Kondensorsystem zum Erhöhen des Auflösungsvermögens von mit durchfallendem Licht arbeitenden Mikroskopen durch gleichzeitige Hellfeld- und Dunkelfeldbeleuchtung, mit Mitteln zum schnellen Wechsel dieser Beleuchtungsarten Die Erfindung betrifft ein Kondensorsystem zum Erhöhen des Auflösungsvermögens von mit durchfallendem Licht arbeitenden Mikroskopen durch gleichzeitige Hellfeld- und Dunkelfeldbeleuch- tung, mit Mitteln zum schnellen Wechsel dieser Be leuchtungsarten.
Es sind bereits Mikroskope dieser Art bekannt, bei deren Kondensorsystem an der der Frontlinse desselben in der Richtung der optischen Achse ent gegengesetzten Seite ein Filter vorgesehen ist, wobei das Kondensorsystem quer zu seiner optischen Achse verstellbar angeordnet ist.
Ausser den bei mit durchfallendem Licht arbei tenden Mikroskopen bisher bekannten vier prinzipiel- len Beleuchtungsarten, nämlich der HelIfeldbeleuch- tung, der Dunkelfeldbeleuchtung, der einseitigen Be- leuchtung mittels schiefer Strahlen und der jüngstens verbreiteten sogenanuten Phasenkontrastbefeuchtung bildet die Erfindung eine fünfte Art von Beleuchtung, bei welcher eine Hellfeldbeleuchtung :
und eine Dun kelfeldbeleuchtung gleichzeitig vorhanden sind. Wel che dieser Beleuchtungsarten im gegebenen Fall ver wendet werden soll, hängt von der Eigenschaft des zu beleuchtenden Gegenstandes ab.
Die Erfindung besteht nun darin, dass das oben erwähnte Filter einen vollkommen lichtdurchlässigen Spalt aufweist, zu dessen beiden Seiten je ein Feld mit durch eine Metallschicht verminderter Licht durchlässigkeit vorgesehen ist. Hiedurch wird ein erhöhtes Auflösungsvermögen erreicht, wie dies aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgeht, .in der einige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Kondensorsystems an Hand der Zeichnungen erörtert sind.
Fig.l zeigt ein Kondensorsystem im Längs schnitt, gemäss der Linie 1-1 der Fig. 2. Fig. 2 ist ein Querschnitt gemäss der Linie 11-11 der Fig. 1. Fig. 3 zeigt den Längsschnitt einer Einzelheit in grösserem Massstab. Fig. 4 ist die Draufsicht der Einzelheit ge mäss Fig. 3. Fig. 5 stellt die Draufsicht einer beispiels weisen Blende dar.
Fig. 6 zeigt die Draufsicht einer andern Ausführungsform der Blende gemäss Fig. 5. Fig. 7 stellt ein in der hinteren Brennebene der Objek- tivlinse dies Mikros'kopes. erscheinendes Bild dar. Fig. 8 ist ein anderes Bild der vorherigen Art. Fi'g. 9 stellt optische Verhältnisse dar. Schliesslich:
Fig. 10-13 zeigen je ein weiteres Bild der den Fig. 7 und 8 ähn lichen Art.
Gleiche Bezugszeichen in der Zeichnung weisen auf ähnliche Einzelheiten hin.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 fallen die Lichtstrahlen 21 einer Lichtquelle 20 über eine Sam mellinse 22 und eine Blende 23 auf einen Spiegel 25, der zur optischen Achse 24 des Kondensors unter .einem Winkel von 45 angeordnet ist. Von diesem Spiegel 25 gelangen die Lichtstrahlen 21 über die Öffnung einer Kondensorblende 26 zu einer nach stehend in Einzelheiten beschriebenen Blende 27, durch welche die Lichtstrahlen 21 lediglich an vorbe stimmten Stellen hindurchgelassen werden.
