Leitz AM Pol Prisma von Alien befallen

[TStein]

Hallo Jürgen,

die PSF im zweiten Bild entspricht der aus der Messung darüber dargestellten Wellenfront im Bild1, bzw. wird daraus berechnet. Hier sind die zwei Spots deutlich zu erkennen.
Der Polarisator zeigt auch ein wenig die gekippten Wellenfronten, aber ist im allgemeinen so schlecht, dass es garnicht mehr groß auffällt. Und somit der Doppelspot eh ziemlich breitgewischt wird.

Lg Tino

Ps. Vllt etwas genauer, wenn man im Bild 1 die rechte 3d-Visualisierung (Oblique Plot) der Wellenfronten anschaut, sieht man, dass diese jeweils zueinander etwas geneigt sind. Und dadurch erzeugt dann jede einen seitlich versetzten Spot. 

[hugojun]

Die Farbcodierung (im ,,Filled Plot ,,) müsste im Idealfall monoton grün sein.
Bezieht sich der Wellenfrontfehler auf die betrachtete Oberfläche oder über die Gesamthöhe des Prismas, da von ,,Doppeldurchgang ,,die Rede ist?

LG
Jürgen

[hugojun]

Ich habe hier
https://www.dioptic.de/en/diffractive-optics/introduction-interferometric-metrology-with-cgh/

was zum Thema ,, Computer-generated holograms (CGHs) extend the capabilities of interferometer " gefunden und verstehe  die Zusammenhänge ein wenig besser.
LG
Jürgen

[TStein]

Hallo Jürgen,

schaffe es leider erst jetzt zu antworten. Der Artikel bezüglich der CGHs befasst sich mit der höheren Kunst der Interferometrie, also mit gekrümmten Linsen/Spiegeln/Oberflächen. Meine Messung ist eine gewöhnliche Planflächeninterferometrie mit einem Fizeau-Interferometer.
Um es kurz zu erklären:
1. das Interferometer erzeugt eine möglichst exakte plane Lichtwelle
2. diese durchquert das zu messende Element (in diesem Fall der Polarisator/Analysator), was die ursprünglich plane Welle deformiert
3. ein Referenzspiegel mit möglichst idealer Ebenheit reflektiert die Lichtwelle zurück
4. diese durchquert wiederum das zu messende Element, mit erneuter Deformation der Welle
5. wieder im Interferometer angekommen, interferiert die Ausgangsplanwelle mit der zurücklaufenden (deformierten) Welle und dieses Interferenzmuster beinhaltet die Informatinen zu den optische Eigenschaften des Bauteils und zwar doppelt (wird aber per Software wieder auf einfachen Durchgang zurückgerechnet)

Hiermit kann man die optische Dicke (Brechzahl x geometrische Dicke) sowie das Höhenprofil, bzw. die Ebenheit der Oberflächen des zu messenden Objektes bestimmen.

Diese Messungen gehören auf Arbeit zu meinem engeren Aufgabenbereich, sodass ich mich hiermit recht gut auskenne. Falls du oder jemand weiteres sich dafür interessiert, genauer haben wir mehrere verschiedene Interferometer, beispielweise klassische "Phase-Shifting Plane-Wave Interferometer" für große und kleine Optiken, aber auch ganz ausgefeilte "Fourier-Transform Phase-shifting Interferometer" (sind die Referenzinstrumente bei der PTB) in Verwendung, welche auch Brechzahlinhomogenitäten usw. messen können. Auch die in deinem Artikel beschriebenen CGHs stellen wir bei uns her, beispielsweise für die Vermessung und Prüfung von Hochleistungsoptiken. Als Beispiel das Vermessungs-CGH für den M2-Spiegel des zukünftig größten Teleskops, dem ELT. Hier hat der M2 (Sekundärspiegel) einen Durchmesser von 8m und der Hauptspiegel 39m Durchmesser.

