CN111183377A - 用于光束的相位波前的选择性成形的设备及其应用 - Google Patents

Abstract

一种用于使沿着光轴(11)入射的第一光束(57)的相位波前选择性地成形的设备(1)，该第一光束具有与光轴(11)正交地延伸的第一线性输入偏振方向，该设备具有双折射光学材料(14‑17，26，33)。设备(1)使第一光束(57)的第一相位在设备(1)的不同的部分区域(3‑6)中不同地延迟，并且不使沿着光轴(11)入射的第二光束(58)的第二相位在不同的部分区域(3‑6)中不同地延迟，该第二光束具有正交于第一线性输入偏振方向和光轴(11)的第二输入偏振方向。所述不同的部分区域(3‑6)在围绕光轴(11)的方向(12)上彼此相继，其中，双折射光学材料(14‑17，26，33)布置在所有或除了在所述不同部分区域(3‑6)中的一个之外的所有不同部分区域中。双折射光学材料(14‑17，26，33)使具有所述第一输入偏振方向的第一光束(57)在相位方面以在光轴(11)的外周上在方向(12)上从部分区域(3‑6)到部分区域(3‑6)地增加的度量发生延迟。

Description

用于光束的相位波前的选择性成形的设备及其应用

技术领域

本发明涉及一种用于沿着光轴入射的第一光束的相位波前(Phasenfronten)的选择性成形的设备，该第一光束具有与光轴正交地延伸的第一线性输入偏振方向。本发明尤其涉及具有独立权利要求1的特征的这种设备，并且涉及这种设备在荧光抑制光(Fluoreszenzverhinderungslicht)的第一光束与荧光激发光(Fluoreszenzanregungslicht)的第二光束的共同光路中的应用。

背景技术

例如，在高分辨率扫描荧光显微镜中，如果将荧光激发光的光束和荧光抑制光的光束共同地聚焦，以在样品中构造荧光激发光的强度最小值(其与由荧光抑制光的强度最大值限制的荧光抑制光的强度最小值重合)，则因此可以使荧光抑制光的光束的相位波前选择性地成形。为了实现这种选择性成形，只有在荧光抑制光的相位波前发生成形后才能合并荧光激发光和荧光抑制光。替代地，可以将如下设备布置在两个光束的共同光路中：该设备使荧光抑制光的光束的相位波前选择性地成形，而使荧光激发光的光束的相位波前不成形或仅如此成形，使得这对聚焦的荧光激发光的中心的强度最大值的构成没有影响。在STED荧光光学显微镜中，这种方案称为easySTED，相应的设备称为easySTED相位板。

由DE 10 2007 025 688 A1已知一种可用作easySTED相位板的波长和偏振敏感型光学构造及其应用。该光学构造使光分量的相位波前发生成形，而使在波长或偏振方面与上述光分量不同的另一光分量的相位波前不发生成形。该光学构造的光学构件在其有效面上包括在相位延迟中的至少π/2的不连续性或局部变化，该不连续性或局部变化选择性地施加在光分量中。具体地，光学构件的光学有效面具有圆形的中心区域和围绕该中心区域圆环形地扩展的外围，在中心区域和外围之间，光分量的相位延迟的差异是π，或者光学构件对该光分量在相位延迟方面施加在围绕其光轴的圆周方向上直至2π的增加。具有这种连续增加的相位延迟的相位板也被称为相位时钟。如果两个光分量的偏振不同，则光学构件具有双折射光学特性。为了提供双折射光学特性，光学构件可以建立在液晶聚合物或双折射晶体的基础上，在该液晶聚合物中液晶具有永久的取向。如果这两个光分量在其偏振方面不同，那么基于液晶的空间光调制器也可以用作光学构件。借助空间光调制器可以在很宽的限界内对线性偏振的第一光分量的相位波前的形状进行构型，而使与第一光分量正交的第二光分量的相位波前不改变。

由WO 2010/133678 A1已知具有用于光束成形的双折射设备的荧光显微镜。用于光束成形的设备包括双折射着色(chromatisch)光学元件，所述双折射着色光学元件使荧光抑制光的光束的偏振分布在其射束截面上如此成形，使得随后聚焦的荧光抑制光具有在聚焦点处强度为零点的强度分布。相反地，双折射着色光学元件使具有另一波长的荧光激发光的光束不与荧光抑制光的光束发生接触，使得聚焦的荧光激发光在聚焦点处具有最大值。所述双折射色光学元件包括分段的着色λ/2板，其中，所述λ/2板的双折射光学材料在各个区段中具有其快轴的不同取向。具体地，所述着色λ/2板包括相同尺寸的圆弧段，并且在快轴的定向上围绕着光学构造的光轴逐圆弧段地具有相同的区别。在这种用于光束成形的设备中，荧光抑制光在聚焦点处的零点的构造基于其射束截面上的偏振分布。