Die Licht strahlen 21, welche durch die Blende 27 hindurch gelangen, fallen auf das optische System des Konden- sors, das aus drei Linsen 28, 29, 30 besteht. Von denen bildet die Linse 30 zugleich die Frontlinse des Kondensors. Die Lichtstrahlen 21, welche die Front- linse 30 verlassen, treffen sich im Objektpunkt 31 des Kondensors,
pflanzen sich sodann unter einem durch den Kondensor bestimmten Winkel zur Objek- tivlinse 32 des Mikroskopes fort.
Die Frontlinse 30 ist in eine Fassung 33 einge baut, die am Kondensor auswechselbar angebracht ist. Zu diesem Zweck weist die Fassung 33 beim dar gestellten Ausführungsbeispiel einen ringförmigen Ansatz 34 auf, mittels dessen die Fassung 33 an die zylindrische Fassung 35 des Kondensors anliegt, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.
Die Blende 27 ist an einem ringförmigen Ansatz 37 im zylindrischen Hohlraum 36 der Fassung 35 .an geordnet. Das aus den Elementen 35, 36, 37 beste- hende System ist m einer zur optischen Achse 24 des Kondensors quergerichteten Ebene entlang einer Ge raden verschiebbar gelagert. Zu diesem Zweck weist der Kondensor einen in Fig. 2 in waagrechtem Schnitt dargestellten Halterungsring 38 auf, an dessen zwecks Durchlassen der Lichtstrahlen 21 in der Mitte mit einer Öffnung 39 versehenen kreisringförmigen Bo den 40 ein unterer Ansatz 41 der Fassung 35 aufliegt.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, hat der Ansatz 41 die Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken, wobei das Rechteck mittels seiner zueinander parallel liegenden beiden Ränder zwischen Klötzen 42a bzw. 42b geführt ist, durch welche zwei einander gegen überliegende Seiten des Halterungsringes 38 zu einer Geradführung ergänzt sind.
Zwecks Versteilbarkeit in Querrichtung zur optischen Achse 24 des Konden- sors entlang einer Geraden greift der Kopf 44 einer Verstellschraube 43 in den Ansatz 41 ein, wobei der Kopf 44 in einer Ausnehmung 45 des Ansatzes 41 mit Spiel angebracht ist. Der Gewindeteil der Ver- stellschraube 43 arbeitet mit einer Gewindebohrung 46 des Halterungsringes 38 zusammen.
Die Verstell- schraube wird mittels eines Knopfes 47 mit geriffel ter Fläche gedreht. Beim Drehen des Knopfes 47 wird der Ansatz 41 und somit die Fassung 35 samt dem optischen System 28, 29, 30 und der Blende 27 zwi schen den Klötzen<I>42a</I> und<I>42b</I> in Abhängigkeit von der Drehungsrichtung der Verstellschraube 43 in einem der Richtungssinne dies Doppelpfeiles 48 ver stellt.
Die Armatur der Frontlinse 30 ist in Fig. 3 in grösserem Massstab dargestellt. Am Scheitel des halb kugelförmigen Teiles der Frontlinse, d. h. an der der Austrittsfläche 49 gegenüberliegenden Seite, ist ein scheibenförmiger Klotz 50 aus undurchsichtigem Ma terial, z. B. aus Metall oder Kunststoff, vorgesehen und z. B. durch Kleben befestigt. Dies bezweckt, auf der Frontlinse 30 eine auswechselbare Abschirm- kappe 52 befestigen zu können, die eine an die Aus trittsfläche 49 der Frontlinse angrenzende Kugelzone 51 freilässt.
Die Kappe 52 weist hiüzu eine kreisför mige zentrale Öffnung 53 auf, die dicht auf der zylin drischen Fläche des Klotzes 50 aufliegt, wie dies aus Fig. 4 ersichtlich ist. Wenn demnach die Kappe 52 auf den auf der Frontlinse 30 befestigten Klotz 50 geschoben wird, können nur jene Lichtstrahlen 21 durch die Frontlinse 30 hindurchgehen, deren Bahn über die Kugelzone 51 führt. Je grösser der Durch messer der Kappe 52, um so grösser ist der öffnungs- winkel a der aus der Frontlinse 30 heraustretenden und tatsächlich wirksamen Lichtstrahlen 21.
