CN108227059A - 具有至少一个光谱选择性组件的光学装置 - Google Patents

具有至少一个光谱选择性组件的光学装置 Download PDF

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Abstract

描述了一种光学装置，其具有光学***和至少一个光谱选择性组件，所述至少一个光谱选择性组件布置在光束路径中，用于光谱地影响沿所述光束路径传播的光。所述光谱选择性组件包括有效表面，所述有效表面具有至少一个光谱边缘，所述至少一个光谱边缘随着光在有效表面上的入射位置而变化。光谱选择性组件的有效表面布置在光束路径中的一点上，在该点处，由光入射到有效表面上的入射角的变化引起的有效表面的光谱边缘的变化，至少部分地由光入射到有效表面上的位置的变化引起的有效表面的光谱边缘的相反方向的变化来补偿。可替换地，有效表面在光学***的光瞳的图像的位置处被布置在光束路径中。

Description

具有至少一个光谱选择性组件的光学装置
技术领域
本发明涉及一种光学装置，特别是显微镜，其具有至少一个光谱选择性组件，该光谱选择性组件布置在光束路径中，用于光谱地影响沿着光束路径传播的光，该光谱选择性组件包括至少一个有效表面，其具有随着光在有效表面上的入射位置而变化的光谱边缘。
背景技术
在许多光学装置中，二向色分束器用于分割或组合光，而彩色滤光器用于影响光线的光谱特性。这些组件通常被配置成随着其为了装置的实现而被选择，其光谱特性被确定，即，在装置的操作期间不能再由用户修改。例如，通过在滤光器轮或滤光器滑块上布置各种滤光器，并且根据应用将这些滤光器中的一个切换为激活，可以实现装置操作中的一定的灵活性。通过这样的布置，滤光器曲线的无级变化是不可能的，然而这在光学显微镜应用中是特别不利的。
在许多显微镜应用中，特别是在荧光显微术中，利用一种或多种不同波长或波长范围的光照射要研究的样品，并且借助于至少一个检测器来捕获从样品出发的光，检测器例如区域检测器，诸如照相机、线性检测器或点检测器。在这种情况下，在光束路径中传播的光需要在光谱上分成不同的分量。例如，在入射光学显微镜中，样品通常经由物镜照射，并且从样品出发的光被相同的物镜采集。然后照明光和检测光通常分别借助于为照明光和检测光的不同光谱特性而设计的二向色分束器分离和组合。检测光束路径中的检测光然后被二向色分束器分成不同的检测波段，并用不同的检测器捕获。为了更好地分离不同的波段，可以在检测光束路径中使用特别是抑制位于期望的光谱区域之外的光的二向色带通滤光器。二向色带通滤光器也用于照明光束路径中，在这种情况下用于光谱限制引导到样品上的照明光。
特别在显微镜中使用的二向色分束器和带通滤光器在透射和反射方面具有永久定义的特性。每个具有用于激励和检测的带通滤光器的分束器可以一起安装在一个组件中，例如，滤光器立方体。然后可以将具有不同光谱特性的几个滤光器立方体布置在例如选择器轮上，当用户使用显微镜时，可以将选择器轮转动到最适合特定应用的滤光器立方体的光束路径中。然而，这样的滤光器立方体的光谱特性是不可修改地定义的。适用于相应应用的光谱特性只能在可用滤光器立方体的情况下被选择。这同样适用于位于检测光束路径中的滤光器和分束器，以便将不同的波段彼此分离或抑制不需要的波段。
DE 10 2006 034 908 A1提出在扫描显微镜中使用边缘滤光器形式的光谱选择性组件，边缘滤光器的极限波长(也称为“光谱边缘”)沿滤光器变化。也被称为“梯度滤光器”的这种组件的光谱边缘将透射波长区域与不发生透射的波长区域分开。
使用具有位置可变光谱边缘的这样的边缘滤光器允许用户随意调整检测器的光谱特性。然而，这里出现的问题在DE 10 2006 034 908 A1中没有涉及。例如，只有当入射到滤光器上的检测光束具有足够小的直径时，才能实现足够陡峭的光谱边缘，即足够尖锐的限制波长。光束直径的任何增加都不可避免地导致边缘陡度的降低。边缘陡度越小，检测器的光谱特性越不精确。
滤光器的光谱边缘位置还取决于检测光束入射到滤光器上的入射角。
关于现有技术，另外参考Hamamatsu的出版物：“Image Splitting Optics，W-ViewGEMINI”Technical Note，2014年6月。
发明内容
本发明的目的是描述一种光学装置，特别是显微镜，其允许装置的光谱特性在装置操作期间以简单的方式改变。
本发明通过独立权利要求的主题来实现该目的。在从属权利要求和下面的描述中描述了有利的改进。
在第一方面，本发明提供了一种光学装置，其包括光学***和至少一个光谱选择性组件，所述至少一个光谱选择性组件布置在光束路径中，用于光谱地影响沿所述光束路径传播的光。所述光谱选择性组件包括至少一个有效表面，所述至少一个有效表面具有至少一个光谱边缘，所述至少一个光谱边缘随着光在有效表面上的入射位置而变化。光谱选择性组件的有效表面布置在光束路径中的一点上，在该点处，由光入射到有效表面上的入射角的变化引起的有效表面的光谱边缘的变化，至少部分地由光入射到有效表面上的位置的变化引起的有效表面的光谱边缘的相反方向的变化来补偿。可替换地，光谱选择性组件的有效表面在光学***的光瞳的图像的位置处被布置在光束路径中。
在第二方面，本发明提供了一种用于宽视场显微镜的光学装置，其包括物镜和至少一个光谱选择性组件，所述至少一个光谱选择性组件布置在光束路径中，用于光谱地影响沿所述光束路径传播的光，所述光谱选择性组件包括有效表面，所述有效表面具有至少一个光谱边缘，所述至少一个光谱边缘随着光在有效表面上的入射位置而变化。光谱选择性组件的有效表面布置在光束路径中的一点上，在该点处，由光入射到有效表面上的入射角的变化引起的有效表面的光谱边缘的变化，至少部分地由光入射到有效表面上的位置的变化引起的有效表面的光谱边缘的相反方向的变化来补偿。可替换地，光谱选择性组件的有效表面在光学***的光瞳的图像的位置处被布置在光束路径中。
本文中的光学装置是宽视场显微镜，优选地为荧光显微镜、明视场显微镜、具有或不具有斜面照明的光片显微镜、宽视场多光子显微镜、暗视场显微镜、相差显微镜或微分干涉差显微镜的形式。
然而，根据本发明的宽视场显微镜不限于上述实施例。而是意图包括任何显微镜，其中如在传统的光学显微镜中一样，所观察的样品区域将被同时整体成像。在这方面，宽视场显微镜可以与连续扫描要成像的样品区域的显微镜装置(例如在共焦显微镜中)区分开。
在第三方面，本发明提供了一种光学装置，其具有光学***和至少一个光谱选择性组件，所述至少一个光谱选择性组件布置在光束路径中，用于光谱地影响沿所述光束路径传播的光以用于样品照射，所述光谱选择性组件包括至少一个有效表面，所述至少一个有效表面具有光谱边缘，所述光谱边缘随着光在有效表面上的入射位置而变化。光谱选择性组件的有效表面布置在光束路径中的一点上，在该点处，由光入射到有效表面上的入射角的变化引起的有效表面的光谱边缘的变化，至少部分地由光入射到有效表面上的位置的变化引起的有效表面的光谱边缘的相反方向的变化来补偿。可替换地，光谱选择性组件的有效表面在光学***的光瞳的图像的位置处被布置在光束路径中。
在本发明的第四方面，提供了一种光学装置，其具有光学***并具有至少一个光谱选择性组件，所述至少一个光谱选择性组件布置在光束路径中，用于光谱地影响沿所述光束路径传播的光，所述光谱选择性组件由多层结构构成，所述多层结构限定了具有至少一个光谱边缘的有效表面，所述至少一个光谱边缘随着光在有效表面上的入射位置而变化。光谱选择性组件的有效表面布置在光束路径中的一点上，在该点处，由光入射到有效表面上的入射角的变化引起的有效表面的光谱边缘的变化，至少部分地由光入射到有效表面上的位置的变化引起的有效表面的光谱边缘的相反方向的变化来补偿。可替换地，光谱选择性组件的有效表面在光学***的光瞳的图像的位置处被布置在光束路径中。
