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Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Beobachtungsgerät sowie ein Verfahren zum Anpassen eines optischen Beobachtungsgerätes mit einer Lampe, einer Beleuchtungsoptik, einem zwischen der Lampe und der Beleuchtungsoptik angeordneten Lichtleiter, welcher ein zur Lampe gerichtetes Eintrittsende und ein zur Beleuchtungsoptik gerichtetes Austrittsende umfasst, bei einem Wechsel der Lampe.
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Die zur Zeit gebräuchlichen Beleuchtungssysteme für optische Beobachtungsgeräte, beispielsweise Operationsmikroskope in der Ophthalmochirurgie (Augenchirurgie), umfassen üblicherweise Halogenlampen als Lichtquellen und einen faseroptischen Lichtleiter zum Übertragen des Lichtes zur Beleuchtungsoptik des Operationsmikroskops. Ein derartiges Beleuchtungssystem ist beispielsweise in
DE 31 47 998 A1 beschrieben. Die Lichtquelle dient als primäre Lichtquelle, deren Licht mittels des Lichtleiters zur Beleuchtungsoptik geleitet wird. Das Austrittsende des Lichtleiters dient dann als sekundäre Lichtquelle, welche durch die Beleuchtungsoptik des Operationsmikroskops entsprechend den jeweiligen Anforderungen in das Objektfeld des Mikroskops abgebildet wird, um das Objekt zu beleuchten. Ein Vorteil derartiger Beleuchtungssysteme ist die thermische Abkopplung der primären Lichtquelle, welche eine Wärmequelle darstellt, vom optischen Beobachtungsgerät aufgrund der räumlichen Entfernung der primären Lichtquelle vom optischen Beobachtungsgerät.
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Die Beleuchtungsoptik der Beleuchtungsvorrichtung eines optischen Beobachtungsgerätes ist in der Regel auf die Abstrahlcharakteristik des faseroptischen Lichtleiters abgestimmt. Von besonderer Bedeutung für die Abstrahlcharakteristik ist die numerische Apertur des Lichtleiters an dessen Austrittsende, im folgenden Austrittsapertur genannt. Die Austrittsapertur bestimmt insbesondere den Öffnungswinkel des aus dem Austrittsende des Lichtleiters austretenden Beleuchtungsstrahlenbündels. Mit anderen Worten, die Apertur des Beleuchtungsstrahlenbündels hängt von der Austrittsapertur des Lichtleiters ab. Die Apertur des Beleuchtungsstrahlenbündels ist dabei als der Sinus des halben Öffnungswinkels des Beleuchtungsstrahlenbündels definiert. Der halbe Öffnungswinkel wird auch Aperturwinkel genannt
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Die Austrittsapertur des Lichtleiters wird zum einen von den Kenngrößen des Lichtleiters selbst und zum anderen von der Art der Einkopplung des Lichtes in das Eintrittsende des Lichtleiters bestimmt. Beispielsweise ist die numerische Apertur am Austrittsende eins geraden zylindrischen Lichtleiters gleich der numerischen Apertur am seinem Eintrittsende.
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Die Einkopplung des Lichtes in das Eintrittsende des Lichtleiters ist üblicherweise derart optimiert, dass die numerische Apertur des Eintrittsendes des Lichtleiters nahezu vollständig ausgenutzt wird. Der Öffnungswinkel des in das Eintrittsende des Lichtleiters eingekoppelten Strahlenbündels wird dabei so gewählt, dass seine Apertur im Wesentlichen der numerischen Apertur des Eintrittsendes des Lichtleiters entspricht. Falls die Apertur des einfallenden Strahlenbündels größer als die numerische Apertur des Eintrittsendes des Lichtleiters ist, so wird ein Teil des Strahlenbündels nicht mehr im Lichtleiter total reflektiert und tritt infolgedessen durch die Ummantelung aus dem Lichtleiter aus. Dies hat unerwünschte Intensitätsverluste zur Folge. Ein zu geringer Öffnungswinkel des in das Eintrittsende eingekoppelten Strahlenbündels führt dagegen am Austrittsende des faseroptischen Lichtleiters zu einer Apertur des Beleuchtungsstrahlenbündels, die kleiner als die maximal mögliche Apertur ist. Auf die maximal mögliche Apertur ist jedoch in der Regel die Beleuchtungsoptik abgestimmt.
