts ein doppelbrechendes Plättchen vorhanden, dass ein Senkrecht-Plättchen ist, welches eine Hauptachse hat, die senkrecht zu einer optischen Achse des Objektivs ausgerichtet ist. Unter Senkrecht- Plättchen soll jedes Plättchen mit einem doppelbrechenden Material, welches eine Hauptachse hat, die senkrecht zu einer optischen Achse des Objektivs ausgerichtet ist, verstanden werden. Eine differentielle Transmission liegt vor, wenn optische Komponenten unterschiedliche Transmissionen für Licht, das senkrecht zu der Ein- fallsebene an der optischen Komponente polarisiert ist, und für Licht, das parallel zu der Einfallsebene an der optischen Komponente polarisiert ist, aufweisen. Durch dif- ferentielle Transmission wird die Schwingungsebene einer linearen Polarisation gedreht. Eine elliptische Polarisation erfährt eine Drehung ihrer Hauptachse. In a preferred variant of the light microscope according to the invention or of the optical module according to the invention, to compensate for a depolarization effect based on differential transmission, a birefringent plate is present which is a vertical plate having a major axis oriented perpendicular to an optical axis of the objective. By vertical platelets is meant each platelet with a birefringent material having a major axis oriented perpendicular to an optical axis of the objective. Differential transmission occurs when optical components have different transmissions for light perpendicular to the input. case level is polarized at the optical component, and for light which is polarized parallel to the plane of incidence on the optical component. Diffusive transmission rotates the plane of oscillation of a linear polarization. An elliptical polarization undergoes a rotation of its major axis.
Für das Senkrecht-Plättchen können Brechungsindex, Dicke und Azimutwinkel der Hauptachse um die optische Achse des Objektivs so gewählt werden, dass in denjenigen Bereichen einer Querschnittsfläche des Lichts, in denen durch differentielle Transmission von optischen Komponenten die Schwingungsebene oder Hauptachsenebene des polarisierten Lichts gedreht ist, das Senkrecht-Plättchen eine Polarisationsänderung bewirkt, durch die an dem Analysator das von der Probe kommende Licht über seine gesamte Querschnittsfläche hinsichtlich der Schwingungsebene oder Hauptachsenebene im Wesentlichen kollinear zu der Durchlassrichtung des Analysators ausgerichtet ist. Dabei bleibt eine durch die Probe verursachte Depolari- sation im Wesentlichen unverändert. For the perpendicular wafer, the refractive index, thickness and azimuth angle of the main axis about the optical axis of the lens can be chosen such that in those regions of a cross-sectional area of the light in which the plane of oscillation or principal axis of the polarized light is rotated by differential transmission of optical components, the perpendicular wafer causes a change in polarization which causes the light coming from the sample at the analyzer over its entire cross-sectional area to be substantially collinear with the direction of passage of the analyzer, with respect to the plane of oscillation or major axis plane. In this case, a depolarization caused by the sample remains essentially unchanged.
Eine Polarisationsänderung für die gesamte Querschnittsfläche des Lichts, etwa durch ein Senkrecht-Plättchen, stellt keine Depolarisation dar. In diesem Fall kann ohne Probe eine vollständige Auslöschung des Lichts zwischen Polarisator und Analysator weiterhin erreicht werden. Dazu können die Durchlassrichtungen des Polarisators und des Analysators um einen entsprechend von 90° abweichenden Winkel zueinander ausgerichtet werden und/oder ein zusätzliches Senkrecht-Plättchen kann vor dem Analysator in Kompensationsstellung angeordnet werden. A polarization change for the entire cross-sectional area of the light, such as through a vertical platelet, does not represent depolarization. In this case, complete complete extinction of the light between polarizer and analyzer can be achieved without a sample. For this purpose, the transmission directions of the polarizer and the analyzer can be aligned with each other by an angle differing from 90 ° and / or an additional vertical plate can be arranged in the compensation position in front of the analyzer.
Damit ein Senkrecht-Plättchen einen auf differentieller Transmission beruhenden Depolarisationseffekt ausgleicht, ist der Winkel der Hauptachse des Senkrecht- Plättchens zu der Polarisationsrichtung, das heißt der Durchlassrichtung, des Polarisators bedeutsam. Hierzu ist bei einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Lichtmikroskops oder des erfindüngsgemäßen optischen Moduls vorgesehen, dass das Senkrecht-Plättchen als λ/4-Platte oder als λ/2-Platte wirkt. Dabei ist die Hauptachse des Senkrecht-Plättchens so ausgerichtet, dass sie einen Drehwinkel beeinflusst, insbesondere aufhebt, um den eine am Polarisator erzeugte Polarisationsrichtung aufgrund von differentieller Transmission durch die optischen Komponenten oder durch mindestens das Objektiv gedreht würde. Eine λ/2-Platte bewirkt bei linear polarisiert einfallendem Licht eine Drehung der Polarisationsrichtung um den doppelten Betrag des Winkels zwischen der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts und der Richtung der Hauptachse der λ/2-Platte. Mit anderen Worten wird die Polarisationsrichtung an der Hauptachse der λ/2-Platte gespiegelt. For a perpendicular wafer to compensate for a differential transmission-based depolarization effect, the angle of the major axis of the perpendicular wafer to the polarization direction, that is, the forward direction, of the polarizer is significant. For this purpose, it is provided in an advantageous embodiment of the light microscope according to the invention or of the optical module according to the invention that the perpendicular plate acts as a λ / 4 plate or as a λ / 2 plate. In this case, the main axis of the vertical plate is aligned so that it affects a rotation angle, in particular canceled, by which a direction of polarization generated on the polarizer would be rotated due to differential transmission through the optical components or through at least the lens. A λ / 2 plate causes a rotation of the polarization direction by twice the angle between the polarization direction of the incident light and the direction of the major axis of the λ / 2 plate in the case of linearly polarized incident light. In other words, the polarization direction is mirrored on the major axis of the λ / 2 plate.
Eine λ/4-Platte wird üblicherweise dazu verwendet, um linear polarisiertes Licht in zirkular oder elliptisch polarisiertes Licht umzuwandeln oder umgekehrt. A λ / 4 plate is commonly used to convert linearly polarized light into circularly or elliptically polarized light, or vice versa.
Demnach wandelt eine λ/4-Platte im allgemeinen Fall linear polarisiert einfallendes Licht in elliptisch polarisiertes Licht um. Dabei liegt entweder die kleine oder die große Halbachse der Ellipse parallel zur Hauptachse der λ/4-Platte. Thus, a λ / 4 plate generally converts linearly polarized incident light into elliptically polarized light. In this case, either the small or the large half-axis of the ellipse is parallel to the main axis of the λ / 4 plate.
Bei einem Senkrecht-Plättchen, das als λ/4- oder λ/2-Platte wirkt, ist bevorzugt die Hauptachse so ausgerichtet, dass ein Drehwinkel kompensiert wird, um den eine am Polarisator erzeugte Polarisationsrichtung aufgrund von differentieller Transmission durch die optischen Komponenten oder mindestens durch das Objektiv gedreht würde. Die aufgrund von differentieller Transmission gedrehte Polarisationsrichtung des Lichts soll dabei verstanden werden als die Polarisationsrichtung in dem Bereich der Querschnittsfläche des Lichts, wo die differentielle Transmission am stärksten ist oder, mit anderen Worten, wo die Änderung der Polarisationsrichtung am stärksten ist. In the case of a vertical plate which acts as a λ / 4 or λ / 2 plate, the main axis is preferably aligned such that a rotation angle is compensated in order to compensate for the polarization direction produced at the polarizer due to differential transmission through the optical components or at least would be turned through the lens. The direction of polarization of the light rotated due to differential transmission should be understood as the polarization direction in the region of the cross-sectional area of the light where the differential transmission is strongest or, in other words, where the change of the polarization direction is strongest.
Bei einem Senkrecht-Plättchen, das als λ/2-Platte wirkt, liegt also die Richtung der Hauptachse genau zwischen der durch den Polarisator vorgegebenen Polarisationsrichtung und einer Polarisationsrichtung, die in demjenigen Bereich einer Querschnittsfläche des Lichts vorliegt, welcher durch differentielle Transmission am stärksten beeinflusst wird. Mit anderen Worten ist hier die Hauptachse des Senk- recht-Plättchens so ausgerichtet, dass sie einen Azimut-Winkel halbiert. Dabei ist der Azimut-Winkel ein Winkel zwischen einer Polarisationsrichtung des Lichts unmittelbar nach Durchlaufen des Polarisators und einer geänderten Polarisationsrichtung, welche das von der Probe kommende Licht ohne die Kompensationseinrichtung direkt vor dem Analysator einnehmen würde, wenn die geänderte Polarisationsrichtung durch differentielle Transmission durch die optischen Komponenten oder das Objektiv bedingt ist. Vorteilhafterweise können Senkrecht-Plättchen und Parallel-Plättchen auf eine Weise kombiniert werden, dass deren summierte Effekte, nämlich die Drehung der Polarisationsebene oder der Hauptachsenebene einer elliptischen Polarisation sowie die Phasenänderung zwischen zwei senkrecht aufeinander stehenden Polarisationskomponenten, zu einem optimierten Ausgleich der genannten Depolarisation durch das Objektiv führen. In the case of a vertical plate, which acts as a λ / 2 plate, the direction of the main axis lies exactly between the polarization direction predetermined by the polarizer and a polarization direction which is present in the region of a cross-sectional area of the light which has the greatest influence through differential transmission becomes. In other words, here the main axis of the perpendicular plate is aligned so that it halves an azimuth angle. In this case, the azimuth angle is an angle between a polarization direction of the light immediately after passing through the polarizer and a changed polarization direction, which would take the light coming from the sample without the compensation device directly in front of the analyzer, if the changed polarization direction by differential transmission through the optical Components or the lens is conditional. Advantageously, vertical platelets and parallel platelets can be combined in such a way that their summed effects, namely the rotation of the polarization plane or the major axis plane of an elliptical polarization and the phase change between two mutually perpendicular polarization components, for an optimized compensation of said depolarization by the Lens guide.
