DE102006022590C5

DE102006022590C5 - Beleuchtungseinheit für ein Mikroskop

Info

Publication number: DE102006022590C5
Application number: DE200610022590
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Sander
Original assignee: Leica Microsystems Schweiz AG
Current assignee: Leica Instruments Singapore Pte Ltd
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2006-05-15
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2026-05-16
Also published as: DE102006022590A1; DE102006022590B4

Abstract

Stereo- oder Operationsmikroskop-Beleuchtungseinheit (12), zur Erzeugung eines Beleuchtungsstrahlengangs, wobei die Beleuchtungseinheit (12) eine Lichtquelle (1) und einen Umlenkspiegel (7) zum Umleiten des Beleuchtungsstrahlengangs auf das Objektfeld (6) des Mikroskops (11) aufweist, und wobei mindestens ein Mikrodisplay (3') in den Beleuchtungsstrahlengang eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkspiegel (7) als Mikrospiegel-Array (7') mit individuell ansteuerbaren und einstellbaren Mikrospiegeln (40) ausgestaltet ist, so dass das Mikrospiegel-Array (7') eine sphärische Komponente aufweist, wobei das zumindest eine Mikrodisplay (3') zwischen der Lichtquelle (1) und dem Umlenkspielgel (7) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stereo- oder Operationsmikroskop-Beleuchtungseinheit zur Erzeugung eines Beleuchtungsstrahlengangs, wobei die Beleuchtungseinheit in einer Ausführungsform einen Umlenkspiegel zum Umleiten des Beleuchtungsstrahlengangs auf das Objektfeld des Mikroskops aufweist, und wobei mindestens ein Mikrodisplay in den Beleuchtungsstrahlengang eingesetzt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Stereo- oder Operationsmikroskop zur Erzeugung eines Objektbildes mit einer solchen Beleuchtungseinheit.
Derartige Beleuchtungseinheiten können in ein Mikroskop integriert sein oder als externe Einheiten an ein Mikroskop angeschlossen werden. In der Regel weist die Beleuchtungseinheit einen Umlenkspiegel auf, der den Beleuchtungsstrahlengang auf das Objektfeld des Mikroskops leitet, um ein dort befindliches Objekt zu beleuchten. Es sind Beleuchtungseinheiten bekannt, bei denen dieser Umlenkspiegel vom Objektfeld aus betrachtet hinter dem Hauptobjektiv des Mikroskops angeordnet ist, so dass der Beleuchtungsstrahlengang gemeinsam mit dem Beobachtungsstrahlengang durch das Hauptobjektiv des Mikroskops geführt wird. Andererseits sind Beleuchtungseinheiten bekannt, bei denen der Beleuchtungsstrahlengang separat neben dem Hauptobjektiv des Mikroskops über einen Umlenkspiegel auf das Objektfeld geleitet wird.
Eine Beleuchtungseinheit für ein Mikroskop enthält in der Regel eine oder mehrere der folgenden Komponenten: eine Lichtquelle, wie eine Glüh- oder Halogenlampe, eine Quecksilberdampf-, Xenon- oder LED-Lampe, wobei auch Licht über einen Lichtwellenleiter (Faserlichtleiter) in die Beleuchtungseinheit eingekoppelt werden kann, und wobei es sich bei den Lichtquellen um kohärente oder inkohärente Strahlungsquellen handeln kann, eine Leuchtfeldblende (Irisblende) zur Einstellung eines gewünschten Leuchtfeld-Durchmessers auf dem Objektfeld sowie eine Linsengruppe zur Abbildung der Leuchtfeldblende in die gewünschte Objektebene. Diese Abbildung wird durch das Hauptobjektiv des Mikroskops vorgenommen, wenn die Beleuchtung durch dieses Hauptobjektiv geführt wird. Weiterhin kann ein Beleuchtungszoom in der Beleuchtungseinheit vorgesehen sein. Die Helligkeit läßt sich bei einer Beleuchtungseinheit optomechanisch beispielsweise mittels einer in der Beleuchtungsapertur angeordneten Irisblende oder mittels eines Beleuchtungszooms beeinflussen, wobei das Beleuchtungszoom sowohl den Durchmesser des Leuchtfelds als auch die Beleuchtungsapertur beeinflusst.
Bei einem bekannten, von der Anmelderin hergestellten Operationsmikroskop M690 wird der Leuchtfelddurchmesser der Beleuchtung, also der Durchmesser des durch den Beleuchtungsstrahlengang im Objektfeld erzeugten Leuchtfelds, in Abhängigkeit von der Vergrößerung des Mikroskops und damit in Abhängigkeit von dem Sehfelddurchmesser des Zoomsystems auf optomechanischem Weg gesteuert. Das Leuchtfeld paßt sich somit durch Verstellung von Linsen in der Beleuchtungsoptik und durch Veränderung von Irisblenden automatisch der Mikroskopvergrößerung an.
