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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flächenlichtquelle für eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung eines Mikroskops, insbesondere für solche mit kontinuierlich veränderbarer Vergrößerung, kurz Zoommikroskope genannt, insbesondere Stereomikroskope oder Makroskope.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Flächenlichtquellen für eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung eines Mikroskops bspw. aus der
DE 10 2004 017 694 B3 oder der
US 7,554,727 B2 bekannt. Sie werden unterhalb der Präparatebene angeordnet. Der Abstand zwischen Flächenlichtquelle und Präparat wird so groß gewählt, dass das Präparat vollständig ausgeleuchtet wird und die Struktur der Leuchtmittel in der Präparatebene nicht mehr erkennbar ist. Im Stand der Technik ist die Bauhöhe der Durchlichtbasis jedoch zu groß. Ergonomische Gesichtspunkte werden nicht berücksichtigt. Um eine flache Durchlichtbeleuchtungseinrichtung für Mikroskope, beispielsweise Stereomikroskope und Makroskope, realisieren zu können, besteht der Wunsch, das Kernelement, die Lichtquelle, möglichst flach zu bauen, dabei jedoch Licht homogen abzustrahlen. Beispielsweise wird in der
DE 10 2004 017 694 B3 der Einsatz einer Streuscheibe über der Lichtquelle zur Homogenisierung gelehrt, was sich jedoch negativ auf die Bauhöhe und die Effizienz des Leuchtmittels auswirkt.
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Es ist daher wünschenswert, eine möglichst flache, aber dennoch homogene Durchlichtbeleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop anzugeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Flächenlichtquelle für eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung eines Mikroskops mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgestellt.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass in einem plattenförmigen Lichtleiter aufgrund von Totalreflexion propagierendes Licht durch gezielte Störung der Totalreflexion ausgekoppelt wird. Die Störung erfolgt an einer unteren Grenzfläche (sog. Unterseite) des Lichtleiters durch ein auf einer sog. Kontaktfläche anliegendes Element. In der Folge wird Licht an einer oberen Grenzfläche (sog. Oberseite) ausgekoppelt. Das Element ist optisch mit dem Lichtleiter gekoppelt und so ausgebildet, dass eine diffuse Streuung bewirkt wird, so dass eine Auskopplung des Lichts an der Oberseite erfolgt. Die von dem Element berührte Kontaktfläche wirkt als Abstrahlfläche. Die Verwendung eines Lichtleiters, der zur Auskopplung lediglich mit einer Kontaktfläche versehen ist, ermöglicht einerseits, eine besonders flache Bauform zu erhalten, und führt andererseits durch die Durchmischung von Licht innerhalb des Lichtleiters zu einer ersten Homogenisierung der Lichtabstrahlung.
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Eine weitere Homogenisierung wird erreicht, indem Licht aus wenigstens zwei unterschiedlichen Richtungen in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Beispielsweise kann bei einem prismenförmigen oder pyramidenstumpfförmigen Lichtleiter, d. h. einem Lichtleiter mit einer polygonalen Grundfläche, eine Einkopplung an mindestens zwei der Seitenflächen erfolgen. Bei einem zylinderförmigen oder kegelstumpfförmigen Lichtleiter, d. h. einem Lichtleiter mit einer elliptischen Grundfläche, erfolgt eine Einkopplung an mindestens zwei, vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang verteilten, Stellen der Mantelfläche. Die Einkopplung von der Seite erlaubt überdies eine geringe Bauhöhe.
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Eine weitere Verbesserung der Homogenisierung wird erreicht, indem der Flächeninhalt der Kontaktfläche kleiner als der Flächeninhalt der Unterseite ist. Somit verbleibt ein Randbereich, der nicht zur Abstrahlung, sondern ausschließlich zur Homogenisierung dient. Der Lichtleiter kann daher so groß gewählt werden, wie es aus Homogenitätsgründen erforderlich scheint, wobei die Größe der Kontaktfläche (welche die Abstrahlfläche definiert) davon unabhängig vorgegeben werden kann.
