LICHTSTRAHLS UND DEREN VERWENDUNG

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für das selektive Formen von Phasenfronten eines ersten längs einer optischen Achse einfallenden Lichtstrahls mit einer ersten linearen und orthogonal zu der optischen Achse verlaufenden Eingangspolarisationsrichtung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine solche Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie auf eine Verwendung einer solchen Vorrichtung in einem gemeinsamen Strahlengang eines ersten Lichtstrahls aus Fluoreszenzverhinderungslicht und eines zweiten Lichtstrahls aus Fluoreszenzanregungslicht.

STAND DER TECHNIK Wenn zum Beispiel in der hochauflösenden Rasterfluoreszenzlichtmikroskopie ein Lichtstrahl aus Fluoreszenzanregungslicht und ein Lichtstrahl aus Fluoreszenzverhinderungslicht gemeinsam fokussiert werden, um in einer Probe ein Intensitätsminimum des Fluoreszenzanregungslichts auszubilden, das mit einem Intensitätsminimum des Fluoreszenzverhinderungslichts zusammenfällt, welches von Intensitätsmaxima des Fluoreszenzverhinderungslichts begrenzt ist, können hierfür selektiv die Phasenfronten des Lichtstrahls aus Fluoreszenzverhinderungslicht verformt werden. Um diese selektive Verformung zu erreichen, können die beiden Lichtstrahlen aus Fluoreszenzanregungslicht und Fluoreszenzverhinderungslicht erst dann zusammengeführt werden, nachdem die Phasenfronten des Fluoreszenzverhinderungslichts verformt wurden. Alternativ kann in einem gemeinsamen Strahlengang der beiden Lichtstrahlen eine Vorrichtung angeordnet werden, die selektiv die Phasenfronten des Lichtstrahls aus Fluoreszenzverhin- derungslicht verformt, während sie die Phasenfronten des Lichtstrahls aus Fluoreszenzanregungslicht nicht oder nur so verformt, dass dies keine Auswirkungen auf die Ausbildung des zentralen Intensitätsmaximums des fokussierten Fluoreszenzanregungslichts hat. In der STED- Fluoreszenzlichtmikroskopie ist dieses Konzept als easySTED bekannt, und die entsprechenden Vorrichtungen werden als easySTED-Phasenplatten bezeichnet.

Ein als easySTED-Phasenplatte verwendbarer weilenlängen- oder polarisationssensitiver optischer Aufbau und dessen Verwendung sind aus der DE 10 2007 025 688 A1 bekannt. Von dem optischen Aufbau werden Phasenfronten einer Lichtkomponente verformt, während Phasenfronten einer anderen Lichtkomponente, die sich von der einen Lichtkomponente in ihrer Wellen- länge oder ihrer Polarisation unterscheidet, nicht verformt werden. Ein optisches Bauteil des optischen Aufbaus weist über seiner aktiven Fläche eine Unstetigkeit oder eine lokale Variation von mindestens π/2 bei einer Phasenverzögerung auf, die es selektiv der einen Lichtkomponente aufprägt. Konkret weist die optisch aktive Fläche des optischen Bauteils einen kreisrunden Zentralbereich und eine sich darum kreisringförmig erstreckende Peripherie auf, zwischen denen der Unterschied bei der Phasenverzögerung der einen Lichtkomponente π beträgt, oder das optische Bauteil prägt der einen Lichtkomponente einen in Umfangsrichtung um seine optische Achse bis auf 2π zunehmenden Anstieg in der Phasenverzögerung auf. Eine Phasenplatte mit einer solchen kontinuierlich zunehmenden Phasenverzögerung wird auch als Phasenuhr bezeichnet. Wenn sich die beiden Lichtkomponenten in ihrer Polarisation unterscheiden, weist das optische Bauteil doppelbrechende optische Eigenschaften auf. Zur Bereitstellung der doppelbrechenden optischen Eigenschaften kann das optische Bauteil auf einem Flüssigkristallpolymer, in dem Flüssigkristalle eine dauerhafte Orientierung aufweisen, oder auf einem doppelbrechenden Kristall aufbauen. Wenn sich die beiden Lichtkomponenten in ihrer Polarisation unterscheiden, kann auch ein Spatial-Light-Modulator, z. B. auf der Basis von Flüssigkristallen, als das optische Bauteil eingesetzt werden. Mit einem Spatial-Light-Modulator kan n d ie Form der Phasenfronten einer linear polarisierten ersten Lichtkomponente in weiten Grenzen gestaltet werden, während er die Phasenfronten einer orthogonal zu der ersten Lichtkomponente polarisierten zweiten Lichtkomponente unverändert lässt.

Aus der WO 2010/133678 A1 ist ein Fluoreszenzlichtmikroskop mit einer doppelbrechenden Vorrichtung zur Strahlformung bekannt. Die Vorrichtung zur Strahlformung weist ein doppelbrechendes chromatisches optisches Element auf, das eine Polarisationsverteilung eines Lichtstrahls aus Fluoreszenzverhinderungslicht über dessen Strahlquerschnitt so formt, dass das anschließend fokussierte Fluoreszenzverhinderungslicht eine Intensitätsverteilung mit einer Intensitätsnullstelle am Fokuspunkt aufweist. Das doppelbrechende chromatische optische Element lässt hingegen einen Lichtstrahl aus Fluoreszenzanregungslicht mit einer anderen Wellenlänge als derjenigen des Fluoreszenzverhinderungslichts soweit unberührt, dass das fokussierte Fluoreszenzanregungslicht ein Maximum am Fokuspunkt aufweist. Das doppelbrechende chromatische optische Element besteht aus einer segmentierten chromatischen λ/2- Platte, wobei das doppelbrechende Material der /2-Platte unterschiedliche Orientierungen seiner schnellen Achse in den einzelnen Segmenten aufweist. Konkret umfasst die chromatische λ/2- Platte Kreissegmente von gleicher Größe und gleichen Unterschieden in der Orientierung der schnellen Achse von Kreissegment zu Kreissegment um eine optische Achse des optischen Aufbaus. Bei dieser Vorrichtung zur Strahlformung basiert die Ausbildung der Nullstelle des Fluoreszenzverhinderungslichts am Fokuspunkt auf der Polarisationsverteilung über seinem Strahlquerschnitt.

