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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mit einer Beleuchtungseinrichtung ausgerüstetes Mikroskop.
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Stand der Technik
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Soll in einem Mikroskop für verschiedene Beleuchtungsarten (z.B. Hellfeld, Dunkelfeld, Phasenkontrast, Fluoreszenz-Beleuchtung) eine optimale Helligkeit erreicht werden, muss die Leuchtstärke in einem großen Dynamikbereich variiert werden. Beispielsweise benötigt eine Hellfeld-Beleuchtung nur wenig Licht, während eine Dunkelfeld-, Phasenkontrast- oder auch Fluoreszenz-Beleuchtung jeweils sehr viel Licht benötigt.
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In modernen Mikroskopen werden immer häufiger Leuchtdioden (LED) als Lichtquellen verwendet, da diese im Vergleich zu herkömmlichen Glüh- oder Hochdrucklampen vielfältige Vorteile aufweisen. LEDs haben üblicherweise eine längere Lebensdauer, sind robust, bauen klein, zeigen eine wesentlich kleinere Hitzeentwicklung und können ohne Veränderung der Farbe gedimmt werden.
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Bei einer LED bzw. allgemein bei einem Leuchtmittel aus Halbleitermaterial wird die Leuchtstärke über ihren Durchflussstrom gesteuert.
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Die
DE 100 13 215 A1 zeigt eine Ansteuerschaltung für wenigstens eine Leuchtdiode. Dabei ist eine Vorrichtung zur Regelung des Stroms durch die Leuchtdiode auf einen einstellbaren Sollwert vorgesehen, die den Strom und/oder die Helligkeit der Leuchtdiode erfasst und mit dem Sollwert vergleicht. Der Sollwert ist dabei durch einen Controller einstellbar. Zum Einstellen des Sollwerts kann ein steuerbarer Widerstand vorgesehen sein, der mit der Leuchtdiode in Serie geschaltet ist und durch den Controller einstellbar ist.
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Die
DE 10 2009 056 561 A1 betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur linearen und kontinuierlichen Steuerung der Helligkeit von LED-Lichtquellen für optische Instrumente.
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Problematisch erweist sich dabei insbesondere die Regelung der Stromstärke derart, dass eine möglichst präzise Einstellung der Leuchtstärke über den gesamten Helligkeitsbereich möglich ist.
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Es ist daher erwünscht, eine Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop zur Verfügung zu haben, bei der eine möglichst präzise Einstellung der Leuchtstärke über den gesamten Helligkeitsbereich insbesondere auch für unterschiedliche Beleuchtungsarten möglich ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Mikroskop mit einer Beleuchtungseinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung ermöglicht eine exakte Regelung der Leuchtstärke der Lichtquelle durch eine exakte Regelung des Durchflussstroms. Zur Regelung der Stromstärke wird eine Stromregeleinrichtung verwendet, die eine Messwiderstandsanordnung aufweist, wobei eine an der Messwiderstandsanordnung abfallende Spannung als Regelgröße für die Stromregeleinrichtung dient. Die Stromregeleinrichtung weist vorzugsweise einen Sollwerteingang auf und regelt die Stromstärke entsprechend einem daran anliegenden Signal. Eine Signalquelle kann bspw. ein Spannungsteiler mit Potentiometer sein, welches von einem Bediener zur Helligkeitseinstellung betätigt wird.
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Eine genaue Regelung der Leuchtstärke wird über einen großen Helligkeitsbereich möglich, indem eine Messwiderstandsanordnung mit einem, in Stufen, veränderbaren elektrischen Widerstand verwendet wird. Die Messwiderstandsanordnung ist so ausgebildet, dass sie in zwei unterschiedliche Widerstands-Konfigurationen mit unterschiedlichen elektrischen Widerständen gebracht werden kann. Somit kann der Spannungsabfall bei kleinen Durchflussströmen (z.B. bei der Hellfeldbeleuchtung) ausreichend groß für eine exakte Regelung und bei großen Durchflussströmen (z.B. bei der Dunkelfeld-, Phasenkontrast- und Fluoreszenz-Beleuchtung) ausreichend klein für eine geringe Verlustleistung gehalten werden. Die Regelungsgenauigkeit bleibt bei den unterschiedlichen Helligkeits- und damit Stromstärkebereichen ausreichend groß, so dass sowohl die Anforderungen für geringe Helligkeiten, wie z.B. für die Hellfeldbeleuchtung, als auch für große Helligkeiten, wie bei der Phasenkontrastbeleuchtung, abgedeckt werden können.
