DE102004044628A1

DE102004044628A1 - Beleuchtungsvorrichtung für ein optisches System

Info

Publication number: DE102004044628A1
Application number: DE102004044628A
Authority: DE
Inventors: Frank Sieckmann
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2004-09-13
Filing date: 2004-09-13
Publication date: 2006-03-16
Also published as: US20060056018A1

Abstract

Eine Beleuchtungsvorrichtung für ein optisches System, insbesondere für ein Mikroskop, mit einer vorzugsweise breitbandiges Licht emittierenden Lichtquelle (2) zur Bereitstellung eines Ausgangslichtstrahls (3) und mit einer Filtereinrichtung (5), ist im Hinblick auf eine kostengünstige, wartungsarme und vibrationsfreie Erzeugung eines mehrere Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche umfassenden Beleuchtungslichtstrahls sowie ein hohes Maß an Flexibilität im Hinblick auf die spektrale Lichtformung des Beleuchtungslichtstrahls dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (5) mindestens ein Mittel (7) zu räumlichen Aufspaltung des Ausgangslichtstrahls (3) in Teillichtstrahlen (8, 9) und mindestens ein Mittel zur spektralen Manipulation wenigstens eines der Teillichtstrahlen (8, 9) umfasst, und dass mindestens ein Strahlvereinigungsmittel vorgesehen ist, mit dem vorgebbare Teillichtstrahlen (9) zu einem Beleuchtungslichtstrahl (14) für das optische System vereinigbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für ein optisches System, insbesondere für ein Mikroskop, mit einer vorzugsweise breitbandiges Licht emittierenden Lichtquelle zur Bereitstellung eines Ausgangslichtstrahls und mit einer Filtereinrichtung.
Beleuchtungsvorrichtungen für optische Systeme, insbesondere für Mikroskope, sind in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsformen bekannt. Unterschieden werden können dabei grundsätzlich Beleuchtungsvorrichtungen, mit denen dem optischen System ein monochromatischer Beleuchtungslichtstrahl bereitgestellt wird, sowie Beleuchtungsvorrichtungen, die es erlauben, die spektrale Lichtformung des Beleuchtungslichtstrahls zu beeinflussen und einen Beleuchtungslichtstrahl mit mehreren vorgebbaren Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen zu erzeugen.

Zu den bekannten technischen Verfahren zur gezielten Beeinflussung der Lichtfarbe eines Beleuchtungslichtstrahls gehört beispielsweise der Einsatz von Filtern, mit denen aus einem breitbandigem Lichtspektrum ein schmaler Wellenlängenbereich ausgesondert werden kann. Filter sind jedoch unflexibel hinsichtlich der spektralen Lichtformung und darüber hinaus teuer in der Herstellung.

Um aus einem breitbandigen Lichtstrahl einen schmalbandigen Wellenlängenbereich auszuschneiden, der anschließend einem optischen Instrument zugeführt werden kann, werden als Alternative zu Filtern oftmals Monochromatoren eingesetzt. Der breitbandige Lichtstrahl wird dabei im Allgemeinen über eine Kollimationsoptik parallelisiert und mittels eines Prismas oder eines Beugungsgitters spektral zerlegt. Der gewünschte Teil des Spektrums wird mittels einer zusätzlichen Optik auf einen Austrittsspalt abgebildet. Durch Drehen des Prismas bzw. Verschieben des Beugungsgitters kann die ausgesonderte Wellenlänge verändert werden. Nachteilig an Monochromatoren ist insbesondere ihre Unhandlichkeit und die schwere Justierbarkeit, die seitens des Benutzers ein hohes Maß an Erfahrung erfordert. Darüber hinaus ist nachteilig, dass Monochromatoren relativ langsam arbeiten, so dass eine schnelle Veränderung der spektralen Zusammensetzung des erzeugten Beleuchtungslichtstrahls im Allgemeinen nicht möglich ist.