Nochmal auf das Ahrendsprisma und dessen optischer Qualität zurückzukommen. Diese hat als Analysator direkten Einfluss auf die Qualität des Mikroskopbildes, wobei der RMS-Wert hierbei eine beliebte (einfache) Kenngröße ist. Die PSF, bzw. "Punktspreizungsfunktion" kann man indirekt aus der Wellenfrontmessung ableiten und somit den Einfluss auf die Qualität der Mikroskopabbildung auch quantitativ bestimmen.
Das Ahrens-Prisma hat ja diesen 3 teiligen Aufbau, wie von Olaf dargestellt, und diese 3 doppelbrechenden Prismenteile müssen möglichst genau hergestellt (Kristallorientierung, Prismenwinkel usw.) sein, eine hohe Materialhomogenität aufweisen, möglichst exakt und brechzahlangepasst gekittet sowie orientiert sein, und auch eine hohe Qualität der Politur/Oberflächen aufweisen.

An den von Olaf zur Verfügung gestellten schon demontierten(entkitteten) Prismen, habe ich die Prismenwinkel des zentralen Prismas am Goniometer vermessen. Diese sind zur hinteren Fläche des Prismas  mit jeweils 72,30° sowie 72,25° gekippt und schon recht genau und symmetrisch hergestellt. Die Planarität der Prismenflächen ist nicht ganz so perfekt, so etwa 200-300nm (rms), aber wahrscheinlich durch die Kittung auch nicht ganz so kritisch. Die exakte Orientierung des Calcits der Prismen hat aber auch einen nicht unerheblichen Einfluss auf die wirksame Brechzahl und somit die transmittierte Wellenfront, wobei abgeschätzt für 2µm Wellenfrontdeformation auch schon Genauigkeiten im 1/10° bis 1/100° Bereich erforderlich sind. Die Teile sind dann wahrscheinlich als Pärchen hergestellt und auch so zu verwenden.

Lg Tino   

[olaf.med]

Lieber Tino,

herzlichen Dank für die umfassende Darstellung Deiner Untersuchungen, die deutlich zeigt, dass die Herstellung solcher Pol-Prismen eine hohe Kust ist und definitiv nicht von jedem, der mal "eben" ein solches Prisma herstellen möchte, nachvollzogen werden kann.

Ich habe einen dicken, prall gefüllten Leitz-Ordner in dem dokumentiert ist, dass der Aufbau der Prismenproduktion bei Leitz mehrere Jahre und intensivte Versuche der doch sehr versierten Optiker in Anspruch nahm. Dies war aber erforderlich, da in den Nachkriegsjahren mit dem Wirtschaftswunder die Nachfrage nach hochwertigen Pol-Mikroskopen (besonders der Pol-Auflichtmikroskope für Lagerstättenkundler) rasant anstieg und die hochspezialisierte Zulieferfirma (Dr. Steeg & Reuter in Bad Homburg v.d.H.) solche Mengen nicht produzieren konnte.

Im Hinterkopf habe ich immer noch den Plan, diese tollen Informationen in Form eines ausführlichen Beitrags hier im Forum aufzuarbeiten (falls es überhaupt jemanden interessiert). Ich hoffe nur, dass die biologische Lösung dem nicht zuvorkommt  .

Die gonioimetrische Vermessung der Geometrie der Prismen ist ja sicher bei euch auch eine Routineangelegenheit, aber hast Du tatsächlich auch die kristalloptische Orientierung gemessen? Bei der von Dir geforderte Genauigkeit von 1/10° bis 1/100° ist das ja einen immense Herausforderung.

Herzliche Grüße,

Olaf

[hugojun]

Lieber Tino,
da wir hier ja nicht auf Arbeit sind, dürfen die Antworten schonmal was länger dauern.
Es ging mir in erster Linie darum, die Darstellungen im Auswertung Programm zu verstehen. Das hast du ja nun schön erklärt.
Eine Frage zum Verständnis habe ich aber dennoch und sie betrifft wieder den ,,Doppeldurchgang":
Besteht die Möglichkeit, auch die hintere/untere Austrittsfläche ,,zurückzurechnen", also quasi mit nur einer Messung?

