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Die
Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem, insbesondere für
Mikroskope zur Formung und Homogenisierung des Beleuchtungsstrahlenganges
zur gleichmäßigen Ausleuchtung eines Gesichtsfeldes
oder eines Objektes.
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In
Mikroskopen kommen neben einer visuellen Beobachtung eines Objektes
auch zunehmend Digitalkameras mit Digitalchips zum Einsatz, welche
im Gegensatz zur logarithmischen Empfindlichkeit des menschlichen
Auges eine lineare Intensitätsempfindlichkeit besitzen.
Somit nimmt die Kamera Intensitätsabfälle in der Feldausleuchtung
deutlicher wahr als das Auge. Die Anforderungen an die Homogenität
der Feldausleuchtung steigen.
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Strahlungsquellen
sind meist Lambertstrahler und besitzen meist eine winkelabhängige
Abstrahlcharakteristik, wobei die Beleuchtungsstärke häufig
sehr stark mit dem Winkel abfällt. Bei Flächenstrahlern
kommt noch ein zusätzlicher Faktor hinzu, welcher sich
mit dem Kosinus des Abstrahlwinkels ändert. Allgemein wird der
Feldrand meist mit weniger Licht bestrahlt als der Achsenbereich.
In manchen Mikroskopkonfigurationen kann dieser Randabfall 50% und
mehr betragen.
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Man
hat versucht diesen Randabfall mit Streuscheiben auszugleichen,
welche jedoch in erster Linie Strukturen der Lichtquelle im Quellbild
der Pupille zerstören. Durch diese Streuscheiben wird meist
mehr Licht aus den Randbereichen weggestrahlt als in der Bildmitte,
wodurch sich der Randlichtabfall noch verstärken kann.
Dieses Problem tritt auch in der Projektionslithografie oder bei
digitalen Projektionssystemen auf.
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Es
sind Lösungen bekannt, bei welchen Linsenarrays zur Anwendung
kommen. So ist in der
DE
10 2005 049 572 A1 eine Homogenisier- und Strahlformvorrichtung
beschrieben, bei welcher zwei Linsenarrays zwischen zwei Optiken
angeordnet sind und welche in einer Ausgangsebene eine bestimmte
Intensitätsverteilung realisieren.
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Auch
bei der in der
US 4,497,015 beschriebenen
Beleuchtungseinrichtung werden zur Erreichung einer homogenen Ausleuchtung
eines Objektfeldes Elemente vorgesehen, welche zu zwei, im Beleuchtungsstrahlengang
hintereinander angeordneten Linsenrastern zusammengefügt
sind.
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Eine
weitere Möglichkeit einen Strahlenbündel zu homogenisieren,
kann durch die Anwendung von Lichtmischstäben erreicht
werden. Ein solcher Lichtmischstab ist beispielsweise in der
DE 103 36 694 A1 beschrieben.
Dieser Lichtmischstab ist aus mehreren verspiegelten Einzelelementen
zusammengesetzt und als Hohlkörper mit spiegelnden Innenflächen
ausgebildet.
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Ferner
können auch Lichtleitstäbe zur Homogenisierung
eines Lichtbündels verwendet werden.
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Diese
strahlenformenden Elemente sind jedoch zum Teil sehr aufwändig
und teuer und sie vergrößern scheinbar den Lichtleitwert.
Dadurch ist es aber in der Mikroskopie bei vielen Mikroobjektiven
nicht mehr möglich, die gesamte Leistung der Lichtquelle
durch ein Mikroobjektiv mit kleinerem Lichtleitwert zu führen.
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Aus
der Fotografie sind Verlaufsfilter bekannt, welche insbesondere
bei Weitwinkelobjektiven eingesetzt werden, bei welchen das so genannte
Kosinus-hoch-4-Gesetz zu einem extremen Randlichtabfall am Bildrand
führt. Diese Verlaufsfilter stehen im Abbildungsstrahlengang
in der Nähe der Filmebene und besitzen randscharfe Linsen,
welche praktisch keine Randausbrüche besitzen dürfen.
Diese Linsen sind sehr schwierig herzustellen und deshalb auch sehr
teuer.
