DE10258583A1

DE10258583A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Energieversorgung für eine Beleuchtungsquelle in einem Mikroskop

Info

Publication number: DE10258583A1
Application number: DE10258583A
Authority: DE
Inventors: David J Cash
Original assignee: Leica Microsystems Inc
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2002-01-07
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2003-07-24
Also published as: US6717373B2; CN1432838A; US20030127992A1

Abstract

Eine Vorrichtung zur graduellen Energieversorgung für eine Beleuchtungsquelle in einem Mikroskop umfasst einen Leistungstransistor, der derart betriebsfähig angeordnet ist, um an die Beleuchtungsquelle eine sich verändernde Spannung anzulegen. Ferner ist ein Mittel zum Beaufschlagen des Leistungstransistors mit einem pulsbreitenmodulierten Signal, um positiv ansteigend die an der Beluchtungsquelle anliegende Spannung in einer Vielzahl von Schritten zu erhöhen. Die Erfindung umfasst ebenfalls ein Verfahren zur graduellen Energieversorgung für eine Beleuchtungsquelle in einem Mikroskop, wobei ein Leistungstransistor mit einem pulsbreitenmodulierten Signal vorgespannt wird, um schrittweise mit einer Vielzahl von Schritten die an der Beleuchtungsquelle anliegende Spannung zu erhöhen.

Description

Die gegenwärtige Erfindung umfasst einen Ausdruck eines Computerprogramms (17 Seiten), der dieser Patentanmeldung als Anhang beigefügt ist. Dieser Ausdruck des Computerprogramms ist somit ausdrücklich Bestandteil der Erfindung.
Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Mikroskope und besonders auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieversorgung für eine Beleuchtungsquelle in einem Mikroskop. Ferner bezieht sich die Erfindung auf die graduelle Energieversorgung für eine Beleuchtungsquelle in einem Mikroskop, wobei eine Impulsbreitenmodulation verwendet wird, um die Beanspruchung der Leuchtwendel zu reduzieren und die Lebensdauer der Beleuchtungsquelle zu erhöhen.

Mikroskope benutzen verschiedene Arten von Beleuchtungsquellen, um das notwendige Licht für die Untersuchung einer Probe zur Verfügung zu stellen. Verschiedene Faktoren beeinflussen die Lebensdauer dieser Beleuchtungsquellen, was auch die Dauer der Bestromung der Beleuchtungsquelle umfasst. Ein anderer Faktor, der direkt die Lebensdauer der Beleuchtungsquelle beeinflusst, ist die Beanspruchung einer kalten Leuchtwendel beim so genannten Kaltstart mit voller Spannung. Diese Kaltstarts mit voller Spannung können zu einem Verfall der Struktur der Leuchtwendel führen, was letztendlich zu einem dauerhaften Versagen führt. Obwohl verschiedene Verfahren für einen weichen oder sanften Start von Beleuchtungsquellen entwickelt worden sind, steuern die existierenden Verfahren die Rate der Zuname der Spannung einer Beleuchtungsquelle mit passiven/analogen Komponenten. Obwohl elektronische Schaltungen mit passiven Komponenten den Versagensprozess verlangsamen können, würde ein Verfahren der digitalen Kontrolle der Anschaltzeit für eine Beleuchtungsquelle viele Vorteile über andere Verfahren bieten. Bis jetzt ist ein derartiges digitales Verfahren nicht aus dem Stand der Technik bekannt.

Somit scheint ein lange bestehendes Bedürfnis für ein Verfahren und eine Vorrichtung zu existieren, die graduell, in digitaler Art und Weise, eine Beleuchtungsquelle in einem Mikroskop mit Spannung versorgt.

Die Erfindung umfasst allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung zur graduellen Energieversorgung für eine Beleuchtungsquelle in einem Mikroskop. Die Vorrichtung umfasst einen Leistungstransistor, der derart vorgesehen ist, dass er eine sich verändernde Spannung an die Beleuchtungsquelle legt, und Mittel zum Belegen des Leistungstransistors mit einem pulsbreitenmodulierten Signal, um schrittweise mit einer Vielzahl von Schritten die an der Beleuchtungsquelle anliegende Spannung zu erhöhen.

Es ist eine allgemeine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur graduellen Energieversorgung für eine Beleuchtungsquelle in einem Mikroskop bereitzustellen, wobei ein Leistungstransistor mit einem pulsbreitenmodulierten Signal vorgespannt ist, um schrittweise mit einer Vielzahl von Schritten die an der Beleuchtungsquelle anliegende Spannung zu erhöhen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung für eine Beleuchtungsquelle in einem Mikroskop bereitzustellen, die die Lebensdauer der Leuchtwendel erhöht.

