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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beleuchtung einer Probe in einem Mikroskop. Der Strahlenverlauf innerhalb eines Mikroskops wird durch die geometrische Optik beschrieben. Hierbei wird zumindest eine optische Achse definiert in welcher die optischen Elemente, wie etwa Linsen oder Spiegel, angeordnet sind und um welche das Strahlungsfeld symmetrisch angeordnet ist. In dieser optischen Achse befindet sich ebenfalls die Probe, welche mittels einer LED angeleuchtet wird, diese LED wird transversal zu dieser optischen Achse angeordnet, da der Platz auf der optischen Achse durch ein anderes optisches Element, insbesondere eine weitere LED, besetzt ist.
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DE 10 2010 042 200 A1 zeigt ein LED-Beleuchtungsmodul mit einer ersten Weißlicht-LED, die zentral auf der optischen Achse angeordnet ist und eine zweite Weißlicht-LED, die transversal versetzt zur optischen Achse angeordnet ist. Das Licht der zweiten Weißlicht-LED wird mittels einer Linse in einem Abstand in Strahlrichtung, welcher durch die Brennweite der Linse bestimmt ist, hinter der Linse auf die optische Achse fokussiert, wobei die Strahlungsrichtung des Lichts der zweiten Weißlicht- LED schräg durch den Brennpunkt der optischen Achse verläuft.
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Aus der
DE 10 2013 218 231 A1 ist ein optisches System zur Beleuchtung einer Probe in einem Mikroskop bekannt, wobei das Beleuchtungsmodul zwei zur optischen Achse transversal versetzte LEDs umfasst. Das Licht der LEDs vereinigt sich in einem Diffusor zu einer abgschwächten Lichtquelle. Ähnliche Systeme offenbart das
DE 10 2004 017 694 B3 , die
DE 10 2013 217 709 A1 und die
DE 199 19 096 A1 .
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Die
DE 10 2005 030 761 A1 offenbart eine Beleuchtungseinrichtung für Mikroskope, bei der eine Weißlichtbeleuchtung mit vollem Tageslichtsprktrum zur Verfügung steht.
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Die
DE 10 2005 029 119 A1 offenbart eine steuerbare Beleuchtungseinrichtung für Mikroskope, mit der sich Kontrastverfahren realisieren lasen. Auch die
US 2007/0139638 A1 offenbart ein Mikroskop mit einer Beleuchtung durch LEDs
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Zudem wird hingewiesen auf die
DE 10 2007 027 615 A1 , die eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen faseroptischen Leiter offenbart.
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Nachteilig ist aus dem Stand der Technik kein Verfahren bekannt, welches das Licht einer transversal zu optischen Achse versetzten LED innerhalb einer ersten optischen Einheit als virtuelles Bild auf die optische Achse transformiert, gegenüber einer Dejustierung unanfällig ist und durch ein im Strahlengang hinter der optischen Einheit angeordnetes optisches Bauelement verläuft, als ob der Ursprung der LED auf der optischen Achse als Punktquelle liegen würde.
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Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren und eine Anordnung bereitzustellen, die es ermöglichen, Licht einer transversal zur optischen Achse versetzten LED auf kompakte, preisgünstige und effektive Weise als virtuelles Bild auf die optische Achse zu transformieren.
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Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein LED-Beleuchtungsmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
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Der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren realisierte Kerngedanke liegt in der Verwendung eines optischen Diffusors, der in Strahlungsrichtung hinter der LED in der optischen Achse angeordnet wird. Ein optischer Diffusor, auch als Streuscheibe bezeichnet, ist ein optisches Bauteil, welches eingesetzt wird, um Licht zu streuen. Treffen parallel laufende Lichtstrahlen an verschiedenen Stellen eines Diffusors auf werden diese in unterschiedliche Richtung gestreut und erzeugen dadurch diffuses Licht. Auf diese Weise wird durch den optischen Diffusor mittels Streuung ein abgeschwächtes virtuelles Bild der LED auf der optischen Achse innerhalb des Diffusors erzeugt, wobei das durch das virtuelle Bild erzeugte Strahlungsfeld ein in Strahlungsrichtung hinter dem Diffusor liegendes optisches Bauelement durchläuft.
