DE19845603C2

DE19845603C2 - Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop

Info

Publication number: DE19845603C2
Application number: DE19845603A
Authority: DE
Inventors: Albrecht Weis; Michael Ganser; Ernst Ruehl; Manfred Gilbert
Original assignee: Leica Microsystems Wetzlar GmbH; Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 1998-10-05
Filing date: 1998-10-05
Publication date: 2000-08-17
Anticipated expiration: 2018-10-06
Also published as: CN1287625A; DE19845603A1; JP2002526809A; CN1145054C; US6369939B1; WO2000020911A1; EP1036347A1; JP4040841B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop beinhaltet im Beleuchtungsstrahlengang eine Lichtquelle, eine Kollektorlinse, eine regelbare Aperturblende und eine Kondensorlinse. Bei der Verwendung von unterschiedlich stark vergrößernden Objektiven muß bei einer Köhler'schen Beleuchtungseinrichtung ein großer Apertur- und Feldbereich abgedeckt werden. Über die Beleuchtungseinrichtung ist bei einem Mikroskop sicherzustellen, daß sowohl ein Objektiv 100x/0.90, mit großer Apertur und kleinem Objektfeld, als auch ein Objektiv 4x/0.10, mit kleiner Apertur und großem Objektfeld, verwendet werden kann.

Bekannte Beleuchtungseinrichtungen stellen ein Überangebot an Licht bereit, von dem nur ein kleiner Teil genutzt wird. Als Lichtquellen werden für derartige Beleuchtungseinrichtungen leistungsstarke Halogenlampen mit einer großen Lampenwendel verwendet, die einen großen geometrischen Licht-Fluß erzeugen. Der geometrische Licht-Fluß resultiert aus der großen Leucht-Fläche und dem großen Abstrahl-(Öffnungs-) Winkel der Halogenlampe.

Von den verschiedenen Objektiven kann jedoch nur ein Teil des großen geometrischen Licht-Flußes verwendet werden. Entweder wird ein großes Objektfeld (eine große beleuchtete Fläche) mit kleiner Apertur (kleinem Öffnungswinkel) oder ein kleines Objektfeld (eine kleine beleuchtete Fläche) mit großer Apertur (großem Öffnungswinkel) genutzt.

Durch die Verwendung von leistungsstarken Halogenlampen entstehen natürlich auch thermische Probleme im Mikroskopstativ. Das Stativ dehnt sich durch die Aufheizung aus. Neben der unerwünschten Wärmestrahlung kann dies auch dazu führen, daß ein eingestellter Fokus durch die Ausdehnung verloren geht.

Aus der WO 94 07 166 A1 ist eine Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop bekannt, bei der ein optimierter geometrischer Lichtfluß durch die Verwendung von wechselbaren Kondensorköpfen und Kondensorlinsen sichergestellt wird. Durch wechselweises Einbringen der optischen Baugruppen können sowohl kleine Felder mit großen Aperturen, als auch große Felder mit kleinen Aperturen optimiert ausgeleuchtet werden. Diese Beleuchtungseinrichtung hat sich bewährt. Durch die wechselbaren optischen Baugruppen ist bei dieser Beleuchtungseinrichtung jedoch ein hoher Fertigungsaufwand notwendig. Außerdem muß bei einem Wechsel der Objektive auch die Kondensorlinse geschaltet werden.

Aus der DE 196 44 662 A1 ist eine Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop bekannt, bei dem keine optischen Bauelemente bewegt werden. Zur Beleuchtung ist eine Lichtquelle vorgesehen, die ein flächiges LCD durchleuchtet. Auf dem LCD wird mittels einer Steuereinrichtung ein beliebiges Transparent-/Opakmuster erzeugt. Durch eine Größenänderung des Musters kann die Beleuchtung an verschiedene Aperturen angepaßt werden. Mit dieser Einrichtung werden softwaregesteuert verschiedene Beleuchtungsbedingungen eingestellt. Auch hier ist es jedoch notwendig, daß ein großer geometrischer Lichtfluß durch die Lichtquelle bereitgestellt wird, von dem nur ein kleiner Teil genutzt wird.

