DE102014113716B4

DE102014113716B4 - Vorrichtung zum getrennten Modulieren der Wellenfronten von zwei Komponenten eines Lichtstrahls und Rasterfluoreszenzlichtmikroskop

Info

Publication number: DE102014113716B4
Application number: DE102014113716.7A
Authority: DE
Inventors: Gerald Donnert; Matthias Reuss; Andreas SCHÖNLE; Lars KASTRUP; Benjamin Harke
Original assignee: Abberior Instruments GmbH
Current assignee: Abberior Instruments GmbH
Priority date: 2014-09-23
Filing date: 2014-09-23
Publication date: 2021-11-11
Anticipated expiration: 2034-09-24
Also published as: DE102014113716A1; DE202015105046U1

Abstract

Vorrichtung (1) zum getrennten Modulieren der Wellenfronten von zwei in zueinander orthogonalen transversalen Polarisationsrichtungen (9, 10) polarisierten Komponenten (21, 22) eines in Richtung einer optischen Achse (7) einfallenden kollimierten Lichtstrahls (8),- wobei ein erstes polarisationsselektives optisches Element (13) auf der optischen Achse (7) angeordnet ist, das selektiv die Wellenfronten der ersten Komponente (21) moduliert, und- wobei hinter dem ersten optischen Element (13) ein zweites polarisationsselektives optisches Element (14) auf der optischen Achse (7) angeordnet ist, das selektiv die Wellenfronten der zweiten Komponente (22) moduliert, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (13), das zweite optische Element (14) und alle gegebenenfalls dazwischen auf der optischen Achse (7) angeordneten optischen Elemente die beiden Komponenten (21, 22) des Lichtstrahls (8) als parallele Strahlenbündel erhalten.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum getrennten Modulieren der Wellenfronten von zwei in zueinander orthogonalen transversalen Polarisationsrichtung polarisierten Komponenten eines in Richtung einer optischen Achse einfallenden kollimierten Lichtstrahls.
Bei dem kollimierten Lichtstrahl, der auch als paralleles Strahlenbündel bezeichnet werden kann, kann es sich insbesondere um einen Laserstrahl handeln.
Verwendet werden kann die Vorrichtung z. B. in einem Rasterfluoreszenzlichtmikroskop, um Fluoreszenzverhinderungslicht, mit dem die räumliche Auflösung verbessert wird, vor dem gemeinsamen Fokussieren zusammen mit Anregungslicht durch ein Objektiv so vorzubereiten oder zu formen, dass sich um den Brennpunkt des Objektivs, an dem das Anregungslicht seine maximale Intensität und die Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts eine Nullstelle aufweist, Maxima der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts ausbilden, die seine Nullstelle in allen drei Raumrichtungen begrenzen. Dies ist Voraussetzung dafür, dass mit dem Fluoreszenzverhinderungslicht die räumliche Auflösung des Rasterfluoreszenzlichtmikroskops in allen drei Raumrichtungen vergrößert wird, weil mit dem Anregungslicht angeregtes Fluoreszenzlicht nur noch aus dem Bereich der Nullstelle des Fluoreszenzverhinderungslichts kommen kann. Konkret kann es sich bei dem Rasterfluoreszenzlichtmikroskop um ein sogenanntes STED-Mikroskop oder ein anderes RESOLFT-Mikroskop handeln.
STAND DER TECHNIK
Eine Vorrichtung zum getrennten Modulieren der Wellenfronten von zwei in zueinander orthogonalen transversalen Polarisationsrichtungen polarisierten Komponenten eines in Richtung einer optischen Achse einfallenden kollimierten Laserstrahls, die die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist, ist aus Lenz, Martin O. et al. „3-D stimulated emission depletion microscopy with programmable aberration correction", J. Biophotonics 7, No. 1-2, 29-36 (2014), bekannt. Hier wird in einem STED-Mikroskop Fluoreszenzverhinderungslicht als kollimierter Lichtstrahl mit zwei in zueinander orthogonalen transversalen Polarisationsrichtungen polarisierten Komponenten zunächst auf einen ersten Teilbereich eines Spatial Light Modulators gerichtet, um die Wellenfronten der ersten Komponente des Lichtstrahls so zu modulieren, dass sich um den Brennpunkt eines nachgeschalteten Objektivs eine Donut-förmige Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts ergibt. Dabei wird der Spatial Light Modulator in einer außerachsigen holographischen Konfiguration verwendet, und das von dem Spatial Light Modulator nur reflektierte Fluoreszenzverhinderungslicht wird von dem gebeugten Strahl erster Ordnung getrennt. Der Lichtstrahl aus der ersten Komponente mit den modulierten Phasenfronten und der zweiten Komponente mit den noch nicht modulierten Phasenfronten wird dann mit einem Spiegel auf einen zweiten Teilbereich des Spatial Light Modulators zurückreflektiert. Dabei ist zwischen dem Spatial Light Modulator und dem Spiegel eine λ/4-Platte angeordnet, die die Polarisationsrichtungen beider Komponenten bei ihrem zweimaligen Durchlauf um 90° dreht, so dass jetzt die zweite Komponente des Lichtstrahls die erste Polarisationsrichtung des Spatial Light Modulators aufweist, für die er aktiv ist. Weiterhin ist zwischen dem Spatial Light Modulator und dem Spiegel eine Optik angeordnet, die über den Spiegel hinweg den ersten Bereich des Spatial Light Modulators auf den zweiten Teilbereich des Spatial Light Modulators abbildet. Auf diese Weise wird eine Ablenkung der von dem ersten Teilbereich des Spatial Light Modulators bezüglich ihrer Wellenfronten modulierten ersten Komponente von der zweiten Komponente ausgeglichen, so dass sich beide Komponenten des Lichtstrahls in dem zweiten Teilbereich des Spatial Light Modulators vollständig überdecken. Auf diese Weise wird mit der Optik auch ein seitlicher Versatz zwischen den beiden Komponenten des Lichtstrahls verhindert, nachdem von dem zweiten Teilbereich des Spatial Light Modulators die zweite Komponente beim Modulieren ihrer Wellenfronten gegenüber der ersten Komponente ausgelenkt wurde. Von dem zweiten Teilbereich des Spatial Light Modulators werden die Wellenfronten der zweiten Komponente des Lichtstrahls konkret so moduliert, dass sich in der z-Richtung der optische Achse des nachgeschalteten Objektivs vor und hinter dessen Brennpunkt Intensitätsmaxima des Fluoreszenzverhinderungslichts ausbilden, die zusammen mit der Donut-förmigen Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts der ersten Komponente die Nullstelle des Fluoreszenzverhinderungslichts am Brennpunkt des Objektivs allseitig eingrenzen. Der Vorrichtung, mit der die Wellenfronten der beiden Komponenten des Lichtstrahls aus dem Fluoreszenzverhinderungslicht getrennt moduliert werden, ist eine Lichtleiterfaser vorgeschaltet, die die eine Komponente des Fluoreszenzverhinderungslichts mit der einen Polarisationsrichtung gegenüber der anderen Komponente mit der anderen Polarisationsrichtung um mehr als die Kohärenzlänge des Fluoreszenzverhinderungslichts verzögert, so dass die beiden Komponenten des Fluoreszenzverhinderungslichts bei ihrer Fokussierung durch das Objektiv nicht miteinander wechselwirken, auch wenn Sie vorher beide zirkular polarisiert werden.