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Für
Fernsehaufnahmekameras wird ein extremer Dynamikbereich für
die Helligkeitsregelung verlangt. Aus der
DE 2 354 089 ist eine Lichtmoduliervorrichtung
bekannt, bei welcher eine variable mechanische Blendeneinrichtung
mit einem Neutralfilter mit einer radial mit dem Radius abnehmender
Dichte. Die Dichtekenngrößen des Filters umfassen
zwei Bereiche, nämlich einen mittleren, gleichförmigen
Bereich maximaler Dichte und einen daran angrenzenden Umgebungsbereich,
in dem die Dichte linear mit dem Radius abnimmt. Mit dieser Vorrichtung
ist eine Helligkeitsmodulation von mehr als 1:1000 realisierbar.
Eine Homogenisierung eines Lichtbündel in dem für
Mikroskope erforderlichen Umfang erfolgt nicht.
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In
der
DE 198 32 665 wird
ein Homogenisierungsfilter für ein optisches Strahlungsfeld
beschrieben, bei welchem die Filterwirkung durch nichttransparente
Punkte verschiedener Größe oder variierender Dichte erreicht
wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Beleuchtungssystem, insbesondere
für Mikroskope, zu schaffen, mit welchem ein weitestgehend
homogen ausgeleuchtetes Objektfeld auch mit Leuchtmitteln mit einer
ungünstigen Abstrahlcharakteristik realisiert wird.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe mit einem nach den Merkmalen des Hauptanspruchs ausgestalteten
Beleuchtungssystem mit Verlaufsfilter gelöst. In den Unteransprüchen
sind weitere Ausgestaltungen und Einzelheiten der Erfindung offenbart.
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Eine
einfache Ausführung ergibt sich, wenn das Verlaufsfilterelement
als Kittglied aus zwei Linsen mit gleichem oder annähernd
gleichem Brechungsindex zusammengesetzt ist, von denen eine Linse
aus einem Material mit einer, über einen gewünschten
Spektralbereich gleichmäßig Licht absorbierenden
Wirkung besteht.
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Vorteilhaft
ist es, dass das Verlaufsfilterelement aus zwei Linsen mit positiver
Brechkraft besteht und eine der beiden Linsen infolge ihrer variierenden
Dicke eine in Abhängigkeit von der Strahlhöhe
bzw. in Abhängigkeit vom Abstand von der optischen Achse
des Beleuchtungsstrahlenganges variierende Lichtabsorption besitzt.
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Von
Vorteil kann es auch sein, dass das Verlaufsfilterelement eine Einzelschicht
oder ein Schichtsystem mit in Abhängigkeit von der Strahlhöhe
bzw. in Abhängigkeit vom Abstand von der optischen Achse
des Beleuchtungsstrahlenganges variierende Transparenz bzw. Lichtabsorption
besitzt.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn das Verlaufsfilterelement eine Einzelschicht
oder ein Schichtsystem mit in Abhängigkeit von der Strahlhöhe
variierender Transparenz auf mindestens einem seiner Bestandteile umfasst.
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Vorteilhaft
kann es ferner sein, wenn am Ort der Leuchtfeldblende ein den Strahlenquerschnitt
homogenisierendes, optisches Element, vorzugsweise eine Streuscheibe,
vorgesehen ist.
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Die
Konstruktionsdaten eines vorteilhaften Beleuchtungssystems mit einem
Verlaufsfilter für Mikroskope sind in untenstehender Tabelle
zusammengestellt.
| Nr. | Radius
[mm] | Dicke
[mm] | Glas | ne | νe |
| 1 | plan | | | | |
| | | 10.910 | | | |
| 2 | –94.4084 | | | | |
| | | 6.750 | NBAK4 | 1.57125 | 55.7 |
| 3 | –20.2422 | | | | |
| | | 0.130 | | | |
| 4 | 202.5400 | | | | |
| | | 14.400 | K5 | 1.52458 | 59.2 |
| 5 | –18.8360 | | | | |
| | | 16.520 | | | |
| 6 | plan | | | | |
| | | 6.190 | | | |
| 7 | plan | | | | |
| | | 1.800 | NK5 | 1.52458 | 59.2 |
worin n
e der Brechungsindex
und ν
e die Abbe'sche Zahl der betreffenden
Elemente sind und NBK7, NK5, K5 sowie NBAK4 die verwendeten Glassorten
sind.
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Durch
die Anwendung des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems,
bei welchem die Position des Verlaufsfilter bewusst derart festgelegt
ist, dass eine hohe Homogenität der Ausleuchtung des Objektfeldes
erreicht und damit ein Randlichtabfall weitestgehend beseitigt wird.
