用于显微镜的照明总成、显微镜和用于照明显微镜中的样本空间的方法与流程

用于显微镜的照明总成、显微镜和用于照明显微镜中的样本空间的方法
1.本技术是申请号为201980053684.2且发明名称为“用于显微镜的照明总成、显微镜和用于照明显微镜中的样本空间的方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
2.本发明涉及一种用于显微镜特别是光片式显微镜或spim显微镜或斜面显微镜如opm显微镜或scape显微镜的照明总成，用来利用光片照明样本，其中，该照明总成包括用于沿着照明总成的光轴馈入照明光束的照明输入端、面向样本侧的用于把照明光束输出至样本侧的照明输出端和固定清晰深度的聚焦的光学系统。
3.本发明还涉及一种显微镜特别是光片式显微镜或spim显微镜或斜面显微镜如opm显微镜或scape显微镜和一种用于照明显微镜特别是光片式显微镜或spim显微镜或斜面显微镜如opm显微镜或scape显微镜中的样本空间的方法。


背景技术：

4.上述各显微镜具有如下共同之处：利用所谓的光片对样本进行照明，该光片两维地延伸，并且沿着垂直于两维的延展距离的厚度方向具有最小的延展距离。在这种情况下就是所谓的静态光片，而所谓的虚拟光片通过如下方式才产生：具有例如圆形光线横截面的照明光束聚焦，并且沿着垂直于传播方向和厚度方向的方向扫描，从而在扫描运动足够快时看起来产生了光片。
5.光片要尽量薄，以便仅仅照明沿着探测方向受限的样本区域。但是，很薄的光片具有太小的清晰深度，也就是说，在传播方向上的延展距离太小，以便利用薄的光片大面积地照明样本。
6.其中，在这种情况下，前后相继地引入多个扫描步骤，以便产生更长的所谓的虚拟光片。这带来了较长的记录时间。


技术实现要素：

7.本发明的目的因而是，提出允许较短的记录时间的照明总成、显微镜和方法。
8.开篇提到的照明总成以如下方式来实现所述目的：该照明总成具有用于几何地修改照明光束的至少一个光学的修改部件，其中，在照明总成的样本侧的照明输出端，照明光束的不同的光线在轴区段区域中与光轴相交，并且轴相交区域沿着光轴延伸至少经过聚焦的光学系统的清晰深度。
9.开篇提到的根据本发明的显微镜以如下方式来实现上述目的：显微镜包括样本空间和根据本发明的用于利用光片来照明该样本空间的照明总成。
10.根据本发明的方法以如下方式来实现上述目的：该方法包括如下方法步骤：沿着光轴把照明光束馈入到照明总成的照明输入端中，该照明总成带有固定清晰深度的聚焦的光学系统；在轴相交区域中产生照明光束的光线与光轴的交点，该轴相交区域沿着光轴延
伸至少经过聚焦的光学系统的清晰深度。
11.根据本发明的照明总成、根据本发明的显微镜和根据本发明的方法可以通过下面的分别相互独立的可组合的设计予以进一步的改善。
12.样本侧的照明输出端也可以称为照明输出端或样本侧的输出端。照明光路的几何修改是对该照明光路的传播的几何参数的改变，例如照明光路的方向或会聚/发散。同样，可以通过光学的修改部件来修改光谱相关的传播参数。
13.根据本发明的照明总成尤其可以具有轴相交区域，该轴相交区域沿着光轴伸展一段长度，该长度大于已知的照明总成的轴相交区域的长度，已知的照明总成没有根据本发明的光学的修改部件。因而，如果光学的修改部件远离根据本发明的照明总成，则沿着光轴测量，轴相交区域的长度较小。相反，给已知的照明总成增加根据本发明的光学的修改部件增大了该照明总成的轴相交区域的长度。
14.清晰深度可以通过聚焦的光束的面积或强度来规定。在清晰深度内部，垂直于传播方向的横截面积可以加倍，或者强度可以减半。
15.清晰深度可以优选是根据瑞利规定的瑞利清晰深度。
16.清晰深度可以视为长度，特别是沿着传播方向的路径的长度，光束的直径例如fwhm-直径(即在半个最大值情况下全额宽度的直径)沿着该长度并不明显变化(即例如加倍)。
17.对于近轴的光线，清晰深度可以通过瑞利长度来规定，或者通过它予以描述。
18.特别地，轴相交区域可以延伸经过至少三个、四个、五个乃至超过10个或20个的清晰深度，照明光束的不同的光线在该轴相交区域中与光轴相交。
19.根据本发明，照明光束因而适当失真，使得照明光束的光线与光轴的交点至少沿着聚焦的光学系统的清晰深度伸展或分布。
20.瑞利长度是在高斯光学中规定的一种特性，其说明在从聚焦光线的光线腰部起测量经过多长的传播路径之后光线横截面的面积加倍，或者光线半径已增大了倍。双倍的瑞利长度可以称为清晰深度。瑞利长度只是针对近轴光线规定的。对于明显聚焦的光线，清晰深度例如可以通过公式λ/na2来近似，其中，λ是光线的波长，na是聚焦的光学系统的数值孔径。
