DE10030772B4 - Auflichtbeleuchtung bei Mikroskopen mit einem um die optische Achse orientierten Ringträger zur Aufnahme von Beleuchtungsmitteln - Google Patents

Abstract

Auffichtbeleuchtung bei Mikroskopen, mit einem um die optische Achse des Mikroskops orientierten Ringträger zur Aufnahme von Beleuchtungsmitteln, wobei die Beleuchtungsmittel in mehreren konzentrischen Ringreihen im Ringträger befindliche lichtemittierende Halbleiterdioden (LED) mit kleinem Abstrahlwinkel sind und die Hauptstrahlrichtung der Halbleiterdioden zur optischen Achse hin gerichtet ist, die LEDs in den Ringreihen im wesentlichen gleiche seitliche Abstände untereinander aufweisen, und wobei die LEDs in Gruppen ansteuerbar und in der Helligkeit regelbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die LEDs in den Gruppen in Serie geschaltet sind, wobei jeder Gruppe eine steuerbare Konstantstromquelle zugeordnet ist, welche mit je einem Ausgang eines Digital/Analog Wandlers in Verbindung steht, weiterhin dem Digital/Analog-Wandler ein digitales Steuersignal zum Treiben der Konstantstromquellen zugeführt wird, wobei das digitale Steuersignal von einem Microcontroller bereitgestellt ist, die Konstantstromquellen Operationsverstärker umfassen, welche auf einen Analogeingang eines im Microcontroller integrierten oder diesem zugeordneten Analog/Digital-Wandlers zu Kompensationszwecken rückgekoppelt und die LED's Weißlichtdioden sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Auflichtbeleuchtung bei Mikroskopen mit einem um die optische Achse orientierten Ringträger zur Aufnahme von Beleuchtungsmitteln, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 3a
• Aus der DE 3906555 A1 sind Leuchmittel bekannt, die in Gruppen ansteuerbar und in der Helligkeit regelbar sind.
• Betrachtet man die Ausführungsform nach DE 39 06 55 A1 und die dortige Bedienung der Beleuchtungseinrichtung, so zeigen diese zunächst eine manuelle Ansteuerung. Diese greift auf ein Bedienpult zurück, wobei Drucktaster vorhanden sind, die entsprechend den Lichtquellen auf der Frontplatte der Bedieneinheit angeordnet werden. Über verschiedene Tasten soll eine Programmierung unterschiedlicher Beleuchtungseinstellungen möglich werden.
• Alternativ ist eine Ansteuerung und Regelung der Lichtquellen über eine Bildverarbeitungsanlage, d.h. eine separate Einrichtung beschrieben. Konkret ist mit der Bildverarbeitungsanlage über einen Datenbus ein Beleuchtungssteuerungs-Modul verbunden. Dieses besteht aus einem Projektionsmode-Speicher, in welchem die verschiedenen Parameter-Einstellungen für jede Beleuchtungseinstellung abgespeichert sind. Je nach Vorgabe durch die Bildverarbeitungsanlage werden diskrete digitalisierte Parameter aus diesem Speicher abgerufen und über einen Digital/Analog-Wandler an die Beleuchtungssteuer-Elektronik weitergegeben.
• Der ausgegebene analoge Wert des Wandlers entspricht dann der Größe des Stroms, welcher jeder einzelnen Lichtquelle bzw. jedem einzelnen Lichtmodulator, einzeln über ein Leitungskabel, zugeführt wird.
• Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 40 16 264 A1 ist ein Faseroptik-Ringlicht mit Fokussieroptik vorbekannt, welches insbesondere für mikroskopische Arbeitsplätze eingesetzt wird und wobei eine Vielzahl von jeweils einem Segment des Rings zugeordneten Fokussierungselementen vorgesehen ist und zur Schnittpunktveränderung der Teillichtbündel auf der optischen Achse die Fokussierungselemente und/oder die Enden von Lichtleitern radial verschiebbar gestaltet werden.
