CN102998785B - 用于临界照明的具有透射光照明器件的显微镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于临界照明的具有透射光照明器件的显微镜。本发明涉及一种用于待观测物体的临界照明的具有透射光照明器件的显微镜，包括：光源，光源包括具有较小的光发射表面的LED器件；光引导元件，光引导元件有具有耦合输出表面维度的较大的耦合输出表面，光引导元件被布置以使从光源发射出的光被耦合输入并从耦合输出表面被耦合输出，从耦合输出表面被耦合输出的光以至少±10°和至多±50°的角度范围被发射出去，且以低于50％的强度波动对在±5°的角度范围内在5米距离处的区域照明；聚光器，聚光器在光引导元件的耦合输出表面和待观测物体之间，其中，聚光器有具有孔维度的孔，且聚光器被布置以使孔被从耦合输出表面耦合输出的光完全照射。

Description

用于临界照明的具有透射光照明器件的显微镜
技术领域
本发明涉及用于临界照明的具有透射光照明器件(透射照明器件)的显微镜。
背景技术
用于光学显微镜的这种常规光源自身(例如卷曲的灯丝或LED阵列)是高度不均匀的，结果是经常地使用散射体(通常是散射盘)。但是，这导致在物体方向上的光损耗，以使光源必须相应地更亮。
在简易显微镜中，经常使用所谓的临界照明，临界照明需要更少的光学部件。通常，至少能够省掉聚光镜和场快门(field shutter)。物体基本上位于聚光器在样本端的焦点处，物体被在大区域上大体上平行的光照射。任何现有的孔快门(aperture shutter)大体上位于聚光器在灯端的焦点处。光源的远场中的非均匀性在物像中是直接可见的。如果光源的区域过小，则在物像中发生渐晕。
但是，提供具有足够大区域同时是均匀的光源是非常昂贵的。特别是对于对光学质量具有更高要求的更高质量的显微镜，这种光源只能以很高的费用和努力被设置。
为了能够为高放大率提供足够的光强度，必须使用强发光设备。LED用作具有很多优势的紧凑发光设备是普遍的。但是，使用多个LED以获得足够高强度的发光通常是必要的。
由于LED之间的间隙特别地导致显著的非均匀性，为了能够提供足够的均匀性，特别是对不同的放大率，必须使用散射体(通常是散射盘)。但是，使用散射盘导致光损耗，使得有必要使用更亮的LED和/或更多的LED。
为了能够提供足够的没有渐晕的照明，必须将已知的光源增大。这一方面需要透镜系统，另一方面需要相对长的光学路径，相对长的光学路径使得有必要折叠该光学路径。这两方面均大大增加成本。
提供高质量的临界照明因此是非常昂贵的，这是为什么在高质量显微镜中基本上仅仅使用所谓的科勒照明，科勒照明对光源的要求较低。但是，为此需要另外的光学元件。
期待有用于高质量的光学显微镜的低成本的足够均匀的临界照明。
发明内容
根据本发明，提出具有权利要求1的特征的用于临界照明的具有透射光照明器件的显微镜。从属权利要求的主题和以下的描述为有利的实施例。
光源具有包括至少一个LED的LED器件。与卷曲的灯丝相比，发光二极管的使用降低功耗和散发的热量，以使几乎不需要任何额外的空间用于昂贵的冷却。由于LED在具有高发光功率和低功耗的同时仅仅具有小体积，且因为LED不需改变色温即可以变暗，故LED具有相对于常规的白炽灯的优势。由于使用合适的光引导元件(如后文中说明的)，因此不需要使用常规的散射体，结果是即使LED器件仅仅具有几个LED，优选地在一个LED和至多四个LED之间，也可以获得足够的光强度，从而简化构造，且降低特别地源于LED之间的间隙的非均匀性。
为了光源的方向特性的控制调节，使用光引导元件。这产生遥远表面的预设照明(尺寸、亮度的降低等)。这通过光引导元件的壁上的耦合输入光的方向的不同变化和/或通过耦合输出表面上的合适的结构(例如透镜)而实现。与常规的显微镜照明对比，光引导元件不会引起任何光源成像。耦合输出表面对于聚光器孔的总表面区域的照明足够大。已经发现，如果耦合输出表面大于最大的聚光器孔，则具有不同程度的放大率的物镜的物镜光瞳很好地被照明。如以上所说明的，光源自身具有相对小的光发射区域，特别地，光发射区域比耦合输出表面更小。
