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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filterrad, welches mehrere in Filterpaaren zusammengeschlossene Filter aufweist. Das Filterrad wird beispielsweise in optischen Systemen eingesetzt und trägt optische Filter.
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Stand der Technik
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In optischen Systemen werden im Betrieb einzelne Komponenten wie optische Filter automatisch getauscht. Hierfür werden mechanische Wechseleinheiten verwendet, welche die Filter vor einer Apertur auswechseln. Ein Beispiel hierfür sind Filterräder, bei denen die Filter auf einer drehbaren Scheibe angeordnet sind und vor die Apertur gedreht werden. In vielen optischen Systemen sind zwei Aperturen zweier unterschiedlicher Strahlengänge vorgesehen. Die beiden Filter werden abhängig voneinander gewählt und bilden ein Filterpaar. Eine triviale Lösung sieht vor, zwei Filterräder zu verwenden, wobei je ein Filterrad eine Apertur bedeckt und auf jedem Filterrad nur die Filter für die entsprechende Apertur angeordnet sind. Die beiden Filterräder können dann mit einem gemeinsamen Antrieb versehen sein.
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In der
US 6,313,960 B2 ist vorgesehen, alle Filter auf einem gemeinsamen Filterrad anzuordnen. Die Filter sind entlang eines Kreises um das Drehzentrum des Filterrads in gleichem Abstand zu diesem angeordnet. Die beiden Filter eines Filterpaars sind einander gegenüberliegend auf einer Linie mit dem Drehzentrum angeordnet. In einem Gehäuse sind die zwei Aperturen so angeordnet, dass diese jeweils um den Radius des Kreises der Filter vom Drehzentrum beabstandet sind und ebenfalls auf einer Linie mit dem Drehzentrum angeordnet sind. Ein Filterpaar besetzt somit gleichzeitig beide Aperturen. Da die Filter auf einem Kreis angeordnet sind, weist ein solches Filterrad allerdings einen verhältnismäßig großen Durchmesser auf, sodass auch der Abstand der Aperturen relativ groß ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Filterrad vorgeschlagen, das mehrere Filter aufweist. Jeweils zwei Filter werden für eine jeweilige Anwendung zueinander passend gewählt und bilden ein Filterpaar. Die Filter des Filterpaars können insbesondere identische Filter sein. Alternativ können die beiden Filter auch unterschiedliche Frequenzbereiche sperren. Das Filterrad ist bevorzugt eine Scheibe, insbesondere eine Kreisscheibe, und die Filter sind auf der Stirnseite angeordnet. Insbesondere weisen die Filter eine quadratische Form auf. Eine solche quadratische Form ist einfacher herzustellen als beispielsweise eine runde Form. Das Filterrad kann um ein Drehzentrum, welches sich bevorzugt im Mittelpunkt des Filterrads befindet, gedreht werden. Dadurch werden die Filter bewegt und können mit einer entsprechenden Apertur ausgerichtet werden. Alle Filter, die einer Seite der Filterpaare angehören, sind im gleichen Abstand zum Drehzentrum angeordnet. Dies gilt jeweils für beide Seiten der Filterpaare. Unter einer Seite der Filterpaare soll hierbei verstanden werden, dass diese Filter dem gleichen Strahlengang und somit der gleichen Apertur zugeordnet sind und kein gemeinsames Filterpaar untereinander bilden. Für jede Seite wird die entsprechende Apertur im selben Abstand wie die Filter zum Drehzentrum angeordnet, sodass die Filter dieser Seite mit der zugehörigen Apertur ausgerichtet werden können. Vorzugsweise sind die Filter zu ihren Nachbarn der gleichen Seite gleich weit beabstandet. Dadurch kann das Filterrad beim Wechseln der Filter um den gleichen Winkel gedreht werden.
