技术领域
[0001] 本
发明涉及用于提高激光扫描显微镜(LSM)、特别是经典的并且共聚焦的激光扫描显微镜(CLSM)的分辨率的设备。
[0002] 此外，在带有
位置分辨的探测器的LSM中的使用，优选地在与
艾里扫描系统(Airy-Scan-System)相结合的显微
图像处理中的使用具有优选的意义。
背景技术
[0003] 在医学和
生物学领域中，高分辨率激光扫描显微镜对于诊断、激光手术以及研究越来越重要，因为
电子显微的处理和检查方法和大多数使用紫外
辐射的处理和检查方法不适用于活细胞。
[0004] 图像反转
干涉法(缩写为III-Image Inversion Interferometry)是用于提高CLSM中的分辨率和光效率的已知方法，如其针对
荧光LSM例如在Optics Express volume 15，Nr 19(2007)，12206至12216中所描述地那样。
[0005] 在这种情况下，为获得LSM的分辨率提高，将LSM的探测路径中的去扫描光在分束器处进行划分，波前在两个分开的干涉仪分支中相对彼此横向旋转，然后将所述波前以干涉方式在另一分束器上组合。两个干涉仪输出C(相长干涉)和D(相消干涉)可选地成像到针孔上，并且然后使用积分探测器记录。
[0006] 如果发射的荧光团位于图像反
转轴上，则两个相对彼此旋转的波前由于对称原因相互相同，并且可以完美地相互干涉，即在C中存在完整
信号并且在D中存在零信号。相反，如果荧光团远离反转轴，则相互反转的波前不再重叠，并且因此也不相互干涉。在C和D中分别出现50％的信号。
[0007] 由于对于并非来自反转轴(即，当前扫描位置)的光的干涉性抑制产生了有效的分辨率提高。在LSM中，此效果可以与点状照明和针孔组合以实现分辨率的进一步提高、更好的深度分辨率(改进的切片)和更好的
信噪比(SNR)。
[0008] 作为波前反转的替代，也可以进行在横轴上的波前镜像。以此，分辨率提高被限制在一个(垂直于镜轴线的)方向上；然而所述方法也可用于线扫描系统。相对于两个相互垂直的轴进行镜像的原理的双重应用又实现了反转的点对称的分辨率提高。在此情况下，光学传递函数(OTF)具有矩形形式并且传输高的空间
频率，因此明显优于通常受到限制的具有几乎三
角形形式的宽场传递函数(参见Optics Express volume 15，Nr 19(2007)，12209中的图2b)。
[0009] 在WO 2008/093099A2中描述了一种用于在共聚焦的激光扫描显微镜(CLSM)的情况下提高图像分辨率的方法和设备，所述方法和设备在大约1个艾里(Airy)单位的针孔孔径的情况下仍实现了的横向分辨率的显著改进。在此类型的III中，通过镜像整个图像来实现图像反转。为了实现图像反转，必须将整个图像划分和引导到两个光路中，其中，在一个其中光路中进行反转，而在另一光路中图像保持不变。随后，使得光路再次汇聚在一起并且使得图像干涉。
[0010] 所有前述III方法特别地在调节方面都非常昂贵，并且对干扰效应敏感，这使得在显微镜中的使用非常困难。
发明内容
[0011] 本发明的任务是找到一种借助图像反转干涉法(III)提高激光扫描显微镜(LSM)分辨率的新的可能性，所述可能性对于(直至40％的)III典型的分辨率提高来说允许简化的调节和更低的对于干扰效应的敏感性以及更低的制造成本。
[0012] 根据本发明，此任务通过借助图像反转干涉法改进激光扫描显微镜的分辨率或信噪比的方法来解决，其中，在一个干涉仪分支中进行光瞳光束的至少一次镜像，以便使在至少一个轴线上镜像的光瞳图像的波前和另一干涉仪分支的未改变的光瞳图像的波前干涉，所述方法包括如下步骤：
[0013] -将来自激光扫描显微镜的光瞳光束耦入共路干涉仪(2)，
[0014] -从光瞳光束中将光瞳(1)的面积沿着限定的横向于
准直的光束的光轴(12)的轴线(11)拆分为光瞳(1)的两个互补的子区域P和Q，以产生两个子光束，将两个子光束沿着共路干涉仪(2)作为两个沿着光轴(12)对置地定向的干涉仪分支平行地引导，并且通过全反射分开地供给到至少一个光束偏转装置，和
[0015] -在至少一次光束偏转之后使干涉仪分支的光在部分可穿透的分束器层(34)上干涉，其中，借助分束器层(34)，一个干涉仪分支的
透射光与另一干涉仪分支的反射光以及一个干涉仪分支的反射光与另一干涉仪分支的透射光分别达成光瞳(1)的第一子区域P的波前与跟第一子区域P互补的第二子区域Q的波前的组合以及所述光瞳(1)的第二子区域Q的波前与跟所述第二子区域Q互补的第一子区域P的波前的组合，从而能产生源自光瞳(1)的两个不同的子区域P和Q的波前的相长干涉(C)和相消干涉(D)。
