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Die
Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung für Mikroskope
und Makroskope mit flächig angeordneten Lumineszenz-Dioden
(LED's).
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Bekannt
sind Beleuchtungseinrichtungen für Mikroskope, bei denen
Wolfram-Glühwendellampen, Halogenlampen usw. verwendet
werden.
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Derartige
Einrichtungen haben den Nachteil einer hohen Wärmeleistung
und eines sehr hohen Leistungsbedarfs.
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Darüber
hinaus besitzen sie einen geringen Widerstand gegenüber
Schwingungen, haben ein relativ hohes Gewicht und benötigen
viel Platz und sind bezüglich ihrer Lebensdauer stark eingeschränkt.
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In
der Mikroskopie oder auch in der Makroskopie erfordern die verschiedenen
Kontrastverfahren (Beleuchtungsarten), wie beispielsweise Hellfeld-, Dunkelfeld-
oder Schräglichtbeleuchtung besondere optische Komponenten,
was dazu führt, dass diese Einrichtungen in ihrem Aufbau
sehr kompliziert und demzufolge sehr kostenintensiv sind.
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Um
diese Nachteile weitestgehend zu beseitigen werden im zunehmenden
Maße elektronische Halbleiterbauelemente, wie Lumineszenz-Dioden (LED's)
zur Beleuchtung eingesetzt. Dazu gibt es viele Veröffentlichungen,
die die prinzipiellen technischen Möglichkeiten einer strukturierten
Beleuchtung mittels LED's in den Ausführungsformen LED-Matrix, beziehungsweise über
entsprechend angeordnete Einzel-LED's, aufzeigen.
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In
DE 199 19 096 A1 wird
beispielsweise eine Beleuchtungseinrichtung beschrieben, bei der eine
oder mehrere LED's verwendet werden, die in verschiedenen Ebenen
angeordnet sind. Die LED's werden mit Schaltern in den Beobachtungsstrahlengang
getaktet geschaltet, um stereoskopische Effekte zu realisieren.
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Durch
DE 37 34 691 C2 wird
ferner eine Beleuchtungseinrichtung bekannt, bei der eine Flächenlichtquelle,
bestehend aus einer Vielzahl von Halbleiterbauelementen (LED's),
verwendet wird, die unterteilt in Rot-Grün-Blau-Lichtquellen
(RGB-Lichtquellen) sowohl eine wellenlängenspezifische
Filterung des Lichtes ermöglichen als auch durch Kombination mit
weißem Licht ortsdefinierte Beleuchtungseffekte erzielen.
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Die
bekannten technischen Lösungen mit LED's haben die Nachteile,
dass die verwendeten LED Lichtquellen relativ groß sind
und bauart- beziehungsweise anordnungsbedingt große Lücken
in der Ausleuchtung aufweisen. Aufgrund der Größe
der LED's sind diese für eine Anordnung in der Lampenwendelebene
oder in der dazu konjugierten Eintrittspupille nicht geeignet, das
heißt, es wird eine spezielle Kondensoroptik zur Verbesserung
der Ausleuchtung benötigt. Die Beleuchtung ist zum Teil
sehr inhomogen. Die tatsächliche Funktionalität
und Beleuchtungsqualität der geometrischen Anordnung zur
Erzeugung von Kontrasten (Hellfeld-, Dunkelfeld- oder Schräglichtbeleuchtung
usw.) wird durch den Nachteil der notwendigen Weißlichtmischung
erheblich eingeschränkt.
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Ausgehend
von diesen Nachteilen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Beleuchtungseinrichtung für Mikroskope oder Makroskope
dahingehend weiter zu entwickeln, dass bei verbesserter Homogenität
der Ausleuchtung verschiedene Kontrastbeleuchtungen, wie beispielsweise
Dunkelfeldbeleuchtung oder Raumbildkontrast qualitativ besser möglich
sind.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe wird durch eine Beleuchtungseinrichtung der eingangs beschriebenen
Art durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei
mindestens vier Weißlicht-LED-Elemente in Form einer Matrix-Leuchte
in einer Ebene der Eintrittspupille oder in einer dazu optisch konjugierten
Ebene angeordnet sind und jedes LED-Element zum Zwecke seiner Veränderung
der Lichtintensität mit einer Ansteuereinheit verbunden ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 11 angegeben.
