WO2019206646A1 - Optikanordnung zur flexiblen mehrfarbbeleuchtung für ein lichtmikroskop und verfahren hierzu - Google Patents

Optikanordnung zur flexiblen mehrfarbbeleuchtung für ein lichtmikroskop und verfahren hierzu Download PDF

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WO2019206646A1
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liquid crystal
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transmission
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Ralf Netz
Jörg SIEBENMORGEN
Ingo Kleppe
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Carl Zeiss Microscopy Gmbh
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    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/06—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the phase of light

Definitions

  • the present invention relates in a first aspect to an optical arrangement for flexible multi-color illumination for a light microscope according to the preamble of claim 1.
  • the invention in a second aspect, relates to a method for providing a flexible multi-color illumination in a light microscope according to the preamble of claim 14.
  • Light of a wavelength can be understood in this disclosure light of a certain wavelength range, the range width is not limited in principle. Accordingly, two different wavelengths of light may be understood to mean two different, spaced-apart wavelength ranges.
  • Wavelength ranges of a broadband light source can be selected in various ways or different narrowband light sources, for example lasers, can be used simultaneously or successively.
  • Many other techniques can also be used for beam shaping For example, aperture or DMD (digital micromirror device), with which a spatial structure can be adjusted via a beam cross-section.
  • DMD digital micromirror device
  • a generic optical arrangement comprises an AOTF (acousto-optic tunable filter) or EOM (electro-optic modulator).
  • the AOTF is designed to diffract at least two light components of incident illumination light in different diffraction order directions, the two diffracted light components differing in their wavelength and polarization. Depending on the circuit and structure, the two light components can be generated simultaneously or in quick succession from the same illumination light. If an EOM is used instead, light components of different wavelengths are passed one after the other to the EOM. This can also be referred to as time division multiplexing. For example, light flashes / pulses of different wavelengths can be used. These can have the same polarization.
  • the EOM can then set the two temporally successive light components of different wavelengths to different polarization directions.
  • the EOM can be switched quickly, that is, between successive light fractions (light pulses), the EOM can be switched.
  • the EOM can set different polarization directions, for example linear, polarization directions which are perpendicular to one another, for the two successive light components.
  • a generic method for flexible multi-color illumination for a light microscope is provided in a corresponding manner that two light components of incident illumination light are diffracted in a different diffraction order directions with an AOTF, wherein the two light components differ in their wavelength and polarization, or that with an EOM two temporally successive light components of different wavelengths can be set to different polarization directions.
  • An AOTF comprises an anisotropic, birefringent medium, such as a glass or crystal, through which an acoustic wave is transmitted or to which an electric field is applied.
  • the refractive index varies periodically and incident light is diffracted.
  • incident light in different directions the different Diffraction orders comply, distracted.
  • this can be wavelength dependent.
  • two different wavelengths can be deflected into different diffraction orders.
  • different wavelengths can be selected from the light of a broadband light source, or from the combined light beams of several lasers, which are used, for example, for sample illumination.
  • the deflected in a first order of diffraction light component undergoes a polarization rotation and thereby has a different polarization than the light component, the unbent, that is in the zeroth order of diffraction, passes through the medium.
  • optical components for the common forwarding of the two light components to a common beam path are provided according to the invention.
  • a polarization beam splitter is arranged, with which the two light components are spatially separated depending on polarization, namely in reflection light, which is reflected at the polarization beam splitter, and transmission light, which is transmitted to the polarization beam splitter.
  • a light structuring device is provided with which different structuring can be impressed on the transmission light and the reflection light.
  • the Polarization beam splitter or another polarization beam splitter is arranged so that it merges the structured transmission light and the structured reflection light onto a common beam path.
  • the common beam path can lead in particular in the direction of a sample to be examined.
  • the two light components of different wavelength and polarization are separated according to the invention with a polarization beam splitter in the method of the abovementioned type.
  • One of the light components is reflected as reflection light at the polarization beam splitter.
  • the other of the light components is transmitted as transmission light at the polarization beam splitter.
  • a light structuring device different patterns are impressed on the transmission light and the reflection light.
  • the polarization beam splitter or another polarization beam splitter the structured transmission light and the structured reflection light are combined onto a common beam path.
  • the invention makes use of the property that the light component diffracted by an AOTF has a different polarization direction than undiffracted light component, whereby these two light components can differ in their wavelength or wavelength composition, or the invention uses the property that different light components pass through one another very quickly , which differ in wavelength, can be rotated in different polarization directions.
  • two light components can be output by the AOTF / EOM, which in particular are polarized perpendicular to one another and differ in their wavelength.
  • the light portion unduly diffracted at the AOTF is often blanked out and not used further.
  • these two light components can be forwarded, namely to a common beam path.
  • optical components for this purpose can be arranged such that they capture both a diffracted and an undiffracted light component, that is to say in particular the light components of a zeroth and a first diffraction order.
  • the optical components may comprise, for example, one or more lenses, mirrors or prisms. Due to the different diffraction orders, the propagation directions of the two light components differ slightly. It can be provided that the optical components that follow the AOTF / EOM are designed to make that difference in the To reduce propagation directions of the two light components. For this purpose, it can be exploited that the two light components differ in their wavelength. If the optical components have a dispersion (wavelength-dependent refractive power), they can influence the two light components differently. The dispersion and shape of the optical components may be chosen so that a distance between the two partial beams caused by the different diffraction orders is reduced (and not enlarged).
  • the two light components are guided to different beam paths.
  • the two light components can be polarized perpendicular to each other.
  • the reflected light at the polarization beam splitter (hereinafter reflection light) therefore corresponds to one of the light components and the transmitted light (hereinafter transmission light) corresponds to the other light component.
  • the beam path to which the reflection light is directed is hereinafter referred to as the first beam path and the beam path of the
  • Transmission light is referred to as the second beam path accordingly.
  • the two light components After the two light components have been formed independently by the light structuring device, they are again brought together on a common beam path. This can be done with an additional polarization beam splitter or with the same polarization beam splitter, which has initially caused the spatial separation.
  • the polarization beam splitter, the light structuring device and beam deflection elements can be arranged so that together with the first and the second beam path a closed loop is formed, which is traversed by the transmission light and the reflection light in the reverse direction.
  • the transmission light hits accordingly, after being rejected by the
  • the reflection light after being imparted with a structure by the light structuring device, again strikes the polarization splitter, but from the direction in which the transmission light is transmitted at the polarization beam splitter has been.
  • the transmission light is transmitted again and the reflection light is reflected again, so that these two are output on a common beam path, in particular in the direction of a sample.
  • the polarization of the light when passing through the closed loop should either not change or change only temporarily, so that the second impingement on the polarization beam splitter, the polarization is the same as when first leaving the polarization beam splitter.
  • the light structuring device is designed such that a spatial structure is impressed on incident light. Accordingly, the light intensity and / or phase is variably changed over a cross section of the light.
  • the light-structuring device comprises a liquid-crystal matrix as a structured element, it also being possible generally to use transmissive or reflective gratings or micromirror arrays.
  • the liquid crystal matrix comprises a plurality of independently switchable liquid crystal elements. The liquid crystal elements may be arranged in a two-dimensional pattern directly next to each other. Such a liquid crystal matrix is also referred to as LCoS or LCoS-SLM (LCoS: Liquid Crystal on Silicon; SLM: Spatial Light Modulator).
  • an adjustable voltage can be applied to the liquid crystal elements, whereby a tilting direction of the liquid crystal molecules of the respective liquid crystal element is adjustable.
  • a phase of incident light can be changed in an adjustable manner, wherein the phase can in principle be arbitrarily pushed within an interval.
  • the polarization direction of the incident light relative to the orientation of the liquid crystal elements determines whether a variable phase change can be set or not.
  • the light phase can be variably adjusted, while light with a polarization perpendicular thereto, regardless of a switching state of the liquid crystal matrix, passes through the latter, is reflected at the rear and runs back again, without a phase change would be variably adjustable.
  • a liquid crystal matrix having a reflective rear side is used, and these embodiments are also in principle can be modified to a transmissive liquid crystal matrix, which is traversed only once by the light.
  • a phase of an incident light beam can thus be variably adjusted via the beam cross section, given suitable polarization of the light. From this phase grating an amplitude grating / an amplitude variation can result in the sample plane, for example by masking out external light components.
  • the two liquid crystal regions may belong to different liquid crystal matrices.
  • the two liquid crystal arrays may have axes of action rotated by 90 ° with respect to each other so that the different polarization directions of the transmitted light and the reflected light cause only one of the two liquid crystal arrays to variably change the phase of the incident light.
  • liquid crystal matrices are very expensive, so that it may be preferable if the two liquid crystal regions are different regions of the same liquid crystal matrix.
  • Reflection light can be directed first to the first liquid crystal region and then to the second liquid crystal region on the optical path forming a closed loop from the polarization beam splitter.
  • the reflection light should have a polarization direction by which the phase of the reflection light is variably influenced only by one of the two liquid crystal regions.
  • the transmission light is first conducted to the second liquid crystal region and then to the first liquid crystal region, having a polarization direction by which the phase of the transmission light is in turn variably affected only by the other of the two liquid crystal regions.
  • That the transmission light and the reflection light are each variably influenced only by one of the two liquid crystal regions can be achieved by appropriately rotating the polarization direction of the transmission light and the reflection light:
  • a polarization rotator for rotating the direction of polarization of incident light by 90 ° may be present and arranged such that it passes through twice, namely directly before and directly after hitting one of the two liquid crystal regions. Due to the two-time impingement, the polarization direction is ultimately the same as before, however, the polarization direction is rotated by 90 ° when hitting this liquid crystal region.
  • the transmission light may first hit the polarization rotator, then the second liquid crystal region, then the polarization rotator, and then the first liquid crystal region, while the reflected light may encounter these components in reverse order.
  • the arrangement can be modified so that the transmission light in reverse order passes through the above components, while the reflection light in the order listed passes through the components.
  • the polarization rotator may be formed by a single 1/2 platelet or comprise two 1/2 platelets, one of which is passed through one-half platelet prior to impacting the second liquid crystal region, and the other one-twelfth platelet upon impact is passed through the second liquid crystal region.
  • the 1/2 platelets are arranged so that their crystal axes are parallel.
  • the transmission light and the reflection light each remain unaffected during the first impact on one of the two liquid crystal regions and are not influenced until the second impact.
  • the liquid crystal regions, the polarization directions of the transmission and reflection light and optionally the optical axis of the polarization rotator can be aligned accordingly. This is conducive to better beam quality.
  • a liquid crystal matrix is used with which is adjustable, whether a polarization direction of incident light is changed, in particular rotated or not.
  • a phase change of only one component of the incident light leads to a polarization rotation of this light, in particular by 90 °, or to a polarization change to elliptical polarization.
  • a half-wave plate can thus be specified, whether a polarization direction is such that transmission / reflection light is forwarded in the direction of the sample area or not.
  • the proportions at which the transmission / reflection light at the polarization beam splitter is reflected and transmitted can be adjusted variably. So an amplitude modulation is possible.
  • the liquid crystal matrix is not arranged in a closed loop as a beam path.
  • the reflection and transmission light are directed by means of beam deflecting elements to different liquid crystal regions, preferably the same liquid crystal matrix, and then redirected back to the polarization beam splitter on the respectively same path.
  • the reflection and transmission light can each be directed perpendicular to the liquid crystal regions, which is beneficial for the beam quality.
  • the reflection light thus passes from the polarization beam splitter on a first beam path via a polarization rotator to a liquid crystal region of the liquid crystal matrix and on the same first beam path back to the polarization beam splitter.
  • the liquid crystal matrix is arranged so that depending on the switching state of their liquid crystal elements no or a variably adjustable polarization change is effected. In particular, a polarization rotation by 90 ° or a change from linear polarization to circular or elliptical polarization can be effected.
  • a polarization direction of the reflection light can thereby be rotated by 90 ° or 0 ° together with the polarization rotator, so that the reflection light returning from the liquid crystal matrix is transmitted in an adjustable manner to the polarization beam splitter in the direction of a sample area or reflected in the direction of the light source with elliptical polarization to variable proportions that are adjustable, transmitted and reflected by the liquid crystal matrix.