Die von Lenz et al. beschriebene Vorrichtung ist in ein vorhandenes Rasterfluoreszenzlichtmikroskop nicht ohne weiteres integrierbar, da sie deutlich größere Abmessungen als die Brennweite der dem Spatial Light Modulator zugeordneten Optik von typischerweise 20 cm aufweist. Darüber hinaus wird der Spiegel, der den Lichtstrahl zwischen den beiden Bereichen des Spatial Light Modulators reflektiert, von dem durch die Optik fokussierten Lichtstrahl nur in einem Punkt getroffen. Dies führt bei Fluoreszenzverhinderungslicht hoher Leistung zu sehr hohen Lichtintensitäten, die den Spiegel schädigen können; zudem ist die Funktion der bekannten Vorrichtung sehr empfindlich gegenüber Verunreinigungen des Spiegels in dem Auftreffpunkt des fokussierten Lichtstrahls.
Die DE 10 2007 025 688 A1 offenbart einen optischen Aufbau mit einem Objektiv zum Projizieren von zwei optisch unterschiedlichen Lichtkomponenten in einem Projektionsraum und mit einem optischen Bauteil, das hindurchtretende Wellenfronten der einen Lichtkomponente so deformiert, dass sich die Intensitätsverteilung der einen Lichtkomponente in dem Projektionsraum durch Interferenz mit sich selbst von der Intensitätsverteilung der anderen Lichtkomponente in dem Projektionsraum unterscheidet. Dabei treten die Wellenfronten der anderen Lichtkomponente ebenso wie die Wellenfronten der einen Lichtkomponente durch das optische Bauteil hindurch, das aber die optischen Wellenfronten der anderen Lichtkomponente nicht deformiert oder zumindest für die andere Lichtkomponente phasenkorrigiert oder phasenkorrigierbar ist. Die beiden Lichtkomponenten können sich in ihrer Polarisation unterscheiden, wobei das optische Bauteil dann doppelbrechende optische Eigenschaften aufweist. Konkret kann das optische Bauteil ein Spatial Light Modulator sein, mit dem die Form von Wellenfronten einer axial polarisierten Lichtkomponente in weiten Grenzen gestaltet werden kann, während er die Wellenfronten von Licht anderer Polarisierung unverändert lässt.
Aus der WO 2010/133678 A1 ist ein Fluoreszenzlichtrastermikroskop mit einer doppelbrechenden chromatischen Vorrichtung zur Strahlformung bekannt. Das Mikroskop weist eine Lichtquelle für Anregungslicht und Fluoreszenzverhinderungslicht auf, wobei das Anregungslicht und das Fluoreszenzverhinderungslicht als Komponenten eines kollimierten Lichtstrahls vorliegen, sich aber in der Wellenlänge unterscheiden. Die doppelbrechende chromatische Vorrichtung moduliert die Polarisationsverteilung über den Querschnitt des Lichtstrahls unterschiedlich für das Anregungslicht und für das Fluoreszenzverhinderungslicht, so dass das Anregungslicht am Brennpunkt eines nachgeschalteten Objektivs ein Intensitätsmaximum und das Fluoreszenzverhinderungslicht am Brennpunkt des Objektiv eine Nullstelle aufweist, die von Intensitätsmaxima des Fluoreszenzverhinderungslicht umgeben ist.
Aus Muro, Mikio und Takatani, Yoshiaki „Optical rotatory-dispersion-type spatial light modulator and characteristics of the modulated light", Applied Optics, Vol. 44, No. 19, 3992-3999, ist es bekannt, einen chromatischen optischen Polarisationsrotator einem in Transmission betriebenen Spatial Light Modulator vorzuschalten. Von dem Polarisationsrotator wird selektiv eine Komponente eines zwei Komponenten unterschiedlicher Wellenlängen aufweisenden linear polarisierten Lichtstrahls so verdreht, dass sie die erste Polarisationsrichtung aufweist, für die der Spatial Light Modulator aktiv ist. So kann in einem STED-Mikroskop selektiv das Fluoreszenzverhinderungslicht bezüglich seiner Wellenfronten moduliert werden, um am Brennpunkt eines Objektivs eine Nullstelle auszubilden, die von beispielsweise einer ringförmigen Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts umgeben ist, während das Anregungslicht ohne Modulation seiner Phasenfronten durch den Spatial Light Modulator hindurchtritt und deshalb von dem Objektiv so fokussiert wird, dass es in dessen Brennpunkt sein Intensitätsmaximum aufweist. Diese bekannte Vorrichtung ist nur zum Ausbilden einer Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts geeignet, die die Nullstelle der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts in zwei Raumrichtungen eingrenzt, nicht jedoch auch in der dritten Raumrichtung.
Aus der US 2011/0096292 A1 ist eine Vorrichtung zum Modulieren von Wellenfronten eines Lichtstrahls zur Korrektur von Aberrationen bekannt, wobei der Lichtstrahl zwei Komponenten mit zueinander orthogonalen transversalen Polarisationsrichtungen aufweist. Die Vorrichtung umfasst einen Spatial Light Modulator, der zunächst die Wellenfronten der in der einen Richtung polarisierten Komponente moduliert. Der Lichtstrahl wird dann mit einem optischen System so unter Drehung der Polarisationsrichtungen mit Hilfe einer Phasenplatte zurück auf den Spatial Light Modulator abgebildet, dass jeder Teil der Wellenfronten wieder auf denselben Teil des Spatial Light Modulators auftrifft und dabei die Wellenfronten der Komponente mit der anderen Polarisationsrichtung moduliert werden.