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Durch
die spezielle Anordnung der LED-Elemente wird eine „intelligente” Lichtquelle
als steuerbare Funktionseinheit in ein mikroskopisches- oder auch
makroskopisches Gesamtsystem integriert und kann so Aufgaben übernehmen,
die sonst nur von kontrastvariierenden oder beleuchtenden Elementen,
die zwangsläufig in der Aperturblendenebene angeordnet
werden mussten, realisiert werden konnten. Die Aperturblendenebene – in
der Mikroskopie zur Aufnahme der körperlichen Aperturblende
gedacht – wird damit frei für andere zusätzliche
Funktionen, wie beispielsweise Phasenkontrast, DIC oder Polarisation.
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Denkbar
ist allerdings auch, die LED's in der Aperturblendenebene anzuordnen,
was unter anderem den Beleuchtungsstrahlengang verkürzen
würde.
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Durch
die wesentlich feinstrukturierte erfindungsgemäße
Flächenbeleuchtung werden auch erst Applikationen, wie
beispielsweise der Ausgleich von Vignettierungs-Inhomogenitäten,
bei Zoomsystemen möglich.
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Über
eine zonale Intensitätssteuerung einer LED-Matrix Lichtquelle
lassen sich die systembedingten Intensitäts-Randabfälle,
sogenannte Vignettierungen, eines abbildenden optischen Systems durch
eine entsprechende Steuerfunktion kompensieren. Diese Intensitätsverlauf-Kompensationsfunktion
kann bei entsprechender Softwareunterstützung, ähnlich
dem spektralen Weißabgleich, beispielsweise mit einer Digitalkamera,
aufgenommen werden.
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Bedingt
durch die Einbindung der „intelligenten” Lichtquelle
als universelle modulare, beispielsweise CAN-oder USB-Leuchte in
das codierte, motorisierte und softwaregesteuerte mikroskopische,
beziehungsweise makroskopische Gesamtsystem (System mit diskreten
Vergrößerungsstufen, beziehungsweise motorisiertes/codiertes
Zoomsystem) kann neben der allgemein bekannten „integralen” Intensitätsdimmung,
beziehungsweise einer speicherbaren Lichtmanagerfunktion durch „durchstimm-” und
abspeicherbare Beleuchtungsmuster eine individuelle und optimale
Kontrastanpassung an die konkrete Applikationsaufgabe erreicht werden.
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Der
CAN Bus (Controller Area Network) ist ein asynchrones, serielles
Bussystem zur Steuerung von Peripheriegeräten, ähnlich
dem USB(Universeller Serieller Bus)-System, das heißt die
Leuchte kann beispielsweise elektrisch über ein CAN-Protokoll
gesteuert werden.
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Die
Abspeicherung dieses Beleuchtungsmusters kann mit hoher Reproduzierbarkeit
die jeweilige Kontrasteinstellung wiederhergestellt werden, was
beispielsweise bei einer vergleichbaren Bilddokumentation entscheidend
ist.
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Vorteilhafterweise
werden unterschiedlich große Weißlicht-LED's verwendet,
wobei die Größe entweder der Größe
der Pupille oder der Größe der konjugierten Lampenwendelfläche
entspricht. Damit können alle anderen optischen Elemente
eines vorhandenen Beleuchtungsstrahlenganges unverändert erhalten
bleiben. Es ist auch möglich, die Beleuchtungseinrichtung,
je nach Applikationsaufgabe, durch eine Halogenlampe auszutauschen.
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Es
gibt kein Problem der Rot-Grün-Blau-Lichtmischung mehr,
da innerhalb der Weißlicht-LED's die Strukturierung der
Einzelelemente für die verschiedenen Kontrastbeleuchtungen, wie,
beispielweise Dunkelfeldbeleuchtung oder Raumbildkontrast, möglich
ist.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn die Ansteuereinheit im Mikroskopgehäuse
integriert ist. Das ist heute schon bei Forschungsmikroskopen entsprechend
großvolumiger Gestalt möglich und steht aufgrund
der geringen Volumina von LED-Ansteuereinheiten nun auch Routine-
und Labormikroskopen zur Verfügung. Zusätzliche
externe Einheiten sind somit nicht erforderlich.
