光学显微镜及提供结构化照明光的方法
阅读说明：本技术 光学显微镜及提供结构化照明光的方法 (Optical microscope and method for providing structured illumination light ) 是由 格哈德·克拉姆伯特 凯·威克 拉尔夫·内茨 罗纳德·德克尔 埃德温·扬·克莱因 道维·哈门 于 2018-04-24 设计创作，主要内容包括：一种光学显微镜,包括：结构化光学单元,包括用于提供结构化照明的波导芯片；输入选择设备,用于将光可变地引导到波导芯片的多个输入端的其中之一；波导芯片还包括跟随每个输入端的光导路径；每条光导路径分为几个路径分支；且每一路径分支引向波导芯片的一个输出端。波导芯片的输出端可设置在光学显微镜的光瞳平面处,且来自输出端的光的出射方向垂直于由波导芯片定义的平面。还描述了一种使用光学显微镜提供结构化照明光的方法。(An optical microscope, comprising: a structured optical unit comprising a waveguide chip for providing structured illumination; an input selection device for variably directing light to one of a plurality of input ends of the waveguide chip; the waveguide chip further comprises a light guiding path following each input end; each light-guiding path is divided into several path branches; and each path branch leads to one output of the waveguide chip. The output end of the waveguide chip may be disposed at a pupil plane of the optical microscope, and an exit direction of light from the output end is perpendicular to a plane defined by the waveguide chip. A method of providing structured illumination light using an optical microscope is also described.)
技术领域
本发明的公开内容设计一种具有如权利要求1前序部分的特征的光学显微镜。光学显微镜配置为将一光源的光转化为结构化照明。
本发明的公开内容也涉及了一种具有如权利要求17前序部分的特征，用于提供结构化照明光的方法。
背景技术
结构化照明显微术(SIM)是一门既定技术，用于检查具有特别高分辨率的样本。结构化照明通常被认为是横截面上不均匀的任意光分布。例如，结构化照明可以包括一条或多条线、光栅图案或仅具有不均匀强度轮廓的点。这些图案在样本平面上产生。
如果记录有多个使用不同结构化照明图案的图像，可从这些图像中计算出增强分辨率的一幅图像。典型地，记录有九个或更多个图像(被称为原始图像或一帧)，并从其中计算一个高分辨率图像。这些原始图像在结构化照明的旋转方向上和结构化照明的相移上各有不同。对于所使用的波长，增强的分辨率可以高于衍射极限或阿贝极限。通常适宜的是，不同的结构照明图案是相似的但相对于彼此旋转。
在本文的内容中，结构化照明不限于既定SIM技术，也可用于相关的技术，如合成孔径成像，其可使用不同模式的结构化照明来检查样本。
在许多传统方法中，结构化元件设置在一次像面(intermediate image plane)内。例如，结构化元件可以是光栅。该光栅图案因此成像到样本平面中。为记录不同的图像，结构化元件可以是旋转的。可选地，可在光路中引入一图像旋转器和/或图像旋转器是旋转的。通过使用几种不同的结构化元件，还可以在样本平面中产生不同方向的图案，这些结构化元件可选地引入到光路中。这些方法涉及相当大和沉重部件，如结构化元件或图像旋转器，的旋转或其他运动。这样的运动构成严重的速度限制。一种减少记录多个图像中的时间需求的有利解决方案，由申请人的专利DE 10 2007 047 466 A1和DE 10 2012020877A1描述。每一个这些申请描述了一种光学组件，其中通过在一次像面中设置结构化元件而不产生结构化照明。相反，在焦平面上产生点光图案或光斑图案。焦平面中的所述图案通过傅立叶变换导致了样本平面中的不同的结构化图案。因此，点光图案可以导致条纹或网格图案，就像在一次像面中用光栅产生的那样。
在专利DE 10 2007 047 466 A1中，使用通过微透镜或其他光学元件将光引入光瞳平面的光纤来产生不同光斑图案。取决于对哪些光纤照明，可在光瞳平面产生不同光斑图案。
如专利DE 10 2012 020 877 A1描述，普通光学显微镜包括：
-结构化光学单元，用于从入射光提供结构化照明，结构化光学单元包括具有复数个输入端的波导芯片；
-输入选择设备，用于可变地将光指向输入端的其中之一；
-波导芯片进一步包括跟随每个输入端的光导路径；每一光导路径分为多个路径分支；且每一路径分支引向波导芯片的输入端的其中之一。
