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Die
Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung mit verbesserter
Lebensdauer für ein Mikroskop, insbesondere ein Operationsmikroskop.
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Bei
den heute üblichen Beleuchtungseinrichtungen für
Mikroskope, insbesondere für Operationsmikroskope, werden
meist Halogenlampen oder Gasentladungslampen, insbesondere Xenonlampen, als
Lichtquelle zur Objektfeldbeleuchtung eingesetzt.
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Halogenlampen
sind zwar kostengünstig, nachteilig ist jedoch ihre begrenzte
Lebensdauer (von ca. 50 h) sowie die Abnahme der Leuchtkraft mit zunehmender
Betriebsdauer aufgrund des Abdampfens von Wendelmaterial und dessen
Niederschlag auf den Kolben. Ausserdem haben sie ein Spektrum, dessen
Intensitätsmaximum entsprechend der Farbtemperatur der
Lampe gegenüber dem Tageslicht verschoben ist und deshalb
zu verfälschten Farbeindrücken führen
kann.
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In
manchen Anwendungsfällen, z. B. bei Operationsmikroskopen,
bei denen eine sehr helle Beleuchtung gewünscht ist, werden
daher bevorzugt Xenonlampen eingesetzt. Xenonlampen sind Gasentladungslampen,
bei denen ein Xenon-haltiges Füllgasgemisch in einem Kolben
durch eine Gasentladung zum Leuchten gebracht wird. Sie zeichnen sich
durch eine hohe Lichtleistung mit einem hohen Anteil im sichtbaren
Bereich des Spektrums aus. Bei den bisher verwendeten Xenonlampen
wird die Gasentladung durch Anlegen einer Hochspannung an zwei innerhalb
des Kolbens angeordnete Elektroden hervorgerufen. Auch hier lässt
die Lichtleistung mit der Betriebsdauer nach, da Elektrodenmaterial
abdampft und sich auf dem Kolben niederschlägt; die Lampe
versagt spätestens dann, wenn das Elektrodenmaterial vollständig
verdampft ist. Herkömmliche Xenonlampen haben erfahrungsgemäss
nur eine Lebensdauer von ca. 500 Betriebsstunden. Es kann bei Operationsmikroskopen
daher passieren, dass eine Xenonlampe während einer längeren
Operation unerwartet ausfallt.
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Es
wurden bereits verschiedene Vorschläge gemacht, um zu verhindern,
dass die Beleuchtungseinrichtung unerwartet ausfällt. Beispielsweise
werden bei Beleuchtungseinrichtungen mit einer Xenonlampe als Lichtquelle
Betriebsstundenzähler eingesetzt. Diese sollen dem Betriebspersonal
ermöglichen, die Lampe nach Ablauf einer bestimmten Betriebsstundenzahl
prophylaktisch auszuwechseln. Des Weiteren ist aus der
DE-A 10 2005 060 469 ein Lampenwechselsystem
bekannt, bei dem während des Betriebs von einer Hauptlampe
auf eine Zusatzlampe umgeschaltet wird. Die Leistung der Lampe wird
mit geeigneten Sensoren überwacht, und gegebenenfalls wird
ein automatischer Lampenwechsel ausgelöst.
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Das
Problem der begrenzten Lebensdauer wird durch diese Massnahmen zwar
entschärft, jedoch nicht gelöst. Ausserdem geben
Betriebsstundenzähler nur einen ungefähren Anhaltspunkt
für die tatsächliche Leistungsfähigkeit,
so dass es passieren kann, dass eine Lampe dennoch frühzeitig
ausfallt oder trotz Warnung noch einsetzbar wäre. Zudem
ist der Ersatz einer Xenonlampe oder einer anderen Gasentladungslampe
und/oder das Bereithalten einer Zusatzlichtquelle mitsamt Wechselmechanismus aufwändig
und teuer.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Problem der begrenzten
Lebensdauer zu lösen und eine Beleuchtungseinrichtung für
Mikroskope zur Verfügung zu stellen, bei der eine möglichst
konstante, langlebige Beleuchtung realisiert ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch eine Beleuchtungseinrichtung
mit den Merkmalen von Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen dargestellt.
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Die
Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop, insbesondere
für ein Operationsmikroskop, umfasst wenigstens eine Lichtquelle
in Form einer Gasentladungslampe und eine Beleuchtungsoptik, mit der
das Licht der Lichtquelle in das Objektfeld projiziert wird. Im
Gegensatz zum Stand der Technik wird erfindungsgemäss keine
elektrodenbasierte Gasentladungslampe eingesetzt, sondern eine elektrodenlose.
