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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung sowie ein Mikroskop mit einer derartigen Beleuchtungseinrichtung.
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Stand der Technik
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Für die Beleuchtungseinrichtung von wissenschaftlichen und/oder medizinischen Geräten, wie Mikroskopen, Mikrodissektionseinrichtungen, Endoskopen, usw., werden häufig Halbleiterelemente wie Leuchtdioden verwendet. Durch Kombination mehrerer unterschiedlicher Leuchtdioden, welche jeweils in verschiedenen Wellenlängenbereichen Licht emittieren, kann ein Beleuchtungslicht mit weißem Farbeindruck erzeugt werden.
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Beispielsweise wird in der
DE 10 2010 061 786 A1 eine Mikroskopbeleuchtung offenbart mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle und mindestens einem Lichtmischelement. In dem Lichtmischelement wird über eine Lichteintrittsfläche eintretendes Licht in seinem Inneren gemischt. An einer Lichtaustrittsfläche tritt gemischtes Licht aus dem Lichtmischelement aus. Die Halbleiterlichtquellen sind beispielsweise Leuchtdioden. Es können mehrere Leuchtdioden verwendet werden, um z.B. ein weißes Mischlicht zu erzeugen. Ähnliche Beleuchtungseinrichtungen werden beispielsweise auch in den Schriften
US 4 923 279 A ,
US 6 783 269 B2 ,
US 5 588 084 A und
US 7 898 665 B2 beschrieben.
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Da einzelne Leuchtdioden jedoch zumeist nur ein sehr schmalbandiges Emissionsspektrum besitzen, ist ein derartig erzeugtes Beleuchtungslicht oftmals nicht homogen weiß und besitzt zumeist kein breitbandiges, kontinuierliches Spektrum, sondern eine Aneinanderreihung einzelner diskreter bzw. schmalbandiger Einzelspektren. Für wissenschaftliche und/oder medizinische Geräte kann es jedoch oftmals notwendig sein, ein homogenes weißes Beleuchtungslicht mit einem kontinuierlichen, breitbandigen Spektrum bereitzustellen, was mit derartigen herkömmlichen Beleuchtungseinrichtungen zumeist nicht möglich ist.
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Die
US 2009/0034292 A1 zeigt eine Beleuchtungseinrichtung mit wenigstens einer LED und mit einem Lichtleiter, der unterschiedliche Wellenlängenkonversionsmaterialien mit jeweils unterschiedlichen Emissionsbereichen enthält. Die Wellenlängenkonversionsmaterialien werden von der LED bestrahlt und das konvertierte Licht wird an einer Lichtaustrittsfläche ausgekoppelt. Die Beleuchtungseinrichtung erzeugt weißes Licht als Hintergrundbeleuchtung für Monitore.
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Es ist wünschenswert, eine verbesserte Beleuchtungseinrichtung bereitzustellen, mittels welcher ein möglichst homogenes weißes Beleuchtungslicht mit einem möglichst kontinuierlichen, breitbandigen, aber einstellbaren Spektrum erzeugt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden eine Beleuchtungseinrichtung sowie ein Mikroskop mit einer derartigen Beleuchtungseinrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Beleuchtungseinrichtung weist mehrere Lichtquellen und ein Lichtkonversionselement auf. Die mehreren Lichtquellen sind insbesondere als wenigstens eine Halbleiterlichtquelle bzw. als wenigstens ein Halbleiterelement ausgebildet, z.B. als wenigstens eine Leuchtdiode und/oder als wenigstens eine Laserlichtquelle. Das Lichtkonversionselement ist als wenigstens ein Lichtleiter ausgebildet, der unterschiedliche fluoreszierende Materialien mit jeweils unterschiedlichen Emissionsbereichen enthält.
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Die unterschiedlichen fluoreszierenden Materialien weisen jeweils einen Anregungsbereich bzw. Absorptionsbereich auf, wobei sie Licht mit Wellenlängen in diesem Anregungsbereich jeweils zweckmäßigerweise absorbieren. Nach derartiger Anregung emittieren die fluoreszierenden Materialien Emissionslicht mit Wellenlängen in dem jeweiligen Emissionsbereich. Die einzelnen Materialien können dabei jeweils denselben Anregungsbereich oder jeweils unterschiedliche Anregungsbereiche aufweisen. Somit kann durch die fluoreszierenden Materialien Licht im Inneren der Lichtkonversionselemente erzeugt werden.
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Die mehreren Lichtquellen sind derart angeordnet, dass Emissionslicht zur Anregung der fluoreszierenden Materialien von den mehreren Lichtquellen in das Lichtkonversionselement eingekoppelt wird. Das Emissionslicht der Lichtquellen besitzt zweckmäßigerweise eine Wellenlänge, welche in dem Anregungsbereich der fluoreszierenden Materialen liegt. Das Lichtkonversionselement ist derart ausgestaltet, dass von den fluoreszierenden Materialien emittiertes Licht zu einer Lichtaustrittsfläche des Lichtkonversionselements geleitet und dort als Beleuchtungslicht ausgekoppelt wird.
