DE102011003603A1

DE102011003603A1 - Durchlichtbeleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop

Info

Publication number: DE102011003603A1
Application number: DE102011003603A
Authority: DE
Inventors: Robert Paulus; Dr. Schnitzler Harald; Didier Henry
Original assignee: Leica Microsystems Schweiz AG
Current assignee: Leica Microsystems Schweiz AG
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2031-02-04
Also published as: US8837042B2; CN102628983A; JP6012184B2; DE102011003603B4; CN102628983B; US20120200905A1; JP2012163957A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung (150) für ein Mikroskop (100), aufweisend eine Flächenlichtquelle (151), eine in Abstrahlrichtung (A) hinter der Flächenlichtquelle (151) angeordnete Blendenanordnung (152), welche zwei relativ zueinander bewegbare Blendenelemente aufweist, wobei wenigstens eines der zwei Blendenelemente eine Aussparung aufweist, wobei die zwei Blendenelemente zusammen mit der wenigstens einen Aussparung eine Blendenöffnung definieren, wobei die Ausdehnung der Blendenöffnung in zwei zueinander senkrechten Richtungen durch die Relativposition der Blendenelemente zueinander bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung (sog. Durchlichtbasis) mit integrierter Flächenlichtquelle für Mikroskope, insbesondere für solche mit kontinuierlich veränderbarer Vergrößerung, kurz Zoommikroskope genannt, insbesondere Stereomikroskope oder Makroskope, sowie ein Mikroskop mit einer solchen Durchlichtbeleuchtungseinrichtung.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind unterschiedliche Durchlichtbeleuchtungseinrichtungen mit integrierter Flächenlichtquelle bekannt. Diese werden für Hellfeld-, Dunkelfeld- und/oder schiefe Beleuchtungen eingesetzt.
Die JP 2003-75725 A zeigt eine kombinierte Durchlicht-Hellfeld- und Durchlicht-Dunkelfeld-Beleuchtungseinrichtung, bei der durch entsprechende Ansteuerung von zahlreichen LEDs zwischen Hellfeldbeleuchtung und Dunkelfeldbeleuchtung umgeschaltet werden kann.
Insbesondere für die Betrachtung kontrastarmer Präparate ist die Beleuchtung mit diffusem Licht nicht ausreichend, um die relevanten Details darzustellen. Um den Kontrast zu steigern, sind im Stand der Technik verschiedene Maßnahmen bekannt. Insbesondere in der Stereomikroskopie kommt den Beleuchtungsverfahren eine besondere Bedeutung zu, da mit ihrer Hilfe Kontraste auf dem zu betrachtenden Objekt zu erzeugen sind, durch welche Strukturen auf dem Objekt besser oder überhaupt erst sichtbar werden.
In der US 7,345,815 B2 und US 7,554,727 B2 wird beschrieben, bei einer Hellfeld-Beleuchtung lichtrichtende Elemente einzusetzen, die den Beleuchtungswinkel der Probe steuern. Es wirkt sich jedoch negativ auf den Kontrast aus, dass immer das maximale Feld ausgeleuchtet wird.
In der DE 10 2004 017 694 B3 wird eine Segmentierung der Lichtquelle beschrieben. Dabei werden die Position und die Spaltbreite einer Schlitzblende variiert. Eine schiefe Beleuchtung ist möglich. Die rechteckige Form des Schlitzes ist jedoch für die Gegebenheiten bei einem Stereo-Mikroskop mit den zwei unter einem Winkel stehenden Beobachtungskanälen nicht ideal. Auch sind die Bedienbarkeit sowie der Aufbau der Schlitzblende zu verbessern.
Es ist daher wünschenswert, eine möglichst flache Durchlichtbeleuchtungseinrichtung für eine homogene Beleuchtung eines Mikroskops anzugeben, die für Hellfeld-, Dunkelfeld- und/oder schiefe Beleuchtung eingesetzt werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Mikroskop mit einer solchen Durchlichtbeleuchtungseinrichtung vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung kombiniert die flache Bauform einer Flächenlichtquelle mit der speziellen Ausgestaltung einer darüber angeordneten Blendenanordnung, um eine flache, kompakt bauende Durchlichtbasis bereitzustellen, die reproduzierbar eine Vielzahl von unterschiedlichen Beleuchtungsarten bzw. Beleuchtungswinkeln bei gleichzeitig einfacher Bedienbarkeit bietet. Die Blendenanordnung weist zwei – insbesondere entlang einer ersten Bewegungsrichtung – relativ zueinander bewegbare Blendenelemente auf, von denen wenigstens eines eine Aussparung hat, um eine Blendenöffnung zu definieren. Die Blendenöffnung kann durch ihre jeweilige Ausdehnung in zwei zueinander senkrechten Richtungen charakterisiert werden. Das Licht der unten angeordneten Flächenlichtquelle passiert die Blendenöffnung und beleuchtet eine darüber im Mikroskopstrahlengang angeordnete Probe.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die wenigstens eine Aussparung so geformt, dass bei Veränderung der Relativposition der Blendenelemente zueinander entlang der ersten Bewegungsrichtung die Ausdehnung der Blendenöffnung in der ersten Bewegungsrichtung stärker verändert wird als in der Richtung senkrecht dazu. Sei im Folgenden o. E. die Bewegungsrichtung als N-S-Richtung definiert, so bewirkt dann eine Relativbewegung in N-S-Richtung eine stärkere Veränderung der N-S-Ausdehnung der Blendenöffnung als der O-W-Ausdehnung. Es hat sich gezeigt, dass eine zur Bewegungsrichtung achssymmetrische Form der Aussparung besonders geeignet ist, um diesen Zweck zu erfüllen, und auch leicht herzustellen ist. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Aussparung zumindest abschnittsweise konkav, kreisrund, parabelförmig und/oder hyperbelförmig. Diese Formen können besonders leicht hergestellt werden.