Die Lichtquelle umfasst dazu einen Mikrowellengenerator, einen Mikrowellenleiter
und einen elektrodenlosen Kolben mit einem Leuchtmaterial, der mit dem
Mikrowellenleiter derart gekoppelt ist, dass das Leuchtmaterial
durch die Mikrowellen zur Lichtemission anregbar ist. Durch das
Einkoppeln von Mikrowellen in den Kolben wird im Kolben eine Gasentladung
ausgelöst, ein Plasma erzeugt und durch atomare oder molekulare Übergänge
sowie durch Rekombinationsstrahlung sichtbares und/oder UV-Licht erzeugt.
Das elektrodenlose Einkoppeln hat den Vorteil, dass keine Elektroden
vorhanden sind, die verschleissen können oder deren Material
sich auf den Kolbenwänden ablagert. Auf diese Weise wird
eine Lichtquelle mit einer um ein Vielfaches höheren Lebensdauer
sowie einer während der gesamten Lebensdauer konstanten
Lichtleistung bereitgestellt.
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Die
Lebensdauer liegt beispielsweise im Bereich von 20'000 Stunden.
Dies ist das 40-fache bisheriger Systeme und ermöglicht
selbst bei intensiver Nutzung noch mehrere Jahre wartungsfreien
Betrieb. Unter diesen Umständen kann im Prinzip sogar auf Systeme
zur Überwachung der Funktionsfähigkeit oder zum
automatischen Austausch der Lichtquelle verzichtet werden, wobei
sie als zusätzliches Sicherheitsmerkmal auch vorhanden
sein können.
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Das
Leuchtmaterial ist in der Regel eine Gasfüllung, insbesondere
bestehend aus einem Edelgas und einem Lichtemitter, z. B. einem
Metalldampf. Eine Xenon-haltige Füllung (Xenonlampe) ist aufgrund
des tageslichtähnlichen Spektrums bevorzugt. Der Kolben
kann zwecks Veränderung der Emissionscharakteristik auch
beschichtet sein. Da er einer grossen thermischen Belastung ausgesetzt
ist, besteht er vorzugsweise aus Quarzglas oder Keramik.
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Der
Mikrowellenleiter ist so geformt, dass Mikrowellen mit bestimmter
Wellenlänge in Resonanz geraten, so dass besonders viel
Mikrowellenenergie in den Kolben, der sich im Mikrowellenleiter
befindet oder ein integraler Bestandteil davon ist, eingekoppelt
werden kann. Da die Wellenlänge in Luft bzw. im Vakuum
verhältnismässig gross ist und der Kolben typischerweise
eine Ausdehnung von etwa einer halben Wellenlänge haben
muss, ist der Platzbedarf der Lichtquelle hierbei allerdings gross.
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Als
Hochfrequenz-/Mikrowellengenerator wird ein Festkörper-basiertes
Elektronikbauteil oder eine andere Mikrowellenquelle, z. B. Klystron
oder Magnetron, welche Mikrowellen mit einer Frequenz von 0,5–30
GHz, bevorzugt 0.5–10 GHz erzeugt. Der Mikrowellengenerator
ist vorzugsweise vom Kolben thermisch isoliert, um nicht durch den
Kolben, der bis 1000°C heiss werden kann, beeinträchtigt
oder sogar zerstört zu werden.
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Um
das System weiter zu verkleinern und dadurch insbesondere auch ohne
grössere konstruktive Anpassungen von Stativ, Halterung
und/oder Beleuchtungsoptik in Mikroskopen einsetzbar zu machen,
enthält der Mikrowellenleiter in den nicht den Kolben bildenden
Bereichen, wie in
US 2002/0011802 beschrieben,
bevorzugt ein Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstante
und einer grossen Hitzebeständigkeit. Die Dielektrizitätskonstante
ist vorzugsweise grösser als 2, besonders bevorzugt grösser
als 9. Als Dielektrikum kommen bestimmte Keramiken in Frage, z.
B. Aluminiumoxide, Zirkonoxide, Titanoxide, oder Silikonöl.
Anordnung, Dimensionen und Materialien von Mikrowellenleiter und
Kolben sowie des Füllgases können so sein, wie in
der
US 2002/0011802 beschrieben
ist. Insbesondere kann eine der dort erwähnten Betriebsmoden (”resonant
cavity mode”, ”dielectric oscillator mode”) verwirklicht
sein. Insgesamt lassen sich mit Hilfe eines Dielektrikums im Wellenleiter
Kolbengrössen von nur wenigen Millimeter realisieren, so
dass die Lichtquelle kompakt gestaltet und anstelle bisher verwendeter
Gasentladungslampen in einen Mikroskopaufbau z. B. einschubartig
eingebaut werden kann.