Zur Bereitstellung eines mehrere vorgebbare Spektralbereiche umfassenden Beleuchtungslichtstrahls ist aus der Praxis zudem der Einsatz mehrerer separater Lichtquellen bekannt, welche mittels eines Strahlteilermoduls zu einem einzelnen Strahlengang zusammengefasst werden. Die einzelnen Lichtquellen werden dabei in Abhängigkeit von den gewünschten Wellenlängen und/oder Wellenlängenbereichen geschaltet. Ein entscheidender Nachteil einer derartigen Beleuchtungsvorrichtung besteht darin, dass mehrere Lichtquellen erforderlich sind, was erhöhte Kosten für die Beleuchtungsvorrichtung zur Folge hat.

Bei einer Vielzahl von Untersuchungsverfahren, wie auch etwa in der kameragestützten Fluoreszenzmikroskopie, werden Experimente im Allgemeinen mit nur zwei Wellenlängen durchgeführt. Lediglich beispielhaft sei das Ratio-Imaging oder das Ion-Imaging genannt. Dabei werden die Wellenlängen gewöhnlich unter Zuhilfenahme einer Mechanik umgeschaltet, was störende Vibrationen, erhöhten Verschleiß und ähnliche Beeinträchtigungen zur Folge hat. Die Vibrationen können einen direkten nachteiligen Einfluss auf die Qualität der späteren Analyse der gewonnenen Mikroskopbilder haben. Ein weiterer Nachteil ist in der Tatsache zu sehen, dass die Umschaltung zwischen den Wellenlängen eine gewisse Zeit benötigt. Viele sehr zeitkritische Experimente sind daher nur unter großem Aufwand und unter Einsatz von vibrationsfreien mechanischen Schnellumschaltern möglich, was zu hohen Kosten derartiger Experimente führt.

Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungsvorrichtung für ein optisches System der eingangs genannten Art anzugeben, mit der eine kostengünstige, wartungsarme und vibrationsfreie Erzeugung eines mehrere Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche umfassenden Beleuchtungslichtstrahls ermöglicht ist, und bei der gleichzeitig ein hohes Maß an Flexibilität im Hinblick auf die spektrale Lichtformung des Beleuchtungslichtstrahls durch einen Benutzer gegeben ist.

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist die in Rede stehende Beleuchtungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung mindestens ein Mittel zur räumlichen Aufspaltung des Ausgangslichtstrahls in Teillichtstrahlen und mindestens ein Mittel zur spektralen Manipulation wenigstens eines der Teillichtstrahlen umfasst, und dass mindestens ein Strahlvereinigungsmittel vorgesehen ist, mit dem vorgeb bare Teillichtstrahlen zu einem Beleuchtungslichtstrahl für das optische System vereinigbar sind.

In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass eine simultane Beleuchtung einer Probe mit mehreren Wellenlängen dadurch erreicht werden kann, dass – ausgehend von einer breitbandigen Lichtquelle – eine Filtereinrichtung vorgesehen ist, die Mittel umfasst, mit denen der breitbandige Ausgangslichtstrahl in Teillichtstrahlen aufspaltbar ist. Erfindungsgemäß werden die erzeugten Teillichtstrahlen mit Hilfe geeigneter Mittel im Hinblick auf ihre spektrale Zusammensetzung manipuliert und danach mittels eines Strahlvereinigungsmittels zu einem Beleuchtungslichtstrahl vereinigt. Dieser ist sodann dem optischen System zuführbar, um dort beispielsweise in einer biologischen Probe durch die simultane Beleuchtung mit mehreren Wellenlängen Fluoreszenzanregungen verschiedener Fluorochrome zu erreichen.

Mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung ist somit ein kostengünstiges System geschaffen, das nur eine einzige Lichtquelle erfordert und bei dem zur Laufzeit eines Experiments keine bewegten mechanischen Teile vorhanden sind, so dass störende Vibrationen effektiv vermieden sind. Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung zeichnet sich des Weiteren durch ihre vielseitige Verwendbarkeit aus. So kann die Vorrichtung beispielsweise vorteilhaft in der herkömmlichen Lichtmikroskopie oder der Fluoreszenzmikroskopie sowie für unterschiedliche Beleuchtungsarten (Durchlicht, Auflicht) eingesetzt werden. Zudem kann die Vorrichtung für optische Untersuchungen in unterschiedlichsten Disziplinen zum Einsatz gebracht werden, wobei lediglich beispielhaft lichtoptische Experimente aus dem Bereich der Biologie, der Genetik oder der Materialforschung genannt seien. Im Ergebnis ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung somit eine universelle Lichtquelle geschaffen.