在该实施例中，光谱选择性组件被配置为例如多层干涉滤光器或法布里-珀罗滤光器。
在第五方面，本发明提供了一种光学装置，其包括光学***和至少一个分束器，所述至少一个分束器用于将照明光束路径和检测光束路径组合成布置有所述光学***的一个共享光束路径，分束器是用于光谱地影响沿着照明光束路径和沿着检测光束路径传播的光的光谱选择性组件。所述光谱选择性组件包括有效表面，所述有效表面具有至少一个光谱边缘，所述至少一个光谱边缘随着光在有效表面上的入射位置而变化。光谱选择性组件的有效表面布置在共享光束路径中的一点上，在该点处，由光入射到有效表面上的入射角的变化引起的有效表面的光谱边缘的变化，至少部分地由光入射到有效表面上的位置的变化引起的有效表面的光谱边缘的相反方向的变化来补偿。可替换地，光谱选择性组件的有效表面在光学***的光瞳的图像的位置处被布置在共享光束路径中。
在第六方面，本发明提供了一种光学装置，其包括光学***和至少一个光谱选择性组件，所述至少一个光谱选择性组件布置在光束路径中，用于光谱地影响沿所述光束路径传播的光，所述光束路径不是显微镜的非退扫描的检测光束路径。该光谱选择性组件包括有效表面，该有效表面具有随光在有效表面上的入射位置而变化的至少一个光谱边缘。光谱选择性组件的有效表面布置在光束路径中的一点上，在该点处，由光入射到有效表面上的入射角的变化引起的有效表面的光谱边缘的变化，至少部分地由光入射到有效表面上的位置的变化引起的有效表面的光谱边缘的相反方向的变化来补偿。可替换地，光谱选择性组件的有效表面在光学***的光瞳的图像的位置处被布置在光束路径中。
根据本发明的上述方面提供的光学装置优选地分别体现为显微镜。
此外，在各个光学装置中使用的光学***优选为成像光学器件，特别是物镜。
本发明提供了在光束路径中光谱选择性组件的有效表面的两个可选定位。在第一定位中，有效表面位于一点处，在该点处，由光入射到有效表面上的入射角的变化引起的有效表面的光谱边缘的变化，至少部分地由光入射到有效表面上的位置的变化引起的有效表面的光谱边缘的相反方向的变化来补偿。在第二定位中，有效表面布置在光学***的光瞳的图像的位置处。
在前述的第一定位中，光入射到有效表面上的入射角的变化例如可以通过光从不同的物点获得并因此由不同的光束组合而引起，不同光束的主光线相对于光束路径的光轴表现出不同的倾角，并因此具有不同的入射角。例如，当根据本发明的光学装置被用作宽视场显微镜时就是这种情况。然而，光入射到有效表面上的入射角的变化也可以例如由以下事实导致：光在光束路径中执行扫描运动并由此随着时间的推移连续地改变其入射角。例如，在所谓的非退扫描检测器所在的扫描显微镜的检测光束路径中是这种情况，即，接收先前未被引导回扫描单元的检测光束的检测器，其中扫描单元使照明光束偏转，从而使扫描单元在样品上以扫描运动被引导。
在第一定位中，光谱选择性组件的有效表面优选地布置为不垂直光束路径的光轴，而是相对于光束路径的光轴倾斜。该倾斜定位的结果是，与垂直方向相比，光谱边缘的位置在入射角的整个范围内随着入射角而单调地变化。因此可以借助于由于光谱选择性组件的有效表面上的光入射位置的变化而出现的同样单调地前进的相反方向的边缘位置偏移来补偿入射角有关的边缘位置偏移。
前述的第二定位特别适用于以下情况：光谱选择性组件以其有效表面垂直于光束路径的光轴或实际上几乎垂直于光束路径的光轴的方式布置，并且光束入射到组件的有效表面上的最大入射角(参考光谱选择性组件的垂直线)不太大。在这种情况下，在光瞳图像的位置处的有效表面的布置避免了由于有效表面上的光入射位置的变化而造成的光谱边缘的偏移，而由入射角的变化引起的光谱边缘的偏移相对较小，因此可以容忍。这对于入射角通常是这种情况，入射角小于或等于35°、优选地小于或等于30°、以及最佳地小于或等于20°。
在第二定位中，光谱选择性组件被布置在光瞳图像中或者在任何情况下其紧邻处，来自不同物点的光的主光线在有效表面上至少大致相同的点处入射，并因此也以相同的方式被有效表面光谱地影响。如果将光谱选择性组件例如实现为滤光器，那么在这种情况下，来自不同物点的光的主光线经历相同的滤光器功能。
在第二定位中，光谱选择性组件构成例如边缘滤光器，例如，短通滤光器、长通滤光器或带通滤光器，其中带通滤光器可以由沿光束路径的光轴一个接一个地布置的短通滤光器和长通滤光器组成。
光谱边缘，即反射和透射之间的极限波长，例如可以定义为透射率正好等于50％的波长。然而，不言而喻的是，光谱边缘也可以以不同的方式定义。
第一定位中的光谱选择性组件的有效表面优选以使得其表面法线相对于光束路径的光轴以预定角度倾斜的方式布置在光束路径中；并且有效表面相对于光瞳图像的位置在沿着光束路径的光轴的一段距离处，光瞳的图像位置是根据光的入射角的变化的函数而预先确定的。
上述距离z以这样的方式预先确定，优选地满足以下条件：
其中，DE表示入射色散，其指示作为光入射到有效表面上的入射角的函数的光谱边缘的变化；DL表示纵向色散，其指示作为光入射到有效表面上的位置的函数的光谱边缘的变化；表示在光瞳图像的位置处光的主光线和光束路径的光轴之间的角度；以及表示垂直于有效表面的线相对于光束路径的光轴倾斜的预定角度。上面的表达式将在稍后详细推导出来。
垂直于有效表面的线相对于光束路径的光轴倾斜的预定角度例如小于或等于65°、优选地小于或等于45°、以及在非常特别优选的实施例中小于或等于30°。光谱选择性组件优选以这样的方式布置在光束路径中，即反射平面(即由入射光束和反射光束跨越的平面)平行于有效表面的光谱边缘变化的方向。
优选地，根据本发明的光学装置包括驱动***，该驱动***被配置成以使得所述光在所述有效表面上的入射位置是可调整的方式使所述光束路径中的所述光谱选择性组件移位。驱动***例如被实施为机械的、气动的、电的或压电的驱动***。例如，可以使用电动机来调整光谱选择性组件的期望位置。用户自己可以通过相应的软件进行调整。但是，也可以以自动的方式控制驱动***。
优选地，光谱选择性组件可借助于驱动***沿着变化轴线而被移位，有效表面的光谱边缘沿着变化轴线而变化。例如，如果光谱选择性组件的有效表面是矩形的形状，那么有效表面可以通过驱动***沿着平行于矩形长边的变化轴线被移位，以便调整所需的光谱边缘。另一方面，如果光谱选择性组件例如以这样的方式实现，即有效表面的光谱边缘沿着圆周变化，那么可以借助于驱动***来旋转有效表面以便建立边缘位置。
也可以沿着光束路径可偏移地实施光谱选择性组件，以便能够沿着光束路径的光轴灵活地适应有效表面和光瞳图像之间的距离。这种偏移也可以借助于上述类型的驱动***完成，优选自动地完成。相应的驱动***可以基于固定的程序顺序或通过对诸如光强度或光束位置的特定测量数据作出反应的调节***进行控制。在这种情况下，特别是相应的驱动***可以在测量之前或甚至在测量期间调整与其关联的定位，例如以动态补偿边缘位置的残余偏移。
至少一个光谱选择性组件被布置在其中的光束路径优选地由照明光束路径或检测光束路径或由照明光束路径和检测光束路径共享的光束路径段组成。在后一个实施例中，光谱选择性组件例如用于分离和/或组合照明和检测光束路径。
至少一个光谱选择性组件优选地包括至少一个分束器和/或至少一个边缘滤光器。
至少一个边缘滤光器优选地包括至少一个短通滤光器、至少一个长通滤光器和/或至少一个带通滤光器。
这种带通滤光器优选由沿着光束路径的光轴一个接一个地布置的短通滤光器和长通滤光器组成。
为了使光学装置的结构更加紧凑，可以有利地将具有不同滤光器区域或分束器区域的多个光谱选择性组件一个接一个地布置。例如，可以提供包括第一滤光器区域或分束器区域的第一基板，其中光谱边缘从最小值变化到中间值。此外，可以提供第二基板，该第二基板包括第二滤光器区域或分束器区域，光谱边缘在该第二滤光器区域或分束器区域内从上述中间值变化到最大值。如果将两个上述基板在检测光束路径中例如一个接一个地布置，则可以这样使用它们，即，使得包含期望的光谱边缘的基板被引入到检测光束路径中，而另一个基板从光束路径中移除。另外，这些基板还可以包括具有与波长无关的高透射率的区域。这就产生了在光束路径中留下目前被制成不活动的基板，并简单地将其与波长无关的高透射率的区域引入到光束路径中的可能性。
