DE10106032A1 - Vorrichtung und Verfahren zur homogenen Ausleuchtung einer kleinen Fläche mit der Ulbricht'schen Kugel - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur homogenen Ausleuchtung einer kleinen Fläche mit einer Ulbrichtschen Kugel, mit einer Mehrzahl von Lichtquellen, die in der Wand der Ulbrichtschen Kugel angeordnet sind, wobei mindestens zwei der in der Wand angeordneten Lichtquellen verschiedene spektrale Eigenschaften aufweisen, und wobei eine Lichtquellensteuervorrichtung vorgesehen ist, mit der die einzelnen Lichtquellen jeweils ansteuerbar sind. DOLLAR A Verfahren zur homogenen Ausleuchtung einer kleinen Fläche, bei dem eine Mehrzahl von in der Wand einer Ulbrichtschen Kugel angeordneten Lichtquellen verwendet wird, wobei die spektralen Eigenschaften der ausleuchtenden Strahlung jeweils über die gezielte Ansteuerung mindestens einer bestimmten Lichtquelle in einer vorgegebenen Weise variiert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur homoge­ nen Ausleuchtung einer kleinen Fläche mit einer Ulbricht'schen Kugel, mit einer Mehrzahl von Lichtquellen, die in der Wand der Ulbricht'schen Kugel angeordnet sind.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur homogenen Ausleuchtung einer kleiner Fläche, bei dem eine Mehr­ zahl von in der Wand einer Ulbricht'schen Kugel angeordneten Lichtquellen verwendet wird.

Für verschiedene Anwendungen, etwa in der Umweltdiagnostik und der Biotechnologie, ist es wichtig eine kleine Fläche homogen, d. h. über die gesamte Fläche mit gleichbleibender Intensität, auszuleuchten. Neben der homogenen Ausleuchtung kommt es häufig vor, dass gleichzeitig an die spektralen Eigenschaften der Be­ leuchtung besondere Anforderungen bzgl. der Wellenlänge und der spektralen Bandbreite gestellt werden.

Beispielsweise werden sogenannte Nanotiterplatten (NTPs), etwa 2 × 2 cm² große Probenträger mit etwa 600 pyramidenstumpfförmigen Vertiefungen zur Aufnahme von verschiedenen Probesubstanzen, mit einer Strahlung der Wellenlänge 635 nm beleuchtet, um ge­ zielt einen Farbstoff, mit dem die Proben dotiert wurden, zur Fluoreszenz anzuregen (M. Hessling, J. Ihlemann, D. Ebbecke and G. Marowsky, "Environmental Analysis by Laser-Induced Fluores­ cence Detection on Nano Titer Plates", Environmental Monitoring and Remediation technologies, Proceedings of SPIE Vol. 3534, p. 554-564, 1999). Aus der ortsaufgelösten Messung der Fluores­ zenzintensitäten der einzelnen Proben, kann man Rückschlüsse auf deren Analytkonzentrationen ziehen.

Außerdem kann es wünschenswert sein, die spektrale Zusammenset­ zung der Beleuchtung in kurzen Zeitabständen, d. h. in Bruchtei­ len von Sekunden zu verändern, etwa um in kurzer Zeit verschie­ dene Farbstoffe in einer Probesubstanz nacheinander zur Fluo­ reszenz anzuregen. Auch die Fluoreszenzanregung mehrerer Farb­ stoffe gleichzeitig kann wünschenswert sein.

Für die Fluoreszenzerzeugung müssen zunächst bestimmte innermo­ lekulare Energieniveaus besetzt werden, um anschließend eine Lichtemission zu erreichen. Dazu muss die Energie, d. h. die Wellenlänge der Beleuchtung genau mit einem möglichen molekula­ ren Übergang übereinstimmen. Durch die Änderung der Wellenlänge kann man so gezielt einzelne Farbstoffe zur Fluoreszenz anre­ gen.

Für die Detektion des Fluoreszenzlichtes kann es auch wün­ schenswert sein, vorausgesetzt die homogen beleuchtete Fläche ist optisch ganz oder stellenweise transparent, wechselweise oder gleichzeitig von oben in einer Draufsicht, dem sogenannten Epimodus und von unten im sogenannten Transmissionsmodus zu be­ obachten.

Eine gängige Methode zur homogenen Beleuchtung von Flächen mit optischer Strahlung ist der Einsatz von Lasern in Verbindung mit Homogenisatoren, etwa Linsenhomogenistoren oder Diffusern, etwa Streuscheiben oder diffraktive Elemente. Nachteilig ist dabei die zum Teil große Anzahl optischer Elemente, die den Aufbau sehr aufwendig macht.