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Das Lichtkonversionselement ist insbesondere nicht komplett aus den fluoreszierenden Materialen gefertigt, sondern die Materialien sind an geeigneten Stellen in das Lichtkonversionselement eingebracht. Das Lichtkonversionselement besitzt zweckmäßigerweise die Eigenschaften eines herkömmlichen Lichtleiters. Insbesondere ist das Lichtkonversionselement transparent, so dass Emissionslicht der Lichtquellen auf einfache Weise in das Lichtkonversionselement eingestrahlt werden kann. Das durch die fluoreszierenden Materialen erzeugte Emissionslicht wird innerhalb des Lichtkonversionselements zweckmäßigerweise durch Reflexion bzw. Totalreflexion geleitet.
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Das Lichtkonversionselement kann aus einem Lichtleiter oder auch aus mehreren Lichtleitern zusammengesetzt sein, welche insbesondere aufeinander folgend bzw. hintereinander angeordnet sind. Diese einzelnen Lichtleiter können zweckmäßigerweise dieselbe oder zumindest im Wesentlichen dieselbe Form besitzen. Die Zusammensetzung der einzelnen Lichtleiter, insbesondere die Dichte sowie die Art der darin eingebrachten fluoreszierenden Materialien, kann identisch sein oder auch unterschiedlich.
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Durch die Erfindung wird eine Trennung zwischen den primären Lichtquellen und der Erzeugung des Beleuchtungslichts ermöglicht. Das Lichtkonversionselement ermöglicht insbesondere eine Umwandlung des Emissionslichts der Lichtquellen in das Beleuchtungslicht. Charakteristiken des Beleuchtungslichts sind insbesondere durch die Eigenschaften der fluoreszierenden Materialen bestimmt und sind insbesondere nicht oder zumindest kaum abhängig von Charakteristiken der verwendeten Lichtquellen. Durch geeignete Wahl der fluoreszierenden Materialien wird zweckmäßigerweise ein homogenes weißes Beleuchtungslicht mit einem breitbandigen, kontinuierlichen Spektrum bereitgestellt.
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Herkömmliche Beleuchtungslichtquellen z.B. für Mikroskope oder andere wissenschaftliche Zwecke verwenden oftmals verschiedene Leuchtdioden oder anderen Halbleiterlichtquellen, deren Licht gemischt wird, um einen weißen Farbeindruck zu erzeugen. Da einzelne Leuchtdioden jedoch zumeist nur ein sehr schmalbandiges Emissionsspektrum besitzen, ist eine Kombination aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Leuchtdioden mit jeweils unterschiedlichen Emissionsspektren notwendig, um Beleuchtungslicht mit einem weißen Farbeindruck zu erzeugen. Dieses Beleuchtungslicht ist oftmals jedoch nicht homogen weiß und besitzt zumeist kein breitbandiges, kontinuierliches Spektrum, sondern eine Aneinanderreihung einzelner diskreter bzw. schmalbandiger Einzelspektren. Weiterhin wird bei derartigen herkömmlichen Beleuchtungslichtquellen oftmals eine Vielzahl von unterschiedlichen optischen Elementen benötigt, z.B. dichroitische Spiegel, welche präzise an die speziellen Strahlcharakteristiken und Anordnungen der Leuchtdioden angepasst werden müssen. Derartige herkömmliche Beleuchtungslichtquellen sind konstruktiv sehr aufwendig und bedürfen hoher Präzision bei der Ausrichtung optischer Elemente.
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Im Gegensatz dazu kann mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungslichtquelle ohne großen konstruktiven Aufwand und ohne Bedarf an präzise ausgerichteten optischen Elementen homogenes weißes Beleuchtungslicht erzeugt werden. Zweckmäßigerweise besitzen die einzelnen fluoreszierenden Materialien jeweils ein breitbandiges Emissionsspektrum. Somit wird es insbesondere ermöglicht, Beleuchtungslicht mit einem breitbandigen Spektrum bereitzustellen, unter der Verwendung von Lichtquellen mit einem vergleichsweise schmalbandigen Emissionsspektrum.
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Beispielsweise ist es somit nicht notwendig, eine Vielzahl von unterschiedlichen Lichtquellen mit unterschiedlichen Emissionsspektren zu verwenden. Wenn die fluoreszierenden Materialen jeweils gleiche oder ähnliche Anregungsbereiche besitzen, können beispielsweise Lichtquellen, insbesondere Leuchtdioden, desselben Typs bzw. mit gleichen oder ähnlichen Emissionsspektren verwendet werden, um sämtliche fluoreszierende Materialien in dem Lichtkonversionselement gleichzeitig anzuregen. Durch die verschiedenen Emissionsbereiche der fluoreszierenden Materialen kann dennoch ein breitbandiges Beleuchtungslicht erzeugt werden.
