CN112020667A - 用于光显微镜的灵活多色照明的光学布置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种用于光显微镜的灵活多色照明的光学布置包括AOTF(5)或者包括EOM，该AOTF配置为将入射的照明光(2)的两个光分量衍射成不同衍射级方向，其中，两个光分量在其波长和偏振方面不同；通过该EOM将不同波长的两个连续光分量(2A，2B)设置成不同的偏振方向。偏振分束器(10)将不同波长和偏振的两个光分量(2A，2B)分成反射光(12A)和透射光(12B)，该反射光(12A)在偏振分束器(10)处被反射并且该透射光(12B)在偏振分束器(10)处被透射。光图案化设备(30)将不同的图案压印在透射光和反射光上。随后，该图案化的透射光(12B)和图案化的反射光(12A)由偏振分束器(10)或其他偏振分束器重新组合在共同束路径(55)上。

Description

用于光显微镜的灵活多色照明的光学布置及其方法

在第一方面，本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于光显微镜的灵活多色照明的光学布置。

在第二方面，本发明涉及一种根据权利要求14的前序部分的用于光显微镜中提供柔性多色照明的方法。

对于许多显微术技术，必须同时或快速连续地用不同波长的光照明样本。例如，可以期望的是，同时或快速连续地用两个不同的光波长照明样本以进行激发。还可以期望的是，同时使用两个不同的光波长进行样本的光子激励，或者一个波长进行光子激励且另一个波长用于激发样本。

在本公开中，波长的光可以理解为意味着指定波长范围的光，其中范围宽度原则上不受限制。因此，两个不同的光波长相应地可以理解为意味着两个不同的、间隔开的波长范围。

原则上，已知许多不同的过程用于选择指定波长的光并且用于执行束整形。例如，可以以各种方式选择宽带光源的波长范围，或者可以同时或连续使用不同的窄带光源，例如激光。许多不同的技术同样可以用于束整形，例如光阑或DMD(数字微反射镜装置)，通过该技术可以在束横截面之上设置空间结构。

通用光学布置包括AOTF(声光可调滤光器)或EOM(电光调制器)。AOTF被设置为将来自入射的照明光的至少两个光分量衍射成不同的衍射级方向，其中两个衍射的光分量在其波长和偏振上不同。取决于电路和构造，两个光分量可以同时或快速连续地从相同照明光产生。如果替代地使用EOM，则将不同波长的光分量在时域上连续指引到EOM。这也可以称为时分复用。例如，可以使用不同波长的光闪烁/脉冲。这些可以具有相同偏振。然后，EOM可以将不同波长的两个时域连续的光分量设置为不同偏振方向。为此，可以快速切换EOM，即可以在连续的光分量(光脉冲)之间切换EOM。特别地，EOM可以为两个连续光分量设置不同的偏振方向，例如垂直线偏振方向。

在用于光显微镜的灵活多色照明的通用方法中，对应地规定入射的照明光的两个光分量通过AOTF被衍射成不同衍射级方向，其中两个光分量在其波长和偏振上不同，或者使用EOM将不同波长的两个时域连续的光分量设置为不同偏振方向。

AOTF包括各向异性的双折射介质，例如玻璃或晶体，通过该介质传输声波或对该介质施加电场。因此，折射率周期性地变化并且入射光被衍射。在此，入射光被偏转成不同方向，这对应于不同衍射级。这还可以取决于波长来完成。因此，两个不同波长可以偏转成不同衍射级。特别地，可以从宽带光源的光或从多个激光器的组合光束中选择例如用于样本照明的不同波长。偏转到第一衍射级中的光分量经受偏振旋转，并且因此与在不被衍射的情况下通行穿过介质的光分量，即零级衍射的光分量相比具有不同偏振。

原则上，期望的是，使得可设置两个照明波长的照明成为可能，并且同时很大程度上任意束成形是可能的。这应该非常快速地完成，并且如果可能的话，无需移动机械部件。

本发明的目的可以被认为是，指定一种用于光显微镜的光学布置和对应的方法，其使得以特别灵活、快速可变的方式能够多色照明，而同时该构造特别简单和稳定。

该目的通过具有权利要求1的特征的光学布置以及具有权利要求14的特征的方法来实现。

根据本发明的光学布置和根据本发明的方法的有利变型是从属权利要求的主题，并且将在以下描述中附加地进行解释。

在上述类型提及的光学布置中，根据本发明提供了用于将两个光分量联合传输到共同束路径上的光学部件。偏振分束器布置在所述共同束路径上，通过该偏振分束器将两个光分量取决于偏振在空间上分束，即分束成在偏振分束器处反射的反射光和在偏振分束器处透射的透射光。提供一种光结构化设备，利用该光结构化设备可以将不同的结构压印在透射光和反射光上。偏振分束器或其他偏振分束器布置为使得将结构化的透射光和结构化的反射光组合到共同束路径上。共同束路径特别是可以引导在要检查的样本的方向上。