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Vorzugsweise
ist die Lichtquelle allseitig von einer Abschirmung umgeben, die
derart gestaltet ist, dass die Mikrowellen nicht austreten können.
Hierdurch wird verhindert, dass die Mikrowellen sensible elektronische
Geräte im Operationssaal stören und anwesende
Personen belasten können. Die Abschirmung ist beispielsweise
durch ein elektrisch leitfähiges (bzw. entsprechend beschichtetes)
Gehäuse realisiert. Im Bereich des Austrittsfensters für
das erzeugte Licht befindet sich bevorzugt eine lichtdurchlässige
elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere kann eine das
Austrittsfenster bildende Linse beschichtet sein. Hierzu wird vorzugsweise
eine Indium-Zinn-Oxid-Schicht (ITO) verwendet, die optisch transparent
ist. Die Abschirmung kann auch in eine ortsfeste Halterung für
die Lichtquelle integriert sein.
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Das
Gehäuse der Lichtquelle ist vorzugsweise mit einer Wärmetauscheinrichtung
zum Abführen überschüssiger Wärme
ausgestattet. Es kann sich um eine passive Kühlung, z.
B. mittels einer durch Kühlrippen vergrösserten
Oberfläche, handeln und/oder um eine aktive Kühlung
durch Umwälzen eines Kühlfluidums, insbesondere
Luft. Alternativ oder zusätlich kann durch Peltier-Elemente
gekühlt werden.
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Zwecks
Anpassung der Beleuchtung an gewünschte unterschiedliche
spektrale Eigenschaften des Beleuchtungslichts oder bei wider Erwarten
auftretendem Verschleiss des Kolbens kann der Kolben auswechselbar,
insbesondere vom Wellenleiter abnehmbar gestaltet, so dass er unabhängig
vom Wellenleiter und Mikrowellengenerator ausgetauscht werden kann.
Im Gegensatz zu einem Austausch der gesamten Lichtquelle bedeutet
dies einen wesentlich geringeren technischen und finanziellen Aufwand.
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Die
Lichtquelle kann in einer Weiterbildung der Erfindung verschiedene
Kolben mit vorzugsweise unterschiedlichen Leuchtmaterialien aufweisen,
welche wahlweise mit dem Mikrowellenleiter koppelbar sind. Hierzu
kann ein automatisches Wechselsystem vorgesehen sein, welches jeweils
den gewünschten Kolben am Ort der grössten Mikrowelleneinstrahlung platziert.
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Beispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und nachfolgend
beschrieben. Es zeigen rein schematisch:
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1 eine
Beleuchtungseinrichtung mit einer Lichtquelle in Form einer elektrodenlosen
Gasentladungslampe;
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2 einen
Wellenleiter mit einem auswechselbaren Kolben;
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3 ein
Mikroskop mit einer erfindungsgemässen Beleuchtungseinrichtung.
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1 zeigt
eine Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop mit einer
Lichtquelle 1 und einer Beleuchtungsoptik 13.
Ein Teil der Beleuchtungsoptik 13, hier schematisch eine
Linse 7 kann mit der Lichtquelle 1 auch eine bauliche
Einheit bilden.
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Die
Lichtquelle 1 ist eine Gasentladungslampe mit einem Kolben 6,
der ein gasförmiges Leuchtmaterial in gasdicht abgeschlossener
Weise enthält. Der Kolben 6 ist in einen Wellenleiter 4 für
Mikrowellen eingebettet und beispielsweise derart angeordnet, dass
er sich an einem Ort höchster elektrischer Feldstärke
befindet, wenn eine Resonanzbedingung für die Mikrowellen
im Wellenleiter erfüllt ist. Die Mikrowellen werden durch
einen Mikrowellengenerator 2, der beispielsweise ein Halbleiterbauteil
auf einer Leiterplatte ist, über ein Kopplungsstück 3 in
den Wellenleiter 4 eingekoppelt. Der Wellenleiter 4 ist
mit Ausnahme des Kolbens 6 mit einem Dielektrikum 5 hoher
Dielektrizitätskonstante gefüllt, so dass die
effektive Wellenlänge der Mikrowellen gegenüber
dem Vakuum reduziert ist. Der Kolben 6 kann durch eine Aussparung 16 im
Dielektrikum 5 gebildet oder in eine solche Aussparung 16 eingelassen
sein.