根据本发明的光学装置优选地包括至少第一和第二检测模块，分束器通过以光谱分离的方式反射至第一检测模块并透射至所述第二检测模块来输送光。在该实施例中，检测光可以以特别简单的方式可变地分布到两个检测模块。
优选地提供由两个检测模块以共享的方式使用的检测器，其包括两个检测器段，其中一个检测器段捕获由分束器反射的光，而另一个检测器段捕获通过所述分束器透射的光。线性检测器或区域或阵列检测器，例如CCD、EMCCD、sCMOS或QIS(量子图像传感器)，优选地可用作以共享方式使用的检测器。对于两个或者甚至两个以上的检测模块使用单个检测器(单个检测器的能够读出的传感器元件的一部分与一个检测器段相关联，而另一部分与另一个检测器段相关联)是有利的，因为一方面高质量检测器是昂贵的，另一方面，正在观看的图像场通常足够小，使得它们可以使用共享检测器的各个检测器段来捕获。
因为在一些情况下在相应的检测模块的光束路径中出现大的孔径，所以在检测模块中使用非球面透镜是有利的以使像差最小化。如果这些非球面透镜另外是消色差构造，则是特别有利的。
光学装置优选地包括至少两个分束器，其中一个分束器布置在光瞳的图像的前面的光束路径中，另一个分束器布置在光瞳的图像的后面。如果两个分束器具有相同的纵向色散和相同的入射角色散，则它们可以在光瞳图像的前面和后面以相同的距离布置。这促进了特别简单和紧凑的构造。
在另一个实施例中，提供至少两个分束器，其以不同的距离布置在光瞳的图像的前面并且呈现不同的色散，和/或至少两个分束器，所述至少两个分束器以不同的距离布置在光瞳的图像的后面并且呈现不同的色散。这种配置基于这样的认识：相应的光谱选择性组件距光瞳图像的距离尤其取决于组件的色散。这提供了在光瞳图像的前面和后面布置多于一个光谱选择性组件的可能性，这些组件位于具有不同色散的相应光瞳的一侧上。
与通常与干涉滤光器一起操作并且其中光谱特性在滤光器上物理地恒定的常规***相比，根据本发明的光学装置提供了相当大的优点，即通过适当调整装置中使用的光谱选择性组件，每个单独的检测通道的光谱特性可以在图像获取之前由用户来定义。提供的检测通道数量越多，这个优势就越明显。鉴于以上所述，光学装置包括至少三个检测模块，所述至少两个分束器构成分束器级联，所述分束器级联的第一分束器通过透射至第一检测模块并通过反射至分束器级联的第二分束器来以光谱分离的方式输送光，然后通过透射至前述检测模块的第二检测模块并经由另一分束器直接或间接反射至前述检测模块的第三检测模块来输送由第一分束器反射的光。该实施例基于这样的认识，即构成上述分束器的根据本发明的光谱选择性组件具有从光谱边缘开始具有比高透射率大的高反射率的较大光谱区域的性质。如果要构造具有多于两个检测模块的布置，则有利的是不通过透射而是通过反射来实现检测模块的级联，以便实现最大可能的光谱灵活性。
在另一个有利的实施例中，前述分束器以如下方式实施：检测光束的光谱分量的波长在分束器级联内连续地减小，分束器通过透射至分别与其相关联的检测模块来输送检测光束。在包括多个检测模块的布置的情况下，例如，每个单独的检测模块因此可以最大程度地检测未被其他检测模块检测到的检测光的那部分。因此，在该实施例中规定，将检测光转移到检测光束路径中的第一检测模块上，即将具有最长光波长的光谱分量在透射中转移到布置在第一分束器后面的检测模块上。检测光的具有第二长的光波长的光谱分量被相应地引导至检测光束路径内的第二检测模块上，即在透射中被引导至布置在第二分束器后面的检测模块上。然后将其他光谱分量类似地分布到剩余的检测模块上。分束器因此被实施为长通分束器。
因此，与之前描述的实施例相互作用的结果是，不仅通过分束器处的反射，而且通过由检测模块检测到的检测光的光谱分量的波长，级联检测模块。
因为分束器的反射率通常高于其透射率，所以分束器级联提供了更高的光产量的优点，因为所检测到的光在其通向相应的检测模块的路径上在各情况下仅在确切地分束器中之一处透射。
上述类型的分束器级联也可以以相应的构造设置在光学装置的照明光束路径中。
附图说明
下面将参考附图更详细地解释本发明，其中：
图1示意性地描绘了根据本发明的光谱选择性组件；
图2是说明根据本发明的光谱选择性组件的第一定位的示意图；
图3是说明根据本发明的经修改形式的光谱选择性组件的第一定位的示意图；
图4示出了根据本发明的作为示例性实施例的显微镜；
图5示出了图4所示实施例的光瞳成像光束路径；
图6示出了根据本发明的另一个实施例中的显微镜；
图7示出了根据本发明的另一个实施例中的显微镜；
图8示出了根据本发明的另一个实施例中的显微镜；
图9示出了根据本发明的另一个实施例中的显微镜；
图10示出了根据本发明的另一个实施例的显微镜；
图11示出了根据本发明的另一个实施例中的显微镜；
图12示出了根据本发明的另一个实施例中的显微镜；
图13示出了根据本发明的另一个实施例中的显微镜；
图14示出了根据本发明的另一个实施例中的显微镜；
图15示出了图14所示实施例的光瞳成像光束路径；
图16示出了根据本发明的另一个实施例中的显微镜；
图17示出了根据本发明的另一个实施例中的显微镜；
图18示出了图17所示实施例的光瞳成像光束路径；
图19示出了根据本发明的另一个实施例中的显微镜；
图20示出了根据本发明的另一个实施例中的显微镜；
图21示出了根据本发明的另一个实施例中的显微镜；
图22示出了作为多层法布里-珀罗滤光器的光谱选择性组件的示例性实施例；以及
图23示出了作为多层干涉滤光器的光谱选择性组件的示例性实施例。
具体实施方式
参考图1，首先将在下面给出在根据本发明的光学装置中，特别是在显微镜中，使用的光谱选择性组件10以光谱地影响照明光和/或检测光的性能的解释。
在根据图1的示例性实施例中，光谱选择性组件10是可变边缘滤光器，例如，长通滤光器或短通滤光器。作为长通滤光器，边缘滤光器只传输高于预定极限波长或光谱边缘的光谱，而作为短通滤光器，它只传输低于极限波长的光谱。然而，应当指出的是，下面的解释不限于滤光器，而是对于根据本发明的组件10构成了传输光谱边缘之上的光谱、同时以限定的方式反射光谱边缘之下的光谱(反之亦然)的光谱选择性分束器的情况也相应地有效。
在根据图1的示例性实施例中，光谱选择性组件10具有有效表面12，该有效表面12沿着变化轴线V具有光谱有效长度L。在图1中，变化轴线V平行于标记为x的纵向方向并垂直于标记为y的宽度方向。
组件10具有这样的性质，即其光谱边缘随着光沿着变化轴线V的入射位置而变化。因此，变化轴线也被称为“色散轴线”。
如下面详细介绍的，随着光沿着变化轴线V的入射位置的光谱边缘的变化可以线性或非线性地发生，例如，二次地、指数地或以其他方式。相反，在根据图1的示例性实施例中，边缘滤光器10的光谱特性，特别是其光谱边缘，在垂直于变化轴线V的宽度方向y上基本恒定。在边缘滤光器10的有效表面12上的光产生的光斑在图1中标记为14。
对于下面的解释，假设光谱边缘，即透射和非透射或反射之间的极限波长，被定义为透射刚好等于50％的那个波长。在沿方向x(参见图1)，即沿着变化轴线V的光入射位置的周围的光谱边缘的变化可以在数学上用导数来描述
其中θ表示光的主光线相对于垂直于有效表面12的法线的入射角。该导数表示纵向色散DL。另外，变量x0表示x方向上的基准位置(参照图1)，θ0a表示被设计的光谱选择性组件10的设计入射角度。如果纵向色散DL是恒定的或几乎恒定的，则光谱边缘线性地变化。在这种情况下，光谱选择性组件10是线性可变分束器或线性可变滤光器。
作为光入射到有效表面12上的入射角的函数的光谱边缘的变化在数学上由导数描述为：
