CN104520748B - 具有平面光源的用于显微镜的入射照明设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于显微镜的入射照明设备，用于观察显微镜(10)中的样品(1)，具有用于样品(1)的入射照明的平面光源(100)，其中平面光源(100)包括面板状光波导和至少一个发光装置，面板状光波导具有下界面(111)、上界面和至少一个侧面，至少一个发光装置布置为将光通过用作光入射面的至少一个侧面发射进入光波导，使得由于全内反射光在光波导中传播，其中全内反射以确定的方式被邻接光波导的下界面上的接触面的元件干扰，使得光的输出耦合存在于光波导的上界面上。

Description

具有平面光源的用于显微镜的入射照明设备
技术领域
本发明涉及一种具有平面光源的用于显微镜的入射照明设备，特别是用于具有连续可变的放大率的显微镜(简称为“变焦距显微镜”)、特别是立体显微镜或显宏镜的入射照明设备；一种具有入射照明设备的显微镜；以及定向的平面光源用于显微镜中的入射照明的用途。
背景技术
在现有技术中，常规的点光源(通常为卤素灯)用于具有长工作距离的显微镜(例如变焦距显微镜)中的入射照明；通常物体不是通过物镜照明，而是与物镜分离地照明。将光直接或通过光纤束引导至样品台。该照明设备(例如DE 101 23 785 A1或DE 101 33 064A1中公开的)通常不产生均匀照明，这可能导致弱对比和可能的照明伪像(例如映像、阴影等)。该照明设备还需要显微镜附近的大量空间。另外，将光源耦合到光纤束中且随后再耦合到柔光镜中导致明显的效率损失。
需要描述尽可能平的但仍是均匀的用于显微镜的入射照明设备。
发明内容
本发明提出了根据独立权利要求的具有平面光源的用于显微镜的入射照明设备、具有该入射照明设备的显微镜、以及该平面光源用于显微镜中的照明的用途。
出人意料地，已经认识到透射照明设备的平面光源(如DE 10 2011 003 568 A1中描述的)也特别适合用于入射照明。与点光源相比，发光区域明显增大，且照明场变得均匀。这对于研究较大的样本和/或多个样本(例如取证过程中的)、材料研究等是特别有利的。
根据本发明使用的平面光源的显著特征是由于全反射在面板状光波导中传播的光通过全反射的受控中断而耦合输出。该中断通过邻接“接触面”的元件在光波导的下边界面(“下侧”)处发生。因此，光在上边界面(“上侧”)处耦合输出。为了本发明的目的，因此，光射出的一侧称为“上侧”，不管其在空间中的定向。元件光学耦合至光波导且配备为引起漫散射，使得光的输出耦合在上侧发生。元件接触的接触面用作辐射面。具有仅仅一个用于输出耦合的接触表面的光波导的使用，一方面，使得能够获得特别平的构造，另一方面，由于光波导内光的混合，导致辐射光的第一均匀化。
本发明允许产生用于显微镜中的入射照明的平面光源，该平面光源特别均匀地辐射光。同时，平面光源物理上是非常平的，而且易于制造和处理。因为不需要昂贵的光学部件和复杂的对准，生产是经济的。
有利的实施例是从属权利要求和下面的描述的主题。
均匀化的另一改进通过以下事实实现：接触面的平面面积小于下侧的平面面积。因此留下不用于辐射而是专门用于均匀化的边缘区域。因此，光波导可以被选择为均匀原因所需要的一样大，且接触面(其限定出辐射面)的尺寸可以独立于光波导而被限定。
进一步的均匀化通过以下事实实现：光从至少两个不同的方向耦合到光波导中。例如，在棱柱形或截棱锥形的光波导(即，具有多边形基底面的光波导)的情况下，输入耦合可以在至少两个侧面处发生。对于圆柱形或截圆锥形的光波导(即，具有椭圆形基底面的光波导)，输入耦合在包络面的至少两个位置(优选在外围均匀分布的)发生。此外，从该侧的输入耦合允许低的总高度。
光波导是平面的，使得其高度小于其横向尺寸，特别是在一个尺寸范围内至少10的因子。因此，使需要的总高度最小化。
如果中断全反射的元件引起在光波导中传播的光的漫散射，则实现特别有利的辐射特性。由此引起的发射基本上遵守朗伯定律，使得在所有方向上的辐射密度基本上是恒定的。根据朗伯定律理想地漫射的散射面以根据朗伯分布的方式而不管照明方向再递送辐射的功率输出，即以相同的亮度(恒定的照度)出现。中断全反射的元件优选具有适于至少一个发光装置的反射率(remittance)。
中断全反射的元件优选具有在0.3与0.7之间的反射率R。这特别适合在相对强的发光装置的情况下不对使用者产生炫目效果。另一方面，对于较弱的发光装置，在0.7与1之间，特别是大于0.7或大于0.9的反射率R也是特别优选的。这些较弱的发光装置可以显示出低的(因此有利的)放热。这允许发光装置与辐射面之间的较短的间距，因此允许整个平面光源的紧凑构造。