Aus D. Wildanger et al., "A STED microscope aligned by design", Opt. Exp. 1 7 (18), 16010- 1601 10 (2009) ist eine segmentierte chromatische Strahlformungseinrichtung zum Implementieren des easySTED-Konzepts bekannt, die aus drei um eine optische Achse herum angeordneten Kreissegmenten besteht. Von den verschiedenen Kreissegmenten werden Wellenfronten eines Lichtstrahls aus Fluoreszenzverhinderungslicht unterschiedlich verzögert, während die gesamten Wellenfronten eines Lichtstrahls aus Fluoreszenzanregungslicht eben bleiben. Zu diesem Zweck besteht jedes der drei Kreissegmente aus zwei optischen Platten aus Materialien, deren Brechungsindizes bei der Wellenlänge des Fluoreszenzanregungslichts gleich sind, sich aber signifikant bei der Wellenlänge des Fluoreszenzverhinderungslichts unterscheiden. Bei gleicher Dicke aller Paare von optischen Platten, die längs der optischen Achse gestapelt sind, sind die Phasenverzögerungen, die bei der Wellenlänge des Fluoreszenzanregungslichts eingeführt werden, für alle Paare gleich, während die Phasenverzögerungen des Fluoreszenzverhinderungslichts eine Funktion des Brechungsindexunterschieds zwischen den beiden optischen Platten und der relativen Dicke der beiden optischen Platten jedes Paars sind.

Alle bekannten Konzepte für eine chromatische easySTED-Phasenplatte haben den Nachteil, dass sie nur über kleine Wellenlängenbereiche der Wellenlänge des Anregungslichts und/oder des Fluoreszenzverhinderungslichts in der gewünschten Weise wirksam sind. Zudem sind sie ungeeignet, um Lichtstrahlen aus Anregungslicht und Fluoreszenzverhinderungslicht, die sich nicht in ihren Wellenlängen, sondern in ihren Intensitäten unterscheiden, wie dies beispielsweise bei der RESOLFT-Fluoreszenzlichtmikroskopie mit schaltbaren Molekülen der Fall sein kann, unterschiedlich zu formen. Das aus der DE 10 2007 025 688 A1 bekannte Konzept für eine easySTED-Phasenplatte, das von unterschiedlichen Polarisationen des Anregungslichts und des Fluoreszenzverhinderungslichts Gebrauch machen soll, bleibt bis auf die Ausführungsform mit einem Spatial-Light-Modulator so unkonkret, dass ein Nacharbeiten nicht möglich ist.

Aus der DE 10 2012 010 207 A1 ist ein Mikroskop mit einer Phasenplatte für das selektive Formen von Phasenfronten eines ersten längs einer optischen Achse einfallenden Lichtstrahls mit einer ersten linearen und orthogonal zu der optischen Achse verlaufenden Eingangspolarisationsrichtung bekannt. Die kreisförmige Phasenplatte, die die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist, besteht aus zwei halbkreisförmigen Elementen, die einander über die optische Achse hinweg gegenüberliegen. Das eine Element ist eine λ 2-Platte aus einem doppelbrechenden Material. Das andere Element besteht aus Glas. Tritt ein parallel zu der außerordentlichen Achse der λ/2-Platte polarisierter Lichtstrahl durch die Phasenplatte hindurch, wird in der Phasenplatte eine Phasenverschiebung um eine halbe Wellenlänge relativ zu dem Element aus Glas erzeugt. Ist die Polarisation des Lichtstrahls hingegen senkrecht zu der außerordentlichen Achse der λ/2-Platte, wird keine relative Phasenverzögerung erzeugt. Die DE 10 2012 010 207 A1 offenbart auch noch eine weitere Ausführungsform der Phasenplatte, die nicht dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 entspricht und bei der die Phasenplatte in vier gleich große, in Umfangsrichtung um die optische Achse aufeinanderfolgende kreissegmentförmige Elemente unterteilt ist. Die Elemente sind abwechselnd λ 2-Platten und Elemente aus Glas, so dass sich über die optische Achse hinweg die beiden λ/2-Platten einerseits und die Elemente aus Glas andererseits gegenüberliegen. Beim Fokussieren des Lichtstrahls mit der ersten linearen und orthogonal zu der optischen Achse verlaufenden Eingangspolarisationsrichtung bildet sich eine Intensitätsverteilung mit einem von Intensitätsmaxima umgebenen lokalen Intensitätsminimum aus, das auf dem Phasenversatz zwischen den durch die Phasenplatten hindurchtretenden Anteile des Lichtstrahls und die durch die Elemente aus Glas hindurchtretenden Anteile des Lichtstrahls von λ 2-Platten basiert.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für das selektive Formen von Phasenfronten eines ersten längs einer optischen Achse einfallenden Lichtstrahls aufzuzeigen, die bei ihrer Anwendung als easySTED-Phasenplatte sowohl für unterschiedliche Wellenlängen des zu formenden Fluoreszenzverhinderungslichts als auch für unterschiedliche Wellenlängen des nicht zu formenden Fluoreszenzanregungslichts geeignet ist und bei der das Fluoreszenzverhinderungslicht und das Fluoreszenzanregungslicht selbst gleiche Wellenlängen aufweisen können.