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Des Weiteren wird es durch die Beleuchtungslichtquelle ermöglicht, die spektrale Zusammensetzung bzw. das Spektrum des Beleuchtungslichts flexibel zu verändern. Insbesondere lassen sich einzelne spektrale Anteile des Beleuchtungslichts flexibel zu- oder abzuschalten. Beispielsweise wenn unterschiedliche fluoreszierende Materialien jeweils unterschiedliche individuelle Anregungsbereiche besitzen, können zur Anregung dieser einzelnen Materialien jeweils entsprechende Lichtquellen mit speziell auf diese Anregungsbereiche angepassten Emissionsbereichen vorgesehen sein. Somit kann auf einfache, flexible Weise die spektrale Zusammensetzung des Beleuchtungslichts variiert werden, indem die jeweiligen Lichtquellen ein- oder ausgeschaltet werden.
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Die Beleuchtungseinrichtung ist besonders vorteilhaft als Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop ausgebildet. Das erzeugte homogene weiße Beleuchtungslicht, welches ein sehr natürlich wirkendes Licht darstellt, ist besonders zur Beleuchtung von zu beobachtenden Objekten in Mikroskopen geeignet. Die Beleuchtungseinrichtung eignet sich jedoch auch zur Nutzung für andere, insbesondere wissenschaftliche und/oder medizinische, Zwecke, z.B. für Mikrodissektionseinrichtungen, Endoskope, usw.
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Das Lichtkonversionselement kann beispielsweise als Stab, Faser, Scheibe, Platte usw. ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Lichtkonversionselement auch einen Kern und einen Mantel aufweisen, wobei Licht innerhalb des Kerns geleitet wird. Der Mantel besitzt dabei insbesondere einen geringeren Brechungsindex als der Kern. Insbesondere sind die einzelnen Lichtquellen an einer oder an mehreren Seiten des Lichtkonversionselements angeordnet und beleuchten dieses von der Seite. Es ist beispielsweise auch denkbar, dass das Lichtkonversionselement spiralförmig oder mäanderförmig wiederholt an den Lichtquellen vorbeigeführt wird.
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Zweckmäßigerweise sind die Lichtquellen in einer oder mehreren Reihen angeordnet. In einer derartigen Reihe sind insbesondere wenigstens zwei der Lichtquellen nebeneinander angeordnet. Insbesondere sind diese Reihen jeweils parallel zueinander angeordnet, beispielsweise an gegenüberliegenden Seiten des Lichtkonversionselements.
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Die in einer derartigen Reihe angeordneten Lichtquellen sind zweckmäßigerweise gleich oder baugleich bzw. emittieren Emissionslicht derselben oder zumindest im Wesentlichen derselben Wellenlänge. Wenn die unterschiedlichen fluoreszierenden Materialien jeweils unterschiedliche, individuelle Anregungsbereiche besitzen, können die einzelnen Reihen jeweils zur Anregung eines speziellen Materials vorgesehen sein. Somit können spektrale Anteile des Beleuchtungslichts auf einfache Weise zu- oder abgeschaltet werden, indem entsprechende Reihen von Lichtquellen aktiviert oder deaktiviert werden.
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Das Lichtkonversionselement weist zweckmäßigerweise eine kreisförmige und/oder elliptische und/oder vieleckige Querschnittsfläche auf. Bei einer vieleckigen Form kann an den entsprechenden ebenen Seitenflächen des Lichtkonversionselements das Emissionslicht der Lichtquellen besonders effektiv eingekoppelt werden. Beispielsweise können die einzelnen Lichtquellen dabei auch direkt auf diesen ebenen Seitenflächen angeordnet werden.
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Insbesondere besitzt die Querschnittsfläche des Lichtkonversionselements die Form eines Vielecks mit abgerundeten Ecken. Bei einer derartigen Form der Querschnittsfläche kann beispielsweise eine besonders effektive Durchmischung des von den einzelnen fluoreszierenden Materialien emittierten Lichts gewährleistet werden. Weiterhin werden schiefe Strahlen unterdrückt, was insbesondere zu einer homogenen Ausleuchtung der Lichtaustrittsfläche führt.
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Zweckmäßigerweise ist wenigstens eine Lichtquelle auf wenigstens einer aktiven und/oder passiven Kühlvorrichtung angeordnet. Beispielsweise kann für jede der oben beschriebenen Reihen von Lichtquellen eine eigene Kühlvorrichtung vorgesehen sein.
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Bevorzugt ist eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Lichtquellen vorgesehen. Diese Steuereinrichtung kann zweckmäßigerweise ebenfalls zur Steuerung von aktiven Kühlvorrichtungen eingerichtet sein.