[0016] 有利地，借助双楔形棱镜实现将光瞳光束在共路干涉仪中拆分成光瞳的互补的子区域P和Q，从而分别使两个互补的子区域中的一个子区域P或Q在分开的楔形棱镜中作为具有至少一个内部反射的干涉仪分支来引导，并且该干涉仪分支的内部反射光的干涉在楔形棱镜的覆以部分可穿透的分束器层的
接触面上进行，其中，在分束器层上，一个楔形棱镜的透射光与另一楔形棱镜的反射光以及一个楔形棱镜的反射光与另一楔形棱镜的透射光
叠加，并且第一子区域P的波前与第二子区域Q的波前相长干涉和相消干涉，从而将光瞳的光束拆分用于源自子区域P和Q的相互镜像的波前的干涉。
[0017] 在此，优选地对从楔形棱镜中的至少一个楔形棱镜的斜边面离开的、作为在分光器层上一个干涉仪分支的反射光和另一干涉仪分支的透射光的干涉分量的光进行评估。
[0018] 在干涉的光从至少一个斜边面(c)离开之后，合适地借助探测器在共轭光瞳内探测强度。
[0019] 在另一变体中，在干涉的光从双楔形棱镜的楔形棱镜的斜边面的至少一个斜边面离开之后，可以借助至少一个另外的双楔形棱镜将来自共轭光瞳的第二子区域Q的干涉的光展开以与第一子区域P形成全图像，至少一个另外的双楔形棱镜与至少一个斜边面相反地并且以与至少一个斜边面平行定向的斜边面布置在至少一个斜边面之后。
[0020] 在另一变体中，在干涉的光从双楔形棱镜的楔形棱镜的斜边面离开之后，分别借助相对于楔形棱镜的各自的斜边面以平行的小直角面旋转90°的方式布置的另外的双楔形棱镜，将分别来自共轭光瞳的干涉的子区域(U+Tx+R+Sx)或(T-Ux+S-Rx)的干涉的光在双楔形棱镜后分别拆分为两个四分之一子区域(U+Tx+Ry+Sxy)和(R+Sx-Uy-Txy)或者(T-Ux+Sy-Rxy)和(S-Rx-Ty+Uxy)，在另外的双楔形棱镜中的一个另外的双楔形棱镜中在共路干涉仪的意义进行引导并且相长叠加和相消叠加，从而使另外的共轭光瞳的四个能组成为全光瞳图像的且不同地分别与所有四分之一子区域(R、S、T、U)干涉的四分之一在另外的双楔形棱镜的斜边面上离开。
[0021] 在根据本发明的方法的如下的有利的实施方式中，其中光瞳子区域不作为镜像图像叠加而是相对彼此旋转180°叠加，借助双楔形棱镜实现将光瞳光束在共路干涉仪内拆分为光瞳的互补的子区域P和Q，将光瞳的两个互补的子区域P和Q中的一个子区域作为干涉仪分支在分开的楔形棱镜中进行引导，其中，至少替代楔形棱镜中的一个楔形棱镜而使用阿米西(Amici)型
屋脊棱镜，屋脊棱镜由互补棱镜补充为楔形棱镜但是通过气隙与互补棱镜分开，互补的子区域P和Q的反转作为在至少一个屋脊棱镜内的旋转借助子区域P和Q在一个屋脊棱镜的屋脊棱边上的两次内部反射来进行，并且干涉仪分支中的至少一个干涉仪分支的两次内部反射的光的干涉在楔形棱镜的覆以部分可穿透的分束器层的接触面上进行，其中，一个屋脊棱镜的两次反射的光与另一楔形棱镜的透射光叠加，使得光瞳的光束拆分导致光瞳的子区域P和Q的相对彼此旋转180°的波前的干涉。
[0022] 在此，可以特别有利地也通过带有互补棱镜和气隙的屋脊棱镜将两个楔形棱镜均替换掉，以便从光瞳通过带有相长干涉和相消干涉的干涉仪分支产生共轭光瞳的全图像。
[0023] 此外，在如下用于改进激光扫描显微镜的分辨率或信噪比的设备中，具有用于图像反转干涉法的装置，包括用于在一个干涉仪分支中使光瞳光束镜像的装置，以便使在至少一个横向的轴线上镜像的光瞳图像与另一干涉仪分支的未改变的光瞳图像发生干涉，本发明的任务通过如下方式解决，即存在紧凑的共路干涉仪，共路干涉仪包含包括至少一个由两个镜像对称布置的直角的楔形棱镜构成的双楔形棱镜，两个楔形棱镜分别在大直角面上相互接触并且在它们之间具有部分可穿透的分束器层，源自具有激光扫描显微镜的光瞳的光瞳光束的光
正交地分别指向楔形棱镜的小直角面，其中，激光扫描显微镜的光瞳的第一子区域P或与所述第一子区域P互补的第二子区域Q耦入楔形棱镜中，并且耦入楔形棱镜中的光在楔形棱镜的至少一个斜边面上沿着部分可穿透的分束器层的方向被偏转，并且被此分束器层部分地反射和透射，并且与以相同的方式但是相反地指向分束器层的光干涉，从而使一个楔形棱镜的在分束器层上的透射的光和反射的光以及另一楔形棱镜的在分束器层上的反射的光和透射的光作为激光扫描显微镜的光瞳的第一子区域P的波前与光瞳的互补的第二子区域Q的波前的组合存在，用以进行干涉。