Bei dem hier offenbarten Filter wird die Verlaufsfilterwirkung durch
eine variierende Dicke einer aus Neutralglas bestehenden Linse einer
Linsengruppe erreicht. Diese Ausführung stellt deshalb
nur einen kleinen Eingriff in das Beleuchtungssystem dar, wodurch das
System auch mit wenig Aufwand in bestehende Systeme nachträglich
eingebaut werden kann. Insbesondere in Beleuchtungssystemen mit
einer besonders ungünstigen Abstrahlcharakteristik der
Lichtquelle liefert das erfindungsgemäße System
weitestgehend gleichmäßig ausgeleuchtete Objektfelder.
Weiterhin ist die Fertigung des Verlaufsfilters als Kittglied unkritisch,
weil sich die gewählte Position in Lichtrichtung hinter
der schon ohnehin im Strahlengang vorhandenen Streuscheibe befindet.
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Die
Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden. In der Zeichnung 1 ist
die Anordnung der optischen Elemente eines erfindungsgemäßen
Beleuchtungssystems vereinfacht dargestellt.
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Das
in der Zeichnung 1 dargestellte Beleuchtungssystem
für Mikroskope umfasst eine Lichtquelle 1 und
einen aus einer Linse L1 mit den Radien
r2 und r3 und einer
Linse L2 mit den Radien r4 und
r5 bestehenden Kollektor 2, welcher der
Lichtquelle 1 in Lichtrichtung nachgeordnet ist. Dem Kollektor 2 nachgeordnet
ist in der Nähe einer zur Leuchtfeldblende 23 konjugierten
Leuchtfeldblendenposition 6 ein Wärmeschutzfilter 8 mit ebenen
Flächen r7 und r8 zur
Abschirmung von Wärmestrahlung angeordnet. In Lichtrichtung
nach dem Wärmeschutzfilter 7 ist im Strahlengang
ein als aus zwei Linsen 9 und 11 zusammengesetztes
Verlaufsfilterelement 10 in der Nähe einer zur
Objektebene konjugierten Ebene vorgesehen, wobei die beiden Linsen 9 und 11 einen
gleichen oder annähernd gleichen Brechungsindex besitzen
Dieses Verlaufsfilterelement 10 ist vorteilhaft als Kittglied
ausgebildet. Von diesen beiden Linsen 9 und 11 besteht
vorteilhaft die dünnere Linse 11, welche die Verlaufsfilterwirkung
erzeugt, aus Neutralglas, wobei die Verlaufsfilterwirkung dadurch
erzeugt wird, dass die Linse 11 eine je nach Strahlhöhe
oder Abstand von der optischen Achse 3 des Beleuchtungsstrahlenganges
variierende Dicke und damit eine variierende Filterwirkung bzw.
variable Transparenz in Abhängigkeit von der Strahlhöhe
besitzt. Dieses Neutralglas muss über einen gewünschten
Spektralbereich möglichst gleichmäßig
Licht absorbieren, so dass keine Farbortverschiebung stattfindet.
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Die
Gestaltung des Verlaufsfilterelementes 10 als Kittglied
mit den beiden Linsen 9 und 11 hat sich vor allem
dahingehend als vorteilhaft erwiesen, dass die Linse 11 problemlos
auf die benötigte Dicke randscharf und ohne Randausbrüche
abgeschliffen werden kann. Ein weiterer Vorteil, das Verlaufsfilterelement 10 in
der angegebenen Form auszugestalten, besteht darin, dass eine gut
reproduzierbare Herstellung der Radien r10 und
r11 des Filterelementes 10 gewährleistet
ist, über welche dann der Filtergradient gut und reproduzierbar definiert
ist.
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Es
ist auch denkbar, am Ort des Verlaufsfilterelementes 10 ein
ebenes Filterglas vorzusehen, bei welchem die Filterwirkung über
eine geeignet ausgestaltete Schicht oder über ein geeignet
ausgestaltetes Schichtsystem realisiert wird. Je nach Ausbildung
des Schichtsystems könnten auf diese Weise auch kompliziertere
Intensitätsverlaufe realisiert werden.