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Die beiden Filter eines Filterpaars weisen indes unterschiedliche Abstände, d.h. nicht den gleichen Abstand zum Drehzentrum auf. Somit liegen die Filter des Filterpaars nicht auf einem Kreis mit gleichem Radius um das Drehzentrum, sondern können auf dem Filterrad verteilt werden. Alternativ oder zusätzlich liegen die beiden Filter eines Filterpaars und das Drehzentrum nicht auf einer gemeinsamen Geraden. Somit sind die Filter des Filterpaars in Relation zum Drehzentrum versetzt angeordnet. Im Ergebnis wird auf beide Weisen die Fläche des Filterrads für die Anordnung der Filter besser ausgenutzt. Demnach kann der Durchmesser des Filterrads kleiner gewählt werden, was besonders hinsichtlich des geringen Bauraums, aber auch der geringeren Materialkosten von Vorteil ist. Eine Kombination der beiden Weisen verbessert die Ausnutzung der Fläche zusätzlich. Die Aperturen werden so angeordnet, dass sie bei zumindest einer Stellung des Filterrads mit einem Filterpaar ausgerichtet sind. Da, wie oben beschrieben, die Filter einer Seite der Filterpaare für jede der beiden Seiten im gleichen Abstand zum Drehzentrum angeordnet sind, werden die jeweiligen Filter durch Drehen des Filterrads mit den Aperturen ausgerichtet.
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Eine bevorzugte Anordnung der Filter auf dem Filterrad stellen zwei konzentrische Kreise mit unterschiedlichen Radien um das Drehzentrum dar. Die Filter einer Seite der Filterpaare sind entlang eines Kreises angeordnet und die Filter der anderen Seite sind entlang des anderen Kreises angeordnet. Da die beiden Kreise unterschiedliche Radien aufweisen, weisen die Filter eines Filterpaars unterschiedliche Abstände zum Drehzentrum auf. Zusätzlich können die Filter so auf den Kreisen angeordnet sein, dass die Filter eines Filterpaars mit dem Drehzentrum keine gemeinsame Linie bilden.
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Beispielsweise können acht Filter, die vier Filterpaare bilden, vorgesehen sein. Eine besonders bevorzugte Anordnung von vier Filterpaaren auf dem Filterrad stellt ein Quadrat dar, dessen Mittelpunkt im Drehzentrum des Filterrads liegt. Die Filter sind entlang der Seiten, einschließlich der Ecken, des Quadrats angeordnet und vorzugsweise äquidistant auf den Seiten verteilt. Insbesondere sind die Filter einer Seite der Filterpaare an den Ecken des Quadrats angeordnet. Somit verläuft einer der vorstehend beschriebenen Kreise durch die Ecken des Quadrats. Die Filter der anderen Seite der Filterpaare sind dann an jeweils einem Punkt auf der Seite des Quadrats, beispielsweise dem Mittelpunkt der jeweiligen Seite, angeordnet. Somit verläuft der andere Kreis durch diese Punkte. Das Quadrat bietet aufgrund seiner Symmetrie eine einfache Möglichkeit, die Filter eines Filterpaars in unterschiedlichen Abständen zum Drehzentrum anzuordnen und gleichzeitig die Filter einer Seite der Filterpaare im gleichen Abstand zum Drehzentrum anzuordnen. Vor allem bei quadratischen Filtern kann durch diese Anordnung gegenüber einer Anordnung entlang nur eines Kreises Fläche auf dem Filterrad eingespart werden. Die acht Filter können vorteilhaft entlang der Seiten des Quadrats angeordnet werden, indem jeweils einer der Filter des Filterpaars in einer Ecke des Quadrats angeordnet ist und der zugehörige andere Filter auf einer Seite des Quadrats, besonders bevorzugt im Mittelpunkt der Seite, angeordnet ist. Demnach sind alle Filter einer Seite der Filterpaare in den Ecken des Quadrats angeordnet und alle Filter der anderen Seite der Filterpaare auf den Seiten des Quadrats, besonders bevorzugt im Mittelpunkt der Seiten, angeordnet. Der Abstand vom Drehzentrum zu einer Ecke des Quadrats ist der Größte und aufgrund der Symmetrie für jede Ecke gleich.
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Der Abstand zu einer Seite des Quadrats und insbesondere zum Mittelpunkt der Seite ist geringer und kann aufgrund der Symmetrie ebenfalls für alle Seiten gleich gewählt werden. Zudem liegen ausgehend von einer Ecke nur die gegenüberliegende Ecke des Quadrats und keine anderen Punkte auf den Seiten des Quadrats auf einer gemeinsamen Linie mit dem Drehzentrum.