用于在光学显微镜里提供结构光照明的普通方法包括以下步骤：
-引导光源的光至输入选择设备；
-使用输入选择设备可变地将光指向波导芯片的复数个输入端的其中之一，波导芯片配置为根据入射光提供结构化照明；
-波导芯片进一步包括跟随每个输入端的光导路径；每一光导路径分为多个路径分支；且每一路径分支引向波导芯片的输入端的其中之一。
因此，普通光学显微镜在一次像面中不使用光栅或其他结构化元件作为结构化光学单元。相反地使用波导芯片：这样的芯片包括基底，例如熔融石英，其内形成有光导路径或路径分支。这些路径的材料与周围基底具有不同的折射率。这可以通过在将要形成路径的区域上掺杂基底来实现。
具有输入选择设备，可对不同的输入端依次照明。通过将每一光导路径划分至多个路径分支，可以同时通过多个输出端(属于同一输入端)发送相干光。将来自路径的光分配到路径分支中，将不需要在波导芯片内或在波导芯片上的任何(可移动的)开关元件。因此，路径分支可以被定义为波导芯片中连接到一个光导路径的多个路径之一。在所述光导路径中传播的光将散布到所述多个由此被称为路径分支的路径中。
专利DE 10 2012 020 877 A1使用连接至输出端的光纤，以将光引向光瞳平面。这些光纤的端部以一期望光斑图案设置在光瞳平面。该光斑图案在像平面上转换为所期望的结构化照明图案。
然而，用于在光瞳平面产生光斑图案的已知的技术需要苛刻且成本高昂的设置：使用端部设置在光瞳平面中的光纤，对定位精度提出了很高的要求，其长期稳定可能成为一个问题。此外，由于激光的相干长度，光纤长度的变化必须最小。
因此可以认为，提供一种光学显微镜和一种用于提供结构化照明光的方法是本发明的目的，该光学显微镜和方法提供了特别好的稳定性，同时还降低了设置的复杂性。
发明内容
上述目的通过包括权利要求1的特征的光学显微镜和包括权利要求17的特征的方法来解决。在从属权利要求和以下描述中指出了光学显微镜和方法的变形。
根据本发明，上文描述的普通光学显微镜的特征在于，来自输出端的光的出射方向垂直于波导芯片定义的平面。这允许在光瞳平面内或附近的某个光斑图案所需的精确位置上形成输出端。因此，没有必要重新排列出射输出端的光图案：专利DE 10 2012 020 877A1中建议使用光纤跟随输出端，以将光引导到瞳孔平面并重新排列光图案，即光纤的端部(不面向波导芯片)定义光瞳平面内的光图案。本发明使得这种光纤的使用变得过时，因此避免了与这种光纤装置的正确对准、准确性和长期稳定性有关的所有问题。相反地，本发明允许将波导芯片为，其输出端设置在光学显微镜的光瞳平面上。一个关键特征是将光横向耦合到波导芯片所定义的平面。可以认为该平面被波导芯片的两个较长的侧面，可称为长度和宽度，所横跨，这意味着光在波导芯片的高度方向上耦合出。可选地，平面可以被定义为被光导路径和路径分支的方向所横跨。优选地，该平面平行于光瞳平面。
换句话说，光的耦合输出端方向垂直于相应的光导路径/路径分支的方向，即垂直于由这些路径跨越的平面。与现有技术中光束在波导芯片较小侧面的其中之一处离开波导芯片相反，本发明提供了一种波导芯片，光在最大侧面，即上文所定义的平面，出射。耦合出或出射方向垂直于该平面，其包括任何倾斜角，并且可尤其是垂直的，在这种情况下，由波导芯片定义的平面可以正好在光瞳平面内并与其平行。导光路径和路径分支也可以在光学显微镜的光瞳平面中延伸或平行于光瞳平面。倾斜角可被认为是由相对于平面法线的0°至80°之间的任何角度或相对于平面法线的0°至70°之间的任何角度组成。
上文所述的普通方法的特征在于，光沿与波导芯片定义的平面成横向的出射方向从输出端出射。优选地，可将波导芯片的输出端设置在光学显微镜的光瞳平面上或光瞳平面内的区域。将波导芯片设置在光瞳平面的区域内可理解为，光瞳平面与波导芯片的平面相交，或可选地，从光瞳平面至光导新片的距离，小于光束通过波导芯片的输出端出射光导新片的最大距离。
现有技术的解决方案中，光在波导芯片的薄侧，即，由高度和长度定义，或由高度和宽度定义的侧面耦合出。在这样的方式下，不可能为光瞳平面以适合的图案形成输出端，因此需要通过光纤或其他光学元件进行重新排列。
波导芯片的输入端可视为将光耦合到芯片中的区域。光纤引导光至输入端。对于每一输入端，可分别提供一光纤。在波导芯片内，每一输入端都邻接或直接连接到光导路径。该输入端也可视为波导芯片的外侧上的光导路径的入射面。
输入选择设备可以是能够将光可变地引导到引向不同输入端的不同光束路径上的任意设备。输入选择设备可特别地包括可变光偏转器，如用于指向光至输入端之一的扫描仪。举例来说，扫描仪可包括一个或多个可移动镜子，例如检流计镜或微机电系统(MEMS)。扫描仪提供速度上的显著提高，因为扫描仪可以比大型组件的移动快得多，如移动设置在一次像面内的格栅。输入选择设备也可包括不同种类的光偏转器，例如一个或多个声音可切换的设备，如声光偏转器。通常来说，取决于偏振，可变地阻挡光束路径或偏转光也可以用于输入选择设备。
每一输出端可设计为将光反射出波导芯片。为此，每个输出端可以包括一个接口，用于通过全内反射(TIR)将光偏转出波导芯片。该接口可认为为波导芯片的外表面部分，也可称为一TIR镜。波导芯片的基底可成型为，形成有相对于路径分支的合适角度，以提供全内反射。该基底可由基底中的凹陷或凹槽形成。该凹陷可由聚焦离子束或另一光刻工艺来产生，这将在下文详细描述。
