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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Auflicht-Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop, ein mit einer solchen Auflicht-Beleuchtungseinrichtung ausgerüstetes Mikroskop sowie damit realisierbare Auflicht-Beleuchtungsverfahren.
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Stand der Technik
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In modernen Mikroskopen werden immer häufiger LEDs als Lichtquellen verwendet, da diese im Vergleich zu herkömmlichen Glüh- oder Hochdrucklampen vielfältige Vorteile aufweisen. LEDs haben üblicherweise eine längere Lebensdauer, sind robust, bauen klein und zeigen eine wesentlich kleinere Hitzeentwicklung.
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Beispielsweise zeigt die
WO 2006/136406 A1 eine Durchlicht-Beleuchtungseinrichtung mit einer Vielzahl von LEDs. Die dort offenbarte Lösung weist jedoch den Nachteil auf, dass für jede der einzelnen LEDs eine Linse vorgesehen werden muss, um das Abbild der Quellflächen der Einzellichtquellen so zu vergrößern und zu überlagern, dass eine homogene, weiße Beleuchtung entsteht. Der notwendige konstruktive Aufwand ist somit beträchtlich.
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In der
JP H04-125609 A wird eine Durchlicht-Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop gezeigt, bei der eine Anzahl von LEDs in der vorderen Brennebene des Kondensors angeordnet ist. Die Beleuchtungsart kann durch unterschiedliche Ansteuerungen der LEDs eingestellt werden. Auf diese Weise ist eine Hellfeld-, Dunkelfeld- und schiefe Beleuchtung wählbar. Um die Apertur des Kondensors ausreichend auszufüllen, ist eine Vielzahl von LEDs bereitzustellen, was in Kombination mit der variablen Ansteuerbarkeit einen beträchtlichen Kontaktierungs- und Verkabelungsaufwand bedeutet.
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Weitere Durchlicht-Beleuchtungseinrichtungen mit wenigstens einer LED sind in der
DE 199 19 096 A1 , der
US 2009/0034054 A1 oder der
US 4 852 985 A gezeigt.
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Eine Auflichtbeleuchtungs-Einrichtung unterscheidet sich in der Praxis wesentlich von einer Durchlichtbeleuchtungs-Einrichtung. Bei einer Auflichtbeleuchtungs-Einrichtung wird das Licht durch das Objektiv geführt, das üblicherweise gleichzeitig als Kondensor fungiert. Ein zusätzlicher Kondensor wie bei der Durchlichtbeleuchtung ist meist nicht vorgesehen.
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Bei einem in der Anwendung häufig vorkommenden Objektivwechsel ist die Kondensor- bzw. Objektivausleuchtung anzupassen. Dazu muss bei der Durchlichtbeleuchtung der Durchmesser des Strahlenbündels in der Aperturebene des Kondensors etwa um einen Faktor 10 zwischen ca. 2 mm und 20 mm veränderbar sein. Bei einer Auflichtbeleuchtung hingegen wird bei einem Objektivwechsel inhärent auch der Kondensor gewechselt, weshalb der Durchmesser des Strahlenbündels in der hinteren Brennebene des Objektivs etwa nur um einen Faktor 3 ca. zwischen 3 mm und 10 mm veränderbar sein muss.
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Eine Auflicht-Beleuchtungseinrichtung, bei der eine herkömmliche Glühlampe durch eine LED ersetzt worden ist, ist in der
US 2009/0016059 A1 offenbart. Nachteilig an dieser Beleuchtung ist, dass unterschiedliche Beleuchtungsarten wie Hellfeld-, Dunkelfeld- und schiefe Beleuchtung – wie auch bei herkömmlichen Glühlampenbeleuchtungen – nur umständlich bereitzustellen sind. Eine schiefe Beleuchtung wird üblicherweise dadurch erzeugt, dass die Aperturblende zugezogen und lateral von der optischen Achse zum Rand verschoben wird. Das erfordert vom Benutzer viele Einstellungen, wie z. B. Blendengröße, Größe und Azimut des Versatzes, welche nicht unmittelbar erkennbar und daher kaum reproduzierbar sind. Weiterhin sind bei einem Objektivwechsel (Revolver) die Einstellungen anzupassen.
