Prinzipien des VHDK

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Im variablen Hell-Dunkelfeld-Kontrast (VHDK) wird das Objekt zeitgleich von zwei Lichtkomponenten beleuchtet, welche zwei Teilbilder erzeugen, ein Hellfeld- und ein Dunkelfeld-analoges Bild. Beide Teilbilder werden optisch überlagert und interferieren miteinander. Die Durchlassflächen der beiden beleuchtenden Lichtkomponenten und folgerichtig auch die Intensitäten und Helligkeiten der zugehörigen Teilbilder können separat und unabhängig voneinander vom Anwender reguliert werden. Auf diese Weise kann der Charakter der optischen Kontrastierung in feinen Schritten verändert werden und das resultierende Bild kann kontinuierlich von einem hellfeldartigen Aspekt über eine ausgewogene Gewichtung beider Teilbilder mit mittlerer Hintergrundhelligkeit bis zu dunkelfeldartigen Ansichten verändert werden. VHDK kann weiterhin in axialem, azimutalem, konzentrischem, exzentrischem bzw. schrägem Beleuchtungslicht erzeugt werden; in den schrägen Beleuchtungsvarianten kann der Einfallswinkel des Lichtes kontinuierlich verändert und angepasst werden. Um VHDK zu erzeugen, muss der Kondensor in spezieller Weise umgestaltet werden. Ein fakultativer Lichtstopper kann zusätzlich bei Erfordernis in den Strahlengang integriert werden. In allen Varianten des VHDK kann die Aperturblende des Kondensors für Verbesserungen der resultierenden Bildqualität eingesetzt werden.

Auf die beschriebene Weise können lichtabsorbierende und lichtreflektierende Komponenten innerhalb eines Objektes gleichzeitig dargestellt werden. Das Hellfeld-analoge Teilbild basiert auf dem nullten Beugungs-Hauptmaximum und kommt durch Absorption und Beugung des durchfallenden Lichtes zustande. In dem Dunkelfeld-analogen Teilbild trägt das nullte Beugungs-Hauptmaximum hingegen nicht zur Bildgebung bei, da die zugehörigen beleuchtenden Lichtstrahlen am Objektiv vorbeigeleitet werden. Aus diesem Grunde basiert dieses Dunkelfeld-Teilbild ausschließlich auf sekundären Beugungsmaxima und reflektiertem bzw. gestreutem Licht (Determann und Lepusch, 1991b). Die speziellen Kontrastierungseffekte meiner neuen Methode resultieren folglich aus der Überlagerung und Interferenz dieser grundlegend unterschiedlich generierten Teilbilder.


Optische Realisierung von VHDK:

VHDK-Beleuchtung kann optisch auf unterschiedliche Weise erzeugt werden. Es können zwei grundlegend unterschiedliche Varianten unterschieden werden:

Kondensor-basierte und Blendenschieber-basierte Ausführungen. In beiden Techniken (Kondensor- und Blendenschieber-basiert) kann das Objekt in einem axialen/konzentrischen oder schrägen/exzentrischen Licht beleuchtet werden.


Kondensor-basierter konzentrischer VHDK:
 


 
Abb. 1:
Strahlengang im konzentrischen (a) und exzentrischen (b) VHDK ohne
Blendenschieber, Kondensor-Linsen nicht eingezeichnet
1 = Durchleuchtende Strahlen der Innenzone (Hellfeld-Äquivalent)
2 = Beleuchtende Strahlen der Außenzone (Dunkelfeld-Äquivalent)
3 = Bildgebende, vom Objekt gebeugte und reflektierte Strahlen
LR = Lichtring im Kondensor


Um konzentrischen VHDK zu erzeugen, ist eine Objektiv-Lichtring-Kombination erforderlich, bei welcher der innere Durchmesser des jeweiligen Lichtringes etwas kleiner und sein äußerer Durchmesser etwas größer ist als der Durchmesser der optisch wirksamen Objektiv-Querschnittsfläche. Um dies zu erreichen, kann beispielsweise ein normaler Universalkondensor für Phasenkontrastuntersuchungen entsprechend umgestaltet werden, so dass für jedes vorhandene Objektiv ein passendes Set abgestimmter Lichtringe zur Verfügung steht.

Auf diese Weise wird das Objekt auf Hellfeld-analoge Weise konzentrisch von Lichtstrahlen beleuchtet, welche aus der Innenzone des Lichtringes kommen und die periphere Randzone des Objektivquerschnitts passieren. Zusätzlich wird das Objekt auch auf dunkelfeldartige Weise von konzentrischem Licht aus der Außenzone des Lichtringes beleuchtet, welches in schrägem Winkel am Objektiv vorbei läuft. In beiden so erzeugten Teilbildern wird das Objekt von einem konzentrischen Lichtkonus beleuchtet. Der zugehörige Strahlengang ist in Abb. 1a ersichtlich.