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Erfindungsgemäß ist das Lichtkonversionselement in Abschnitte unterteilt. Jeder dieser Abschnitte enthält vorteilhafterweise jeweils nur eines der fluoreszierenden Materialien. Alternativ oder zusätzlich enthält jeder dieser Abschnitte vorzugsweise jeweils fluoreszierende Materialien mit denselben oder zumindest im Wesentlichen denselben Emissionsbereichen. Somit ist das Lichtkonversionselement derart in Abschnitte unterteilt, dass in jedem dieser Abschnitte Licht in unterschiedlichen Emissionsbereichen emittiert wird. Insbesondere wird somit in jedem dieser Abschnitte ein unterschiedlicher Anteil des Beleuchtungslichts in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen erzeugt. Auf diese Weise kann eine modulare Ausgestaltung des Lichtkonversionselements ermöglicht werden, wodurch zweckmäßigerweise das flexible Zu- bzw. Abschalten von spektralen Anteilen des Beleuchtungslichts ermöglicht wird.
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Die einzelnen Abschnitte können beispielsweise durch einzelne unterschiedliche Lichtleiter realisiert werden, welche jeweils die entsprechenden fluoreszierenden Materialien enthalten. Diese einzelnen Lichtleiter können, wie weiter oben beschrieben, aufeinander folgend bzw. hintereinander angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß ist von den mehreren Lichtquellen jeweils wenigstens eine für jeden der Abschnitte vorgesehen. Insbesondere sind die Lichtquellen, welche demselben der Abschnitte zugeordnet sind, in einer Gruppe angeordnet. Beispielsweise können die Lichtquellen einer derartigen Gruppe in Reihen angeordnet sein, wie oben erläutert. Die Lichtquellen einer derartigen Gruppe beleuchten jeweils insbesondere nur den entsprechenden Abschnitt und regen die entsprechenden fluoreszierenden Materialien des jeweiligen Abschnitts an. Insbesondere können die unterschiedlichen Gruppen von Lichtquellen einzeln und unabhängig voneinander aktiviert bzw. deaktiviert werden.
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Die Abschnitte sind bevorzugt jeweils durch Trennelemente voneinander getrennt, welche jeweils Licht bei speziellen Wellenlängen reflektieren oder absorbieren. Zweckmäßigerweise absorbieren oder reflektieren diese Trennelemente jeweils Emissionslicht der Lichtquellen. Somit kann insbesondere verhindert werden, dass Licht der Lichtquellen bzw. der Gruppe von Lichtquellen, welches in dem jeweiligen Abschnitt nicht durch die dortigen fluoreszierenden Materialien absorbiert wurde, in benachbarte Abschnitte weitergeleitet wird und dort gegebenenfalls die fluoreszierenden Materialien anregt, obwohl dieser entsprechende Abschnitt deaktiviert ist.
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Vorteilhafterweise ist das Lichtkonversionselement als wenigstens ein transparenter Festkörper ausgebildet, der die unterschiedlichen fluoreszierenden Materialien enthält. Beispielsweise kann ein derartiger Festkörper aus Glas oder aus Kunststoff, etwa Acrylglas (Polymethylmethacrylat, PMMA), gefertigt sein. In derartigen Festkörpern können auf einfache, konstruktiv aufwandsarme Weise die unterschiedlichen fluoreszierenden Materialien eingebracht werden. Weiterhin kann eine einfache Einkopplung des Lichts der Lichtquellen sowie eine effiziente Lichtleitung innerhalb des Festkörpers gewährleistet werden.
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Vorzugsweise bestehen die unterschiedlichen fluoreszierenden Materialien aus Quantenpunkten (engl. quantum dot = QD). Quantenpunkte sind nanoskopische Materialstrukturen, insbesondere aus Halbleitermaterial (z. B. InGaAs, CdSe, InP oder GaInP). Ladungsträger (Elektronen, Löcher) in einem Quantenpunkt sind in ihrer Beweglichkeit derart eingeschränkt, dass ihre Energie nicht mehr kontinuierliche, sondern nur noch diskrete Werte annehmen kann, weswegen sich Quantenpunkte ähnlich wie Atome verhalten. Form, Größe sowie Anzahl von Elektronen können zweckmäßig gewählt werden, so dass sich elektronische und optische Eigenschaften von Quantenpunkten flexibel einstellen lassen. Emissionsspektren einzelner Quantenpunkte sind im Gegensatz zu Atomen keine Linienspektren, sondern besitzen insbesondere die Form einer Lorentzkurve. Das Emissionsspektrum eines Ensembles von Quantenpunkten besitzt insbesondere die Form einer Gaußkurve, da die Überlagerung einzelner spektralen Lorentzkurven bei unterschiedlichen Emissionswellenlängen insbesondere zu einer Gaußverteilung führt.
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Besonders bevorzugt sind die unterschiedlichen Emissionsbereiche der unterschiedlichen fluoreszierenden Materialien jeweils derart gewählt, dass, wenn in all diesen unterschiedlichen Emissionsbereichen jeweils Licht emittiert wird, an der Lichtaustrittsfläche homogenes oder zumindest im Wesentlichen homogenes weißes Licht bereitgestellt wird. Zweckmäßigerweise enthält das Lichtkonversionselement unterschiedliche fluoreszierende Materialien mit z.B. mindestens drei unterschiedlichen Emissionsbereichen. Durch derartige unterschiedliche Emissionsbereiche kann zweckmäßigerweise ein besonders homogenes weißes Beleuchtungslicht mit einem breitbandigen Spektrum bereitgestellt werden.