可选地，每一输出端可包括用于将光偏转出波导芯片的接口，其中该接口包括镜子。在这样的情况下，可以在每个路径分支处，基板中形成有相应的凹槽，且该凹槽处提供有镜子，以将光反射出波导芯片的各自路径分支。该接口/镜子可形成为，光不直接从波导芯片反射出，相反地，首先横穿基底并在与接口/镜子相反的一侧离开波导芯片。
每一接口，即来自路径分支的光被反射到的表面，可相对于波导芯片的平面以20°至70°之间或40°至50°之间的角度形成。这保证了相对于该平面，或波导芯片的平面法线的至少一个足够小的角度，基本垂直的耦合或出射方向，使得出射出波导芯片的光不会错过后续的透镜或其他光学部件。
取代使用一个反射表面(端口)，以将光束从路径分支重定向到出射方向的方式，路径分支也可具有弯曲形状。弯曲形状可形成90°的曲线，或更通常在80-100°之间的曲线。同样在这样的情况下，耦合出的方向基本垂直于由光导路径/波导芯片横跨的平面。其好处在于，与上述实施例相比，用于实现耦合出方向的附加制造步骤将更少。然而，波导芯片的尺寸需要足够大以允许弯曲或弯的形状。
为了以期望图案形成输出端，有必要形成如下路径分支，至少部分属于不同输入端或相同输入端的路径分支相交。优选地，部分或全部相交的路径分支以以80°和130°之间的角度或90°或大于90°或95°的角度互相相交。由于无法完全避免，一小部分光在从第一路径分支到第二路径分支的交点处交叉，角度大于90°将保证光在第二路径分支中更向后方向散射，而不是在第二路径分支中向前方向散射；向前方向指示朝向各个输出端的方向。
如果在三维，即在不同高度层上，形成路径分支，则可选地，可避免相交。例如，可以用两个光子吸收激光刻划产生这样的光导路径和路径分支，这改变了吸收材料/基底，从而改变其折射率。
属于相同输入端的输出端形成点或光斑图案。光瞳平面内的点图案转化为样本平面内的结构化图案，如条纹。波导芯片可包括三个或更多输入端，每一输入端具有他们各自的形成各自点图案的输出端。这些点图案可以是互相相似/相同的，但互相相对旋转。在这样的方式下，可产生全方向上的具有增强分辨率的结构化照明显微术。点图案如果关于一共同中心点旋转，则点图案可以互相相同，共同中心点可对应于显微镜的光轴。中心点可以与点图案的几何中心重合。
每一点图案的点可在几何上对应于设置在一次像面中的格栅的衍射级。一中心点对应于零级衍射级。另外两个相对于中心点彼此直接相对的点分别对应于第一和负第一衍射级。点图案可以由这三个点、或者仅由与第一衍射级和负第一衍射级相对应的点、或者可以包括与其他衍射级相对应的附加点构成。优选地，对应于第一和负第一衍射级的点具有比对应于零衍射级的中心点更高的强度。
一分光器将每个光导路径划分为两个或更多个路径分支。可提供两个或更多连续的分光器以产生期望的点图案。分光器可以以引向路径分支的加宽区域形成；光导路径的光因此被拓宽，且分配至路径分支。独立路径分支内的强度可互相不同，尤其是如上文所述的，对于与第零衍射级相对应的点和与其他衍射级相对应的其他点相比。一个重要的特征在于波长依赖性：路径分支应提供独立于光波长的期望强度分配。然而，波长越长，在分光器处指向外部路径分支的强度份额越高。此外，对于外部路径分支，在分光器处将光耦合到路径分支中的效率较低。因此，这两个效果可彼此部分补偿并降低波长依赖性。为了使这种补偿特别有效，有利的是，每个光导路径连接到形成在波导芯片中的分光器，该分光器被配置为将光导路径分成四个部分，且其中四个部分的三个构成三个路径分支，四个部分的一个引走光，使得那部分的光并未对样本照明。这样的设计允许两个路径分支具有相同的强度，并且一个路径划分具有较低的强度，同时减小了波长依赖性。该不用于照亮样本的第四部分可以将光指向到墙壁或任何吸收体上，或者以不同于上文所述输出端的方向引导。
不用于照亮样本的路径分支可以将光引导至光电探测器。来自光电探测器的信号可以特别地用于检查光在波导芯片的输入端处的耦合。
可选地，不用于照亮样本的路径分支通过移相器连接到干涉仪，例如集成在波导芯片中的马赫-曾德尔干涉仪(Mach Zehnder interferometer)。可以与波导芯片中的其他移相器相同地控制所述移相器，例如，可以用所有移相器来设置诸如特定温度变化之类的公共移相器设置。干涉仪测量由该移相器设置引起的相移。因此，干涉仪的测量值允许验证和调整移相器的设置，以实现期望的相移。
从点图案，即来自于属于同一输入端的输出端，发出的光，形成样本平面内的干涉图案。在这方面，光的偏振方向很重要。点图案可以在一行中包括三个或更多个点，其可以特别地对应于一次像面中的格栅的负第一、第零和第一衍射级。优选地，光线沿垂直于设置有一个点阵图形的点的直线的方向线性偏振。
然而，如果入射光的偏振在光导路径所横跨的平面内，则分光器的效率可以是最佳。
因此优选地，可在波导芯片的上游提供偏振单元(也称为输入偏振单元)，该偏振单元确保入射在输入端及分光器上的光具有期望的偏振，尤其是在由光导路径横跨的平面内，具有电场的极化方向的横向磁模。然而，原则上，也可以使用横向电模式代替。对于横向磁模式，优选地是，将分光器之后的极化方向旋转90°，或更普遍地：旋转70°和110°之间的角度。为此，可以使用偏振单元(也称为输出偏振单元)，其上光来自于路径分支或出射光。来自路径分支或输出光入射在该偏振单元上。输出偏振单元配置为使入射光的偏振方向一上文所述角度旋转。
输出偏振单元尤其可包括两个串联且彼此相对旋转45°的半波片。在这样的方式下，偏振方向独立于偏振的前一方向旋转了90°。
