顯微鏡以及用于顯微鏡的聲光合束器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于顯微鏡、尤其是掃描顯微鏡的合束器，其接收至少第一照明光束和第二照明光束并且將它們組合成共線輸出光束，其中該第一照明光束和第二照明光束具有相同的照明光波長，但具有不同的偏振、尤其是線偏振。
[0002]本發(fā)明還涉及一種具有這種聲光合束器的顯微鏡，并且涉及這種聲光合束器在照射樣品時的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0003]在顯微鏡中，尤其在掃描顯微鏡或者共焦掃描顯微鏡中，通常借助照明光束來照射樣品，該照明光束是通過組合多個照明光束而產(chǎn)生的，以便觀察從被照射的樣品發(fā)出的反射光或焚光。
[0004]例如在掃描顯微術(shù)中，這種照明光束的焦點可以借助可控制的光束偏轉(zhuǎn)裝置(一般通過傾斜兩個反射鏡)在樣本平面中移動;偏轉(zhuǎn)軸通常相互垂直，以使得一個反射鏡在X方向上偏轉(zhuǎn)，另一個反射鏡在Y方向上偏轉(zhuǎn)。反射鏡的傾斜例如借助檢流計定位元件來實現(xiàn)。源自樣本的光的功率水平根據(jù)掃描光束的位置來測量。這些定位元件通常配備有用來獲知當(dāng)前反射鏡位置的傳感器。
[0005]特別在共焦掃描顯微術(shù)中，利用照明光束的焦點三維地掃描樣本。共焦掃描顯微鏡通常包含光源、聚焦光學(xué)系統(tǒng)(光源的光通過聚焦光學(xué)系統(tǒng)聚焦在孔上，該孔被稱為“激發(fā)針孔”)、分束器、用于光束控制的光束偏轉(zhuǎn)裝置、顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)、探測針孔以及用于探測所探測的光或熒光的探測器。該照明光例如通過分束器耦合。
[0006]源自樣本的熒光通過光束偏轉(zhuǎn)裝置返回至分束器，通過分束器，然后被聚焦到探測針孔上，探測器位于該探測針孔的后面。不直接源于焦點區(qū)域的探測光采取不同的光路并且不通過探測針孔，因此獲得點信息項，從而通過樣本的順序掃描得到三維圖像。
[0007]為了組合具有不同波長的光束，在光學(xué)系統(tǒng)中通常使用二色性的分束器。DE19633 185 Al例如公開了一種用于激光掃描顯微鏡的點光源以及一種用于將具有不同波長的至少兩個激光器的光耦合至激光掃描顯微鏡中的方法。該點光源模塊化地構(gòu)成并且包含二色性的合束器，合束器將至少兩個激光光源的光組合起來并且將其耦合至通向顯微鏡的光導(dǎo)纖維中。
[0008]以二色性的分束器為基礎(chǔ)的布局的缺點是，其針對特定的波長被限定并且因此改變非常麻煩，即通過更換二色性的分束器。
[0009]EP 165 65 78 Al公開了一種用于共線地組合具有不同波長的光束的光學(xué)設(shè)備。該設(shè)備包含色散元件和成像光學(xué)系統(tǒng)，它們定義了分割平面，在該分割平面中，位置與每個光波長相關(guān)聯(lián)。在分割平面中設(shè)置有微結(jié)構(gòu)元件，它使來自不同方向的、在對應(yīng)于其波長的位置上聚焦的光束經(jīng)由成像光學(xué)系統(tǒng)引導(dǎo)至該色散元件，該色散元件共線地組合光束。然而，該設(shè)備在技術(shù)方面、特別地在校準(zhǔn)方面非常復(fù)雜，并且不允許非?？斓霓D(zhuǎn)換時間。
[0010]EP 215 85 13 Al公開了一種合束器，用于將至少兩個光束組合成一個組合光束，尤其在優(yōu)選顯微鏡的光學(xué)裝置的光路中。該合束器的特征在于聲光元件，在該聲光元件中能夠產(chǎn)生用來偏轉(zhuǎn)或衍射光束的機械波，因此進(jìn)入聲光元件的第一光束和至少一個進(jìn)入聲光元件的第二光束作為組合的光束相互共線地離開該聲光元件。該文獻(xiàn)沒有公開波長相同、但偏振不同的光束的組合。
