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Mikroskope
sind in einer Vielzahl an Variationen im Handel erhältlich.
Sie sind im Allgemeinen als stationäre Tischgeräte ausgelegt. Die Existenz
eines leicht zu transportierenden Mikroskopes, ausgelegt als "Reisemikroskop" mit praktischem
Tragegriff für
eine häufige
Verlegung des Einsatzortes ist bisher nicht bekannt.
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Batteriebetriebene
Mikroskope enthalten Leuchtdioden (LED) als Lichtquellen, weil diese
im Gegensatz zu Glüh- oder Gaslampen deutlich
weniger elektrische Leistung erfor dern. Über die Verwendung von LEDs
in Mikroskopen gibt es zahlreiche Veröffentlichungen. Im Falle einer
Fluoreszenz-Auflichtbeleuchtung findet
man als Favorit die blau strahlende LED "Luxeon® Star" von Lumileds®.
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Die
in Datenblättern
gezeigte reine winkelabhängige
Strahlungscharakteristik wird zur Auslegung von Beleuchtungssystemen
herangezogen. Weniger bekannt ist vermutlich, dass die in Datenblättern gezeigte Strahlungscharakteristik
das Ergebnis einer Messmethode zeigt, bei der ein Goniometer mit
relativ großflächigem (1
cm2) Detektor in einem Messabstand von 10
oder 31,6 cm (CIE, International Commission on Illumination) verwendet
wird. Man ist aber beim Entwurf von Beleuchtungssystemen oft gezwungen,
viel kleinere Abstände
zur LED zu verwenden, wo die Strahlungscharakteristik sowohl Winkel-
als auch Ortsabhängigkeit
aufweist. In einer Ebene direkt oberhalb der LED empfängt man
die Oberflächenstrahlung
des Chips und daneben je nach Bauform auch seitlich aus dem Chip
austretende und nach vorn reflektierte Strahlung, falls der Chip
in einer Reflektorwanne eingebettet ist. Die reflektierte Strahlung
stammt damit virtuell aus einer Ebene, die sich hinter der Chipoberfläche befindet.
Diese komplexen Verhältnisse
werden selten im Zusammenhang mit LED-Beleuchtungssystemen detailliert
diskutiert.
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Experimentelle
Untersuchungen finden oft mit vorgegebenen Bauteilen statt (zum
Beispiel käufliche Linsen
oder den als Zubehör
erhältlichen
Reflektor zur Luxeon Star, siehe G. Mazzini et. al.: Improvements
in fluorescence microscopy allowed by high power light emitting
diodes, Current Issues on Multidisciplinary Microscopy Research
and Education, Formatex 2004, http://www.formatex.org/micro2003/papers/181-188.pdf. Damit besteht
bereits die Einschränkung
auf solche experimentellen Ergebnisse, die mit diesen Bauteilen
bestenfalls zu erzielen sind, und es fehlt die Möglichkeit der theoretischen
Behandlung der Optimierung mit gegebenenfalls anderen Bauteilen
und die Angabe der Effektivität
in absoluten Werten. Wegen der großen Bedeutung der Optimierung
für ein
batteriebetriebenes Reisemikroskop mit Leuchtdioden-Beleuchtung
wird dieses Thema hier noch einmal aufgegriffen.
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Viele,
aber nicht alle Mikroskope beinhalten einen Kondensor. Als Kondensorbeleuchtung
wird in der Regel eine Glühbirne
verwendet. Mit seitlich in den Kondensor einschiebbaren (Ring-)Blenden
können
verschiedene Kontrasteffekte erzeugt werden, darunter auch Schräglicht-
(beziehungsweise Ringlicht-) und Dunkelfeldbeleuchtung. Die optische
Wirkung besteht in der Ausblendung gewisser Bereiche in einem ausgedehnten
Strahlenbündel.
In der
DE 37 34 691
A1 ist eine Matrix-Anordnung aus vielen LEDs anstelle einer
Lampe und Blenden beschrieben. Hier wird das mechanische Bauteil
der Blenden durch eine Vielzahl elektronisch angesteuerter LED-Pixel
ersetzt. Durch entsprechende Ansteuerung einzelner Pixel lassen
sich aktiv strahlende Muster erzeugen, welche die Wirkung der Blenden
in der konventionellen Ausführung
nachbilden. Das aktiv strahlende Muster entspricht in seiner Form
dann dem komplementären
Muster der passiven Blendenabschattung.
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Zur
Reduzierung der Komplexität – insbesondere
hinsichtlich der Verdrahtung – wurde
bei dem hier beschriebenen Reisemikroskop als Lichtquelle nur eine
einzige LED im Kondensor eingebaut. Zur Nachbildung der Ringblenden
wurde ein passives Bauteil verwendet, welches die lichtdurchlässigen Bereiche
von Blendenanordnungen 1:1 nachbildet. Es gibt Liquid Crystal Displays
(LCDs), die durch Ansteuerung einzelner Pixel als Lichtmodulatoren
für ein
durchlaufendes Lichtbündel
verwendet werden können.
Bei hinreichend kleinen Pixeln kann der Übergang von Hellfeld-Durchlichtbeleuchtung
bis hin zur Dunkelfeldbeleuchtung nahezu stufenlos erfolgen. Dabei
ist auch eine Anpassung an Objektive unterschiedlicher Numerischer
Apertur und unterschiedlicher Vergrößerung möglich, was nach der in
DE 31 08 389 A1 beschriebenen
Anordnung nicht möglich
ist. In der
DE 196
44 662 A1 wird auf dieses Problem hingewiesen. Dort jedoch
wird ein relativ großer LCD-Projektor
verwendet. Diese Lösung
kann für
ein kleines batteriebetriebenes Reisemikroskop nicht angewandt werden.