Die doppelbrechenden Plättchen können vorteilhafterweise für einen Wellenlängenbereich ausgelegt sein, der im sichtbaren Bereich, im nahen Infrarot-Bereich und/oder im nahen Ultraviolett-Bereich liegt. Die Bestimmung von Material und Dicke der Plättchen kann dabei danach ausgelegt sein, dass bei einer Wellenlänge zwischen 500 und 600 nm der durch die Kompensationseinrichtung bewirkte Ausgleich am besten ist. The birefringent platelets may advantageously be designed for a wavelength range which is in the visible range, in the near infrared range and / or in the near ultraviolet range. The determination of the material and the thickness of the platelets can be designed in this case such that, at a wavelength between 500 and 600 nm, the compensation effected by the compensation device is best.
Zweckmäßigerweise kann vorgesehen werden, dass Materialien und Dicken der Plättchen so gewählt sind, dass eine Dispersion von von dem Probenbereich kommendem Licht möglichst gering gehalten wird, insbesondere kann ein achromatisches oder apochromatisches Verhalten des Objektivs oder mehrerer oder aller im optischen Strahlengang angeordneten Komponenten durch die Kompensationseinrichtung unverändert bleiben. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens ein weiteres Plättchen hierzu vorhanden sein. Durch die Kompensationseinrichtung wird die Objektivklasse des Objektivs und somit unter anderem die Ebnung und die Farbkorrektur des Objektivs über das Sehfeld, insbesondere eine achromatische oder eine apochromatische Farbkorrektur, nicht geändert. Appropriately, it can be provided that materials and thicknesses of the platelets are selected so that a dispersion of light coming from the sample area is kept as low as possible, in particular an achromatic or apochromatic behavior of the objective or several or all arranged in the optical beam path components through the compensation device remain unchanged. Alternatively or additionally, at least one further platelet may be present for this purpose. By the compensation device, the lens class of the lens and thus among other things, the flattening and the color correction of the lens over the field of view, in particular an achromatic or an apochromatic color correction, not changed.
Abhängig von der Objektivklasse liegt der Arbeitsabstand, das ist der Abstand zwischen dem Probenbereich und der dem Probenbereich zugewandten Seite des Objektivs, zwischen etwa 0,1 mm und einigen Millimetern. Typischerweise liegt der Arbeitsabstand bei einem Objektiv mit 40x-Vergrößerung und einer Öl-Immersion mit einem Brechungsindex von n = 1 ,52, womit die numerische Apertur 1 ,3 betragen kann, bei 0,2mm bis 0,3mm. Insbesondere bei Objektiven mit hoher Vergrößerung bei zugleich hoher numerischer Apertur kann der Arbeitsabstand sehr klein sein. Vorteilhafterweise können die Dicken der Plättchen so gewählt sein, dass die Gesamtdicke der Kompensationseinrichtung kleiner als der Arbeitsabstand eines Objektivs ist. Bevorzugt liegen die Dicken der Plättchen daher zwischen 5μιη und 1mm, insbeson- dere zwischen 10μηη und ΙΟΌμιτι. Hingegen können bei Trockenobjektiven ohne Im- mersionsöl größere Plättchendicken vorgesehen sein. Depending on the lens class, the working distance, which is the distance between the sample area and the side of the objective facing the sample area, is between about 0.1 mm and a few millimeters. Typically, the working distance for a 40x magnification objective and an oil immersion having a refractive index of n = 1.52, whereby the numerical aperture may be 1.3, is 0.2mm to 0.3mm. Especially with lenses with high magnification and high numerical aperture, the working distance can be very small. Advantageously, the thicknesses of the platelets can be selected so that the total thickness of the compensation device is smaller than the working distance of a lens. The thicknesses of the platelets are therefore preferably between 5 μm and 1 mm, in particular dere between 10μηη and ΙΟΌμιτι. On the other hand, in dry lenses without imersion oil larger platelet thicknesses can be provided.
Um eine einfache Fertigung zu gewährleisten, weisen bei einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Lichtmikroskops oder des erfindungsgemäßen optischen Moduls die doppelbrechenden Plättchen planparallele Oberflächen auf. Somit haben die Plättchen keine abbildende Wirkung, die im Design des Objektivs berücksichtigt werden müsste. Damit die Plättchen spannungsfrei und in gängige Fassungen einsetzbar sind, können sie zudem eine Kreisform aufweisen. In order to ensure simple production, in a further embodiment of the light microscope according to the invention or the optical module according to the invention, the birefringent platelets have plane-parallel surfaces. Thus, the platelets have no imaging effect, which would have to be considered in the design of the lens. To ensure that the plates are stress-free and can be used in common sockets, they can also have a circular shape.
Zweckmäßigerweise können die planparallelen Oberflächen der doppelbrechenden Plättchen im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse des Objektivs ausgerichtet sein. Die Plättchen können über die gesamten planparallelen Oberflächen gleiche optische Eigenschaften aufweisen. Eine Segmentierung der Plättchen ist somit nicht notwendig, aber grundsätzlich auch möglich. Conveniently, the plane-parallel surfaces of the birefringent plates may be aligned substantially perpendicular to the optical axis of the objective. The platelets can have the same optical properties over the entire plane-parallel surfaces. A segmentation of the platelets is therefore not necessary, but in principle also possible.
Zum Reduzieren von Lichtreflexionen ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lichtmikroskops oder des erfindungsgemäßen optischen Moduls vorgesehen, dass die Plättchen vergütet sind, insbesondere eine Mehrfach- beschichtung aufweisen. In order to reduce light reflections, it is provided in a preferred embodiment of the light microscope according to the invention or the optical module according to the invention that the platelets are tempered, in particular have a multiple coating.
Bei einer vorteilhaften Alternative des erfindungsgemäßen Lichtmikroskops oder des erfindungsgemäßen optischen Moduls ist die Kompensationseinrichtung, insbesondere eines der Plättchen, an der Probenseite des Objektivs fest mit dem Objektiv verbunden, insbesondere verkittet. Alternativ kann die Kompensationseinrichtung auch abnehmbar mit dem Objektiv verbunden sein. In an advantageous alternative of the light microscope according to the invention or of the optical module according to the invention, the compensation device, in particular one of the platelets, is fixedly connected to the objective on the sample side of the objective, in particular cemented. Alternatively, the compensation device can also be detachably connected to the lens.
Es können auch mehrere oder alle Plättchen miteinander fest verbunden sein. Vorteilhafterweise müssen somit die Plättchen nicht separat in den mikroskopischen Strahlengang eingesetzt werden, sondern können gemeinsam mit dem Objektiv in den Strahlengang eingeführt werden. Außerdem kann die Gefahr eines unbeabsichtigten Zerbrechens der dünnen Plättchen reduziert werden. It can also be several or all platelets firmly connected. Advantageously, therefore, the platelets must not be used separately in the microscopic beam path, but can be introduced together with the lens in the beam path. In addition, the risk of unintentional breakage of the thin platelets can be reduced.
Ein großer Anteil der Depolarisationseffekte wird gerade durch das Objektiv verursacht. Sollen mehrere Objektive in dem Lichtmikroskop verwendbar sein, etwa über einen Objektiv-Revolver, kann wegen der unterschiedlichen Depolarisationseffekte der verschiedenen Objektive für jedes Objektiv eine separate Kompensationseinrich- tung vorhanden sein. Somit kann an jedem Objektiv in einem Objektiv-Revolver des Lichtmikroskops eine Kompensationseinrichtung angebracht sein, die eingerichtet ist zum Ausgleich von Depolarisationseffekten des jeweiligen Objektivs. A large proportion of the depolarization effects is being caused by the lens. If several lenses are to be usable in the light microscope, for example via a lens revolver, a separate compensation device can be used for each lens because of the different depolarization effects of the different lenses. be available. Thus, a compensating device which is set up to compensate for depolarization effects of the respective objective can be attached to each objective in an objective revolver of the light microscope.