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Mit der Erfindung kann eine Flächenlichtquelle für eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung eines Mikroskops geschaffen werden, die Licht besonders homogen abstrahlt. Die Flächenlichtquelle baut gleichzeitig sehr flach und ist darüber hinaus auf einfache Weise herzustellen und zu handhaben. Die Herstellung ist kostengünstig, da keine teuren Optiken und keine aufwendige Justage notwendig sind.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung führt zu einer Trennung der Wärmeerzeugung vom Ort der genutzten Lichtemission. Diese Trennung ermöglicht eine weitgehend temperaturneutrale Beleuchtung der Probe. Gerade bei der Realisierung einer großflächigen Lichtquelle erweist sich diese Anordnung als vorteilhaft, da die notwendige Lichtleistung der Leuchtmittel mit dem Quadrat des Durchmessers der emittierenden Fläche ansteigt. Die Positionierung der Abstrahlfläche unterhalb der Probe führt daher nicht zwangsläufig zu einer Erwärmung der Probe, da die Wärme erzeugenden Leuchtmittel seitlich entfernt von der Probe angeordnet sind. Die entstehende Wärme kann mit der erfindungsgemäßen Anordnung besser abgeführt werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Der Lichtleiter ist flach, so dass seine Höhe geringer als seine Lateralerstreckung ist, insbesondere zumindest um das Zehnfache. Dadurch wird die notwendige Bauhöhe klein gehalten und die Objektebene, welche oberhalb der Flächenlichtquelle liegt, wandert nicht zu weit nach oben.
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Vorzugsweise ist das die Totalreflexion störende Element reversibel verformbar. Dadurch kann der Flächeninhalt der Kontaktfläche von einem Benutzer reversibel verändert werden, so dass die Größe der Kontaktfläche und damit der Abstrahlfläche besonders einfach vorgegeben und eingestellt werden kann. Damit kann die Beleuchtungseinrichtung an den zu beobachtenden Ausschnitt der Probe angepasst werden.
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Eine besonders homogene Abstrahlcharakteristik wird erreicht, wenn das die Totalreflexion störende Element eine diffuse Streuung des im Lichtleiter propagierenden Lichts bewirkt. Die dadurch bewirkte Abstrahlung folgt im Wesentlichen dem Lambertschen Gesetz, so dass die Strahlungsdichte nach allen Richtungen im Wesentlichen konstant ist. Eine ideal diffus streuende Fläche (nach dem Lambert'schen Gesetz) gibt unabhängig von der Beleuchtungsrichtung die eingestrahlte Leistung nach Lambert verteilt wieder ab, erscheint also unabhängig vom Betrachtungswinkel gleich hell (konstante Leuchtdichte). Das die Totalreflexion störende Element hat vorzugsweise einen an das wenigstens eine Leuchtmittel angepassten Remissionsgrad.
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Das die Totalreflexion störende Element hat vorzugsweise einen Remissionsgrad R zwischen 0,3 und 0,7. Dies eignet sich besonders, um bei relativ starken Leuchtmitteln keinen Blendeffekt für den Benutzer zu erzeugen. Andererseits ist ein Remissionsgrad R zwischen 0,7 und 1, insbesondere von mehr als 0,7 oder mehr als 0,9, insbesondere auch bei schwächeren Leuchtmitteln bevorzugt. Diese schwächeren Leuchtmittel zeigen ggf. eine vorteilhafte – weil geringe – Wärmeentwicklung. Dies erlaubt einen kürzeren Abstand zwischen dem Leuchtmittel und der Abstrahlfläche und somit eine kompakte Bauform der gesamten Flächenlichtquelle.
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Das die Totalreflexion störende Element ist vorzugsweise ein auf die untere Grenzfläche aufgetragener Belag, insbesondere in Form einer aufgetragenen Beschichtung oder Folie. Der Belag kann aufgeklebt, aufgemalt, aufgeschmiert o. ä. sein. Der Belag ist vorzugsweise in Form einer aufzutragenden Paste ausgebildet. Die Paste hat zweckmäßigerweise eine helle Farbe, bspw. weiß oder beige, und enthält zweckmäßigerweise eine hohe Anzahl von Reflexions- und/oder Streuzentren, bspw. eingebettete Moleküle.
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Zweckmäßigerweise umfasst das wenigstens eine Leuchtmittel eine LED oder eine Kaltkathodenröhre. Die Ausgestaltung des Leuchtmittels hat einen besonderen Einfluss bei der Optimierung der in dem Lichtleiter transportierten Lichtleistung. Der Abstrahlwinkel des Leuchtmittels ist vorzugsweise an die Geometrie des Lichtleiters angepasst, wobei die Höhe des Lichtleiters und der Abstand des Leuchtelements (z. B. Chip) im Leuchtmittel von der Lichteintrittsfläche die Effizienz beeinflussen.