Da auch keine Orientierungs- oder Schriftzeichen benötigt werden,
wie dies bei einer Ausführung
nach
DE 196 44 662
A1 möglich
wäre und
zur Einsparung von optischen Bauteilen, wurde das LCD nicht in einer
zur Leuchtfeld- oder Aperturblendenebene gelegt.
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Zum
Schutz empfindlicher optischer, mechanischer und elektronischer
Teile nach außen
gegen Staub und Spritzwasser sind verschiedene Methoden geläufig, wie
zum Beispiel Gummidichtungen oder Kunststoffdichtungen in Gehäuseteilen.
Zur Dichtung nach außen
herausragender Wellen werden in der Regel O- oder X-Ringe aus zum
Beispiel Gummi oder so genannte Simmerringe verwendet. Zum Ausgleich
von Bautoleranzen und zur Abdichtung gegen kleinste Partikel müssen diese
Dichtelemente auf dem Mantel der Welle allseits eng anliegen, was
durch einen (elastischen) Druck der Dichtungen auf die Welle realisiert
wird. Bedingt durch die Existenz eines Schermoduls der Materialien,
aus denen O- und X-Ringe bestehen, kann ein rückstellendes Drehmoment entstehen,
wenn eine Welle nach Drehbetätigung – hier:
Welle mit Drehknopf zur Fokussierung des betrachteten Objektes – losgelassen
wird mit der Folge, dass die Welle sich wieder ein wenig zurückdreht. Das
einmal scharf eingestellte Objekt würde sich danach in einer zuvor
durchfahrenen Ebene befinden, die unscharf abgebildet wird. Dieses
Problem muss hier gelöst
werden.
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Mikroskope
enthalten eine Höhenverstellung
zum Zweck der Fokussierung, wobei eine Drehbewegung am Drehknopf
in eine vertikale Translationsbewegung umgesetzt wird. Häufig wird
dazu eine Kombination bestehend aus Ritzel und Zahnstange verwendet.
Als Lager und Führung
der Arbeitsplatte bei unterschiedlicher Höhe wird häufig eine Schwalbenschwanzführung verwendet,
in der ausreichende Haltekräfte durch
Reibung bauartbedingt gegeben sein müssen, damit die Arbeitsplatte
nach Höhenverstellung
in der angefahrenen Position verbleibt und sich nicht durch das
Eigengewicht wieder absenkt. Damit ist noch keine Selbsthemmung
verbunden. Bei dem hier beschriebenen Reisemikroskop dürfen keine äußeren staubempfindlichen
Teile verwendet werden, wie dies bei Schwalbenschwanzführungen
und Getrieben der Fall ist. Unter tropischen Bedingungen können zudem
nur Bauteile eingesetzt werden, die keine Öle oder Fette als Schmierstoffe
erfordern.
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Aus
diesen Gründen
müssen
hier besondere Überlegungen
der mechanischen Konstruktion vorgenommen werden.
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Die
Existenz eines Mikroskopes mit akustischem Signalgeber zur Meldung
des Batteriezustandes ist bisher ebenfalls nicht bekannt.
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Gegenstand
der Erfindung ist ein kleines, leicht zu transportierendes Mikroskop
mit Batterie- beziehungsweise Akkubetrieb, welches im Reiseeinsatz
einer rauen Handhabung und wechselnden klimatischen Bedingungen
ausgesetzt ist, mit den zusätzlichen
Anforderungen der Selbsthaltung der Arbeitsplatte nach manueller
Fokussierung und akustischer Anzeige des Spannungs- beziehungsweise
Ladezustandes von Batterie beziehungsweise Akku. Das Mikroskop enthält eine
effiziente Auflichtbeleuchtung und eine Kondensor-Durchlichtbeleuchtung
mit elektronisch verstellbarem Kontrasteffekt, nahezu stufenlos
von Hellfeld/Durchlicht bis Dunkelfeld bei der Einsatzmöglichkeit
von Objektiven mit unterschiedlicher Vergrößerung und Numerischer Apertur.
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Anstelle
von zerbrechlichen Lichtquellen werden auch hier Leuchtdioden eingesetzt.
Die Beleuchtungssysteme sind zur optimalen Ausnutzung des von den
Leuchtdioden erzeugten Lichtes ausgelegt. Der Kondensor kann auf
Grund der Verwendung einer kleinen LED als Lichtquelle ebenfalls
klein dimensioniert werden. Zur Erzeugung verschiedener Kontrasteffekte
sowie Dunkelfeldbeleuchtung wird ein LCD mit elektronisch gesteuerter
nahezu kontinuierlich von innen nach außen laufenden kreisförmigen optischen
Sperre und ringförmigen
transparenten Schlitzen verwendet. Dies hat den Vorteil des Ersatzes
mechanischer Teile und die Vermeidung von Dichtungsproblemen, wenn
diese mechanischen Bauteile zwecks Bedienung/Verschiebung nach außen herausragen
sollten.
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Da
ein Reisemikroskop einem rauen Betrieb ausgesetzt sein kann, wurde
die Höhenverstellung
mit selbsthemmenden Bauteilen ausgeführt, die eine stärkere Belastung
der Arbeitsplatte erlauben, ohne dass diese sich absenken kann.
Zur manuellen Höhenverstellung
dient auch hier eine nach außen
ragende Drehachse mit Drehknopf. Zur Abdichtung wurde hier jedoch
auf den Einsatz eng anliegender elastischer Dichtungsmaterialien
verzichtet, weil die Drehachse sehr leichtgängig gelagert werden soll und
das Rückstelldrehmoment
elastischer Wellendichtungen zu einer geringen Verschiebung der
Arbeitsplatte führen
kann, nachdem diese los gelassen wurde. Das zu untersuchende mikroskopische
Objekt würde
damit aus dem einmal eingestellten Fokus wieder herausgleiten. Der
Verzicht auf die hochdichtenden Bauteile im Falle der Drehachse bewirkt
eine mindere Schutzart an dieser Stelle. Das stellt sich zunächst als
Nachteil dar, wird aber dadurch gelöst, dass mechanische, optische
und elektronische Bauteile zu Baugruppen zusammengefasst und in räumlich getrennten
Bereichen des Mikroskopes untergebracht werden, wobei verschiedene
Methoden der Abdichtung gegen Staub und Feuchtigkeit verwendet werden.
