DE10106032B4 - Vorrichtung zur homogenen Ausleuchtung einer kleinen Fläche mit einer Ulbricht'schen Kugel - Google Patents

Vorrichtung zur homogenen Ausleuchtung einer kleinen Fläche mit einer Ulbricht'schen Kugel Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur homogenen Ausleuchtung einer kleinen Fläche (2) mit einer Ulbricht'schen Kugel zur spektroskopischen Untersuchung einer Mehrzahl von auf einem Probenträger angeordneten Proben mit mindestens zwei in der Wand der Ulbricht'schen Kugel (1) angeordneten Lichtquellen (3, 4, 5), die unterschiedliche spektrale Eigenschaften aufweisen, und die mit einer Lichtquellensteuervorrichtung (6) einzeln ansteuerbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine gewünschte spektrale Charakteristik durch die Kombination von mindestens zwei Lichtquellen (3, 4, 5) erzielbar ist, die von der Lichtquellensteuervorrichtung (6) ansteuerbar sind, und
dass der Ulbricht'schen Kugel (1) mindestens ein bildgebender Detektor (8, 9) vorgelagert ist, mit Hilfe dessen die auf dem Probenträger mit den Proben ausgeleuchtete Fläche (2) mindestens ortsaufgelöst detektierbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur homogenen Ausleuchtung einer kleinen Fläche mit einer Ulbricht'schen Kugel zur spektroskopischen Untersuchung einer Mehrzahl von auf einem Probenträger angeordneten Proben mit mindestens zwei in der wand der Ulbricht'schen Kugel angeordneten Lichtquellen, die unterschiedliche spektrale Eigenschaften aufweisen, und die mit einer Lichtquellensteuervorrichtung einzeln ansteuerbar sind,
  • Für verschiedene Anwendungen, etwa in der Umweltdiagnostik und der Biotechnologie, ist es wichtig eine kleine Fläche homogen, d.h. über die gesamte Fläche mit gleich bleibender Intensität, auszuleuchten. Neben der homogenen Ausleuchtung kommt es häufig vor, dass gleichzeitig an die spektralen Eigenschaften der Beleuchtung besondere Anforderungen bzgl. der Wellenlänge und der spektralen Bandbreite gestellt werden.
  • Beispielsweise werden so genannte 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 gezielt 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 Fluorescence Detection on Nano Titer Plates", Environmental Monitoring and Remediation technologies, Proceedings of SPIE vol. 3534, p. 554-564, 1999). Aus der ortsaufgelösten Messung der Fluoreszenzintensitäten der einzelnen Proben, kann man Rückschlüsse auf deren Analytkonzentrationen ziehen.
  • Außerdem kann es wünschenswert sein, die spektrale Zusammensetzung der Beleuchtung in kurzen Zeitabständen, d.h. in Bruchteilen von Sekunden zu verändern, etwa um in kurzer Zeit verschiedene Farbstoffe in einer Probesubstanz nacheinander zur Fluoreszenz anzuregen. Auch die Fluoreszenzanregung mehrerer Farbstoffe gleichzeitig kann wünschenswert sein.
  • Für die Fluoreszenzerzeugung müssen zunächst bestimmte innermolekulare Energieniveaus besetzt werden, um anschließend eine Lichtemission zu erreichen. Dazu muss die Energie, d.h. die Wellenlänge der Beleuchtung genau mit einem möglichen molekularen Übergang übereinstimmen. Durch die Änderung der Wellenlänge kann man so gezielt einzelne Farbstoffe zur Fluoreszenz anregen.
  • Für die Detektion des Fluoreszenzlichtes kann es auch wünschenswert sein, vorausgesetzt die homogen beleuchtete Fläche ist optisch ganz oder stellenweise transparent, wechselweise oder gleichzeitig von oben in einer Draufsicht, dem so genannten Epimodus und von unten im so genannten Transmissionsmodus zu beobachten.
  • Eine gängige Methode zur homogenen Beleuchtung von Flächen mit optischer Strahlung ist der Einsatz von Lasern in Verbindung mit Homogenisatoren, etwa Linsenhomogenisatoren 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 Inneren Licht sich durch diffuse vielfachreflexion gleichmäßig über die gesamte 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 Elemente notwendig.
  • Problematisch ist die mangelnde Flexibilität der bekannten Homogenisatoren im Hinblick auf eine schnelle zeitliche Variation der spektralen Eigenschaften der Beleuchtung, etwa die abwechselnde Beleuchtung mit zwei verschiedenen Wellenlängen.