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Die Strahlungsverluste, welche durch die Streuung entstehen, werden durch eine Hochleistungs-LED mit einer Strahlungsleistung von zweckmäßigerweise mehr als 0,1 Watt, bevorzugt mehr als 1 Watt und besonders bevorzugt von mehr als 3 Watt kompensiert. Für den Strahlenverlauf in einem Mikroskop ist es von Bedeutung, dass eine Lichtquelle bzw. ein virtuelles Bild an einer bestimmten Stelle auf der optischen Achse seinen Ursprung hat, wenn in Strahlrichtung nachfolgende optische Elemente durchlaufen werden sollen. Dies ist wichtig, um beispielsweise Abbildungsfehler und Intensitätsverluste im Strahlengang zu minimieren. Hierbei ist es insbesondere für Linsen vorteilhaft, wenn sich der Ursprung einer Lichtquelle bzw. ein virtuelles Bild im Brennpunkt der Linse befindet. Wird der transversale Versatz der LED von der optischen Achse variiert, wird ein virtuelles Bild der LED an der bestimmten Stelle auf der optischen Achse innerhalb des Diffusor erzeugt, dessen Intensität im Allgemeinen je kleiner wird, desto größer der transversale Versatz ausgebildet ist. Ist die bestimmte Stelle beispielsweise der Brennpunkt einer Linse, so ist der Strahlverlauf hinter der Linse in Strahlrichtung unabhängig vom transversalen Versatz der LED von der optischen Achse. Innerhalb des Diffusors werden zwar noch weitere virtuelle Bilder der LED erzeugt, diese können allerdings, vorzugsweise durch die Linse, mittels optischer Elemente im Strahlengang herausgefiltert werden, da ihr Ursprung nicht auf der optischen Achse liegt. Zudem führt der Diffusor zu einer Homogenisierung des Strahlungsfeldes der LED in Strahlrichtung, da das virtuelle Bild einer LED, welche sich direkt auf der optischen Achse befindet durch den Diffusor abgeschwächt wird, wobei das Licht einer LED mit transversalen Versatz überhaupt erst durch den Diffusor auf die bestimmte Stelle der optischen Achse als virtuelles Bild transformiert wird. Der Diffusor ermöglicht es also, das Licht mehrerer LEDs mit transversalen Versatz in einem einzigen Punkt auf der optischen Achse innerhalb des Diffusors so zu kombinieren, als ob an diesem Punkt deren gemeinsamer Ursprung wäre.
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Vorzugsweise wird die LED durch ein Steuerelement zum Leuchten intensitätsvariabel angesteuert, wenn eine aufnahmebereite Kamera und/oder ein externer Signalgeber ein entsprechendes Signal an das Steuergerät übermittelt, wodurch stroboskopische Aufnahmen in der Kamera erzeugt werden. Je nach Art der Probe und den experimentellen Bedingungen unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Mikroskops können bessere Resultate erzielt werden, wenn die LED Strahlungsfelder mit unterschiedlicher Intensität aussendet. Ist die Probe beispielsweise in hohem Maße lichtabsorbierend wird typischerweise eine hohe Intensität der LED notwendig, um eine gute Auflösung durch das Mikroskop zu erzielen. Andererseits können empfindliche, insbesondere biologische, Proben durch das Einstellen einer niedrigen Intensität der LED geschont werden. Wird die Beleuchtung der LED nur dann aktiviert, wenn eine aufnahmebereite Kamera ein entsprechendes Signal aussendet, kann eine empfindliche Probe hierdurch zusätzlich geschont werden.
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Zum einen kann als optisches Bauelement eine Lochblende verwendet werden, wodurch kohärentes Licht der LED erzeugt wird, dass für Holographieaufnahmen verwendet werden kann. Kohärenz bezeichnet in der Physik die Eigenschaft von Wellen, dass sich deren Auslenkung bis auf eine Phasenverschiebung auf dieselbe Weise ändert. Als Folge der Kohärenz kann bei der Überlagerung von Wellen stationäre Interferenz sichtbar werden, was eine Voraussetzung für holographische Aufnahmen ist. Unter Holographie fasst man Verfahren zusammen, die den Wellencharakter des Lichts ausnutzen (und zwar seine Interferenz- und Kohärenz-Möglichkeiten), um systematisch anschauliche, insbesondere dreidimensionale, Darstellungen zu erzielen, die über die Möglichkeiten der klassischen Mikroskopie hinausgehen (mathematisch gesehen wird ein dreidimensionaler Gegenstand aus einem zweidimensionalen Abbild seiner Fouriertransformierten rekonstruiert). Die Probe wird hierbei durch das kohärente LED Licht durchleuchtet und mittels einer Kamera aufgezeichnet.