[0011]從EPO 473 071 BI也已知借助偏振分束器組合光束。然而，后果是，這種配置與具有二色性的分束器的設(shè)備一樣使用不靈活，特別地涉及主要組件的更換。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]因此，本發(fā)明的目標(biāo)是描述一種合束器，其允許波長相同、但偏振不同的照明光束的組合，并且能夠簡單且快速地適應(yīng)變化的照明需求。
[0013]該目標(biāo)通過一種合束器得以實現(xiàn)，其中，該合束器被實現(xiàn)為聲光合束器并且被構(gòu)造和操作，以使得通過與至少一個機械波相互作用，第一照明光束和第二照明光束被衍射，并因此指向共同的光軸。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的合束器的優(yōu)點尤其在于，聲光合束器能夠非?？焖俚卦趲孜⒚雰?nèi)轉(zhuǎn)換。由此例如能夠快速中斷或再次釋放照明光束。根據(jù)本發(fā)明的合束器的優(yōu)點尤其還在于，能夠快速地轉(zhuǎn)換成其它波長或其它波長組合。
[0015]這種聲光合束器的操作的方式基本上基于耦合的照明光束與一個機械波或多個機械波的相互作用。
[0016]聲光組件通常由所謂的聲光晶體構(gòu)成，電子轉(zhuǎn)換器(在文獻(xiàn)中通常稱為“換能器”)安裝在該晶體上。該轉(zhuǎn)換器通常包含壓電材料以及位于其上方的一個電極和位于其下方的一個電極。利用無線電頻率(其典型地位于30MHz和800MHz之間)對電極的電激活，使壓電材料振動，因此能夠產(chǎn)生聲音波(即聲波)，該聲波在產(chǎn)生之后穿過該晶體。聲波通常在經(jīng)過光學(xué)相互作用區(qū)之后在晶體的相對側(cè)上吸收或反射出去。
[0017]聲光晶體由于以下事實而值得關(guān)注，即所產(chǎn)生的聲波改變了晶體的光學(xué)特征，由此通過聲音感應(yīng)出一種光柵或者類似的光學(xué)活性結(jié)構(gòu)，例如全息圖。穿過該晶體的光經(jīng)歷光柵處的衍射。光在衍射方向上被相應(yīng)地引導(dǎo)至不同的衍射級別。存在影響所有的入射光(幾乎不考慮波長)的聲光組件。僅通過示例，可以參考例如聲光調(diào)制器(AOM)、聲光偏轉(zhuǎn)器(AOD)或移頻器的組件。還存在例如選擇性地根據(jù)輻射的無線電頻率作用于單獨的波長的組件(聲光可調(diào)諧濾波器，A0TF)。聲光元件通常由雙折射晶體(例如氧化碲)構(gòu)成;相應(yīng)的元件的光學(xué)效果特別地由晶軸相對于光的入射方向及其偏振的位置來確定。
[0018]尤其當(dāng)例如在聲光合束器中使用AOTF時，該機械波必須具有特定的頻率，以使得針對具有期望的照明光波長和期望偏振的光恰好滿足布拉格條件。在這些聲光組件中，未滿足布拉格條件的光不會被機械波偏轉(zhuǎn)。
[0019]在根據(jù)本發(fā)明的合束器的特別簡單的實施例中(它例如可以包含商業(yè)通用的A0TF)，聲光合束器包括晶體，具有不同聲頻的第一和第二機械波同時地通過該晶體傳播，其中該晶體和機械波的傳播方向相對于彼此并且分別相對于入射到該晶體中的照明光束定向，以使得第一照明光束在第一機械波處被衍射，且第二照明光束在第二機械波處被衍射，并因此被引導(dǎo)到共同的光軸。
[0020]在該情況下特別有利的是，該組合的照明光束通過垂直于照明光束的傳播方向定向的出射表面離開該晶體。在波長改變時或如果照明光束包括多個波長，照明光束的方向改變或空間分割不會發(fā)生。