Somit entsteht ein Mehrkammer-Dichtungssystem. Die mechanische Kammer
unterliegt dem geringsten Schutz, der durch die Verwendung von Buchsen
als Lager zwar Staub aber keine Feuchtigkeit abhält. Das Problem entfällt jedoch
bei Verwendung nichtrostender Materialien.
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Bei
einem Reisemikroskop mit Batterie- beziehungsweise Akku-Speisung
ist die Spannungs- beziehungsweise Ladungsüberwachung eine wichtige Hilfe
für den
Benutzer. Neben einer optischen Anzeige stellt sich die Aufgabe
einer zusätzlichen
akustischen Signalisierung. Da generell darauf geachtet wurde, dass
keine empfindlichen Bauteile aus dem Gehäuse herausragen, kommt nur
ein Einbau eines akustischen Signalgebers im Inneren des Gehäuses in
Frage. Doch dann entsteht das Problem, wie bei begrenzter elektrischer
Betriebsleistung noch ausreichend Schallintensität nach außen gelangen kann. Die Lösung besteht
in einer akustischen Kopplung des Signalgebers an das Gehäuse, wodurch
darin Körperschall
erzeugt wird, der nach außen abgestrahlt
wird.
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Anspruch 1:
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Der
Griff befindet sich so weit wie möglich im oberen Bereich des
Gerätes
an einer Position, die oberhalb des Schwerpunktes liegt. Dadurch
lässt sich
das Gerät
sehr ein fach und schnell zu wechselnden Einsatzorten transportieren
(1).
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Ansprüche 2 und 3:
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Die
folgende Tabelle zeigt die Empfindlichkeit gegenüber Staub und Feuchtigkeit
für verschiedene Bauteile:
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Bei
Verwendung nicht rostender Materialien ist die Feuchtigkeitsempfindlichkeit
mechanischer Bauteile gering. Elektronische Bauteile mit metallischem
Mantel können
oxidieren. Bei Feuchtigkeit und Schmutz können Kriechströme in elektronischen
Schaltungen entstehen. Bei Feuchtigkeit besteht Kondensationsgefahr.
Staub und Kondensation auf Linsen und in der Nähe einer Bildebene führen zu
Funktionseinschränkungen.
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Die
Idee ist, alle elektronischen Bauteile zu einer Baugruppe zusammenzufassen
und im Gerätefuß der Elektronik-Kammer 2,
zu platzieren. Mechanische Teile, darunter bewegliche Teile, werden
im Unterteil des Gehäuses,
der Mechanik-Kammer 3, platziert. Im Oberteil des Gehäuses, der
Optik-Kammer 4, werden optische Bauteile platziert. Der
Kondensor 5 ist ebenfalls als eine Optik-Kammer anzusehen.
Auf diese Weise entsteht ein Mehrkammer-System (1).
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Elektronik-Kammer 2:
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Diese
enthält
unten eine Öffnung,
passend für
einen Deckel 6 zum Auswechseln der Batterien. Die Dichtung
erfolgt mit einer Flachdichtung 7 aus zum Beispiel Silikon.
Nach oben zum Gehäuse
weisend befindet sich eine geschlossene Membran 8, zum
Beispiel aus Silikon. Die damit erreichte Schutzart beträgt mindestens
IP64.
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Mechanik-Kammer 3:
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Diese
enthält
bewegliche mechanische Teile, von denen einige nach außen ragen:
Zylinderstifte 9 und eine Drehachse 10 mit einem
Drehknopf 11 zur Höhenverstellung
der Arbeitsplatte 12. Die Zylinderstifte sind von Führungen
mit Abstreifern 13 umfasst, welche das Eindringen von Fremdstoffen
verhindern. Bei der Drehachse besteht die Forderung, dass diese
leichtgängig
sein muss. Eng anliegende Dichtungen wie zum Beispiel O-Ringe aus
zum Beispiel Gummi könnten
zuviel Gleitreibung erzeugen, welche die Bedienung der Höhenverstellung
stören.
Ferner bewirkt eine Haftreibung ein rückstellendes Drehmoment nach
Verdrehung der Achse, wodurch ein einmal in den Fokus gebrachtes
mikroskopisches Objekt nach dem Loslassen des Drehknopfes wieder
aus der Fokusebene herausgleiten würde. Aus diesem Grunde wurde
zur Lagerung der Drehachse eine Gleitbuchse 22 (2)
verwendet, welche nicht als hochdichtendes Bauteil angesehen werden
kann. Die Schutzart der Mechanik-Kammer ist also relativ gering,
was wegen der geringeren Dichtungsanforderungen der Mechanik (siehe
obige Tabelle) bei Verwendung rostfreier Materialien nicht weiter
stört.
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Optik-Kammer 4:
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Diese
ist nach unten gegen die Mechanik-Kammer 3 durch eine geschlossene
Wand 14 getrennt. Ein O-Ring 15, am Okular 16 anliegend,
dichtet die Optik-Kammer dort nach außen ab. Richtung Objektiv 17 befindet
sich ein Glasfenster 18, welches mit einem dichtenden Klebstoff
gehalten wird. Die Objektive 17 selber werden in Standardausführung hergestellt
und enthalten keinen weiteren Schutz. Sie sind daher als Verschleißteile zu
betrachten. Die Schutzart der Optik-Kammer beträgt mindestens IP64.
