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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop,
bei der im Beleuchtungsstrahlengang eine Lichtquelle, eine Beleuchtungslinse,
eine Aperturblende und ein Kondensorkopf angeordnet sind, wobei
das Beleuchtungslicht durch die Aperturblende über den Kondensorkopf in eine
Objektebene gelenkt wird.
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Derartige
Beleuchtungseinrichtungen finden häufig in der Mikroskopie zur
Durchlicht-Beleuchtung von Objekten Verwendung. Als Lichtquellen
werden beispielsweise Halogenlampen (eventuell mit reflektierendem
Hohlspiegel) oder eine oder mehrere LEDs (Light Emitting Diodes)
eingesetzt. Besonders in der Durchlichtmikroskopie müssen bei
schwachen Objektiven große
Objektfelder mit kleiner Apertur und bei starken Objektiven hoher
Vergrößerung kleine Objektfelder
mit großer
Apertur beleuchtet werden. Bei Verwendung von zwei LEDs in speziellen
optischen Anordnungen kann eine LED für die Beleuchtung bei schwachen
Objektiven und die andere für die
Beleuchtung bei starken Objektiven benutzt werden. Es wird damit
kein überflüssiger Strahlungsfluss erzeugt.
Anforderungen an eine gute Mikroskopbeleuchtung sind eine hohe Leuchtdichte
der Lichtquelle, eine gleichmäßige Beleuchtung
in der Objektebene, wenig kontrastminderndes Streulicht im Strahlengang
und nur eine geringe Erwärmung
des Präparats trotz
großer
Leuchtdichte, damit etwa gefärbte
Präparate
nicht ausbleichen oder lebende Organismen (Zellen) bei der mikroskopischen
Untersuchung nicht vorzeitig absterben.
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Aus
der
DE 198 45 603
A1 ist eine Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1 mit einer Lichtquelle, einer Beleuchtungslinse,
einer regelbaren Aperturblende und einem Kondensorkopf bekannt.
Bei der Verwendung von unterschiedlich stark vergrößernden
Objektiven muss ein großer
Apertur- und Feldbereich (Objektflächenbereich) abgedeckt werden. Über die
Beleuchtungseinrichtung ist bei einem Mikroskop sicherzustellen,
dass sowohl ein Objektiv 100x/0.90 (mit großer Apertur, Aperturwinkel α = 64°, und kleinem
Objektfeld, Durchmesser im Objekt: 0,25 μm), als auch ein Objektiv 4x/0.10
(mit kleiner Apertur, Aperturwinkel α = 6° und großem Objektfeld, Durchmesser
im Objekt: 6,2 μm)
verwendet werden kann. Hierzu schlägt diese Schrift zwei Lichtquellen
(LEDs) vor, von denen eine vor der Beleuchtungslinse, die andere
in der Brennebene des Kondensorkopfes, also beispielsweise in einer
zentralen Bohrung der Beleuchtungslinse angeordnet ist. Während der
Beleuchtungsstrahlengang der ersten Lichtquelle der sogenannten
kritischen Beleuchtung entspricht, bei der die Lichtquelle in die
Objektebene abgebildet wird, entspricht der Strahlengang der zweiten
Lichtquelle der sogenannten Köhlerschen
Beleuchtung, bei der in diesem Fall die Lichtquelle vom Kondensorkopf nach
Unendlich abgebildet wird. Die kritische Beleuchtung wird für ein Objektiv
mit kleinem Feld und großer
Apertur verwendet, während
die Köhlersche Beleuchtung
für ein
Objektiv mit großem
Feld und kleiner Apertur verwendet wird. Durch entsprechende Regelung
der Helligkeit der Lichtquellen läßt sich zwischen den beiden
Beleuchtungsarten hin und her wechseln. Die in der genannten Schrift
eingesetzten LEDs haben den Vorteil, dass nahezu keine Wärmeentwicklung
beim Betrieb entsteht und das Licht gerichtet abgestrahlt wird.
Bei Verwendung von RGB-LEDs
kann außerdem
jede einzelne Farbe in ihrer Intensität separat angesteuert werden.
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Nachteil
der Beleuchtungsanordnung gemäß der genannten
DE 198 45 603 A1 ist,
dass für
große Objektfelder
bei kleiner Apertur nur eine Standard-LED mit kleinem Durchmesser
verwendet werden kann, da die LED in einer Bohrung innerhalb der Beleuchtungslinse
sitzt. Überdies
muss eine geringe Wärmeentwicklung
der LED garantiert sein, um eine Beeinträchtigung der Beleuchtungslinse
zu vermeiden. weiterhin zeigt sich in der Praxis, dass die Verwendung
von zwei LEDs auch bezüglich
einer konstanten Farbtemperatur problematisch sein kann, da die
LEDs sich in ihrem Spektrum unterscheiden können.