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Eine Anpassung des Abstands der Leuchtelemente zueinander trägt zur Optimierung der Homogenität und zur Minimierung der Ausdehnung des Lichtleiters bei. Eine Überlagerung des eingekoppelten Lichts benachbarter Quellen findet erst ab einem gewissen Abstand vom Rand des Lichtleiters statt, der wiederum vom genannten Abstand der Lichtquellen abhängt. Daher ist erfindungsgemäß der Flächeninhalt der Kontaktfläche kleiner als der Flächeninhalt der Unterseite, so dass eine Durchmischung erreicht wird.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist der plattenförmige Lichtleiter als Prisma oder Pyramidenstumpf ausgebildet, d. h. die die Ober- und Unterseite definierende Grundfläche ist ein Polygon. Bei einer solchen Ausgestaltung können zwei oder mehr Seitenflächen besonders einfach jeweils mit einem Leuchtmittel ausgestattet werden. Weiterhin ist die Herstellung und Handhabung einer solchen Form nicht mit Schwierigkeiten verbunden. Weiterhin können an den ebenen Seitenflächen auch besonders einfach Kühleinrichtungen (Kühlkörper usw.) vorgesehen werden, um die Leuchtmittel zu kühlen.
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In ebenso bevorzugter Ausgestaltung ist der plattenförmige Lichtleiter als Zylinder oder Kegelstumpf ausgebildet, d. h. die die Ober- und Unterseite definierende Grundfläche ist eine Ellipse (inkl. Kreis). Bei einer solchen Ausgestaltung kann eine besonders gute Homogenisierung erreicht werden, wenn am Umfang des Zylinders ein oder mehrere Leuchtmittel so angeordnet werden, dass eine Einstrahlung ”rundherum” erfolgt.
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Die Geometrie und Ausrichtung der als Lichteintrittsflächen dienenden Seitenflächen des Lichtleiters relativ zum vom Leuchtmittel ausgehenden Hauptstrahl kann als Parameter genutzt werden, um die Verteilung des Lichts im Lichtleiter zu steuern und damit die Homogenität des von der Flächenlichtquelle abgestrahlten Lichts zu beeinflussen. Beispielhaft ist hier ein Verkippen der als Eintrittsfläche dienenden Seitenfläche genannt. Diese Veränderung der Eintrittsfläche trägt zur Optimierung der Bauhöhe der Flächenlichtquelle bei, da mit dieser Maßnahme Zonen des die Totalreflexion störenden Elements, die näher an der optischen Achse des Mikroskops liegen besser ausgeleuchtet werden.
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Vorzugsweise ist wenigstens eine Eintrittsfläche mattiert. Die homogenisiert die Lichtverteilung über den Raumwinkel im Lichtleiter. Damit werden größere Winkel im Lichtleiter stärker gewichtet und die Lichtintensität zu Gunsten der Randzonen des die Totalreflexion störenden Elements manipuliert.
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Es bietet sich an, die optische Brechzahl des die Totalreflexion störenden Elements gezielt vorzugeben. Das Licht der Leuchtmittel wird seitlich in den Lichtleiter eingekoppelt und durch Totalreflexion so lange in dem Lichtleiter transportiert, bis es durch eine kontrollierte Störung der Totalreflexion (die Totalreflexion störendes Element) aus der Platte nach oben ausgekoppelt wird. Das Licht wird beim Eintritt aus Luft in den Lichtleiter mit Brechzahl n1 zur Achse hin gebrochen. Danach wird es an den Außenseiten entweder totalreflektiert oder ausgekoppelt. Für den Akzeptanzwinkel α, der den maximalen Winkel beschreibt, unter welchem Licht auf den Lichtleiter einfallen darf, so dass es noch geleitet wird, gilt: sin2(α) = n1² – r2², wobei angenommen wird, dass die Einkopplung in den Lichtleiter durch Luft (n = 1) geschieht. n2 ist ein möglicher Brechungsindex eines angrenzenden Mediums. Für den Fall, dass das angrenzende Medium Luft (n2 = 1) ist, umfasst der der Akzeptanzwinkel α den gesamten Halbraum, sobald der Brechungsindex der Platte n1 > √2 ≈ 1,41 gewählt wird. Durch Vorgabe des Brechungsindex n2 > 1 des die Totalreflexion störenden Elements wird der Teil des Winkelbereichs ausgekoppelt, für welchen sin2(α) ≥ n1² – n2² erfüllt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform gilt n2 ≥ n1, so dass das gesamte Licht ausgekoppelt und gestreut wird. Dies dient zur Erhöhung der Leuchtdichte.