半波片或λ/2片是使入射线性偏振光的偏振方向旋转的延迟器。旋转角度取决于半波片的方向。该方向(以下称为旋转轴)可以由形成半波片的晶体的快轴定义。半波片之间的45°角表示两个半波片的快轴彼此成45°角。这样的半波片彼此平行，但是旋转45°。
上述的半波片设置为，来自所有输出端的光入射在这些半波片上。相反，也可以对每个输出端单独使用偏振影响装置。例如，在每个输出端处，可以将一个相应的半波片附接到基板。这意味着半波片的数量可以对应于输出端的数量。属于相同输入端的输出端的半波片可具有相同方向(其快轴的)，并且与属于另一个输入端的输出端的那些半波片可具有不同的方向。对于这种局部半波片，来自每个输出端的光仅需通过一个而不是两个半波片即可设置所期望的偏振方向。作为该实施例的主要优点，所有用于偏振旋转的必要装置已经包括在一个波导芯片上。这大大减少了需要调节的可移动部件的数量，并减小了整体尺寸，这在空间有限的应用中可能是至关重要。
如果每个输出端包括设置在波导芯片的基底上的第一镜子和第二镜子，并且这些镜子配置为，它们使入射光的偏振方向旋转，优选地为90°，则可以实现类似的效果。该镜子对可以设置成形成微潜望镜：第一镜子可以使光在波导芯片的平面内重定向。第二镜子可以将光重定向到平面之外，特别是在垂直于该平面的方向上。因此，第二镜子具有两个功能：耦合出入射光和旋转其偏振方向。
光学显微镜还可以设计成提供TIR(全内反射)照明。在TIR照明中，光束以一非常锐角入射到样本表面(或样本的盖玻片表面)上；该角度使得光束在表面全反射。TIR照明光束的衰逝波可以激发样本中的荧光团。在光瞳平面中，用于TIR照明的光束位于外部区域，该区域与光轴的距离更远。为了提供TIR照明，波导芯片包括一个或多个额外输入端，每个输入端连接到引向各自额外输出端(在此称为TIR输出)的额外光导路径。为结构化照明提供的输出端定义了几何中心，并且每个TIR输出端都比结构化照明的任意输出端都更远离几何中心。
额外地或可选地，来自上文所述输出端的光束也可以通过以下方式用于TIR照明：变焦组件可以设置在输出端的后面，即输出端和样本平面间。提供有控制单元，并设计为接收控制命令，该控制命令指示是否需要结构化照明或是否需要全内反射照明。如果需要全内反射照明，则控制单元还设计为通过变焦组件设置更大的放大倍率。在光瞳平面中，更大的放大倍率意味着光斑距离中心轴或光轴更远。变焦组件也可以被称为变焦透镜；它可以包括多个单独的透镜或镜子。
上文所述的点图案在一行中包括多个点。这种图案适用于完善的SIM技术。相关的显微技术可能需要其他点图案。因此，除了上文所述点图案输出端之外，或者作为可选地，波导芯片可以具有以除直线以外的其他图案所设置的输出端(属于相同输入端)。特别地，对于合成孔径成像技术，这样的其他点图案可以是优选的。
结构化照明显微术需要记录具有不同阶段的结构化照明的多个样本的(原始)图像。然后将这些具有不同相位的原始图像用于计算分辨率提高的一幅图像。通常来说，可在波导芯片后设置一个或多个移相器。例如，在一次像面附近，移相器可以是相移波片，其可通过振镜驱动的扫描仪移动，以在样品上的移动结构化照明图案；可选地，如果移相器设置在光瞳平面附近，则移相器可以配置为针对每个衍射级分别移动光相。然而，这样的设置需要相当大的仪器性努力(instrumental efforts)。因此，可优选地在波导芯片内或在波导芯片处用可调节的移相器代替这种移相器。这些集成的可调节移相器可以连接到路径分支或靠近路径分支设置，以可调节地设置穿过各个路径分支的光的相移。这样的移相器配置为影响光在各个路径分支中的传播，例如，通过改变温度、应力、压力、变形或路径分支的位置。路径分支中的部分或全部可以提供有相应的移相器。在一个示例中，分光器将光导路径分成三个路径分支，其中两个路径分支对应于第一和负第一衍射级，并且接收的光强度大于另一个路径分支的对应于零衍射级的光强度。特别地，在这种情况下，仅两个接收比剩余的路径分支更大的光强度的两个路径分支，可配备有可调移相器。可调移相器可以例如是热电移相器。其可紧接在路径分支处附接在基底上，且配置为在相应的路径分支处或相应的路径分支内产生温度变化，这又影响在其中传播的光并改变其相位。
可选地或额外地，可以使用压电移相器。压电移相器可以包括晶体或其他元件，例如，压电薄膜，如氮化铝和锆酸钛酸铅，分别紧贴路径分支之一，附着在波导芯片的基底的顶侧和底侧。压电移相器能够在基底上施加应力，并在晶体之间施加路径分支。与其他移相器相比，压电移相器可特别快。
本发明还包括如本公开内容中所述的用于制造光学显微镜的方法。该方法特别地包括处理波导芯片的基底以形成光导路径、路径分支以及形成用于反射光的端口的凹陷。形成这些元件的准确性至关重要。在该方法的优选变型中，这些元件中的部分或全部由聚焦离子束(FIB)形成。光束可以影响基板，使得其折射率改变，从而形成光导路径和路径分支。特别是在强度较高的情况下，FIB可用于高精度地去除基底，从而形成凹陷以及可能的全内反射端口。
作为FIB的可选，可以使用双光子聚合，在这种情况下，光束指向到基底上，或更具体地，指向到基板中填充有例如碳纳米管的孔中，碳纳米管在两个光子被共同吸收的情况下受影响的单体。在进一步的步骤中，化学显影或蚀刻允许去除不受两个光子吸收影响的区域(或取决于基底：受两个光子吸收影响的区域)。
通常，可以使用其他光刻工艺，其中使用掩模对基底上的层进行辐照，然后通过蚀刻，去除例如辐照区或非辐照区。然而，这种光刻工艺可能无法提供使用FIB或可能使用的双光子吸收技术所达到的所需精度。
