DE102018110083A1

DE102018110083A1 - Optikanordnung zur flexiblen Mehrfarbbeleuchtung für ein Lichtmikroskop und Verfahren hierzu

Info

Publication number: DE102018110083A1
Application number: DE102018110083.3A
Authority: DE
Inventors: Ralf Netz; Jörg Siebenmorgen; Ingo Kleppe
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2019-10-31
Also published as: CN112020667A; US11796782B2; US20210247600A1; CN112020667B; WO2019206646A1

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

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 (Elektrooptischer 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 Aufgabe der Erfindung kann angesehen werden, eine Optikanordnung für ein Lichtmikroskop und ein entsprechendes Verfahren anzugeben, welche eine Mehrfarbbeleuchtung in möglichst flexibler, schnell änderbarer Weise 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 λ/2-Plättchen gebildet sein oder zwei λ/2-Plättchen umfassen, von denen das eine λ/2-Plättchen vor Auftreffen auf den zweiten Flüssigkristallbereich durchlaufen wird und das andere λ/2-Plättchen nach Auftreffen auf den zweiten Flüssigkristallbereich durchlaufen wird. Die λ/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 λ/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 λ/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 Hin- und Rückweg, wird hierbei die Polarisationsrichtung des Lichts zweimal in dieselbe Richtung weitergedreht, im Gegensatz zu einem λ/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:

1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lichtmikroskops;
2 eine schematische Darstellung von Komponenten eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Optikanordnung; und
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.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Optikanordnung 100, welche Teil eines erfindungsgemäßen Lichtmikroskops 110 ist.
Das Lichtmikroskops 110 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 11A reflektiert und (insbesondere gleichzeitig) wird Transmissionslicht 12B auf einen zweiten Strahlengang 11B 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 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 λ/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 1 gezeigt: Die optische Achse 28A steht in einem Winkel von 45° zur Polarisationsrichtung 61B des Transmissionslichts vor Auftreffen auf die Halbwellenplatte 28, so dass die Polarisationsrichtung 61B 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 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 FourierTransformation 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 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.
In 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 11A, 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 11B, 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 11A zum Polarisationsstrahlteiler 10, und das Reflexionslicht 12A läuft auf dem zweiten Strahlengang 11B 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.
2 zeigt in einer schematischen Aufsicht Komponenten einer erfindungsgemäßen Optikanordnung 100, die im Wesentlichen gleich wie die Optikanordnung aus 1 sein kann. In 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 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 110 sein kann, ist in 3 gezeigt.
Komponenten, die gleich wie in 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 11A und 11B geteilt. Allerdings bilden die beiden Strahlengänge 11A und 11B keine geschlossene Schleife. Vielmehr läuft Reflexionslicht 12A auf dem Strahlengang 11A bis zu einem ersten Bereich 35A der Flüssigkristallmatrix 35 und auf demselben Strahlengang 11A wieder zurück zum Polarisationsstrahlteiler 10. Analog läuft Transmissionslicht 12B auf dem zweiten Strahlengang 11B bis zu einem zweiten Bereich 35B der Flüssigkristallmatrix 35 und auf demselben Strahlengang 11B wieder zurück zum Polarisationsstrahlteiler 10. Verschiedene Seiten eines gemeinsamen Umlenkelements 19 können in den beiden Strahlengängen 11A und 11B 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 11A und die Polarisation das Transmissionslicht 12B auf dem Strahlengang 11B um 90° ändern. Dies wird durch einen Polarisationsdreher 29 zusammen mit der Flüssigkeitsmatrix 35 erreicht. Der Polarisationsdreher 29 ist hier eine Halbwellenplatte (λ/2-Platte), deren Abmessungen groß genug sind, dass sie sowohl im Strahlengang 11A als auch im Strahlengang 11B 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 81A 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 81A. In einem An-Zustand verzögert hingegen das Flüssigkristallelement die Phase der Polarisationskomponente, die in Figurabschnitt 71A in horizontaler Richtung liegt; daraus resultiert, dass die Polarisationsrichtung auf 82A gedreht werden kann, insbesondere wenn die horizontale Polarisationskomponente von 81A 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 81A 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, 71B und 72B gezeigt. Die Polarisationsrichtung 80B des Transmissionslichts steht zunächst in einem Winkel von 22,5° zur Ausrichtung 29A der Halbwellenplatte und wird daher um 45° in die Polarisationsrichtung 81B gedreht. Nun trifft das Transmissionslicht auf die Flüssigkristallmatrix, wo bei einem Aus-Zustand eines Flüssigkristallelements die Polarisationsrichtung 81B unverändert bleibt (siehe Figurabschnitt 71B) oder bei einem An-Zustand des Flüssigkristallelements gedreht wird auf 82B. Wenn das Transmissionslicht erneut auf die Halbwellenplatte trifft, wird die Polarisationsrichtung 81B 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 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.
Bezugszeichenliste

1: Lichtquelle
2: Beleuchtungslicht
5: AOTF
10: Polarisationsstrahlteiler
11A: erster Strahlengang
11B: 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
61B: Polarisationsrichtung des Transmissionslichts vor Durchlaufen des Polarisationsdrehers 28
62B: Polarisationsrichtung des Transmissionslichts nach Durchlaufen des Polarisationsdrehers 28
70A, 71A, 72A: Schaubilder zur Polarisationsänderung des Reflexionslichts
70B, 71B, 72B: Schaubilder zur Polarisationsänderung des Transmissionslichts
80: Optikkomponenten
80A, 81A, 82A, 83A, 84A: Polarisationsrichtungen des Reflexionslichts
80B, 81B, 82B, 83B, 84B: Polarisationsrichtungen des Transmissionslichts
83: Probenbereich
90: Strahlteiler
93: Probenlicht
95: Detektor
100: Optikanordnung
110: Lichtmikroskop

Claims

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, gekennzeichnet 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.
Optikanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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.
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.
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.
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.
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.
Optikanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, 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.
Optikanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, 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 Flüssigkristallbereiche (35A, 35B) unbeeinflusst bleiben und beim zweiten Auftreffen auf die Flüssigkristallbereiche (35A, 35B) beeinflusst werden.
Optikanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, 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 (11B) zu einem anderen Flüssigkristallbereich (35B) der Flüssigkristallmatrix (35) geleitet wird und auf demselben zweiten Strahlengang (11B) 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 (11B) 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.
Optikanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, 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.
Optikanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionslicht (12A) und das Transmissionslicht (12B) denselben Polarisationsdreher (29) durchlaufen, welcher ein λ/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.
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.
Lichtmikroskop mit einer Optikanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, 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.