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Es ist daher wünschenswert, eine Auflicht-Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop anzugeben, mit der neben einer üblichen Hellfeld-Auflichtbeleuchtung auch eine schiefe bzw. schräge Auflichtbeleuchtung einfach, variabel und dennoch reproduzierbar bereitgestellt werden kann.
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Erfindungsgemäß werden eine Auflicht-Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop, ein Mikroskop mit einer erfindungsgemäßen Auflicht-Beleuchtungseinrichtung sowie damit realisierbare Auflicht-Beleuchtungsverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung lehrt, dass bei einer Auflichtbeleuchtung unterschiedliche Beleuchtungsarten einfach und reproduzierbar bereitstellbar sind, wenn eine Beleuchtungsquelle verwendet wird, die in eine Anzahl von flächigen Leuchtsegmenten unterteilt ist, wobei wenigstens ein Leuchtsegment unabhängig von den übrigen ansteuerbar bzw. betreibbar ist. Die Beleuchtungsquelle wird in eine Beleuchtungsaperturebene der Auflicht-Beleuchtungseinrichtung abgebildet. Als Leuchtsegmente eignen sich insbesondere oberflächenemittierende LEDs. Ein Leuchtsegment stellt eine leuchtende Fläche dar und unterscheidet sich somit von den im Stand der Technik verwendeten LEDs, bei denen ein Leuchtpunkt innerhalb eines transparenten Gehäuses sitzt. Die Abstände der Leuchtpunkte benachbarter herkömmlicher LEDs sind demnach relativ groß.
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Die Erfindung geht nicht den Schritt, eine Vielzahl von LEDs in der Aperturebene zu platzieren, um dadurch optische Elemente wie z. B. eine Kollektorlinse und eine Aperturblende einzusparen. Vielmehr wurde erkannt, dass die Platzierung einer geeigneten Beleuchtungsquelle hinter der Aperturebene und eine Abbildung derselben in diese Ebene zahlreiche Vorteile bietet. Dadurch, dass eine Abbildung der Beleuchtungsquelle in eine Aperturebene erfolgt, kann eine relativ kleinflächige, nur wenige Leuchtsegmente umfassende Beleuchtungsquelle gewählt werden, die bei der Abbildung in die Aperturebene entsprechend vergrößert wird und einen hohen Füllfaktor bietet. Eine solche Lösung baut klein, erfordert nur eine minimale Verkabelung und strahlt auch verhältnismäßig wenige Wärme ab. Zusätzlich bietet diese Anordnung den Vorteil, dass eine Aperturblende vorgesehen werden kann. Dies ist bei den im Stand der Technik bekannten Lösungen, bei denen eine LED-Anordnung in der Aperturebene angeordnet ist, nicht möglich. Durch die Verwendung von flächigen Leuchtsegmenten anstelle herkömmlicher Einzel-LEDs kann ein hoher Füllfaktor erreicht werden. Aufgrund der Ausdehnung der Leuchtsegmente wird nur eine geringe Leuchtdichte benötigt und es ergibt sich eine gleichmäßige Ausleuchtung der Pupille. Beim Abblenden, bspw. bei einer Hellfeldbeleuchtung, gibt es keine Sprünge bzw. Stufen in der wahrgenommenen Helligkeit.