LÖSUNG

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Patentansprüche 2 bis 15 betreffen bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Patentanspruch 16 ist auf eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gerichtet.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die erfindungsgemäße Vorrichtung formt selektiv Phasenfronten eines ersten längs einer optischen Achse einfallenden Lichtstrahls mit einer ersten linearen und orthogonal zu der optischen Achse verlaufenden Eingangspolarisationsrichtung. Die Vorrichtung weist doppelbrechendes optisches Material auf. Sie verzögert eine erste Phase des ersten Lichtstrahls in mindestens drei verschiedenen Teilbereichen der Vorrichtung verschieden, während sie eine zweite Phase eines zweiten längs der optischen Achse einfallenden Lichtstrahls mit einer zu der ersten linearen Eingangspolarisationsrichtung und zu der optischen Achse orthogonalen zweiten Eingangspolarisationsrichtung in den verschiedenen Teilbereichen nicht verschieden verzögert.

Hier und im Folgenden bedeutet, dass eine Phase in den verschiedenen Teilbereichen der Vorrichtung nicht verschieden verzögert wird, dass sie in den verschiedenen Teilbereichen der Vorrichtung entweder tatsächlich jeweils genau gleich oder um sich um 2π oder ein ganzzahliges Vielfaches von 2π unterscheidende Beträge verzögert wird. Diese beiden Ausführungsvarianten des Merkmals, dass die Phase des zweiten Lichtstrahls in den verschiedenen Teilbereichen der Vorrichtung nicht verschieden verzögert wird, sind zumindest so lange gleichwertig, wie die Kohärenzlänge des zweiten Lichtstrahls größer als das maximale Vielfache von 2π ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung folgen die verschiedenen Teilbereiche in einer Richtung um die optische Achse herum aufeinander. Dabei ist das doppelbrechende optische Material in allen oder allen bis auf einen der in der Richtung um die optische Achse herum aufeinanderfolgenden verschiedenen Teilbereich angeordnet. Bei drei verschiedenen Teilbereichen bedeutet dies, dass das doppelbrechende Material auch nur in zwei der in der Richtung um die optische Achse herum aufeinanderfolgenden verschiedenen Teilbereiche angeordnet sein kann. Das doppelbrechende optische Material verzögert den ersten Lichtstrahl mit der ersten Eingangspolarisationsrichtung bezüglich seiner Phase in einem von Teilbereich zu Teilbereich über eine Umrundung der optischen Achse in der Richtung zunehmenden Maße. Dieses Maß kann konkret auf 2π hin zunehmen, wobei aufgrund der Zunahme der Phasenverzögerung von Teilbereich zu Teilbereich in diskreten Schritten der Wert der Phasenverzögerung von 2π selbst nicht erreicht wird.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird so für den ersten Lichtstrahl eine Phasenuhr angenähert. Bei nur zwei in der Richtung um die optische Achse herum aufeinanderfolgenden verschiedenen Teilbereichen wie bei der aus der DE 10 2012 01 0 207 A1 bekannten Phasenplatte ist diese Annäherung noch nicht erreicht, und in der Fokalebene resultiert ein linienförmiges Intensitätsminimum zwischen zwei nierenförmigen Intensitätsmaxima. Vorzugsweise wird die erste Phase des ersten Lichtstrahls in mindestens vier, noch mehr bevorzugt in mindestens sechs verschiedenen Teilbereichen der Vorrichtung verschieden verzögert, um in der Fokalebene ein möglichst punktförmiges Intensitätsminimum durch ein zusammenhängendes kreisförmiges Intensitätsmaximum zu begrenzen. Ob die erfindungsgemäße Vorrichtung auf die Phase eines Lichtstrahls einwirkt oder nicht, hängt grundsätzlich nicht von dessen Wellenlänge ab, sondern von dessen Eingangspolarisierungs- richtung. So können der erste und der zweite Lichtstrahl auch gleiche Wellenlängen aufweisen, solange sie die erste und die dazu orthogonale zweite Eingangspolarisationsrichtungen haben.