Aus der US 2005/0213181 A1 ist es bekannt, einen Verschluss zum präzisen Steuern einer Beleuchtungsdauer und von Abfolgen von Beleuchtungssequenzen mit Hilfe von zwei hintereinander geschalteten Spatial Light Modulatoren auszubilden. Jeder der Spatial Light Modulatoren weist ein Array von hoch reflektierenden Spiegeln auf, die schaltbar sind, um einfallendes Licht wechselweise in eine von zwei Richtungen zu reflektieren. Eine der beiden Richtungen ist dabei die Richtung des Lichts durch den Verschluss. Die Trennung zwischen den beiden Richtungen erfolgt bei jedem der beiden Spatial Light Modulatoren in einem Kontrastverhältnis von 1 zu 1.000, d. h. ein kleiner Anteil des Lichts wird jeweils in die nicht ausgewählte Richtung reflektiert. Indem die beiden Spatial Light Modulatoren hintereinander angeordnet und synchron geschaltet werden, reduziert sich die trotz geschlossenem Verschluss durchgelassene Menge an Licht und damit das Kontrastverhältnis auf 1 zu 1.000.000. Konstruktiv wird dieses Konzept dadurch umgesetzt, dass das Licht nacheinander tatsächlich auf zwei getrennte Spatial Light Modulatoren oder unter Zwischenschaltung eines oder mehrerer Spiegel auf zwei Teilbereiche eines einzigen Spatial Light Modulators gerichtet wird. Der bekannte Verschluss ist in seiner Funktion ausdrücklich nicht von der Polarisation des von ihm abhängig von seiner Ansteuerung selektiv durchgelassenen Lichts abhängig.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum getrennten Modulieren der Wellenfronten von zwei in zueinander orthogonalen transversalen Polarisationsrichtungen polarisierten Komponenten eines in Richtung einer optischen Achse einfallenden kollimierten Lichtstrahls aufzuzeigen, die so kompakt ausführbar ist, dass sie in vorhandene Rasterfluoreszenzlichtmikroskope integriert werden kann, um in diesen mit hoher Funktionssicherheit eine Intensitätsverteilung von Fluoreszenzverhinderungslicht auszubilden, die eine Nullstelle am Brennpunkt eines Objektivs des Rasterfluoreszenzlichtmikroskops in allen drei Raumrichtungen mit Maxima des Fluoreszenzverhinderungslichts begrenzt.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 12 sind auf bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gerichtet. Die Patentansprüche 13 bis 15 betreffen ein Rasterfluoreszenzlichtmikroskop mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum getrennten Modulieren der Wellenfronten von zwei in zueinander orthogonalen transversalen Polarisationsrichtungen polarisierten Komponenten eines in Richtung einer optischen Achse einfallenden kollimierten Lichtstrahls, bei der ein erstes polarisationsselektives optisches Element auf der optischen Achse angeordnet ist, das selektiv die Wellenfronten der ersten Komponente moduliert, und bei der hinter dem ersten optischen Element ein zweites polarisationsselektives optisches Element auf der optischen Achse angeordnet ist, das selektiv die Wellenfronten der zweiten Komponente moduliert, erhalten das erste optische Element, das zweite optische Element und alle ggf. dazwischen auf der optischen Achse angeordneten optischen Elemente die beiden Komponenten des Lichtstrahls als parallele Strahlenbündel. Anders gesagt wird keine Komponente des Lichtstrahls zwischen den beiden polarisationsselektiven optischen Elementen fokussiert.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird hingenommen, dass die polarisationsselektiven optischen Elemente, wenn sie selektiv die Wellenfronten einer der beiden Komponenten des Lichtstrahls modulieren, die Richtung dieser Komponente gegenüber der anderen Komponente verändern können. Insbesondere wird auf jedwede abbildende Optik zwischen den beiden polarisationsselektiven optischen Elementen verzichtet. Dies ermöglicht es, die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr kompakt, d. h. mit geringem Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten polarisationsselektiven optischen Element und entsprechend geringen Gesamtabmessungen auszuführen. Umgekehrt resultiert aus einem geringen Abstand der beiden polarisationsselektiven optischen Elemente, dass sich aufgrund einer Ablenkung der ersten Komponente gegenüber der zweiten Komponente durch das erste optische Element bis zu dem zweiten optischen Element kein großer lateraler Abstand zwischen den beiden Komponenten des Lichtstrahls ausbilden kann. Wenn dann das zweite optische Element die von ihm bezüglich ihrer Wellenfronten modulierte zweite Komponente gegenüber der ersten Komponente auslenkt und die beiden Auslenkungsrichtungen der beiden optischen Elemente in dieselbe Querrichtung zu der optischen Achse ausgerichtet werden, wozu zwischen den beiden optischen Elementen eine Phasenplatte auf der optischen Achse anzuordnen ist, die die Polarisationsrichtungen beider Komponenten um 90° dreht, resultiert hinter dem zweiten polarisationsselektiven optischen Element ein lateraler Versatz zwischen den beiden Komponenten des Lichtstrahls. Aufgrund der geringen optischen Weglänge zwischen den beiden optischen Elementen bleibt dieser Versatz bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung klein.
Zudem kann dieser Versatz zwischen den beiden Komponenten des Lichtstrahls durch Anpassung mindestens eines Modulationsmusters, das das erste oder zweite optische Element den Wellenfronten der modulierten Komponente aufprägt, gegenüber der optischen Achse kompensiert werden. Das heißt, bei dem oder den Modulationsmuster(n) wird berücksichtigt, dass zumindest eine der beiden Komponenten des Lichtstrahls lateral gegenüber der optischen Achse versetzt ist. Das Modulationsmuster wird entsprechend modifiziert, um mit der jeweiligen Komponente dennoch z. B. die gewünschten Maxima einer Intensitätsverteilung von Fluoreszenzverhinderungslicht um einen Brennpunkt eines nachgeschalteten Objektivs auszubilden. Die Anpassung des mindestens einen Modulationsmusters kann besonders leicht durchgeführt werden, wenn als polarisationsselektives optisches Element ein Spatial Light Modulator verwendet wird. In diesem Fall erfordert die Anpassung nur eine modifizierte Ansteuerung des Spatial Light Modulators.