Damit die Plättchen eine doppelbrechende Wirkung zeigen, weist bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Lichtmikroskops oder des erfindungsgemäßen optischen Moduls jedes Plättchen einen Kristall, insbesondere einen einachsigen Kristall, insbesondere aus der Gruppe Magnesiumfluorid MgF2, Kalkspat CaCO3, Saphir AI2O3 oder Kristallquarz SiO2 auf. Alternativ können die Plättchen aber auch jedes andere doppelbrechende Material, insbesondere einen Polymer, aufweisen. Thus, the platelets show a birefringent effect, in a preferred variant of the optical microscope according to the invention or of the optical module according to the invention each plate on a crystal, in particular a uniaxial crystal, in particular from the group magnesium fluoride MgF2, calcite, CaCO 3, sapphire Al2O3 or crystal quartz SiO 2. Alternatively, however, the platelets may also comprise any other birefringent material, in particular a polymer.
Ergänzend oder alternativ kann auch eine Einrichtung vorhanden sein zum Erzeugen einer mechanischen Spannung, eines elektrischen Feldes oder eines magnetischen Feldes in mindestens einem der Plättchen, um eine doppelbrechende Wirkung in dem mindestens einem Plättchen zu bewirken. Somit kann vorgesehen sein, dass die Plättchen erst durch die Einrichtung doppelbrechend werden. Additionally or alternatively, a device may be provided for generating a mechanical stress, an electric field or a magnetic field in at least one of the platelets in order to effect a birefringent effect in the at least one platelet. Thus, it can be provided that the platelets are birefringent only through the device.
Damit der Azimutwinkel des Senkrecht-Plättchens relativ zu einer Durchlassrichtung des Polarisators einstellbar ist, ist es vorteilhaft, wenn das Senkrecht-Plättchen und/oder die Kompensationseinrichtung drehbar sind. Zweckmäßigerweise kann deshalb vorgesehen sein, dass ein mechanisches Mittel, insbesondere ein mechanischer Einstellring, vorhanden ist, um eine Drehung der Kompensationseinrichtung um die optische Achse des Objektivs zum Einstellen der durch die Kompensationseinrichtung verursachten Polarisationsänderung zu ermöglichen. Bevorzugt ist hierbei die Kompensationseinrichtung, insbesondere zusammen mit dem Objektiv, um die optische Achse des Objektivs drehbar, auch wenn das Objektiv fest in das Lichtmikroskop eingebaut ist. Somit kann das Objektiv im laufenden Betrieb gedreht werden. Auch eine Winkelskala kann am Objektiv vorgesehen sein. Es kann zudem eine Einrichtung zum automatischen Einstellen der Kompensationseinrichtung vorhanden sein, beispielsweise indem diese die Kompensationseinrichtung dreht und ermittelt, für welche Drehposition der bestmögliche Ausgleich erreicht wird. In order for the azimuth angle of the vertical platelet to be adjustable relative to a transmission direction of the polarizer, it is advantageous if the vertical platelet and / or the compensation device are rotatable. Conveniently, therefore, it may be provided that a mechanical means, in particular a mechanical adjusting ring, is provided to allow rotation of the compensating means about the optical axis of the objective for adjusting the polarization change caused by the compensating means. In this case, the compensation device, in particular together with the objective, is preferably rotatable about the optical axis of the objective, even if the objective is permanently installed in the light microscope. Thus, the lens can be rotated during operation. An angle scale may also be provided on the objective. In addition, there may be a device for automatically adjusting the compensation device, for example by rotating the compensation device and determining for which rotational position the best possible compensation is achieved.
Bei einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Lichtmikroskops ist eine Tubuslinse vorhanden und der Analysator ist zwischen dem Objektiv und der Tubuslinse angeordnet. Depolarisationseffekte durch die Tubuslinse sind somit unbedeutsam und werden nicht von der Kompensationseinrichtung berücksichtigt. Zudem kann eine Kompensationseinrichtung unabhängig von der verwendeten Tubuslinse benutzt werden. In a preferred embodiment of the light microscope according to the invention, a tube lens is present and the analyzer is arranged between the objective and the tube lens. Depolarisation effects through the tube lens are therefore insignificant and are not taken into account by the compensation device. moreover a compensation device can be used independently of the tube lens used.
Bei besonders einfachen Ausführungen des erfindungsgemäßen Lichtmikroskops oder des erfindungsgemäßen optischen Moduls besteht die Kompensationseinrichtung genau aus einem Parallel-Plättchen oder genau aus zwei Parallel-Plättchen oder aus genau einem oder zwei Senkrecht-Plättchen und einem oder zwei Parallel- Plättchen. In particularly simple embodiments of the light microscope according to the invention or of the optical module according to the invention, the compensation device consists exactly of a parallel plate or exactly two parallel plates or of exactly one or two perpendicular plates and one or two parallel plates.
Das Lichtmikroskop und/oder das Objektiv können dabei für Messungen mit Durchlicht oder mit Auflicht ausgelegt sein. The light microscope and / or the objective can be designed for measurements with transmitted light or incident light.
Um die Polarisationseffekte möglichst weit zu reduzieren, sind die optischen Komponenten, insbesondere das Objektiv, und auch die Plättchen der Kompensationseinrichtung spannungsfrei gefertigt. In order to reduce the polarization effects as far as possible, the optical components, in particular the lens, and also the platelets of the compensation device are manufactured stress-free.
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen optischen Moduls ist die Kompensationseinrichtung dazu eingerichtet, außer Depolarisationseffekte des Objektivs auch Depolarisationseffekte von weiteren optischen Komponenten, die im Strahlengang zwischen dem Polarisator und dem Analysator angeordnet werden, insbesondere von einem Kondensor, zu kompensieren. In a preferred variant of the optical module according to the invention, the compensation device is adapted, in addition to depolarizing the lens and depolarization effects of other optical components, which are arranged in the beam path between the polarizer and the analyzer, in particular of a condenser to compensate.
Die Kompensationseinrichtung gemäß der Erfindung ist nicht zu verwechseln mit einem in der Polarisationsmikroskopie bekannten Kompensator. Bei diesem handelt es sich um eine λ/4-Platte in 45°-Stellung zu dem Polarisator und dem Analysator, welche zum Beispiel zur Beurteilung genutzt wird, ob gemessene Interferenzfarben tatsächlich von einer Probe im Probenbereich verursacht werden, oder auf Depolarisationseffekte von optischen Komponenten zurückzuführen sind. Durch einen Kompensator wird somit die Depolarisation, also eine Reduzierung über die Querschnittsfläche des Lichts gemittelte Polarisation, nicht ausgeglichen. Im Unterschied dazu werden durch die Kompensationseinrichtung gemäß der Erfindung gezielt die Polarisationen von bestimmten Bereichen der Querschnittsfläche des Lichts geändert. Hierdurch wird eine über die Querschnittsfläche des Lichts gemittelte Polarisation erhöht. The compensation device according to the invention should not be confused with a compensator known in polarization microscopy. This is a λ / 4 plate at 45 ° to the polarizer and the analyzer, which is used, for example, to judge whether measured interference colors are actually caused by a sample in the sample area, or depolarization effects of optical components are attributed. By a compensator thus the depolarization, so a reduction over the cross-sectional area of the light averaged polarization, not compensated. In contrast, the polarization of certain areas of the cross-sectional area of the light are selectively changed by the compensation device according to the invention. This increases a polarization averaged over the cross-sectional area of the light.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren beschrieben. Hierin zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung von Licht in der Pupille eines Further advantages and features of the invention will be described below with reference to the accompanying schematic figures. Herein show: Fig. 1 is a schematic representation of light in the pupil of a
Mikroskops zwischen einem Polarisator und einem Analysator; Microscope between a polarizer and an analyzer;
Fig. 2 einen Graph der Depolarisation in Abhängigkeit des Sinus des Fig. 2 is a graph of depolarization in dependence of the sine of
Aperturwinkels eines Objektivs; Aperture angle of a lens;
Fig. 3 eine schematische Darstellung von wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen Lichtmikroskops und eines erfindungsgemäßen optischen Moduls; 3 shows a schematic representation of essential components of a light microscope according to the invention and of an optical module according to the invention;
Fig. 4 eine weitere Darstellung eines erfindungsgemäßen Lichtmikroskops; 4 shows a further illustration of a light microscope according to the invention;
Fig. 5 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen optischen Fig. 5 is a schematic view of an optical according to the invention
Moduls, module,
Figuren 6a bis 6e Ausgestaltungen von Kompensationseinrichtungen an der Probenseite des Objektivs gemäß der Erfindung und Figures 6a to 6e embodiments of compensation means on the sample side of the lens according to the invention and
Figuren 7a bis 7d einen Brechungsindex-Ellipsoid. FIGS. 7a to 7d show a refractive index ellipsoid.
Äquivalente Komponenten sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Equivalent components are identified by the same reference numerals in all figures.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Querschnittsfläche 1 von Licht in einer Pupille eines Lichtmikroskops 100. Hierbei sind im mikroskopischen Strahlengang 5 ein Polarisator 50, 51 und ein Analysator 52 vorhanden, wobei die Durchlassrichtung des Analysators 52 senkrecht zur Durchlassrichtung des Polarisators 50, 51 steht. FIG. 1 shows a schematic representation of a cross-sectional area 1 of light in a pupil of a light microscope 100. In the microscopic beam path 5, a polarizer 50, 51 and an analyzer 52 are present, whereby the passage direction of the analyzer 52 is perpendicular to the passage direction of the polarizer 50, 51 stands.