21.如上所述，瑞利长度来自于对高斯光线传播的观察，但在对聚焦的光学系统的光瞳予以照明时形成光学系统的一种固定的特性(对于na》0.4，见上面)，该光学系统具有给定的数值孔径(na《0.4)，并且光线具有高斯轮廓和不变的波长。
22.所用的物镜可以是能遮光的，从而能够观察有效地被物镜使用的孔径。该孔径通常小于在完全地照明给定na的物镜时的孔径。有效的孔径减小了na，其中，同样可以通过不完全的照明即对物镜的照明不足来减小na。
23.与瑞利长度相反，照明光束的不同光线与光轴的交点来自于对几何光学件的观察，其中，光轴特别是可以通过聚焦的光学系统来确定。但由于瑞利长度或清晰深度被视为光学系统的特定特征，所以在轴相交区域与瑞利长度相关方面并无矛盾，该轴相交区域含有照明光束的不同光线与光轴的全部交点。
24.根据本发明的照明总成可以被设计用来接纳包括单色波长或多个波长的照明系统，并且朝向样本侧输出。
25.聚焦的光学系统可以是限制衍射的光学系统，其没有成像误差或具有最小的成像误差。
26.在根据本发明的照明总成的另一设计中，光学的修改部件可以具有至少一个带球面像差的透镜，或者具有带球面像差的透镜系统。这例如可以按简单的方式，通过采用大孔径的球面透镜来实现。
27.也可以选用引起球面像差的透镜朝向。由此，照明光束的折射例如可以不均匀地分布到透镜的或透镜系统的界面上。同样，可以采用专门地设计有球面像差的且打磨的透镜。光学的修改部件的示范性的且非限定性的设计因而是(a)球面透镜；(b)非球面透镜，该透镜与其规格不同地工作；或者(c)任意形式的具有球面像差的透镜或光学件。
28.通常，照明光束的不同光线的交点的偏差或偏移与入射光瞳中相应光线相距光轴的距离有关。在诸如照明总成的光学系统的照明侧的物体侧(即并非在光瞳中)，其为会引起球面像差的光线的不同角度。
29.同样可行的是，规定在浸渍液体中应用的光学系统可在没有所述浸渍液体的情况下工作。这种失配(不匹配)已经导致球面像差。
30.现有技术的照明总成大多以大的代价通过提供这些无像差的焦点予以矫正。故意的失真，即施加以球面像差，具有如下优点：照明光束特别是光片的清晰深度(双倍的瑞利长度)可以在厚度方向上增大，并且窄的横截面略微增大或者在理想情况下保持不变。
31.具有球面像差并且形成光片的光线，具有特定的横向光线轮廓。该光线轮廓的主要特征是，照明光线的强度沿着垂直于传播方向的方向具有宽的基座，该基座通常具有中央的尖峰，即强度最大值。尖峰由照明光束的不同光线的焦点(依照光线与光轴的交点)组成，其中，这些焦点沿着光轴彼此间隔开，并且沿着轴相交区域伸展。
32.而基座包括照明光束的一些光线，这些光线在光轴的观察位置沿照明光束的传播方向要么尚未聚焦(也就是说，这些光线沿传播方向在较远位置与光轴相交)，要么已经失焦(也就是说，这些光线逆着传播方向在较远位置聚焦，并且在观察位置已经又失焦)。
33.通常，相比于在尖峰处，照明光束的强度在基座中较小，例如可以仅为小于尖峰强度的25％，或者甚至小于其10％。特别有利的是，功率即强度x面积，在尖峰处不大于在基座中。
34.狭窄的尖峰可以用于沿着一长度照明样本中的狭窄区域，该长度大于限制衍射的无像差的聚焦光学系统的清晰深度。
35.而基座照明尖峰周围的明显较大的区域(在厚度方向上观察，其中，厚度方向垂直于照明光束的传播方向朝向)。
36.对于静态的光片，在光片的平面中通常观察不到或者几乎观察不到球面像差。
37.在虚拟的光片中，可以沿着两个垂直于传播方向的轴出现球面像差。该平面中的球面像差通过扫描予以匀整，沿着厚度方向，球面像差对基座是不利的。
38.在另一设计中，照明光束可以只沿着厚度方向具有球面像差，或者只能由光学的修改部件把这种像差施加到照明束上。
39.由于上述显微镜和显微方法基于借助光片在狭窄的区域中照明样本，基座因而会降低被照明的区域的成像质量。
40.球面像差可以特别是各向异性地在光片中出现。优选地，像差可以在由传播方向
和厚度方向形成的光片平面中出现。
41.在根据本发明的照明总成的另一设计中，可以设置相位调制器，其根据相对于光轴的空间位置来改变照明光束的相位。相应的根据本发明的方法的特征因而在于，在该方法中，根据相对于光轴的空间位置来局部地改变照明光束的相位。
42.相位调制器因而对聚焦的光学系统施加以球面像差，或者，如果聚焦的光学系统已经具有球面像差，则可以加强该球面像差。