  • Hinreichend abstimmbare Laserlichtquellen sind sehr teuer und haben einen relativ großen Platzbedarf, der Einsatz von Strahlteilern und Filterädern bei nicht abstimmbaren Lichtquellen verkompliziert den Aufbau erheblich. Zudem ist ein Wellenlängenwechsel in Sekundenbruchteilen mit diesen Systemen kaum möglich.
  • Aus der WO 95/20183 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Identifizieren eines Bilderzeugungsmaterials bekannt. In einer Ulbricht'schen Kugel sind mehrere in der Wand der Ulbricht'schen Kugel angeordnete LEDs mit Wellenlängen zwischen 555-690 nm durch eine Schaltungsanordnung einzeln ansteuerbar. Zum Zwecke der Unterscheidung von verschiedenen Filmmaterialien können mit Hilfe der Ulbricht'schen Kugel Diapositive mit verschiedenen Wellenlängen beleuchtet und auf ihre Absorptionseigenschaften hin untersucht werden. Dazu wird jeweils eine LED von der Schaltungsanordnung angesteuert und die jeweilige Probe anhand des durch die Probe transmittierten Lichts in einer nachgeschalteten Detektoreinrichtung auf ihre Farbabsorptionseigenschaften analysiert.
  • Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung wirkt sich aus, dass immer nur eine LED zu einem Zeitpunkt von der Schaltungsanordnung angesteuert werden kann. Dadurch sind die spektralen Variationsmöglichkeiten relativ begrenzt. Es kann auch nur jeweils eine Probe, d.h. ein Diapositiv, zu einem Zeitpunkt untersucht werden. Dies ist relativ umständlich und zeitaufwendig. Zudem muss die Probe transparent sein. Eine Beobachtung und Auswertung von Strahlung, die von der Probe zurückgeworfen wird, ist nicht möglich. Weiterhin ist eine ortsauflösende Messung nicht vorgesehen, so dass die Homogenität der Strahlung nur eine untergeordnete Rolle spielt. Die Vorrichtung ist daher für Messungen, bei denen eine hohe Ortsauflösung gefordert ist und es deshalb auf eine besonders hohe Homogenität der Strahlung ankommt, relativ ungeeignet.
  • Aus der DE 44 28 188 C1 ist ein telezentrisches Beleuchtungssystem bekannt, bei dem die Lichtquelle als Ulbricht'sche Kugel ausgebildet ist. Die Kugel weist eine oder ein vielfaches von vier LEDs auf, die auf mindestens einer Kreisbahn an der Innenseite der Kugel angeordnet sind. Dadurch soll eine möglichst gleichmäßige Beleuchtung erzeugt werden. Die homogene monochromatische Strahlung wird durch eine Blende in einen Tubus 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 Regelschaltung vorgesehen, mit dem Intensitätsschwankungen ausgeglichen werden können.
  • Nachteilig bei diesem System wirkt sich aus, dass die spektralen Eigenschaften, insbesondere die Wellenlänge und die Wellenlängenbandbreite der Beleuchtung nicht veränderbar sind. Dieses System ist daher für Anwendungen, bei denen variable spektrale Eigenschaften der Beleuchtung verlangt werden, nicht geeignet.
  • Aus der DE 197 35 926 A1 ist eine Ulbricht'sche Kugel bekannt, die eine externe Lichtquelle und einen Detektor aufweist. Über den Detektor wird die Fluoreszenz einer Zellkultur gemessen, die sich in einer äquatorial in der Kugel angeordneten Perfusionskammer befindet. Die externe Lichtquelle kann ein Laser sein, dem eine Optik vorgelagert ist.
  • Die Beleuchtung mit einem externen Laser erfordert eine aufwendige Optik zur Einkopplung der Strahlung in die Ulbricht'sche Kugel. Eine schnelle Änderung der spektralen Eigenschaften ist nicht, oder nur mit großem zusätzlichen 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 eine oder mehrere Lumineszenzdioden angeordnet sein. In der Kugel 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 Kugel ist zudem sehr aufwendig und kostenintensiv.
