DE102010036073A1 - Light microscope and optical module - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtmikroskop, insbesondere ein Differentielles Interferenzkontrast-Mikroskop und/oder Polarisationsmikroskop und/oder Fluoreszenzmikroskop, mit einem mikroskopischen Strahlengang für Durchlicht- und/oder Auflichtmikroskopie, in dem eine Probe, insbesondere über einen Kondensor, mit Beleuchtungslicht beaufschlagbar ist, mit einem im Strahlengang angeordneten Polarisator zum Polarisieren des Beleuchtungslichts, mit einem im Strahlengang angeordneten Analysator zum Analysieren von von der Probe kommendem Licht, und mit einem im Strahlengang angeordneten Objektiv zum Abbilden der in einem Probenbereich anzuordnenden Probe. Das Lichtmikroskop ist dadurch gekennzeichnet, dass zum mindestens teilweisen Ausgleich von Depolarisationseffekten, die von zwischen dem Polarisator und dem Analysator angeordneten optischen Komponenten, insbesondere von dem Objektiv, bewirkt werden, in dem Strahlengang eine Kompensationseinrichtung vorhanden ist, die bei Auflichtmikroskopie zwischen dem Probenbereich und dem Objektiv und bei Durchlichtmikroskopie zwischen dem Kondensor und dem Objektiv angeordnet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein optisches Modul zum Anordnen in einem mikroskopischen Strahlengang eines Lichtmikroskops.The present invention relates to a light microscope, in particular a differential interference contrast microscope and / or polarization microscope and / or fluorescence microscope, with a microscopic beam path for transmitted light and / or reflected light microscopy, in which a sample, in particular via a condenser, can be exposed to illuminating light a polarizer arranged in the beam path for polarizing the illuminating light, with an analyzer arranged in the beam path for analyzing light coming from the sample, and with an objective arranged in the beam path for imaging the sample to be arranged in a sample area. The light microscope is characterized in that for the at least partial compensation of depolarization effects, which are caused by optical components arranged between the polarizer and the analyzer, in particular by the objective, a compensation device is present in the beam path, which is used in reflected light microscopy between the sample area and the Objective and in transmitted light microscopy between the condenser and the lens is arranged. The invention also relates to an optical module for arrangement in a microscopic beam path of a light microscope.
Description
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
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 by 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 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, often a so-called Maltese Cross is 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
Als eine Aufgabe 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 object 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
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 Polarisator 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 angeordnet ist.In the light microscope of the abovementioned type, according to the invention, at least partial compensation of depolarization effects caused by optical components arranged between the polarizer and the analyzer, in particular by the objective, is provided in the beam path by means of compensation light microscopy between the sample area and the lens and transmitted light microscopy between the condenser and the lens is arranged.
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.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.
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.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.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. Thus, the light coming from the sample diverges at an angle that depends on the numerical aperture of the objective.
Der Begriff Beleuchtungslicht umfasst das auf die Probe zulaufende Licht, also bei 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.The term illumination light encompasses the light that flows onto the sample, that is to say in reflected-light microscopy, the light conducted with the objective onto the sample and, in transmitted-light microscopy, the light conducted with the condenser onto the sample. 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.