  • the optional polarization rotator can be a 1/2 platelet, whose optical axis can be at an angle of 22.5 ° to the transmission or reflection light and correspondingly at an angle of 67.5 ° to the other of the transmission or reflection light.
  • Alignment of the liquid crystal array may be parallel to the original polarization direction of the transmission or reflection light, thus achieving a polarization rotation of 90 ° or no polarization rotation of the incident light (already rotated by the polarization rotator), or a polarization change to elliptical, depending on the switching state of the liquid crystal elements Polarization.
  • the transmission light from the polarization beam splitter runs on a second beam path via optionally the polarization rotator or an additional polarization rotator to another liquid crystal region of the liquid crystal matrix.
  • the liquid crystal matrix is arranged so that, depending on the switching state of its liquid crystal elements, a polarization rotation, no polarization rotation or a change to elliptical polarization is effected.
  • a polarization direction of the transmission light is rotated by 90 ° or 0 ° or elliptically polarized after the polarization rotator, depending on the switching state of the liquid crystal elements.
  • the return from the liquid crystal matrix transmission light is thereby transmitted to the polarization beam splitter either in the direction of the light source, or reflected in the direction of the sample area (on a common beam with transmitted reflection light), or partially reflected in elliptical polarization and partially transmitted.
  • the first and second optical paths preferably have the same optical path length.
  • the orientation of the liquid crystal matrix may be set at an angle of 45 ° to both the polarization direction of the reflection light and the polarization direction of the transmission light. Depending on an on or off state of the liquid crystal elements, this results in a 90 ° polarization rotation or no polarization rotation on the liquid crystal matrix. So can also be set here whether thrown back transmission / reflection light at the polarization beam splitter is directed towards the sample or back towards the light source. By intermediate states of the liquid crystal elements, in turn, a variable elliptical polarization wasn set, whereby a partial reflection and partial transmission takes place at the polarization beam splitter.
  • An embossed pattern may have a polarization varying over a cross-section of the reflection or transmission light. Accordingly, for different pixels / sections of the beam cross section, a polarization direction can be rotated by 0 ° or 90 ° independently of the remaining pixels / sections, or the polarization can be changed to elliptical polarization.
  • the light structuring device thus determines which parts of the reflection and transmission light are transmitted to the common beam path, while the remaining parts are returned in the direction of the AOTF / EOM. This creates an amplitude-modulated illumination pattern.
  • a Faraday rotator in the beam path of the transmission light and / or a Faraday rotator in the beam path of the reflection light can be used.
  • the polarization direction of the light is further rotated twice in the same direction, in contrast to a 1/2 plate, which reverses the polarization direction of light on the return path.
  • the Faraday rotator can be adjusted so that, when passing through twice, a polarization rotation of 90 ° is effected, so that transmission light is subsequently reflected at the polarization beam splitter, or reflection light is then transmitted at the polarization beam splitter.
  • the liquid crystal regions can then be used to impose a phase pattern on the light over its cross section, so that, in particular, a phase-modulated illumination is provided in a sample plane.
  • two lights of different wavelengths can be simultaneously modulated and directed to a sample area.
  • an additional AOTF may be present in front of the polarization beam splitter whereby illumination light passes through both AOTFs.
  • the additional AOTF can quickly switch between different wavelengths for color sequential measurements, for which different textures are provided at the two areas of the liquid crystal matrix.
  • the invention also relates to a light microscope with an optical arrangement, which can be designed as described here.
  • the light microscope comprises a light source connection.
  • a light source may be coupled, for example, a plurality of lasers or a broadband light source.
  • the light source connection is designed so that when connecting a light source whose light passes through the beam path described here.
  • the light microscope may include a detector terminal to which a light detector may be connected. This can be designed as a spatially resolving camera.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first
  • Fig. 2 is a schematic representation of components of a
  • Fig. 3 is a schematic representation of another
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of an optical arrangement 100 according to the invention, which is part of a light microscope 1 10 according to the invention.
  • the light microscope 1 10 includes a light source 1, not shown here, which emits illumination light 2.
  • the light source 1 may, for example, comprise a plurality of lasers whose beam paths are brought together by a mirror staircase onto a common beam path.
  • the optical assembly 100 comprises a light structuring device 30, which imposes a structure on the illumination light.
  • the light 52 structured in this way is conducted to a sample region 83 via optical components 80, which may in particular comprise an objective 81.
  • sample light 93 Light reflected from a sample in the sample area 83 is referred to as sample light 93, and may be, for example, luminescent light, that is, fluorescent light or phosphorescent light. It can be passed over the same lens 81 and then separated by a beam splitter 90 from the beam path of the illumination light 52, before it is detected by a detector 95.
  • luminescent light that is, fluorescent light or phosphorescent light. It can be passed over the same lens 81 and then separated by a beam splitter 90 from the beam path of the illumination light 52, before it is detected by a detector 95.
  • the illumination light 2 strikes an AOTF 5. This can deflect a light component of the illumination light 2 having a specific selectable wavelength into a first order of diffraction. Another light component of the illumination light can traverse the AOTF 5 in the direction of a zeroth order of diffraction. These two light components differ not only in their wavelength, but also in their polarization, since the deflection in the direction of the first diffraction order, the light polarization is rotated by 90 °.
  • an EOM can also be used.
  • About a lighting unit are the EOM time modulated, that is temporally successively, two light beams (hereinafter: light components) supplied, which differ in their wavelengths.
  • the EOM can rotate the polarization direction of the first light component and then be switched by a control unit so that the polarization of the temporally subsequent light component in a different direction is rotated, so that the two light components in particular have a mutually perpendicular polarization.
  • Reflection light 12A is reflected onto a first beam path 1 1A and (in particular at the same time) transmission light 12B is transmitted to a second beam path 1 1 B.
  • the transmission light 12B is directed via beam deflecting elements 17, for example one or more mirrors or prisms, to the light structuring device 30.
  • the light structuring device 30 here comprises a liquid crystal matrix 35 as a structured element.
  • a liquid crystal matrix 35 is also called LCoS (Liquid Crystal on Silicon).
  • Incident light passes through the liquid crystal matrix 35, is reflected at its rear side (that is, in particular on the silicon chip) and again passes through the liquid crystal matrix 35 before it emerges.
  • An amplitude modulation of the incident light is not reached here alone, but a phase modulation.
  • the liquid crystal matrix 35 comprises a plurality of liquid crystal elements which are birefringent and can be adjusted independently of each other.
  • a liquid crystal element may variably change the phase of incident light, but only if the polarization direction of the incident light is suitably to the liquid crystal matrix. In the case of a perpendicular polarization direction, however, the light is passed on without switching states of the liquid crystal elements having an influence on a phase change of the light.
  • the reflection light 12A and the transmission light 12B strike the same liquid crystal array 35. Since the reflection light 12A and the transmission light 12B are perpendicularly linearly polarized with each other, only either the reflection or the transmission light would be variably phase-modulated without further measures. So that both the reflection and the transmission light can be variably phase-modulated, a polarization rotator 28 is used. This may be a 1/2 plate oriented to rotate the polarization of incident transmission or reflection light by 90 °. This is shown in the figure insert in Fig.
  • the optical axis 28A is at an angle of 45 ° to the polarization direction 61 B of the transmission light before hitting the half-wave plate 28, so that the polarization direction 61 B is rotated by 90 ° to the polarization direction 62B.
  • the polarization rotation on the half-wave plate is just the reverse of the case described.
  • the reflection light 12A initially strikes a first liquid crystal region 35A of the liquid crystal matrix 35. It is then deflected via a deflection element 18, for example a mirror or a prism, and is directed a second time onto the liquid crystal matrix 35, namely onto a second liquid crystal region 35B which may be different or non-overlapping to the first liquid crystal region 35A, in particular. However, before the reflection light 12A strikes the liquid crystal matrix 35 for the second time, it encounters the polarization rotator 28, which rotates the polarization direction by 90 °. The reflection light 12A thereby has a different polarization at the second impact than at the first impact. Thus, the reflection light 12A is variably phase modulated only at either the first or second impingement, while not undergoing phase modulation at the other impingement.
  • a deflection element 18 for example a mirror or a prism
  • the reflection light 12A again passes through the polarization rotator 28, whereby the polarization direction is turned back again.
  • the transmission light 12B passes through the same optical path as the reflection light 12A, but in the reverse direction. Thus, the transmission light 12B first strikes the polarization rotator 28 before striking the liquid crystal array 35 at the liquid crystal region 35B for the first time. It then passes through the polarization rotator 28 again and then strikes the liquid crystal region 35A.
  • the reflection light 12A is phase-modulated only by the first or second liquid crystal region 35A or 35B, while the transmission light 12B is phase-modulated by the other of the two liquid crystal regions.
  • the liquid crystal elements of the first and second liquid crystal regions 35A, 35B can be set to generate phase gratings.
  • the liquid crystal regions 35A, 35B are arranged in a pupil plane, thus producing in a sample plane (or a plane conjugate thereto) a light pattern which is generated via a Fourier transformation with the light pattern generated in the pupil plane , is related.
  • the phase pattern in the pupil plane therefore becomes an amplitude grating in a sample plane (or conjugate plane).
  • a controller can calculate the desired phase pattern in the pupil plane via an IFTA (Iterative Fourier Transform Algorithm) and adjust the liquid crystal regions accordingly.
  • IFTA Transative Fourier Transform Algorithm
  • the variant shown in FIG. 1 can also be modified so that the liquid crystal regions are not arranged in a pupil plane, but in an intermediate image plane or a plane conjugate to the sample image plane.
  • the generated phase pattern can also be imaged as a phase pattern in the sample plane.
  • an amplitude grid in the sample plane can also be effected in another way:
  • a lattice constant of the phase lattice can be chosen such that higher orders of diffraction are not guided by the optical components 80 to the sample area 83, but are faded out beforehand. For example, a -1., 0. and +1 alone. Diffraction order are passed to the sample area 83.
  • an amplitude grating so an intensity modulation.
  • the beam path forms a closed loop from the polarization beam splitter 10, which passes over the structuring device 30.
  • the reflection light 12A and the transmission light 12B undergo the closed loop in the reverse direction.
  • the transmission light 12B on re-impingement on the polarization beam splitter 10 is the same as the previous departure from the polarization beam splitter, the transmission light 12B is transmitted toward the sample area 83, not reflected toward the light source 1.
  • the reflection light 12A has the same polarization upon re-impinging on the polarization beam splitter 10 as when exiting the polarization beam splitter earlier and is therefore reflected again.
  • the reflection light 12A reaches a common beam path 55 with the transmission light 12B.
  • the structured transmission light 12B and the structured reflection light 12A that is to say the two manipulated light components of different wavelengths, now run on a common beam path 55 and could independently of one another obtain a desired phase or intensity pattern.
  • the transmission light 12B runs on the first beam path 1 1A to the polarization beam splitter 10, and the reflection light 12A runs on the second beam path 1 1 B to the polarization beam splitter 10th
  • the beam deflecting elements 16 or 17 may be dispensed with, or they may be located elsewhere in the optical path forming the closed loop.
  • the illustrated liquid crystal matrix 35 may be replaced by two liquid crystal arrays. If these liquid-crystal matrices are arranged perpendicular to one another in their effective direction, the polarization rotator can be dispensed with. However, since liquid crystal arrays are very expensive, this design is associated with higher costs.
  • FIG. 2 shows, in a schematic plan view, components of an optical arrangement 100 according to the invention which can be essentially the same as the optical arrangement from FIG. 1.
  • the propagation directions of the illumination light 2, the reflection light 12A and the transmission light 12B are shown by arrows.
  • the polarization directions are partially indicated here.
  • the illumination light 2 includes the two light components 2A, 2B of different wavelength, which have the specified different polarizations.
  • the polarization directions of the transmission light 12B corresponding to the light portion 2B are indicated on the different optical path portions. As shown, the polarization direction changes twice by the polarization rotator 28.