In einer konkreten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind das erste optische Element und das zweite optische Element Teilbereiche eines einzigen Spatial Light Modulators, der den Lichtstrahl in beiden Teilbereichen in Rückwärtsrichtung beugt. Bei dem Spatial Light Modulator wird nicht der nullter Ordnung reflektierte Lichtstrahl, sondern werden die in erster oder höherer Ordnung rückwärts gebeugten Komponenten des Lichtstahls genutzt, wobei die Auslenkung der bezüglich ihrer Phasenfronten modulierten Komponente gegenüber der von dem jeweiligen Bereich des Spatial Light Modulators bezüglich ihrer Phasenfronten nicht modulierten Komponente des Lichtstrahls mit der Ordnung der Beugung zunimmt. Durch den besonders kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung können aber auch gezielt Beugungen höherer Ordnung durch den Spatial Light Modulator genutzt werden. Um den Lichtstrahl nach seiner ersten Beugung an dem Spatial Light Modulator auf ihn zurückzuwerfen, können zwischen den beiden Teilbereichen des Spatial Light Modulators zwei Spiegel hintereinander auf der optischen Achse angeordnet sein. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung treffen alle Komponenten des Lichtstrahls als parallele Strahlenbündel von gewissem Querschnitt und entsprechend mit begrenzter Lichtintensität auf diese Spiegel auf. Um die Polarisationsrichtung der beiden Komponenten des Lichtstrahls zwischen den beiden Teilbereichen des Spatial Light Modulators zu drehen, so dass jeweils einer der beiden Teilbereiche auf eine der beiden Komponenten des Lichtstrahls einwirkt, kann zwischen den beiden Spiegeln eine λ/2-Phasenplatte für die beiden Komponenten des Lichtstrahls angeordnet sein.
In einer besonders kompakten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zwischen den beiden Teilbereichen des Spatial Light Modulators ein Spiegel auf der optischen Achse angeordnet, auf dem wiederum eine λ/4-Phasenplatte für die beiden Komponenten des Lichtstrahls angeordnet ist. Diese A/4-Phasenplatte wird von den beiden Komponenten des Lichtstrahls einmal auf dem Weg zu dem Spiegel und dann auf dem Rückweg von dem Spiegel passiert, so dass sie die Polarisationsrichtungen beider Komponenten des Lichtstrahls insgesamt um jeweils 90° dreht.
Der Spiegel kann durch eine reflektierende Beschichtung in einem Teilbereich eines transparenten Substrats ausgebildet sein, in dem die λ/4-Phasenplatte, auf dem Substrat angeordnet ist. Vor dem ersten Teilbereich und/oder nach dem zweiten Teilbereich des Spatial Light Modulators kann sich die optische Achse durch nicht beschichtete Bereiche des transparenten Substrats hindurch erstreckt. Das Substrat kann sehr dicht vor dem Spatial light Modulator angeordnet und dennoch definiert gelagert werden. Der sich dadurch ergebende kleine seitliche Abstand zwischen den beiden polarisationsselektiven optischen Elementen ist durch Ihre Ausbildung als Teilbereiche eines einzigen Spatial Light Modulators, anders als wenn zwei getrennte Spatial Light Modulatoren verwendet würden, völlig unproblematisch.
Wenn die Phasenplatte, die bei den beiden geschilderten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem einen Spatial Light Modulator zwischen dessen beiden Teilbereichen angeordnet ist, soweit chromatisch ist, dass sie für eine weitere Komponente des Lichtstrahls, die dieselbe transversale Polarisationsrichtung wie die zweite Komponente, aber eine andere Wellenlänge als die beiden Komponenten des Lichtstrahls aufweist, nicht wirksam ist, kann bei einem mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgebauten Rasterfluoreszenzlichtmikroskop das Anregungslicht zusammen mit dem Fluoreszenzverhinderungslicht über der Spatial Light Modulator geführt werden, und die Wellenfronten des Anregungslichts bleiben dennoch unmoduliert.
Konkret kann die optische Weglänge von dem ersten optischen Element längs der optischen Achse bis zu dem zweiten optischen Element bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf nicht mehr als 15 cm, vorzugsweise nicht mehr als 2 cm beschränkt werden.
Eine besonders geringe optische Weglänge ergibt sich, wenn das erste optische Element und das zweite optische Element direkt hintereinander angeordnete transmissive optische Elemente sind. Wenn diese beiden optischen Elemente starr miteinander verbunden sind, ergibt sich eine feste Ortsbeziehung der beiden von ihnen den Wellenfronten der beiden Komponenten des Lichtstrahls aufgeprägten Modulationsmuster.
Zwischen dem ersten und dem zweiten transmissiven optischen Element kann zusätzlich eine chromatische Phasenplatte auf der optischen Achse angeordnet sein. Wenn diese Phasenplatte entweder für eine weitere Komponente des Lichtstrahls, die dieselbe transversale Polarisationsrichtung wie die zweite Komponente, aber eine andere Wellenlänge aufweist, wirksam und für die erste und die zweite Komponente des Lichtstrahls nicht wirksam ist oder aber für die erste Komponente und die zweite Komponente des Lichtstrahls wirksam und für eine weitere Komponente des Lichtstrahls, die dieselbe transversale Polarisationsrichtung wie die zweite Komponente, aber eine andere Wellenlänge aufweist, nicht wirksam ist, kann die weitere Komponente des Lichtstrahls durch die Vorrichtung hindurchtreten, ohne dass ihre Wellenfronten von der Vorrichtung moduliert werden, weil sie in beiden Fällen beim Auftreffen auf beide polarisationsselektiven optischen Elemente die Polarisationsrichtung aufweist, die zu keiner Modulation der Wellenfronten durch das jeweilige optische Element führt.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können z. B. von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls abhängige Korrekturen der Wellenfronten vorgenommen werden, um Phasenfehler zu kompensieren, d. h. um exakt ebene Wellenfronten einzustellen. Auch dies fällt unter das erfindungsgemäße getrennte Modulieren der Wellenfronten von zwei in zueinander orthogonalen transversalen Polarisationsrichtungen polarisierten Komponenten eines in Richtung einer optischen Achse einfallenden kollimierten Lichtstrahls.
Ein erfindungsgemäßes Rasterfluoreszenzlichtmikroskop weist neben einer Anregungslichtquelle für Anregungslicht, einer Fluoreszenzverhinderungslichtquelle für Fluoreszenzverhinderungslicht, einem gemeinsamen Objektiv zum Fokussieren des Anregungslichts und des Fluoreszenzverhinderungslichts sowie den weiteren üblichen Bestandteilen eines Rasterfluoreszenzlichtmikroskops, wie beispielsweise einem Detektor für das aus einer zu untersuchenden Probe emittierte Fluoreszenzlicht, eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Strahlengang des Fluoreszenzverhinderungslichts auf. Dabei umfasst das Fluoreszenzverhinderungslichts die erste und die zweite Komponente des Lichtstrahls, deren Wellenfronten von der Vorrichtung separat moduliert werden.