Die DE 196 44 662 A1 offenbart eine gattungsgemäße Beleuchtungseinheit für ein Mikroskop mit einer Lichtquelle und einer Beleuchtungsoptik, wobei im Beleuchtungsstrahlengang des Mikroskops ein LCD angeordnet ist, wobei das Beleuchtungslicht von der Lichtquelle über das LCD auf das Objekt gelenkt wird. Über eine Steuereinrichtung wird auf dem LCD ein beliebiges Transparent-/Opaquemuster erzeugt. Das LCD ist in einer zur Leuchtfeld- oder Aperturblendenebene konjugierten Ebene angeordnet und weist eine flächige Matrix mit einzeln ansteuerbaren Pixeln auf. Auf diese Weise lassen sich mit dem LCD verschiedenste Blendenformen und Blendengrößen erzeugen. Insbesondere können Daten über das gerade verwendete Objektiv an die Steuereinrichtung weitergegeben und hieraus die notwendige Blendengröße und Blendenform bestimmt werden. Bei dem in dieser Schrift vorgeschlagenen Mikroskop handelt es sich um ein Durchlichtmikroskop, bei dem naturgemäß das Hauptobjektiv weit entfernt von der Beleuchtungseinheit, insbesondere dem Umlenkspiegel der Beleuchtungseinheit, entfernt liegt. Dies hat zwar einerseits den Vorteil, dass unerwünschte Reflexe nicht in das Hauptobjektiv gelangen, andererseits aber den Nachteil, dass Streulicht, das zur Beleuchtung eingesetzt werden könnte, ebenfalls nicht das Hauptobjektiv erreicht, womit ein Lichtverlust verbunden ist.
Aus der DE 10 2004 016 253 A1 ist ein Rastermikroskop mit einer Lichtquelle zur Erzeugung eines Beleuchtungslichtstrahles bekannt, wobei mittels eines Objektivs der Beleuchtungslichtstrahl auf eine Probe fokussiert wird. Weiterhin ist eine Strahlablenkvorrichtung vorgesehen, die den Fokus des Beleuchtungslichtstrahls über die Probe führt, sowie eine Detektionseinrichtung, die von der Probe ausgehendes Detektionslicht empfängt. In dieser Schrift sind Mittel zur Erzeugung eines Manipulationsbeleuchtungsmusters vorgeschlagen, wobei es sich bei diesen Mitteln um ein LCD-Element oder aber um eine Mikrospiegel-Array handeln kann. Mit dem dort vorgeschlagenen Rastermikroskop kann eine Probe sowohl in bestimmten Bereichen manipuliert als auch vorzugsweise simultan beobachtet werden. Durch Abtasten der Probe kann ein dreidimensionales Bild erhalten werden. Die konfokale Raster- oder Scanmikroskopie ist nicht Gegenstand vorliegender Anmeldung, die Mikroskope wie Stereo- oder Operati onsmikroskope, insbesondere zur visuellen Beobachtung von Objekten betrifft. Hinweise auf die Verringerung des Lichtverlusts beim Beleuchten einer Probe finden sich in dieser Schrift nicht.
Aus der DE 199 60 583 A1 ist ebenfalls ein Konfokalmikroskop bekannt, bei dem ein Mikrospiegel-Array eingesetzt wird. Die Mikrospiegel des Mikrospiegel-Arrays können zwei unterschiedliche Positionen (Beleuchtungs- und Detektionsposition) einnehmen, so dass diejenigen Mikrospiegel in der Beleuchtungsposition Beleuchtungslicht einer Quelle auf die Probe lenken, während Mikrospiegel in der Detektionsposition von der Probe ausgehendes Detektionslicht in Richtung eines Detektors lenken. Auf die der Anmeldung zugrundeliegenden Probleme wird in dieser Schrift nicht eingegangen.
In der DE 10 2004 015 586 A1 ist eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Mikroskop offenbart, bei der das Licht einer Lichtquelle mittels einer Feldblendenprojektionslinse auf eine Probe fokussiert wird, die über ein Mikroskop abgebildet wird. Die Beleuchtung unerwünschter Bereiche der Probe soll hierbei unterdrückt werden. Hierzu ist auf der Beleuchtungsachse zwischen Lichtquelle und Feldblendenprojektionslinse ein Mikrospiegel-Array vorgesehen. Der genannten Feldblendenprojektionslinse ist ferner ein Umlenkspiegel nachgeschaltet, der den Beleuchtungsstrahlengang auf die zu untersuchende Probe lenkt. Die Mikrospiegel können zwei Positionen (”Ein”- und ”Aus”-Stellung) einnehmen, wobei die Orientierung der Mikrospiegel zur Beleuchtungsachse derart gewählt wird, dass nur Mikrospiegel in der ”Ein”-Stellung Beleuchtungslichtstrahlen auf die Probe richten. Auf diese Weise kann die Probe beispielsweise mit einem Hell-/Dunkelmuster zur Fluoreszenzbeobachtung beleuchtet werden. Die Frage eines Lichtverlusts bei der Beleuchtung stellt sich hier nicht.
Aus der Druckschrift DE 103 52 040 A1 ist eine Anordnung mit einem zweidimensionalen Array zur Erzeugung von Blenden und/oder Filtern im Beleuchtungsstrahlengang bekannt, wobei es sich bei diesem Array um ein Mikrospiegel-Array oder ein transmissives Array (Mikrodisplay) handeln kann.
Eine Steuereinheit steuert die einzelnen Elemente des Arrays zur Realisierung einer bestimmten Blenden- oder Filterfunktion an. Es handelt sich hier folglich um eine ähnliche Lehre wie die der bereits behandelten Druckschrift DE 196 44 662 A1 .
Schließlich behandelt die DE 101 16 723 C1 in allgemeiner Weise Aufbau, Funktionsweise und Einsatzbeispiele von Mikrospiegel-Arrays. Der Einsatz eines solchen Arrays zur Realisation optischer Korrekturen ist angesprochen.
