CN101900874A - 用于显微镜的入射照明设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于显微镜(100)的入射照明设备(5)，其具有包括至少两个发光部分并被成像在入射照明设备(5)的孔径平面(AE)上的光源(11)，所述光源(11)的至少一个发光部分可以单独被启动。使用本发明的方法，不仅可提供入射明场照明，还可以可重复的方式提供斜射照明。

Description

用于显微镜的入射照明设备
技术领域
本发明涉及用于显微镜的入射照明设备、使用这种入射照明设备的显微镜以及可用这种入射照明设备实现的入射照明方法。
背景技术
由于LED(发光二极管)比传统的白炽灯或高压灯有许多益处，所以现代显微镜更多地使用LED作为光源。LED通常寿命更长、耐用、体积小且发热小得多。
例如，WO 2006/136406A1描述了具有多个LED的透射照明设备。然而，该申请公开的方法有如下缺点：多个LED中的每一个必须具有透镜，以通过一定方式放大并重叠各个光源的源表面的像，从而获得均匀的白光照明。这涉及相当复杂的设计。
日本专利申请JP 4125609A描述了用于显微镜的透射照明设备，其中，多个LED排列在聚光器的前焦平面上。可通过用不同模式控制LED设定照明模式，允许选择明场、暗场和斜射照明。为了充分填充聚光器的孔径，需要提供多个LED。这和可变控制结合就需要花费相当大的努力进行接触和布线。
DE 199 19 096 A1、US 2009/0034054A1和US 4,852,985B描述了具有至少一个LED的其他透射照明设备。
实际使用时，入射照明设备和透射照明设备相当不同。入射照明设备中，光被引导通过物镜，物镜通常还作为聚光器。和透射照明不同，大多数情况下没有另外的聚光器。
实践中经常进行的一种操作是更换物镜，在更换物镜时，需要调整聚光器或物镜的照明。为此，在透射照明的情况下，聚光器孔径面的光束的直径必须在约2mm到20mm之间可变为约10倍。然而，在入射照明的情况下，更换物镜时，自然也更换了聚光器。因而，物镜后焦平面的光束的直径必须在约3mm到10mm之间仅可变约3倍。
US 2009/0016059A1公开了用LED取代传统白炽灯的入射照明设备。和传统白炽灯照明一样，该照明设备的缺点是，在提供不同照明模式时，如提供明场、暗场和斜射照明时，使用该设备不方便。通常通过使孔径光阑变窄并将孔径光阑从光轴向外围横向移动来实现斜射照明。这需要用户进行许多调整，如孔径大小、偏移的幅度和方位。这些调整不易于直接察觉，因而，难以重复操作。而且，更换物镜(物镜转盘)时，需要调整设置。
因而，希望设计一种用于显微镜的入射照明设备，除传统入射明场照明外，该设备还可以简单、可变且可重复进行的方式提供多角度或倾斜入射照明。
发明内容
如本发明独立权利要求的特征所限定的，本发明提出一种用于显微镜的入射照明设备、具有根据本发明的入射照明设备的显微镜和可用这种显微镜实现的入射照明方法。有益的进一步限定是从属权利要求和下述说明的主题。
发明的益处
本发明的教示如下：入射照明设备中，使用下面的光源可以简单且可重复地提供不同照明模式，该光源分成多个平面发光部分，可以独立于其他发光部分控制和操作至少一个发光部分。光源成像在入射照明设备的照明孔径平面上。表面发光LED特别适于用作发光部分。发光部分提供发光表面，因而和在先技术中所用的LED(发光点位于透明外壳内)不同。因而，传统LED中，相邻发光点之间的距离相对较大。
本发明不采用将多个LED放置在孔径平面上的方法以减少光学元件的数量，从而例如可以省却聚光透镜或孔径光阑。相反，发现在孔径平面后放置适当的光源并将该光源成像在孔径平面上有很多益处。由于将光源成像在孔径平面上，可以选择仅包括少量发光部分的面积相对小的光源，并在将该光源成像在孔径平面时对它进行适当放大，这样可提供大的填充因子。这种设计较小，需要的布线最少，发热也较少。此外，该设计还有可提供孔径光阑的益处。这是将LED阵列放置在孔径平面上的在先技术中不能提供的。通过用平面的发光部分替代传统的各个LED，可以获得高填充因子。由于发光部分具有一定范围，所以只需要低的亮度级别，并且实现了对光瞳的均匀照明。当缩小光阑时，例如在明场照明时，察觉不到亮度的突变或跳变。
