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Interferenzmikroskop Die Erfindung betrifft ein Interferenzmikroskop,
bei dem Interferenzen im polarisierten Licht Verwendung finden.
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Zur genauen Messung des Einflusses, den ein mikroskopisches oder makroskopisches
Objekt auf die Phase des Lichtes hat, sind Schlierenverfahren, Phasenkontrastverfahren
und Interferenzverfahren bekannt. Die Interferenzverfahren haben gegenüber den Schlieren-
und Phasenkontrastverfahren den Vorteil, daß sie objekttreu sind, d. h. die Phasen-
und Amplitudenverhältnisse im Objekt frei von bildfälschenden Beugungserscheinungen
wiedergeben.
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Das erfindungsgemäß beschriebene Interferenzmikroskop wurde unter
dem Gesichtspunkt konstruiert, daß die Ausmessung von Phasendifferenzen, die ein
Objekt zwei räumlich getrennten, kohärenten Strahlen erteilt, dann besonders präzise
wird, wenn die kohärenten Strahlen senkrecht zueinander linear polarisiert sind.
Sie ergeben dann nämlich nach ihrer Vereinigung im allgemeinen elliptisch polarisiertes
Licht, das mit kristalloptischen Kompensatoren, wie z. B. Viertelwellenlängenkompensator,
Braecescher Kompensator oder Soleilscher Kompensato@r, recht genau analysiert werden
kann. Die Meßgenauigkeit kristalloptischer Kompensatoren läßt sich unter Verwendung
von Halbschattenvorrichtungen recht weit treiben. Mit ihrer Hilfe lassen sich Gangunterschiede
bekanntlich bis auf 1/soooo oder gar 1/iooooo der Lichtwellenlänge genau ausmessen.
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Es ist prinzipiell bekannt, durch Einfügung geeigneter Podarisatoren
die kohärenten Strahlenbündel eines jeden Zweistrahlinterferometers senkrecht zueinander
linear zu polarisieren und das entstehende elliptisch polarisierte Licht durch Nachschaltung
eines kristalloptischen Kompensators zu analysieren. Die Meßgenanigkeit der in dieser
Weise durch eine Polarisationsoptik ergänzten Zweistrahlinterferorneter ist jedoch
praktisch um mehrere Zehnerpotenzen geringer als die Meßgenauigkeit kristalloptischer
Kompensatoren. Der Grund hierfür liegt in der Temperatur-und Erschütterungsempfindlichkeit
der Zweistrahlinterferometer sowie in der Auswertung geringfügiger Schleif- und
Polierfehler besonders derjenigen optischen Flächen, welche von räumlich getrennten
kohärenten Strahlen durchsetzt werden und- daher interferometrisch wirksam sind.
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Aus der Erkenntnis heraus, daß die Störanfälligkeit eines Interferometers
mit dem Abstand seiner kohärenten Strahlen wächst, wurden nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren Interferenzanordnungen konstruiert, deren kohärente Strahlen einen möglichst
geringen Abstand voneinander haben. Ixn allgemeinen wurde dieser Abstand kleiner
als 100g gewählt. Dabei wurde der Durchmesser des zur Beleuchtung dienenden
Lichtbündels größer als der Abstand der kohärenten Strahlen gewählt und.auf eine
Ausblendung von kohärenten Strahlenbündeln bewußt verzichtet. Weiter wurde die Zahl
der interferometrisch wirksamen Flächen auf ein Minimum beschränkt, um alle Fehlerquellen
möglichst zu beseitigen.
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Das erfindungsgemäß beschriebene Interferenzmikroskop löst die Aufgabe,
Phasendifferenzen, welche ein Objekt zwei räumlich getrennten kohärenten Strahlen
erteilt, möglichst fehlerfrei in elliptisch polarisiertes Licht zu verwandeln. Es
erlaubt zudem die Anwendung von sehr genauen Halbschattenmethoden zur Ausmessung
der Phasenverhältnisse von Objekten ohne zusätzliche Einführung einer Halbschattenplatte.
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--Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zur Strahlenaufspaltung
bzw. Strahlenvereinigung zwischen Objekt und Objektiv mindestens eine schräg zur
optischen Achse geschnittene planparallele Platte eines doppelbrechenden Mediums
gebracht wird, welche bei senkrechter Beleuchtung eine Aufspaltung der Lichtstrahlen
bewirkt, wobei der Durchmesser des zur Beleuchtung dienenden Lichtbündels größer
als der Abstand der aufgespaltenen Lichtstrahlen ist und dadurch zwei nebeneinanderliegende
Bilder des Objektes erzeugt werden, die eine genaue Ausmessung der Phasenverhältnisse
des Objektes unter Verwendung von Halbschattenmethoden ermöglichen.