由D.Wildanger等人的《A STED microscope aligned by design》，光学快报17(18)，16010-160110(2009)已知一种用于实现easySTED方案的分段式着色光束成形设备，该设备包括围绕光轴布置的三个圆弧段。荧光抑制光的光束的波前被不同的圆弧段不同地延迟，而荧光激发光的光束的整个波前保持平整。为此，三个圆环段中的每个分别包括由如下材料制成的两个光学板：所述材料的衍射指数在荧光激发光的波长中相等，但在荧光抑制光的波长中有显著差异。当沿光轴方向堆叠的所有对的光学板的厚度相同时，引入到荧光激发光的波长中的相位延迟对于所有光学板对都是相等的，而荧光抑制光的相位延迟是两个光学板之间的折射率差和每个对的两个光学板的相对厚度的函数。

所有已知的着色esaySTED相位板的方案都有以下缺点：其仅在激发光的和/或荧光抑制光的波长的小波长区域内有效。此外，所述着色esaySTED相位板不适用于使激发光和荧光抑制光的光束不同地成形，所述激发光和荧光抑制光的光束不是在其波长方面、而是在强度方面不同——例如在具有可变分子的RESOLFT荧光显微镜中可能就是这种情况。由DE 10 2007 025 688 A1已知一种easySTED相位板的方案，该easySTED相位板应该利用激发光和荧光抑制光的不同偏振，该方案除了借助空间光调制器的实施方式之外都保持地如此模糊，以至于无法仿效。

由DE 10 2012 010 207 A1已知一种具有相位板的显微镜，该相位板用于使沿着光轴入射的第一光束的相位波前选择性地成形，该第一光束具有与光轴正交地延伸的第一输入偏振方向。该圆形相位板具有独立权利要求1的前序部分的特征，并且包括两个隔着光轴相对置的半圆形元件。其中一个元件是由双折射光学材料制成的λ/2板。另一元件由玻璃制成。如果平行于λ/2板的特殊轴线偏振的光束照射穿过相位板，那么相对于玻璃制元件而言，在相位板中会产生半个波长的相移。相反地，如果光束的偏振垂直于λ/2板的特殊轴线，则不会产生相对的相位延迟。De 10 2012 010 207 A1还公开了不相应于独立权利要求1的前序部分的相位板的另一实施方式，在该实施方式中，相位板被划分为四个相同大小的、在围绕着光轴的光学方向上彼此相继的圆弧段状元件。这些元件交替地是λ/2板和玻璃制元件，使得一方面两个λ/2板与另一方面玻璃制元件隔着光轴相对置。在具有与光轴正交地延伸的第一线性输入偏振方向的光束的聚焦过程中，形成具有由强度最大值包围的局部强度最小值的强度分布，该局部强度最小值基于λ/2板的在光束的穿过相位板的部分与光束的穿过玻璃制元件的部分之间的相位偏移。

发明内容

本发明的任务是阐明一种用于使沿着光轴入射的第一光束的相位波前选择性地成形的设备，该设备在其应用中作为esaySTED相位板，该easySTED相位板不仅适用于待成形的荧光抑制光的不同波长，而且适用于不待成形的荧光激发光的不同波长，其中，荧光抑制光和荧光激发光甚至可以具有相等的波长。

通过具有独立权利要求1的特征的设备解决本发明的任务。权利要求2至15涉及根据本发明的设备的优选实施方式。权利要求16针对根据本发明的设备的应用。

根据本发明的设备使沿着光轴入射的第一光束的相位波前选择性地成形，该第一光束具有正交于光轴地延伸的第一线性输入偏振方向。该设备具有双折射光学材料。该设备使第一光束的第一相位在设备的至少三个不同的部分区域中不同地延迟，而该设备不使沿着光轴入射的第二光束的第二相位在不同的部分区域中不同地延迟，该第二光束具有正交于第一线性输入偏振方向和光轴的第二输入偏振方向。

在此和在下文中，“相位在设备的不同部分区域中不被不同地延迟”意味着，所述相位在设备的不同部分区域中分别要么被实际上恰好相等地延迟，要么延迟2π或2π的整数倍的不同量值。特征的这两个实施变型方案——即第二光束的相位在设备的不同部分区域中不被不同地延迟——至少与在第二光束的相干长度大于2π的最大倍数时等大。