Bekannt ist auch die Verwendung einer Ulbricht'schen Kugel zur Homogenisierung. Das ist eine Hohlkugel, in deren Innerem Licht sich durch diffuse Vielfachreflexion gleichmäßig über die ge­ samte Innenfläche verteilt. Dies kann dazu ausgenutzt werden, in einer Ebene außerhalb der Kugel eine homogene Ausleuchtung zu erreichen. Die Lichtquelle kann sich sowohl innerhalb als auch außerhalb der Kugel befinden. In diesem Fall gelangt das Licht durch eine Öffnung von außen in die Ulbricht'sche Kugel.

Dabei sind meist zur Lichteinkopplung zusätzliche optische Ele­ mente notwendig.

Problematisch ist die mangelnde Flexibilität der bekannten Ho­ mogenisatoren im Hinblick auf eine schnelle zeitliche Variation der spektralen Eigenschaften der Beleuchtung, etwa die abwech­ selnde Beleuchtung mit zwei verschiedenen Wellenlängen.

Hinreichend abstimmbare Laserlichtquellen sind sehr teuer und haben einen relativ großen Platzbedarf, der Einsatz von Strahl­ teilern und Filterädern bei nicht abstimmbaren Lichtquellen verkompliziert den Aufbau erheblich. Zudem ist ein Wellenlän­ genwechsel in Sekundenbruchteilen mit diesen Systemen kaum mög­ lich.

Aus der DE 44 28 188 C1 ist ein telezentrisches Beleuchtungs­ system bekannt, bei dem die Lichtquelle als Ulbricht'sche Ku­ gel ausgebildet ist. Die Kugel weist eine oder ein Vielfaches von vier LED's auf, die auf mindestens einer Kreisbahn an der Innenseite der Kugel angeordnet sind. Dadurch soll eine mög­ lichst gleichmäßige Beleuchtung erzeugt werden. Die homogene monochromatische Strahlung wird durch eine Blende in einen Tu­ bus ausgekoppelt, dem eine Fresnellinse vorgelagert ist. Die LEDs weisen plangeschliffene und mattierte Austrittsöffnungen auf, mit denen sie bündig zur Innenoberfläche der Kugel in der Wand angeordnet sind Zusätzlich ist ein Sensor mit einer Regel­ schaltung vorgesehen, mit dem Intensitätsschwankungen ausgegli­ chen werden können.

Nachteilig bei diesem System wirkt sich aus, dass die spektra­ len Eigenschaften, insbesondere die Wellenlänge und die Wellen­ längenbandbreite der Beleuchtung nicht veränderbar sind. Die­ ses System ist daher für Anwendungen, bei denen variable spekt­ rale Eigenschaften der Beleuchtung verlangt werden, nicht ge­ eignet.

Aus der DE OS 197 35 926 A1 ist eine Ulbricht'sche Kugel be­ kannt, die eine externe Lichtquelle und einen Detektor auf­ weist. Über den Detektor wird die Fluoreszenz einer Zellkultur gemessen, die sich in einer äquatorial in der Kugel angeordne­ ten Perfusionskammer befindet. Die externe Lichtquelle kann ein Laser sein, dem eine Optik vorgelagert ist.

Die Beleuchtung mit einem externen Laser erfordert eine aufwen­ dige Optik zur Einkopplung der Strahlung in die Ulbricht'sche Kugel. Eine schnelle Änderung der spektralen Eigenschaften ist nicht oder nur mit großem zusätzlichem Aufwand möglich.

Aus der EP 0 493 660 B1 ist ein Anomaloskop zur Untersuchung des menschlichen Farbsinns bekannt, bei dem zwei Ulbricht'sche Kugeln als Lichtquellen verwendet werden. Beide Kugeln stehen in einem 90°-Winkel zueinander. In den Kugeln können jeweils ei­ ne oder mehrere Lumineszenzdioden angeordnet sein. In den Kugeln wird jeweils ein Mischlicht mit unterschiedlichen spektralen Eigenschaften erzeugt.

Nachteilig wirkt sich bei der Vorrichtung aus, dass eine schnelle zeitliche Änderung der spektralen Eigenschaften nicht möglich ist. Für die homogene Ausleuchtung einer Ebene ist die Vorrichtung nicht ohne weiteres geeignet. Die Verwendung von mehreren Ulbricht'schen Kugeln ist zudem sehr aufwendig und kostenintensiv.

Aus der US 5 268 749 ist eine Vorrichtung zur homogenen Aus­ leuchtung einer Ebene bekannt, bei der eine Lichtquelle einer kugelförmigen Kammer mit einer diffus reflektierenden Innen­ wandbeschichtung vorgelagert ist. Die Lichtquelle, etwa eine Gasentladungslampe oder eine LED ist austauschbar, um die spektralen Eigenschaften der Beleuchtung zu verändern.