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Alternativ kann als optisches Bauelement eine Kollimationslinse verwendet werden, die das Licht der LED ins Unendliche fokussiert. In der geometrischen Optik ist die Fokussierung ins Unendliche vorteilhaft, da ein ins Unendliche fokussierter Lichtstrahl quasi parallel zur optischen Achse verläuft und vorteilhaft durch weitere Abbildung bzw. Linsensysteme führbar ist. Auf diese Art und Weise werden Abbildungsfehler und Streuverluste vermindert.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein LED-Beleuchtungsmodul geschaffen, wobei das LED-Beleuchtungsmodul eine LED umfasst, die einen transversalen Versatz von der optischen Achse aufweist. Ferner umfasst das LED-Beleuchtungsmodul ein Steuerelement zur Ansteuerung der LED. Das LED-Beleuchtungsmodul weist zudem einen optischen Diffusor auf, der in Strahlrichtung in der optischen Achse hinter der LED angeordnet ist und durch Streuung ein abgeschwächtes Bild der LED auf der optischen Achse erzeugt.
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Die LED weist zweckmäßig eine Strahlleistung von mehr als 0,1 Watt aufweist, bevorzugt von mehr als 1 Watt und besonders bevorzugt von mehr als 3 Watt auf, um Strahlungsverluste zu kompensieren. Die LED muss hierbei mehreren Kriterien genügen. Zum einen sollte die LED möglichst klein ausgebildet sein, sodass der Versatz von der optischen Achse möglichst gering gewählt werden kann. Hierbei weist die LED eine Fläche von kleiner als 5 × 5 mm2 auf, wobei die LED besonders bevorzugt eine Fläche von kleiner als 3 × 3 mm2 aufweist. Erst durch neuere Entwicklungen der Strahlungsleistung in der LED Technik ist es überhaupt möglich, dass das durch eine 3 × 3 mm2 große LED erzeugte virtuelle Bild eine ausreichende Intensität aufweist, um für mikroskopische Zwecke, beispielsweise an biologischen Proben, eingesetzt zu werden. Vorzugsweise wird eine Strahlungsleistung der LED von mehr als einem Watt gewählt, besonders bevorzugt von mehr als 3 Watt. Durch das Steuerelement, welches es zugleich ermöglicht die Strahlungsleistung der LED zu steuern, kann zudem die Strahlungsleistung einer LED, welche beispielsweise für eine bestimmte biologische Probe eine zu hohe Strahlungsleistung hätte, reduziert werden.
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Zweckmäßig ist der Abstand zwischen der LED und dem optischen Diffusor je kleiner ausgebildet, desto kleiner der Versatz der LED von der optischen Achse ausgebildet ist. Wird das Strahlungsprofil der LED näherungsweise als eine Kugelwelle angesehen, so muss das Licht eine gewisse Strecke im Raum propagieren können, um den transversalen Versatz auszugleichen und auf die optische Achse gelangen zu können. Ist die LED im Strahlengang zu dicht vor dem Diffusor angeordnet, wird zwar ein virtuelles Bild der LED in dem Diffusor erzeugt, aber dieses virtuelle Bild befindet sich nicht in der optischen Achse. Zudem nehmen Kugelwellen, je länger diese im Raum propagieren immer mehr die Form einer ebenen Welle an, was in einem vorteilhaften Streuprofil durch den Diffusor in der optischen Achse resultiert. Andererseits ist eine Vorgabe des LED-Beleuchtungsmoduls eine kompakte Bauweise damit das LED-Beleuchtungsmodul einfach an einen entsprechenden Aufsatz des Mikroskops angesteckt oder aufgeschraubt werden kann, sodass der Abstand zwischen LED und Diffusor auch nicht zu groß gewählt werden sollte. Zudem kommt es durch einen großen Abstand zwischen LED und Diffusor zu unerwünschten Streuverlusten. Hieraus folgt, dass ein optimaler Abstand zwischen der LED und dem optischen Diffusor gefunden werden muss. Generell gilt hierbei: Je kleiner die LED ausgebildet ist, desto geringer kann dieser optimale Abstand gewählt werden. Als zweckmäßig erweist sich ein Abstand von 2 bis 10 cm, besonders bevorzugt ist ein Abstand zwischen 3 bis 5 cm.