以类似的方式，在上述类型的方法中使用偏振分束器根据本发明分束不同波长和偏振的两个光分量。光分量中的一个在偏振分束器处被反射作为反射光。光分量中的另一个在偏振分束器处被透射作为透射光。使用光结构化设备将不同的结构压印到透射光和反射光上。使用偏振分束器或其他偏振分束器将结构化的透射光和结构化的反射光组合到共同束路径上。

本发明利用的性质是由AOTF衍射的光分量与未衍射的光分量相比具有不同的偏振方向，其中这两个光分量在其波长或波长成分上可以不同，或者本发明利用的性质是不同波长的不同光分量可以由EOM非常快速连续地旋转至不同的偏振方向。因此，AOTF/EOM可以输出特别是垂直于彼此偏振且波长不同的两个光分量。在现有技术中，没有在AOTF处衍射的光分量经常被阻挡并且不再被使用。与此相比，在本发明的情况下，这两个光分量可以被传输，特别是被传输到共同束路径上。出于该目的，光学部件可以相应地布置为使得它们捕获衍射的光分量和未衍射的光分量，即特别是零级和一级衍射的光分量。光学部件可以包括例如一个或多个透镜、反射镜或棱镜。由于不同的衍射级，两个光分量的传播方向彼此略微不同。可以规定，在AOTF/EOM之后的光学部件被设计成降低两个光分量的传播方向上的所述差异。出于该目的，可以使用两个光分量的波长不同的事实。光学部件如果具有色散(波长相关的折射能力)，则可能会有区别地影响两个光学分量。光学部件的色散和形状可以选择为使得由不同衍射级引起的两个部分束之间的距离减少(而不是增加)。

这两个光分量通过偏振分束器被引导到不同的束路径上，该偏振分束器尤其可以是偏振分束器立方体。在这种情况下，使用两个光分量可以垂直于彼此偏振的事实。因此，偏振分束器处反射的光(在下文中为反射光)对应于光分量中的一个，并且透射的光(在下文中为透射光)对应于另一个光分量。反射光所指引的束路径在下面被称为第一束路径，并且透射光的束路径相应地被称为第二束路径。

在由光结构化设备使两个光分量独立于彼此地成形之后，将它们在共同束路径上重新组合。这可以通过附加偏振分束器或最初引起空域分束的相同偏振分束器来完成。

偏振分束器、光结构化设备和束偏转元件可以布置为使得与第一束路径和第二束路径一起形成闭合环路，该环路由透射光和反射光在相反方向上遍历。因此，在由光结构化设备将结构压印到透射光上之后，所述透射光再次入射到偏振分束器上，但是从反射光在偏振分束器处偏转的方向入射。类似地，在由光结构化设备将结构压印到反射光上之后，所述反射光再次入射到偏振分束器上，但是从透射光在偏振分束器处透射的方向入射。在第二次入射时，透射光再次被透射并且反射光再次被反射，使得这两者被发射在共同束路径上，特别是在样本的方向上。为了使透射光在偏振分束器处再次透射并且使反射光再次被反射，光偏振不应被改变或仅当遍历闭合环路时被暂时改变，使得在第二次入射在偏振分束器上时的偏振与在第一次离开偏振分束器时的偏振相同。

光结构化设备设计为使得将空域结构压印到入射光上。相应地，光强度和/或光相位随光的横截面可变地改变。在优选的实施方式中，光结构化设备包括液晶矩阵作为结构化元件，其中通常还可以使用透射或反射光栅或者微反射镜阵列。液晶矩阵包括多个可单独切换的液晶元件。液晶元件可以以二维图案方式彼此邻近地布置。这种液晶矩阵也被称为LCoS或LCoS-SLM(LCoS：硅上液晶；SLM：空间光调制器)。可以在每种情况下将可设置的电压施加到液晶元件，从而可设置相应液晶元件的液晶分子的倾斜方向。以这种方式，入射光的相位是以可设置的方式可改变的，其中，该相位原则上可以在一个间隔内根据需要移动。入射光相对于液晶元件的对准的偏振方向在此确定是否可以设置可变相变。如果光偏振平行于以下被称为液晶矩阵的有效轴线的方向，则可以可变地调整光相位，而具有垂直于该方向的光偏振的光通行穿过液晶矩阵而与切换状态无关，在后侧被反射并再次返回，无需可变地设置相变。在本发明的各种变型中，使用具有反射后侧的这样的液晶矩阵，其中这些实施例原则上还可以修改为形成光仅通过一次的透射液晶矩阵。

通过适当的光偏振，因此入射光束的相位可以借助于液晶矩阵在束横截面上可变地设置。振幅光栅/振幅变化可以例如通过阻挡外部光分量而从所述相位光栅在样本平面中获得。

可以优选地使用两个不同的液晶区域，其中两个液晶区域中的一个用于成形透射光，而两个液晶区域中的另一个用于成形反射光。两个液晶区域可以属于不同的液晶矩阵。在这种情况下，两个液晶矩阵可以具有相对于彼此旋转90°的有效轴线，因此透射光和反射光的不同偏振方向导致两个液晶矩阵中的仅一个在各个情况下改变入射光的相位。但是，液晶矩阵非常昂贵，使得如果两个液晶区域是相同液晶矩阵的不同区域，则可以是优选的。