In der US 5,748,367 und der hierzu korrespondierenden CH 693804 A5 ist schließlich eine Beleuchtungseinrichtung für ein Stereomikroskop beschrieben, wobei der Beleuchtungsstrahlengang separat neben dem Hauptobjektiv des Mikroskops über einen Umlenkspiegel auf das Objektfeld geleitet wird. Der Winkel dieses Umlenkspiegels wird durch die jeweilige Brennweite des variablen Hauptobjektivs bestimmt und entsprechend eingestellt, damit das Leuchtfeld in Abhängigkeit von der eingestellten Brennweite immer zum Sehfeld zentriert ist.
Weiterhin wird bei der Beleuchtungseinrichtung gemäß genannter Schrift eine Linsengruppe in der Beleuchtungseinrichtung entsprechend der gewählten Brennweite des Hauptobjektivs des Mikroskops angesteuert, um eine optisch einwandfreie Abbildung der Leuchtfeldblende zu erzielen. Die Vergrößerung des Stereomikroskops erfolgt durch ein Zoomsystem. Deshalb wird in der vorliegenden Schrift von diesem Zoomsystem der Durchmesser einer Iris(Leuchtfeld-)blende gesteuert. Die genannten Steuerungen erfolgen sämtlich elektromechanisch und bedingen eine aufwendige genaue Mechanik, komplexe motorische Antriebe, bewegbare optische Elemente und eine entsprechend präzise mechanische Führung sowie nicht zuletzt komplexe Steuerungsalgorithmen.
Vorliegender Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kompakte Stereo- oder Operationsmikroskop-Beleuchtungseinheit vorzuschlagen, mit der bei möglichst geringem Lichtverlust auf einfache Weise eine Anpassung der Beleuchtung an das Sehfeld möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Stereo- oder Operationsmikroskop-Beleuchtungseinheit gemäß Anspruch 1 sowie durch ein entsprechendes Mikroskop gemäß Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Gemäß dem ersten Merkmal der Erfindung wird eine Stereo- oder Operationsmikroskop-Beleuchtungseinheit zur Erzeugung eines Beleuchtungsstrahlengangs vorgeschlagen, wobei diese Beleuchtungseinheit einen Umlenkspiegel zum Umleiten des Beleuchtungsstrahlengangs auf das Objektfeld des Mikroskops aufweist, wobei dieser Umlenkspiegel als Mikrospiegel-Array mit individuell ansteuerbaren und einstellbaren Mikrospiegeln ausgestaltet ist. Ein solches Mikrospiegel-Array besteht in der Regel aus einer zweidimensionalen Anordnung einer Vielzahl von Mikrospiegeln, die entweder einzeln oder geeignet kombiniert, in ihrer Winkelstellung elektronisch angesteuert und damit verstellt werden können. Hierbei bleibt das die Mikrospiegel aufnehmende Grundelement in seiner Winkellage unverändert. Dennoch kann im Mikrobereich die Spiegelorientierung verändert werden. Dies hat die gleiche Wirkung wie das Verkippen eines Makrospiegels. Im Gegensatz zur Verkippung eines Makrospiegels bedarf die Verkippung der Mikrospiegel bei feststehendem Grundelement viel weniger Raum. Somit kann eine kleinbauende, kompakte Beleuchtungseinheit realisiert und mit dem Mikroskop kombiniert werden.
Durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines Mikrospiegel-Arrays als Umlenkspiegel in der Beleuchtungseinheit kann das durch den Beleuchtungsstrahlengang im Objektfeld erzeugte Leuchtfeld in seiner Lage gezielt verändert und somit an das Sehfeld angepaßt, beispielsweise zum Sehfeld zentriert, werden. Weiterhin kann mit einem Mikrospiegel-Array eine beliebige Geometrie des Leuchtfelds, also ein beliebiges Leuchtfeldmuster, durch entsprechende Ansteuerung des Spiegel-Arrays erzeugt werden, wobei sich die erzeugten Leuchtfeldgeometrien zudem zeitlich variieren lassen. Beispielsweise kann anstelle eines runden Leuchtfeldes ein spaltförmiges Leuchtfeld projiziert werden. Weiterhin läßt sich der Durchmesser von runden oder ringförmigen Leuchtfeldern verändern. Es lassen sich auch Streifen- oder Gittermuster zur Darstellung der Topographie eines Objektes auf dem Objektfeld generieren. Zur Vermeidung von Reflexen lassen sich beispielsweise auch mondphasenförmige Muster erstellen. Somit bietet der Einsatz eines Mikrospiegel-Arrays vielfältige Möglichkeiten der Anpassung der Beleuchtung an ein gewünschtes Sehfeld bei einer mikroskopischen Untersuchung. Die bisher übliche Einstellung des Leuchtfelds über eine Leuchtfeldblende führte zudem zu einem Lichtverlust, welcher bei Verwendung eines Mikrospiegel-Arrays nicht auftritt, da dieses alles zur Verfügung stehende Licht verwenden, d. h. zur Erzeugung einer gewünschten Leuchtfeldgeometrie reflektieren kann.
Die Generierung zeitlich variierender Leuchtfeldgeometrien, z. B. die Generierung eines gepulsten Leuchtfeldmusters, auch im Sinne einer stroboskopischen Beleuchtung, kann zur Reduzierung der Lichtmenge im Leuchtfeld aus Gründen des Schutzes des zu untersuchenden Objektes (Zellen, Gewebe, Auge) sinnvoll sein.