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Das
Gehäuse 9 hat in der Nähe des Kolbens 6 ein
Austrittsfenster 7, das im optischen Bereich transparent
und vorzugsweise für Mikrowellenstrahlung weitgehend undurchlässig
ist. Es kann, wie vorliegend, als Linse gestaltet sein und damit
funktional bereits einen Teil der Beleuchtungsoptik 13 darstellen.
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Durch
die Mikrowellen wird bei ausreichender Feldstärke eine
Gasentladung im Leuchtmaterial induziert; die so entstehende Strahlung
im sichtbaren Bereich wird über das Austrittsfenster 7 und
die Beleuchtungsoptik 13 ausgekoppelt und in den Objektbereich
des Mikroskops projiziert.
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Die
Beleuchtungsoptik 13 enthält dazu beispielsweise
eine Linse 14 bzw. ein Linsensystem, mit welchem das Licht
aus der Lichtquelle 1 in eine Lichtleitfaser 15 eingekoppelt
wird. Mit dieser wird es, wie in 3 gezeigt,
in bzw. vor den Objektbereich eines Mikroskops geleitet.
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Mikrowellenleiter 4 und
Mikrowellengenerator 2 sind in einem Gehäuse 9 angeordnet.
Sofern sie nicht direkt an die Gehäusewandung angrenzen,
ist zwecks besserer Abfuhr von Wärme zwischen diesen Komponenten
und der Gehäusewandung ein wärmeleitfähiges
Material 11 angeordnet. Der Wärmeaustausch mit
der Umgebung wird vorliegend noch durch Kühlrippen 12 an
der Gehäuseaussenfläche verstärkt.
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Das
Gehäuse 9 ist vorzugsweise elektrisch leitfähig,
z. B. durch eine geeignete Beschichtung, und dient somit als Abschirmung 10 für
Mikrowellen. Ebenfalls zwecks Abschirmung weist das Austrittsfenster 7 eine
elektrisch leitfähige, optisch transparente Beschichtung
auf. Diese kann ausserdem als Wärmeschutzfilter dienen.
Alternativ können metallische Lochblenden, die bisher nur
als Helligkeitsregler dienen, wegen ihrer leitenden Eigenschaften
auch als HF-Filter ausgelegt werden.
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Nicht
dargestellt ist die Stromversorgung sowie eine unter Umständen
vorhandene Steuereinrichtung für den Mikrowellengenerator.
Innerhalb oder ausserhalb der Lichtquelle 1 können
im Stahlengang noch Filter und/oder strahlformende oder strahlunterbrechende
Elemente angeordnet sein. Ausserdem kann ein Sensor zur Messung
der Intensität des erzeugten sichtbaren Lichts vorhanden
sein, der gegebenenfalls mit dem Mikrowellengenerator bzw. dessen
Steuerung zu einem Regelkreis gekoppelt ist, um eine konstante oder
einstellbar variable Lichtintensität zu erzeugen.
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2 zeigt
schematisch, dass der Kolben 6 vom Wellenleiter 4 bzw.
dem Dielektrikum 5 wegnehmbar sein kann. Hierdurch wird
der Reparaturvorgang, falls notwendig, erleichtert, denn die ganze Elektronik
muss in der Regel nicht ausgetauscht werden kann weiter verwendet
werden.
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Ausserdem
ist dargestellt, dass der Kolben 6 wahlweise abwechselnd
mit einem oder mehreren weiteren Kolben 6' verwendet werden
kann. Die Kolben enthalten beispielsweise unterschiedliche Befüllungen,
mit denen Licht unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung erzeugt
wird, z. B. mit unterschiedlicher Farbtemperatur, monochromatisches Licht.
Für die Fluoreszenzspektroskopie/-mikroskopie kann es beispielsweise
interessant sein, mit einem Kolben der Gasentladungslampe ein diskretes Linienspektrum
zu erzeugen, um bestimmte Farbstoffe gezielt anzuregen, sowie mit
einem weiteren Kolben weisses Licht zu erzeugen. Die Erfindung ermöglicht
ein einfaches Umschalten zwischen diesen verschiedenen Beleuchtungsarten.
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Die
Kolben 6, 6' können dazu beispielsweise auf
einem Träger 17 angeordnet sein, der relativ zum Wellenleiter 4 so
angeordnet bzw. verschiebbar ist, dass wahlweise einer der Kolben 6, 6' am
Ort der grössten Feldstärke positioniert werden
kann. Hierzu dient eine Wechseleinrichtung 18. Diese Elemente sind
innerhalb des Gehäuses 9 angeordnet und vorzugsweise
so ansteuerbar, dass dieses für einen Kolbenwechsel nicht
geöffnet werden muss.