Aus der DE 31 08 389 A1 ist eine Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop bekannt, bei der als mechanische Blende eine ansteuerbare Flüssigkristallzelle mit definierter Struktur verwendet wird. Für die verschiedenen Beleuchtungsarten, wie Auflicht/Durchlichtbeleuchtung, Schrägbeleuchtung, Dunkelfeldbeleuchtung, Phasenkontrastbeleuchtung und Polarisationsbeleuchtung werden jeweils unterschiedlich ausgebildete Flüssigkristallzellen verwendet.

Durch die fest vorgegebenen Elektrodenstrukturen der jeweiligen Zelle können diese nur für vorgegebene Vergrößerungsverhältnisse im Mikroskop verwendet werden. Bei einem Wechsel der Vergrößerung durch die Verwendung eines anderen Mikroskopobjektivs muß eine andere, daran angepaßte Flüssigkeitszelle in das Mikroskop eingebaut werden. Dies ist natürlich auch immer dann der Fall, wenn auf eine andere mikroskopische Beleuchtungsart gewechselt wird.

Aus der DE 37 34 691 C2 ist eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Mikroskop bekannt, bei dem als Lichtquelle mehrere, zu einer zweidimensionalen Matrix zusammengefaßte LEDs vorgesehen sind. Diese Fächen-LED-Matrix enthält eine Vielzahl von einzelnen, nebeneinander angeordneten LEDs in den Farben Rot, Grün und Blau (RGB). Durch eine entsprechende Steuereinrichtung lassen sich einzelne LEDs ansteuern und somit ein entsprechendes Beleuchtungsmuster erzeugen. Die Anordnung und Ansteuerung von derartig vielen LEDs ist natürlich sehr aufwendig und teuer.

Aus der DE 42 31 406 A1 ist eine Hellfeld-Durchlicht-Beleuchtungseinrichtung für Mikroskope bekannt, bei der im Beleuchtungsstrahlengang eine transparente Scheibe mit einem zentral angeordneten Raster vorgesehen ist. Bei dieser Beleuchtungseinrichtung erfolgt eine gleichmäßige Ausleuchtung der Leuchtfeldblende für große Felder dadurch, daß über das Raster eine nebeneinander angeordnete Mehrfachabbildung der Lampenwendel der Lichtquelle stattfindet.

Die DE 37 08 647 C2 beschreibt eine Köhler'sche Beleuchtungsanordnung für Mikroskope, mit einer Kollektorlinse, einer Aperturblende und einer Kondensorlinse. Bei dieser Beleuchtungseinrichtung wird eine gleichmäßige Ausleuchtung der Objektebene dadurch erreicht, daß zwischen einem der Lichtquelle benachbarten Reflektor und der Kollektorlinse ein lichtstreuendes Element angeordnet ist. Die Kollektorlinse bildet das Bild der Lichtquelle nach unendlich ab.

Bei allen flächig ausgebildeten Lichtquellen wird generell ein hoher geometrischer Lichtfluß durch die Lichtquelle bereitgestellt, von dem nur ein kleiner Teil genutzt wird.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die thermische Belastung des Mikroskops und der Probe zu minimieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die gemeinsame Anordnung der beiden Lichtquellen im Beleuchtungsstrahlengang wird eine Beleuchtung erreicht, die einen optimierten geometrischem Lichtfluß bei festem Kondensor für stark vergrößernde Objektive mit großer Apertur und kleinem Objektfeld und für schwach vergrößernde Objektive mit kleiner Apertur und großem Objektfeld erzielt.

Durch die Anordnung der zweiten Lichtquelle in einer zentralen Bohrung der Kollektorlinse wird eine einfache Halterung für die Lichtquelle bereitgestellt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung können im Beleuchtungsstrahlengang lichtstreuende Bauelemente in Form einer Streuscheibe und/oder einer mattierten Linsenoberfläche vorgesehen sein.