为了高的光效率从光引导元件发出的光被充分地聚焦，且为了临界照明从光引导元件发出的光被足够均匀地聚焦。为了这个目的，包括光源和光引导元件的系统被布置，以使从光引导元件发出的光以至少±10°和至多±50°的角度范围被发射出去，且以低于50％(优选地低于35％，更优选地低于25％)的强度波动对在至少±5°的角度范围内在5米距离处的区域(在具有在显微术中常规地使用的圆形的横截面的光学路径中，这与直径为至少87.5cm的被照明的圆形的区域相对应)照明。换句话说，亮度在围绕光轴的至少±5°的范围内以仅仅50％、35％或者25％的最大值波动。
不需要常规地用于显微术照明中的均匀化的这种散射盘。与散射盘相关联的光损耗因此不会发生，且甚至相对较少的LED也能够提供足够的亮度。
合适的光引导元件例如从室内发光技术中已知。光引导元件基本上是具有较小的耦合输入表面和较大的耦合输出表面的锥台形的。耦合输出表面经常具有透镜布置，优选地具有超过20个微透镜的微透镜布置，微透镜布置优选地具有蜂窝状结构。光引导元件通常由透明的塑料制成。在本发明的背景中已经发现，这种光引导元件也可以用于促进临界显微镜发光的领域。事实上，来自其他专业领域的发光器件通常不适合用于显微术，因为在显微镜中有通过聚光器、物体平面和物镜直到目镜的出射光瞳的对灯和照明的光瞳成像的所谓的交错的光学路径。由于这个原因，关于与表面照明有关的灯的均匀性的数据不能应用于显微镜照明的均匀性。
本发明提供低成本的用于高质量光学显微镜(特别是具有可互换的物镜的高质量光学显微镜)的足够均匀的临界照明，即用于非常不同的放大率以及因此非常不同的均匀性和亮度要求的临界照明。
但是，根据所使用的光引导元件，还可能有在近场中(即恰好在耦合输出表面后的区域)的非均匀性。已经发现与耦合输出表面的直径的至少两倍相对应的耦合输出表面和聚光器孔之间的间距对于具有20倍以上放大率的物镜实现被观测的物体的足够的均匀性。
耦合输出表面离聚光器孔的间距越远，物场被越均匀地照明。但是，该间距优选地选择为至多不需要对照明光学路径进行任何折叠的大小。这带来成本优势，因为不需要偏转设备。通常，对应于耦合输出表面的直径的四倍的间距将仍然允许耦合输出表面和聚光器之间直的光学路径。
在低放大率和伴随的小孔的情况下，图像的焦深可以很大，以使甚至相对较远的耦合输出表面可以在物像中可见。图像变得不均匀。但是，由于低放大率需要的光强度也低，在这些情况下，可以在光学路径中设置散射体(优选地是散射盘)。为了使在目镜中检测聚光器孔(例如孔快门)成为可能，将散射体方便地布置在耦合输出表面和聚光器孔之间。散射体优选地能够枢转入和枢转出。优选地，将散射体布置得靠近聚光器孔以尽可能最小化光损耗。
散射体还应用在当使用高放大率的物镜时，如果孔快门(虹膜)在很大程度上被关闭的情况。如果根据孔设置散射体，即当孔维度(通常为快门直径)低于预设的大小时引入散射体，则因此是有利的。
如果使用的光源足够亮，则还可以永久地设置散射体。
一方面为了允许对具有伴随的大的焦深的小的孔维度的均匀照明，另一方面为了对具有高放大率的物镜提供足够的光强度，以特别有利的方式配置散射体，以使仅仅预设范围内的光被围绕光轴散射。为了这个目的，将散射体配备为具有预定散射的(优选为粗糙的)中央区域的透明盘。该散射体特别地适合于永久固定在光学路径中。
如果预定区域为圆形的且具有与0.35的发光孔(0.35的数值孔与20倍的物镜的一般孔相对应)相对应的直径，则已经证实是有利的。高达1.5倍大的直径也是合适的，在这种情况下，散射表面与总耦合输出表面相比仍然小，且因此在高放大率下仍然有高发光强度。
有已知的应用(例如对照方法)，其中在甚至更高的放大率下发光孔是关闭的。当发光孔直径变得接近预定范围时，在散射区域和透明区域之间的边缘处可能有破坏性的散射效应。而且，物场中的光强度对虹膜直径的二次依赖性的梯度发生变化，如亮度不断增加的降低所表明的。这个变化的方案将以非圆形配置(例如以星形的形状或者其他逐渐变细的结构)的预定区域显现。由于非圆形(例如星形)配置，边缘处的散射效应被最小化，且当孔被关闭时没有异常的亮度效应。非圆形区域的粗糙的(基本上圆形的)中心应该转而与0.35的发光孔的预定直径相对应。可选地或者另外地，可以使用具有梯度的粗糙区域。