[0024] 有利地，楔形棱镜具有如下内角，使得正交地入射到大直角面中的光平行于分束器层以及平行于楔形棱镜的底面和顶面地定向，在第一次到达每个楔形棱镜的斜边面上时全反射，并且在分束器层上反射之后第二次到达时正交地被指向斜边面。
[0025] 合适地，楔形棱镜实施有90°、60°和30°的内角，并且在双楔形棱镜中组成为等边棱镜。
[0026] 处在两个楔形棱镜之间的部分可穿透的分束器层优选地被设计为中性分束器层。
[0027] 有利地，将部分可穿透的分束器层涂覆到楔形棱镜中的一个楔形棱镜上，并且被设置为用于将楔形棱镜拼合的粘合面。
[0028] 为了在共路干涉仪的干涉仪分支之间产生
相位差异，双楔形棱镜的楔形棱镜能平行于激光扫描显微镜的光轴沿着分束器层相对彼此移动，以便可以简单地调设在两个楔形棱镜中的光学路径长度。用于产生路径差异的替代的可能性可以通过双光楔位于楔形棱镜中的一个楔形棱镜的小直角面之前或其上来实现。
[0029] 在有利的构造中，在双楔形棱镜之后布置有至少一个另外的双楔形棱镜，并且双楔形棱镜的和至少一个另外的双楔形棱镜的斜边面相互平行地定向，以便能将共轭光瞳的子区域(U+Tx+R+Sx)和(R+Sx-Uy-Txy)中的至少一个子区域的从分束器层穿过斜边面离开的干涉的光展开成全光瞳图像。
[0030] 在另一有利的实施方式中，在楔形棱镜之后在相长干涉仪通道或相消干涉仪通道中布置有至少一个另外的双楔形棱镜，并且至少一个另外的双楔形棱镜具有平行于双楔形棱镜的斜边面旋转90°的小直角面，以便将共轭光瞳的子区域(U+Tx+R+Sx)和(R+Sx-Uy-Txy)的被分束器层干涉的、通过斜边面中的一个斜边面离开的光叠加到至少一个四分之一子区域(U+Tx+Ry+Sxy)或(R+Sx-Uy-Txy)或(T+Ux+Sy+Rxy)或(S+Rx-Ty-Uxy)上。
[0031] 为了图像反转干涉法设置有激光扫描显微镜的光瞳或焦平面图像并且将其在共轭光瞳或共轭焦平面图像内成像。
[0032] 本发明基于如下基本考虑，即在激光扫描显微镜中通过使用带有根据迈克尔逊(Michelson)或
马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪类型的图像反转的图像反转干涉法的横向分辨率提高总是困扰于如下问题，即精确的镜像调整昂贵并且容易受到干扰。
[0033] 此外，在图像拆分时，波前的理想的相等拆分(强度拆分或幅值拆分)在分开的干涉仪光路内相对彼此进行图像旋转之后对于随后的干涉仪组合是成问题的。因为干涉仪的相长和相消输出的等值性，所以在发射性的荧光团位于图像轴线内时，由于对称性原因导致两个相同的相对彼此旋转的波前，这些波前完美地相互干涉，其中，在相消光路中发生抵消并且在相长光路中发生增强。在荧光团位于远离反转光轴时，波前当然不能再叠加，并且也不相互干涉。干涉仪的相长和相消输出在此情况下分别显示不能以干涉仪方式叠加的50％的信号。因此，分辨率提高仅由在相同的波前的完美旋转叠加时靠近轴的发射性荧光团的干涉仪强化导致。
[0034] 根据本发明，通过如下方式便于由此导致的苛刻的稳定和调节要求，即在LSM的探测光路内引入所谓的共路干涉仪，并且在共路干涉仪内执行半光瞳图像反转干涉法(HP-III)。在此，与在常规的III中在分束器上通过强度拆分(幅值拆分)进行的拆分不同，不从去扫描光(即，通过使用照明点对于物体的点形扫描而连续地入射并且入射在LSM的光瞳内的光)在LSM的探测路径内将波前分到两个子光束内。
[0035] 在根据本发明的HP-III中，作为替代进行光瞳的几何拆分(空间拆分)。在此例如如下事实，即在光瞳内光分布是对称的，并且因此两个光瞳半体在不事先拆分的情况下在分束器上可以相互以干涉方式组合，其中，将半光瞳镜像或相互绕光轴旋转180°以用于叠加。在特殊的分束器的情况下，然后将半光瞳以干涉仪方式组合，使得两个被拆分的半光瞳的内容相互组合以用于干涉。在此，波前镜像在光学系统的图像平面内还是在光瞳平面内发生对于一维干涉仪效果无关紧要，在位置空间和傅里叶空间内导致相同的效果。
[0036] 通过将一个子区域P(优选地被构造为半光瞳，但也可以被构造为四分之一光瞳)与另一(互补的大小相等的)子区域Q以及反之将另一子区域Q与一个子区域P干涉，完全地执行HP-III。不是一般性，在下文中为阐述论述半光瞳的情况。
