-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikroskop mit einer Durchlicht-Beleuchtungseinrichtung für kritische Beleuchtung.
-
Stand der Technik
-
Übliche Lichtquellen, wie sie in der Lichtmikroskopie eingesetzt werden, sind an sich sehr inhomogen (bspw. Glühwendel oder LED-Arrays), so dass regelmäßig Diffusoren, meist Streuscheiben, eingesetzt werden. Dies führt jedoch zu Lichtverlust in Richtung des Objekts, so dass die Lichtquelle entsprechend heller sein muss.
-
Bei einfachen Mikroskopen wird oft die sog. kritische Beleuchtung eingesetzt, die mit wenig optischen Bauteilen auskommt. Üblicherweise entfallen zumindest Kollektor und Feldblende. Das Objekt befindet sich im Wesentlichen im probenseitigen Brennpunkt des Kondensors, der mit im Wesentlichen parallelen Licht großflächig bestrahlt wird. Eine ggf. vorhandene Aperturblende befindet sich im Wesentlichen im lampenseitigen Brennpunkt des Kondensors. Inhomogenitäten im Fernfeld der Lichtquelle sind unmittelbar im Objektbild sichtbar. Ist die Lichtquelle zu kleinflächig, kommt es zu Vignettierungen im Objektbild.
-
Die Bereitstellung von ausreichend großflächigen und gleichzeitig homogenen Lichtquellen ist jedoch sehr aufwändig. Insbesondere bei hochwertigeren Mikroskopen mit höheren Ansprüchen an die optische Qualität sind solche Lichtquellen nur mit sehr hohem Aufwand bereitstellbar.
-
Um eine ausreichende Lichtstärke für hohe Vergrößerungen liefern zu können, müssen lichtstarke Leuchtmittel eingesetzt werden. LEDs sind als kompakte Leuchtmittel mit vielen Vorteilen beliebt. Für eine ausreichend hohe Intensität der Beleuchtung müssen jedoch normalerweise mehrere LEDs eingesetzt werden.
-
Um eine ausreichende Homogenität insbesondere auch für unterschiedliche Vergrößerungen liefern zu können, müssen Diffusoren, üblicherweise Streuscheiben, eingesetzt werden, da besonders die LED-Zwischenräume zu deutlichen Inhomogenitäten führen. Der Einsatz einer Streuscheibe führt jedoch zu Lichtverlust, so dass hellere und/oder mehr LEDs verwendet werden müssen.
-
Um eine ausreichende Ausleuchtung ohne Vignettierung liefern zu können, müssen bekannte Lichtquellen vergrößert werden. Dies erfordert einerseits ein Linsensystem und andererseits einen relativ langen optischen Pfad, was eine Faltung des Strahlengangs erforderlich macht. Beides erhöht den Aufwand immens.
-
Die Bereitstellung einer kritischen Beleuchtung von guter Qualität ist daher sehr aufwändig, weshalb bei hochwertigeren Mikroskopen im Wesentlichen ausschließlich die sog. Köhlersche Beleuchtung eingesetzt wird, die wenig Ansprüche an die Lichtquelle stellt. Hier sind jedoch zusätzliche optische Elemente erforderlich.
-
Die
DE 20 2005 020 814 U1 zeigt eine Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop. In den Beleuchtungsstrahlengang kann dabei eine Linse direkt vor eine Lichtquelle eingebracht werden, um entweder eine kritische Beleuchtung oder eine Köhlersche Beleuchtung durchzuführen.
-
Es ist wünschenswert, eine ausreichend homogene kritische Beleuchtung für hochwertige Lichtmikroskope mit geringem Aufwand zur Verfügung zu haben.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird ein Mikroskop mit einer Durchlicht-Beleuchtungseinrichtung für kritische Beleuchtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
-
Die Lichtquelle weist eine LED-Anordnung auf, welche wenigstens eine LED umfasst. Der Einsatz von LEDs reduziert den Stromverbrauch und die Abwärme im Vergleich zu Glühwendeln, so dass kaum zusätzlicher Bauraum für eine aufwändige Kühlung benötigt wird. Eine LED ist vorteilhaft gegenüber herkömmlichen Glühlampen, weil sie bei hoher Lichtleistung und geringerer Leistungsaufnahme nur ein geringes Volumen hat und weil sie ohne Änderung der Farbtemperatur dimmbar ist. Aufgrund des Einsatzes eines geeigneten Lichtrichtelements (wie unten erläutert) ist ein Einsatz von herkömmliche Diffusoren nicht notwendig, so dass eine ausreichende Beleuchtungsstärke schon erreicht werden kann, wenn die LED-Anordnung nur wenige LEDs, vorzugsweise zwischen einer und höchstens vier LEDs aufweist, was den Aufbau vereinfacht und Inhomogenitäten verringert, die besonders von LED-Zwischenräumen herrühren.