Durch die unterschiedlichen Ausdehnungsveränderungen kann insbesondere die zweikanalige Strahl-Geometrie bei Stereo-Mikroskopen in der Durchlichtbeleuchtungseinrichtung mit einer integrierten Flächenlichtquelle berücksichtigt werden. Die Flächenlichtquelle befindet sich zwar nahe unter der Probenebene, jedoch nicht darin, so dass die beiden Beobachtungsstrahlen des Stereo-Mikroskops, die in der Probe aufeinander liegen, anschließend wieder auseinanderlaufen und auf der Flächenlichtquelle mehr oder weniger nebeneinander liegen. Durch eine entsprechende Geometrie der Blendenöffnung – insbesondere eine Einhüllende der nebeneinander liegenden Strahldurchmesser beider Stereokanäle – kann eine vignettierungsfreie Beleuchtung bereitgestellt werden, wobei jedoch in besonders vorteilhafter Weise nur die notwendige Öffnung zur vignettierungsfreien Beleuchtung des Sichtfeldes bzw. des beobachtbaren Objektausschnitts freigegeben werden kann und damit kontrastminderndes Streulicht reduziert wird.
Vorteilhafterweise sind die zwei Blendenelemente als flexible Blendensegel ausgebildet. Diese Blendensegel zeichnen sich dadurch aus, dass sie dünn sind, aus einem flexiblen Material bestehen und sich flach über der Flächenlichtquelle erstrecken. Diese Ausführung ist besonders platzsparend, da flexible Blendensegel relativ frei geführt werden können. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Blendensegel aufzurollen oder sie seitlich an der Flächenlichtquelle vorbei und anschließend unter der Flächenlichtquelle hindurch zu führen. Alternativ ist auch angedacht, die zwei Blendenelemente als starre Blendenplatten auszubilden, die relativ zueinander verschiebbar sind. Dies liefert robuste, weniger empfindliche Blendenelemente.
Flexible, aber auch starre Blendenelemente können besonders vorteilhaft mittels Blendenelementwellen bewegt werden. Beispielsweise können die Blendenelemente auf diese aufgerollt und von ihnen abgerollt werden. Diese Ausgestaltung ist besonders kompakt und relativ stabil. Die Blendenöffnung kann besonders einfach und insbesondere reproduzierbar eingestellt und/oder positioniert werden, indem die Blendenelementwellen in bestimmte Winkelstellungen gebracht werden.
Für die Erfindung besonders bevorzugte Flächenlichtquellen werden in den Anmeldungen DE 10 2011 003 568.0 und DE 10 2011 003 569.9 vom selben Tag beschrieben, auf deren Inhalt hiermit ausdrücklich und vollumfänglich Bezug genommen wird. Eine derartige Flächenlichtquelle weist einen plattenförmigen Lichtleiter mit einer unteren Grenzfläche, einer oberen Grenzfläche und wenigstens einer Seitenfläche sowie wenigstens ein Leuchtmittel auf, das so angeordnet ist, dass es Licht aus wenigstens zwei unterschiedlichen Richtungen so über wenigstens eine als Lichteintrittsfläche dienende Seitenfläche in den Lichtleiter einstrahlt, dass dieses aufgrund von Totalreflexion im Lichtleiter propagiert. 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. Die Totalreflexion wird durch ein an der unteren, von der Probe abgewandten Grenzfläche des Lichtleiters auf einer Kontaktfläche anliegendes Element definiert gestört, so dass das auf der Kontaktfläche auftreffende Licht zum größten Teil nach oben gelenkt wird und eine Auskopplung von Licht an der oberen Grenzfläche des Lichtleiters erfolgt. Der Flächeninhalt der Kontaktfläche ist kleiner als der Flächeninhalt der unteren Grenzfläche. Das die Totalreflexion störende Element kann eine diffuse Streuung oder eine gerichtete Reflexion des im Lichtleiter propagierenden Lichts bewirken.
Die Verwendung anderer Flächenlichtquellen ist ebenfalls möglich, beispielsweise solche, die auf Basis von OLEDs aufgebaut sind.
Zweckmäßigerweise ist zusätzlich in Abstrahlrichtung in Richtung der Probe hinter der Blendenanordnung eine Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung angeordnet. Somit kann neben einer schiefen und einer Hellfeld-Beleuchtung auch eine Dunkelfeld-Beleuchtung erzeugt werden. Die Anordnung hinter der Blendenanordnung ermöglicht, bei Dunkelfeld-Beleuchtung die Blendenöffnung komplett zu schließen. Gerade bei geringer Bauhöhe der Beleuchtungseinrichtung stört eine lichtstreuende und/oder fluoreszierende Eigenschaft der in Hellfeld-Beleuchtungen eingesetzten Leuchtmittel (z. B. LEDs) den Kontrast, so dass es vorteilhaft ist, diese Leuchtmittel selbst im stromlos geschalteten Zustand abzudecken, um eine hohe Qualität der Dunkelfeld-Kontrastierung zu erreichen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Durchlichtbeleuchtungseinrichtung verfügt über eine Steuerung und wenigstens einen Antrieb, beispielsweise einen Schrittmotor, um die Relativbewegung der Blendenelemente zu bewerkstelligen. Hier kann die Steuerung so eingerichtet sein, dass bestimmte Blendenpositionen vorbelegt (gespeichert) und vom Benutzer abrufbar und zweckmäßigerweise auch abspeicherbar sind. Eine motorisierte Bedienung erleichtert die Handhabung und führt zu reproduzierbaren Beleuchtungsverfahren.