对于FIB，优选地，在基板上生成目标标记，后帮助将聚焦的离子束引导到所需区域上。例如，可以在将要产生带有TIR表面的凹陷的区域旁边使用目标标记。FIB处理后，目标标记保留在基底上。
光学显微镜还可以包括光源和光学元件，设置成成用于将来自光源的光经由扫描仪引导至波导芯片。显微镜可以进一步包括设置在波导芯片和样品平面之间的光学元件，该光学元件配置为在波导芯片的位置处产生光瞳平面，并在样品平面中产生通过输出端出射的光的干涉图案，以在样本平面上提供结构化照明。
关于光学显微镜描述的特征也可以被认为是本发明方法的变型；反之亦然。
本说明书中指出的任何值，例如角度的值可视为准确指示的值，或者在可选实施例中，视为包括在指示值的10％或20％偏差之内的范围内的值。类似地，术语“平行”和“垂直”可视为分别包括-10°至+10°和80°至100°的角度范围。
附图说明
参照附图描述本发明的进一步的特征和特性。
图1示意性地示出了具有根据本发明的光学组件的光学显微镜的实施例；
图2示意性地示出了图1的光学组件的实施例。；
图3示意性地示出了图1或图2的光学组件的一部分的示例性设计；
图4示意性地示出了根据本发明的光学显微镜的光学组件的另一实施例；
图5示意性地示出了在本发明的光学显微镜的波导芯片处或后面的光束的位置和偏振方向；
图6示意性地示出了图1或图2的光学组件的一部分的另一示例性设计。
在所有附图中，相似的部件具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示意性地示出了本发明的光学显微镜1的实施例，其包括光学组件95。
图1示意性地示出了本发明的光学显微镜1的实施例，其包括光学组件95。
显微镜1包括发射光5的光源4，该光可以经由输入选择设备8引导至光学组件95的波导芯片90的不同输入端。波导芯片90提供光的结构，使得从波导芯片90出射的光适合于结构化照明显微术(SIM)，一种超分辨率显微技术。输入选择设备8也可视为光学组件95的一部分。
在所描绘的示例中，输入选择设备8形成为具有可旋转镜的扫描仪8。然而，在以下描述中，扫描仪8也可以由本公开内容中其他地方描述的输入选择设备的其他变型代替。
如图1所示，光源4可以包括多个激光器。在光源4和扫描仪8之间，可选地提供有复数个光学元件：在光源4之后，可以使用多个部分透明的镜子6来将所有激光器的光束路径组合在一个公共光束路径上。此外，可可选地提供声光可调滤光器(AOTF)7和透镜23或扩束器23。
扫描仪8配置为使入射光5沿不同方向可变地偏转。为此，扫描仪8可包括一个或多个可旋转镜或其他可移动光学元件。这些允许快速切换时间。快速扫描仪8也可以由传播通过介质的声波改变介质的折射率来实现。
由扫描仪8偏转的光5引导至波导芯片90。取决于扫描仪8的偏转方向，可以选择波导芯片90的不同输入端。图1示出了作为可选设计的多个光纤11.1、11.2和11.3，它们将来自扫描仪8的光引导至波导芯片90的不同输入端。
波导芯片90的设计在下面进一步详细描述。波导芯片90的每个输入端引向设置在点图案内的多个输出端。进入一个输入端的光因此以点图案出射波导芯片90。点图案由相干的光束组成。因此，它们适合于干涉样本平面20，产生用作结构化照明的干涉图案。由于波导芯片90的每个输入端连接到不同的输出端，因此可以在不同的点图案之间进行选择。
作为本发明的重要特性，波导芯片90的输出端设置在光瞳平面中。因此，光瞳平面中的点图案引向例如样本平面20中的条纹的结构化图案。根据结构化照明显微术的要求，光瞳平面中的不同点图案引向样本平面中的不同结构化图案。
出射出波导芯片90的结构化光15通过多个光学部件引导至样本平面20，光学部件可以包括诸如管透镜或变焦组件18的光学元件18以及物镜19等。
如图1所示，显微镜1还可以包括设置在扫描仪8和光波导芯片90之间的可移动偏转器27。根据偏转器27的位置，光或引导至波导芯片90或绕开波导芯片90直接旁路至样本平面20。在图1所示的位置，可移动偏转器27设置为，将来自扫描仪8的光5指向至引向波导芯片90的输入端的光纤11.1、11.2、11.3。如果可移动偏转器27移出光路，则来自扫描器8的光5直接朝着光学元件18或接物镜19行进。
偏转器27可以包括互相刚性连接的两个反射表面9和16。反射表面9将来自扫描仪8的光反射到光纤11.1、11.2、11.3的其中之一。反射面16将来自波导芯片90的输出端的光15朝向光学元件18和接物镜19反射。
来自样本的光由检测器或照相机28检测。例如，在接物镜19与偏转器27之间，或者在偏转器27与波导芯片90的输出端之间，可以使用(二向色的)分束器24，以将来自样本的光引导到检测器/照相机28(而不是波导芯片90)。可提供用于激光扫描操作的另一检测器22，其中偏转器27设置为，光5不经由波导芯片90传播。在检测器22和照相机28的前面，可选地可分别使用透镜和滤光器26。在激光扫描操作中，照明光和样本光可以共享一通过接物镜19的公共光束路径，并且可以被部分反射镜10(例如，根据波长透射或反射光的二向色分束器10)分开。
一控制单元21可配置为控制扫描仪8、检测器22和/或可移动偏转器27的运动。
显微镜1还可以包括优选地集成在波导芯片90中的热电或压电移相器。移相器可调节地移动光的相位，这对于在具有相同方向但不同相位的结构化照明的情况下，记录多个图像是必需的。例如，波导芯片90可以在路径分支旁边包括热电单元或电加热元件，用于改变路径分支的温度。这样，可以改变通过各个路径分支的光的相位。