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Vorteilhafterweise besitzt das Emissionslicht der Lichtquellen kürzere Wellenlängen als das von den fluoreszierenden Materialien emittierte Licht. Demgemäß besitzen die fluoreszierenden Materialien jeweils einen Absorptionsbereich bei kürzeren Wellenlängen als ihre entsprechenden Emissionsbereiche. Insbesondere emittieren die Lichtquellen im blauen oder UV-Bereich. Dieses Licht wird von den Lichtkonversionselementen zweckmäßigerweise in Licht im sichtbaren Bereich umgewandelt.
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Vorzugsweise weist das Emissionslicht der Lichtquellen Wellenlängen zwischen 300 nm und 500 nm auf, bevorzugt zwischen 350 nm und 450 nm. Vorzugsweise liegen die unterschiedlichen Emissionsbereiche der unterschiedlichen fluoreszierenden Materialien bei Wellenlängen zwischen 400 nm und 700 nm, bevorzugt bei Wellenlängen zwischen 450 nm und 670 nm. Beispielsweise können Mittenwellenlängen der einzelnen Emissionsbereiche der fluoreszierenden Materialien bei jeweils bei 450 nm und/oder 490 nm und/oder 525 nm und/oder 540 nm und/oder 575 nm und/oder 630 nm und/oder 665 nm liegen.
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Vorteilhafterweise sind die fluoreszierenden Materialien derart in dem Lichtkonversionselement angeordnet, dass eine Dichte und/oder die Emissionsbereiche und/oder Anregungsbereiche der fluoreszierenden Materialien einer vorbestimmten Verteilung entlang einer Länge des Lichtkonversionselements in Richtung der Lichtaustrittsfläche folgen. Insbesondere nimmt die Dichte in Richtung der Lichtaustrittsfläche ab. Insbesondere sind die Verteilungen von Dichte sowie Anregungs- und Emissionsbereiche aufeinander abgestimmt, so dass eine Zweitabsorption (d.h. eine Absorption des von den fluoreszierenden Materialien emittierten Lichts) verhindert werden kann, wodurch die Effizienz der Beleuchtungslichtquelle gesteigert werden kann.
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Vorteilhafterweise ist an einem der Lichtaustrittsfläche gegenüber liegenden Ende des Lichtkonversionselements ein reflektierendes Element angeordnet, z.B. eine reflektierende Beschichtung. Wenn von den fluoreszierenden Materialien emittiertes Licht in dem Lichtkonversionselement zu diesem Ende geleitet wird, wird es an dem reflektierenden Element in Richtung der Lichtaustrittsfläche reflektiert und zu dieser geleitet. An der Lichtaustrittsfläche wird somit zweckmäßigerweise das gesamte oder zumindest im Wesentlichen das gesamte in dem Lichtkonversionselement erzeugte Emissionslicht als Beleuchtungslicht bereitgestellt.
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Insbesondere ist das reflektierende Element dazu eingerichtet, Licht mit Wellenlängen in den Emissionsbereichen der fluoreszierenden Materialien zu reflektieren. Zweckmäßigerweise kann das reflektierende Element in speziellen Wellenlängenbereichen auch transparent sein, beispielsweise in einem oder in allen Anregungsbereichen der fluoreszierenden Materialien. Somit wird es ermöglicht, dass auch hinter diesem Ende des Lichtkonversionselements eine oder mehrere der Lichtquellen angeordnet werden, welche Licht in diesem speziellen Wellenlängenbereich emittieren.
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Bevorzugt ist an der Lichtaustrittsfläche des Lichtkonversionselements ein Lichtabgabeelement angeordnet. Durch dieses Lichtabgabeelement wird insbesondere eine effektive Abgabe bzw. Abstrahlung des Beleuchtungslichts gewährleistet. Beispielsweise kann das Lichtabgabeelement als ein Antireflexionselement, z.B. eine Antireflexionsbeschichtung, und/oder als ein parabolischer Konzentrator und/oder als eine Gradientenindexlinse ausgebildet sein.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Mikroskop mit einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung. Vorteile und bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Mikroskops ergeben sich aus der obigen Beschreibung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung in analoger Art und Weise.
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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 beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung in einer Seitenansicht.
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2 zeigt schematisch bevorzugte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung jeweils in einer Querschnittdarstellung.
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3 zeigt schematisch Spektren von fluoreszierenden Materialien einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung.
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4 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung in einer Seitenansicht.
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5 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Mikroskops mit einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung in einer Seitenansicht.
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In 1 ist eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung schematisch in einer Seitenansicht dargestellt und mit 100 bezeichnet.