Vorzugsweise ist ein mit der Steuerung verbundenes Bedienmittel vorgesehen, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, auf eine Betätigung des Bedienmittels hin die Blendenelemente in eine bestimmte Relativposition zu bringen. Es kann sich dabei um bei der Herstellung und/oder vom Bediener während des Betriebs vorbestimmte Relativpositionen handeln. Dem Benutzer wird vorzugsweise die Möglichkeit zum Eingriff in die Beleuchtungseinstellungen gegeben. Durch Veränderung von Einstellungsparametern (z. B. mit einem oder mehreren Drehknöpfen zur Ansteuerung des wenigstens einen Antriebs) kann eine bestimmte Blendenstellung (z. B. eine Blende beschneidet die Pupille zu 2/3 des Durchmessers) ausgewählt werden. Diese kann anschließend in der Steuerung gespeichert werden und steht für den späteren Abruf zur Verfügung.
Zweckmäßigerweise ist die Steuerung dazu eingerichtet, die Blendenelemente in Abhängigkeit von einem Mikroskopparameter, beispielsweise einer am Mikroskop eingestellten Vergrößerung, in eine bestimmte Relativposition zu bringen. Die axiale Lage der Pupillen eines Zoommikroskops ist im Allgemeinen nicht fest. Je nach Vergrößerung wandert die konjugierte Ebene der Objektivpupille von der Ebene der Blendenelemente (hohe Vergrößerung) zu großen Abständen unterhalb der Ebene der Flächenlichtquelle (geringe Vergrößerung). Befindet sich die konjugierte Ebene der Objektivpupille in der Ebene der Blendenelemente, kann eine gleichmäßige Pupillenmanipulation über das Objektfeld realisiert werden. Je weiter die Objektivpupille von der Blendenebene entfernt liegt, umso ausgeprägter tritt eine Manipulation des Objektfeldes (Vignettierung) auf. Je nach Pupillenposition, die durch Zoomstellung und Objektiv bestimmt ist, sind in der Steuerung geeignete Blendenstellungen hinterlegt, um übermäßige Vignettierung zu vermeiden. Alternativ oder zusätzlich wird die Blendenöffnung vorzugsweise auch bei Änderung einer Irisblendeneinstellung und/oder einer Objektiveinstellung angepasst und somit der optischen Konfiguration des Mikroskops dynamisch nachgeführt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
1 zeigt die Gegebenheiten bei niedriger Vergrößerung bei einem erfindungsgemäßen Mikroskop in einer schematischen Schnittansicht.
2 zeigt die Gegebenheiten bei hoher Vergrößerung bei einem erfindungsgemäßen Mikroskop in einer schematischen Schnittansicht.
3 zeigt eine für eine Situation gemäß 1 bevorzugte Blendenstellung einer erfindungsgemäßen Durchlichtbeleuchtungseinrichtung in einer schematischen Draufsicht.
4 zeigt eine für eine Situation gemäß 2 bevorzugte Blendenstellung einer erfindungsgemäßen Durchlichtbeleuchtungseinrichtung in einer schematischen Draufsicht.
5 zeigt eine für eine schiefe Beleuchtung bevorzugte Blendenstellung einer erfindungsgemäßen Durchlichtbeleuchtungseinrichtung in einer schematischen Draufsicht.
6 zeigt eine Auftragung unterschiedlicher bevorzugter Blendenpositionen für unterschiedliche Vergrößerungen, die in einer Steuerung eingespeichert sein können.
7 zeigt eine Auftragung unterschiedlicher bevorzugter Blendenpositionen für unterschiedliche Kontrastierungen, die in einer Steuerung eingespeichert sein können.
8a zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Durchlichtbeleuchtungseinrichtung in einer schematischen Seitenansicht.
8b zeigt einen Ausschnitt aus 8a in einer Draufsicht.
9a zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Durchlichtbeleuchtungseinrichtung in einer schematischen Seitenansicht.
9b zeigt einen Ausschnitt aus 9a in einer Draufsicht.
10a zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Durchlichtbeleuchtungseinrichtung mit einer unverkippten Flächenlichtquelle in einer schematischen Seitenansicht.
10b zeigt die Durchlichtbeleuchtungseinrichtung gemäß 10a mit einer verkippten Flächenlichtquelle in einer schematischen Seitenansicht.
11 zeigt die Gegebenheiten bei Dunkelfeld-Beleuchtung bei einem erfindungsgemäßen Mikroskop in einer schematischen Schnittansicht.
12a zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer für die Erfindung geeigneten Flächenlichtquelle in einer Draufsicht.
12b zeigt die Flächenlichtquelle gemäß 12a in einer Querschnittsansicht.
In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden der Übersichtlichkeit halber nicht mehrfach erläutert.