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Zweckmäßigerweise ist die Fläche und/oder Ausdehnung eines Leuchtsegments groß gegenüber der Abstandsfläche bzw. einem Leuchtsegmentabstand, insbesondere wenigstens größer als das Vier-, Fünf-, Acht- oder Zehnfache. Zweckmäßigerweise wird ein Füllfaktor von wenigstens 75%, vorzugsweise wenigstens 80% bereitgestellt. Bei der bevorzugten Anordnung mit schmalen Zwischenräumen zwischen den Leuchtsegmenten ist nur ein geringer Teil der Beleuchtungsaperturebene dunkel. Bei einer Lichtquelle mit vielen beabstandeten Leuchtpunkten (LEDs) hingegen können Ringzonen mit großer Fläche (insbesondere in der Randzone der Blende) unbeleuchtet sein.
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Zur Bereitstellung einer Hellfeld-Auflichtbeleuchtung werden die Leuchtsegmente so angesteuert, dass sich eine zur optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs symmetrische Leuchtfläche ergibt. Zur Bereitstellung einer schiefen Beleuchtung werden hingegen ein oder mehrere Leuchtsegmente so angesteuert, dass sich eine bzgl. der optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs asymmetrische Leuchtfläche ergibt. Durch die Ansteuerung von einzelnen Leuchtsegmenten, die konstruktiv bedingt an definierten Plätzen angeordnet sind, kann die schiefe Beleuchtung reproduzierbar bereitgestellt werden. Werden die Leuchtsegmente zeitlich versetzt angesteuert, beispielsweise reihum, so wandert die schiefe Beleuchtung um die Probe. So kann eine schiefe Beleuchtung von allen Seiten bereitgestellt werden, so dass die Kontraste aller Richtungen deutlich werden. Die Umschaltung zwischen unterschiedlichen Beleuchtungsarten kann für den Anwender besonders angenehm erfolgen, wenn die Gesamtbeleuchtungsintensität dabei im Wesentlichen gleich bleibt. Beispielsweise kann bei einer Beleuchtungsquelle mit vier Leuchtsegmenten eine Umschaltung von einer Hellfeldbeleuchtung mit 4 × 25% zu einer schiefen Beleuchtung mit 1 × 100% oder 2 × 50% erfolgen und umgekehrt. Der Anwender muss somit die Helligkeit nach einem Umschaltvorgang nicht nachregeln. Insbesondere kann ein Blendeffekt beim Umschalten von einer schiefen Beleuchtung zu einer Hellfeldbeleuchtung vermieden werden.
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Wird eine verstellbare Aperturblende in der Beleuchtungsaperturebene angeordnet, können in vorteilhafter Weise Kontrast, Schärfentiefe und Auflösung einer der Beleuchtungseinrichtung gegebenenfalls nachgeordneten Abbildungseinrichtung, wie z. B. eines Mikroskops, eingestellt werden, da die Beleuchtungsaperturebene konjugiert zur Objektivpupille liegt, welche sich wiederum in der hinteren Brennebene des Objektivs befindet. Durch Schließen der Aperturblende werden Kontrast und Schärfentiefe erhöht und die Auflösung wird verringert.
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Vorzugsweise sind die Leuchtsegmente als Kreissektoren oder Vielecke, insbesondere Dreiecke oder Vierecke, ausgebildet. Insbesondere sind gleichwinklige und/oder gleichseitige Vielecke vorteilhaft, um einen hohen Füllfaktor zu erreichen. Entsprechende, eine Anzahl von rechteckigen Leuchtsegmenten umfassende LED-Bausteine in SMD-Bauform werden beispielsweise von der Firma Osram Optosemiconducters unter der Bezeichnung ”OSTAR” vertrieben.