LG
Jürgen

[TStein]

Hallo Olaf,

die Kristallorientierung können wir bei uns nicht ohne weiteres messen. Ich weiß auch nicht, ob das optisch überhaupt mit dieser Genauigkeit gelingt. Ich habe früher auch mit Röntgendiffraktometrie (bzw. -reflektometrie) beispielweise Schichtdicken von ultradünnen Schichten bestimmt. Hiermit könnte man die Kristallorientierung wahrscheinlich schon mit hoher Genauigkeit bestimmen, zumindest für Silizium habe wir das in einem Projekt machen lassen. Es wäre mal Interessant, wie das damals gemacht wurde. Auch die komfortablen Laser-Interferometer gab es ja auch erst in der 2ten Hälfte des 20.Jh. Ich vermute mal, dass die Optiken damals mittels Schneidenblende oder speziellen Testplatten kontrolliert wurden. Da haben wir es jetzt Messtechnisch schon viel bequemer und auch die optischen Kitte sind viel unproblematischer zu handhaben.
Aber wie du ja geschrieben hast, waren die Polarisations-, bzw. petrographischen Mikroskope damals die allerhöchste Kunst, da diese polarisationsoptischen Bauelemente sehr kompliziert herzustellen waren. Es ist dann auch nicht verwunderlich, dass die Preise für die Pol-Komponenten alleine schon in etwa den Preisen gut ausgestatteter biologischer Mikroskope entsprach.
Aber die Zeit ist auch nicht stehengeblieben, wir stellen beispielweise sogennante "Wire-grid"-Polarisatoren fürs tiefe UV her, mit metallischen Al-Gitterstrukturen mit 5000-10000 LP/mm und nanooptische Metastrukturen zur Beinflussung der Polarisation und Verzögerung, mit welchen zukünftig optische Quantencomputer gebaut werden sollen.   

Hallo Jürgen,
mit einem "klassischen" phasenschiebenden Interferometer geht das nicht so richtig. Hier wird ja die Test-Fläche (welche die Interferenzen erzeugt) mit Piezos jeweils um wenige 10er nm verschoben (dh. die Phase der Lichtwelle ändert sich) und zwar in mehreren Schritten von beispielweise 35° und dann mit einer Kamera das Interferenzmuster gemessen. Hieraus kann man die Deformation einer einzelnen Oberfläche bzw. der Wellenfront  mit Vorzeichen rückrechnen, aber wenn mehrere Oberflächen, bspw. bei planparallelen Platten im Spiel sind, gibt es Probleme mit Mehrfachinterferenzen und stehenden Wellen (Fabry-Perot-Effekt). Hier versagt die Rekonstruktion regelmäßig.
Daher haben wir hierfür die technisch ausgeklügelten oben schon angeklungenen FTPSI-Interferometer (fourier-transform phase-shifting interferometer). Diese können mit speziellen Laserdioden (DFB) zusätzlich zur Phase die Wellenlänge hochfrequent durchstimmen, sodass dann sogennante "wave-buckets", also Wellenpakete jeweils diskrete Oberflächen anmessen können, beispielweise in Transmission, hinten, vorne usw. Ist aber nicht ganz einfach bezüglich Interpretation und auch die Interferometer kosten mehrere 100k€. Nennt sich dann Multi-Surface-testing.

Lg Tino     

[olaf.med]

Lieber Tino,

ich muss gestehen, dass ich auch nicht weiß wie man die Kristalle damals wirklich orientiert hat - ich muss mal in den Unterlagen suchen, ob ich etwas darüber finde. Ich vermute aber einmal, dass dies über die Morphologie der Spaltstücke geschehen ist, und zwar auf goniometrischen Wege, denn die optische Achse ist ja genau die kurze Raumdiagonale der Spaltrhomboeder, also die Symmetrieachse des stumpfen Rhomboederwinkels.