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines hier als Stereomikroskop 100 ausgebildeten Mikroskops schematisch in einer Schnittansicht dargestellt. Das Mikroskop 100 ist mit einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 150 ausgestattet. Das Mikroskop wird zur Untersuchung eines Objekts bzw. einer Probe 1 verwendet.
Das Mikroskop 100 umfasst zwei Okulare 110, die einem Zoomsystem 120 nachgeordnet sind. Über ein Objektiv 130 wird das Objekt 1 betrachtet. Ausgehend vom Objektiv 130 sind beispielhafte Strahlengänge 141, 142 für die beiden Stereokanäle (d. h. für das linke und das rechte Auge) bis zur Probe 1 und weiter in die Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 150 dargestellt. Der linke Kanal ist mit 141, der rechte mit 142 bezeichnet. In der Zeichnung liegen die Beobachtungskanäle in W-O-Richtung nebeneinander in der Zeichenebene. Die N-S-Richtung hingegen verläuft in die Zeichenebene hinein.
Die Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 150 verfügt über eine Flächenlichtquelle 151 und eine in Abstrahlrichtung AR hinter der Flächenlichtquelle 151 angeordnete Blendenanordnung 152. Die Blendenanordnung 152 verfügt über zwei relativ zueinander bewegbare Blendenelemente 153 und 154. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Relativbewegung realisiert, in dem die Blendenelemente 153 und 154 in N-S-Richtung verschiebbar sind. In diesem Sinne ist ein Blendenelement 154 oberhalb der Zeichenebene und ein Blendenelement 153 unterhalb der Zeichenebene angeordnet. Diese Anordnung wird in den 3 bis 5 deutlicher.
Die Beobachtungskanäle 141, 142 zur Beobachtung aller Objektpunkte verlaufen vom Objektiv 130 durch die Probe 1 bis auf die Flächenlichtquelle 151, wo sie bei der hier dargestellten niedrigen Vergrößerung relativ stark überlappen. Die Kreise unterhalb der Flächenlichtquelle sind nicht Teil der Anordnung, sondern symbolisieren lediglich die von den Beobachtungskanälen auf der Flächenlichtquelle genutzten Flächen.
Die Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 150 ist weiterhin mit einer Recheneinheit 160 als Steuerung ausgerüstet, die mit der Blendenanordnung 152 verbunden ist (Verbindung nicht dargestellt), um die Antriebe (vgl. 161 gem. 8b, 9b) anzusteuern. Die Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 150 ist so in das Mikroskop 100 integriert, dass Daten der angebauten Systemkomponenten (Zoomkörper, aktuelle Vergrößerungsstufe, Objektiv etc.), z. B. über ein Bus-System 159, an die Steuerung 160 übertragen werden.
In 2 ist das Mikroskop 100 gemäß 1 bei einer hohen Vergrößerung dargestellt. Es ist erkennbar, dass die beiden Beobachtungskanäle 141 und 142 deutlich auseinander gewandert sind und nun im Wesentlichen nebeneinander auf der Flächenlichtquelle 151 zur Anordnung kommen.
In 3 ist die Blendenanordnung 152 umfassend die Blendenelemente 153 und 154 aus 1, in 4 ist die Blendenanordnung aus 2 jeweils in einer Draufsicht dargestellt. In 5 ist eine Blendenposition zur Realisierung einer schiefen Beleuchtung dargestellt.
Die Blendenelemente sind in N-S-Richtung relativ zueinander verschiebbar. Insbesondere ist jedes der Blendenelemente 153, 154 in N-S-Richtung verschiebbar. In diesen Figuren wird auch die Form der Blendenelemente besonders deutlich. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst jedes der Blendenelemente 153, 154 eine Aussparung 153a bzw. 154a.
Die Aussparungen 153a, 154a sind jeweils an der dem anderen Blendenelement zugewandten Seite vorgesehen und weisen eine im Wesentlichen konkave Form auf, die symmetrisch zu einer in N-S-Richtung verlaufenden Mittelachse ist. Die Blendenelemente definieren mit ihren Aussparungen eine Blendenöffnung 155 mit einer ersten Ausdehnung 156 in N-S-Richtung und einer zweiten Ausdehnung 157 senkrecht dazu, also in W-O-Richtung.
Durch Relativbewegung der Blendenelemente 153 und 154 zueinander kann die Größe der Blendenöffnung 155 vorgegeben werden. Insbesondere sind die Aussparungen 153a und 154a so geformt, dass eine Relativbewegung der Blendenelemente in N-S-Richtung die erste Ausdehnung 156 stärker verändert als die zweite Ausdehnung 157, was durch einen Vergleich der 3 und 4 deutlich wird. Dadurch kann auf die zweikanaligen Gegebenheiten bei einem Stereomikroskop besonders gut eingegangen werden. Eine homogene Ausleuchtung und ein guter Kontrast mit wenig Streulicht werden erhalten, weil im Wesentlichen nur die von den Beobachtungskanälen auf der Lichtquelle genutzten Flächen von der Blendenanordnung freigegeben werden.
Die jeweilige Position der Blendenelemente 153, 154 kann durch die Position von Aussparungspunkten X und Y (siehe 3 bis 5) charakterisiert werden, welche auf der Symmetrieachse liegen.