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Der
Kondensor 5 ist auch als Optik-Kammer in diesem Sinne zu
betrachten. Die Kontaktseite Richtung Arbeitsplatte 12 ist
mittels eines umlaufenden O-Rings 19 abgedichtet. Die dem
zu untersuchenden Objekt zugewandte Linse 20 ist mit einem
dichtenden Klebstoff eingebaut.
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Ein
seitlich an das Gehäuse 21 angeschraubter
Deckel (nicht dargestellt) enthält
entweder eine am Rand umlaufende Rundschnur oder nimmt eine eingelegte
Flachdichtung auf. In der Dichtung 8 und in der Wand 14 befinden
sich Löcher
zur Durchführung
von elektrischen Leitungen. Die Dichtung in den Löchern erfolgt
mit einem elastischen Klebstoff. Diese Elastizität erlaubt einen Druckausgleich
zwischen den Kammern des Dichtungssystems.
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Ansprüche 4 bis 7:
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Die
Drehachse 10 ist im Inneren des Mikroskopes als Gewindestange
ausgeführt
(2). Ein quaderförmiger Klotz 23 weist
im unteren Bereich ein Gewinde 24 auf. Durch Drehung der
Drehachse 10 wird der Klotz verschoben und führt somit
eine Translationsbewegung aus. Ferner enthält der Klotz eine Ausfräsung in Form
einer schiefen Ebene 25, durch die ein Zapfen 26 greift,
der mit dem Zylinderstift 9 verbunden ist. Die schiefe
Ebene 25 überführt die
waagerechte Translation des Klotzes in eine senkrechte Translation
von Zapfen 26 und Zylinderstift 9 zur Arbeitsplatte 12 mit
einer Untersetzung entsprechend der Steilheit. Die Umsetzung der
verschiedenen Bewegungen erfolgt in einem ein zigen Bauteil, dem
Klotz 23. Das Gewicht der Arbeitsplatte 12 erzeugt
an der Berührung
des Zapfens 26 mit der schiefen Ebene 25 eine
senkrecht zur schiefen Ebene stehende Komponente 27 und
diese wiederum eine nach links gerichtete Kraftkomponente 28,
die den Klotz an die Gewindestange drückt. Dadurch entsteht eine
Selbsthaltung durch Reibung, ähnlich
wie bei einer Kombination bestehend aus Schnecke und Zahnscheibe.
Durch diese Selbsthaltung kann die Arbeitsplatte 12 stark belastet
werden, ohne abwärts
zu gleiten.
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Ansprüche 8 bis 14:
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Wegen
des transportablen und reisefähigen
Anspruches des Mikroskopes werden zur Beleuchtung LEDs verwendet,
weil diese unzerbrechlich und leicht sind und relativ wenig elektrische
Leistungen benötigen. Die
hier beschriebene Ausführung
einer Auflichtbeleuchtung bezieht sich nicht auf unendlich ausgelegte
Objektive.
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Die
Datenblätter
von LEDs zeigen im Allgemeinen einen recht glatten Verlauf der winkelabhängigen Strahlungscharakteristik,
weil die Messvorschrift nach CIE (International Commission on Illumination)
dazu eine Detektorfläche
von 1 cm2 und einen Abstand von 10 cm beziehungsweise
31,6 cm empfiehlt. In unmittelbarer Nähe der LED ist die Strahlungscharakteristik
aber im Allgemeinen viel komplizierter und ortsabhängig. Dort
müsste
sie mit einem entsprechend kleineren Detektor gemessen werden. Die
Komplexität
ergibt sich aus der Tatsache, dass neben der Oberflächenstrahlung
des Chips noch seitlich Strahlung austritt, die bei vielen LEDs
durch Einbettung des Chips in eine Reflektorwanne ebenfalls zur
Beleuchtung zur Verfügung
steht. Dadurch entsteht eine virtuelle Lichtquelle hinter der Chipoberfläche. Zudem
wirkt das tropfenförmige
Gehäuse der
meisten 5 mm- LEDs
noch als Linse. Es gibt zurzeit keine optische Anordnung, die es
ermöglicht,
die gesamte Strahlung heutiger LEDs zur Beleuchtung eines kleinen
Bereiches zu nutzen.
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Es
gibt aber auch reine Oberflächenstrahler
mit dünner
Schutzschicht, die eine diffuse Strahlung nach dem (nicht notwendigerweise)
Lambertschen Gesetz abgeben. Eine solche LED mit hoher Lichtleistung
wird hier verwendet. Die Strahlerfläche einer derartigen LED lässt sich
gut abbilden. Das zugehörige
Modell für Strahldurchrechnungsprogramme
ist trivial.
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Bei
nicht auf Unendlich korrigierten Objektiven ist das Zwischenbild 29 in
der Entfernung "optische
Tubuslänge" (bo) von der Fassung/Austrittsöffnung 30 der
letzten Objektivlinse entfernt (3). B bezeichnet den
Durchmesser der Austrittsöffnung
und ∅z den Durchmesser des Zwischenbildes. In der geometrisch-strahlenoptischen
Betrachtungsweise der Optik sind alle vorkommenden Lichtstrahlen
in dem Raum zwischen Objektiv und Zwischenbild durch folgende Eigenschaften
gekennzeichnet:
- 1. Der Strahl tritt aus der
Austrittsöffnung 30 aus.
- 2. Der Strahl ist derart gerichtet, dass er durch die Fläche des
Zwischenbildes 29 stößt.
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Während erstens
unmittelbar einleuchtet, folgt zweitens aus dem geometrisch-strahlenoptischen
Modell der Optik. Bei der Konstruktion von Abbildungsproblemen werden
Strahlen verwendet, deren Zielpunkt sich in der begrenzten Fläche des
Zwischenbildes befindet. Grundsätzlich
alle Strahlen, welche die beiden Eigenschaften erfüllen, und
nur diese können
zur Entstehung des Zwischenbildes beitragen.
