JP2010529486A - 波長又は偏光を感知する光学装置及びこの光学装置の使用 - Google Patents

Abstract

【課題】
２つの異なる光成分を投影空間内に投影する１つの端物レンズと１つの光学部品とを有する光学装置であって、前記投影空間内の一方の光成分の強度分布が、それ自体の干渉によってこの投影空間内の他方の光成分の強度分布と異なるように、前記光学部品が、透過して進行する前記一方の光成分の波面を歪ませる。
【解決手段】
前記他方の光成分１７の波面１５が、前記一方の光成分２２の波面５と同様に前記光学部品１を透過して進行し、この光学部品１は、前記他方の光成分１７の波面１５を歪ませず且つ／又はこの他方の光成分１７に対して位相補正されているか又は位相補正可能である。

Description

本発明は、請求項１の上位概念の特徴を有する光学装置に関する。さらに本発明は、請求項２４の上位概念の特徴を有する光学部品に関する。

特許請求の範囲及び以下の説明では２つの光学成分だけに言及しているものの、当該言及は、その他の光成分の任意の発生を意識的に除外するものではない。

いわゆるＳＴＥＤ蛍光顕微鏡では、最初に励起光によって蛍光励起された試料を、この試料から自然放出される蛍光の検出前に、空間的に狭く限定した領域を非励起光によって再び非励起にすることが公知である。この領域が、非励起光の干渉パターンの零地点であり、この非励起光の強度が高い場合、使用される光の波長の場合の回折限界の下で、この領域の空間寸法を小さくすることが可能である。自然放出した蛍光は、専らこの領域に起因する。当該空間寸法の縮小は、自然放出した蛍光による試料の結像時の空間分解能の著しい向上を意味する。

一般に非励起光の干渉パターンは、空間光変調器を使用して生成される。非励起光の入射する平面位相面が、この空間光変調器によって適切に歪められる。すなわち、例えば、光学軸線の近くの中央領域内の位相面が、その周辺内の位相面に比べて遅延され得る。１つの零地点を有する干渉パターンが、非励起光の焦点合わせ時にその焦点に対して当該遅延から生じる。この零地点は、光強度分布の２つの主最大値間の光学軸線方向に位置し且つ弱い強度の１つのリングの内部の焦点面内に位置している。非励起光の入射する平面波面が、非励起光の波長まで光学軸線の周りに螺旋状に上昇する位相遅延量を有することによって、当該焦点を通るこの光学軸線に沿った１つの零線を有するもう１つのドーナツ状の干渉パターンが形成され得る。

公知のＳＴＥＤ顕微鏡では、非励起光の位相面に関して歪んだこのような非励起光は、励起光と一緒に送られ、この励起光及びこの非励起光をその都度の試料に焦点合わせし、この試料から来る蛍光も捉える対物レンズに指向される。この場合、主に試料からの蛍光は、周知のように励起光が先に進行されている光路を戻って進行できる。すなわち、一点状の光源を対物レンズによって試料に結像し、この試料からの蛍光を１つの開口を透過して戻して進行できるようにするため、励起光は、この開口を透過して進行できる。これによって、いわゆる共焦点の配置が得られる。この場合、開口と試料との間の全ての変化が、励起光と蛍光とに同様に影響を及ぼす点が利点である。しかしながら、一方では励起光のビーム路及び他方では非励起光のビーム路を正確に互いに同軸に指向させるための調整労力が大きい。

似たような問題が、ＧＳＤ蛍光顕微鏡で発生する。このＧＳＤ蛍光顕微鏡の場合、試料が、試料からの蛍光を検出するため励起光によって励起される前に、この試料中の蛍光色素の蛍光性の基底状態が、空間的に狭く限定した領域まで減少光によって最初に減少される。この空間的に狭く限定した領域が、減少光の干渉パターンの零地点であり、減少光の強度が高い場合、使用される光の波長の場合の回折限界の下で、この領域の空間寸法を小さくすることが可能である。蛍光は、専らこの領域に起因する。当該空間寸法の縮小は、ここでも蛍光による試料の結像時の空間分解能の著しい向上を意味する。このＧＳＤ蛍光顕微鏡では、同じ波長を有し得る減少光と励起光とが、１つの共通の光学軸線上を一緒に進行する必要がある。

非励起光の平面波面の説明する歪みは、既に説明した空間光変調器のほかに、例えば平面平行なガラス板上に蒸着された位相遅延素子によって又は段差付けされたガラス板によって若しくは位相計とも呼ばれる螺旋状のガラス板によってもたらされ得る。

それ故に、いわゆる空間光変調器の使用は、理論的に任意に形成された波面が生成され得るよりも良好である。確かに、位相シフトの実施された変調に依存しない放射特性の低下を確認する必要がある。

位相遅延素子及び／又は段差付けされた厚さ若しくは螺旋状の厚さを有する光学部品の場合、確かに、位相面の望ましい変化のほかに、進行する非励起光の劣化を予測することはできない；このため、当該部品は、小さい波長帯域内の非励起光だけに対して適している。