转向图2，示出了示例性波导芯片90的设计，并将进一步描述。
波导芯片90包括基底70，基底70可以是例如熔融石英。在基底70内形成与基底70相比具有不同折射率的路径。因此，可以沿着这些路径引导光。波导芯片90包括多个输入端31、41、51，每个输入端连接到各自的路径，在下文中被称为光导路径32、42、52。光纤11.1、11.2、11.3可以用于指向光至不同的输入端31、41、51。因此，根据扫描仪8的状态，可以有选择地照亮输入端31、41、51中的一个。如果将扫描仪设置为，将光直接指向到输入端31、41、51中的一个上，则可将光纤省去。
每个光导路径32、42、52引向相应的分光器33、43、53，该分光器将光导路径32、42、52分成几个部分，称为路径分支34-36、44-46、54-56。每个路径分支均引向相应的输出端37-39、47-49、57-59，而光从波导芯片90出射。
在所描绘的示例中，存在第一，第二和第三输入端31、41、51。与第一输入端31连接的输出端37-39形成第一点图案；与第二输入端41连接的输出端47-49形成第二点图案；与第三输入端51连接的输出端57-59形成第三点图案。
波导芯片9定义了平面P，该平面P设置在光瞳平面中并与之平行。换句话说，光导路径32、42、52的(主)方向横跨平行于光瞳平面的平面P，且设置在光瞳平面的区域内或光瞳平面内。因此，所有输出端37-39、47-49、57-59也设置在光瞳平面的区域内或光瞳平面内。
光瞳平面中的点图案在空间上对应于设置在一次像面中的光栅的不同衍射级的光束。在现有技术的设置中，这种光栅用于提供结构化照明。在光栅上衍射的光形成对应于不同衍射级的多个光束部分。衍射级特别地包括作为中心光束部分的第零衍射级以及负第一和第一衍射级。在光瞳平面中，这些零，负第一和第一衍射级可以沿着一条线形成三个点。输出端37-39、47-49、57-59设置为，在光瞳平面中产生这样的点图案。为了更容易理解，下面仅参考输出端37-39。中心输出端38布置在中心点处，该中心点可以在光学显微镜的光轴的区域内或区域处。该中央输出端38提供与一次像面中的光栅的第零衍射级相对应的光斑。另外两个输出端37、39相对于中心输出端38彼此相对设置，并且分别对应于负第一和第一衍射级。
这些输出端37-39的光部分干涉了样本平面。为了在这种干涉图案中具有特别好的对比度，输出端37-39的相对光强度很重要。优选地，分光器33设计为，中央输出端38中的强度低于其他输出端37、39中的强度。例如，中央输出端38中的强度可以在2％至25％之间，或者在到达分光器的光强度的8％至20％之间。剩余的光强度以相等的比例分配给其他两个输出端37、39。
上面对输出端37-39及其连接的部件的描述也适用于输出端47-49和57-59。
这些输出端37-39、47-49和57-59的组的点图案的设置各不同。每个点图案可以由一条线上的点形成；然而，输出端37-39、47-49和57-59的不同组的线相对于彼此旋转。换句话说，每个输入端31、41、51与中央输出端38、48、58连接；它们在与显微镜的光轴相对应的中心区域中彼此相邻地形成。剩余的输出端37、39、47、49、57、59设置在围绕所述中心区域的圆形带上。由于中央输出端38、48、58仅彼此相邻，且不能处于完全相同的位置，所以优选地，剩余的输出端37、39、47、49、57、59不设置在精确的圆上，而是设置在输出端37和39与输出端38具有相同的距离的圆形上，且类似地，输出端47和49与输出端48具有相同的距离，输出端57和59与输出端58具有相同的距离。
相对于彼此旋转的不同点图案对应于样本平面中相对于彼此旋转的结构化图案，这是结构化照明显微术所要求的。
上述波导芯片90的关键特征在于，所有输出端都设置在光瞳平面内或光瞳平面内的公共平面P中。这是通过以相对于光导路径32、42、52的方向成角度耦合出来自波导芯片90的光来实现的。该角度原则上可以具有不同于零的任何值；其中优选地，相对于平面P的角度约为90°(即平行于平面P的法线)，或更一般地在20°至90°之间。
这将参考图3进一步解释，其示意性地示出了图2的波导芯片90的细节。图2是波导芯片90的截面图，因此该视图垂直于图2的视图。
图3示出其中形成有路径分支34的基底70。路径分支34引向输出端37。为了重新定向和耦合出光，在基底70中提供凹陷72。凹陷72可被视为输出端37的一部分，并形成邻接路径分支34的表面71或接口71。因此，来自路径分支34的光在接口71处偏转。在所示的示例中，表面71相对于路径分支34成一定角度，使得光在波导芯片90内全部内反射。因此，反射光穿过波导芯片90，并在相对于凹陷72和接口71的一侧出射波导芯片90。在接口71处的反射角约为90°。图3以虚线示出了扇形光束，其中扇形光束的中心虚线75指示光的出射方向75。出射方向与波导芯片平面成90°角；该平面沿着路径分支34延伸，并进入图3的纸平面。从接口71反射的光出射波导芯片90的区域称作输出端37。该区域可以简单地是基底70和周围介质，通常是空气，之间的接口。