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In
Abhängigkeit von der Applikationsaufgabe können
die Leuchtflächen der LED-Elemente sowohl ringförmig,
als auch kreissegmentförmig oder balkenförmig
ausgebildet sein. Durch die Variation der Gestaltung der Beleuchtungsoberfläche
lassen sich in Verbindung mit einer Veränderung der Beleuchtungsintensität
weitere Kontraste erzeugen und somit „fließende” Kontrastübergänge
programmieren.
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Ein
weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass zum Zwecke
der Variierung der Abstrahlcharakteristik der LED's in den Beleuchtungsstrahlengang
einschwenkbare optische Elemente vorgesehen sind, wobei diese optischen
Elemente beispielsweise Linsenarrays sein können.
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Bedingt
durch den Einsatz von LED's als Lichtquellen, die sehr schnell stromgesteuert
zwischen 0 und 100% ihrer Lichtleistung geschaltet werden können,
sind mechanische Shutter (Verschlusselemente) im weiteren Strahlenverlauf
nicht mehr erforderlich.
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Die
verwendeten LED-Matrizen, deren Einzelelemente separat oder in Gruppen
geschaltet werden können, ermöglichen sehr kontrastreiche
mikroskopische oder makroskopische Verfahren, die mit den Lösungen
des Standes der Technik nur in der Aperturblendenebene (Auflichtbeziehungsweise Durchlichtbeleuchtung)
möglich sind.
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Zum
Zwecke der Kontrastverbesserung bei einer Schrägbeleuchtung
besteht eine erfindungsgemäße Ausgestaltungsvariante
der Beleuchtungseinrichtung darin, eine LED-Matrix-Leuchte, bestehend aus
vier Elementen zu verwenden und somit die Beleuchtung aus vier Raumsektoren
zu erzeugen.
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Durch
eine zeilen- beziehungsweise spaltenorientierte Zusammenfassung
von jeweils zwei LED-Elementen, lässt sich dieser Effekt
verstärken und auf eine Beleuchtung von oben, von unten,
von rechts oder links kommend spezifizieren.
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Werden
beispielsweise beide Spalten intermittierend mit Frequenzen oberhalb
der Flimmerfrequenz des menschlichen Auges geschaltet und die Anordnung
mit anderen optischen Elementen, wie beispielsweise mit gesteuerten
Verschlüssen, wie LCD-Shutter im mikroskopischen Strahlengang
oder in den Okularen, gekoppelt, lassen sich dreidimensionale Effekte, ähnlich
der bei einem Raumbildkontrastverfahren erforderlichen Effekte,
erzielen.
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Auch
wenn grundsätzlich auf mechanische Shutterelemente verzichtet
werden kann, lassen sich insbesondere bei Raumbildkontrastverfahren,
gekoppelt mit der taktweisen Ansteuerung von Okularshuttern, beziehungsweise
einer taktweisen Kamera- und Monitoransteuerung, Vorteile gegenüber
bekannten Einrichtungen erzielen, da Transmissionsverluste durch
die Verwendung des LED's im Beleuchtungsstrahlengang oder auch thermische
Probleme vermieden werden.
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Die
Erfindung soll nachstehend näher erläutert werden.
Dazu zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung der Beleuchtungseinrichtung mit einer
LED-Matrix mit vier LED-Elementen,
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2:
die Darstellung der LED-Matrix aus 1 mit unterschiedlicher
Ansteuerung der einzelnen LED-Elemente,
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3:
die Darstellung der LED-Matrix aus 1 mit unterschiedlicher
gemeinsamer Ansteuerung der LED-Elemente,
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4:
die Darstellung der LED-Matrix aus 1 mit Raumbildkontrastbeleuchtung,
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5:
die Darstellung der LED-Matrix aus 1 mit einseitiger
Schrägbeleuchtung,
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6:
die Darstellung der LED-Matrix aus 1 mit azimutaler
Schrägbeleuchtung,
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7:
die Darstellung der LED-Matrix aus 1 mit einer
Ansteuerung für fließende Kontrastübergänge
und
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8:
Beispiele für Beleuchtungsmodifikationen von feiner strukturierten
LED-Matrizen.