Im Hinblick auf eine hohe Benutzerfreundlichkeit können die Lichtquelle, die Mittel zur räumlichen Aufspaltung des Ausgangslichtstrahls, die Mittel zur spektralen Manipulation der Teillichtstrahlen sowie die Strahlvereinigungsmittel im Sinne eines Lampenhauses in einem Gehäuse angeordnet sein. Das Lampenhaus kann vom Benutzer entsprechend seiner konkreten Anforderungen ausgewählt und in einfacher Weise an dem optischen Instrument montiert werden.

Im Rahmen konkreter Ausführungsformen können die Mittel zur räumlichen Aufspaltung des Ausgangslichtstrahls als teildurchlässige Spiegel, als dichroitische Strahlteiler, als Bandkantenfilter, als Single-Line-Notch-Filter oder dergleichen ausgeführt sein. Im Konkreten können beispielsweise halbdurchlässige Spiegel vorgesehen sein, die 50% der auftreffenden Lichtintensität des Ausgangslichtstrahls in den reflektierten Teillichtstrahl und die anderen 50% der Lichtintensität in den den Spiegel passierenden Teillichtstrahl leiten. Beim Einsatz von Bandkantenfiltern kann ausgenutzt werden, dass die Filter beispielsweise für Wellenlängen oberhalb ihrer Bandkante im Wesentlichen transmissive und für Wellenlängen unterhalb ihrer Bandkante im Wesentlichen reflektive Eigenschaften aufweisen. Durch einen Single-Line-Notch-Filter können nahezu 100% des Lichts einer Wellenlänge in einen Teillichtstrahl reflektiert werden, während der Rest des längerwelligen Lichts in einen zweiten Teillichtstrahl durchgelassen wird.

Die Mittel zur spektralen Manipulation der Teillichtstrahlen sind bevorzugt als Spektralfilter ausgeführt. Sowohl die Mittel zur räumlichen Aufspaltung des Ausgangslichtstrahls als auch die Mittel zur spektralen Manipulation der Teillichtstrahlen können in vorteilhafter Weise in einen Filterwürfel integriert sein. So kann beispielsweise ein dichroitischer Strahlteiler diagonal im Inneren des Würfels angeordnet sein und die Lichtaustrittsflächen des Filterwürfels können als Spektralfilter für bestimmte Wellenlängen ausgebildet sein.

Zur Realisierung einer weiteren Verzweigung des Ausgangslichtstrahls in mehrere spektral unterschiedliche zusammengesetzte Teillichtstrahlen können mehrere Filterwürfel kaskadenartig hintereinander angeordnet sein. Dabei ist die Kaskade in vorteilhafter Weise auf der optischen Achse des Ausgangslichtstrahls angeordnet, so dass auf zusätzliche optische Bauteile, wie Umlenkspiegel oder ähnliches, verzichtet werden kann.

Zur Vereinigung von zwei Teillichtstrahlen könnten die Strahlvereinigungsmittel einen teildurchlässigen Spiegel umfassen. Insbesondere können die Strahlvereinigungsmittel auch als Lichtvereinigungswürfel ausgebildet sein, wobei der teildurchlässige Spiegel eine Diagonale des Würfels bilden könnte.

Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Kaskade aus Lichtvereinigungswürfeln vorgesehen, die vorzugsweise parallel zu der Kaskade der Filterwürfel angeordnet ist. Besonders vorteilhaft sind die Mittel zur räumlichen Aufspaltung des Ausgangslichtstrahls derart ausgelegt, dass einer der beiden erzeugten Teillichtstrahlen orthogonal zum Ausgangslichtstrahl und der andere Teillichtstrahl kollinear zum Ausgangslichtstrahl verläuft. Auf diese Weise ist es dann möglich, dass jeweils ein Filterwürfel und ein Lichtvereinigungswürfel paarweise einander zugeordnet sind.

In Bezug auf eine leichte Bedienbarkeit und eine flexible Adaption kann die Austauschbarkeit sowohl der Filterwürfel als auch der Lichtvereinigungswürfel vorgesehen sein. Dabei kann insbesondere eine Austauschbarkeit basierend auf der bekannten Einschiebetechnik vorgesehen sein, bei der die Würfel in den Strahlengang eingeschoben und dort in einer vorgegebenen Position eingerastet werden können. Im Hinblick auf einen höheren Grad der Automatisierung kann der Austausch der Würfel zudem mit Hilfe einer motorischen Einrichtung durchführbar sein.