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Planparallele Platten doppelbrechender Kristalle erwiesen sich somit
für die Konstruktion der Interferenzanordnung des Mikroskops als besonders geeignet.
Bekanntlich spaltet eine schräg zur optischen Achse geschnittene Kristallplatte
durch ihre Doppelbrechung jeden senkrecht auffallenden Strahl in zwei räumlich getrennte
kohärente Strahlen auf, die nach Verlassen der Kristallplatte wieder parallel verlaufen,
jedoch eine räumliche Trennung d v erhalten haben. Die so entstandenen kohärenten
Strahlen haben den
Vorteil, daß sie automatisch linear polarisiert
sind und ihre Schwingungsrichtüngeri senkrecht aufeinander stehen.
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Nur diese spezielle Wahl der Strahlenaufspaltung erlaubt eine senkrechte
Durchstrahlung des Objektes mit parallelem Licht und läßt eine fehlerfreie Messung
von optischen Gangunterschieden zu.
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Es ist ein Mikroskop bekannt, das zwei parallel zur optischen Achse
geschnittene doppelbrechende Platten aufweist und zur Beleuchtung Lichtbündel mit
einem großen Öffnungswinkel ß0 verwendet. Die ein Phasenobjekt durchsetzenden Strahlen
erhalten folglich keinen einheitlichen Gangunterschied (za-1) - d gegenüber
den kohärenten Vergleichsstrahlen, die das Objekt nicht oder nur mit einem geringen
Anteil durchetzen, sondern eine uneinheitliche Summe von Gangterschieden, die alle
Werte des Ausdruckes
(für ß zwischen 0° und ß0) aufweist, wenn n der Brechungsindex und d die Dicke des
Objektes bedeutet. Hierdurch wird eine genaue Messung des Gangunterschiedes unmöglich
gemacht. Dies gilt auch für eine andere bekannte Anordnung, bei der doppelbrechende
Linsen verwendet werden: Demgegenüber ergibt das erfindungsgemäß beschriebene Mikroskop
stets scharfe Interferenzen, da das Objekt von zwei um einen bestimmten, festen
Abstand versetzten parallelen - Lichtbündeln senkrecht durchstrahlt wird. Das -mit
der Strahlenversetzung verbundene »doppelte Bild« des Objektes läßt sich ; sehr
vorteilhaft zur Ausmessung der Phasenverhältnisse des Objektes verwenden.
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Die erste Interferenzanordnung, die zur.Strahlenaufspaltung bzw. Strahlenvereinigung
die Doppelbrechung von Kristallplatten benutzte, wurde von M. J. J a m i n, G. R.
Acad. Sei., Paris, Bd. 67, S. 844 ff., bereits im Jahre 1868 beschrieben. Sie war
jedoch nur als Alternative zum normalen Jaminschen Interferometer mit Glasplatten
gedacht. Die Anordnung von M. J. J a m i n besteht aus zwei unter 45° zur optischen
Achse geschnittenen planparallelen Kalkspatplatten und einem dazwischengeschalteten
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Die Anordnung von J a m i n wurde später von L e b e d e f f, Rev. d'Optique, 1930,