本発明の課題は、請求項１の上位概念の特徴を有する光学装置を提供することにある。この光学装置の場合、例えば、ＳＴＥＤ蛍光顕微鏡の非励起光及び励起光又はＧＳＤ蛍光顕微鏡の減少光及び励起光を一緒に送るための調整労力が明らかに簡素化されている。さらに、このような光学装置に特に適した光学部品が提唱されなければならない。この光学部品は、その他の用途でも利点を有する。

本発明のこの課題は、請求項１の特徴を有する光学装置及び請求項２４の特徴を有する光学部品によって解決される。この光学装置の好適な実施の形態は、従属請求項２〜２３に記載されている。請求項２５は、この光学部品の好適な実施の形態に関する。

当該新規の光学装置の場合、２つの異なる光成分が、１つの光学部品を透過する。この場合、投影空間内の一方の光成分の強度分布が、それ自体の干渉によってこの投影空間内の他方の光成分の強度分布と異なるように、この光学装置は、一方の光成分の強度分布を歪ませる。具体的には、この光学部品は、この目的のため他方の光成分に対して位相補正されている。１つの位相補正が、例えば光学部品の１つの部品の他方の光成分に属する屈折率を変更することによって少なくとも可能である。

両光成分のビーム路が、光学部品を透過して延在していることによって、両光成分は、光学装置の大部分にわたって同軸送られ得る。その結果、これらの両成分のビーム路の相対調整が、少なくとも光学装置のこの部分にわたって必要でない。この部分内の光学装置に対する変化が、両光成分に同様に影響を及ぼす。これらの両光成分に対する唯一の相違は、一方の光成分の波面は光学部品によって歪められる一方で、他方の光成分のビーム路が同様に光学部品を透過して進行するにもかかわらず、当該歪みはこの他方の光成分に対しては実施されない点、及び、光学部品に後続する対物レンズの焦点領域の中心における一方の光成分の強度分布が、この一方の光成分の波面の歪みに起因して１つの零地点を有する点にある。他方の光成分の強度分布は、対物レンズで収斂されている。この場合、この零地点は、１つの零点、通常通りに光学軸線の方向に延在する１つの零線又は通常通りに光学軸線に対して法線方向に延在する１つの零面でもよい。本発明の上述した定義は、ＳＴＥＤ蛍光顕微鏡又はＧＳＤ蛍光顕微鏡の分野に対する当該発明の適用可能性より明らかに広い。すなわち、本発明の光学装置は、例えば粒子を捕獲する光学ピンセット及び光による当該ピンセットの操作又は原子穴に対するようなその他の技術分野にも使用され得る。

例えば蛍光顕微鏡で光学装置を使用する場合、対物レンズによって焦点領域から検出された光、すなわち特に蛍光のビーム路も光学部品を透過させて延在させることが可能である。この場合、この光学部品は、この光に対しても位相補正されているか又は少なくとも位相補正可能である。しかし、例えば蛍光の共焦点検出時に光学部品を透過して進行する光の位相誤差が、小さい位相誤差ではこれに応じて小さいままである強度損失しか意味しないので、当該位相補正は必ずしも必要ではない。異なる光源から来る一方の光成分のビーム路と他方の光成分のビーム路とを同軸に当該新規の光学装置に結合するため、１つの共通の光ファイバーが設けられ得る。この光ファイバー自体が、波面の邪魔な歪みを引き起こさないように、この光ファイバーを選択する必要がある。単一モード光ファイバーが、光ファイバーとして非常に適している。この光ファイバーは、理想的には一方の光成分及び他方の光成分の双方に対して単一モード特性を有する。一方の光成分に関する単一モード特性が特に重要である。この一方の光成分の位相面が、光学部品によって適切に歪められなければならない。さらに単一モード光ファイバーは、特にこの単一モード光ファイバーによって伝達された光成分の偏光を維持する。当業者は、単一モード光ファイバーの偏光を維持する特性が１つの単一モード光ファイバーを使用する本発明の唯一の実施の形態の機能に対する前提条件であることを認識している。

当該両光成分が大きく異なる波長を有する場合、これらの光成分に対して１つの光ファイバーを、単一モード光ファイバーが両波長に適している光ファイバーとして入手することは困難になりうる。しかし、両光成分を開口の絞りに向けて焦点合わせする可能性だけは採用され得る。この絞りは、この開口の別の側面上に配置されたレンズの焦点に位置している。当該レンズは、この開口から出射する光から波面を生成する。これらの波面は、光学軸線に対してほぼ法線方向に配向されている。この場合、この開口の前方の当該両光成分のビーム路の成す角度が小さい限り、理想的な平面波面からの発生するずれは殆どない。

両光成分を当該新規の光学装置に同軸結合するための光ファイバー及び開口を有する事例に基づいて上述した構成群は、一般に空間フィルターと呼ばれ、基本的には空間フィルターに関して当業者に既知のその他の方式で構成されてもよい。

例えば、当該新規の光学装置を蛍光顕微鏡に使用する場合、対物レンズによって焦点領域から検出された光、すなわち特に蛍光のビーム路が、同様に光ファイバー及び／又は開口を透過して延在する。この場合、蛍光用の検出器が、両光成分用の光源と同様にこの光ファイバー又はこの開口の後方に配置されている。

