(57)【要約】【課題】偏光状態を切り換える顕微鏡および顕微鏡検査法を提供する。【解決手段】ある部分領域でその断面に沿って変調周波数で位相変調される少なくとも１つの照明光線と、照明光線を試料に集束するための顕微鏡対物レンズと、検出光路と、少なくとも１つの復調手段とを有する顕微鏡であって、少なくとも１つの偏光変更要素が照明光路内に設けられており、その偏光変更要素に、位相影響度が異なる少なくとも２つの領域を有する位相板が後置されている顕微鏡。第２の実施形態は、少なくとも１つの照明光線と、該照明光線を試料に集束するための顕微鏡対物レンズと、少なくとも１つの変調器を備える検出光路とを有する顕微鏡であって、照明光線が、少なくとも２つの光路に交互に分配され、第１の光路とは異なる場モードを形成するための要素が光路の１つに設けられており、異なる場モードを有する２つの光路が焦点で重畳される顕微鏡に関する。【選択図】図１
2012078802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある部分領域内でその断面に沿って変調周波数で位相変調される少なくとも１つの照明光線と、照明光線を試料に集束するための顕微鏡対物レンズと、検出光路と、少なくとも１つの復調手段とを有する顕微鏡であって、
少なくとも１つの偏光変更要素が照明光路内に設けられており、該偏光変更要素には、位相影響度が異なる少なくとも２つの領域を有する位相板が後置されている、顕微鏡。
【請求項２】
前記偏光変更要素が、偏光回転要素である、請求項１に記載の顕微鏡。
【請求項３】
前記偏光回転要素が、電子光学的変調器（ＥＯＭ）である、請求項２に記載の顕微鏡。
【請求項４】
前記位相板が、実質的に位相が影響を受けない領域と、位相が影響を受ける領域を有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の顕微鏡。
【請求項５】
前記位相が影響を受ける領域が、少なくとも１つの半波長板である、請求項４に記載の顕微鏡。
【請求項６】
復調のために、ロックイン増幅のような電子手段が設けられている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の顕微鏡。
【請求項７】
復調のためにＡＯＭまたはＥＯＭが設けられており、または少なくとも１つの音響光学的変調器（ＡＯＭ）によって復調のための光線切換えが行われ、または復調のために検出器の動作方式が変更される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の顕微鏡。
【請求項８】
前記偏光変更要素と前記位相板との間に光ファイバが配置されている、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の顕微鏡。
【請求項９】
前記位相板が、偏光変更のためにそれ自体が回転可能に構成されている、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の顕微鏡。
【請求項１０】
前記位相板が、空間的光変調器（ＳＬＭ、Ｓｐａｔｉａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）である、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の顕微鏡。
【請求項１１】
試料の光を顕微鏡で検出するための方法、特に、少なくとも１つの照明光線が集束のために顕微鏡対物レンズを介して照射され、該照明光線が、ある部分領域においてその断面に沿って位相変調される、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の顕微鏡の駆動方法であって、
検出光路内で復調が行われ、
好ましくは試料内における照明の位相変調が、検出光路において強度変調に変換され、該強度変調が復調され、
少なくとも１つの位相変更要素、好ましくは位相回転要素によって偏光が変更され、位相影響度の異なる少なくとも２つの領域を有する位相板によって位相変調が生じる、方法。
【請求項１２】
偏光回転要素として、電子光学的変調器（ＥＯＭ）が使用される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
試料信号の測定により、異なる位相板間の交換の際に、またはＳＬＭのような位相変調器の調整された変更の際に、測定結果の最適化に役立つ調節が行われる、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも１つの照明光線と、該照明光線を試料に集束するための顕微鏡対物レンズと、少なくとも１つの復調器を備える検出光路とを有する顕微鏡であって、
該照明光線が、少なくとも２つの光路に交互に分配され、
第１の光路とは異なる場モードを生じさせるための要素が光路の１つに設けられており、異なる場モードを有する該２つの光路が焦点で重畳される、顕微鏡。
【請求項１５】
光路の切換えが偏光スイッチによって行われる、請求項１４に記載の顕微鏡。
【請求項１６】
前記偏光スイッチが、少なくとも１つの電子光学的変調器と、少なくとも１つの偏光スプリッタとからなる、請求項１５に記載の顕微鏡。