S. 385 ff., auf das Mikroskop übertragen.
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Die starke Wellenlängenabhängigkeit des Gangunterschiedes eines
-Blättchens bewirkt, daß die kohärenten Strahlen der Jaminschen Anordnung nur für
eine Wellenlänge genau senkrecht zueinander linear polarisiert sind. Diesen Nachteil
vermeiden die in vorliegender Erfindung beschriebenen Interferenzanordnungen. Sie
verwenden kein
Die kohärenten Strahlen sind daher für jede Wellenlänge senkrecht zueinander linear
polarisiert. Zu der Jaminschen Anordnung für Durehlichtbeleuchtung gibt es aber
auch kein brauchbares Analogon für Auflichtbeleuchtung. Die analoge- Auflichtanordnung
würde aus einer unter 45° zur optischen Achse geschnittenen Kalkspatplatte und einem
bestehen. Läßt man jedoch die kohärenten Strahlen, welche eine Kalkspatplatte durchstrahlt
haben, nach Durchsetzen eines
an einem Spiegel reflektieren, so nehmen diese bei ihrem zweiten Durchgang durch
die Kalkspatplatte nicht mehr den gleichen Weg und verlassen die Kalkspatplatte
räumlich getrennt, infolgedessen können die Strahlen im allgemeinen gar nicht mehr
zur Interferenz gebracht werden.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen Satz von vier gleich dicken, unter einem gemeinsamen
Winkel gegen die optischen Achsen geschnittenen, stark doppelbrechenden Platten
eines einachsigen positiven Kristalls. Die gestrichelten Linien deuten Strahlen
an, die nicht in der Zeichenebene verlaufen. Die Lage der optischen Achse ist durch
einen doppelten Pfeil gekennzeichnet. Platte 4 spaltet jeden Strahl 8 des von unten
einfallenden polarisierten Lichtbündels in zwei Teilstrahlen 9 und 10 auf, die senkrecht
zueinander linear polarisiert sind. ;Nach Verlassen der Platte 4 sind die Teilstrahlen
9 und 10 räumlich getrennt und haben den Abstand d v. Diese beiden Teilstrahlen
treffen auf Platte 3, deren beschleunigende Hauptschwingungsrichtung gegenüber der
von Platte 4 um 90° verdreht ist. In Platte 3 erfahren die beiden Teilstrahlen 9
und 10 eine weitere räumliche Trennung durch Ablenkung senkrecht zur Zeichenebene.
Die resultierende Aufspaltung der Teilstrahlen 9 und 10 nach Verlassen der Platte
3 beträgt d x = 1f2- - d v. Die Wiedervereinigung der Teilstrahlen
9 und 10 gelingt durch zwei weitere Platteng und 1, die spiegelbildlich zu 3 und
4 angeordnet sind. Bezeichnet man den Winkel zwischen der beschleunigenden Hauptschwingungsrichtung
der Platte 1 und der beschleunigenden Hauptschwingungsrichtung einer anderen Platte
2 bis 4 mit 99, so haben die Platten 2 und 3 das Azimut g> = 90° und die
Platten 1 und 4 das Azimut 99 = 0°.
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Fig.2 zeigt den Plattensatz in Verbindung mit einem Mikroskop. Zwischen
dem für unendliche Bildweite korrigierten Objektiv 14 und dem Okular
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wird in bekannter Weise eine Zwischenlinse 15 eingeführt, so daß als Tubusanalysator
17 Glan-Thomson-Prismen verwendet werden können, ohne Astigmatismus hervorzurufen.
Das einfallende monochromatische Lichtbündel der Wellenlänge A, wird durch den Polarisator
11 linear polarisiert. Ohne Objekt haben die beiden Teilstrahlen 9 und
10 gleiche optische Wege zurückgelegt und keinen Gangunterschied; sie setzen
sich wieder zu der linear polarisierten Schwingung zusammen, aus der sie entstanden
sind. Der Abstand dx der Strahlen 9 und 10 ist kleiner als der Durchmesser
des zur Beleuchtung dienenden Lichtbündels. Hier werden folglich nicht zwei durch
Blenden räumlich vollständig getrennte Bündel zur Interferenz gebracht; sondern
zwei um dx verschobene Lichtbündel. Die Dicke der Platten 1 und 2 ist durch den
Abstand Objekt-Objektiv begrenzt und liegt bei gegebener Eigenvergrößerung des Objektivs
fest. Praktisch verwendet man Platten, deren Dicken zwischen 10 mm und 0,1 mm liegen,
was z. B. für Kalkspat ein maximales d x zwischen 1,5 mm und 0,015 mm ergibt.
Das Objektiv 14 (Fig. 2) entwirft von einem Objekt, das zwischen den Plätten
2 und 3 in den Strahlengang gebracht wird, zwei Bilder, die um dx gegeneinander
verschoben sind. Es wird daher von einem Bild A und einem Bild B gesprochen. Diese
beiden Bilder entstehen auf Grund der Doppelbrechung der Platten 1 und 2.