便利地，发光部分的表面积和/或范围比间隔面积(即发光部分之间的空间)大，具体而言，至少大四倍、五倍、八倍或者十倍。有益地，可提供至少75％的填充因子，优选地至少80％。优选的发光部分之间的空间较窄的结构中，只有照明孔径平面的一小部分是暗的。相比之下，对于具有多个间隔开的发光点(LED)的光源，会有未被照亮的大面积环形区域(特别是在靠外的孔径区域)。
为了提供明场入射照明，启动发光部分以提供对称于照明束路径的光轴的发光表面。另一方面，为了提供斜射照明，启动一个或多个发光部分，以提供相对于照明束路径的光轴不对称的发光表面。通过启动由于设计要求位于确定的位置的各个发光部分，可以可重复地提供斜射照明。以时间交替方式启动发光部分时，如以循环模式逐个启动发光部分时，斜射照明会绕样本移动。这使得可从各个侧面提供斜射照明，从而所有方向的对比将变得明显。如果整体照明强度在过程中保持基本恒定，在不同照明模式之间切换对于用户就会显得特别方便。光源具有四个发光部分的情况下，例如，可将照明从4x25％的明场照明切换到1x100％的斜射照明或者2x50％的斜射照明，或者反过来切换。这样，切换操作之后，用户就不再需要重新调整亮度。具体而言，从斜射照明切换到明场照明时，可以防止出现晃眼的效果。
在照明孔径平面上放置可变孔径光阑时，由于照明孔径平面和目镜光瞳(位于物镜的后焦平面上)共轭，所以可以有益地对在照明设备下游提供的如显微镜的成像系统的对比度、景深和分辨率进行调整。缩小孔径光阑增加对比度和景深并降低分辨率。
优选地，发光部分的形状是圆的扇形或者多边形，具体为三角形或者矩形。等角和/或等边多边形特别适用于实现高填充因子。例如，OsramOptosemiconductors Company出售商标名为“OSTAR”的包括多个矩形发光部分的表面安装器件(SMD)类型的适当的LED模块。
优选地，发光部分之间的至少一个分隔或边界延伸通过入射照明设备的光轴，这样，各自启动发光部分时(取决于设计，启动一半、三分之一、四分之一、一个扇形、一个象限等)，可以提供充分的斜射照明；所有发光部分同时启动时，可以提供充分的明场照明。这种结构中，光轴上没有发光元件。这对于斜射照明特别有益，这是因为为了实现斜射照明必须关闭中央发光元件。因而，由于孔径直径总是要大于关闭的中央元件，所以对允许的孔径直径大小的限制较小。
有益地，每两个发光部分之间的所有边界延伸通过入射照明设备的光轴。这使得可以用特别简单的方式提供明场照明和斜射照明，这是由于通过简单的控制就可以将明场照明的质心(重心)置于光轴上，并将斜射照明的质心偏移到光轴之外。根据实施例，可以单独或者成组启动发光部分。例如，可以联合启动相对于照明光轴彼此相对的发光部分。或者，或另外，可以联合启动彼此相邻的发光部分。每种情况下，都可以自由选择联合启动的发光部分的数量。
有益地，光源包括作为发光部分的四个象限。使用这种结构，光源可以简单的方式提供垂直明场照明(与倾斜照明相对)和成角度照明或斜入射照明。由于发光部分数量小，布线和互连需要花费的努力较小。光源大小可以较小，这样减小空间要求和热散失。通过将适当放大的光源的像投影在照明孔径平面上，依然可以实现大面积照明。
可将发光部分分别设计成白光源或者RGB光源，前者具体为白光LED，后者具体为RGB LED。第二种情况下，例如，可以通过分别驱动每个红色、蓝色和绿色元件调整照明的色温。如果发光部分的亮度是可控的，就可以调整照明强度以匹配具体要求。
实际的实施例中，将发光部分放置在共同的承载体上。因而，可以容易地连接发光部分，这使布线所需努力较小。更具体而言，可将各个LED放置在共同的芯片和/或共同的外壳上。使用该技术，可以使各个发光部分之间的距离最小，光源能够以足够高的精确性相对彼此放置。上述“OSTAR”系列中的适当模块名为LE UW S2W，其具有四个象限，每个象限面积约为1x1mm2，部分之间间隔约0.1mm。
如果光源围绕入射照明设备的光轴可旋转地安装，这样是有益的。这样，可以实现任意角度的斜射照明。