Besonders vorteilhaft ist die Anordnung der Kompensationseinrichtung direkt benachbart zum Objektiv. In der Regel wird durch das Objektiv ein hoher Anteil der gesamten 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.Particularly advantageous is the arrangement of the compensation device directly adjacent to the lens. As a rule, a high proportion of the total depolarization effects is caused by the objective, whereby these differ in different objectives. 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 Depolarisationseffekt 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 Depolarisation 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 Depolarisationseffekt be minimized. For example, one can be in the beam path behind the lens located tube lens are arranged behind the analyzer, so that caused by the tube lens depolarization effects need not be compensated. This is particularly important because tube lenses are usually not built 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 be located 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. Parallel platelets are understood to mean any birefringent platelets having a major axis aligned parallel to the optical axis of the objective. 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 mindestens 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, the material and thickness of the at least one parallel plate can 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 Einfallsebene an der optischen Komponente polarisiert ist, und für Licht, das parallel zu der Einfallsebene an der optischen Komponente polarisiert ist, aufweisen. Durch differentielle 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. A differential transmission occurs when optical components have different transmissions for light polarized perpendicular to the plane of incidence on the optical component and for light polarized parallel to the plane of incidence on the optical component. By differential transmission, the vibration plane of a linear polarization is rotated. 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 Depolarisation 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. These can be the Durchlassrichtungen of the polarizer and the analyzer are aligned with each other by an angle different from 90 ° to each other and / or an additional vertical platelets can be arranged in the compensating 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 erfindungsgemäßen 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.In order for a perpendicular die to compensate for a depolarization effect based on differential transmission, the angle of the major axis of the perpendicular 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 the optical module according to the invention, that the vertical plate acts as a λ / 4 plate or 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.
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.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 Senkrecht-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.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 major axis of the vertical slide is oriented to halve 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.
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.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 is 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 achromatic or 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 0,2 mm bis 0,3 mm. 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 5 μm und 1 mm, insbesondere zwischen 10 μm und 100 μm. Hingegen können bei Trockenobjektiven ohne Immersionsöl 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 is 40x magnification and oil immersion having a refractive index of n = 1.52, whereby the numerical aperture can be 1.3, at 0.2 mm to 0.3 mm. 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 between 10 μm and 100 μm. On the other hand, larger platelet thicknesses can be provided for dry lenses without immersion oil.
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 Mehrfachbeschichtung 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 the optical according to the invention. Module is the compensation device, in particular one of the plates, on the sample side of the lens fixedly connected to the lens, 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 Kompensationseinrichtung 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 a plurality of objectives are to be usable in the light microscope, for example via an objective revolver, a separate compensation device can be present for each objective because of the different depolarization effects of the different objectives. 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 Al2O3 oder Kristallquarz SiO2 auf. Alternativ können die Plättchen aber auch jedes andere doppelbrechende Material, insbesondere einen Polymer, aufweisen.So that the platelets exhibit a birefringent effect, in a preferred variant of the light microscope according to the invention or the optical module of the invention each platelet comprises a crystal, in particular a uniaxial crystal, in particular from the group magnesium fluoride MgF 2 , calcite CaCO 3 , sapphire Al 2 O 3 or crystal quartz SiO 2 on. 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 can be provided that a mechanical means, in particular a mechanical adjusting ring, is present in order to prevent rotation of the compensation device about the optical Allow axis of the lens to adjust the caused by the compensation device polarization change. 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. In addition, 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:Further advantages and features of the invention will be described below with reference to the accompanying schematic figures. Herein show:
Äquivalente Komponenten sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Equivalent components are identified by the same reference numerals in all figures.
Unter der Querschnittsfläche
Um einen bestmöglichen Bildkontrast zu erreichen, sollte bei dieser gekreuzten Anordnung von Polarisator
Ohne Kompensationseinrichtung
Verursacht wird die Depolarisation durch verschiedene Depolarisationseffekte an optischen Komponenten im Strahlengang
Die Stärken der Depolarisationseffekte sind in der Regel abhängig von der numerischen Apertur des verwendeten Objektivs
Ziel ist es, die hier dargestellte Depolarisation mit Hilfe der Kompensationseinrichtung weitestgehend auszugleichen, so dass durch gekreuzte Polarisatoren eine dunkle Pupille sichtbar ist.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.
