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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur mikroskop-optischen
Erfassung von Anisotropien in mikroskopisch kleinen Objekten, welche
die Polarisationseigenschaften von Licht beeinflussen. Insbesondere
betrifft die Erfindung eine Anordnung zum Mikroskopieren biologischer
Zellen und deren Anisotropien.
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Die
Erfassung von Anisotropien mikroskopisch kleiner Objekte ist unter
anderem auf dem Gebiet der Mikrobiologie von Interesse, da insbesondere
die Erbinformation in biologischen Zellen unter günstigen
Bedingungen zu anisotropen Zellbereichen führt.
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Anisotropien
werden üblicherweise
erfaßt, indem
Veränderungen
der Eigenschaften im optischen Strahlengang von der Beleuchtung über bzw. durch
das zu untersuchende Objekt hin zu einem Bildsensor mit Hilfe von
Elementen erfaßt
werden, die ihrerseits die Polarisationseigenschaften von Licht
beeinflussen und deren Parameter elektrisch einstellbar sind. Geeignete
einstellbare Elemente sind beispielsweise Flüssigkristall-Zellen.
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Indem
von einem zu untersuchenden Objekt mehrere Abbilder mit unterschiedlich
konfiguriertem Strahlengang erzeugt werden, ist genügend Information
vorhanden, um zusätzlich
zu der bei der klassischen Lichtmikroskopie ermittelten geometrischen Verteilung
der Lichtdurchlässigkeit
des Objekts in einer gewählten
Ebene (Fokusebene) die geometrische Verteilung der optischen Anisotropie
(insbesondere der optischen Verzögerung)
des Objekts in derselben Ebene zu erfassen.
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Dabei
ist für
die mikrobiologische Anwendung insbesondere der Fall von minimalen
Anisotropien technisch anspruchsvoll, da in diesem Fall eine hohe
Genauigkeit der Untersuchung erforderlich ist.
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Die
Polarisationsmikroskopie und ihre mikrobiologische Anwendung sind
seit langem bekannt. In der klassischen Methode wird dabei die Veränderung des
optischen Strahlengangs mit Hilfe mechanischer Veränderung
(meist Rotation) von geeigneten Elementen, entweder von Hand oder
durch Motoren angetrieben, erreicht. Ein auf mechanische Bewegung verzichtendes
System, welches vorzugsweise auf der Verwendung von Flüssigkristall-Zellen
mit spannungsabhängig
variabler optischer Verzögerung
beruht, ist in US Patentschrift 5,521,705 beschrieben.
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Zur
Charakterisierung der Anisotropie wird üblicherweise der Parameter "optische Verzögerung" genutzt. Dieser
ist definiert als Phasenverschiebung zwischen den x- und y-Komponenten
polarisierten Lichts nach Durchqueren eines anisotropen Materials,
d.h. eines Materials mit richtungsabhängigem Brechungsindex. Die
Extraktion der optischen Verzögerung
erfolgt dabei entweder manuell oder mittels Bildverarbeitung auf
der Basis von mehreren mikroskopischen Aufnahmen des zu untersuchenden
Objektes in verschiedenen Konfigurationen des Strahlengangs. Bei
einer modellhaften mathematischen Betrachtung des Problems stellt
sich dabei heraus, daß mindestens
drei Abbilder des Objektes in verschiedenen Konfigurationen des
Strahlengangs nötig sind,
um alle interessanten Parameter zu ermitteln: die lokale Lichtdurchlässigkeit
des Objekts sowie die Orientierung der Anisotropieeigenschaft, charakterisiert
durch ihren Orientierungswinkel in der Bildebene sowie durch ihren
Betrag, meist in Nanometer gemessen.
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In
der Praxis zeigen sich allerdings einige Unzulänglichkeiten der bekannten
Systeme, die insbesondere die Analyse bewegter bzw. sich bewegender
Objekte verhindern. Denn für
die Anisotropie-Analyse bewegter Objekte ist es erforderlich, daß die nötigen mindestens
drei Abbilder des Objektes in verschiedenen Konfigurationen des
Strahlengangs in schneller zeitlicher Abfolge erstellt werden. Ein
derartiger Meßzyklus
sollte dabei so schnell ablaufen können, daß die bewegten Objekte während eines
Meßzyklus
näherungsweise
als unbeweglich angesehen werden können.