Im Falle der chromatischen Phasenplatte zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Element der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann bei dem erfindungsgemäßen Rasterfluoreszenzlichtmikroskop die Vorrichtung auch im Strahlengang des Anregungslichts angeordnet sein. In diesem Fall entspricht das Anregungslicht der weiteren Komponente des Lichtstrahls, die sich von der ersten und der zweiten Komponente in der Wellenlänge unterscheidet und die Polarisationsrichtung der zweiten Komponente aufweist.
Vor der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann in dem erfindungsgemäßen Rasterfluoreszenzlichtmikroskop eine doppelbrechende Einrichtung im Strahlengang des Fluoreszenzverhinderungslichts angeordnet sein, die die eine gegenüber der anderen Komponente des Lichtstrahls über eine Kohärenzlänge des Fluoreszenzverhinderungslichts hinaus verzögert. Dadurch sind die beiden Komponenten des Fluoreszenzverhinderungslichts nicht mehr kohärent, d. h. interferenzfähig. Sie können daher ohne Wechselwirkungen im Bereich um einen Brennpunkt eines Objektivs miteinander überlagert werden, auch wenn ihre Polarisationsrichtungen vorher beide auf eine zirkulare Polarisationsrichtung geändert wurden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum getrennten Modulieren der Wellenfronten von zwei in zueinander orthogonalen transversalen Polarisationsrichtungen polarisierten Komponenten eines in Richtung einer optischen Achse einfallenden kollimierten Lichtstrahls in schematischer Darstellung.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung in schematischer Darstellung.
3 zeigt ein Detail der Vorrichtung gemäß 1 oder 2.
4 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung, und
5 zeigt stark schematisch ein Rasterfluoreszenzlichtmikroskop mit einer Vorrichtung zum getrennten Modulieren der Wellenfronten von zwei in zueinander orthogonalen transversalen Polarisationsrichtungen polarisierten Komponenten eines in Richtung einer optischen Achse einfallenden und hier insgesamt drei Komponenten aufweisenden kollimierten Lichtstrahls.

FIGURENBESCHREIBUNG
Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 weist einen Spatial Light Modulator 2 und ein dem Spatial Light Modulator 2 gegenüber liegendes Glassubstrat 3 auf. Auf einem Teilbereich des Glassubstrats 3 ist eine λ/4-Platte 4 angeordnet. Die dem Glassubstrat 3 zugeordnete Seite der λ/4-Platte 4 ist mit einer reflektierenden Beschichtung 5 versehen, um einen Spiegel 6 auszubilden. Alternativ könnte auch das Glassubstrat 3 in seinem von der λ/4-Platte 4 abgedeckten Teilbereich mit der reflektierenden Beschichtung versehen sein, um den Spiegel 6 auszubilden. Die Vorrichtung 1 wirkt wie folgt auf einen längs einer optischen Achse 7 einfallenden Lichtstrahl 8 mit zwei in zueinander orthogonalen transversalen Polarisationsrichtungen 9 und 10, die in 1 durch Symbole wiedergegeben sind, polarisierten Komponenten. Der Lichtstrahl tritt zunächst neben dem Spiegel 6 durch das Glassubstrat 3 hindurch. Hierbei erfährt der gesamte Lichtstrahl 8 einen kleinen seitlichen Versatz, der in 1 nicht dargestellt ist. Dann trifft der Lichtstrahl 8 in einen ersten Teilbereich 11 des Spatial Light Modulators 2. Der Spatial Light Modulator 2 ist so ausgerichtet, dass die Polarisationsrichtung 9 der einen Komponente des Lichtstrahls 8 seiner ersten oder aktiven Richtung entspricht, während die Polarisationsrichtung 10 der zweiten Komponente des Lichtstrahls 8 der zweiten oder inaktiven Richtung des Spatial Light Modulators 2 entspricht. Der von dem Teilbereich 11 des Spatial Light Modulators 2 zurückgeworfene Lichtstrahl 8 weist daher eine von der Ansteuerung des Spatial Light Modulators 2 in dem Teilbereich 11 abhängige Modulation der Wellenfronten der einen Komponente des Lichtstrahls 8 mit der Polarisationsrichtung 9 auf. Die andere Komponente des Lichtstrahls 8 mit der Polarisationsrichtung 10 erfährt hingegen keine Modulation ihrer Wellenfronten durch den ersten Teilbereich 11 des Spatial Light Modulators 2. Der Lichtstrahl 8 wird anschließend durch den Spiegel 6 auf einen zweiten Teilbereich 12 des Spatial Light Modulators 2 reflektiert. Dabei tritt der Lichtstrahl 8 zweimal durch die λ/4-Platte 4 hindurch, so dass die Polarisationsrichtungen beider Komponenten des Lichtstrahls 8 um 90° gedreht werden. Damit weist jetzt die Komponente des Lichtstrahls 8, deren Wellenfronten durch den Teilbereich 11 des Spatial Light Modulators 2 moduliert wurden, die Polarisationsrichtung 10 auf, während die Komponente mit den nicht modulierten Wellenfronten die Polarisationsrichtung 9 aufweist. In der Konsequenz moduliert jetzt der Teilbereich 12 je nach Ansteuerung des Spatial Light Modulators 2 die Wellenfronten der zweiten Komponente des Lichtstrahls 8, weil deren Polarisationsrichtung 9 mit der ersten Polarisationsrichtung des Spatial Light Modulators 2 zusammenfällt. Beide Teilbereiche des wieder durch das Glassubstrat 3 in einem Bereich außerhalb des Spiegels 6 hindurchtretenden Lichtstrahls 8 weisen daher separat modulierte Wellenfronten auf, und zwar die Komponente mit der Polarisationsrichtung 10 die durch den Teilbereich 11, und die Komponente mit der Polarisationsrichtung, die durch den Teilbereich 12 des Spatial Light Modulators 2 modulierten Wellenfronten. Der Aufbau der Vorrichtung 1 kann sehr kompakt gehalten werden. Der Abstand zwischen dem Spatial Light Modulator 2 und dem Glassubstrat 3 kann kürzer als 1 cm sein. Bei diesem kurzen Abstand erweist es sich als vorteilhaft, dass die beiden optischen Elemente, die separat die Wellenfronten einer Komponente des Lichtstrahls 8 modulieren, die Teilbereiche 11 und 12 eines einzigen Spatial Light Modulator 2 sind und nicht separate optische Elemente oder gar separate Spatial Light Modulatoren, die nebeneinander angeordnet werden. Bei dem geringen Abstand zwischen dem Spiegel 6 und dem Spatial Light Modulator 2 erweist sich auch die Ausbildung des Spiegels 6 an der Oberfläche des Glassubstrats 3 als vorteilhaft, um den Spiegel 6 mit der davor angeordneten λ/4-Platte 4 lokal vor dem Spatial Light Modulator 2 anzuordnen und dennoch definiert zu lagern.