Vorzugsweise wird der Ausgangslichtstrahl mittels einer der Lichtquelle nachgeschalteten Optik, die im einfachsten Fall als Sammellinse ausgebildet ist, in die Filtereinrichtung, d.h. genauer gesagt in den ersten Filterwürfel der Kaskade, eingekoppelt.

Zur Bereitstellung eines gleichmäßigen Breitbandspektrums im Ausgangslichtstrahl erweist sich die Verwendung einer Halogenlampe oder einer Gasentladungslampe als vorteilhaft. Bei der Auswahl der Lichtquelle sollte jedenfalls sichergestellt werden, dass diejenigen Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche, die für den Beleuchtungslichtstrahl ausgewählt werden sollen, im Emissionsspektrum der Lichtquelle mit ausreichender Intensität vorhanden sind.

Damit der erzeugte Beleuchtungslichtstrahl dem optischen System zugeführt werden kann, kann eine Optik zur Auskopplung des Beleuchtungslichtstrahls vorgesehen sein, mit der der Beleuchtungslichtstrahl beispielsweise auf die Eingangspupille des nachfolgenden optischen Systems abbildbar ist.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt
die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung für ein optisches System.
Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst eine als Gasentladungslampe 1 ausgeführte Lichtquelle 2, mit der ein einen breiten Spektralbereich umfassender Ausgangslichtstrahl 3 bereitgestellt wird. Der Ausgangslichtstrahl 3 wird mit einer Abbildungsoptik 4 auf eine Filtereinrichtung 5 abgebildet.
Die Filtereinrichtung 5 umfasst eine erste Kaskade aus Filterwürfeln 6, die auf der Strahlachse des Ausgangslichtstrahls 3 hintereinander angeordnet sind. Im Inneren jedes Filterwürfels 6 sind Mittel 7 zur räumlichen Aufspaltung des auftreffenden Lichtstrahls in einem Winkel von 45° zur Achse des Ausgangslichtstrahls 3 angeordnet. In jedem Filterwürfel 6 werden somit ein kollinear zum Ausgangslichtstrahl 3 verlaufender Teillichtstrahl 8 sowie ein orthogonal zum Ausgangslichtstrahl 3 verlaufender Teillichtstrahle 9 erzeugt. Die Aufspaltung in die Teillichtstrahlen 8 und 9 kann dabei wellenlängenunabhängig durchgeführt werden, so beispielsweise für den Fall, dass die Mittel 7 zur räumlichen Aufspaltung als teildurchlässige Spiegel ausgeführt sind. Alternativ dazu kann eine spektrale Lichtformung auch bereits bei der Aufspaltung in die Teillichtstrahlen 8 und 9 vorgenommen werden, indem als Mittel 7 zur räumlichen Aufspaltung beispielsweise Bandkantenfilter vorgesehen sind. Eine weitere gezielte spektrale Lichtformung der Teillichtstrahlen 9 wird dadurch erreicht, dass an den Lichtaustrittsflächen, durch die die Teillichtstrahlen 9 aus den Filterwürfeln 6 austreten, Spektralfilter 10 angeordnet sind. Für spezielle Anwendungen kann es vorteilhaft sein, auch an den Lichtaustrittsflächen, durch welche die Teillichtstrahlen 8 aus den Filterwürfeln 6 austreten, Filter vorzusehen.
Die aus dem Ausgangslichtstrahl 3 ausgeblendeten Teillichtstrahlen 9, welche diejenigen Wellenlängen umfassen, mit denen ein optisches System (nicht gezeigt) beleuchtet werden soll, treffen auf Lichtvereinigungswürfel 11, die ebenfalls kaskadenförmig angeordnet sind. Jeder Lichtvereinigungswürfel 11 korrespondiert dabei mit einem Filterwürfel 6.
Während der erste Lichtvereinigungswürfel 11 lediglich einen Umlenkspiegel 12 umfasst, ist in den nachfolgenden Lichtvereinigungswürfeln 11 jeweils ein teildurchlässiger Spiegel 13 integriert, mit denen die Teillichtstrahlen 9 zusammengeführt werden. Der auf diese Weise erzeugte Beleuchtungslichtstrahl 14 wird mittels einer Abbildungsoptik 15 auf die Eingangspupille des nachfolgenden optischen Systems abgebildet.
Die drei Punkte deuten an, dass die Kaskaden durch zusätzliche Filterwürfel 6 und Lichtvereinigungswürfel 11 beliebig kaskadierbar ist. Mit anderen Worten können die Würfel 6, 11 somit benutzerseitig entsprechend speziellen Anforderungen ausgewählt und mit Hilfe der bekannten Einschiebetechnik in den Strahlengang eingebracht werden. Durch die Austauschbarkeit der Würfel 6, 11 ist eine nahezu beliebige Beeinflussung der spektralen Zusammensetzung des Beleuchtungslichtstrahls 14 möglich.
Abschließend sei ganz besonders hervorgehoben, dass das zuvor rein willkürlich gewählte Ausführungsbeispiel lediglich zur Erörterung der erfindungsgemäßen Lehre dient, diese jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel einschränkt.