本发明的进一步的优点和实施例从描述和附图中将变得明显。
应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，以上所提及的特征和以下将被描述的特征可以不仅被使用在所说明的特定的组合中，而且可以被使用在其他组合中或者独立地被使用。
本发明通过示例性的实施例示意性地表示在附图中，且下面参考附图详细描述本发明。
附图说明
图1在侧视示意图中示出根据本发明的显微镜的优选实施例，该图中将基座沿纵剖面示出。
图2在剖面图(左)、俯视图(中央)和透视图(右)中示出适合用于本发明的光引导元件的优选实施例。
图3示出具有光引导元件的合适的光源的发射特性图。
图4示意性地示出适合用于本发明的散射体的第一优选实施例。
图5示意性地示出适合用于本发明的散射体的第二优选实施例。
具体实施方式
图1在侧视示意图中示出根据本发明的显微镜100的优选实施例，该图中将基座沿纵剖面示出。显微镜100用于观测布置在显微镜台90上的物体O。显微镜具有座架60，座架60用于支撑不同的显微镜元件，特别地透射光照明器件10、具有不同的物镜71的旋转物镜阵列70和具有目镜的管80。
显微镜台90通过旋钮91和92以已知的方式在z或者x/y方向上可移动。
透射光照明器件10包括被配备作为LED器件的光源20。电源21用于对LED器件提供能量。光引导元件30设置在LED器件20之上，光引导元件30在面向待照明物体O的一侧包括具有维度(在这种情况下为直径)D的较大的耦合输出表面32。光源20的光发射表面(芯片表面)比光引导元件的耦合输出表面32显著地更小，优选地小于尺寸的一半、三分之一或者四分之一。
照明器件进一步包括聚光器40，聚光器40有具有维度(在这种情况下为直径)A的聚光器孔41，在本示例中，聚光器孔41被配备作为可调的虹膜快门(iris shutter)。透射光照明器件10被设置用于待检测物体O的临界照明。物体O因此大体上位于聚光器40在样本侧的焦点处，孔快门41大体上位于聚光器40在灯侧的焦点处。
在示出的实施例中，耦合输出表面32与孔41的间距d为耦合输出表面维度D的两倍。
光引导元件30引导由LED器件20发射的光，以使光从耦合输出表面32以10°至20°的角度范围被发射出去。在远场中，光具有强度分布，以使在围绕主发射方向至少5°的范围内强度以至多50％波动(参见图3)。
图2在剖面图(左)、俯视图(中央)和透视图(右)中示意性地示出包括光源20和光引导元件30的系统。
在本实施例中，LED器件20包括以矩形阵列布置的四个单独的LED。但是，LED器件20也可以包括更少的LED，优选地仅仅包括一个LED。从作为光源的LED器件20发射出的光在合适形状的耦合输入表面被耦合输入至光引导元件30，并且在上方的耦合输出表面32再次被耦合输出。耦合输出表面32具有微透镜阵列，微透镜为蜂窝形的。但是，光引导元件30不对光源20成像。图3示出具有LED的光引导元件的优选的发射特性。
图3以笛卡尔图示出光强度。绘制y轴上的距离5米处的光强度I[Cd]与x轴上的发射角度[°]的图，所使用的光源20为单个Luxeon Rebel白光LED。显然地，光被引导，以使发射重心位于光轴(0°)的区域。因此对发射光进行一定的准直，以使实质的光能在-15°和+15°之间的范围内。也显然地，在-5°和+5°之间有小于50％的强度的小波动。
在根据图1的显微镜中，用具有小维度(孔快门开口直径A)的孔41，焦深可以很大，以使耦合输出表面的结构在物像中变得可见。这导致不希望的非均匀性。为了消除这种非均匀性，可以在耦合输出表面32和孔41之间的光学路径中(优选地，靠近孔41)设置散射体。在本发明的一个优选的实施例中，散射体具体配置为如以下将参考图4和图5说明的。散射体可以永久地布置在光学路径中，或者根据孔维度可以枢转入和枢转出。在这种情况下，如果临界孔维度(一般为直径)降低至一定水平以下，则将散射体枢转入，且如果超过该水平则将散射体枢转出。临界孔维度优选地与0.35的数值孔相对应。