  • the direction of polarization of the reflection light 12A on each beam path section is perpendicular to that of the transmission light 12B and is not shown in FIG. 2 for clarity.
  • On the common beam path 55, both polarization directions of the reflection light 12A (light component 2A) and the transmission light 12B (light component 2B) are registered.
  • FIG. 3 A further exemplary embodiment of an optical arrangement 100 according to the invention, which may be part of a light microscope 1 10 according to the invention, is shown in FIG. 3.
  • the two light components of different wavelength and polarization are also here by a polarization beam splitter 10 to different beam paths 1 1A and 1 1 B divided.
  • the two beam paths 1 1A and 1 1 B do not form a closed loop. Rather, reflection light 12A runs on the beam path 1 1A up to a first region 35A of the liquid crystal matrix 35 and on the same beam path 1 1A again to the polarization beam splitter 10.
  • Analog transmits transmission light 12B on the second beam path 1 1 B to a second region 35B of the liquid crystal matrix 35th
  • Different sides of a common deflecting element 19 can be used in the two beam paths 1 1A and 1 1 B, so that the transmission and reflection light 12A, 12B close to each other and parallel to the liquid crystal matrix 35th run and meet them vertically.
  • the liquid crystal matrix 35 is here in an intermediate image plane, wherein the structure can also be modified so that the liquid crystal matrix 35 is arranged in a pupil plane.
  • the polarization of the reflection light 12A on the beam path 1 1A and the polarization must be change the transmission light 12B on the beam path 1 1 B by 90 °.
  • the polarization rotator 29 is here a half-wave plate (1 ⁇ 2-plate), whose dimensions are large enough that it is arranged both in the beam path 1 1A and in the beam path 1 1 B.
  • the polarization of the reflection light 12A is shown in the figure portions 70A, 71A and 72A.
  • FIG. 70A shows the optical axis 29A of the half-wave plate 29 as well as the direction of polarization 80A of the reflection light before it passes through the half-wave plate 29 and the direction of polarization 81A of the reflection light rotated thereby, in particular by 135 °.
  • Figure 71A shows how this direction of polarization 81 A can change through the liquid crystal matrix 35. This is aligned so that it performs a polarization change, in particular rotation, depending on the switching state of the liquid crystal elements. When a liquid crystal element is in an off state, it does not variably vary the phase and polarization direction remains the same, that is, the direction of polarization remains unchanged 81 A.
  • the liquid crystal element delays the phase of the polarization component shown in figure section 71A in FIG horizontal direction; As a result, the direction of polarization can be rotated to 82A, especially when the horizontal polarization component of 81A is shifted by one-half wavelength (or an integer multiple of the wavelength plus one-half wavelength) relative to the vertical polarization component.
  • the liquid crystal element can also be set to various intermediate states in which a different phase shift is set (not shown). This results in an elliptical polarization. In the illustrated case, the reflection light now travels back from the liquid crystal matrix to the half-wave plate, where the direction of polarization is again rotated, as shown in Figure section 72A.
  • the polarization direction 82A is rotated 45 ° to 84A, that is, the polarization direction is 90 ° to the original polarization state.
  • the reflection light is now transmitted to the polarization beam splitter.
  • the polarization direction 81 A is rotated by 67.5 ° to 83A, that is, the polarization direction is in the original state again. This part of the reflection light is therefore reflected back to the light source at the polarization beam splitter and does not reach the common beam path 55.
  • the corresponding situations are shown in the figure sections 70B, 71B and 72B.
  • the polarization direction 80B of the transmission light is initially at an angle of 22.5 ° to the orientation 29A of the Flalbwellenplatte and is therefore rotated by 45 ° in the polarization direction 81 B.
  • the transmission light is incident on the liquid crystal matrix where, in an off-state of a liquid crystal element, the polarization direction 81 B remains unchanged (see figure section 71 B) or is rotated to 82 B in an on state of the liquid crystal element.
  • the polarization direction 81 B is rotated by 45 ° in the direction 83B which, as shown in Figure portion 72B, just corresponds to the original polarization 80B.
  • transmission light is again transmitted to the polarization beam splitter, toward the light source.
  • the polarization direction 82B which is generated at an on-state of a liquid crystal element, is at an angle of 67.5 ° to the half-wave plate and therefore rotated 135 ° therefrom, so that the resulting polarization direction 84B is perpendicular to the original polarization 80B and the transmission light is now reflected at the polarization beam splitter, on the common beam path 55th
  • the liquid crystal matrix together with the polarization beam splitter and the polarization rotator can each impose on the first and the second light component a variably adjustable intensity distribution over the respective beam cross section.
  • this is done independently for both light components and rapid changes in the intensity distributions are possible through the liquid crystal matrix, without requiring more time-consuming displacements or rotations of components.
  • the half-wave plate can be dispensed with, in particular if the orientation of the liquid-crystal matrix is at an angle of 45 ° to both the polarization direction of the reflection light and the direction of polarization of the transmission light.
  • a 90 ° polarization rotation or no polarization rotation on the liquid crystal matrix can be achieved. Accordingly, it can also be set here whether thrown back transmission / reflection light at the polarization beam splitter is further directed towards the sample or back towards the light source.

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Abstract

Eine Optikanordnung zur flexiblen Mehrfarbbeleuchtung für ein Lichtmikroskop umfasst einen AOTF (5), welcher dazu eingerichtet ist, zwei Lichtanteile von auftreffendem Beleuchtungslicht (2) in unterschiedliche Beugungsordnungsrichtungen zu beugen, wobei sich die zwei Lichtanteile in ihrer Wellenlänge und Polarisation unterscheiden, oder einen EOM, mit dem zwei zeitlich aufeinander folgende Lichtanteile (2A, 2B) unterschiedlicher Wellenlänge auf verschiedene Polarisationsrichtungen eingestellt werden. Ein Polarisationsstrahlteiler (10) trennt die beiden Lichtanteile (2A, 2B) unterschiedlicher Wellenlänge und Polarisation in Reflexionslicht (12A), das am Polarisationsstrahlteiler (10) reflektiert wird, und Transmissionslicht (12B), das am Polarisationsstrahlteiler (10) transmittiert wird. Eine Lichtstrukturierungsvorrichtung (30) prägt dem Transmissionslicht und dem Reflexionslicht verschiedene Strukturierungen auf. Anschließend werden das strukturierte Transmissionslicht (12B) und das strukturierte Reflexionslicht (12A) durch den Polarisationsstrahlteiler (10) oder einen weiteren Polarisationsstrahlteiler wieder auf einen gemeinsamen Strahlengang (55) zusammengeführt.

Description

Optikanordnunq zur flexiblen Mehrfarbbeleuchtung für ein Lichtmikroskop und
Verfahren hierzu
Die vorliegende Erfindung bezieht sich in einem ersten Aspekt auf eine Optikanordnung zur flexiblen Mehrfarbbeleuchtung für ein Lichtmikroskop nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In einem zweiten Gesichtspunkt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen einer zur flexiblen Mehrfarbbeleuchtung in einem Lichtmikroskop nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
Für zahlreiche Mikroskopietechniken ist es erforderlich, eine Probe gleichzeitig oder kurz nacheinander mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu beleuchten. Beispielsweise kann es gewünscht sein, eine Probe mit zwei verschiedenen Lichtwellenlängen zur Anregung gleichzeitig oder kurz aufeinander zu beleuchten. Auch kann es gewünscht sein, zwei verschiedene Lichtwellenlängen zur Photostimulation einer Probe, oder eine Wellenlänge zur Photostimulation und eine andere Wellenlänge zur Anregung der Probe, gleichzeitig zu nutzen.
Unter Licht einer Wellenlänge kann in dieser Offenbarung Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs verstanden werden, wobei die Bereichsbreite prinzipiell nicht beschränkt ist. Unter zwei verschiedenen Lichtwellenlängen können demgemäß zwei verschiedene, voneinander beabstandete Wellenlängenbereiche verstanden werden.
Prinzipiell sind zahlreiche verschiedene Vorgehensweisen bekannt, um Licht bestimmter Wellenlängen auszuwählen und eine Strahlformung vorzunehmen. In vielfältiger Weise können beispielsweise Wellenlängenbereiche einer breitbandigen Lichtquelle ausgewählt werden oder verschiedene schmalbandige Lichtquellen, zum Beispiel Laser, können gleichzeitig oder nacheinander genutzt werden. Zur Strahlformung können ebenfalls viele verschiedene Techniken genutzt werden, beispielsweise Blenden oder DMD (digital micromirror device), mit denen eine räumliche Struktur über einen Strahlquerschnitt eingestellt werden kann.
Eine gattungsgemäße Optikanordnung umfasst einen AOTF (akusto-optischen durchstimmbaren Filter, englisch: acousto-optical tunable filter) oder EOM (Elektro- optischer Modulator). Der AOTF ist dazu eingerichtet, zumindest zwei Lichtanteile von auftreffendem Beleuchtungslicht in unterschiedliche Beugungsordnungsrichtungen zu beugen, wobei sich die zwei gebeugten Lichtanteile in ihrer Wellenlänge und Polarisation unterscheiden. Je nach Schaltung und Aufbau können die beiden Lichtanteile gleichzeitig oder kurz nacheinander aus demselben Beleuchtungslicht erzeugt werden. Wird stattdessen ein EOM verwendet, so werden Lichtanteile verschiedener Wellenlängen zeitlich nacheinander zum EOM geleitet. Dies kann auch als Zeitmultiplexing bezeichnet werden. Beispielsweise können Lichtblitze / -pulse verschiedener Wellenlängen verwendet werden. Diese können die gleiche Polarisation haben. Der EOM kann sodann die zwei zeitlich aufeinander folgenden Lichtanteile unterschiedlicher Wellenlänge auf verschiedene Polarisationsrichtungen einstellen. Hierzu kann der EOM schnell geschaltet werden, das heißt zwischen aufeinander folgenden Lichtanteilen (Lichtpulsen) kann der EOM geschaltet werden. Insbesondere kann der EOM unterschiedliche Polarisationsrichtungen, beispielsweise lineare, zueinader senkrecht stehende Polarisationsrichtungen für die beiden aufeinander folgenden Lichtanteile einstellen.
Bei einem gattungsgemäßen Verfahren zur flexiblen Mehrfarbbeleuchtung für ein Lichtmikroskop ist in entsprechender Weise vorgesehen, dass mit einem AOTF zwei Lichtanteile von auftreffendem Beleuchtungslicht in unterschiedliche Beugungsordnungsrichtungen gebeugt werden, wobei sich die zwei Lichtanteile in ihrer Wellenlänge und Polarisation unterscheiden, oder dass mit einem EOM zwei zeitlich aufeinander folgende Lichtanteile unterschiedlicher Wellenlängen auf verschiedene Polarisationsrichtungen eingestellt werden.
Ein AOTF umfasst ein anisotropes, doppelbrechendes Medium, beispielsweise ein Glas oder einen Kristall, durch den eine akustische Welle gesendet wird beziehungsweise an den ein elektrisches Feld angelegt wird. Dadurch variiert periodisch der Brechungsindex und einfallendes Licht wird gebeugt. Hierbei wird einfallendes Licht in verschiedene Richtungen, die verschiedenen Beugungsordnungen entsprechen, abgelenkt. Zudem kann dies wellenlängenabhängig erfolgen. So können zwei unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedliche Beugungsordnungen abgelenkt werden. Insbesondere können aus dem Licht einer breitbandigen Lichtquelle, oder aus den kombinierten Lichtstrahlen mehrerer Laser, verschiedene Wellenlängen ausgewählt werden, die beispielsweise zur Probenbeleuchtung genutzt werden. Der in eine erste Beugungsordnung abgelenkte Lichtanteil erfährt eine Polarisationsdrehung und hat dadurch eine andere Polarisation als der Lichtanteil, der ungebeugt, das heißt in der nullten Beugungsordnung, durch das Medium verläuft.
Prinzipiell ist es wünschenswert, eine Beleuchtung zu ermöglichen, bei der zwei Beleuchtungswellenlängen einstellbar sind und gleichzeitig eine weitgehend beliebige Strahlformung ermöglicht wird. Dies sollte sehr schnell und möglichst ohne Bewegungen mechanischer Komponenten erfolgen.