这个导数描述了入射角色散De。
如果根据图1的光谱选择性组件10然后被用作例如光学装置中(特别是在显微镜中)的分束器或滤光器，应当注意的是，取决于应用，光入射到光谱选择性组件10的有效表面12上的入射角可能发生变化。例如，在宽视场显微镜中，来自不同物点的光束的主光线通常针对不同的视场角通过光谱选择性组件10的有效表面12上的不同区域。根据入射角，光也相应地经受不同的滤光。换句话说，光谱选择性组件10的有效表面12具有根据入射角或视场角而变化的滤光函数。
当光在光谱选择性组件10的有效表面12上的入射角不是由于不同的视场角而是由于光的扫描运动的结果而变化时，也出现上述问题，正如例如在扫描显微镜的照明光束路径或检测光束路径中出现的。如果光谱选择性组件10被布置在光学装置的物镜所具有的光瞳的图像的位置处，则避免这个问题。这是因为在光瞳图像的位置处，从不同物点产生的各个光束的主光束在光束路径的光轴上相遇。这里的“主光线”是指从离轴点出发并且在入射光瞳的平面(可选地沿着延伸部)、在孔径光阑的平面中以及在出射光瞳的平面中(可选地沿着延伸部)与光轴相交的光束。从上述的物点出发并通过光学***的所有其他光束围绕这个主要或“对称”光线布置。由于这种上面被称为光谱选择性组件10的“第一定位”的布置，对于所有的物点，光通过光谱选择性组件10而经历几乎相同的滤光函数。在由光的扫描运动引起的入射角变化的情况下也是如此。
然后另一个问题是由于以下事实而导致的：在组件10的期望光谱特性方面，入射到有效表面12上的光的光束直径不能被忽略。在图1的描绘中通过光斑14的直径D示出。显微镜物镜的出射光瞳的直径以及因此入射到有效表面12上的光的光束直径通常在10mm到20mm的范围内。仅举例而言，在从400nm到800nm的典型边缘波长范围中，这个光束直径与光谱选择性组件10的纵向色散DL相关，其大约等于10nm/mm，使得组件的长度L不会变得过大。对于在10mm至20mm范围内的光束直径，在宽度在100nm和200nm之间的边缘波长区域上然后平均光谱选择性组件10的滤光函数。这导致该区域上的边缘波长“模糊”。
这个问题可以通过减少光的光束直径来避免。然而，必须指出的是，光束直径的这种减小在发生的入射角中导致同样程度的增加。例如，从显微镜物镜出射的主光线根据期望的图像场具有±2°的典型角度范围。例如，将光束直径减小10倍，即到1至2mm的范围，将导致上述角度范围增加至±20°。如下面导出的方程式(8)所示，这将导致角度范围中的边缘波长的相当大的变化，并因此在图像上延伸。
为了避免上述问题，根据本发明的方案一方面将入射到光谱选择性组件10上的光的光束直径减小到在光谱边缘模糊方面可接受的程度，另一方面将在光束路径中的光谱选择性组件10布置在作为有效表面12上的光入射位置的变化的结果的边缘波长偏移的点处，边缘波长偏移正好对应于由入射角变化引起的反方向边缘波长偏移。下面将参考图2来解释根据本发明在上面被称为“第一定位”的光谱选择性组件10的这种布置。
首先，应该注意的是，图2的描绘被高度简化，并且仅用于说明根据本发明的光谱选择性组件10的第一定位。
图2示出来自物体600的平行光束602，平行光束602通过透镜布置604被引导到光谱选择性组件10的有效表面12上。光束602被透镜布置604偏转，使得光束602的主光线(图2中标记为606)相对于光束路径的光轴O以角度倾斜。光束602的主光线606在图2中标记为608的光瞳图像的位置处与光轴O相交。沿光轴O的有效表面12与光瞳图像608的位置之间的距离在图2中标记为z。有效表面12相对于光轴O倾斜，使得其表面法线相对于光轴O成角度图2还示出主光线606和垂直于有效表面12的线包围在它们之间的角度Θ，以及在入射到有效表面12上的主光线606和光轴O与有效表面12相交的点之间、沿着变化轴线V(参见图1)测量的距离x。
在这点上应该注意的是，图2的描绘是高度简化的。假定所讨论的光学***是由依次具有入射光瞳和出射光瞳的子***组装的。在显微镜的情况下，“光瞳”是指物镜的出射光瞳。
由于平行光束602以入射角Θ入射到有效表面12上，光束602的主光线606在距离光轴O的距离x处入射有效表面12。对于根据本发明的定位，应当是入射角Θ小于或等于角的情况。另一个前提条件是距离z大于0。
采用上面叙述的前提条件，距离x计算如下：
光束602的主光线606以变化的入射角Θ入射光谱选择性组件10的有效表面12上的不同点。因此光束602经历随着入射角而变化的边缘波长的滤光。然而，根据本发明，该效果被如下事实补偿，由于有效表面12上的光入射位置的变化，边缘波长偏移对应于由入射角Θ的变化引起的反向边缘波长偏移。这可以在数学上通过以下方程式描述：
在此情况应该是因为光谱选择性组件10的有效表面12被布置为与光轴O成其所设计的角度。
主光线606相对于光瞳图像608的位置处的光轴O的角度计算如下：
使用方程式(3)，方程式(1)可以被重写为：
从方程式(2)、(3)和(4)可以得出：
还存在具有满足以下条件的角度的主光线：
入射角色散DE和纵向色散DL具有不同的符号。因此，角度是主光线的角度，在该处由于入射位置的变化的边缘位置的偏移被入射角相关的边缘位置偏移补偿，并且同时在主光线的整个角度范围内，与期望的补偿的偏差是最小的。
对于所有主光线的角度至少应存在以下条件：
下面将导出入射角色散DE和方程式(4)的近似值(参见下面的方程式(9)和(10))。这些近似值针对具体的示例性实施例，但是导致根据本发明的方案的不同技术实现的其他近似也是可能的。目的是在所有情况下，由于入射位置的变化的边缘位置的偏移被入射角相关的边缘位置偏移所补偿，并且同时在主光线的整个角度范围内，补偿的偏差是全局最小的。
通过下面的方程式(Warren J.Smith:Modern Optical Engineering,thirdedition,McGraw-Hill,2000,page 208)能够描述被配置为用于垂直光入射的干涉滤光器中的随入射角的光谱边缘的变化：
其中θ0表示滤光器被设计的入射角，n是有效折射率。尽管严格来说方程式(8)仅对于θ0＝0°附近的角度是有效的，但是它也可以近似用于位于入射角θ0>0°附近的角度范围内的入射角，例如，在θ0＝45°附近的角度范围内。方程式(8)的导数：
结合常数通常描述边缘波长随着光在干涉滤光器上的入射角的变化，并且特别是根据本发明的光谱选择性组件10。
方程式(1)可以通过使用常数k的线性自适应函数来近似，例如通过泰勒展开，如下：
方程式(2)与方程式(9)和(10)一起得出：
方程式(11)的一个解由以下表达式表示：
其中λ0表示起始波长，即在x坐标的零点处的波长。
方程式(12)表示一个具体的技术实施例，其中光谱边缘沿着变化轴线V，即x方向上(参见图1)指数地变化。然而，对于光谱边缘，其他实施例也是可以想到的，例如具有线性或二次曲线，或者以另一种方式改变。
如图2所示，提供了一种驱动设备609，通过该驱动设备609，光谱选择性组件10可以在x方向上偏移，以便根据需要建立光入射到有效表面12上的位置，从而确定与位置相关的光谱特性。通过控制单元611控制驱动设备609。驱动设备609可以附加地以这样的方式实施，即其使得光谱选择性组件10在z方向上，即沿着光轴移动。
除了在距离光瞳图像608的距离z处布置光谱选择性组件10的能力之外，为了补偿由于入射角相关的边缘位置偏移引起的光入射位置的变化导致的边缘位置的偏移，所需的补偿也可以通过以下事实来实现：光谱选择性组件10如图3所示被定位在相对于物体图像608或与其共轭的平面(或者还相对于物体本身)的距离z'处。根据图2所示的距离z的计算来计算距离z'。在图3中，角度表示光轴O和垂直于有效表面12的线之间的角度。角度θ'表示相应光线相对于垂直于有效表面12的线的入射角。角度表示光束与光轴O所包围的角度。