中断全反射的元件优选为涂布在下侧上的覆盖物，特别是处于涂布的涂层或薄膜的形式。该覆盖物可以被粘合、刷涂、铺展在下侧，等。覆盖物优选以待涂布的糊剂的形式被配备。糊剂有用地具有白色，以便实现光谱中性辐射特征，且有用地含有大量反射中心和/或散射中心，例如嵌入的分子。在另一变型实施例中，中断全反射的元件可以用于改变发光装置(例如LED)的颜色，以便优化光谱辐射性能。
至少一个发光装置有用地包括LED或冷阴极管。发光装置的构造对光波导中传输的光功率水平的优化具有特定影响。发光装置的发射角优选适于光波导的几何结构；效率受光波导的高度和发光装置中的发光元件(例如，芯片)与光入射面之间的间距影响。
发光元件的间距的彼此适配有助于最佳均匀性和使光波导的尺寸最小化。相邻源的输入耦合光的叠加仅仅在距光波导的边缘一定距离处发生，该距离取决于光源的上述间距。因此，根据本发明，接触面的平面面积小于下侧的平面面积，使得实现混合。
在特别优选的实施例中，面板状光波导配备为棱柱或截棱锥，即限定出上侧和下侧的基底面为多边形。对于该实施例，一个或多个侧面中的每一个可以特别容易地装备有发光装置。此外，不存在与该形状的制造和处理相关联的困难。将冷却设备(散热装置等)设置在平的侧面上以冷却发光装置也是特别容易的。
在也为优选的实施例中，面板状光波导配备为圆柱或截圆锥，即限定出上侧和下侧的基底面为椭圆(包括圆)。对于该实施例，如果一个或多个发光装置布置在圆柱的外围使得“全方位”辐射发生，则可以实现特别良好的均匀化。
光波导的用作光入射面的侧面相对于发光装置发出的主光束的几何结构和定向可以用作用于控制光在光波导中的分布且因此影响从平面光源辐射的光的均匀性的参数。此处可以描述的例子是用作入射面的侧面的倾斜。入射面的该改变有助于优化平面光源的总高度，因为由于该特征，更靠近显微镜的光轴的中断全反射的元件的区域可以被更好地照明。
优选地，至少一个入射面被粗糙化(frosted)。这使光波导中立体角上的光分布均匀化。因此，更偏重光波导中的较大的角，且操作光密度有利于中断全反射的元件的边缘区域。
具体地限定中断全反射的元件的光学折射率是合适的。发光装置的光横向耦合到光波导中，且通过全反射在光波导中传输，直到光通过全反射的受控中断(中断全反射的元件)向上耦合离开板。在光从空气进入折射率为n1的光波导时，光朝向轴线折射。然后，光全部反射或者在外侧耦合输出。决定允许角α的表达式为：
sin2(α)＝n12-n22，
允许角α描述了光可以入射到光波导上使得光仍被引导的最大值，
其中假设到光波导中的输入耦合通过空气(n＝1)发生。n2为相邻介质的可能的折射率。对于相邻介质为空气(n2＝1)的情况，一旦选择用于板的折射率n1大于选择的√2≈1.41，允许角α包括整个半空间。由于中断全反射的元件的折射率n2>1的限定，sin2(α)≥n12-n22对其有效的角区域的部分被耦合输出。在优选实施例中，n2≥n1，使得所有光被耦合输出且散射。这用于增大照度。
为了受控地影响平面光源的方向特性，特别是在需要发射角的限制时，光引导元件可以插入在平面光源与被照明的物体之间。该元件阻止具有大发射角的光，且仅仅允许具有小发射角的光穿过。光引导元件可以配备为板条结构。因此，大发射角在仅一个方向上被阻止。由此可能的是，在X方向(无限制)上的发射特性限制至窄角区域，例如-20°至+20°。该光引导元件例如由3M公司以名称“Vikuiti”提供。可选地，光引导元件也可以配备为网状结构或蜂窝状结构。由此大发射角在两个或更多个方向上被阻止。优选的光引导元件包括大量多边形或圆形光通道，光可以从光引导元件的一侧穿过光通道到光引导元件的另一侧。物体场外的照明可以通过光引导元件减少。该特征导致显微镜图像中对比度的增大。光方向的程度可以通过例如改变光引导元件的厚度或通道尺寸，和/或通过平面光源与光引导元件之间的距离而改变。由此可以产生遥远区域的所需照明(尺寸、亮度下降等)。然而，光源通过光引导元件成像没有发生。
用于限定发射面的光阑有利地设置在上侧。如果光阑的面向上侧的一侧被另外地表面涂覆(mirror-coat)，该光分量没有损失。
本发明的另外优点和实施例从描述和附图中变得明显。
应理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，以上描述的特征和以下将说明的特征不仅可以指出的相应组合使用，而且可以其他组合或单独使用。