Unter der Querschnittsfläche 1 des Lichts soll eine Fläche senkrecht zum mikroskopischen Strahlengang 5 und zur optischen Achse 15 des Objektivs 10 verstanden werden. The cross-sectional area 1 of the light should be understood to mean a surface perpendicular to the microscopic beam path 5 and to the optical axis 15 of the objective 10.
Um einen bestmöglichen Bildkontrast zu erreichen, sollte bei dieser gekreuzten Anordnung von Polarisator 50, 51 und Analysator 52 das Licht in der Pupille vollständig ausgelöscht sein. Ohne Kompensationseinrichtung 20 ist jedoch nur ein Bereich 2 aus der Quer- schnittsfläche 1 des Lichts dunkel. An Querschnittsrändern 3 hingegen ist Licht sichtbar. Die hieraus resultierende Form wird als Malteser-Kreuz bezeichnet. Die Aufhellung am Querschnittsrand 3 ist auf eine Depolarisation des Lichts, das heißt eine Änderung der Polarisation in bestimmten Bereichen der Querschnittsfläche des Lichts, nämlich an den Querschnittsrändern 3, zurückzuführen. In order to achieve the best possible image contrast, in this crossed arrangement of polarizer 50, 51 and analyzer 52, the light in the pupil should be completely extinguished. Without compensation device 20, however, only an area 2 from the cross-sectional area 1 of the light is dark. At cross-sectional edges 3, however, light is visible. The resulting form is called Maltese Cross. The brightening at the cross-sectional edge 3 is due to a depolarization of the light, that is, a change in the polarization in certain areas of the cross-sectional area of the light, namely at the cross-sectional edges 3.
Verursacht wird die Depolarisation durch verschiedene Depolarisationseffekte an optischen Komponenten im Strahlengang 5 des Mikroskops 100. Zu den optischen Komponenten können das Objektiv 10, der Kondensor 55 und die Wollaston- Prismen 60, 61 zählen. The depolarization is caused by various Depolarisationseffekte on optical components in the beam path 5 of the microscope 100. The optical components, the lens 10, the condenser 55 and the Wollaston prisms 60, 61 count.
Die Stärken der Depolarisationseffekte sind in der Regel abhängig von der numerischen Apertur des verwendeten Objektivs 10. Gemäß den Fresnelschen Regeln werden Lichtanteile, deren Polarisationsrichtung senkrecht und parallel zu einer Einfallsebene des Lichts auf eine optische Komponente stehen, unterschiedlich gebrochen. Außerdem können die optischen Komponenten 10, 60, 61 , 55 span- nungsdoppelbrechend sein. Hierbei kann die Spannung bereits im Material der optischen Komponenten vorhanden sein oder durch den Druck der Fassung der optischen Komponenten erzeugt werden. Auch optische Mehrfachschichten, die beispielsweise zur Entspiegelung auf optischen Komponenten 10, 60, 61 , 55 eingesetzt werden, können eine Phasendrehung des einfallenden Lichts, also einen Gangunterschied zwischen senkrecht und parallel polarisiertem Licht, hervorrufen. Durch diese Unterschiede in der Phase und Transmission der parallel und senkrecht polarisierten Anteile des Lichts kommt es zu einer Depolarisation des Lichts. Hierdurch werden in der Pupille des Mikroskops 100 die aufgehellten Querschnittsbereiche 3 der Querschnittsfläche 1 des Lichts sichtbar, womit sich der Bildkontrast verringert. The strengths of the depolarization effects are generally dependent on the numerical aperture of the objective 10 used. According to Fresnel's rules, light components whose polarization direction is perpendicular and parallel to an incidence plane of the light on an optical component are refracted differently. In addition, the optical components 10, 60, 61, 55 may be stress birefringent. Here, the voltage may already be present in the material of the optical components or be generated by the pressure of the version of the optical components. Also, optical multilayers, which are used for example for anti-reflection on optical components 10, 60, 61, 55, can cause a phase rotation of the incident light, ie a path difference between perpendicular and parallel polarized light. Due to these differences in the phase and transmission of the parallel and perpendicular polarized portions of the light, a depolarization of the light occurs. As a result, in the pupil of the microscope 100, the brightened cross-sectional areas 3 of the cross-sectional area 1 of the light are visible, whereby the image contrast is reduced.
Fig. 2 zeigt eine Simulation der Abhängigkeit der Depolarisation des Lichts von dem Sinus des Aperturwinkels des Objektivs 10. FIG. 2 shows a simulation of the dependence of the depolarization of the light on the sine of the aperture angle of the objective 10.
Ziel ist es, die hier dargestellte Depolarisation mit Hilfe der Kompensationseinrichtung weitestgehend auszugleichen, so dass durch gekreuzte Polarisatoren eine dunkle Pupille sichtbar ist. Bei der in Fig. 2 dargestellten Depolarisation durchläuft Licht gekreuzte Polarisatoren, zwischen denen unter anderem ein Objektiv angeordnet ist. Da hier keine Probe im Probenbereich vorhanden ist, sollte idealerweise kein von dem Probenbereich kommendes Licht den Analysator passieren können. Das Objektiv führt jedoch zu einer Depolarisation, wodurch der in seiner Polarisation veränderte Anteil des von dem Probenbereich kommenden Lichts den Analysator passieren kann. Fig. 2 stellt die Abhängigkeit der auftretenden Depolarisation vom Sinus des Aperturwinkels a dar. The aim is to compensate for the depolarization shown here with the help of the compensation device as far as possible, so that a dark pupil is visible through crossed polarizers. In the depolarization illustrated in FIG. 2, light passes through crossed polarizers, between which inter alia a lens is arranged. Since there is no sample in the sample area, ideally no light coming from the sample area should be able to pass through the analyzer. However, the objective leads to a depolarization, as a result of which the proportion of the light coming from the sample area, which portion is changed in its polarization, can pass through the analyzer. FIG. 2 shows the dependency of the depolarization occurring on the sine of the aperture angle α.
Dabei wird ein Abbildungsstrahlengang betrachtet, für den von einem Punkt eines Probenbereichs ausgehendes Licht divergent und unter dem Aperturwinkel α auf das Objektiv trifft. In this case, an imaging beam path is considered for which light emanating from a point of a sample area diverges and strikes the lens at the aperture angle α.
Graph 70 zeigt die Depolarisation durch Phasenverschiebung zwischen dem senkrecht und dem parallel zu einer Einfallsebene am Objektiv polarisierten Anteil des Lichts. Durch Phasenverschiebung wird linear polarisiertes Licht zu elliptisch polarisiertem Licht. Hierbei gibt die Grad-Angabe der Depolarisation für den Graph 70 den Phasen unterschied zwischen den zwei senkrecht zueinander polarisierten Komponenten des Lichts an. Graph 70 shows the depolarization by phase shifting between the portion of the light polarized perpendicular to and parallel to an incidence plane on the objective. By phase shifting, linearly polarized light becomes elliptically polarized light. Here, the degree specification of the depolarization for the graph 70 indicates the phase difference between the two polarized components of the light perpendicular to each other.
Graph 71 gibt die Depolarisation durch differenzielle Transmission in Abhängigkeit des Sinus des Aperturwinkels α an. Differenzielle Transmission bewirkt bei linear polarisiertem Licht eine Drehung der Polarisationsrichtung, wobei das Licht weiterhin linear polarisiert ist. Da jedoch von der Probe kommendes Licht divergent auf das Objektiv trifft, also verschiedene Bereiche der Querschnittsfläche des von der Probe kommenden Lichts unter verschiedenen Winkeln auf das Objektiv treffen, bewirkt differenzielle Transmission eine Depolarisation über die Querschnittsfläche des Lichts. Hier gibt die Gradangabe der Depolarisation die Drehung des linear polarisierten Lichts an. Graph 71 indicates the depolarization by differential transmission as a function of the sine of the aperture angle α. Differential transmission causes in linearly polarized light rotation of the polarization direction, the light is still linearly polarized. However, since light coming from the specimen diverges on the objective, that is, different areas of the cross-sectional area of the light coming from the specimen hit the objective at different angles, differential transmission causes depolarization across the cross-sectional area of the light. Here, the degree of depolarization indicates the rotation of the linearly polarized light.