Als eine A u f g a b e der Erfindung kann angesehen werden, eine Optikanordnung für ein Lichtmikroskop und ein entsprechendes Verfahren anzugeben, welche eine Mehrfarbbeleuchtung in möglichst flexibler, schnell änderbarerWeise ermöglichen, bei einem gleichzeitig möglichst einfachen und stabilen Aufbau.
Diese Aufgabe wird durch die Optikanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Vorteilhafte Varianten der erfindungsgemäßen Optikanordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden außerdem in der folgenden Beschreibung erläutert.
Bei der Optikanordnung der oben genannten Art sind erfindungsgemäß Optikkomponenten zum gemeinsamen Weiterleiten der zwei Lichtanteile auf einen gemeinsamen Strahlengang vorgesehen. Auf diesem gemeinsamen Strahlengang ist ein Polarisationsstrahlteiler angeordnet, mit dem die zwei Lichtanteile polarisationsabhängig räumlich getrennt werden, nämlich in Reflexionslicht, das am Polarisationsstrahlteiler reflektiert wird, und Transmissionslicht, das am Polarisationsstrahlteiler transmittiert wird. Eine Lichtstrukturierungsvorrichtung ist vorgesehen, mit welcher dem Transmissionslicht und dem Reflexionslicht verschiedene Strukturierungen aufgeprägt werden können. Der Polarisationsstrahlteiler oder ein weiterer Polarisationsstrahlteiler ist so angeordnet, dass er das strukturierte Transmissionslicht und das strukturierte Reflexionslicht auf einen gemeinsamen Strahlengang zusammenführt. Der gemeinsame Strahlengang kann insbesondere in Richtung einer zu untersuchenden Probe führen.
In analoger Weise werden bei dem Verfahren der oben genannten Art erfindungsgemäß mit einem Polarisationsstrahlteiler die beiden Lichtanteile unterschiedlicher Wellenlänge und Polarisation getrennt. Einer der Lichtanteile wird als Reflexionslicht am Polarisationsstrahlteiler reflektiert. Der andere der Lichtanteile wird als Transmissionslicht am Polarisationsstrahlteiler transmittiert. Mit einer Lichtstrukturierungsvorrichtung werden dem Transmissionslicht und dem Reflexionslicht verschiedene Strukturierungen aufgeprägt. Mit dem Polarisationsstrahlteiler oder einem weiteren Polarisationsstrahlteiler werden das strukturierte Transmissionslicht und das strukturierte Reflexionslicht auf einen gemeinsamen Strahlengang zusammengeführt.
Die Erfindung nutzt die Eigenschaft, dass der durch einen AOTF gebeugte Lichtanteil eine andere Polarisationsrichtung hat als ungebeugtes Lichtanteil, wobei sich diese beiden Lichtanteile in ihrer Wellenlänge oder Wellenlängenzusammensetzung unterscheiden können, beziehungsweise nutzt die Erfindung die Eigenschaft, dass durch einen EOM sehr schnell nacheinander verschiedene Lichtanteile, die sich in der Wellenlänge unterscheiden, auf verschiedene Polarisationsrichtungen gedreht werden können. So können vom AOTF / EOM zwei Lichtanteile ausgegeben werden, die insbesondere senkrecht zueinander polarisiert sind und sich in ihrer Wellenlänge unterscheiden. Beim Stand der Technik wird der am AOTF ungebeugte Lichtanteil häufig ausgeblendet und nicht weiter genutzt. Im Unterschied dazu können bei der Erfindung diese beiden Lichtanteile weitergeleitet werden, und zwar auf einen gemeinsamen Strahlengang. Optikkomponenten hierzu können demnach so angeordnet sein, dass sie sowohl einen gebeugten als auch einen ungebeugten Lichtanteil einfangen, also insbesondere die Lichtanteile einer nullten und einer ersten Beugungsordnung. Die Optikkomponenten können beispielsweise ein oder mehrere Linsen, Spiegel oder Prismen umfassen. Durch die unterschiedlichen Beugungsordnungen unterscheiden sich die Ausbreitungsrichtungen der beiden Lichtanteile geringfügig. Es kann vorgesehen sein, dass die Optikkomponenten, die auf den AOTF / EOM folgen, dazu gestaltet sind, diesen Unterschied in den Ausbreitungsrichtungen der zwei Lichtanteile zu reduzieren. Hierzu kann ausgenutzt werden, dass die beiden Lichtanteile sich in ihrer Wellenlänge unterscheiden. Haben die Optikkomponenten eine Dispersion (wellenlängenabhängige Brechkraft), so können sie die beiden Lichtanteile verschieden beeinflussen. Die Dispersion und Form der Optikkomponenten kann so gewählt sein, dass ein durch die verschiedenen Beugungsordnungen verursachter Abstand zwischen den zwei Teilstrahlen verringert (und nicht etwa vergrößert) wird.
Durch den Polarisationsstrahlteiler, der insbesondere ein Polarisationsstrahlteilerwürfel sein kann, werden die beiden Lichtanteile auf verschiedene Strahlengänge geführt. Hierbei wird genutzt, dass die beiden Lichtanteile zueinander senkrecht polarisiert sein können. Das am Polarisationsstrahlteiler reflektierte Licht (nachfolgend Reflexionslicht) entspricht daher einem der Lichtanteile und das transmittierte Licht (nachfolgend Transmissionslicht) entspricht dem anderen Lichtanteil. Der Strahlengang, auf den das Reflexionslicht geleitet wird, wird nachfolgend als erster Strahlengang bezeichnet und der Strahlengang des
Transmissionslichts wird entsprechend als zweiter Strahlengang bezeichnet.
Nachdem die beiden Lichtanteile durch die Lichtstrukturierungsvorrichtung unabhängig voneinander geformt wurden, werden sie wieder auf einem gemeinsamen Strahlengang zusammengeführt. Dies kann mit einem zusätzlichen Polarisationsstrahlteiler erfolgen oder mit demselben Polarisationsstrahlteiler, der zunächst die räumliche Trennung bewirkt hat.
Der Polarisationsstrahlteiler, die Lichtstrukturierungsvorrichtung und Strahlumlenkelemente können so angeordnet sind, dass mit dem ersten und dem zweiten Strahlengang zusammen eine geschlossene Schleife gebildet wird, welche vom Transmissionslicht und vom Reflexionslicht in umgekehrter Richtung durchlaufen wird. Das Transmissionslicht trifft demnach, nachdem ihm von der
Lichtstrukturierungsvorrichtung eine Struktur aufgeprägt wurde, erneut auf den Polarisationsteiler, allerdings aus derjenigen Richtung, in welche am Polarisationsstrahlteiler das Reflexionslicht abgelenkt wurde. Analog trifft das Reflexionslicht, nachdem ihm von der Lichtstrukturierungsvorrichtung eine Struktur aufgeprägt wurde, erneut auf den Polarisationsteiler, allerdings aus derjenigen Richtung, in welche am Polarisationsstrahlteiler das Transmissionslicht transmittiert wurde. Bei diesem zweiten Auftreffen wird das Transmissionslicht erneut transmittiert und das Reflexionslicht erneut reflektiert, so dass diese beiden auf einem gemeinsamen Strahlengang ausgegeben werden, insbesondere in Richtung einer Probe. Damit Transmissionslicht erneut am Polarisationsstrahlteiler transmittiert wird und Reflexionslicht erneut reflektiert wird, soll sich die Lichtpolarisation beim Durchlaufen der geschlossenen Schleife entweder nicht ändern oder nur vorübergehend ändern, so dass beim zweiten Auftreffen auf den Polarisationsstrahlteiler die Polarisation genauso ist, wie beim erstmaligen Verlassen des Polarisationsstrahlteilers.
Die Lichtstrukturierungsvorrichtung ist so gestaltet, dass auftreffendem Licht eine räumliche Struktur aufgeprägt wird. Über einen Querschnitt des Lichts wird demnach die Lichtintensität und/oder -phase variabel verändert. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Lichtstrukturierungsvorrichtung eine Flüssigkristallmatrix als strukturiertes Element, wobei allgemein auch transmissive oder reflektive Gitter oder Mikrospiegel-Arrays genutzt werden können. Die Flüssigkristallmatrix umfasst mehrere voneinander unabhängig schaltbare Flüssigkristallelemente. Die Flüssigkristallelemente können in einem zweidimensionalen Muster direkt nebeneinander angeordnet sein. Eine solche Flüssigkristallmatrix wird auch als LCoS oder LCoS-SLM bezeichnet (LCoS: Liquid Crystal on Silicon; SLM: Spatial Light Modulator). An die Flüssigkristallelemente kann jeweils eine einstellbare Spannung angelegt werden, wodurch eine Kipprichtung der Flüssigkristallmoleküle des jeweiligen Flüssigkristallelements einstellbar ist. Hierdurch kann eine Phase von auftreffendem Licht einstellbar verändert werden, wobei die Phase innerhalb eines Intervalls prinzipiell beliebig geschoben werden kann. Dabei bestimmt die Polarisationsrichtung des auftreffenden Lichts relativ zur Ausrichtung der Flüssigkristallelemente, ob eine variable Phasenänderung eingestellt werden kann oder nicht. Ist die Lichtpolarisation parallel zu einer Richtung, die nachfolgend als Wirkachse der Flüssigkristallmatrix bezeichnet wird, so kann die Lichtphase variabel verstellt werden, während Licht mit einer Lichtpolarisation senkrecht hierzu unabhängig von einem Schaltzustand der Flüssigkristallmatrix diese durchläuft, an der Rückseite reflektiert wird und wieder zurückläuft, ohne dass eine Phasenänderung variabel einstellbar wäre. Bei verschiedenen Varianten der Erfindung wird eine solche Flüssigkristallmatrix mit reflektiver Rückseite verwendet, wobei diese Ausführungen auch prinzipiell abgewandelt werden können zu einer transmissiven Flüssigkristallmatrix, die nur einmal vom Licht durchlaufen wird.
Durch eine Flüssigkristallmatrix kann somit bei geeigneter Lichtpolarisation eine Phase eines auftreffenden Lichtstrahls über den Strahlquerschnitt variabel eingestellt werden. Aus diesem Phasengitter kann in der Probenebene ein Amplitudengitter / eine Amplitudenvariation resultieren, beispielsweise durch Ausblendung von äußeren Lichtanteilen.
Es kann bevorzugt sein, zwei verschiedene Flüssigkristallbereiche zu nutzen, wobei einer der beiden Flüssigkristallbereiche dem Formen des Transmissionslichts dient und der andere der beiden Flüssigkristallbereiche dem Formen des Reflexionslichts dient. Die beiden Flüssigkristallbereiche können zu verschiedenen Flüssigkristallmatrizen gehören. In diesem Fall können die zwei Flüssigkristallmatrizen zueinander um 90° gedrehte Wirkachsen haben, so dass die unterschiedlichen Polarisationsrichtungen des Transmissionslichts und des Reflexionslichts dazu führen, dass jeweils nur eine der beiden Flüssigkristallmatrizen variabel die Phase des auftreffenden Lichts verändert. Allerdings sind Flüssigkristallmatrizen sehr kostspielig, so dass es bevorzugt sein kann, wenn die beiden Flüssigkristallbereiche verschiedene Bereiche derselben Flüssigkristallmatrix sind.