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Häufig finden in den beschriebenen Beleuchtungsvorrichtungen Halogenlampen Anwendung. Wird nun aber anstelle einer Halogenlampe bspw. eine Hochdruckentladungslampe mit ähnlicher Lichtleistung wie die Halogenlampe, etwa eine Xenonlampe vom Typ XBO, verwendet, so wird die numerische Apertur des Eintrittsendes des Lichtleiters in der Regel nur teilweise ausgenutzt. Ursache hierfür ist die im Vergleich zur Halogenlampe typischerweise kleinere Abstrahlfläche der Hochdruckentladungslampe. Wenn das Licht der Hochdruckentladungslampe daher mit derselben Kopplungsvorrichtung wie das Licht der Halogenlampe in das Eintrittsende des Lichtleiters eingekoppelt wird, weist das eingekoppelte Strahlenbündel eine geringere Apertur als das Strahlenbündel der Halogenlampe auf. Wie bereits weiter oben erwähnt, führt dies am Austrittsende des faseroptischen Lichtleiters zu einer Änderung der Apertur des Beleuchtungsstrahlenbündels, so dass die Apertur des Beleuchtungsstrahlenbündels und die Beleuchtungsoptik nicht mehr optimal aneinander angepasst sind.
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Es besteht nun die Möglichkeit, die Beleuchtungsoptik des optischen Beobachtungsgerätes an die aufgrund eines Wechsels der Primärlichtquelle veränderte Abstrahlcharakteristik des Lichtleiters anzupassen. Dies bedeutet jedoch, dass für verschiedene Lichtquellen auch unterschiedliche Beleuchtungsoptiken zur Verfügung gestellt werden müssen. Alternativ besteht die Möglichkeit, die zum Einkoppeln des von der primären Strahlungsquelle ausgehenden Lichtes in den Lichtleiter verwendeten optischen Elemente, beispielsweise Reflektoren und/oder Linsen, an die neue Lichtquelle anzupassen, so dass die Einkopplung wieder derart erfolgt, dass am Austrittsende des faseroptischen Lichtleiters die optimal angepasste Abstrahlcharakteristik vorliegt. Dies bedeutet jedoch, dass für verschiedene Lichtquellen unterschiedliche Reflektoren und/oder Linsen Verwendung finden müssen. Beide Möglichkeiten sind daher aufwendig und insbesondere in einer einzigen Beleuchtungsvorrichtung nur schwer zu realisieren.
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Die
US 5 751 869 A beschreibt ein optisches System zum Koppeln von Licht aus einer optischen Einzelfaser in ein optisches Faserbündel. Das optische System umfasst einen zwischen der Einzelfaser und dem Faserbündel angeordneten Diffusor sowie eine ebenfalls zwischen der Einzelfaser und dem Faserbündel angeordnete Sammellinse. Die Linse und der Diffusor ermöglichen es, die numerische Apertur des Lichtes beim Austritt aus der Einzelfaser zu erhalten und mittels des optischen Systems an die numerische Apertur des Faserbündels anzupassen. Als Diffusor kann insbesondere eine mattierte Glasscheibe zur Anwendung kommen.
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Die
DE 29 52 209 A1 beschreibt eine Anordnung zur punkt- und zeilenweisen Aufzeichnung von Bildinformationen. In dieser Anordnung ist zwischen dem Austrittsende einer optischen Faser und einem Belichtungsobjektiv eine Streuscheibe angeordnet, die dazu führt, dass aus der Faser austretende Strahlenbündel mit einem Streuwinkel divergieren.
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Die
WO 98/44370 A1 beschreibt ein Verfahren und ein Gerät zum Verbessern der Leistungsübertragung zwischen zwei optischen Polymerfasern. Aus einer optischen Faser austretendes Licht, welches eine Gaußverteilung aufweist, wird mittels eines Diffusors so aufgeweitet, dass die im Zentrum der Gaußverteilung vorliegende Energie auf die Randbereiche der Verteilung umverteilt wird, bevor es in eine weitere optische Faser eingespeist wird.
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Die
DE 94 04 041 U1 beschreibt einen Aperturwandler für ein spektroskopisches System, welches zur Analyse von kleinen und kleinsten Substanzmengen verwendet wird. In dem spektroskopischen System wird Licht einer Lichtquelle über einen Aperturwandler in eine Durchflussküvette, welche die Probe enthält, eingekoppelt. Ebenso erfolgt das Auskoppeln des Lichtes aus der Küvette über einen weiteren Aperturwandler. Als Aperturwandler kommen konische Flächen zur Anwendung.
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Die
DE 100 31 719 A1 beschreibt eine Beleuchtungseinrichtung mit einer aus einem Mikrowabensensor bestehenden Homogenisierungsoptik.
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Die
JP H07-254968 A beschreibt die Verwendung einer Diffusionsplatte zum Zerstreuen und zum Vergleichmäßigen von Licht.
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Aus der
DE 201 04 801 U1 ist bekannt, an den Enden von Lichtleitkabeln Streuscheiben vorzusehen.