Abb. 2: Justierungen der Einstellungen aus Abb. 1 bei Kontrolle durch eine Einstell-Lupe,
konzentrischer VHDK mit breiter, Hellfeld-dominierter (a)
und schmaler, Dunkelfeld-dominierter (b) Innenzone,
exzentrisches Hell-Dunkelfeld (c)


Mit Hilfe einer Einstell-Lupe (Einstell-Okular), welche auch zur Justierungskontrolle von herkömmlichem Phasenkontrast verwendet wird, kann die Justierung und Position des jeweiligen Lichtringes visuell kontrolliert werden (Abb. 2a und b). Die Innenzone des Lichtringes projiziert sich in den äußeren Randbereich des Objektivquerschnitts und ist im Bild der Einstell-Lupe sichtbar, während die Außenzone des Lichtringes im Einstell-Fernrohr nicht zu erkennen ist, da sie sich außerhalb der Objektiv -Querschnittsfläche projiziert. Wenn die Innenzone des Lichtringes breit gehalten wird, ergibt sich im resultierenden Überlagerungsbild eine Dominanz der Hellfeld-Komponente; andererseits wird die Dunkelfeld-Komponente dominieren, wenn die Breite der beleuchtenden Innenzone zu Gunsten der Außenzone verringert wird (Abb. 2b).

Die Breite der Außenzone, welche mit dem Dunkelfeld-Teilbild korrespondiert, kann mit Hilfe der Aperturblende des Kondensors bei Bedarf verringert werden. Auf diese Weise kann die vertikale Auflösung (Schärfentiefe) angehoben werden; zusätzlich sind potentielle, mit Dunkelfeld assoziierte Überstrahlungen und Lichtstreuungen verringert. Sofern das Objektiv mit einer zusätzlichen Irisblende ausgestattet ist, welche sich in der hinteren Objektiv-Brennebene befindet, kann die Querschnittsfläche des Objektivs bei Erfordernis reduziert werden, so dass der Objektivquerschnitt auch an relativ schmale Lichtringe angepasst werden kann, deren Außendurchmesser unter demjenigen des optisch wirksamen Objektivquerschnitts liegt

Die Projektionsgröße des Kondensor-Lichtringes und der Weg der beleuchtenden Lichtkomponenten kann bedarfsweise verändert und in feinen Schritten angepasst werden, wenn der Kondensor in seiner Höhe verstellt wird. Alternativ könnte auch die Kopflinsengruppe eines mehrlinsigen Kondensors als Zoom-System ausgestaltet werden, so dass die Schnittweite des Kondensors kontinuierlich veränderbar wäre.


Kondensor-basierter exzentrischer VHDK:

Um schräge Beleuchtung zu erreichen, kann der Lichtring im Kondensor so weit dezentriert werden, dass sich die Außenzone der Objektiv-Querschnittsfläche und die Innenzone des Kondensor-Lichtringes partiell überlappen. Die sonstigen Einstellungen bleiben wie vorbeschrieben. Der Lichtweg dieser Schrägbeleuchtungsvariante wird in Abb. 1b gezeigt, eine korrespondierende Einstellungsansicht, kontrolliert durch eine Einstell-Lupe, in Abb. 2c.


Blendenschieber-basierter axialer VHDK:




Abb. 3:
Doppelblendenschieber für VHDK




Eine hohe Variabilität der Bildgebung kann im VHDK erreicht werden, wenn ein Blendenschieber mit einem lichtstoppenden Element auf geeignete Weise in den Strahlengang integriert wird. Der Lichtstopper sollte sich in der hinteren Objektiv-Brennebene befinden oder nahe dieser Brennebene positioniert sein. In meinem Prototyp habe ich den Lichtstopper direkt oberhalb des Objektivrevolvers an Stelle eines Analysator-Schiebers eingefügt. Wie in Abb. 3 gezeigt wird, war der verwendete Lichtstopper als Doppelblendenschieber ausgelegt. Wird dieser Schieber adäquat positioniert, können die bildgebenden Strahlen die Doppelblenden passieren, während das eintreffende Beleuchtungslicht vollständig oder teilweise von dem Doppelblendenschieber abgedeckt wird. In der beschriebenen Anordnung kann entweder der Mittelsteg zwischen beiden Blendenöffnungen als Lichtstopper fungieren, oder es können die kreisbogig begrenzten Flächen neben den jeweiligen Blenden hierzu verwendet werden.