[0037] 在干涉时引入了最小的对称偏差，其方式是：例如III双楔形棱镜在竖直方向上与棱镜的部分可穿透层略微错开，和/或在与光轴形成最小偏差的角度的情况下。由此，两个输出不再相同，而是在一个干涉仪通道内半光瞳P和Qx相长干涉(干涉仪通道C：P+Qx)而在另一干涉仪通道内半光瞳Q和Px相消干涉(干涉仪通道D：Q-Px)。此结果对应于经典的III方案中的通道C和D的结果，即测量两个通道并且(在最简单的意义上)相减，并且以相同的程度导致与干涉仪通道C或D的仅一个的信号相比的明显的分辨率提高和
对比度提高。
[0038] 整体上存在用于调节最小对称性偏差的四个现实的可能性(在图3中作为空心箭头示意)：
[0039] -在III双楔形棱镜的两个楔形棱镜的一个楔形棱镜前方或在其上的双光楔，[0040] -III双楔形棱镜的两个楔形棱镜的相互相对错开(沿着光轴)，
[0041] -III双楔形棱镜的部分可穿透层相对于光轴的垂直错开，
[0042] -III双楔形棱镜的相对于光轴绕与光轴正交的轴线(例如在光轴为z轴时x轴)的小的
俯仰角。
[0043] 对于第二种可能性，当然其前提条件是两个楔形棱镜不相互粘合，或仅在调设沿着光轴的
水平错开之后粘合。
[0044] 通过前文中阐述的本发明给出了半光瞳图像反转干涉法(HP-III)的简单实现，其以低制造成本实现了能简单构造的并且很稳定的调节。III双楔形棱镜的特殊的棱镜设计已在上文中给出。
[0045] 根据本发明的设计实现了用于在激光扫描显微镜(LSM)的情况下借助图像反转干涉法(III)提高分辨率的简化的解决方案，其中，III原理作为半光瞳干涉(HP-III)实现在缩短的稳定的共路干涉仪内，具有简化的调节和对于外部干扰效应(例如
温度、振动等)更低的敏感性，以及导致更低的制造成本。本发明此外回避了在
现有技术中要求的将波前的相等拆分(强度拆分)，并且通过明显更简单地可调节的光瞳面积拆分(或空间光束拆分)将其替代。
附图说明
[0046] 在下文中根据
实施例详细阐述本发明。为此，附图示出：
[0047] 图1示出在共路干涉仪中的带有根据本发明的半光瞳图像反转干涉法(HP-III)的LSM探测光路的示意性图示；
[0048] 图2a示出与本发明相比考虑到两个光瞳子区域P和Q的常规的图像反转干涉法(III)的示意性图示，以用于对在完整的光瞳的各强度经拆分的未改变的波前与其反转的波前组合之后在干涉的半光瞳内的冗余的信息含量进行阐述；
[0049] 图2b示出带有划分为两个半光瞳的光瞳的根据本发明的原理(HP-III)的示意性图示，在它们中分别使镜像的或旋转的半光瞳与另外的未改变的半光瞳干涉；
[0050] 图3示出根据本发明的光束拆分和波前组合的第一实施方式的示意性图示，图中包含等边HP-III棱镜，棱镜在两个直角楔形棱镜的大直角面之间带有部分可穿透分束器层，并且包含棱镜的调节可能性，以用于在干涉叠加时调设对称偏差；
[0051] 图4示出本发明的第二实施方式的示意性图示，其带有至少一个另外的双楔形棱镜，以用于通过半光瞳的加倍来重建光瞳；
[0052] 图5示出相对于图4
修改的实施方式的透视图，以用于使用两个另外的相对于HP-III棱镜的分束平面旋转90°的双楔形棱镜的波前翻转。
具体实施方式
[0053] 根据优选实施方式，本发明应被称为半光瞳图像反转干涉法(HP-III，half-pupil image inversion interferometry)，本发明在图1中示出共聚焦的激光扫描显微镜(LSM)，其中，LSM的探测光路的光瞳1被耦入缩短的共路干涉仪2并且被成像到至少一个光电接收器4上，共路干涉仪在
基础版本中被示出为带有双楔形棱镜3(在下文中也称为HP-III棱镜)。对于典型的LSM的共聚焦评估，优选地在第一探测器41前方并且必要时还在第二探测器42前方分别布置针孔43以及44。在一维情况下(直线扫描)，针孔可以理想地是与直线照明匹配的(未示出的)直线针孔，即作为孔的替代是狭缝。接收器4理想地是在
图像空间中以位置分辨的方式分辨直线的直线探测器41(行探测器)。
[0054] 对于波前组合的一维干涉效果，即在横向方向上仅进行一次镜像时，波前镜像发生在光学系统的焦平面内还是光瞳平面内无关紧要，因为此镜像在位置空间和傅里叶空间内具有相同的效果。因此，在此不失一般性地认为在双楔形棱镜3上的镜像在准直的光束内在LSM的出口光瞳之后进行。
[0055] 首先根据图2阐述本发明所基于的原理。