Um die Unabhängigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung von den Wellenlängen der Licht- strahlen über einen möglichst großen Wellenlängenbereich sicherzustellen, wird das doppelbrechende optische Material in allen Teilbereichen, in denen es angeordnet ist, in einer solchen Materialkombination angeordnet, dass die verschiedenen Teilbereich in dem möglichst großen Wellenlängenbereich jeweils ein achromatisches doppelbrechendes Verhalten zeigen. Die Zusammenstellung von geeigneten Materialkombinationen zur Ausbildung derartiger achroma- tischer Phasenplatten ist dem Fachmann geläufig. Die in der Richtung um die optische Achse herum aufeinanderfolgenden verschiedenen Teilbereiche der erfindungsgemäßen Vorrichtung können jeweils einen Anteil aufweisen, der in einer Projektion längs der optischen Achse kreissegmentförmig ist und in beiden Richtungen um die optische Achse an einen kreissegmentförmigen Anteil eines benachbarten Teilbereichs angrenzt. Die die kreissegmentförmigen Anteile aufweisenden Teilbereiche der Vorrichtung können beispielsweise quadratische oder andere rechteckige oder auch rautenförmige Abmessungen aufweisen. Im wirksamen Bereich der optischen Vorrichtung, über den die Lichtstrahlen einfallen, befinden sich jedoch vorzugsweise die kreissegmentförmigen Anteile der verschiedenen Teilbereiche. Diese kreissegmentförmigen Anteile der verschiedenen Teilbereiche können sich jeweils über gleiche Winkel um die optische Achse erstrecken. Insbesondere dann kann bei n in der Richtung um die optische Achse herum aufeinanderfolgenden verschiedenen Teilbereichen das Maß der Verzögerung der Phasen des ersten Lichtstrahls von Teilbereich zu Teilbereich um 2π/η zunehmen. Mit wachsendem n nähert sich die Vorrichtung dann immer weiter an eine ideale Phasenuhr an.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die wirksamen Kristallachsen des doppelbrechenden Materials in allen verschiedenen Teilbereichen, die die Phase des ersten Lichtstrahls mit der ersten Eingangspolarisationsrichtung anders als die Phase des zweiten Lichtstrahls mit der dazu orthogonalen zweiten Eingangspolarisationsrichtung verzögern, parallel zueinander ausgerichtet sein. Die wirksamen Kristallachsen des doppelbrechenden Materials sind dabei so definiert, dass ein Lichtstrahl mit einer Eingangspolarisationsrichtung längs dieser wirksamen Kristallachsen stärker oder schwächer verzögert wird als ein Lichtstrahl mit einer Eingangspolarisationsrichtung orthogonal zu den wirksamen Kristallachsen. So zählen insbesondere die langsamen oder schnellen Kristallachsen des doppelbrechenden Materials zu diesen wirksamen Kristallachsen . Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das doppelbrechende Material demnach in allen verschiedenen Teilbereichen, die die Phase des ersten Lichtstrahls anders als die Phase des zweiten Lichtstrahls verzögern, bezüglich der Orientierung seiner Kristallachsen gleich ausgerichtet sein.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist jeder ihrer verschiedenen Teilbereiche durch ein Plattensegment einer segmentierten Phasenplatte ausgebildet. Vorzugsweise sind jedoch in jedem der verschiedenen Teilbereiche mindestens zwei Plattensegmente von mindestens zwei segmentierten Phasenplatten so angeordnet, dass sie längs der optischen Achse aufeinanderfolgen, also mindestens zwei segmentierte Phasenplatten aufeinander gestapelt sind. So kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in allen ihren verschiedenen Teilbereichen eine gleiche Dicke aufweisen. Besonders bevorzugt ist es, wenn eine der mindestens zwei segmentierten Phasenplatten m-mal so viele Plattensegmente wie eine andere der mindestens zwei segmentierten Phasenplatten aufweist, wobei m eine positive ganze Zahl > 2 ist und wobei jeweils m Plattensegmente der einen der mindestens zwei segmentierten Phasenplatten auf einem Plattensegment der anderen der mindestens zwei segmentierten Phasenplatten angeordnet sind. Die jeweils m Plattensegmente der einen segmentierten Phasenplatte unterteilen so das eine Plattensegment der anderen der mindestens zwei segmentierten Phasenplatte m-fach. Die Gesamtzahl der in der Richtung um die optische Achse herum aufeinanderfolgenden Teilbereiche der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dabei mindestens so groß wie die Anzahl der Plattensegmente der einen der mindestens zwei segmentierten Phasenplatten: Da die andere segmentierte Phasenplatte mindestens zwei Segmente und die eine segmentierte Phasenplatte m-mal mehr Segmente aufweist, beträgt die Gesamtzahl der in der Richtung um die optische Achse herum aufeinanderfolgenden Teilbereiche der erfindungsgemäßen Vorrichtung also mindestens 2 x m mit m > 2, d. h. mindestens vier.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die segmentierten Phasenplatten auf sehr einfache Weise ausgebildet werden. Beispielsweise kann die andere der mindestens zwei segmentierten Phasenplatten zwei Plattensegmente aufweisen, die die Phase des zweiten Lichtstrahls um gleiche Beträge verzögern und die die Phase des ersten Lichtstrahls um sich um π unterscheidende Beträge verzögern. Die eine der mindestens zwei segmentierten Phasenplatten kann dabei vier Plattensegmente aufweisen, die die Phase des zweiten Lichtstrahls um gleiche Beträge verzögern und von denen zwei erste Plattensegmente die Phase des ersten Lichtstrahls gegenüber zwei zweiten Plattensegmenten um sich um π/2 unterscheidende Beträge verzögern, wobei die ersten Plattensegmente und die zweiten Plattensegmente in der Richtung um die optische Achse alternierend aufeinanderfolgen. Anders gesagt kann die Vorrichtung mit Hilfe eines als λ/2-Platte wirksamen und mit Hilfe eines neutralen Plattensegments der einen segmentierten Phasenplatte und mit Hilfe von zwei als λ/4-Platten wirksamen Plattensegmenten und zwei neutralen Plattensegmenten der anderen segmentierten Phasenplatte ausgebildet werden. Bei den von den Plattensegmenten ausgebildeten λ/2- und den λ/4- Platten kann es sich auch um solche höherer Ordnung handeln, bei denen also die selektive Verzögerung des ersten Lichtstrahls nicht nur /2, sondern tatsächlich (k x λ + λ/2) bzw. nicht nur λ/4, sondern tatsächlich (I x λ + λ/4) beträgt, wobei k und I voneinander unabhängige positive ganze Zahlen sind.

Die neutralen Plattensegmente oder anders gesagt alle Plattensegmente oder ganze Teil- bereiche der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die die Phase des ersten Lichtstrahls und die Phase des zweiten Lichtstrahls gleich verzögern, können dadurch ausgebildet werden, dass die optische Kristallachse des doppelbrechenden Materials parallel zu der optischen Achse der Vorrichtung ausgerichtet ist. Die optische Kristallachse eines doppelbrechenden Materials ist so definiert, dass längs dieser Kristallachse einfallendes Licht unabhängig von seiner Polarisations- richtung gleich phasenverzögert wird. Grundsätzlich können die neutralen Plattensegmente oder Teilbereiche aber auch aus nichtdoppelbrechendem Material ausgebildet sein.