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1 zeigt
die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung an
einem binokularen Mikroskop mit einer aus vier Elementen I, II, III und IV bestehenden
LED-Matrix-Leuchte 1, die erfindungsgemäß in der
Lampenwendelebene 2 oder eine ihr optisch konjugierten
Ebene (Durchlichtstrahlengang) angeordnet und zum Zwecke der taktweisen
Ansteuerung der einzelnen Elemente I, II, III und IV mit
einer Ansteuereinheit 3 verbunden ist.
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Über
einen Kollektor 4, eine Aperturblende 5 und einen
Kondensor 6 gelangt das Licht in die Objektebene 7.
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Von
einem Objektiv 8 erfasst, gelangt das Bild eines nicht
dargestellten Objektes über die Objektivaustrittspupille 9 und
eine Tubuslinse 10 in einen Binokulartubus 11.
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Die
sich hinter den Zwischenbildebenen 12 und 13 befindlichen
Okulare 14 und 15 sind jeweils mit einem nicht
dargestellten LCD-Shutter (Verschluss) verbunden.
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Über
die Ansteuereinheit 3 werden die einzelnen Elemente I, II, III und IV der
LED-Matrix-Leuchte 1 entsprechend der Applikationsaufgabe angesteuert.
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Nach 2 wird
in den Abbildungen a, b, c und d gezeigt, dass jedes der LED-Elemente I, II, III und IV einzeln angesteuert
werden kann, während im Beispiel nach 3 alle
vier LED-Elemente I, II, III und IV gemeinsam
als eine kompakte Lichtquelle angesteuert werden. Dazu werden in
den Abbildungen a, b, c und d die Matrizen mit unterschiedlicher
Lichtstärken (integrales Dimmen) angesteuert.
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4 zeigt
ein Beispiel für das Raumbildkontrastverfahren, wobei die
LED-Elemente II und III (Abbildung a) und die
LED-Elemente I und IV (Abbildung b) als Spalten.
geschaltet, alternierend mit 100 Hz angesteuert werden. Dazu werden
beispielsweise eine Kamera sowie ein Monitor oder die Okularshutter
getriggert.
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5 zeigt
ein Beispiel für eine einseitige Schrägbeleuchtung,
wobei die LED-Elemente I und II (Abbildung a)
und die LED-Elemente II und IV (Abbildung b) Wahlweise
oder nacheinander angesteuert werden. Im vorliegenden Beispiel in
folgenden Richtungen:
Nord – Süd ← → Süd – Nord
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In 6 wird
ein Beispiel für eine azimutale Schrägbeleuchtung
aufgezeigt, wobei die LED-Elemente II und III (Abbildung
a) und die LED-Elemente I und III (Abbildung b)
wahlweise oder nacheinander angesteuert werden.
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7 zeigt
ein Beispiel für „fließende” Kontrastübergänge,
wobei die LED-Elemente II, III und IV (Abbildung
a aufsteigend) mit unterschiedlichen Lichtstärken und die
LED-Elemente III, IV und I (Abbildung
b aufsteigend) wahlweise oder nacheinander angesteuert werden.
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Die
Abbildungen a, b, c, und d der 8 zeigen
Beispiele einer feiner strukturierten LED-Matrix-Leuchte, wobei
die einzelnen Elemente nicht nur jeweils eine LED besitzen, sondern
aus mehreren LED's (Arrays) aufgebaut sind, die wiederum entsprechend
der Applikationsaufgabe auch einzeln oder in definierten Gruppen
angesteuert werden können.
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Durch
das Abspeichern und das reproduzierbare Aufrufen solcher Anwender-Beleuchtungsprofile,
die die gewählten Beleuchtungsstrukturen und Intensitäten
beibehalten – kann eine ideale Anpassung der Beleuchtung
an die jeweilige Applikationsaufgabe erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- LED-Matrix-Leuchte
- 2
- Lampenwendelebene
- 3
- Ansteuereinheit
- 4
- Kollektor
- 5
- Aperturblende
- 6
- Kondensor
- 7
- Objektebene
- 8
- Objektiv
- 9
- Objektivaustrittspupille
- 10
- Tubuslinse
- 11
- Binokulartubus
- 12,
13
- Zwischenbildebene
- 14,
15
- Okular
- I,
II, III, IV
- LED-Element
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19919096
A1 [0007]
- - DE 3734691 C2 [0008]