【請求項１７】
ガウスモードとは異なるモード、特にドーナツモードが引き起こされる、請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の顕微鏡。
【請求項１８】
照明光線がＡＯＭまたはＡＯＴＦを通過した後に、光路が２つの次数の光路として形成される、請求項１４に記載の顕微鏡。
【請求項１９】
前記光路が交互に形成され、反射器を介しＡＯＭまたはＡＯＴＦを通って同じ光線方向に逆偏向される、請求項１８に記載の顕微鏡。
【請求項２０】
異なる場モードを引き起こすために、スパイラル位相マスクまたは回折光学要素または空間的光変調器（ＳＬＭ）が使用される、請求項１４乃至１９のいずれか１項に記載の顕微鏡。
【請求項２１】
複数の光線が設けられており、該複数の光線がそれぞれ光路に分割され、好ましくは該光路の１つで様々な場モードを生じさせるために複数の要素が設けられている、請求項１４乃至２０のいずれか１項に記載の顕微鏡。
【請求項２２】
試料が少なくとも１つの照明光線により、集束のための顕微鏡対物レンズを介して照明され、検出光路内で少なくとも１つの復調が行われ、
該照明光線が少なくとも２つの光路に交互に分割され、光路の一方では他方の光路とは異なる場モードが引き起こされ、場モードの異なる２つの光路が焦点で重畳される、請求項１４乃至２１のいずれか１項に記載の顕微鏡検査方法。
【請求項２３】
請求項１乃至２２のいずれか１項に記載のレーザ走査顕微鏡およびレーザ走査顕微鏡の駆動方法のうちの少なくとも一方。
【請求項２４】
位相板が様々な領域、特に位相遅延の異なる領域を有し、これらの領域が互いにλ／２の位相変化を有している、請求項１乃至２３のいずれか１項に記載の顕微鏡または顕微鏡検査方法。
【請求項２５】
音響光学的偏向器（デフレクタ）が設けられており、該音響光学的偏向器が照明光を交互にまたは同時に、好ましくは振幅を変調して少なくとも２つの光ファイバの入力端に偏向される、請求項１乃至２４のいずれか１項に記載の顕微鏡または顕微鏡検査方法。
【請求項２６】
偏光変更要素の後方に、少なくとも２つの光ファイバに入力結合するための入力結合手段が設けられている、請求項１乃至２５のいずれか１項に記載の顕微鏡または顕微鏡検査方法。
【請求項２７】
交互に光ファイバに入力結合され、または振幅変調により、少なくとも２つの光成分の時間に依存する重み付けがなされる、請求項１乃至２６のいずれか１項に記載の顕微鏡または顕微鏡検査方法。
【請求項２８】
光ファイバへ、それぞれ偏光の向きの異なる入力結合が行われる、請求項１乃至２７のいずれか１項に記載の顕微鏡または顕微鏡検査方法。
【請求項２９】
光ファイバの端部またはその出力結合部が偏光器において、異なって偏光された２つの光線成分が存在するように互いに向けられる、請求項１乃至２８のいずれか１項に記載の顕微鏡または顕微鏡検査方法。
【請求項３０】
異なる向きの偏光成分が、位相板を介して試料の方向に達する（位相板が光ファイバに後置されている）、請求項１乃至２９のいずれか１項に記載の顕微鏡または顕微鏡検査方法。
【請求項３１】
位相板の後方に、調整可能な偏光器が配置されている、請求項１乃至３０のいずれか１項に記載の顕微鏡または顕微鏡検査方法。
【請求項３２】
位相板の後方で光線の一部分が、偏光分布およびＡＯＤの少なくとも一方、もしくはＥＯＭを制御するために基準検出器上でフェードアウトされる、請求項１乃至３１のいずれか１項に記載の顕微鏡または顕微鏡検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡および顕微鏡検査法に関し、特に偏光状態を切り換える顕微鏡および顕微鏡検査方法する。
（参考文献）
［１］チェンら（Ｃｈｅｎ  ｅｔ  ａｌ．）、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ  １６、１８７６４（２００８）
［２］ウォンら（Ｗｏｎｇ  ｅｔ  ａｌ．）Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．４８、３２３７（２００９）
［３］ＴＯＦ  Ｋａｍｅｒａ  ｍｉｔ  Ｌｏｃｋ−Ｉｎ  ｐｉｘｅｌｎ（ピクセル・ロックイン式カメラ）：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｅｓａ−ｉｍａｇｉｎｇ．ｃｈ／
［４］Ｇａｔｅｄ−Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒ−Ｋａｍｅｒａ（ゲート付き増感カメラ）；たとえばｔａｕｔｅｃ  ｐｉｃｏ  ｓｔａｒ
［５］スエダら（Ｓｕｅｄａ  ｅｔ  ａｌ．）Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ  １２、３５４８（２００４）
［６］国際特許公開第２００９／００８８３８号パンフレット
［７］欧州特許第５００７１７号明細書、「２光子顕微鏡」
［８］エー  レリーおよびジェー  メルツ（Ａ．Ｌｅｒａｙ  ａｎｄ  Ｊ．Ｍｅｒｔｚ）Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ  １４、１０５６５（２００６）