• Mit der in der DE 40 16 264 A1 vorgestellten Lösung soll eine Schnittpunktveränderung der Teillichtbündel bezogen auf die optische Achse möglich werden, wobei die Fokussierungselemente beispielsweise kurze Zylinderlinsen sind oder aber auch Kugellinsen zur Anwendung kommen.
• Die Konstruktion der radialen Verstellung der Fokussierungselemente ist jedoch außerordentlich aufwendig und unbefriedigend, wobei bedingt durch die Zuführung der Strahlungsenergie über Lichtleiter Verluste durch Streuung und im Lichtleiter material selbst innenwohnende Dämpfung nicht auszuschließen sind.
• Bei der Vorrichtung zur Auflichtbeleuchtung nach DE 28 52 203 A1 wird von symmetrisch um die optische Achse eines abbildenden optischen Elements in einem ringförmigen Bereich angeordneten Lichtleiterendflächen ausgegangen, wobei der die Lichtleiterendflächen enthaltende, zur optischen Achse symmetrisch liegende ringförmige Bereich lichtemittierend und in der hinteren Brennebene und innerhalb des Aperturkegels des abbildenden Elements angeordnet ist. Der die Lichtleiterendflächen enthaltende ringförmige Bereich besteht aus mehreren konzentrischen, ringförmigen Teilbereichen, wobei zur steuerbaren Änderung der Breite des ringförmigen Bereichs den einzelnen Teilbereichen und diesen zugeordneten Lichtleitereingangsgruppen einzeln oder in beliebigen Kombinationen Licht zugeführt werden kann. Zum Zwecke eines steuerbaren Übergangs von Dunkelfeldbeleuchtung in Hellfeldbeleuchtung ist der ringförmige Bereich in Richtung der optischen Achse verschiebbar ausgeführt. Mit der Lehre nach DE 28 52 203 A1 soll eine preiswerte, an praktisch jedem vorhandenen Mikroskop auch nachträglich ohne großen Aufwand anbringbare Dunkelfeldbeleuchtung geschaffen werden, bei der eine Störung der Abbildungsgüte des Mikroskops und ein Auftreten von Hellfeldkomponenten nicht stattfindet. Neben der Möglichkeit, das gesamte Gesichtsfeld des Mikroskopobektivs extrem gleichmäßig auszuleuchten, besteht die Möglichkeit, einzelne, z.B. diametral gegenüberliegende Teile des lichtemittierenden ringförmigen Bereichs anzusteuern, so daß eine Dunkelfeldbeleuchtung mit nur aus einer, zwei oder mehreren Richtungen einfallender Strahlung erzeugt wird.
• Konkret wird gemäß DE 28 52 203 A1 auf einen Kunststoffring zurückgegriffen, der mit einer entsprechenden Anzahl von ringförmig angeordneten Löchern versehen ist, in denen die einzelnen Lichtleiter befestigt werden. Die Lichtleiter sind in bestimmte Sektoren sowie in innere und äußere Ringsegmente unterteilt. Die Segmente können über geeignete, zu einer Gruppe zusammengefaßte Schalter in Verbindung mit einer Lichtquelle einzeln oder in Kombination angesteuert werden.
• Die Konstruktion aus einer Vielzahl von Lichtleitern oder Lichtleiterbündeln, die darüber hinaus einzeln angesteuert werden, ist relativ großbauend und schwer als einfacher Nachrüstbausatz oder Nachrüstbastgruppe zu gestalten.
• Von der Firma Optometron GmbH, München, sind SMT-LED-Beleuchtungen auch in Form von sogenannten Ringleuchten bekannt. Diese Ringleuchten können als Auflichtbeleuchtungsmittel eingesetzt werden, wobei die einzelnen lichtemittierenden Dioden auf steckbaren Leiterplatten angeordnet sind, um einen leichten Austausch defekter Elemente zu erreichen. Die Helligkeit solcher Ringleuchten kann von Hand oder über ein Vorschaltgerät geregelt werden.
• Es hat sich jedoch gezeigt, daß derartige Ringleuchten durch die eingesetzten Dioden mit einem Abstrahlwinkel im Bereich von 120° keine optimale Ausleuchtung insbesondere beim Mikroskopieren ermöglichen. Insofern fanden bisher die für die Bildverarbeitszwecke eingesetzten Ringleuchten keinen Eingang in die Mikroskopiertechnik bzw. wurden für Mikroskop-Arbeitsplätze nicht in Betracht gezogen.