Die in 2 gezeigte Ausführungsform der Vorrichtung 1 umfasst ebenfalls einen Spatial Light Modulator 2 mit zwei Teilbereichen 11 und 12, die als optische Elemente 13 und 14 zum Modulieren jeweils einer Komponente des längs der optischen Achse 7 einfallenden Lichtstrahls 8 vorgesehen sind. Dabei wird hier der von dem ersten Teilbereich 11 zurückgeworfene Lichtstrahl 8 von zwei Spiegeln 15 und 16 auf den Teilbereich 12 geworfen, d. h. zurück auf den Spatial Light Modulator 2. Die Spiegel 15 und 16 können insbesondere als D-Spiegel ausgebildet sein, damit sie mit dem einfallenden und dem aus der Vorrichtung 1 wieder austretenden Lichtstrahl 8 nicht kollidieren. Zwischen den Spiegeln 15 und 16 tritt der Lichtstrahl 8 durch eine λ/2-Platte 17 hindurch, die die Polarisationsrichtungen 9 und 10 der beiden Komponenten des Lichtstrahls 8 um 90° verdreht und damit gegenüber der ersten Polarisationsrichtung des Spatial Light Modulator 2 vertauscht. So wirkt der zweite Teilbereich 12 wieder auf die Wellenfronten der Komponente des Lichtstrahls 8 ein, die von dem ersten Teilbereich 11 unmoduliert belassen wurden und umgekehrt. Auch der aus der Vorrichtung 1 gemäß 2 wieder austretende Lichtstrahl 8 weist daher bei seiner Komponente mit der Polarisationsrichtung 10 die in dem Teilbereich 11 aufgeprägte Modulation der Wellenfronten und bei seiner Komponente mit der Polarisationsrichtung 9 die in dem Teilbereich 12 aufgeprägte Modulation der Wellenfronten auf.
Bei den Vorrichtungen 1 gemäß 1 und 2 kann die λ/4-Platte 4 gemäß 1 bzw. die λ/2-Platte 17 gemäß 2 chromatisch ausgebildet sein, so dass sie für eine dritte Komponente des jeweiligen Lichtstrahls 8, die anfangs die Polarisationsrichtung 10, aber eine andere Wellenlänge als die erste und die zweite Komponente aufweist, keine Drehung der Polarisationsrichtung 10 bewirkt. Dann werden die Wellenfronten dieser dritten Komponente des Lichtstrahls 8 weder in dem ersten Teilbereich 11 noch in dem zweiten Teilbereich 12 moduliert.
3 illustriert ein Detail von 1 oder 2. Von dem Teilbereich 11 wird der einfallende Lichtstrahl 8 in mehreren Richtungen zurückgeworfen. Konkret erfolgt eine Beugung des Lichtstrahls 8 durch den Spatial Light Modulator 2. Der von dem Spatial Light Modulator 2 als Strahl 18 nullter Ordnung zurückgeworfene Lichtstrahl wird mit einer Blende 19 ausgeblendet, weil er die gewünschte Modulation der Wellenfronten auch bei der Komponente des Lichtstrahls 8 mit der ersten Polarisationsrichtung 9 des Spatial Light Modulators 2 nicht aufweist. Genutzt wird der gebeugte Strahl 20 erster Ordnung. Bei diesem gebeugten Strahl 20 weisen jedoch die erste Komponente 21 mit der Polarisationsrichtung 9, die der ersten Polarisationsrichtung des Spatial Light Modulator 2 entspricht, und die zweite Komponente 22 mit der Polarisationsrichtung 10, deren Wellenfronten der Spatial Light Modulator 2 in dem Teilbereich 11 nicht moduliert, leicht unterschiedliche Richtungen auf, oder anders gesagt ist die erste Komponente 21 gegenüber der zweiten Komponente 22 leicht abgelenkt. Wenn der Strahl 20 mit den Komponenten 21 und 22 nach Drehen deren Polarisationsrichtungen um 90° auf den zweiten Teilbereich 12 des Spatial Light Modulators 2 trifft, wird die zweite Komponente 22 in gleicher Weise gegenüber der ersten Komponente 21 abgelenkt. Es verbleibt jedoch ein seitlicher Versatz zwischen den parallelen Strahlenbündeln der Komponenten 21 und 22. Dieser seitliche Versatz kann dazu führen, dass die den beiden Komponenten aufgeprägten Modulationen ihrer Wellenfronten nach dem Durchlaufen eines beide Komponenten fokussierenden Objektivs nicht dazu führen, dass beide Komponenten in gewünschte räumliche Lichtintensitätsverteilungen um den Brennpunkt des Objektivs resultieren, weil zumindest der Schwerpunkt einer der beiden Komponenten nicht genau auf der optischen Achse des Objektivs liegt. Es stellt sich jedoch heraus, dass der seitliche Versatz zwischen den beiden Komponenten bzw. zu der optischen Achse des Objektivs durch Modifikation der Modulierungsmuster kompensiert werden kann, die den beiden Komponenten in den Teilbereichen 11 und 12 des Spatial Light Modulators 2 aufgeprägt werden. Wenn beispielsweise ein Modulierungsmuster für eine Donut-förmigen Intensitätsverteilung normalerweise einer sogenannten Phasenuhr um die optische Achse entspricht, kann das Zentrum der Phasenuhr verschoben und/oder der Anstieg der Phasenverschiebung über den Umfang des Zentrums modifiziert werden, um eine symmetrische Donut-förmige Intensitätsverteilung um den Brennpunkt des Objektivs zu erreichen.