图4示出这种散射体的第一实施例400，且图5示出这种散射体的第二实施例500。两个散射体大体上均由直径为D1的透明盘组成，该透明盘被配置为在预设区域401或501分别具有散射效应。为了这个目的，预设区域优选地是例如通过喷砂制成粗糙的。选择直径D1，以使散射体可以容易地被布置在光学路径中而不造成遮蔽。直径D1方便地与发光孔的至少一个最大可能的维度相对应。
根据图4的实施例包括圆形的散射区域401，散射区域401的维度D2(在这种情况下为直径)与预设的孔维度(优选地与0.35的数值孔相对应)匹配。
根据图5的实施例500具有星形的配置，在中心的中央(更特别地为凸起)区域的直径D2也与预设的孔维度(优选地与0.35的数值孔相对应)匹配。除了在中间的中央区域，预设区域501额外地具有逐渐变细的结构，以避免，特别是在孔快门的关闭期间光的突然减少，以及避免在从散射区域至透明区域的过渡段处的散射。

Claims (17)

1.一种用于待观测物体(O)的临界照明的具有透射光照明器件(10)的显微镜(100)，包括：
光源(20)，所述光源(20)包括具有光发射表面的LED器件；
光引导元件(30)，所述光引导元件(30)有具有耦合输出表面尺寸(D)的耦合输出表面(32)，所述光发射表面比所述耦合输出表面(32)小，所述光引导元件(30)被布置以使所述光源(20)发射的光被耦合输入并从所述耦合输出表面(32)被耦合输出，其中，从所述耦合输出表面(32)被耦合输出的光以至少±10°和至多±50°的角度范围被发射出去，且以低于50％的强度波动对在至少±5°的角度范围内在5米距离处的区域照明；
聚光器(40)，所述聚光器(40)在所述光引导元件的耦合输出表面(32)和所述待观测物体(O)之间，其中，所述聚光器(40)有具有孔尺寸(A)的孔(41)，且所述聚光器(40)被布置以使所述孔(41)被从所述耦合输出表面(32)耦合输出的光完全照射。
2.根据权利要求1所述的显微镜，其中，所述耦合输出表面尺寸(D)大于所述孔尺寸(A)。
3.根据权利要求1或2所述的显微镜，其中，所述耦合输出表面(32)包括透镜布置。
4.根据权利要求1或2所述的显微镜，其中，所述耦合输出表面(32)与所述孔(41)的间距(d)为所述耦合输出表面尺寸(D)的至少两倍和至多四倍。
5.根据权利要求1或2所述的显微镜，其中，所述孔(41)被布置在所述聚光器(40)在所述光源侧的焦点处。
6.根据权利要求1或2所述的显微镜，其中，所述耦合输出表面(32)和所述聚光器(40)之间的光学路径是未折叠的。
7.根据权利要求1或2所述的显微镜，其中，所述孔尺寸(A)能够通过虹膜快门被可变地预设。
8.根据权利要求1或2所述的显微镜，其中，散射体(400，500)布置在所述耦合输出表面(32)和所述聚光器孔(41)之间的光学路径中。
9.根据权利要求8所述的显微镜，其中，所述散射体(400，500)布置为紧邻所述聚光器孔(41)。
10.根据权利要求8所述的显微镜，其中，所述散射体(400，500)配备为具有预设散射区域(401，501)的透明盘。
11.根据权利要求10所述的显微镜，其中，所述散射区域(401)为圆形的，且具有与预设发光孔相对应的尺寸(D2)。
12.根据权利要求10所述的显微镜，其中，所述散射区域(501)为非圆形的。
13.根据权利要求12所述的显微镜，其中，所述散射区域(501)为星形的。
14.根据权利要求12所述的显微镜，其中，所述散射区域(501)内的中央区域具有与预设发光孔相对应的尺寸(D2)。
15.根据权利要求14所述的显微镜，其中，所述散射区域(501)内的所述中央区域是凸起的。
16.根据权利要求8所述的显微镜，其中，所述散射体(400，500)被可枢转地安装，以能够枢转入所述光学路径和枢转出所述光学路径。
17.根据权利要求16所述的显微镜，其中，设置机械装置，所述机械装置根据所述孔尺寸(A)将所述散射体(400，500)枢转入所述光学路径和枢转出所述光学路径。
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