43.相位调制器例如可以设计成可变形的反射镜，其要么具有球形形状，要么尤其可以经过变形，从而对照明光束施加球面像差。
44.可变形的反射镜通过改变照明光束的各个部分或光线的路径长度来实现相位改变。作为相位调制器，同样可以采用空间的光调制器，其允许折射率的空间改变，因而根据空间来改变光学的路径长度。空间的光调制器可以对照明光束施加球面像差，特别是可改变的球面像差，即照明光束失真。
45.如果希望相位的固定的变化，则可以把相位调制器设计成静态的衍射相位板。该相位板与空间的光调制器类似地工作，但其中，不同折射系数的各区域是静态的并且不可改变。
46.在根据本发明的方法中，因而借助设计成可变形的反射镜、空间的光调制器或静态的(衍射的)相位板的相位调制器，使得照明光束失真，从而照明光束的光线与光轴的交点沿着聚焦的光学系统的至少双倍的清晰深度伸展或分布。
47.在根据本发明的照明总成的另一设计中，光学的修改部件可以设计成预定折射系数的三维的立体物体，并且布置在聚焦的光学系统的样本侧。这种光学的修改部件具有如下优点：该修改部件以其最简单的形式可以设计成玻璃块、梯级部件或梯级盘。玻璃块、梯级部件或梯级盘可以在聚焦的光学系统与样本之间安置到光路中，并且在该位置导致焦点位置轴向地移动(在照明光束的传播方向上)，并且同时施加球面像差。
48.在根据本发明的照明总成的另一设计中，可以设置至少一个光源，照明光束在该光源的输出端被输出，并且馈入到照明输入端中。
49.光源可以是单色光源，或者包括多个波长的光谱。光源还可以含有准直光学件，这些准直光学件使得由光源发出的光准直，并且输出准直的即平行的照明光束。
50.同样可行的是，光源含有使得照明光束在焦点聚焦的光学件。在这种设计中，照明总成的聚焦的光学系统可以尤其采用所谓的4f-构造来设计，也就是说，由光源的光学件产生的焦点位于聚焦的光学系统的物体侧的焦距中。
51.在根据本发明的照明总成的另一设计中，至少一个光源可以具有照明光束的焦点，其中，焦点的位置可以沿着光轴与聚焦的光学系统的(名义的)照明侧的焦平面错开地构造。可以针对所述名义的照明侧的焦平面，“计算”即优化物镜。
52.换句话说，采用该设计的照明总成构造不同于4f-构造。在传统的4f-构造中，光至少近乎准直地射入到物镜中，即物镜针对该情况予以优化(“计算”)。因而尤其当会聚的或发散的光射入到物镜中时实现如在前面段落中介绍的聚焦。与传统的4f-构造的这种差别对照明光束施加以球面像差。此外，在该总成中工作的聚焦的光学系统尤其可以被设计用来允许在并不与4f-构造相应的光学总成中射入照明光束，而并不阻挡或者切断在聚焦的光学系统中的部分照明光束。换句话说，聚焦的光学系统尤其可以适配于与4f-构造不同的
总成或照明。
53.同样可行的是，把另一透镜引入到光路中，以便由此不同于4f-构造，并得到非远心的光学系统。该光学系统也可以对照明光束施加以球面像差。
54.在本发明的其它设计中，所施加的球面像差的大小可以适配于待检查的物体的大小。
55.如果把光片的平面规定为xy-平面，并把光片的厚度方向规定为z-轴的方向，则以spim显微镜为例，沿着z-轴对由样本发出的光进行探测。在此，x-轴就是与纵向方向即光片的传播方向相应、进而与照明总成的光轴相应的轴。
56.换句话说，探测光学件的光轴垂直于光片朝向。因而如果把光片中的照明强度与位置相关地绘制在z-轴上，就会得到具有球面像差的光线的前述横向的光线轮廓，该光线轮廓包括尖峰和基座。
57.通过对照明光束施加以球面像差，可以在光片中产生轴向的调制，即沿着光轴对光强的调制。这种轴向的调制通过照明光束的光线的干涉而产生，这些光线通过像差而产生：照明光束的各光线在光片内部在不同的位置相交。在各光线彼此相干时，由于各光线相互干涉，这导致在xy-平面内(在该平面内形成光片)的强度分布沿着x-轴不均匀。
58.通过采用具有较短相干长度的光源，可以减少或者甚至避免这些轴向的调制。只有在所用光源的相干长度以内发生轴向的调制，从而可以在距离差上保留干涉区域，并可以生成均匀的光片。优选地，所用的光源的相干长度小于清晰深度，特别优选小于清晰深度的一半，更特别优选小于清晰深度的四分之一。非相干的光源或宽带的光源比如白光激光可以满足短相干长度的该条件。短脉冲激光器和超短脉冲激光器也可以适合于避免调制，因为这些调制具有短的相干波长(例如对于100fs的脉冲长度大致为30μm)。
59.特别优选地，光源比如宽带的激光光源或白光源具有小于1mm、优选小于0.5mm、进一步优选《100μm的相干长度。这种激光光源特别是短脉冲激光器或超短脉冲激光器优选具有由其发出的光脉冲的脉冲时长，该脉冲时长小于5ps，优选《2ps，进一步优选《1ps，特别优选处于小于100飞秒的范围内。