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Zweckmäßigerweise ist auf der Oberseite eine Blende zur Definition einer Abstrahlfläche vorgesehen. Ist die Blende zusätzlich auf der der oberen Grenzfläche zugewandten Seite verspiegelt, geht dieser Lichtanteil nicht verloren.
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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 nachstehend 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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1a zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flächenlichtquelle in einer Draufsicht.
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1b zeigt die Flächenlichtquelle gemäß 1a in einer Querschnittsansicht.
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2a und 2b zeigen weitere bevorzugte Ausführungsformen erfindungsgemäßer Flächenlichtquellen in einer Draufsicht.
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3a zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flächenlichtquelle, bei der sich das die Totalreflexion störende Element in einer ersten Form befindet.
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3b zeigt die Ausführungsform gemäß 3a, wobei das die Totalreflexion störende Element in einer zweiten Form befindet.
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In den 1 bis 3 sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1a und 1b, in denen eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flächenlichtquelle in einer Draufsicht bzw. in einer Querschnittsansicht dargestellt ist, werden im Folgenden zusammenhängend und übergreifend beschrieben.
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In 1 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flächenlichtquelle für eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung eines Mikroskops schematisch in einer Draufsicht dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet.
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Die Flächenlichtquelle 100 weist einen plattenförmigen Lichtleiter 110 auf. Der plattenförmige Lichtleiter ist beispielsweise aus Acryl, Glas o. ä. ausgebildet und weist hier die Form eines Prismas, speziell eines Quaders, auf. Der plattenförmige Lichtleiter 110 umfasst eine untere, hier quadratische, Grenzfläche 111 und eine kongruente obere Grenzfläche 112. Der Lichtleiter 110 weist eine Lateralerstreckung L und eine Höhe h auf, wobei vorzugsweise gilt: h < 0,1 L.
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Der Lichtleiter 110 weist weiterhin vier Seitenflächen 113 bis 116 auf. In vorliegendem Beispiel sind an alle Seitenflächen 113 bis 116 Leuchtmittel 120 angekoppelt. Die Leuchtmittel 120 umfassen einen gleichzeitig als Kühlkörper dienenden Träger 121, auf dem eine Anzahl von hier als Leuchtdioden 122 ausgebildeten Leuchtelementen angeordnet sind. Die Leuchtdioden 122 sind so an dem Lichtleiter 110 angeordnet, dass von den Leuchtdioden 122 ausgestrahltes Licht 130 im Lichtleiter aufgrund von Totalreflexion propagiert. Die Leuchtdioden 122 weisen einen Mitte-Mitte-Abstand s voneinander auf.
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An der unteren Grenzfläche 111 liegt ein die Totalreflexion störendes Element 140 an, das im vorliegenden Beispiel kreisrund ausgebildet ist. Es sei angemerkt, dass auch eine rechteckige Ausgestaltung bevorzugt ist. Der Anlagebereich wird als Kontaktfläche bezeichnet und weist einen Flächeninhalt A auf, welcher kleiner als der Flächeninhalt L2 der unteren Grenzfläche 111 ist. Insbesondere weist die Kontaktfläche einen Abstand 2r von den als Eintrittsflächen dienenden Seitenflächen auf, der vorzugsweise wie folgt bestimmt wird:
Das eingekoppelte Licht wird in dem Lichtleiter durch den Brechungsindex n zum Lot hin gebrochen. Eine Überlagerung des eingekoppelten Lichts benachbarter Leuchtdioden findet somit erst ab einem Abstand r = s/2·√(n² – 1) vom Rand des Lichtleiters statt. Daher ist es vorteilhaft, am Rand der Platte einen totalreflektierenden Bereich vorzusehen, so dass eine gute Durchmischung erreicht wird. Auf Grund der nicht isotropen Winkelcharakteristik der Leuchtmittel, wird typischerweise eine Breite von wenigstens 2r für die Randzone vorgesehen.