Es ist ferner einer weitere Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung für eine Beleuchtungsquelle in einem Mikroskop bereitzustellen, das die Beanspruchung einer Leuchtwendel einer Beleuchtungsquelle reduziert und ein dauerhaftes Versagen der Beleuchtungsquelle vermeidet.

Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden einem Fachmann beim Lesen und Studieren der nachstehenden detaillierten Beschreibung der Erfindung und unter Berücksichtigung der Zeichnung und der Ansprüche klar.

Das Wesen der Erfindung wird in der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben. Wobei auf die nachstehenden Zeichnungen und Abbildungen Bezug genommen wird. Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockdiagramm der elektrischen Schaltung der Erfindung;
Fig. 2A, 2B und 2C eine detaillierte schematische elektronische Schaltung der Erfindung;
Fig. 3 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der angelegten Spannung und der Zeit für drei verschiedene Schemata der Pulsbreitenmodellierung offenbart; und
Fig. 4 eine Darstellung der an die Lampe angelegten Spannung für ein bestimmtes Schema der Pulsbreitenmodellierung, das ein graduelles Anschalten der Lampe darstellt.
Zu Beginn der Beschreibung sollte bemerkt werden, das gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Zeichnungen gleiche Schaltungs- oder Strukturelemente der Erfindung bezeichnen. Ebenso sollen die nachstehenden Definitionen als Hilfe für das Verständnis der Erfindung und der Interpretation der Ansprüche verstanden werden.
Beleuchtungsquelle: Umfasst jede Art der Beleuchtung, die in Mikroskopen Verwendung findet, wobei auch Glühbirnen (Halogen, Wolfram etc.) gemeint sind, ohne sich jedoch darauf zu beschränken.
Verändern: Der Begriff "Verändern bedeutet, dass sich die angelegte Spannung ändert, insbesondere graduell zunimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt die angelegte Spannung in diskreten Schritten zu, obwohl der Begriff Verändern im breitesten Sinne auf jede Art und Größe der Veränderung der angelegten Spannung hindeutet.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des elektronischen Systems der Erfindung, um damit ein Mikroskop zu steuern. Komponente A ist eine Gerätekopplung nach dem International Electrotechnical Commission (IEC) Typ mit zweipoligen Sicherungshaltern zur Aufnahme eines Netzkabels gemäß dem IEC-60320-1 Typ. Komponente B ist eine universelle Spannungsversorgung. Komponente C ist die Hauptsteuereinheit, die aus einer gedruckten Schaltung besteht, die einen Spannungsregler U1 (LM340T-5.0 oder ähnliche), einen Mikrokontroller U3 (PIC16C54C-04P(18) oder ähnliche), eine Reset-Überwachungseinheit U2 (MCP100-460DI/TO oder ähnliche), eine Vielzahl von Leuchtdioden (DS1-DSN), zwei MOSFETs (Q1 und Q2) (IRLZ44N oder ähnliche) und verschiedene Wiederstände und Kondensatoren, wie in der detaillierten schematischen elektronischen Schaltung aus Fig. 2 dargestellt ist, umfasst.
Ein Eingangsspannungssignal im Bereich von 100-240 VAC (Schwankung +/- 10%; 50/60 Hz), wird an die universelle Spannungsversorgung über die Gerätekopplung (Netzkabel) angelegt. Eine Ausgangsspannung von 12.0 VDC wird vom Ausgang der universellen Spannungsversorgung zum Eingang von U1 und der Verbindung für dem Lampensockel D auf der gedruckten Schaltung der Hauptsteuereinheit übertragen. U1 reduziert das 12.0 VDC Signal auf ein 5.0 VDC Signal, das alle integrierten Schaltungen auf der Hauptsteuereinheit C versorgt.
Nachdem die Hauptsteuereinheit C mit Spannung versorgt ist, hält U2 U3 für eine vorbestimmte Zeitspanne in einem Reset Status, um eine Stabilisierung des Kristalls in U3 zu erreichen. Nach der vorbestimmten Zeitspanne beginnt U3 zu arbeiten. Die erste von U3 ausgeführte Routine ist, eine Initialisierungsroutine, die die internen Register für U3 konfiguriert und U3 veranlasst, externe Elemente in einen vorbestimmten Zustand zu bringen. Nachfolgend, ist das System derart gestaltet, dass es Q1 und Q2 in einen Aus-Zustand versetzt, indem ein logisches Low-Signal (0.0 VDC) an jedes Gate gesendet wird. Somit sind alle Beleuchtungsquellen nach der Initialisierung im Aus-Zustand oder ohne Spannungsversorgung.
Nach der Initialisierungsroutine wir die Hauptroutine ausgeführt. Während der Hauptroutine werden die wichtigsten Ereignisse überwacht. Zuerst wird der Schalter E hinsichtlich von Aktivitäten abgefragt und die Zeit seit dem letzten Betätigen des Schalters E überwacht. Falls keine Aktivität am Schalter E nach einer bestimmten Zeitspanne entdeckt wird, werden alle Beleuchtungsquellen abgeschaltet. Jegliche Aktivität am Schalter E setzt die Register zurück, wobei die Zeit in U3 auf Null gestellt wird.