当該新規の光学装置に適した光学部品がその能動面にわたって、一方の光成分の波長の少なくとも１／４、特に少なくとも半分の位相シフトに相当する少なくとも１つのステップ、不連続面又は局所的な変化部分を有する。この光学部品が、この位相シフトをこの一方の光成分に及ぼす。この場合、他方の光成分が、このステップ、不連続面又は局所的な変化部分によって変化しないように、この光学部品が調整されているか又は調整可能である。この光学部品は、当該位相シフトをこの他方の光成分に及ぼす。この場合、この光学部品が位相シフトを他方の光成分にも及ぼすこの位相シフトのより小さい変化は、本発明の範囲内で十分想定可能であり且つ許容可能である。すなわち、同一の位相シフトが、この光学部品によって例えば両光成分に及ぼされ得る。この場合、しかし、一方の光成分に及ぼされる位相シフトは、光学装置の光学軸線に対する法線方向に延在する方向にわたってステップ、不連続面又は変化部分をさらに有する。本発明の範囲内では、他方の光成分の位相シフトのステップ、不連続面又は変化部分が明らかに小さいならば、すなわち一方の光成分に及ぼされる位相シフトの最大で半分の大きさ、特に最大で２０％の大きさ、最も好ましくは最大で１０％の大きさであるならば、この他方の光成分が、光学部品によって同様にステップ、不連続面又は変化部分を有する位相シフトを受けることも可能である。両光成分間又はこれらの光成分のうちの１つの光成分の波面にわたる相対位相シフトが、それぞれの光の波長の整数倍である場合、当該相対位相シフトは、いずれにしても非常に僅かである。位相シフトの不連続面は、不連続面の数学的な定義の下で正確に生成されることを意味するだけではなくて、当該新規の光学装置の使用時にこの光学装置の実際の光学的な影響以外のあらゆる不連続面も意味する。同じことが、位相シフトのステップに対して成立する。位相シフトの局所的な変化部分は、当該変化部分が光学部品の一部分にわたって起こる点で優れている。当該一部分は、該当する方向に沿ってこの光学部品の全延在部分の最大で５０％、特に最大で２５％及び最も好ましくは最大で１０％にわたって延在している。

特に当該新規の光学部品は、この光学部品の光学軸線に対してあらゆる法線方向に延在する方向に沿って少なくとも１／４の波長に相当するステップ、不連続面又は局所的な変化部分を位相シフト中に有する。当該光学部品は、当該位相シフトを当該光成分に及ぼす。他方の光成分の位相シフトが、全体的にそれぞれ少なくとも明らかにより僅かである場合、当該位相シフトは、これらのあらゆる法線方向に延在する方向に沿って存在する。

当該光学部品の具体的な実施の形態では、この光学部品の光学能動面が、例えば円形の中央領域及びこの中央領域を周回する環状に延在する周辺を有する。この中央領域とこの周辺との間では、一方の光成分の位相シフトの差が、この一方の光成分の波長の半分になる。別の具体的な実施の形態では、当該光学部品は、一方の光成分の光学軸線の周りの周囲方向にこの一方の光成分の波長まで増大する差の位相シフトをこの一方の光成分に及ぼす。

両光成分は、それらの偏光方向において相違してもよい。この場合、光学部品は、複屈折する光学特性を有し得る。当該複屈折する光学特性を提供するため、この光学部品は、例えば液晶ポリマー又は複屈折する結晶に構成できる。この液晶ポリマーでは、液晶が、持続する整列を呈する。

両光成分が、それらの偏光方向において相違する場合、両光成分の放射特性が非常に我慢できないといえない限り、例えば液晶をベースとした空間光変調器も、光学部品として使用され得る。軸線方向に偏光した一方の光成分の波面の形が、空間光変調器によって広い境界内に生成される一方で、この空間光変調器は、他方の光成分の偏光の位相を変化させない。空間光変調器のこの特性は基本的に公知である。

これに対して両光成分が、それらの波長において相違する場合、光学部品では、２つの異なる領域が、位相シフトのステップ又は不連続面に対して異なる分布特性ｎ（λ）で互いに隣接している。すなわち、互いに隣接している２つの領域が、一方の光成分に対して異なる光路長を提供し、他方の光成分に対して同じ光路長を提供する。

この場合、当該両異なる領域だけがそれぞれ、光学部品の光学軸線の方向に平面平行な面によって限定され得るのではなくて、光学部品の全体も、その光学軸線の方向に２つの平行な面によって限定され得る。

具体的には、当該光学部品は、その異なる領域内に異なる材料又は異なる材料の組み合わせを有し得る。これに対しては、同じ材料が異なる領域内で異なる厚さで設けられていることも、好適な構成として挙げられる。