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Die Beleuchtungseinrichtung 100 weist Lichtquellen 110 in Form von Leuchtdioden auf. Im dargestellten Beispiel sind jeweils vier Leuchtdioden zu einer Gruppe 111 bzw. 112 zusammengefasst. Die Leuchtdioden jeder dieser Gruppen 111 und 112 sind jeweils linear nebeneinander in einer Reihe angeordnet.
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Für jede dieser Gruppen 111 und 112 von Leuchtdioden ist jeweils eine aktive Kühlvorrichtung 121 bzw. 122 vorgesehen.
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Eine Steuereinheit 130 ist zur Steuerung der einzelnen Leuchtdioden 110 sowie optional der aktiven Kühlvorrichtungen 121 und 122 vorgesehen. Insbesondere kann die Steuereinheit 130 die Leuchtdioden jeder Gruppe 111 und 112 jeweils gemeinsam ansteuern.
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Die Leuchtdioden 110 sind insbesondere vom selben Typ und emittieren jeweils Emissionslicht im selben Wellenlängenbereich, beispielsweise violettes Licht in einem Wellenlängenbereich zwischen 380 nm und 390 nm.
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Die Beleuchtungseinrichtung 100 weist weiterhin ein Lichtkonversionselement 140 auf. Das Lichtkonversionselement 140 ist als ein Lichtleiter ausgebildet, der unterschiedliche fluoreszierende Materialien 151 bis 157 mit jeweils unterschiedlichen Emissionsbereichen enthält.
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Der Lichtleiter ist vorzugsweise als ein transparenter Festkörper ausgebildet und beispielsweise aus Acrylglas (Polymethylmethacrylat, PMMA) gefertigt. Die fluoreszierenden Materialien 151 bis 157 können in einem Herstellungsprozess fest in das Acrylglas eingebracht worden sein. Beispielsweise können die einzelnen fluoreszierenden Materialien 151 bis 157 jeweils als Quantenpunkte aus Halbleitermaterialien in das Acrylglas eingebracht sein.
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Diese unterschiedlichen fluoreszierenden Materialien 151 bis 157 können jeweils einen ähnlichen Anregungsbereich besitzen, beispielsweise jeweils zwischen 350 nm und 450 nm. Jedes der fluoreszierenden Materialien 151 bis 157 besitzt jedoch einen individuellen Emissionsbereich.
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Beispielsweise kann das Material 151 einen Emissionsbereich zwischen 400 nm und 500 nm mit einer Mittenwellenlänge von 450 nm besitzen. Das Material 152 besitzt beispielsweise einen Emissionsbereich zwischen 440 nm und 540 nm mit einer Mittenwellenlänge von 490 nm. Das Material 153 besitzt einen Emissionsbereich zwischen 475 nm und 575 nm mit einer Mittenwellenlänge von 525 nm. Der Emissionsbereich des Materials 154 besitzt beispielsweise eine Mittenwellenlänge von 540 nm und erstreckt sich zwischen 490 nm und 590 nm. Die Mittenwellenlänge des Emissionsbereichs des Materials 155 liegt beispielsweise bei 575 nm und der Bereich erstreckt sich zwischen 525 nm und 625 nm. Das Material 156 besitzt einen Emissionsbereich zwischen 580 nm und 680 nm mit einer Mittenwellenlänge von 630 nm und das Material 157 besitzt einen Emissionsbereich zwischen 615 nm und 715 nm mit einer Mittenwellenlänge von 665 nm.
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Die Gruppen von Lichtquellen 111 und 112 sind jeweils an gegenüberliegenden Seiten des Lichtkonversionselements 140 angeordnet. Emissionslicht von den Lichtquellen 110 kann somit auf einfache Weise in das Lichtkonversionselements 140 eingekoppelt werden.
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In dem Lichtkonversionselement 140 wird das Licht der Lichtquellen 110 von den unterschiedlichen fluoreszierenden Materialien 151 bis 157 absorbiert. Nach dieser Anregung emittieren die fluoreszierenden Materialien 151 bis 157 jeweils Emissionslicht in den jeweiligen Emissionsbereichen.
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Dieses von den Materialien 151 bis 157 emittierte Licht wird in dem Lichtkonversionselement 140 durch Totalreflexion zu dessen Enden 141 und 142 transportiert. An einem Ende 141 des Lichtkonversionselements 140 ist ein reflektierendes Element 143 in Form einer Reflexionsbeschichtung angebracht. Das dort auftreffende Emissionslicht der Materialien 151 bis 157 wird an der Reflexionsbeschichtung 143 reflektiert und wird daraufhin zu dem anderen Ende 142 des Lichtkonversionselements 140 geleitet.
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Dieses Ende 142 des Lichtkonversionselements 140 ist als eine Lichtaustrittsfläche anzusehen, an welcher das von den fluoreszierenden Materialien 151 bis 157 emittierte Licht ausgekoppelt wird.