-
Zur gezielten Beeinflussung der Richtcharakteristik der Lichtquelle wird ein Lichtrichtelement eingesetzt. Damit wird eine vorgegebene Beleuchtung (Größe, Helligkeitsabfall etc.) einer entfernten Fläche erzeugt. Dies geschieht durch unterschiedliche Richtungsänderungen von eingekoppeltem Licht an Wänden des Lichtrichtelements und/oder durch geeignete Strukturen (z.B. Linsen) an der Auskoppelfläche. Im Gegensatz zu üblichen Mikroskopbeleuchtungen findet durch das Lichtrichtelement keine Abbildung der Lichtquelle statt. Die Auskoppelfläche ist groß genug für eine vollflächige Beleuchtung der Kondensorapertur. Es hat sich gezeigt, dass die Objektivpupillen von Objektiven mit unterschiedlicher Vergrößerung gut ausgeleuchtet sind, wenn die Auskoppelfläche größer als die maximale Kondensorapertur ist. Wie oben erläutert, weist die Lichtquelle selbst eine relativ kleine Lichtabstrahlfläche auf, die insbesondere kleiner ist als die Auskoppelfläche.
-
Das vom Lichtrichtelement ausgehende Licht ist ausreichend gebündelt für hohe Lichteffizienz und ausreichend homogen für die kritische Beleuchtung. Dazu ist das System aus Lichtquelle und Lichtrichtelement so eingerichtet, dass das vom Lichtrichtelement ausgehende Licht in einem Winkelbereich von mindestens ±10° und höchstens ±50° abstrahlt und eine Fläche in 5 m Entfernung in einem Winkelbereich von mindestens ±5° (Bei den in der Mikroskopie üblicherweise eingesetzten Strahlengängen mit rundem Querschnitt entspricht dies einer beleuchteten runden Fläche mit mind.
-
87,5 cm Durchmesser) mit Intensitätsschwankungen geringer als 50%, vorzugsweise geringer als 35%, mehr vorzugsweise geringer als 25% beleuchtet. Mit anderen Worten schwankt die Helligkeit in einem Bereich von mindestens ±5° um die optische Achse nur um höchstens 50%, 35% bzw. 25%.
-
Eine Streuscheibe, wie sie in Mikroskopiebeleuchtungen für die Homogenisierung üblich ist, ist nicht notwendig. Der mit der Streuscheibe verknüpfte Lichtverlust tritt daher nicht auf und eine ausreichende Helligkeit ist auch mit relativ wenigen LEDs gegeben.
-
Geeignete Lichtrichtelemente sind bspw. aus der Raumbeleuchtungstechnik bekannt. Sie sind im Wesentlichen kegelstumpfförmig mit einer kleineren Einkoppelfläche und einer größeren Auskoppelfläche. Die Auskoppelfläche weist oft eine Linsenanordnung auf, vorzugsweise eine Mikrolinsenanordnung mit mehr als 20 Mikrolinsen, vorzugsweise in einer bienenwabenartigen Struktur. Sie sind üblicherweise aus transparentem Kunststoff hergestellt. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass solche Lichtrichtelemente auch auf dem Gebiet der kritischen Mikroskopbeleuchtung vorteilhaft eingesetzt werden können. Beleuchtungseinrichtungen aus anderen Fachgebieten eignen sich nämlich üblicherweise nicht für die Mikroskopie, da im Mikroskop ein sogenannter verflochtener Strahlengang mit Abbildung der Lampe und der Pupillen der Beleuchtung durch den Kondensor, die Objektebene, das Objektiv bis hin zur Austrittspupille des Okulars vorliegt. Aus diesem Grund sind auch Homogenitätsangaben von Lampen, die sich auf die Beleuchtung einer Fläche beziehen, nicht auf die Homogenität einer MikroskopBeleuchtung übertragbar.
-
Die Erfindung liefert mit geringem Aufwand eine ausreichend homogene kritische Beleuchtung für hochwertige Lichtmikroskope, insbesondere mit Wechselobjektiven, also für sehr unterschiedliche Vergrößerungen und damit auch sehr unterschiedliche Homogenitäts- und Helligkeitsanforderungen.