Nachteilig wirkt sich hier der hohe zeitliche Aufwand für den Austausch der Lichtquellen aus, der eine schnelle zeitliche spektrale Variation der Beleuchtung nicht ermöglicht.

Aus der JP 07212537 A ist eine Lichtquelle zu Erzeugung eines rot-blau-grünen Standardmischlichts bekannt, die eine kugelför­ mige Kammer mit mehreren verschiedenfarbigen LED's verwendet. Über ein Faserbündel wird das erzeugte Mischlicht ausgekoppelt.

Das erzeugte Mischlicht dieser Vorrichtung kann in seinen spektralen Eigenschaften bezüglich Wellenlänge und Bandbreite nicht variiert werden, insbesondere ist eine schnelle Änderung der spektralen Eigenschaften nicht möglich. Zudem ist eine ho­ mogene Ausleuchtung einer Fläche mit der Vorrichtung nicht ohne weiteres möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine mit ein­ fachen Mitteln herzustellende kompakte Vorrichtung zur homoge­ nen Ausleuchtung einer Fläche zu schaffen, bei der eine schnel­ le Änderung der spektralen Eigenschaften der Beleuchtung mög­ lich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass mindestens zwei der in der Wand angeordneten Lichtquellen verschiedene spektrale Eigenschaften aufweisen, und dass eine Lichtquellensteuervor­ richtung vorgesehen ist, mit der die einzelnen Lichtquellen je­ weils ansteuerbar sind.

Dadurch, dass die Lichtquellen in der Kugelwand eingebaut sind, sind keine weiteren optischen Komponenten, insbesondere keine Strahlformungsoptiken nötig, die Anordnung kann daher sehr kom­ pakt gebaut und preisgünstig hergestellt werden. Mit den ver­ schiedenen spektralen Eigenschaften der einzelnen Lichtquellen kann eine homogene Ausleuchtung mit weitgehend frei wählbarer spektraler Charakteristik erreicht werden. Diese spektrale Cha­ rakteristik lässt sich innerhalb von Bruchteilen von Sekunden über die Ansteuerung der jeweiligen Lichtquelle, völlig ohne mechanische Bewegungen, ändern.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die ausleuchtbare Fläche als Probenträger ausgebildet. Der Probenträger kann eine Nanotiterplatte sein, die auch aus einem optisch ganz oder stellenweise transparenten Material herge­ stellt sein kann.

Ein Probenträger kann direkt an einer unteren Öffnung der Ul­ bricht'schen Kugel angeordnet sein. Als Nanotiterplatte mit einer Vielzahl von pyramidenstumpfförmigen Vertiefungen eignet sich der Probenträger hervorragend zur Untersuchung einer Viel­ zahl unterschiedlicher Probesubstanzen, die auf eine variieren­ de Beleuchtung unterschiedlich reagieren können. Durch einen Probenträger mit optisch transparenter Beschaffenheit eröffnet sich die Möglichkeit der Beobachtung von unten, also in einem Transmissionsmodus. Mit einem hohen Durchlasskoeffizienten wer­ den dabei die Intensitätsverluste minimiert.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Ulbricht'sche Kugel diametral zu der unteren Öffnung eine obere Öffnung auf, der ein externer Detektor vorgelagert sein kann. Zur Beobachtung im Transmissionsmodus kann der aus­ leuchtbaren Fläche auf der der Kugel abgewandten Seite eben­ falls ein Detektor vorgelagert sein.

Die Detektoren von oben und falls gewünscht auch von unten er­ möglichen die Beobachtung einer oder vieler Probesubstanzen. Die Reaktion, insbesondere die Emission von Fluoreszenzlicht der beobachteten Substanzen, kann mit entsprechenden Detektoren detailliert erfasst, gespeichert und einer computergestützten Analyse zugeleitet werden.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann über die Lichtquellensteuerung die Strahlungsintensität der einzelnen Lichtquellen geändert werden.

Je nach Art der Untersuchung, kann es erforderlich sein, Probe­ substanzen mit einer definierten Intensität zu bestrahlen. Mit der Intensitätssteuerung kann diesem Erfordernis optimal ent­ sprochen werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Innenwand der Ulbricht'schen Kugel mit einer diffus re­ flektierenden Oberflächenbeschichtung versehen. Es ist auch möglich, dass die Innenwand selbst aus einem diffus reflektie­ renden Material geschaffen ist. Dieses Wandmaterial kann auch optisch transparente Eigenschaften aufweisen.