[0056] 如果与本发明相比较地考虑在图2a中的光瞳1的镜像：在(通过借助于中性分束器的强度拆分的)常规的III情况下，镜像总是作为第一子光束的完整的光瞳的波前镜像与第二子光束的完整的光瞳的未镜像的波前出现，而在本发明的情况下，通过将光瞳1在与LSM的光轴12正交地相交的水平轴线11上分为两个子区域P和Q；则注意到在常规的III中，不仅子区域P(＝HP-III的半光瞳HP13)与子区域Q(＝HP-III的半光瞳HP14)干涉，而且相反地子区域Q与子区域P干涉。因为两个子区域P和Q根据光瞳图像信息的对称性并且在忽略可能的非对称的像差的情况下包含相同的波前分量，因此形成子区域P和Q的信息冗余。不同的阴影线在此用于在对两个互补的光瞳区域P和Q的镜像的和最终干涉的波前分量进行视觉上标记。对于所存在的信息内容，充分的是因此仅将子区域P和Q作为半光瞳13和14进行干涉，并且因此根据本发明省去完整的光瞳1的波前的强度拆分(＝幅值拆分)。因此，作为光瞳1的波前的幅值拆分的替代，本发明通过双楔形棱镜3(如在图1中所示)进行光瞳1的空间拆分，即分为两个半光瞳13和14。
[0057] 与图2a相反，根据图2b可以将一个半光瞳13镜像地叠加到另一半光瞳14上(即，当在横向定向的x轴上简单的镜像之后，x轴在此称为水平轴线11)，以用于干涉。图2b中给出定性的结果，即包括半光瞳HP 13与HP 14的半光瞳叠加，这与图2a的右侧图示(在由整个光瞳1划分的波前干涉之后)中的上部面积部分P+Qx相同。上部面积部分P+Qx又与对应于包括PH 14与PH 13的半光瞳叠加的下部面积部分Q+Px相同。在此重要的是应提到根据本发明在用于波前的相长叠加和相消叠加的两个干涉通道C和D内必须产生不同的相位符号，例如在C中为P+Qx而在D中为P-Qx，以在叠加时实现带有强化的干涉，这如同在图2a中的根据常规的III的通过叠加的全光瞳图像的镜像来干涉的情况下简单地通过在两个分开的子光束中的路径长度差异所产生。
[0058] 根据常规的III的波前拆分的严格的幅值拆分(图2a)导致明显的成本并且容易受到干扰，而根据本发明将光瞳1的图像空间上拆分为半光瞳13和14很简单地实现，并且最终半光瞳13和14的干涉以类似的方式得到相同的结果。
[0059] 在下文中再次参考图1阐述将图像空间上拆分为半光瞳13和14。
[0060] 在图1中在左侧示意地图示了LSM的探测光路的光瞳1，其中，沿着与LSM的光轴12横向相交的水平轴线11分为两个子区域P和Q。在通常的笛卡尔
坐标系的情况下，在带有光轴12的LSM的光路内在z方向上将水平坐标称为x方向并且将竖直坐标称为y方向。此关系在下文中不失一般性地用于光瞳分量的标记。
[0061] 在理想情况下，将来自显微镜的光通过准直光学器件5准直，使得在准直光学器件5之后形成光瞳1。被准直的光然后指向缩短的共路干涉仪2。在此，所产生的光瞳1应处在干涉仪之前、之内或之后。
[0062] 准直光学器件5当然也不必将光束完美地准直；而是使得光束在共路干涉仪2内至少不被削减即可。这意味着HP-III的略微发散和汇聚的光束是可以的。
[0063] 此外，显微镜的部分也可以作为准直光学器件5工作。在此，可以利用的是现代的显微镜经常具有被修正到无限远处的物镜，使得光已经被准直，并且共路干涉仪2可以在已被准直的光束内被
定位在物镜和镜筒透镜之间或直接布置在显微镜的镜筒透镜之后，只要不出现以上所述的光束削减。
[0064] 共路干涉仪2在此实施方式中包括双楔形棱镜3，双楔形棱镜由两个镜像对称布置的直角楔形棱镜31和32组成，其中，两个楔形棱镜31和32的大直角面a相互接触，并且在此直角面a上安装部分可穿透的分束器层34。楔形棱镜31和32的两个大直角面a优选地相互粘合为粘合面，并且因此产生紧凑并且稳定的共路干涉仪2。
[0065] 共路干涉仪2就此而言被缩短，因其不具有在III中通常的输入分束器，输入分束器划分为两个干涉仪分支。在所使用的双楔形棱镜3的情况下，在光瞳1的被准直的光束内放置两个相邻的呈楔形棱镜31和32的小直角面b的形式的入口面。小直角面b成为分开的干涉仪分支的入口面，并且分别接收半光瞳13和14(作为光瞳1的互补的子区域)。
[0066] 在因此限定的干涉仪内通过在每个楔形棱镜31和32的斜边面c上的全反射进行图像反转。半光瞳13和14的被反射的光分量然后从相反的侧被偏转到优选地为中性分束器层的部分可穿透的分束器层34上，并且从此处使得在楔形棱镜31内全反射的分量与来自楔形棱镜32的透射的分量干涉，而在楔形棱镜32内的全反射的分量与来自楔形棱镜31的透射的分量干涉。