[0021]然而，該實施例的缺點是，為了偏轉(zhuǎn)波長相同、但偏振不同的兩個照明光束，必須生成兩個不同的機械波。由此，用于機械波的發(fā)生器(例如設(shè)置在晶體上的壓電元件)必須同時加載兩個不同的電磁HF波。結(jié)果，不利的是，雙倍的熱功率被引入到該晶體或這些晶體中，這最終會降低衍射效率，并且由于不可避免的溫度波動，還會導(dǎo)致抵達(dá)樣品和探測器的光的偏轉(zhuǎn)方向和光功率水平出現(xiàn)波動。此外如果機械波的頻率范圍重疊，則可能出現(xiàn)“拍頻”現(xiàn)象，這最終會使抵達(dá)樣品和/或探測器的光的光功率水平出現(xiàn)周期性的波動。該問題特別地基于以下事實，即機械波本來不可能具有無限窄的(即單一的)聲頻，而總是必須存在中心頻率附近的頻率范圍。
[0022]因此，在特別有利的實施方式中，不使用商業(yè)通用的A0TF。而是，聲光合束器包括晶體，具有與第一和第二照明光束的波長相關(guān)聯(lián)的聲頻的機械波通過該晶體傳播，其中該晶體和機械波的傳播方向相對于彼此并且分別相對于入射到該晶體中的照明光束定向，以使得第一照明光束和第二照明光束都在該機械波處被衍射，并因此引導(dǎo)到共同的光軸上。
[0023]在此可規(guī)定，特別地，第一照明光束被線性地偏振并且具有線偏振方向，其就晶體的雙折射特性而言是尋常光的線偏振方向；和/或第二照明光束被線性地偏振并且具有線偏振方向，其就晶體的雙折射特性而言是非尋常光的線偏振方向。還可以規(guī)定，特別地，第一照明光束的線偏振方向或第二照明光束的線偏振方向設(shè)置在由機械波的傳播方向和探測光束的傳播方向跨越的平面中。
[0024]這種聲光合束器的具體構(gòu)造、尤其是晶體相對于機械波的傳播方向和照明光束的傳播方向的定向、以及機械波和照明光束相對于彼此的定向、以及入射表面和出射表面相對于彼此以及相對于晶體的光軸的定向可以例如根據(jù)下面描述的迭代法進(jìn)行設(shè)計；優(yōu)選地，該方法不是基于真實的組件來實施(盡管這也是可行的)，而是以機算機模擬來代替，直到晶體形狀、這些表面和晶格的的定向、機械波的傳播方向的定向以及照明光束的傳播方向的各個參數(shù)符合期望的需求。當(dāng)在機算機模擬中以這種方式獲得了所有相關(guān)的參數(shù)時，晶體隨后可以在另一步驟中被制造。
[0025]在該情況下，例如，可以首先根據(jù)上述實施例繼續(xù)進(jìn)行，聲光合束器包括商業(yè)通用的晶體，不同聲頻的第一和第二機械波實際上需要同時通過該晶體傳播，以便將第一照明光束和第二照明光束引導(dǎo)到共同的光軸上。
[0026]相反的光路被考慮用于該迭代法;并且在相反的光路上，第一照明光束和第二照明光束通過(優(yōu)選垂直定向的)出射表面共線地耦合到晶體中，但在該晶體中僅生成第一機械波。結(jié)果是，只有第一照明光束在機械波處被衍射，而第二光束未偏轉(zhuǎn)地穿過該晶體，該第二光束具有相同的波長，但具有另一線偏振方向。
[0027]隨后，該晶體優(yōu)選地在由入射的共線照明光束和機械波的傳播方向跨越的平面中旋轉(zhuǎn)，并且因此也改變機械波的傳播方向和晶軸之間的角度，直到具有兩個線偏振部分的兩個照明光束被該機械波偏轉(zhuǎn)。
[0028]然而，旋轉(zhuǎn)的結(jié)果通常是，該出射表面不再與入射的共線照明光束垂直。為此，在下一個迭代步驟中，在不旋轉(zhuǎn)晶體的情況下改變晶體的形狀，以使得該出射表面再次垂直于入射的共線照明光束。
[0029]然而，晶體形狀的改變的結(jié)果通常是，具有照明光波長的兩個線偏振部分可以不再各自借助機械波偏轉(zhuǎn)。為此，之后再次旋轉(zhuǎn)該晶體，直到再次滿足該條件。隨后重復(fù)已描述的其它迭代步驟。
[0030]執(zhí)行足夠數(shù)量的迭代循環(huán)，直到滿足兩個線偏振部分的同時偏轉(zhuǎn)的條件以及共線光輸出的條件。通常，該方法非常快速地收斂，以使得在少量迭代循環(huán)之后就達(dá)到了目標(biāo)。
[0031]在特定實施例中，分別關(guān)注晶體的旋轉(zhuǎn)，就反向行進(jìn)的照明光的線