Reflexionslicht kann auf dem Strahlengang, der eine geschlossene Schleife ab dem Polarisationsstrahlteiler bildet, zunächst auf den ersten Flüssigkristallbereich und danach auf den zweiten Flüssigkristallbereich geleitet werden. Dabei soll das Reflexionslicht eine Polarisationsrichtung haben, durch welche die Phase des Reflexionslichts nur von einem der beiden Flüssigkristallbereiche variabel beeinflusst wird. Das Transmissionslicht wird hingegen zunächst auf den zweiten Flüssigkristallbereich und danach auf den ersten Flüssigkristallbereich geleitet, wobei es eine Polarisationsrichtung hat, durch welche die Phase des Transmissionslichts wiederum nur von dem anderen der beiden Flüssigkristallbereiche variabel beeinflusst wird. Dass das Transmissionslicht und das Reflexionslicht jeweils nur von einem der beiden Flüssigkristallbereiche variabel beeinflusst werden, kann erreicht werden, indem die Polarisationsrichtung des Transmissionslichts und des Reflexionslichts in geeigneter Weise gedreht wird: Hierzu kann ein Polarisationsdreher zum Drehen der Polarisationsrichtung von auftreffendem Licht um 90° vorhanden und so angeordnet sein, dass er zweimal durchlaufen wird, nämlich direkt vor und direkt nach Auftreffen auf einen der beiden Flüssigkristallbereiche. Durch das zweimalige Auftreffen ist die Polarisationsrichtung schlussendlich gleich wie zuvor, allerdings ist die Polarisationsrichtung beim Auftreffen auf diesen Flüssigkristallbereich um 90° gedreht. So kann bei dieser Ausführung das Transmissionslicht zunächst auf den Polarisationsdreher, dann auf den zweiten Flüssigkristallbereich, dann auf den Polarisationsdreher und dann auf den ersten Flüssigkristallbereich treffen, während das Reflexionslicht in umgekehrter Reihenfolge auf diese Komponenten trifft. Selbstverständlich kann auch hier die Anordnung so abgewandelt werden, dass das Transmissionslicht in umgekehrter Reihenfolge die oben genannten Komponenten durchläuft, während das Reflexionslicht in der genannten Reihenfolge die Komponenten durchläuft.
Der Polarisationsdreher kann durch ein einziges l/2-Plättchen gebildet sein oder zwei l/2-Plättchen umfassen, von denen das eine l/2-Plättchen vor Auftreffen auf den zweiten Flüssigkristallbereich durchlaufen wird und das andere l/2-Plättchen nach Auftreffen auf den zweiten Flüssigkristallbereich durchlaufen wird. Die l/2-Plättchen sind so angeordnet, dass ihre Kristallachsen parallel sind.
Es kann bevorzugt sein, dass das Transmissionslicht und das Reflexionslicht jeweils beim ersten Auftreffen auf einen der beiden Flüssigkristallbereiche unbeeinflusst bleiben und erst beim zweiten Auftreffen beeinflusst werden. Die Flüssigkristallbereiche, die Polarisationsrichtungen des Transmissions- und Reflexionslichts sowie gegebenenfalls die optische Achse des Polarisationsdrehers können entsprechend ausgerichtet sein. Dies ist für eine bessere Strahlqualität förderlich.
In einer Abwandlung der oben beschriebenen Ausführungen wird eine Flüssigkristallmatrix verwendet, mit der einstellbar ist, ob eine Polarisationsrichtung von auftreffendem Licht geändert, insbesondere gedreht wird oder nicht. Hierbei wird ausgenutzt, dass bei geeigneter Orientierung der Flüssigkristallmatrix eine Phasenänderung von nur einer Komponente des auftreffenden Lichts zu einer Polarisationsdrehung dieses Lichts, insbesondere um 90°, oder zu einer Polarisationsänderung zu elliptischer Polarisation führt. Insbesondere zusammen mit einer Halbwellenplatte kann damit vorgegeben werden, ob eine Polarisationsrichtung so ist, dass Transmissions- / Reflexionslicht in Richtung des Probenbereichs weitergeleitet wird oder nicht. Durch eine Phasenänderung mittels der Flüssigkristallmatrix, welche eine elliptische Polarisation bewirkt, können variabel die Anteile eingestellt werden, zu denen das Transmissions- / Reflexionslicht am Polarisationsstrahlteiler reflektiert und transmittiert wird. So ist eine Amplitudenmodulation möglich.
Bei dieser Ausführung ist die Flüssigkristallmatrix nicht in einer geschlossenen Schleife als Strahlengang angeordnet. Vielmehr werden das Reflexions- und Transmissionslicht mittels Strahlumlenkelemente auf unterschiedliche Flüssigkristallbereiche vorzugsweise derselben Flüssigkristallmatrix geleitet und sodann auf dem jeweils selben Weg wieder zurück zum Polarisationsstrahlteiler gelenkt. Das Reflexions- und Transmissionslicht können dabei jeweils senkrecht auf die Flüssigkristallbereiche geleitet werden, was für die Strahlqualität förderlich ist. Um sowohl das Reflexions- als auch das Transmissionslicht durch dieselbe Flüssigkristallmatrix geeignet zu beeinflussen, kann vorgesehen sein, dass mit einem Polarisationsdreher die Polarisationsrichtung des Transmissions- und/oder Reflexionslichts vor Auftreffen auf die Flüssigkristallmatrix gedreht wird.
Das Reflexionslicht läuft also vom Polarisationsstrahlteiler auf einem ersten Strahlengang über einen Polarisationsdreher zu einem Flüssigkristallbereich der Flüssigkristallmatrix und auf demselben ersten Strahlengang wieder zurück zum Polarisationsstrahlteiler. Die Flüssigkristallmatrix ist dabei so angeordnet, dass je nach Schaltzustand ihrer Flüssigkristallelemente keine oder eine variabel einstellbare Polarisationsänderung bewirkt wird. Insbesondere kann eine Polarisationsdrehung um 90° oder eine Änderung von linearer Polarisation zu zirkularer oder elliptischer Polarisation bewirkt werden. Zusammen mit dem Polarisationsdreher kann dadurch je nach Schaltzustand der Flüssigkristallelemente eine Polarisationsrichtung des Reflexionslichts um 90° oder 0° gedreht werden, so dass das von der Flüssigkristallmatrix zurückkommende Reflexionslicht einstellbar am Polarisationsstrahlteiler in Richtung eines Probenbereichs transmittiert wird oder in Richtung der Lichtquelle reflektiert wird, beziehungsweise bei elliptischer Polarisation zu variablen Anteilen, die durch die Flüssigkristallmatrix einstellbar sind, transmittiert und reflektiert wird. Der optionale Polarisationsdreher kann ein l/2-Plättchen sein, dessen optische Achse in einem Winkel von 22,5° zum Transmissions- oder Reflexionslicht und entsprechend in einem Winkel von 67,5° zum anderen des Transmissions- oder Reflexionslichts stehen kann. Eine Ausrichtung der Flüssigkristallmatrix kann parallel zur ursprünglichen Polarisationsrichtung des Transmissions- oder Reflexionslicht stehen, womit je nach Schaltzustand der Flüssigkristallelemente eine Polarisationsdrehung von 90° oder keine Polarisationsdrehung des auftreffendes Lichts (das durch den Polarisationsdreher bereits gedreht wurde) erreicht wird, oder eine Polarisationsänderung zu elliptischer Polarisation.
In analoger Weise läuft das Transmissionslicht vom Polarisationsstrahlteiler auf einem zweiten Strahlengang über fakultativ den Polarisationsdreher oder einen zusätzlichen Polarisationsdreher zu einem anderen Flüssigkristallbereich der Flüssigkristallmatrix. Auf demselben zweiten Strahlengang läuft es wieder zurück zum Polarisationsstrahlteiler. Dabei ist die Flüssigkristallmatrix so angeordnet, dass je nach Schaltzustand ihrer Flüssigkristallelemente eine Polarisationsdrehung, keine Polarisationsdrehung oder eine Änderung zu elliptischer Polarisation bewirkt wird. Auf dem Rückweg zum Polarisationsstrahlteiler ist nach dem Polarisationsdreher je nach Schaltzustand der Flüssigkristallelemente eine Polarisationsrichtung des Transmissionslichts um 90° oder 0° gedreht, oder elliptisch polarisiert. Das von der Flüssigkristallmatrix zurückkommende Transmissionslicht wird dadurch am Polarisationsstrahlteiler wahlweise in Richtung der Lichtquelle transmittiert, oder in Richtung des Probenbereichs reflektiert (auf einen gemeinsamen Strahlengang mit transmittiertem Reflexionslicht), oder bei elliptischer Polarisation teilweise reflektiert und teilweise transmittiert.
Der erste und zweite Strahlengang haben vorzugsweise die gleiche optische Weglänge.
Die vorbeschriebene Variante kann auch so abgewandelt werden, dass keine Halbwellenplatte erforderlich ist. Hierbei kann die Ausrichtung der Flüssigkristallmatrix in einem Winkel von 45° zu sowohl der Polarisationsrichtung des Reflexionslichts als auch der Polarisationsrichtung des Transmissionslichts gesetzt sein. Abhängig von einem An- oder Aus-Zustand der Flüssigkristallelemente erfolgt dadurch eine 90°- Polarisationsdrehung oder keine Polarisationsdrehung an der Flüssigkristallmatrix. So kann auch hier eingestellt werden, ob zurückgeworfenes Transmissions- /Reflexionslicht am Polarisationsstrahlteiler weiter in Richtung zur Probe oder zurück in Richtung zur Lichtquelle geleitet wird. Über Zwischenzustände der Flüssigkristallelemente kann wiederum eine variable elliptische Polarisation eingestellt weren, womit eine teilweise Reflektion und teilweise Transmission am Polarisationsstrahlteiler erfolgt.
Eine aufgeprägte Strukturierung kann eine über einen Querschnitt des Reflexions- oder Transmissionslichts variierende Polarisation aufweisen. Für verschiedene Pixel/Abschnitte des Strahlquerschnitts kann demnach unabhängig von den übrigen Pixeln/Abschnitten eine Polarisationsrichtung um 0° oder 90° gedreht werden oder die Polarisation zu elliptischer Polarisation geändert werden. Die Lichtstrukturierungsvorrichtung bestimmt somit, welche Teile des Reflexions- und Transmissionslichts auf den gemeinsamen Strahlengang weitergeleitet werden, während die übrigen Teile in Richtung des AOTF/EOM zurückgeleitet werden. Dadurch entsteht ein amplitudenmoduliertes Beleuchtungsmuster.
Anstelle oder zusätzlich zu einem l/2-Plättchen können auch ein Faraday-Rotator im Strahlengang des Transmissionslichts und/oder ein Faraday-Rotator im Strahlengang des Reflexionslichts eingesetzt werden. Durchläuft Licht den Faraday-Rotator auf einem H in- und Rückweg, wird hierbei die Polarisationsrichtung des Lichts zweimal in dieselbe Richtung weitergedreht, im Gegensatz zu einem l/2-Plättchen, welches die Polarisationsrichtung von Licht auf dem Rückweg wieder zurückdreht. Der Faraday- Rotator kann so eingestellt werden, dass bei zweimaligem Durchlaufen eine Polarisationsdrehung von 90° bewirkt wird, so dass Transmissionslicht anschließend am Polarisationsstrahlteiler reflektiert wird, beziehungsweise Reflexionslicht anschließend am Polarisationsstrahlteiler transmittiert wird. Die Flüssigkristallbereiche können dann genutzt werden, um dem Licht über seinen Querschnitt ein Phasenmuster aufzuprägen, so dass insbesondere in einer Probenebene eine phasenmodulierte Beleuchtung bereitgestellt wird.
Mit der Erfindung können zwei Beleuchtungen unterschiedlicher Wellenlänge gleichzeitig moduliert und zu einem Probenbereich geleitet werden. Es ist aber auch möglich, für farbsequentielle Messungen zwei oder mehr verschiedene Wellenlängen nacheinander, und nicht zwingend gleichzeitig, zum Probenbereich zu leiten. Es kann ein zusätzlicher AOTF vorm Polarisationsstrahlteiler vorhanden sein, womit Beleuchtungslicht beide AOTF durchläuft. Der zusätzliche AOTF kann für farbsequentielle Messungen schnell zwischen verschiedenen Wellenlängen durchschalten, für die an den zwei Bereichen der Flüssigkristallmatrix verschiedene Strukturierungen bereitgestellt werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Lichtmikroskop mit einer Optikanordnung, die wie hier beschrieben gestaltet sein kann. Das Lichtmikroskop umfasst einen Lichtquellenanschluss. An diesen kann eine Lichtquelle angekoppelt sein, beispielsweise mehrere Laser oder eine breitbandige Lichtquelle. Der Lichtquellenanschluss ist so gestaltet, dass bei Anschluss einer Lichtquelle deren Licht den hier beschriebenen Strahlengang durchläuft. Zudem kann das Lichtmikroskop einen Detektoranschluss umfassen, an welchen ein Lichtdetektor angeschlossen sein kann. Dieser kann als räumlich auflösende Kamera gestaltet sein.