60.纯示范性地且非限定性地，作为可能的激光光源，要提及ti:蓝宝石激光器、基于nd或yb的激光器和如下激光器：这些激光器使得由它们发出的光谱例如在灯丝中即通常在非线性的光学装置中传播，进而形成宽带的、乃至倍频跨度的光源。
61.根据本发明的照明总成因而可以具有清单中的至少一个光源，该清单包括：-非相干的光源；-宽带的光源；-白光激光器；-短脉冲激光器；和-超短脉冲激光器。
62.光源可以优选地发出时长短于1皮秒(ps)的光脉冲，和/或具有小于100微米(μm)的相干波长。
63.替代地，形成光片的照明光束也可以振荡，如果探测器的曝光时间经过选择，从而轴向的调制被匀整，借助所述探测器来探测由样本发出的光。通过这种匀整，因而同样可以得到均匀地照射样本的光片，对于该匀整而言，曝光时间长于干涉的时间变化的周期时长。
64.原则上有两种可能的做法可用来减小或者避免所出现的并非所愿的干涉，即轴向的调制。作为第一种可行方案，可以通过选择所用照明光的合适的相干长度，即特别是通过适当地选择光源，尽量避免出现干涉。这在上面针对短相干长度的光源介绍过了。
65.但如果照明光束对称地射到对称地设计的修改部件上，则被光学的修改部件修改
过的边缘光线在其相交点表现出干涉，这些边缘光线参照光轴相对置，并且相距光轴具有相同的距离。然而，出现干涉所在的空间区域局部地由相关长度限定，并且还在这个本来就局部受限的区域中与照明光束的其它光线发生不受干扰的叠加，其中，照明光束的这些其它的光线并不满足相干条件，因而可以在局部受限的区域中导致均匀的强度提高。
66.减少或者避免因干涉所致的轴向调制的另一可行方案是，对这些调制在其产生之后或者在其产生期间通过合适的应对措施予以匀整。如上面已提及，这例如可以通过轴向调制的振荡来进行，这种振荡例如可以通过移动的光学部件来引起。在这种设计中，轴向的调制虽然随着移动的光学部件而移动，但这种移动可以经过选择，从而其相比于探测装置的曝光时间更快地进行。也就是说，例如，移动的光学部件的振动的周期时长大于记录时间(在这段时间期间，光片的图像成像在探测器上，并且产生相应的电信号)。这导致，探测的光强的比记录时间更快的变化被累积地即匀整地检测，轴向的调制因而不被探测或记录。
67.此外同样可行的是，得到的轴向的调制在以后，即在记录光片的图像之后，以计算方式去除。通过合适的可由计算机实施的程序，可以首先求取并分析(例如通过快速傅里叶变换fft)轴向的调制，随后通过相应地采用滤波器例如软件滤波器予以滤除，从而产生光片的均匀的强度分布。
68.为此可以规定参照测量或校准测量，在这些测量中照明并探测已知的样本。用于求取轴向调整和用于其去除的必需的设定可以存储在非易失性存储器中，并且在记录光片的其它图像时读出，并应用于测得的数据。由此可以只需校准测量，以便自动地通过采用先前求得的且存储的计算规则和/或通过对轴向调制的滤波，以计算方式去除光片的其它图像。
69.在其它设计中，根据本发明的方法可以包括如下方法步骤，以便进一步提高成像的质量：产生至少两个被施加以球面像差的照明光束；在样本侧叠加至少两个照明光束，并基于所述叠加来产生干涉结构；和(a)改变干涉结构的位置以及分析所得到的干涉结构，用于提高对比度，或者(b)使得干涉结构振荡，用于使得光片的照明强度均匀。
70.通过这些设计可行的是，样本的被探测的部分—其通过样本中的即光片的照明光束的横向的横截面的基座被照明—与尖峰的部分分开。
71.至少两个照明光束优选成一角度地相互叠加，且优选可彼此相对移动。这例如可以通过设有压电部件的反射镜来实现。
72.由于横向光线轮廓的基座包括照明光束的各个光线的尚未聚焦的或者已经失焦的部分，所以在此虽然可以形成这些光线部分的干涉，但因为这些光线部分并非位于探测物镜的名义的焦平面中，而是沿着相应的光轴位于该光轴之前和之后，因此这些干涉会非常模糊地或者不清晰地通过探测物镜而成像，从而并无基座的能看到的干涉结构被成像。
73.在横向光线轮廓的尖峰中的光线部分同样在形成明显的干涉结构情况下相互干涉，并且形成干涉图案，但该干涉图案被清晰地成像。
74.现在，针对根据(a)的方法，可以使得至少两个照明光束彼此相对移动，其中，该移动优选进行了干涉条纹的空间周期的整数的份额比如1/3(例如也为1/2；1/4；1/5等)。通过所述移动，仅仅来自探测光学件的焦平面的信号发生改变，而基座的信号部分并不改变。通过后续计算至少三个(2；4；5等)所记录的数据组，可以遮暗由基座产生的背景，并且提高对比度。