Abb. 4: Strahlengang im axialen (a) und exzentrischen (b) VHDK mit Blendenschieber,
Kondensor-Linsen nicht eingezeichnet
1 = Beleuchtende Strahlen
2 = Bildgebende, vom Objekt gebeugte und reflektierte Strahlen
LR = Lichtring im Kondensor,
DBS =  Doppelblendenschieber,
BL = Blende im Kondensor (horizontal verschiebbar)


Wie aus den Abbildungen 4a und 5a hervorgeht, kann axialer VHDK erzeugt werden, wenn ein groß dimensionierter Kondensor-Lichtring in äquatoriale oder axiale Position gebracht wird, so dass die passierenden beleuchtenden Lichtstrahlen kongruent zu bzw. näherungsweise parallel zur optischen Achse verlaufen. Durch partielles Schließen der Kondensor -Aperturblende kann die Fläche der beleuchtenden Lichtzone weiter verringert werden, so dass eine zunehmende Bündelung des Beleuchtungslichts erreicht wird (Abb. 5b). Der Lichtstopper hat nun so in den Strahlengang eingeführt zu werden, wie in Abb. 5c gezeigt. Wenn das eintreffende Beleuchtungslicht komplett abgedeckt wird, resultiert ein axiales Dunkelfeldbild. Sofern der Lichtstopper geringfügig in eine paramediane Position verschoben wird, kann ein kleiner Anteil des Beleuchtungslichts nach der Objektpassage am Lichtstopper vorbei laufen und die Objektivlinsen passieren, so dass ein Hellfeld-Bild überlagert wird. Die Gewichtung beider Teilbilder (Hell- und Dunkelfeld) kann durch moderates Verschieben des Doppelblendenschiebers variiert werden. Wenn der als Lichtstopper fungierende Trennsteg des Blendenschiebers von einer Mittelstellung in eine zunehmend laterale Position verschoben wird, kann der Charakter des resultierenden Bildes und ebenso die Hintergrundhelligkeit kontinuierlich von axialem Dunkelfeld über unterschiedlich gewichtete VHDK-Beleuchtung zu Hellfeld-Beleuchtung verändert werden. Je geringer die Überdeckung von Lichtstopper und Kondensor-Lichtring ist, desto mehr wird das hellfeldartige Teilbild dominieren. Innerhalb des Doppelblenden-Systems dient diejenige Öffnung, die von den durchfallenden Beleuchtungs -Lichtkomponenten passiert wird, der Erzeugung des Hellfeld-Bildes und die benachbarte Blendenöffnung wird vorzugsweise von reflektierten und gestreuten bildgebenden Lichtkomponenten passiert, welche mit dem dunkelfeldartigen Teilbild assoziiert sind.



Abb. 5: Justierungen für axiales Hell-Dunkelfeld gemäß Abb. 4a, Kontrolle durch Einstell-Lupe,
mittige (äquatoriale) Justierung des Lichtringes (a), optionale Anpassung der Aperturblende (b),
axiale bzw. zentrische Justierung des Blendenschiebers (c)


Blendenschieber-basierter VHDK in Schrägbeleuchtung:

Entsprechend dem Strahlengang von Abb. 4b kann das Objekt auch in Schrägbeleuchtung untersucht werden, wenn der Kondensor-Lichtring zu einer Seite hin in eine paramediane oder paraäquatoriale Position verschoben wird. Der Lichtstopper muss selbstredend in entsprechender Richtung verschoben werden, so dass er mit dem beleuchtenden Lichtdurchlass optisch kongruent bleibt. Auf diese Weise kann der Exzentrizitätsgrad und somit der Einfallswinkel des Beleuchtungslichts kontinuierlich verändert werden. Eine maximale Exzentrizität kann erreicht werden, wenn der Kondensor-Lichtring in die Randzone der Objektiv-Querschnittsfläche verschoben wird (Abb. 6a). In dieser Position kann die beleuchtende Lichtzone auf praktische Weise von einer der lichtundurchlässigen Randflächen neben den beiden Durchlässen des Doppelblendenschiebers abgedeckt werden (Abb. 6b). Auch in dieser Anordnung kann die Gewichtung der Hell- und Dunkelfeld-analogen Teilbilder dem Objekt angepasst und verändert werden, wenn der Doppelblendenschieber geringfügig verschoben wird. Weiterhin kann auch bei dieser Variante das Beleuchtungslicht grundsätzlich durch eine verschiebbare Kondensor-Blende bedarfsweise eingegrenzt werden (vgl. Abb. 4b).



Abb. 6:
Justierungen für exzentrischen VHDK mit Blendenschieber gemäß Abb. 4b,
Kontrolle durch Einstell-Lupe, periphere Justierung des Lichtringes (a),
Abdeckung mit bogig begrenztem Blendenschieber (b), Erzeugung von Schräglicht 
durch teilweise Abdeckung eines konzentrisch beleuchtenden Lichtrings (c) 


Wenn konzentrischer VHDK, entsprechend der Abbildungen 2a oder b realisiert wird, kann eine selektive Schrägbeleuchtung für das Hellfeld-Teilbild erreicht werden, wenn ein Sektor der beleuchtenden Lichtzone durch den Lichtstopper von Abb. 3 abgedeckt wird (siehe Abb. 6c). Alternativ kann eine globale Schrägbeleuchtung beider Teilbilder erreicht werden, wenn ein Sektor des Lichtringes im Kondensor abgedeckt wird, so dass beide Teilbilder, das Hell- und das Dunkelfeld-Bild, jeweils in Schrägbeleuchtung generiert werden.



Letztes Update: 10.08.2012
Copyright: Timm Piper, 2012