In Fig. 2 wird verdeutlicht, dass in etwa senkrecht auf optische Komponenten einfallendes Licht kaum depolarisiert wird. Hingegen wird Licht, das unter einem Winkel zu einer Normalen einer Oberfläche einer optischen Komponente einfällt, um einige Grad in seiner Polarisation verändert. Als Folge ist das Licht über seine Querschnittsfläche nicht mehr in gleicher Richtung polarisiert; es ist depolarisiert. Diese Depolarisation soll durch die Kompensationseinrichtung 20 ausgeglichen werden. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lichtmikroskops 100. Das Lichtmikroskop 100 umfasst die Kompensationseinrichtung 20 sowie für Polarisationsmessungen oder differenzielle Interferenzkontrast-Messungen erforderliche Komponenten, nämlich den Polarisator 50, die Wollaston-Prismen 60, 61 , das Objektiv 10 und den Analysator 52. In Fig. 2 it is illustrated that in approximately perpendicular to optical components incident light is hardly depolarized. On the other hand, light incident at an angle to a normal of a surface of an optical component is changed by several degrees in its polarization. As a result, the light across its cross-sectional area is no longer polarized in the same direction; it is depolarized. This depolarization is to be compensated by the compensation device 20. 3 shows a schematic representation of a light microscope 100 according to the invention. The light microscope 100 includes the compensation device 20 as well as components required for polarization measurements or differential interference contrast measurements, namely the polarizer 50, the Wollaston prisms 60, 61, the objective 10 and the analyzer 52 ,
Zudem ist ein Kondensor 55 vorhanden, der Beleuchtungslicht auf den Probenbereich 30 leitet. Der hier dargestellte Aufbau entspricht dem eines Durchlicht- Mikroskops. Alle hierzu gemachten Aussagen, ausgenommen zu dem Kondensor 55, sind aber auch entsprechend für ein Auflicht-Mikroskop gültig. Das erfindungsgemäße Mikroskop 100 kann auch für Fluoreszenzkontrast-Methoden geeignet sein, bei denen die Polarisationseigenschaften der Probe genutzt werden. In addition, a condenser 55 is provided which directs illumination light onto the sample area 30. The structure shown here corresponds to that of a transmitted-light microscope. All statements made for this purpose, except for the condenser 55, but are also valid for a reflected-light microscope. The microscope 100 according to the invention may also be suitable for fluorescence contrast methods in which the polarization properties of the sample are used.
Angaben wie„vor",„hinter" und„nach" mit Bezug auf die Komponenten 10, 50, 51 , 52, 55, 60, 61 oder den mikroskopischen Strahlengang 5 seien durch die Laufrichtung des Lichts 42, 43, 44 definiert. Indications such as "before", "behind" and "after" with respect to the components 10, 50, 51, 52, 55, 60, 61 or the microscopic beam path 5 are defined by the running direction of the light 42, 43, 44.
Beleuchtungslicht wird entlang dem mikroskopischen Strahlengang 5 gestrahlt. Das Beleuchtungslicht kann zunächst unpolarisiert sein. Zudem kann es entweder monochromatisch oder spektral-breitbandig im sichtbaren, im nahen UV- und/oder im nahen IR-Bereich sein. Illumination light is irradiated along the microscopic beam path 5. The illumination light may initially be unpolarized. In addition, it can be either monochromatic or spectral broadband in the visible, in the near UV and / or in the near IR region.
Das Beleuchtungslicht durchläuft den Polarisator 50 und wird entlang der Durchlassrichtung des Polarisators 50 linear polarisiert. Bei differenzieller Interferenzkontrast- Mikroskopie ist hinter dem Polarisator 50 ein Wollaston-Prisma 60 oder ein vergleichbares optisches Bauteil angeordnet, um das polarisierte Beleuchtungslicht in zwei räumlich beabstandete oder aufgespaltene senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen zu teilen. Im Fall zirkularer differenzieller Interferenzkontrast-Mikroskopie kann zudem ein λ/4-Plättchen vorhanden sein, um zirkulär polarisiertes Licht zu erzeugen. The illumination light passes through the polarizer 50 and is linearly polarized along the transmission direction of the polarizer 50. In differential interference contrast microscopy, behind the polarizer 50, a Wollaston prism 60 or a comparable optical component is arranged to divide the polarized illumination light into two spatially spaced or split perpendicularly polarized sub-beams. In addition, in the case of circular differential interference contrast microscopy, a λ / 4 plate may be present to produce circularly polarized light.
Über den Kondensor 55 wird das polarisierte Beleuchtungslicht anschließend auf einen Probenbereich 30, in dem sich eine zu untersuchende Probe befinden kann, geleitet. Via the condenser 55, the polarized illumination light is then directed to a sample area 30, in which a sample to be examined can be located.
Das von der Probe kommende Licht verläuft auf Grund der Beleuchtungsapertur, der Beugung, der Brechung oder Streuung an den Strukturen der Probe oder auf Grund der Fluoreszenz der Probe divergent und trifft auf das Objektiv 10. Zunächst durchläuft das von der Probe kommende Licht die Kompensationseinrichtung 20. Diese ist auf der Probenseite 16 des Objektivs 10 angeordnet. Die genaue Wirkung der Kompensationseinrichtung 20 auf die Polarisation des Lichts wird mit Bezug auf Fig. 6 detailliert erläutert. The light coming from the sample passes through the illumination aperture, the diffraction, the refraction or scattering on the structures of the sample or on the ground the fluorescence of the sample diverges and hits the lens 10. First, the light coming from the sample passes through the compensation device 20. This is arranged on the sample side 16 of the lens 10. The exact effect of the compensation device 20 on the polarization of the light will be explained in detail with reference to FIG.
Alternativ ist es aber auch möglich, die Kompensationseinrichtung 20 zwischen dem Kondensor 55 und dem Probenbereich 30 anzuordnen. Da an dieser Stelle das Beleuchtungslicht im Allgemeinen konvergent verläuft, kann auch hier eine Kompensation von Depolarisationseffekten erzielt werden. Alternatively, it is also possible to arrange the compensation device 20 between the condenser 55 and the sample area 30. Since at this point the illumination light is generally convergent, a compensation of depolarization effects can also be achieved here.
Nach Durchlaufen der Kompensationseinrichtung 20 trifft in der dargestellten Ausführung das von der Probe kommende Licht auf das Objektiv 10, dessen optische Achse 15 parallel zum mikroskopischen Strahlengang 5 angeordnet ist. After passing through the compensation device 20, the light coming from the sample strikes the objective 10 in the illustrated embodiment, whose optical axis 15 is arranged parallel to the microscopic beam path 5.
Das Objektiv 10 und die Kompensationseinrichtung 20 stellen das erfindungsgemäße optische Modul 90 dar. The objective 10 and the compensation device 20 represent the optical module 90 according to the invention.
Im Fall von differentieller Interferenzkontrast-Mikroskopie ist im Strahlengang hinter dem Objektiv 10 ein weiteres Wollaston-Prisma 61 oder ein vergleichbares optisches Bauteil angeordnet, um die beiden Teilstrahlen des von der Probe kommenden Lichts zu vereinigen und zur Interferenz zu bringen. In the case of differential interference contrast microscopy, another Wollaston prism 61 or a comparable optical component is arranged in the beam path behind the objective 10 in order to combine and to bring the two partial beams of the light coming from the sample into interference.
Schließlich ist im mikroskopischen Strahlengang 5 ein Analysator 52 angeordnet. Dabei handelt es sich um einen Polarisator, dessen Durchlassrichtung zu der des Polarisators 50 gedreht ist, in der Regel um 90°. Durch den Analysator 52 soll nur von der Probe kommendes Licht durchgelassen werden, dessen Polarisation durch die Probe geändert wurde. Finally, an analyzer 52 is arranged in the microscopic beam path 5. It is a polarizer whose direction of passage is rotated to that of the polarizer 50, usually by 90 °. The analyzer 52 is intended to transmit only light from the sample whose polarization has been changed by the sample.
Im Fall eines Polarisationskontrast-Mikroskops entfallen die Wollaston-Prismen 60, 61. Die im Übrigen in Fig. 3 dargestellten Komponenten sind für Polarisationskontrast-Mikroskopie und differenzielle Interferenzkontrast-Mikroskopie identisch. In the case of a polarization contrast microscope, the Wollaston prisms 60, 61 are omitted. The components otherwise shown in Fig. 3 are identical for polarization contrast microscopy and differential interference contrast microscopy.
Eine schematische Gesamtdarstellung eines erfindungsgemäßen Lichtmikroskops 100 ist in Fig. 4 gezeigt. A schematic overall representation of a light microscope 100 according to the invention is shown in FIG. 4.
Hierbei strahlt eine Lichtquelle 40, 41 Beleuchtungslicht 42, 43 auf einen Probenbereich 30. Vom Probenbereich 30 aus durchläuft das Licht 44 die hier nicht dargestell- te Kompensationseinrichtung und ein Objektiv 10. Schließlich wird das von der Probe kommende Licht 44 aus dem Lichtmikroskop 100 ausgekoppelt. In this case, a light source 40, 41 emits illumination light 42, 43 onto a sample region 30. From the sample region 30, the light 44 passes through the light 44, which is not shown here. Finally, the light coming from the sample 44 is coupled out of the light microscope 100.
Der hier dargestellte Strahlquerschnitt deutet den maximal auftretenden Strählquerschnitt an, also die Gesamteinhüllende allen auftretenden Lichts, was bei Durch- lichtmikroskopen in etwa dem Pupillenstrahlengang entspricht. The beam cross-section shown here indicates the maximum occurring beam cross section, ie the total envelope of all occurring light, which in transmitted light microscopes roughly corresponds to the pupil beam path.
Das Lichtmikroskop 100 kann eine Lichtquelle 40 für Auflicht und/oder eine Lichtquelle 41 für Durchlicht aufweisen. Die Lichtquellen 40, 41 emittieren entlang einem mikroskopischen Strahlengang 5 unpolarisiertes Beleuchtungslicht 42, 43. Das Beleuchtungslicht 42, 43 wird durch die Polarisatoren 50, 51 polarisiert. Hierbei kann linear polarisiertes Licht erzeugt werden oder für zirkuläre differenzielle Interferenzkontrast- Mikroskopie auch zirkulär polarisiertes Licht. The light microscope 100 may include a light source 40 for incident light and / or a light source 41 for transmitted light. The light sources 40, 41 emit unpolarized illumination light 42, 43 along a microscopic beam path 5. The illumination light 42, 43 is polarized by the polarizers 50, 51. In this case, linearly polarized light can be generated or also circularly polarized light for circular differential interference contrast microscopy.