Bei Ver wendung von Kappen 52 mit verschiedenem Durch messer besteht demnach die Möglichkeit, die Breite der Kugelzone 51 zu ändern und somit den Austritts winkel a der Lichtstrahlen 21 zu bestimmen. Wenn dieser Winkel a geringer ist als der die numerische Apartur der Objektivlinse 32 kennzeichnende Winkel, so treten die den Objektpunkt 31 beleuchtenden Strahlen in die Objektivlinse ein. In diesem Fall ent steht eine Lichtfeldbeleuchtung, an welcher die soge nannten zentralen, Strahlen, die mit der optischen Achse 24 einen geringen Winkel einschliessen, nicht teilneh men.
Durch Anbringung einer Kappe 52 von geeigne tem Durchmesser kann auch erreicht werden, dass der Austrittswinkel a der die Frontlinse 30 verlassenden Lichtstrahlen 21 grösser ist, als der der Apertur der Frontlinse 32 entsprechende Winkel, wie dies zur Diunkelfeld#be!leuchtung erforderlich ist.
Wenn die Frontlinse 30 des Kondensors keinen Klotz 50 aufweist und somit auch zur Anbringuna einer Kappe nicht geeignet ist, dann treten aus der Frontlinse 30 des Kondensors auch die zentralen Lichtstrahlen aus und gelangen in die Objektivlinse 32. In diesem Fall entsteht demnach eine Lichtfeld- beleuchtung, bei welcher die Lichtstrahlen über die volle Öffnung der Objektivlinse 32 eintreten.
Fig.5 stellt die Draufsicht der Blende 27 dar, die auf der zur Lichtquelle 20 des Kondensorsystems 28, 29, 30 zugekehrten Seite angeordnet ist. Die Blende 27 ist stellenweise vollständig lichtdurchlässig; sie weist aber auch mindestens einen Flächenanteil oder ein Feld mit Filterwirkung auf. Bei der in Fig. 5 dar gestellten Blende ist ihre Oberfläche zu diesem Zweck in mehrere Felder unterteilt. Der äussere kreisring förmige Teil 54 der Oberfläche ist vollständig licht durchlässig.
Vollständig lichtdurchlässig ist auch ein Feld 55, das den kreisringförmigen Teil 54 in der Richtung des Durchmessers überquert, wobei das Feld 55 in der Mitte der Blende zu einer kreisförmi gen Öffnung 56 erweitert ist. Die Felder 57a bzw. 57b der Blende 27, die durch die das Licht vollstän dig durchlassenden Felder 54, 55, 56 umfasst sind, lassen die Lichtstrahien lediglich zum Teil durch. Zu diesem Zweck sind diese Felder mit einem Überzug, z.
B. aus Aluminium, Silber, Rhodium oder aus einem! andern Edelmetall, versehen, wobei die Dicke des Überzuges derart gewählt ist, dass durch die Felder 57a und 57b mit Filterwirkung lediglich 10-5011/4 des einfallenden Lichtes durchgelassen werden. An den Flächenteilen oder Feldern 57a lind 57b geht demnach ein Licht hindurch, das gedämpft und eini germassen gestreut, sowie in Abhängigkeit von den spektralen Eigenschaften des IJberzu(2es in kleinerem oder grösserem Mass gegen den Bereich der geringeren Wellenlängen verschoben ist. Wie bekannt, ist dies mit Rücksicht auf das Auflösungsvermögen des Mikroskops von Bedeutung.
Je kleiner nämlich die Wellenlänge der beleuchtenden Strahlen ist, um so winzigere Einzelheiten werden im mikroskopischen Bild sichtbar. Die gesteuerten Lichtstrahlen erhöhen dabei unter anderem die Gleichmässigkeit der Be leuchtung.