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Beispielsweise können zehn Filter, die fünf Filterpaare bilden, vorgesehen sein, wobei fünf Filter einer Seite der Filterpaare entlang eines inneren Kreises auf einem Fünfeck angeordnet sind und weitere fünf Filter der anderen Seite der Filterpaare entlang eines äußeren Kreises auf einem Fünfeck angeordnet sind. Somit bilden die fünf Filter auf dem inneren Kreis ein Fünfeck und die fünf Filter auf dem äußeren Kreis bilden ein weiteres Fünfeck, welches das erstgenannte Fünfeck umgibt.
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Verallgemeinert gilt, dass bei n (n ∈ ℕ) Filterpaaren die Filter vorzugsweise auf n-Ecken angeordnet sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 a bis d zeigen jeweils eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filterrads mit acht Filtern in verschiedenen Drehpositionen.
- 2 a, b zeigen verschiedene Ausschnitte einer schematischen Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filterrads mit zehn Filtern.
- 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filterrads mit zehn Filtern.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Nachfolgend sind erfindungsgemäße Filterräder 1 beschrieben, die in optischen System zum Einsatz kommen. Von dem optischen System sind nur zwei Aperturen 3 und 4 dargestellt, welche unterschiedlichen Strahlengängen zugeordnet sind. Beispielsweise kann die erste Apertur 3 einem Strahlengang von der Lichtquelle zur Probe zugeordnet sein und die zweite Apertur 4 kann einem Strahlengang von der Probe zum Detektor zugeordnet sein oder umgekehrt. Auf dem Filterrad 1 sind mehrere optische Filter 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b und gegebenenfalls 9a, 9b angeordnet. Die mit „a“ gekennzeichneten Filter 5a, 6a, 7a, 8a, 9a bilden zusammen mit den entsprechenden mit „b" gekennzeichneten Filtern 5b, 6b, 7b, 8b, 9b mit gleicher Nummer Filterpaare 5a & 5b, 6a & 6b, 7a & 7b, 8a & 8b, 9a & 9b. Die Filter desselben Filterpaars 5a & 5b, 6a & 6b, 7a & 7b, 8a & 8b, 9a & 9b können für manche Anwendungen identisch ausgebildet sein. Alternativ sind die Filter desselben Filterpaars 5a & 5b, 6a & 6b, 7a & 7b, 8a & 8b, 9a & 9b für andere Anwendungen komplementär ausgebildet. Beispielsweise können bei der Fluoreszenzspektroskopie die einen Filter 5a, 6a, 7a, 8a, 9a als Bandpassfilter ausgebildet sein, die nur das Anregungslicht passieren lassen und die anderen Filter 5b, 6b, 7b, 8b, 9b können als Hochpass- oder Tiefpassfilter ausgebildet sein, die das Anregungslicht sperren und nur das Fluoreszenzlicht passieren lassen. Das Filterrad 1 ist eine Kreisscheibe und um ein Drehzentrum 2 in dessen Mittelpunkt drehbar. Wie nachfolgend im Detail erläutert, werden die Filter 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b, 9a, 9b mit den Aperturen 3, 4 ausgerichtet und decken diese ab. Dabei deckt nur ein Filterpaar 5a & 5b, 6a & 6b, 7a & 7b, 8a & 8b, 9a & 9b gleichzeitig die beiden Aperturen 3, 4 ab. Die mit „a“ gekennzeichneten Filter 5a, 6a, 7a, 8a, 9a, welche einer Seite der Filterpaare angehören, decken die erste Apertur 3 ab und werden fortan als „erste Filter“ bezeichnet. Entsprechend decken die mit „b“ gekennzeichneten Filter 5b, 6b, 7b, 8b, 9b, welche der anderen Seite der Filterpaare angehören, die zweite Apertur 4 ab und werden fortan als „zweite Filter“ bezeichnet.