Als Lichtquelle werden vorteilhafter Weise LEDs verwendet. Es können selbstverständlich auch andere Punktlichtquellen, wie kleine Halogenlampen oder Glühlampen eingesetzt werden. Die LEDs haben den Vorteil, daß nahezu keine Wärmeentwicklung bei deren Betrieb entsteht und das Licht gerichtet abgestrahlt wird. Beider Verwendung von Weisslicht-LEDs läßt sich auch deren Helligkeit ohne Farbverschiebung durch eine einfache Stromänderung regeln. Bei der Verwendung von RGB-LEDs, die auch weißes Licht erzeugen und durch Stromänderung dimmbar sind, kann außerdem jede einzelne Farbe in ihrer Intensität separat angesteuert werden.

Die Beleuchtungseinrichtung mit den beiden Lichtquellen ist vorzugsweise in einem separaten Gehäuse angeordnet und als nachrüstbares Bauteil für bestehende Mikroskop-Kondensorköpfe ausgebildet. Selbstverständlich kann die Beleuchtungseinrichtung mit der Kondensorlinse auch fest verbunden sein und so ein gemeinsames Bauteil bilden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine elektrische Ansteuereinrichtung vorgesehen, über die die beiden Lichtquellen separat oder gemeinsam geschaltet werden. Damit wird die Helligkeit und/oder die Farbtemperatur der Lichtquellen entsprechend geregelt. Die Ansteuereinrichtung weist außerdem eine Spannungsversorgung für die Lichtquellen in Form einer Batterie oder eines Akkus und/oder eines Gleichspannungs-Netzteils auf.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die RGB- LEDs sequentiell zur Erzeugung eines TV-RGB-Signals angesteuert werden. Dabei kann als lichtempfindlicher Empfängerbaustein eine S/W-Videokamera bzw. ein entsprechender Chip verwendet werden. Ferner ist vorgesehen, daß zur Erzeugung einer Blitzbeleuchtung die LEDs im Pulsbetrieb angesteuert werden.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine Prinzipdarstellung des Beleuchtungsstrahlengangs

Fig. 2: die Kollektorlinse mit der zentralen Bohrung

Die Fig. 1 zeigt einen Beleuchtungsstrahlengang 1 für ein Mikroskop mit einer ersten Lichtquelle 2, einer vorgeschalteten zweiten Streuscheibe 11 und einer Kollektorlinse 3. Die Kollektorlinse 3 weist eine zentrale Bohrung 7 auf, in der eine zweite Lichtquelle 8 angeordnet ist. Der zweiten Lichtquelle 8 ist im Beleuchtungsstrahlengang 1 eine erste Streuscheibe 10 nachgeordnet. Die genannten Bauteile sind in einem separaten Gehäuse 12 angeordnet, wobei die erste Streuscheibe 10 das Gehäuse 12 staubdicht abschließt.

Im weiteren Verlauf des Beleuchtungsstrahlenganges 1 ist eine regelbare Aperturblende 4, eine Kondensorlinse 5 und die Objektebene 9 vorgesehen. Die Kondensorlinse 5 und die Aperturblende 4 können zusammen in einem weiteren, hier nicht mit dargestellten Gehäuse angeordnet sein.

Die erste Lichtquelle 2 ist im Brennpunkt der Kollektorlinse 3 angeordnet, die ein paralleles Beleuchtungsstrahlenbündel 17 erzeugt. Dieses parallele Beleuchtungsstrahlenbündel 17 wird über die erste Streuscheibe 10 geführt. Durch die Streuscheibe 10 divergieren die Beleuchtungsstrahlen unter kleinen Winkeln. Die Strahlen werden dann über die Kondensorlinse 5 in die Objektebene 9 ablenkt. Diese Beleuchtung entspricht einer kritischen Beleuchtung und wird für ein Objektiv mit kleinem Feld und großer Apertur verwendet.