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Bei
bekannten Systemen weist die variable Konfiguration des Strahlengangs
für isotrope
Objekte oder isotrope Objektbereiche nicht die notwendige Invarianz
auf. Da die isotropen Bereiche, d.h. die Bereiche der analysierten
Objekte, die keine Anisotropien aufweisen, üblicherweise den überwiegenden
Anteil des Bildausschnitts ausfüllen,
resultiert die fehlende Invarianz in einem störenden Flackern, d.h. die Grundhelligkeit
des mikroskopierten Bildes ändert sich
zyklisch. Dies erschwert jedoch die Nutzung von Bildsensoren zur
automatischen Erfassung und Auswertung der Abbildungen des Objekts
erheblich, da die Helligkeitsschwankungen nachträglich rechentechnisch korrigiert
werden müssen,
wobei derartige Berechnungen stets einen verschlechterten Signal-Rausch-Abstand
zur Folge haben. Ferner wird die Anwendung von technisch üblichen
Bildsensoren mit adaptiver Helligkeitssteuerung verhindert, die dem
raschen Flackern nicht folgen können.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung
und ein Verfahren zur mikroskop-optischen Erfassung von Anisotropien
in mikroskopisch kleinen Objekten anzugeben, welche die Erfassung
von Anisotropien bewegter oder sich bewegender Objekte zuläßt.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Anordnung zum mikroskop-optischen Erfassen
von Anisotropien in Objekten gemäß Anspruch
1 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Anordnung
weist einen Strahlengang auf, der sich zwischen einer Lichtquelle
und einem optischen Sensor erstreckt, wobei das Objekt in diesem
Strahlengang angeordnet ist. Im Strahlengang sind ferner ein Element
zur polarisationsoptischen Analyse sowie mindestens ein durch eine
Steuerung beeinflußbares
Element angeordnet, welches eine hinsichtlich eines Rotationswinkels
steuerbare Rotation der Polarisationseigenschaften durchdringenden Lichtes
hervorruft. Eine Steuerung der Anordnung weist Mittel auf, durch
welche mindestens drei verschiedene Rotationswinkel vorgebbar sind
sowie Mittel, um mittels des optischen Sensors für jeden der mindestens drei
Rotationswinkel ein Abbild des Objekts zu erfassen. Die Anordnung
ist so ausgestaltet ist, daß die
Abbilder eines isotropen Bereichs des Objekts bezüglich der
Rotationswinkel im Wesentlichen gleich sind.
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Vorteilhaft
kann eine Lichtquelle vorgesehen werden, die annähernd monochromatisches, zirkulär polarisiertes
Licht erzeugt.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird als Element zur polarisationsoptischen Analyse ein
lineares Polarisationsfilter genutzt.
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Zum
Erzeugen von drei Rotationswinkeln kann ein beeinflußbares Element
vorgesehen werden, bei welchem bei entsprechender Ansteuerung mindestens
drei verschiedene Rotationswinkel einstellbar sind. Vorzugsweise
wird ein Element genutzt, das Rotationswinkel von annähernd 0°, 60° und 120° oder 0°, 120° und 240° zuläßt.
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Anstelle
des einen Elements mit mindestens drei Zuständen können auch zwei beeinflußbare Elemente
vorgesehen werden, die jeweils zwei Rotationswinkelzustände aufweisen
und so angeordnet sind, daß zumindest
drei verschiedene Rotationswinkel durch Ansteuerung der beiden beeinflußbaren Elemente
einstellbar sind. Vorzugsweise werden dann beeinflußbare Elemente
genutzt, die Rotationswinkel von 0° und 60° oder 0° und 120° aufweisen. Diese Elemente werden
dann so angeordnet, daß durch
Beeinflussung der beiden Elemente zumindest drei verschiedene resultierende
Rotationswinkel von annähernd
0°, 60° und 120° oder 0°, 120° und 240° einstellbar
sind.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden beeinflußbare Elemente
eingesetzt, die so gestaltet sind, daß sie keine optische Verzögerung oder
eine optische Verzögerung,
die einem Vielfachen der Wellenlänge
des von der Lichtquelle erzeugten Lichts entspricht, hervorrufen.