表面71也可以称为TIR(全内反射)微镜。如果表面71是空气和基底/路径分支之间的界面，则衰逝光场会穿透空气。对于通常使用的光波长，该衰逝场可以是例如大约100纳米。由于与空气分子的相互作用，衰逝场可导致表面71的劣化。为了避免此类缺陷，可对表面71进行涂覆(例如，用金属或二向色性涂覆)，以避免衰逝场与空气的相互作用。可选地，凹陷72可提供有覆盖，并且填充有诸如氩气的保护气体。而表面71接触不与衰逝场相互作用的保护气体。
除了全内反射之外，还可以在接口71处使用镜子。
在本发明的其他变体中，表面/接口71可以以另一角度形成，以引起从90°变化的出射方向。
反射接口71形成在基底的一侧上，使得反射光在出射与接口71相对的一侧上离开波导芯片90之前穿过基底。在接口71处反射之后，光束变宽，并因此与光束90将在接口71处离开波导芯片90而没有事先横穿衬底的情况相比，具有更大的横截面出射波导芯片。较大的横截面意味着整个横截面的峰值强度降低。降低的峰值强度可确保在光离开波导的表面不会发生损坏。有利地，不需要其他元件(例如在光纤上使用的端盖)来耦合出来自波导芯片的光。取而代之的是，光可以简单地通过基底离开而无需任何其他元件。
接口或镜子71设置为，反射的光通过波导芯片90指向，而具有进一步的优点：诸如微透镜或半波片之类的额外光学元件可以直接附接到输出端(即，反射光出射处的基底的位置)。如果光在接口/反射镜71一侧出射波导芯片，则微透镜或其他部件的这种方便的设置和附着将是不可能的。
其他路径分支和其他输出端可以类似于图3所示形成。
尽管图2示出了一个实施例，其中每个分光器33、43、53将入射光引入到三个路径分支中，但是其他的具有附加路径分支的分光器设计也是可能的。以上描述适用于那些额外的输出端可以与上述三个输出端设置在同一行上，或可选地以另一种方式设置的情况。
图4示出了本发明的光学显微镜的波导芯片90的另一实施例。该波导芯片90可以包括图2所示的所有部件，并且在分光器33、43、53设计中具有额外的特征，和用于TIR照明的额外的输入端62、72、82，即适于通过样本表面的光的全内反射来检查样品的照明。
分光器设计的特征和用于TIR照明的输入端彼此独立，因此，图2的光学组件可以额外提供有图4的分光器设计和/或参照图4进行说明的用于TIR照明的特征。
图4中使用的分光器33、43、53分别将光分离为四个路径分支30、34-36；40、44-46；和50、54-56。为了更容易理解，以下描述涉及分光器33及其路径分支30、34-36。然而，其他分光器43、53及其路径分支可以类似地形成。
如图2所描述的，四个路径分支34-36中只有三个引向输出端。各个剩余的路径分支30不用于对样本照明。相反，它可引向远离光轴的外部区域，并将光指向或散射到吸收器，例如光学组件的外壳。每个分光器33构造为，其路径分支34、36中的两个接收相等的光强度，该光强度高于其他两个路径分支30、35中的光强度。这些路径分支30、35可以再次接收相同的光强度。路径分支34、36可以在分光器33中居中布置，而另外两个路径分支30、35在分光器33中更靠外侧。这种具有未使用的路径分支的设计(即，不用于对样本照明的路径分支)所提供的优势在于，路径分支之间的强度分布较少依赖于光的波长。这将在本发明的一般描述中进一步解释。
不用于照明样本的剩余路径分支30可以用于其他目的。它可以例如通过引向光瞳平面的外部区域，而将光引导至光电检测器，并且从那里将光耦合出至光电检测器。来自光电探测器的信号可用于监视和控制波导芯片的输入端处的光耦合。例如，根据来自光电检测器的信号，可以调节与输入端连接的元件(例如，引向该输入端的光纤的位置)。
可选地，不用于对样本照明的剩余路径分支30连接到具有移相器的干涉仪，例如马赫-曾德尔干涉仪。移相器，及优选地干涉仪集成在波导芯片中。可以与波导芯片中的其他移相器相同地控制移相器，例如，可以在所有移相器中引起共同的温度变化。干涉仪测量由该温度变化引起的相移。因此，干涉仪的测量值允许校正移相器的控制，以实现期望的相移。这可以在闭环(反馈)控制中实现。
在另外的实施例中，不用于对样本照明的剩余路径分支30与光源连接。例如，LED可以在路径分支30的端部区域处固定在波导芯片上。来自光源的光通过路径分支30朝向分光器33传播。光进一步从分光器33通过光导路径32传播，并在输入端31处的波导芯片离开。在通过光纤11.1之后，可以用例如光电探测器测量光，并且可以将其用于光束调整或准直调整。
不用于对样本照明的其他剩余路径分支40、50可类似地或可选地地提供有光源，并且如上文所述地用于路径分支30。
对四个路径分支取而代之，可以使用另一偶数，其中在每种情况下，不使用一个路径分支对样本照明。
如果外部路径分支35的其中之一接收到较低的强度，则该路径分支应引向对应于一次像面中的光栅的第零衍射级的中央部分。这可能需要相交的或交叉的另一个路径分支36。
此外，不同的分光器33、43的路径分支36、46可以彼此相交。优选地，相交角(为从相交处延伸到其各自的输出端的路径分区36、46的部分所定义)在80°与120°之间，或者优选地等于或大于90°。这样，路径分支36、46之间的串扰低。大于90°的角度意味着来自路径分支36并进入路径分支46的光更可能向后传播，而不是朝向路径分支46的输出端；因此不会或几乎不会影响所生成生成的点图案。如本公开中其他地方所描述的，可以通过光导路径或路径分支的3D设计来避免这种相交。在这样的设计中，光导路径或路径分支不限于平面，还可以在垂直于该平面的方向上延伸。