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Die Quaderform des Lichtleiters 110 ermöglicht eine besonders einfache Handhabung und Anbringung der Leuchtmittel 120, da die Seitenflächen 113 bis 116 eben sind.
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Im vorliegenden Beispiel erfolgt eine Einstrahlung von Licht 130 an allen vier Seitenflächen 113 bis 116, so dass im Sinne der Erfindung eine Einstrahlung von Licht aus vier unterschiedlichen Richtungen erfolgt. Wenngleich im technischen Sinne jede der einzelnen Leuchtdioden 122 in unendlich viele Richtungen abstrahlt, ist unter einer Einstrahlung aus unterschiedlichen Richtungen im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass sich die Hauptabstrahlrichtungen der Leuchtmittel unterscheiden.
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Das die Totalreflexion störende Element 140 ist zweckmaßigerweise eine auf die untere Grenzfläche 111 aufgetragene Paste. Ebenso kann es sich um eine aufgeklebte Folie handeln. Das Element 140 ist zweckmäßigerweise im Wesentlichen opak, so dass der Großteil des auftreffenden Lichts nicht transmittiert, sondern gestreut wird und nicht verloren geht. Der Remissionsgrad liegt über 0,9. Das Element 140 hat eine helle Farbe, wie z. B. Weiß oder Beige, und wirkt als diffuse Streufläche. Im Ergebnis wird das auf das Element 140 auftreffende Licht 130 diffus nach oben reflektiert bzw. gestreut, wobei ein Teil den Lichtleiter 110 an der oberen Grenzfläche 112 verlässt und für die Durchlichtbeleuchtung einer darüber angeordneten Probe 1 verwendet werden kann.
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Oberhalb der oberen Grenzfläche 112 ist eine hier als Lochblende 150 ausgestaltete Blende vorgesehen. Die der oberen Grenzfläche 112 zugewandte Seite der Blende 150 ist verspiegelt.
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In 2a ist eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flächenlichtquelle in einer Draufsicht dargestellt und mit 200 bezeichnet. Die Flächenlichtquelle 200 weist einen zylinderförmigen Lichtleiter 210 auf, der von einem eine Anzahl von Leuchtdioden 122 aufweisenden Leuchtmittel 220 umgeben ist. Auf der Unterseite des zylinderförmigen Lichtleiters 210 ist ebenfalls die Paste 140 aufgetragen.
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Die Zylinderform des Lichtleiters 210 und die damit verbundene Einstrahlung von Licht aus allen Richtungen führen zu einer besonders starken Homogenisierung des abgestrahlten Lichts.
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In 2b ist eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flächenlichtquelle in einer Draufsicht dargestellt und insgesamt mit 300 bezeichnet. Die Flächenlichtquelle 300 umfasst wiederum einen prismenförmigen Lichtleiter 310, dessen Grundfläche die Form eines regelmäßigen Sechsecks hat. Im vorliegenden Beispiel sind alle sechs Seitenflächen des Lichtleiters 310 mit Leuchtmitteln 120 ausgestattet, so dass eine Einstrahlung von Licht aus sechs Richtungen erfolgt. Diese Ausführungsform bietet einerseits eine besonders gute Homogenisierung durch Einstrahlung aus vielen Richtungen und andererseits ebene Seitenflächen, die die Anbringung der Leuchtmittel und auch die Anbringung von Halterungen, Kühlkörpern usw. auf einfache Weise zulassen.
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In den 3a und 3b ist eine vierte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flächenlichtquelle 400 in einer Querschnittsansicht dargestellt. Die Flächenlichtquelle 400 weist im Unterschied zur Flächenlichtquelle 100 gemäß 1 ein elastisch verformbares Element 440 zur Störung der Totalreflexion auf. Das Element 440 kann beispielsweise aus elastischem Kunststoff bestehen, wobei die Größe der Kontaktfläche A durch Umformung des Elements 440 verändert werden kann. Das Element kann beispielsweise ballonartig ausgebildet sein, wobei durch Inflation und Deflation eine Umformung möglich ist. Das Element kann beispielsweise auch federelastisch ausgebildet sein, so dass durch Andrücken (vgl. 3b) und Lösen (vgl. 3a) ein Umformen erfolgt. Auf diese Weise kann die Größe der Kontaktfläche A und damit die Größe der Abstrahlfläche auf die Größe der zu durchleuchtenden Probe 1 eingestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004017694 B3 [0002, 0002]
- US 7554727 B2 [0002]