• Die Aufgabenstellung der Erfindung liegt darin, eine weiterentwickelte Anordnung zur Auflichtbeleuchtung bei Mikroskopen nach Art eines Ringlichts zu schaffen, wobei dafür zu sorgen ist, daß die eingesetzten lichtemittierenden Dioden (LEDs) über reproduzierbare Strahlungseigenschaften verfügen und die Möglichkeit besteht, eine besonders einfache Bedienung zu schaffen, so daß der Nutzer ganz unterschiedliche Beleuchtungsvarianten, je nach zu untersuchendem Objekt wählen kann.
• Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Anordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit einem Verfahren nach der Lehre nach Patentanspruch 3. Der Unteransprüche stellt eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung dar.
• Erfindungsgemäß sind die LEDs in Gruppen in Serie geschaltet, wobei jeder Gruppe eine steuerbare Konstantstromquelle zugeordnet ist. Diese steuerbare Konstantstromquelle steht mit dem Ausgang eines Digital/Analog-Wandlers in Verbindung. Diesem Wandler wird ein digitales Steuersignal zum Treiben, d.h. Aktivieren der Konstantstromquellen zugeführt. Das digitale Steuersignal selbst wird von einem Microcontroller bereitgestellt. Die Konstantstromquellen umfassen Operationsverstärker, die auf einen Analogeingang eines im Microcontroller integrierten oder diesem zugeordneten Analog/Digital-Wandlers zu Kompensationszwecken rückgekoppelt sind. Durch die vorstehend beschriebenen Maßnahmen gelingt es, reproduzierbare Beleuchtungsverhältnisse zu schaffen, wobei die eigentliche Ansteuerung der LEDs als Leuchtmittel intern realisierbar ist, ohne daß weitere Vorrichtungen, wie z.B. ein übergeordneter Steuerrechner, Anwendung finden müssen. Damit ist die Anordnung auch ohne weiteres zum Nachrüsten geeignet.
• Sollte die Prüfungsstelle weitere Bedenken gegen die Patentfähigkeit hegen, dann wird höchst vorsorglich zur nochmaligen Erläuterung des Wesens der Erfindung im Vergleich zum entgegengehaltenen Stand der Technik um Anberaumung eines Termins für eine Anhörung ersucht.
• Dabei wird von einem an sich bekannten Ringträger ausgegangen der um die optische Achse des Mikroskops so positioniert wird, daß ein Objektträger mit Objekt ausreichend beleuchtet werden kann. Als Beleuchtungsmittel im Ringträger wird auf dort angeordnete lichtemittierende Halbleiterdioden (LED) zurückgegriffenen, wobei die Hauptstrahlrichtung der Halbleiterdioden zur optischen Achse des Systems hin gerichtet ist. Die Strahlcharakteristik der Dioden ist dabei wesentlich schmaler, als dies bei Dioden der Fall ist, die für Bildverarbeitungs-Ringleuchten eingesetzt werden.
• Durch die eingesetzten LEDs ist die Wärmeentwicklung im Bereich des Objekts bzw. des Objektträgers minimiert und ein günstiger Wirkungsgrad gegeben, wobei die Farbtemperatur im Vergleich zu herkömmlichen Halogenlampen höhere Werte aufweist. Weiterhin bleibt die Farbtemperatur aufgrund der Eigenschaften der LEDs im gesamten Helligkeitsbereich, d.h. auch bei einer Veränderung der Helligkeitswerte gleich.
• Bevorzugt sind im Ringträger mehrere konzentrische Ringreihen von Weißlicht-LEDs fixiert, wobei die LEDs in den Ringreihen im wesentlichen gleiche seitliche Abstände untereinander aufweisen.
• Die Längsachsen der LEDs der jeweiligen Ringreihe sind derart zum Mittelpunkt der Anordnung geneigt, daß diese sich in einem Punkt auf oder in der Nähe der Systemachse kreuzen.
• Die LEDs der Ringleuchte sind einzeln oder in Gruppen ansteuerbar und können darüber hinaus gruppenweise in der Helligkeit geregelt werden.