Eine weitere Möglichkeit beim Einsatz eines Mikrospiegel-Arrays als Umlenkspiegel in der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit besteht in der räumlichen Variation der Lichtintensität des Leuchtfeldes. Hierdurch kann z. B. eine mittenbetonte, beispielsweise glockenförmige Verteilung der Leuchtfeldintensität in der Objektebene in einfacher Weise und unabhängig von der Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle hergestellt werden. Hierdurch können interessierende Objektbereiche stärker beleuchtet werden, während periphere Bereiche einer geringeren Beleuchtung (und damit Belastung) ausgesetzt sind.
Gemäß dem zweiten Merkmal der vorliegenden Erfindung wird bei der genannten Beleuchtungseinheit mindestens ein Mikrodisplay in den Beleuchtungsstrahlengang eingesetzt.
Durch Einsatz eines oder mehrerer Mikrodisplays in den Beleuchtungsstrahlengang zwischen dem vorhandenen Umlenkspiegel und der Lichtquelle kann wiederum die Leuchtfeldgeometrie und die Lage des Leuchtfelds durch entsprechende Ansteuerung des Mikrodisplays vorgegeben und variiert werden. Die bereits im Zusammenhang mit dem ersten Merkmal der Erfindung besprochenen Ausgestaltungen sowie die dort geschilderten Vorteile gelten in analoger Weise für das zweite Merkmal der Erfindung. Lediglich kursorisch seien nochmals die Möglichkeiten der Erzeugung verschiedener Leuchtfeldmuster und einer räumlichen Variation der Licht- bzw. Leuchtfeldintensität genannt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf das oben im Zusammenhang mit dem ersten Merkmal der Erfindung Ausgeführte verwiesen.
Prinzipiell sind Mikrodisplays in gleicher Weise wie Mikrospiegel-Arrays per se im Stand der Technik bekannt. Daher sollen Einzelheiten der Ansteuerung von Mikrospiegel-Arrays bzw. Mikrodisplays in vorliegender Patentanmeldung nicht im einzelnen erläutert werden. Hierzu sei auf den bekannten Stand der Technik verwiesen. Mikrodisplays werden etwa in Video- oder Bildschirmbrillen integriert und werden auch als Displays für Handcomputergeräte, wie Mobiltelefone, PDAs etc. verwendet. Mikroelektromechanische Systeme (MEMS), die mit winzigen Spiegeln ausgerüstet sind und mit Front- und Rückprojektion arbeiten, sollen im Rahmen vorliegender Anmeldung unter den Oberbegriff Mikrospiegel-Arrays fallen. Weiterhin lassen sich Mikrodisplays in transmissive und reflektive Displays einteilen, wobei transmissive Displays mit Hintergrundbeleuchtung arbeiten. Solch ein transmissives Display kann folglich im Rahmen vorliegender Erfindung von dem Beleuchtungsstrahlengang selbst „beleuchtet” oder durchsetzt werden. Auf diesem Display können Bildmuster generiert werden, die die Leuchtfeldform bzw. -geometrie in gewünschter Weise verändern. Nachteil transmissiver Displays bei diesem Einsatz ist der schlechte Transmissionsgrad, so dass vorteilhaft reflektive Displays zum Einsatz kommen können. Hierdurch wird die Effizienz der Beleuchtung wesentlich gesteigert. Wird dieses Display in den Beleuchtungsstrahlengang einer beschriebenen Beleuchtungseinheit zwischen Umlenkspiegel und Lichtquelle oder Lichtleiter eingesetzt, muß der Strahlengang wegen der Reflektion am Display zusätzlich gefaltet werden. Dies kann bezüglich der Baugröße (Baulänge) und des Volumens der Beleuchtungseinheit zusätzlich von Vorteil sein.
Ein reflektives Display kann auch als Um lenkspiegel in einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit verwendet werden. In diesem Fall soll im Rahmen vorliegender Anmeldung ein solches als Umlenkspiegel verwendetes reflektives Display unter den Oberbegriff Mikrospiegel-Array (gemäß erstem Merkmal der Erfindung) fallen.
Eine Beleuchtungseinheit gemäß Erfindung läßt sich aus den besagten Gründen mit Vorteil in ein Stereo- und/oder Operationsmikroskop integrieren oder an ein solches Mikroskop ankoppeln. Als wesentliche Komponenten eines solchen Mikroskops seien hier genannt: ein Mikroskoptubus und ein Okular, wobei auch eine Kamera an das Mikroskop angeschlossen sein kann. Solche Mikroskope sind ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt und sollen daher im folgenden nicht im Detail erläutert werden.