反射光在束路径上可以首先被指引到第一液晶区域上，然后被指引到第二液晶区域上，该束路径从偏振分束器开始形成一闭合环路。在这种情况下，反射光应具有偏振方向，通过该偏振方向，反射光的相位的变化仅受两个液晶区域中的一个可变地影响。另一方面，透射光首先被指引到第二液晶区域上，然后被指引到第一液晶区域上，其中透射光具有偏振方向，通过该偏振方向，透射光的相位的变化继而仅受两个液晶区域中的另一个可变地影响。通过适当地旋转透射光和反射光的偏振方向，可以实现透射光和反射光的变化各自仅受两个液晶区域中的一个可变地影响的事实：

出于该目的，用于使入射光的偏振方向旋转90°的偏振旋转器配备为和布置为使得该偏振旋转器被遍历两次，即恰好在入射在两个液晶区域中的一个之前和之后。由于光入射两次，最终的偏振方向与之前相同，除了当光入射在所述液晶区域上时偏振方向旋转90°。因此，在该实施例中，透射光可以首先入射在偏振旋转器上，然后入射在第二液晶区域上，然后入射在偏振旋转器上，然后入射在第一液晶区域上，而反射的光以相反的顺序入射在这些部件上。当然，在此布置还可以修改为使得透射光以相反的顺序通行穿过上述提及的部件，而反射光以所述的顺序通行穿过部件。

偏振旋转器可以由单个λ/2片形成，或者包括两个λ/2片，其中一个λ/2片在光入射在第二液晶区域上之前被遍历，另一个λ/2片在光入射在第二液晶区域上之后被遍历。λ/2片布置为使得它们的晶轴平行。

可以优选的是，透射光和反射光当它们第一次入射在两个液晶区域中的一个上时保持不受影响，并且仅当它们第二次入射在其上时才受到影响。液晶区域、透射光和反射光的偏振方向，以及如果合适的话，偏振旋转器的光轴可以对应地对准。这有利于更好的光束质量。

在上述实施例的修改中，使用液晶矩阵，通过该液晶矩阵可设置入射光的偏振方向是否改变，特别地是否旋转。这利用的事实在于，通过适当对准液晶矩阵，入射光的仅一个分量的相变导致所述光的偏振旋转，特别是旋转90°，或者导致偏振改变为椭圆偏振。特别是结合半波片，因此可以指定偏振方向是否使得透射光/反射光在样本区域的方向上传输。由于通过带来椭圆偏振的液晶矩阵的相变，可以可变地设置透射光/反射光在偏振分束器处被反射和透射的比例。这允许振幅调制。

在该实施例中，液晶矩阵不布置在如束路径的闭合环路中。而是，反射光和透射光通过束偏转元件被指引到不同液晶区域上，优选地是相同液晶矩阵的不同液晶区域，然后沿着相同路径被指引回到偏振分束器。可以将反射光和透射光各垂直地指引到液晶区域上，这有利于束质量。为了通过相同液晶矩阵适当地影响反射光和透射光二者，可以规定，透射光和/或反射光的偏振方向通过偏振旋转器旋转，然后透射光和/或反射光入射在液晶矩阵上。

反射光因此从偏振分束器在第一束路径上经由偏振旋转器行进到液晶矩阵的液晶区域，并在相同的第一束路径上返回到偏振分束器。液晶矩阵在此布置为使得取决于其液晶元件的切换状态，带来无偏振改变或者可变设置的偏振改变。特别地，可以带来90°的偏振旋转或从线性偏振到圆形或椭圆偏振的改变。与偏振旋转器一起，反射光的偏振方向可以取决于液晶元件的切换状态而旋转90°或0°，因此从液晶矩阵返回的反射光在偏振分束器处在样本区域的方向上被可设置地透射或在光源的方向上被反射，或者该反射光在椭圆偏振的情况下，以通过液晶矩阵可设置的可变比例被透射和反射。可选的偏振旋转器可以是λ/2片，其光轴可以相对于透射光或反射光成22.5°的角，并且对应地相对于透射光或反射光中的另一个可以成67.5°的角。液晶矩阵的对准可以平行于透射光或反射光的原始偏振方向，因此，取决于液晶元件的切换状态，获得入射光的90°的偏振旋转或无偏振旋转(其已经由偏振旋转器旋转)或偏振改变为椭圆偏振。

以类似的方式，透射光从偏振分束器在第二束路径上可选地经由偏振旋转器或经由附加的偏振旋转器行进到液晶矩阵的另一个液晶区域。它沿着相同的第二束路径行进回到偏振分束器。液晶矩阵在此布置为使得取决于其液晶元件的切换状态，带来偏振旋转或者无偏振旋转或向椭圆偏振的改变。在返回到偏振分束器的途中，取决于液晶元件的切换状态，透射光的偏振方向将在偏振旋转器的下游已经旋转了90°或0°或呈椭圆偏振。因此，从液晶矩阵返回的透射光在偏振分束器处在光源的方向上被透射或在样本区域的方向上被反射(与透射的反射光一起到达共同束路径上)，或者该透射光在椭圆偏振的情况下部分被反射且部分被透射。