Die als zusätzliche Optikanordnungsmerkmale beschriebenen Eigenschaften der Erfindung ergeben bei bestimmungsgemäßem Gebrauch auch Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens. Umgekehrt können die beschriebenen Komponenten der Optikanordnung auch dazu eingerichtet sein, die Verfahrensvarianten auszuführen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren beschrieben. Hierin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Lichtmikroskops;
Fig. 2 eine schematische Darstellung von Komponenten eines
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen
Optikanordnung; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Lichtmikroskops. Gleiche und gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren in der Regel mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Optikanordnung 100, welche Teil eines erfindungsgemäßen Lichtmikroskops 1 10 ist.
Das Lichtmikroskops 1 10 umfasst eine hier nicht näher dargestellte Lichtquelle 1 , welche Beleuchtungslicht 2 aussendet. Die Lichtquelle 1 kann beispielsweise mehrere Laser umfassen, deren Strahlengänge durch eine Spiegeltreppe auf einen gemeinsamen Strahlengang zusammengeführt werden.
Die Optikanordnung 100 umfasst eine Lichtstrukturierungsvorrichtung 30, welche dem Beleuchtungslicht eine Struktur aufprägt. Das in dieser Weise strukturierte Licht 52 wird über Optikkomponenten 80, welche insbesondere ein Objektiv 81 umfassen können, zu einem Probenbereich 83 geleitet.
Licht, das von einer Probe im Probenbereich 83 zurückgeworfen wird, wird als Probenlicht 93 bezeichnet und kann beispielsweise Lumineszenzlicht, das heißt Fluoreszenzlicht oder Phosphoreszenzlicht, sein. Es kann über dasselbe Objektiv 81 geleitet werden und anschließend durch einen Strahlteiler 90 vom Strahlengang des Beleuchtungslichts 52 getrennt werden, ehe es durch einen Detektor 95 nachgewiesen wird.
Zunächst trifft das Beleuchtungslicht 2 auf einen AOTF 5. Dieser kann einen Lichtanteil des Beleuchtungslichts 2 mit einer bestimmten auswählbaren Wellenlänge in eine erste Beugungsordnung ablenken. Ein anderer Lichtanteil des Beleuchtungslichts kann in Richtung einer nullten Beugungsordnung den AOTF 5 durchqueren. Diese beiden Lichtanteile unterscheiden sich nicht nur in ihrer Wellenlänge, sondern auch in ihrer Polarisation, da bei der Ablenkung in die Richtung der ersten Beugungsordnung die Lichtpolarisation um 90° gedreht wird.
Anstelle des dargestellten AOTF kann auch ein EOM verwendet werden. Über eine Beleuchtungseinheit werden dem EOM zeitmoduliert, das heißt zeitlich nacheinander, zwei Lichtstrahlen (nachfolgend: Lichtanteile) zugeführt, welche sich in ihren Wellenlängen unterscheiden. Der EOM kann die Polarisationsrichtung des ersten Lichtanteils drehen und sodann durch eine Steuereinheit so umgeschaltet werden, dass die Polarisation des zeitlich nachfolgenden Lichtanteils in eine andere Richtung gedreht wird, so dass die beiden Lichtanteile insbesondere eine zueinander senkrechte Polarisation haben.
Diese beiden Lichtanteile unterschiedlicher Polarisation werden nun vom AOTF/EOM zu einem Polarisationsstrahlteiler 10 geleitet. Dieser trennt die beiden Lichtanteile in Reflexionslicht 12A und Transmissionslicht 12B. Reflexionslicht 12A wird auf einen ersten Strahlengang 1 1A reflektiert und (insbesondere gleichzeitig) wird Transmissionslicht 12B auf einen zweiten Strahlengang 1 1 B transmittiert.
Das Transmissionslicht 12B wird über Strahlumlenkelemente 17, beispielsweise ein oder mehrere Spiegel oder Prismen, zur Lichtstrukturierungsvorrichtung 30 geleitet.
Die Lichtstrukturierungsvorrichtung 30 umfasst hier eine Flüssigkristallmatrix 35 als strukturiertes Element. Eine solche Flüssigkristallmatrix 35 wird auch als LCoS bezeichnet (Liquid Crystal on Silicon). Auftreffendes Licht durchläuft die Flüssigkristallmatrix 35, wird an deren Rückseite reflektiert (das heißt insbesondere am Silizium-Chip) und durchläuft nochmals die Flüssigkristallmatrix 35, ehe es austritt. Eine Amplitudenmodulation des auftreffenden Lichts wird hiermit allein noch nicht erreicht, wohl aber eine Phasenmodulation. Die Flüssigkristallmatrix 35 umfasst mehrere Flüssigkristallelemente, die doppelbrechend sind und unabhängig voneinander eingestellt werden können. Je nach Einstellung kann ein Flüssigkristallelement die Phase von auftreffendem Licht variabel verändern, aber nur, wenn die Polarisationsrichtung des auftreffenden Lichts geeignet zur Flüssigkristallmatrix steht. Bei senkrechter Polarisationsrichtung hierzu wird das Licht hingegen weitergeleitet, ohne dass Schaltzustände der Flüssigkristallelemente einen Einfluss auf eine Phasenänderung des Lichts hätten.
Im Beispiel von Fig. 1 treffen das Reflexionslicht 12A und das Transmissionslicht 12B auf dieselbe Flüssigkristallmatrix 35. Da das Reflexionslicht 12A und das Transmissionslicht 12B zueinander senkrecht linear polarisiert sind, würde ohne weitere Maßnahmen nur entweder das Reflexions- oder das Transmissionslicht variabel phasenmoduliert werden. Damit sowohl das Reflexions- als auch das Transmissionslicht variabel phasenmoduliert werden können, wird ein Polarisationsdreher 28 eingesetzt. Dieser kann eine l/2-Platte sein, die so ausgerichtet ist, dass sie die Polarisation von auftreffendem Transmission- oder Reflexionslicht um 90° dreht. Dies ist in dem Figureneinschub in Fig. 1 gezeigt: Die optische Achse 28A steht in einem Winkel von 45° zur Polarisationsrichtung 61 B des Transmissionslichts vor Auftreffen auf die Halbwellenplatte 28, so dass die Polarisationsrichtung 61 B um 90° gedreht wird zur Polarisationsrichtung 62B. Für das Reflexionslicht ist die Polarisationsdrehung an der Halbwellenplatte gerade umgekehrt zum beschriebenen Fall.
Im dargestellten Beispiel trifft das Reflexionslicht 12A zunächst auf einen ersten Flüssigkristallbereich 35A der Flüssigkristallmatrix 35. Anschließend wird es über ein Umlenkelement 18, beispielsweise einen Spiegel oder ein Prisma, abgelenkt und wird ein zweites Mal auf die Flüssigkristallmatrix 35 gelenkt, nämlich auf einen zweiten Flüssigkristallbereich 35B, welcher insbesondere verschieden oder nicht überlappend zum ersten Flüssigkristallbereich 35A sein kann. Bevor das Reflexionslicht 12A aber das zweite Mal auf die Flüssigkristallmatrix 35 trifft, trifft es auf den Polarisationsdreher 28, der die Polarisationsrichtung um 90° dreht. Das Reflexionslicht 12A hat dadurch beim zweiten Auftreffen eine andere Polarisation als beim ersten Auftreffen. Somit wird das Reflexionslicht 12A nur entweder beim ersten oder beim zweiten Auftreffen variabel phasenmoduliert, während es beim anderen Auftreffen keine Phasenmodulation erfährt.
Nach dem zweiten Auftreffen auf die Flüssigkristallmatrix 35 durchläuft das Reflexionslicht 12A erneut den Polarisationsdreher 28, womit die Polarisationsrichtung wieder zurückgedreht wird.
Das Transmissionslicht 12B durchläuft denselben Strahlengang wie das Reflexionslicht 12A, aber in umgekehrter Richtung. Somit trifft das Transmissionslicht 12B zunächst auf den Polarisationsdreher 28, bevor es am Flüssigkristallbereich 35B erstmalig auf die Flüssigkristallmatrix 35 trifft. Anschließend durchläuft es wieder den Polarisationsdreher 28 und trifft dann auf den Flüssigkristallbereich 35A.
Das Reflexionslicht 12A wird demnach nur vom ersten oder zweiten Flüssigkristallbereich 35A oder 35B phasenmoduliert, während das Transmissionslicht 12B vom anderen der beiden Flüssigkristallbereiche phasenmoduliert wird. Dadurch können dem Reflexionslicht 12A und dem Transmissionslicht 12B unterschiedliche Phasenmodulationen aufgeprägt werden. Die Flüssigkristallelemente des ersten und zweiten Flüssigkristallbereichs 35A, 35B können so eingestellt werden, dass sie Phasengitter erzeugen. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 sind die Flüssigkristallbereiche 35A, 35B in einer Pupillenebene angeordnet, womit in einer Probenebene (oder einer hierzu konjugierten Ebene) ein Lichtmuster erzeugt wird, das über eine Fourier- Transformation mit dem Lichtmuster, das in der Pupillenebene erzeugt wird, zusammenhängt. Aus dem Phasenmuster in der Pupillenebene wird daher in einer Probenebene (oder dazu konjugierten Ebene) ein Amplitudengitter. Um ein gewünschtes Amplitudengitter bereitzustellen, das heißt eine gewünschte gitterförmige Intensitätsverteilung in der Probenebene, kann eine Steuereinheit über einen IFTA (iterativen Fourier-Transformationsalgorithmus) das gewünschte Phasenmuster in der Pupillenebene berechnen und die Flüssigkristallbereiche entsprechend einstellen.
Die in Fig. 1 dargestellte Variante kann auch so abgewandelt werden, dass die Flüssigkristallbereiche nicht in einer Pupillenebene angeordnet sind, sondern in einer Zwischenbildebene bzw. einer zur Probenbildebene konjugierten Ebene. In dem Fall kann das erzeugte Phasenmuster auch als Phasenmuster in die Probenebene abgebildet werden. Hierbei kann aber auch in anderer Weise ein Amplitudengitter in der Probenebene bewirkt werden: So kann eine Gitterkonstante des Phasengitters so gewählt werden, dass höhere Beugungsordnungen nicht von den Optikkomponenten 80 bis zum Probenbereich 83 geleitet werden, sondern vorher ausgeblendet werden. Allein beispielsweise eine -1 ., 0. und +1 . Beugungsordnung werden bis zum Probenbereich 83 geleitet. Dadurch wird in der Probenebene aus dem ursprünglichen Phasengitter ein Amplitudengitter, also eine Intensitätsmodulation.
Der Strahlengang bildet ab dem Polarisationsstrahlteiler 10 eine geschlossene Schleife, die über die Strukturierungsvorrichtung 30 verläuft. Hierbei durchlaufen das Reflexionslicht 12A und das Transmissionslicht 12B die geschlossene Schleife in umgekehrter Richtung.
Weil die Polarisation des Transmissionslichts 12B beim erneuten Auftreffen auf dem Polarisationsstrahlteiler 10 gleich ist wie beim früheren Verlassen des Polarisationsstrahlteilers, wird das Transmissionslicht 12B in Richtung des Probenbereichs 83 transmittiert, und nicht etwa in Richtung der Lichtquelle 1 reflektiert. ln analoger Weise hat das Reflexionslicht 12A beim erneuten Auftreffen auf dem Polarisationsstrahlteiler 10 die gleiche Polarisation wie beim früheren Verlassen des Polarisationsstrahlteilers und wird deshalb erneut reflektiert. Damit gelangt das Reflexionslicht 12A auf einen gemeinsamen Strahlengang 55 mit dem Transmissionslicht 12B.