Unter Ausnutzung der voranstehenden Konstruktionsprinzipien für die erfindungsgemäße Vorrichtung können alle Teilbereiche der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder zumindest alle Plattensegmente der jeweiligen segmentierten Phasenplatte aus demselben doppelbrechenden Material ausgebildet sein. Wie bereits angedeutet wurde, ist es damit auch möglich zu erreichen, dass alle Teilbereiche und optional auch alle Plattensegmente jeder segmentierten Phasenplatte gleiche Erstreckungen längs der optischen Achse aufweisen. Damit sind besonders gute Voraussetzungen für eine achromatische Ausbildung der gesamten Vorrichtung gegeben, da sich alle Anteile des ersten und des zweiten Lichtstrahls in allen in der Richtung um die optische Achse herum aufeinanderfolgenden Teilbereichen der Vorrichtung durch gleiche Dicken des doppelbrechenden optischen Materials hindurchbewegen, das zudem in allen diesen Teilbereichen identisch ist.

Das Konzept, alle verschiedenen Teilbereiche einer Vorrichtung für das selektive Formen von Phasenfronten eines ersten Lichtstrahls, ohne die Phasenfronten eines zweiten, anders polari- sierten Lichtstrahls zu deformieren, aus doppelbrechendem optischem Material und insbesondere aus demselben doppelbrechenden optischen Material auszubilden, wobei das optische Material bereichsweise so angeordnet ist, dass seine optische Kristallachse parallel zu der optischen Achse der Vorrichtung ausgerichtet ist, wird auch unabhängig davon, ob die verschiedenen Teilbereiche in einer Richtung um die optische Achse herum aufeinander folgen und das doppelbrechende optische Material den ersten Lichtstrahl mit der ersten Eingangspolarisationsrichtung bezüglich seiner Phase in einem von Teilbereich zu Teilbereich über eine Umrundung der optischen Achse in der Richtung zunehmenden Maße verzögert, als eigenständige Erfindung angesehen. Diese eigenständige Erfindung ist in den Patentansprüchen aus Gründen der Einheitlichkeit der Erfindung nicht separat beansprucht. Eine mögliche Definition dieser eigenständigen Erfindung lautet: Vorrichtung für das selektive Formen von Phasenfronten eines ersten längs einer optischen Achse einfallenden Lichtstrahls mit einer ersten linearen und orthogonal zu der optischen Achse verlaufenden Eingangspolarisationsrichtung, wobei die Vorrichtung doppelbrechendes optisches Material aufweist, wobei die Vorrichtung eine erste Phase des ersten Lichtstrahls in mindestens zwei verschiedenen Teilbereichen der Vorrichtung verschieden verzögert und wobei die Vorrichtung eine zweite Phase eines zweiten längs der optischen Achse einfallenden Lichtstrahls mit einer zu der ersten linearen Eingangspolarisationsrichtung und zu der optischen Achse orthogonalen zweiten Eingangspolarisationsrichtung in den verschiedenen Teilbereichen nicht verschieden verzögert, dadurch gekennzeichnet, dass alle verschiedenen Teilbereiche aus demselben doppelbrechenden Material ausgebildet sind und dass die optische Kristallachse des doppelbrechenden optischen Materials in mindestens einem der verschiedenen Teilbereiche parallel zu der optischen Achse ausgerichtet ist, so dass das doppelbrechende Material die Phase des ersten Lichtstrahls und die Phase des zweiten Lichtstrahls in diesem mindestens einem der verschiedenen Teilbereiche gleich verzögert, wobei optional alle verschiedenen Teilbereiche aus demselben doppelbrechenden Material ausgebildet sind. Ausführungsformen der eigenständigen Erfindung weisen die weiteren Merkmale der Patentansprüche auf. In einer Ausführungsform der eigenständigen Erfindung, die nicht unter die Patentansprüche fällt, umfassen die verschiedenen Teilbereiche der Vorrichtung, so wie es grundsätzlich aus der DE 10 2007 025 688 A1 bekannt ist, einen kreisrunden Zentralbereich und eine sich darum kreisringförmig erstreckende Peripherie, zwischen denen der Unterschied bei der Phasenverzögerung des ersten Lichtstrahls π beträgt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vor den in der Richtung um die optische Achse herum aufeinanderfolgenden verschiedenen Teilbereichen ein Polarisationsrotator auf der optischen Achse angeordnet sein, der zwischen einem erstem und einem zweiten Zustand überführbar ist. In dem ersten Zustand ändert der Polarisationsrotator eine Polarisation eines Eingangslichtstrahls in die erste lineare Eingangspolarisationsrichtung des ersten Lichtstrahls, und in dem zweiten Zustand die Polarisation des Eingangslichtstrahls in die zweite lineare Eingangspolarisationsrichtung des zweiten Lichtstrahls. Beispielsweise kann der Polarisationsrotator eine zirkuläre Polarisation des Eingangslichtstrahls alternativ in die erste und die zweite Eingangspolarisationsrichtung ändern. In einer konkreten Ausführungsform weist der Polarisa- tionsrotator mindestens eine Pockelszelle auf. Dem Fachmann sind andere Ausführungsmöglichkeiten für den Polarisationsrotator bekannt.