  • Aus der US 5 268 749 ist eine Vorrichtung zur homogenen Ausleuchtung einer Ebene bekannt, bei der eine Lichtquelle einer kugelförmigen Kammer mit einer diffus reflektierenden Innenwandbeschichtung 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 kugelförmige Kammer mit mehreren verschiedenfarbigen LEDs 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 homogene Ausleuchtung einer Fläche mit der Vorrichtung nicht ohne weiteres möglich.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine mit einfachen Mitteln herzustellende kompakte Vorrichtung zur homogenen Ausleuchtung einer Fläche zu schaffen, bei der eine schnelle Änderung der spektralen Eigenschaften der Beleuchtung möglich ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass eine gewünschte spektrale Charakteristik durch die Kombination von mindestens zwei Lichtquellen erzielbar ist, die von der Lichtquellensteuervorrichtung ansteuerbar sind, und dass der Ulbricht'schen Kugel mindestens ein bildgebender Detektor vorgelagert ist, mit Hilfe dessen die auf dem Probenträger mit den Proben ausgeleuchtete Fläche mindestens ortsaufgelöst detektierbar ist.
  • Dadurch, dass die Lichtquellen in der Kugelwand eingebaut sind, sind keine weiteren optischen Komponenten, insbesondere keine Strahlformungsoptiken nötig, die Anordnung kann daher sehr kompakt gebaut und preisgünstig hergestellt werden. Mit den verschiedenen spektralen Eigenschaften der einzelnen Lichtquellen kann eine homogene Ausleuchtung mit weitgehend frei wählbarer spektraler Charakteristik erreicht werden.
  • Diese spektrale Charakteristik lässt sich innerhalb von Bruchteilen von Sekunden über die Ansteuerung der jeweiligen Lichtquelle, völlig ohne mechanische Bewegungen, ändern.
  • Bei dem Anmeldungsgegenstand ist eine gleichzeitige Ansteuerung mehrerer Lichtquellen möglich, so dass durch eine Kombination verschiedener Wellenlängen und einer ortsaufgelösten Detektion eine Vielzahl von Proben mit verschiedenen spektroskopischen Eigenschaften gleichzeitig oder mit einer zeitaufgelösten Detektion in schneller zeitlicher Abfolge hintereinander untersucht werden können.
  • 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 hergestellt sein kann.
  • Ein Probenträger kann direkt an einer unteren Öffnung der Ulbricht'schen Kugel angeordnet sein. Als Nanotiterplatte mit einer Vielzahl von pyramidenstumpfförmigen Vertiefungen eignet sich der Probenträger hervorragend zur Untersuchung einer Vielzahl unterschiedlicher Probesubstanzen, die auf eine variierende 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 werden 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 ausleuchtbaren Fläche auf der der Kugel abgewandten Seite ebenfalls ein Detektor vorgelagert sein.
  • Die Detektoren von oben und falls gewünscht auch von unten ermöglichen 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, Probesubstanzen mit einer definierten Intensität zu bestrahlen. Mit der Intensitätssteuerung kann diesem Erfordernis optimal entsprochen werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Innenwand der Ulbricht'schen Kugel mit einer diffus reflektierenden Oberflächenbeschichtung versehen. Es ist auch möglich, dass die Innenwand selbst aus einem diffus reflektierenden Material geschaffen ist. Dieses Wandmaterial kann auch optisch transparente Eigenschaften aufweisen.
  • Eine homogene Ausleuchtung wird am besten durch die Vielfachreflexion der emittierten Strahlung an einer diffus reflektierenden sphäroidischen Oberfläche erreicht. Besteht die Innenwand der Kugel selbst aus einem solchen Material, ist eine zusätzliche 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 schmalbandigen Spektralbereich. Ebenso können breitbandige Lichtquellen verwendet werden.
  • In der Spektroskopie spielt die Bandbreite, d.h. der Wellenlängenbereich einer Lichtquelle eine große Rolle. Schmalbandige Lichtquellen emittieren oft nur in einem Bereich von Bruchteilen eines Nanometers. Dadurch ist es möglich, gezielt einzelne molekulare Übergänge einer Substanz anzuregen, um bestimmte Informationen über deren Beschaffenheit, aus dem erzeugten Fluoreszenzlicht zu extrahieren. Breitbandige Lichtquellen regen hingegen eine Vielzahl von Übergängen gleichzeitig an, sind aber in der Regel weniger aufwendig herzustellen und damit kostengünstiger. Sie bieten sich daher an, wenn die Anregung einzelner 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 Reflexionskoeffizienten auf.
  • Ein großer Spektralbereich der Reflexion ermöglich die Verwendung von Lichtquellen aus einem ebenso großen Spektralbereich. Dadurch werden die Anwendungsmöglichkeiten bzgl. der Untersuchung 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, so genannte LEDs (Light Emitting Diode) 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 eine hohe Lebensdauer, sind kostengünstig und kompakt, und schaltkreiskompatibel. Daher sind sie hervorragend für den Einbau 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 einzelner 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 vorgelagerten optischen Elemente können mit der Innenwand der Kugel bündig abschließend angeordnet sein.