在基于示例性实施例的附图中示意性地示出了本发明，且下面将参考附图详细描述本发明。
附图说明
图1a为根据本发明使用的平面光源的第一优选实施例的俯视图。
图1b为根据图1a的平面光源的截面图。
图2a和图2b为根据本发明使用的平面光源的另外优选实施例的俯视图。
图3为具有用于入射照明的平面光源的显微镜的示意性侧视图。
图4示出了具有在平面光源与样品之间的光引导元件的图3的一部分。
具体实施方式
在图1至4中，相同的元件以相同的标号标记。
下面以连续和重叠的方式描述图1a和图1b，其中根据本发明使用的用于入射照明的平面光源的第一优选实施例分别在俯视图和截面图中示出。
在图1中，显微镜的根据本发明使用的用于入射照明的平面光源的第一优选实施例示意性地在俯视图中示出，且整体标记为100。
平面光源100包括面板状光波导110。面板状光波导例如由丙烯酸、玻璃等配备，且此处面板状光波导的形状为棱柱，特别为立方体。面板状光波导110包括下边界面111和一致的上边界面112，下边界面111此处为正方形的。光波导110具有横向尺寸L和高度h，使得优选h<0.1L。
光波导110进一步包括四个侧面113至116。在该示例中，发光装置120耦合到所有侧面113至116上。发光装置120包括承载件121，承载件121同时用作散热装置，大量发光元件布置在承载件121上，发光元件此处配备为发光二极管122。发光二极管122布置在光波导110上，使得发光二极管122辐射的光130由于全反射在光波导中传播。发光二极管122彼此之间具有中心至中心的间距。
在该示例中具有圆形构造的中断全反射的元件140邻接下边界面111。应指明的是，矩形构造也是优选的。邻接区域称为“接触面”且具有平面面积A，平面面积A小于下边界面111的平面面积L2。特别地，接触面与用作入射面的侧面的间距为2r，该间距优选按如下方式确定：
输入耦合光在光波导中通过折射率n朝向垂直线折射。相邻发光二极管的输入耦合的叠加由此仅仅在距光波导的边缘的距离r＝s/2*√(n2-1)处开始发生。因此，将全反射区域设置在面板的边缘处使得实现良好的混合是有利的。由于发光装置的各向异性角特性，典型地为边缘区域提供至少2r的宽度。
光波导110的立方体形状使发光装置120的特别简单的处理和附接成为可能，因为侧面113至116为平的。
在该示例中，光130的辐射在所有四个侧面113至116处发生，使得为了本发明的目的，发生光从所有四个方向的辐射。尽管技术上各个发光二极管122中的每一个在无限数量的方向上发射，为了本发明的目的，“从不同方向的辐射”应理解为是指发光装置的主辐射方向不同。
中断全反射的元件140有用地为涂布在下边界面111上的糊剂。元件140也可以为粘合的薄膜。有用地，元件140基本上为不透明的，使得大部分入射光不是透射，而是散射且没有损失。反射率大于0.9。元件140用作漫散射面。结果是，入射到元件140上的光130被向上反射或漫散射；一部分在上边界面112处离开光波导110且可以用于样品1的入射照明(参见图3)。
此处配备为光圈150的光阑设置在上边界面112上。光阑150的面朝上边界面112的一侧被表面涂覆。
在图2a中，根据本发明的平面光源的第二优选实施例在俯视图中示出且标记为200。平面光源200包括圆柱形光波导210，圆柱形光波导210被大量发光装置220环绕，发光装置220包括发光二极管122。糊剂140再次涂布在圆柱形光波导210的下侧。
光波导210的圆柱形形状和光从所有方向的相关联的辐射导致发射光的特别良好的均匀化。
在图2b中，根据本发明的平面光源的第三优选实施例在俯视图中示出且整体标记为300。平面光源300再次包括棱柱形光波导310，棱柱形光波导310的基底面的形状为规则六边形。在该实例中，光波导310的所有六个侧面装备有发光装置120，使得光的辐射从六个方向发生。该实施例一方面由于从许多方向的辐射而提供了特别良好的均匀化，另一方面，提供了允许发光装置和保持器、散热装置等以简单方式附接的平的侧面。
图3为具有用于样品1的入射照明的平面光源100的显微镜10的示意性侧视图。显微镜10配备为立体显微镜，此外包括支架11、目镜12、具有变焦距机构的显微镜本体13、和物镜14。观察孔径以15示出，照明孔径以16示出。整个照明锥标记为17。明显的是，平面光源100导致甚至大面积样品1的非常均匀的照明，这对于具有长工作距离的显微镜(例如取证显微镜或立体显微镜)是特别有利的。
可以设置光引导元件，以便减少闪光，特别是提高对比度，例如如图4所示。