Die in 4 skizzierte Vorrichtung 1 weist zwei unter Zwischenordnung einer chromatischen λ/2-Platte 23 in einer festen Richtung hintereinander angeordnete optische Elemente 13 und 14 auf. Das heißt, die optische Achse 7, auf der der Lichtstrahl 8 einfällt, weist hier keinen Knick aufgrund einer Reflektion oder Beugung auf. Der Lichtstrahl 8 umfasst hier drei Komponenten: die erste Komponente mit der Polarisationsrichtung 9, die zweite Komponente mit der Polarisationsrichtung 10 und die bereits zuvor als möglich angesprochene weitere Komponente mit der Polarisationsrichtung 10', die gleich der zweiten Polarisationsrichtung 10 ist, wobei aber die weitere Komponente eine andere Wellenlänge als die erste Komponente und die zweite Komponente des Lichtstrahls 8 aufweist. Von dem ersten optischen Element 13, das aus einem doppelbrechenden Material besteht, wird selektiv der Komponente des Lichtstrahls 8 mit der Polarisationsrichtung 9 ein Phasenmuster aufgeprägt, d. h. die Wellenfronten dieser Komponente werden selektiv moduliert. Dabei ist die Form der Modulation durch das optische Element 13 fest vorgegeben. Nach dem ersten optischen Element 13 weist also die Komponente mit der Polarisationsrichtung 9 bereits die für diese gewünschte Modulation ihrer Wellenfronten auf. Die chromatische λ/2-Platte 23 dreht jetzt selektiv die Polarisationsrichtung 10' der weiteren Komponente um 90° in die Polarisationsrichtung 9', während die Polarisationsrichtungen 9 und 10 der ersten und der zweiten Komponente unverändert bleiben. Dies hat zur Folge, dass das zweite optische Element 14, wenn es die Wellenfronten der zweiten Komponente des Lichtstrahls 8 mit der hier gleich gebliebenen Polarisationsrichtung 10 moduliert, ebenfalls nicht auf die weitere Komponente mit der gedrehten Polarisationsrichtung 9' einwirkt. Bei dem aus der Vorrichtung 1 austretenden Lichtstrahl 8 weist also die erste Komponente mit der Polarisationsrichtung 9 die von dem ersten optischen Element 13 modulierten Wellenfronten auf, die zweite Komponente mit der Polarisationsrichtung 10 die von dem zweiten optischen Element 14 modulierten Wellenfronten und die weitere Komponente mit der gedrehten Polarisationsrichtung 9' unmodulierte Wellenfronten.
Die chromatische λ/2-Platte 23 könnte bei der Vorrichtung 1 auch durch eine chromatische λ/2-Platte 17 gemäß 2 ausgetauscht werden, die selektiv die Polarisationsrichtungen 9 und 10 der ersten und der zweiten Komponente des Lichtstrahls 8 um 90° verdreht, aber die Polarisationsrichtung der dritten Komponente nicht dreht. Dann müsste zum Ausgleich das zweite optische Element 14 um 90° um die optische Achse 7 verdreht werden, damit es selektiv auf die Wellenfronten der zweiten Komponente einwirkt. Im Ergebnis würden die drei Komponenten des aus der Vorrichtung 1 austretenden Lichtstrahls 8 dieselben Modulationen ihrer Wellenfronten aufweisen, aber bei um 90° verdrehten Polarisationsrichtungen verglichen mit der Darstellung in 4.
In 4 sind die optischen Elemente 13 und 14 sowie die λ/2-Platte 23 nur deshalb als separate Teile dargestellt, um dazwischen die Polarisationsrichtungen einzeichnen zu können. Eine praktische Ausführung der Vorrichtung 1 gemäß 4 weist die optischen Elemente 13 und 14 sowie die dazwischen angeordnete λ/2-Platte 23 vorzugsweise in starrer, d. h. unverrückbarer Anordnung auf. Wenn die Vorrichtung 1 gemäß 4 für einen Lichtstrahl 8 mit nur der ersten und der zweiten Komponente vorgesehen wird, besteht keine Notwendigkeit für die λ/2-Platte 23. Entsprechend können dann die optischen Elemente 13 und 14 direkt aufeinander folgen und direkt miteinander verbunden sein.
Alle hier beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung 1 für einen Lichtstrahl 8 mit drei Komponenten können bei dem in 5 skizzierten Rasterfluoreszenzlichtmikroskop 24 zum Einsatz kommen. Das Rasterfluoreszenzlichtmikroskop 24 weist eine erste Lichtquelle 25 für Anregungslicht 26 und eine zweite Lichtquelle 38 für Fluoreszenzverhinderungslicht 27 auf. Beide Lichtquellen 25 und 38 sind gepulste Lichtquellen. Das Anregungslicht 26 und das Fluoreszenzverhinderungslicht 27 werden gemeinsam in eine doppelbrechende Lichtleiterfaser 28 eingekoppelt. Die Lichtleiterfaser 28 verzögert eine Komponente des Fluoreszenzverhinderungslichts 27 mit einer transversalen Polarisationsrichtung gegenüber der anderen Komponente des Fluoreszenzverhinderungslichts mit der anderen transversalen Polarisationsrichtung um mehr als die Kohärenzlänge des Fluoreszenzverhinderungslichts 27. Das Anregungslicht 26 weist nur eine transversale Polarisationsrichtung auf. Es bildet die weitere Komponente des Lichtstrahls 8 gemäß 4, während die beiden unterschiedlich polarisierten Komponenten des Fluoreszenzverhinderungslichts 27 die erste und die zweite Komponente des Lichtstrahls 8 gemäß 4 ausbilden. Mit der Vorrichtung 1 werden die Wellenfronten der beiden Komponenten des Fluoreszenzverhinderungslichts 27 so moduliert, dass die aus ihnen resultierenden Maxima der Lichtintensitätsverteilungen des Fluoreszenzverhinderungslichts 27 eine Nullstelle am Brennpunkt eines nachgeschalteten Objektivs 29 einmal in xy-Richtung quer zu der optischen Achse und einmal in z-Richtung der optischen Achse begrenzen. Das Anregungslicht 26 weist hingegen an dem Brennpunkt des Objektivs 29 sein Intensitätsmaximum auf. Fluoreszenzlicht 30 von einer Probe 31 stammt so nur aus einem räumlich eng begrenzten Bereich um den Brennpunkt des Objektivs 29, in dem angeregt und nicht durch das Fluoreszenzverhinderungslicht 27 unterdrückt wird. Mit dem Brennpunkt des Objektivs 29 wird die Probe 31 in allen in 5 durch Symbole 32 bis 34 angedeuteten drei Raumrichtungen abgerastert, wozu ein verfahrbarer Probenhalter 35 und/oder eine (hier nicht dargestellte) Ablenkvorrichtung für den Lichtstrahl 8 vorgesehen sein kann. Das Fluoreszenzlicht 30 wird für jeden Punkt des Brennpunkts des Objektivs 29 in der Probe 31 mit einem Detektor 36 erfasst, zu dem hin das Fluoreszenzlicht 30 von der optischen Achse 7 weg mit einem Auskoppelspiegel 37 ausgekoppelt wird.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Spatial Light Modulator
3: Glassubstrat
4: λ/4-Platte
5: Beschichtung
6: Spiegel
7: optische Achse
8: Lichtstahl
9: Polarisationsrichtung
10: Polarisationsrichtung
11: Teilbereich
12: Teilbereich
13: optisches Element
14: optisches Element
15: Spiegel
16: Spiegel
17: λ/2-Platte
18: Strahl nullter Ordnung
19: Blende
20: Strahl erster Ordnung
21: Komponente
22: Komponente
23: chromatische λ/2-Platte