根据图3的布置对各个物点或图像点产生非常好的补偿。在边缘宽度上几乎不会出现模糊。然而，在像场上的光谱特性中会发生变化，并且随着像场变大而增加。因此，根据图3的布置对于小的像场特别有利。
根据本发明的光学装置的各种实施例将在下面描述，每个包含一个或多个图1所示类型的光谱选择性组件。光谱选择性组件分别相对于根据图2和图3的相关光束路径的光轴以与光瞳图像的距离z或距物体图像的距离z'被布置在倾斜位置，或者它们在光瞳图像的位置处或者至少在其紧邻处相对于光轴以正交或几乎正交的方向布置。
图4示意性地描绘了代表根据本发明的光学装置的示例性实施例的显微镜400。显微镜400包括位于光束路径404中的物镜402。在光束路径404中传播的光406穿过由两个透镜408和410构成的透镜布置，在两个透镜408和410之间生成样品414的图像412。
此外，显微镜400还包含以分束器452形式的根据本发明的光谱选择性组件。分束器452以其有效表面相对于光束路径404的光轴O成45°的角度布置。分束器452的功能是将光406的第一光谱分量偏转到从光束路径404分出的子光束路径416中。光406的第二光谱分量(不同于第一光谱分量)通过分束器452透射。
图5示出了与根据图4的布置有关的光瞳成像光束路径。如图5所示，分束器452以这样的方式布置在光束路径404中，使得它与物镜402的光瞳420的图像418相距一定距离。优选根据方程式(7)建立与光瞳图像418的距离。图5中的光瞳成像光线被标记为403、405和407。
在根据图4和5的布置中，光谱选择性组件452具有分束器的功能，该分束器对来源于样品414的检测光进行光谱分割。然而，在所示的布置中，也可以使用光谱选择性组件452作为光束组合器，光束组合器通过反射和透射将从两个单独的光源发射的不同光谱成分的照明光汇集在光束路径404中。
图6示出了作为另一个示例性实施例的显微镜420。显微镜420包括具有光瞳424的物镜422。物镜422被布置在光束路径426中，其中照明光束路径428和检测光束路径430被放在一起。位于以共享方式用于照明和检测的光束路径426中的是由两个透镜432和434组成的透镜布置。在两个透镜432和434之间生成样品414的中间图像436。
显微镜420包括具有发射照明光442的光源440的照明单元438。同样位于照明单元438的照明光束路径428中的是由两个透镜444和446组成的透镜布置。孔径光阑448和场光阑450布置在两个透镜444和446之间。照明单元438还包括以一起形成带通滤光器的长通滤光器451和短通滤光器453的形式的两个光谱选择性组件。例如，该带通滤光器用于建立样品414被激发以期望的方式发出荧光的波长区域。长通滤光器451和短通滤光器453被布置为与照明光束路径428的光轴O正交。
显微镜420还具有以分束器452形式的根据本发明的另一光谱选择性组件。分束器452用于通过反射将从光源440发射的照明光耦合到共享光束路径426中。分束器452还用于通过透射将来源于样品414的检测光耦合到检测光束路径430中。
图6所示的布置因此包括三个光谱选择性组件，其被提供为长通滤光器448，短通滤光器450和分束器452。与照明光束路径428的光轴正交定向的两个滤光器448、450位于光源440的图像454的位置附近。另一方面，相对于光轴O倾斜设置的分光器452再次被布置在与根据方程式(7)优选计算的物镜光瞳424的图像相距一定距离处。
根据图6的布置允许实现其中光源440被成像到物镜422的光瞳424中的“入射”照明，如图6中由附图标记455所示。因此，分束器452位于距离光源440的图像的距离s'处，并且距物镜光瞳424的共轭距离为s。代替布置在距物镜光瞳424共轭的距离s处，分束器452也可以布置在距物镜光瞳424自身的距离s处。然而，上述相对于物镜光瞳424的共轭的定位具有优点。例如，一方面，物镜光瞳424通常位于物镜422内部或者至少非常靠近物镜422的肩部，由此使得难以将分束器452布置在物镜422的紧邻处。另一方面，物镜光瞳424的附加图像使得可以调整图像比例，使得靠近分束器452和在物镜光瞳424中的光源440的图像可以具有不同的尺寸，即可以以适合的方式被选择。
在根据图6的布置中，被实现为例如长通滤光器或短通滤光器的另外的光谱选择性组件也可以被引入到相应的光束路径中。因此，对光的进一步滤光可能是有用的，特别是对于激发光和检测光的更好的光谱分离。
图7示出了参照图6中描绘的实施例的显微镜460。与后一实施例相比，根据图7的显微镜460包括附加照明单元462。另外，在显微镜460中，分别对应于根据图6的布置的两个滤光器448和450的短通滤光器461和长通滤光器464存在于孔径光阑的位置处。
附加照明单元462包括光源465和由两个透镜466和468组成的透镜布置。孔径光阑470位于两个透镜466和468之间。以短通滤光器472和长通滤光器474的形式的两个光谱选择性组件被布置在孔径光阑470的位置处。附加照明单元462还包括场光阑467。
显微镜460具有以分束器476形式的另一光谱选择性组件。分束器476将从照明单元462的光源465发射的照明光478通过反射耦合到照明单元438的照明光束路径428中。在分束器476处反射的照明光478然后再次在分束器452处耦合到以共享方式用于照明和检测的光束路径中。
图8示出了作为另一个示例性实施例的显微镜480。该另一个示例性实施例涉及图6中的布置，其中省略了检测单元。
根据图8的显微镜480具有第一检测模块482和第二检测模块484。第一检测模块482包含由三个透镜486、488和490组成的透镜布置，物镜光瞳424的图像494在两个透镜486和488之间生成，而样品414的中间图像491在透镜488和490之间生成。以长通滤光器496和短通滤光器498形式的两个光谱选择性组件存在于光瞳图像494的位置处。
第二检测模块484具有检测器500和由三个透镜502、504和506构成的透镜布置。在透镜502和504之间生成物镜光瞳424的图像508。另一方面，样品414的中间图像510在两个透镜504和506之间生成。以长通滤光器512和短通滤光器514的形式的两个光谱选择性组件存在于光瞳图像508的位置处。
此外，显微镜480包含以分束器516形式的另一光谱选择性组件，其通过反射将通过物镜422的检测光的第一光谱分量输送到第一检测模块482，并通过透射将检测光452的第二光谱分量(不同于第一光谱分量)输送到第二检测模块484。此外，图8中的附图标记427指示照明光束路径并且同时指示光瞳成像光束路径。
在显微镜480中，两个分束器452和516分别被布置在光瞳图像518的前面和后面的一定距离处。该距离再次优选地根据方程式(7)来定义。
图9示出了作为另一个示例性实施例的显微镜520，照明光束路径在图9中被省略。如在图6中所示的布置中，所述光束路径可以以入射照明的形式耦合到以共享的方式用于照明和检测的光束路径中。然而，照明光束路径也可以不同地耦合到显微镜520中，例如以透射光显微镜、光片显微镜或激光扫描显微镜的方式。
根据图9的显微镜520具有第一检测器模块522和第二检测器模块524。第一检测器模块522包含检测器526、透镜528以及以长通滤光器530和短通滤光器534形式的两个光谱选择性组件。两个滤光器530、534布置在光瞳图像536的位置处。
第二检测器模块524包含检测器538、透镜540以及以长通滤光器542和短通滤光器544形式的两个光谱选择性组件。两个滤光器542和544布置在光瞳图像的位置处。
位于显微镜520的检测光束路径452中的是以分束器548形式的另一个光谱选择性组件，其通过反射将检测光的第一光谱分量输送到检测器模块522，并通过透射将与第一光谱分量不同的光谱分量输送到检测器模块524。