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Die
Idee der effizienten Auflichtbeleuchtung besteht darin, eine optische
Anordnung zu schaffen, welche Lichtstrahlen erzeugt, die der Umkehrung
der beiden obigen geometrischen Eigenschaften entsprechen. Das Zwischenbild
wird dabei durch einen Strahler gleicher Größe ersetzt, dessen ausgesandte
Lichtstrahlen nur in die Austrittsöffnung fallen. Da Zwischenbild
und Objekt zueinander konjugiert sind, dienen all diese Strahlen
der Beleuchtung. Die Umkehrung der obigen Bedingungen lautet:
- 1. Der Strahl tritt aus dem Zwischenbild 29 aus
oder seine Verlängerung
durchstößt das Zwischenbild,
falls sich der Strahler nicht in der Zwischenbildebene befinden
sollte.
- 2. Der Strahl ist derart gerichtet, dass er durch die Fläche der
Austrittsöffnung 30 stößt.
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Grundsätzlich alle
Strahlen, welche die beiden Bedingungen erfüllen, und nur diese können zur
Beleuchtung des Objektbereiches beitragen, der zum Zwischenbild
konjugiert ist.
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Zur Übertragung
der Strahlung der LED 31 wird eine Linse 32 (4)
oder ein Linsensystem verwendet. Die Aufgabe wird zunächst als
Abbildung betrachtet, wobei die Strahlerfläche der LED mit dem Durchmesser
G (im Falle einer quadratischen LED wird der Durchmesser des einbeschriebenen
Kreises verwendet) auf die Austrittsöffnung 30 mit dem
Durchmesser B als reelles Luftbild abgebildet wird. Daraus ergibt
sich der Abbildungsmaßstab
m (negativ bei seitenverkehrten Bildern): m = –B/G
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Um
die Bedingung unter Ziffer 1 zu erfüllen, wird der objektivseitig
optisch genutzte Durchmesser ∅L einer
Linse oder eines Linsensystems gleich ∅z gewählt und
als Bildentfernung b (Abstand der Austrittsöffnung zur bildseitigen Hauptebene
Hb) die optische Tubuslänge des Objektives. Die Entfernung
zwischen der LED-seitigen Hauptebene Hg und
der LED g folgt aus: g = –m/b.
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Die
Erfüllung
der Bedingung unter Ziffer 2 ist nun Aufgabe der Linse.
Beim Entwurf dieser Linse ist darauf zu achten, dass der Rand scharf
abgebildet wird. Im Falle einer Bildfeldwölbung ist für die Größe b die Entfernung zu wählen, welche
zu einer scharfen Randabbildung führt, weil ansonsten Verluste
auftreten würden.
Die Abbildungsqualität
nahe der optischen Achse kann vernachlässigt werden, weil die Aufgabenstellung grundsätzlich ein
Beleuchtungsproblem und nur im Ansatz ein Abbildungsproblem ist.
Die Auffassung als Abbildung ermöglicht
aber die Angaben von grundlegenden Linsendaten.
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Die
Linse ist zur Optimierung der Effizienz so zu formen, dass die LED-seitige
Numerische Apertur oder der Lichtleitwert L möglichst groß wird. Das theoretische Maximum
kann über
die Gleichsetzung der beiderseitigen Lichtleitwerte bestimmt werden.
In skalarer Schreibweise:
oder in brauchbarer Näherung:
ΩGπ(G/2)2 = ΩBπ(B/2)2 (1). -
Obige
Gleichungen enthalten nur geometrische Größen. Optische Verluste, wie
sie beim Übergang zwischen
verschiedenen optischen Medien auftreten, können darin nicht berücksichtigt
werden.
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AG = π(G/2)2 ist die Größe LED-Strahlerfläche (beziehungsweise
die Fläche
des einbeschriebenen Kreises) und AB = π(B/2)2 die Größe der Fläche der
Austrittsöffnung.
dAG ist ein Flächenelement in der Ebene der
LED-Strahlerfläche
und dAB ein Flächenelement in der Ebene der
Austrittsöffnung.
Die Raumwinkel ergeben sich aus der Fläche einer Kugelkappe in der
jeweiligen Hauptebene mit dem Durchmesser ∅L geteilt
durch die Quadrate der Radien der Kugeln Rb 2 = b2 + (∅L/2)2 beziehungsweise
Rg 2 = g2 +
(∅L/2)2 (siehe 4).
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Die
Linse beziehungsweise das Linsensystem ist also so zu formen, dass ΩG möglichst
den Wert des physikalischen Grenzfalles erreicht. Aus (1) geht durch
Umformung hervor: ΩG = ΩB(B/G)2 = m2 ΩB (2).
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Diese
Lösung
entnimmt der LED nur diejenigen Strahlen, die auch wirklich zu einer
Beleuchtung führen.
Strahlen, welche die LED unter einem größeren Winkel zur optischen
Achse verlassen und nicht auf die Linse treffen, können nicht
genutzt werden.
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Es
bleibt noch zu diskutieren, was passiert, falls die Linse nicht
in der Zwischenbildebene 29 des Mikroskopes angebracht
ist (5). Der Abbildungsmaßstab m muss unverändert bleiben.
Der von der Austrittsöffnung 30 aus
gese hene Raumwinkel ΩB, begrenzt vom Linsenrand, ist nicht konstant.
Das liegt daran, dass der Raumwinkel von der Austrittsöffnung aus
zu betrachten ist und nicht ausgehend vom Schnittpunkt der Randstrahlen
des Lichtkegels.
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Sei
nun die Linse an der Stelle b2 > bo (optische) Tubuslänge weiter
weg positioniert mit einem entsprechend angepassten größeren Durchmesser.