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Leuchtdioden haben unter anderem die Eigenschaft, mit ihrer Leuchtstärke extrem schnell auf Stromänderungen reagieren zu können. Veränderungen der Stromstärke resultieren daher in Leuchtstärkeschwankungen und sind somit unerwünscht. Der Durchflussstrom wird daher vorzugsweise als Gleichstrom bereitgestellt, was insbesondere die Qualität von Bildaufnahmen mit einer Digitalkamera verbessert, da dort auch hochfrequente, für das Auge möglicherweise nicht wahrnehmbare Leuchtstärkeschwankungen als Störungen im Bild (Streifen, Rauschen etc.) wahrgenommen werden können.
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Es ist von Vorteil, wenn die Umschaltung der Messwiderstandsanordnung zwischen den unterschiedlichen Widerstands-Konfigurationen mit einer Umschaltung der Beleuchtungsart des Mikroskops so verknüpft ist, dass bei einer Veränderung der Beleuchtungsart automatisch die Messwiderstandsanordnung in eine dazu passende Widerstands-Konfiguration gebracht wird. Dies kann vorzugsweise durch automatische Betätigung von entsprechenden Schaltmitteln erfolgen, die insbesondere unterschiedliche Parallel- und/oder Reihenschaltungen von zwei Widerstandsbauelementen bewirken.
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Vorzugsweise ist die Messwiderstandsanordnung in zwei Widerstands-Konfiguration bringbar, deren elektrische Widerstände sich mindestens wie 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 6:1, 7:1, 8:1 oder größer verhalten. Vorzugsweise verhalten sich die elektrischen Widerstände umgekehrt wie die Obergrenzen der erwünschten Stromstärken für die Helligkeitsbereiche.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Messwiderstandsanordnung in genau zwei Widerstands-Konfiguration bringbar ist, deren elektrische Widerstände sich mindestens wie 4:1 oder höchstens wie 8:1 verhalten. Es ist besonders vorteilhaft, wenn der maximale Durchflussstrom für eine erste, dunklere Beleuchtungsart (insbesondere für die Hellfeldbeleuchtung) höchstens 1/4 oder höchstens 1/8 des maximalen Durchflussstroms für eine zweite, hellere Beleuchtungsart (insbesondere für die Dunkelfeld-, Phasenkontrast- und Fluoreszenz-Beleuchtung) beträgt.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Messwiderstandsanordnung ein erstes Widerstandsbauelement mit einem ersten elektrischen Widerstand, ein zweites Widerstandsbauelement mit einem zweiten elektrischen Widerstand und Schaltmittel auf, die so verschaltet sind, dass das erste und das zweite Widerstandsbauelement parallel schaltbar sind.
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Vorzugsweise ist in einer ersten Widerstands-Konfiguration das erste Widerstandsbauelement in den Stromkreis des Durchflussstroms geschaltet und das zweite nicht. Vorzugsweise sind in einer zweiten Widerstands-Konfiguration das erste und das zweite Widerstandsbauelement in den Stromkreis des Durchflussstroms geschaltet.
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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 Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine nicht-erfindungsgemäße LED-Schaltung mit einer Messwiderstandsanordnung mit nur einer Widerstands-Konfiguration.
- 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Beleuchtungseinrichtung mit einer Messwiderstandsanordnung mit zwei Widerstandsbauelementen und Schaltmitteln zur Bereitstellung von zwei Widerstands-Konfigurationen.
- 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroskops.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist zur Erläuterung einer prinzipiellen LED-Stromregelung eine nicht erfindungsgemäße LED-Treiberschaltung 10 dargestellt, welche nach dem Prinzip einer spannungsgesteuerten Stromquelle arbeitet. Ein Durchflussstrom I0 durch eine Lichtquelle 100, welche eine oder mehrere LED D1, ..., DN aufweist, wird hierbei nach Maßgabe einer Sollspannung US geregelt. Als Istspannung wird eine an einem Messwiderstand R1 abfallende Spannung U0 verwendet und zusammen mit der Sollspannung US einem Operationsverstärker OP einer Stromregeleinrichtung 12 zugeführt. Wie bekannt, ist das Ausgangssignal des Operationsverstärkers von der Spannungsdifferenz zwischen US und U0 abhängig. Das Ausgangssignal wird einem Schaltelement für die Stromeinstellung, hier einem FET oder IDBT Q1 am Gate zugeführt, um den durch das Schaltelement Q1 und damit durch den Messwiderstand R1 fließenden Strom I0 zu regeln.
