CN104111523A - 用于显微镜物镜的环形照明装置、以及显微镜物镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于显微镜物镜（01）的环形照明装置（07）、以及设有这种环形照明装置（07）的显微镜物镜（01）。所述环形照明装置（07）具有至少两个LED单元（11），它们被收容在照明环（17）中，所述照明环可以被连接至显微镜物镜（01）。根据本发明，所述环形照明装置（07）具有用于冷却空气的至少一个下部进口开口（08）和至少一个上部出口开口（09），以冷却LED单元（11）。

Description

用于显微镜物镜的环形照明装置、以及显微镜物镜

技术领域

本发明涉及用于物镜、特别用于显微镜物镜的环形照明装置，以及具有这种环形照明装置的显微镜物镜。

背景技术

从现有技术中，已知多种用于显微镜的照明装置和照明技术。环形照明装置主要被用于暗场反射光照明。已知的系统被置于物镜的成像光学器件外面。光通常由环形的镜或环形的透镜而被偏移在样品上。这种设计是昂贵的，并且会占据物镜外面的较大空间，这会例如基本上抑制物镜的摆动半径。

例如在US 4186993 A中描述了一种物镜，其中环形的透明漫射器和环形的聚光透镜被环绕成像光学器件、沿光传播方向设置。

在US 4626079 A中示出了暗场照明系统的多种变形，其中环形透镜和/或环形镜的组合被环绕物镜透镜而应用。

DE 603030328 T2示出了一种用于显微镜的环形照明装置，其中LED被用作光源。具有不同的发光颜色（优选红色、绿色和蓝色）的两种或三种LED被使用，它们被置于围绕光轴的相同范围中，并且基本上与光轴垂直地朝向。颜色分量被使用分色镜组而混合，并且通过反射器被偏移在物体平面上。

在DE 20-2005-004635 U1中公开了一种用于反射光显微镜的照明环，它具有至少可移动地安装的LED，所述LED具有与光轴相关的调节角度，该角度出于照明的聚焦而可以调节。因为热敏感性，LED在允许电流的最多一半之下运行，并且必要的光强度是通过聚焦或者使用更多的LED而实现的。LED的接触和电力供应是相对昂贵的。

CN 101414056 B公开了具有暗场照明装置的物镜。该物镜的成像光学器件被置于内部筒体中，而LED照明装置被置于外部筒体中。在LED和物体之间，设有环形光学元件，它将LED光转换为平行光。也可以通过相应的适配器而将照明装置结合至光场物镜。

LED的亮度随着功率消耗而升高。在不变的半导体温度下，所述升高是几乎成比例的。但是，效率随着温度的升高而下降，因此在功率极限的光输出产量被降低，这取决于冷却的类型。因此有效的冷却对于照明的效率来说是关键的。

发明内容

相应地，本发明的根本问题是得到用于显微镜物镜的反射光照明的环形照明装置、以及用于这种照明装置的显微镜物镜，它使得暗场照明具有高的光产量和效率，并且它是易于设立的，并且需要极小的维护。

上述问题是通过根据权利要求1的环形照明装置、以及根据权利要求10的具有这种照明装置的显微镜物镜而解决的。

有利的实施例在从属权利要求中被提出。

创造性的环形照明装置具有至少两个发光二极管单元，所述单元被设于照明环中。这些LED单元包含至少一个LED和一套聚集器光学器件（collector optics），它们优选地被均匀地分布在照明环的圆周上。所述LED单元被置于照明环中，使得矩形的摄像芯片能够有效地并且没有特别有问题的亮点地登记被反射自物体平面的成像光束。

根据本发明，所述环形照明装置具有下部进口开口和上部出口开口，用于冷却空气。通过这种设计，该照明装置是自我冷却的。该自我冷却效果是由照明环中的烟囱效应（chimney effect）产生的，并且随着组成部分的加热而被加强。组成部分的冷却这样地发生，即上升的冷空气经过正在被加热的所有组成部分，借此该空气被加热并且被跟随有通过进口开口而被引入的冷空气。有利地，用于该冷却空气的第二进口开口和第二出口开口也被设于照明环中。

