WO2019206651A2 - Optikanordnung und verfahren zur lichtstrahlformung für ein lichtmikroskop - Google Patents

Optikanordnung und verfahren zur lichtstrahlformung für ein lichtmikroskop Download PDF

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Ingo Kleppe
Ralf Netz
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    • G02F2203/50—Phase-only modulation

Definitions

  • the present invention in a first aspect relates to an optical arrangement for light beam shaping according to the preamble of claim 1.
  • the invention in a second aspect, relates to a method for light beam shaping according to the preamble of claim 14.
  • a light beam shaping may be desired in a light microscope in the excitation and / or detection beam path.
  • detection beam path for example, aberrations and other aberrations can be corrected by light beam shaping.
  • Spatial light modulators which comprise a liquid crystal matrix, offer particularly great flexibility.
  • Such a generic optical arrangement for light beam shaping in a light microscope comprises a first liquid crystal region which has a plurality of liquid crystal elements which can be switched independently of one another and with which a phase of incident light can be variably changed.
  • a method for light beam shaping in a light microscope comprises phase modulating light by means of a first liquid crystal region, which comprises a plurality of liquid crystal elements which can be switched independently of one another.
  • the light phase can be varied variably over the cross section of the light beam.
  • the wavefront of the light beam can be variably shaped. This is particularly advantageous for an aberration correction or for a variable depth investigation by means of Extended Depth of Field (EDoF) methods.
  • EDOF Extended Depth of Field
  • optical arrangement having the features of claim 1 and by the method having the features of claim 14.
  • Advantageous variants of the optical arrangement according to the invention and of the method according to the invention are the subject of the dependent claims and are also explained in the following description.
  • a second liquid crystal region is provided according to the invention.
  • This comprises a plurality of independently switchable liquid crystal elements, with which a phase of incident light is adjustable changeable.
  • a first polarization beam splitter is provided and arranged so that incident light is polarization-dependent split into reflection light which is reflected toward the first liquid crystal region and transmission light which is transmitted toward the second liquid crystal region.
  • the first or an additional second polarization beam splitter is now arranged so that it combines the reflection and transmission light onto a common beam path, after they have been phase-modulated by the liquid crystal regions.
  • Polarization-dependent separation of light by means of a first polarization beam splitter in reflection light, which is reflected in the direction of the first liquid crystal region, and in transmission light, which is transmitted in the direction of a second liquid crystal region, and
  • unpolarized light can also be phase-modulated without major light losses.
  • the two liquid crystal areas may belong to two different liquid crystal arrays.
  • the two liquid crystal arrays are aligned so that a liquid crystal matrix can cause a phase modulation of the transmission light and the other liquid crystal arrays can cause a phase modulation of the reflection light.
  • the two liquid crystal matrices can be rotated relative to each other, in particular by 90 °, so that a variable phase change for both polarization components, which are formed by splitting the polarization beam splitter, is possible.
  • liquid crystal matrices / liquid crystal regions are not rotated to each other, but by a polarization rotator the polarization direction of the transmission or reflection light is rotated before impinging on the liquid crystal matrix, so that despite the same orientation of both liquid crystal regions both the transmission and the reflection light can be phase modulated.
  • a further polarization rotation can take place by the same or a further polarization rotator, so that the transmission and reflection light are again polarized perpendicular to one another and can be brought together again by / through a polarization beam splitter.
  • a design with only one polarization beam splitter both for splitting into reflection and transmission light and for combining the reflection and transmission light is realized in variants of the invention in which the first polarization beam splitter comprises a polarization beam splitter cube. This splits incident light from a first direction in transmission and reflection light, which leave the polarization beam splitter cube in a second and a third direction. The transmission coming from the two liquid crystal areas and reflection light is converged by the polarization beam splitter cube in a fourth direction.
  • a beam path from the polarization beam splitter over both liquid crystal regions and back to the polarization beam splitter can form a closed loop, which is traversed by the transmission light and reflection light in the opposite direction.
  • the transmission light and reflection light in the opposite direction.
  • the two liquid crystal regions are aligned such that one of the two liquid crystal regions only phase modulates the transmission light and the other of the two liquid crystal regions only phase modulates the reflection light.
  • Transmitted light is transmitted again on re-impinging on the polarization beam splitter and the reflection light is reflected again, whereby they are brought together.
  • the same polarization beam splitter can also be used for splitting and merging the transmission and reflection light without the transmission and reflection light passing through the same beam path in the opposite direction.
  • an amplitude modulation can be effected by the two liquid crystal regions.
  • a liquid crystal region alone may first cause a phase shift and thereby a polarization rotation or change.
  • a ratio between reflection and transmission at the polarization beam splitter which brings together the transmission and reflection light, can be variably adjusted.
  • the further used light component is thereby modulated in its amplitude / intensity.
  • no closed loop is formed as a beam path from the polarization beam splitter. Rather, the reflection and transmission light are directed to different liquid crystal regions, preferably the same liquid crystal matrix, and then redirected back to the polarization beam splitter on the same path.
  • the reflection and transmission light can each be directed perpendicular to the liquid crystal regions. So that they are united by the polarization beam splitter on a common beam path, must the structured transmission light is reflected at the polarization beam splitter and the structured reflection light must be transmitted. This can be achieved by causing a polarization change through the liquid crystal regions.
  • the transmission and reflection light between the polarization beam splitter and the liquid crystal region each pass through a polarization rotator. This can be run twice, namely both on the way to the liquid crystal region as well as on the way back from this. Due to the liquid crystal regions and the polarization rotator, the polarization direction can be rotated by 90 ° on the way back to the polarization beam splitter.
  • the same polarization rotator or different polarization rotators can be used for the transmission and reflection light.
  • the polarization rotator can be a Kl 2 plate whose optical axis can be at an angle of 22.5 ° to the transmission or reflection light and, accordingly, at an angle of 67.5 ° to the other of the transmission or reflection light. Alignment of the liquid crystal matrix is at an angle of 45 ° to the original direction of polarization of both the transmitted and reflected light, and at an angle of 22.5 ° to the optical axis of the 1/2 platelet. This allows the liquid crystal matrix to rotate the polarization direction of the incident light, in particular by 90 °, or to change to circular / elliptical polarization.
  • the polarization direction of the transmission light and the reflection light is rotated by 90 ° with respect to the initial polarization or is circularly / elliptically polarized. As a result, it can be adjusted to what proportions the reflection and transmission light are respectively reflected and transmitted at the merging polarization beam splitter.
  • a liquid crystal matrix is a relatively expensive component. Therefore, significant cost savings can be achieved if the two liquid crystal regions are different regions of the same liquid crystal matrix. This is particularly appropriate, since a liquid crystal matrix is often not square, but has more columns than rows, so that a part of the liquid crystal matrix would remain unused anyway, if only the reflection or only the transmission light fell on this liquid crystal matrix.
  • at least one polarization rotator for example a half-wave plate, may be present.
  • the polarization rotator may be arranged so that a polarization of the transmission and / or reflection light is rotated so that the transmission and reflection light of exactly one of the two liquid crystal regions are phase-modulated.
  • the transmission light and the reflection light are successively directed to both liquid crystal regions.
  • the at least one polarization rotator can be arranged such that the transmission light is polarization rotated by 90 ° in particular before and after impacting one of the two liquid crystal regions, so that it is phase-modulated by only one liquid crystal region.
  • the reflection light from the polarization rotator is polarization rotated by, in particular, 90 ° before and after impinging on the one of the two liquid crystal regions so that it is phase modulated only by one of the liquid crystal regions (which is the liquid crystal region which does not phase modulate the transmission light).
  • the transmission light and the reflection light remain unaffected on the first impact with one of the liquid crystal regions and are only modulated in phase during the subsequent impingement on the other of the liquid crystal regions.
  • the liquid crystal regions and the polarization directions of the transmission and reflection light may be aligned accordingly.
  • the first liquid-crystal region is formed by a first liquid-crystal matrix and the second liquid-crystal region is formed by a second liquid-crystal matrix different therefrom.
  • the reflection light is split on the way to the first liquid crystal region by means of a reflection light beam splitter in two reflection light components of different polarization.
  • the two reflection light components are directed to different sections of the first liquid crystal matrix, wherein one of the two reflection light components before and after striking the first liquid crystal matrix is rotated by 90 ° in particular, so that both reflected light components can be phase-modulated.
  • Both reflection light components can also be polarization rotated, preferably rotated in the same direction of polarization, so that both can be phase modulated by the same liquid crystal matrix. Subsequently, the two reflection light components are brought together again, preferably with the reflection light beam splitter, and passed back to the polarization beam splitter. Depending on how a difference between the phase modulations of the two reflection light components is selected, this leads to an adjustable rotation of the polarization of the converged reflection light or to a change to a circular or elliptical polarization. Now meets the reflection light back to the polarization beam splitter, it is either transmitted or reflected depending on the polarization rotation / polarization change, or partially transmitted and reflected.
  • a reflected portion is directed by the polarization beam splitter in the direction of origin and is not further used by the light microscope.