  • Durchgehende Öffnungen zum Innenraum ermöglichen die Verwendung von nicht transparenten Wandmaterialien der Ulbricht'schen Kugel. 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 Austausch einer Lichtquelle die keinen mechanischen Durchgang zum Kugelinneren aufweist, die Kugel vollkommen geschlossen. Dadurch können insbesondere Beeinträchtigungen der reflektierenden 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 Eigenschaften der Abstrahlung weiter zu spezifizieren. Linsen können den abgestrahlten Lichtkegel weiter aufweiten und den Öffnungswinkel beeinflussen, was sich wiederum günstig auf die Homogenisierung 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 Optimierung der Homogenisierung der Beleuchtung aus.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist mindestens ein Detektor eine zeitauflösende Nachweisvorrichtung auf. Ortsauflösende und wellenlängenauflösende Nachweisvorrichtungen können auch vorgesehen sein.
  • Ein zeitauflösender Detektor ermöglicht die Erfassung von zeitlich sich ändernden Fluoreszenzsignalen der Probesubstanzen. Bei einer Vielzahl von verschiedenen Substanzen auf dem Probenträger erlaubt eine ortsauflösender Detektor deren Unterscheidung 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 externer Lichtquellen vorgesehen.
  • Durch diese Öffnungen wird die Option geschaffen auch externe Lichtquellen zur Einkopplung in die Ulbricht'sche Kugel verwenden zu können, wodurch deren Verwendbarkeit noch universeller 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 verwendet werden, um das Kugelinnere vor Verschmutzungen und Beschädigungen zu schützen.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise veranschaulicht sind.
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • 1: Eine schematische Darstellung im Schnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
  • 2: eine schematische Darstellung im Schnitt einer weiteren Vorrichtung mit einem zweiten Detektor.
  • Eine Vorrichtung zur homogenen Ausleuchtung eine kleinen Fläche 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 Innenoberfläche 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, vorteilhaft als transparenter Probenhalter ausgebildet und für die Aufnahme von zu untersuchenden (nicht dargestellten) Probesubstanzen vorgesehen, eingepasst. Der Kugeldurchmesser ist dabei konstruktiv deutlich größer als der Durchmesser der zu beleuchtenden 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, dass 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 Eigenschaften 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 spektraler 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 vorhomogenisierbar ist. Grundsätzlich können bei der Verwendung eines transparenten Wandmaterials alle Lichtquellen 3, 4, 5 vollständig 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, vorgelagert ist. Der Detektor 8 ist mit einer (nicht dargestellten) Auswerteeinrichtung zur Weiterverarbeitung der Messsignale verbunden. 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, elektronisch verbunden und von dieser einzeln ansteuerbar. Der Detektor 8 erlaubt die Beobachtung der zu beleuchtenden Fläche 2 bzw. des leuchtenden Objekts senkrecht von oben, d.h. im so genannten 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 Probenhalter senkrecht von unten in einem Transmissionsmodus beobachten kann. Mit den Detektoren 8 und 9 zusammen ist eine gleichzeitige Beobachtung der Fläche 2 von oben und unten möglich. 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 Nanotiterplatte ca. 600 Proben eines Stoffen mit verschiedenen umweltgefährdenden 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 Aussendung von für den jeweiligen Stoff charakteristischem Fluoreszenzlicht.
  • Die gewünschte spektrale Charakteristik lässt sich durch eine Lichtquelle oder auch durch die Kombination von Lichtquellen erzielen.

Claims (27)

  1. Vorrichtung zur homogenen Ausleuchtung einer kleinen Fläche (2) mit einer Ulbricht'schen Kugel zur spektroskopischen Untersuchung einer Mehrzahl von auf einem Probenträger angeordneten Proben mit mindestens zwei in der Wand der Ulbricht'schen Kugel (1) angeordneten Lichtquellen (3, 4, 5), die unterschiedliche spektrale Eigenschaften aufweisen, und die mit einer Lichtquellensteuervorrichtung (6) einzeln ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine gewünschte spektrale Charakteristik durch die Kombination von mindestens zwei Lichtquellen (3, 4, 5) erzielbar ist, die von der Lichtquellensteuervorrichtung (6) ansteuerbar sind, und dass der Ulbricht'schen Kugel (1) mindestens ein bildgebender Detektor (8, 9) vorgelagert ist, mit Hilfe dessen die auf dem Probenträger mit den Proben ausgeleuchtete Fläche (2) mindestens ortsaufgelöst detektierbar ist.