Verschiedene, vorzugsweise in der Steuerung 160 abgespeicherte und ggf. abspeicherbare Blendenpositionen für unterschiedlichen Vergrößerungen V und unterschiedlichen Kontrastierungen K sind in den 6 bzw. 7 dargestellt.
Die Bewegung und Positionierung der Blendenelemente wird zweckmäßigerweise mit Hilfe von Motoren realisiert, die über eine Kodierung verfügen. Eine alternative Ausführungsform ist die Verwendung von Schrittmotoren, die durch Referenzierung eine relative Position zu einem Referenzpunkt anfahren können. Die Position der Blendenelemente relativ zu einem lokalen Koordinatensystem (beispielsweise Zentrum der Flächenlichtquelle) ist vorteilhafterweise für unterschiedliche Vergrößerungen, Kontrastierverfahren, Objektiveinstellungen, Irisblendeneinstellungen usw. als Parametersatz in der Steuerung hinterlegt.
In 6 sind entlang der x-Achse, welche die N-S-Richtung beschreibt, bevorzugte beispielhafte Blendenstellungen für Hellfeld- und für schiefe Beleuchtung in Abhängigkeit von der Vergrößerung V auf der y-Achse dargestellt. Die Blendenstellungen werden durch die Position der o. g. Aussparungspunkte X, Y für Hellfeld- und X, Y' für schiefe Beleuchtung definiert. Für kleine Vergrößerungen liegen die Aussparungspunkte relativ weit auseinander, d. h. die Blendenausdehnung 156 in N-S-Richtung ist groß. Für hohe Vergrößerungen liegen die Aussparungspunkte näher zusammen, was einer kleinen Blendenausdehnung 156 entspricht. Bei einer Hellfeld-Beleuchtung sind die Aussparungspunkte zweckmäßigerweise symmetrisch zur W-O-Achse angeordnet, was in 6 den Punkten X, Y jeweils außen an den Linien entspricht. Die Positionen der Aussparungspunkte X und Y, Y' der Blenden 153 bzw. 154 werden vorzugsweise durch die Steuerung 160 so vorgegeben, dass keine Vignettierung des Objektfeldes auftritt und gleichzeitig eine Reduktion des auftreffenden Streulichts realisiert wird. Die Grundlage dieser Kontrastierung liegt in der zur W-O-Richtung bzw. Achse symmetrischen Blendenöffnungsform.
Bei einer schiefen Beleuchtung wird zweckmäßigerweise ein Blendenelement stärker verschoben als das andere, so dass für die schiefe Beleuchtung die Aussparungspunkte Y zu Y' verschoben werden. Die Blendenöffnung ist dann asymmetrisch zur W-O-Richtung angeordnet.
In 7 sind entlang der x-Achse, welche die N-S-Richtung beschreibt, bevorzugte beispielhafte Blendenstellungen für unterschiedliche Kontrastiereinstellungen K auf der y-Achse dargestellt. Speziell sind Blendenstellungen für unterschiedliche schiefe Beleuchtungen dargestellt. Von oben nach unten wandert die Beleuchtung von vollständig S zu mehr Anteilen N bis zu vollständig N. Durch entsprechende schiefe Beleuchtung können zum Beispiel Reliefkontrastbilder der Probe erzeugt werden. Es ist insbesondere bevorzugt, wenn diese Stellungen in der Steuerung vorbelegt und vom Benutzer über ein Bedienmittel abrufbar sind. Diese Ausführungsform ist insbesondere für Situationen geeignet, in denen keine Informationen vom Mikroskop vorliegen und/oder eine automatische Blendeneinstellung nicht erwünscht ist.
Dem Benutzer wird weiterhin die Möglichkeit zum Eingriff in die Beleuchtung gegeben. Durch Veränderung von Einstellungsparametern (z. B. mit einem Drehknopf) wird beispielsweise eine beliebige Blendenstellung eingestellt. Diese kann vom Benutzer in der Steuerung 160 abgespeichert und später wieder abgerufen werden. Auf diese Weise kann, gestützt auf die gespeicherten Werte, eine manuell betätigbare, halbautomatische Beleuchtungssteuerung bereitgestellt werden.
In 8a ist ein Ausschnitt einer ersten Ausführungsform einer Durchlichtbeleuchtungseinrichtung in einer Querschnittsansicht, in 8b ist ein Ausschnitt aus 8a in einer Draufsicht dargestellt.
Die Blendenelemente sind hier als flexible Blendensegel ausgebildet, wobei in den 8a und 8b nur das Blendensegel 153 im Schnitt mit der Blendenöffnung 153a abgebildet ist. Das Blendensegel 154 ist entsprechend ausgebildet und würde das Blendensegel 153 umgeben. Jedes der Blendensegel wird endlos über zwei Blendenelementwellen 162, 163 geführt, wobei der unter der Flächenlichtquelle verlaufende Abschnitt zweckmäßigerweise mittels Federelementen 168 zusammengehalten wird. Die Aussparung 153a ist hier als eine Art Loch im Blendensegel 153 ausgebildet.