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In
einer alternativen Ausgestaltung werden Elemente genutzt, die in
einem ansteuerungsfreien Zustand eine Rotation um einen Rotationswinkel
sowie eine optische Verzögerung
hervorrufen und in einem angesteuerten Zustand annähernd keine
Rotation und annähernd
keine Verzögerung
hervorrufen. Zusätzlich
wird ein optisches Kompensationselement, beispielsweise ein Verzögerungselement,
im Strahlengang angeordnet, dessen Parameter, beispielsweise Verzögerung und
Anordnungswinkel, bezüglich
der beeinflußbaren
Elemente so gewählt
werden, daß sich
die Abbilder eines isotropen Bereichs des Objekts in den verschiedenen
resultierenden Rotationswinkeln nicht oder nur minimal unterscheiden. Dieses
Verzögerungselement
wird vorzugsweise im Strahlengang zwischen den beeinflußbaren Elementen
angeordnet. Dabei können
vorteilhaft beeinflußbare
Elemente verwendet werden, die so ausgestaltet sind, daß der Rotationswinkel
im ansteuerungsfreien Zustand annähernd 90° beträgt. Solche Elemente sind von
verschiedenen Herstellern preiswert erhältlich und werden häufig als
optische Ventile bzw. Shutter eingesetzt.
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Als
beeinflußbare
Elemente sind beispielsweise TN (Twist Nematic)-Flüssigkristallzellen
geeignet, da diese Zellen hinreichend schnell auch für die Erfassung
mit Bildraten von 10–50
Bildern pro Sekunde sind und somit die Erfassung von Anisotropien sich
bewegender oder bewegter Objekte zulassen.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß die verschiedenen
(mindestens drei) Aufnahmen des zu untersuchenden Objektes in verschiedenen
Konfigurationen des Strahlengangs sich in Bildbereichen ohne Anisotropien,
d.h. in isotropen Bildbereichen, nicht oder nur minimal in der Helligkeit
unterscheiden, wodurch sich die Bildwiedergabe (in einem Okular
des Mikroskops sowie auf dem Bildsensor) außerhalb der eventuell vorhandenen
anisotropen Regionen des zu untersuchenden Objektes nicht oder nur
minimal von einer klassischen mikroskopischen Bildwiedergabe unterscheidet.
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Ein
weiterer wichtiger Vorteil eines Systems, welches eine derartige
Invarianz aufweist, ist die Beibehaltung einer zeitlich weitgehend
gleichmäßigen Grundhelligkeit,
insbesondere beim Mikroskopieren biologischer Zellen, die große isotrope
Objektbereiche aufweisen. Diese gleichmäßige Grundhelligkeit ist für eine automatische
zeitunabhängige
Einstellung des Bildsensors auf die Beleuchtungsverhältnisse
vorteilhaft, um eine optimale Präzision
und insbesondere einen geringen Rauschabstand der Bildaufnahme zu
gewährleisten.
Eine gleichmäßige Grundhelligkeit
ist auch für
technisch übliche
Bildsensoren mit adaptiver Helligkeitssteuerung von Vorteil, da
die dort verwendeten adaptiven Verfahren für quasistatische, d.h. sich
nur langsam verändernde,
Beleuchtungsverhältnisse
ausgelegt sind.
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Im
folgenden werden Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Die
einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Mikroskopieranordnung 100 mit
einer Lichtquelle 102 und einem optischen Sensor 104. Dargestellt
ist ferner ein Strahlengang 106, der sich zwischen Lichtquelle 102 und
Sensor 104 erstreckt. Ein zu mikroskopierendes Objekt 108 wird üblicherweise
mittels eines Objektträgers 110 in
den Strahlengang 106 gebracht. Die Mikroskopieranordnung 100 wird
ferner in der Praxis häufig
ein Objektiv 114 aufweisen.