光学部品を一方の波長及び／又は他方の波長の光に適合するため、当該材料のうちの少なくとも１つの材料が、その分布特性ｎ（λ）において変更可能であることが特に好ましい。このため、光学部品の材料のうちの少なくとも１つの材料が、温度に依存する分布特性ｎ（λ，Ｔ）を有してもよい。この場合、温度装置が、この材料に付設されている；又は当該材料のうちの少なくとも１つの材料が、電気的に変化可能な分布特性ｎ（λ，Ｕ）を有してもよい。この場合、電圧Ｕで印加可能な電極が、この材料に付設されている。さらに、少なくとも１つの材料の分布特性が、磁界（ｎ（λ，Ｂ））によって又はこの材料の少なくとも１つの構成要素の濃度（ｎ（λ，ｃ））によって変更可能である。

本発明の光学部品の場合、固体と成形体との屈折率の差が一方の光成分に対しては、この一方の光成分の波長の少なくとも１／４、特に少なくとも半分に相当する光路長の差になる一方で、別の光学特性を有する他方の光成分に対する光路長の差は零であることが特に好ましい。

特にポリマー、ゲル、イマージョンオイル、顔料溶液及び液晶が、与えられた分布特性ｎ（λ）を有する材料として対象になる。当該材料は、例えば若干強く与えられた分布特性を有する材料から成る固体と組み合わせて新規の光学部品を構成するために適している。

新規の特に好適な実施の形態の場合、光学セルが設けられている。この光学セルの場合、その収容空間の深さが、光学部品の光学軸線方向にこの光学部品の光学軸線に対して法線方向にわたって変化する。液状の材料が、光学セルの収容空間内に注入され得る。この液状の材料は、光学セルの固体と一緒に光学部品の望ましい光学特性を提供する。この固体は、平面平行な面によって外部と隔離することができる。

新規の光学装置で好ましく使用されるような光学部品が、１つの波長だけの光に対して好適に使用されてもよい。このとき、当該特徴は、光学軸線に沿った少なくとも１つの成形体が光学部品の異なる領域のうちの少なくとも１つの領域内で１つの固体に接合する点にある。この固体は、少なくとも１つの波長の光に対して、当該異なる領域内に、光学部品の光学軸線に対して平行な異なる光路長を提供する。この場合、当該固体に基づいて異なる光路長に変えるため、当該固体と当該成形体との屈折率の差が変更可能である。すなわち、光学部品の全体が、実際に使用する光の波長に適合され得る。具体的には、例えば光路長中の１つのステップが、当該光の半波長に正確に適合される。光学部品は、平面位相面をこの光路長に与える。

さらに、新規の光学装置で好ましく使用されるような光学部品が、一方の光成分の歪みに対して逆の符合によって他方の光成分の波面を歪めるように、当該光学部品が利用つまり変更されてもよい。この場合、両光成分の歪み量が、これらの光成分のそれぞれの波長に対して同じ大きさであると特に好ましい。これに対しては、例えば与えられた分布特性ｎ（λ）を有する材料を選択する必要がある。当該材料の場合、若干強く与えられた分布特性を有する光学部品の別の材料の屈折率ｎと比較して、正の屈折率差Δｎが、一方の光成分に対して与えられ、同時に負の屈折率差−Δｎが、他方の光成分に対して与えられるか、又は、負の屈折率差−Δｎが、一方の光成分に対して与えられ、同時に正の屈折率差Δｎが、他方の光成分に対して与えられる。

本発明の好適なその他の構成は、特許請求の範囲、明細書及び図面に記載されている。明細書の冒頭で説明した特徴及び複数の特徴の利点は専ら例示であって、当該利点が本発明の実施の形態から必ず得られる必要なしに、その他の実施の形態又は組み合わせた実施の形態も有効である。その他の特徴は、図面から−特に図示された幾何学構造及び複数の部品の相互の寸法並びにこれらの部品の相対配置及び作用連結から−読み取ることができる。本発明の異なる実施の形態の特徴の組み合わせ及び異なる請求項の特徴の組み合わせが、同様にこれらの請求項の選択された番号と違って可能であり、当該組み合わせによって提案される。本発明は、独立した図面に示されているか又はこれらの図面の説明で記されている特徴にも関する。これらの特徴は、異なる請求項の特徴と組み合わせられ得る。同様に、特許請求の範囲に記載された本発明のその他の実施の形態に対する特徴が省略され得る。

従来の技術で公知であるような位相フィルターの基本原理を示す。 ガラス基板（ＢＫ７）と隣接する媒体としての２種類のイマージョンオイル（カーギルの２３℃オイル及び３７℃オイル）の混合物との組み合わせに対する分布曲線を示す。図２の左側では、当該両オイルの様々な混合比が、下から上に向かって上昇する２３℃オイルの比率ごとにプロットされている一方で、右側では、１：１の混合比に対する分布曲線が、下から上に向かって上昇する温度ごとにプロットされている。 異なる波長の光の平面波面に対する波長選択位相フィルターの影響を示す。 光学軸線の方向に段差付けされた収容空間を有する光学セルをベースとした波長選択位相フィルターの３つの具体的な実施の形態を示す。 波長選択位相フィルターの別の３つの実施の形態を示す。 ＳＴＥＤ蛍光顕微鏡の光学装置内での波長選択位相フィルターの使用例を示す。この場合、試料から自然放出される蛍光を記録する１つの検出器の２通りの位置が示されている。 図６による光学装置内で使用される光ファイバーを有する空間フィルターに対する別の構成としての開口を有する空間フィルターを示す。 液晶をベースとした空間光変調器が位相フィルターとして使用される光学装置の一部を示す。 別のＳＴＥＤ蛍光顕微鏡の配置を示す。この配置の場合、波長選択位相フィルターの別の実施の形態が使用される。