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Bei dieser einfachen LED-Treiberschaltung besteht das Problem der Wahl eines geeigneten Messwiderstands R1, da die an ihm abfallenden Spannung einerseits bei kleinen Strömen groß genug sein muss, um ein rauschfreies Signal zu erhalten, und andererseits die an ihm bei großen Strömen abfallende Verlustleistung noch vertretbar sein muss und nicht zur Zerstörung von Bauteilen führen darf.
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Hat der Widerstand beispielsweise 1 Ω, fällt bei einem Durchflussstrom von 1 A eine Spannung von 1 V ab und es wird 1 W Verlustleistung umgesetzt. In der Folge fällt jedoch bei geringen Strömen von z.B. lediglich 0,1 mA eine Spannung von 0,1 mV ab, wobei Rauschspannungen von typischen Operationsverstärkern im Bereich von 0,001 mV, also bei bereits einem Prozent liegen. Helligkeitsschwankungen im Prozentbereich sind jedoch bei elektronischer Erfassung und Auswertung, z.B. mittels Kamera, bereits nicht tragbar. Die bei kleinen Strömen abfallende Spannung kann durch einen größeren Messwiderstand erhöht werden, jedoch erhöht sich dann dementsprechend die bei größeren Strömen abfallende Verlustleistung.
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Zur Verbesserung dieser Situation wird eine Beleuchtungseinrichtung 100 für ein Mikroskop vorgeschlagen, wie sie schaltplanartig in 2 dargestellt ist. Die bevorzugte Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung 100 weist eine Lichtquelle 110 sowie eine Stromregeleinrichtung 120 auf. Die Lichtquelle 110 kann eine oder mehrere LEDs D1, ..., DN enthalten.
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Der Einsatz von LEDs in Mikroskop-Beleuchtungseinrichtungen 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.
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Die Stromregeleinrichtung 120 weist eine Messwiderstandsanordnung 130 auf und ist dazu eingerichtet, die Stärke des Durchflussstroms I0 anhand des Spannungsabfalls U0 an der Messwiderstandsanordnung 130 zu regeln, wobei die Messwiderstandsanordnung 130 so ausgebildet ist, dass sie durch Öffnen und Schließen von Schaltmitteln S in zwei unterschiedliche Widerstands-Konfigurationen mit unterschiedlichen elektrischen Widerständen gebracht werden kann. Die Schaltmittel können beispielsweise als Relais oder Transistor ausgebildet sein.
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Die Stromregeleinrichtung 120 weist einen Sollwerteingang 121 auf und ist dazu eingerichtet, die Stärke des Durchflussstroms I0 basierend auf einer an dem Sollwerteingang anliegenden Sollspannung US zu regeln. Im gezeigten Beispiel ist die Stromregeleinrichtung 120 dazu eingerichtet, die Stärke des Durchflussstroms I0 so zu regeln, dass der Spannungsabfall U0 an der Messwiderstandsanordnung 130 der an dem Sollwerteingang 121 anliegenden Sollspannung US entspricht. In einer mit gestrichelten Linien dargestellten, alternativen Ausführungsform weist die Stromregeleinrichtung 120 eine Differenzverstärkerschaltung 122 auf, die den Spannungsabfall an der Messwiderstandsanordnung verstärkt. Sie umfasst einen weiteren Operationsverstärker OP, dessen invertierender Eingang - auf Masse liegt. Die Differenzverstärkerschaltung 122 ist somit insgesamt nicht invertierend. Durch die Differenzverstärkerschaltung können von der Leitungsführung verursachte Messfehler minimiert werden.
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Im vorliegenden Beispiel weist die Messwiderstandsanordnung 130 dazu neben den Schaltmitteln S zwei Widerstandsbauelemente R1, R2 auf, wobei in der ersten Widerstands-Konfiguration die Schaltmittel S geöffnet sind, so dass sich nur das Widerstandsbauelement R1 im Stromkreis befindet, und in der zweiten Widerstands-Konfiguration die Schaltmittel S geschlossen sind, so dass das Widerstandsbauelement R2 dem Widerstandsbauelement R1 parallel geschaltet ist.