Bei Verwendung eines solchen Mikroskops mit einem Hauptobjektiv variabler Brennweite, wie es üblicherweise in Operationsmikroskopen für die Neurochirurgie vorhanden ist, ist es im Rahmen vorliegender Erfindung vorteilhaft, wenn die Mikrospiegel des Mikrospiegel-Arrays bzw. mindestens ein Mikrodisplay der Beleuchtungseinheit derart ansteuerbar sind, dass das durch den Beleuchtungsstrahlengang im Objektfeld erzeugte Leuchtfeld in Abhängigkeit von der eingestellten Brennweite des Hauptobjektivs veränderbar ist. Die Veränderbarkeit des Leuchtfelds bezieht sich dabei insbesondere auf die Form, Größe, Lage und/oder Lichtintensität des Leuchtfelds. Der Zusammenhang zwischen eingestellter Brennweite des Hauptobjektivs und der notwendigen Nachführung der Lage des Leuchtfelds zur Anpassung an das Sehfeld wurde bereits oben im Zusammenhang mit Mikroskopen erläutert, bei denen die Beleuchtung separat neben dem Hauptobjektiv über einen Spiegel auf das Objekt gelenkt wird. Die Vorteile der Veränderbarkeit der Leuchtfeldgeometrie und -intensität wurde ebenfalls bereits oben im Zusammenhang mit Mikroskopen erläutert.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich für Stereo- oder Operationsmikroskope, bei denen die Beleuchtung durch das Hauptobjektiv geführt wird. Im Sinne einer adaptiven Optik lassen sich nämlich in Abhängigkeit von der Brennweite des Hauptobjektivs z. B. entstehende Randunschärfen des Leuchtfeldes mit einem Mikrospiegel-Array korrigieren, ohne eine Linse in der Beleuchtungsoptik verschieben zu müssen. Hierzu können die Mikrospiegel derart verstellt werden, dass das Mikrospiegel-Array zusätzlich eine sphärische Komponente aufweist. Hierdurch kann das optische System deutlich vereinfacht werden, da keine komplexen hochkorrigierten Abbildungssysteme erforderlich sind.
Ein weiterer Vorteil einer Beleuchtungseinheit gemäß Erfindung ergibt sich für Stereo- und/oder Operationsmikroskope, die mit einem Zoomsystem zur variablen Vergrößerung des Objektbildes ausgestattet sind. Auch hier ist es zweckmäßig, wenn die Mikrospiegel des Mikrospiegel-Arrays bzw. mindestens ein Mikrodisplay der Beleuchtungseinheit derart ansteuerbar sind, dass das durch den Beleuchtungsstrahlengang im Objektfeld erzeugte Leuchtfeld in Abhängigkeit von der eingestellten Zoomvergrößerung veränderbar ist. Durch die Veränderung des Leuchtfelddurchmessers in Abhängigkeit von der Zoomeinstellung kann das Leuchtfeld beim Zoomvorgang immer dem Sehfeld angepaßt werden. Mit wachsender Zoomvergrößerung wird nämlich das Sehfeld kleiner, also muss auch der Leuchtfelddurchmesser verkleinert werden. Dies führt zu einer Helligkeitszunahme im Objektfeld bei Verwendung eines Mikrospiegel-Arrays. Da aber gleichzeitig die wachsende Zoomvergrößerung zu einer Abnahme der Helligkeit (im Okular) führt, können sich beide Effekte kompensieren. Hiermit läßt sich also eine Konstanz in der Helligkeit für den Beobachter und/oder für die Dokumentation (mittels nachgeschalteter Kamera) erreichen. Dies erlaubt ein ermüdungsfreies Arbeiten für den Beobachter bzw. eine gute Vergleichbarkeit dokumentierter Vorgänge.
Dadurch, dass die elektronische Ansteuerung des Mikrospiegel-Arrays und/oder des oder der Mikrodisplays sinnvollerweise z. B. durch eine PC-Steuerung realisiert wird, ist es möglich, beliebige frei wählbare Modi und Bildmuster für das Mikrospiegel-Array bzw. das Mikrodisplay zu generieren. Ebenso kann durch Eingabe der optischen Daten der genannten Mikroskopkomponenten, wie Tubus, Okular, Zoomsystem und weitere Vergrößerungsmodule, die Dimension des Leuchtfelds oder des Leuchtfeldmusters auf die tatsächliche Vergrößerung der Beobachtung automatisch angepaßt werden.
Im folgenden sollen die Erfindung und ihre Vorteile anhand eines in den Figuren illustrierten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
1 zeigt schematisch ein Mikroskop mit einer Beleuchtungseinheit gemäß Erfindung,
2 zeigt schematisch ein Mikroskop mit einer Beleuchtungseinheit in einer anderen Ausführungsform gemäß Erfindung,
3 zeigt schematisch ein Mikrospiegel-Array in Draufsicht (3A) sowie eine beispielhafte Anordnung von Mikrospiegeln in einer Dimension in Seitenansicht (3B) und
4 zeigt verschiedene Leuchtfeldgeometrien, wie sie gemäß Erfindung erzeugt werden können.
Die 1 und 2 zeigen schematisch ein Mikroskop mit einer Beleuchtungseinheit 12 in jeweils unterschiedlicher Ausführungsform, wobei es sich bei 1 um eine externe Beleuchtungseinheit 12 und bei 2 um eine in das Mikroskop 11 eingebaute Beleuchtungseinheit 12 handelt. In den beiden Fällen der 1 und 2 wird der Beleuchtungsstrahlengang (Beleuchtungsachse 14) gemeinsam mit dem Beobachtungsstrahlengang (Achse 17) durch das Hauptobjektiv 5 des Mikroskops 11 geführt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die dargestellten Fälle beschränkt, sondern kann auch Anwendung finden, wenn der Beleuchtungsstrahlengang separat neben dem Hauptobjektiv 5 des Mikroskops 11 über einen Umlenkspiegel 7 auf das Objektfeld 6 geleitet wird.