Herzliche Grüße,

Olaf

[hugojun]

Zu Beginn des 20th Jahrhundert wurden Projektionsapparate verschiedener Verwendung benötigt, so wohl auch zur Darstellung polarisationsoptischer Phänomene.
Aus ,, OPTICAL PROJECTION A TREATISE ON THE USE OF THE LANTERN IN EXHIBITION AND SCIENTIFIC DEMONSTRATION, BY LEWIS WEIGHT 1906 ".



Die hier im Beitrag diskutierte Problematik war den Konstruktoren wohl bekannt und man kam zu dem Schluss, dass zumindest das Ahrens- Prisma als Analysator zur Projektion ungeeignet ist und die Verstärkung der Bildaufspaltung sehr zum Nachteil der Abbildung mitverstärkt wird.

Es wäre wirklich spannend zu erfahren, wie Leitz die Genauigkeit der Produktion verbessern konnte, oder ob der Einsatz des Ahrens-Prismas letztendlich für den Polarisator beschränkt blieb, da es ja hier der Verbesserung der Beleuchtungsapertur zugutekam.


LG
Jürgen

[TStein]

Hallo Olaf,
die Spaltbarkeit ist wohl die eleganteste Möglichkeit, die Kristallorientierung ohne übermäßigen technischen Aufwand zu bestimmen. Die eigentliche Herstellung der exakten Prismengeometrie, bzw. Winkel war aber damals wahrscheinlich nur mit sehr gut durchdachten Vorrichtungen möglich.

Hallo Jürgen,
wo bekommt ihr denn die Bezüge zu der alten wissenschaftlichen Publikationen her? Ich hoffe nicht, dass das damals Schulliteratur war, hihi.
Ich vermute mal, dass Leitz hier noch etwas Schlaues gemacht hat. Vllt gleicht auch das zusätzliche immersionsangepasste Deckglas noch etwas aus. Zumindest denke ich, dass das Doppelbild ganz klar Fertigungstechnisch verursacht ist. Da ist wahrscheinlich das Fügen der Prismen schon ein kritischer Prozess.

Lg Tino

[purkinje]

Hallo Olaf, Tino, Jürgen und alle die hier mitlesen,

nach Euren Ausführungen schau ich ganz erfurchtsvoll auf meine wenigen Prismenpolarisatoren.
Nur zur Ergänzung bei Leitz: Zumindest ab den Mitt-1950ern, mit Einführung der Dreiecksfüße war an den Modellen KM-Pol und Laborlux-Pol, an denen noch Prismen im Pol-Kondensor auftauchen, der (Klappbare) Analysator bereits stets aus Folie. Nun weiß ich warum  Der einzige Prismenanalysator bei mir findet sich an einem vermtl. Vorkriegs Pol-Ultropak (auch defekt).
Beste Grüße Stefan

[hugojun]

Ich kenne  zu wenig über die Entwicklungsgeschichte der Leitz Pol- Mikroskope. Bei gestriger Durchsicht der alten Verkaufs Prospekte / Kataloge ist mir aufgefallen, dass in der Ausgabe 1921  Polarisator und Analysator, die Schneide der Prismen jeweils dem Objekt zugewandt sind.
1931 dann Polarisator und Analysator die Prismen Basis dem Objekt zugewandt, 1952 Polarisator Schneide und Analysator Basis dem Objekt zugewandt sind?

1921



1931




1952






Leider kann man nicht ersehen, ob es schon ein Glas-plan-Platte zum Abschluss über der Schneide gibt.