可以理解的是，本发明的优点在于，LED可以在高功率消耗下运行，得到良好的亮度和有效的照明。

有利地，照明装置的部件由具有良好的热传导性的材料制成。

创造性的显微镜物镜包含成像光学器件，该器件被置于内部框架管（frame tube）中。在已知的方式中，物镜功能器件（例如电气控制单元、内部聚焦装置、碰撞保护装置、温度控制装置、以及机动装置等）被收容在外部物镜外壳中，该物镜外壳至少以分段的方式包围框架管。在物镜的支承前透镜的端面，所述照明装置被电连接以及机械连接至该物镜外壳。在这种连接中，所述照明环具有用于每个LED单元的电子界面（electronic interface），该界面优选是接触表面的形式。

通过该电子界面，所述照明装置可以被控制，并且优选地还可以被调节。特别有利的是，LED单元能够通过软件工具和校正标准而相对于彼此进行调节，从而确保物体区域会被恒定地和均匀地照射，例如通过使用能够被单独快速地调节的LED。

当在物镜和物体平面之间存在较大的工作距离时，会存在这样的风险，即来自LED的光被从物体直接反射进物体，产生不期望的图像干扰。可以通过将照明光束路径向外偏移然后射在物体平面上来解决该问题。为了该目的，根据另一个实施例，所述显微镜物镜可以具有修正附件（correction attachment），该修正附件将LED的光向外反射然后射在环形的镜上，使照明的入射角更浅。所述修正附件与物镜中心对齐，并且有利地可以通过磁性装置而被连接至物镜和照明装置。

优选地，LED单元包含设于电路板上的LED、以及用于在物体平面中形成光源的图像的聚集器电子器件、以及进一步的作为电子界面的接触表面。在这种方式中，所谓的“临界照明”被确定尺寸，对此光学器件可以以相对简单的方式而被实现。

在优选的实施例中，LED单元被置于聚集器（collector）中，该聚集器可以以特别容易的方式而被预先调节。为了提供有效的冷却，有利的是每个聚集器都具有第三进口开口和第三出口开口，用于冷却气体。

所述照明环收容聚集器，这些聚集器已经被完全地预先调节好并且被完美地置于由开口组成的相应的圆环中，借此进口开口和出口开口被设置使得冷却空气流从下方向上穿过照明环。在这种连接中，聚集器和照明环的进口开口和出口开口优选是重叠的。

在特别优选的实施例中，八个聚集器被收容在照明环中，即环绕照明环的圆周而被分布。

所述聚集器包含收容聚集器光学器件的聚集器壳体、LED电路板、冷却主体、以及具有接触表面（或多个表面）的接触板（或接触电路板），从而提供电子界面，借此LED电路板和接触板由作为传导体的线而被连接。

在替代的实施例中，LED单元被直接收容在照明环中，而没有使用单独的聚集器。在这里每个LED通过其电路板优选地被旋入照明环中，并且也在照明环中被调节，以对准物体的中心。聚集器光学器件也被直接保持在照明环中。通过这种配置，不容易替换有缺陷的LED；相反，调节必须被连续地进行。

照明环和物镜在光轴中被居中。

附图说明

参照附图，将更详细地描述本发明的优选实施例。

图1在纵向横截面视图中说明了具有环形照明装置的显微镜物镜的优选实施例。

图2是图1的细节图，示出了环形照明装置。

图3是从物体平面的方向看的图1所示的显微镜物镜的图。

图4示出了聚集器的各种视图。

图5是沿图4的A-A横截面线的图4所示的聚集器的纵向横截面视图。

图6是沿图4的B-B横截面线的图4所示的聚集器的纵向横截面视图。

图7是修正附件的横截面视图。

附图标记列表

01 显微镜物镜

02 光轴

03 物体平面

04 光学组件

05 控制单元

06 物镜管

07 环形照明装置

08 下部进口开口

09 上部出口开口

10 电子主界面

11 LED单元

12 LED组件

13 聚集器透镜

14 聚集器

15 传导线

16 聚集器壳体

17 照明环

18 第二进口开口

19 第二出口开口

20  –

21 第三进口开口

22 第三出口开口

23 适配器环

24 螺纹

25  –

26 轴向分段

27 径向分段

28 冷却空气流

29 物镜外壳

30 冷却叶片

31 接触表面

32 接触弹簧

33 照明光束的路径

34 冷却主体

35 聚集器轴线

36 筒状分段

37 支撑环

38 电路板

39 LED

40 适配器环

41 隔热环

42 接触板

43 螺栓

44 修正附件

45 平整组件

46 永久磁铁

47 光束开口

48中心柱体

49 框架元件

50 具有光束开口的框架元件。

具体实施方式

图1沿光轴02在纵向横截面视图中说明了创造性的显微镜物镜01的优选实施例。图2示出了来自图1的细节A。图3是从物体平面03的方向看的图1所示的显微镜物镜01的图。