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In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform verhalten sich die elektrischen Widerstände R1/R2 vorzugsweise in etwa wie 8:1. In einer bevorzugten Ausführungsform gilt R1 = 2,4 Ω und R2 = 0,33 Ω, so dass der elektrische Widerstand in der ersten Widerstandskonfiguration 2,4 Ω und in der zweiten Widerstandskonfiguration 0,3 Ω, d.h. 1/8 beträgt, so dass sich die Durchflussströme ebenfalls wie 1:8 verhalten. In diesem Fall beträgt der maximale Durchflussstrom für eine erste, dunklere Beleuchtungsart (insbesondere für die Hellfeldbeleuchtung) 1/8 des maximalen Durchflussstroms für eine zweite, hellere Beleuchtungsart (insbesondere für die Dunkelfeld-, Phasenkontrast- und Fluoreszenz-Beleuchtung). Es hat sich gezeigt, dass in Mikroskopen ein Leuchtstärkeverhältnis von Hellfeldbeleuchtung zu Dunkelfeld- oder Phasenkontrastbeleuchtung von 1:8 vorteilhaft ist.
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Ein bevorzugter Strombereich für die dunklere Beleuchtungsart ist 0,1 mA bis 125 mA und ein bevorzugter Strombereich für die hellere Beleuchtungsart ist 0,8 mA bis 1 A. Durch Umschalten der Widerstands-Konfiguration ergibt sich in beiden Fällen derselbe Spannungsabfall an der Messwiderstandsanordnung von 0,24 mV bis 0,3 V.
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In 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Mikroskops in einer schematischen Querschnittsansicht dargestellt und mit 200 bezeichnet. Das Mikroskop 200 ist mit einer Beleuchtungseinrichtung 100 ausgestattet.
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Das Mikroskop weist einen Mikroskopkörper 204 auf, auf dem ein Mikroskoptisch 202 mit einer Halterung 203 angeordnet ist. Die Probe 201 ist auf dem Mikroskoptisch 202 positioniert und kann mittels einer als Drehrad 205 ausgebildeten Verstelleinrichtung vertikal verschoben werden. An einem Objektivrevolver 206 sind einzelne Objektive 207 vorgesehen.
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Zur Beleuchtung einer Probe 201 ist die Beleuchtungseinrichtung 100 an einem Ende eines Beleuchtungsstrahlengangs 208 vorgesehen. Das von der Probe 201 reflektierte Beleuchtungslicht erreicht in einem Beobachtungsstrahlengang 209 über einen Tubus 210 ein Okular 211. Die optischen Achsen der Strahlengänge sind strichpunktiert dargestellt. In den Strahlengängen können für die vorliegende Erfindung nicht relevante und daher hier nicht näher bezeichnete optische Elemente, wie Strahlteiler, Linsen, Blenden usw. angeordnet sein.
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In dem Beleuchtungsstrahlengang ist eine Verstelleinrichtung 212 angeordnet, die mit der Beleuchtungseinrichtung 100, insbesondere den Schaltmitteln S, in Wirkverbindung steht. Die Verstelleinrichtung 212 ist dazu ausgebildet, die Beleuchtungsart des Mikroskops zu verändern, insbesondere ermöglicht die Verstelleinrichtung 212 die Einstellung einer Hellfeld- und einer Dunkelfeldbeleuchtung, weiter vorzugsweise auch einer Phasenkontrast- und/oder einer Fluoreszenz-Beleuchtung. Die Verstelleinrichtung 212 kann einen in einer Führung verschiebbaren Schieber aufweisen, wobei Sensoren vorgesehen sind, die die Stellung des Schiebers erfassen und an eine Steuereinrichtung, insbesondere innerhalb der Beleuchtungseinrichtung 100, übermitteln. Die Steuereinrichtung steuert in Abhängigkeit von der erfassten Stellung die Schaltmittel S an, wobei vorzugsweise die Schaltmittel S bei der Hellfeldbeleuchtung geschlossen und bei den anderen genannten Beleuchtungsarten geöffnet werden.