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In vorteilhafter Weise löst ein externer Signalgeber eine Ansteuerung der LED durch das Steuerelement aus. Der externe Signalgeber kann beispielsweise eine Kamera sein, die immer dann ein Signal sendet, wenn sie aufnahmebereit ist. Dies führt dazu, dass die Probe im Mikroskop nicht dauerhaft durch das LED Licht beleuchtet wird, was insbesondere bei biologischen Proben zu Schädigungen derselben führen kann.
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Zudem kann durch das externe Signal das räumliche Auflösungsvermögen des Mikroskops in Kombination mit der Kamera wie folgt erhöht werden: Viele periodische biologische Prozesse finden auf Zeitskalen statt, welche kleiner sind als die Bildaufnahmezeiten der Kamera, was zu einem unscharfen, verschmierten Bild führt, da die Bewegung zu schnell für die Aufnahme ist und sich über viel mehr Kamerapixel verteilt als wenn der Bewegungsgegenstand in Ruhe wäre. Ist also beispielsweise die Bildaufnahmezeit der Kamera größer oder gleich der periodischen Bewegung eines Flagellums eines Spermiums, so ist auf dem aufgezeichneten Bild der Kamera nur ein verschmiertes, unscharfes Bild des Flagellums zu erkennen, wobei die räumliche Auflösung nicht ausreicht, um eine Bewegungsdynamik erkennen zu lassen, welche beispielsweise durch Fluoreszenzanregung im Flagellum sichtbar gemacht wird.
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Typischerweise bewegt sich ein solches Flagellum mit einer Frequenz von bis zu 60 Hz, worauf nach dem Nyquist-Sampling-Theorem folgt, dass eine Aufnahmegeschwindigkeit von mindestens 120 Hz, was einer Aufnahmedauer pro Bild von etwa 8,3 ms entspricht, benötigt wird. Benötigt die Kamera aber beispielsweise 20 ms für eine Aufnahme, wird die Bewegung des Flagellums unscharf - über die ganze Bewegungsstrecke - angezeigt, sodass keine Dynamik erkennbar ist. Wird nun aber, jedes Mal wenn die Kameraaufnahme aufnahmebereit ist, durch das Steuerelement eine Beleuchtung der LEDs für weniger als 8,3 ms ausgelöst, ist das Bild auf dem Kamerachip zwar schwächer, dafür aber räumlich besser aufgelöst und scharf dargestellt. Es gilt hierbei letztlich eine optimale Beleuchtungszeit der LEDs zu finden, sodass die räumliche Auflösung hoch und zugleich das Signal noch klar erkennbar ist. Auf diese Art können von dem Flagellum mehrere scharfe Bilder aufgenommen werden und aus der Kombination der Bilder können Schlussfolgerungen in Bezug auf die Dynamik des Flagellums geschlossen werden.
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Bevorzugt ist in der optischen Achse in Strahlrichtung hinter dem Diffusor ein optisches Bauelement angeordnet durch das die Strahlen des virtuellen Bildes der LED verlaufen. Da sich das virtuelle Bild der LED auf der geometrischen Achse in einem bestimmten Punkt befindet, kann es quasi als Punktquelle in diesem Punkt betrachtet werden. Dies sind die zweckmäßigen Voraussetzungen, um das Licht im Rahmen der geometrischen Optik durch das Mikroskop zu führen.
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In vorteilhafter Weise ist das optische Bauelement als eine Kollimationslinse oder als eine Lochblende ausgebildet. Hierbei eignet sich die Verwendung einer Kollimationslinse insbesondere zur für Fluoreszenzaufnahmen, wobei sich die Lochblende insbesondere eignet, um kohärentes Licht zu generieren, welches für Holographieaufnahmen notwendig ist.
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Vorzugsweise umfasst das LED-Beleuchtungsmodul neun LEDs, welche auf eine austauschbare Leiterplatte gelötet oder gesteckt sind, wobei zumindest acht LEDs einen Versatz von der optischen Achse aufweisen und die abgestrahlte Wellenlänge einer jeden LED frei wählbar ist. Strahlen die LEDs Licht in verschiedenen Wellenlängen ab, ist hierdurch ein kompaktes und effizientes Multi-Wellenlängen-Beleuchtungssystem geschaffen.