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filterrads 1 gezeigt, bei der vier Filterpaare 5a & 5b, 6a & 6b, 7a & 7b, 8a & 8b auf dem Filterrad 1 angeordnet sind. Die Filterpaare 5a & 5b, 6a & 6b, 7a & 7b, 8a & 8b sind entlang eines Quadrats Q, dessen Mittelpunkt im Drehzentrum 2 des Filterrads 1 liegt, angeordnet. Die ersten Filter 5a, 6a, 7a, 8a sind in den Ecken des Quadrats Q angeordnet. Durch die Ecken des Quadrats Q verläuft ein erster konzentrischer Kreis K1 mit dem Drehzentrum 2 des Filterrads 1 als Mittelpunkt, sodass die ersten 5a, 6a, 7a, 8a auf dem ersten Kreis K1 angeordnet sind. Die zweiten Filter 5b, 6b, 7b, 8b des zugehörigen Filterpaars 5a & 5b, 6a & 6b, 7a & 7b, 8a & 8b sind in den Mittelpunkten der gegenüberliegenden Seiten des Quadrats Q angeordnet. Es wird ausgehend von der Ecke stets dieselbe gegenüberliegende Seite, z. B. die linke gegenüberliegende Seite gewählt. Durch diese Mittelpunkte verläuft ein zweiter konzentrischer Kreis K2, sodass die zweiten 5b, 6b, 7b, 8b auf dem zweiten Kreis K2 angeordnet sind. Der Radius des zweiten Kreises K2 ist kleiner als der Radius des ersten Kreises K1, dementsprechend ist der Abstand vom Drehzentrum 2 zu den ersten Filtern 5a, 6a, 7a, 8a größer ist als der Abstand vom Drehzentrum zu den zweiten Filtern 5b, 6b, 7b, 8b. Die erste Apertur 3 ist so angeordnet, dass sie auf eine Ecke (in 1 a z. B. die rechte Ecke) des Quadrats Q fällt, und die zweite Apertur 4 ist so angeordnet, dass sie auf den Mittelpunkt der gegenüberliegenden Seite des Quadrats Q fällt. Da das Drehzentrum 2 des Filterrads 1 und der Mittelpunkt des Quadrats Q zusammenfallen, werden bei der Drehung des Filterrads 1 aufgrund der Symmetrie des Quadrats Q die ersten Filter 5a, 6a, 7a, 8a in den Ecken des Quadrats Q die erste Apertur 3 durchlaufen und entsprechend die zugehörigen zweiten Filter 5b, 6b, 7b, 8b desselben Filterpaars 5a & 5b, 6a & 6b, 7a & 7b, 8a & 8b auf den Seiten des Quadrats Q gleichzeitig die zweite Apertur 4 durchlaufen, wie es in den 1 a bis d dargestellt ist. Die 1 a zeigt eine erste Stellung des Filterrads 1, in der das Filterpaar 5a & 5b ausgewählt ist. Der erste Filter 5a bedeckt die erste Apertur 3 und der Filter 5b bedeckt die zweite Apertur 4. Nach einer Drehung des Filterrads 1 wird das Filterpaar 6a & 6b ausgewählt, was in 1 b dargestellt ist. Nun bedeckt der erste Filter 6a die erste Apertur 3 und der Filter 6b bedeckt die zweite Apertur 4. Nach weiteren Drehungen werden in gleicher Weise wie in 1 c dargestellt das Filterpaar 7a & 7b ausgewählt und wie in 1 d dargestellt das Filterpaar 8a & 8b ausgewählt. Die Filter 5a, 6a, 7a, 8a und 5b, 6b, 7b, 8b sind jeweils im gleichen Abstand zueinander angeordnet, sodass die Drehung für den Wechsel des Filterpaars 5a & 5b, 6a & 6b, 7a & 7b, 8a & 8b jeweils um den gleichen Winkel stattfindet. Es ist ersichtlich, dass für eine solche Anordnung entlang eines Quadrats Q die Aperturen 3, 4 liegen näher zusammen liegen als es bei einem Kreis der Fall wäre. Die Ecken des Quadrats Q und die Mittelpunkte der Seiten des Quadrats weisen unterschiedliche Abstände zum Drehzentrum 2 auf und liegen zudem nicht auf einer gemeinsamen Geraden mit dem Drehzentrum 2.