第一束路径和第二束路径优选地具有相同的束路径长度。

上述变型也可以修改为不需要半波片。在此，液晶矩阵的对准可以相对于反射光的偏振方向和透射光的偏振方向二者设置成45°的角。取决于液晶元件的导通或断开状态，由此在液晶矩阵处得到90°的偏振旋转或无偏振旋转。在此还可以设置，在偏振分束器处反射的透射光/反射光是进一步朝向样本还是返回朝向光源被指引。可变的椭圆偏振可以经由液晶元件的中间状态来设置，这导致在偏振分束器处的部分反射和部分透射。

压印结构的偏振可以随反射光或透射光的横截面变化。对于束横截面的不同像素/部分，偏振方向可以相应地旋转0°或90°，或者该偏振可以改变为椭圆偏振，而与剩余像素/部分无关。因此，光结构化设备确定反射光和透射光的哪些部分被透射到共同束路径上，而剩余部分被指引回到AOTF/EOM的方向上。这创造了振幅调制的照明图案。

代替λ/2片或除λ/2片以外，还可以在透射光的束路径中使用法拉第旋转器和/或在反射光的束路径中使用法拉第旋转器。如果光在路径上往返通行穿过法拉第旋转器，则与λ/2片相比，光的偏振方向在相同方向上旋转两次，该λ/2片使光的偏振方向旋转回到返回路径上。法拉第旋转器可以设置为使得当其被遍历两次时实现90°的偏振旋转，因此透射光随后在偏振分束器处被反射或反射光随后在偏振分束器处被透射。然后可以使用液晶区域以将相位图案在其横截面之上压印在光上，因此特别是在样本平面中提供了相位调制的照明。

通过本发明，不同波长的两个照明可以被同时调制并且被指引到样本区域。然而，还可以将两个或多个不同的波长连续地而不必同时地指引到样本区域用于色序测量。在偏振分束器的上游可以存在一附加的AOTF，因此照明光通行穿过两个AOTF。对于色序测量，附加的AOTF可以在不同的波长之间快速切换，为此在液晶矩阵的两个区域处提供不同结构。

本发明还涉及一种具有光学布置的光显微镜，该光学布置可以如在此所述地进行设计。光显微镜包括光源连接。光源，例如若干激光器或宽带光源，可以耦合到光源连接。光源连接设计为使得当连接光源时，光源的光通行穿过在此所述的束路径。另外，光显微镜可以包括检测器连接，该检测器连接可以连接光检测器。所述光检测器可以设计为空域分辨相机。

当如预期使用时，描述为附加的光学布置特征的本发明的性质还产生根据本发明的方法的变型。相反地，所描述的光学布置的部件还可以被设置为实行方法变型。

下面将参照所附示意图描述本发明的其他优点和特征，其中：

图1示出了根据本发明的光显微镜的第一示例性实施例的示意图；

图2示出了根据本发明的光学布置的示例性实施例的部件的示意图；以及

图3示出了根据本发明的光显微镜的其他示例性实施例的示意图。

相同且作用相同的组成部分通常由附图中相同的附图标记标识。

图1示出了根据本发明的光学布置100的示例性实施例，其是根据本发明的光显微镜110的一部分。

光显微镜110包括发射照明光2的光源1(在此未更详细地示出)。光源1可以包括例如多个激光器，激光器的束路径通过反射镜级联被组合到共同束路径上。

光学布置100包括光结构化设备30，其将结构压印到照明光上。以这种方式结构化的光52经由光学部件80被引导至样本区域83，该光学部件特别是可以包括物镜81。

由样本区域83中的样本反射的光被称为样本光93，并且可以是例如发冷光，即荧光或磷光。它可以经由同一物镜81传输，然后由分束器90与照明光52的束路径分开，之后由检测器95检测。

首先，照明光2入射在AOTF 5上。后者可以将照明光2的具有指定可选波长的光分量偏转到第一衍射级。照明光的另一个光分量可以在零级衍射方向上通行穿过AOTF 5。这两个光分量不仅在波长上不同，而且在偏振上也不同，因为当在第一级衍射方向上偏转时光偏振旋转90°。

代替所示的AOTF，还可以使用EOM。波长不同的两个光束(以下：光分量)以时间调制的方式(即在时域连续)被引导到EOM。EOM可以旋转第一光分量的偏振方向，然后通过控制单元切换使得时域随后的光分量的偏振在不同方向上旋转，因此两个光分量的偏振特别是相互垂直。

现在将不同偏振的这两个光分量从AOTF/EOM引导到偏振分束器10。这将两个光分量分成反射光12A和透射光12B。反射光12A被反射到第一束路径11A上，并且(特别是同时)透射光12B被透射到第二束路径11B上。