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Für eine holographische Beleuchtung durch das Mikroskop wird das Licht der einzelnen LEDs im sichtbaren Bereich gewählt, wobei die LEDs bevorzugt die folgenden Wellenlängen abstrahlen: 450, 470, 490, 515, 525, 590, 620, 660 nm und/oder Weißlicht. Für eine Multi-Wellenlängen-Beleuchtung zur Fluoreszenzmikroskopie wird Licht im Infrarot, UV und sichtbaren Bereich gewählt, wobei die LEDs besonders bevorzugt die folgenden Wellenlängen abstrahlen: 365, 405, 450, 470, 490, 515, 525, 590, 620, 660, 750, 800, 850 nm und/oder Weißlicht. Hierbei können die LEDs bevorzugt so gewählt werden, dass jede LED eine andere Wellenlänge abstrahlt. Alternativ ist aber auch eine Wahl möglich, dass beispielsweise drei LEDs rotes Licht, drei LEDs grünes Licht und drei LEDs blaues Licht abstrahlen, falls beispielsweise diese Wellenlängen in einer Probe die Fluoreszenz besonders bevorzugt anregen. Die neun LEDs können in einer rechteckigen 3 × 3 Matrixform angeordnet werden, wobei bevorzugt eine Weißlicht-LED die zentrale Position in der optischen Achse einnimmt. Abhängig von den experimentellen Bedingungen kann die Form und die Anordnung der LEDs angepasst und verändert werden, sodass beispielsweise eine kreisförmige Anordnung der LEDs möglich ist.
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Zweckmäßigerweise ist die Leiterplatte transversal verschiebbar, sodass je nach Wunsch eines Benutzers eine andere LED in die optische Achse des Mikroskops verlagert werden kann, wodurch die Abstrahlcharakteristik der LEDs veränderbar ist, um flexibel auf experimentelle Bedingungen eingehen zu können. Eine einfache Austauschbarkeit der Leiterplatte gewährleistet, dass eine andere Leiterplatte mit einer anderen Abstrahlcharakteristik (zum Beispiel: Austauschen einer Leiterplatte mit neun blauen LEDs durch eine Leiterplatte mit neun roten LEDs) der LEDs schnell und einfach durchführbar ist. Zweckmäßigerweise ist ein Magazin an dem LED-Beleuchtungsmodul vorgesehen, auf welches zumindest eine Leiterplatte anbringbar ist. Bevorzugt ist ein manueller und/oder automatischer Austausch der Leiterplatte in dem Magazin vorgesehen. Das Magazin ist kreisförmig ausgestaltet, wobei die Leiterplatten konzentrisch in dem Magazin angeordnet sind, bevorzugt ist das Magazin quadratisch ausgestaltet, wobei die Leiterplatten übereinander bzw. Nebeneinander auf dem Magazin angeordnet sind. Über einen Schleifkontakt werden die Leiterplatten auf einfache Weise mit dem Steuerelement in Verbindung gebracht, sodass ein einfacher Austausch möglich ist. Besonders bevorzugt sind alle Leiterplatten mit dem Steuerelement elektronisch verbunden und die entsprechende Leiterplatte mit der gewünschten Abstrahlcharakteristik kann elektronisch ausgewählt werden. Vorteilhaft ist jede LED durch das Steuerelement individuell ansteuerbar, sodass sowohl die Intensität einer jeden LED als auch das Ein- und Ausschalten regelbar sind.
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Weitere Vorteile, Eigenschaften und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
- 1a: zeigt eine LED-Anordnung auf einer rechteckigen Leiterplatte.
- 1b: zeigt eine LED-Anordnung auf einer scheibenförmigen Leiterplatte mit zentraler Aussparung.
- 1c: zeigt eine LED-Anordnung auf einer scheibenförmigen Leiterplatte ohne zentrale Aussparung.
- 2: zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des LED-Beleuchtungsmoduls mit einer einzelnen LED und unter Verwendung einer Kollimationslinse.
- 3a: zeigt das LED-Beleuchtungsmodul aus 2 mit einer Mehrzahl von LEDs.
- 3b: zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des LED-Beleuchtungsmoduls mit einer Mehrzahl von LEDs und unter Verwendung einer Lochblende.
- 4: zeigt ein Mikroskop bei dem das LED Beleuchtungsmodul aus 3a und das LED-Beleuchtungsmodul aus 3b zur Beleuchtung einer Probe verwendet werden.
- 5a: zeigt eine schematische Darstellung eines CCD-Kamerachips.
- 5b: zeigt eine schematische Darstellung eines Signales des CCD-Kamerachips aus 5a bei einer langen Bildaufnahmezeit der Kamera.
- 5c: zeigt eine schematische Darstellung des Signals des CCD-Kamerachips aus 5a bei einer kurzen Bildaufnahmezeit der Kamera.