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Aus der
WO 00/ 67 057 A1 ist bekannt, das Einkoppeln von Licht einer Lichtquelle in einen Lichtleiter mittels eines vor dem Eintrittsende des Lichtleiters angeordneten Aperturwandlers zur optimieren. Als mögliche Aperturwandler sind kegelförmige Lichtleiter, parabolförmige Hohlröhren mit verspiegelter Innenseite und Zerstreuungslinsen genannt. Ähnliche Elemente sich auch in
US 5 680 257 A beschrieben. Diese vor dem Eintrittsende des faseroptischen Lichtleiterbündels zusätzlich in den Strahlengang einzubringenden Aperturwandler führen jedoch zu einer Vergrößerung der Abmessungen der Beleuchtungsvorrichtung. Sie sind daher insbesondere für den nachträglichen Einbau ungeeignet, da sie sich aufgrund ihrer Baulänge nicht oder nur unter großen Schwierigkeiten in bestehende Beleuchtungsvorrichtungen integrieren lassen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein vorteilhaftes optisches Beobachtungsgerät sowie ein vorteilhaftes Verfahren zum Anpassen eines optischen Beobachtungsgerätes mit einer Lampe, einer Beleuchtungsoptik, einem zwischen der Lampe und der Beleuchtungsoptik angeordneten Lichtleiter, welcher ein zur Lampe gerichtetes Eintrittsende und ein zur Beleuchtungsoptik gerichtetes Austrittsende umfasst, bei einem Wechsel der Lampe.
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Die erste Aufgabe wird durch ein optisches Beobachtungsgerät mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 5.
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Das optische Beobachtungsgerät umfasst eine Lichtquelle, eine Beleuchtungsoptik, einen zwischen der Lichtquelle und der Beleuchtungsoptik angeordneten Lichtleiter mit einem zur Lichtquelle gerichteten Eintrittsende und einem zur Beleuchtungsoptik gerichteten Austrittsende, eine Kopplungsvorrichtung bzw. Bündelungsvorrichtung zum Erzeugen eines in das Eintrittsende des Lichtleiters einzukoppelnden Strahlenbündels aus dem Licht der Lichtquelle und zum Einkoppeln des Strahlenbündels in den Lichtleiter sowie einen Aperturwandler zum Wandeln der Apertur eines im Strahlengang der Beleuchtungsvorrichtung auftretenden Strahlenbündels. Der Lichtleiter kann dabei bspw. als Flüssigkeitslichtleiter, als einzelne lichtleitende Faser oder als Faserbündel aus einer Mehrzahl von lichtleitenden Fasern ausgebildet sein. Im Falle eines Faserbündels können die lichtleitenden Fasern außerdem geordnet oder ungeordnet zueinander verlaufen. Als Kopplungsvorrichtung kommen insbesondere Hohlspiegel und Linsen in Frage. Der Aperturwandler im erfindungsgemäßen optischen Beobachtungsgerät ist derart ausgestaltet, dass er Lichtstrahlen eines durch ihn hindurchtretenden Strahlenbündels statistisch um Winkel eines definieren Winkelbereiches aus ihrer ursprünglichen Richtung ablenkt. Insbesondere kann der Aperturwandler derart ausgebildet sein, dass die Winkel, um die die Ablenkung erfolgt, eine Gaußverteilung bilden. Als der definierte Winkelbereich kann dann bspw. die Halbwertsbreite der Gaußverteilung dienen.
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Das streuende optische Element ist ein kostengünstig herzustellender Aperturwandler. Ein Faktor der Kostenreduktion stellt dabei die Tatsache dar, dass lediglich eine diffuse Streuung in einen definierten Raumwinkelbereich erfolgt. Exakt bearbeitete Linsen oder Spiegelflächen sind daher nicht notwendig.
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Der Aperturwandler kann insbesondere als Streuscheibe, auch Diffusor genannt, realisiert sein. In diesem Fall kann die Baulänge des Aperturwandlers sehr gering gehalten werden. Die Streuscheibe kann daher ohne großen Aufwand auch nachträglich in Strahlengänge bspw. von Beleuchtungsvorrichtungen eingebracht werden, um für eine Aperturanpassung zu sorgen.
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Die Beleuchtungsvorrichtung lässt sich insbesondere in einfacher Weise an unterschiedliche Lichtquellen anpassen. Bei einem Wechsel der Lichtquelle muss lediglich das streuende optische Element ausgewechselt werden. Wenn beispielsweise die Beleuchtungsvorrichtung für eine Halogenlampe optimiert ist, aber mit einer Hochdruckentladungslampe betrieben wird, so führt ein geeignet gewählter Aperturwandler, d.h. ein Aperturwandler mit geeignetem Streuwinkelbereich, dazu, dass das Beleuchtungsstrahlenbündel das zu beleuchtende Objekt optimal ausleuchten kann, ohne dass die Beleuchtungsoptik oder der Reflektor und/oder die Linse zum Einkoppeln des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtes in den Lichtleiter geändert werden müssten. Wenn nun eine andere Art von Lampe Verwendung finden soll, so braucht lediglich der Aperturwandler ausgewechselt – oder falls eine Rückkehr zur Halogenlampe erfolgt – entfernt zu werden, um die optimale Ausleuchtung des zu beleuchtenden Objektes sicherzustellen.