透射光12B经由束偏转元件17(例如一个或多个反射镜或棱镜)被指引到光结构化设备30。

光结构化设备30在此包括液晶矩阵35作为结构化元件。这样的液晶矩阵35也被称为LCoS(硅上液晶)。入射光通行穿过液晶矩阵35，在其后侧(即，特别是在硅芯片上)被反射，并且在出射之前再次通行穿过液晶矩阵35。仅通过此还不能实现入射光的振幅调制，但是可以实现相位调制。液晶矩阵35包括双折射的且可以彼此独立设置的多个液晶元件。取决于设置，液晶元件可以可变地改变入射光的相位，但仅当入射光的偏振方向适合于液晶矩阵时。然而，如果偏振方向垂直于该方向，则光被透射而液晶元件的开关状态不会对光的相变产生任何影响。

在图1的示例中，反射光12A和透射光12B入射在同一液晶矩阵35上。由于反射光12A和透射光12B垂直于彼此地线性偏振，因此仅反射光或透射光将被可变地相位调制，而无需其他措施。使用偏振旋转器28，使得反射光和透射光可以被可变地相位调制。所述偏振旋转器可以是λ/2片，其取向为使得入射的透射光或反射光的偏振旋转90°。这在图1的插图中示出：光轴28A在入射到半波片28上之前相对于透射光的偏振方向61B成45°角，因此偏振方向61B相对于偏振方向62B旋转90°。对于反射光，在半波片处的偏振旋转与描述的情况恰好相反。

在所示的示例中，反射光12A首先入射在液晶矩阵35的第一液晶区域35A上。然后，反射光经由偏转元件18(例如反射镜或棱镜)偏转，并且被第二次指引到液晶矩阵35上，特别是指引到第二液晶区域35B上，该第二液晶区域特别是可以与第一液晶区域35A不同或不重叠。在反射光12A第二次入射在液晶矩阵35上之前，其入射在偏振旋转器28上，偏振旋转器28将偏振方向旋转90°。因此，反射光12A在第二入射的情况下的偏振与在第一入射的情况下的偏振不同。因此，反射光12A仅在第一入射或第二入射的情况下被可变地相位调制，而在另一入射的情况下不经历任何相位调制。

在第二次入射在液晶矩阵35上之后，反射光12A再次通行穿过偏振旋转器28，因此偏振方向再次向后旋转。

透射光12B通行穿过与反射光12A相同的束路径，但方向上相反。因此，透射光12B首先入射在偏振光旋转器28上，然后在液晶区域35B处首次入射在液晶矩阵35上。然后，它再次通行穿过偏振旋转器28，然后入射在液晶区域35A上。

因此，反射光12A仅由第一液晶区域35A或第二液晶区域35B相应地相位调制，而透射光12B由两个液晶区域中的另一个进行相位调制。因此，可以将不同的相位调制压印到反射光12A和透射光12B上。

第一液晶区域35A和第二液晶区域35B的液晶元件可以设置成使得它们产生相位光栅。在图1的示例性实施例中，液晶区域35A、35B布置在光瞳平面中，因此在样本平面(或与其共轭的平面)中产生光图案，该光图案经由傅立叶变换与光瞳平面上产生的光图案相关。因此，光瞳平面中的相位图案变成样本平面(或与其共轭的平面)中的振幅光栅。为了在样本平面中提供期望的振幅光栅，即期望的光栅形状的强度分布，控制单元可以经由IFTA(迭代傅立叶变换算法)计算光瞳平面中期望的相位图案，并且相应地设置液晶区域。

图1所示的变型还可以修改为使得液晶区域不布置在光瞳平面中，而是布置在中间像平面中或与样本图像平面共轭的平面中。在这种情况下，还可以将产生的相位图案成像到样本平面中作为相位图案。然而，在这种情况下，还可以以不同的方式在样本平面中产生振幅光栅：例如，可以选择相位光栅的光栅常数，使得不会将较高级衍射从光学部件80指引到样本区域83，而是被事先阻挡。例如仅将-1、0和+1级衍射指引至样本区域83。这将样本平面中的原始相位光栅转换到振幅光栅中，即强度调制。

从偏振分束器10开始，束路径形成经由结构化装置30延伸的闭合环路。在这种情况下，反射光12A和透射光12B以相反的方向通行穿过闭合环路。

因为透射光12B在再次入射在偏振分束器10上时的偏振与在较早离开偏振分束器10时的偏振相同，所以透射光12B在样本区域83的方向上被透射并且例如在光源1的方向上没有被反射。以类似的方式，反射光12A在再此入射在偏振分束器10上时的偏振与在较早离开偏振分束器10时的偏振相同，并且因此再次反射该反射光。反射光12A因此与透射光12B到达共同束路径55。

