CN102707422B

CN102707422B - 用于显微镜透照装置的平面光源

Info

Publication number: CN102707422B
Application number: CN201210023510.1A
Authority: CN
Inventors: R·保卢斯; R·祖斯特; H·史尼兹勒
Original assignee: Leica Microsystems Schweiz AG
Current assignee: Leica Microsystems Schweiz AG
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2012-02-02
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2032-02-02
Also published as: DE102011003568B4; DE102011003568A1; JP5723794B2; CN102707422A; US20120201046A1; JP2012164635A; US8534893B2

Abstract

本发明涉及用于显微镜透照装置的平面光源(100)，其用于观察显微镜中的样本(1)，该平面光源(100)包含板状光导(110)，其具有下边界表面、上边界表面、至少一个侧面(113至116)以及至少一个发光装置(120，122)，该发光元件被布置成通过作为光入射面的至少一个侧面，从至少两个不同的方向将光线辐射入光导(110)，通过这种方式光线在光导(110)内以全反射的方式传播，通过在光导(110)下边界表面上的接触面上邻接元件(140)的方式破坏该全反射，从而光线从光导(110)的上边界表面耦合输出，该接触面的平面面积小于该下边界表面的平面面积。

Description

用于显微镜透照装置的平面光源

技术领域

本发明涉及用于显微镜透照(transillumination)装置的平面光源，特别用于具有连续可变放大率的显微镜，简称为“变焦显微镜”，特别地为立体显微镜或巨观显微镜(macroscopes)。

背景技术

用于显微镜透照装置的平面光源可从现有技术中获知，例如可从文献DE 102004017694B3或US 7,554,727B2中获知。它们被布置在样本平面下方。平面光源和样本之间的距离被选择成足够的大，从而完全照射样本，且发光装置的结构在样本平面上不再可见。然而在现有技术中，透照基座的全高度过高。没有考虑到符合人体工学。为了允许平面透照装置用于显微镜，例如用于立体显微镜或巨观显微镜，需要将核心元件——光源——配置成尽可能的平坦，且均匀地辐射光。例如，DE 102004017694B3教导了在光源上使用用于匀化的漫射盘，但其对发光装置的效率和全高度有负面影响。

因此，需要描述一种最大平坦且光匀化的显微镜透照装置。

发明内容

根据本发明，提出一种用于显微镜透照装置的平面光源，其具有权利要求1的特征。

本发明是显著的在于，通过故意破坏全反射，板状光导中以全反射的方式传播的光线耦合输出(outcoupled)。通过在所谓“接触面”上邻接元件，这种破坏发生在光导下边界表面(“底面”)。作为结果，光线从上边界表面(“顶面”)耦合输出。这种元件光学地耦合至光导，并被设置为产生漫散射，从而光线从顶面耦合输出。该元件接触的接触面作为辐射表面。使用为耦合输出仅装备有一个接触面的光导，不仅能获得特别平坦的构造，并且，由于光线在光导内混合而导致了辐射光线的初始均匀化。

光线从至少两个不同的方向耦合入光导，可获得进一步的匀化。当光导形状例如类似棱柱或棱锥台，即光导具有多边形底面，耦合输入(incoupling)发生在至少两个侧面上。当光导为圆柱形或圆锥台形，即光导具有椭圆形底面，耦合输入发生在包络面上的至少两处位置，该两处位置优选地均匀分布在外周上。另外，从侧面的耦合输入允许较低的全高度。

接触面的平面面积小于底面的平面面积，可获得匀化上的进一步改善。因而也保留了不用于辐射、仅用于匀化的边缘区域。因此，光导可选择成为光匀化看似需要的那么大，而接触面(其定义了辐射表面)的尺寸却可独立地选择。

使用本发明，可建立特别均匀地辐射光线的用于显微镜的透照装置的平面光源。该平面光源在构造上非常平坦，且易于制造和处理。制造中不需要昂贵的光学系统和对准系统，因此成本低廉。

根据本发明的构造，热产生与用于光发射的位置分离开来。这种分离使得能很大程度上以适中的温度照射样本。这种布置被证明是有益的，特别是对大面积光源，鉴于随着发射表面尺寸平方的增加，发光装置输出的必要的光也增加。