显微镜物镜01包含设于内部物镜管06中的成像光学组件04。

参照图1-3，将更详细地描述创造性的显微镜物镜01的示出的优选实施例。

环形照明装置07被附着至显微镜物镜01的侧面，它被朝向物体平面03。

环形照明装置07具有下部进口开口08和上部出口开口09，用于冷却空气。在给出的实施例中，进口开口08和出口开口09是环形的。冷却空气环绕在环形照明装置的运行过程中被加热的部件而流动，产生烟囱效应。

每个发光二极管单元11包含LED组件12和聚集器透镜13，它们在本实施例中被共同地保持在聚集器14中。聚集器14具有聚集器壳体16并且与该壳体一起被设置在照明环17中；当有需要时（例如在老化或缺陷的情况下）它们能被容易地更换。聚集器14的结构将参照图4、5和6在下文中全面地进行描述。

为了在该实施例中实现冷却烟囱效应，每个照明环17都具有第二进口开口18和第二出口开口19，而聚集器壳体16具有第三进口开口21和第三出口开口22。

适配器环23被附着至照明环17，优选通过螺纹24。螺纹24被设于适配器环23的轴向分段26上。轴向分段26覆盖在照明环17的外直径上的第二出口开口19，直至在上部出口开口09的间隙。这防止了操作者与照明环17的较热部分接触。

适配器环的径向分段27作为用于将聚集器14固定在照明环17中的轴向固定装置。

箭头28表示从下部进口开口08至上部出口开口09的冷却空气流。明显地，空气环绕在横截面视图中示出的部件而流动。本领域的技术人员可以理解，完成冷却的其他部分气流会出现。

优选地，照明环17通过螺纹连接而被连接至物镜外壳29，该螺纹连接设于聚集器14之间的周边空间内。物镜外壳29优选具有用于物镜的功能的其他装置，这些装置包含用于显微镜物镜01和环形照明装置07的控制单元10，或者至少是用于这种控制单元的连接部件。物镜外壳29有利地具有冷却叶片30。此外，有利的是隔热外壳41被安装于或被包含于物镜外壳29内，它防止了热通过机械的接触表面而被传导至内部光学组件04。此外，物镜外壳29可以被设于光轴02中额外的适配器环40上。在这种方式中，由于调节光学系统而产生的高度变动会得到补偿，而照明可以被保持聚焦在物体平面03。

每个聚集器14都通过接触表面31被电连接至安装在物镜外壳29内的接触弹簧32。通过这些接触31、32，在物镜的控制单元05和环形照明装置07之间实现了电子界面。接触弹簧32被焊接进有利地为环形的平整组件（FA）45。平整组件45与物镜的控制单元05相连。整合在物镜中的控制单元带来了这样的优点，即对显微镜中的控制单元所需的电子线更少。现在物镜的控制单元05自身通过电子线被连接至显微镜物镜01的电子主界面10。显微镜物镜01的电子主界面10然后形成转换点，用于将信号从显微镜物镜01传送至显微镜，然后进入控制中心。

聚集器14被倾斜地设于照明环17内，使得LED组件12在物体平面03中产生照明光束路径33。显微镜物镜01的自由工作距离和选定的圆环会形成角度α，在照明环17中聚集器14的开口被设置该圆环上。通过设于聚集器14内的冷却主体34，实现了聚集器轴线35的优选的倾斜。在该方案中，所述倾斜被选择使得接触表面31平行于物体平面。这提供了额外的优点，即显微镜物镜01占据的空间更小，并因此具有更小的外直径。

被用于在图1至3中示出的显微镜物镜01的优选实施例的聚集器14在图4至6中被详细地示出。

在图4中，示出了聚集器14的各种视图。图5示出了沿图4的A-A线的横截面，而图6示出了沿图4的B-B线的横截面。相似的附图标记被用于相同的元件，与上述说明相一致。