现在，结构化的透射光12B和结构化的反射光12A，即两个不同波长的操纵光分量，沿着共同束路径55行进，并且能够独立于彼此地获得期望的相位或强度图案。

第一束路径11A(其上将反射光12A从偏振分束器10指引)可以理解为意味着反射光12A行进直到结构化的元件的束路径。第二束路径11B(其上将透射光12B从偏振分束器10指引)可以以对应地方式理解为意味着透射光12B行进直到结构化的元件的束路径。透射光12B沿着第一束路径11A行进到偏振分束器10，并且反射光12A沿着第二束路径11B行进到偏振分束器10。

束偏转元件16或17可以可选地在形成闭合环路的束路径中省略或布置在该束路径中的其他地方。

在所示的实施例的变型中，所示的液晶矩阵35可以替换为两个液晶矩阵。如果所述液晶矩阵在其作用方向上垂直于彼此地布置，则可以省略偏振旋转器。但是，因为液晶矩阵非常昂贵，因此该设计与更高的成本相关联。

图2示出了根据本发明的光学布置100的部件的示意性俯视图，其可以与图1中的光学布置实质上相同。图2通过箭头示出了照明光2、反射光12A和透射光12B的传播方向。另外，在此部分地指示偏振方向。照明光2包括不同波长的两个光分量2A、2B，其具有所示的不同偏振。此外，在不同的束路径部分上指示与光分量2B对应的透射光12B的偏振方向。如图所示，由偏振旋转器28改变两次偏振方向。反射光12A的偏振方向在每个束路径部分上均与透射光12B的偏振方向垂直，并且为清楚起见未示出在图2中。在共同束路径55上示出了反射光12A(光分量2A)和透射光12B(光分量2B)的两个偏振方向。

图3中示出了根据本发明的光学布置100的其他示例性实施例，该光学布置可以是根据本发明的光显微镜110的一部分。

以与图1或图2相同的方式设计的部件用相同的附图标记指示，并且在此不再赘述。不同波长和偏振的两个光分量在此也由偏振分束器10分束成不同的束路径11A和11B上。然而，两个束路径11A和11B不会形成闭合环路。当然，反射光12A沿着束路径11A行进直到液晶矩阵35的第一区域35A，并且沿着相同的束路径11A回到偏振分束器10。类似地，透射光12B沿着第二束路径11B行进直至液晶矩阵35的第二区域35B，并且沿着相同的束路径11B回到偏振分束器10。共同偏转元件19的不同侧面可以用在两个束路径11A和11B中，因此透射光12A和反射光12B靠近彼此且平行于液晶矩阵35行进，并且垂直地入射在液晶矩阵35上。

液晶矩阵35在此位于中间像平面中，其中构造还可以修改为使得液晶矩阵35布置在光瞳平面中。

为了防止反射光12A和透射光12B在偏振分束器10处行进回到AOTF 5，反射光12A在束路径11A上的偏振和透射光12B在束路径11B上的偏振必须改变90°。这是通过偏振旋转器29与液晶矩阵35一起实现的。偏振旋转器29在此是半波片(λ/2片)，其尺寸足够大以使其布置在束路径11A和束路径11B中。在附图部分70A、71A和72A中示出了反射光12A的偏振。图70A示出了半波片29的光轴29A和反射光在通行穿过半波片29之前的偏振方向80A以及反射光特别是由半波片旋转135°的偏振方向81A。附图部分71A示出了该偏振方向81A如何由液晶矩阵35而改变。液晶矩阵被对准，使得取决于液晶元件的切换状态执行偏振的改变，特别是偏振旋转。当液晶元件处于断开状态时，其不会可变地改变相位，并且偏振方向保持相同，也就是说，偏振方向保持81A不变。相反，在导通状态下，液晶元件使位于附图部分71A中的水平方向上的偏振分量的相位延迟；因此，偏振方向可以旋转到82A，特别是如果水平偏振分量相对于垂直偏振分量从81A偏移了半波长(或偏移了整数倍波长加半波长)。液晶元件还可以被设置成各种中间状态，其中设置不同相移(未示出)。这产生椭圆偏振。在所示的情况下，反射光现在从液晶矩阵行进回到半波片，其中偏振方向再次旋转，如附图部分72A所示：由于光轴29的对准29A，对于处于导通状态的液晶元件，偏振方向82A旋转45°至84A，也就是说偏振方向相对于原始偏振状态成90°的角。反射光因此在偏振分束器处被透射。另一方面，对于处于断开状态的液晶元件，偏振方向81A旋转67.5°至83A，也就是说偏振方向再次如在原始状态一样。因此，这部分反射光在偏振分束器处被反射回光源，并且没有到达共同束路径55。

附图部分70B、71B和72B示出透射光的对应情况。透射光的偏振方向80B最初相对于半波片的取向29A成22.5°的角，并且因此旋转45°成偏振方向81B。现在透射光入射在液晶矩阵上，其中当液晶元件处于关闭状态(参见附图部分71B)时偏振方向81B保持不变，或者在液晶元件处于导通状态的情况下旋转到82B。当透射光再次入射在半波片上时，偏振方向81B旋转45°到方向83B上，如附图部分72B所示，该方向83B准确地对应于原始偏振80B。也就是说，在这种情况下，在光源的方向上，透射光在偏振分束器处再次被透射。相比之下，当液晶元件处于导通状态时产生的偏振方向82B相对于半波片成67.5°的角，并且因此旋转135°，从而使得得到的偏振方向84B垂直于原始偏振80B，并且透射光现在在偏振分束器上反射到共同束路径55上。