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Für die Anwendung
ist es von Vorteil, wenn die Beleuchtung des zu analysierenden Objekts 108 durch
geeignet polarisiertes Licht, welches zeitlich unveränderlich
ist, erfolgt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die
Beleuchtung des Objekts 108 mit zirkulär polarisiertem Licht, welches durch
Einfügen
eines zirkulären
Polarisationsfilters 112 in den Strahlengang zwischen Lichtquelle 102 des
Mikroskops und Objekt 108 erzeugt wird. Eine modellhafte
mathematische Betrachtung des Problems zeigt, daß (nur) eine Beleuchtung mit
zirkulär polarisiertem
Licht eine vollständige
Analyse der Anisotropien unabhängig
von deren Ausrichtungswinkel in der Betrachtungsebene ermöglicht.
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Eine
für isotrope
Objektbereiche invariante Anordnung, die eine gleichmäßige Grundhelligkeit liefert,
wird erreicht, indem im Strahlengang 106 zwischen dem zu
analysierenden Objekt 108 und dem Sensor 104 ein
oder mehrere Elemente 116 angeordnet werden, welche die
Polarisationseigenschaften des Lichts im Strahlengang 106 elektrisch
einstellbar rotieren können.
Besonders vorteilhaft sind beeinflußbare Elemente 116,
die ihrerseits dabei keine optische Verzögerung bzw. Anisotropie zu
erzeugen. Dabei ist von Vorteil, daß jene Anteile des zirkulär polarisierten
Lichts von der Lichtquelle 102, welche nicht durch Anisotropien
im Objekt 108 in ihren Polarisationseigenschaften verändert wurden,
die also immer noch zirkulär
polarisiert sind, durch Rotation nicht polarisationsoptisch meßbar beeinflußt werden. Daher
wird eine im Strahlengang 106 folgende polarisationsoptische
Analyse, die vorteilhaft mittels eines lineares Polarisationsfilters 120 erfolgt,
die gewünschten
Invarianzeigenschaften besitzen.
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Eine
in der Figur schematisch dargestellte Steuerung 122 wird
vorgesehen, um das oder die Elemente 116 elektrisch anzusteuern
und so die durch Elemente) 116 hervorgerufene optische
Rotation auf einen gewünschten
Rotationswinkel einzustellen. Ferner kann vorgesehen sein, die Steuerung mit
dem Sensor 104 zu koppeln, um nach dem Einstellen eines
Rotationswinkels mittels des Sensors 104 ein Bild zu erfassen
bzw. die Erfassung auszulösen.
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Um
eine effiziente Quantisierung der Anisotropien außerhalb
der invarianten (isotropen) Objektbereiche zu erreichen, werden
mindestens drei Abbilder des Objekts mittels mindestens dreier verschiedener
Konfigurationen erfaßt.
Die verschiedenen Konfigurationen werden durch drei verschiedene
Rotationswinkel erreicht. Dies kann durch ein Element 116A mit
drei verschiedenen Rotationskonfigurationen oder durch zwei aufeinander
folgende Elemente 116A, 116B mit je zwei verschiedenen
Rotationskonfigurationen erfolgen. Von den sich bei zwei Elementen
ergebenden vier möglichen
Konstellationen können
drei vorteilhafte ausgewählt
werden. Wird nur ein Element 116A vorgesehen, werden von
der Steuerung 122 drei verschiedene Spannungen entsprechend
den drei verschiedenen Rotationswinkeln des Elements 116A geliefert.
Werden hingegen zwei Elemente 116A, 116B vorgesehen,
liefert die Steuerung jeweils einen von zwei Spannungswerten jeweils
entsprechend einem der beiden Rotationswinkel an die beiden Elemente 116A, 116B zum
Einstellen eines der gewünschten
drei Rotationswinkel.
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Geeignete
preiswerte Elemente, die eine Rotation der Polarisationseigenschaften
von Licht bewirken, sind sogenannte TN (twist-nematic)-Flüssigkristallzellen,
deren Flüssigkristall
im inaktiven Zustand eine Rotation der Polarisationseigenschaften von
Licht bewirkt. Der Rotationswinkel kann dabei durch die Konstruktion
beeinflußt
werden. Durch geeignete Dimensionierung ist es ferner möglich, die Anisotropieeigenschaften
der TN-Zellen für
bestimmte Wellenlängen
des benutzen Lichts verschwinden zu lassen. Die optische Verzögerung erreicht
dabei ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge und ist damit nicht nachweisbar
bzw. meßbar.