Die externe Beleuchtungseinheit 12 weist in der Ausführungsform gemäß 1 folgende Komponenten auf: Eine Lichtquelle 1 mit zugeordneter Lampenversorgung 16, einen Lichtleiter 18, der das von der Lichtquelle 1 erzeugte Licht einer Beleuchtungsoptik 10 zuführt. Die Beleuchtungsoptik 10 weist ihrerseits eine erste optische Komponente auf, die eine Blende 3 oder ein Mikrodisplay 3' darstellen kann, weiterhin eine erste Linse 2 und eine zweite Linse 4. Der Umlenkspiegel der Beleuchtungseinheit 12 ist mit 7 bezeichnet. Die Achse des Beleuchtungsstrahlengangs oder die Beleuchtungsachse ist mit 14 bezeichnet.
Das Mikroskop 11 ist in den 1 und 2 lediglich sehr schematisch dargestellt, um die wesentlichen Gesichtspunkte der Erfindung näher zu erläutern. Derartige Mikroskope sind insbesondere als Stereo- und/oder Operationsmikroskope aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Das dargestellte Mikroskop 11 weist als wesentliche Komponenten ein Hauptobjektiv 5 und ein Zoomsystem 8 auf. Die Achse des Beobachtungsstrahlengangs oder die Beobachtungsachse ist mit 17 bezeichnet. Über den Mikroskoptubus und das Okular (nicht gesondert bezeichnet) wird der Beobachtungsstrahlengang zu einem Beobachter 15 geführt.
In 2 sind dieselben Komponenten aus 1 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Lediglich bei der Beleuchtungseinheit 12 ergeben sich die folgenden Unterschiede: Es handelt sich hier um eine mit dem Mikroskop integrierte Beleuchtungseinheit 12, die wiederum eine Lichtquelle 1 mit zugehöriger Lampenversorgung 16 aufweist. Als erste optische Komponente ist wiederum eine Blende 3 oder ein Mikrodisplay 3' vorgesehen. Die erste und die zweite Linse sind wiederum mit 2 bzw. 4 bezeichnet. Ein Umlenkspiegel 7 lenkt den Beleuchtungsstrahlengang (Beleuchtungsachse 14) über das Hauptobjektiv 5 des Mikroskops 11 auf das Objektfeld 6 um.
Die Erfindung sei für die Ausführungsformen der 1 und der 2 gemeinsam erläutert. Gemäß dem ersten Merkmal der Erfindung ist die Beleuchtungseinheit 12 mit einem Umlenkspiegel 7 ausgestattet, der seinerseits als Mikrospiegel-Array 7' mit individuell ansteuerbaren und einstellbaren Mikrospiegeln 40 (vergleiche 3) ausgestattet ist. Hierbei könnte das erste optische Bauteil eine Blende 3 sein. Gemäß zweitem Merkmal der Erfindung ist die Beleuchtungseinheit 12 mit einem Mikrodisplay 3' als erste optische Komponente ausgestattet. Bei dem Umlenkspiegel 7 könnte es sich dann um einen herkömmlichen Spiegel handeln. Erfindungsgemäß sind beide Merkmale kombiniert, wobei dann die Beleuchtungseinheit 12 ein Mikrodisplay 3' sowie ein Mikrospiegel-Array 7' aufweist.
Zum Aufbau eines Mikrospiegel-Arrays 7' sei auf 3 verwiesen. 3A zeigt ein solches Mirospiegel-Array 7' in einer Draufsicht mit einer Vielzahl von in einer Matrix angeordneten Mikrospiegel 40. In Reihe angeordnet sind die Mikrospiegel 40_1,1 , 40_1,2 , ..., 40_1,n . In der zweiten Reihe sind die Mikrospiegel 40_3,1 , ..., 40_n,1 und so fort, bis in der letzten Reihe die Mikrospiegel 40_m,1 , 40_m,2 , 40_m,n angeordnet sind. Jeder dieser Mikrospiegel 40 läßt sich individuell oder in geeigneter Kombination mit anderen Mikrospiegeln 40 ansteuern und in seiner Raumrichtung einstellen. Die 3B zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A aus 3A. 3B verdeutlicht die räumliche Orientierung der Mikrospiegel 40, wobei hierbei beispielhaft eine insgesamt sphärische Ausrichtung der Mikrospiegel 40 dargestellt ist. Eine solche sphärische Ausrichtung eignet sich beispielsweise zur Erzeugung eines Punkt- oder kreisförmigen Leuchtfelds 20 (vergleiche 4). Die Vorgehensweise der Ansteuerung der Mikrospiegel 40 eines Mikrospiegel-Arrays 7' soll vorliegend nicht näher erläutert werden, da Mikrospiegel-Arrays prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt sind.