在根据本发明的设备中，不同的部分区域在围绕光轴的方向上彼此相继。在此，双折射光学材料布置在所有不同部分区域中或除了在围绕光轴的方向上彼此相继的不同部分区域中的一个之外的所有不同部分区域中。在三个不同的部分区域的情况下，这意味着，双折射材料也可以仅布置在围绕光轴的方向上彼此相继的不同部分区域中的两个中。

所述双折射光学材料使具有第一输入偏振方向的第一光束在其相位方面在光轴的外周上逐部分区域地在该方向上延迟增大的度量。具体地，该度量向2π增大，其中，由于逐部分区域的相位延迟的增大以离散的步长进行，因此本身不能达到2π的相位延迟值。

因此，用于第一光束的相位时钟与根据本发明的设备近似。在围绕着光轴的方向上彼此相继的仅两个不同的部分区域的情况下(如在由DE 10 2012 010 207 A1已知的相位板的情况下)尚未实现所述近似，并且在焦平面上产生在两个肾形强度最大值之间的线形强度最小值。优选地，第一光束的第一相位在设备的至少四个、更优选地至少六个不同部分区域中不同地延迟，以便在焦平面中以连续的环形强度最大值划定尽可能点状的强度最小值。

根据本发明的设备是否影响光束的相位原则上不取决于其波长，而是取决于其输入偏振方向。因此，第一光束和第二光束也可以具有相等的波长，只要所述第一光束和第二光束具有第一输入偏振方向和与该第一输入偏振方向正交的第二输入偏振方向。

为了确保根据本发明的设备在尽可能大的波长范围上独立于光束的波长，使双折射光学材料在其所布置的所有部分区域中都布置成这样的材料组合，使得不同的部分区域在尽可能大的波长范围内分别表现出消色差(achromatisch)的双折射特性。用于构造这种消色差相位板的合适的材料组合的编排对于技术人员是熟悉的。

根据本发明的设备的在围绕光轴的方向上彼此相继的不同部分区域可以分别具有如下部分：该部分在沿着光轴的投影中是圆弧段状的，并且该部分在围绕光轴的两个方向上与相邻的部分区域的圆弧段状部分邻接。设备的具有圆弧段状部分的部分区域例如可以具有正方形或其他矩形或甚至菱形的尺寸。然而，不同部分区域的圆弧段状部分优选地处在光学设备的有光束入射的有效区域中。

不同部分区域的这些圆弧段状部分可以分别在围绕光轴的相同角度上延伸。然后，在围绕光轴的方向上彼此相继的n个不同部分区域中，第一光束的相位的延迟度量尤其可以逐部分区域地增加2π/n。随着n增大，该设备越来越近似理想的相位时钟。

在根据本发明的设备中，双折射材料的有效晶轴可以在所有不同的部分区域中彼此平行地定向，所述不同的部分区域使具有第一输入偏振方向的第一光束的相位不同于具有与其正交的第二输入偏振方向的第二光束的相位地延迟。在此，如此定义双折射材料的有效晶轴——即具有沿着该有效晶轴的输入偏振方向的光束会被比具有正交于该有效晶轴的输入偏振方向的光束延迟得更强或更弱。因此，双折射光学材料的慢晶轴或快晶轴尤其属于这些有效晶轴。因此，在根据本发明的设备中，双折射材料在所有不同的部分区域中可以关于其晶轴的取向相同地定向，所述不同的部分区域使第一光束的相位不同于第二光束的相位地延迟。

在根据本发明的设备的实施方式中，其不同的部分区域中的每个由分段式相位板的板段构成。然而，优选地，至少两个分段式相位板的至少两个板段如此布置在不同的部分区域中的每个中，使得所述至少两个板段沿着光轴彼此相继——即至少两个分段式相位板彼此堆叠。因此，根据本发明的设备可以在其所有不同的部分区域中具有相同的厚度。

特别优选的是，相比于所述至少两个分段式相位板中的另一个，所述至少两个分段式相位板中的一个具有m倍数量的板段，其中，m是大于等于2的正整数，其中，所述至少两个分段式相位板中的一个的m个板段分别布置在所述至少两个分段式相位板中的另一个的一个板段上。因此，分段式相位板的各m个板段将所述至少两个分段式相位板中的另一个的所述一个板段划分m次。在此，根据本发明的设备的在围绕光轴的方向上彼此相继的部分区域的总数量至少等于所述至少两个分段式相位板中的一个的板段的数量：由于所述另一个分段式相位板具有至少两个段，并且所述一个分段式相位板具有m倍数量的段，因此本发明的设备的在围绕光轴的方向上彼此相继的部分区域的总数量至少为2×m(其中m≥2)——即至少4。