[0067] 在楔形棱镜31内，半光瞳13由于双重镜像而实际上不变，并且与在楔形棱镜32内被单次反射的穿越分束器层34的半光瞳14的分量干涉，使得作为结果的半光瞳组合P+Qx通过聚焦光学器件61被第一探测器41接收。希望的是，也可提供另外的半光瞳组合P-Qx，并且可以通过聚焦光学器件62附加地以第二探测器42(虚线图示)接收此半光瞳组合P-Qx。在每个干涉仪通道C和D内，如在常规的III的情况下，“干涉折叠地”提供了完整的光瞳1的信息。对于通过另外的符号换算的希望的分辨率提高，在此重要的是在两个干涉仪通道C和D内存在干涉P+Qx和P-Qx的符号更换。
[0068] 首先，仅将半光瞳13和14的面积分量P与Q干涉一次足以获取完整的光瞳1的信息内容的事实允许以分辨率很小改进来很简单地实现半光瞳组合的方法，所述方法不仅能以低制造成本实现并且是容易调节和稳定调节的。
[0069] 但是如下文中将阐述，通过使用两个干涉通道C和D可以实现决定性地改进的分辨率，其中通过楔形棱镜31和32内的路径长度改变有目的地调节半光瞳13和14的波前的
相位差异。
[0070] 图3示出了由单一的HP-III棱镜(双楔形棱镜3)组成的优选的实现可能性，其中两个楔形棱镜31和32相互镜像对称地接触，其中，在所示两个楔形棱镜31和32的一个楔形棱镜的大直角面a上布置有具有部分可穿透的中性分束器层的形式的分束器层34。楔形棱镜31和32的内角被选择为使得垂直入射的光，即平行于分束器层34以及平行于楔形棱镜31和
32的底面和顶面(未标记，因为平行且位于附图平面之下和之上)入射的光，在第一次遇到每个楔形棱镜31和32的斜边面c时全反射，并且在第二次遇到分束器层34时(即，在通过分束器层34透射时)正交地到达各另一楔形棱镜32和31的斜边面c，以可以以无扩散效应的方式离开相应的楔形棱镜31和32。因此，楔形棱镜的内角为30°、60°和90°，其中，大直角面a相互接触(其间带有分束器层34)，而非通过粘合层33相互刚性连接(粘合)。在布置在与LSM的探测光路的光轴12正交的平面内的小直角面b内，光瞳1的光被准直地耦入，只要其来自LSM的焦平面。
[0071] 来自LSM的光瞳光束通过双楔形棱镜3的几何形状及其与分光器层34在由水平轴线11和光轴12所张成的平面内的位置被划分为上半光瞳13和下半光瞳14。同样，在与光轴12垂直的轴线15(仅在图5中绘出)的情况下或也在每个任意的定向情况下也可以实现划分为左半光瞳和右半光瞳，因为除去到优选地介绍的坐标系的定向外不存在取决于坐标系的优选方向。
[0072] 两个光瞳13和14通过在楔形棱镜31和32的各自的斜边面c上的全反射沿着分光器层34反射，然后其相互干涉。
[0073] 为实现希望的分辨率提高，重要的是两个干涉通道C和D在III中根据其意义被相长地调设和相消地调设。为通过两个楔形棱镜31和32之间的运行的光学路径长度的偏差在干涉时产生小的波前移动，可以将如下可能性中的至少一个用作能简单地实现的调节式调设：
[0074] -将双楔形棱镜3的两个楔形棱镜31、32(沿着光轴12)相互错开，
[0075] -在双楔形棱镜3的两个楔形棱镜31、32中的一个楔形棱镜的输入上的双光楔321，双光楔321的至少一个光楔能横向(平行于x轴的方向)移动，以在此示例中在楔形棱镜32内产生相对于不受影响的楔形棱镜31的小的波前延迟，
[0076] -将双楔形棱镜3的部分可穿透的层34相对于光轴12垂直错开，
[0077] -双楔形棱镜3相对于光轴12的绕水平轴线(x方向)的小的俯仰角。
[0078] 这些可能性的每个在图3中通过空心箭头示意，但仅需使用其中至少一个。
[0079] 在第一可能性中，为在双楔形棱镜3内实现两个楔形棱镜31和32的沿着光轴12的相对彼此错开，在此所涉及的措施的前提条件是楔形棱镜31和32沿着分束器层34不应通过粘性层33相互刚性连接。就此而言，在楔形棱镜31和32的斜边面c上的镜面不再相互刚性固定，而是仅将分束器层34的第二镜面在共路干涉仪2内保持不变。虽然在图3中两个楔形棱镜31和32被理解为能沿着光轴12以有选择的方式运动，但是对于简单的调节优选地将楔形棱镜32固定地安装，而在其上另一楔形棱镜31在光轴12的方向上仅可以水平滑动。由此，调节仅限制于一维的运动，并且将共路干涉仪2保持相对于LSM被几乎固定地设置，直至在其中一个干涉仪分支内有路径长度改变。通过楔形棱镜相对彼此移动的措施在两个楔形棱镜31、32内直至光束偏转(通过在相应的大直角面上的全反射)的光学路径长度略微不同。