在图4中，光引导元件20布置在平面光源100与样品1之间，导致照明锥17的收缩。明显的是，使样品1之外的照明区域明显更小，这导致闪光的减少。光引导元件20此处配备为通道元件，通道元件具有靠近彼此布置的大量光通道21，光通道21的尺寸为：高度为H，宽度为P。光通道21的垂直于绘图平面的长度为相对长的，且可以大体上对应于光引导元件在该方向上的尺寸。在作为通道元件的实施例中，在绘图平面中照明角α＝arctan(P/H)由此可以几乎任意地减小。对于作为板条结构的实施例，垂直于绘图平面的照明角保持不受影响。对于作为蜂窝状元件的实施例，另外可想到垂直于绘图平面的照明角的类似限制。

Claims (16)

1.一种用于显微镜的入射照明设备，用于观察所述显微镜(10)中的样品(1)，具有用于所述样品(1)的入射照明的平面光源(100；200；300)，
其中所述平面光源(100；200；300)包括面板状光波导(110；210；310)和至少一个发光装置(120，122)，所述面板状光波导(110；210；310)具有下边界面(111)、上边界面(112)和至少一个侧面(113至116)，所述至少一个发光装置(120，122)布置为将光(130)通过用作光入射面的所述至少一个侧面发射进入所述面板状光波导(110；210；310)，使得由于全反射所述光在所述面板状光波导(110；210；310)中传播；
其中所述全反射以确定的方式被抵着接触面(A)邻接所述面板状光波导(110；210；310)的所述下边界面(111)的元件(140；440)中断，使得光的输出耦合在所述面板状光波导(110；210；310)的所述上边界面(112)发生；
其中用于在至少一个方向上限制照明角(α)的光引导元件(20)设置在所述上边界面(112)上，其中所述光引导元件(20)配备为板条结构、网状结构或蜂窝状结构，并且包括多个多边形或圆形光通道。
2.根据权利要求1所述的入射照明设备，其中所述接触面的平面面积(A)小于所述下边界面(111)的平面面积。
3.根据权利要求1或2所述的入射照明设备，其中所述至少一个发光装置(120，122)布置为将光(130)通过用作光入射面的所述至少一个侧面从至少两个不同的方向发射进入所述面板状光波导(110；210；310)，使得由于全反射所述光在所述面板状光波导(110；210；310)中传播。
4.根据权利要求1或2所述的入射照明设备，其中中断全反射的所述元件(140；440)引起在所述面板状光波导(110；210；310)中传播的所述光(130)在所述接触面处漫散射。
5.根据权利要求1或2所述的入射照明设备，其中中断全反射的所述元件(140；440)为不透明的，且所述元件(140；440)的在可见光谱区的反射率R为0.3≤R≤0.7或R≥0.7或R≥0.9。
6.根据权利要求1或2所述的入射照明设备，其中中断全反射的所述元件为涂布在所述下边界面(111)上的覆盖物(140)。
7.根据权利要求6所述的入射照明设备，其中所述中断全反射的所述元件为涂布的糊剂。
8.根据权利要求1或2所述的入射照明设备，其中中断全反射的所述元件为附接至所述下边界面(111)的薄膜(140)。
9.根据权利要求1或2所述的入射照明设备，其中中断全反射的所述元件(140；440)的光学折射率对应于或大于所述面板状光波导(110；210；310)的光学折射率。
10.根据权利要求1或2所述的入射照明设备，其中所述至少一个发光装置(120)为LED(122)或冷阴极管。
11.根据权利要求1或2所述的入射照明设备，其中用作光入射面的至少一个侧面与所述下边界面(111)和/或所述上边界面(112)之间的角小于或大于90°。
12.根据权利要求11所述的入射照明设备，其中用作光入射面的至少一个侧面与所述下边界面(111)和/或所述上边界面(112)之间的角小于85°或大于95°。
13.根据权利要求1或2所述的入射照明设备，其中用作光入射面的至少一个侧面至少部分地被粗糙化。
14.根据权利要求1或2所述的入射照明设备，其中所述面板状光波导的形状为棱柱(110；310)、截棱锥、圆柱(210)或截圆锥。
15.一种显微镜(10)，具有根据前述权利要求中任一项所述的入射照明设备，所述入射照明设备被配置用于所述样品(1)的入射照明。
16.根据权利要求1至14中任一项所述的入射照明设备的平面光源(100；200；300)用于显微镜中的入射照明的用途，用于观察所述显微镜(10)中的样品(1)。
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