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Vorzugsweise verläuft wenigstens eine Trennung bzw. Grenze der Leuchtsegmente durch die optische Achse der Auflicht-Beleuchtungseinrichtung, so dass bei einzelner Ansteuerung – je nach Ausgestaltung einer Hälfte, eines Drittels, eines Viertels, eines Sektors, eines Quadranten usw. – eine ausreichende schiefe Beleuchtung und bei gemeinsamer Ansteuerung aller Leuchtsegmente eine ausreichende Hellfeldbeleuchtung bereitgestellt werden kann. Bei dieser Ausgestaltung wird kein leuchtendes Element auf der optischen Achse bereitgestellt. Dies ist insbesondere für die Schrägbeleuchtung vorteilhaft, weil ein zentrales Leuchtelement für die Schrägbeleuchtung abgeschaltet werden müsste. In der Folge wäre die Größe des zulässigen Blendendurchmessers nach unten begrenzt, da dieser immer größer als das abgeschaltete zentrale Element sein müsste.
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Zweckmäßigerweise verlaufen alle Grenzen zwischen je zwei Leuchtsegmenten durch die optische Achse der Auflicht-Beleuchtungseinrichtung. Somit können Hellfeldbeleuchtung und schiefe Beleuchtung besonders einfach bereitgestellt werden, da durch einfache Ansteuerung der Schwerpunkt (gewichteter Mittelpunkt) der Hellfeldbeleuchtung auf der optischen Achse und der Schwerpunkt der schiefen Beleuchtung außerhalb der optischen Achse platzierbar sind. Die Leuchtsegmente können, je nach Ausgestaltung, einzeln oder gruppenweise angesteuert werden. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass sich bezüglich der optischen Beleuchtungsachse gegenüberliegende Leuchtsegmente gemeinsam ansteuerbar sind. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass nebeneinander liegende Leuchtsegmente gemeinsam ansteuerbar sind. Die Anzahl der jeweils gemeinsam ansteuerbaren Leuchtsegmente ist frei wählbar.
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Zweckmäßigerweise umfasst die Beleuchtungsquelle vier Quadranten als Leuchtsegmente. Mit einer derartigen Anordnung kann auf sehr einfache Weise eine Beleuchtungsquelle geschaffen werden, die sowohl eine gerade Hellfeldbeleuchtung als auch eine schräge bzw. schiefe Auflichtbeleuchtung bereitstellen kann. Aufgrund der sehr geringen Anzahl von Leuchtsegmenten ist nur ein geringer Beschaltungs- und Verkabelungsaufwand notwendig. Die Beleuchtungsquelle kann klein bauen, was den notwendigen Platzbedarf sowie die entstehende Wärmeabstrahlung vermindert. Durch eine entsprechend vergrößernde Abbildung in die Beleuchtungsaperturebene kann dennoch eine großflächige Beleuchtung erreicht werden.
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Die Leuchtsegmente können jeweils als Weißlichquelle, insbesondere als Weißlicht-LED, oder als RGB-Lichtquelle, insbesondere als RGB-LED, ausgebildet sein, wobei im zweiten Fall beispielsweise die Farbtemperatur der Beleuchtung durch separate Ansteuerung der einzelnen Rot-, Grün- und Blauelemente einstellbar ist. Wenn die Helligkeit der Leuchtsegmente regelbar bzw. steuerbar ist, kann auf diese Weise die Beleuchtungsstärke den jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
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In Ausgestaltung sind die Leuchtsegmente auf einem gemeinsamen Träger angeordnet. In der Folge sind die Leuchtsegmente einfach zu kontaktieren und der Verkabelungsaufwand bleibt gering. Insbesondere können einzelne LEDs auch auf einem gemeinsamen Chip und/oder in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Bei dieser Technologie kann der Abstand der einzelnen Leuchtsegmente zueinander minimiert und eine ausreichend genaue relative Positionierung der Lichtquellen erzielt werden. Ein geeigneter Baustein der oben angegebenen ”OSTAR” Baureihe mit vier Quadranten mit jeweils einer Fläche von ca. 1 × 1 mm2 und einem Segmentabstand von ca. 0,1 mm trägt die Bezeichnung LE UW S2W.