4 zeigt Beispiele von Leuchtfeldern, wie sie durch entsprechende Ansteuerung und Einstellung der Mikrospiegel 40 eines Mikrospiegel-Arrays 7' erzeugt werden können. Die in den 4A bis 4D dargestellten Leuchtfeldgeometrien sind: Spalt- bzw. streifenförmig, Punkt- bzw. kreisförmig, ringförmig und mondphasenförmig. Zu der Bedeutung der unterschiedlichen Leuchtfeldgeometrien sei auf die obige Beschreibung verwiesen. Die genannten Leuchtfeldgeometrien lassen sich auch durch ein Mikrodisplay 3' erzeugen, das wie in den 1 und 2 gezeigt, als Mikrodisplay 3' in den Beleuchtungsstrahlengang eingesetzt ist. Es handelt sich hier um ein transmissives Display. Selbstverständlich können auch reflektive Displays Verwendung finden. Ein solches in die Beleuchtungsapertur eingesetztes Mikrodisplay 3' kann durch entsprechende Verteilung der Transmissionseigenschaften auf der Displayfläche unterschiedliche Geometrien von Leuchtfeldern 20 (wie beispielsweise in 4 dargestellt) erzeugen. Durch Einsatz eines Mikrospiegel-Arrays 7' oder ei nes Mikrodisplays 3' kann zudem die Leuchtfeldgeometrie zeitlich variiert werden. Weiterhin kann die Lichtintensität im Querschnitt (senkrecht zur Beleuchtungsachse 14) betrachtet räumlich variiert werden. Beispielsweise läßt sich hierdurch eine glockenförmige Verteilung der Lichtintensität mit einem Maximum auf der Beleuchtungsachse und symmetrisch abfallender Lichtintensität in radialer Richtung erzeugen.
Die genannten Möglichkeiten sind durch die bisher bekannten optischen Komponenten einer Beleuchtungseinheit 12 nur schwer oder überhaupt nicht realisierbar. Die Erfindung bietet vielfältige Möglichkeiten der Anpassung der Beleuchtung an ein gewünschtes Sehfeld bei einer mikroskopischen Untersuchung. Zudem kann die Erfindung einen Lichtverlust durch Verwendung einer Leuchtfeldblende vermeiden, indem ein Mikrospiegel-Array 7' eingesetzt wird, das alles zur Verfügung stehende Licht zur Erzeugung einer gewünschten Leuchtfeldgeometrie reflektieren kann.
Besitzt das in den 1 und 2 dargestellte Mikroskop 11 ein Hauptobjektiv variabler Brennweite (der Übersichtlichkeit halber ist das Hauptobjektiv 5 nur als einstückige Linsenkombination dargestellt), kann das durch den Beleuchtungsstrahlengang im Objektfeld 6 erzeugte Leuchtfeld 20 in Abhängigkeit von der eingestellten Brennweite des Hauptobjektivs 5 verändert werden. Somit kann entsprechend der jeweiligen Brennweite des Hauptobjektivs 5 das Leuchtfeld 20 in seiner Größe und Form immer mit dem Sehfeld korrespondieren und zu diesem zentriert werden. Weiterhin läßt sich bei dem in den 1 und 2 dargestellten Aufbau, bei dem der Beleuchtungsstrahlengang durch das Hauptobjektiv 5 des Mikroskops 11 geführt wird, mit dem Mikrospiegel-Array 7' eine adaptive Optik realisieren. In diesem Fall besitzt das Mikrospiegel-Array 7' nicht nur reflektierende Eigenschaften (wie ein klassischer Umlenkspiegel), sondern auch abbildende Eigenschaften, wie sie etwa durch einen Hohlspiegel erreicht werden können. Hierzu werden die Mikrospiegel 40 des Mikrospiegel-Arrays 7' derart verstellt, dass das Mikrospiegel-Array 7' beispielsweise zusätzlich eine sphärische Komponente aufweist. Neben der reinen Strahlumlenkung können auf diese Weise beispielsweise entstehende Randunschärfen des Leuchtfelds in Abhängigkeit von der Brennweite des Hauptobjektivs 5 korrigiert werden, ohne hierfür eigene optische Komponenten in der Beleuchtungseinheit 12 vorsehen zu müssen oder entsprechende Linsen verschieben zu müssen.
Das Mikroskop 11 gemäß 1 und 2 ist weiterhin mit einem Zoomsystem 8 ausgestattet, das eine variable Vergrößerung des Objektbildes in bekannter Weise erlaubt. Hier ermöglicht die Erfindung, dass das durch den Beleuchtungsstrahlengang im Objektfeld erzeugte Leuchtfeld 20 in Abhängigkeit der eingestellten Zoomvergrößerung veränderbar ist. Mit wachsender Zoomvergrößerung wird das Sehfeld kleiner, so dass das Mikrospiegel-Array 7' bzw. das Mikrodisplay 3' in entsprechender Weise den Leuchtfelddurchmesser verkleinern können. Dies kann wiederum insbesondere bei Verwendung eines Mikrospiegel-Arrays 7' zu einer Helligkeitszunahme im Objektfeld 6 führen. Da aber gleichzeitig mit wachsender Zoomvergrößerung eine Helligkeitsabnahme im Sehfeld oder Okular verbunden ist, können sich beide Effekte im Sinne einer konstant bleibenden Helligkeit für den Beobachter 15 und/oder für die Dokumentation mittels einer (nicht dargestellten) nachgeschalteten Kamera kompensieren. Dies erlaubt ein ermüdungsfreies Arbeiten für den Beobachter 15 bzw. eine gute Vergleichbarkeit dokumentierter Vorgänge.
Zur Steuerung der genannten Veränderungen des Leuchtfelds 20 in Abhängigkeit von der eingestellten Brennweite des Hauptobjektivs 5 und/oder in Abhängigkeit von der eingestellten Zoomvergrößerung des Mikroskops 11 ist eine Steuereinheit 19 vorgesehen, beispielsweise eine PC-Steuerung, die das Mikrospiegel-Array 7' und/oder das Mikrodisplay 3' geeignet ansteuert. Weiterhin kann durch Eingabe der optischen Daten der Mikroskopkomponenten, Tubus, Okular, Hauptobjektiv 5, Zoomsystem 8 und etwaige weitere Vergrößerungsmodule, in die Steuereinheit 19 die Dimension und Geometrie des Leuchtfeld 20 auf die tatsächliche Vergrößerung der Beobachtung automatisch angepasst werden.