In dieser Ausgestaltung trägt zweckmäßigerweise die Welle 162 (beispielsweise verzahnte) Antriebsrollen 164, um das umlaufende Segel 153 zu bewegen, sowie Umlenkrollen 167 für das zweite Segel 154. Die andere Welle 163 trägt Antriebsrollen 166 für das zweite Segel 154 sowie Umlenkrollen 165 für das erste Segel 153. Die Umlenkrollen 165, 167 sind frei um die jeweilige Welle rotierbar. Für jede Blendenelementwelle 162, 163 ist ein Antrieb 161, wie z. B. ein Schrittmotor, vorgesehen. Durch das Drehen der Blendenelementwelle 162 und der darauf drehfest angeordneten Antriebsrollen 164 erfolgt eine Verschiebung der Blende 153 und damit der Aussparung 153a in N-S-Richtung. Dasselbe gilt mutatis mutandis für die Blendenelementwelle 163 und die Aussparung 154a (nicht gezeigt).
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die als flexible Blendensegel ausgebildeten Blendenelemente 153 und 154 jeweils auf eine Blendenelementwelle aufrollbar und von dieser abrollbar sind, die wiederum von einem Antrieb, wie z. B. einem Schrittmotor, angetrieben wird. Durch das Auf- oder Abrollen erfolgt dann ebenfalls eine Verschiebung der Blende 153 und damit der Aussparung 153a in N-S-Richtung.
In den 9a und 9b ist ein entsprechender Ausschnitt einer Durchlichtbeleuchtungseinrichtung mit starren, plattenartigen Blendenelementen 153, 154 schematisch im Schnitt dargestellt. Die Blendenaussparungen 153a, 154a definieren zusammen die Blendenöffnung 155. Auch die plattenartigen Blendenelemente können mittels Blendenelementwellen und Antrieben in N-S-Richtung verschoben werden, wobei in den 9a und 9b jedoch lediglich eine Blendenelementwelle 162 für das Blendenelement 153 sowie ein Antrieb 161 dargestellt sind. Zweckmäßigerweise ist für jede Blendenelementwelle ein Gegendruckelement (z. B. Rolle oder Walze) (nicht gezeigt) vorgesehen.
Bei der Minimierung des für die gesamte Durchlichtbeleuchtungseinrichtung erforderlichen Bauraums (Höhe und laterale Ausdehnung) ist die Verwendung von Schrittmotoren als Antrieb vorteilhaft. Die Blendenelemente werden mittels des Antriebs über die Blendenelementwelle bewegt. Eine Optimierung des Bauraums kann insbesondere durch die Ausführungsform in 8 realisiert werden, bei der die Blendenelemente flexibel ausgeführt sind und um die Blendenelementwelle geführt werden. Dies reduziert die laterale Ausdehnung der Durchlichtbeleuchtungseinrichtung.
In den 10a und 10b ist die Verkippung einer Flächenlichtquelle mit Blendenanordnung dargestellt. Dabei ist jeweils die Beleuchtungseinrichtung 150 in einer Querschnittsansicht entlang der N-S-Richtung abgebildet, wobei die Flächenlichtquelle 151 um die W-O-Richtung kippbar bzw. drehbar gelagert ist.
Bei der unverkippten Flächenlichtquelle 151 gemäß 10a kommt es bei einer – wie abgebildeten – schiefen Beleuchtung dazu, dass der Beleuchtungsschwerpunkt P nicht innerhalb des Beleuchtungskegels 158 liegt.
Die Beleuchtung kann verbessert werden, wenn daher die Flächenlichtquelle 151, wie in 10b gezeigt, verkippt wird, so dass der Beleuchtungsschwerpunkt P, d. h. der Schwerpunkt der Beleuchtungsintensität, nun innerhalb des Beleuchtungskegels 158 liegt. Hierdurch wird, insbesondere bei schiefer Beleuchtung, eine zusätzliche Kontraststeigerung erreicht.
In 11 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroskops 100 dargestellt, das über eine bevorzugte Ausführungsform einer Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 150 verfügt. Die Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 150 hat oberhalb der beiden Blendenelemente 153, 154 zusätzlich zu den bisher bereits erläuterten Elementen eine Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung, die Leuchtelemente, wie z. B. LEDs 251 und 252, aufweist. Diese können beispielsweise als LED-Zeilen ausgeführt sein und können einzeln oder gemeinsam eingeschaltet werden, um einseitige oder beidseitige Dunkelfeldbeleuchtung zu realisieren.
Die Leuchtelemente 251, 252 der Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung emittieren Licht außerhalb der Beobachtungsapertur des Objektivs 130, so dass sie nicht zu einer direkten Beleuchtung beitragen. Stattdessen wird das von der Dunkelfeldbeleuchtung ausgehende Licht am Objekt gestreut und in das Mikroskop eingeleitet. Zur Erhöhung des Kontrasts wird bei einer Verwendung der Dunkelfeldbeleuchtung vorzugsweise die Blendenöffnung geschlossen. Dies bewirkt zum einen die Abdeckung der ggf. aufgrund der Dunkelfeldbeleuchtung fluoreszierenden und/oder reflektierenden Flächenlichtquelle 151, zum anderen ist die zur Probe 1 hin gerichtete Oberfläche der Blendenelemente 153, 154 stark absorbierend, um eine mögliche Rückstreuung zu minimieren. Das Schließen erfolgt bei Inbetriebnahme der Dunkelfeldbeleuchtung zweckmäßigerweise automatisch durch die Steuerung 160.
Die 12a und 12b, in denen eine Flächenlichtquelle 151 in einer Draufsicht bzw. in einer Querschnittsansicht dargestellt ist, werden im Folgenden zusammenhängend und übergreifend beschrieben.