在根据本发明的设备的一种实施方式中，可以以非常简单的方式构造分段式相位板。例如，所述至少两个分段式相位板中的另一个可以具有两个板段，所述板段使第二光束的相位延迟相等的量值并且使第一光束的相位延迟相差π的量值。在此，所述至少两个分段式相位板中的一个可以具有四个板段，所述四个板段使第二光束的相位延迟相等的量值，相对于两个第二板段，其中两个第一板段使第一光束的相位延迟相差π/2的量值，其中，第一板段与第二板段在围绕光轴的方向上交替地彼此相继。换句话说，该设备可以通过所述一个分段式相位板的作为λ/2板起作用的板段和中性(neutral)板段以及所述另一个分段式相位板的作为λ/4板起作用的两个板段和两个中性板段构成。由板段构成的λ/2板和λ/4板也可以涉及较高的阶，其中，第一光束的选择性延迟不仅是λ/2，而实际上是(k×λ+λ/2)或不仅是λ/4，而实际上是(I×λ+λ/4)，其中，k和I是彼此独立的正整数。

根据本发明的设备的中性板段(或者换言之使第一光束的相位和第二光束的相位相等地延迟的所有板段或整个部分区域)可以由此构造：双折射材料的光学晶轴平行于设备的光轴地取向。双折射材料的光学晶轴如此定义，使沿着该晶轴入射的光独立于其偏振方向相等地相位延迟。然而，原则上中性板段或部分区域也可以由非双折射光学材料制成。

通过将上述设计原理充分用于根据本发明的设备，根据本发明的设备的所有部分区域或者至少相应的分段式相位板的所有板段可以由相同的双折射材料构成。如已经说明的那样，因此也可以实现如下情况：所有部分区域和可选的每个分段式相位板的所有板段具有沿着光轴的相同延伸部。因此，对于整个设备的消色差构造给出特别好的前提，因为第一光束和第二光束的所有部分在设备的所有在围绕光轴的方向上彼此相继的部分区域中运动穿过双折射光学材料的相同厚度，所述双折射光学材料在所有这些部分区域中也是相同的。

如下方案被视为独立的发明：用于使第一光束的相位波前选择性地成形、而不使不同偏振的第二光束的相位波前发生变形的设备的所有不同部分区域由双折射光学材料、尤其相同的双折射光学材料来构造，其中，光学材料局部地如此布置，使得其光学晶轴平行于该设备的光轴地取向，该方案与如下无关：所述不同的部分区域是否在围绕光轴的方向上彼此相继；双折射光学材料是否使具有第一输入偏振方向的第一光束在其相位方面在光轴的外周上逐部分区域地在该方向上延迟增大的度量。为了本发明的统一性，该独立发明在权利要求中不单独要求要求。该独立发明的可能定义如下：用于使沿光轴入射并具有与光轴正交地延伸的第一线性输入偏振方向的第一光束的相位波前选择性地成形的设备，其中，该设备具有双折射光学材料，其中，该设备使第一光束的第一相位在设备的至少两个不同的部分区域中不同地延迟，其中，该设备不使沿光轴入射并具有与第一线性输入偏振方向和光轴正交的第二输入偏振方向的第二光束的第二相位在不同的部分区域中不同地延迟，其特征在于，所有不同的部分区域均由相同的双折射材料构成，并且双折射光学材料的光学晶轴在不同的部分区域中的至少一个中平行于光轴地取向，使得双折射材料使第一光束的相位和第二光束的相位在不同的部分区域中的至少一个中相等地延迟，其中，可选地，所有不同的部分区域都由相同的双折射材料构成。在该独立发明的一种不属于权利要求的实施方式中，如基本上由DE 10 2007 025 688 A1已知的设备的不同部分区域包括圆形的中心区域和围绕该中心区域环状延伸的外围，在中心区域和外围之间在第一光束的相位延迟中的差是π。