Die Blende 27 kann aber auch gemäss Fig. 6 aus gebildet werden. Dieses Ausführungsbeispiel unter scheidet sich von jenem gemäss Fig. 5 insofern, dass lediglich die, Felder 55 in der Richtung des Durch messers vollständig lichtdurchlässig sind, wogegen die Felder<I>57a</I> bzw. 57b an den Rand der Blende heranreichen und die mittlere Öffnung 56 vollständig abgedeckt ist.
Der dargestellte Konden.sor arbeitet wie folgt: a) Zentrale Hellfeldbeleuchtung: Es sei angenom men, dass mit dem Kondensor eine zentrale Hellfeld beleuchtung bewirkt werden, soll. In diesem Fall wird auf die Fassung 35 eine Fassung 33 gelegt, in die eine Frontlinse, 30 ohne Abdeckung eingebaut ist. Dann wird in der hinteren Brennebene 58 der Ob jektivlinse 32 des M'ikroskopes das Bild der Licht quelle in der in Fig. 7 dargestellten Form erscheinen.
Hier ist 59 das Bild der Apertur der Objektivlinse, 60 die Begrenzungslinie der Kondensorblende 26, 57a und 57b jeweils das Bild der Felder mit Filter wirkung der Blende 27. Der Wirkungsgrad einer der artigen zentralen Hellfeldbeleuchtung ist höher als der Wirkungsgrad der bekannten Beleuchtungen ähn licher Art. Durch die Felder 57a und 57b gehen nämlich, wie bereits erwähnt, gefilterte Lichtstrahlen mit verhältnismässig kleinerer Wellenlänge hindurch, die das Auflösungsvermögen des Mikroskopes erhö hen.
Offensichtlich kann der Durchmesser des Feldes dieser Hellfeldbeleuchtung durch Einstellung der öff- nung der Kondensorblende 26 erweitert oder verrin gert werden.
b) Allseitige Hellfeldbeleuchtung: Zu diesem Zweck müssen die zentralen Beleuchtungsstrahlen ausgeblendet werden. Wie bekannt, ist dies bisher da durch erreicht worden, dass in einen unterhalb der Kondensorblende 26 angeordneten nicht dargestellten Filterhalter eine sogenannte zentrale Blende eingelegt worden ist, die in der Mitte vollständig abgeschirmt war. In diesem Fall erscheint in der hinteren Brenn- ebene 58 der Objektivlinse 32 .das in Fig. 8 darge stellte Bild.
Der abgeschirmte Teil dieser Blende ist mit 61 und ihr lichtdurchlässiger Teil mit 62 bezeich net. Die Kondensorblende 26 ist in der Brennebene des Kondensors angeordnet. Wenn demnach das Kon- densorsystem als durch eine einzige Linse 64 ersetzt vorgestellt wird, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist, dann kann leicht eingesehen werden, dass die einzelnen Strahlen eines Lichtbündels, das aus einem Punkt A im Hellfeld 61 ausgeht, auch durch den Mittelpunkt 65 des Kondensors hindurchgehen.
Tatsächlich sind die Lichtstrahlendes die Linse 64 verlassenden Bün dels nicht parallel zum Hauptstrahl 66, der durch den Mittelpunkt 65 hindurchgeht, da die Lichtstrahlen, die den äusseren Teil der Linse 64 durchqueren, erheb- lich abgelenkt werden und den sogenannten Koma fehler verursachen. Infolge des Komafehlers wird die Beleuchtung des untersuchten Gegenstandes unvoll kommen, wodurch dann auch die Güte des Bildes des Gegenstandes nachteilig beeinträchtigt wird.
Wenn jedoch anstatt der Blende gemäss Fig. 8 die mit einer Kappe versehene Frontlinse 30 gemäss Fig.3 verwendet wird, lässt die dem einfallenden Licht zugekehrte Fläche der Linse 64 das Licht im Abschnitt B-C (Fig.9) nicht durch.