Eine homogene Ausleuchtung wird am besten durch die Vielfachre­ flexion der emittierten Strahlung an einer diffus reflektieren­ den sphäroidischen Oberfläche erreicht. Besteht die Innenwand der Kugel selbst aus einem solchen Material, ist eine zusätzli­ che Beschichtung nicht erforderlich. Ein transparentes Material erlaubt die vollständige Integration der Lichtquellen in der Kugelwand. Dadurch wird das Licht schon beim Eintritt in die Ulbricht'sche Kugel gestreut und verbessert die Homogenität der Beleuchtung.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung emittiert eine oder mehrere der Lichtquellen in einem schmal­ bandigen Spektralbereich. Ebenso können breitbandige Lichtquel­ len verwendet werden.

In der Spektroskopie spielt die Bandbreite, d. h. der Wellenlän­ genbereich einer Lichtquelle eine große Rolle. Schmalbandige Lichtquellen emittieren oft nur in einem Bereich von Bruchtei­ len eines Nanometers. Dadurch ist es möglich, gezielt einzelne molekulare Übergänge einer Substanz anzuregen, um bestimmte In­ formationen über deren Beschaffenheit, aus dem erzeugten Fluo­ reszenzlicht zu extrahieren. Breitbandige Lichtquellen regen hingegen eine Vielzahl von Übergängen gleichzeitig an, sind aber in der Regel weniger aufwendig herzustellen und damit kos­ tengünstiger. Sie bieten sich daher an, wenn die Anregung ein­ zelner molekularer Übergänge nicht erforderlich ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Oberfläche der Innenwand der Ulbricht'schen Kugel über einen großen Spektralbereich einen hohen Reflexionskoeffi­ zienten auf.

Ein großer Spektralbereich der Reflexion ermöglich die Verwen­ dung von Lichtquellen aus einem ebenso großen Spektralbereich. Dadurch werden die Anwendungsmöglichkeiten bzgl. der Untersu­ chung und Bestrahlung von Probesubstanzen erhöht.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindesten eine der Lichtquellen als Elektrolumineszenzdiode ausgebildet. Auch die Verwendung von Laserdioden ist möglich.

Elektrolumineszenzdioden, sogenannte LEDs (Light Emitting Dio­ de) geben ihre quasi monochromatische Strahlung im sichtbaren Bereich von 380 nm bis 780 nm ab. Ihre spektrale Bandbreite liegt je nach Typ im Bereich von 10 nm bis 50 nm. Sie haben ei­ ne hohe Lebensdauer, sind kostengünstig und kompakt, und schaltkreiskompatibel. Daher sind sie hervorragend für den Ein­ bau in Ulbricht'sche Kugeln und für eine gezielte Ansteuerung geeignet. Laserdioden lassen sich ebenso gut ansteuern wie LEDs. Ihr Licht ist jedoch wesentlich schmalbandiger und hat eine höhere spektrale Leistungsdichte. Daher bietet sich ihre Verwendung besonders dann an, wenn die optische Anregung ein­ zelner molekularer Übergänge einer Probesubstanz gefragt ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist mindestens eine der in der Wand der Ulbricht'schen Kugel angeordneten Lichtquellen eine mechanisch durchgehende Öffnung zum Kugelinneren auf. Es ist aber auch möglich, dass mindestens eine Lichtquelle keine durchgehende Öffnung zum Kugelinneren aufweist. Den Lichtquellen können optische Filter oder Linsen vorgelagert sein. Die Lichtquellen selbst oder ihre vorgelager­ ten optischen Elemente können mit der Innenwand der Kugel bün­ dig abschließend angeordnet sein.

Durchgehende Öffnungen zum Innenraum ermöglichen die Verwendung von nicht transparenten Wandmaterialien der Ulbricht'schen Ku­ gel. Bei optisch transparenter Wandbeschaffenheit können die Lichtquellen komplett in die Wand integriert sein, was sich für die Homogenisierung der Abstrahlung günstig auswirkt und die Lichtquelle zusätzlich schützt. Weiterhin bleibt bei einem Aus­ tausch einer Lichtquelle die keinen mechanischen Durchgang zum Kugelinneren aufweist, die Kugel vollkommen geschlossen. Da­ durch können insbesondere Beeinträchtigungen der reflektieren­ den Eigenschaften der empfindlichen Innenwände der Kugel durch Verschmutzungen verhindert werden. Grundsätzlich ist es auch möglich, nachträglich weitere nicht durchgehende Bohrungen von außen anzubringen, um zusätzliche Lichtquellen einzufügen.