在根据本发明的设备中，在光轴上在不同部分区域前可以布置有在第一状态和第二状态之间可转换的偏振旋转器，所述不同部分区域在围绕光轴的方向上彼此相继。在第一状态下，偏振旋转器将输入光束的偏振改变到第一光束的第一线性输入偏振方向上，并且在第二状态下将输入光束的偏振改变到第二光束的第二线性输入偏振方向上。偏振旋转器例如可以将输入光束的圆偏振交替地改变到第一和第二输入偏振方向上。在一种特定的实施方式中，偏振旋转器具有至少一个普克尔斯盒。关于偏振旋转器的其他实施可能性对于本领域技术人员是已知的。

根据本发明的设备尤其可以用在荧光抑制光的第一光束和荧光激发光的第二光束的共同光束路径中。在此，然后使第一光束的相位波前选择性地如此成形，使得当将第一光束和第二光束共同聚焦到样品中时，构造出荧光抑制光的如下强度分布和荧光激发光的如下强度分布：所述荧光抑制光的强度分布具有由强度最大值包围的局部强度最小值，而荧光激发光的强度分布在荧光抑制光的强度分布的强度最小值的位置处具有强度最大值。根据本发明的设备的这种应用尤其可以用于执行高分辨率荧光显微镜、尤其STED荧光显微镜和RESOLFT荧光显微镜。

本发明的优选的扩展方案由权利要求书、说明书和附图中得出。在说明书中提到的特征和多个特征的组合的优点仅是示例性的并且可以交替地或累积地起作用，而无需一定由根据本发明的实施方式来获得所述有点。在不改变所附权利要求的主题的情况下，以下内容适用于原始申请和专利的公开内容：可以从附图中、尤其从示出的几何形状以及多个构件相互之间的相对尺寸以及其相对布置和有效连接中提取出其他特征。本发明的不同实施方式的特征的组合或不同权利要求的特征的组合也可能与权利要求的所选择的引用不一致，并以此为依据。这也涉及到在单独的附图中示出或在其说明中提到的特征。这些特征也可以与不同权利要求的特征相结合。同样地，本发明的其他实施方式可能不具有在权利要求中提及的特征。

在权利要求书和说明书中提到的特征在其数量方面如此理解，即存在确切的数量或比提到的数量更多的数量，而不需明确地使用副词“至少”。例如，如果提到普克尔斯盒，那么应该理解为存在恰好一个普克尔斯盒、两个普克尔斯盒或更多的普克尔斯盒。在权利要求中列举的特征可以通过其他的特征来补充或是相应设备具有的唯一特征。

在权利要求中包含的附图标记并不表示对由权利要求所保护的主题的范围的限制。所述附图标记仅用于使这些权利要求更容易理解。

附图说明

以下根据在附图中示出的优选实施例进一步阐述和描述本发明。

图1示出根据本发明的设备的第一实施方式的轴向俯视图，该设备具有在围绕光轴的方向上彼此相继的四个部分区域；

图2以轴向俯视图分别示出两个分段式相位板，所述两个分段式相位板彼此堆叠，以便构造根据本发明的设备的另一实施方式，其具有在围绕光轴的方向上彼此相继的四个不同的部分区域；

图3示出相应于图2的两个分段式相位板的视图，所述两个分段式相位板彼此堆叠，以便构造根据本发明的具有在围绕光轴的方向上彼此相继的九个不同的部分区域的设备；

图4示出根据本发明的具有附加偏振旋转器的设备的实施方式的侧视图。

具体实施方式

在图1中所示的根据本发明的设备1中涉及分段式相位板2。相应地，设备1的四个不同的部分区域3至6中的每个通过分段式相位板2的板段7至10构成。所述部分区域3至6围绕所述设备1的光轴11布置，并且在此在围绕光轴11的方向12上直接彼此相继。部分区域3到6中的每个都在相同的角度(在此90°)上围绕着光轴11延伸。部分区域3至6在图1中圆弧段状地示出。然而，在部分区域4中以虚线13进行说明——每个部分区域3至6以及相应的板段7至10例如也可以具有正方形或其他四边形的尺寸。然而，也包括圆弧段状的部分。

在此，板段7至10中的每个由双折射光学材料14至17构成，其中，双折射光学材料14至17可能相同。部分区域3中的双折射光学材料14如此布置，即其光学晶轴与光轴11平行地延伸。因此，沿着光轴11入射的光束的相位在部分区域3中独立于光束的偏振地延迟。因此，部分区域3中的板段7也可以替代地由非双折射光学材料构成。板段8针对沿光轴11入射并具有沿双折射光学材料15的有效晶轴19延伸的线性输入偏振方向的第一光束构成λ/4板，以便只要当光束穿过部分区域4时，该光束的相位相对于该光束穿过部分区域3时的相位延迟π/2。对于具有正交于有效晶轴19和光轴11地延伸的线性输入偏振方向的第二光束，在部分区域3和4中不会出现这些不同的相位延迟。