以下に、本発明を具体的な実施の形態に基づいて添付図面を参照しつつ詳しく説明する。

図１は、位相フィルター１を示す。この位相フィルター１は、その光学軸線２の領域内に位相遅延素子３を有する。位相遅延素子３は、変調した波面６で略記されているように、位相フィルター１の周辺に対するこの位相フィルター１の中央領域内で光学軸線２の方向に入射する平面波面５を遅延させる。この場合、位相フィルター１の当該中央領域内の変調した波面６の相対位相遅延量は、そこで観測した光の半波長に相当する。変調した波面６が、対物レンズによって１つの焦点に合わせられる時に、光７の強度分布の１つの零地点が、この焦点での干渉効果によって生じる。この零地点は、光学軸線２の方向に当該強度分布の２つの主最大値の間に閉じ込められていて、焦点面内で干渉パターンの弱い強度の１つのリングによって包囲されている。図１による位相フィルター１は、あらゆる波長の入射する波面を変調する。しかしながら、位相遅延素子３が波長に同調されていない場合、位相フィルター１の中央領域内の波面の相対遅延量は、半波長でなくて、このときに観察した光の波長に依存する遅延時間の値になる。具体的な位相遅延量は、位相遅延素子３とこの位相遅延素子３を放射状に包囲する空気とによる光学軸線２に対して平行な光学的距離に依存する。平面平行に隣接する基板４が、光７の横断面の全体にわたる均質な位相遅延量だけに関与する、すなわち個々の波面による相対位相遅延量には関与しない。

図２に関連して、図３は、位相フィルター１が、一方の第１波長の入射する平面波面５を図１に応じて変調した波面６に歪ませる一方で、他方の波長の入射する平面波面１５を歪ませないで位相フィルター１を透過して進行させるように、この位相フィルター１を構成する可能性を概略的に示す。この場合、位相フィルター１は、光学軸線２に沿って前後して配置されている２つの材料８及び材料９から構成される。当該両材料８及び材料９の組み合わせ、すなわち位相フィルター１の全体が平面平行に境界となっている；しかしながら、材料８の延在部分が、光学軸線２の近くの位相フィルター１の中央領域内ではこの中央領域の周辺より大きい。これに応じて、光学軸線２に対して平行な材料９の延在部分は、この中央領域内ではその周辺より小さい。波面５の波長λに対して、λ／２の位相遅延量が、位相フィルター１の中央領域内で生じるように、光学軸線２に沿った両材料８，９の延在部分の当該違いが、材料９の分布特性ｎ（λ）に合わせられている。同時に、他方の波長を有する波面１５の光に対して、両材料８，９の屈折率が等しいように、材料９の分布特性ｎ（λ）が、材料８にも合わせられている。

材料９は、具体的には例えばイマージョンオイルでもよい。このイマージョンオイルが、材料８に対する波面１５の波長λに対して零のΔｎちを有するように、このイマージョンオイルは、その組成又はその温度に関する図２による分布曲線に基づいて調整されている。図３中に示された波面６の遅延を位相フィルター１の中央領域内で発生させるためには、波面５の波長に対してΔｎ値を正にする必要がある。この場合、遅延の程度が、Δｎ値によって、及び両材料８，９の延在部分における中央領域と周辺との差によって設定され得る。基本的には、波面５の波長に対するΔｎ値は負でもよい。この場合、波面６は、逆に歪む。すなわち、波面６の周辺が、その波面６の中央に対して遅延している。

光学セル１０が、図４中に３つの実施の形態で示されているように、この光学セル１０は、イマージョンオイルの形態の材料９に対して設けられている。この光学セル１０の収容空間が、光学軸線２の方向に沿って１つの深さを有する。この深さは、この光学軸線に対する法線の方向にわたって１つの段差を有する。この場合、図４（ａ）の光学セル１０は、図３の位相フィルター１に一致する。この位相フィルター１の場合、材料８が、位相フィルター１の中央領域内により大きい軸線方向延在部分を有する。図４（ｂ）の光学セル１０は、図４（ａ）の光学セルとは正反対の事例である。光学セル１０を充填する材料９は、ディスパージョンオイルのほかに、例えば液体ポリマー、液晶又は顔料溶液のようなその他の液体材料でもよい。光学セル１０の右側に見えるそれぞれの平行平面な隔壁１１は、異なる材料分布８，９に起因した相対位相遅延量に影響を及ぼさない。図４（ｃ）によれば、光学セル１０は、２つの平行平面な隔壁１１を有する。この場合、材料８から成る固体が、位相フィルター１の中央領域内の左側に示された隔壁１１の内面に当接されている。若干異なるこの構成にもかかわらず、この位相フィルター１の機能は、図４（ａ）のものに一致する。