【背景技術】
【０００２】
光学の様々な分野で、異なる空間的光分布の間で高速に切り換えることが必要である。たとえばこのような手段は、異なる焦点野の間で高速に切り換えできるようにするためにレーザ走査顕微鏡で使用することができる。これはとりわけ、対物レンズの焦点内でだけ光に影響を与えたい場合に重要である。ここでは、光学的に厚い試料の３次元結像を行うことのできる方法を簡単に説明する。ここでは背景光が弁別される（非特許文献１、非特許文献２、特許文献１）。
【０００３】
この場合の基本は、ある特性が焦点内で発生される蛍光だけに時間的に影響を及ぼし、焦点外の光線は変調されるべきでないことである。これまでこの方法は、対物レンズの瞳内で光学的位相を高速に切り換えることに基づいている。これまで位相を２つの半瞳内で切り換えることが示された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際特許公開第２００９／００８８３８号パンフレット
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】チェンら（Ｃｈｅｎ  ｅｔ  ａｌ．）、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ  １６、１８７６４（２００８）
【非特許文献２】ウォンら（Ｗｏｎｇ  ｅｔ  ａｌ．）、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．４８、３２３７（２００９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の半瞳内切換えと同様に、有利には、別の部分光線の光学的位相の切換えを利用することもできる。
加えて、焦点体積からの放射を時間的に変調させるために、有利には、位相だけでなく一般的に場モード切換えを利用することも可能であり、ここでは焦点体積の外では光線が時間的に変調されない。この場合も当該の目的のために高速のモードスイッチについて論じるべきである。
【０００７】
さらに、位相切換えの他に、励起スポットの異なる２つの場モードを高速に交番させるために、さらなる可能性として偏光の切換えが提案されている。これによって焦点体積から到来する光線が変調される。その際、位相切換えの場合と類似の効果が達成できることが認識される。切換えの作用は、とりわけ焦点内での蛍光の励起に影響を及ぼす。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
問題となる解決策は、数ＭＨｚ範囲での変調を引き起こすべきである。したがってこの解決策は基本的に、レーザ走査顕微鏡（ＬＳＭ）において走査速度を損なわずに浸透深度を高めるために有利に使用するのに適している。速度のさらなる上昇は、マルチスポット顕微鏡による平行化によって達成される。とはいえ、低速の変調もやはり可能であり、相応に調整することができる。
【０００９】
変調周波数が有利に高いので、実質的に高速にスイッチングする光電要素、たとえばＡＯＭおよびＥＯＭが考慮の対象となる。この解決策により、最終的に焦点内の場に実質的に作用する特性が切り換えられるべきであり、その結果、焦点野が変調され、一方、焦点外の実質的成分は有意には変調されない。
【００１０】
本発明は、独立請求項の特徴によって特徴付けられる。
好ましい改善形態は従属請求項の対象である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】照明光路内に配置された光電変調器ＥＯＭと受動要素Ｐとに基づく、光学的高速モードスイッチ（ａ，ｃ）、及び位相板Ｐの様々な変更形態（ｂ，ｄ）を示す図である。
【図２ａ】偏光性ビームスプリッタＰＢＳが光路内で後置されているＥＯＭに基づく光学的高速モードスイッチを示す図である。
【図２ｂ】ガウスモードとドーナツモード（ラゲール・ガウスモード）の強度を示す図である。
【図２ｃ】４つの好ましくはコリメートされた光線Ｌ１〜４の例によるモード変調のためのマルチスポット変形形態を示す図である。
【図３】２つの場モード（たとえばラゲール・ガウスモードとガウスモード）の間でのＡＯＭによる高速切換えを示す図である。
【図４ａ】ＦＭＭ変調のための構成体を示す図である。
【図４ｂ】ＦＭＭ変調のための構成体を示す図である。
【図４ｃ】図３に類似の光路を示す図である。
【図５】スパイラル位相板の例を示す図である。
【図６】別の有利な実施形態を示す図である。
【図７】別の有利な実施形態を示す図である。
【図８】別の有利な実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の様々な有利な実施形態を概略的に説明する。
（実施形態１）
第１の実施形態では、偏光に依存する位相偏移を様々な空間的領域に、好ましくは対物レンズの瞳に導入する受動要素において位相が形成されることが出発点である。高速の時間的変調を生じさせるために、たとえばＥＯＭまたは別の適切な要素、たとえばネマチック結晶（ただしネマチック結晶は比較的緩慢に応答する）によって、あるいは経路分岐によって異なる偏光を生じ、この経路がＡＯＭ／ＡＯＴＦによって高速に切り換えられる構造体によって、偏光が時間的に操作される。