因此，液晶矩阵与偏振分束器和偏振旋转器一起可以将随相应束横截面可变设置的强度分布压印到第一光分量和第二光分量上。这对于两个光分量都利于独立完成，并且液晶矩阵能够快速改变强度分布，而无需花费较多时间来位移或旋转分量。

在图3的实施例的修改中，特别是，如果液晶矩阵的对准与反射光的偏振方向和透射光的偏振方向都成45°的角，则可以省略半波片。在这种情况下，还可以取决于液晶元件的导通状态或断开状态在液晶矩阵处获得90°偏振旋转或无偏振旋转。因此，在此还可以设置在偏振分束器处反射的透射光/反射光是进一步朝向样本指引还是返回朝向光源指引。

附图标记列表

1 光源

2 照明光

5 AOTF

10 偏振分束器

11A 第一束路径

11B 第二束路径

12A 反射光

12B 透射光

16、17、18、19 偏转元件

28 偏振旋转器、半波片

28A 半波片28的光轴

29 偏振旋转器、半波片

29A 半波片29的光轴

30 光结构化设备

35 液晶矩阵

35A 液晶矩阵的第一区域

35B 液晶矩阵的第二区域

52 结构化照明光

55 共同束路径

61B 通行穿过偏振旋转器28之前的透射光的偏振方向

62B 通行穿过偏振旋转器28之后的透射光的偏振方向

70A、71A、72A 反射光的偏振变化图

70B、71B、72B 透射光的偏振变化图

80 光学部件

80A、81A、82A、83A、84A 反射光的偏振方向

80B、81B、82B、83B、84B 透射光的偏振方向

83 样本区域

90 分束器

93 样本光

95 检测器

100 光学布置

110 光显微镜

Claims (15)

1.一种用于光显微镜的灵活多色照明的光学布置，

-包括AOTF(5)，其被配置为将来自入射的照明光(2)的两个光分量衍射成不同衍射级方向，其中，所述两个光分量(2A，2B)在其波长和偏振上不同；或者包括EOM，通过所述EOM将不同波长的两个时域连续光分量(2A，2B)设置成不同的偏振方向；

其特征在于，

-偏振分束器(10)，布置为使得AOTF(5)或EOM的不同波长和偏振的所述两个光分量入射在其上，并且取决于所述偏振被分束成反射光(12A)和透射光(12B)，所述反射光(12A)在所述偏振分束器(10)处被反射，并且所述透射光(12B)在所述偏振分束器(10)处被透射；以及

-光结构化设备(30)，以将不同结构压印到所述透射光(12B)和所述反射光(12A)上；

-其中，所述偏振分束器(10)或其他偏振分束器布置为将所结构化的透射光(12B)和所结构化的反射光(12A)组合到共同束路径(55)上。

2.如权利要求1所述的光学布置，

其特征在于，

光学部件配备为在从所述AOTF(5)或EOM到所述偏振分束器(10)的共同束路径上联合透射所述两个光分量，

所述光学部件布置为使得所述联合传输的光分量包括AOTF或EOM的零级衍射光和第一级衍射的光。

3.如权利要求2所述的光学布置，

其特征在于，

所述光学部件具有色散，通过该色散降低两个光分量(2A，2B)的传播方向上的差异。

4.如权利要求1至3中任一项所述的光学布置，

其特征在于，

所述光结构化设备(30)包括至少一个液晶矩阵(35)，所述液晶矩阵具有多个可独立切换的液晶元件，通过所述液晶元件，入射的透射光(12B)和反射光(12A)的相位以可设置的方式是可改变的。

5.如权利要求1至4中任一项所述的光学布置，

其特征在于，

所述偏振分束器(10)、所述光结构化设备(30)和束偏转元件(16，17)布置为使得它们形成的闭合环路作为束路径，所述束路径在相反方向上由所述透射光(12B)和所述反射光(12A)穿过。

6.如权利要求5所述的光学布置，

其特征在于，

所述至少一个液晶矩阵(50)包括第一液晶区域和第二液晶区域(35A，35B)；

其中，所述反射光(12A)在所述束路径上首先被指引到所述第一液晶区域(35A)上，然后被指引到所述第二液晶区域(35B)上，所述束路径从所述偏振分束器(10)开始形成闭合环路，并且所述反射光(12A)具有偏振方向，通过所述偏振方向，所述反射光(12A)的相位变化仅受所述两个液晶区域中的一个(35B)可变地影响；

其中，所述透射光(12B)首先被指引到所述第二液晶区域(35B)上，然后被指引到所述第一液晶区域(35A)上，并且所述透射光具有偏振方向，通过所述偏振方向，所述透射光(12B)的相位变化仅受两个液晶区域中的另一个(35A)可变地影响。