図５は、位相フィルター１の別の異なる３つの実施の形態を示す。この場合、当該実施の形態（ａ）及び（ｂ）は、原理的には図４（ａ）及び（ｂ）の光学セルの実施の形態に一致する；しかしながら、両材料８，９は、ここでは固体として存在する。これに対して図５（ｃ）では、材料９は、図１の位相遅延素子３のように位相フィルター１の中央領域内だけに設けられている一方で、材料８は、材料９の周辺だけに延在する。両材料８，９は、ここでは共通の基板４上に配置されている。光学軸線２に対して垂直にあるこの基板４の平面平行な境界に起因して、この基板４は、平面波面の歪みとは無関係である。ここでは、平面波面の当該歪みは、歪むべき波面の波長に対する材料８と材料９との屈折率差Δ（ｎ）だけによって影響を受ける。これに対して、歪むべきではない波面に対しては、材料８，９は、異なる分布特性ｎ（λ）に起因して等しい屈折率ｎを有する。

図６は、ＳＴＥＤ蛍光顕微鏡の光学装置１３を概略的に示す。このＳＴＥＤ蛍光顕微鏡１４は、試料１６の顕微鏡検査に使用される。この場合、試料１６中の興味を起こさせる組織が、蛍光色素でマーキングされている。試料１６中の当該蛍光色素が、励起光１７によって蛍光励起され、引き続き蛍光色素から自然放出した蛍光が、検出器１８によって記録される。この場合、励起光１７は、対物レンズ１９によって試料１６に焦点合わせされる。試料１６からの蛍光２０も、対物レンズ１９によって検出器１８上に結像される。記録した蛍光２０に基づいた試料の興味を起こさせる組織の当該結像時の場所分解能を上げるため、励起光源２１としてのレーザーからの励起光１７の隣に、非励起光源２３としてのレーザーの非励起光２２も入射される。この非励起光２２は、同様に対物レンズ１９によって試料１６に焦点合わせされる。しかしながら、波長選択位相フィルター１で非励起光２２の波面を選択して歪ませることによって、非励起光２２の強度が、励起光１７と一緒に焦点に焦点合わせされるのではなくて、非励起光２２の変調した波面が、干渉効果によってこの非励起光の強度の零地点をこの焦点に対して結像する。非励起光２２に比べて異なる励起光１７の波長に起因して、位相フィルター１は、この励起光１７を歪ませないので、励起光１７も、位相フィルター１を透過して進行する。同様に、蛍光２０が、位相フィルター１を透過して進行し、位相フィルター１の後方で初めて励起光１７及び非励起光２２から分離される。図６の光学装置１３の場合、励起光１７及び非励起光２２が一緒に、対物レンズ２４を透過して単一モード光ファイバー２５の一方の端部内に入射される。平面波面を励起光１７及び非励起光２２の双方から作るため、この単一モード光ファイバー２５の他方の端部が、レンズ２６の焦点に配置されている。次いで、励起光１７の平面波面が、対物レンズ１９まで前進し、この対物レンズ１９から試料１６に焦点合わせされる。この場合、当該励起光１７の平面波面は、位相フィルタ１を歪まないで透過する。これに対して、非励起光２２の平面波面は、位相フィルター１によって希望通りに歪められる。試料１６から戻って進行している蛍光２０は、励起光１７と同様に位相フィルター１を透過して影響を受けずに維持され得る。しかし、少なくとも大部分が、単一モード光ファイバー２５に達し、そしてダイクロイックミラー２７，２８の後方の検出器１８に達する限り、励起光１７は歪められてもかまわない。これらのダイクロイックミラー２７，２８は、励起光源２１からの励起光１７と非励起光源２３からの非励起光２２とをレンズ２４に向けて同軸に指向させる。この代わりに、対物レンズ１９と位相フィルター１との間のダイクロイックミラー２９が、蛍光２０を検出器１８′に対して出射するように、この検出器１８′が配置されてもよい。この場合、レンズ２６に対応するレンズ３０が、蛍光２０を焦点合わせするため検出器１８′の上に設けられている。蛍光だけを選択してこの検出器に向けて透過させ、励起光１７又は非励起光２２の反射した部分つまり依然として異なる波長の光をこの検出器から分離して保持するため、蛍光バンドパスフィルター３４又は例えば絞りを有するプリズム若しくは格子のようなその他の適切な装置が、検出器１８又は１８′の前方に配置されている。

図７は、図６中の光学装置１３の構成群３５に対する代替物を示す。この代替物は、一般に空間フィルターと呼ばれ、一緒に進行する平面平行な波面５，１５を励起光１７及び非励起光２２から作るために使用される。この場合、単一モード光ファイバー２５の代わりに、開口１２のピンホールとも呼ばれる孔が、レンズ２４とレンズ２６との間に配置されている。ここで一致する焦点が、開口１２内にある。この開口１２は、励起光１７と非励起光２２との双方に適した単一モード光ファイバー２５が使用できないときに有益である。