Der Raumwinkel ΩB ist dann kleiner. Für eine verlustfreie Linse,
die Gleichung (2) erfüllt,
bedeutet dies, dass der Raumwinkel ΩG der
LED-Strahlung ebenfalls kleiner wird. Der LED wird weniger Strahlung
entnommen und die Effizienz sinkt.
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Für den Fall
b1 < bo
(optische Tubuslänge)
vergrößert sich
der Raumwinkel ΩB. Für
eine verlustfreie Linse, die die Gleichung (2) erfüllt, wird
der Raumwinkel ΩG der LED-Strahlung
ebenfalls größer. Der
LED wird also mehr Strahlung entnommen, was zunächst vorteilhaft erscheint.
Doch dann treten Strahlen 33 (gestrichelt in 5)
auf, welche die geometrische Bedingung unter Ziffer 1 verletzen:
Der nach rechts verlängerte
Strahl 33 stößt auf den
Rand einer Kreisfläche
in der Zwischenbildebene, dessen Durchmesser ∅1 größer als ∅z
ist. (Es lassen sich durch Rotation um die optische Achse beliebig
viele solcher Strahlen erzeugen). Entsprechend wird auf der Objektseite
des Objektives ein größeres Gebiet
beleuchtet, weil Objekt und Zwischenbild zueinander durch die Abbildung
des Objektives konjugiert sind. Das nun größere objektseitige Gebiet ist
aber nicht mehr für
die Betrachtung durch das Okular vorgesehen oder kann nicht vollständig betrachtet
werden, wenn das Zwischenbild durch eine Feldblende begrenzt ist.
Dieser Fall ist als Verlust zu betrachten.
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Die
Darstellung gemäß 5a enthält nur normierte
Größen:
- b':
- Abstand b (Abstand
Austrittsöffnung
zur Linse), normiert mit bo (optische Tubuslänge),
- Ω':
- Raumwinkel ΩB(b) im Abstand b, normiert mit dem Raumwinkel ΩB im Fall von b = bo,
- F':
- die zu ∅1 gehörende
Kreisfläche,
normiert mit der Fläche
des Zwischenbildes.
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Als "Effizienz" wird folgender Ausdruck
dargestellt: Effizienz (b') = Ω'(b')/ F'(b').
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5a zeigt,
dass die Effizienz tatsächlich
bei b = bo maximal wird. Dieser Fall wird realisiert durch eine
Linse, deren objektivseitige Hauptebene sich in der Zwischenbildebene
befindet mit einem Linsendurchmesser entsprechend dem Durchmesser ∅z
des Zwischenbildes.
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Es
sei noch einmal betont, dass diese Berechnung auf rein geometrischen
Größen, wie
zum Beispiel dem Lichtleitwert beruhen. Es bleibt unberücksichtigt,
wie viel optische Leistung ein "Lichtstrahl" tatsächlich mit sich
führt.
Eine solche Berechnung wäre
sehr aufwändig
und würde
vermutlich ein abgerundetes Maximum der Effizienz (kein Knick wie
in der 5a) zeigen und das vermutlich
bei einem Abstand b leicht unterhalb von bo (optische Tubuslänge).
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In
der Praxis kann es nützlich
sein, das Objekt tatsächlich
auch etwas in der nahen Umgebung des mikroskopisch beobachtbaren
Bereiches auszuleuchten. Dazu wäre
es besser, die Linse in der Zwischenbildebene zu belassen und mit
einem größeren Durchmesser
auszulegen. In diesem Fall wird der LED auch mehr Strahlung zur
Ausleuchtung der Umgebung des nun vergrößerten Bereichs entnommen.
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Zur
Homogenität
der Beleuchtung: Für
den Abbildungsvorgang des Objektives vom Objekt zum Zwischenbild
liegt die Austrittsöffnung
des Objektives in einer lichtintensitätsbegrenzenden Ebene, das Zwischenbild
dagegen in einer feldbegrenzenden Ebene.
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Für die Beleuchtungsanordnung
herrschen umgekehrte Verhältnisse.
Sollte das von der Linse beziehungsweise Linsensystem erzeugte Bild
der LED eine ungleichmäßige Intensitätsverteilung
aufweisen (zum Beispiel Schatten, hervorgerufen durch eine Elektrode
auf dem LED-Chip), so herrscht dennoch in einer Ebene der Linse
(Zwischenbildebene) Homogenität
im Rahmen der Strahlungscharakteristik der LED und der zum Rand
zunehmenden Reflexionsverluste und damit auch bei der Beleuchtung
des Objektes, weil Zwischenbild und Objekt zueinander konjugiert
sind.
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Zur
praktischen Ausführung
muss das Licht der Auflichtbeleuchtung über einen Strahlteiler 34 (4) eingekoppelt
werden, damit Linse und LED die Betrachtung des Zwischenbildes durch
das Okular nicht behindern. Im Falle einer Fluoreszenz-Auflichtbeleuchtung
wird man einen dichroischen Spiegel anstelle eines Strahlteilers
verwenden.
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Ein
Rechenbeispiel für
einen Strahler mit richtungsunabhängiger Strahlungsdichte (Lambertscher Strahler):
Gegeben seien: bo = 170 mm, G = 1 mm, m = 6,5 mm, ∅z =
18 mm, G = 1 mm und LED: Osram Golden Dragon.