• Bevorzugt werden zum Betreiben an üblicherweise vorhandenen 24 V Gleichspannungsquellen sechs LEDs in Gruppen in Serie geschaltet, wobei jeder Gruppe eine steuerbare Konstantstromquelle zugeordnet ist, welche mit je einem Ausgang eines Digital-Analog-Wandlers in Verbindung steht.
• Dem Digital-Analog-Wandler wird ein digitales Steuersignal zum Betreiben der Konstantstromquellen und damit zur Helligkeitsregelung bzw. zur Ansteuerung der LEDs zugeführt.
• Über das Betreiben der LEDs mittels Konstantstrom ist eine gleichmäßige Leuchtdichte und eine hohe Lebensdauer gewährleistet, wobei mittels des Microcontrollers eine segmentweise Ansteuerung der LED-Gruppen in einfacher Weise möglich ist. Darüber hinaus kann dem Microcontroller über eine Schnittstelle ein externes Signal zur Funktionsauslösung und -steuerung zugeführt werden.
• Die eingesetzten Konstantstromquellen umfassen Operationsverstärker, welche auf einen Analogeingang eines im Microcontroller integrierten oder diesem zugeordneten Analog-Digital-Wandlers zu Kompensationszwecken rückgekoppelt sind.
• Die Ansteuerung von einzelnen LED-Segmenten dient der Kontraststeigerung, indem z.B. eine einseitige Beleuchtung durch Auswahl entsprechender Segmente gewählt wird. Die Segmentgröße wiederum ist variabel wählbar und es besteht die Möglichkeit, eine Ansteuerung quasi dynamisch nach Art eines Lauflichts zu realisieren. Nicht genutzte Segmente können zur Vermeidung von Schattenbildung mit einer geringeren Helligkeit betrieben respektive angesteuert werden. Die Segmentbeleuchtung ist insbesondere bei spiegelnden und/oder strukturierten zu untersuchenden Oberflächen von Vorteil.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Auflichtbeleuchtung unter Rückgriff auf die vorbeschriebene Anordnung erfolgt je nach Beleuchtungs-Aufgabenstellung eine Ansteuerung von einer oder mehreren LED-Gruppen bzw. -Segmenten, wobei die Helhigkeitswerte jeder Gruppe unterschiedlich, aber auch gleich vorgebbar sind. Über ein dynamisches Betreiben einzelner Segmente nacheinander durch eine entsprechend abgestimmte, Steuerung ist eine sich bewegende oder rotierende Lichtquelle nachbildbar. Hierfür kann zum Freihalten der Hände des Experimentators ein Bedienungsfußschalter vorgesehen sein, mit welchem die Steuerung betätigt bzw. ausgelöst wird.
• Alle zur Ansteuerung wesentlichen Elemente sind im Ringträger untergebracht bzw. dort integriert, wobei Bedienmittel ebenfalls am Ringträger befindlich sind. Die Bedienelemente ermöglichen ein Ein- und Ausschalten der Auflichtbeleuchtungs-Anordnung, eine Vorgabe von Helligkeitswerten sowie eine Auswahl von Segmenten bzw. eine Vorgabe von Segmentgrößen. Weiterhin ist am Ringträger bzw. Ringträgergehäuse eine Schnittstelle in Form geeigneter Steckverbinder vorgesehen, um ein externes, übergeordnetes Signal zur Funktionsauslösung und -steuerung zuzuführen.
• Durch die beschriebene Möglichkeit einer programmgesteuerten Rotation von Segmenten, Gruppen oder LED-Feldern kann eine sich verändernde Licht-Schattenbildung realisiert werden, was für bestimmte Anwendungsfälle in der Mikroskopiertechnik von Vorteil ist.
• Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
• Hierbei zeigen:
• 1 eine Draufsicht auf den Ringträger mit erkennbaren konzentrischen Ringreihen von Weißlicht-LEDs;
• 2 eine Schnittdarstellung des Ringträgers mit zur optischen Achse des Systems geneigten LEDs;
• 3 eine Draufsicht auf den Ringträger mit einzeln aktivierten LED-Gruppen bzw. -Segmenten; und
• 4 ein Blockschaltbild der Ansteuerelektronik.
• Die Anordnung gemäß Ausführungsbeispiel umfaßt einen Ringträger 1, welcher um die optische Achse 4 eines nicht gezeigten Mikroskops in der Nähe des Objektträgers bzw. des zu mikroskopierenden Objekts positioniert wird.