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In
einem Abstand d11 von dem Verlaufsfilterelement 10 ist
eine zur Aperturblende des Beleuchtungssystems konjugierte Aperturblendenebene 12,
welcher im Abstand d12 eine Linse 13 mit
positiver Brechkraft nachgeordnet ist.
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Optional
können der Linse 13 beabstandete Neutralfilter 15 und 17 in
Lichtrichtung folgen. Eine diesen Neutralfiltern 15 und 17 nachgeordnete
Streuscheibe 19 dient der weiteren Homogenisierung des
Beleuchtungsstrahlenganges. Nach dieser Streuscheibe 19 ist
im Strahlengang eine weitere Linse 21 mit positiver Brechkraft
angeordnet. Dieser Linse 21 folgt in einem Abstand d22 die Leuchtfeldblende 23.
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Die
für ein erfindungsgemäßes Beleuchtungssystem
erforderlichen Konstruktionsdaten und Parameter sind in der folgenden
Tabelle zusammengefasst, wobei durchaus auch Abweichungen der Werte
im Rahmen von Fertigungstoleranzen auftreten können.
| Nr. | Radius | Dicke | Glas | ne | νe |
| | [mm] | [mm] | | | |
| 1 | plan | | | | |
| | | 10.910 | | | |
| 2 | –94.4084 | | | | |
| | | 6.750 | NBAK4 | 1.57125 | 55.7 |
| 3 | –20.2422 | | | | |
| | | 0.130 | | | |
| 4 | 202.5400 | | | | |
| | | 14.400 | K5 | 1.52458 | 59.2 |
| 5 | –18.8360 | | | | |
| | | 16.520 | | | |
| 6 | plan | | | | |
| | | 6.190 | | | |
| 7 | plan | | | | |
| | | 1.800 | NK5 | 1.52458 | 59.2 |
| 8 | plan | | | | |
| | | 18.000 | | | |
| 9 | 29.8533 | | | | |
| | | 7.500 | NBK7 | 1.51872 | 64.0 |
| 10 | 141.2470 | | | | |
| | | 1.200 | NG5 | 1.5 | |
| 11 | plan | | | | |
| | | 47.800 | | | |
| 12 | plan | | | | |
| | | 13.800 | | | |
| 13 | 48.0005 | | | | |
| | | 3.000 | NBK7 | 1.51872 | 64.0 |
| 14 | –48.0005 | | | | |
| | | 8.000 | | | |
| 15 | plan | | | | |
| | | 5.000 | NK5 | 1.52458 | 59.2 |
| 16 | plan | | | | |
| | | 7.000 | | | |
| 17 | plan | | | | |
| | | 5.000 | NK5 | 1.52458 | 59.2 |
| 18 | plan | | | | |
| | | | 11.500 | | |
| 19 | plan | | | | |
| | | 1.52458 | 1.500 | NK5 | 59.2 |
| 20 | plan | | | | |
| | | 12.400 | | | |
| 21 | plan | | | | |
| | | 6.500 | NBK7 | 1.51872 | 64.0 |
| 22 | –34.7241 | | | | |
| | | 16.300 | | | |
| 23 | plan | | | | |
worin n
e der Brechungsindex
und ν
e die Abbe'sche Zahl sind
und NBK7, NK5, K5 sowie NBAK4 die verwendeten Glassorten sind.
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Die
Erfindung wurde in Bezug auf eine besondere Ausführungsform
beschrieben. Es ist für einen Fachmann jedoch selbstverständlich,
dass Änderungen und Abwandlungen durchgeführt
werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden
Ansprüche zu verlassen.
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- 1
- Lichtquelle
- 2
- Kollektor
- 3
- Optische
Achse
- 6
- Leuchtfeldblendenposition
- 7
- Wärmeschutzfilter
- 9
- Linse
- 10
- Verlaufsfilterelement
- 11
- Linse
- 12
- Konjugierte
Aperturbolendenebene
- 13
- Linse
- 15
- Neutralfilter
- 17
- Neutralfilter
- 19
- Streuscheibe
- 21
- Linse
- 23
- Leuchtfeldblende
- r1 bis r23
- Radien
- d1 bis d22
- Dicken
bzw. Abstände
- ne
- Brechzahlen
- νe
- Abbe'sche
Zahlen
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005049572
A1 [0005]
- - US 4497015 [0006]
- - DE 10336694 A1 [0007]
- - DE 2354089 [0011]
- - DE 19832665 [0012]