【００１３】
図１での偏光の切換えまたは回転により、位相板を通過する光線のそれぞれ一部分が光学的位相において影響を受け、一方、プレートの偏光に依存しない部分を通った光線の成分は位相偏移を受けない。したがって偏光状態を切り換えることによって位相の切換えを達成することができる。図１に示された位相板は単なる例である。基本的にここでは様々な幾何形状が考えられる。たとえばＥＯＭの変調により、位相状態をたとえば正弦波に、または矩形プロフィールあるいは他の有利な波形を有するものに変えることができる。これにより、顕微鏡の焦点の通過が、時間的に異なる影響を受けるようになる。
【００１４】
図１ａは、照明光路内に配置された光電変調器ＥＯＭと、受動要素Ｐとに基づく、この種の光学的高速モードスイッチを示す。
ここに例として示された受動位相要素は、それぞれ二重屈折結晶の組合せからなる。図示されているのは、分割された半波長板の形の位相板Ｐと、位相が偏光方向に依存しない、たとえばガラスとして構成された構成要素である。
【００１５】
ここで位相板は、結晶の高速方向が、入射されるレーザ偏光に対して有利には平行もしくは垂直、または他の最適の角度に向くように配向されている。
図１ｂには、位相板Ｐの様々な変更形態が示されており、λ／２半体とガラス半体への半体分割がＰ１に示されており、対向するλ／２四分の一体とガラス四分の一体への四分割がＰ２に、外側のλ／２リングと内側のガラスコアがＰ３に、反対に外側のガラスリングと内側のλ／２コアがＰ４に示されている。
【００１６】
ガラスはここでは例として述べるにすぎない。他のアモルファス石英（Ｓｕｐｒａｓｉｌ）または他の非二重屈折材料も使用することができる。
それぞれのλ／２部分の異常軸の向きが矢印により示されている。偏光された光線がこの矢印の方向に平行にこの要素を通過すると、ガラス部分に比べて半波長の位相シフトがλ／２部分内で生じる。一方、その偏光が矢印の方向に垂直に向いていれば、位相遅延は生じない。
【００１７】
要素ＰはＥＯＭと動作的に接続しており、ＥＯＭは対応する制御によって、入射光線Ｌの偏光方向ＰＲ、通例は線形に偏光されたレーザ光線の偏光方向ＰＲを高速に回転させる。
【００１８】
Ｐを通過した後、光線は、後で示す構成と同様に、顕微鏡Ｍの方向に進み、やはり従来技術から公知であるように、図示しない走査ユニットを経て試料に達する。
プレートＰを通る半分の位相変化により、光線はＦＭＭに典型的な場変調を受ける。
【００１９】
調節方法も本発明に属し、ここでは好ましくは、位相要素の構成がたとえばＳＬＭの交換または制御によって変更され、変調コントラストの測定により、たとえばプレートＰを挿入したときの測定と、プレートＰを外したとき（ＦＭＭなし）の測定により、ＦＭＭ信号の最適化を行うことができる。
【００２０】
本発明の枠内で、光線Ｌが固定されているときに、ＥＯＭによって偏光を回転するのではなく、プレートＰを回転させることもできる。
図１ｃは、図１ａと同様にＥＯＭと受動位相要素に基づく光学的高速モードスイッチを示す。
【００２１】
図１ｃでは本発明のアプローチが、偏光維持ファイバの場合に公知であるように、このファイバが光の偏光状態を受け取るときに、レーザの偏光方向変調をファイバＦに入力結合する前に行うことができるように拡張されている。この場合でも、位相要素はファイバの後方で、光学系の瞳内に存在する。
【００２２】
この実施形態は、本来の光学系／機器／顕微鏡／操作ヘッド内にわずかな構造空間しかない場合に特に有利である。
従来技術（たとえばチェンら（Ｃｈｅｎ  ｅｔ  ａｌ．）［１］）とは逆に、この場合はファイバと動作的に接続された受動位相要素を使用することにより、使用されるＥＯＭの電磁的絶縁を行うことができ、このため有利には、ＥＯＭの高周波で放射される電磁界による測定構成体への影響が回避される。ＥＯＭは有利には、レーザモジュール中に別個に収納することができる。
【００２３】
図１ｄにも、４つの可能な位相板Ｐ１〜Ｐ４が例として示されている。
（実施形態２ａ）
別の有利な実施形態では、本発明によれば、２つのモードがすでに存在し、ＥＯＭ、ＡＯＭまたはＡＯＴＦによってこれらのモード間で切り換えられる解決策が実現される。この原理は、これまで文書に記載された従来技術から大きく異なるものである。なぜならこの場合は、焦点内の切換えが光学的位相の切換えによって行われるのではなく、２つの光学的場モードの切換えによって行われるからである。その際に、等価の出発状態および終了状態がもたらされるが、それぞれ焦点場構造によって特徴付けられる一方の構成から他方の構成への移行は、インコヒーレントに行われる。
【００２４】
図２ａは、偏光性ビームスプリッタＰＢＳが光路内で後置されているＥＯＭに基づく光学的高速モードスイッチを示す。
光を偏向させるためにＰＢＳの後方にミラーＭ１〜Ｍ４が設けられている。
【００２５】
Ｍ１〜Ｍ４によって、ＰＢＳによって生じた（反射された）偏光方向Ｐｏｌ１が偏向される。
Ｍ２とＭ３の間に、特定の偏光方向について光線分布のドーナツモードＤＭを生じる位相要素（ＳＰＰスパイラル位相板［５］）が配置されており、このドーナツモードＤＭはＭ４の後方のＰＢＳで、ＰＢＳを通過した成分と再び統合される。