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Die 1a zeigt eine rechteckförmige Leiterplatte 10a auf welche mehrere LEDs 14 aufgebracht sind. Die LEDs 14 können auf die Leiterplatte 10a gelötet oder gesteckt werden. In 1a sind die LEDs in einer 3 × 3 Matrixform regelmäßig angeordnet. Hierbei kann die ausgestrahlte Wellenlänge einer jeden LED 14 frei gewählt werden. Bevorzugt ist die zentrale LED 14 als Weißlicht-LED ausgebildet, wobei die anderen LEDs 14 jeweils eine verschiedene Farbe ausstrahlen. Für holographische Aufnahmen strahlt eine erste der außenliegenden LEDs 14 mit einer Wellenlänge von ca. 450 nm, wobei die Wellenlänge für die anderen LEDs 14 sukzessive um etwa 20 bis 65 nm erhöht wird. Für Fluoreszenzaufnahmen strahlt eine erste der außenliegenden LEDs eine Wellenlänge von ca. 364 nm ab, wobei die Wellenlänge für die anderen LEDs sukzessive um etwa 10 bis 90 nm erhöht wird. Auf diese Weise ist eine LED-Anordnung geschaffen, die Licht in mehreren Wellenlängen abstrahlt. Je nach Anforderungen können auch mehrere LEDs 14 so ausgewählt werden, dass sie eine identische/ähnliche Wellenlänge abstrahlen.
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1b zeigt eine Anordnung der LEDs 14 auf einer kreisförmigen Scheibe 10b mit einer zentralen Aussparung 19. Bei dieser Art der Anordnung weisen alle LEDs 14 einen gleichen Abstand zu der zentralen Achse 15 der kreisförmigen Scheibe 10b auf, welche entlang die Längsachse der Scheibe 10b verläuft. Je nach Größe der zentralen Aussparung kann diese zweckmäßigerweise als Lochblende 31 oder Strahlformer verwendet werden. Jedenfalls gewährt die zentrale Aussparung 19 die Möglichkeit eines Lichtdurchtritts - zudem kann eine kreisförmige Halterungsvorrichtung einfach in die kreisförmige Zentrale Aussparung 19 eingebracht werden. Die Anzahl der LEDs 14 auf der Scheibe ist hierbei variabel ausgestaltet.
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1c zeigt eine Anordnung der LEDs 14 auf einer kreisförmigen Scheibe 10c ohne eine zentrale Aussparung 19, sodass im Mittelpunkt der kreisförmigen Scheibe 10c eine Zentrale LED 14, bevorzugt eine Weißlicht-LED, angeordnet ist. Vorteilhaft weisen die ringförmig angeordneten LEDs 14 alle den gleichen Abstand zur zentralen Weißlicht-LED 14 auf.
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2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des LED-Beleuchtungsmoduls 20. Das LED-Beleuchtungsmodul 20 weist eine rechteckförmige Leiterplatte 10a auf, wobei eine optische Achse 18 durch das Zentrum 11 der rechteckigen Leiterplatte 10a verläuft. Die LED 14 ist mit einem transversalen Versatz 17 vom Zentrum 11 auf der Leiterplatte 10a angeordnet. Das abgestrahlte LED-Licht 16 bei eingeschalteter LED 14 ist durch gestrichelte Linien schematisch dargestellt. Die LED 14 wird durch ein Steuerelement 21 bedient. Durch das Steuerelement 21 wird das Ein- und Ausschalten der LED 14 geregelt, wobei bevorzugt die Strahlungsintensität der LED 14 durch das Steuerelement 21 einstellbar ist. In Strahlrichtung ist in einem vorher festgelegten Abstand von der LED 14 ein optischer Diffusor 22 in der optischen Achse 18 angeordnet. Der Schnittpunkt der optischen Achse 18 mit dem Diffusor 22 ist der Brennpunkt einer Kollimationslinse 28, welche in Strahlrichtung hinter dem Diffusor 22 angeordnet ist.