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In einer ersten Ausgestaltung ist der Aperturwandler zwischen der Kopplungsvorrichtung bzw. Bündelungsvorrichtung und dem Eintrittsende des Lichtleiters angeordnet und kann als Teil der Kopplungsvorrichtung bzw. Bündelungsvorrichtung angesehen werden. Mittels des Aperturwandlers kann eine Anpassung des Öffnungswinkels des eingekoppelten Strahlenbündels an die numerische Apertur des Eintrittsendes des Lichtleiters stattfinden, bspw. beim oben beschriebenen Wechsel von einer Halogenlampe zu einer Hochdruckentladungslampe. Ohne den Aperturwandler würde ein solcher Wechsel zu einer schlechteren Ausnutzung der numerischen Apertur des Eintrittsendes des Lichtleiters und damit zu einer nicht mehr optimalen Abstrahlcharakteristik am Austrittsende des Lichtleiters führen.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist der Aperturwandler zwischen dem Austrittsende des Lichtleiters und der Beleuchtungsoptik angeordnet. Mittels des Aperturwandlers kann dann der Öffnungswinkel des aus dem Austrittsende des Lichtleiters austretenden Strahlenbündels beeinflusst werden. Die bspw. beim Übergang von einer Halogenlampe zu einer Hochdruckentladungslampe nicht mehr optimale Abstrahlcharakteristik des Austrittsendes des Lichtleiters führt zu einem Beleuchtungsstrahlenbündel mit einem Öffnungswinkel, welcher für ein optimales Ausleuchten des zu beleuchtenden Objektes mit der Beleuchtungsoptik zu gering ist. Mittels des Aperturwandlers kann dieser Öffnungswinkel vergrößert werden, so dass er wieder optimal an die Beleuchtungsoptik angepasst ist.
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Das Anordnen des Aperturwandlers zwischen dem Austrittsende des Lichtleiters und der Beleuchtungsoptik bietet gegenüber dem Anordnen zwischen dem Eintrittsende und der Kopplungsvorrichtung den Vorteil, dass der Aperturwandler thermisch von der Lichtquelle entkoppelt ist. Als Materialien für den Aperturwandler können daher auch solche Materialien Verwendung finden, die den in der Nähe der Lampe herrschenden Temperaturen nicht ausgesetzt werden können.
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Als Aperturwandler kann auch in der zweiten Ausführungsvariante ein Aperturwandler, bspw. eine Streuscheibe, Verwendung finden. Mit dem Aperturwandler lässt sich die Abstrahlcharakteristik des Austrittsendes des Lichtleiters an die Beleuchtungsoptik anpassen, wie dies weiter oben beschrieben worden ist.
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Das optische Beobachtungsgerät kann insbesondere als Operationsmikroskop, beispielsweise für die Ophthalmochirurgie und die Neurochirurgie, ausgebildet sein.
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Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für die Beleuchtungsvorrichtung.
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2 zeigt einen Aperturwandler.
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3 zeigt die Winkelverteilung der Intensität eines parallelen Strahlenbündels nach Durchgang durch den Aperturwandler aus 2.
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4 zeigt eine erste Möglichkeit für die Anordnung des Aperturwandlers aus 2 im Strahlengang.
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5 zeigt eine zweite Möglichkeit für die Anordnung des Aperturwandlers aus 2 im Strahlengang.
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6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die Beleuchtungsvorrichtung.
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In 1 ist als ein erstes Ausführungsbeispiel für die Beleuchtungsvorrichtung eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Operationsmikroskop dargestellt. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst eine in der Regel entfernt vom Operationsmikroskop angeordnete Lichtquelleneinheit 10, eine unmittelbar am Operationsmikroskop angeordnete Beleuchtungsoptikeinheit 30 und einen Lichtleiter 50 zum Leiten des Lichts der Lichtquelleneinheit 10 zur Beleuchtungsoptikeinheit 30. Ein Ende 52 des Lichtleiters 50 befindet sich in der Lichtquelleneinheit 10 und dient als Eintrittsende für das von der Lichtquelleneinheit 10 erzeugte Licht. Das andere Ende 54 des Lichtleiters 50 ist in der Beleuchtungsoptikeinheit 30 angeordnet und dient als Austrittsende für das vom Lichtleiter 50 übertragene Licht. Das Austrittsende 54 bildet die sekundäre Lichtquelle der Beleuchtungsvorrichtung.