【００２６】
図５ｂは、Ｎｅｗ  Ｊ．Ｐｈｙｓ．６（２００４）７１
ｄｏｉ：１０．１０８８／１３６７−２６３０／６／１／０７１
ＰＩＩ：Ｓ１３６７−２６３０（０４）８００５０−８
ジョナサン  リーチ（Ｊｏｎａｔｈａｎ  Ｌｅａｃｈ、エリック  ヤオ（Ｅｒｉｃ  Ｙａｏ）およびＪ  Ｐａｇｅｔｔｏ（Ｊ  Ｐａｇｅｔｔ）「Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｖｏｒｔｅｘ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｏｆ  ａ  ｎｏｎ−ｉｎｔｅｇｅｒ  ｖｏｒｔｅｘ  ｂｅａｍ」からのスパイラル位相板の例を示す。
【００２７】
線形に偏光されたレーザ光線Ｌは、波動遅延性ＥＯＭを通って伝播する。このＥＯＭは、高速にスイッチング可能な偏光回転器のように作用する。これにより、光はそのさらなる経路上で、後続の偏光性ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を通過する（たとえばリーフレベルに平行に偏光された光）。もう一方の偏光方向では、光は図面の上方に偏向され、スパイラル位相板ＳＰＰのような要素を通過する。この要素は、ガウスモードからドーナツモードを生じさせる（たとえば［５］）。
【００２８】
別法としてここで、別のモード切換要素、たとえばサブ波長構造体またはＤＯＥ（回折光学要素）をこの光路内に導入することもできる。光はその後、再びＰＢＳで反射され、第２の偏光の光線と時間的に交互に良好に重畳される。ＥＯＭの変調により、様々な場モード（Ｐｏｌ１、２またはＧＭ）が変調され、これにより顕微鏡対物レンズの焦点内で光が変調される。
【００２９】
焦点体積から放射される光の、時間に依存する強度については次式が成立する。
【００３０】
【数１】
2012078802.tif 000003
式中、Ｃ（ｒ）は、励起可能な分子の空間的に変化する濃度を表す。積分は、焦点体積を含む範囲にわたる。Ｉｐ（ｒ、ｔ）は、時間的に変化する励起強度を表し、２つのモード間で切り換える場合には次式によって与えられる。
【００３１】
【数２】
2012078802.tif 000004
ここで重要なのは、実質的に焦点内の光だけがこの時間的な変調を受け、焦点外のすべての光は実質的に変調されないか、または格段に弱くしか変調されないことである。
【００３２】
次いで、ロックイン検出により、時間的に変化する成分を時間的に一定の成分から分離することができる。この時間的に変化する成分は、２つの異なる焦点野の差に相当し、ここで変調されない焦点外の成分は時間的に一定であり、たとえばロックイン検出による同位相の検出によって消失する。
【００３３】
図２ｂは、ガウスモードとドーナツモード（ラゲール・ガウスモード）の強度を示す。軸は、焦点面内のスケーリングされた側方の空間的広がりを示す。
提案された解決策は従来技術とは、特に、この場合は光場が瞳内でその個別成分に分解されて、位相変調器を介して様々な空間的部分内で影響を受けるのではなく、異なる２つの焦点野の間で時間的に変化する切換えが行われる点で異なる。これによって実際の変換について一連の利点が得られる。もっとも重要な利点は、第一に、達成可能な変調速度である。
【００３４】
この解決策のさらなる利点は、複数の焦点体積に簡単に拡張可能なことである。その際、たとえば複数のガウスビームを構成体に入射し、対応する光路上でアレイ変換器（たとえばスパイラル位相マスクアレイ）によって変形することになる。複数の焦点体積の形成それ自体は、たとえばドイツ特許公開公報第１９９０４５９２号に記載されている（図５ａも参照）。
【００３５】
概略的実施形態が図２ｃに示されている：
ここに図示されているのは、たとえば４つの好ましくはコリメートされた光線Ｌ１〜４の例によるモード変調のためのマルチスポット変形形態であり、光線はもっぱら顕微鏡Ｍ内で焦点面の方向に集束される。
【００３６】
Ｌ１〜４の通過は、図２ａと同様に、そこに図示された構成体を通って行われ、その際に、個々のスパイラル位相マスクの代わりに、４つのＳＰＰによって概略的に示されたＳＰＰアレイが設けられている。
【００３７】
光線Ｌ１〜４がＥＯＭを通過するために、ＥＯＭは対応する大きな断面を有することができ、または光方向でマルチスポット形成の前に置くこともでき、あるいはＬ１〜４に対して変調周波数の異なる複数のＥＯＭを設けることも、または断面領域が異なって制御されるセグメント化されたＥＯＭを設けることもできる。
【００３８】
図２ｃには４つの光線だけが図示されているが、本発明は最終的に、有利には、格段に多数の光線を変調するように、したがって擬似共焦点の多焦点顕微鏡を可能にするように構成することもできる。
【００３９】
４つの焦点に対してデスキャンモードではまだ個別の検出器／ロックインモジュールを使用することができるが、後者の場合は、検出のために、デスキャンの場合は好ましくは検出器アレイが、または変調可能な増幅器（マルチチャネルプレート）［４］を備えるカメラ、またはスマートピクセルＣＭＯＳカメラ［３］も適しており、このＣＯＭカメラは、非デスキャンモードまたは直接検出モードで、カメラ内でピクセルごとに復調することができる。