Somit durch queren lediglich die innerhalb des durch die Strahlen 67 und 68 begrenzten Bündels liegenden Lichtstrah len die Linse, wobei der in Fig. 9 gestrichelt gezeich- nete Teil des vollen Bündels zwischen dem Haupt strahl 66 und dem Strahl 68 liegende Teil vollständig ausgeblendet ist. Hierdurch nimmt der Komafehler wesentlich ab.
Ausser der Verringerung des Koma fehlers ist aber die Ausblendung der Mitte der Linse 64 auch deshalb wichtig, weil lediglich hiedurch er reicht werden kann, dass in den Beleuchtungsbündeln die gestreuten Lichtstrahlen bzw. die nachteilige Wir kung der an den Rändern. der Blende 26 gebeugten Strahlen beseitigt werden.
Dies ist insbesondere bei der Dunkelfeldbel'euchtung mit grossem öffnungs- winkel (Apertur) von Bedeutung.
Zwecks allseitiger schiefer Beleuchtung wird dem nach beim beschriebenen Kondensor nicht eine in die Blende 26 oder in einen unterhalb derselben ange- ordneten Halter gelegte und in der Mitte abgeschirmte Blende verwendet, sondern .eine Frontlinse gemäss Fig. 3 auf die Fassung 35 gelegt, nachdem die Front linse mit :einer Kappe 52 von der gewünschten Be leuchtung entsprechendem Durchmesser versehen worden ist.
In der hinteren Brennebene 58 des Mikro skopobjektives 32 erscheint dann das aus Fig. 10 er sichtliche Bild. Dies ist zum Teil identisch mit dem Bild gemäss Fig. 7, indem:
die Umrisslinie 59 der Ob jektivapertur sowie die Umrisslinie 60 der Konden- sorblende 26 auch hier sichtbar sind. Ausserdem ist aber auch ein dunkles Feld 69 sichtbar, das der ab geschirmten, Kugelkalotte der Frontlinse 30 des Kon- densors entspricht und die zentralen Beleuchtungs strahlen ausschliesst.
Durch Verstellung der Konden- sorblende 26 kann offensichtlich auch hier die Zone der allseitigen Hellfeldbeleuchtung- vergrössert bzw. verringert und hiedurch der Wirkungsgrad der Be leuchtung beliebig geändert werden.
e) Phasenkontrastbeleuchtung: Im Halterungsring 38 können in an sich bekannter und deshalb nicht dargestellter Weise Kondensorringe angeordnet wer den, die in eine um einen exzentrischen Zapfen dreh bare Scheibe gelegt sind. Durch Auswechseln der Ringe können die zu den verschiedenen Phasenkon- trastobjektiven erforderlichen Beleuchtungen erzielt werden. Dies ist an sich bekannt, so dass von einer näheren Beschreibung abgesehen werden kann.
d) Kombinierte Beleuchtung: Zum Zweck der eingangs erwähnten kombinierten Beleuchtung, d. h. zwecks einer Beleuchtung, bei welcher mindestens aus einer Richtung einer Dunkelfeldbeleuchtung und mindestens aus einer Richtung mittels schiefer Strah len eine Hellfeldbeleuchtung gleichzeitig vorhanden ist, wird eine Frontlinse 30 mit Kappe gemäss Fig. 3 verwendet, wobei der Kondensor durch Drehen des Knopfes 47 in einem Richtungssinn des Pfeiles 48 so lange verschoben wird,
bis in der hinteren Brenn eben.- 58 der Objektivlinse 32 des Mikroskopes das in Fig. 11 dargestellte Bild erscheint. Dann werden im Feld 70a eine Hellfeldbeleuchtung bewirkende schiefe Strahlen hoher Intensität wirken. Im Feld 70b ausserhalb der Apertur der Objektivlinse 32 sind Lichtstrahlen wirksam, deren Öffnungswinkel grösser ist als der der Apertur der Objektivlinse 32 entspre chende Öffnungswinkel und die somit eine Dunkel feldbeleuchtung ergeben.