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Zur effizienteren Auskopplung des Beleuchtungslichts kann an der Lichtaustrittsfläche 142 ein Lichtabgabeelement angebracht sein, beispielsweise in Form einer Antireflexionsbeschichtung 144. Weiterhin kann auf die Lichtaustrittsfläche 142 ein weiteres Lichtabgabeelement aufgebracht werden, beispielsweise in Form eines parabolischen Konzentrators 145 oder einer Gradientenindexlinse 146.
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Ein Querschnitt durch die Beleuchtungseinrichtung 100 entlang der Linie A-A ist in 2a schematisch dargestellt. Wie in 2a zu erkennen ist, besitzt das Lichtkonversionselement 140 eine Querschnittsfläche in Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken. Die beiden Gruppen 111 und 112 von Leuchtdioden sind an gegenüberliegenden Seiten der Querschnittsfläche angeordnet.
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In 2b ist ein Querschnitt durch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 100' analog zu 2a dargestellt. Diese Beleuchtungseinrichtung 100' weist ein Lichtkonversionselement 140' mit einer kreisförmigen Querschnittsfläche auf.
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In 3 sind schematisch Spektren der fluoreszierenden Materialien des Lichtkonversionselements aus 1 schematisch dargestellt. Auf der Abszisse ist dabei die Wellenlänge in nm angegeben.
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Die mit 310 bezeichnete Kurve charakterisiert dabei den Anregungsbereich der fluoreszierenden Materialien 151 bis 157. Weiterhin sind in 3 drei Emissionsspektren dargestellt, beispielsweise das Emissionsspektrum 320 des Materials 151 zwischen 400 nm und 500 nm mit der Mittenwellenlänge von 450 nm, das Emissionsspektrum 330 des Materials 154 zwischen 490 nm und 590 nm mit einer Mittenwellenlänge von 540 nm sowie das Emissionsspektrum 340 des Materials 156 zwischen 580 nm und 680 nm mit einer Mittenwellenlänge von 630 nm. Da die fluoreszierenden Materialien als Quantenpunkte realisiert sind, besitzen ihre Spektren jeweils die Form einer Lorentzkurve.
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In 4 ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung in einer schematischen Seitenansicht analog zu 1 dargestellt und mit 100'' bezeichnet.
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Die Beleuchtungseinrichtung 100'' weist ein Lichtkonversionselement 140'' auf, welches in drei Abschnitte 140a, 140b, 140c unterteilt ist. An einer Lichtaustrittsfläche 142'' des Lichtkonversionselement 140'' wird Beleuchtungslicht ausgekoppelt. Durch die drei Abschnitte 140a, 140b, 140c wird es ermöglicht, einzelne spektrale Anteile des Beleuchtungslichts flexibel zu- oder abzuschalten.
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Jeder dieser drei Abschnitte 140a, 140b, 140c enthält jeweils nur eine Art von fluoreszierendem Material. In den Abschnitt 140a ist nur das Material 151 eingebracht, in den Abschnitt 140b das Material 154 und in den Abschnitt 140c das Material 156.
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Die Abschnitte 140a, 140b, 140c können dabei realisiert werden, indem jeder der Abschnitte 140a, 140b, 140c durch einen separaten Lichtleiter gebildet wird und wobei diese drei Lichtleiter nacheinander angeordnet sind.
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Für jeden der drei Abschnitte 140a, 140b bzw. 140c ist jeweils eine Lichtquellen-Gruppe 111a, 111b bzw. 111c vorgesehen. In diesem Beispiel sind in jeder dieser Lichtquellen-Gruppen 111a, 111b und 111c jeweils zwei Leuchtdioden nebeneinander auf einer aktiven Kühlvorrichtung 121a, 121b bzw. 121c angeordnet.
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Die Lichtquellen-Gruppe 111a dient dabei zur Anregung des Materials 151 im Abschnitt 140a, die Lichtquellen-Gruppe 111b hingegen dient zur Anregung des Materials 154 im Abschnitt 140b und die Lichtquellen-Gruppe 111c dient dabei zur Anregung des Materials 156 im Abschnitt 140c.
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Eine Steuereinheit 130'' ist zur Ansteuerung der Lichtquellen-Gruppen 111a, 111b und 111c sowie der aktiven Kühlvorrichtungen 121a, 121b und 121c vorgesehen. Jede der Lichtquellen-Gruppen 111a, 111b und 111c kann durch die Steuereinheit 130'' einzeln und unabhängig voneinander aktiviert und deaktiviert werden.
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Durch Aktivieren bzw. Deaktivieren einer einzelnen Lichtquellen-Gruppen können die spektralen Anteile des entsprechenden fluoreszierenden Materials am Beleuchtungslicht des jeweiligen dieser Lichtquellen-Gruppe zugeordneten Abschnitts flexibel zu- oder abgeschaltet werden.