24: Rasterfluoreszenzlichtmikroskop
25: Anregungslichtquelle
26: Anregungslicht
27: Fluoreszenzverhinderungslicht
28: Lichtleiterfaser
29: Objektiv
30: Fluoreszenzlicht
31: Probe
32: Raumrichtung
33: Raumrichtung
34: Raumrichtung
35: Probenhalter
36: Detektor
37: Auskoppelspiegel
38: Fluoreszenzverhinderungslichtquelle

Claims

Vorrichtung (1) zum getrennten Modulieren der Wellenfronten von zwei in zueinander orthogonalen transversalen Polarisationsrichtungen (9, 10) polarisierten Komponenten (21, 22) eines in Richtung einer optischen Achse (7) einfallenden kollimierten Lichtstrahls (8), - wobei ein erstes polarisationsselektives optisches Element (13) auf der optischen Achse (7) angeordnet ist, das selektiv die Wellenfronten der ersten Komponente (21) moduliert, und - wobei hinter dem ersten optischen Element (13) ein zweites polarisationsselektives optisches Element (14) auf der optischen Achse (7) angeordnet ist, das selektiv die Wellenfronten der zweiten Komponente (22) moduliert, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (13), das zweite optische Element (14) und alle gegebenenfalls dazwischen auf der optischen Achse (7) angeordneten optischen Elemente die beiden Komponenten (21, 22) des Lichtstrahls (8) als parallele Strahlenbündel erhalten.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das erste optische Element (13) und das zweite optische Element (14) jeweils die von ihnen modulierte Komponente (21, 22) gegenüber der von ihnen nicht modulierten Komponente (21, 22) des Lichtstrahls (8) in einer Ablenkungsrichtung ablenken, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ablenkungsrichtungen in derselben Querrichtung zu der optischen Achse (7) ausgerichtet sind, wobei zwischen dem ersten optischen Element (13) und dem zweiten optischen Element (14) eine Phasenplatte (4, 17) auf der optischen Achse (7) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich hinter dem zweiten optischen Element (14) einstellender lateraler Versatz zwischen den beiden Komponenten (21, 22) des Lichtstrahls (8) durch Modifikation mindestens eines Modulationsmusters, das das erste optische Element (13) oder das zweite optische Element (14) der jeweils von ihnen modulierten Komponente (21, 22) aufprägt, kompensiert ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (13) und das zweite optische Element (14) Teilbereiche (11, 12) eines einzigen Spatial Light Modulators (2) sind, der den Lichtstrahl (8) in beiden Teilbereichen (11, 12) in Rückwärtsrichtung beugt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Teilbereichen (11, 12) des Spatial Light Modulators (2) zwei Spiegel (15, 16) hintereinander auf der optischen Achse (7) angeordnet sind und den in dem ersten Teilbereich (11) von dem Spatial Light Modulator (2) gebeugten Lichtstrahl (8) auf den zweiten Teilbereich (12) des Spatial Light Modulators (2) zurück reflektieren, wobei zwischen den beiden Spiegeln (15, 16) eine λ/2 Phasenplatte (17) für die beiden Komponenten (21, 22) des Lichtstrahls (8) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Teilbereichen (11, 12) des Spatial Light Modulators (2) ein Spiegel (6) auf der optischen Achse (7) angeordnet ist, auf dem eine λ/4 Phasenplatte (4) für die beiden Komponenten des Lichtstrahls (8) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (6) durch eine reflektierende Beschichtung (5) auf einem transparenten Substrat (3) ausgebildet ist, wobei sich die optische Achse (7) vor dem ersten Teilbereich (11) und/oder nach dem zweiten Teilbereich (12) des Spatial Light Modulators (2) durch nicht beschichtete Bereiche des transparenten Substrats (3) hindurch erstreckt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenplatte (4, 17) chromatisch ist und für eine weitere Komponente des Lichtstrahls (8), die dieselbe transversale Polarisationsrichtung wie die zweite Komponente (22) aber eine andere Wellenlänge aufweist, nicht wirksam ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (13) und das zweite optische Element (14) starr miteinander verbunden sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Weglänge von dem ersten optischen Element (13) längs der optischen Achse (7) bis zu dem zweiten optischen Element (14) nicht länger als 2 cm ist, optional nicht länger als 2 cm.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 9 oder 10 soweit direkt rückbezogen auf einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (13) und das zweite optische Element (14) fest miteinander verbundene transmissive optische Elemente sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten optischen Element (13) und dem zweiten optischen Element (14) eine chromatische Phasenplatte (4, 17, 23) auf der optischen Achse angeordnet ist, wobei die Phasenplatte: - entweder für eine weitere Komponente des Lichtstrahls (8), die dieselbe transversale Polarisationsrichtung wie die zweite Komponente (12) aber eine andere Wellenlänge aufweist, wirksam und für die erste Komponente (21) und die zweite Komponente (22) des Lichtstrahls (8) nicht wirksam ist - oder für die erste Komponente (21) und die zweite Komponente (22) des Lichtstrahls (8) wirksam und für eine weitere Komponente des Lichtstrahls (8), die dieselbe transversale Polarisationsrichtung wie die zweite Komponente (22) aber eine andere Wellenlänge aufweist, nicht wirksam ist.
Rasterfluoreszenzlichtmikroskop (24) mit einer Anregungslichtlichtquelle (25) für Anregungslicht (26), einer Fluoreszenzverhinderungslichtlichtquelle (38) für Fluoreszenzverhinderungslicht (27), einem gemeinsamen Objektiv (29) zum Fokussieren des Anregungslichts (26) und des Fluoreszenzverhinderungslichts (27) und einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche im Strahlengang des Fluoreszenzverhinderungslichts (27), wobei das Fluoreszenzverhinderungslicht (27) die erste und die zweite Komponente (21, 22) des Lichtstrahls umfasst.
Rasterfluoreszenzlichtmikroskop (24) nach Anspruch 13, soweit rückbezogen auf 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) auch im Strahlengang des Anregungslichts (26) angeordnet ist, wobei das Anregungslicht (26) die weitere Komponente des Lichtstrahls (8) umfasst.
Rasterfluoreszenzlichtmikroskop (24) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Vorrichtung (1) eine doppelbrechende Einrichtung im Strahlengang des Fluoreszenzverhinderungslichts (27) angeordnet ist, die die eine gegenüber der anderen Komponente (21, 22) des Lichtstrahls (8) über eine Kohärenzlänge des Fluoreszenzverhinderungslichts (27) hinaus verzögert.