7.如权利要求4至6中任一项所述的光学布置，

其特征在于，

所述第一液晶区域和第二液晶区域(35A，35B)是同一液晶矩阵(35)的区域；

还包括偏振旋转器(28)，用于将入射光的偏振方向旋转90°，并且布置为使得所述透射光和所述反射光中的一个(12B)首先入射在所述偏振旋转器(28)上，然后入射在所述第二液晶区域(35B)上，然后再次入射在所述偏振旋转器(28)上，并且然后入射所述在第一液晶区域(35A)上；

然而透射光和反射光中的另一个(12A)以相反顺序入射在所述部件(28，35A，35B)上。

8.如权利要求4至7中任一项所述的光学布置，

其特征在于，

所述液晶区域(35A，35B)以及所述透射光(12B)和所述反射光(12A)的偏振方向对准，使得所述透射光(12B)和所述反射光(12A)二者当它们第一次入射在所述两个液晶区域(35A，35B)中的一个上时各自保持不受影响，并且当它们第二次入射在所述液晶区域(35A，35B)上时受到影响。

9.如权利要求4所述的光学布置，

其特征在于，

束偏转元件(16，17，19)布置在所述偏振分束器(10)和所述液晶矩阵(35)之间，

-使得将反射光(12A)从所述偏振分束器(10)沿着第一束路径(11A)指引到所述液晶矩阵(35)的液晶区域(35A)，并且沿着相同的第一束路径(11A)指引回到所述偏振分束器(10)，其中，所述液晶矩阵(35)布置为使得，取决于其液晶元件的切换状态，带来可变的偏振改变——特别是90°偏振旋转或无偏振旋转，

其中，偏振旋转器(29)可选地布置在所述第一束路径(11A)上，

从而从所述液晶矩阵(35)返回的所述反射光(12A)在所述偏振分束器(10)处可设置地在样本区域(83)的方向上透射，在所述光源(1)的方向上反射，或者以可设置的比例透射和反射；

-使得将透射光(12B)从所述偏振分束器(10)沿着第二束路径(11B)指引到所述液晶矩阵(35)的不同液晶区域(35B)，并且沿着相同的第二束路径(11B)指引回到所述偏振分束器(10)，其中，所述液晶矩阵(35)布置为使得，取决于其液晶元件的切换状态，带来可变的偏振改变——特别是90°偏振旋转或无偏振旋转；

其中，所述偏振旋转器(29)或可选的附加偏振旋转器可选地布置在所述第二束路径(11B)中，

从而从所述液晶矩阵(35)返回的所述透射光(12B)在所述偏振分束器(10)处可设置地在样本区域(83)的方向上反射到具有透射的反射光(12A)的共同束路径(55)上，在所述光源(1)的方向上透射，或者以可设置的比例透射和反射。

10.如权利要求9所述的光学布置，

其特征在于，

所述束偏转元件(16，17，19)布置为使得所述反射光(12A)垂直地入射在所述液晶区域(35A)上，并且所述透射光(12B)垂直地入射在另一个液晶区域(35B)上。

11.如权利要求9或10所述的光学布置，

其特征在于，

所述反射光(12A)和所述透射光(12B)通行穿过相同偏振旋转器(29)，所述偏振旋转器是λ/2片，其光轴(29A)特别是相对于所述反射光(12A)的偏振方向(80A)成22.5°的角且相对于所述透射光(12B)的偏振方向(80B)成67.5°的角，或者反之亦然。

12.如权利要求1至11中任一项所述的光学布置，

其特征在于，

在所述偏振分束器(10)的上游存在附加AOTF，通过所述AOTF可以做出其他波长选择以进行色序测量。

13.一种光显微镜，包括如权利要求1至12中任一项所述的光学布置。

14.一种用于光显微镜的灵活多色照明的方法，

-使用AOTF(5)以将来自入射的照明光(2)的两个光分量衍射成不同衍射级方向，其中，所述两个光分量(2A，2B)在其波长和偏振上不同；或者其中，使用EOM以将不同波长的两个时域连续光分量(2A，2B)设置成不同的偏振方向；

其特征在于，

-使用偏振分束器(10)将不同波长和偏振的所述两个光分量分束成反射光(12A)和透射光(12B)，所述反射光(12A)在所述偏振分束器(10)处反射并且所述透射光(12B)在所述偏振分束器(10)处透射；

-使用光结构化设备(30)将不同的结构压印到所述透射光(12B)和所述反射光(12A)上；并且

-使用所述偏振分束器(10)或其他偏振分束器以将所述结构化的透射光(12B)和所述结构化的反射光(12A)组合到共同束路径(55)上。

15.根据权利要求14所述的方法，

其特征在于，

压印的结构具有随所述反射光或所述透射光(12A，12B)的横截面变化的偏振，因此，所述反射光或所述透射光(12A，12B)由所述光结构化设备(30)可指定的一部分在所述偏振分束器(10)处被透射到所述共同束路径(55)上，并且所述剩余部分被指引回到所述AOTF(5)的方向上。

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