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Es ist von Vorteil, wenn die Beleuchtungsquelle um die optische Achse der Auflicht-Beleuchtungseinrichtung drehbar gelagert ist. Auf diese Weise kann insbesondere eine schiefe Beleuchtung aus einem beliebigen Winkel erzielt werden.
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In Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Mikroskops ist die Beleuchtungsaperturebene der Auflicht-Beleuchtungseinrichtung konjugiert zu der hinteren Brennebene des Objektivs. Damit kann insbesondere eine Köhlersche Beleuchtung erzielt werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Mikroskops mit einer Auflicht-Beleuchtungseinrichtung in einer schematischen Seitenansicht.
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2 zeigt eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Auflicht-Beleuchtungseinrichtung in einer schematischen Seitenansicht.
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3 zeigt eine erste Beleuchtungsquelle, die zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Auflicht-Beleuchtungseinrichtung geeignet ist.
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4 zeigt eine zweite Beleuchtungsquelle, die zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Auflicht-Beleuchtungseinrichtung geeignet ist.
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5 zeigt eine dritte Beleuchtungsquelle, die zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Auflicht-Beleuchtungseinrichtung geeignet ist.
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6 zeigt eine vierte Beleuchtungsquelle, die zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Auflicht-Beleuchtungseinrichtung geeignet ist.
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Die 1 und 2 werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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In 1 ist ein Mikroskop zur Untersuchung einer Probe 1 in einer Querschnittsansicht schematisch dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Das Mikroskop weist einen Mikroskopkörper 4 auf, auf dem ein Mikroskoptisch 2 mit einer Halterung 3 angeordnet ist. Die Probe 1 ist auf dem Mikroskoptisch 2 positioniert und kann mittels einer als Drehrad 3a ausgebildeten Verstelleinrichtung vertikal verschoben werden. An einem Objektivrevolver 6 sind einzelne Objektive 7 vorgesehen. Zur Beleuchtung der Probe 1 ist eine Auflicht-Beleuchtungseinrichtung 5 vorgesehen. Das von der Probe 1 reflektierte Beleuchtungslicht erreicht im Beobachtungsstrahlengang über einen Tubus 8 das Okular 9. Die optische Achse des Beobachtungsstrahlengangs ist mit OA1 bezeichnet.
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Die Auflicht-Beleuchtungseinrichtung 5 umfasst eine Beleuchtungsquelle 11, die mittels eines ersten Linsensystems 12 in eine Aperturebene AE abgebildet wird. In der Aperturebene AE ist eine Aperturblende 14 angeordnet. Die Aperturblende 14 kann als verstellbare Iris-Blende, Blendenschieber o. ä. ausgeführt sein. Ein zweites Linsensystem 16 ist vorgesehen, um die Aperturebene AE in die hintere Brennebene AE' des Objektivs 7 abzubilden. Anhand 2 wird der entsprechende Verlauf der von Leuchtsegmenten der Beleuchtungsquelle 11 ausgehenden Strahlenbündel 13a und 13b deutlich. Weiterhin wird eine in einer Feldebene FE angeordnete Leuchtfeldblende 15 auf die Probe 1 abgebildet.
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Die optische Achse der Auflicht-Beleuchtungseinrichtung 5 ist mit OA2 bezeichnet. Die optische Achse OA2 trifft an einem Strahlteiler 17 auf die optische Achse OA1 des Abbildungsstrahlengangs.
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In der gezeigten Abbildung umfasst das Linsensystem 12 drei und das Linsensystem 16 zwei Linsen. Es versteht sich jedoch, dass das Linsensystem 12 sowie das Linsensystem 16 jeweils eine beliebige Anzahl von Linsen umfassen können.