部分区域5中的双折射光学材料16具有平行于有效晶轴19地延伸的有效晶轴20。板段9针对沿光轴11入射并具有沿有效晶轴19和20的线性输入偏振方向的第一光束构成λ/2板，以便光束的相位在部分区域5中相对于部分区域3延迟π。相反地，具有与光轴11和有效晶轴20正交地延伸的输入偏振方向的第二光束的相位在部分区域5中与在部分区域3中相比并未不同地延迟。在部分区域6中的双折射材料17具有与有效晶轴19和20平行地延伸的有效晶轴21。板段10针对具有沿有效晶轴19至21的线性输入偏振方向的第一光束构成3λ/4板，使得第一光束的相位相对于部分区域3延迟3π/2。对于具有正交于光轴11和有效晶轴19至21地延伸的线性输入偏振方向的第二光束不会出现这种效应，因此与部分区域3相比，在部分区域6中也没有附加的相位延迟。

总之，对于具有正交于光轴11并平行于有效晶轴19至21地延伸的输入偏振方向的第一光束，设备1构成在方向12上从部分区域3开始以π/2步长向2π增大的相位延迟的离散相位时钟。相反地，对于具有正交于光轴11和有效晶轴19至21地延伸的线性输入偏振方向的第二光束，在不同部分区域3至6中没有得出对其相位不同的影响。然而，这并不排除在不同的部分区域3到6中出现相位延迟，这些延迟相差2π的整数倍。

设备1尤其可以用作easySTED相位板，其中，该设备使具有正交于光轴11和有效晶轴19至21的线性输入偏振方向的荧光激发光不受影响，以至于荧光激发光被连接在后面的物镜如此聚焦，使得在焦点处得出荧光激发光的强度最大值，而该设备使具有沿着有效晶轴19至21的线性输入偏振方向的荧光抑制光的相位波前如此成形，使得该荧光抑制光在聚焦时在激发光的强度最大值的位置处形成局部强度最小值、优选零点，该零点在焦平面中被荧光抑制光的强度最大值全方面地限制。

图2示出两个分段式相位板22和23，所述两个分段式相位板在光轴11的方向上彼此堆叠，以便获得如下的设备1：该设备在其四个部分区域3至6中对于具有沿着有效晶轴的线性输入偏振方向的第一光束选择性地产生相同的不同相位延迟。分段式相位板22仅具有两个板段24和25，所述两个板段分别在生成的设备1的两个部分区域3和4(或5和6)上扩展。在此，两个板段24和25由相同的双折射光学材料26构成并且沿着光轴11具有相同的厚度或材料厚度。在板段24中，双折射材料26的光学晶轴27平行于光轴11地取向。在板段25中，双折射材料26的有效晶轴28平行于根据图1的有效晶轴20和21地延伸。在此，板段25针对沿光轴11入射的具有平行于有效晶轴28地延伸的输入偏振方向的第一光束构成λ/2板。

从上方或下方沿着光轴11堆叠到分段式相位板22上的分段式相位板23包括四个板段29至32。其中，在设备1中，板段29和30覆盖板段24，板段31和32覆盖板段25。所有板段29至32由相同的双折射光学材料33构成。在此，双折射光学材料33可能与双折射光学材料26相同。在所有板段29至32中，双折射材料33沿光轴11具有相同的厚度或材料厚度。在板段29和31中，双折射材料33的光学晶轴34平行于光轴11地取向。在板段30和32中，双折射材料33的有效晶轴35平行于根据图1的有效晶轴19和21地延伸。在此，板段30和32针对沿光轴11入射的具有平行于有效晶轴35地延伸的输入偏振方向的第一光束分别构成λ/4板。

通过堆叠两个分段式相位板22和23，在部分区域3至6中得到根据图1所述的相位延迟。在所有部分区域3至6中，所述相位延迟分别借助沿着光轴11的相同的材料厚度和由板段25构成的常规λ/2板以及由板段30和32构成的两个常规λ/4板来实现。