Die in der Bohrung 7 der Kollektorlinse 3 angeordnete zweite Lichtquelle 8 strahlt direkt über die Streuscheibe 10 unter einem großen Winkel in die Kondensorlinse 5. Von dieser Kondensorlinse 5 wird die Lichtquelle 8 nach unendlich abgebildet und bildet so ein paralleles Beleuchtungsstrahlenbündel 18. Mit der zweiten Lichtquelle 8 wird so eine Köhler'sche Beleuchtung erzeugt. Diese Lichtquelle 8 wird für die Beleuchtung der Objektive mit großem Feld und kleiner Apertur verwendet.

Durch die Anordnung der beiden Lichtquellen 2 und 8 wird nur derjenige geometrische Licht-Fluß erzeugt, der von dem entsprechenden Objektiv verwendet wird. Damit kann auch auf die bisher verwendeten leistungsstarken Halogenlampen verzichtet werden.

Es ist selbstverständlich möglich, die Lichtquelle 8 direkt oberhalb der Kollektorlinse 3 auf der optischen Achse 20 oder auch in einem nicht mit dargestellten Sackloch in der ersten Streuscheibe 10 anzuordnen. Es muß nur sichergestellt sein, daß die Lichtquelle 8 möglichst nahe der Aperturblendenebene bzw. einer dazu konjugierten Ebene angeordnet ist.

Die Anordnung der Lichtquelle 8 in der zentralen Bohrung 7 der Kollektorlinse 3 oder in dem nicht mit dargestellten Sackloch in der ersten Streuscheibe 10 gewährleistet eine sichere Zentrierung und Befestigung der Lichtquelle 8 auf der optischen Achse 20.

Zur Steuerung der beiden Lichtquellen 2 und 8 ist eine Ansteuereinrichtung 13 vorgesehen, die über einen elektrischen Leitungsstrang 15 mit dem Gehäuse 12 und den beiden Lichtquellen 2, 8 verbunden ist. Die Ansteuereinrichtung 13 weist als Spannungsquelle für die Regelung und den Betrieb der Lichtquellen 2, 8 eine Batterie 14 und einen Anschluß 19 für ein Spannungsnetzteil auf. Es versteht sich von selbst, daß diese Batterie auch als Akku ausgeführt sein kann, der immer dann betrieben wird, wenn keine Netz-Spannungsquelle vorhanden ist.

Ferner weist die Ansteuereinrichtung mehrere Bedienknöpfe 16 auf, über die die beiden Lichtquellen 2,8 wahlweise oder gemeinsam geschaltet werden können. Es ist außerdem vorgesehen, die jeweilige Lampenhelligkeit über die Bedienknöpfe 16 zu regeln. Bei der Verwendung von LEDs kann die Helligkeit durch eine einfache Regelung des Stromes eingestellt werden, ohne daß dabei eine Farbtemperaturänderung des Beleuchtungslichtes erfolgt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind als Lichtquellen 2 und 8 RGB- LEDs vorgesehen, bei denen die einzelnen Farben jeweils separat gesteuert werden. Damit läßt sich in einfacher Art und Weise eine bestimmte Farbtemperatur bzw. monochromatisches Licht einstellen. Es kann außerdem vorgesehen sein, daß als erste Lichtquelle 2 eine Halogenlampe geringer Leistung und als zweite Lichtquelle 8 eine LED betrieben wird.

Die Anordnung der Lichtquellen 2, 8 zusammen mit der Kollektorlinse 3 in einem separaten Gehäuse 12 hat den Vorteil, daß diese Beleuchtungseinrichtung als nachrüstbare Baueinheit mit bestehenden Kondensorköpfen verbunden werden kann.