図８は、光学装置１３を示す。この光学装置１３では、レーザー３１が、単一波長の光７を放出する。位相フィルター１に照射する平面波面５，１５が、レンズ２４及びレンズ２６によって単一波長の光から生成される。当該構成にもかかわらず、歪んだ波面６及び歪まなかった波面１５の双方が、位相フィルター１の後方で観測される。これらの歪んだ波面６は、ここでは図示しなかった端物レンズ１９による引き続く焦点合わせ時に干渉効果に基づいて強度分布の１つの零地点を幾何学的な焦点に対して生じさせる。このことは、位相フィルター１が複屈折する光学特性を有し、且つ光７の異なる偏光に異なって応答することに起因する。この位相フィルター１は、具体的にはここでは制御可能な空間光変調器である。この空間光変調器の場合、空間光変調可能な位相シフトが、一般に軸線に沿った１つの特定の偏光方向の光だけに影響をもたらす。ここでは、波面５が、この偏光方向を有し、これに応じて波面６に歪められる。これに対して、ここでは異なる偏光方向を有する波面１５は歪められない。原理的に既知で且つ市販の空間光変調器が、この光学装置１３に適している。これらの空間光変調器は、液晶をベースに構成されている。当該液晶は、外部電界の影響下で三次元電界強度分布に相当する１つの特定の次数分布をとる。複屈折効果が、液晶の次数の増大と共に大きくなる。光７に対する異なる偏光の相対比率及びこれらの偏光の経時変化が、１つの偏光構造体３２によって調整可能である。当該調整は、動勢的にも実施され得る。

図９は、ＳＴＥＤ蛍光顕微鏡１４を示す。このＳＴＥＤ蛍光顕微鏡１４は、蛍光２０を検出器１８′に向けて偏向させるダイクロイックミラー２９によって図６の実施の形態と以下の詳細において相違する。ダイクロイックミラー２７は省略されている。ダイクロイックミラー２８は、偏光ビームスプリッター３７によって置換されている。位相フィルター１は、液晶ポリマーをベースとする。この液晶ポリマーは、励起光１７の偏光を有する光を平面波面１５形態で透過させる一方で、非励起光２２の偏光を有する光は適切に歪まされる。このため、位相フィルターの中央における液晶ポリマー３６の液晶の３次元次数が、この位相フィルターの周辺領域内のものと異なる。当該構成は、図８の空間光変調器３３の構成に一致する。液晶ポリマー３６をベースとした図９の位相フィルター１の場合、すなわち外部電界を印加することなしに、液晶が持続して整列する。図９のＳＴＥＤ蛍光顕微鏡の場合、単一モード光ファイバー２５が偏光維持されなければならない。

１ 位相フィルター
２ 光学軸線
３ 位相遅延素子
４ 基板
５ 波面
６ 変調した波面
７ 光
８ 材料
９ 材料
１０ 光学セル
１１ 隔壁
１２ 開口
１３ 光学装置
１４ ＳＴＥＤ蛍光顕微鏡、誘導放出制御蛍光顕微鏡
１５ 平面波面
１６ 試料
１７ 励起光
１８ 検出器
１８′検出器
１９ 対物レンズ
２０ 蛍光
２１ 励起光源
２２ 非励起光
２３ 非励起光源
２４ 対物レンズ
２５ 単一モード光ファイバー
２６ レンズ
２７ ダイクロイックミラー
２８ ダイクロイックミラー
２９ ダイクロイックミラー
３０ レンズ
３１ レーザー
３２ 偏光器
３３ 空間光変調器
３４ 蛍光バンドパスフィルター
３５ 空間フィルター
３６ 液晶ポリマー
３７ 偏光ビームスプリッター

Claims (25)