75.换句话说，根据(a)的方法设计描述了一种光学的高通滤波器。该高通滤波器把在探测光学件的焦平面(该焦平面相应于xy-平面，在该平面中形成光片，特别是通过尖峰形成的光片)中的空间频率高的干涉结构与低频的部分分开，这些低频部分在探测光学件的光轴方向上位于焦平面之上或之下。
76.替代地，在根据(b)的方法设计中，所产生的干涉结构可以彼此相对振荡地移动。例如，可以通过照明光束的振荡来使得干涉结构振荡，进而匀整，由此使得光片均匀。
附图说明
77.下面借助示范性的附图详述本发明。不同附图的技术特征可以任意地相互组合或省去，如果不指望省去的技术特征的技术效果的话。为明了起见，相同的部件以及相同功能的部件标有相同的标号。
78.图1为现有技术的spim显微镜的示意图；
79.图2a-2c示出根据本发明的照明总成的球面像差和横向光线轮廓；
80.图3示出根据本发明的照明总成的另一设计；
81.图4示出根据本发明的照明总成的另一设计；
82.图4a示出根据本发明的照明总成的另一设计；
83.图5示出根据本发明的照明总成的另一设计；
84.图6示出根据本发明的照明总成的另一设计；
85.图7示出根据本发明的照明总成的另一设计。
具体实施方式
86.图1中借助spim显微镜3示意性地示出了显微镜1。spim显微镜3也可以称为光片式显微镜3。
87.图1中所示的来自现有技术的spim显微镜3包括照明输入端5和样本侧的照明输出端6，通过照明输入端可以把照明光束7输入到照明总成9中，通过照明输出端可以输出照明光束7。所示的照明总成9还包括镜筒透镜11和聚焦的光学系统13，该光学系统设计成照明物镜15的形式。
88.照明光束7沿着光轴17馈入到照明总成9中，以及在样本侧19沿着光轴17输出。
89.在样本侧19，照明光束7的不同的光线21在聚焦区域23中聚焦。聚焦区域23以工作距离24离开聚焦的光学系统13，并且位于样本空间26中。照明总成9的图像侧的焦平面43位于该样本空间中。物体侧的焦平面45在图1中的左边示出。在不同的光线21中，仅给在镜筒透镜11与照明物镜15之间的三个光线标上了标号。光线21与光轴17重叠。
90.聚焦区域23在图1中被放大地示出，其中，放大部25示意性地示出了高斯光线传播。未放大的聚焦区域23根据几何光学模型被示出。
91.在该视图中，照明光束被收缩到光线腰部27。光线腰部27可以借助于光线腰部半径28或者用w0予以数字地检测和标明。双倍的光线腰部半径28等于光线腰部27处的光线直径27a。为明了起见，该光线直径相对于光线腰部27略微错开地标出。
92.聚焦区域23还以所谓的瑞利长度29为特征。瑞利长度29表示在x-轴的方向上或者逆着该方向在光线腰部27的位置与如下位置之间沿着x-轴测得的距离：光线直径27a在该
位置相比于光线腰部27增大了倍(2的平方根)。双倍的瑞利长度29也可以称为清晰深度31。在清晰深度31内部，聚焦区域23沿着与y轴相应的厚度方向33的展宽可以忽略不计。
93.对于静态的光片，聚焦区域23并非关于光轴17旋转对称地布置。在z-轴方向上和逆着该方向，所示的聚焦区域23并不改变，也就是说，聚焦区域23形成了光片35，该光片在y-方向和x-方向上即在xy-平面上伸展。
94.此外，spim显微镜3具有被设计成探测物镜39的探测光学件37。另外，该探测光学件37具有第二光轴41，该第二光轴既垂直于光片35朝向，又垂直于照明总成9的光轴17朝向。
95.在图2a和2b中示出了根据本发明的照明总成9的不同的设计。两幅图示意性地示出，照明总成9包括聚焦的光学系统13和光学的修改部件47。
96.在样本侧19可看到，在照明总成9的图2a所示的设计中，边缘光线21a偏转得太明显，并且在交点49与光轴17相交，该交点相比于其它的交点49相距聚焦的光学系统13具有较小的距离。其它的交点49未用标号标出。在图2a所示的照明总成9的聚焦区域23中，就是正的球面像差51。
97.在照明总成9的图2b所示的设计中，边缘光线21a在交点49与光轴17相交，该交点离开聚焦的光学系统13的距离比其它的交点49(未用标号标出)更远。因而在照明总成9的图2b所示的设计的聚焦区域23中，出现了负的球面像差53。
98.如果在图2a和2b所示的聚焦区域23之一中沿着z-轴，与z-轴上的位置相关地绘出照明光束7的强度55，则得到在图2c中示意性地示出的强度分布57，该强度分布在z-轴上绘制强度55。
99.座标原点59的z-座标相应于光轴的位置17a。