Verwendet werden kann die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere in einem gemein- samen Strahlengang eines ersten Lichtstrahls aus Fluoreszenzverhinderungslicht und eines zweiten Lichtstrahls aus Fluoreszenzanregungslicht. Dabei werden dann selektiv die Phasenfronten des ersten Lichtstrahls so geformt, dass beim gemeinsamen Fokussieren des ersten Lichtstrahls und des zweiten Lichtstrahls in eine Probe eine Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts mit einem von Intensitätsmaxima umgebenen lokalen Intensitätsminium und eine Intensitätsverteilung des Fluoreszenzanregungslichts mit einem Intensitätsmaximum am Ort des Intensitätsminimums der Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts ausgebildet wird. Diese Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann insbesondere zur Durchführung von hochauflösender Fluoreszenzlichtmikroskopie, insbesondere von STED- Fluoreszenzlichtmikroskopie und RESOLFT-Fluoreszenzlichtmikroskopie, erfolgen. 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 beige- fügten 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. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen. 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 einer Pockelszelle die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau eine Pockelszelle, zwei Pockelszellen oder mehr Pockelszellen vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die die jeweilige Vorrichtung aufweist.

Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Um- fangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

Fig. 1 ist eine axiale Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Vorrichtung mit vier in einer Richtung um eine optische Achse herum aufeinanderfolgenden Teilbereichen.

Fig. 2 zeigt zwei segmentierte Phasenplatten jeweils in axialer Draufsicht, die aufeinander zu stapeln sind, um eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit vier in Richtung um die optische Achse herum aufeinander folgenden verschiedenen Teilbereichen auszubilden.

Fig. 3 ist eine Fig. 2 entsprechende Ansicht von zwei segmentierten Phasenplatten, die aufeinander zu stapeln sind, um eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit neun in Richtung um die optische Achse herum aufeinander folgenden verschiedenen Teilbereichen auszubilden. Fig. 4 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem zusätzlichen Polarisationsrotator. FIGURENBESCHREIBUNG

Bei der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 handelt es sich um eine segmentierte Phasenplatte 2. Entsprechend ist jeder von vier verschiedenen Teilbereichen 3 bis 6 der Vorrichtung 1 durch ein Plattensegment 7 bis 10 der segmentierten Phasenplatte 2 aus- gebildet. Die Teilbereiche 3 bis 6 sind um eine optische Achse 1 1 der Vorrichtung 1 herum angeordnet und folgen dabei in einer Richtung 12 um die optische Achse 1 1 direkt aufeinander. Jeder der Teilbereiche 3 bis 6 erstreckt sich über einen gleichen Winkel von hier 90° um die optische Achse 1 1. Die Teilbereiche 3 bis 6 sind in Fig. 1 kreissegmentförmig dargestellt. Bei dem Teilbereich 4 ist jedoch mit einer gestrichelten Linie 13 angedeutet, dass jeder Teilbereich 3 bis 6 und das entsprechende Plattensegment 7 bis 10 auch beispielsweise quadratische oder andere rechteckige Abmessungen aufweisen könnte. Es umfasst aber auch dann einen kreissegment- förmigen Anteil.

Jedes der Plattensegmente 7 bis 10 besteht hier aus einem doppelbrechenden Material 14 bis 17, wobei die doppelbrechenden Materialien 14 bis 17 gleich sein können. Das doppelbrechende Material 14 in dem Teilbereich 3 ist so angeordnet, dass seine optische Kristallachse 18 parallel zu der optischen Achse 1 1 verläuft. Eine Phase eines längs der optischen Achse 1 1 einfallenden Lichtstrahls wird in dem Teilbereich 3 daher unabhängig von der Polarisation des Lichtstrahls verzögert. Alternativ könnte das Plattensegment 7 in dem Teilbereich 3 daher auch aus einem nichtdoppelbrechenden Material ausgebildet sein. Das Plattensegment 8 bildet für einen ersten längs der optischen Achse 1 1 einfallenden Lichtstrahl mit einer längs einer wirksamen Kristallachse 19 des doppelbrechenden Materials 15 verlaufenden linearen Eingangspolarisationsrichtung eine λ/4-Platte aus, so dass es die Phasen dieses Lichtstrahls, soweit er durch den Teilbereich 4 hindurchtritt, gegenüber den Phasen des Lichtstrahls, soweit er durch den Teilbereich

3 hindurchtritt, um π/2 verzögert. Für einen zweiten Lichtstrahl mit einer orthogonal zu der wirksamen Kristallachse 1 9 u nd der optischen Achse 1 1 verlaufenden linearen Eingangspolarisationsrichtung tritt diese unterschiedliche Phasenverzögerung in den Teilbereichen 3 und

4 nicht auf.

Das doppelbrechende Material 16 in dem Teilbereich 5 weist eine parallel zu der wirksamen Kristallachse 19 verlaufende wirksame Kristallachse 20 auf. Für den längs der optischen Achse 1 1 einfallenden ersten Lichtstrahl mit der linearen Eingangspolarisationsrichtung längs der wirksamen Kristallachsen 19 und 20 bildet das Plattensegment 9 eine λ/2-Platte aus, so dass die Phase dieses Lichtstrahls in dem Teilbereich 5 gegenüber dem Teilbereich 3 um π verzögert wird. Die Phase des zweiten Lichtstrahls mit der orthogonal zu der optischen Achse 1 1 und der wirksamen Kristallachse 20 verlaufenden Eingangspolarisationsrichtung wird hingegen auch in dem Teilbereich 5 nicht anders verzögert als in dem Teilbereich 3. Das doppelbrechende Material 17 in dem Teilbereich 6 weist eine wirksame Kristallachse 21 auf, die parallel zu den wirksamen Kristallachsen 1 9 und 20 verläuft. Für den ersten Lichtstrahl mit der linearen Eingangspolarisationsrichtung längs der wirksamen Kristallachsen 19 bis 21 bildet das Plattensegment 10 eine 3 /4-Platte aus, so dass seine Phasen gegenüber dem Teilbereich 3 um 3π/2 verzögert werden. Für den zweiten Lichtstrahl mit der zu der optischen Achse 1 1 und den wirksamen Kristallachsen 19 bis 21 orthogonal verlaufenden linearen Eingangspolarisationsrichtung tritt dieser Effekt nicht auf, so dass sich auch in dem Teilbereich 6 für ihn keine zusätzliche Phasenverzögerung gegenüber dem Teilbereich 3 ergibt.