图4的波导芯片90还包括用于TIR照明的额外输入端61-63，因此也称为TIR输入端61-63。每个TIR输入端61-63经由相应的光导路径64-66连接到相应的TIR输出端67-69。在光瞳平面中，TIR输出端67-69设置为，比用于结构化照明的输出端37-39、47-49、57-59更靠外(即，距光轴更远)。
相应的光纤可以引向每个TIR输入端61-63，使得扫描仪8能够选择输入端31、41、51、61、62、63中的任何一个。
尽管图4示出了具有三个TIR输入端61-63的实施例，但是该设计可以概括为一个或多个TIR输入端。
每个分光器的效率取决于入射光的偏振。优选地，光在发生分离的方向上线性偏振(如图2和4中的箭头所示)。然而，SIM需要优选地垂直于该方向的极化。因此，优选在分光器后旋转光的偏振。
参考图5进一步描述，在左侧部分示出了三个点图案。第一点图案包括对应于输出端37-39的光瞳平面中的光斑81、82、83。第二点图案包括对应于输出端47-49的光斑84-86。最后，第三点图案包括对应于输出端57-59的光斑87-89。
每个光斑81-89的偏振方向用箭头指示。
可以使用两个半波片，在各情况下，将偏振方向旋转90°。如图1中所示，这样的半波片25在波导芯片90和样本平面20之间。优选地，半波片25直接设置在波导芯片90的输出端处。这样，。片25的较小的横截面就足够了。优选地，半波片25是消色差的。在通过第一半波片之前和之后的光斑81-89的偏振在图5的中间部分用箭头示出。该中间部分还指示第一半波片的快轴96的方向。请注意，只有两个半波片的轴之间的角度很重要，但不是它们的绝对方向。图5的右侧部分示出了穿过第二半波片之前和之后的光斑81-89的偏振方向。还指示了第二个半波片的快轴97。如图5的右侧所示，每个光斑的偏振方向旋转了90°，并且垂直于连接相同光斑图案的光斑81-83的线。
半波片中的一个或两个也可以用实现90°偏振旋转的其他方式代替。转到图3，每个输出端37处的基底表面可提供有或加工成用作半波片的结构，从而代替一半波片。
在光出射波导芯片之前，每个路径分支还可能引向两个连续的镜像接口。如图6中示出的示例，其示意性地示出了波导芯片90的一部分的透视图。
路径分支34引向两个连续的镜面73和71。它们以潜望镜，也称为微潜望镜，的形式设置。第一镜面73将来自波导芯片内和/或波导芯片平面内的路径分支34的光重定向到第二镜面71。第二镜面71将从波导芯片90射出的光重定向到出射方向75。用箭头76表示在路径分支34中并且在镜面71、73之前的光的偏振方向。如图所示，该偏振方向可以在波导芯片的平面中。所有表面73、71上的反射影响偏振，使得已离开波导芯片90的光的偏振方向77旋转，优选地为90°。
除了所描述的光导路径之外，提供有另一光导路径，该另一光导路径不与波导芯片的输入端31、41、51之一连接。该另一光导路径可具有与另一光源耦合的输入端，例如，与波导芯片连接的LED位于另一光导路径的输入端处。另一光导路径具有位于输入端31、41、51其中之一附近的输出端。例如，另一光导路径的输出端与输入端31、41、51其中之一之间的距离可以小于五个(更多)光导路径的直径。特别地，另一光导路径的输出端的耦合出方向可以平行于输入端31、41、51的耦合入方向。这可以通过另一光导路径在其截面的输入端，在其输入端31、41、51平行于光导路径32、42、52的截面。离开另一个光导路径的输出端的光可以使用另一个光检测器和/或进行测量，用于光束调整或准直调整。
本发明的设计提供了改进的稳定性和准确性，因为波导芯片的输出端以及光瞳平面中的点图案具有预定的设置，且不需要光学部件来将光从波导芯片指向到光瞳平面，这将需要要对齐或可能面临随着时间的推移的错位。特别地，为此目的不需要光纤，因此避免了由于光纤的不同长度引起的相干问题。结果，可以使用较便宜的激光器作为光源。可使用需要相对低数量的部件的设置来实现。
本发明的光学显微镜的主要优点在于，许多功能可以集成在单个波导芯片中。这不仅使得空间减小，而且避免了单个可移动部件的调节问题。例如，波导芯片后面的光纤变得过时。移相器和/或偏振旋转装置也可以集成在波导芯片中；其中偏振旋转装置可以由微镜形状，或由设置在每个输出端处的半波片的镜像对形成。
附图标记清单
1光学显微镜
4光源
5光
6用于组合光束路径的镜子
7AOTF
8扫描仪
9、16可移动偏转器的反射面
10二向色分光器
11.1、11.2、11.3光纤
15从波导芯片出射的结构化光
18变焦组件
19接物镜
20样本平面
21控制单元
22探测器
23透镜
24二向色分光器
25具有半波片的输出偏振单元
26滤光器
27可移动偏转器
28照相机
30、40、50不用于对样本照明的路径分支
31、41、51波导芯片的输入端
32、42、52光导路径
33、43、53形成在波导芯片中的分光器
34、35、36；44，45，46；54、55、56波导芯片的路径分支
37、38、39、47、48、49；57、58、59波导芯片的输出端
61、62、63额外输入端
64、65、66额外光导路径
67、68、69TIR输出端
70波导芯片的基底
71用于将光偏转出波导芯片的接口
72提供在在波导芯片的基底上的凹陷
73用于在波导芯片内偏转的接口
75输出端的光的出射方向
76波导芯片内光的偏振方向
77耦合出波导芯片的光的偏振方向
81-89光瞳平面中的光斑
90波导芯片
95光学组件
96、97半波片的快轴
P波导芯片定义的平面