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In den 2 und 3 sind eine zweite bzw. eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filterrads 1 gezeigt, bei denen fünf Filterpaare 5a & 5b, 6a & 6b, 7a & 7b, 8a & 8b, 9a & 9b auf dem Filterrad 1 angeordnet sind. Die Filterpaare 5a & 5b, 6a & 6b, 7a & 7b, 8a & 8b, 9a & 9b sind entlang zweier konzentrischer Kreise K1 und K2, deren Mittelpunkte im Drehzentrum 2 des Filterrads 1 liegen, angeordnet. 2 a zeigt einen ersten Konstruktionsschritt, in dem die ersten Filter 5a, 6a, 7a, 8a, 9a einer Seite der Filterpaare 5a & 5b, 6a & 6b, 7a & 7b, 8a & 8b, 9a & 9b entlang eines inneren ersten Kreises K1 äquidistant und möglichst eng aneinander um das Drehzentrum 2 angeordnet sind und ein Fünfeck bilden. Anschließend werden, wie in 2 b gezeigt, die zweiten Filter 5b, 6b, 7b, 8b, 9b der anderen Seite der Filterpaare 5a & 5b, 6a & 6b, 7a & 7b, 8a & 8b, 9a & 9b entlang eines äußeren zweiten Kreises K2, der einen größeren Radius als der erste Kreis K1 aufweist, äquidistant und möglichst eng um den ersten Kreis K1 angeordnet und diese bilden ein weiteres Fünfeck. Die erste Apertur 3 ist auf dem inneren ersten Kreis K1 angeordnet und die zweite Apertur 4 ist auf dem äußeren zweiten Kreis K2 angeordnet. Bei der zweiten Ausführungsform in 2 b werden die Filterpaare 5a & 5b, 6a & 6b, 7a & 7b, 8a & 8b, 9a & 9b so angeordnet, dass der erste Filter 5a, 6a, 7a, 8a, 9a und der zweite Filter 5b, 6b, 7b, 8b, 9b desselben Filterpaars 5a & 5b, 6a & 6b, 7a & 7b, 8a & 8b, 9a & 9b übernächste Nachbarn sind. Die Aperturen 3 und 4 sind entsprechend angeordnet. Bei der dritten Ausführungsform in 3 sind der erste Filter 5a, 6a, 7a, 8a, 9a und der zweite Filter 5b, 6b, 7b, 8b, 9b desselben Filterpaars 5a & 5b, 6a & 6b, 7a & 7b, 8a & 8b, 9a & 9b einander gegenüberliegend auf einer gemeinsamen Geraden mit dem Drehzentrum 2 angeordnet. Die Aperturen 3 und 4 sind ebenfalls gegenüberliegend angeordnet. Da das Drehzentrum 2 des Filterrads 1 und die Mittelpunkte der Kreise K1, K2 zusammenfallen, werden bei der Drehung des Filterrads 1 aufgrund der symmetrischen Anordnung der Filter 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b, 9a, 9b auf den Kreisen K1, K2 die ersten Filter 5a, 6a, 7a, 8a, 9a entlang des ersten Kreises K1 die erste Apertur 3 durchlaufen und entsprechend die zugehörigen zweiten Filter 5b, 6b, 7b, 8b, 9b desselben Filterpaars 5a & 5b, 6a & 6b, 7a & 7b, 8a & 8b, 9a & 9b entlang des zweiten Kreises K2 gleichzeitig die zweite Apertur 4 durchlaufen. Die Filter 5a, 6a, 7a, 8a, 9a und 5b, 6b, 7b, 8b, 9b sind jeweils im gleichen Abstand zueinander angeordnet, sodass die Drehung für den Wechsel des Filterpaars 5a & 5b, 6a & 6b, 7a & 7b, 8a & 8b, 9a & 9b jeweils um den gleichen Winkel stattfindet. Es ist ersichtlich, dass für eine solche Anordnung entlang zweier Kreise K1, K2 die Aperturen näher zusammen liegen als für einen einzelnen Kreis der Fall wäre. Die ersten Filter 5a, 6a, 7a, 8a, 9a sind im Vergleich zu nur einem Kreis nach innen versetzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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