  • the transmitted component is used further, which in addition to a phase modulation an amplitude modulation can be provided: About the phase difference between the
  • Reflection light components can be adjusted, which intensity component of the reflection light should be forwarded.
  • the transmission light is split on the way to the second liquid crystal region by means of a transmission light beam splitter into two transmission light components of different polarization.
  • the two transmitted light components are directed to different sections of the second liquid crystal matrix.
  • One of the two transmission light components is polarization rotated by 90 ° in particular before and after impact with the second liquid crystal matrix. Subsequently, the two
  • Transmitted transmission light components again, wherein depending on the phase modulation, a polarization rotation of the converged transmission light is present.
  • the transmission light is reflected or transmitted upon encountering the polarization beam splitter again depending on the polarization rotation.
  • the two reflection light components should as far as possible go through the same optical path length before they are brought together again.
  • a transparent delay element may be present in the beam path of one of the reflection light components.
  • a transparent delay element in the beam path of one of the transmission light components may be present and designed such that both transmission light components pass through the same optical path length.
  • the reflection light beam splitter and the first liquid crystal region may be arranged so that both reflected light components meet perpendicular to the respective portion of the first liquid crystal region and travel the same path back to the reflection light beam splitter.
  • a vertical impact can be advantageous for the beam quality.
  • For the transmission light can be provided accordingly.
  • the two reflection light components should preferably have the same intensity / power. This can be achieved by a corresponding orientation of the reflection light beam splitter relative to the polarization beam splitter.
  • a polarization rotator may be disposed between the polarization beam splitter and the reflected light beam splitter and oriented so that the polarization of the reflection light is rotated to an orientation by which the reflection light is equally divided at the reflected light beam splitter. More generally, an equal intensity can also be understood as an intensity difference of at most 20% or at most 10%.
  • the liquid crystal regions may be arranged in a pupil plane or an intermediate image plane.
  • a phase grating structure impressed here leads to the light in the sample plane having an amplitude grating structure.
  • an appropriate phase pattern for the pupil plane can be calculated via an IFTA (iterative Fourier transformation algorithm).
  • a control unit may be configured for a predetermined desired Amplitude grid structure via an IFTA to determine a phase grating structure on which the control unit then adjusts the liquid crystal matrix.
  • the invention also relates to a light microscope with an optical assembly, as described herein.
  • the optics arrangement can be in one
  • Illumination beam path so be arranged between a light source and a sample area.
  • Light detector be arranged. In the detection beam path, the advantages that the two liquid crystal areas allow a light beam shaping with only minimal light losses come particularly well.
  • Fig. 1 shows schematically a first embodiment of an optical arrangement according to the invention
  • Fig. 2 shows schematically a second embodiment of an optical arrangement according to the invention
  • Fig. 3 shows schematically a third embodiment of an optical arrangement according to the invention.
  • Fig. 4 shows schematically a fourth embodiment of an optical arrangement according to the invention.
  • the optical arrangement 100 can be arranged in an illumination or detection beam path of a light microscope and serves for the light beam shaping of incident light 1.
  • the Be unpolarized light that is, a polarization component in the drawing plane and a polarization component perpendicular to the plane include.
  • the optical arrangement 100 comprises a polarization beam splitter 10, by means of which the light 1 is split into two different, mutually vertically polarized light components.
  • the polarization beam splitter 10 is designed as a polarization beam splitter cube, which reflects a light component (hereinafter reflection light 1A), and transmits the other light component (hereinafter transmitted light 1B).
  • the reflection light 1A is directed to a first liquid crystal region 30A, further to a second liquid crystal region 30B and back to the polarization beam splitter 10.
  • the reflection light 1A is directed in a direction to the polarization beam splitter 10, in which the transmission light 1 B emanates from the polarization beam splitter 10.
  • the reflection light 1A is reflected again when it hits the polarization beam splitter 10 again.
  • the transmission light 1B passes the same optical path as the reflection light 1A, but in the reverse direction: first to the second liquid crystal region 30B, further to the first liquid crystal region 30A, and then to the polarization beam splitter 10 where it is transmitted due to its polarization direction. Here, it overlaps with the reflection light, which again unpolarized light 4 is formed.
  • the two liquid crystal regions 30A, 30B are formed in this embodiment by two separate liquid crystal matrices, but they may alternatively be sections of the same liquid crystal matrix.
  • Each liquid crystal region 30A, 30B comprises a plurality of liquid crystal elements that delay incident light.
  • the light passes through the liquid crystal elements, is reflected at the back of the liquid crystal region 30A, 30B, and again passes through the liquid crystal elements before it emerges.
  • transmissive liquid crystal regions are also possible.
  • the phase of the light is changed.
  • the phase change can be variably adjusted. Not only an on / off state of a liquid crystal element is possible, but rather Intermediates can also be set to allow a gradual or continuous phase change. Due to the plurality of liquid crystal elements, different phase changes can be set over the beam cross section. As a result, a wavefront of the light can be set as desired.
  • a liquid crystal element allows a variable phase change but only for a specific Lichtpolarisation.
  • light with a perpendicular polarization of light can not be variably phase-shifted in general, that is to say a switching state of the liquid-crystal element has no effect on the phase change.
  • the two liquid crystal regions 30A, 30B of FIG. 1 are rotated by 90 ° relative to each other.
  • the transmission light 1B is influenced only by one of the two liquid crystal regions 30A, 30B due to its polarization.
  • the reflection light 1A is polarized perpendicular to the transmission light 1B, and is therefore influenced by the other of the two liquid crystal regions 30A, 30B.
  • the liquid crystal regions 30A, 30B are aligned so that the reflection light 1A is not phase-modulated at first impinging on the liquid crystal region 30A but only at subsequent impingement on the liquid crystal region 30B, and likewise the transmissive light 1B is not already upon the first impact with the liquid crystal region 30B, but is phase modulated only upon the subsequent impact on the liquid crystal region 30A. This can be beneficial for the beam quality.
  • a pixel-wise phase modulation of a light beam can take place with a very small number of components without significant intensity components of the light beam 1 being lost.
  • FIG. 2 A further exemplary embodiment of an optical arrangement 100 according to the invention is shown in FIG. 2.
  • light 1 incident here by a polarization beam splitter 10 is divided into reflection light 1A and transmission light 1B.
  • the reflection light 1A only strikes the liquid crystal region 30A, while the reflection light 1B hits only the liquid crystal region 30B.
  • the reflection light 1A and transmission light 1B are combined by a second polarization beam splitter 11. This is the case with this design Reflection light 1A and transmission light 1 B only on those liquid crystal region 30A or 30B, through which they are actually phase-modulated. This can be advantageous for the beam quality.
  • FIG. 3 A particularly cost-effective embodiment is provided in FIG. 3 where the two liquid crystal regions 30A and 30B are different regions of the same liquid crystal matrix 30.
  • the two liquid crystal regions 30A and 30B can variably phase-modulate only light of the same polarization direction.
  • a suitable polarization rotation must take place. This is achieved by a polarization rotator 28, for example a retarder plate / half wave plate.
  • the reflection light 1A first strikes the first liquid crystal region 30A and is rotated thereon by the polarization rotator 28 by 90 ° in the polarization direction before striking the second liquid crystal region 30B.
  • the reflection light 1A is phase-modulated only by either the first or second liquid crystal region 30A, 30B.
  • the reflection light 1A again passes through the same polarization rotator 28 (alternatively, an additional polarization rotator can also be used), with which the reflection light 1 A again has its original polarization direction.
  • the transmission light 1 B passes through the same optical path as the reflection light 1A, but in the reverse order.
  • the transmission light 1B is also phase-modulated by only one of the two liquid crystal regions 30A, 30B. It may be preferable that the transmission light 1B is only phase-modulated by the liquid crystal region 30A and the reflection light 1A only by the liquid crystal region 30B.
  • Polarization rotator 28 to guide deflectors 16, 17, 18 may be provided.
  • three mirrors are present as deflecting elements 16, 17, 18, but a different number and arrangement of deflecting elements is also possible.
  • FIGS. 1 to 3 enable a phase modulation over a beam cross section.
  • the optical arrangement 100 here likewise comprises a polarization beam splitter 10 which divides light 1 into reflection light 1A and transmission light 1B.
  • the reflection light 1A is in turn phase-modulated by a first liquid crystal region 30A and then returned to the polarization beam splitter 10.
  • the transmission light 1B is directed to a second liquid crystal region 30B, phase modulated by it, and then returned to the polarization beam splitter 10.
  • the polarization beam splitter 10 can here also merge the phase-modulated reflection and transmission light to form an outgoing light beam 4.
  • the first liquid crystal region 30A is formed here by a first liquid crystal matrix 31A
  • the second liquid crystal region 30B is formed here by a second liquid crystal matrix 31B.
  • reflection light beam splitter 10A which divides the reflection light 1A into two mutually perpendicularly polarized reflection light components 2A and 3A.
  • reflection light beam splitter 10A which divides the reflection light 1A into two mutually perpendicularly polarized reflection light components 2A and 3A.