图3示出根据图2的方案的扩展方案，该扩展方案具有关于设备1的产生的不同部分区域3至6的数量的两个待彼此堆叠的分段式相位板。根据图3，分段式相位板36包括三个板段37至39，在所述三个板段上在堆叠时分别布置有更强烈(stark)的分段式相位板49的三个板段40至42、43至45和46至48。在此，板段37、40、43和46的光学晶轴50至53分别平行于光轴11地布置，并且剩余的相位板选择性地形成具有在图3中说明的延迟值的相位板，以用于沿光轴11入射并具有图3中水平地延伸的线性输入偏振方向的第一光束。对于具有该线性输入偏振方向的第一光束，由分段式相位板36和49的堆叠生成离散式相位时钟，该离散式相位时钟具有在围绕光轴11的根据图1的方向12上以2π/9的步长增加的相位延迟。

在下表1中，在双栏“第一分段式相位板”中给出通过根据图3的分段式相位板36实现的针对第一光束的相位延迟，该第一光束具有调整到双折射光学材料的有效晶轴上的线性输入偏振方向。以“第二分段式相位板”写入的双栏记录了通过根据图3的分段式相位板49的板段实现的相位延迟。以“第三分段式相位板”写入的第三个双栏补充了通过另一堆叠的分段式相位板的板段而产生的其他可能的相位延迟。在此，在整个设备的总共27个不同的部分区域中产生的对于具有调整到双折射光学材料的有效晶轴上的线性输入偏振方向的第一光束的相位延迟产生作为表1的相应行上的总和。相位延迟在围绕光轴11的旋转中在根据图1的方向12上以2π/27的步长向2π增大。

表1

图4示出，在原则上相应于具有两个堆叠的分段式相位板22和23的根据图2的实施方式的设备1中，在部分区域3至6前布置有偏振旋转器54。偏振旋转器54例如可以构造为普克尔斯盒55，并且使输入光束56的圆形输入偏振在彼此正交且正交于光轴11地延伸的线性输入偏振方向上交替地变化。因此，具有沿着分段式相位板22和23的有效晶轴延伸的输入偏振方向的第一光束57和具有正交于分段式相位板22和23的双折射材料的有效晶轴地延伸的线性输入偏振方向的第二光束58交替地从偏振旋转器54射出。

附图标记列表

1 设备

2 分段式相位板

3 部分区域

4 部分区域

5 部分区域

6 部分区域

7 板段

8 板段

9 板段

10 板段

11 光轴

12 方向

13 虚线

14 双折射材料

15 双折射材料

16 双折射材料

17 双折射材料

18 光学晶轴

19 有效晶轴

20 有效晶轴

21 有效晶轴

22 分段式相位板

23 分段式相位板

24 板段

25 板段

26 双折射材料

27 光学晶轴

28 有效晶轴

29 板段

30 板段

31 板段

32 板段

33 双折射材料

34 光学晶轴

35 有效晶轴

36 分段式相位板

37 板段

38 板段

39 板段

40 板段

41 板段

42 板段

43 板段

44 板段

45 板段

46 板段

47 板段

48 板段

49 分段式相位板

50 光学晶轴

51 光学晶轴

52 光学晶轴

53 光学晶轴

54 偏振旋转器

55 普克尔斯盒

56 输入光束

57 第一光束

58 第二光束

Claims (16)

1.一种用于使沿着光轴(11)入射的第一光束(57)的相位波前选择性地成形的设备(1)，所述第一光束具有与所述光轴(11)正交地延伸的第一线性输入偏振方向，其中，所述设备(1)

-具有双折射光学材料(14-17，26，33)；

-使所述第一光束(57)的第一相位在所述设备(1)的不同的部分区域(3-6)中不同地延迟；

-不使沿着所述光轴(11)入射的第二光束(58)的第二相位在所述不同的部分区域(3-6)中不同地延迟，所述第二光束具有与所述第一线性输入偏振方向和所述光轴(11)正交的第二输入偏振方向；

-其中，所述不同的部分区域(3-6)在围绕所述光轴(11)的方向(12)上彼此相继，其中，所述双折射光学材料(14-17，26，33)布置在所有不同部分区域中或在除了所述不同部分区域(3-6)中的一个之外的所有不同部分区域中，

其特征在于，

-所述第一光束(57)的第一相位在所述设备(1)的至少三个不同的部分区域(3-6)中被不同地延迟，其中，所述双折射光学材料(14-17，26，33)使具有所述第一输入偏振方向的所述第一光束(57)在其相位方面延迟如下度量：所述度量在所述光轴(11)的外周上在所述方向(12)上逐部分区域(3-6)地增大。

2.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述第一光束(57)的第一相位在所述设备(1)的至少四个或至少六个不同的部分区域(3-6)中被不同地延迟。