Um dies sicherzustellen, kann ein geeignetes Farb- oder Interferenzfilter
mit engem Wellenlängendurchlaßbereich in
den Strahlengang direkt nach der Lichtquelle 106 eingefügt werden.
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Durch
Anlegen einer elektrischen Spannung mittels der Steuerung 122 ist
es möglich,
diese TN-Flüssigkristallzellen
in einen isotropen Zustand zu überführen, indem – zumindest
in guter Näherung – weder
eine Rotation noch eine optische Verzögerung auftritt. Bei derartigen
TN-Flüssigkeitszellen
ist überdies
der Übergang
vom inaktiven in den aktiven Zustand (und zurück) in besonders kurzer Zeit
möglich.
Insbesondere sind TN-Flüssigkristallzellen
wesentlich schneller als die aus der eingangs zitierten US Patentschrift
5,521,705 bekannten Flüssigkristallzellen,
deren Wirkung auf einer elektrischen Veränderung der optischen Verzögerung beruhen
und bei denen keine Rotation auftritt. Die Umschaltzeiten von TN-Flüssigkristallzellen
ermöglichen
dabei eine Pseudo-Bewegtbild-Analyse mit relevanten Bildraten in
der Größenordnung
von 10–50
Bildern pro Sekunde, was mit andersartigen Flüssigkristallzellen infolge deren
erheblich langsamerer elektrischer Steuerbarkeit mit der nötigen Präzision nicht
erreichbar ist.
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Aus
einer modellhaften mathematischen Betrachtung der Mikroskopieranordnung 100 läßt sich ableiten,
daß eine
optimale Anordnung zwei beeinflußbare Elemente 116A, 116B aufweist,
die jeweils zwischen 60° Rotation
und 0° Rotation
umgeschaltet werden können
und im Strahlengang 106 hintereinander zwischen Objekt 108 und
Sensor 104 angeordnet werden, gefolgt von einem beliebig
orientierten linearen Polarisator 120. Für die Objektanalyse
werden drei Konfigurationen herangezogen: (a) Rotation im ersten
Element: 60°,
im zweiten Element 60°,
(b) Rotation im ersten Element: 60°, im zweiten Element 0°, (c) Rotation
im ersten Element: 0°,
im zweiten Element 0°.
Eine gleiche Wirkung kann erreicht werden, wenn in jedem Element 116A, 116B eine
Rotation von 120° bzw.
0° anstelle
von 60° bzw.
0° erfolgen.
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Mit
dem im Strahlengang 106 folgenden Bildsensor 104 wird
für jede
der Konfigurationen (a) bis (c) jeweils ein Bild aufgenommen. Die
Helligkeitsinformation im Falle vorhandener Anisotropien ergibt sich
als Mittelwert der drei aufgenommenen Bilder. Die Stärke der
Anisotropie, d.h. die optische lokale optische Verzögerung des
Objektes an einem Punkt in der Bildebene, ergibt sich aus den Differenzbildern von
(a) und (b) bzw. (b) und (c), die vorteilhaft durch Subtraktion
der Bilddaten in einem digitalen Bildverarbeitungssystem (nicht
dargestellt) aus den drei Rohbildern gewonnen werden. Ein wichtiger
Vorteil dieser beispielhaften Anordnung ist eine winkelunabhängige Ermittlung
der Stärke
der Anisotropie direkt aus den Differenzbildern mittels weniger
mathematischer Operationen, die sich für Bildanalysesysteme mit 10–50 Bildern
pro Sekunde in Echtzeit auf modernen handelüblichen Computern durchführen läßt. Es sei angemerkt,
daß sich
im Falle sehr schwacher Anisotropien – wie in der Mikrobiologie
typisch- aufgrund der relativ langsamen zu erwartenden Objektbewegung
mittels eines zeitlichen Gleitmittelwertes der berechneten Differenzbilder
eine Verbesserung der Meßgenauigkeit
erreichen läßt, ohne
daß die
korrekte zeitliche Bildwiedergabe der isotropen Bestandteile des
wiedergegebenen Bildes dadurch verschlechtert wird.