LG
Jürgen

[Werner]

Bei meiner alten Firma Bodenseewerk Perkin-Elmer in Überlingen wurden auch Glan-Thompson-Prismen aus rohem Doppelspat für automatische Polarimeter gefertigt (bis ca. 1990). Die Optikfertigung war in einer abgeteilten Halle mit vielen Linsen- und Planschleifmaschinen sowie Poliermaschinen wie in klassischen Optikfirmen. Die Prismen hatten etwa 9x9 mm Apertur und mußten von guter Qualität sein, Drehwinkel von 0,0001 Grad mußten meßbar sein. Aber die Überprüfung war wohl schon mit den üblichen optischen Meßmitteln möglich, kein Spezial-Meßgerät ist mir erinnerlich. Wegen der Weichheit des Calcits war die Bearbeitung wohl ziemlich knifflig. 
Ich hatte die Abteilung mal als Außendienst-Servicemann eigenmächtig besichtigt. Die Leute dort waren sehr erfreut, daß sich jemand mal für ihre Arbeit interessierte und der Chef schenkte mir zum Dank einen ordentlich großen Doppelspat-Kristall.

Gruß - Werner

[olaf.med]

Lieber Werner,

Glan-Thompson-Prismen sind vergleichsweise einfach zu fertigen und auch noch heute erhältlich, während ich keinen einzigen Hersteller der komplizierten Ahrens-Prismen mehr kenne. Die sind auch einfach zu reparieren falls es altersbedingte Schäden der Kittschicht gibt. Hier gibt es keinerlei Probleme mit der Orientierung, da sie, genau wie die richtigen Nicols, nur aus zwei Teilen bestehen.

Lieber Jürgen,

die Orientierung der Ahrens-Prismen im Strahlengang ist mir auch ein Rätsel. Natürlich funktionieren sie in beiden Richtungen, aber nach meinem Verständnis sollte die Keilschneide zur Lichtquelle hin orientiert sein, da dann der totalreflektierte Strahl nach außen abgelenkt und an der geschwärzten Außenseite des Prismas absorbiert wird. Dass es später andersherum verwendet wurde hat sicher Gründe, die ich aber nicht kenne.

Danke für den Hinweis auf das wunderschöne Buch von Lewis Wright (Achtung! In Jürgens Beitrag ist ein Tippfehler, der Mensch heißt Wright, nicht Weight falls jemand dieses Buch sucht). Hier wird explizit klar, warum man all diese Klimmzüge machte. Es war der Mangel an qualitativ ausreichendem Rohstoff, denn die Vorkommen in Island waren längst erschöpft und das Material aus anderen Lagerstätten erreichte nie mehr deren Qualität. So musste mit diesem wertvollen Rohstoffen gegeizt werden und Materialeinsparung war stets der wichtigste Motor immer neuer Prismenkonstruktionen.   

Die Produktion der Ahrensprismen wurde aber bereits von Dr. Steeg & Reuter so perfektioniert, dass sie auch von Leitz als Analysatoren eingesetzt wurden bevor sie eine eigene Produktion aufgebaut haben.

Lieber Tino,

Die Vorgehensweise der optische Orientierung des Calcits ist mir nun klar geworden. Sie erfolgt in speziellen Vorrichtungen über Autokollimation an den perfekten Spaltflächen. Überhaupt ist die Verwendung von Vorrichtungen ein ganz wesentlicher Faktor bei der Herstellung der Ahrens-Prismen. Dies zeigen die nachfolgenden Seiten aus einem Protokoll vom Mai 1949 als die Entwicklung der Produktion dieser Prismen bei Leitz in vollem Gange war.







Herzliche Grüße,

Olaf

[hugojun]

Lieber Olaf,

nach solchem ,,Insider ,,Wissen wird man wohl vergebens im WWW suchen.
Wie man anhand der Anwendung von Schablonen und Sägevorrichtungen erkennen kann,
galt es ja ausreichende Präzision mit einem vertretbaren Fertigungsaufwand zu kombinieren.

LG
Jürgen