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Die Funktionsweise des LED-Beleuchtungsmoduls 20 ist nun wie folgt: Die LED 14 strahlt, geregelt durch das Steuerelement 21, das LED-Licht 16 aus. Ist der Abstand der LED 14 zu dem Diffusor 22 groß genug, so erreicht das LED-Licht 16 jeden Punkt auf der zur LED 14 zugekehrten Oberflächenseite des Diffusors 22. Durch die Eigenschaft des Diffusors 22, die Richtung der Lichtstrahlen des LED-Lichts 16 in ihrer Richtung zu verändern, werden in dem Diffusor 22 virtuelle Bilder 24 der LED 14 erzeugt. Diese virtuellen Bilder 24 sind gleichmäßig innerhalb des gesamten Diffusors 22 verteilt, wenn der Abstand der LED 14 zu dem Diffusor 22 groß genug ist. Die virtuelle Bilder 24 ersteht hierbei dadurch, dass der Diffusor 22 das LED-Licht 16 quasi in alle Raumrichtungen, bevorzugt aber in Strahlrichtung, streut. Eine Teilmenge dieser gestreuten Strahlung in einem Punkt in dem Diffusor 22 entspricht nun aber genau dem Fall, als ob die LED 14 sich mit geringerer Intensität in diesem Punkt befinden würde - diese Teilmenge des ursprünglichen LED-Lichts 16 kennzeichnet die virtuellen Bilder 24. Dadurch, dass nur ein Bruchteil des ursprünglichen LED-Lichts 16 zur Leuchtintensität eines jeden virtuellen Bildes 24 beiträgt, ist das virtuelle Bild 24 gegenüber der Leuchtkraft der LED 14 deutlich abgeschwächt. Um beispielsweise für eine spätere Mikroskopie eine ausreichende Lichtstärke zu erzielen, werden vorzugsweise Hochleistungs-LEDs mit einer Leistung von mehr als 1 Watt verwendet.
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Unter den virtuellen Bildern 24 befindet sich ein virtuelles Bild 26 auf der optischen Achse 18 im Brennpunkt der Kollimationslinse 28. Das Strahlungsfeld 27 dieses zentralen virtuellen Bildes 26 ist hierbei von entscheidender Bedeutung, da die Kollimationslinse 28 dessen Strahlungsfeld 27 im weiteren Strahlengang so weiterleitet, als ob die LED 14 auf der optischen Achse 18 im Brennpunkt der Kollimationslinse 28 liegen würde. Insbesondere wird durch die Kollimationslinse 28 ein ins Unendliche fokussierte parallele Strahlenbündel 30 erzeugt, welches für die weitere Lichtführung in einem Mikroskop 35 besonders vorteilhaft ist. Das LED-Beleuchtungsmodul 20 ermöglicht es also ein von der optischen Achse 18 transversal versetzt erzeugtes LED-Licht 16 auf die optische Achse 18 zurückzuholen. Dadurch, dass der Brennpunkt der Kollimationslinse 28 auf der optischen Achse 18 in dem Diffusor 22 liegt, wird das Licht der anderen virtuellen Bilder 24 quasi herausgefiltert.
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3a zeigt das LED-Beleuchtungsmodul 20a, wobei die LED-Anordnung, im Unterschied zu 2, in der Art von 1a ausgestaltet ist. Analog zu 2 werden nun von jeder der LEDs 14 virtuelle Bilder 24 in dem Diffusor 22 erzeugt. Unter all diesen virtuellen Bildern 24 befindet sich wiederum das zentrale virtuelle Bild 26 auf der optischen Achse 18. Strahlt beispielsweise jede LED 14 eine andere Wellenlänge ab, so hat dies für die Kollimationslinse 28 den Effekt, als ob in ihrem Brennpunkt eine LED 14 angeordnet ist, welche neun verschiedene Wellenlängen abstrahlt. Es folgt, dass durch das in 3a gezeigte LED-Beleuchtungsmodul 20a ein Multiwellenlängenbeleuchtungssystem von LEDs 14 geschaffen ist.
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Die 3b zeigt das zweite Ausführungsbeispiel des LED-Beleuchtungsmoduls 20b. Im Unterschied zu dem LED-Beleuchtungsmodul 20a aus 3a ist anstatt der Kollimationslinse 28 eine Lochblende 31 eingesetzt. Durch die Verwendung der Lochblende 31 wird das in dem Diffusor 22 gestreute Licht der LEDs 14 auf die optische Achse 28 zurückgeholt, sodass das Strahlungsfeld 27 der Lochblende 31 erscheint, als ob eine Punktquelle mit verschiedenen Wellenlängen auf der optischen Achse 18 am Ort der Lochblende angeordnet ist. Zur Strahlungsleistung des Strahlungsfeldes 27 tragen nun zusätzlich zum Licht des zentralen virtuellen Bildes 26 auch die Anteile der anderen virtuellen Bilder 24 bei, da die diesbezügliche Filterfunktion der Kollimationslinse 28 wegfällt. Werden die Abmessungen der Lochblende 31 entsprechend klein gewählt, entsteht kohärentes Licht, wodurch holographische Aufnahmen ermöglicht werden.