Optische Filter bieten die Möglichkeit die spektralen Eigen­ schaften der Abstrahlung weiter zu spezifizieren. Linsen können den abgestrahlten Lichtkegel weiter aufweiten und den Öffnungs­ winkel beeinflussen, was sich wiederum günstig auf die Homoge­ nisierung auswirkt. Aufgrund ihrer asymmetrischen Abstrahlung ist dies besonders bei Laserdioden sinnvoll. Auch ein bündiger Abschluss der Lichtquelle oder seiner vorgelagerten Bauteile mit der Innenwand der Kugel wirkt sich günstig auf eine Opti­ mierung der Homogenisierung der Beleuchtung aus.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist mindestens ein Detektor eine zeitauflösende Nachweisvor­ richtung auf. Ortsauflösende und wellenlängenauflösende Nach­ weisvorrichtungen können auch vorgesehen sein.

Ein zeitauflösender Detektor ermöglicht die Erfassung von zeit­ lich sich ändernden Fluoreszenzsignalen der Probesubstanzen. Bei einer Vielzahl von verschiedenen Substanzen auf dem Proben­ träger erlaubt eine ortsauflösender Detektor deren Unterschei­ dung bei der Beobachtung. Ein wellenlängenselektiver Detektor kann gezielt bestimmte Ausschnitte des Fluoreszenzlichtes einer Probe zur Analyse verwerten.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind an der Ulbricht'schen Kugel Bohrungen zur Einkopplung ex­ terner Lichtquellen vorgesehen.

Durch diese Öffnungen wird die Option geschaffen auch externe Lichtquellen zur Einkopplung in die Ulbricht'sche Kugel ver­ wenden zu können, wodurch deren Verwendbarkeit noch universel­ ler gestaltet wird.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Öffnungen der Ulbricht'schen Kugel mit transparenten Fenstern verschließbar.

Transparente Fenster können ohne große Intensitätsverluste ver­ wendet werden, um das Kugelinnere vor Verschmutzungen und Be­ schädigungen zu schützen.

Die bekannten Verfahren zur homogenen Ausleuchtung einer Fläche haben den Nachteil, dass sie unflexibel im Hinblick auf die spektralen Eigenschaften der Beleuchtung sind.

Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die bekannten Verfahren so zu verbessern, dass mit geringem Aufwand eine schnelle Variierung der spektralen Eigenschaften der Be­ leuchtung durchführbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbeg­ riff des Anspruchs 28 dadurch gelöst, dadurch gekennzeichnet, dass die spektralen Eigenschaften der ausleuchtenden Strahlung jeweils über die gezielte Ansteuerung mindestens einer bestimm­ ten Lichtquelle in einer vorgegebenen Weise variiert werden.

Bei vielen Anwendungen in der Analytik und der Präparierung von Probesubstanzen ist eine Bestrahlung mit verschiedenen spektra­ len Eigenschaften notwendig, um die Reaktionen der Proben auf diese Bestrahlung zu detektieren. Daraus können Rückschlüsse auf Zusammensetzung und Veränderung der zu untersuchenden Sub­ stanzen geschlossen werden. Durch die einzelne Ansteuerung ei­ ner bestimmten Lichtquelle, wird die homogene Ausleuchtung ei­ nes Probenträgers innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde an die Erfordernisse eines vorgegebenen Messprogramms angepasst. Insbesondere bei umfangreichen Messprogrammen, bei denen eine Reihenuntersuchung von Tausenden von Probesubstanzen erfolgt, wird die Wirtschaftlichkeit entscheidend verbessert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden einen Mehrzahl von Probesubstanzen, die auf einer Nanoti­ terplatte aufgebracht sind, zeitlich veränderlich homogen beleuchtet.

Durch die gleichzeitige Bestrahlung einer Vielzahl von Proben mit der homogenen, d. h. exakt für alle Proben gleichen Strah­ lung, wird eine sehr gute Vergleichbarkeit der Ergebnisse her­ gestellt. Durch die Änderung der Bestrahlung kann man besonders effektiv unterschiedliche Inhaltsstoffe der einzelnen Proben gezielt nachweisen, oder auch Analytkonzentrationen bestimmen.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Probesubstanzen von oben im Epimodus oder von unten im Transmissionsmodus beobachtet. Auch die gleichzeitige Beo­ bachtung von oben und unten ist möglich. Die Detektion, d. h. die Beobachtung der beleuchteten Fläche, und ggf. des erzeugten Fluoreszenzlichtes kann mit speziellen Detektoren, etwa CCD- Kameras ortsaufgelöst, zeitaufgelöst, oder wellenlängenselektiv erfolgen.