• Der Ringträger weist im Inneren eine Leiterplatte bzw. einen Verdrahtungsträger auf, der der mechanischen Befestigung und elektrischen Kontaktierung einer Vielzahl von lichtemittierenden Dioden 2 dient.
• Als lichtemittierende Dioden kommen vorzugsweise Weißlicht-Dioden mit einem relativ kleinen Abstrahlwinkel zum Einsatz. Zum Erreichen einer niedrigen Farbtemperatur im Bereich < 12000 Kelvin kann eine Diodenmischbestückung (Rot/Gelb/Orange und/oder Grün) vorgesehen sein.
• Im Gehäuseteil 3 des Ringträgers 1 ist eine Ansteuerelektronik befindlich, welche anhand der 4 noch näher beschrieben wird. Wie aus der 2 ersichtlich, sind die lichtemittierenden Dioden 2 so innerhalb des Ringträgers 1 befestigt, daß die Hauptstrahlrichtung der Dioden 2 zur optischen Achse 4 des Systems hin gerichtet respektive geneigt ist. Durch den Abstand. der konzentrischen Ringreihen 5 von LEDs 2 und den Neigungswinkel ergibt sich ein relativ breiter Fokusbereich mit entsprechend optimierten Beleuchtungseigenschaften.
• Beim gezeigten Beispiel sind zwei konzentrische Ringreihen 5 dargestellt, wobei auch mehrere Reihen je nach Mikroskopausbildung bzw. Beleuchtungsaufgabe denkbar sind. 3 illustriert die Ansteuerung von sechs ausgewählten LED-Gruppen bzw. Segmenten, wobei jedes Segment wiederum aus sechs benachbarten LEDs 2 besteht. Entsprechend der Grundverschaltung der LEDs 2 sind natürlich auch andere als die in der 3 gezeigten Segmente oder Gruppen 6 konfigurierbar.
• Gemäß Blockschaltbild nach 4 wird beim Ausführungsbeispiel von einer Reihenschaltung von jeweils sechs LEDs ausgegangen, wobei insgesamt zwölf Kanäle, d.h. zwölf LED-Gruppen gebildet werden. Jede Reihenschaltung 7 der LEDs 2 wird von einer steuerbaren Konstantstromquelle 8 getrieben. Die Eingänge der Konstantstromquellen 8 jedes Kanals liegen jeweils an einem Ausgang eines 8 Bit Digital-Analog-Wandlers 9. Die digitale Eingangsseite des Digital-Analog-Wandlers 9 steht mit einem Steuerausgang eines Microcontrollers 10 in Verbindung, welcher sowohl die Helligkeitssteuerung der LEDs 2 als auch eine Auswahl und Ansteuerung der Segmente bzw. Auswahl der Segmentgröße übernimmt. Hierfür sind entsprechende Bedien- und Stellmittel 11 vorhanden.
• Weiterhin kann der Microcontroller 10 über eine Schnittstelle 12 verfügen, mit deren Hilfe ein übergeordnetes Signal zur Funktionsauslösung und -steuerung zugeführt werden kann.
• Um einen Einsatz recht kostengünstiger Operationsverstärker für die Konstantstromquellen 8 zu ermöglichen, ist eine Rückkoppelschaltung zur Kompensation vorgesehen, die auf einen Analogeingang eines Analog-Digital-Wandlers 14 führt, der Bestandteil des Microcontrollers 10 ist oder eine externe Baugruppe darstellt.
• Mit Hilfe der vorgestellten Schaltung ist eine programmgesteuerte, einfache und intelligente Mikrgprozessor-Regelung je nach Beleuchtungsaufgabe möglich, wobei die Ansteuerung von einer oder mehreren LED-Gruppen realisierbar ist und unterschiedliche Helligkeitswerte je Gruppe vorgegeben werden können. Weiterhin besteht die Möglichkeit, ein dynamisches Betreiben einzelner Segmente nacheinander im Sinne einer rotierenden oder sich quasi bewegenden Lichtquelle vorzunehmen, wodurch sich aufgrund der Rotation der Segmente eine abwechselnde Licht-Schattenbildung ergibt.
• Alles in allem kann mit Hilfe der vorgestellten Anordnung in besonders einfacher und effektiver Weise eine Auflichtbeleuchtung für Mikroskope realisiert werden, wobei die Anordnung einfach zu bedienen ist und über eine geringe Baugröße, eine wesentlich höhere Lebensdauer der Beleuchtungsmittel im Vergleich zu bisherigen Einrichtungen und eine intelligentere Lichtsteuerung verfügt.