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Mit
konsequenter Berücksichtung
des Lambertschen Strahlungsgesetzes, jedoch unter der Annahme einer
verlust freien Linse ergibt eine ausführliche Rechnung, dass theoretisch
knapp 12 % aller Photonen den Objektbereich erreichen. Dieser Wert
ist ziemlich klein. Der Grund ist, dass der Lichtleitwert der LED
in diesem Beispiel für
die Beleuchtungsanwendung zu groß ist. Die hier beschriebene
Methode schafft verlustfreie Bedingungen in dem Bereich zwischen
Linse und Objektiv. Strahlerseitig wird die volle Fläche genutzt
bei Verzicht auf weniger intensive Strahlen weit abgewinkelter Strahlen
(Lambertsches Gesetz), die zusätzlich
am Linsenrand mit großem
Einfallswinkel auftreffen und mehr Reflexionsverluste (Fresnel-Verluste)
erleiden würden.
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Eines
der Entwurfskriterien einer Linse als idealer Transformator nach
Gleichung (2) räumt
der Abbildung der lichtdurchflossenen Flächen Vorrang gegenüber den
Raumwinkeln ein. Der LED-seitige Raumwinkel ΩG wird
nicht größer als
zur Optimierung notwendig. Auch das ist ein Effizienzvorteil, weil
dann der LED vorzugsweise die "wertvollen" Strahlen entnommen
werden. Das sind Strahlen mit den geringsten Verlusten bei Wichtung
nach Lambert und Fresnel.
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Es
soll nun der Fall mit einer handelsüblichen LED mit nicht Lambertscher
Strahlungscharakteristik behandelt werden:
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Anspruch 14:
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Handelsübliche LED
mit Reflektorwanne: Für
eine solche gängige
LED wird ein Strahlermodell diskutiert, bei dem strahlende Teilbereiche
vorhanden sind, die wenigstens in einem praktisch nutzbaren Raumwinkelbereich
annähernd
diffus strahlen. 6 zeigt einen LED-Chip 35 mit
einem Durchmesser G1, der Oberflächenstrahlung
aussendet. Seitlich austretende Strahlung wird durch eine Reflektorwanne 36 nach
vorne gelenkt. Dadurch entsteht eine virtuelle Lichtquelle der Ausdehnung
G2 an einer anderen Position auf der optischen
Achse. Die Idee ist, zwei Abbildungsprobleme in ihrer Auswirkung
auf die genannten geometrischen Bedingungen zu diskutieren. Die
Oberflächenstrahlung
(grau) bestimmt maßgeblich
die Bildausdehnung B an der Stelle b = bo (37). Der Abbildungsmaßstab ist
dann mit m = B/G1 zu wählen. Das Bild der virtuellen
Seitenstrahlung (schwarz) erscheint bei 38. In diesem vereinfachten
Strahlermodell erfüllen
alle genutzten Strahlen die beiden Bedingungen zur Nutzung als Beleuchtung.
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Bei
handelsüblichen
LEDs dieser Bauart wirkt das in Strahlerrichtung abgerundete EPOXY-Gehäuse als
Lupe, so dass man nur virtuelle Bilder der Strahlerquellen sieht.
Die Abmessungen dieser virtuellen Quellen sind dann in ein Strahlendurchrechnungsprogramm
zum Entwurf der Linse einzugeben. Man kann diese Abmessungen zum
Beispiel mit einer CCD-Kamera mit kalibriertem Makro-Objektiv ausmessen.
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Ansprüche 17 bis 20: (7):
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Kondensoren
sind so ausgelegt, dass in ihrem Inneren ein Bereich 39 entsteht,
wie in 7 dargestellt, in dem nahezu parallel verlaufende
Lichtstrahlen auftreten. Eine der Lichtquelle zugewandte Linse 40 oder
ein Linsensystem hat die Aufgabe, diese Parallelität zu erzeugen.
Als Strahler wurde auch hier wieder eine nur auf der Oberfläche strahlende
LED 50 mit Lambertscher Strahlercharakteristik verwendet,
weil sich diese gut abbilden lässt.
Als Linsensystem 40 wurde eine einzige asphärische Linse
verwendet. Eine andere asphärische
Linse 41 dient dazu, dass parallele Licht zu fokussieren.
In dem Bereich des konvergenten Strahlenbüschels 42 befindet
sich – wie
bei Kondensoren allgemein üblich – eine Halbkugellinse 43.
Die gekrümmte Seite
bewirkt fast keine Brechung, weil die Lichtstrahlen dort nahezu
senkrecht auftreffen. Die flache Seite erzeugt durch starke Brechung
ein weit aufgefächertes
Strahlenbüschel 44,
was dem Kondensor eine hohe Numerische Apertur verleiht. Aufgrund
der hier vorherrschenden kleinen Abmessungen kann die Dicke des
Objektträgers – eine Glasplatte 45 genormter
Dicke – nicht
vernachlässigt
werden. Sie ist optisch als Teil der Halbkugellinse zu betrachten.
In dem Bereich des parallel verlaufenden Strahlenganges kann eine
Blende 46 mit ringförmigen
Segmenten 47 eingeschoben werden. Dann sind nur noch die
tief schwarz gezeichneten Strahlen wirksam, die am Ausgang des Kondensors
das Dunkelfeld 48 erzeugen, bei dem keine direkte Strahlung
in das Objektiv 17 fällt,
sondern nur Streulicht, hervorgerufen durch Streuung am zu untersuchendem
Objekt, das sich am Ort des Lichtfleckes 49 befindet.
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Falls
die Größe der Strahlerfläche der
LED so groß ist
wie die angestrebte Größe des Beleuchtungsfleckes 49 auf
dem Objektträger,
können
die beiden Linsen 40 und 41 von gleicher Bauart
sein (1:1 Abbildung).
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Falls
keine nur auf der Oberfläche
strahlende LED mit Lambertscher Strahlercharakteristik in der gewünschten
Leuchtfarbe verfügbar
ist, zeigt 8 eine alternative Anordnung
der Kondensorbeleuchtung für die
Verwendung von einfachen LEDs (5 mm Durchmesser) 51. Diese
Anordnung kann dann von Bedeutung sein, wenn zum Beispiel eine weiß strahlende
LED gewünscht
wird. Über
ein Linsensystem 52 wird die Strahlung zu einem Fleck 53 konzentriert.