  • the two mutually perpendicularly polarized reflection light components 2A and 3A should have a suitable polarization direction to be phase modulated by the portions 32A, 33A of the same liquid crystal array 31A.
  • a polarization rotator 28A is needed.
  • the polarization rotator 28A is located in the beam path of the reflection light component 2A transmitted at the reflection light beam splitter 10A.
  • the polarization rotator 28A may be disposed in the optical path of the reflected light component 3A reflected by the reflected light beam splitter 10A (not shown).
  • the two phase-modulated reflection light components 2A and 3A again meet the reflection light beam splitter 10A and are brought together there, in the direction of the polarization beam splitter 10.
  • the reflection light recombined by the reflection light beam splitter 10A may be rotated in its polarization direction; Moreover, the linearly polarized reflection light may have become elliptically polarized light. This change in polarization decides to which portions the reflected light returning to the polarization beam splitter 10 is transmitted or reflected. Thus, an intensity / amplitude of the transmitted portion can be adjusted by the liquid crystal matrix 31A. As an advantage, both the phase and the amplitude of the reflection light can be variably adjusted over its cross section. The phase and the amplitude are independently adjustable.
  • a reflection light polarization rotator 15A (for example a 1/2 plate) can be arranged between the polarization beam splitter 10 and the reflection light beam. Be arranged beam splitter 10A. As shown, the reflection light beam splitter 10A can effect a deflection / reflection of the reflected reflection light component 3A on its outer side 13A, so that both reflection light components 2A and 3A are parallel to each other. As a modification of the illustrated case, the transmitted reflection light component 2A could also be deflected such that both reflection light components 2A and 3A run parallel.
  • both reflected light components 2A and 3A can be perpendicular to the liquid crystal matrix 31A.
  • a transparent delay element 22A may be provided in the beam path of one of the reflection light components 2A and 3A.
  • a transmission light polarization rotator 15B can rotate a polarization direction of the transmission light 1B so as to be divided into two transmitted light components 2B, 3B of the same intensity at the subsequent transmission light beam splitter 10B.
  • the transmission light component 2B passes through a transparent delay element 22B and a polarization rotator 28B, and then to a Section 32B of the second liquid crystal region 30B.
  • the transmission light component 2B is phase-modulated and travels back the same way.
  • the other transmission light component 3B is reflected on an outer side 13B of the transmitted light beam splitter 10B and strikes another portion 33B of the same liquid crystal region 30B formed by a single liquid crystal matrix 31B.
  • the two phase-modulated transmission light components 2B and 3B are combined by the transmission light beam splitter 10B, wherein besides a phase modulation per se, a polarization change due to the phase modulation can be effected.
  • the transmission light 1 B is transmitted to the polarization beam splitter 10 and / or reflected.
  • the light 1 can be sample light to be detected, for example fluorescent light.
  • aberrations can be corrected by the phase modulation.
  • the light is forwarded as a light beam 4 in the direction of a detector.
  • the invention enables such phase modulation in a cost-efficient manner and with extremely low light losses.

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Abstract

Eine Optikanordnung zur Lichtstrahlformung in einem Lichtmikroskop umfasst einen ersten und einen zweiten Flüssigkristallbereich, welche jeweils mehrere voneinander unabhängig schaltbare Flüssigkristallelemente aufweisen, mit denen eine Phase von auftreffendem Licht einstellbar veränderbar ist. Ein erster Polarisationsstrahlteiler (10) ist so angeordnet, dass auftreffendes Licht (1) polarisationsabhängig gespalten wird in Reflexionslicht (1A), welches in Richtung des ersten Flüssigkristallbereichs (30A) reflektiert wird, und in Transmissionslicht (1B), welches in Richtung des zweiten Flüssigkristallbereichs (30B) transmittiert wird. Der erste oder ein zweiter Polarisationsstrahlteiler (10, 11) ist so angeordnet, dass das Reflexions- (1A) und Transmissionslicht (1B) nach Phasenmodulation durch die Flüssigkristallbereiche (30A, 30B) auf einen gemeinsamen Strahlengang zusammengeführt werden.

Description

Optikanordnunq und Verfahren zur Lichtstrahlformunq für ein Lichtmikroskop
Die vorliegende Erfindung bezieht sich in einem ersten Aspekt auf eine Optikanordnung zur Lichtstrahlformung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. In einem zweiten Gesichtspunkt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Lichtstrahlformung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
Eine Lichtstrahlformung kann bei einem Lichtmikroskop im Anregungs- und/oder Detektionsstrahlengang gewünscht sein. Im Detektionsstrahlengang können durch eine Lichtstrahlformung beispielsweise Aberrationen und andere Abbildungsfehler korrigiert werden. Eine besonders große Flexibilität bieten hierfür Spatial-Light- Modulatoren (SLM), welche eine Flüssigkristallmatrix umfassen.
Eine solche gattungsgemäße Optikanordnung zur Lichtstrahlformung in einem Lichtmikroskop umfasst einen ersten Flüssigkristallbereich, welcher mehrere voneinander unabhängig schaltbare Flüssigkristallelemente aufweist, mit denen eine Phase von auftreffendem Licht einstellbar veränderbar ist. In analoger Weise umfasst ein Verfahren zur Lichtstrahlformung in einem Lichtmikroskop ein Phasenmodulieren von Licht mittels eines ersten Flüssigkristallbereichs, welcher mehrere voneinander unabhängig schaltbare Flüssigkristallelemente aufweist.
In dieser Weise kann die Lichtphase über den Querschnitt des Lichtstrahls hinweg variabel verändert werden. Dadurch kann die Wellenfront des Lichtstrahls variabel geformt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft für eine Aberrationskorrektur oder für eine variable Tiefenuntersuchung mittels Extended Depth of Field (EDoF)- Methoden.
Probleme resultieren aber aus dem Umstand, dass eine Flüssigkristallmatrix nur Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung phasenmodulieren kann. Licht einer hierzu senkrechten Polarisationsrichtung erfährt hingegen keine veränderbare Phasenänderung durch die Flüssigkristallmatrix. Unpolarisiertes Licht wird daher üblicherweise zunächst linear polarisiert, wobei 50% der Lichtintensität verloren geht. Gerade im Fall von Fluoreszenzlicht stellt eine Verringerung der nachweisbaren Lichtmenge um 50% einen erheblichen Nachteil dar.
Als eine A u f g a b e der Erfindung kann angesehen werden, eine Optikanordnung und ein Verfahren zur Lichtstrahlformung bereitzustellen, welche in effizienter Weise eine möglichst flexible Lichtstrahlformung ermöglichen.
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 ist erfindungsgemäß ein zweiter Flüssigkristallbereich vorgesehen. Dieser umfasst mehrere voneinander unabhängig schaltbare Flüssigkristallelemente, mit denen eine Phase von auftreffendem Licht einstellbar veränderbar ist. Ein erster Polarisationsstrahlteiler ist vorhanden und so angeordnet, dass auftreffendes Licht polarisationsabhängig gespalten wird in Reflexionslicht, welches in Richtung des ersten Flüssigkristallbereichs reflektiert wird, und in Transmissionslicht, welches in Richtung des zweiten Flüssigkristallbereichs transmittiert wird. Der erste oder ein zusätzlicher zweiter Polarisationsstrahlteiler ist nun so angeordnet, dass er das Reflexions- und Transmissionslicht auf einen gemeinsamen Strahlengang zusammenführt, nachdem diese durch die Flüssigkristallbereiche phasenmoduliert wurden.
In entsprechender Weise sind bei dem Verfahren der oben genannten Art erfindungsgemäß die folgenden Schritte vorgesehen:
Polarisationsabhängiges Trennen von Licht mittels eines ersten Polarisationsstrahlteilers in Reflexionslicht, welches in Richtung des ersten Flüssigkristallbereichs reflektiert wird, und in Transmissionslicht, welches in Richtung eines zweiten Flüssigkristallbereichs transmittiert wird, und
Phasenmodulieren des Transmissionslichts mittels des zweiten Flüssigkristallbereichs und Zusammenführen des Reflexionslichts und Transmissionslichts, welche von den beiden Flüssigkristallbereichen phasenmoduliert wurden, auf einen gemeinsamen Strahlengang mittels des ersten oder eines zweiten Polarisationsstrahlteilers.
Indem Licht polarisationsabhängig aufgespalten und auf die zwei verschiedenen Flüssigkristallbereiche geleitet wird, kann auch unpolarisiertes Licht phasenmoduliert werden, ohne dass größere Lichtverluste eintreten.