[0080] 通过在图3中在楔形棱镜32前方绘出的双光楔321实现相同的效果，所述双光楔321也可以直接安装在其中一个棱镜31、32上。
[0081] 通过与水平光瞳轴线11和光轴12的正交的移动，双楔形棱镜3可以被调设使得其中一个输出是相长输出而另一输出是相消输出。以此，具有双楔形棱镜3的形式的紧凑的共路干涉仪的调节限制于共路干涉仪的简单的一维直线运动，其中，两个干涉仪分支相互固定并且简化到两个镜面。
[0082] 通过将双楔形棱镜3绕垂直于光轴12的横向轴线11(例如，水平的x轴)旋转小的角度(例如，相对于光轴12的方向的“俯仰角”)，也可以实现共路干涉仪2的干涉仪通道C和D内的对称偏差(仅在图1中示出)，该小角度以类似于半光瞳13和14中的波前的相位差异的方式产生。在此调节变体中，双楔形棱镜3的调设也限制于角度的变化，而干涉仪分支保持限制于两个相互固定地调设的镜面。
[0083] 通过如图3中图示的双楔形棱镜设计，沿着分离线(在此沿着水平轴线11)将一个光瞳半体镜像到另一光瞳半体上，并且形成干涉。提高分辨率的III效果仅在与此线垂直的维度上发生，即一维地提高分辨率。
[0084] 通过拍摄这是至少一个另外的图像，无需改变楔形棱镜可以实现各向同性的分辨率提高(在所有方向上)，其中将双楔形棱镜绕光轴旋转，使得在另一维度内实现提高分辨率的效果。因此，被拍摄的图像可以在计算机中组合为唯一的图像，该图像在所有横向方向上具有改进的分辨率。
[0085] 光瞳加倍：
[0086] 即使在常规的III中光瞳信息的一半是冗余的，在HP-III中在光运行通过共路干涉仪2之后提供完整的光瞳1’也可以是有利的，这通过如在此所选择将半光瞳14通过反折(自身镜像)或通过耦入半光瞳13(未示出)填充。在共路干涉仪2的输出应被成像到针孔43或44(仅在图1中描绘)上以实现光学深度分辨率(切片(Sectioning))时，这可以是有意义的。图4示出了以相同地构建的另外的双楔形棱镜35和36实现此光瞳加倍的此可能性。在此，将另外的双楔形棱镜35和36布置在HP-III棱镜3的两侧使得相互平行的斜边面c处在相同的平面内，使得另外的双楔形棱镜35和36向回运行，以此作为相互折叠和干涉的组合的替代出现分裂和反折，这对应于希望的半光瞳加倍。
[0087] 如上所述，可以将波前镜像使用两次以用于波前反转。为此，图5a示出了包括三个HP-III棱镜3的设计，其中，另外的双楔形棱镜35和36相对于HP-III棱镜3旋转90°布置。在此，相继在两个相互正交的轴线上进行波前的镜像，这导致波前反转。在此，由于双重反射(＝反转)出现整个光瞳1的四分之一，但这实现了横向的二维分辨率改进。图5b为此再次示意性地示出了根据图5a的设计的单独的干涉仪通道C和D以及C’、D’和C”、D”的结果(在另外的双楔形棱镜35和36之后)。在此，可以通过将双次叠加的四分之一光瞳拼合来生成完整的光瞳成像作为双次干涉的共轭光瞳1’，如果这是LSM图像的进一步处理所要求的。
[0088] 在常规的III中，光瞳1在分束器处被分裂，单独的路径绕光瞳中心相对彼此旋转180°。为对于半光瞳III实现相同的情况，相应的光瞳半体必须绕光瞳中心相对于另一光瞳半体被旋转180°，而非在直线上(例如水平轴线11)进行镜像。
[0089] 因为旋转180°通过在相互垂直的轴线上的两次镜像可等价地实现，所以可以通过如下方式实现光瞳半体的希望的相继旋转，即使得两个光瞳半体13、14中的一个光瞳半体附加地绕垂直于水平轴线11的分离线的轴线进行镜像。
[0090] 此变体在图6和图7中图示。两个楔形棱镜31、32的一个楔形棱镜，即在此为楔形棱镜31，为此被修改，这通过将在目前为止的示例中描述的平面的斜边面c通过
屋顶形的双面(形成直角)替代，屋顶形的双面的“屋脊”沿着原来的斜边面c的中心线走向并且与光轴12相遇。因此，所使用的屋脊棱镜37是阿米西型棱镜，其中作为在楔形棱镜31的斜边面c上的单次反射(根据图1至图5)的替代，根据图6在屋脊棱镜37的两个屋顶面上发生两次反射，这除去原来的反射外也导致另外的希望的反射，以此产生半光瞳13绕光轴12的180°的旋转。
[0091] 屋脊在光轴12上的角度被选择为使得满足所要求的几何镜像，并且在屋脊棱镜37的屋顶面的棱镜-空气边界面上发生全反射。