Das strukturierte Transmissionslicht 12B und das strukturierte Reflexionslicht 12A, das heißt die beiden manipulierten Lichtanteile unterschiedlicher Wellenlänge, verlaufen nun auf einem gemeinsamen Strahlengang 55 und konnten unabhängig voneinander ein gewünschtes Phasen- oder Intensitätsmuster erhalten.
Als erster Strahlengang 1 1A, auf den das Reflexionslicht 12A ab dem Polarisationsstrahlteiler 10 geleitet wird, kann ein Strahlengang verstanden werden, den das Reflexionslicht 12A bis zum strukturierten Element durchläuft. Als zweiter Strahlengang 1 1 B, auf den das Transmissionslicht 12B ab dem Polarisationsstrahlteiler 10 geleitet wird, kann in entsprechender Weise ein Strahlengang verstanden werden, den Transmissionslicht 12B bis zum strukturierten Element durchläuft. Das Transmissionslicht 12B läuft auf dem ersten Strahlengang 1 1A zum Polarisationsstrahlteiler 10, und das Reflexionslicht 12A läuft auf dem zweiten Strahlengang 1 1 B zum Polarisationsstrahlteiler 10.
Fakultativ kann auf die Strahlumlenkelemente 16 oder 17 verzichtet werden, oder diese können an anderer Stelle in dem Strahlengang, der die geschlossenen Schleife bildet, angeordnet sein.
Bei einer Abwandlung der abgebildeten Ausführung kann die dargestellte Flüssigkristallmatrix 35 durch zwei Flüssigkristallmatrizen ersetzt werden. Sind diese Flüssigkristallmatrizen in ihrer Wirkrichtung senkrecht zueinander angeordnet, kann auf den Polarisationsdreher verzichtet werden. Da Flüssigkristallmatrizen jedoch sehr teuer sind, ist diese Ausführung mit höheren Kosten verbunden.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Aufsicht Komponenten einer erfindungsgemäßen Optikanordnung 100, die im Wesentlichen gleich wie die Optikanordnung aus Fig. 1 sein kann. In Fig. 2 sind mit Pfeilen die Ausbreitungsrichtungen des Beleuchtungslichts 2, des Reflexionslichts 12A und des Transmissionslichts 12B gezeigt. Zudem sind hier teilweise die Polarisationsrichtungen angegeben. Das Beleuchtungslicht 2 umfasst die beiden Lichtanteile 2A, 2B unterschiedlicher Wellenlänge, welche die angegebenen unterschiedlichen Polarisationen haben. Zudem sind die Polarisationsrichtungen des Transmissionslichts 12B, welches dem Lichtanteil 2B entspricht, auf den verschiedenen Strahlengangabschnitten angegeben. Wie dargestellt, ändert sich durch den Polarisationsdreher 28 die Polarisationsrichtung zweimal. Die Polarisationsrichtung des Reflexionslichts 12A ist auf jedem Strahlengangabschnitt jeweils senkrecht zu der des Transmissionslichts 12B und ist zur Übersichtlichkeit nicht in Fig. 2 eingetragen. Auf dem gemeinsamen Strahlengang 55 sind beide Polarisationsrichtungen des Reflexionslichts 12A (Lichtanteil 2A) und des Transmissionslichts 12B (Lichtanteil 2B) eingetragen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Optikanordnung 100, die Teil eines erfindungsgemäßen Lichtmikroskops 1 10 sein kann, ist in Fig. 3 gezeigt.
Komponenten, die gleich wie in Fig. 1 oder 2 gestaltet sind, sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden hier nicht nochmals beschrieben. Die beiden Lichtanteile unterschiedlicher Wellenlänge und Polarisation werden auch hier durch einen Polarisationsstrahlteiler 10 auf verschiedene Strahlengänge 1 1A und 1 1 B geteilt. Allerdings bilden die beiden Strahlengänge 1 1A und 1 1 B keine geschlossene Schleife. Vielmehr läuft Reflexionslicht 12A auf dem Strahlengang 1 1A bis zu einem ersten Bereich 35A der Flüssigkristallmatrix 35 und auf demselben Strahlengang 1 1A wieder zurück zum Polarisationsstrahlteiler 10. Analog läuft Transmissionslicht 12B auf dem zweiten Strahlengang 1 1 B bis zu einem zweiten Bereich 35B der Flüssigkristallmatrix 35 und auf demselben Strahlengang 1 1 B wieder zurück zum Polarisationsstrahlteiler 10. Verschiedene Seiten eines gemeinsamen Umlenkelements 19 können in den beiden Strahlengängen 1 1A und 1 1 B eingesetzt werden, so dass das Transmissions- und Reflexionslicht 12A, 12B nah nebeneinander und parallel zur Flüssigkristallmatrix 35 laufen und senkrecht auf diese treffen.
Die Flüssigkristallmatrix 35 steht hier in einer Zwischenbildebene, wobei der Aufbau auch so modifiziert werden kann, dass die Flüssigkristallmatrix 35 in einer Pupillenebene angeordnet ist.
Damit das Reflexionslicht 12A und das Transmissionslicht 12B am Polarisationsstrahlteiler 10 nicht wieder zurück zum AOTF 5 laufen, müssen sich die Polarisation des Reflexionslichts 12A auf dem Strahlengang 1 1A und die Polarisation das Transmissionslicht 12B auf dem Strahlengang 1 1 B um 90° ändern. Dies wird durch einen Polarisationsdreher 29 zusammen mit der Flüssigkeitsmatrix 35 erreicht. Der Polarisationsdreher 29 ist hier eine Halbwellenplatte (l/2-Platte), deren Abmessungen groß genug sind, dass sie sowohl im Strahlengang 1 1A als auch im Strahlengang 1 1 B angeordnet ist. Die Polarisation des Reflexionslichts 12A ist in den Figurabschnitten 70A, 71A und 72A gezeigt. 70A zeigt die optische Achse 29A der Halbwellenplatte 29 sowie die Polarisationsrichtung 80A des Reflexionslichts bevor es die Halbwellenplatte 29 durchläuft sowie die dadurch um insbesondere 135° gedrehte Polarisationsrichtung 81A des Reflexionslichts. Figurenabschnitt 71A zeigt, wie sich diese Polarisationsrichtung 81 A durch die Flüssigkristallmatrix 35 ändern kann. Diese ist so ausgerichtet, dass sie je nach Schaltzustand der Flüssigkristallelemente eine Polarisationsänderung, insbesondere -drehung, durchführt. Ist ein Flüssigkristallelement in einem Aus-Zustand, variiert es nicht variabel die Phase und die Polarisationsrichtung bleibt gleich, das heißt die Polarisationsrichtung bleibt unverändert 81 A. In einem An-Zustand verzögert hingegen das Flüssigkristallelement die Phase der Polarisationskomponente, die in Figurabschnitt 71 A in horizontaler Richtung liegt; daraus resultiert, dass die Polarisationsrichtung auf 82A gedreht werden kann, insbesondere wenn die horizontale Polarisationskomponente von 81 A um eine halbe Wellenlänge (oder um ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge plus eine halbe Wellenlänge) relativ zur vertikalen Polarisationskomponente verschoben wird. Das Flüssigkristallelement kann auch auf verschiedene Zwischenzustände eingestellt werden, bei denen eine andere Phasenverschiebung eingestellt wird (nicht dargestellt). Daraus folgt eine elliptische Polarisation. Im dargestellten Fall läuft nun das Reflexionslicht zurück von der Flüssigkristallmatrix zur Halbwellenplatte, wo die Polarisationsrichtung erneut gedreht wird, wie in Figurabschnitt 72A gezeigt: Aufgrund der Ausrichtung 29A der optischen Achse 29 wird für ein Flüssigkristallelement im An-Zustand die Polarisationsrichtung 82A um 45° gedreht zu 84A, das heißt die Polarisationsrichtung steht 90° zum ursprünglichen Polarisationszustand. Damit wird das Reflexionslicht nun am Polarisationsstrahlteiler transmittiert. Hingegen wird für ein Flüssigkristallelement im Aus-Zustand die Polarisationsrichtung 81 A um 67,5° gedreht zu 83A, das heißt die Polarisationsrichtung ist wieder im Ursprungszustand. Dieser Teil des Reflexionslichts wird daher am Polarisationsstrahlteiler zurück Richtung Lichtquelle reflektiert und gelangt nicht auf den gemeinsamen Strahlengang 55. Für das Transmissionslicht sind die entsprechenden Situationen in den Figurabschnitten 70B, 71 B und 72B gezeigt. Die Polarisationsrichtung 80B des Transmissionslichts steht zunächst in einem Winkel von 22,5° zur Ausrichtung 29A der Flalbwellenplatte und wird daher um 45° in die Polarisationsrichtung 81 B gedreht. Nun trifft das Transmissionslicht auf die Flüssigkristallmatrix, wo bei einem Aus-Zustand eines Flüssigkristallelements die Polarisationsrichtung 81 B unverändert bleibt (siehe Figurabschnitt 71 B) oder bei einem An-Zustand des Flüssigkristallelements gedreht wird auf 82B. Wenn das Transmissionslicht erneut auf die Flalbwellenplatte trifft, wird die Polarisationsrichtung 81 B um 45° gedreht in die Richtung 83B, welche wie in Figurabschnitt 72B gezeigt gerade der ursprünglichen Polarisation 80B entspricht. Das heißt, in diesem Fall wird Transmissionslicht erneut am Polarisationsstrahlteiler transmittiert, in Richtung der Lichtquelle. Hingegen steht die Polarisationsrichtung 82B, die bei einem An-Zustand eines Flüssigkristallelements erzeugt wird, in einem Winkel von 67,5° zur Halbwellenplatte und wird daher von dieser um 135° gedreht, so dass die resultierende Polarisationsrichtung 84B senkrecht zur ursprünglichen Polarisation 80B steht und das Transmissionslicht nun am Polarisationsstrahlteiler reflektiert wird, auf den gemeinsamen Strahlengang 55.
Daher kann die Flüssigkristallmatrix zusammen mit dem Polarisationsstrahlteiler und dem Polarisationsdreher dem ersten und dem zweiten Lichtanteil jeweils eine über den jeweiligen Strahlquerschnitt variabel einstellbare Intensitätsverteilung aufprägen. Vorteilhafterweise erfolgt dies für beide Lichtanteile unabhängig und schnelle Änderungen der Intensitätsverteilungen sind durch die Flüssigkristallmatrix möglich, ohne dass zeitaufwändigere Verschiebungen oder Drehungen von Komponenten nötig wären.