Die Flächenlichtquelle 151 weist einen plattenförmigen Lichtleiter 410 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 410 umfasst eine untere, hier quadratische, Grenzfläche 411 und eine kongruente obere Grenzfläche 412. Der Lichtleiter 410 weist eine Lateralerstreckung L und eine Höhe h auf, wobei vorzugsweise gilt: h < 0,1 L.
Der Lichtleiter 410 weist weiterhin vier Seitenflächen 413 bis 416 auf. In vorliegendem Beispiel sind an alle Seitenflächen 413 bis 416 Leuchtmittel 420 angekoppelt. Die Leuchtmittel 420 umfassen einen gleichzeitig als Kühlkörper dienenden Träger 421, auf dem eine Anzahl von hier als Leuchtdioden 422 ausgebildeten Leuchtelementen angeordnet sind. Die Leuchtdioden 422 sind so an dem Lichtleiter 410 angeordnet, dass von den Leuchtdioden 422 ausgestrahltes Licht 430 im Lichtleiter aufgrund von Totalreflexion propagiert. Die Leuchtdioden 422 weisen einen Abstand s voneinander auf.
An der unteren Grenzfläche 411 liegt ein die Totalreflexion störendes Element 440 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 411 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 (vgl. 12a). 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.
Die Quaderform des Lichtleiters 410 ermöglicht eine besonders einfache Handhabung und Anbringung der Leuchtmittel 420, da die Seitenflächen 413 bis 416 eben sind.
Im vorliegenden Beispiel erfolgt eine Einstrahlung von Licht 430 an allen vier Seitenflächen 413 bis 416, so dass im Sinne der Erfindung eine Einstrahlung von Licht aus vier unterschiedlichen Richtungen erfolgt. Wenngleich im technischen Sinne jede der einzelnen Leuchtdioden 422 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. In diesem Sinne strahlen hier alle Leuchtdioden 422 eines Leuchtmittels 420, das auf einer der Seitenflächen 413 bis 416 angeordnet ist, in dieselbe Richtung.
Das die Totalreflexion störende Element 440 ist im dargestellten Beispiel als Mikroprismenplatte ausgebildet, die mit transparentem Klebstoff an der Unterseite 411 des Lichtleiters 410 befestigt ist. Ebenso bevorzugt kann es sich um eine aufgeklebte, strukturierte Folie handeln. Das Element 440 weist zweckmäßigerweise verspiegelte Flanken auf, so dass der Großteil des auftreffenden Lichts reflektiert wird und nicht verloren geht. Der Reflexionsgrad liegt vorzugsweise über 90%. Die Geometrie der Mikrostruktur beeinflusst die Winkelcharakteristik des ausgekoppelten Lichtbündels.
Die verspiegelte Mikroprismenplatte 440 ist mittels des Klebstoffs mit dem Lichtleiter 410 verbunden, wobei die optische Brechzahl des Klebstoffs so gewählt ist, dass der Winkelbereich, der in dem Lichtleiter konstruktiv transportiert wird, in Richtung der Probe ausgekoppelt wird. Im Ergebnis wird das auf das Element 440 auftreffende Licht 430 gerichtet nach oben reflektiert, wobei ein Teil den Lichtleiter 410 an der oberen Grenzfläche 412 verlässt und für die Durchlichtbeleuchtung einer darüber angeordneten Probe 1 verwendet werden kann.
Das die Totalreflexion störende Element 440 kann ebenso bevorzugt eine diffuse Streuung bewirken und dazu beispielsweise eine auf die untere Grenzfläche 411 aufgetragene Paste sein. Ebenso kann es sich um eine aufgeklebte Folie handeln. Das Element 440 ist zweckmäßigerweise im Wesentlichen opak, so dass der Großteil des auftreffenden Lichts nicht transmittiert, sondern reflektiert wird und nicht verloren geht. Der Remissionsgrad liegt vorzugsweise über 0,9. Das Element 440 hat eine helle Farbe, wie z. B. Weiß oder Beige, und wirkt als diffuse Streufläche. Im Ergebnis wird das auf das Element 440 auftreffende Licht 430 diffus nach oben reflektiert bzw. gestreut, wobei ein Teil den Lichtleiter 410 an der oberen Grenzfläche 412 verlässt und für die Durchlichtbeleuchtung einer darüber angeordneten Probe 1 verwendet werden kann.
Oberhalb der oberen Grenzfläche 412 ist eine hier als Lochblende 450 ausgestaltete Blende vorgesehen. Die der oberen Grenzfläche 412 zugewandten Seite der Blende 450 ist verspiegelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2003-75725 A [0003]
US 7345815 B2 [0005]
US 7554727 B2 [0005]
DE 102004017694 B3 [0006]
DE 102011003568 [0014]
DE 102011003569 [0014]

Claims

Durchlichtbeleuchtungseinrichtung (150) für ein Mikroskop (100), aufweisend eine Flächenlichtquelle (151), eine in Abstrahlrichtung (A) hinter der Flächenlichtquelle (151) angeordnete Blendenanordnung (152), welche zwei relativ zueinander bewegbare Blendenelemente (153, 154) aufweist, wobei wenigstens eines der zwei Blendenelemente (153, 154) eine Aussparung (153a, 154a) aufweist, wobei die zwei Blendenelemente (153, 154) zusammen mit der wenigstens einen Aussparung (153a, 154a) eine Blendenöffnung (155) definieren, wobei die Ausdehnung (156, 157) der Blendenöffnung (155) in zwei zueinander senkrechten Richtungen durch die Relativposition der Blendenelemente (153, 154) zueinander bestimmt wird.