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Ein
alternatives Ausführungsbeispiel
der beschriebenen Erfindung ist von besonderem technischem Interesse,
da TN-Flüssigkristallelemente
mit 60° oder
120° Rotation
und verschwindender optischer Verzögerung im inaktiven Zustand
technisch zwar möglich,
aber marktunüblich
sind und eine entsprechend zweckoptimierte Herstellung möglicherweise
zu teuer ist. Demgegenüber
sind TN-Flüssigkristallelemente
mit 90° Rotation
marktüblich,
da mit solchen Zellen optische Ventile (sogenannte Shutter) problemlos
und wellenlängenunabhängig hergestellt werden
können.
Allerdings ist bei solchen Elementen im Normalfall nicht davon auszugehen,
daß im
inaktiven Zustand eine geeignete optische Verzögerung vorliegt, die ein Verschwinden
der Anisotropie bewirkt. Vielmehr ist es häufig erforderlich, die zutreffende
optische Verzögerung
im Einzelfall zu messen, um das Element optisch vollständig zu
charakterisieren. Allerdings ist auch bei handelsüblichen
Elementen mit 90° Rotation
gewährleistet,
daß im
elektrisch aktiven Zustand, d.h. nach dem Anlegen einer genügend hohen
Spannung durch die Steuerung 122, sowohl die Rotation als
auch die optische Verzögerung zumindest
näherungsweise
verschwinden.
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Um
die vorteilhafte Invarianzeigenschaft auch mit solchen 90°-Elementen 116 gewährleisten zu
können
und überdies
eine optimale Analysewirkung (Meßgenauigkeit) zu erreichen,
muß die
optische Anordnung 100 im Strahlengang 106, nunmehr bestehend
aus Lichtquelle 102, Farbfilter (nicht dargestellt), zirkulärem Polarisationsfilter 112,
zu analysierendem Objekt 108, erstem TN-Flüssigkristallelement 116A,
zweitem TN-Flüssigkristallelement 116B, linearem Polarisationsfilter 120 sowie
Bildsensor 104 durch ein optisches Kompensationselement 118 geeignet
kompensiert werden, um für
isotrope Objekt oder isotrope Objektbereiche drei Konfigurationen mit
zumindest näherungsweise
identischer Bildausgabe zu ermöglichen.
Diese Kompensation kann zum Beispiel durch das Einfügen eines
geeigneten, vorzugsweise unveränderlichen
optischen Verzögerungselements 118 geeigneter
handelsüblicher
Verzögerung
in den Strahlengang 106 zwischen dem ersten Fiüssigkristallelement 116A und
dem zweiten Flüssigkristallelement 116B erreicht
werden, wobei als freie Parameter die relativen Orientierungswinkel der
verschiedenen an der optischen Analyse beteiligten Komponenten des
Systems 100 (erstes TN-Flüssigkristallelement 116A,
Verzögerungselement 118, zweites
Flüssigkristallelement 116B,
lineares Polarisationsfilter 120) zu optimieren sind.
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Dabei
läßt sich
für handelsübliche 90°-TN-Flüssigkristallzellen 116A, 116B,
bei denen also gilt: φ1 = φ3 = 0°/90°, die eine
spezifische optische Verzögerungseigenschaft
von 105 nm mit Winkelorientierung der Verzögerungseigenschaft 20° aufweisen
und die mit einem relativen Orientierungswinkel von 0° zueinander
angeordnet sind, eine optimale Kompensation mit einem handelsüblichen
140 nm-Verzögerungselement 118 erreichen,
wenn dieses mit einem relativen Winkel von φ2 = –3° zu den Flüssigkristallzellen 116A, 116B angeordnet
wird und das lineare Polarisationsfilter 120 im relativen
Winkel von φ4 = 10° zu
den Flüssigkristallzellen 116A, 116B angeordnet
wird. Eine Berechnung der relevanten Orientierungswinkel in Abhängigkeit
von den Parametern der Flüssigkristallzellen 116A, 116B (Rotationswinkel
und optische Verzögerung
mit Betrag und Orientierungswinkel) und dem Betrag der optischen Verzögerung des
Kompensationselements 118 ist dabei problemlos möglich, indem
der Strahlengang 106 mathematisch mit Hilfe der für polarisationsoptische
Berechnungen geeigneten Müller-Matrix-Methode
modelliert wird und die gewünschten
Eigenschaften des gesamten Systems 100 mit Hilfe numerischer
Optimierungsverfahren über
die vier freien Parameter (relative Winkel zwischen den genannten Elementen,
in der Figur schematisch dargestellt als die Winkel φ1..φ4) berechnet wird. Die Optimierungskriterien
sind dabei die Abweichung von der gewünschten Invarianz für einen
gegebenen Parametersatz in den drei relevanten Konfigurationen (Minimierung)
sowie die erreichte Betragsdifferenz in der Differenzbildung bei
vorgegebener Anisotropie des Objektes (in verschiedenen Winkelanordnungen) (Maximierung).