In einer Abwandlung der Ausführung von Fig. 3 kann auf die Halbwellenplatte verzichtet werden, insbesondere wenn die Ausrichtung der Flüssigkristallmatrix in einem Winkel von 45° zu sowohl der Polarisationsrichtung des Reflexionslichts als auch der Polarisationsrichtung des Transmissionslichts steht. In diesem Fall kann auch abhängig von einem An- oder Aus-Zustand der Flüssigkristallelemente eine 90°- Polarisationsdrehung oder keine Polarisationsdrehung an der Flüssigkristallmatrix erreicht werden. Demgemäß kann auch hier eingestellt werden, ob zurückgeworfenes Transmissions-/Reflexionslicht am Polarisationsstrahlteiler weiter in Richtung zur Probe oder zurück in Richtung zur Lichtquelle geleitet wird. Bezuqszeichenliste
1 Lichtquelle
2 Beleuchtungslicht
5 AOTF
10 Polarisationsstrahlteiler
11A erster Strahlengang
11 B zweiter Strahlengang
12A Reflexionslicht
12B Transmissionslicht
16, 17, 18, 19 Umlenkelemente
28 Polarisationsdreher, Halbwellenplatte
28A optische Achse der Halbwellenplatte 28
29 Polarisationsdreher, Halbwellenplatte
29A optische Achse der Halbwellenplatte 29
30 Lichtstrukturierungsvorrichtung
35 Flüssigkristallmatrix
35A erster Bereich der Flüssigkristallmatrix
35B zweiter Bereich der Flüssigkristallmatrix
52 strukturiertes Beleuchtungslicht
55 gemeinsamer Strahlengang
61 B Polarisationsrichtung des Transmissionslichts vor Durchlaufen des Polarisationsdrehers 28 B Polarisationsrichtung des Transmissionslichts nach Durchlaufen des Polarisationsdrehers 28
A, 71 A, 72A Schaubilder zur Polarisationsänderung des Reflexionslichts
B, 71 B, 72B Schaubilder zur Polarisationsänderung des Transmissionslichts
Optikkomponenten
A, 81 A, 82A, 83A, 84A Polarisationsrichtungen des Reflexionslichts
B, 81 B, 82B, 83B, 84B Polarisationsrichtungen des Transmissionslichts
Probenbereich
Strahlteiler
Probenlicht
Detektor
0 Optikanordnung
0 Lichtmikroskop

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Optikanordnung zur flexiblen Mehrfarbbeleuchtung für ein Lichtmikroskop
- mit einem AOTF (5), welcher dazu eingerichtet ist, zwei Lichtanteile von auftreffendem Beleuchtungslicht (2) in unterschiedliche Beugungsordnungsrichtungen zu beugen, wobei sich die zwei Lichtanteile (2A, 2B) in ihrer Wellenlänge und Polarisation unterscheiden, oder mit einem EOM, mit dem zwei zeitlich aufeinander folgende Lichtanteile (2A, 2B) unterschiedlicher Wellenlänge auf verschiedene Polarisationsrichtungen eingestellt werden,
g e k e n n z e i c h n e t durch:
- einen Polarisationsstrahlteiler (10), der so angeordnet ist, dass die beiden Lichtanteile unterschiedlicher Wellenlänge und Polarisation des AOTF (5) oder EOM auf ihn treffen und polarisationsabhängig getrennt werden in Reflexionslicht (12A), das am Polarisationsstrahlteiler (10) reflektiert wird, und Transmissionslicht (12B), das am Polarisationsstrahlteiler (10) transmittiert wird, und
- eine Lichtstrukturierungsvorrichtung (30), mit welcher dem
Transmissionslicht (12B) und dem Reflexionslicht (12A) verschiedene Strukturierungen aufprägbar sind,
- wobei der Polarisationsstrahlteiler (10) oder ein weiterer
Polarisationsstrahlteiler so angeordnet ist, dass er das strukturierte Transmissionslicht (12B) und das strukturierte Reflexionslicht (12A) auf einen gemeinsamen Strahlengang (55) zusammenführt.
2. Optikanordnung nach Anspruch 1 ,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t,
dass Optikkomponenten zum gemeinsamen Weiterleiten der zwei Lichtanteile auf einem gemeinsamen Strahlengang vom AOTF (5) oder EOM zum
Polarisationsstrahlteiler (10) vorgesehen sind, dass die Optikkomponenten so angeordnet sind, dass die gemeinsam weitergeleiteten Lichtanteile Licht einer nullten Beugungsordnung sowie einer ersten Beugungsordnung des AOTF oder EOM umfassen.
3. Optikanordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Optikkomponenten eine Dispersion aufweisen, durch welche ein Unterschied in den Ausbreitungsrichtungen der zwei Lichtanteile (2A, 2B) reduziert wird.
4. Optikanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lichtstrukturierungsvorrichtung (30) mindestens eine Flüssigkristallmatrix (35) umfasst, welche mehrere voneinander unabhängig schaltbare Flüssigkristallelemente aufweist, mit denen eine Phase von auftreffendem Transmissionslicht (12B) und Reflexionslicht (12A) einstellbar veränderbar ist.
5. Optikanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Polarisationsstrahlteiler (10), die Lichtstrukturierungsvorrichtung (30) und Strahlumlenkelemente (16, 17) so angeordnet sind, dass diese eine geschlossene Schleife als Strahlengang bilden, welcher vom Transmissionslicht (12B) und Reflexionslicht (12A) in umgekehrter Richtung durchlaufen wird.
6. Optikanordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mindestens eine Flüssigkristallmatrix (50) einen ersten und einen zweiten Flüssigkristallbereich (35A, 35B) umfasst,
wobei das Reflexionslicht (12A) auf dem Strahlengang, der eine geschlossene Schleife ab dem Polarisationsstrahlteiler (10) bildet, zunächst auf den ersten Flüssigkristallbereich (35A) und danach auf den zweiten Flüssigkristallbereich (35B) geleitet wird und dabei eine Polarisationsrichtung hat, durch welche die Phase des Reflexionslichts (12A) nur von einem der beiden
Flüssigkristallbereiche (35B) variabel beeinflusst wird,
wobei das Transmissionslicht (12B) zunächst auf den zweiten Flüssigkristallbereich (35B) und danach auf den ersten Flüssigkristallbereich (35A) geleitet wird und dabei eine Polarisationsrichtung hat, durch welche die Phase des Transmissionslichts (12B) nur von dem anderen der beiden Flüssigkristallbereiche (35A) variabel beeinflusst wird.
7. Optikanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t,
dass der erste und zweite Flüssigkristallbereich (35A, 35B) Bereiche derselben Flüssigkristallmatrix (35) sind,
dass ein Polarisationsdreher (28) zum Drehen der Polarisationsrichtung von auftreffendem Licht um 90° vorhanden und so angeordnet ist, dass eines aus dem Transmissions- und dem Reflexionslicht (12B):
zunächst auf den Polarisationsdreher (28), dann auf den zweiten Flüssigkristallbereich (35B), dann wieder auf den Polarisationsdreher (28) und dann auf den ersten Flüssigkristallbereich (35A) trifft,
während das andere aus dem Transmissions- und dem Reflexionslicht (12A) in umgekehrter Reihenfolge auf diese Komponenten (28, 35A, 35B) trifft.
8. Optikanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Flüssigkristallbereiche (35A, 35B) und die Polarisationsrichtungen des Transmissionslichts (12B) und des Reflexionslichts (12A) so ausgerichtet sind, dass sowohl das Transmissionslicht (12B) als auch das Reflexionslicht (12A) jeweils beim ersten Auftreffen auf einen der beiden Flüssig kristall bereiche (35A, 35B) unbeeinflusst bleiben und beim zweiten Auftreffen auf die Flüssigkristallbereiche (35A, 35B) beeinflusst werden.
9. Optikanordnung nach Anspruch 4,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t,
dass Strahlumlenkelemente (16, 17, 19) zwischen dem Polarisationsstrahlteiler (10) und der Flüssigkristallmatrix (35) so angeordnet sind, - dass Reflexionslicht (12A) vom Polarisationsstrahlteiler (10) auf einem ersten Strahlengang (11A) zu einem Flüssigkristallbereich (35A) der Flüssigkristallmatrix (35) geleitet wird und auf demselben ersten Strahlengang (11A) wieder zurück zum Polarisationsstrahlteiler (10) geleitet wird, wobei die Flüssigkristallmatrix (35) so angeordnet ist, dass je nach Schaltzustand ihrer Flüssigkristallelemente eine variable Polarisationsänderung, insbesondere eine 90°-Polarisationsdrehung oder keine Polarisationsdrehung, bewirkt wird,
wobei fakultativ auf dem ersten Strahlengang (11A) ein Polarisationsdreher (29) angeordnet ist,
womit das von der Flüssigkristallmatrix (35) zurückkommende Reflexionslicht (12A) einstellbar am Polarisationsstrahlteiler (10) in Richtung eines Probenbereichs (83) transmittiert, in Richtung der Lichtquelle (1 ) reflektiert, oder zu einstellbaren Anteilen transmittiert und reflektiert wird,
- dass Transmissionslicht (12B) vom Polarisationsstrahlteiler (10) auf einem zweiten Strahlengang (11 B) zu einem anderen Flüssigkristallbereich (35B) der Flüssigkristallmatrix (35) geleitet wird und auf demselben zweiten Strahlengang (11 B) wieder zurück zum Polarisationsstrahlteiler (10) geleitet wird, wobei die Flüssigkristallmatrix (35) so angeordnet ist, dass je nach Schaltzustand ihrer Flüssigkristallelemente eine variable Polarisationsänderung, insbesondere eine 90°-Polarisationsdrehung oder keine Polarisationsdrehung, bewirkt wird,
wobei fakultativ der Polarisationsdreher (29) oder ein fakultativer zusätzlicher Polarisationsdreher im zweiten Strahlengang (11 B) angeordnet ist,
womit das von der Flüssigkristallmatrix (35) zurückkommende Transmissionslicht (12B) einstellbar am Polarisationsstrahlteiler (10) in Richtung des Probenbereichs (83) auf einen gemeinsamen Strahlengang (55) mit transmittiertem Reflexionslicht (12A) reflektiert wird, in Richtung der Lichtquelle (1 ) transmittiert wird oder zu einstellbaren Anteilen transmittiert und reflektiert wird.
10. Optikanordnung nach Anspruch 9,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Strahlumlenkelemente (16, 17, 19) so angeordnet sind, dass das Reflexionslicht (12A) senkrecht auf den Flüssigkristallbereich (35A) trifft und das Transmissionslicht (12B) senkrecht auf den anderen Flüssigkeitsbereich (35B) trifft.
11. Optikanordnung nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Reflexionslicht (12A) und das Transmissionslicht (12B) denselben Polarisationsdreher (29) durchlaufen, welcher ein l/2-Plättchen ist, dessen optische Achse (29A) insbesondere einen Winkel von 22,5° zur Polarisationsrichtung (80A) des Reflexionslichts (12A) und einen Winkel von 67,5° zur Polarisationsrichtung (80B) des Transmissionslichts (2B) bildet, oder umgekehrt.
12. Optikanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein zusätzlicher AOTF vorm Polarisationsstrahlteiler (10) vorhanden ist, mit dem für farbsequentielle Messungen eine weitere Wellenlängenauswahl ermöglicht ist.
13. Lichtmikroskop mit einer Optikanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. Verfahren zur flexiblen Mehrfarbbeleuchtung für ein Lichtmikroskop,
- wobei mit einem AOTF (5) zwei Lichtanteile von auftreffendem Beleuchtungslicht (2) in unterschiedliche Beugungsordnungsrichtungen gebeugt werden, wobei sich die zwei Lichtanteile (2A, 2B) in ihrer Wellenlänge und Polarisation unterscheiden, oder wobei mit einem EOM zwei zeitlich aufeinander folgende Lichtanteile (2A, 2B) unterschiedlicher Wellenlänge auf verschiedene Polarisationsrichtungen eingestellt werden, dadurch gekennzeichnet,
- dass mit einem Polarisationsstrahlteiler (10) die beiden Lichtanteile unterschiedlicher Wellenlänge und Polarisation getrennt werden in Reflexionslicht (12A), das am Polarisationsstrahlteiler (10) reflektiert wird, und Transmissionslicht (12B), das am Polarisationsstrahlteiler (10) transmittiert wird,
- dass mit einer Lichtstrukturierungsvorrichtung (30) dem Transmissionslicht (12B) und dem Reflexionslicht (12A) verschiedene Strukturierungen aufgeprägt werden, und
- dass mit dem Polarisationsstrahlteiler (10) oder einem weiteren Polarisationsstrahlteiler das strukturierte Transmissionslicht (12B) und das strukturierte Reflexionslicht (12A) auf einen gemeinsamen Strahlengang (55) zusammengeführt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t,
dass eine aufgeprägte Strukturierung eine über einen Querschnitt des Reflexions- oder Transmissionslichts (12A, 12B) variierende Polarisation aufweist, wodurch ein durch die Lichtstrukturierungsvorrichtung (30) vorgebbarer Teil des Reflexions- oder Transmissionslichts (12A, 12B) am Polarisationsstrahlteiler (10) auf den gemeinsamen Strahlengang (55) weitergeleitet wird und der übrige Teil in Richtung des AOTF (5) zurückgeleitet wird.
PCT/EP2019/059187 2018-04-26 2019-04-11 Optikanordnung zur flexiblen mehrfarbbeleuchtung für ein lichtmikroskop und verfahren hierzu WO2019206646A1 (de)

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