在根据图9的布置中，分束器548特别有利地位于其中布置有滤光器对530、532和542、544的光瞳图像534和546的上游(在光方面)。由于不需要进一步的光瞳成像，这使得可以实现特别紧凑的构造。
图10示出构成另一示例性实施例的显微镜550，该示例性实施例参考根据图9的布置。
与图9所示的布置不同，显微镜550的第一检测器模块522不具有其自己的检测器。为此，第一检测器模块522具有偏转镜552，其将从分束器548反射的检测光的光谱分量引导至第二检测器模块524的检测器538。检测器538具有两个单独的检测器部分，其被配置为彼此分开地捕获被分束器548光谱地彼此分离的检测光的分量。
图11示出了参考根据图9的布置的显微镜560。图11特别地示出了可能的样品照明的例子，即利用所谓的光片562。该光片562表示仅照射样品564内的薄层的照明光分布。在根据图11的示例性实施例中，参考其中所示的x-y-z坐标***，即垂直于在z方向上定向的检测光束路径的光轴O，在y方向上引入光片562。
图12通过示例示出了在具体的技术实施中如何生成光片562。根据图12的实施例包含发射照明光束568的激光光源566。照明光束568然后穿过光束扩散器570、准直透镜572和仅将照明光束568聚焦在z轴方向而不是x轴的方向的柱面透镜574。
下面将参考图13至21描述另外的示例性实施例，其中，根据本发明的光学装置是扫描显微镜，其中在检测光束路径中传播的光执行扫描运动。
图13纯示意性地示出了根据本发明的扫描显微镜20，其包含沿着照明光束路径26发射照明光束24的激发光源22。照明光束24通过透镜30被聚焦到激发针孔32。在穿过激发针孔32之后，另一透镜34将照明光束24引导到分束器36上，分束器36将照明光束24偏转到包含一个或多个可移动扫描镜40的扫描单元38上。借助于扫描单元38偏转成扫描运动的照明光束24通过扫描光学器件42和另外的透镜44入射到分束器46上。在通过分束器46之后，照明光束24行进到包括物镜光瞳50的物镜48中。最后，物镜48将照明光束24聚焦到样品52上。
照明光束24借助于扫描单元38被偏转，使得穿过物镜48的照明光束在样品52上执行扫描运动。由此通过照明光束24在样品52中生成荧光辐射，所述辐射以通过物镜48的检测光束54的形式被引导回到扫描显微镜20中。
在根据图13的实施例中，检测光束54被输送到图13中通常标记为56和58的两个单独的检测单元。在检测光束54已经被输送回扫描单元38上之后，检测单元56接收检测光束54。因此检测单元56构成“退扫描”单元。另一方面，检测单元58接收检测光束54，而检测光束54不受扫描单元38的影响。因此检测单元58表示“非退扫描”单元。
退扫描检测单元56包含透镜60，在所述检测光束已被扫描单元38偏转并被引导通过分束器36之后，透镜60将检测光束54聚焦到检测针孔62上。接收照明光束54的检测器64布置在检测针孔62的后面。在这个时候要注意的是，分束器46例如可以从光束路径中枢转出来或者对于荧光辐射是部分透射的。
在非退扫描检测单元58中存在通过分束器46从照明光束路径26分支的检测光束路径66。非退扫描检测单元58包含在中间图像平面68的任一侧上的各自的透镜70和72，样品52的中间图像在中间图像平面68中生成。分束器74在检测光束路径66中布置在透镜72后面，分束器74构成根据本发明的光谱选择性组件。分束器74将检测光束54分成两个子束76和78，这两个子束被输送到图2中通常标记为80和81的两个单独的检测模块。
检测模块80包括分别位于中间图像平面82的任一侧上的透镜84和透镜86，样品52的中间图像在中间图像平面82中生成。透镜86将检测光束54引导到检测器88上，检测滤光器90布置在检测器88的前面。
检测模块81相应地包括分别位于中间图像平面89的任一侧上的透镜92和透镜94，样品52的中间图像也在中间图像平面89中生成。透镜94将检测光束54引导到检测器95上。检测滤光器90布置在检测器95的前面。
要注意的是，在根据图13的布置中，分束器36、46和74各自都体现二向色性，并且根据波长分别反射入射到其上的光或允许其通过。分束器36因此具有反射照明光束24的波长区域中的光并且允许检测光束54的波长区域中的光通过的性质。分束器46相应地反射检测光束54的波长区域中的光，同时允许照明光束24的波长区域中的光通过。分束器74反过来允许检测光束54的一部分通过，同时它反射剩余的部分。
此外要注意的是，在图13的描绘中，照明光束24和检测光束54部分地彼此重叠。分束器46和样品52之间的光束路径因此在某种程度上构成了光束24和54的共享光束路径。
在根据图13的具体实施例中，检测滤光器90和96各自构成图1中所示类型的光谱选择性组件。在图1中指示光谱选择性组件的附图标记10因此分别被添加到图13中的检测滤光器90和96之后的括号中。
在根据图13的具体实施例中，检测滤光器90和96以这样的方式布置在检测光束路径66内，使得它们各自存在于物镜光瞳50的图像的位置处。检测滤光器90和96的这种布置具有的优点是：各自的检测滤光器90和96的有效表面12上的光入射位置保持恒定。因此不会发生依赖于光入射位置的边缘位置偏移。
尤其对于由扫描单元38生成的照明光束24的扫描运动以及由此在光瞳图像的位置处的检测光束54的相应的倾斜运动相对较小的情况，结果也仅仅是光谱边缘的小角度相关的偏移。因此根据图13的实施例代表了对于不太大的扫描角度的有利的方案。
图14和15示出了图13中描绘的扫描显微镜20的变型实施例，其中通过由光谱选择性组件10上的光入射位置的变化引起的相反方向边缘位置偏移来应用对角度相关的边缘位置偏移的补偿。在图14和15中，对应于根据图13的实施例中使用的组件的那些组件利用在图13中已经使用的附图标记来标记。此外，图14仅描绘了作为非退扫描检测单元58的一部分或与其直接相互作用的那些组件。对于下面参考图15至21描述的所有其他示例性实施例也是如此。
与根据图13的实施例不同，图14所描绘的实施例在两个检测器88和95的前面包含由相应的长通滤光器110和112以及相应的短通滤光器114和116构成的相应滤光器对。因此，两个滤光器对各自构成带通滤光器，带通滤光器具有可彼此独立地可变地调节的两个光谱边缘。滤光器110、112、114和116中的每一个都如图2和3所示倾斜地设置，以实现作为入射角的函数的期望的单调边缘位置偏移。
根据图14的布置还包含分束器118，其与滤光器110、112、114和116一样表示图1所示类型的光谱选择分量。分束器118以其有效表面相对于检测光束路径66的光轴成45°的角度布置。
此外，根据图14的布置还包括布置在透镜70的前面的检测光束路径66中的阻挡滤光器120。阻挡滤光器120用于阻挡在样品52处反射的激发光，激发光的强度是所检测到的荧光的强度的几倍。
图15示出了与根据图14的布置有关的光瞳成像光束路径。物镜光瞳50的相应图像所在的检测光束路径66内的那些位置在根据图15的描述中是清楚的，并在图15中标记为121、122和124。分束器118按照上述方程式(7)预先确定的距离布置在光瞳图像的位置121的后面。对于由滤光器110和114组成的滤光器对以及由滤光器112和116组成的滤光器对，情况也是如此，滤光器110、112各自布置在光瞳图像的位置的前面，滤光器114、116各自被布置在光瞳图像的位置的后面。滤光器110和114距光瞳图像的位置的距离在大小上是相同的。滤光器对112、116也是如此。
图16描绘了对应于图15的对于变型实施例的光瞳成像，其中，滤光器110、112、114和116没有倾斜地设置，而是与检测光束路径66的光轴成直角地对准。在该实施例中，不同于根据图16的纯示意性描绘，滤光器110、112、114和116实际上在光瞳图像的相应位置处相应地布置。