[0092] 如在目前为止的示例中，在根据图6和图7的实施方式中，在半光瞳13和14在分束器层34上合并之后，相对于屋脊棱镜37的离开面的入射角足够陡，使得不发生全反射，而是光可以离开屋脊棱镜37。因为与以90°方式离开楔形棱镜31的原来的斜边面c相比在分束器层34上反射的光(以及从楔形棱镜32通过分束器层34透射的光)并非正交地达到屋脊棱镜37的屋顶面，所以在离开时发生根据斯涅尔折射定律的光束偏转。为防止此光束偏转，通过为屋脊棱镜37补充以附加的互补棱镜38(带有与屋脊棱镜37相同的折射率)产生楔形棱镜
31的原来的棱镜形状。在此应注意到的是在屋脊棱镜37和互补棱镜38之间留有气隙39(或以带有更低的折射率的材料填充的间隙)，以此可保留所述的全反射，并且在光从屋脊棱镜
37离开时通过再次进入到互补棱镜38内实现斯涅尔折射。如在图6中在侧视图和前视图中沿着共路干涉仪2的光轴12的方向观察，半光瞳13通过绕两个相互正交的相对于光轴12横向的轴线11和15的两次镜像有效地绕光轴12被旋转180°，并且与在x轴(横向轴线11)上一次镜像的半光瞳14’的图像叠加。图7在透视图中阐述了此事实，图7中带有用于相长干涉通道C和相消干涉通道D的被成像的半光瞳13’和14’的示意性图示。所属的叠加图在图8b中图示并且与常规的III的叠加图(图8a)对照。
[0093] 从本发明(HP-III)的观点考虑，将III的叠加图分为两个半光瞳和四个四分之一光瞳R、S、T、U，而在III的情况下总是将完整的光瞳1旋转(在正交的轴线上以二维方式镜像)。
[0094] 在图8b中图示了在共路干涉仪2内的干涉的叠加图作为结果。与图8a相比显见的是，常规的III将完全等同的冗余的十分之一图像叠加。HP-III的叠加图(图8b)在此在相消干涉仪通道D内与III(图8a)的对应的光瞳半体相同。在相长干涉仪通道C内，与III相比HP-III的叠加图仅绕x轴11镜像一次，但这不影响在相长干涉仪通道C内探测到的信号。但是为了两个干涉仪通道C和D的叠加，半光瞳图像13’必须总是绕x轴11镜像而与相消干涉仪通道D的半光瞳图像14’全等，以此相长干涉仪通道C被识别为(T+Rxy，S+Uxy)而与图8a的图示相符。
[0095] 如果如在根据图4的第一实施例中或在根据图5a的双HP-III变体中的情况需要光瞳1的完整的图像(共轭光瞳1’)，则也可以通过屋脊棱镜37和互补棱镜38来替换第二楔形棱镜32，以也在相长干涉仪通道C内实现在x轴上镜像的半光瞳13与旋转180°的半光瞳14的叠加。以此，如在常规的III的情况下可调节包括所有光瞳分量的波前的完全的叠加情况，并且因此可实现明显更高的
稳定性。
[0096] 扩展的景深：
[0097] 虽然HP-III效果(如同常规的III效果)自身不具有轴向分辨率，但是可以通过合适的照明(例如，以贝塞尔光束的照明)实现扫描模式，扫描模式仅通过2D扫描实现了带有高的横向分辨率和高的信噪比(SNR)的轴向的加和投影。
[0098] 根据本发明的半光瞳图像反转干涉法(HP-III)通过仅将光瞳1进行面积拆分(光瞳光束的空间拆分)允许比常规III情况下的波前的强度拆分(幅值拆分)更稳定并且更简单地可调节的波前叠加，因此本发明的半光瞳图像反转干涉法(HP-III)最合适于提高LSM系统内的横向分辨率、改进SNR以及明显降低对于环境影响的干扰敏感性。通过附加措施，提高的横向分辨率也可以在所谓的切片(Sectioning)的情况下传递到轴向分辨率。
[0099] 附图标号列表
[0100] 1 光瞳
[0101] 1’ 共轭光瞳(光瞳图像)
[0102] 11 横向轴线(x轴)
[0103] 12 光轴
[0104] 13、14 半光瞳
[0105] 13’、14’ 半光瞳
[0106] 15 横向轴线(y轴)
[0107] 2 共路干涉仪
[0108] 3 HP-III棱镜(双楔形棱镜)
[0109] 31、32 楔形棱镜
[0110] 321 双光楔
[0111] 33 粘合层
[0112] 34 部分可穿透的分光器层(中性分光器层)
[0113] 35、36 另外的双楔形棱镜
[0114] 37 屋脊棱镜
[0115] 38 互补棱镜
[0116] 39 气隙
[0117] 4 接收器
[0118] 41、42 第一、第二探测器
[0119] 43、44 针孔
[0120] 5 准直光学器件
[0121] 61、62 聚焦光学器件
[0122] a、b 大直角面、小直角面
[0123] c 斜边面
[0124] C、D 相长干涉仪通道、相消干涉仪通道
[0125] P、Q 子区域(半光瞳)
[0126] R、S、T、U 子区域(四分之一光瞳)