Zusammenfassend bildet die Vorrichtung 1 für den ersten Lichtstrahl mit der orthogonal zu der optischen Achse 1 1 und parallel zu den wirksamen Kristallachsen 19 bis 21 verlaufenden Ein- gangspolarisationsrichtung eine diskretisierte Phasenuhr aus mit in der Richtung 12 von dem Teilbereich 3 an in π/2-Schritten gegen 2π ansteigenden Phasenverzögerungen. Für den zweiten Lichtstrahl mit der orthogonal zu der optischen Achse 1 1 und den wirksamen Kristallachsen 19 bis 21 verlaufenden linearen Eingangspolarisationsrichtung ergeben sich hingegen in den verschiedenen Teilbereichen 3 bis 6 keine verschiedenen Auswirkungen auf seine Phase. Dies schließt jedoch nicht aus, dass in den verschiedenen Teilbereichen 3 bis 6 Phasenverzögerungen auftreten, die sich um ein ganzzahliges Vielfaches von 2π unterscheiden.

Insbesondere kann die Vorrichtung 1 als easySTED-Phasenplatte Verwendung finden, wobei sie Fluoreszenzanregungslicht mit der linearen Eingangspolarisationsrichtung orthogonal zu der optischen Achse 1 1 und den wirksamen Kristallachsen 19 bis 21 unbeeinträchtigt lässt, so dass es von einem nachgeschalteten Objektiv so fokussiert wird, dass sich im Fokus ein Intensitätsmaximum des Fluoreszenzanregungslichts ergibt, während sie die Phasenfronten von Fluoreszenzverhinderungslicht mit einer linearen Eingangspolarisationsrichtung längs der wirksamen Kristallachsen 19 bis 21 so deformiert, dass es beim Fokussieren am Ort des Intensitätsmaximums des Anregungslichts ein lokales Intensitätsminimum, vorzugsweise eine Nullstelle, ausbildet, die in der Fokalebene allseitig von Intensitätsmaxima des Fluoreszenzverhinderungslichts begrenzt ist. Fig. 2 zeigt zwei segmentierte Phasenplatten 22 und 23, die in Richtung der optischen Achse 1 1 aufeinander zu stapeln sind, um eine Vorrichtung 1 zu erhalten, die in ihren vier Teilbereichen 3 bis 6 dieselben verschiedenen Phasenverzögerungen selektiv für den ersten Lichtstrahl mit der linearen Eingangspolarisationsrichtung längs der wirksamen Kristallachsen bewirkt. Die segmen- tierte Phasenplatte 22 weist nur zwei Plattensegmente 24 und 25 auf, die sich über jeweils zwei Teilbereiche 3 und 4 bzw. 5 und 6 der resultierenden Vorrichtung 1 erstrecken. Dabei bestehen beide Plattensegmente 24 und 25 aus demselben doppelbrechenden optischen Material 26, und sie weisen dieselbe Dicke oder Materialstärke längs der optischen Achse 1 1 auf. I n dem Plattensegment 24 ist die optische Kristallachse 27 des doppelbrechenden Materials 26 parallel zu der optischen Achse 1 1 ausgerichtet. I n dem Plattensegment 25 verläuft die wirksame Kristallachse 28 des doppelbrechenden Materials 26 parallel zu den wirksamen Kristallachsen 20 und 21 gemäß Fig. 1 . Dabei bildet das Plattensegment 25 für den längs der optischen Achse 1 1 einfallenden ersten Lichtstrahl mit der parallel zu der wirksamen Kristallachse 28 verlaufenden Eingangspolarisationsrichtung eine λ/2-Platte aus.

Die auf die segmentierte Phasenplatte 22 von oben oder unten längs der optischen Achse 1 1 zu stapelnde segmentierte Phasenplatte 23 umfasst vier Plattensegmente 29 bis 32. Davon überdecken die Plattensegmente 29 und 30 bei der Vorrichtung 1 das Plattensegment 24 und die Plattensegmente 31 und 32 das Plattensegment 25. Alle Plattensegmente 29 bis 32 bestehen aus demselben doppelbrechenden optischen Material 33. Dabei kann das doppelbrechende optische Material 33 identisch mit dem doppelbrechenden Material 26 sein. In allen Plattensegmenten 29 bis 32 weist das doppelbrechende Material 33 dieselbe Dicke oder Materialstärke längs der optischen Achse 1 1 auf. In den Plattensegmenten 29 und 31 ist die optische Kristallachse 34 des doppelbrechenden Materials 33 parallel zu der optischen Achse 1 1 ausgerichtet. In den Plattensegmenten 30 und 32 verläuft die wirksame Kristallachse 35 des doppelbrechenden Materials 33 parallel zu den wirksamen Kristallachsen 19 und 21 gemäß Fig. 1 . Dabei bilden die Plattensegmente 30 und 32 für den längs der optischen Achse 1 1 einfallenden ersten Lichtstrahl mit der parallel zu der wirksamen Kristallachse 35 verlaufenden Eingangspolarisationsrichtung jeweils eine λ/4-Platte aus.