Die beiden Flüssigkristallbereiche können zu zwei verschiedenen Flüssigkristallmatrizen gehören. Die beiden Flüssigkristallmatrizen sind so ausgerichtet, dass eine Flüssigkristallmatrix eine Phasenmodulation des Transmissionslichts bewirken kann und die andere Flüssigkristallmatrizen eine Phasenmodulation des Reflexionslichts bewirken kann. Hierzu können die beiden Flüssigkristallmatrizen zueinander gedreht sein, insbesondere um 90°, so dass eine variable Phasenänderung für beide Polarisationskomponenten, die durch Aufspaltung am Polarisationsstrahlteiler entstehen, möglich ist. Alternativ ist es auch möglich, dass die Flüssigkristallmatrizen / Flüssigkristallbereiche nicht zueinander gedreht sind, sondern durch einen Polarisationsdreher die Polarisationsrichtung vom Transmissions- oder Reflexionslicht vor Auftreffen auf die Flüssigkristallmatrix gedreht wird, so dass trotz gleicher Ausrichtung beider Flüssigkristallbereiche sowohl das Transmissions- als auch das Reflexionslicht phasenmoduliert werden kann. Hinter den beiden Flüssigkristallbereichen kann eine weitere Polarisationsdrehung durch denselben oder einen weiteren Polarisationsdreher erfolgen, so dass das Transmissions- und das Reflexionslicht wieder zueinander senkrecht polarisiert sind und durch den / durch einen Polarisationsstrahlteiler wieder zusammengeführt werden können.
Eine Gestaltung mit nur einem Polarisationsstrahlteiler sowohl zum Aufteilen in Reflexions- und Transmissionslicht als auch zum Zusammenführen des Reflexions- und Transmissionslichts wird bei Erfindungsvarianten realisiert, bei denen der erste Polarisationsstrahlteiler einen Polarisationsstrahlteilerwürfel umfasst. Dieser spaltet aus einer ersten Richtung auftreffendes Licht in Transmissions- und Reflexionslicht, welche in eine zweite und eine dritte Richtung den Polarisationsstrahlteilerwürfel verlassen. Das von den beiden Flüssigkristallbereichen kommende Transmissions- und Reflexionslicht wird vom Polarisationsstrahlteilerwürfel in eine vierte Richtung zusammengeführt.
Zusammen mit optionalen Strahlumlenkelementen (beispielsweise Spiegeln oder Prismen) kann ein Strahlengang vom Polarisationsstrahlteiler über beide Flüssigkristallbereiche und zurück zum Polarisationsstrahlteiler eine geschlossene Schleife bilden, welche vom Transmissionslicht und Reflexionslicht in umgekehrter Richtung durchlaufen wird. Hierbei durchlaufen das Transmissionslicht und
Reflexionslicht also denselben Strahlengang. Vorzugsweise sind die beiden Flüssigkristallbereiche so ausgerichtet, dass einer der beiden Flüssigkristallbereiche nur das Transmissionslicht phasenmoduliert und der andere der beiden Flüssigkristallbereiche nur das Reflexionslicht phasenmoduliert. Das
Transmissionslicht wird hier beim erneuten Auftreffen auf den Polarisationsstrahlteiler wieder transmittiert und das Reflexionslicht erneut reflektiert, wodurch diese zusammengeführt werden.
Alternativ kann auch derselbe Polarisationsstrahlteiler zum Aufteilen und Zusammenführen des Transmissions- und Reflexionslichts genutzt werden, ohne dass das Transmissions- und Reflexionslicht denselben Strahlengang in umgekehrter Richtung durchlaufen.
Insbesondere in diesem Fall können durch die beiden Flüssigkristallbereiche eine Amplitudenmodulation bewirkt werden. Ein Flüssigkristallbereich alleine kann zunächst eine Phasenschiebung und dadurch eine Polarisationsdrehung oder -änderung bewirken. Je nach Polarisationsänderung kann ein Verhältnis zwischen Reflexion und Transmission am Polarisationsstrahlteiler, der das Transmissions- und Reflexionslicht zusammenführt, variabel eingestellt werden. Der weitergenutzte Lichtanteil ist dadurch in seiner Amplitude / Intensität moduliert. Bei dieser Ausführung ist keine geschlossene Schleife als Strahlengang ab dem Polarisationsstrahlteiler gebildet. Vielmehr werden das Reflexions- und Transmissionslicht auf unterschiedliche Flüssigkristallbereiche vorzugsweise derselben Flüssigkristallmatrix geleitet und sodann auf dem jeweils selben Weg wieder zurück zum Polarisationsstrahlteiler gelenkt. Dabei können das Reflexions- und Transmissionslicht jeweils senkrecht auf die Flüssigkristallbereiche geleitet werden. Damit sie vom Polarisationsstrahlteiler auf einen gemeinsamen Strahlengang vereint werden, muss das strukturierte Transmissionslicht am Polarisationsstrahlteiler reflektiert werden und das strukturierte Reflexionslicht muss transmittiert werden. Dies kann erreicht werden, indem durch die Flüssigkristallbereiche eine Polarisationsänderung bewirkt wird. Hierbei durchlaufen das Transmissions- und Reflexionslicht zwischen dem Polarisationsstrahlteiler und dem Flüssigkristallbereich jeweils einen Polarisationsdreher. Dieser kann zweimal durchlaufen werden, nämlich sowohl auf dem Hinweg zum Flüssigkristallbereich als auch auf dem Rückweg von diesem. Durch die Flüssigkristallbereiche und den Polarisationsdreher kann die Polarisationsrichtung auf dem Rückweg zum Polarisationsstrahlteiler um 90° gedreht sein. Es kann derselbe Polarisationsdreher oder unterschiedliche Polarisationsdreher für das Transmissions- und das Reflexionslicht verwendet werden. Der Polarisationsdreher kann ein Kl 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 steht in einem Winkel von 45° zur ursprünglichen Polarisationsrichtung von sowohl dem Transmissionslicht als auch dem Reflexionslicht, und in einem Winkel von 22,5° zur optischen Achse des l/2-Plättchen. Hierdurch kann die Flüssigkristallmatrix die Polarisationsrichtung des auftreffenden Lichts drehen, insbesondere um 90°, oder zu zirkularer / elliptischer Polarisation ändern. Bei erneutem Durchgang durch das l/2-Plättchen ist so die Polarisationsrichtung des Transmissionslichts und des Reflexionslichts gegenüber der anfänglichen Polarisation um 90° gedreht oder ist zirkular / elliptisch polarisiert. Dadurch kann eingestellt werden, zu welchen Anteilen das Reflexions- und Transmissionslicht jeweils am zusammenführenden Polarisationsstrahlteiler reflektiert und transmittiert werden.
Eine Flüssigkristallmatrix ist eine verhältnismäßig teure Komponente. Daher können relevante Kostenersparnisse erzielt werden, wenn die beiden Flüssigkristallbereiche unterschiedliche Bereiche derselben Flüssigkristallmatrix sind. Dies bietet sich insbesondere an, da eine Flüssigkristallmatrix häufig nicht quadratisch ist, sondern mehr Spalten als Zeilen hat, weshalb ein Teil der Flüssigkristallmatrix ohnehin ungenutzt bliebe, wenn nur das Reflexions- oder nur das Transmissionslicht auf diese Flüssigkristallmatrix fiele. Damit dieselbe Flüssigkristallmatrix zum Phasenmodulieren vom Reflexions- und Transmissionslicht genutzt werden kann, kann mindestens ein Polarisationsdreher, beispielsweise eine Halbwellenplatte, vorhanden sein. Der Polarisationsdreher kann so angeordnet sein, dass eine Polarisation des Transmissions- und/oder Reflexionslichts so gedreht werden, dass das Transmissions- und Reflexionslicht von genau einem der beiden Flüssigkristallbereiche phasenmoduliert werden.
Bei Ausführungen, bei denen das Transmissionslicht und das Reflexionslicht in umgekehrter Richtung denselben Strahlengang durchlaufen, werden das Transmissionslicht und das Reflexionslicht nacheinander auf beide Flüssigkristallbereiche geleitet. Der mindestens eine Polarisationsdreher kann so angeordnet sein, dass das Transmissionslicht vor und nach Auftreffen auf einen der beiden Flüssigkristallbereiche um insbesondere 90° polarisationsgedreht wird, damit es nur von einem Flüssigkristallbereich phasenmoduliert wird. Ebenso wird das Reflexionslicht von dem Polarisationsdreher vor und nach Auftreffen auf den einen der beiden Flüssigkristallbereiche um insbesondere 90° polarisationsgedreht, damit es nur von einem der Flüssigkristallbereiche (welcher derjenige Flüssigkristallbereich ist, der nicht das Transmissionslicht phasenmoduliert) phasenmoduliert wird.
Für eine bessere Strahlqualität kann es bevorzugt sein, wenn das Transmissionslicht und das Reflexionslicht beim ersten Auftreffen auf einen der Flüssigkristallbereiche unbeeinflusst bleiben und erst beim darauffolgenden Auftreffen auf den jeweils anderen der Flüssigkristallbereiche in der Phase moduliert werden. Die Flüssigkristallbereiche und die Polarisationsrichtungen des Transmissions- und Reflexionslichts können entsprechend ausgerichtet sein.