由于发热的发光装置被布置在侧面，远离样本，因此，在样本下面放置辐射表面并不必然地导致加热样本。使用根据本发明的布置，可更好地消散产生的热。

从属权利要求和下文所描述的主题是有利的实施例。

导光板是平坦的，其高度小于其侧边长，特别地至少为十分之一。因此，必需的全高度被保持较低，并且位于平面光源上的目标平面不需过多地朝上移动。

破坏全反射的元件优选地可逆地可形变。由此，使用者可可逆地改变接触面的平面面积，从而能特别容易地定义和调整接触面的尺寸，也因而可特别容易地定义和调整辐射表面的尺寸。因此，照射装置可适用于待观察的样本的部分。

如果破坏全反射的元件使光导内传播的光漫散射，则可获得特别匀化的辐射特性。产生的辐射基本遵循朗伯定律，因此辐射密度在所有方向上都是恒定的。不论在任何照射方向上，理想漫散射的表面(根据朗伯定律)均再发射出分布朗伯式的辐射能量标准，即不论从哪个视角看起来都是同等明亮(恒定亮度)。破坏全反射的元件优选地具有适于至少一个发光装置的反射系数。

破坏全反射的元件优选地具有介于0.3至0.7之间的反射系数R。这特别地适合发光装置相对较强时，不让使用者觉得耀眼。另一方面，介于0.7至1之间的反射系数R，特别是大于0.7或大于0.9，特别优选地用于较弱的发光装置。这些较弱的发光装置展现出有利的热改善，鉴于它们是低辐射的。这允许了发光装置和辐射表面之间较短的距离，因而平面光源整体结构紧凑。

破坏全反射的元件优选地为施加在下边界表面上的衬垫，特别地以施加涂层或薄膜的形式。衬垫可以被粘上、涂上(painted on)、涂敷上(spreadon)，等。衬垫优选地设置为待施加的糊状物形式。糊状物有益地为浅色，例如白色或米黄色，有益地包含大量的反射和/或散射中心点，例如嵌入的微粒。

至少一个发光装置有益地包含LED或冷阴极电子管。发光装置的构造在优化光导内传播的光辐射方面具有特别的影响。发光装置的辐射角度优选地适于光导的几何结构，因其发光效率受光导的高度、和发光装置中发光元件(例如芯片)和光入射表面之间的距离影响。

发光元件彼此之间间距的调整有助于优化光的匀化，并最小化光导的尺寸。邻近的光源耦合输入的光的重叠仅从距光导的边缘特定距离处才开始，这反过来取决于前述光源之间的间距。根据本发明，接触面的平面面积小于底面的平面面积，因而实现了光的混合。

在一特别优选的构造中，板状光导设置为棱柱或棱锥台，即其限定上端或下端的底面是多边形。采用这种类型的构造，其两个或更多的侧面都可特别容易地装配发光装置。此外，这种形状的制造和处理没有任何难度。并且，特别易于在平坦的侧面上提供冷却装置(热沉等)，从而冷却发光装置。

在又一优选的构造中，板状光导设置为圆柱或圆锥台，即其限定上端或下端的底面是椭圆(包括圆)。采用这种类型的构造，如果一个或多个发光装置以“全方位”辐射的方式布置在圆柱的圆周上，则可获得特别好的光匀化。

与来自发光装置的主要光线相关的、作为光入射面的光导侧面的几何形状和取向可用来作为控制光导内光线分布的参数，从而影响平面光源辐射光线的匀化。此处作为举例，提及作为光入射面的侧面的倾斜。该光入射面的改变优化了平面光源的全高度，鉴于采取这种行动，更靠近显微镜光轴的破坏全反射的元件区域具有更好地照射范围。

至少一个入射面优选地是磨砂的。这优化了光导内立体角上光的分布。光导内更大的角度由此被更多地重加权，以有利于破坏全反射的元件的边缘区域来控制光强度。

谨慎定义破坏全反射的元件的光折射率是非常重要的。发光工具的光线从侧面耦合入光导，并在光导内以全反射的方式传输，直到通过全反射的受控破坏(破坏全反射的元件)将光线向上耦合输出到光板之外。光线从空气进入具有折射率为n1的光导时，朝向光轴折射。然后光线被全反射或从外侧面耦合输出。描述能入射到光导上继续传播的最大角度的接受角α的方程为：

sin²(α)＝n1²-n2²，

其中，假定光线通过空气(n＝1)耦合输入至光导中。n2是邻近介质可能的折射率。当邻近介质是空气(n2＝1)，只要光板的折射率选择为n1＞√2≈1.41，则接受角α包括了全部半个空间。预定义破坏全反射的元件的折射率为n2＞1，则光线从满足sin²(α)≥n1²-n2²的角度区域部分耦合输出。在一优选的实施例中，n2≥n1，从而所有的光线耦合输出、且被散射。这增加了亮度。