聚集器壳体16具有用于收容聚集器透镜13的柱状分段36。聚集器透镜13通过支撑环37而被固定在聚集器壳体14内。

LED组件12包含具有LED 39的电路板38（在这里是具有有机硅树脂和透镜的SMD陶瓷壳体的形式），并且进一步包含冷却主体34和具有接触表面31的接触板42。接触板42和电路板38之间的电连接是通过被焊接的连接线15而完成的。本领域技术人员可以根据所需的特点来选择正确的LED，并且能够根据需要选择冷却主体的尺寸。

LED组件12通过螺栓43被附着至聚集器壳体16的朝向聚集器透镜13的端侧，并且同时在那里居中。通过该螺栓连接完成聚集器14在照明轴线33上的调节。有利的是通过聚集器壳体16中的机械公差来实现LED 39和聚集器透镜13之间的额外距离。替代地，可以使用热传导间隔环。有利地，电路板38和螺栓连接的尺寸被选择使得具有良好的热传导性，使得LED 39的热量可以被向外散布在冷却主体34上，以及在电路板38和螺栓连接上到达聚集器壳体16，然后到达照明环17。此外，有利的是在LED组件12和接触板42之间设置热传导胶粘剂。这提供了改进的热传递并且同时提供了不可逆固定，从而提供固定该调节的额外方式。

聚集器壳体16、照明环17、以及物镜外壳29由具有良好的热传导性的材料（例如铸铝（cast aluminum））制成。

图7示出了修正附件44，它在物镜与物体平面之间的工作距离较大时，产生更浅的照明角度。修正附件有利地被分布在照明环的圆周，并且通过永久磁铁46被附着至照明环。修正附件44中的永久磁铁46与光束开口47错开设置。在显微镜物镜01的照明环中，在对应的位置上也设有磁铁。这使得能够将光束开口47和聚集器14对齐。修正附件46通过居中/中心柱体48而居中。框架元件49和50在这里有利地作用来保护反射表面。

这种偏转附件的运作对于本领域技术人员来说是已知的，例如从DE 10320529 A1。

Claims (10)

1. 一种用于显微镜物镜（01）的环形照明装置（07），所述环形照明装置包含被收容在照明环（17）中的至少两个发光二极管单元（11），其特征在于，所述环形照明装置（07）具有用于冷却空气的至少一个下部进口开口（08）和至少一个上部出口开口（09），以冷却LED单元（12）。

2. 根据权利要求1所述的环形照明装置（07），其特征在于，所述照明环（17）具有第二进口开口（18）和第二出口开口（19）。

3. 根据权利要求2所述的环形照明装置（07），其特征在于，每个所述LED单元（11）都被置于被保持在照明环（17）内的聚集器壳体（16）中，其中聚集器壳体（16）具有第三进口开口（21）和第三出口开口（22）。

4. 根据权利要求3所述的环形照明装置（07），其特征在于，所述聚集器壳体（16）基本上是圆柱形的，其中在圆柱形结构的主体设有聚集器透镜（13），并且其中第三进口开口（21）被设于圆柱形结构的外壳表面，而第三出口开口（22）被设于圆柱形结构的盖体。

5. 根据权利要求1至4中任一项所述的环形照明装置（07），其特征在于，所述LED单元（11）具有冷却主体（34）。

6. 根据权利要求1至5中任一项所述的环形照明装置（07），其特征在于，所述装置进一步具有盖环（23），用于将LED单元（11）保持在照明环（17）中，其中盖环（23）至少以分段的方式包围照明环（17），并且盖环（23）具有轴向边缘（26）和径向边缘（27）。

7. 根据权利要求6所述的环形照明装置（07），其特征在于，所述轴向边缘（26）在物镜的延展方向突出在照明环（17）的第二出口开口（19）上，但是在盖环（23）和照明环（17）之间、在上部出口开口（09）的区域存在径向间隔，所述径向间隔形成上部出口开口（09）。

8. 根据权利要求1至7中任一项所述的环形照明装置（07），其特征在于，所述LED单元（11）包含电子界面，所述环形照明装置（07）通过该电子界面被电连接至显微镜物镜（01）。

9. 根据权利要求1至8中任一项所述的环形照明装置（07），其特征在于，所述照明环（17）由热传导材料制成。

10. 一种显微镜物镜（01），其特征在于，所述显微镜物镜具有根据前述权利要求中任一项所述的环形照明装置（07），其中所述装置（07）被设于物镜外壳（29）上并且被电连接以及机械连接至所述物镜外壳。