100.强度分布57包括基座61和尖峰63，其中，尖峰63由聚焦的部分65组成，基座61由未聚焦的部分67组成。这些部分示意性地在图2b中用矩形框表示。
101.未聚焦的部分67可以是位于照明总成9与一个或多个相应的交点49之间的光线部分，即尚未聚焦的光线部分。未聚焦的部分67同样包括从照明总成9观察位于一个或多个相应的交点49之后的光线部分，即在这些光线部分中，相应的光线21已经失焦。
102.图2c中所示的强度分布可以在根据本发明的照明总成9中沿着y-轴在轴相交区域69内部得到。轴相交区域69在图2a中示意性地用矩形框表示。在根据本发明的照明总成9中，轴相交区域69的长度71大于示意性地在图2a中示出的双倍的瑞利长度29。
103.图3中示出了根据本发明的照明总成9的另一设计。在该设计中，在聚焦的光学系统13的样本侧19布置着光学的调制部件47。该调制部件在图3所示的设计中是三维的立体物体73，其具有预定的折射系数75。
104.所示的三维的立体物体73被设计成玻璃块77，且可以在另一设计中用梯级部件79来代替。该梯级部件允许厚度变化和移动焦点，因而补偿轴向的调制。在一种未示出的设计中，三维的立体物体73可以用透镜来代替。同样可考虑的是，立体物体73设计成带有折射率的透明的物体，该折射率不同于如下折射率：针对该折射率来设置即设计和优化物镜。
105.梯级部件79在图3中示意性地在光路之外被示出，其中可看到，该梯级部件的特点是朝向光轴17变窄的梯级，因而相当于由多个玻璃块77组成的三维的立体物体。此外，特别是在产生虚拟的光片时，也可考虑使用旋转对称的梯级部件79。
106.在根据本发明的照明总成9中的三维的立体物体73对照明光束7施加以正的球面像差51，并且形成了在轴相交区域69内部伸展的多个交点49。所形成的光片35在x-方向上伸展，并且沿着z-轴具有如图2c中所示的强度分布57。
107.光片35对未示出的样本照明，其散射的或反射的光(未示出)被设计成探测物镜39的探测光学件37汇集，传播至探测器(未示出)，并且被该探测器探测到。
108.图4中示出根据本发明的照明总成9的另一设计。该设计类似于图1中所示的来自现有技术的构造，也就是说，包括镜筒透镜11和聚焦的光学系统13。
109.然而，根据本发明的照明总成9的图4中所示的设计还具有光学的修改部件47，该修改部件设计成相位调制器80，尤其是补偿小片81。补偿小片81通常用于补偿球面像差，但在图4所示的设计中导致了对球面像差的过补偿或欠补偿，该球面像差在聚焦的光学系统13的样本侧19可看到。
110.图4中还示出了光学的修改部件47的三种其它的可能的设计。这些设计可以代替引入光路中的补偿小片81。例如可考虑可变形的反射镜83，但这些反射镜的前提是光路的偏转(镜筒透镜11的其它位置)。
111.此外，可以使用空间光调制器85，其由两个电极87和例如液晶层89组成。空间光调制器85的一个电极87被设计为像素电极91，可对其各个像素施加不同的电压。
112.图4示出了静态的衍射的相位板93，该相位板根据各个光线21相距光轴17的距离使得入射的照明光束7产生固定的相位变化。
113.相比于图4，图4a中还示出，光学的修改部件47可以用梯级部件79来代替。该梯级部件允许厚度变化，进而移动焦点，因而补偿轴向的调制。
114.梯级部件79在图4a中同样示意性地在光路之外被示出，其中，针对图3的梯级部件79所做的上述说明也适用于图4a中所示的梯级部件79。
115.光学的修改部件47可以是光学的修改部件47的上述可能的设计之一。例如，玻璃块77、梯级部件79、相位调制器80、补偿小片81、可变形的反射镜83或空间光调制器85。它们可以如图4a中所示那样布置在光源17与聚焦的光学系统13特别是系统13的镜筒透镜之间。这相应于照明侧(未示出)。
116.但同样可行的是，光学的修改部件47的上述可能的设计布置在样本侧19。这纯示范性地在图2b和图3中示出。
117.图5示出根据本发明的照明总成9的另一设计，其中，在该设计中在镜筒透镜11之前把特殊形成的非球面的光学件95引入到光路中。该光学件对照明光束7施加以正的球面像差51，该球面像差从镜筒透镜和聚焦的光学系统13朝向样本侧19传播，从而也在样本侧19形成轴相交区域69。
118.非球面的光学件例如可以设计成带有球面像差51、53的透镜95a，但也可以设计成带有球面像差51、53的透镜系统95b。