3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其特征在于，所述不同部分区域(3-6)分别具有如下部分：所述部分在沿着所述光轴(11)的投影中是圆弧段状的，并且所述部分在围绕所述光轴(11)的两个方向(12)上与相邻的部分区域(3-6)的圆弧段状部分邻接。

4.根据权利要求3所述的设备(1)，其特征在于，所述不同的部分区域(3-6)的圆弧段状部分在围绕所述光轴(11)的相同角度上延伸。

5.根据以上权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，在n个不同的部分区域(3-6)中，所述第一光束(57)的相位的延迟度量逐部分区域(3-6)地增加2π/n。

6.根据以上权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述双折射材料(14-17，26，33)的有效晶轴(19-21，28，35)在所有不同的部分区域(4-6)中彼此平行地取向，所述不同的部分区域使所述第一光束(57)的相位不同于所述第二光束(58)的相位地延迟。

7.根据以上权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述不同的部分区域(3-6)中的每个由分段式相位板(2)的板段(7-10)构成。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备(1)，其特征在于，在所述不同的部分区域(3-6)中的每个中，至少两个堆叠的分段式相位板(22，23，36，49)的至少两个板段(24，25，29-32，37-48)沿着所述光轴(11)彼此相继。

9.根据权利要求8所述的设备(1)，其特征在于，相比于所述至少两个分段式相位板(22，36)中的另一个分段式相位板，所述至少两个分段式相位板(23，49)中的一个分段式相位板具有m倍数量的板段(29-32，40-48)，其中，所述至少两个分段式相位板(23，49)中的一个分段式相位板的m个板段(29-32，40-48)分别布置在所述至少两个分段式相位板(22，36)中的另一个分段式相位板的一个板段(24，25，37-39)上。

10.根据权利要求9所述的设备(1)，其特征在于，

-所述至少两个分段式相位板(22)中的另一个分段式相位板具有两个板段(24，25)，所述两个板段使所述第二光束(58)的相位延迟相等的量值并且使所述第一光束(57)的相位延迟相差π的量值；

-所述至少两个分段式相位板(23)中的一个分段式相位板具有四个板段(29-32)，所述四个板段使所述第二光束(58)的相位延迟相等的量值，并且相对于两个第二板段(29，31)，所述四个板段中的两个第一板段(30，32)使所述第一光束的相位延迟相差π/2的量值，其中，所述第一板段(30，32)与所述第二板段(29，31)在围绕所述光轴(11)的方向(12)上交替地彼此相继。

11.根据以上权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述双折射光学材料(14，26，33)的光学晶轴(27，34，50-53)在所有不同的如下部分区域(1)或板段(24，29，31，37，40，43，46)中平行于所述光轴(11)地取向：所述部分区域或板段使所述第一光束(57)的相位和所述第二光束(58)的相位相等地延迟。

12.根据以上权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所有不同的部分区域(3-6)或者至少所述相应的分段式相位板(22，23)的所有板段(24，25，29-32)由相同的双折射光学材料(26，33)构成。

13.根据以上权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所有不同的部分区域(3-6)和可选地每个分段式相位板(22，23，36，49)的所有板段(24，25，29-32，37-48)具有沿着所述光轴(11)的相同延伸部。

14.根据以上权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，在所述光轴(11)上在所述不同部分区域(3-6)前布置有偏振旋转器(54)，所述偏振旋转器能够在第一状态和第二状态之间转换，其中，所述偏振旋转器(54)在所述第一状态下将输入光束(56)的偏振改变到所述第一光束(57)的第一线性输入偏振方向上，并且在所述第二状态下将所述输入光束(56)的偏振改变到所述第二光束(58)的第二线性输入偏振方向上。

15.根据权利要求14所述的设备(1)，其特征在于，所述偏振旋转器(54)具有普克尔斯盒(55)。

16.根据以上权利要求中任一项所述的设备(1)的应用，其应用在荧光抑制光的第一光束(57)和荧光激发光的第二光束(58)的共同光束路径中，

-其中，使所述第一光束(57)的相位波前选择性地如此成形，使得在将所述第一光束(57)和所述第二光束(58)共同聚焦到样品上时构造出所述荧光抑制光的如下强度分布和所述荧光激发光的如下强度分布：所述荧光抑制光的强度分布具有由强度最大值包围的局部强度最小值，而所述荧光激发光的强度分布在所述荧光抑制光的强度分布的强度最小值的位置处具有强度最大值。

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