Das polarisierte Beleuchtungslicht 42, 43 wird anschließend auf einen Probenbereich 30 fokussiert, wozu ein Kondensor 55 eingesetzt werden kann. The polarized illumination light 42, 43 is then focused on a sample area 30, to which a condenser 55 can be used.
Von dem Probenbereich 30 aus durchläuft das Licht 44 eine in Fig. 4 nicht dargestellte Kompensationseinrichtung. Bei Betrachtung des hier ebenfalls nicht gezeigten Abbildungsstrahlengangs verläuft das von der Probe kommende Licht divergent unter dem Aperturwinkel des Objektivs 10. From the sample area 30, the light 44 passes through a compensation device, not shown in FIG. 4. When viewing the imaging beam path also not shown here, the light coming from the sample diverges below the aperture angle of the objective 10.
Im mikroskopischen Strahlengang 5 hinter der Kompensationseinrichtung angeordnet ist ein Objektiv 10. In Fig. 4 sind verschiedene Objektive 10 eines Objektiv- Revolvers dargestellt, wobei für das im Strahlengang 5 befindliche Objektiv 10 ausschließlich die optischen Elemente 11 , 12, 13 des Objektivs 10 dargestellt sind. An objective 10 is arranged in the microscopic beam path 5 behind the compensation device. Various objective lenses 10 of an objective revolver are shown in FIG. 4, with only the optical elements 11, 12, 13 of the objective 10 being shown for the objective 10 located in the beam path 5 ,
Der Strahlengang kann weitere Elemente aufweisen, etwa einen DIC-Schieber für differentielle Interferenzkontrast-Mikroskopie. The beam path can have further elements, such as a DIC slider for differential interference contrast microscopy.
Das von der Probe kommende Licht trifft nach den optischen Elementen 11, 12, 13 des Objektivs 10 auf einen Analysator 52. The light coming from the sample strikes the optical elements 11, 12, 13 of the objective 10 on an analyzer 52.
Hinter dem Analysator 52 ist ein Tubus mit einer Tubuslinse angeordnet. Hierbei kann das von der Probe kommende Licht 44 über ein Okular 46 oder eine Lichtauskopplung 47 das Mikroskop 100 verlassen. Eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen optischen Moduls 90 ist in Fig. 5 gezeigt. Behind the analyzer 52, a tube with a tube lens is arranged. In this case, the light 44 coming from the sample can leave the microscope 100 via an eyepiece 46 or a light extraction 47. A schematic view of an optical module 90 according to the invention is shown in FIG.
Das optische Modul 90 weist die Kompensationseinrichtung 20 und das Objektiv 10 auf. Die Beschreibungen zu der Kompensationseinrichtung 20 und dem Objektiv 10 gelten ebenfalls in Bezug auf das erfindungsgemäße Lichtmikroskop 100. The optical module 90 has the compensation device 20 and the objective 10. The descriptions of the compensation device 20 and the objective 10 also apply with respect to the light microscope 100 according to the invention.
Bei dem dargestellten Abbildungsstrahlengang verläuft das von dem Probenbereich 30 kommende Licht 44 divergent unter einem Aperturwinkel des Objektivs 10. In the illustrated imaging beam path, the light 44 coming from the sample area 30 extends divergently at an aperture angle of the objective 10.
Zunächst durchläuft das von der Probe kommende Licht 44 die Kompensationseinrichtung 20. Diese kann eine oder mehrere doppelbrechende Plättchen aufweisen. Die Kompensationseinrichtung 20 ist auf einer dem Probenbereich 30 zugewandten Probenseite 16 des Objektivs 10 angeordnet. First, the light 44 coming from the sample passes through the compensation device 20. This can have one or more birefringent platelets. The compensation device 20 is arranged on a sample area 30 facing sample side 16 of the lens 10.
Anschließend trifft das das von der Probe kommende Licht 44 auf optische Elemente, nämlich die Linsen L1 bis L14, des Objektivs 10. Die Kompensationseinrichtung 20 kann mit dem Objektiv 10, insbesondere mit der Linse L1 des Objektivs 10, fest verbunden sein, beispielsweise verkittet oder verklebt sein. Die Linse L1 ist hier eine Tochterkugel, die in eine Mutterkugel L2 eingreift. Dabei deckt die Kompensationseinrichtung 20 nicht die gesamte Fläche der Mutterkugel L2 ab, sondern nur die der Tochterkugel L1. Subsequently, the light 44 coming from the sample encounters optical elements, namely the lenses L1 to L14, of the objective 10. The compensation device 20 can be firmly connected to the objective 10, in particular to the lens L1 of the objective 10, for example by cementing or be glued. The lens L1 is here a daughter ball, which engages in a parent ball L2. In this case, the compensation device 20 does not cover the entire surface of the parent ball L2, but only the daughter ball L1.
Die Kompensationseinrichtung 20 sowie die hier nicht näher dargestellten Plättchen der Kompensationseinrichtung 20 sind so angeordnet, dass sie Oberflächen aufweisen, welche senkrecht auf der optischen Achse 15 des Objektivs 10 und dem mikroskopischen Strahlengang 5 stehen. The compensation device 20 and the platelets of the compensation device 20 not shown here are arranged such that they have surfaces which are perpendicular to the optical axis 15 of the objective 10 and the microscopic beam path 5.
Abhängig von dem Winkel, unter dem von der Probe kommendes Licht 44 aus dem Probenbereich 30 läuft, wird seine Polarisation durch die Kompensationseinrichtung 20 unterschiedlich beeinflusst. Depending on the angle at which light 44 coming from the sample passes out of the sample area 30, its polarization is influenced differently by the compensation device 20.
Ausführungsbeispiele der Kompensationseinrichtung 20 gemäß der Erfindung sind schematisch in den Figuren 6a bis 6e dargestellt. Embodiments of the compensation device 20 according to the invention are shown schematically in FIGS. 6a to 6e.
Bei jedem der Ausführungsbeispiele weist die Kompensationseinrichtung 20 eines oder mehrere Plättchen 21 , 22, 23 auf, die auf einer Probenseite 16 des Objektivs 10 angeordnet sind. Dabei ist in jedem Beispiel die Frontoptik des Objektivs 10, nämlich das optische Element 11 , dargestellt. In each of the exemplary embodiments, the compensation device 20 has one or more plates 21, 22, 23 which are located on a sample side 16 of the objective 10 are arranged. In each case, the front optics of the objective 10, namely the optical element 11, are shown.
Die Plättchen 21 , 22, 23 können je einen doppelbrechenden, bevorzugt einachsigen, Kristall umfassen. The platelets 21, 22, 23 may each comprise a birefringent, preferably uniaxial, crystal.
Die Ausführungsbeispiele unterscheiden sich in Material, Dicke und Anzahl der Plättchen 21 , 22, 23 sowie in der Kristallrichtung der Plättchen 21 , 22, 23. Die Kristallrichtung der Plättchen, das heißt die Richtung der optischen Achse des Kristalls, kann parallel 25 und/oder senkrecht 26 in Bezug auf die optische Achse 15 des Objektivs 10 verlaufen. Gleichbedeutend mit Kristallrichtung sollen die Begriffe„Hauptachse" und„Hauptachse des Plättchens" verstanden werden. The embodiments differ in material, thickness and number of platelets 21, 22, 23 and in the crystal direction of the platelets 21, 22, 23. The crystal direction of the platelets, that is, the direction of the optical axis of the crystal, parallel 25 and / or perpendicular 26 with respect to the optical axis 15 of the lens 10 extend. The terms "main axis" and "main axis of the plate" are synonymous with crystal direction.
Prinzipiell ist aber auch möglich, dass ein oder mehrere Plättchen vorhanden sind, deren Hauptachsen, das heißt Kristallachsen, schräg, also weder parallel noch senkrecht, zur optischen Achse 15 des Objektivs 10 ausgerichtet sind. Grundsätzlich können die Plättchen auch in Querschnittsrichtung eine nicht konstante Dicke aufweisen. Entscheidend ist allein, dass durch die Plättchen die gewünschte Kompensation der Depolarisation erreicht wird. In principle, however, it is also possible for one or more platelets to be present whose major axes, that is to say crystal axes, are aligned obliquely, ie, neither parallel nor perpendicular, to the optical axis 15 of the objective 10. In principle, the platelets can also have a non-constant thickness in the cross-sectional direction. The decisive factor is that the desired compensation of the depolarization is achieved by the platelets.