119.图6中示出根据本发明的照明总成9的另一设计。除了聚焦的光学系统13和两个镜筒透镜11之外，该照明总成还包括两个附加的中继物镜97和布置在这些中继物镜97之间的储箱99。带有折射系数75的介质101位于储箱99中。
120.所示的中继物镜97的总成连同储箱99经过矫正，从而在正确地选用介质101时，即在介质101带有规定的折射系数75时，中继物镜97的总成没有球面像差。
121.但图6中所示的介质101具有与预定的折射系数75不同的折射系数75。因而中继物镜97的总成对照明总成9施加以球面像差。为明了起见，图6中仅示出了光轴17，但未示出全部的光路。
122.图7中示出根据本发明的照明总成9的另一设计。
123.该设计类似于图1中所示的来自现有技术的构造，但其中，射入到照明总成9中的照明光束7不再聚焦在物体侧的焦平面45中。这导致，镜筒透镜11与聚焦的光学系统13之间的光线21不再平行于光轴17伸展，因而在照明总成9的样本侧19引起球面像差51。
124.示意性地示出的光源107的焦点105沿着光轴17相对于物体侧的焦平面45—也叫照明侧的焦平面45—的偏移103因而引起正的球面像差51。
125.在根据本发明的照明总成9的图7所示的设计中，聚焦的光学系统13尤其可以经过设计，从而不平行的光线21透射穿过该光学系统，而不受阻挡。图7的照明总成9在所示设计中并非按4f-构造工作。
126.附图标记清单
127.1显微镜
128.3spim显微镜
129.5 照明输入端
130.6 样本侧的照明输出端
131.7 照明光束
132.9 照明总成
133.11 镜筒透镜
134.13 聚焦的光学系统
135.15 照明物镜
136.17 光轴
137.17a 光轴的位置
138.19 样本侧
139.21 光线
140.21a 边缘光线
141.23 聚焦区域
142.24 工作距离
143.25 放大部
144.26 样本空间
145.27 光线腰部
146.27a 光线直径
147.28 光线腰部半径
148.29 瑞利长度
149.31 清晰深度
150.33 厚度方向
151.35 光片
152.37 探测光学件
153.39 探测物镜
154.41 第二光轴
155.43 图像侧的焦平面
156.45 物镜侧的焦平面
157.47 光学的修改部件
158.49 交点
159.51 正的球面像差
160.53 负的球面像差
161.55 强度
162.57 强度分布
163.59 座标原点
164.61 基座
165.63 尖峰
166.65 聚焦的部分
167.67 未聚焦的部分
168.69 轴相交区域
169.71 长度
170.73 三维的立体物体
171.75 折射系数
172.77 玻璃块
173.79 梯级部件
174.80 相位调制器
175.81 补偿小片
176.83 可变形的反射镜
177.85 空间光调制器
178.87 电极
179.89 液晶层
180.91 像素电极
181.93 静态的衍射的相位板
182.95 非球面的光学件
183.95a 透镜
184.95b 透镜系统
185.97 中继物镜
186.99 储箱
187.101 介质
188.103 偏移
189.105 焦点
190.107 光源

技术特征：
1.一种用于显微镜(1)的照明总成(9)，用来利用光片(35)照明样本，其中，所述照明总成(9)包括用于沿着所述照明总成(9)的光轴(17)馈入照明光束(7)的照明输入端(5)、面向样本侧(19)的用于把所述照明光束(7)输出至所述样本侧(19)的照明输出端(6)和具有固定清晰深度(31)的聚焦的光学系统(13)，其特征在于，所述照明总成(9)具有用于几何地修改所述照明光束(7)的至少一个光学的修改部件(47)，其中，所述光学的修改部件(47)设计成对所述照明光束(7)施加球面像差，其中，在所述照明总成(9)的样本侧的照明输出端(6)，所述照明光束(7)的不同的光线(21)在轴相交区域(69)内与所述光轴(17)相交，并且所述轴相交区域(69)沿着所述光轴(17)延伸至少经过所述聚焦的光学系统(13)的清晰深度(31)，其中所述照明光束(7)的强度沿着垂直于传播方向的方向具有宽的基座(61)和中央的尖峰(63)，并且所述照明光束(7)的强度在基座(61)中远小于在尖峰(63)处的强度。2.如权利要求1所述的照明总成(9)，其特征在于，所述光学的修改部件(47)具有至少一个带球面像差(51、53)的透镜(95a)，或者具有带球面像差(51、53)的透镜系统(95b)。3.