在根据本发明的显微镜的实际实施例中，入射照明设备的照明孔径平面和物镜的后焦平面共轭。这样可以实现特别是科勒照明。
本发明的其他益处和实施例将通过下面的描述和附图变得显而易见。
应该理解，在不背离本发明的保护范围的情况下，不仅可以在所指定的组合中使用上述特征和下述特征，而且还可以在其他组合中或者单独地使用上述特征和下述特征。
在附图中使用示例实施例示意性示出本发明的主题，而且以下参考这些附图对本发明主题进行详细描述。
附图说明
图1是本发明的具有入射照明设备的显微镜的优选实施例的示意性侧视图；
图2是根据本发明的入射照明设备的实施例的示意性侧视图；
图3是适用于根据本发明的入射照明设备的第一光源的视图；
图4是适用于根据本发明的入射照明设备的第二光源的视图；
图5是适用于根据本发明的入射照明设备的第三光源的视图；
图6是适用于根据本发明的入射照明设备的第四光源的视图。
具体实施方式
下面同时描述图1和图2，其中类似的部件具有相同的参考标号。
参看图1，示意性示出整体用100标示的用于研究样本1的显微镜的截面视图。显微镜具有显微镜主体4，显微镜载物台2通过支撑构件3安装在显微镜主体4上。样本1放置在显微镜载物台2上，可以用转轮3a形式的调整装置垂直移动。在物镜转盘6上提供各个物镜7。提供入射照明设备5以照亮样本1。从样本1反射的照明光沿观察束路径传播经过管8到达目镜9。观察束路径的光轴用OA1指示。
入射照明设备5包括光源11，通过第一透镜系统12将光源11成像在孔径平面AE上。孔径光阑14设置在孔径平面AE上。孔径光阑14的形式可以是可变虹彩光阑、光阑滑片等。提供第二透镜系统16将孔径平面AE成像在物镜7的后焦平面AE’上。图2示出来自光源11的光线束13a和13b的相应路径。此外，设置在视场平面FE上的视场光阑15被成像在样本1上。
用OA2指示入射照明设备5的光轴。光轴OA2在束分裂器17和成像束路径的光轴OA1交会。
所示图中，透镜系统12包括三个透镜，透镜系统16包括两个透镜。然而，应该理解，透镜系统12和16每个可包括任意数量的透镜。
参看图3，示出适用于本发明的光源11的第一实施例的平面图。光源11具有以象限11a、11b、11c和11d形式的四个发光部分，这可以单独启动并控制四个发光部分的亮度。用边界20和21隔开相邻的象限，每个边界20和21延伸通过并交叉在照明设备的光轴OA2处。象限11a、11b、11c和11d设置在共同的承载体23上。象限11a到11d被设计为白光LED或者包括白光LED。
为了提供入射明场照明，有益地，启动所有的象限11a到11d，从而提供基本均匀的辐射发光表面。为了提供斜入射照明，有益地，只启动象限11a到11d中的一个。然而，应该理解，还可以启动多于一个象限来提供斜射照明。
根据上述本发明的优选实施例，所有四个象限11a到11d可以单独被启动。这样可以提供不同的照明图案，例如，可以启动相邻的象限11a和11b、11b和11c、11c和11d、11d和11a，或者启动对角相对的象限11b和11d、11a和11c。可选地，光源11围绕光轴OA2可旋转地安装，这用箭头22指示。
图4示出适用于本发明的光源11’的另一个实施例。类似地，光源11’也具有四个象限11a’、11b’、11c’、11d’，每个象限11a’到11d’具有多个分别用R、B和G指示的红色、绿色和蓝色LED。优选地，形成象限的彩色LED也是可调整的，使得可以改变照明的色温。象限11a’到11d’依次设置在共同的承载体23’上。
图5和图6示出两个圆形光源11”和11”’，每个光源具有多个形状为圆的一部分(扇形)的发光部分。光源11”具有四个发光部分，光源11”’具有八个发光部分。清楚起见，没有给出每个发光部分的标号。
图3到图6示出的光源特别适用于根据本发明优选实施例的照明，利用这些光源，以时间交替的方式启动光源的第一数量和第二数量的发光部分，这样，整体照明强度保持基本恒定。发光部分的数量可以包括一个或多个这些发光部分。例如，参看图3到图5，可以100％的强度驱动一个发光部分、分别以50％的强度驱动两个发光部分、分别以33.33％的强度驱动三个发光部分，或者分别以25％的强度地驱动所有四个发光部分。可以任何顺序进行启动。