Je nach Ausführung des Probenträgers, etwa bei den pyramiden­ stumpfförmigen Kavitäten von Nanotiterplatten, können bei der Beobachtung der Proben von oben und unten unterschiedliche Ef­ fekte detektiert werden. Die Kavitätswände können beispielswei­ se mit markierten Antikörpern belegt sein. Während der eine De­ tektor nur die Fluoreszenz im Volumen betrachtet, sieht der an­ dere Detektor auch auf die Wände, die aufgrund ihrer Belegung andere spezifische Fluoreszenzsignale emittieren können.

Für die gleichzeitige Beobachtung von oben und unten können grundsätzlich auch beide Detektoren in unterschiedlichen Modi verwendet werden. Bei einem zeitauflösenden Modus sind die Än­ derungen der Reaktionen der Proben auf eine Bestrahlung gut zu verfolgen. Bei einer wellenlängenselektiven Beobachtung kann Anregungslicht und Fluoreszenzlicht einfach unterschieden wer­ den. Dies wirkt sich besonders günstig bei schwachen Messsigna­ len aus.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nach­ folgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeich­ nungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise veranschaulicht sind.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung im Schnitt einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 2 eine schematische Darstellung im Schnitt einer weite­ ren Vorrichtung mit einem zweiten Detektor.

Eine Vorrichtung zur homogenen Ausleuchtung einer kleinen Flä­ che 2 besteht im wesentlichen aus einer Ulbricht'schen Kugel 1, einer Mehrzahl von Lichtquellen 3, 4, 5, die in der Wand 14 der Kugel 1 angeordnet sind, und einer Lichtquellensteuerung 6.

Die Ulbricht'sche Kugel 1 ist eine Hohlkugel, deren Innenober­ fläche 12 diffus hochreflektierend ausgebildet sind. Die Wand 14 der Kugel 1 besteht dabei vorteilhaft aus einem optisch transparenten diffus reflektierenden Material. Zur einfacheren Handhabung ist die Kugel 1 nach unten hin abgeflacht. In einer unteren Öffnung 15 ist eine zu beleuchtende Fläche 2, vorteil­ haft als transparenter Probenhalter ausgebildet und für die Aufnahme von zu untersuchenden (nicht dargestellten) Probesub­ stanzen vorgesehen, eingepasst. Der Kugeldurchmesser ist dabei konstruktiv deutlich größer als der Durchmesser der zu beleuch­ tenden Fläche 2 ausgelegt. Generell ist die Konstruktion der Ulbricht'schen Kugel 1 derart ausgeführt, dass die gesamte Querschnittsfläche aller Öffnungen wesentlich kleiner als die gesamte Oberfläche der Kugel 1 ist.

Ein (nicht dargestelltes) Fenster, das der zu beleuchtenden Fläche 2 zum Kugelinneren hin vorgelagert ist, versiegelt die Kugel 1 zum Schutz vor Verschmutzungen. In der Wand 14 sind Bohrungen zur Aufnahme der Lichtquellen 3, 4, 5 angeordnet. Die Lichtquellen 3, 4, 5 verfügen über verschiedene spektrale Ei­ genschaften und weisen vorteilhaft insbesondere verschiedene Emissionswellenlängen auf. Die Lichtquelle 3 verfügt über eine durchgehende mechanische Öffnung 13 zum Kugelinneren. Dabei ist die Lichtquelle 3 vorteilhaft als LED mit einem relativ großen Öffnungswinkel zwischen 5 bis 50° ausgebildet. Der Lichtquelle 4 ist ein optisches Element 11 vorgelagert. Vorteilhaft ist dieses Element 11 als optischer Filter mit vorgegebener spekt­ raler Transmission ausgebildet. Eine weitere Lichtquelle 5 ist vollständig in die transparente Wand 14 integriert. Diese Lichtquelle 5 ist vorteilhaft als Laserdiode ausgebildet, deren asymmetrische Abstrahlung durch das Wandmaterial bereits vorho­ mogenisierbar ist. Grundsätzlich können bei der Verwendung ei­ nes transparenten Wandmaterials alle Lichtquellen 3, 4, 5 voll­ ständig in die Wand 14 der Kugel 1 integriert sein.