用于定义辐射表面的光阑(diaphragm)，有益地提供在顶面上。如果该光阑面对上边界表面的一侧被额外地涂覆反射面，就不会损失光成分。

依据说明书和附图，本发明进一步的优点和实施例是显而易见的。

可以理解，在不背离本发明背景的情况下，上文中引用和将在下文中解释的特征不仅仅能够在指出的各个组合中使用，也可以在其它组合中使用或独立使用。

基于示例的实施例，本发明图解地描绘在附图中，并且参考附图详细地描述在下文中。

附图说明

图1a是根据本发明的平面光源第一优选实施例的俯视图。

图1b是根据附图1a的平面光源的截面图。

图2a和2b是根据本发明的平面光源另一优选实施例的俯视图。

图3a是根据本发明的平面光源另一优选实施例的截面图，其中破坏全反射的元件采用第一形状。

图3b示出根据附图3a的实施例，其中破坏全反射的元件采用第二形状。

在附图1至3中，相同的元件被标记为相同的附图标记。

具体实施方式

分别描绘了平面光源第一优选实施例俯视图和截面图的附图1a和1b，将在下文中以连续和重合的方式描述。

附图1中，根据本发明用于显微镜透照装置的平面光源第一优选实施例的俯视图被图解地描绘，且其整体被标记为100。

平面光源100包含板状光导110。板状光导可由亚克力、玻璃等制成，此处具有棱柱的形状，特别地为立方体。板状光导110包含一下边界表面111(此时为正方形)和相同的上边界表面112。光导110具有侧边长L和高度h，优选地h＜0.1L。

此外，光导110包括四个侧面113至116。在该实施例中，发光装置120耦合在所有的侧面113至116上。发光装置120包含同时也作为热沉的载体121，在载体上布置有多个发光元件，此处具体为发光二极管122。发光二极管122布置在光导110上，使得发光二极管122辐射的光线130在光导中以全反射的方式传播。发光二极管122彼此间中心到中心的距离s。

邻接于下边界表面111的是破坏全反射的元件140，在该实施例中其具体为圆形。应注意到矩形构造也是优选的。邻接区域被称作“接触面”，且具有小于下边界表面111的平面面积L²的平面面积A。特别地，接触面与作为入射面的侧面之间距离2r，该距离优选地按着如下来定义：

在光导中，耦合输入的光以折射率n朝着垂线折射。邻近的发光二极管耦合输入的光的重叠仅从距离光导的边缘r＝s/2*√(n²-1)处才开始。因此有利的是，在光板的边缘提供全反射区域从而可获得良好的光混合。鉴于发光工具有各向异性的角度特性，典型地边缘区域至少具有为2r的宽度。

光导110的立方形状使得能够特别简单地处理并附着上发光装置120，因为侧面113至116都是平坦的。

在该实施例中，光辐射130发生在所有的四个侧面113至116上，从而实现了本发明的目的：自四个不同的方向产生光辐射。虽然从技术上讲，每一单个发光二极管122都在无限多的方向辐射光线，但对于本发明的目的，“来自不同方向的辐射”应当被理解为表示发光装置的主要辐射方向是不同的。

破坏全反射的元件140有益地设置为施加在下边界表面111上的糊状物。粘接上的薄膜同样也能用。元件140有益地基本上不透明，则大部分入射光并不能透射而是被散射，且没有损失。反射系数优选地大于0.9。元件140是浅色的，例如白色或米黄色，且作为漫散射表面。由此，入射在元件140上的光线130被朝上漫反射或散射，从而部分地从上边界表面112离开光导110，并用于对布置在其上方的样本1的透照。

光阑，此处具体构造为孔径150，提供在上边界表面112上。光阑120面对上边界表面112的一侧涂覆反射面。

附图2a中，根据本发明的平面光源第二优选实施例的俯视图被描绘，且被标记为200。平面光源200包括圆柱光导210，其被多个包含发光二极管122的发光装置220包围着。糊状物140同样地与圆柱光导210的底面邻接。