Die Fig. 2 zeigt die Kollektorlinse 3 mit der zentralen Bohrung 7. Die Oberfläche der Kollektorlinse 3 kann durch eine Mattierung oder ein entsprechendes Raster lichtstreuend ausgebildet sein. In diesem Fall wird erreicht, daß die erste Streuscheibe 10 (Fig. 1) im Beleuchtungsstrahlengang entfallen kann.

Es liegt selbstverständlich im Rahmen der Erfindung, wenn die Kollektorlinse als einfache Beleuchtungslinse und/oder die Kondensorlinse als mehrlinsiger Kondenkopf ausgebildet ist.

Bezugszeichenliste

1

- Beleuchtungseinrichtung

2

- erste Lichtquelle

3

- Kollektorlinse

4

- Aperturblende

5

- Kondensorlinse

6

- Beleuchtungsstrahlengang

7

- zentrale Bohrung in

3

8

- zweite Lichtquelle

9

- Objektebene

10

- erste Streuscheibe

11

- zweite Streuscheibe

12

- Gehäuse

13

- Ansteuereinrichtung

14

- Batterie

15

- elektrischer Leitungsstrang

12-13

16

- Bedienknöpfe

17

- Beleuchtungsstrahlen von

2

18

- Beleuchtungsstrahlen von

8

19

- Netzteilanschluß

20

- optische Achse

Claims

1. Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop, bei der das Beleuchtungslicht einer Lichtquelle (2), durch eine Kollektorlinse (3), eine Aperturblende (4) und eine Kondensorlinse (5) hindurch auf die Objektebene (9) einfällt, dadurch gekennzeichnet, daß auf der optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs (6) eine zweite Lichtquelle (8) angeordnet ist, die von der Kondensorlinse (5) in Objektrichtung nach unendlich abgebildet wird.

2. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorlinse (3) eine zentrale Bohrung (7) aufweist und die zweite Lichtquelle (8) in dieser Bohrung (7) angeordnet ist.

3. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Beleuchtungsstrahlengang (6) zwischen der Kollektorlinse (3) und der Kondensorlinse (5) eine Streuscheibe (10) angeordnet ist.

4. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Oberfläche der Kollektorlinse (3) lichtstreuend ausgebildet ist.

5. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Lichtquelle (2) und der Kollektorlinse (3) eine zweite Streuscheibe (11) im Beleuchtungsstrahlengang angeordnet ist.

6. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Lichtquelle (2) und/oder zweite Lichtquelle (8) eine Leuchtdiode verwendet wird.

7. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Lichtquelle (2) eine Halogenlampe oder Glühlampe und als zweite Lichtquelle (8) eine Leuchtdiode verwendet wird.

8. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdiode als Rot/Grün/Blau-Leuchtdiode oder Weisslicht- Leuchtdiode ausgebildet ist.

9. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (2, 8) zusammen mit der Kollektorlinse (3) in einem separaten Gehäuse (12) angeordnet sind und daß dieses Gehäuse (12) als nachrüstbare Baueinheit an die Kondensorlinse (5) des Mikroskops ankoppelbar ausgebildet ist.

10. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ansteuereinrichtung (13) zur Regelung der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur der Lichtquellen (2, 8) vorgesehen ist.

11. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ansteuereinrichtung (13) zum wahlweisen oder gemeinsamen An- oder Ausschalten der beiden Lichtquellen (2, 8) vorgesehen ist.

12. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungsversorgung für die beiden Lichtquellen (2, 8) eine Batterie (14) vorgesehen ist.

13. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Farben der Rot/Grün/Blau-Leuchtdiode über die Ansteuereinrichtung (13) separat ansteuerbar sind.

14. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Farben der Rot/Grün/Blau-Leuchtdiode zur Erzeugung eines Rot/Grün/Blau-Videosignals über die Ansteuereinrichtung (13) sequentiell ansteuerbar sind.

15. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdioden über die Ansteuereinrichtung (13) im Plusbetrieb ansteuerbar sind.