Die Kugel weist eine obere Öffnung 7 auf, der ein Detektor 8, vorteilhaft als ortsauflösende CCD-Kamera ausgebildet, vorge­ lagert ist. Der Detektor 8 ist mit einer (nicht dargestellten) Auswerteeinrichtung zur Weiterverarbeitung der Messsignale ver­ bunden. Die Öffnung 7 ist zum Schutz des Kugelinneren mit einem Fenster 10 versiegelt. Grundsätzlich können alle Öffnungen mit transparenten Fenstern versiegelt sein. Die Lichtquellen 3, 4, 5 sind mit einer Lichtquellensteuerung 6, die vorteilhaft als PC mit einer schnellen Steuerelektronik ausgebildet ist, elekt­ ronisch verbunden und von dieser einzeln ansteuerbar. Der De­ tektor 8 erlaubt die Beobachtung der zu beleuchtenden Fläche 2 bzw. des leuchtenden Objekts senkrecht von oben, d. h. im soge­ nannten Epimodus.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist auf der der Kugel abgewandten Seite ein zweiter Detektor 9 vorgelagert, der die zu beleuchtende Fläche 2, bzw. den transparenten Pro­ benhalter senkrecht von unten in einem Transmissionsmodus beo­ bachten kann. Mit den Detektoren 8 und 9 zusammen ist eine gleichzeitige Beobachtung der Fläche 2 von oben und unten mög­ lich. Grundsätzlich ist die gleichzeitige Beobachtung von unten und oben auch möglich, wenn die Ulbricht'sche Kugel nur eine Lichtquelle aufweist.

Ein Verfahren zur homogenen Ausleuchtung einer kleinen Fläche 2 beruht im wesentlichen auf der gezielten Ansteuerung einzelner Lichtquellen 3, 4, 5 einer Ulbricht'schen Kugel 1, bei der die spektralen Eigenschaften der Beleuchtung in vorgegebener Weise variiert werden.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens sind auf einer Nanoti­ terplatte ca. 600 Proben eines Stoffen mit verschiedenen um­ weltgefährdenden Inhaltsstoffen aufgebracht. Die aufzuspürenden Substanzen sind jeweils chemisch mit verschiedenen Farbstoffen markiert. Jeder Farbstoff reagiert bei Einstrahlung einer auf den jeweiligen Farbstoff abgestimmtem Wellenlänge mit der Aus­ sendung von für den jeweiligen Stoff charakteristischem Fluo­ reszenzlicht.

Die gewünschte spektrale Charakteristik lässt sich durch eine Lichtquelle oder auch durch die Kombination von Lichtquellen erzielen.

Mit zwei oder mehreren Lichtquellen können verschiedene Farb­ stoffe gleichzeitig angeregt werden.

Besonders vorteilhaft ist die an sich bekannte Methode der la­ serinduzierten Fluoreszenz, kurz LIF, bei der als Lichtquelle schmalbandiges Laserlicht verwendet wird. Über die schnelle Lichtquellensteuerung 6 und die einzelnen Lichtquellen 3, 4, 5 mit verschiedenen Emissionswellenlängen wird nun systematisch die Wellenlänge der homogenen Ausleuchtung entsprechend den einzelnen Farbstoffen geändert.

Mit den Detektoren 8, 9 wird dabei ortsaufgelöst jeweils die Fluoreszenz jeder einzelnen Probe nachgewiesen. In kurzer Zeit erhält man dann für alle 600 Proben, d. h. für jede einzelne Probe die jeweiligen Konzentrationen des jeweiligen umweltge­ fährdenden Inhaltsstoffes.

Claims (34)