Dieser wird durch eine Lochblende 55 zusätzlich begrenzt.
In diesem Ausführungsbeispiel
wurden drei gleichartige Plankonvexlinsen verwendet. Die rechte
Linse 54 weist rechtsseitig eine plane Fläche auf,
die ein weit gefächertes
Strahlenbüschel 56 erzeugt.
Ein Strahlenbüschel
hinreichender Divergenz wird für
die volle Ausleuchtung der Kondensorlinse 40 benötigt. Die
Position der Lochblende 55 entspricht der Position der
LED 50 in 7.
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9 zeigt
einen zum Stand der Technik gehörenden,
verschiebbaren Blechstreifen 57 mit mehreren Ringblenden.
Ein solches Blech kann anstelle der Blende 46 seitlich
in den Kondensor 5 eingeführt und verschoben werden.
Das Loch 58 bewirkt keine Einschränkung der Strahlen im Kondensor
und erzeugt auch keinen kontrastverbessernden Effekt (Hellfeld,
Köhlersche
Beleuchtung). Die Blenden 59 erzeugen einen so genannten
Ringlicht-Kontrast, während
die Blende 60 mit den schmalen lichtdurchlässigen Segmenten
den Dunkelfeldeffekt erzeugt, wie auch die Blende 46 in 7.
Ein solches Bauteil hat den Nachteil, dass es seitlich aus dem Kondensor 5 herausragen
würde und
daher Dichtungsprobleme hervorruft.
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Die
Lösungsidee
besteht darin, ein elektronisches Bauteil im Inneren des Kondensors
zu verwenden, mit dem die gleichen Effekte erzeugt werden können wie
mit den Blenden des Blechsstreifens 57. Dazu eignet sich
ein LCD. Das LCD 61 besteht aus in einem Gitter angeordneten
Flüssigkristallzellen 62,
die sich elektronisch einzeln durchsichtig oder undurchsichtig schalten
lassen (10). Man erkennt im linken Teil
der 10 ein ähnliches
Muster, wie bei der Blende 60 des Blechstreifens dargestellt
ist. Falls zwischen den einzelnen Pixeln 62 Lücken 63 bestehen,
die sich nicht undurchsichtig schalten lassen, verbleibt bei Dunkelsteuerung des
LCD ein dünnes
transparentes Gitter. Damit ließe
sich kein Dunkelfeld-Effekt erzeugen. Deshalb muss das LCD zusätzlich mit
zum Beispiel einer Glasplatte 64 abgedeckt werden, auf
der eine schwarze Gitterstruktur 65 aufgebracht ist, die
in ihrer Geometrie dem transparenten Gitter des LCD entspricht und
dieses abdeckt. Damit lässt
sich das gewünschte
Ergebnis 66 erzielen, das rechts in 10 gezeigt
ist.
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Das
LCD muss für
Transmissionsbeleuchtung ausgelegt sein und ein hohes Kontrastverhältnis (gute Abdunklung)
aufweisen. Bei einer hohen Pixeldichte kann der Übergang von der uneingeschränkten Transmission
(Loch 58) zu Dunkelfeld 60 nahezu kontinuierlich
gesteuert werden. Es erfolgt eine von innen nach außen sich
ausbreitende Abschattung.
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Das
LCD befindet sich nicht in einer feldbegrenzenden Ebene. Es erfolgt
also eine reine Richtungsmodulation (die mit einer Helligkeitsmodulation
einhergeht). Die Ansteuerung des LCDS nimmt ein Mikroprozessor vor,
der auf Schaltelemente reagiert, die vom Benutzer betätigt werden.
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Anspruch 21: Akustischer
Signalgeber (11):
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Beim
Einschalten des Mikroskopes wird eine Tonfolge erzeugt, falls die
Betriebsspannung beziehungsweise der Ladezustand der Akkus für den Betrieb
bedenkenlos ist. Bei kritischer Betriebsspannung wird dagegen ein
tieffrequenter Tonpuls unmittelbar nach dem Einschalten und bei
jedem Wechsel der Beleuchtungsrichtung erzeugt.
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Das
Problem der Schallerzeugung nach außen bei einem Bauteil im abgedichteten
Gehäuse
wird durch Ankleben eines der schwingenden Teile eines Signalgebers
an das Gehäuse 21 gelöst. Dadurch
entsteht Körperschall
im Gehäuse,
der nach außen
abgestrahlt wird. Als Signalgeber eignen sich unter anderem dynamische
Lautsprecher. Ein scheibenförmiger
Piezo-elektrischer Töner 67 ist
besser geeignet, weil er zwei flache Seiten enthält und damit mehr Kontaktfläche zum
Verkleben an das Gehäuse
bereitstellt.
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Im
Ausführungsbeispiel
besteht die Tonfolge aus der aufsteigenden Quinte, ausgehend vom
Kammerton a. Dieses Signal ist auch beim Hochfahren von Notebook-Rechnern
zu hören
und bekannt.
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12 zeigt
einen Strahlenverlauf mit der erfindungsgemäßen Linse. Ein raytracing-Programm
würde den
in 12 dargestellten Strahlenverlauf zeigen, nämlich, keine
parallel verlaufenden Strahlen. Paralleles Licht ergäbe sich
bei der Verwendung eines Punktstrahlers, das heißt, bei einer LED mit kleiner
Lochblende (Pin-Hole). In diesem Fall ergäbe sich jedoch nur eine sehr
kleine Lichtausbeute. Die erfindungsgemäße Linse besitzt eine viel
größere Numerische
Apertur, so dass auch eine hohe Lichtausbeute gewährleistet
ist.