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Bringt man ein Phasenobjekt mit einem Durchmesser kleiner 4x auf die
als Objektträger dienende planparallele Glasplatte 13,- so wird einem Strahl 9,
der das Objekt durchsetzt, gegenüber dem zugehörigen Strahl 10, der das Objekt 'licht
durchstrahlt, ein Gangunterschied (za-1)d erteilt; wenn n der Brechungsindex und
d -die Dicke des Objektes ist. Die
betrachteten Strahlen 9 und 10,
welche senkrecht zueinander linear polarisiert sind, ergeben nach ihrer Vereinigung
elliptisch polarisiertes Licht, entsprechend einer Phasendifferenz
Andererseits gibt es Teilstrahlen 10, die das Objekt durchsetzen und sich mit den
zugehörigen Teilstrahlen 9, die das Objekt nicht durchsetzen, zu elliptisch polarisiertem
Licht der Phasendifferenz -
vereinigen. Infolgedessen wird ohne Analysator 17 eines der beiden Bilder des Objektes
reit elliptisch polarisiertem Licht der Phasendifferenz
und das andere mit elliptischem polarisiertem Licht der Phasendifferenz
beleuchtet. Erteilt man dem Polarisator 11 das Azimut 991, = 45° gegen die beschleunigende
Hauptschwingungsrichtung der Platte 1, so haben die Teilstrahlen 9 und 10
gleiche Amplitude. Dann führt man ein
7 so in den Strahlengang ein, daß seine beschleunigende Hauptschwingungsri.chtung
und diejenigen der Platte 1 einen Winkei w7 = 45° bilden. Dadurch verwandelt man
in bekannter Weise beliebig elliptisch polarisiertes Licht in linear polarisiertes.
Das Gesichtsfeld ohne Objekt ist wie die einfallende Strahlung linear polarisiert
unter dem Azimut g911=-45°, da die Teilstrahlen 9 und 10 im Plattensatz gleiche
optische Wege durchlaufen. Ein Phasenobjekt mit einem Durchmesser kleiner Ax ergibt
hingegen zwei Bilder, ein Bild A,
das von linear polarisiertem Licht mit dem
Azimut
und ein BildB, das von linear polarisiertem Licht mit dem Azimut
-beleuchtet wird. Führt man den Analysator 17 ein, so gibt es Halbschattenstellungen
aj, bei denen das BildA die gleiche Helligkeit wie seine Umgebung (außer Bild B)
hat, und Halbschattenstellungen a,2, bei denen das Bild B die gleiche Helligkeit
wie seine Umgebung (außer Bild A) hat.
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Für diese Halbschattenstellungen des Analysators gilt:
und
für den Gangunterschied des Objektes folgt:
Wie genauere Untersuchungen zeigen, ist die Differenz der Halbschattenazimute des
Analysators (a2-ai) unabhängig vom Azimut des Polarisators 11 und unabhängig davon,
ob die Strahlen 9 und 10 ohne Objekt durch Unsymmetrien der Anordnung
schon einen Gangunterschied 6 besitzen. Durch Änderung von 9911 und ö ändern sich
jedoch die Einstellgenauigkeiten für die Halbschattenazimute. Voraussetzung für
genaue Messungen ist ein im ganzen Gesichtsfeld gleich großer Gangunterschied d,
d. h., das Gesichtsfeld muß ohne Objekt gleichmäßig polarisiert sein. Ein gleichmäßig
polarisiertes Gesichtsfeld ist aber gerade einer der auffälligsten Vorzüge der Erfindung.
Besonders dann, wenn die Platten 1 bis 4 sehr dünn und damit Ax klein, hat man bei
Interferenzen niedriger Ordnung ein vollkommen gleichmäßiges Gesichtsfeld. Da man
bei einem Ax von beispielsweise 0,05 mm die Platte4 ungefähr ein Grad kippen muß,
um von der Interferenz nullter Ordnung in die Interferenz erster Ordnung zu kommen,
beobachtet man praktisch nur Interferenzen sehr niedriger Ordnung und hat immer
ein gleichmäßig polarisiertes Gesichtsfeld.
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Für die Messungen kleiner Gangunterschiede ist es vorteilhaft, an
Stelle des
7 unter dem gleichen Azimut eine doppelbrechende Platte mit einer Phasendifferenz
einzuführen. Genauere überlegungen, die sich
an eine Arbeit von G. S z i v es s y und W. Herzog , Zeitschrift für Instrumentenkunde,
1937, Bd. 57, S. 324, Gleichung 47, anlehnen, zeigen, daß ranz allgemein
gilt. Im weißen Licht eignet sich die Anordnung besonders als qualitative Methode
zur kontrastreichen Farbmikroskopie. Die Einstellung einer .empfindlichen Farbe
läßt sich ohne Schwierigkeiten durch Kippung von Platte 4 gegen die optische Achse
erreichen.