Jedes Mal wenn der Schalter gedrückt wird, durchläuft U3 die folgenden vier Ereignisse. Erstens, die Beleuchtungsquelle in der Lampenhalterung wird angeschaltet. Zweitens, die LEDs werden angeschaltet während die Beleuchtungsquelle in der Lampenhalterung abgeschalten wird. Drittens, während die LEDs angeschaltet bleiben, wird die Beleuchtungsquelle in der Lampenhalterung angeschaltet. Viertens, alle Beleuchtungsquellen werden angeschaltet. Der Prozess des digitalen, sanften Anschalten der Beleuchtungsquelle wird jedes Mal ausgeführt, wenn die Sequenz im Zyklus ein Anschalten der Beleuchtungsquelle erfordert.
Während der Vorgangs des sanften Anschaltens wird von U3 an das Eingangs- Gate Q2 ein Puls-Zug (Rechteckwelle) gesendet, welcher die Spannung veranlasst, langsam von 0.0 VDC aus zu dem maximalen von der Spannungsversorgung an der Beleuchtungsquelle anliegenden Potential zu gelangen. Die Anzahl der Schritte zum Erreichen der endgültigen Gleichgewichtsspannung ist in einem Software-Programm festgelegt, das an diese Beschreibung als Listing angehängt ist. Dennoch sollte bemerkt werden, dass ein Fachmann auf einfache Art und Weise das Programm abändern kann, um jede Anzahl an Schritten und Spannungsstufen in jedem Schritt zu bewirken. Ein repräsentativer Puls-Zug aus einem Rechtecksignal und der daraus resultierenden und angelegten Spannung, ist in Fig. 4 dargestellt. Die erste angelegte Spannung V1, wird an die Lampe für eine Zeit t₁ angelegt. Die Pulsbreitenmodulation wird dann angepasst, um eine Spannung V2 der Lampe für eine Zeit 2 × t₁ zur Verfügung zu stellen. Dieser Prozess des graduellen Ansteigens der Zeitdauer des Anlegens der zur Verfügung gestellten Spannung wird fortgesetzt, bis die volle angelegte Spannung erreicht ist. Es sollte besonders geschätzt werden, dass das Kontrollschema der Erfindung für die Verwendung in Mikroskopen mit einer oder mehr Beleuchtungsquellen und Typen der Beleuchtung geeignet ist. Zum Beispiel ist das Schema für das sanfte Anschalten von Halogen, Wolfram und anderen Typen von Beleuchtungsquellen alleine oder in Kombination anwendbar und geeignet.
Mit einem 20 Hz Kristall-Oszillator, der U3 treibt, startet der Pulszug mit einer hohen Pulsbreite von 600 nS (angeschaltet) in einer niedrigen Pulsbreite von 65.4 µS (low-time), was in einer konstanten Frequenz von 15.152 kHz resultiert. Nachher kann jemand eine andere konstante Frequenz programmieren und die Anfangsspannung festlegen, die an die Beleuchtungsquelle angelegt wird. Nach einer vorbestimmten Verzögerungszeit, die programmierbar und anpassbar ist, wird die AN-Zeit unter Beibehaltung einer konstanten Frequenz um 600 nS erhöht und jede AUS-Zeit wir um 600 nS verringert. Der Prozess des Erhöhen der AN-Zeit und das Verringern der AUS-Zeit wird fortgesetzt bis die vorbestimmte Anzahl der Schritte erreicht ist, bei denen das Gate von Q2 mit einem Gleichgewichtssignal von 5.0 VDC betrieben wird. Mit einem 5.0 VDC Signal, das an das Gate von Q2 angelegt ist, wird das volle Potential der Spannungsquelle abzüglich des Spannungsabfalls über Q2 an die Beleuchtungsquelle angelegt.
Die gesamte Zeitdauer für eine sanftes Anschalten, um ein volles an der Beleuchtungsquelle anliegendes Potential zu erreichen, wird durch die Zahl der Schritte, die Frequenz der Rechteckwelle, die Verzögerung bei jedem Schritt, bei der der Puls-Zug bei einer konstanten Puls-Breite ist und einigem Überprüfungs- Code, der vom sequentiellen Verzweigen innerhalb der sanften Startroutine resultiert, erzielt. Da die Zahl der Schritte, die Frequenz der Rechteckwelle und die Verzögerung bei jedem Schritt voll programmierbar ist, kann die Zeitdauer für das sanfte Anschalten auf jede Rate als Funktion des den Oszillator U3 treibenden Kristalls gesetzt werden. Die relative an die Lampe angelegte Spannung (V1, V2, V3, . . .[V9N] - [Rds(on).I-lamp]) gegenüber der Zeit für verschiedene programmierte Zeitperioden ist in Fig. 4 dargestellt.
Um es einem Fachmann zu ermöglichen die Erfindung nachzuarbeiten, ist ein detailliertes schematische elektronisches Diagram in den Fig. 2A, 2B und 2C zur Verfügung gestellt, das alle Elemente der Schaltung, deren Wert und Verbindungen darstellt. Diese drei Zeichnungen zusammen umfassen die gesamte Steuerschaltung der gegenwärtigen Erfindung. Die Verbindungen der Hauptleitungen sind durch Jumper A1, A2, . . .B1, B2, . . . etc. gekennzeichnet.
Zum Beispiel endet die Hauptleitungen in Fig. 2A in Jumper A1 und verbindet zu der selben Hauptleitung in Fig. 2b bei Jumper A1, etc.
Es hat sich gezeigt, dass die Aufgaben der Erfindung effektiv erzielt worden sind, dennoch können Änderungen und Modifikationen der Erfindung von geeigneten Fachleuten durchgeführt werden, ohne dabei der Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.