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Die Abschnitte 140a, 140b und 140c sind jeweils durch ein Trennelement 161 bzw. 162 voneinander getrennt, welches jeweils Licht im Anregungsbereich der fluoreszierenden Materialien reflektiert. Somit kann insbesondere verhindert werden, dass das Material eines Abschnitts von den Leuchtdioden der Gruppe des benachbarten Abschnitts angeregt wird.
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Eine weitere Lichtquellen-Gruppe 113 aus einer Leuchtdiode ist hinter dem der Lichtaustrittsfläche 142'' gegenüberliegendem Ende 141'' des Lichtkonversionselements 140'' angeordnet. An diesem Ende 141'' ist ein reflektierendes Element 147 in Form einer Reflexionsbeschichtung angebracht, welches jedoch in dem Emissionsbereich der Leuchtdioden 110 transparent ist. Somit kann das Licht der Leuchtdiode 110 der Gruppe 113 direkt in das Lichtkonversionselement 140'' eingekoppelt werden.
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Durch die drei unterschiedlichen Abschnitte 140a, 140b und 140c sind die fluoreszierenden Materialien 151, 154 und 156 derart in dem Lichtkonversionselement 140'' angeordnet, dass die Emissionsbereiche der fluoreszierenden Materialien einer vorbestimmten Verteilung entlang einer Länge des Lichtkonversionselements in Richtung der Lichtaustrittsfläche 142'' folgen.
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In 5 ist eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Mikroskops schematisch in einer Seitenansicht dargestellt und mit 500 bezeichnet.
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Das Mikroskop 500 umfasst eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung, beispielsweise die in 1 dargestellte Beleuchtungseinrichtung 100. Beleuchtungslicht, welches von der Beleuchtungseinrichtung 100 an der Lichtaustrittsfläche ausgekoppelt wird, wird in einen Strahlengang 501 des Mikroskops 500 eingekoppelt. Ein zu beobachtendes Objekt 502 wird von dem Beleuchtungslicht beleuchtet. Das Mikroskop 500 weist weiterhin ein Objektiv 503 sowie ein Okular 504 zur Beobachtung der Objekts auf. Es versteht sich, dass das Mikroskop 500 noch weitere zweckmäßige Elemente aufweisen kann.
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Das in 5 dargestellte Mikroskop 500 ist beispielsweise als ein Durchlichtmikroskop ausgebildet, bei welchem die Probe von unten mit dem Beleuchtungslicht beleuchtet wird. Das Mikroskop kann aber ebenso beispielsweise als Auflichtmikroskop ausgebildet sein, bei welchem eine Probe von oben beleuchtet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Beleuchtungseinrichtung
- 100'
- Beleuchtungseinrichtung
- 100''
- Beleuchtungseinrichtung
- 110
- Lichtquellen, Leuchtdioden
- 111
- Lichtquellen-Gruppe, Leuchtdioden
- 111a
- Lichtquellen-Gruppe, Leuchtdioden
- 111b
- Lichtquellen-Gruppe, Leuchtdioden
- 111c
- Lichtquellen-Gruppe, Leuchtdioden
- 112
- Lichtquellen-Gruppe, Leuchtdioden
- 113
- Lichtquellen-Gruppe Leuchtdioden
- 121
- aktive Kühlvorrichtung
- 121a
- aktive Kühlvorrichtung
- 121b
- aktive Kühlvorrichtung
- 121c
- aktive Kühlvorrichtung
- 122
- aktive Kühlvorrichtung
- 130
- Steuereinheit
- 130''
- Steuereinheit
- 140
- Lichtkonversionselement
- 140'
- Lichtkonversionselement
- 140''
- Lichtkonversionselement
- 140a
- Abschnitt des Lichtkonversionselements
- 140b
- Abschnitt des Lichtkonversionselements
- 140c
- Abschnitt des Lichtkonversionselements
- 141
- Ende des Lichtkonversionselement
- 141''
- Ende des Lichtkonversionselement
- 142
- Ende des Lichtkonversionselement, Lichtaustrittsfläche
- 142''
- Ende des Lichtkonversionselement, Lichtaustrittsfläche
- 143
- reflektierendes Element, Reflexionsbeschichtung
- 144
- Lichtabgabeelement, Antireflexionsbeschichtung
- 145
- Lichtabgabeelement, parabolischer Konzentrator
- 146
- Lichtabgabeelement, Gradientenindexlinse
- 147
- reflektierendes Element, Reflexionsbeschichtung
- 151
- fluoreszierendes Material
- 152
- fluoreszierendes Material
- 153
- fluoreszierendes Material
- 154
- fluoreszierendes Material
- 155
- fluoreszierendes Material
- 156
- fluoreszierendes Material
- 157
- fluoreszierendes Material
- 161
- Trennelement
- 162
- Trennelement
- 310
- Anregungsbereich
- 320
- Emissionsspektrum
- 330
- Emissionsspektrum
- 340
- Emissionsspektrum
- 500
- Mikroskop
- 501
- Strahlengang
- 502
- Probe
- 503
- Objektiv
- 504
- Okular