-
Dennoch können je nach eingesetztem Lichtrichtelement ggf. weiterhin Inhomogenitäten im Nahfeld vorliegen, d.h. im Bereich kurz nach der Auskoppelfläche. Es hat sich gezeigt, dass bereits ein Abstand der Auskoppelfläche von der Kondensorapertur, der wenigstens dem Doppelten des Durchmessers der Auskoppelfläche entspricht, für Objektive ab Vergrößerungen von 20x eine ausreichende Homogenität des beobachteten Objektes bewirkt.
-
Je größer der Abstand der Auskoppelfläche von der Kondensorapertur, desto homogener wird das Objektfeld ausgeleuchtet. Vorzugsweise wird der Abstand jedoch höchstens so groß gewählt, dass keine Faltung des Beleuchtungsstrahlengangs notwendig ist. Dies führt zu Kostenvorteilen, da keine Umlenkmittel benötigt werden. Üblicherweise erlaubt ein Abstand, der dem Vierfachen des Durchmessers der Auskoppelfläche entspricht, noch einen geradlinigen Strahlengang zwischen Auskoppelfläche und Kondensor.
-
Bei geringen Vergrößerungen und einhergehend kleiner Apertur ist die Schärfentiefe der Abbildung ggf. so groß, dass sogar eine relativ weit entfernt angeordnete Auskoppelfläche im Objektbild sichtbar ist. Das Bild wird inhomogen. Da jedoch die notwendige Leuchtdichte bei geringen Vergrößerungen ebenfalls gering ist, kann in diesen Fällen ein Diffusor (vorzugsweise eine Streuscheibe) im Strahlengang vorgesehen werden. Um die Erkennbarkeit der Kondensorapertur (bspw. einer Aperturblende) im Okular zu erhalten, wird der Diffusor zweckmäßigerweise zwischen Auskoppelfläche und Kondensorapertur angeordnet. Er ist vorzugsweise ein- und ausschwenkbar. Er ist vorzugsweise nahe an der Kondensorapertur angeordnet, um den Lichtverlust möglichst gering zu halten.
-
Entsprechendes gilt auch, wenn bei Verwendung von Objektiven hoher Vergrößerung eine Aperturblende (Iris) stark zugezogen wird. Es ist daher vorteilhaft, wenn die Anordnung eines Diffusors in Abhängigkeit von der Apertur erfolgt, d.h. der Diffusor wird eingebracht, wenn eine vorbestimmte Aperturabmessung (üblicherweise ein vorbestimmter Blendendurchmesser) unterschritten wird.
-
Ist die verwendete Lichtquelle hell genug, kann der Diffusor auch permanent vorgesehen sein.
-
Um einerseits für geringe Aperturabmessungen mit einhergehender hoher Schärfentiefe eine homogene Beleuchtung zu erlauben und andererseits für Objektive mit hoher Vergrößerung eine ausreichende Leuchtdichte bereitzustellen, ist der Diffusor in besonders vorteilhafter Weise so ausgestaltet, dass nur Licht in einem vorbestimmten Bereich um die optische Achse gestreut wird. Der Diffusor ist dazu vorzugsweise als klare Scheibe mit vordefiniertem, streuendem (vorzugsweise mattiertem) Zentralbereich ausgebildet sein. Dieser Diffusor eignet sich besonders für eine permanente Anordnung im Strahlengang.
-
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der vordefinierte Bereich rund ist und Durchmesser hat, der einer Beleuchtungsapertur von 0,35 entspricht. (Eine numerische Apertur 0,35 entspricht der üblichen Apertur eines 20x Objektivs.) Auch ein Durchmesser, der bis zu 1,5 mal größer ist, ist geeignet, da hier immer noch die streuende Fläche klein gegenüber der gesamten Auskoppelfläche ist und somit bei hohen Vergrößerungen noch eine hohe Beleuchtungsintensität vorliegt.