Bei der in
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
Graph
In
Zudem ist ein Kondensor
Angaben wie „vor”, „hinter” und „nach” mit Bezug auf die Komponenten
Beleuchtungslicht wird entlang dem mikroskopischen Strahlengang
Das Beleuchtungslicht durchläuft den Polarisator
Über den Kondensor
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
Alternativ ist es aber auch möglich, die Kompensationseinrichtung
Nach Durchlaufen der Kompensationseinrichtung
Das Objektiv
Im Fall von differentieller Interferenzkontrast-Mikroskopie ist im Strahlengang hinter dem Objektiv
Schließlich ist im mikroskopischen Strahlengang
Im Fall eines Polarisationskontrast-Mikroskops entfallen die Wollaston-Prismen
Eine schematische Gesamtdarstellung eines erfindungsgemäßen Lichtmikroskops
Hierbei strahlt eine Lichtquelle
Der hier dargestellte Strahlquerschnitt deutet den maximal auftretenden Strahlquerschnitt an, also die Gesamteinhüllende allen auftretenden Lichts, was bei Durchlichtmikroskopen 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 corresponds approximately to the pupil beam path.
Das Lichtmikroskop
Das polarisierte Beleuchtungslicht
Von dem Probenbereich
Im mikroskopischen Strahlengang
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
Hinter dem Analysator
Eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen optischen Moduls
Das optische Modul
Bei dem dargestellten Abbildungsstrahlengang verläuft das von dem Probenbereich
Zunächst durchläuft das von der Probe kommende Licht
Anschließend trifft das das von der Probe kommende Licht
Die Kompensationseinrichtung
Abhängig von dem Winkel, unter dem von der Probe kommendes Licht
Ausführungsbeispiele der Kompensationseinrichtung
Bei jedem der Ausführungsbeispiele weist die Kompensationseinrichtung
Die Plättchen
Die Ausführungsbeispiele unterscheiden sich in Material, Dicke und Anzahl der Plättchen
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
Die Größe der Phasendrehung hängt von der Brechzahl no für den ordentlichen Strahl sowie von der Brechzahl na für den außerordentlichen Strahl ab.The magnitude of the phase rotation depends on the refractive index n o for the ordinary ray and on the refractive index n a for the extraordinary ray.
Zur Veranschaulichung des ordentlichen und des außerordentlichen Strahls ist in den
Die außerordentliche Brechzahl na ist vom Einfallswinkel θ abhängig, der zu der optischen Achse
Die Abhängigkeit der außerordentlichen Brechzahl na(θ) 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: 1/na 2(θ) = cos2(θ)/no 2 + sin2(θ)/na 2.The dependence of the extraordinary refractive index n a (θ) on the angle of incidence θ is given in the following formula, wherein the refractive index na 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 : 1 / n a 2 (θ) = cos 2 (θ) / n o 2 + sin 2 (θ) / n a 2 .
Beispielhaft sind in der folgenden Tabelle für verschiedene Materialien die ordentliche Brechzahl no, die außerordentliche Brechzahl na und die außerordentliche Brechzahl na(58°) für einen Einfallswinkel von 58° aufgelistet. Dieser Einfallswinkel entspricht einem typischen Aperturwinkel eines Lichtmikroskops
Magnesiumfluorid MgF2 und Quarz SiO2 haben einen ordentlichen Brechungsindex, der kleiner als ihr außerordentlicher Brechungsindex ist, und sind somit positiv doppelbrechend. Kalkspat und Saphir, also Calciumcarbonat CaCO3 und Aluminiumoxid Al2O3, sind hingegen negativ doppelbrechend.Magnesium fluoride MgF 2 and quartz SiO 2 have an ordinary refractive index smaller than their extraordinary refractive index and thus are positively birefringent. Calcite and sapphire, calcium carbonate CaCO 3 and aluminum oxide Al 2 O 3 , are, however, negatively birefringent.
In den
In
Das positiv und das negativ doppelbrechende Plättchen
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.
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 2,9 μm haben.The table illustrates that any phase rotation can be achieved with comparatively large platelet thickness. In contrast, a single plate of magnesium fluoride for a phase rotation of 4 ° would have an extremely small thickness of only 2.9 microns.
Die Plättchen
Durch das Plättchen
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.
Zwar bewirkt das Plättchen
Bei schiefem Einfall auf ein Senkrecht-Plättchen
Bevorzugt weist die Kompensationseinrichtung
Der erzielbare Bildkontrast bei einem Polarisationsmikroskop und/oder einem differenziellen 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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