【００４０】
（実施形態２ｂ）
２つのモードの切換えは、たとえば音響光学的変調器（ＡＯＭ）によって非常に高速に行うこともできる。
【００４１】
図３は、２つの場モード（たとえばラゲール・ガウスモードとガウスモード）の間でのＡＯＭによる高速切換えを示し、したがってガウス場が、ガウスモードとガウス・ラゲールモードの時間に依存する重畳に変換される。
【００４２】
ここでもＰＢＳが設けられている。
ＰＢＳの後に通過する光路内には、戻ってくる光線をＰＢＳを通って別の顕微鏡Ｍの方向に偏向させることができるようにするための位相回転に役立つ四分の一波長板ＱＷＰの後方にＡＯＭが配置されており、その０次および１次の光路内に反射要素Ｓが配置されており、この反射要素Ｓは光を同じ方向でＡＯＭに逆反射する。
【００４３】
ＡＯＭとＳの間の０次の光路内に、ドーナツモード発生器ＤＭＧ（たとえばスパイラル位相板または「ラジアル偏光器」）が設けられている。
本発明のこの実施形態は、上述の実施形態２ａの有利な変形形態である。
【００４４】
ここで、線形偏光されたガウスビームが、偏光性ビームスプリッタと偏光に影響を与える四分の一波長板とを通って、制御ユニットＡＳによって制御されるＡＯＭまたはＡＯＴＦ（非常に高速の切換えのためにはＡＯＭを、より低速ではあるが多色性に変調する場合にはＡＯＴＦを使用することができる）に入射される。次にＡＯＭ内で、音響場の入射により、時間的に変化する格子が形成され、この格子内で光線がたとえばそれぞれ０次および１次の光線に偏向される。したがってこれらの次数の間で高速に（高周波で）往復切換えされる。次に光線は再び経路の１つ内でモード形成要素、たとえばドーナツモード形成要素ＤＭＧを通過し、続いて第１のミラーで反射される。ここではドーナツモードの他に、たとえばより高次のガウス・ラゲールモードを生じる別のモード形成要素も考えられる。その後、この要素を再度通過する。一方、他方の次数の光線は１つのミラーでだけ反射される。次に、両方の次数の光線は再びＡＯＭを通過し、ＡＯＭ内で再び１つの光線方向にされる。しかしこれらの次数の光線は通例、個々の場合にモード形成要素に依存して、線形に出力偏光されてＡＯＭから出る。四分の一波長板ＱＷＰによってこの場を回転することにより、光線は偏光性ビームスプリッタプリズムＰＢＳで反射され、したがって顕微鏡Ｍおよび試料の方向に至ることができる。
【００４５】
放出された蛍光光線の検出は、対応する光電検出器および光学的または電子的復調によって行われる。
使用される検出技術の説明：
ロックイン技術
ロックイン技術（ＬＩＴ）は、時間的に変調された信号を位相に依存して測定することに基づいており、基本位置が周波数基準を形成する。典型的には試料が特定の周波数で励起され、ＬＩが基準周波数において信号を測定する。
【００４６】
ロックインシステムＬＩは、この特定の基準周波数において基準位相位置に応じて信号を検出する。
基準位相に対して固定した関係で、ＬＩ増幅器がその固有の内部測定位相を（通例、いわゆる位相ロックループによって）形成する。
【００４７】
【数３】
2012078802.tif 000005
古典的なＬＩ増幅器では、まず信号が増幅され、続いて位相感知性の検出器（ＰＳＤ）または乗算器によってＬＩ基準ＬＩｒｅｆと乗算される。
【００４８】
たとえば信号が次式で記述される場合、
【００４９】
【数４】
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ＰＳＤの出力端で、次式が得られる。
【００５０】
【数５】
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したがってＰＳＤの出力端は時間的に変化する２つの信号を送出する。すなわち１つはＬＩ基準位相と信号位相との差周波数であり、もう１つはそれらの和周波数である。この信号ＶＩＰＳＤは低域フィルタリングされ、これによりすべての高周波信号が消失する。低域フィルタリングが完全であれば最後に、（ωｒ−ωＬ）＝０が成り立つとき、１つの信号だけが生じる。したがって出力端で、次式が得られる。
【００５１】
【数６】
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したがってＬＩ増幅器は、周波数ωｒ＝ωＬのときに信号を抽出し、この基準周波数において信号振幅に線形に依存する出力信号を送出する。
【００５２】
さらに図４ａおよびｂに基づいて、ＦＭＭ変調のための構成体を全体的に示し、説明する。この構成体も、従来技術（ロックイン法）に代わる復調検出のための構成体を含み、上述の本発明とともに有利に使用することができる。
【００５３】
本発明によれば、復調のための光学的変調器が検出で使用され、または検出器の駆動方式が復調のために利用される。
図４ａは、浸透深度／散乱光抑制を高めるための顕微鏡構造を示し、概略的な光路内に、レーザＬから試料Ｐの方向に、照明光路と検出光路とを分離するためのダイクロイックハーフミラーＤが設けられている。
【００５４】
検出は、ビームスプリッタＢＳによって、検出器ｄ１、ｄ２が存在する２つの部分光路に分けられる。