应该理解，这里图中所示实施例仅用于说明本发明，在不脱离本发明的保护范围情况下可以用任何其他形式来实施本发明。

Claims (16)

1.一种用于提供斜入射照明的用于显微镜(100)的入射照明设备，其特征在于光源(11；11′；11″；11′″)，其包括至少两个平面发光部分(11a，11b，11c，11d；11a′，11b′，11c′，11d′)，并被成像在所述入射照明设备(5)的孔径平面(AE)上，所述光源(11；11′；11″；11′″)的至少一个发光部分(11a，11b，11c，11d；11a′，11b′，11c′，11d′)可以单独被启动。
2.根据权利要求1所述的入射照明设备，其中所述光源(11；11′；11″；11′″)的至少一个发光部分(11a，11b，11c，11d；11a′，11b′，11c′，11d′)的形状为多边形或者圆的扇形。
3.根据权利要求1或2所述的入射照明设备，其中所述光源(11；11′；11″；11′″)设置为使得两个发光部分之间的至少一个边界(20，21)延伸通过所述入射照明设备(5)的光轴(OA2)。
4.根据权利要求3所述的入射照明设备，其中所述光源(11；11′；11″；11′″)设置为使得每两个发光部分之间的所有边界(20，21)延伸通过所述入射照明设备(5)的光轴(OA2)。
5.根据前述任一权利要求所述的入射照明设备，其中所述光源(11；11′；11″；11′″)包括作为所述发光部分的四个象限(11a，11b，11c，11d；11a′，11b′，11c′，11d′)。
6.根据前述任一权利要求所述的入射照明设备，其中所述发光部分(11a，11b，11c，11d；11a′，11b′，11c′，11d′)的亮度可以单独被控制。
7.根据前述任一权利要求所述的入射照明设备，其中所述发光部分(11a，11b，11c，11d；11a′，11b′，11c′，11d′)设置在共同的支撑体(23；23’)和/或共同的外壳上。
8.根据前述任一权利要求所述的入射照明设备，其中至少一个发光部分被设计为白光光源(11a，11b，11c，11d)。
9.根据前述任一权利要求所述的入射照明设备，其中至少一个发光部分被设计为RGB光源(11a′，11b′，11c′，11d′)。
10.根据前述任一权利要求所述的入射照明设备，其中所述光源(11；11′；11″；11′″)围绕所述入射照明设备(5)的光轴(OA2)可旋转地安装。
11.一种包括物镜和根据前述任一权利要求的入射照明设备(5)的显微镜。
12.根据权利要求11所述的显微镜，其中所述入射照明设备(5)的照明孔径平面(AE)和所述物镜(7)的后焦平面(AE’)共轭。
13.一种用于照明根据权利要求11或12的显微镜(100)中的样本的入射照明方法，其中为了提供斜射照明，启动所述光源(11；11′；11″；11′″)的至少两个发光部分(11a，11b，11c，11d；11a′，11b′，11c′，11d′)以提供相对于所述照明束路径(5)的光轴(OA2)不对称的发光表面。
14.根据权利要求13所述的入射照明方法，其中以时间交错的方式启动所述光源(11；11′；11″；11′″)的发光部分(11a，11b，11c，11d；11a′，11b′，11c′，11d′)。
15.一种用于照明根据权利要求11或12的显微镜(100)中的样本的入射照明方法，其中，为了提供垂直照明，启动所述光源(11；11′；11″；11′″)的至少两个发光部分(11a，11b，11c，11d；11a′，11b′，11c′，11d′)以提供相对于所述照明束路径(5)的光轴(OA2)对称的发光表面。
16.一种用于照明根据权利要求11或12的显微镜(100)中的样本的入射照明方法，其中以时间交错的方式启动所述光源(11；11′；11″；11′″)的第一数量和第二数量的发光部分(11a，11b，11c，11d；11a′，11b′，11c′，11d′)，使得整体照明强度基本保持恒定。
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