Fig. 6a zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem die Kompensationseinrichtung 20 ein Plättchen 22 aus Magnesiumfluorid umfasst, welches eine Hauptachse 25 parallel zu einer optischen Achse 15 des Objektivs 10 und des optischen Elements 11 aufweist. Licht, welches parallel zur optischen Achse 15 das Plättchen 22 durchläuft, erfährt durch das Plättchen 22 keine Polarisationsänderung. Bei einem schrägen Einfall von Licht kann ein Teilstrahl des Lichts eine Polarisation senkrecht zur Hauptachse des Plättchens aufweisen. Ein weiterer Teilstrahl kann eine Polarisation aufweisen, die wiederum senkrecht hierzu steht. Diese Teilstrahlen werden ordentlicher und außerordentlicher Strahl genannt. Durch das Plättchen 22 wird ein Gangunterschied zwischen dem ordentlichen und außerordentlichen Strahl erzeugt. Hierdurch wird eine Phasendrehung erreicht, das heißt die Polarisation desjenigen Anteils des Lichts, welcher schräg auf die Kompensationseinrichtung 20 trifft, wird geändert. FIG. 6 a shows an exemplary embodiment of the invention, in which the compensation device 20 comprises a plate 22 made of magnesium fluoride, which has a main axis 25 parallel to an optical axis 15 of the objective 10 and the optical element 11. Light, which passes through the plate 22 parallel to the optical axis 15, undergoes no polarization change by the plate 22. In an oblique incidence of light, a partial beam of light may have a polarization perpendicular to the major axis of the plate. Another partial beam may have a polarization, which in turn is perpendicular thereto. These sub-rays are called neat and extraordinary ray. Through the plate 22, a path difference between the ordinary and extraordinary beam is generated. As a result, a phase rotation is achieved, that is, the polarization of that portion of the light which obliquely meets the compensation device 20 is changed.
Die Größe der Phasendrehung hängt von der Brechzahl n0 für den ordentlichen Strahl sowie von der Brechzahl na für den außerordentlichen Strahl ab. Zur Veranschaulichung des ordentlichen und des außerordentlichen Strahls ist in den Figuren 7a und 7b eine Indikatrix, also ein Brechzahl-Ellipsoid, eines optisch einachsigen Kristalls dargestellt. Die Brechzahlen ni , n2 und Π3 beschreiben die Brechzahlen für Licht, das eine Polarisation, also ein elektrisches Feld, in Richtung der Vektor ni , Π2 oder n3 hat. Die Brechzahl n3 ist bei positiv doppelbrechenden Kristallen größer als Γ^^ und n2, während sie bei negativ doppelbrechenden Kristallen kleiner ist. Fig. 7c zeigt den ordentlichen Strahl und Fig. 7d den außerordentlichen Strahl. Die Ausbreitungsrichtung k der Strahlen nimmt einen Einfallswinkel Θ zur optischen Achse 15 ein. Wie in Fig. 7c dargestellt, steht das elektrische Feld des ordentlichen Strahls senkrecht zur optischen Achse 15. Das in Fig. 7d dargestellte elektrische Feld des außerordentlichen Strahls steht senkrecht zu dem des ordentlichen Strahls. Damit hat der außerordentliche Strahl eine Polarisationskomponente parallel zur Ausbreitungsrichtung k, das heißt, seine Polarisation liegt in einer Ebene, die durch die optische Achse 15 und die Ausbreitungsrichtung k aufgespannt wird. The magnitude of the phase rotation depends on the refractive index n 0 for the ordinary ray and on the refractive index n a for the extraordinary ray. To illustrate the ordinary and the extraordinary beam, an indicatrix, ie a refractive index ellipsoid, of an optically uniaxial crystal is shown in FIGS. 7a and 7b. The refractive indices ni, n 2 and Π3 describe the refractive indices for light which has a polarization, ie an electric field, in the direction of the vector ni, Π2 or n 3 . The refractive index n 3 is greater than Γ ^^ and n 2 for positively birefringent crystals, while it is smaller for negatively birefringent crystals. Fig. 7c shows the ordinary ray and Fig. 7d the extraordinary ray. The propagation direction k of the beams assumes an angle of incidence Θ to the optical axis 15. As shown in Fig. 7c, the electric field of the ordinary ray is perpendicular to the optical axis 15. The electric field of the extraordinary ray shown in Fig. 7d is perpendicular to that of the ordinary ray. Thus, the extraordinary ray has a polarization component parallel to the propagation direction k, that is, its polarization lies in a plane which is spanned by the optical axis 15 and the propagation direction k.
Die außerordentliche Brechzahl na ist vom Einfallswinkel Θ abhängig, der zu der optischen Achse 15, also zu einer Senkrechten einer Oberfläche der Kompensationseinrichtung, gemessen wird. The extraordinary refractive index n a is dependent on the angle of incidence Θ, which is measured relative to the optical axis 15, ie to a perpendicular of a surface of the compensation device.
Die Abhängigkeit der außerordentlichen Brechzahl na(9) vom Einfallswinkel Θ ist in der folgenden Formel angegeben, wobei die Brechzahl na ohne Abhängigkeit von Θ die Brechzahl für den Fall angeben soll, dass die Polarisation des außerordentlichen Strahls vollständig parallel zur Hauptachse des doppelbrechenden Materials steht: The dependence of the extraordinary refractive index n a (9) on the angle of incidence Θ is given in the following formula, wherein the refractive index n a without dependence on Θ is intended to indicate the refractive index in the event that the polarization of the extraordinary beam is completely parallel to the main axis of the birefringent material stands:
1 / na 2(0) = cos2(0) / n0 2 + sin2(0) / na 2. 1 / n a 2 (0) = cos 2 (0) / n 0 2 + sin 2 (0) / n a 2 .
Beispielhaft sind in der folgenden Tabelle für verschiedene Materialien die ordentliche Brechzahl n0, die außerordentliche Brechzahl na und die außerordentliche Brechzahl na(58°) für einen Einfallswinkel von 58° aufgelistet. Dieser Einfallswinkel entspricht einem typischen Aperturwinkel eines Lichtmikroskops 100. Material n0 na na(58°) By way of example, the following table lists, for various materials, the ordinary refractive index n 0 , the extraordinary refractive index n a and the extraordinary refractive index n a (58 °) for an incident angle of 58 °. This angle of incidence corresponds to a typical aperture angle of a light microscope 100. Material n 0 n a n a (58 °)
MgF2 1 ,38 1 ,385 1 ,3836 MgF 2 1, 38 1, 385 1, 3836
CaC03 1 ,658 1 ,486 1 ,5288 CaC0 3 1, 658 1, 486 1, 5288
Al203 1 ,768 1 ,76 1 ,7622 Al 2 0 3 1, 768 1, 76 1, 7622
Si02 1 ,544 1 ,553 1 ,5506 Si0 2 1, 544 1, 553 1, 5506
Magnesiumfluorid MgF2 und Quarz Si02 haben einen ordentlichen Brechungsindex, der kleiner als ihr außerordentlicher Brechungsindex ist, und sind somit positiv doppelbrechend. Kalkspat und Saphir, also Calciumcarbonat CaC03 und Aluminiumoxid Al203, sind hingegen negativ doppelbrechend. Magnesium fluoride MgF 2 and quartz Si0 2 have an ordinary refractive index smaller than their extraordinary refractive index, and are thus positively birefringent. Calcite and sapphire, calcium carbonate CaCO 3 and aluminum oxide Al 2 O 3 , are, however, negatively birefringent.
In den Figuren 6b und 6c ist jeweils eine Kompensationseinrichtung 20 dargestellt, welche zwei Plättchen 22, 23 aufweist, deren Hauptachsen parallel zur optischen Achse 15 des Objektivs 10 ausgerichtet sind. Hierbei sind jeweils ein positiv doppelbrechendes Plättchen 23 und ein negativ doppelbrechendes Plättchen 22 vorhanden. FIGS. 6b and 6c each show a compensating device 20 which has two plates 22, 23 whose main axes are aligned parallel to the optical axis 15 of the objective 10. Here, in each case a positive birefringent plate 23 and a negatively birefringent plate 22 are present.
In Fig. 6b handelt es sich hierbei um MgF2 und CaCO3, in Fig. 6c hingegen um SiO2 und AI2O3. In FIG. 6b these are MgF 2 and CaCO 3 , whereas in FIG. 6c they are SiO 2 and Al 2 O 3 .
Das positiv und das negativ doppelbrechende Plättchen 22, 23 verursachen entgegengesetzte Wirkungen. Für einen zu erzielenden Ausgleich von Depolarisationsef- fekten können die Plättchen 22, 23 deshalb größere Dicken aufweisen als ein einziges Plättchen mit paralleler Hauptachse. Durch die größere Dicke sind die Plättchen 22, 23 leichter zu fertigen und weniger fragil. Zudem kann ein zu erzielender Gangunterschied zwischen ordentlichem und außerordentlichem Lichtstrahl durch die Verwendung zweier Plättchen 22, 23 besonders präzise erreicht werden. Schließlich kann mit zwei Plättchen 22, 23 bei geeigneter Materialwahl in Hinblick auf die Brechungszahlen n0 und na sowie bei geeigneter Dicke der Plättchen auch die Dispersion gering gehalten werden. The positive and negative birefringent platelets 22, 23 cause opposite effects. For a balance of depolarization effects to be achieved, the platelets 22, 23 can therefore have greater thicknesses than a single platelet with a parallel main axis. Due to the greater thickness, the plates 22, 23 are easier to manufacture and less fragile. In addition, an achievable path difference between ordinary and extraordinary light beam through the use of two plates 22, 23 can be achieved very precisely. Finally, with two platelets 22, 23 with a suitable choice of material with regard to the refractive indices n 0 and n a, and with a suitable thickness of the platelets, the dispersion can also be kept low.