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Die Lichtquelle 11 der Beleuchtungsvorrichtung befindet sich in der von der Beleuchtungsoptikeinheit 30 entfernt angeordneten Lichtquelleneinheit 10, um ein übermäßiges Aufheizen empfindlicher Teile des Operationsmikroskops zu vermeiden. Neben der Lichtquelle 11, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Hochdruckentladungslampe ausgeführt ist, umfasst die Lichtquelleneinheit 10 eine als Reflektor 13 ausgebildete Koppelungseinheit, die von der Hochdruckentladungslampe 11 ausgehendes Licht als konvergentes Strahlenbündel 14 in Richtung auf das Eintrittsende 52 des Lichtleiters 50 reflektiert, um es in den Lichtleiter 50 einzukoppeln. Um ein Übertragen von Infrarotstrahlung durch den Lichtleiter zu vermeiden, umfasst die Lichtquelleneinheit 10 außerdem einen Infrarotfilter 15, welcher zwischen dem Reflektor 13 und dem Eintrittsende 52 des Lichtleiters 50 angeordnet ist. Zudem kann zwischen dem Reflektor 13 und dem Eintrittsende 52 des Lichtleiters 50 noch ein Abschwächer 17 vorhanden sein, welcher eine evtl. zu hohe Intensität des Strahlenbündels 14 abschwächt.
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Vom Lichtleiter 50 wird das in das Eintrittsende 52 eingekoppelte Strahlenbündel zur Beleuchtungsoptikeinheit 30 geleitet, wo es als divergentes Strahlenbündel 34 aus dem Austrittsende 54 des Lichtleiters 50 austritt.
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Die Beleuchtungsoptikeinheit 30 umfasst eine erste Beleuchtungsoptiklinse 31, welche auch als Linsengruppe ausgebildet sein kann. Außerdem umfasst sie eine zweite Beleuchtungsoptiklinse 35, die durch die Hauptobjektivlinse 35 des Operationsmikroskops gebildet ist. Obwohl die Hauptobjektivlinse 35 in 1 als Einzellinse dargestellt ist, kann sie insbesondere auch als Linsengruppe ausgebildet sein. Die Beleuchtungsoptikeinheit 30 umfasst weiterhin eine teildurchlässige reflektierende Fläche in Form eines teildurchlässigen Spiegels 32, mit welchem das Beleuchtungsstrahlenbündel 33 in Richtung auf die Hauptobjektivlinse 35 abgelenkt wird. Durch die Hauptobjektivlinse 35 hindurch gelangt das Beleuchtungsstrahlenbündel 33 zum zu beleuchtenden Beobachtungsobjekt 37. Das vom beleuchteten Beobachtungsobjekt 37 reflektierte Licht kann dann durch die Hauptobjektivlinse 35 und den teildurchlässigen Spiegel 32 in den Beobachtungsstrahlengang (nicht dargestellt) des Mikroskops gelangen.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel dient ein im Beobachtungsstrahlengang angeordneter teildurchlässiger Spiegel 32 zum Ablenken des Beleuchtungsstrahlenbündels 33 in Richtung auf die Hauptobjektivlinse 35, welche die zweite Beleuchtungsoptiklinse darstellt. In einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels kann zum Ablenken des Beleuchtungsstrahlenbündels 33 in Richtung auf die zweite Beleuchtungsoptiklinse 35 auch mindestens eine reflektierende Fläche Verwendung finden, die nicht im Beobachtungsstrahlengang angeordnet ist. Bspw. kann in einem Stereomikroskop mit einer gemeinsamen „großen“ Hauptobjektivlinse für die beiden Teilstrahlengänge des Beobachtungsstrahlenganges die reflektierende Fläche zum Ablenken des Beleuchtungsstrahlenbündels 33 in Richtung auf die Hauptobjektivlinse zwischen den beiden Teilstrahlengängen des Stereomikroskops angeordnet sein. Die spiegelnde Fläche beeinträchtigt dann nicht den Beobachtungsstrahlengang. Außerdem kann die gesamte Beleuchtungsintensität in Richtung auf das Hauptobjektiv abgelenkt werden. Falls kein gemeinsames Hauptobjektiv für die Teilstrahlengänge des Beobachtungsstrahlenganges vorhanden ist oder dieses nicht für die Beleuchtung verwendet werden soll, kann die zweite Beleuchtungsoptiklinse auch als eigenständige Linse oder Linsenkombination ausgebildet sein.
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Im Ausführungsbeispiel fallen außerdem die optischen Achsen des Beleuchtungsstrahlengangs und des Beobachtungsstrahlenganges zwischen dem Beobachtungsobjekt 37 und dem teildurchlässigen Spiegel 32 zusammen. In einer weiteren Abwandlung des Ausführungsbeispiels ist jedoch auch möglich, dass die optischen Achsen des Beobachtungsstrahlenganges und des Beleuchtungsstrahlenganges um bis zu ca. 10°, insbesondere um 2° bis 6° gegeneinander geneigt sind. In diesem Fall können eine oder mehrere reflektierende Flächen seitliche versetzt zum Beobachtungsstrahlengang angeordnet sein, welche das Beobachtungsstrahlenbündel in Richtung auf die Hauptobjektivlinse ablenken. Wie in der ersten Abwandlung beeinträchtigen die reflektierenden Flächen dann nicht den Beobachtungsstrahlengang, und es kann außerdem die gesamte Beleuchtungsintensität in Richtung auf das Hauptobjektiv abgelenkt werden. Auch in dieser Abwandlung können statt dem Hauptobjektiv ein oder mehrerer eigenständige Linsen oder Linsenkombinationen als zweite Beleuchtungsoptiklinse(n) Verwendung finden.