In der Regel läßt sich
dadurch eine sehr gute Invarianz erreichen, wobei die Winkelabhängigkeit
der Anisotropiebestimmung unter Umständen im Vergleich zur Realisierung
mit 60°/120° Elementen
weniger vorteilhaft sein kann, in der Praxis jedoch ausreichend
ist. Eine verbesserte Genauigkeit der numerischen Optimierung ist
weiterhin bei Kenntnis der genauen optischen Eigenschaften der TN-Flüssigkeitszellen 116A, 116B im
aktiven (spannungsbeaufschlagten) Zustand möglich, wobei die näherungsweise
Annahme von 0° Rotation
und optischer Verzögerung
0 nm auch bereits befriedigende Resultate zuläßt.
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Es
sei darauf hingewiesen, daß die
Anordnung des Kompensationselements 118 zwischen den beeinflußbaren Elementen 116 nur
eine von zahlreichen Anordnungsmöglichkeiten
darstellt. Das Element kann an anderen Stellen im Strahlengang angeordnet
werden, beispielsweise zwischen Objekt und erstem beeinflußbaren Element 116A oder
zwischen zweitem beeinflußbaren
Element 116B und Sensor 104. Es ist auch denkbar,
das Analyseelement 120 und das Kompensationselement in
einem Element zu vereinigen – nicht
dargestellt: Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die eine
Anordnung in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung weitere aktive oder passive optische
Elemente im Strahlengang 106 aufweisen kann, die beispielsweise
der Verbesserung des Strahlengangs 106, dem Schutz des
Objekts 108 vor zu starker Hitzeeinwirkung, der Vergrößerung oder
der Bildschärfeverbesserung
dienen können.
Andererseits können,
falls geeignete hochauflösende
Sensoren 104 mit ausreichender Abbildungsleistung zur Verfügung stehen,
vergrößernde Optiken
wie das Objektiv 114 entfallen.
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Um
die vom Sensor 104 erzeugte Abbildung durch einen Nutzer
der Vorrichtung kontrollierbar zu gestalten, kann ein halbdurchlässiger Sensor
vorgesehen werden, dem ein Okular folgt – nicht dargestellt. Alternativ
kann im Strahlengang vor dem Sensor ein Prisma oder ähnliches
vorgesehen werden, welches den Strahlengang aufteilt in einen Strahlengang
zum Sensor und einen weiteren Strahlengang zu einem Okular – nicht
dargestellt. Um eine bessere Farbwiedergabe zu erreichen, ist es
außerdem
möglich,
den Strahlengang mittels Prismen in die drei Farbanteile Rot, Grün und Blau
aufzuteilen und für jede
dieser Grundfarben einen gesonderten Sensor vorzusehen – nicht
dargestellt.
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Schließlich sei
erwähnt,
daß auch
Anwendungen der erfindungsgemäßen Anordnungen
vorstellbar sind, die mehr als drei verschiedene Polarisationskonfigurationen
erfordern. Eine Vielzahl solcher Konfigurationen kann durch Vorsehen
beliebig vieler Rotationswinkel erreicht werden, die entweder durch ein
Element mit einer Vielzahl von Rotationswinkelzuständen einstellbar
sind oder durch die geeignete Kombination von Elementen, die beispielsweise
jeweils zwei oder drei Zustände
aufweisen.