-
Es sind Anwendungsfälle (z.B. Kontrastierverfahren) bekannt, bei denen die Beleuchtungsapertur auch bei höheren Vergrößerungen zugezogen wird. Wenn sich der Beleuchtungsaperturdurchmesser dem vordefinierten Bereich nähert, kann es zu störenden Streueffekten an der Kante zwischen Streubereich und Klarbereich kommen. Außerdem verändert sich die Steigung der quadratischen Abhängigkeit der Lichtintensität im Objektfeld vom Irisdurchmesser, was sich in verstärkter Helligkeitsabnahme äußert. Als Lösung bietet sich ein unrund geformter vordefinierter Bereich an, bspw. in Form eines Sterns oder sonstiger sich verjüngender Strukturen. Durch die unrunde (z.B. sternförmige) Ausgestaltung werden Streueffekte an Kanten minimiert und es treten keine ungewöhnlichen Helligkeitseffekte beim Zuziehen der Apertur auf. Die mattierte (im Wesentlichen runde) Mitte des unrunden Bereichs sollte wiederum dem vordefinierten Durchmesser einer Beleuchtungsapertur von 0,35 entsprechen. Alternativ oder zusätzlich können Mattierungen mit Gradienten verwendet werden.
-
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 eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroskops in einer schematischen Seitenansicht, wobei der Stativfuß im Längsschnitt dargestellt ist.
- 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines für die Erfindung geeigneten Lichtrichtelements in einer Querschnittsansicht (links), einer Draufsicht (Mitte) und einer perspektivischen Ansicht (rechts).
- 3 zeigt ein Diagramm der Abstrahlcharakteristik einer geeigneten Lichtquelle mit Lichtrichtelement.
- 4 zeigt schematisch eine erste bevorzugte Ausführungsform eines für die Erfindung geeigneten Diffusors.
- 5 zeigt schematisch eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines für die Erfindung geeigneten Diffusors.
-
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroskops 100 in einer schematischen Seitenansicht dargestellt, wobei der Stativfuß im Längsschnitt dargestellt ist. Das Mikroskop 100 dient zum Betrachten eines Objekts O, welches auf einem Mikroskoptisch 90 angeordnet wird. Das Mikroskop weist ein Stativ 60 zum Tragen unterschiedlicher Mikroskopelemente auf, insbesondere einer Durchlicht-Beleuchtungseinrichtung 10, eines Objektivrevolvers 70 mit unterschiedlichen Objektiven 71 und eines Tubus 80 mit Okular.
-
Der Mikroskoptisch ist in bekannter Weise über Drehknöpfe 91 und 92 in z- bzw. x/y-Richtung bewegbar.
-
Die Durchlicht-Beleuchtungseinrichtung 10 weist eine Lichtquelle 20 auf, die als LED-Anordnung ausgebildet ist. Eine Energieversorgung 21 dient zur Versorgung der LED-Anordnung. Über der LED-Anordnung 20 ist ein Lichtrichtelement 30 angeordnet, das an seiner dem zu beleuchtenden Objekt O zugewandten Seite eine größere Auskoppelfläche 32 mit einer Abmessung (hier Durchmesser) D aufweist. Die Lichtabstrahlfläche (Chipfläche) der Lichtquelle 20 ist deutlich kleiner als die Auskoppelfläche 32 des Lichtrichtelements, vorzugsweise kleiner als die Hälfte, als ein Drittel oder als ein Viertel.
-
Die Beleuchtungseinrichtung weist weiterhin einen Kondensor 40 auf, der eine Kondensorapertur 41 mit einer Abmessung (hier Durchmesser) A aufweist, welche im vorliegenden Beispiel als verstellbare Irisblende ausgebildet ist. Die Durchlicht-Beleuchtungseinrichtung 10 ist für eine kritische Beleuchtung des zu betrachtenden Objekts O eingerichtet. Das Objekt O befindet sich daher im Wesentlichen im probenseitigen Brennpunkt eines Kondensors 40, die Aperturblende 41 befindet sich im Wesentlichen im lampenseitigen Brennpunkt des Kondensors 40.
-
Der Abstand d der Auskoppelfäche 32 von der Apertur 41 beträgt im gezeigten Beispiel das Doppelte der Auskoppelflächenabmessung D.
-
Das Lichtrichtelement 30 richtet das von der LED-Anordnung 20 ausgestrahlte Licht so, dass es aus der Auskoppelfläche 32 in einem Winkelbereich zwischen 10 Grad und 50 Grad abstrahlt. Das Licht weist im Fernfeld eine Intensitätsverteilung auf, sodass in einem Bereich von mindestens 5° um die Hauptabstrahlrichtung die Intensität um höchstens 50 % schwankt (siehe 3).
-
In 2 ist das System aus Lichtquelle 20 und Lichtrichtelement 30 in einer Querschnittsansicht (links), einer Draufsicht (Mitte) und einer perspektivischen Ansicht (rechts) jeweils schematisch dargestellt.