光导210的圆柱形状，和与其关联的全方位的光辐射，能够特别好地匀化辐射的光线。

附图2b中，根据本发明的平面光源第三优选实施例的俯视图被描绘，且被标记为300。平面光源300再次包含棱柱形光导310，其底面为正六边形。在该实施例中，光导的所有六个侧面均装备有发光装置120，从而从六个方向辐射光线。一方面，鉴于来自许多方向的辐射，该实施例提供了特别好的光匀化，另一方面，该实施例提供了易于附着发光装置、底座和热沉等的平坦侧面。

附图3a和3b描绘了根据本发明的平面光源400第四优选实施例的截面图。与根据附图1的平面光源100对照，平面光源400包含破坏全反射的可弹性形变的元件440。元件440可例如由弹性塑料制成，从而接触面A的尺寸可通过元件440的形变来改变。该元件具体可以例如为囊状，从而通过充气和放气实现形变。该元件同样可以是例如有弹性的，从而可通过施加压力(参见附图3a)和释放压力(参见附图3b)来实现形变。可通过这种方式将接触面A的尺寸，因此也是辐射面的尺寸，调整为待透照的样本1的尺寸。

Claims

1.一种用于显微镜透照装置的平面光源(100；200；300；400)，用于观察显微镜中的样本(1)，其中所述平面光源(100)位于样本(1)的下方，以使光透射通过样本(1)，

该平面光源(100；200；300；400)包含板状光导(110；210；310)，其具有下边界表面(111)、上边界表面(112)、至少一个侧面(113至116)以及至少一个发光装置(120,122)，该发光元件被布置成通过作为光入射面的至少一个侧面，从至少两个不同的方向将光线(130)辐射入光导(110；210；310)，通过这种方式光线在光导(110；210；310)内以全反射的方式传播，

通过在光导(110；210；310)下边界表面(111)上的接触面(A)上邻接元件(140；440)的规定方式破坏该全反射，从而光线从光导(110；210；310)的上边界表面(112)耦合输出，

该接触面的平面面积(A)小于该下边界表面(111)的平面面积(L²)。

2.根据权利要求1的平面光源(100；200；300；400)，破坏全反射的元件(140；440)在接触面上将传播在光导(110；210；310)内的光线(130)漫散射。

3.根据权利要求1或2的平面光源(100；200；300；400)，破坏全反射的元件(140；440)是不透明的，且在可见光谱区域上具有反射系数R，0.3≤R≤0.7或R≥0.7。

4.根据权利要求3的平面光源(100；200；300；400)，反射系数R≥0.9。

5.根据权利要求1或2的平面光源(100；200；300；400)，破坏全反射的元件为施加在下边界表面(111)上的衬垫(140)。

6.根据权利要求1或2的平面光源(100；200；300；400)，破坏全反射的元件为施加在下边界表面(111)上的糊状物(140)。

7.根据权利要求1或2的平面光源(100；200；300；400)，破坏全反射的元件为粘着在下边界表面(111)上的薄膜(140)。

8.根据权利要求1或2的平面光源(100；200；300；400)，破坏全反射的元件(440)是可逆地可形变的，因而该接触面(A)的尺寸可变。

9.根据权利要求1或2的平面光源(100；200；300；400)，破坏全反射的元件(140；440)的光学折射率等于或大于光导(110；210；310)的光学折射率。

10.根据权利要求1或2的平面光源(100；200；300；400)，该至少一个发光装置(120)包含LED(122)或冷阴极电子管。

11.根据权利要求1或2的平面光源(100；200；300；400)，作为光入射面的至少一个侧面与下边界表面(111)和/或上边界表面(112)围成小于或大于90°的角度。

12.根据权利要求11的平面光源(100；200；300；400)，所述角度小于85°或大于95°。

13.根据权利要求1或2的平面光源(100；200；300；400)，作为光入射面的至少一个侧面至少部分是磨砂的。

14.根据权利要求1或2的平面光源(100；200；300；400)，板状光导的形状为棱柱(110；310)、棱锥台、圆柱(210)、或圆锥台。

15.根据权利要求1或2的平面光源(100；200；300；400)，在上边界表面(112)上方提供用于划定光出射面边界的光阑(150)。

16.根据权利要求15的平面光源(100；200；300；400)，光阑(150)面对上边界表面(112)的一侧涂覆反射面。