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In 3 ist eine erste Ausführungsform einer für die Erfindung geeigneten Beleuchtungsquelle 11 in einer Draufsicht dargestellt. Die Beleuchtungsquelle 11 weist vier als Quadranten 11a, 11b, 11c und 11d ausgebildete Leuchtsegmente auf, die einzeln ansteuerbar und in der Helligkeit regelbar sind. Benachbarte Quadranten sind durch Grenzen 20 und 21 getrennt, die jeweils durch die optische Achse OA2 der Beleuchtungseinrichtung verlaufen und sich dort schneiden. Die Quadranten 11a, 11b, 11c und 11d sind auf einem gemeinsamen Träger 23 angeordnet. Die Quadranten 11a bis 11d sind als Weißlicht-LEDs ausgeführt bzw. beinhalten solche.
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Zur Bereitstellung einer Hellfeld-Auflichtbeleuchtung werden zweckmäßigerweise alle Quadranten 11a bis 11d angesteuert. Somit wird eine im Wesentlichen homogen leuchtende Leuchtfläche erzeugt. Zur Bereitstellung einer schiefen Auflichtbeleuchtung wird zweckmäßigerweise nur einer der Quadranten 11a bis 11d angesteuert. Es versteht sich, dass jedoch auch mehr als ein Quadrant zur Bereitstellung einer schiefen Beleuchtung angesteuert werden kann.
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Gemäß der beschriebenen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind alle vier Quadranten 11a bis 11d einzeln ansteuerbar. In der Folge können unterschiedliche Beleuchtungsmuster bereit gestellt werden, wobei beispielsweise benachbarte Quadranten 11a, 11b; 11b, 11c; 11c, 11d; 11d, 11a oder diagonal gegenüberliegende Quadranten 11b, 11d; 11a, 11c angesteuert werden. Optional kann vorgesehen sein, dass die Beleuchtungsquelle 11 um die optische Achse OA2 drehbar gelagert ist, was durch den Pfeil 22 angedeutet wird.
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In 4 ist eine weitere Ausführungsform einer für die Erfindung geeigneten Beleuchtungsquelle 11' dargestellt. Auch die Beleuchtungsquelle 11' weist vier Quadranten 11a' 11b' 11c' 11d' auf, wobei jeder der Quadranten 11' bis 11d' eine Anzahl von mit R, B oder G gekennzeichneten roten, grünen bzw. blauen LEDs aufweist. Die einen Quadranten bildenden Farb-LEDs sind vorzugsweise ebenfalls einstellbar, sodass auf diese Weise die Farbtemperatur der Beleuchtung variiert werden kann. Die Quadranten 11a' bis 11d' sind wiederum auf einem gemeinsamen Träger 23' angeordnet.
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In den 5 und 6 sind zwei kreisförmige Beleuchtungsquellen 11'' und 11''' mit jeweils einer Anzahl von kreissegmentförmig ausgebildeten Leuchtsegmenten dargestellt. Die Beleuchtungsquellen 11'' weist vier Leuchtsegmente und die Beleuchtungsquelle 11''' weist acht Leuchtsegmente auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die einzelnen Leuchtsegmente nicht mit Bezugszeichen versehen.
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Die in den 3 bis 6 dargestellten Beleuchtungsquellen eignen sich besonders zur Beleuchtung gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, wobei eine erste Anzahl und eine zweite Anzahl von Leuchtsegmenten der Beleuchtungsquelle zeitlich versetzt so angesteuert werden, dass die Gesamtbeleuchtungsintensität im wesentlichen gleich bleibt. Die Anzahl kann ein oder mehrere Leuchtsegmente umfassen. Beispielsweise können unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 ein Leuchtsegment mit 100%, zwei Leuchtsegmente mit jeweils 50%, drei Leuchtsegmente mit jeweils 33,33% oder alle vier Leuchtsegment mit jeweils 25% Intensität angesteuert werden. Die Ansteuerung kann in beliebiger zeitlicher Abfolge erfolgen.
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Es versteht sich, dass in den dargestellten Figuren nur eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist. Daneben ist jede andere Ausführungsform denkbar, ohne den Rahmen dieser Erfindung zu verlassen.