-
Die LED-Anordnung 20 weist im vorliegenden Beispiel vier einzelne LEDs in rechteckiger Anordnung auf. Sie kann jedoch auch weniger LEDs, vorzugsweise nur eine LED aufweisen. Das von der LED-Anordnung 20 als Lichtquelle abgestrahlte Licht wird an geeignet geformten Einkoppelflächen in das Lichtrichtelement 30 eingekoppelt und an der oberen Auskoppelfläche 32 wieder ausgekoppelt. Die Auskoppelfläche 32 weist eine Mikrolinsenanordnung auf, wobei die Mikrolinsen bienenwabenartig geformt sind. Das Lichtrichtelement 30 bildet jedoch die Lichtquelle 20 nicht ab. Eine bevorzugte Abstrahlcharakteristik eines Lichtrichtelements mit LED ist in 3 dargestellt.
-
In 3 ist die Lichtstärke in einem kartesischen Diagramm aufgetragen. Hierbei ist auf der y-Achse die Lichtstärke I [Cd] in 5 Meter Entfernung gegen den Abstrahlwinkel [°] auf der x-Achse aufgetragen, wobei als Lichtquelle 20 eine einzelne Luxeon Rebel Weißlicht LED verwendet worden ist. Es ist erkennbar, dass das Licht so gerichtet ist, dass der Schwerpunkt der Abstrahlung im Bereich der optischen Achse (0°) liegt. Es tritt somit eine gewisse Bündelung des abgestrahlten Lichts auf, sodass die wesentliche Lichtleistung im Bereich zwischen -15° und +15° liegt. Es ist weiterhin erkennbar, dass zwischen -5° und +5° nur eine geringe Intensitätsschwankung stattfindet, welche unter 50 % liegt.
-
Bei einem Mikroskop gemäß 1 kann bei kleinen Abmessungen der Apertur 41 (Aperturblendenöffnungsdurchmesser A) die Schärfentiefe so groß werden, dass die Struktur der Auskoppelfläche im Objektbild erkennbar wird. Dies führt zu unerwünschten Inhomogenitäten. Zur Beseitigung dieser Inhomogenitäten kann ein Diffusor im Strahlengang zwischen Auskoppelfläche 32 und Apertur 41 vorgesehen werden, vorzugsweise nahe an der Apertur 41. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Diffusor auf besondere Weise ausgebildet, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die 4 und 5 erläutert wird. Die Diffusoren können dauerhaft im Strahlengang angeordnet sein oder in Abhängigkeit von der Aperturabmessung ein- und ausgeschwenkt werden. In diesem Fall werden sie bei Unterschreiten einer Schwellen-Aperturabmessung (üblicherweise Durchmesser) eingeschwenkt und bei Überschreiten ausgeschwenkt. Die Schwellen-Aperturabmessung entspricht vorzugsweise einer numerischen Apertur von 0,35.
-
In 4 ist eine erste Ausführungsform 400, in 5 eine zweite Ausführungsform 500 eines solchen Diffusors dargestellt. Beide Diffusoren bestehen im Wesentlichen aus einer klaren Scheibe mit Durchmesser D1, die in einem vorbestimmten Bereich 401 bzw. 501 streuend ausgebildet ist. Dazu wird der vorbestimmte Bereich vorzugsweise mattiert, beispielsweise durch Sandstrahlen. Der Durchmesser D1 ist so gewählt, dass der Diffusor auf einfache Weise im Strahlengang angeordnet werden kann, ohne zu Abschattungen zu führen. Er entspricht zweckmäßigerweise mindestens einer maximal möglichen Abmessung der Beleuchtungsapertur.
-
Die Ausführungsform gemäß 4 weist einen runden Streubereich 401 auf, dessen Abmessung D2 (hier Durchmesser) an eine vorbestimmte Aperturabmessung (vorzugsweise entsprechend einer numerischen Apertur 0,35) angepasst ist.
-
Die Ausführungsform 500 gemäß 5 ist sternförmig ausgebildet, wobei eine Abmessung D2 eines zentralen (insbesondere konvexen) Bereichs in der Mitte ebenfalls an eine vorbestimmte Aperturabmessung (vorzugsweise entsprechend einer numerischen Apertur 0,35) angepasst ist. Neben dem zentralen Bereich in der Mitte weist der vorbestimmte Bereich 501 zusätzlich sich verjüngende Strukturen auf, um insbesondere eine sprunghafte Lichtabnahme während eines Schließens der Aperturblende und eine Streuung an dem Übergang vom Streubereich zum klaren Bereich zu vermeiden.