  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 gekennzeichnet, 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 gekennzeichnet, dass der Probenträger aus einem mindestens stellenweise optisch transparenten Material mit einem hohen Durchlasskoeffizienten ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ulbricht'sche Kugel (1) eine obere Öffnung (7) aufweist, die diametral zu der unteren Öffnung (15) angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, 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) vorgelagert ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ulbricht'schen Kugel (1) zur Beobachtung der ausleuchtbaren Fläche (2) in einer senkrechten Beobachtungsrichtung von unten, auf der der Kugel abgewandten Seite, ein Detektor (9) vorgelagert ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, 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 gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche (12) der Ulbricht'schen Kugel (1) mit einer diffus reflektierenden Oberflächenbeschichtung versehen ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wand (14) der Ulbricht'schen Kugel (1) vollständig aus einem diffus reflektierenden Material ausgebildet ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (14) der Ulbricht'schen Kugel (1) vollständig aus einem diffus reflektierenden, optisch transparenten Material ausgebildet ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lichtquelle (3, 4, 5) in einem schmalbandigen Spektralbereich emittiert.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lichtquelle (3, 4, 5) in einem breitbandigen Spektralbereich emittiert.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche (12) der Wand (14) der Ulbricht'schen Kugel (1) über einen großen Spektralbereich einen hohen Reflexionskoeffizienten ausweist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Lichtquellen (3, 4, 5) als Elektrolumineszenzdiode ausgebildet ist.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Lichtquellen (3, 4, 5) als Laserdiode ausgebildet ist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der in der Wand (14) der Ulbricht'schen Kugel (1) angeordneten Lichtquellen (3, 4, 5) eine mechanisch durchgehende Öffnung (13) zum Kugelinneren aufweist.
  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 durchgehende Öffnung zum Kugelinneren aufweist.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, 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 gekennzeichnet, 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 gekennzeichnet, dass die in der Wand (14) der Ulbricht'schen Kugel (1) angeordneten Lichtquellen (3, 4, 5) bündig mit der Innenoberfläche (12) abschließend angeordnet sind.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die, den Lichtquellen (3, 4, 5) vorgelagerten Optiken, jeweils bündig mit der Innenoberfläche (12) der Wand (14) abschließend angeordnet sind.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Detektor (8, 9) eine zeitauflösende Nachweisvorrichtung aufweist.
  24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Detektor (8, 9) eine ortsauflösende Nachweisvorrichtung aufweist.
  25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Detektor (8, 9) eine wellenlängenauflösende Nachweisvorrichtung aufweist.
  26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Ulbricht'sche Kugel (1) Bohrungen zur Einkopplung externer Lichtquellen aufweist.
  27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Öffnung (7, 15) der Ulbricht'schen Kugel (1) mit einem transparenten Fenster (10) verschließbar ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005114265A1 (en) * 2004-05-13 2005-12-01 Novatron, Inc. Light flux transformer
KR20070085589A (ko) * 2004-12-14 2007-08-27 아크조노벨코팅스인터내셔널비.브이. 표면의 시각적 특성을 분석하는 방법 및 장치
CN105158204B (zh) * 2015-09-28 2018-08-28 浙江大学 用于水果内部品质可见近红外光谱检测的可调节光源装置
DE102022206605A1 (de) 2022-06-29 2024-01-04 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Beleuchtungsvorrichtung und Mikroskopieverfahren zum Erzeugen eines zusammengesetzten Bildes einer Probe

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995020183A1 (en) * 1994-01-25 1995-07-27 Kodak Limited Identification of image-forming material type
DE19528855A1 (de) * 1995-08-05 1997-02-06 Leybold Ag Verfahren und Vorrichtung zur spektralen Remissions- und Transmissionsmessung
WO1999054711A1 (en) * 1998-04-17 1999-10-28 Ljl Biosystems, Inc. Sample-holding devices and systems

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995020183A1 (en) * 1994-01-25 1995-07-27 Kodak Limited Identification of image-forming material type
DE19528855A1 (de) * 1995-08-05 1997-02-06 Leybold Ag Verfahren und Vorrichtung zur spektralen Remissions- und Transmissionsmessung
WO1999054711A1 (en) * 1998-04-17 1999-10-28 Ljl Biosystems, Inc. Sample-holding devices and systems

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2942617A1 (de) 2014-05-08 2015-11-11 Image Engineering GmbH & Co. KG Beleuchtungseinrichtung
WO2015169949A1 (de) 2014-05-08 2015-11-12 Image Engineering Gmbh & Co. Kg Beleuchtungseinrichtung

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