Claims

Beleuchtungsvorrichtung für ein optisches System, insbesondere für ein Mikroskop, mit einer vorzugsweise breitbandiges Licht emittierenden Lichtquelle (2) zur Bereitstellung eines Ausgangslichtstrahls (3) und mit einer Filtereinrichtung (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (5) mindestens ein Mittel (7) zur räumlichen Aufspaltung des Ausgangslichtstrahls (3) in Teillichtstrahlen (8, 9) und mindestens ein Mittel zur spektralen Manipulation wenigstens eines der Teillichtstrahlen (8, 9) umfasst, und dass mindestens ein Strahlvereinigungsmittel vorgesehen ist, mit dem vorgebbare Teillichtstrahlen (9) zu einem Beleuchtungslichtstrahl (14) für das optische System vereinigbar sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2), die Mittel (7) zur räumlichen Aufspaltung des Ausgangslichtstrahls (3), die Mittel zur spektralen Manipulation der Teillichtstrahlen (8, 9) und die Strahlvereinigungsmittel im Sinne eines Lampenhauses in einem Gehäuse angeordnet sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur (7) räumlichen Aufspaltung des Ausgangslichtstrahls (3) als teildurchlässige Spiegel, als dichroitische Strahlteiler, als Bandkantenfilter, als Single-Line-Notch-Filter oder dergleichen ausgeführt sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur spektralen Manipulation der Teillichtstrahlen (8, 9) als Spektralfilter (10) ausgeführt sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7) zur räumlichen Aufspaltung des Ausgangslichtstrahls (3) und die Mittel zur spektralen Manipulation der Teillichtstrahlen (8, 9) in einen Filterwürfel (6) integriert sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Filterwürfel (6) kaskadenartig hintereinander angeordnet sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaskade auf der optischen Achse des Ausgangslichtstrahls (3) angelegt ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlvereinigungsmittel einen teildurchlässigen Spiegel (13) umfassen.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlvereinigungsmittel als Lichtvereinigungswürfel (11) ausgebildet sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der Kaskade der Filterwürfel (6) eine Kaskade aus Lichtvereinigungswürfeln (11) gebildet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7) zur räumlichen Aufspaltung des Ausgangslichtstrahls (3) zur Erzeugung von orthogonal zum Ausgangslichtstrahl (3) verlaufenden Teillichtstrahlen (9) ausgelegt sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Filterwürfel (6) ein korrespondierender Lichtvereinigungswürtel (11) zugeordnet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwürfel (6) und/oder die Lichtvereinigungswürfel (11) austauschbar sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, gekennzeichnet durch eine motorische Einrichtung zum Austauschen der Filterwürfel (6) und/oder der Lichtvereinigungswürfel (11).
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtquelle (2) eine Optik (4) zur Einkopplung des Ausgangslichtstrahls (3) in die Filtereinrichtung (5) nachgeschaltet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Lichtquelle (2) um eine Halogenlampe, eine Gasentladungslampe (1) oder dergleichen handelt.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch eine Optik (15) zur Auskopplung des Beleuchtungslichtstrahls (14).