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4 zeigt die Verwendung der Ausführungsbeispiele der LED-Beleuchtungsmodule 20a, 20b in dem Mikroskop 35. Hierbei sind die LED-Beleuchtungsmodule 20a, b vorzugsweise in lichtundurchlässigen Behältnissen 41 aufgenommen, wobei diese Behältnisse 41 an das Mikroskop 35 angeschlossen werden, indem sie beispielsweise aufgesteckt oder aufgeschraubt werden, vorzugsweise wird ein Flansch verwendet. Die Anschlussstelle der Behältnisse 41 zum Strahlengang 43 des Mikroskops 35 bildet die einzige lichtdurchlässige Stelle der Behältnisse 41 aus, sodass das Licht des LED-Beleuchtungsmoduls in den Strahlengang gelangen kann. Das Licht des LED-Beleuchtungsmoduls 20a wird im Strahlengang 43 von Spiegeln und gegebenenfalls anderen optischen Transformationselementen auf eine Probe 36 geleuchtet und das hierbei reflektierte Licht von einer Kamera 37 aufgezeichnet wird. Hierbei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Kamera 37 die Beleuchtung der LEDs 14 unmittelbar oder mittelbar über das Steuerelement 21 regelt. Strahlen die LEDs 14 Licht mit verschiedenen Wellenlängen ab, können durch das LED-Beleuchtungsmodul 20a Multifluoreszenzaufnahmen durchgeführt werden. Das Licht des LED-Beleuchtungsmoduls 20b wird vorzugsweise zur Verwendung von holographischen Aufnahmen verwendet, wobei das Licht hierbei die Probe 36 durchleuchten muss, sodass entsprechende Interferenzbilder in der Kamera 37 aufgezeichnet werden können. Vermittels dieser Interferenzbilder wird auf die dreidimensionale Form der Probe 36 geschlossen. Das Licht des LED-Beleuchtungsmoduls 20b wird ebenfalls von der Kamera 37 aufgezeichnet, sodass sich die LED-Beleuchtungsmodule 20a, b zumindest abschnittsweise den Strahlengang 43 teilen.
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Die 5a, b, c zeigen schematisch wie das LED-Beleuchtungsmodul 20a, b dazu verwendet werden kann, um das räumliche und zeitliche Auflösungsvermögen des Mikroskops 35 zu erhöhen. Schematisch sind in 5a neun Pixel 33 eines CCD-Kamerachips 32 der Kamera 37 gezeigt. Ist ein Pixel 33 schraffiert, so wird hierdurch angezeigt, dass ein Signal 39 von diesem Pixel 33 detektiert und aufgenommen wurde. Die Pfeile 34 symbolisieren einen Bewegungspfad, wie er beispielsweise von einer biologischen Probe ausführbar ist. Ist die Aufnahmezeit der Kamera 37 also größer als die Zeit, die die biologische Probe benötigt, um ihren Bewegungspfad 34 zu vervollständigen, so folgt, wie in 5b zu sehen ist, dass jedes Pixel 33 ein Signal 39 detektiert, sodass die Bewegung der Probe 36 zeitlich und räumlich nicht aufgelöst werden kann. So ist es beispielsweise in 5B völlig unklar in welche Richtung sich die biologische Probe bewegt hat - es können also keine Rückschlüsse bezüglich des Bewegungspfads 34 gezogen werden. Wird das LED-Beleuchtungsmodul 20a, b, wie in 5c gezeigt, durch das Steuerelement 21 nur für eine Zeitspanne zum Leuchten gebracht, die ein Bruchteil, hier beispielhaft 2/9, der gesamten Bewegungszeit der Probe beträgt, ist das entsprechende Bild, welches auf dem CCD-Chip 32 der Kamera 37 aufgenommen wird, räumlich höher aufgelöst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010042200 A1 [0002]
- DE 102013218231 A1 [0003]
- DE 102004017694 B3 [0003]
- DE 102013217709 A1 [0003]
- DE 19919096 A1 [0003]
- DE 102005030761 A1 [0004]
- DE 102005029119 A1 [0005]
- US 2007/0139638 A1 [0005]
- DE 102007027615 A1 [0006]