1: Lichtquelle
2: Linse
3: Blende
3': Mikrodisplay
4: Linse
5: Hauptobjektiv
6: Objektfeld
7: Umlenkspiegel
7': Mikrospiegel-Array
8: Zoomsystem
9: Mikroskopachse
10: Beleuchtungsoptik
11: Mikroskop
12: Beleuchtungseinheit
14: Beleuchtungsachse
15: Beobachter
16: Lampenversorgung
17: Beobachtungsachse
18: Lichtleiter
19: Steuereinheit
20: Leuchtfeld
40: Mikrospiegel

Claims

Stereo- oder Operationsmikroskop-Beleuchtungseinheit (12), zur Erzeugung eines Beleuchtungsstrahlengangs, wobei die Beleuchtungseinheit (12) eine Lichtquelle (1) und einen Umlenkspiegel (7) zum Umleiten des Beleuchtungsstrahlengangs auf das Objektfeld (6) des Mikroskops (11) aufweist, und wobei mindestens ein Mikrodisplay (3') in den Beleuchtungsstrahlengang eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkspiegel (7) als Mikrospiegel-Array (7') mit individuell ansteuerbaren und einstellbaren Mikrospiegeln (40) ausgestaltet ist, so dass das Mikrospiegel-Array (7') eine sphärische Komponente aufweist, wobei das zumindest eine Mikrodisplay (3') zwischen der Lichtquelle (1) und dem Umlenkspielgel (7) angeordnet ist.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrospiegel (40) des Mikrospiegel-Arrays (7') derart ansteuerbar sind, dass das durch den Beleuchtungsstrahlengang im Objektfeld (6) erzeugte Leuchtfeld (20) eine vorgegebene Geometrie aufweist.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrospiegel (40) des Mikrospiegel-Arrays (7') derart ansteuerbar sind, dass die Leuchtfeldgeometrie zeitlich variiert.
Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrospiegel (40) des Mikrospiegel-Arrays (7') derart ansteuerbar sind, dass die Lichtintensität des durch den Beleuchtungsstrahlengang im Objektfeld (6) erzeugten Leuchtfelds (20) räumlich variiert.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mikrodisplay (3') derart ansteuerbar ist, dass das durch den Beleuchtungsstrahlengang im Objektfeld (6) erzeugte Leuchtfeld (20) eine vorgegebene Geometrie aufweist.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrodisplay (3') derart ansteuerbar ist, dass die Leuchtfeldgeometrie zeitlich variiert.
Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrodisplay (3') derart ansteuerbar ist, dass die Lichtintensität des durch den Beleuchtungsstrahlengang im Objektfeld (6) erzeugten Leuchtfelds (20) räumlich variiert.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 2 oder 3 oder nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtfeldgeometrie kreis-, spalt-, ring-, streifen-, gitter- oder mondphasenförmig ist.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 4 oder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtintensität eine glockenförmige räumliche Verteilung aufweist.
Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Mikrodisplay (3') ein transmissives Display in den Beleuchtungsstrahlengang eingesetzt ist.
Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Mikrodisplay (3') ein re flektives Display in den Beleuchtungsstrahlengang eingesetzt ist.
Stereo- oder Operationsmikroskop zur Erzeugung eines Objektbildes mit einer Beleuchtungseinheit (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Mikroskop nach Anspruch 12 mit einem Hauptobjektiv (5) variabler Brennweite, wobei die Mikrospiegel (40) des Mikrospiegel-Arrays (7') bzw. mindestens ein Mikrodisplay (3') der Beleuchtungseinheit (12) derart ansteuerbar sind, dass das durch den Beleuchtungsstrahlengang im Objektfeld (6) erzeugte Leuchtfeld (20) in Abhängigkeit von der eingestellten Brennweite des Hauptobjektives (5) veränderbar ist.
Mikroskop nach Anspruch 12 oder 13 mit einem Zoomsystem (8) zur variablen Vergrößerung des Objektbildes, wobei die Mikrospiegel (40) des Mikrospiegel-Arrays (7') bzw. mindestens ein Mikrodisplay (3') der Beleuchtungseinheit (12) derart ansteuerbar sind, dass das durch den Beleuchtungsstrahlengang im Objektfeld (6) erzeugte Leuchtfeld (20) in Abhängigkeit von der eingestellten Zoomvergrößerung veränderbar ist.
Mikroskop nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtfeld (20) hinsichtlich seiner Form, Größe, Lage und/oder räumlichen Lichtintensität auch zeitlich veränderbar ist.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 12 bis 15 mit einem Hauptobjektiv (5), wobei der Beleuchtungsstrahlengang durch das Hauptobjektiv (5) des Mikroskops geführt wird, und wobei die Mikrospiegel (40) des Mikrospiegel-Arrays (7') bzw. mindestens ein Mikrodisplay (3') der Beleuchtungseinheit (12) derart ansteuerbar sind, dass durch das Hauptobjektiv (5) hervorgerufene Abbildungsfehler des Leuchtfeldes (20) korrigiert werden.