Durchlichtbeleuchtungseinrichtung (150) nach Anspruch 1, die so ausgebildet ist, dass die Relativposition der zwei Blendenelemente (153, 154) durch eine Bewegung mindestens eines der beiden Blendenelemente (153, 154) entlang einer ersten Bewegungsrichtung (N-S) einstellbar ist.
Durchlichtbeleuchtungseinrichtung (150) nach Anspruch 2, wobei die wenigstens eine Aussparung (153a, 154a) so geformt ist, dass bei Veränderung der Relativposition der Blendenelemente (153, 154) zueinander entlang der ersten Bewegungsrichtung (N-S) die Ausdehnung (156) der Blendenöffnung in der ersten Bewegungsrichtung (N-S) stärker verändert wird als die Ausdehnung (157) in der zweiten, senkrecht dazu orientierten Richtung (W-O).
Durchlichtbeleuchtungseinrichtung (150) nach Anspruch 2 oder 3, wobei sich wenigstens eine Aussparung (153a, 154a) entlang der ersten Bewegungsrichtung (N-S) verjüngt.
Durchlichtbeleuchtungseinrichtung (150) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei wenigstens eine Aussparung (153a, 154a) symmetrisch zu einer in der ersten Bewegungsrichtung (N-S) verlaufenden Achse ist.
Durchlichtbeleuchtungseinrichtung (150) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine Aussparung (153a, 154a) zumindest abschnittsweise konkav, kreisrund, parabelförmig und/oder hyperbelförmig ist.
Durchlichtbeleuchtungseinrichtung (150) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zwei Blendenelemente (153, 154) als flexible Blendensegel ausgebildet sind.
Durchlichtbeleuchtungseinrichtung (150) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die wenigstens eine Blendenelementwelle (162, 163) zur Bewerkstelligung der Relativbewegung der zwei Blendenelemente (153, 154) aufweist.
Durchlichtbeleuchtungseinrichtung (150) nach Anspruch 8, bei der mittels der wenigstens einen Blendenelementwelle (162, 163) die zwei Blendenelemente (153, 154) in eine Relativposition bringbar sind, welche bezüglich der Mitte der Flächenlichtquelle eine asymmetrische Blendenöffnung (155) definiert.
Durchlichtbeleuchtungseinrichtung (150) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Flächenlichtquelle (151) einen plattenförmigen Lichtleiter (410) mit einer unteren Grenzfläche (411), einer oberen Grenzfläche (412) und wenigstens einer Seitenfläche (413–416) sowie wenigstens ein Leuchtmittel (420, 422) aufweist, das so angeordnet ist, dass es Licht (430) aus wenigstens zwei unterschiedlichen Richtungen so über wenigstens eine als Lichteintrittsfläche dienende Seitenfläche in den Lichtleiter (410) einstrahlt, dass dieses aufgrund von Totalreflexion im Lichtleiter (410) propagiert, wobei die Totalreflexion durch ein an der unteren Grenzfläche (411) des Lichtleiters (410) auf einer Kontaktfläche (A) anliegendes Element (440) definiert gestört wird, so dass eine Auskopplung von Licht auf der oberen Grenzfläche (412) des Lichtleiters (410) erfolgt, wobei der Flächeninhalt (A) der Kontaktfläche kleiner als der Flächeninhalt (L²) der unteren Grenzfläche (411) ist.
Durchlichtbeleuchtungseinrichtung (150) nach Anspruch 10, wobei das die Totalreflexion störende Element (440) eine diffuse Streuung oder gerichtete Reflexion des im Lichtleiter (410) propagierenden Lichts (430) bewirkt.
Durchlichtbeleuchtungseinrichtung (150) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer in Abstrahlrichtung (AR) hinter der Blendenanordnung (152) angeordneten Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung (251, 252).
Durchlichtbeleuchtungseinrichtung (150) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Flächenlichtquelle (151) verkippbar gelagert ist.
Durchlichtbeleuchtungseinrichtung (150) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Steuerung (160) und wenigstens einem Antrieb (161), um die Relativbewegung der Blendenelemente (153, 154) zu bewerkstelligen.
Durchlichtbeleuchtungseinrichtung (150) nach Anspruch 14, mit einem mit der Steuerung (160) verbundenen Bedienmittel, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, auf eine Betätigung des Bedienmittels hin die Blendenelemente (153, 154) in eine bestimmte Relativposition zueinander zu bringen.
Mikroskop (100), insbesondere Zoommikroskop, insbesondere Stereomikroskop oder Makroskop, mit einer Durchlichtbeleuchtungseinrichtung (150) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Mikroskop (100) nach Anspruch 16 mit einer Durchlichtbeleuchtungseinrichtung (150) nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Steuerung (160) dazu eingerichtet ist, die Blendenelemente (153, 154) in Abhängigkeit von einer Einstellung des Mikroskops (100) in eine bestimmte Relativposition zueinander zu bringen.
Mikroskop (100) nach Anspruch 17, wobei die Steuerung (160) dazu eingerichtet ist, die Blendenelemente (153, 154) in Abhängigkeit von einer Vergrößerungseinstellung, Objektiveinstellung und/oder Irisblendeneinstellung des Mikroskops (100) in eine bestimmte Relativposition zueinander zu bringen.