Nachfolgend wird eine Variante beschrieben, bei welcher außer einer Phasenmodulation auch die Amplitude des Lichts über den Strahlquerschnitt variabel beeinflusst werden kann. Hierzu sind der erste Flüssigkristallbereich durch eine erste Flüssigkristallmatrix und der zweite Flüssigkristallbereich durch eine hiervon verschiedene zweite Flüssigkristallmatrix gebildet. Das Reflexionslicht wird auf dem Weg zum ersten Flüssigkristallbereich mittels eines Reflexionslicht-Strahlteilers aufgespalten in zwei Reflexionslichtkomponenten unterschiedlicher Polarisation. Die beiden Reflexionslichtkomponenten werden auf verschiedene Abschnitte der ersten Flüssigkristallmatrix geleitet, wobei eine der beiden Reflexionslichtkomponenten vor und nach Auftreffen auf die erste Flüssigkristallmatrix um insbesondere 90° polarisationsgedreht wird, damit beide Reflexionslichtkomponenten phasenmoduliert werden können. Es können auch beide Reflexionslichtkomponenten polarisationsgedreht werden, wobei sie vorzugsweise auf die gleiche Polarisationsrichtung gedreht werden, damit beide von derselben Flüssigkristallmatrix phasenmoduliert werden können. Anschließend werden die beiden Reflexionslichtkomponenten wieder zusammengeführt, vorzugsweise mit dem Reflexionslicht-Strahlteiler, und zurück zum Polarisationsstrahlteiler geleitet. Je nachdem, wie ein Unterschied zwischen den Phasenmodulationen der beiden Reflexionslichtkomponenten gewählt ist, führt dies zu einer einstellbaren Drehung der Polarisation des zusammengeführten Reflexionslichts beziehungsweise zu einer Änderung zu einer zirkularen oder elliptischen Polarisation. Trifft nun das Reflexionslicht wieder auf den Polarisationsstrahlteiler, wird es abhängig von der Polarisationsdrehung/Polarisationsänderung entweder transmittiert oder reflektiert, beziehungsweise teilweise transmittiert und reflektiert. Ein reflektierter Anteil wird vom Polarisationsstrahlteiler in die Ursprungsrichtung geleitet und wird nicht weiter vom Lichtmikroskop genutzt. Der transmittierte Anteil hingegen wird weitergenutzt, womit zusätzlich zu einer Phasenmodulation eine Amplitudenmodulation bereitgestellt werden kann: Über den Phasenunterschied zwischen den
Reflexionslichtkomponenten kann eingestellt werden, welcher Intensitätsanteil des Reflexionslichts weitergeleitet werden soll.
In analoger Weise wird das Transmissionslicht auf dem Weg zum zweiten Flüssigkristallbereich mittels eines Transmissionslicht-Strahlteilers aufgespalten in zwei Transmissionslichtkomponenten unterschiedlicher Polarisation. Die beiden Transmissionslichtkomponenten werden auf verschiedene Abschnitte der zweiten Flüssigkristallmatrix geleitet. Eine der beiden Transmissionslichtkomponenten wird vor und nach Auftreffen auf die zweite Flüssigkristallmatrix um insbesondere 90° polarisationsgedreht. Anschließend werden die beiden
Transmissionslichtkomponenten wieder zusammengeführt, wobei je nach Phasenmodulation eine Polarisationsdrehung des zusammengeführten Transmissionslichts vorliegt. Dadurch wird das Transmissionslicht bei erneutem Auftreffen auf den Polarisationsstrahlteiler abhängig von der Polarisationsdrehung reflektiert oder transmittiert. Die beiden Reflexionslichtkomponenten sollten möglichst die gleiche optische Weglänge durchlaufen, ehe sie wieder zusammengeführt werden. Hierzu kann ein transparentes Verzögerungselement im Strahlengang von einer der Reflexionslichtkomponenten vorhanden sein. Ebenso kann ein transparentes Verzögerungselement im Strahlengang von einer der Transmissionslichtkomponenten vorhanden und so gestaltet sein, dass beide Transmissionslichtkomponenten die gleiche optische Weglänge durchlaufen.
Der Reflexionslicht-Strahlteiler und der erste Flüssigkristallbereich können so angeordnet sind, dass beide Reflexionslichtkomponenten senkrecht auf den jeweiligen Abschnitt des ersten Flüssigkristallbereichs treffen und denselben Weg zurück zum Reflexionslicht-Strahlteiler laufen. Ein senkrechtes Auftreffen kann vorteilhaft für die Strahlqualität sein. Für das Transmissionslicht kann entsprechendes vorgesehen sein.
Damit durch den Phasenunterschied zwischen den beiden Reflexionslichtkomponenten eine Amplitudenmodulation über einen besonders großen Bereich möglich ist, sollten die beiden Reflexionslichtkomponenten möglichst die gleiche Intensität / Leistung haben. Dies kann durch eine entsprechende Ausrichtung des Reflexionslicht-Strahlteilers relativ zum Polarisationsstrahlteiler erreicht werden. Alternativ kann ein Polarisationsdreher zwischen dem Polarisationsstrahlteiler und dem Reflexionslicht-Strahlteilers angeordnet und so ausgerichtet sein, dass die Polarisation des Reflexionslichts auf eine Ausrichtung gedreht wird, durch welche das Reflexionslicht zu gleichen Teilen am Reflexionslicht- Strahlteiler geteilt wird. Allgemeiner kann eine gleiche Intensität auch als ein Intensitätsunterschied von höchstens 20% oder höchstens 10% aufgefasst werden.
Die Flüssigkristallbereiche können in einer Pupillenebene oder einer Zwischenbildebene angeordnet sein. Bei einer Anordnung in einer Pupillenebene führt eine hier aufgeprägte Phasengitterstruktur dazu, dass das Licht in der Probenebene eine Amplitudengitterstruktur hat. Um eine gewünschte Amplitudengitterstruktur, das heißt eine gewünschte gitterförmige Intensitätsverteilung in der Probenebene, bereitzustellen, kann über einen IFTA (iterativen Fourier-Transformationsalgorithmus) ein geeignetes Phasenmuster für die Pupillenebene berechnet werden. Eine Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, für eine vorgegebene gewünschte Amplitudengitterstruktur über einen IFTA eine Phasengitterstruktur zu ermitteln, auf welche die Steuereinheit die Flüssigkristallmatrix sodann einstellt.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Lichtmikroskop mit einer Optikanordnung, wie sie vorliegend beschrieben ist. Die Optikanordnung kann in einem
Beleuchtungsstrahlengang, also zwischen einer Lichtquelle und einem Probenbereich, angeordnet sein. Alternativ kann die Optikanordnung in einem
Detektionsstrahlengang, also zwischen einem Probenbereich und einem
Lichtdetektor, angeordnet sein. Im Detektionsstrahlengang kommen die Vorteile, dass die zwei Flüssigkristallbereiche eine Lichtstrahlformung mit nur minimalen Lichtverlusten ermöglichen, besonders gut zu tragen.
Die als zusätzliche Optikanordnungsmerkmale beschriebenen Eigenschaften der Erfindung ergeben bei bestimmungsgemäßen Gebrauch Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens. Umgekehrt werden die beschriebenen Erfindungsvarianten durch eine entsprechende Anordnung der Komponenten der Optikanordnung erreicht. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren beschrieben:
Fig. 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Optikanordnung;
Fig. 2 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Optikanordnung;
Fig. 3 zeigt schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Optikanordnung; und
Fig. 4 zeigt schematisch ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Optikanordnung.
Gleiche und gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren in der Regel mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Optikanordnung 100. Die Optikanordnung 100 kann in einem Beleuchtungs- oder Detektionsstrahlengang eines Lichtmikroskops angeordnet werden und dient der Lichtstrahlformung von auftreffendem Licht 1 . Wie in Figur 1 angegeben, kann das Licht 1 unpolarisiert sein, das heißt eine Polarisationskomponente in der Zeichenebene und eine Polarisationskomponente senkrecht zur Zeichenebene umfassen.
Die Optikanordnung 100 umfasst einen Polarisationsstrahlteiler 10, durch den das Licht 1 in zwei verschiedene, zueinander senkrecht polarisierte Lichtkomponenten gespalten wird. Der Polarisationsstrahlteiler 10 ist als Polarisationsstrahlteilerwürfel gestaltet, welcher eine Lichtkomponente reflektiert (nachfolgend Reflexionslicht 1A), und die andere Lichtkomponente transmittiert (nachfolgend Transmissionslicht 1 B). Das Reflexionslicht 1A wird auf einen ersten Flüssigkristallbereich 30A, weiter zu einem zweiten Flüssigkristallbereich 30B und zurück zum Polarisationsstrahlteiler 10 geleitet. Dabei wird das Reflexionslicht 1A in eine Richtung auf den Polarisationsstrahlteiler 10 geleitet, in welcher das Transmissionslicht 1 B vom Polarisationsstrahlteiler 10 ausgeht. Das Reflexionslicht 1A wird beim erneuten Auftreffen auf den Polarisationsstrahlteiler 10 wieder reflektiert.
Das Transmissionslicht 1 B durchläuft denselben Strahlengang wie das Reflexionslicht 1A, aber in umgekehrter Richtung: zunächst zum zweiten Flüssigkristallbereich 30B, weiter zum ersten Flüssigkristallbereich 30A und darauf zum Polarisationsstrahlteiler 10, wo es aufgrund seiner Polarisationsrichtung transmittiert wird. Hierbei überlagert es mit dem Reflexionslicht, womit wieder unpolarisiertes Licht 4 entsteht.