In den Feldern 71a bzw. 71b sind dagegen einigermassen diffuse schiefe Strah len von verhältnismässig geringerer Intensität wirk sam. Durch das vollständig abgeschirmte Feld 52 werden dagegen die zentralen Beleuchtungsstrahlen vollständig abgebl'end'et. Bei dieser Beleuchtung sind die für die Formtreue des Bildes nachteiligen opti schen Illusionen, welche beim Phasenkontrastverfah- ren auftreten, auf das Mindestmass verringert.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die bei der allsei tigen schiefen Beleuchtung auftretende und die Kan ten des untersuchten Gegenstandes überleuchtende, störende Wirkung durch das diffuse Licht von ver- ringerter Intensität der Felder 71a und 71b beseitigt ist. Bei einer derartigen Beleuchtung erscheint das Bild des Gegenstandes 31 vollständig plastisch und auch die Einzelheiten der Oberfläche werden scharf sichtbar.
e) Dunkelfeldbeleuchtung: Zu diesem Zweck wird der Kondensor mittels der Schraube 47 in die zen trale Lage (in den Mittelpunkt) gebracht, sodann die Frontlinse 30 mit einer Kappe 52 versehen, bei wel cher infolge der Breite der Kugelzone 51 der öff- nungswinkel a der die Austrittsfläche 49 der Front linse 30 des Kondensors verlassenden Lichtstrahlen grösser ist als der der Apertur der Objektivlinse 32 entsprechende Winkel.
In diesem Fall können die dien Objektpunkt 31 beleuchtenden direkten Strahlen nicht in die Objektivlinse 32 gelangen, so dass eine allseitige Dunkelfeldbeleuchtung entsteht.
In der hinteren Brennebene 58 der Objektivlinse 32 erscheint dann das in Fig. 12 dargestellte Bild. Die die Dunkelfeldbeleuchtung bewirkenden Strahlen durchqueren die ringförmige Fläche 73, wobei die Apertur der Objektivlinse 32 durch das lichtundurch lässige Feld 52 bedeckt ist. Wenn der Kondensor mit tels der Schraube 47 in der Querrichtung entlang einer Geraden verstellt wird, z.
B. in der Weise, dass in der hinteren Brennebene 58 der Objektivlinse 32 das Bild der Lichtquelle in der aus Fig. 11 ersicht lichen Form erscheint, bei welcher demnach eine sichelförmige kombinierte Beleuchtung entsteht, je doch gleichzeitig die Apertur der Objektivlinse 32 durch eine der Objektivlinse des Mikroskopes zuge ordnete nicht dargestellte Blende derart verengt wird,
dass die Apertur der Objektivlinse 32 in das vollkom- men abgedeckte Feld 52 zu liegen kommt, so wird ebenfalls eine Dunkelfeldibeleuchtung erhalten. Diese Dunkelfeldbeleuchtung ist jedoch nicht allseitig, son dern kann als eine gleichsam mehrseitige Dunkelfeld beleuchtung bezeichnet werden, deren Wirkungsgrad höher ist als der Wirkungsgrad der allseitigen Dun kelfeldbeleuchtung.
Das Grundfeld des mikroskopi schen Bildes wird nämlich bei einer derartigen Be leuchtung so dunkel, wie dies bisher lediglich mittels katoptrischer Kondensoren (Spiegelkondensoren) er reicht werden konnte. Die optischen Verhältnisse, die hiefür bürgen, gehen aus den Darlegungen bezüg lich der Fig. 9 hervor.
Wenn die Apertur der Objektivlinse 32 des Mikroskopes gross und eine Iris zur Abänderung der Apertur vorgesehen ist, oder wenn die Apertur der Objektivlinse 32 verhältnismässig gering ist, wist die quergerichtete geradlinige Verstellbarkeit des opti schen Systems des Kondensors auch den Vorteil auf, dass von der ein plastisches Bild ergebenden Hellfeld beleuchtung allmählich auf die Dunkelfeldbeleuch- tung übergegangen werden kann.