In der folgenden Tabelle sind beispielhaft die Phasendrehungen von polarisiertem Licht bei einem Einfallswinkel von 58° für verschiedene Materialkombinationen und Dicken der Plättchen angegeben. Bei dem Einfallswinkel kann es sich gerade um den Aperturwinkel halten. In the following table are exemplified the phase rotations of polarized light at an incident angle of 58 ° for different material combinations and Thickness of the platelets indicated. The angle of incidence may just be the aperture angle.
Die Tabelle veranschaulicht, dass eine beliebige Phasendrehung mit vergleichsweise großer Plättchendicke erreichbar ist. Hingegen müsste ein einzelnes Plättchen aus Magnesiumfluorid für eine Phasendrehung von 4° eine äußerst kleine Dicke von nur 2,9μιτι haben. The table illustrates that any phase rotation can be achieved with comparatively large platelet thickness. By contrast, a single plate of magnesium fluoride for a phase rotation of 4 ° would have an extremely small thickness of only 2.9μιτι.
Fig. 6d zeigt eine an einer Probenseite 16 eines optischen Elements 11 des Objektivs 10 angeordnete Kompensationseinrichtung 20. Diese weist zwei Plättchen 22, 23 mit paralleler Hauptachse auf, sowie ein weiteres Plättchen 21 mit einer Hauptachse 26 senkrecht zu der optischen Achse 15 des Objektivs 10. FIG. 6d shows a compensation device 20 arranged on a sample side 16 of an optical element 11 of the objective 10. It has two plates 22, 23 with a parallel main axis, and another plate 21 with a main axis 26 perpendicular to the optical axis 15 of the objective 10 ,
Die Plättchen 22, 23 mit senkrechter Hauptachse können die Materialien MgF2 und AI2O3 aufweisen. Das Plättchen 21 mit senkrechter Hauptachse kann MgF2 umfassen. The platelets 22, 23 with a vertical main axis may have the materials MgF 2 and Al 2 O 3 . The main vertical axis plate 21 may comprise MgF 2 .
Durch das Plättchen 21 mit senkrechter Hauptachse kann ein auf differenzieller Transmission beruhender Depolarisationseffekt ausgeglichen werden. Durch diffe- renzielle Transmission wird linear polarisiertes Licht in seiner Schwingungsrichtung gedreht und bei elliptisch polarisiertem Licht wird die Lage der Ellipsenhauptachse gedreht. Das Plättchen 21 mit senkrechter Kristallachse kann bei geeigneter Stellung aus elliptisch polarisiertem Licht wieder linear polarisiertes Licht erzeugen. Zudem wird die Schwingungsrichtung beeinflusst, so dass zusammen mit der Wirkung eines oder mehrerer Parallel-Plättchen sowohl Elliptizität also auch Schwingungsrichtung des resultierenden linearpolarisierten Lichts eingestellt werden können. Hierzu können vorteilhafterweise Material und Dicke des Plättchens 21 zunächst so gewählt sein, dass es für das Licht als λ/4-Platte oder λ/2-Platte wirkt. Zudem ist die Richtung der Hauptachse innerhalb einer Ebene senkrecht zur optischen Achse 15 des Objektivs 10 bedeutsam. Diese Richtung wird durch den Azimut-Winkel angegeben, welcher den Winkel zwischen der Durchlassrichtung des Polarisators 50, 51 und der Richtung der Hauptachse des Plättchens beschreibt. The plate 21 with a vertical main axis can compensate for a differential transmission-based depolarization effect. By differential transmission, linearly polarized light is rotated in its oscillation direction, and in the case of elliptically polarized light, the position of the ellipse main axis is rotated. The platelet 21 with a vertical crystal axis can again produce linearly polarized light when suitably positioned from elliptically polarized light. In addition, the direction of oscillation is influenced, so that both ellipticity and oscillation direction of the resulting linearly polarized light can be adjusted together with the effect of one or more parallel plates. For this purpose, advantageously material and thickness of the plate 21 can initially be selected be that it acts for the light as a λ / 4 plate or λ / 2 plate. In addition, the direction of the major axis within a plane perpendicular to the optical axis 15 of the objective 10 is significant. This direction is indicated by the azimuth angle, which describes the angle between the forward direction of the polarizer 50, 51 and the direction of the major axis of the plate.
Die folgende Tabelle zeigt zwei Ausführungsbeispiele mit einem Senkrecht-Plättchen und zwei Parallel-Plättchen. Zur Vereinfachung wird hier bei dem Senkrecht- Plättchen zunächst von einer einfallswinkelunabhängigen Wirkung ausgegangen. The following table shows two embodiments with a vertical plate and two parallel plates. For the sake of simplicity, an incident-angle-independent effect is initially assumed in the case of the vertical plate.
Zwar bewirkt das Plättchen 21 mit senkrechter Hauptachse bei einer Ausrichtung mit Azimut-Winkel ungleich 0° auch für senkrecht einfallendes Licht eine Polarisationsänderung. In diesem Fall kann aber der Analysator 52 entsprechend ausgerichtet werden und/oder ein zusätzliches Senkrecht-Plättchen zwischen Objektiv 10 und Analysator 52, insbesondere in einem parallelen Teil des Strahlengangs 5, vorhanden sein. Diese Polarisationsänderung verursacht somit keinen Nachteil. Although causes the plate 21 with a vertical main axis in an orientation with azimuth angle not equal to 0 °, even for perpendicularly incident light a polarization change. In this case, however, the analyzer 52 can be aligned accordingly and / or an additional vertical plate between the objective 10 and the analyzer 52, in particular in a parallel part of the beam path 5, be present. This polarization change thus causes no disadvantage.
Bei schiefem Einfall auf ein Senkrecht-Plättchen 21 wird wiederum eine vom Einfallswinkel abhängige Phasenänderung erzeugt. Diese addiert sich zu der Phasenänderung durch das Parallel-Plättchen 22, 23 hinzu. So würden zum Beispiel ein Parallel-Plättchen 22, 23 gefolgt von einem Senkrecht-Plättchen 21 bei gleicher Dicke, nämlich der Dicke wie sie für ein Senkrecht-Plättchen 21 mit λ/4-Eigenschaft gälte, bei schiefem Einfall wiederum einen Phasenunterschied von 90° ergeben, also eine Phasenverschiebung wie ein λ/4-Plättchen unter senkrechtem Einfall allein. Eine über diese Dicke hinausgehende Dicke des Parallel-Plättchens 22, 23 bewirkt folglich eine zusätzliche Phasenänderung, die genutzt werden kann, um die insgesamt zu erzielende Phasenänderung zu erreichen. In case of oblique incidence on a vertical plate 21, in turn, a phase angle dependent on the angle of incidence is generated. This adds to the phase change through the parallel plate 22, 23 added. For example, a parallel plate 22, 23 followed by a vertical plate 21 at the same thickness, namely the thickness as it would be for a vertical plate 21 with λ / 4 property, in case of oblique incidence again give a phase difference of 90 °, ie a phase shift as a λ / 4 plate under normal incidence alone. A thickness of the parallel plate 22, 23, which exceeds this thickness, consequently causes an additional phase change, which can be used to achieve the overall phase change to be achieved.
Fig. 6e zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Kompensationseinrichtung 20 genau ein Plättchen 21 mit Hauptachsenrichtung 26 senkrecht zu einer optischen Achse 15 eines Objektivs 10 zeigt. Bereits durch ein einzelnes Plättchen 21 ist ein zumindest teilweiser Ausgleich von Depolarisationseffekten möglich. FIG. 6 e shows an exemplary embodiment in which the compensation device 20 shows exactly one plate 21 with the main axis direction 26 perpendicular to an optical axis 15 of an objective 10. Already by a single plate 21 is an at least partial compensation of Depolarisationseffekten possible.
Bevorzugt weist die Kompensationseinrichtung 20 aber mindestens ein Plättchen 22, 23 mit paralleler Hauptachse und mindestens ein Plättchen 21 mit senkrechter Hauptachse auf. Hierdurch können Depolarisationseffekte, die auf differenzieller Transmission und/oder Phasenverschiebung beruhen, weitestgehend ausgeglichen werden. Vorteilhafterweise kann somit erreicht werden, dass ohne Probe das Licht über seine gesamte Querschnittsfläche 1 den Analysator 52 nicht passieren kann. However, the compensation device 20 preferably has at least one small plate 22, 23 with a parallel main axis and at least one plate 21 with a vertical main axis. As a result, depolarization effects, which are based on differential transmission and / or phase shift, can be largely compensated. Advantageously, it can thus be achieved that, without a sample, the light can not pass the analyzer 52 over its entire cross-sectional area 1.
Der erzielbare Bildkontrast bei einem Polarisationsmikroskop und/oder einem diffe- renziellen Interferenzkontrast-Mikroskop wird somit deutlich verbessert. The achievable image contrast in a polarizing microscope and / or a differential interference contrast microscope is thus significantly improved.
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