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Wie Fig. 3 zeigt, läßt sich die Anordnung auch im Auflicht verwenden.
Die Platten 3 und 4 fallen weg, und an Stelle der Planplatte 13 (Fig. 2) tritt ein
Spiegel 23 (Fig. 3). Die Lichtquelle 22 wird durch die Linse 20 über die Teilungsplatte
18 in den hinteren Brennpunkt des Objektivs 14 abgebildet, so daß auf die
Platten 1 und 2 von oben ein paralleles Lichtbündel fällt. Dieses Lichtbündel ist
durch den Polarisator 11 linear polarisiert und wird durch die Platten 1 und 2 aufgespalten,
am Spiegel23 reflektiert und nach einer nochmaligen Durchstrahlung der Platten
1
und 2 wieder vereinigt. Ein zu untersuchendes Phasenobjekt wird auf den
Spiegel 23 gebracht. Da das Objekt zweimal durchstrahlt wird, werden alle
Gangunterschiede verdoppelt. In monochromatischem Licht, was durch Einführung des
Filters 21 erhalten wird, gilt für Auflicht
Die Teilungsplatten 18 und 19 sind um die optische Achse gegeneinander
um 90° verdreht, so daß die Elliptizität der vom Objekt kommenden Strahlen nicht
verändert wird.
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Die Erfindung läßt sich auch dann mit Vorteil anwenden, wenn das Objekt
eine beliebig große Ausdehnung hat. Nimmt man als Spiegel 23 z. B. eine stark versilberte
Glimmerspaltfläche, so erscheinen im weißen Licht alle Stufen mit farbig differenziertem
Rand, der Breite Ax - sing, wo y der Winkel zwischen der Richtung von Ax
und der Stufenkante ist. Die Breite der Ränder läßt sich durch Drehen des Mikroskoptischchens
12, auf dem das Objekt ruht, variieren. In monochromatischem Licht erscheinen die
Stufen mit Rändern verschiedener Helligkeit, je nach der Stufenhöhe, hierdurch entsteht
ein quasi-plastisches Bild der
Oberfläche. Die Höhe der Stufen läßt
sich genau ausmessen. Reflektiert die Oberfläche ungefähr gleichmäßig, so ist eine
Versilberung nicht notwendig, wenn die Platten 1 und 2 sowie das Objektiv 14 gut
entspiegelt werden.
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Besonders vorteilhaft kann die Verkittung der Platten 1 und 2 miteinander
und die Aufkittung beider auf die Frontlinse des Objektivs sein. Ferner ist die
@'er@sendung einer geeigneten Immersionsflüssigkeit angebracht, wenn man eine gut
reflektierte Metalloberfläche betrachtet.
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Für sehr genaue Messungen im Durchlicht bietet die in Fig.4 gezeichnete
Kombination den Vorteil, daß gegenüber der Anordnung Fig.1 zwei Platten fehlen und
folglich als Fehlerquellen wegfallen. Die stanze Doppelbrechung der Platten 1 und
2 wird nach Fig. 4 durch die Platte 24 kompensiert. Diese Platte ist parallel zur
optischen Achse geschnitten und vorzugsweise aus einem schwach doppelbrechenden
Material, z. B. Quarz, hergestellt. Dies bietet den Vorteil, daß kleine Schleiffehler
der Platte 24 nicht stören, da sie nur nach Maßgabe der Doppelbrechung ins Gewicht
fallen. Das Objekt wird zwischen Platte 1 und Platte 2 gebracht.
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Für Auflicht ist die entsprechende Anordnung in Fig. 5 gezeichnet.
Diese Anordnung bietet die denkbar geringsten Fehlerquellen. Besondern dann, wenn
man ein Immersionsöl mit einem Brechungsindex zwischen dem der beiden Teilstrahlen
verwendet, d x sehr klein wählt und mit gut parallelem monochromatischem
Licht beleuchtet, ist die Ausmessung der Stufen einer metallisch reflektierenden
Oberfläche bis zu molekularen Dimensionen herunter möglich. Dabei ist wegen der
Sorbyschen Erscheinungen die Vergrößerung klein zu wählen.
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Die Platte 24 (Fig. 5) kompensiert die Doppelbrechung der Platte
1, und zwar muß die Doppelbrechung der Platte 24 doppelt so groß wie die
Doppelbrechung der Platte 1 sein, da Platte 1 zweimal durchstrahlt wird.