1

Ringträger

2

LED

3

Gehäuseteil

4

optische Achse

5

konzentrische Ringreihen

6

Segmente/Gruppen

7

Reihenschaltung der LED

8

Konstantstromquelle

9

Digital-Analog-Wandler

10

Microcontroller

11

Bedien- bzw. Stellmittel

12

Schnittstelle

13

Rückkopplungsschaltung

14

Analog-Digital-Wandler

Claims (3)

1. Auffichtbeleuchtung bei Mikroskopen, mit einem um die optische Achse des Mikroskops orientierten Ringträger zur Aufnahme von Beleuchtungsmitteln, wobei die Beleuchtungsmittel in mehreren konzentrischen Ringreihen im Ringträger befindliche lichtemittierende Halbleiterdioden (LED) mit kleinem Abstrahlwinkel sind und die Hauptstrahlrichtung der Halbleiterdioden zur optischen Achse hin gerichtet ist, die LEDs in den Ringreihen im wesentlichen gleiche seitliche Abstände untereinander aufweisen, und wobei die LEDs in Gruppen ansteuerbar und in der Helligkeit regelbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die LEDs in den Gruppen in Serie geschaltet sind, wobei jeder Gruppe eine steuerbare Konstantstromquelle zugeordnet ist, welche mit je einem Ausgang eines Digital/Analog Wandlers in Verbindung steht, weiterhin dem Digital/Analog-Wandler ein digitales Steuersignal zum Treiben der Konstantstromquellen zugeführt wird, wobei das digitale Steuersignal von einem Microcontroller bereitgestellt ist, die Konstantstromquellen Operationsverstärker umfassen, welche auf einen Analogeingang eines im Microcontroller integrierten oder diesem zugeordneten Analog/Digital-Wandlers zu Kompensationszwecken rückgekoppelt und die LED's Weißlichtdioden sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Microcontroller ein externes, übergeordnetes Signal zur Funktionsauslösung und -steuerung, einschließlich Helligkeitsvorgabe, über eine Schnittstelle zuführbar ist.
3. Verfahren zur Auflichtbeleuchtung mit einer Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß je nach Beleuchtungs-Aufgabenstellung eine Ansteuerung von einer oder mehreren LED-Gruppen erfolgt, wobei die Helligkeitswerte jeder Gruppe unterschiedlich vorgebbar sind und über ein dynamisches Betreiben eine sich quasi bewegende oder rotierende Lichtquelle nachbildbar ist sowie weiterhin zur Vermeidung von Schattenbildungen bei spiegelnden und/oder strukturierten Oberflächen nicht beleuchtungsseitig genutzte Gruppen mit geringer Helligkeit angesteuert werden.