1. ２つの異なる光成分を投影空間内に投影する１つの端物レンズと１つの光学部品とを有する光学装置であって、前記投影空間内の一方の光成分の強度分布が、それ自体の干渉によってこの投影空間内の他方の光成分の強度分布と異なるように、前記光学部品が、透過して進行する前記一方の光成分の波面を歪ませる光学装置において、
   前記他方の光成分（１７）の波面（１５）が、前記一方の光成分（２２）の波面（５）と同様に前記光学部品（１）を透過して進行し、この光学部品（１）は、前記他方の光成分（１７）の波面（１５）を歪ませず且つ／又はこの他方の光成分（１７）に対して位相補正されているか又は位相補正可能であることを特徴とする光学装置。
2. 前記対物レンズ（１９）は、両光成分（１７，２２）を１つの焦点領域に焦点合わせし、前記一方の光成分（２２）の強度分布が、この焦点領域の中心に零地点を有し、前記他方の光成分（１７）の強度分布が、当該中心に集中されているように、前記光学部品（１）が、この一方の光成分（２２）の波面（５）を歪ませることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 光（２０）も、前記光学部品（１）を透過して進行し、前記対物レンズ（１９）が、この光（２０）を前記焦点領域から捕捉することを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
4. 前記一方の光成分（２２）及び前記他方の光成分（１７）は、前記光学部品（１）の前方で１つの光ファイバー（２５）及び／又は１つの開口（１２）を一緒に透過することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学装置。
5. 前記光ファイバーは、単一モード光ファイバー（２５）であることを特徴とする請求項４に記載の光学装置。
6. 前記対物レンズ（１９）によって前記焦点領域から捕捉した光（２０）も、前記光ファイバー（２５）及び／又は前記開口（１２）を透過して進行することを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
7. 前記両光成分（２２，１７）の平面波面（５，１５）が、前記光学部品（１）に向かって進行することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学装置。
8. 前記光学部品（１）は、その能動面にわたって、前記一方の光成分（２２）の波長の少なくとも１／４、特に少なくとも半分の位相シフトに相当する少なくとも１つのステップ、不連続面又は局所的な変化部分を有し、前記光学部品（１）は、この位相シフトをこの一方の光成分に及ぼし、前記他方の光成分（１７）が、このステップ、不連続面又は局所的な変化部分によって変化しないように、前記位相シフトが調整されているか又は調整可能であり、前記光学部品（１）が、この位相シフトを前記他方の光成分（１７）に及ぼす ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学装置。
9. 前記光学部品（１）は、この光学部品の光学軸線（２）に対してあらゆる法線方向に延在する方向に沿って少なくとも１／４の波長に相当するステップ、不連続面又は局所的な変化部分を位相シフト中に有し、前記光学部品は、この位相シフトを前記一方の光成分（２２）に及ぼすことを特徴とする請求項８に記載の光学装置。
10. 前記光学部品（１）の光学能動面が、円形の中央領域及びこの中央領域を周回する環状に延在する周辺を有し、この中央領域とこの周辺との間では、前記一方の光成分（２２）の位相シフトの差が、この一方の光成分（２２）の波長の半分になることを特徴とする請求項９に記載の光学装置。
11. 前記光学部品（１）は、前記一方の光成分（２２）の光学軸線の周りの周囲方向にこの一方の光成分（２２）の波長まで増大する差の位相シフトをこの一方の光成分（２２）に及ぼすことを特徴とする請求項９に記載の光学装置。
12. 前記両光成分（１７，２２）は、それらの偏光において相違することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光学装置。
13. 前記光学部品（１）は、液晶をベースとした空間光変調器であることを特徴とする請求項１２に記載の光学装置。
14. 前記両光成分（１７，２２）は、それらの波長において相違することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の光学装置。
15. 前記光学部品（１）の２つの異なる領域が、位相シフトのステップ又は不連続面に対して異なる分布特性ｎ（λ）で互いに隣接していることを特徴とする請求項６〜１１又は１４のいずれか１項に記載の光学装置。
16. 前記両異なる領域はそれぞれ、前記光学部品の光学軸線（２）の方向に平面平行な面によって仕切られていることを特徴とする請求項１５に記載の光学装置。
17. 前記光学部品（１）の全体が、前記光学部品の光学軸線（２）の方向に平面平行な面によって仕切られていることを特徴とする請求項１６に記載の光学装置。
18. 前記光学部品（１）は、その異なる領域内に異なる材料（８，９）又は異なる材料の組み合わせを有することを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の光学装置。
19. 同じ材料（８，９）が、異なる領域内で異なる厚さで設けられていることを特徴とする請求項１８に記載の光学装置。
20. 前記材料のうちの少なくとも１つの材料（９）が、温度に依存する分布特性ｎ（λ，Ｔ）を有し、温度装置が、この材料に付設されていることを特徴とする請求項１８又は１９に記載の光学装置。
21. 前記材料のうちの少なくとも１つの材料が、電気的に変化可能な分布特性ｎ（λ，Ｕ）を有し、電圧Ｕで印加可能な電極が、この材料に付設されていることを特徴とする請求項１８〜２０のいずれか１項に記載の光学装置。
22. 前記材料のうちの少なくとも１つの材料（９）は、ポリマー、ゲル、イマージョンオイル、顔料溶液又は液晶であることを特徴とする請求項１８〜２１のいずれか１項に記載の光学装置。
23. 前記光学部品（１）は、光学セルを有し、この光学セルの場合、収容空間の深さが、この光学部品の光学軸線（２）の方向にこの光学部品の光学能動面にわたって変化することを特徴とする請求項１８〜２２のいずれか１項に記載の光学装置。
24. 光学軸線及び固体を有する光学部品であって、この固体は、少なくとも１つの波長の光に対して異なる領域内にこの光学軸線に対して平行に異なる光路長を提供する光学部品において、
    少なくとも１つの成形体が、前記領域のうちの少なくとも１つの領域内で前記光学軸線に沿って前記固体に接合するし、当該固体に基づいて異なる光路長に変えるため、当該固体と当該成形体との屈折率の差が変更可能であることを特徴とする光学部品。
25. 前記固体と前記成形体との屈折率の差が、前記一方の光成分（２２）に対しては、この一方の光成分（２２）の波長の少なくとも１／４、特に少なくとも半分に相当する光路長の差になる一方で、別の光学特性を有する他方の光成分（１７）に対する光路長の差は零であるように、当該屈折率は変更可能であることを特徴とする請求項２４に記載の光学部品。

Images