Durch die beiden Flüssigkristallbereiche 30A, 30B werden das Transmissions- und Reflexionslicht phasenmoduliert. Dadurch ist das ausgehende unpolarisierte Licht 4 ebenfalls wie gewünscht phasenmoduliert. Die beiden Flüssigkristallbereiche 30A, 30B sind bei dieser Ausführung durch zwei separate Flüssigkristallmatrizen gebildet, wobei sie aber alternativ auch Abschnitte derselben Flüssigkristallmatrix sein können.
Jeder Flüssigkristallbereich 30A, 30B umfasst mehrere Flüssigkristallelemente, die auftreffendes Licht verzögern. Das Licht durchläuft die Flüssigkristallelemente, wird an der Rückseite des Flüssigkristallbereichs 30A, 30B reflektiert und durchläuft nochmals die Flüssigkristallelemente, ehe es austritt. Alternativ sind auch transmissive Flüssigkristallbereiche möglich. Durch das Durchlaufen der Flüssigkristallelemente wird die Phase des Lichts verändert. Je nach Schaltzustand eines Flüssigkristallelements kann die Phasenänderung variabel eingestellt werden. Hierbei sind nicht nur ein An/Aus-Zustand eines Flüssigkristallelements möglich, vielmehr können auch Zwischenstufen eingestellt werden, so dass eine graduelle oder kontinuierliche Phasenänderung ermöglicht wird. Durch die Mehrzahl an Flüssigkristallelementen können über den Strahlquerschnitt unterschiedliche Phasenänderungen eingestellt werden. Hierdurch kann eine Wellenfront des Lichts wie gewünscht eingestellt werden.
Ein Flüssigkristallelement ermöglicht eine variable Phasenänderung aber nur für eine bestimmte Lichtpolarisation. Licht mit einer hierzu senkrechten Lichtpolarisation kann im Allgemeinen hingegen nicht variabel phasenverschoben werden, das heißt ein Schaltzustand des Flüssigkristallelements hat keine Auswirkung auf die Phasenänderung.
Die beiden Flüssigkristallbereiche 30A, 30B aus Fig. 1 sind zueinander um 90° gedreht. Hierdurch wird das Transmissionslicht 1 B aufgrund seiner Polarisation nur von einem der beiden Flüssigkristallbereiche 30A, 30B beeinflusst. Das Reflexionslicht 1A ist senkrecht zum Transmissionslicht 1 B polarisiert und wird daher vom anderen der beiden Flüssigkristallbereiche 30A, 30B beeinflusst. Es kann bevorzugt sein, dass die Flüssigkristallbereiche 30A, 30B so ausgerichtet sind, dass das Reflexionslicht 1A nicht bereits beim ersten Auftreffen auf den Flüssigkristallbereich 30A, sondern erst beim darauffolgenden Auftreffen auf den Flüssigkristallbereich 30B phasenmoduliert wird, und dass gleichermaßen das Transmissionslicht 1 B nicht bereits beim ersten Auftreffen auf den Flüssigkristallbereich 30B, sondern erst beim darauffolgenden Auftreffen auf den Flüssigkristallbereich 30A phasenmoduliert wird. Dies kann für die Strahlqualität förderlich sein.
Durch den Aufbau von Fig. 1 kann mit einer sehr geringen Komponentenanzahl eine pixelweise Phasenmodulation eines Lichtstrahls erfolgen, ohne dass nennenswerte Intensitätsanteile des Lichtstrahls 1 verloren gingen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Optikanordnung 100 ist in Fig. 2 gezeigt. Wie auch bei Fig. 1 wird hier durch einen Polarisationsstrahlteiler 10 auftreffendes Licht 1 in Reflexionslicht 1A und Transmissionslicht 1 B geteilt. Das Reflexionslicht 1A trifft hier allerdings nur auf den Flüssigkristallbereich 30A, während das Reflexionslicht 1 B nur auf den Flüssigkristallbereich 30B trifft. Anschließend werden das Reflexionslicht 1A und Transmissionslicht 1 B durch einen zweiten Polarisationsstrahlteiler 1 1 zusammengeführt. Bei dieser Ausführung treffen das Reflexionslicht 1A und Transmissionslicht 1 B nur auf denjenigen Flüssigkristallbereich 30A oder 30B, durch welchen sie auch tatsächlich phasenmoduliert werden. Dies kann für die Strahlqualität vorteilhaft sein.
Eine besonders kosteneffiziente Ausführung ist in Fig. 3 bereitgestellt, wo die beiden Flüssigkristallbereiche 30A und 30B verschiedene Bereiche derselben Flüssigkristallmatrix 30 sind. In diesem Fall können die beiden Flüssigkristallbereiche 30A und 30B nur Licht derselben Polarisationsrichtung variabel phasenmodulieren. Damit aber sowohl das Transmissionslicht 1 B als auch das Reflexionslicht 1A phasenmoduliert werden können, muss eine geeignete Polarisationsdrehung erfolgen. Dies wird durch einen Polarisationsdreher 28, beispielsweise eine Verzögerungsplatte / Halbwellenplatte, erreicht. Das Reflexionslicht 1A trifft zunächst auf den ersten Flüssigkristallbereich 30A und wird darauf durch den Polarisationsdreher 28 um 90° in der Polarisationsrichtung gedreht, ehe es auf den zweiten Flüssigkristallbereich 30B trifft. Hierdurch wird das Reflexionslicht 1A nur entweder vom ersten oder zweiten Flüssigkristallbereich 30A, 30B phasenmoduliert. Anschließend durchläuft das Reflexionslicht 1A nochmal denselben Polarisationsdreher 28 (alternativ kann auch ein zusätzlicher Polarisationsdreher genutzt werden), womit das Reflexionslicht 1 A wieder seine ursprüngliche Polarisationsrichtung hat. Dadurch wird es am Polarisationsstrahlteiler 10 reflektiert und nicht etwa transmittiert. Das Transmissionslicht 1 B durchläuft denselben Strahlengang wie das Reflexionslicht 1A, aber in umgekehrter Reihenfolge. Hierdurch wird das Transmissionslicht 1 B ebenfalls bloß von einem der beiden Flüssigkristallbereiche 30A, 30B phasenmoduliert. Es kann bevorzugt sein, dass das Transmissionslicht 1 B nur vom Flüssigkristallbereich 30A und das Reflexionslicht 1A nur vom Flüssigkristallbereich 30B phasenmoduliert wird.
Um das Reflexionslicht 1 A und das Transmissionslicht 1 B vom Polarisationsstrahlteiler 10 zweimalig auf die Flüssigkristallmatrix 30 und zweimalig durch den
Polarisationsdreher 28 zu leiten, können Umlenkelemente 16, 17, 18 vorgesehen sein. Im dargestellten Beispiel sind als Umlenkelemente 16, 17, 18 drei Spiegel vorhanden, wobei aber auch eine andere Anzahl und Anordnung an Umlenkelementen möglich ist.
Die Ausführungsformen der Figuren 1 bis 3 ermöglichen eine Phasenmodulation über einen Strahlquerschnitt. Eine Ausführung, welche zusätzlich auch eine Amplitudenmodulation über den Strahlquerschnitt ermöglicht, ist schematisch in Fig. 4 gezeigt.
Die Optikanordnung 100 umfasst hier ebenfalls einen Polarisationsstrahlteiler 10, welcher Licht 1 in Reflexionslicht 1A und Transmissionslicht 1 B teilt. Das Reflexionslicht 1A wird wiederum durch einen ersten Flüssigkristallbereich 30A phasenmoduliert und sodann zum Polarisationsstrahlteiler 10 zurückgeleitet. Analog wird das Transmissionslicht 1 B zu einem zweiten Flüssigkristallbereich 30B geleitet, durch diesen phasenmoduliert und sodann zum Polarisationsstrahlteiler 10 zurückgeleitet. Der Polarisationsstrahlteiler 10 kann auch hier das phasenmodulierte Reflexions- und Transmissionslicht zu einem ausgehenden Lichtstrahl 4 zusammenführen. Der erste Flüssigkristallbereich 30A ist hier durch eine erste Flüssigkristallmatrix 31 A gebildet, während der zweite Flüssigkristallbereich 30B hier durch eine zweite Flüssigkristallmatrix 31 B gebildet ist.
Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsformen ist im Strahlengang des Reflexionslichts 1A ein weiterer Polarisationsstrahlteiler (nachfolgend Reflexionslicht- Strahlteiler 10A) vorhanden, welcher das Reflexionslicht 1A in zwei zueinander senkrecht polarisierte Reflexionslichtkomponenten 2A und 3A teilt. Diese beiden Reflexionslichtkomponenten 2A und 3A werden auf unterschiedliche Abschnitte 32A, 33A des ersten Flüssigkristallbereichs 30A geleitet und dort jeweils phasenmoduliert. Die beiden zueinander senkrecht polarisierten Reflexionslichtkomponenten 2A und 3A sollen eine geeignete Polarisationsrichtung haben, um durch die Abschnitte 32A, 33A derselben Flüssigkristallmatrix 31A phasenmoduliert zu werden. Hierzu wird ein Polarisationsdreher 28A benötigt. Im dargestellten Beispiel befindet sich der Polarisationsdreher 28A im Strahlengang der am Reflexionslicht-Strahlteiler 10A transmittierten Reflexionslichtkomponente 2A. Je nach Ausrichtung der Flüssigkristallmatrix 31 A kann der Polarisationsdreher 28A aber auch im Strahlengang der am Reflexionslicht-Strahlteiler 10A reflektierten Reflexionslichtkomponente 3A angeordnet sein (nicht dargestellt). Die beiden phasenmodulierten Reflexionslichtkomponenten 2A und 3A treffen wieder auf den Reflexionslicht- Strahlteiler 10A und werden dort zusammengeführt, in Richtung des Polarisationsstrahlteilers 10. Wenn die beiden Reflexionslichtkomponenten 2A und 3A unterschiedlich phasenmoduliert werden, kann das durch den Reflexionslicht-Strahlteiler 10A wieder zusammengeführte Reflexionslicht in seiner Polarisationsrichtung gedreht sein; zudem kann aus dem linear polarisierten Reflexionslicht elliptisch polarisiertes Licht geworden sein. Diese Polarisationsänderung entscheidet, zu welchen Anteilen das zum Polarisationsstrahlteiler 10 zurücklaufende Reflexionslicht transmittiert oder reflektiert wird. So kann durch die Flüssigkristallmatrix 31A eine Intensität / Amplitude des transmittierten Anteils eingestellt werden. Als ein Vorteil können so sowohl die Phase als auch die Amplitude des Reflexionslichts über dessen Querschnitt variabel eingestellt werden. Dabei sind die Phase und die Amplitude voneinander unabhängig einstellbar.
Damit das Reflexionslicht 1A mit einer geeigneten Polarisationsrichtung auf den Reflexionslicht-Strahlteiler 10A trifft, um zu gleichen Teilen dort reflektiert und transmittiert zu werden, kann ein Reflexionslicht-Polarisationsdreher 15A (beispielsweise eine l/2-Platte) zwischen dem Polarisationsstrahlteiler 10 und dem Reflexionslicht-Strahlteiler 10A angeordnet sein. Der Reflexionslicht-Strahlteiler 10A kann wie dargestellt eine Umlenkung / Spiegelung der reflektierten Reflexionslichtkomponente 3A an seiner Außenseite 13A bewirken, so dass beide Reflexionslichtkomponenten 2A und 3A parallel zueinander verlaufen. Als Abwandlung vom dargestellten Fall könnte auch die transmittierte Reflexionslichtkomponente 2A so umgelenkt werden, dass beide Reflexionslichtkomponenten 2A und 3A parallel verlaufen. In dieser Weise können beide Reflexionslichtkomponenten 2A und 3A senkrecht auf die Flüssigkristallmatrix 31A treffen. Damit beide Reflexionslichtkomponenten 2A und 3A die gleiche optische Weglänge durchlaufen, kann ein transparentes Verzögerungselement 22A im Strahlengang von einer der Reflexionslichtkomponenten 2A und 3A vorhanden sein.
Für das Transmissionslicht 1 B können die zum Reflexionslicht 1A beschriebenen Komponenten dupliziert sein und die analoge Funktion ausführen. So kann ein Transmissionslicht-Polarisationsdreher 15B eine Polarisationsrichtung des Transmissionslichts 1 B so drehen, dass es am darauffolgenden Transmissionslicht- Strahlteiler 10B in zwei Transmissionslichtkomponenten 2B, 3B gleicher Intensität geteilt wird. Die Transmissionslichtkomponente 2B durchläuft ein transparentes Verzögerungselement 22B und einen Polarisationsdreher 28B, um dann auf einen Abschnitt 32B des zweiten Flüssigkristallbereichs 30B zu treffen. Hier wird die Transmissionslichtkomponente 2B phasenmoduliert und läuft auf gleichem Weg zurück. Die andere Transmissionslichtkomponente 3B wird an einer Außenseite 13B des Transmissionslicht-Strahlteilers 10B reflektiert und trifft auf einen anderen Abschnitt 33B desselben Flüssigkristallbereichs 30B, welcher durch eine einzige Flüssigkristallmatrix 31 B gebildet ist. Die beiden phasenmodulierten Transmissionslichtkomponenten 2B und 3B werden durch den Transmissionslicht- Strahlteiler 10B zusammengeführt, wobei außer einer Phasenmodulation an sich auch eine Polarisationsänderung aufgrund der Phasenmodulation bewirkt sein kann. Abhängig von der Polarisationsänderung wird das Transmissionslicht 1 B am Polarisationsstrahlteiler 10 transmittiert und/oder reflektiert.
Es kann sich beim Licht 1 insbesondere um nachzuweisendes Probenlicht, beispielsweise Fluoreszenzlicht, handeln. Durch die Phasenmodulation können insbesondere Aberrationen korrigiert werden. Anschließend wird das Licht als Lichtstrahl 4 in Richtung eines Detektors weitergeleitet.
Die Erfindung ermöglicht eine solche Phasenmodulation in kosteneffizienter Weise und bei äußerst geringen Lichtverlusten.
Bezuqszeichenliste
1 Licht
1 A Reflexionslicht
1 B Transmissionslicht
2A, 3A Reflexionslichtkomponenten
2B, 3B Transmissionslichtkomponenten
4 auslaufender Lichtstrahl
10 Polarisationsstrahlteiler
10A Reflexionslicht-Strahlteiler
10B Transmissionslicht-Strahlteiler
1 1 zweiter Polarisationsstrahlteiler
13A, 13B reflektierende Außenseite
15A Reflexionslicht-Polarisationsdreher B Transmissionslicht-Polarisationsdreher
-18 Umlenkelemente
A, 22B Verzögerungselement
, 28A, 28B Polarisationsdreher
, 31 A, 31 B Flüssigkristallmatrix
A erster Flüssigkristallbereich
B zweiter Flüssigkristallbereich
A erste Flüssigkristallmatrix
B zweite Flüssigkristallmatrix
A, 33B erster Abschnitt des Flüssigkristallbereichs 30A bzw. 30BA, 32B zweiter Abschnitt des Flüssigkristallbereichs 30A bzw. 30B0 Optikanordnung

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Optikanordnung zur Lichtstrahlformung in einem Lichtmikroskop, umfassend einen ersten Flüssigkristallbereich (30A), welcher mehrere voneinander unabhängig schaltbare Flüssigkristallelemente aufweist, mit denen eine Phase von auftreffendem Licht einstellbar veränderbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein zweiter Flüssigkristallbereich (30B) vorhanden ist,
dass ein erster Polarisationsstrahlteiler (10) vorhanden und so angeordnet ist, dass auftreffendes Licht (1) polarisationsabhängig gespalten wird in Reflexionslicht (1A), welches in Richtung des ersten Flüssigkristallbereichs (30A) reflektiert wird, und in Transmissionslicht (1B), welches in Richtung des zweiten Flüssigkristallbereichs (30B) transmittiert wird, und dass der erste oder ein zweiter Polarisationsstrahlteiler (10, 11) so angeordnet ist, dass Reflexionslicht (1A) und Transmissionslicht (1B), welche von den Flüssigkristallbereichen (30A, 30B) phasenmoduliert wurden, auf einen gemeinsamen Strahlengang zusammengeführt werden.
2. Optikanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Polarisationsstrahlteiler (10) einen Polarisationsstrahlteilerwürfel umfasst, welcher aus einer ersten Richtung auftreffendes Licht (1) in Transmissions- und Reflexionslicht (1A, 1B) in eine zweite und dritte Richtung spaltet und welcher das von den beiden Flüssigkristallbereichen (30A, 30B) kommende Transmission- und Reflexionslicht (1A, 1B) in eine vierte Richtung zusammenführt.
3. Optikanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Flüssigkristallbereiche (30A, 30B), der Polarisationsstrahlteiler (10) und optionale Strahlumlenkelemente (16, 17, 18) so angeordnet sind, dass Reflexionslicht (1A) vom Polarisationsstrahlteiler (10) über beide Flüssigkristallbereiche (30A, 30B) zum Polarisationsstrahlteiler (10) verläuft und Transmissionslicht (1B) denselben Weg in umgekehrter Richtung durchläuft, wobei die beiden Flüssigkristallbereiche (30A, 30B) so ausgerichtet sind, dass einer der beiden Flüssigkristallbereiche (30A) nur das Transmissionslicht (1B) phasenmoduliert und der andere der beiden Flüssigkristallbereiche (30B) nur das Reflexionslicht (1A) phasenmoduliert.
4. Optikanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Flüssigkristallbereiche (30A, 30B) durch verschiedene Flüssigkristallmatrizen gebildet sind, welche zueinander gedreht sind, um Licht unterschiedlicher Polarisation in der Phase zu modulieren.
5. Optikanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Flüssigkristallbereiche (30A, 30B) unterschiedliche Bereiche derselben Flüssigkristallmatrix (30) sind,
dass mindestens ein Polarisationsdreher (28) vorhanden und so angeordnet ist, dass eine Polarisation des Transmissions- und/oder Reflexionslichts (1A, 1B) so gedreht wird, dass das Transmissions- und Reflexionslicht (1A, 1B) von genau einem der beiden Flüssigkristallbereiche (30A, 30B) phasenmoduliert werden.
6. Optikanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Transmissionslicht (1B) und das Reflexionslicht (1A) in umgekehrter Richtung denselben Strahlengang durchlaufen, wobei das Transmissionslicht (1B) und das Reflexionslicht (1A) nacheinander auf beide Flüssigkristallbereiche (30A, 30B) geleitet werden, und
dass der mindestens eine Polarisationsdreher (28) so angeordnet ist,
- dass das Transmissionslicht (1B) vor und nach Auftreffen auf einen der beiden Flüssigkristallbereiche (30B) um 90° polarisationsgedreht wird, damit es nur vom anderen der beiden Flüssigkristallbereiche (30A) phasenmoduliert wird, und
- dass das Reflexionslicht (1A) vor und nach Auftreffen auf den einen der beiden Flüssigkristallbereiche (30B) um 90° polarisationsgedreht wird, damit es nur von dem einen der beiden Flüssigkristallbereiche (30B) phasenmoduliert wird.
7. Optikanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Flüssigkristallbereiche (30A, 30B) und die Polarisationsrichtungen des Transmissionslichts (1 B) und des Reflexionslichts (1A) so ausgerichtet sind, dass sowohl das Transmissionslicht (1 B) als auch das Reflexionslicht (1A) jeweils beim ersten Auftreffen auf einen der beiden Flüssig kristall bereiche (30A, 30B) unbeeinflusst bleiben und beim zweiten Auftreffen auf die Flüssigkristallbereiche (30A, 30B) beeinflusst werden.
8. Optikanordnung nach einem der Ansprüche 1 , 2 oder 4,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t,
dass das Transmissionslicht (1 B) nur auf den zweiten Flüssigkristallbereich (30B) trifft und auf demselben Weg zum Polarisationsstrahlteiler (10) zurückgeleitet wird, wobei mindestens ein Polarisationsdreher (28B) im Strahlengang des Transmissionslichts (1 B) so angeordnet ist, dass eine Polarisationsrichtung des Transmissionslichts (1 B) so gedreht wird, dass das Transmissionslicht (1 B) vom zweiten Flüssigkristallbereich (30B) phasenmoduliert werden kann und beim Zurückkommen zum
Polarisationsstrahlteiler (10) an diesem reflektiert wird, und
dass das Reflexionslicht (1 A) nur auf den ersten Flüssigkristallbereich (30A) trifft und auf demselben Weg zum Polarisationsstrahlteiler (10) zurückgeleitet wird, wobei der oder mindestens ein Polarisationsdreher (28A) eine Polarisationsrichtung des Reflexionslichts (1A) so dreht, dass das Reflexionslicht (1A) vom ersten Flüssigkristallbereich (30A) phasenmoduliert werden kann und beim Zurückkommen zum Polarisationsstrahlteiler (10) an diesem transmittiert wird.
9. Optikanordnung nach einem der Ansprüche 1 , 2, 4 oder 8,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t,
dass der erste Flüssigkristallbereich (30A) durch eine erste Flüssigkristallmatrix (31 A) und der zweite Flüssigkristallbereich (30B) durch eine hiervon verschiedene zweite Flüssigkristallmatrix (31 B) gebildet ist,
dass das Reflexionslicht (1A) auf dem Weg zum ersten Flüssigkristallbereich (30A) mittels eines Reflexionslicht-Strahlteilers (10A) aufgespalten wird in zwei Reflexionslichtkomponenten (2A, 3A) unterschiedlicher Polarisation, wobei die beiden Reflexionslichtkomponenten (2A, 3A) auf verschiedene Abschnitte (32A, 33A) der ersten Flüssigkristallmatrix (31 A) geleitet werden, wobei eine der beiden Reflexionslichtkomponenten (2A, 3A) vor und nach Auftreffen auf die erste Flüssigkristallmatrix (31 A) polarisationsgedreht wird, insbesondere jeweils um 90°, und wobei die beiden von der ersten Flüssigkristallmatrix (31 A) phasenmodulierten Reflexionslichtkomponenten (2A, 3A) durch den
Reflexionslicht-Strahlteiler (10A) wieder vereint werden, wobei je nach Phasenmodulation eine Polarisationsänderung des wieder vereinten Reflexionslichts (1A) vorliegt, wodurch das Reflexionslicht (1A) bei erneutem Auftreffen auf den Polarisationsstrahlteiler (10) abhängig von der Polarisationsänderung zu einstellbaren Teilen reflektiert oder transmittiert wird und somit eine Amplitudenmodulation bewirkt wird, insbesondere zusätzlich zu einer Phasenmodulation,
dass das Transmissionslicht (1 B) auf dem Weg zum zweiten Flüssigkristallbereich (30B) mittels eines Transmissionslicht-Strahlteilers (10B) aufgespalten wird in zwei Transmissionslichtkomponenten (2B, 3B) unterschiedlicher Polarisation, wobei die beiden Transmissionslicht komponenten (2B, 3B) auf verschiedene Abschnitte (32B, 33B) der zweiten Flüssigkristallmatrix (30B) geleitet werden, wobei eine der beiden Transmissionslichtkomponenten (2B, 3B) vor und nach Auftreffen auf die zweite Flüssigkristallmatrix (30B) polarisationsgedreht wird, insbesondere jeweils um 90°, wobei die beiden von der zweiten Flüssigkristallmatrix (31 B) phasenmodulierten Transmissionslichtkomponenten (2B, 3B) durch den Transmissionslicht-Strahlteiler (10B) wieder vereint werden, und wobei je nach Phasenmodulation eine Polarisationsänderung des Transmissionslichts (1 B) vorliegt, wodurch das Transmissionslicht (1 B) bei erneutem Auftreffen auf den Polarisationsstrahlteiler (10) abhängig von der Polarisationsänderung zu einstellbaren Teilen reflektiert oder transmittiert wird und somit eine Amplitudenmodulation bewirkt wird, insbesondere zusätzlich zu einer Phasenmodulation.
10. Optikanordnung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein transparentes Verzögerungselement (22A) im Strahlengang von einer der Reflexionslichtkomponenten (2A, 3A) vorhanden und so gestaltet ist, dass beide Reflexionslichtkomponenten (2A, 3A) die gleiche optische Weglänge durchlaufen, und/oder
dass ein transparentes Verzögerungselement (22B) im Strahlengang von einer der Transmissionslichtkomponenten (2B, 3B) vorhanden und so gestaltet ist, dass beide Transmissionslichtkomponenten (2B, 3B) die gleiche optische Weglänge durchlaufen.
11. Optikanordnung nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Reflexionslicht-Strahlteiler (10A) und der erste Flüssigkristallbereich (30A) so angeordnet sind, dass beide Reflexionslichtkomponenten (2A, 3A) senkrecht auf den jeweiligen Abschnitt (32A, 33A) des ersten
Flüssigkristallbereichs (30A) treffen und jeweils denselben Weg zurück zum Reflexionslicht-Strahlteiler (10A) laufen.
12. Optikanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Reflexionslicht-Strahlteiler (10A) relativ zum Polarisationsstrahlteiler (10) so ausgerichtet ist, dass die beiden Reflexionslichtkomponenten (2A, 3A) die gleiche Intensität haben.
13. Lichtmikroskop mit einer Optikanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Optikanordnung in einem Beleuchtungs- oder Detektionsstrahlengang des Lichtmikroskops angeordnet ist.
14. Verfahren zur Lichtstrahlformung in einem Lichtmikroskop, umfassend
Phasenmodulieren von Licht mittels eines ersten Flüssigkristallbereichs (30A), welcher mehrere voneinander unabhängig schaltbare Flüssigkristallelemente aufweist,
g e k e n n z e i c h n e t durch
Polarisationsabhängiges Trennen von Licht (1 ) mittels eines ersten Polarisationsstrahlteilers (10) in Reflexionslicht (1A), welches in Richtung des ersten Flüssigkristallbereichs (30A) reflektiert wird, und in Transmissionslicht (1 B), welches in Richtung eines zweiten
Flüssigkristallbereichs (30B) transmittiert wird, und
Phasenmodulieren des Transmissionslichts (1 B) mittels des zweiten Flüssigkristallbereichs (30B), und
Zusammenführen des Reflexionslichts (1A) und Transmissionslichts (1 B), welche von den Flüssigkristallbereichen (30A, 30B) phasenmoduliert wurden, auf einen gemeinsamen Strahlengang mittels des ersten oder eines zweiten Polarisationsstrahlteilers (10, 11 ).
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