さらに光学的変調器ｍ１、ｍ２、位相調整用の要素Ｐｈ、フィルタＦ、焦点変調器ＦＭならびに減算演算器Ｏ−が図示されている。
【００５５】
蛍光励起のためのレーザＬは、焦点変調器（ＦＭ）により、たとえば図１および２に基づいて説明したように周波数ωで変調される。ダイクロイックハーフミラー（Ｄ）によって反射され、やはりωで変調された試料（Ｐ）の蛍光光線が、５０／５０ビームスプリッタ（ＢＳ）を通って２つの検出器ｄ１とｄ２により位相感知的に検出される。このためにたとえばｄ１とｄ２の前方にはそれぞれ１つの変調器（図４ａではｍ１、ｍ２）が使用され、またはｄ１およびｄ２の検出器利得が変調される（図４ｂ）。
【００５６】
次に、平滑化された信号（フィルタＦ、たとえば積分器）が互いに減算される（演算器Ｏ−）。
変調器ｍ１、ｍ２は、有利にはＥＯＭのような光学的変調器とすることができ、ｍ１は直接変調され、ｍ２はＰｈを介して位相シフトを受け、これにより、互いに位相差（ΔΦ）を有する２つの部分信号が検出され、混合され、低域フィルタによってフィルタリングされる。したがって有利には、焦点が完璧な状態と、弱め合う干渉によって焦点が妨害されていて焦点がずれた状態とを互いに減算できる（−演算器）ようにするために、調整された相対位相、理想的には２つの検出成分間で９０°の相対位相で光学的復調が行われる。
【００５７】
図４ｂでは、光学信号が変調されるのではなく、検出器の「利得」（たとえばＰＭＴの加速電圧）がそれぞれＦＭを介して制御され、再びＰｈを介して位相が調整され、信号がＦでフィルタリングされ、Ｏ−によって減算される。
【００５８】
検出器ｄ１、ｄ２は、たとえば周波数ω（および調整された位相シフト）でスイッチオン／オフされる。
検出光路における光学的変調：
本発明によればＡＯＭを用いて、光線切換えが復調のために利用される。
【００５９】
図４ｃは、図３に類似の光路を示す。
しかしこの場合は、検出器ｄ１とｄ２の間で周波数ωで、有利には図２に示したようなＡＯＤ（Ａ）によって切り換えられるが、この場合はこの切換えが検出の際に行われる。
【００６０】
さらにすでに示し説明したように、焦点の合った信号と焦点のずれた信号との減算および低域フィルタリングが行われる。
これによりビームスプリッタが使用されず、信号強度のそれぞれ半分が失われることがない。
【００６１】
Ｐｈを介して位相差を調整することができる。
図６〜８には、別の有利な実施形態が補足して示されている。第１の補足は、位相板自体の構造に関するものである。これは元々は、半波長板と等方的に作用するプレートとの組合せからなると説明された。ただし一般的に、別の組合せも考えられる。
【００６２】
たとえばこれは、プレートＰＰが図６のように、波長板の作用を有する（すなわち位相をλ／２ではなくλだけシフトする）領域と、λ／２位相シフトが達成される領域とから構成されている場合に達成することができる。一般的に、差の大きさをλ／２の有利な値に調整すれば、位相板の様々な部分領域でそれぞれ任意の位相偏移を実現することができる。
【００６３】
図１に示された様々な領域の組合せの様々な実施形態は、図６に示したように、たとえばすでに示したようにλまたはλ／２の位相遅延を有する様々な領域に対しても使用することができる。
【００６４】
加えて、２つの部分領域の位相偏移を互いに色収差補正するのが特に有利である。
これはたとえば様々な二重屈折結晶からなり、広帯域の波長領域に対して同じ光学的特性（同じ位相遅延）を有する、いわゆる「アクロマチック波長板」または「アクロマチック遅延板」によって実現することができる。ここでは、たとえば少なくとも２つのガラスからなるプレートを使用することにより、等方性の部分プレートの位相経過がこれに適合される。
【００６５】
位相板の照明に関しては、照明の偏光方向が非常に高速に切換可能であることが前提とされた。このために上ではたとえばＥＯＭが提案されたが、このＥＯＭにより偏光方向を高速に回転することもできよう。ここで位相板への光の供給は、光供給を光ファイバによって行うことができるが、偏光は維持されなければならないと記載された。しかし、偏光された光を２つのファイバを介して位相板に供給すると、様々な点でより有利な別の解決策が達成できることが認識された。この場合、図７に示すように、規定の偏光を有する光が２つの偏光維持ファイバに入力結合され、ファイバの２つの入力間で、周波数Ｆで切り換えることができる。一方のファイバの出力は、第２のファイバの出力に対して偏光方向が互いに垂直になるように、出力結合箇所において調整される。これにより、２つの偏光方向を１つの偏光性ビームスプリッタプリズム（ＰＢＳ）内で、または光学的ファイバカップラのような他の適切な種類の光学的統合部材内で統合することができ、これによりＰＢＳの出力端では周波数Ｆで変化する偏光が放出される。ファイバ入力間の切換えは、たとえば図７に示したような音響光学的変調器（または音響光学的スキャナ）によって行うことができる。この場合、音響波が結晶内で、２つの値ｆａｃ１とｆａｃ２の間で周波数Ｆで切り換えられる。ここで音響波ｆａｃ１とｆａｃ２は、それぞれＬａ１とＬａ２において光線の異なる偏向角を形成する。この空間的分割は、それぞれの光ファイバに入力結合するために用いられる。２つの周波数の電子的発生は、たとえばＤＤＳ（ダイレクトデジタルシンセサイザ）または他の適切な周波数スイッチによって行うことができる。