图17和18示出了另一个实施例，与根据图14和15的实施例相比，其包含具有附加的检测器152的另一检测模块115。另外的透镜154、156、158和160相应地设置在检测光束路径66中。检测光束路径66还包含另一分束器162以及长通滤光器164和短通滤光器166，它们被布置在检测器152的前面并且组合构成带通滤光器。附加的中间图像平面在图17中标记为168和170，样品52的相应中间图像在附加的中间图像平面中生成。从根据图18的光瞳成像的描述中也可以明显看出光瞳图像的附加位置173、174、176和178。
图19示出了关于图17和18中所示的布置进行修改的实施例，其中，检测模块115被检测模块180代替。检测模块180包括检测器182，在检测器182前面布置有组合构成带通滤光器的长通滤光器184和短通滤光器186。检测模块180还包含在中间图像平面188的任一侧上的两个相应的另外的透镜190和192，样品52的图像在中间图像平面188中生成。
除了分束器118之外，在该实施例中，检测光束路径66包含图1所示类型的另一分束器194。两个分束器118和194分别被布置在光瞳图像的位置121根据方程式(7)定义的相同距离处的前面和后面。这使得可以实现特别紧凑的结构，因为与根据图17和图18的实施例相比，光学元件的数量可以减少。
图20示出了扫描显微镜20的另一个实施例，其参考根据图19的构造。
根据图20的实施例包含非退扫描的检测单元58，其包含总共四个检测模块，即检测模块80以及三个另外的检测模块210、221和228。借助分束器级联在光谱上分离的检测光束54以下面描述的方式被输送到检测模块80、210、221和228。该分束器级联由分束器118以及另外的分束器203和214组成。检测光束路径66中的光谱选择分束器118、203和214以其各自的有效表面相对于检测光束路径66的光轴成45°角布置。分束器118、203和214也各自以根据条件(7)预先确定的距离布置在物镜光瞳50的图像的位置的后面。
根据图20的实施例考虑到以下情况：分束器118、203和214分别反射检测光束54的参考光谱边缘的比它们透射更大的光谱区域。根据图20的实施例因此通过在分束器118、203和214处的反射来提供检测模块80、210、221和228的级联。该实施例还考虑以下情况，检测模块80、210、221和228中的每一个可以最大限度地向其输送仅检测光束54的光谱分量，其不被相应的其他检测模块检测到。因此，根据图20的实施例不仅通过分束器反射而且还通过由检测模块80、210、221和228检测到的光谱分量的波长来提供级联。刚刚提到的级联从最长的波长到较短的波长完成。
具体而言，分束器118将检测光中具有最长波长的检测光束54的光谱分量透射到检测模块80。这个长波光谱分量因此在通过透镜84、86和由长通滤光器110和短通滤光器114组成的倾斜定位的滤光器对之后到达检测器88。检测光的剩余光谱分量在分束器118处被反射通过透镜201、202到达分束器203。分束器203将输送至它的检测光中具有最长波长的光谱分量透射到检测模块210中。在通过透镜204、206和由长通滤光器207和短通滤光器208构成的倾斜定位的滤光器对之后，通过分束器203透射的检测光的光谱分量到达检测器209。检测光的剩余光谱分量由分束器203通过反射经由透镜211、213输送到分束器214。
分光器214将输送至其的检测光中具有最长波长的光谱分量透射到检测模块221中。在通过透镜215、217和由长通滤光器218和短通滤光器219组成的倾斜定位的滤光器对之后，该透射光谱分量到达检测器220。分束器214反射输送至其的检测光的剩余光谱分量，以使得该光谱分量在通过透镜222、224和由长通滤光器225和短通滤光器226组成的倾斜定位的滤光器对之后到达检测器227。
在根据图20的布置中，附图标记201、205、212、216和223表示生成样品52的中间图像的位置。
因此根据图20的布置提供了，检测光束54在其到检测器88、209、220和227的路径上在分束器118、203和214的每一个处仅经历一次透射。这在光输出方面是有利的，因为分束器118、203和214的反射率值高于它们的透射率值。
图21示出了其中提供分束器对251、252和254、255的实施例，其分束器具有不同的色散并且因此与图21中标记为253的光瞳图像位置相距不同的距离。
根据图21的实施例包括总共五个检测模块286、287、288、289和290。这些检测模块中的每一个包含两个透镜263、265、269、271、256、282、275、277、257、259以及由长通滤光器266、272、283、278、260和短通滤光器267、273、284、279、261组成的倾斜定位的滤光器对，以及检测器268、274、285、280、262。
如上所述，由于它们不同的色散，两个分束器251、252可以布置在与光瞳图像的位置251相距不同的距离处。在紧凑的布置中，多个分束器因此可以布置在光瞳图像的位置251的前面。这同样适用于位于位置251的另一侧的两个分束器254、255后面的位置。
总之，为了完整起见，还应该注意的是，在上述检测布置中，除了分束器46和滤光器120之外，所有的分束器和滤光器，即边缘滤光器、长通滤光器、和短通滤光器构成了根据本发明的类型的光谱选择性组件。
图22和23示出了根据本发明的光谱选择性组件的具体技术实现的两个示例性实施例。
在根据图22的示例性实施例中，光谱选择性组件被实施为多层法布里-珀罗滤光器700。法布里-珀罗滤光器700相应地包括载体基板702，第一反射结构704、斜面或楔形空间填充层706、以及相对于第一反射结构704倾斜设置的第二反射结构708按照从载体基板观察的顺序以平面平行布置的方式布置在该载体基板702上。第一反射结构704和第二反射结构708均具有其中交替不同材料的电介质层彼此堆叠的多层构造。可以使用两种材料，例如其中一种具有相对高的折射率，另一种具有相对低的折射率。在图22中，直接堆叠在彼此上的两层不同材料分别标记为710和712。
图23示出了以多层干涉滤光器800形式的光谱选择性组件的示例性配置。干涉滤光器800包括载体基板802和交替不同材料的多个斜面或楔形介电层的堆叠。
这些层中的两个在图23中分别标记为804和806。这些介电层804和806的材料例如以这样的方式选择，即这些材料中的一种具有相对较高的折射率，而另一种具有相对较低的折射率。

Claims (24)

1.一种光学装置，其具有光学***和至少一个光谱选择性组件，所述至少一个光谱选择性组件布置在光束路径中，用于光谱地影响沿所述光束路径传播的光，
所述光谱选择性组件包括有效表面，所述有效表面具有至少一个光谱边缘，所述至少一个光谱边缘随着所述光在所述有效表面上的入射位置而变化，
其中所述光谱选择性组件的有效表面布置在所述光束路径中的一点上，在所述点处，由所述光入射到所述有效表面上的入射角的变化引起的所述有效表面的光谱边缘的变化，至少部分地由所述光入射到所述有效表面上的位置的变化引起的所述有效表面的光谱边缘的相反方向的变化来补偿；或者
其中所述有效表面在所述光学***的光瞳的图像的位置处被布置在所述光束路径中。
2.一种用于宽视场显微镜的光学装置，其具有光学***和至少一个光谱选择性组件，所述至少一个光谱选择性组件布置在光束路径中，用于光谱地影响沿所述光束路径传播的光，
所述光谱选择性组件包括有效表面，所述有效表面具有至少一个光谱边缘，所述至少一个光谱边缘随着所述光在所述有效表面上的入射位置而变化，
其中所述光谱选择性组件的有效表面布置在所述光束路径中的一点上，在所述点处，由所述光入射到所述有效表面上的入射角的变化引起的所述有效表面的光谱边缘的变化，至少部分地由所述光入射到所述有效表面上的位置的变化引起的所述有效表面的光谱边缘的相反方向的变化来补偿；或者