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Im
Gegensatz zu bekannten Beleuchtungseinrichtungen, bei denen zwei
alternative Lichtquellen verwendet werden, kann in diesem Fall auf
eine Optik, die die zwei alternativen Strahlengänge vereinigt,
verzichtet werden. Denn der Kolben und damit der Ort der Lichterzeugung
befindet sich stets am gleichen Ort, so dass die Beleuchtungsoptik
bei einem Kolbenwechsel (anders als beim bisher praktizierten Lampenwechsel)
nicht angepasst werden muss.
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3 zeigt
Einbau einer Beleuchtungseinrichtung in ein Mikroskop 20,
beispielsweise in ein Stereo-Operationsmikroskop. Von der Lichtquelle 1 kommendes
Licht wird in eine Lichtleitfaser 15 eingekoppelt, wobei
die Lichtleitfaser 15 ausgangsseitig im Mikroskopkörper
endet. Die Beleuchtungsoptik 13 ist durch die Faser 15 und
eine Linse symbolisiert. Das Mikroskop 20 ist oberhalb
einer Objektebene 25 dargestellt, von der Bilder entlang
von Beobachtungsstrahlengängen 24 durch ein Hauptobjektiv 21,
einen Tubus 22 und Okularen 23 einem Beobachter
zugeführt sind. Der Beleuchtungsstrahlengang, der das ausgangsseitige
Ende des Lichtleiters 15 verlässt, wird mittels
eines Umlenkprismas 26 oder eines anderen Umlenkelements
zu einem im wesentlichen koaxialen Beleuchtungsstrahlengang 26 umgelenkt und
durch das Hauptobjektiv 21 auf die Objektebene 25 fokussiert.
Die Beleuchtung kann auch als Schrägbeleuchtung mit einem
neben dem Objektiv 21 schräg zu dessen Achse 24 verlaufendem
Beleuchtungsstrahlengang realisiert sein.
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Die
Lichtquelle
1 kann in einer Variante der Erfindung auch
als Ganzes auswechselbar sein. Vorliegend ist eine alternative Lichtquelle
1' skizziert.
Ihr Licht kann alternativ zum Licht der ersten Lichtquelle
1 in
die Lichtleitfaser
15 eingekoppelt werden. Die alternative
Lichtquelle
1' kann gleich wie die erste Lichtquelle
1 aufgebaut
sein, oder es kann sich um eine andere Bauart handeln, z. B. eine
Halogenlampe. Die Lichtquellen
1,
1' werden mittels
einer Wechseleinrichtung
27 verschoben bzw. ausgetauscht. Das
Auswechseln der Lichtquellen
1,
1 wird bevorzugt
so gehandhabt, wie in der
DE-A 10 2005 060 469 beschrieben ist; entsprechende
Bauteile (z. B. Sensoren, Steuerung, Wechselsystem) können
auch bei der vorliegenden Beleuchtungseinrichtung in der dort beschriebenen
Anordnung und Funktionsweise vorhanden sein.
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Anstatt
die Lichtquelle 1 vom Arbeitsbereich des Mikroskops beabstandet
anzuordnen und das Licht mit einer Lichtleitfaser 15 in
das Mikroskop einzukoppeln, kann die Lichtquelle 1 auch
in unmittelbarer Nähe des Mikroskops angeordnet oder ein
integraler Bestandteil des Mikroskops sein. Sie ist z. B. in der
Nähe des Objektivs angeordnet, wobei das Licht mit einer
Linsen und Umlenkelementen auf das Objekt gerichtet wird.
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- 1,
1'
- Lichtquelle
- 2
- Mikrowellengenerator
- 3
- Kopplung
- 4
- Mikrowellenleiter
- 5
- Dielektrikum
- 6,
6'
- Kolben
- 7
- Austrittsfenster/Linse
- 8
- Beschichtung
- 9
- Gehäuse
- 10
- Abschirmung
- 11
- Wärmekopplung
- 12
- Wärmeaustauschfläche/Kühlrippen
- 13
- Beleuchtungsoptik
- 14
- Linse
- 15
- Lichtleitfaser
- 16
- Aussparung
- 17
- Träger
- 18
- Wechseleinrichtung
für Kolben
- 20
- Mikroskop
- 21
- Hauptobjektiv
- 22
- Tubus
- 23
- Okular
- 24
- Beobachtungsstrahlengang
(optische Achse)
- 25
- Objektebene
- 26
- Beleuchtungsstrahlengang
(optische Achse)
- 27
- Wechseleinrichtung
für Lichtquellen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005060469
A [0005, 0036]
- - US 2002/0011802 [0014, 0014]