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Die reflektierende Fläche kann im Ausführungsbeispiel und seinen Abwandlungen statt als Spiegelfläche bspw. auch als Prismenfläche ausgebildet sein.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der Reflektor 13, der Lichtleiter 50 und die optischen Elemente 31, 32, 35 der Beleuchtungsoptikeinheit 30 derart aufeinander abgestimmt, dass das Beobachtungsobjekt 37 bei Verwendung einer Halogenlampe als Lichtquelle 11 optimal ausgeleuchtet wird. Dazu ist der Reflektor 13 so ausgestaltet, dass er ein Strahlenbündel 14 mit einer Apertur, die im Wesentlichen der numerischen Apertur des Eintrittsendes 52 des Lichtleiters 50 entspricht, erzeugt. Außerdem sind die optischen Elemente 31, 32, 35 der Beleuchtungsoptikeinheit 30 sowie die Abstrahlcharakteristik am Austrittsende 54 des Lichtleiters 50 derart aufeinander abgestimmt, dass sie bei der maximal möglichen Apertur des aus dem Austrittsende 54 des Lichtleiters 50 austretenden Beleuchtungsstrahlenbündels 33 das Beobachtungsobjekt 37 optimal ausleuchten.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel findet jedoch eine Hochdruckentladungslampe statt einer Halogenlampe Verwendung. Da eine Hochdruckentladungslampe in der Regel aber eine geringere Abstrahlfläche als eine Halogenlampe gleicher Leistung aufweist, ist der Reflektor 13 nicht mehr optimal auf den verwendete Lichtleiter 50 abgestimmt. Infolgedessen ist der Öffnungswinkel des auf das Eintrittsende 52 des Lichtleiters 50 reflektierten konvergenten Strahlenbündels 14 geringer als bei Verwendung der Halogenlampe, so dass die numerische Apertur des Eintrittsendes 52 des Lichtleiters 50 nicht mehr optimal ausgenutzt wird. Entsprechend ist die Apertur des durch den Lichtleiter 50 übertragenen und aus dem Austrittsende 54 des Lichtleiters 50 austretenden Strahlenbündels kleiner als bei Verwendung der Halogenlampe, so dass die Abstrahlcharakteristik des Austrittsendes 54 – insbesondere der Öffnungswinkel des aus dem Austrittsende 54 austretenden divergenten Beleuchtungsstrahlenbündels 33 – und die optischen Elemente 31, 32, 35 der Beleuchtungsoptikeinheit 30 nicht mehr optimal aneinander angepasst sind.
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Um dennoch für eine optimale Ausleuchtung des Beobachtungsobjektes 37 zu sorgen, ist in der Beleuchtungsoptikeinheit 30 unmittelbar hinter dem Austrittsende 54 des Lichtleiters 50 als Aperturwandler eine Streuscheibe 70 angeordnet, welche den Öffnungswinkel des Beleuchtungsstrahlenbündels 33 so weit vergrößert, dass der Öffnungswinkel und die optischen Elemente 31, 32, 35 der Beleuchtungsoptikeinheit 30 wieder optimal aneinander angepasst sind.
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Die Struktur und die Funktion des Aperturwandlers werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beispielhaft anhand einer Streuscheibe 70 erläutert. Die Streuscheibe 70 weist eine plane Fläche 72 und eine der planen Fläche 72 gegenüberliegende Fläche 74 mit einer unregelmäßigen Oberflächenstruktur auf. Ein durch die plane Fläche 72 in die Streuscheibe 70 einfallender Lichtstrahl wird beim Austreten aus der Streuscheibe 70 durch die Seite 74 mit unregelmäßiger Oberflächenstruktur statistisch aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt. Die Ablenkwinkel θ liegen dabei statistisch verteilt im Wesentlichen in einem Winkelbereich von –θFWhM bis +θFWhM, wobei die Verteilung von der Struktur der unregelmäßigen Oberfläche der Seite 74 der Streuscheibe 70 abhängt.