其中所述有效表面在所述光学***的光瞳的图像的位置处被布置在所述光束路径中。
3.根据权利要求2所述的光学装置，其中，所述光学装置是宽视场显微镜，优选地为荧光显微镜、明视场显微镜、具有或不具有斜面照明的光片显微镜、宽视场多光子显微镜、暗视场显微镜、相差显微镜或微分干涉差显微镜的形式。
4.一种光学装置，其具有光学***和至少一个光谱选择性组件，所述至少一个光谱选择性组件布置在光束路径中，用于光谱地影响沿所述光束路径传播的光以用于样品照射，
所述光谱选择性组件包括有效表面，所述有效表面具有至少一个光谱边缘，所述至少一个光谱边缘随着所述光在所述有效表面上的入射位置而变化，
其中所述光谱选择性组件的有效表面布置在所述光束路径中的一点上，在所述点处，由所述光入射到所述有效表面上的入射角的变化引起的所述有效表面的光谱边缘的变化，至少部分地由所述光入射到所述有效表面上的位置的变化引起的所述有效表面的光谱边缘的相反方向的变化来补偿；或者
其中所述有效表面在所述光学***的光瞳的图像的位置处被布置在所述光束路径中。
5.一种光学装置，其具有光学***并具有至少一个光谱选择性组件，所述至少一个光谱选择性组件布置在光束路径中，用于光谱地影响沿所述光束路径传播的光，
所述光谱选择性组件由多层结构构成，所述多层结构限定了具有至少一个光谱边缘的有效表面，所述至少一个光谱边缘随着所述光在所述有效表面上的入射位置而变化，
其中所述光谱选择性组件的有效表面布置在所述光束路径中的一点上，在所述点处，由所述光入射到所述有效表面上的入射角的变化引起的所述有效表面的光谱边缘的变化，至少部分地由所述光入射到所述有效表面上的位置的变化引起的所述有效表面的光谱边缘的相反方向的变化来补偿；或者
其中所述光谱选择性组件的有效表面在所述光学***的光瞳的图像的位置处被布置在所述光束路径中。
6.根据权利要求5所述的光学装置，其中，所述多层结构构成法布里-珀罗布置。
7.一种光学装置，其具有光学***和至少一个分束器，所述至少一个分束器用于将照明光束路径和检测光束路径组合成布置有所述光学***的一个共享光束路径，
所述分束器是用于光谱地影响沿着所述照明光束路径和沿着所述检测光束路径传播的光的光谱选择性组件，
其中所述光谱选择性组件包括至少一个有效表面，所述至少一个有效表面具有至少一个光谱边缘，所述至少一个光谱边缘随着所述光在所述有效表面上的入射位置而变化；
其中所述光谱选择性组件的有效表面布置在共享光束路径中的一点上，在所述点处，由所述光入射到所述有效表面上的入射角的变化引起的所述有效表面的光谱边缘的变化，至少部分地由所述光入射到所述有效表面上的位置的变化引起的所述有效表面的光谱边缘的相反方向的变化来补偿；或者
其中所述光谱选择性组件的有效表面在所述光学***的光瞳的图像的位置处被布置在所述共享光束路径中。
8.一种光学装置，其具有光学***和至少一个光谱选择性组件，所述至少一个光谱选择性组件布置在光束路径中，用于光谱地影响沿所述光束路径传播的光，所述光束路径不是显微镜的非退扫描的检测光束路径，
所述光谱选择性组件包括至少一个有效表面，所述至少一个有效表面具有光谱边缘，所述光谱边缘随着所述光在所述有效表面上的入射位置而变化，
其中所述光谱选择性组件的有效表面布置在所述光束路径中的一点上，在所述点处，由所述光入射到所述有效表面上的入射角的变化引起的所述有效表面的光谱边缘的变化，至少部分地由所述光入射到所述有效表面上的位置的变化引起的所述有效表面的光谱边缘的相反方向的变化来补偿；或者
其中所述光谱选择性组件的有效表面在所述光学***的光瞳的图像的位置处被布置在所述光束路径中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中所述光谱选择性组件的所述有效表面布置在所述光束路径中，以使得其表面法线相对于所述光束路径的光轴以预定角度倾斜；以及其中所述有效表面沿着所述光束路径的光轴相对于作为所述光的入射角的变化的函数而预先确定的所述光瞳的图像的位置处于一定距离处。
10.根据权利要求9所述的光学装置，其中，所述距离z以满足以下条件的方式预先确定：
其中，
DE表示入射色散，其指示作为所述光入射到所述有效表面上的入射角的函数的所述光谱边缘的变化；
DL表示纵向色散，其指示作为所述光入射到所述有效表面上的位置的函数的所述光谱边缘的变化；
表示在所述光瞳的图像的位置处所述光的主光线和所述光束路径的光轴之间的角度，其不等于零；以及
表示垂直于所述有效表面的线相对于所述光束路径的光轴倾斜的预定角度。
11.根据权利要求9或10所述的光学装置，其中，垂直于所述有效表面的线相对于所述光束路径的光轴倾斜的所述预定角度小于或等于65°。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中所述光谱选择性组件的有效表面的光谱边缘随着所述光的入射位置单调地变化。
13.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其特征在于驱动***，用于以使得所述光在所述有效表面上的入射位置是可调整的方式使所述光束路径中的所述光谱选择性组件移位。
14.根据权利要求13所述的光学装置，其中，所述光谱选择性组件借助于所述驱动***沿着变化轴线而被移位，所述有效表面的所述光谱边缘沿着所述变化轴线而变化。
15.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中，布置有所述至少一个光谱选择性组件的光束路径由照明光束路径或检测光束路径组成，或者由所述照明光束路径和所述检测光束路径共享的光束路径段组成。
16.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中，所述至少一个光谱选择性组件包括至少一个分束器和/或至少一个边缘滤光器。
17.根据权利要求16所述的光学装置，其中，所述至少一个边缘滤光器包括至少一个短通滤光器、至少一个长通滤光器和/或至少一个带通滤光器。
18.根据权利要求17所述的光学装置，其中，所述带通滤光器由沿着所述光束路径的所述光轴一个接一个地布置的短通滤光器和长通滤光器组成。
19.根据权利要求16所述的光学装置，其特征在于至少第一和第二检测模块，所述分束器通过以光谱分离的方式反射至所述第一检测模块并透射至所述第二检测模块来输送所述光。
20.根据权利要求19所述的光学装置，其特征在于由所述两个检测模块以共享的方式使用并具有两个检测器段的检测器，其中一个检测器段捕获由所述分束器反射的光而另一个检测器段捕获通过所述分束器透射的光。
21.根据权利要求16所述的光学装置，其中，所述至少一个分束器包括至少两个分束器，其中一个分束器布置在所述光瞳的图像的前面的光束路径中，另一个分束器布置在所述光瞳的图像的后面。
22.根据权利要求21所述的光学装置，其特征在于至少三个检测模块，所述至少两个分束器构成分束器级联，所述分束器级联的第一分束器通过透射至第一检测模块并通过反射至所述分束器级联的第二分束器来以光谱分离的方式输送所述光，所述第二分束器之后通过透射至所述检测模块的第二检测模块并经由另一分束器直接或间接反射至所述检测模块的第三检测模块来输送由所述第一分束器反射的光。
23.根据权利要求16所述的光学装置，其中所述至少一个分束器包括布置在所述光束路径中的至少两个分束器，所述至少两个分束器都在所述光瞳的图像的前面或者都在所述光瞳的图像的后面。
24.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中，所述光学***是成像光学器件，特别是物镜。
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