如权利要求1或2所述的照明总成(9)，其特征在于，设置了相位调制器(80)，该相位调制器根据相对于所述光轴(17)的空间位置来改变所述照明光束(7)的相位。4.如权利要求1或2所述的照明总成(9)，其特征在于，所述光学的修改部件(47)设计成预定折射系数(75)的三维的立体物体(73)，并且布置在所述照明总成(9)的样本侧(19)。5.如权利要求1或2所述的照明总成(9)，其特征在于，设置了至少一个光源(107)，所述照明光束(7)在该光源的输出端被输出，并且馈入到所述照明输入端(5)中。6.如权利要求5所述的照明总成(9)，其特征在于，所述至少一个光源(107)具有所述照明光束(7)的焦点(105)，其中，所述焦点(105)的位置沿着所述光轴(17)与所述聚焦的光学系统(13)的照明侧的焦平面(45)错开地构造。7.如权利要求5所述的照明总成(9)，其特征在于如下清单中的光源(107)，该清单包括：-非相干的光源；-宽带的光源；-短脉冲激光器；和-超短脉冲激光器。8.如权利要求7所述的照明总成(9)，其特征在于，所述光源(107)发出时长短于1ps的光脉冲，和/或具有小于100μm的相干波长。9.如权利要求7所述的照明总成(9)，其特征在于，所述非相干的光源包括白光激光器。10.如权利要求1或2所述的照明总成(9)，其特征在于，所述显微镜(1)是光片式或spim显微镜(3)或斜面显微镜。11.如权利要求1或2所述的照明总成(9)，其特征在于，所述显微镜(1)是opm显微镜或scape显微镜。12.一种显微镜(1)，其中，所述显微镜(1)包括样本空间(26)和根据权利要求1～11中任一项所述的照明总成(9)，照明总成(9)用于利用光片(35)来照明所述样本空间(26)。13.一种用于照明显微镜(1)中的样本空间的方法，该方法包括如下方法步骤：-沿着光轴(17)把照明光束(7)馈入到照明总成(9)的照明输入端(5)中，该照明总成带有固定清晰深度(31)的聚焦的光学系统(13)；
‑
对所述照明光束(7)施加球面像差；-在轴相交区域(69)中产生所述照明光束(7)的光线(21)与所述光轴(17)的交点(49)，该轴相交区域沿着所述光轴(17)延伸至少经过所述聚焦的光学系统(13)的清晰深度(31)，其中所述照明光束(7)的强度沿着垂直于传播方向的方向具有宽的基座(61)和中央的尖峰(63)，并且所述照明光束(7)的强度在基座(61)中远小于在尖峰(63)处的强度。14.如权利要求13所述的方法，其中还规定，根据相对于所述光轴(17)的空间位置来局部地改变所述照明光束(7)的相位。15.如权利要求13或14所述的方法，其中，所述方法还包括如下方法步骤：-产生至少两个照明光束(7)；-在样本侧(19)叠加所述至少两个照明光束(7)，并基于所述叠加来产生干涉结构；和-(a)改变所述干涉结构的位置以及分析所得到的干涉结构，用于提高对比度；或者，-(b)使得所述干涉结构振荡，用于使得光片(35)的照明强度均匀。16.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述显微镜(1)是光片式或spim显微镜(3)或斜面显微镜。17.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述显微镜(1)是opm显微镜或scape显微镜。

技术总结
一种用于显微镜(1)特别是光片式或SPIM显微镜(3)或斜面显微镜如OPM显微镜或SCAPE显微镜的照明总成(9)，用来利用光片(35)照明样本，其中，所述照明总成(9)包括用于沿着所述照明总成(9)的光轴(17)馈入照明光束(7)的照明输入端(5)、面向样本侧(19)的用于把所述照明光束(7)输出至所述样本侧(19)的照明输出端(6)和具有固定清晰深度(31)的聚焦的光学系统(13)。来自现有技术的照明总成(9)在光片(35)的厚度与光片(35)的延展度之间做出折衷的情况下工作。本发明允许产生狭窄的且细长的光片(35)，其方式为：所述照明总成(9)具有用于几何地修改所述照明光束(7)的至少一个光学的修改部件(47)，其中，在所述照明总成(9)的样本侧的照明输出端(6)，所述照明光束(7)的不同的光线(21)在轴相交区域(69)内与所述光轴(17)相交；并且所述轴相交区域(69)沿着所述光轴(17)延伸至少经过所述聚焦的光学系统(13)的清晰深度(31)。度(31)。度(31)。


技术研发人员：弗罗里安
受保护的技术使用者：莱卡微系统CMS有限责任公司
技术研发日：2019.07.19
技术公布日：2023/10/8