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Die statistische Verteilung der Ablenkwinkel θ ist in 3 dargestellt. Die Figur zeigt die für ein senkrecht auf die plane Fläche 72 der Streuscheibe 70 einfallendes Strahlenbündel 75 (2) nach dem Durchgang durch die Streuscheibe 70 gemessene Intensität I in Abhängigkeit vom Ablenkwinkel θ. Die Intensität I ist dabei auf die Intensität I0, die nach dem Durchgang in der ursprünglichen Richtung des einfallenden Strahlenbündels 75 gemessen wird, bezogen. Aus der Intensitätsverteilung ergibt sich die Verteilung der Ablenkwinkel θ, mit der die Lichtstrahlen des Strahlenbündels 75 beim Durchgang durch die Streuscheibe 70 aus ihrer ursprünglichen Richtung abgelenkt worden sind. Es ist zu erkennen, dass das Intensitätsmaximum in der ursprünglichen Richtung des einfallenden Strahlenbündels 75 liegt. Im Unterschied zum einfallenden Strahlenbündel 75 kann jedoch auch eine nicht unerhebliche Intensität in Richtungen gemessen werden, welche von der ursprünglichen Richtung des einfallenden Strahlenbündels 75 abweichen. Bei einem Ablenkwinkel θ von etwa 5,5° beträgt die Intensität des aus der Streuscheibe 70 austretenden Strahlenbündels noch etwa die Hälfte der in der ursprünglichen Richtung des Strahlenbündels 75 gemessenen Intensität I0. Die in 3 dargestellte Intensitätsverteilung stellt im Wesentlichen eine Gaußverteilung mit einer Halbwertsbreite (FWhM, Full Width of half Maximum) von ca. 5,5° dar. Je größer die Halbwertsbreite dieser Gauskurve ist, desto divergenter ist ein auf die plane Fläche 72 der Streuscheibe auftreffendes Strahlenbündel 75 nach dem Durchgang durch die Streuscheibe 70, mit anderen Worten, desto stärker ausgeprägt ist die Aperturwandlung für das einfallende Strahlenbündel 75. Durch Verändern der Oberflächenstruktur der Fläche 74 kann die Halbwertsbreite θFWhM der Intensitätsverteilung vergrößert oder verringert werden.
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Ein durch einen Aperturwandler hindurchtretendes Strahlenbündel besitzt nach dem Durchtritt keine scharf begrenzte Apertur. Für einen bestimmten Aperturwinkel kann nur gesagt werden, wie hoch der Anteil der Ursprünglichen Intensität ist, der in den durch einen „Aperturwinkel“ gegebenen Winkelbereich fällt. Wenn als Aperturwinkel bspw. θFWhM bestimmt wird, fallen 68% der ursprünglichen Intensität in den Winkelbereich von –θFWhM bis +θFWhM. Wenn als Aperturwinkel –2θFWhM gewählt wird, so fallen über 95% der ursprünglichen Intensität in den Winkelbereich von –2θFWhM bis +2θFWhM. Mit anderen Worten, für jede vorgegebene Prozentzahl lässt sich ein definierter Winkelbereich angeben, der dazu führt, dass ein entsprechender Anteil der ursprünglichen Intensität in diesen Winkelbereich fällt.
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Die konkrete Wahl der Halbwertsbreite θFWhM und des definierten Winkelbereiches hängt davon ab, wie viel der Intensität des Strahlenbündels in die Eintrittsfläche 52 des Lichtleiters 50 eingekoppelt werden soll. Wenn die Halbwertsbreite θFWhM zu groß gewählt ist, ist derjenige Anteil der vor der Aperturwandlung vorhandenen Intensität, der sich nach der Aperturwandlung in die Eintrittsfläche 52 einkoppeln lässt, gering, da die Gaußkurve dann einen hohen Anteil an großen Streuwinkeln θ aufweist, die zu einem Überschreiten der numerische Apertur der Eintrittsfläche 52 führen. Andererseits wird bei zu geringer Halbwertsbreite θFWhM die numerische Apertur nicht optimal ausgenutzt, da nur ein geringer Teil der vor der Aperturwandlung vorhandenen Intensität merklich aus der ursprünglichen Richtung abgelenkt wird. Die Halbwertsbreite θFWhM des Aperturwandlers sollte daher im Hinblick auf den gewünschten Anteil der einzukoppelnden Intensität als auch im Hinblick auf die Apertur des Strahlenbündels vor der Aperturwandlung sowie die numerische Apertur der Eintrittsfläche 52 gewählt werden.
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Zwar wurde die Funktionsweise der Streuscheibe 70 anhand eines einfallenden parallelen Strahlenbündels erläutert, jedoch ändert sich an der Betrachtung qualitativ nichts, wenn das einfallende Strahlenbündel ein divergentes oder konvergentes Strahlenbündel ist. Auch für divergente oder konvergente Strahlenbündel erfolgt beim Durchtritt durch die Streuscheibe 70 eine Vergrößerung der Apertur (siehe 4 und 5), die auf einer statistisch verteilten Ablenkung der einzelnen Strahlen aus ihrer ursprünglichen Richtung beruht.