Durch das Stapeln der beiden segmentierten Phasenplatten 22 und 23 ergeben sich in den Teilbereichen 3 bis 6 die anhand von Fig. 1 erläuterten Phasenverzögerungen. Diese werden mit jeweils gleichen Materialstärken längs der optischen Achse 1 1 in allen Teilbereichen 3 bis 6 erzielt und durch Ausbildung einer herkömmlichen λ/2-Platte durch das Plattensegment 25 und von zwei herkömmlichen λ/4-Platten durch die Plattensegmente 30 und 32.

Fig. 3 zeigt eine Erweiterung des Konzepts gemäß Fig. 2 mit zwei aufeinander zu stapelnden segmentierten Phasenplatten in Bezug auf die Anzahl der resultierenden verschiedenen Teil- bereiche 3 bis 6 der Vorrichtung 1. Gemäß Fig. 3 weist eine segmentierte Phasenplatte 36 drei Plattensegmente 37 bis 39 auf, auf denen beim Stapeln jeweils drei Plattensegmente 40 bis 42, 43 bis 45 bzw. 46 bis 48 einer stärker segmentierten Phasenplatte 49 angeordnet werden. Dabei sind die optischen Kristallachsen 50 bis 53 der Plattensegmente 37, 40, 43 und 46 jeweils parallel zu der optischen Achse 1 1 angeordnet, und die verbleibenden Phasenplatten bilden selektiv für den längs der optischen Achse 1 1 einfallenden ersten Lichtstrahl mit der in Fig. 3 horizontal verlaufenden linearen Eingangspolarisationsrichtung Phasenplatten mit den in Fig. 3 angegebenen Verzögerungswerten. Für den ersten Lichtstrahl mit dieser linearen Eingangspolarisationsrichtung resultiert aus dem Stapel der segmentierten Phasenplatten 36 und 49 eine diskretisierte Phasenuhr mit in einer in der Richtung 12 gemäß Fig. 1 um die optische Achse 1 1 in Schritten von 2π/9 ansteigenden Phasenverzögerung.

Die nachfolgende Tabelle 1 gibt in der Doppelspalte "1 . Segmentierte Phasenplatte" die durch die segmentierte Phasenplatte 36 gemäß Fig. 3 bewirkten Phasenverzögerungen für den ersten Lichtstrahl mit der auf die wirksame Kristallachse des doppelbrechenden Materials abgestimmten linearen Eingangspolarisationsrichtung an. Die mit "2. Segmentierte Phasenplatte" überschrie- bene Doppelspalte dokumentiert die durch die Plattensegmente der segmentierten Phasenplatte 49 gemäß Fig. 3 erzielten Phasenverzögerungen. Die dritte, mit "3. Segmentierte Phasenplatte" überschriebene Doppelspalte ergänzt weitere mögliche Phasenverzögerungen durch die Plattensegmente einer weiteren gestapelten segmentierten Phasenplatte. Die in den hier insgesamt 27 verschiedenen Teilbereichen der gesamten Vorrichtung resultierenden Phasenverzögerungen für den ersten Lichtstrahl mit der auf die wirksamen Kristallachsen abgestimmten linearen Eingangspolarisationsrichtung ergibt sich als Summe über die jeweiligen Zeilen der Tabelle 1 . Die Phasenverzögerungen steigen bei einem Umlauf um die optische Achse 1 1 in der Richtung 12 gemäß Fig. 1 in Schritten von 2π/27 gegen 2π an. Tabelle 1

Fig. 4 illustriert, dass bei der Vorrichtung 1, die grundsätzlich der Ausführungsform gemäß Fig.2 mit zwei gestapelten segmentierten Phasenplatten 22 und 23 entspricht, vor den Teilbereichen 3 bis 6 ein Polansationsrotator 54 angeordnet ist. Der Polansationsrotator 54 kann beispielsweise als Pockelszelle 55 ausgebildet sein und eine zirkuläre Eingangspolarisation eines Eingangslichtstrahls 56 alternierend in zueinander orthogonale und orthogonal zu der optischen Achse 11 verlaufende lineare Eingangspolarisationsrichtungen ändern. So treten aus dem Polansationsrotator 54 alternierend der erste Lichtstrahl 57 mit der Eingangspolarisationsrichtung aus, die längs der wirksamen Kristallachsen der segmentierten Phasenplatten 22 und 23 verläuft, und der zweite Lichtstrahl 58, dessen lineare Eingangspolarisationsrichtung orthogonal zu den wirksamen Kristallachsen des doppelbrechenden Materials der segmentierten Phasenplatten 22 und 23 verläuft.

BEZUGSZEICHENLISTE Vorrichtung

segmentierte Phasenplatte

Teilbereich

Teilbereich

Teilbereich

Teilbereich

Plattensegment

Plattensegment

Plattensegment

Plattensegment

optische Achse

Richtung

gestrichelte Linie

doppelbrechendes Material

doppelbrechendes Material

doppelbrechendes Material

doppelbrechendes Material

optische Kristallachse

wirksame Kristallachse

wirksame Kristallachse

wirksame Kristallachse

segmentierte Phasenplatte

segmentierte Phasenplatte

Plattensegment

Plattensegment

doppelbrechendes Material

optische Kristallachse

wirksame Kristallachse

Plattensegment

Plattensegment

Plattensegment

Plattensegment doppelbrechendes Material optische Kristallachse wirksame Kristallachse segmentierte Phasenplatte Plattensegment

Plattensegment

Plattensegment

Plattensegment

Plattensegment

Plattensegment

Plattensegment

Plattensegment

Plattensegment

Plattensegment

Plattensegment

Plattensegment segmentierte Phasenplatte optische Kristallachse optische Kristallachse optische Kristallachse optische Kristallachse Polarisationsrotator Pockelszelle

Eingangslichtstrahl erster Lichtstrahl zweiter Lichtstrahl