【００６６】
もう１つの特に有利な解決策は、周波数ｆａｃ１およびｆａｃ２を続的に音響光学的結晶に印加し、２つの成分の振幅を時間的に変調することによって得られる。この方法のためには、強度の和が時間的に一定に留まるようにするのが目的に適う。技術的実現は、たとえばＤＤＳ（ダイレクトデジタルシンセサイザ）によって行うことができる。
【００６７】
図示の実施形態の利点は、
１）格段に小型であり、顕微鏡での取扱いにおいて格別の利点を有する音響光学的要素を切換えのために用いること、
２）レーザモジュールからＬＳＭの走査ヘッドに光を供給するのにファイバを直接使用することができること、
から得られる。
【００６８】
同じく、ＰＢＳと組み合わせたＯＭにより、高速にスイッチングするファイバ結合を実現することも考えられる。この場合、ＥＯＭの後方に、偏光状態に応じて光を直接２つのファイバに分配するＰＢＳが配置される（図８）。
【００６９】
さらに、偏光がＰＢＳの後方で所定の値を有すると有利であり得る。このために位相板の後方に、回転可能な偏光器、または他のやり方でその偏光影響度を調整できる偏光器を取り付けることができる。
【００７０】
この偏光器により、２つの部分光線間の強度調整を、光ファイバの後方で行うこともできる。
これに関する測定は、顕微鏡内で、または外部のモニタダイオードによって実施することができる。
【００７１】
部分光線間の正確な調整のために、およびＡＯＭ／ＥＯＭと調整可能な偏光器Ｐｏｌの調整のために、光の一部分をＰＢＳの後方でダイオードＤに出力結合することができる。
ダイオードによって測定される強度変動は、とりわけ周波数ｆａｃ１とｆａｃ２の最大振幅を調整するための制御量として使用される。
【００７２】
これまでそれぞれ２つのファイバおよび周波数を出発点としてきた。これは例示の意味で理解すべきである。本方法は一般的に、Ｎ個の光状態を、たとえばＮ個のファイバによって切り換えるのに使用することができる。
【００７３】
さらに、結像について詳細に説明する。
図７は、ファイバ光学系Ｆ１、Ｆ２と組み合わせたＡＯＤにより、適切な位相板ＰＰを用いて位相スイッチを形成するために偏光を高速に切り換えることを示す。２つの切換状態の強度を調整するための実施形態が図示されている。
【００７４】
レーザ光波の光ＬがレンズＬ１を介してＡＯＤ（音響光学的偏向器）の面に入射され、その音波が結晶内で異なる音響周波数Ｆ１とＦ２の間で、周波数Ｆで切り換えられ、この音響周波数がレーザ光線の異なる偏向角を交互に生じさせる。
【００７５】
交互に偏向されたレーザ光線Ｌａ１、Ｌａ２は、それぞれファイバ入力カプラＦＫｅｉｎを介して光導体Ｆ１、Ｆ２に導入され、ファイバ出力カプラＦＫａｕｓにより異なる位置から偏光スプリッタＰＢＳに出力結合される。
【００７６】
その際、ファイバＦ１とＦ２は、ＰＢＳにおけるその（好ましくは線形の）偏光が、側方および上方から互いに垂直であるように位置合わせされる。
これは、ファイバ端部または出力結合ユニットを対応して回転することによって行われる。その際、ＰＢＳの後方でそれぞれＦ１とＦ２について、信号収率に基づいてＰＢＳにおける最適の位置に調整することができる。
【００７７】
ＰＢＳの後方には、図６で説明したように位相板ＰＰが配置されており、位相板ＰＰはその半体間の位相変化により、顕微鏡内でおよび走査装置にさらに導かれるＦＭＭ信号を生成する。
【００７８】
ビームスプリッタＳＴを介してモニタダイオードＤを出力結合することが可能である。このモニタダイオードＤは、制御ユニットＡＳを介して２つの偏光成分の信号強度および関係を調整するのに役立つ。
【００７９】
ここでＰＰとＳＴの間に、有利には回転可能な偏光器が設けられており、この偏光器は、上に述べたようにファイバＦ１、Ｆ２を配向する際の２つの偏光成分の関係を微調整するために、および可能なエラーを相殺するために役立ち得る。
【００８０】
ＡＳを介してモニタダイオードによる検出を、ＡＯＤによる切換えの周波数に同期することができ、これにより個々の強度成分が互いに分離される。
図８は、偏光を、したがって位相板後方の位相を、上に図７に基づいて説明した構成要素と関連して図７と同様の動作方式で切り換えるための、ＥＯＭを備える別の実施形態を示す。ただしこの場合は、個々の偏光成分への分離が、ＥＯＭの後方の偏光スプリッタＰＢＳ１によって行われ、ＰＢＳの後方で異なる偏光成分がやはり別個のファイバＦ１、Ｆ２に入力結合される。これらの偏光成分は、ＰＢＳ２においてファイバまたは出力結合ＦＦＫの配向によりやはり互いに垂直な偏光で入射される。
【符号の説明】
【００８１】
Ｌ…光線、Ｍ…顕微鏡、Ｐ…位相板、ＥＯＭ…光電変調器。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｃ】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図２ｂ】
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