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Dieselbe Wirkung, die mit der Streuscheibe lässt sich auch mit jedem optischen Element erreichen, welches einen durch es hindurchtretenden Lichtstrahl statistisch um einen bestimmten Winkel aus seiner ursprünglichen Richtung ablenkt. Als Aperturwandler eignet sich daher grundsätzlich jedes optische Element, welches derart ausgestaltet ist, dass es einen einfallenden Lichtstrahl mit einer statistisch verteilten Wahrscheinlichkeit um einen Winkel θ aus seiner ursprünglichen Richtung ablenkt. Der definierte Winkelbereich kann dann, wie oben beschrieben, beispielsweise durch die Halbwertsbreite der Verteilung gegeben sein. Es ist jedoch auch möglich, den Winkelbereich, in den die Streuung erfolgt, anders zu definieren. Beispielsweise braucht die Winkelverteilung keine gaußförmige Verteilung zu sein. Je nach Ausgestaltung der unregelmäßigen Fläche der Streuscheibe kann auch eine andere Verteilung, beispielsweise eine mehr oder weniger rechteckförmige Intensitätsverteilung in Abhängigkeit vom Ablenkwinkel θ vorliegen. Bei einer rechteckförmigen Verteilung könnte der definierte Streuwinkelbereich dann beispielsweise durch den Bereich der konstanten Intensität gegeben sein, wenn die Intensitätsverteilung gegen den Ablenkwinkel θ aus der ursprünglichen Richtung aufgetragen wird.
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Die in 4 dargestellte Streuscheibe weist nur an ihrer Ausgangsseite 74 eine unregelmäßige Oberfläche auf. Die unregelmäßige Oberfläche kann jedoch auch an der Eingangseite angeordnet sein. Außerdem ist es auch möglich, dass sowohl die Eintrittsfläche als auch die Austrittsfläche jeweils eine unregelmäßige Oberfläche aufweisen.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Beleuchtungsvorrichtung ist in 6 dargestellt. Die Beleuchtungsvorrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von der des ersten Ausführungsbeispiels lediglich dadurch, dass die Streuscheibe 70 statt zwischen dem Austrittsende 54 des Lichtleiters 50 und der Linse 31 der Beleuchtungsoptikeinheit 30 zwischen dem Abschwächer 17 der Lichtquelleneinheit 10 und dem Eintrittsende 52 des Lichtleiters 50 angeordnet ist. Die Anordnung der Streuscheibe 70 vor dem Eintrittsende 52 des Lichtleiters 50 führt dazu, dass ein vom Reflektor 13 kommendes konvergentes Strahlenbündel, dessen Apertur nicht optimal an die numerische Apertur des Eintrittsendes 52 angepasst ist, an die numerische Apertur angepasst werden kann (vgl. 4). Am Austrittsende 54 des Lichtleiters 50 tritt das Strahlenbündel dann mit einer Apertur aus, die der für die optischen Elemente 31, 32, 35 der Beleuchtungsoptikeinheit 30 optimalen Apertur entspricht, so dass eine optimale Ausleuchtung des Beobachtungsobjektes 37 erfolgen kann.
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Die Beleuchtungseinrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels braucht nicht unbedingt als eine Einheit ausgebildet zu sein. Insbesondere kann die Beleuchtungsvorrichtung als selbständige Einheiten einen Lichtleiter, eine Beleuchtungsoptikeinheit, eine Lampe und eine Kopplungsvorrichtung zum Einkoppeln des von der Lampe ausgehenden Lichtes in den Lichtleiter umfassen. Die Kopplungsvorrichtung umfasst dann mindestens eine Bündelungsvorrichtung, beispielsweise mindestens einen Reflektor und/oder mindestens eine Linse, welcher bzw. welche das von der Lichtquelle ausgehende Licht bündelt und in Richtung auf das Eintrittsende des Lichtleiters lenkt, sowie einen Aperturwandler, bspw. die oben beschriebene Streuscheibe. Durch Einsetzen eines geeigneten Aperturwandlers, d.h. eines Aperturwandlers mit einem geeigneten definierten Winkelbereich, kann die Kopplungsvorrichtung an unterschiedliche Lampen und/oder Lichtleitercharakteristiken angepasst werden, ohne dass aufwendig zu produzierende optische Elemente wie etwa Reflektoren oder Linsen ausgetauscht werden müssten.
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In den Ausführungsbeispielen wurde gezeigt, dass sich ein statistisch streuendes optisches Element mit einem definierten Streuwinkelbereich vorteilhaft als Aperturwandler in Beleuchtungsvorrichtungen und Kopplungsvorrichtungen einsetzen lässt.
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Im ersten Ausführungsbeispiel ist als Aperturwandler eine Streuscheibe 70 vorhanden. Statt der Streuscheibe 70 kann im ersten Ausführungsbeispiel jedoch auch ein anderer Aperturwandler Verwendung finden. Der Aperturwandler und insbesondere die Streuscheibe sind jedoch aufgrund der Möglichkeit der geringen Baulänge äußerst vorteilhaft.