1. Vorrichtung zur homogenen Ausleuchtung einer kleinen Fläche (2) mit einer Ulbricht'schen Kugel (1), mit einer Mehrzahl von Lichtquellen (3, 4, 5), die in der Wand (14) der Ulbricht'­ schen Kugel (1) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der in der Wand (14) angeordneten Lichtquellen (3, 4, 5) verschiedene spektrale Eigenschaften aufweisen, und dass eine Lichtquellensteuervorrichtung (6) vorgesehen ist, mit der die einzelnen Lichtquellen (3, 4, 5) jeweils ansteuerbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ausleuchtbare Fläche (2) als Probenträger ausgebildet ist, welcher einer unteren Öffnung (15) der Ulbricht'schen Kugel (1) vorgelagert ist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Probenträger als Nanotiterplatte mit einer Mehrzahl von pyramidenstumpfförmigen Vertiefungen zur Aufnahme einer Mehrzahl von Probesubstanzen, ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Probenträger aus einem mindestens stellen­ weise optisch transparenten Material mit einem hohen Durchlass­ koeffizienten ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Ulbricht'sche Kugel (1) eine obere Öff­ nung (7) aufweist, die diametral zu der unteren Öffnung (15) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der oberen Öffnung (7) der Ulbricht'schen Kugel (1), in einer senkrechten Beobachtungsrichtung von oben zu der ausleuchtbaren Fläche (2) hin, ein Detektor (8) vorgela­ gert ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Ulbricht'schen Kugel (1) zur Beobach­ tung der ausleuchtbaren Fläche (2) in einer senkrechten Beo­ bachtungsrichtung von unten, auf der der Kugel abgewandten Sei­ te, ein Detektor (9) vorgelagert ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass über die Lichtquellensteuervorrichtung (6) die Strahlungsintensität der einzelnen Lichtquellen (3, 4, 5) variierbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Innenoberfläche (12) der Ulbricht'schen Kugel (1) mit einer diffus reflektierenden Oberflächenbeschich­ tung versehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Wand (14) der Ulbricht'schen Kugel (1) vollständig aus einem diffus reflektierenden Material ausgebil­ det ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (14) der Ulbricht'schen Kugel (1) vollständig aus ei­ nem diffus reflektierenden, optisch transparenten Material aus­ gebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mindestens eine Lichtquelle (3, 4, 5) in ei­ nem schmalbandigen Spektralbereich emittiert.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mindestens eine Lichtquelle (3, 4, 5) in ei­ nem breitbandigen Spektralbereich emittiert.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Innenoberfläche (12) der Wand (14) der Ulbricht'schen Kugel (1) über einen großen Spektralbereich ei­ nen hohen Reflexionskoeffizienten ausweist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mindestens eine der Lichtquellen (3, 4, 5) als Elektrolumineszenzdiode ausgebildet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mindestens eine der Lichtquellen (3, 4, 5) als Laserdiode ausgebildet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mindestens eine der in der Wand (14) der Ul­ bricht'schen Kugel (1) angeordneten Lichtquellen (3, 4, 5) ei­ ne mechanisch durchgehende Öffnung (13) zum Kugelinneren auf­ weist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der in der Wand (14) der Ulbricht'schen Kugel (1) angeordneten Lichtquellen (3, 4, 5) keine mechanisch durch­ gehende Öffnung zum Kugelinneren aufweist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mindestens einer der in der Wand (14) der Ulbricht'schen Kugel (1) angeordneten Lichtquellen (3, 4, 5) ein optischer Filter (11) vorgelagert ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mindestens einer der in der Wand (14) der Ulbricht'schen Kugel (1) angeordneten Lichtquellen (3, 4, 5) eine optische Linse vorgelagert ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die in der Wand (14) der Ulbricht'schen Ku­ gel (1) angeordneten Lichtquellen (3, 4, 5) bündig mit der In­ nenoberfläche (12) abschließend angeordnet sind.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die, den Lichtquellen (3, 4, 5) vorgelager­ ten Optiken jeweils bündig mit der Innenoberfläche (12)der Wand (14) abschließend angeordnet sind.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mindestens ein Detektor (8, 9) eine zeitauf­ lösende Nachweisvorrichtung aufweist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mindestens ein Detektor (8, 9) eine ortsauf­ lösende Nachweisvorrichtung aufweist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mindestens ein Detektor (8, 9) eine wellen­ längenauflösende Nachweisvorrichtung aufweist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Ulbricht'sche Kugel (1) Bohrungen zur Einkopplung externer Lichtquellen aufweist.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mindestens eine Öffnung (7, 15) der Ul­ bricht'schen Kugel (1) mit einem transparenten Fenster (10) verschließbar ist.

28. Verfahren zur homogenen Ausleuchtung einer kleiner Fläche (2), bei dem eine Mehrzahl von in der Wand (14) einer Ulbricht'­ schen Kugel (1) angeordneten Lichtquellen (3, 4, 5) verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die spektralen Eigenschaften der ausleuchtenden Strahlung jeweils über die gezielte Ansteue­ rung mindestens einer bestimmten Lichtquelle (3, 4, 5) in einer vorgegebenen Weise variiert werden.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Probesubstanzen, die auf einen als Nanoti­ terplatte ausgebildeten Probenträger aufgebracht sind, der zeitlich veränderlichen homogen ausleuchtenden Strahlung ausge­ setzt wird.

30. Verfahren nach den Ansprüchen 28 oder 29, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die homogen ausgeleuchteten Probesubstanzen in einer senkrechten Beobachtungsrichtung von oben mit einem De­ tektor (8) beobachtet werden.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die homogen ausgeleuchteten Probesubstanzen in einer senkrechten Beobachtungsrichtung von unten, auf der der Kugel abgewandten Seite mit einem Detektor (9) beobachtet werden.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mindestens ein Detektor (8, 9) in einem ortsauflösenden Modus betrieben wird.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 32, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mindestens ein Detektor (8, 9) in einem zeitauflösenden Modus betrieben wird.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 33, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mindestens ein Detektor (8, 9) in einem wel­ lenlängenselektiven Modus betrieben wird.