Claims

1. Eine Vorrichtung zur graduellen Energieversorgung für eine Beleuchtungsquelle in einem Mikroskop, umfasst:
eine Spannungsversorgung betriebsfähig angeordnet, um eine erste Spannung bereitzustellen;
einen Leistungstransistor betriebsfähig mit der Spannungsversorgung verbunden und betriebsfähig angeordnet, um an die Beleuchtungsquelle eine sich verändernde Spannung anzulegen; und
Mittel zum Beaufschlagen des Leistungstransistors mit einem pulsbreitenmodulierten Signal, um positiv ansteigend die an der Beleuchtungsquelle anliegende Spannung in einer Vielzahl von Schritten zu erhöhen, bis die angelegte Spannung sich an die erste Spannung annähert.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Beaufschlagen des Leistungstransistors mit einem pulsbreitenmodulierten Signal den Leistungstransistor veranlassen die an der Beleuchtungsquelle anliegende Spannung positiv in einer Vielzahl von diskreten Schritten zu erhöhen, bis die angelegte Spannung der ersten Spannung abzüglich eines Spannungsabfalls über den Leistungstransistor gleicht.

3. Eine Vorrichtung zur graduellen Energieversorgung für eine Beleuchtungsquelle in einem Mikroskop, umfasst:
einen Leistungstransistor betriebsfähig angeordnet, um eine sich ändernde Spannung für die Beleuchtungsquelle bereitzustellen; und
Mittel zum Beaufschlagen des Leistungstransistors mit einem pulsbreitenmodulierten Signal, um positiv ansteigend die an der Beleuchtungsquelle anliegende Spannung in einer Vielzahl von Schritten zu erhöhen.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Beaufschlagen des Leistungstransistors mit einem pulsbreitenmodulierten Signal die an der Beleuchtungsquelle anliegende Spannung in gleichen Schritten und mit konstanter Frequenz erhöht, wobei der Arbeitszyklus bei 0% der an der Beleuchtungsquelle anliegenden Spannung startet und bei 90% der maximal anlegenden Spannung endet.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das pulsbreitenmodulierten Signal von einem Mikroprozessor zur Verfügung gestellt wird.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransistor mit einem digitalen Signal beaufschlagt ist.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Signal eine Rechteckwelle ist.

8. Verfahren zur graduellen Energieversorgung für eine Beleuchtungsquelle in einem Mikroskop, das den Schritt: Beaufschlagen eines Leistungstransistors mit einem pulsbreitenmodulierten Signal, um schrittweise mit einer Vielzahl von Schritten die an der Beleuchtungsquelle anliegende Spannung zu erhöhen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das pulsbreitenmodulierte Signal eine Rechteckwelle ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechteckwelle derart betriebsfähig ausgestaltet ist, dass sie einen schrittweise ansteigenden Arbeitszyklus besitzt.