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Weiterhin
ist aus der
DE 199
19 096 A1 eine Durchlicht-Beleuchtungseinrichtung für Mikroskope mit
mindestens einer LED bekannt, wobei die LED auswechselbar entweder
in der Nähe
der Ebene der Aperturblende oder vor einer Köhlerschen Beleuchtungsoptik
angeordnet ist. Hierzu ist die LED, also die Lichtquelle entlang
der optischen Achse verschiebbar angeordnet. Im Ergebnis wird hierdurch
ein ähnlicher
Effekt erzielt, wie er aus der genannten
DE 198 45 603 A1 bekannt
ist. Eine in der Beleuchtungseinrichtung verschiebbare Lichtquelle
führt zu
einer schlechten Handhabbarkeit der Beleuchtungseinrichtung und
zu einem hohen Justieraufwand der beteiligten Komponenten.
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Es
ist deshalb erstrebenswert, eine Beleuchtungseinrichtung angeben
zu können,
die bei einem Mikroskop unter Verwendung unterschiedlich starker Objektive
in einfacher Weise Verwendung finden kann, wobei insbesondere ein
hoher Lichtfluss gewährleistet
sein soll.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Beleuchtungseinrichtung gemäß Anspruch
1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen
sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die
erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung
weist eine Lichtquelle, eine Beleuchtungslinse, eine Aperturblende
und einen Kondensorkopf auf, die hintereinander im Beleuchtungsstrahlengang
angeordnet sind, wobei zwischen Lichtquelle und Aperturblende eine
in den Beleuchtungsstrahlengang einbringbare und dort direkt vor
der Lichtquelle anzuordnende Linse vorgesehen ist, die zusammen
mit der Beleuchtungslinse die Lichtquelle in die Aperturblende abbildet.
Durch das Zuschalten der Linse kann demnach eine Köhlersche
Beleuchtungsart realisiert werden. Die Köhlersche Beleuchtungsart eignet
sich für
die Beleuchtung großer
Objektfelder (Objektflächen)
bei kleiner Apertur, also für
schwache Objektive, mit denen größere Objektbereiche
bei geringer Auflösung
untersucht werden.
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Da
die Beleuchtungseinrichtung eine einzige feststehende Lichtquelle
verwendet, sind aufwendige Regelungsmechanismen für Helligkeit
und/oder Farbtemperatur nicht notwendig. Außerdem entfallen Justierprobleme.
Insbesondere kann aber eine Hochleistungs-Lichtquelle, beispielsweise
eine weiße Hochleistungs-LED
eingesetzt werden. Solche Hochleistungs-LEDs gibt es beispielsweise mit Leistungen von
1, 3 oder 5W bei hoher Lichtleistung, die auf einer Metallplatine
angebracht sind und meist einer eigenen Kühlung bedürfen. Mit derartigen Lichtquellen kann
der Strahlungsfluss für
starke und schwache Objektive optimal geregelt werden, um möglichst hohe
Beleuchtungsintensitäten
zu erzielen.
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Ist
die einbringbare Linse nicht zugeschaltet, so bildet der Kondensorkopf
die Lichtquelle nach Unendlich ab. Das Beleuchtungslicht tritt durch
die Aperturblende und wird vom nachgeschalteten Kondensorkopf auf
die Objektebene gelenkt. Das Bild der Lichtquelle wird sozusagen
in die Objektebene projiziert, so dass eine sogenannte kritische
Be leuchtungsart vorliegt. Dies führt
zu einer Beleuchtung eines kleinen Objektfelds mit großen Aperturwinkeln, die
für die
Verwendung starker Objektive geeignet ist.
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Die
Linse ist derart in den Beleuchtungsstrahlengang einbringbar, dass
sie direkt vor der Lichtquelle angeordnet ist. Dies ermöglicht die
Verwendung einer kleinen (Sammel-) Linse, also einer kleinen und
damit schnell bewegbaren Einzellinse, wodurch eine einfache und
schnelle Zuschaltbarkeit erzielt wird.
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Es
ist vorteilhaft, wenn im Beleuchtungsstrahlengang zwischen der Beleuchtungslinse
und dem Kondensorkopf eine Streuscheibe angeordnet ist. Diese Streuscheibe
ist insbesondere bei der Aperturblende, also etwa (von der Lichtquelle
her betrachtet) vor der Aperturblende, angeordnet. Diese zusätzliche
Streuscheibe sorgt für
kleine Öffnungswinkel/Streuwinkel
in der Aperturebene.
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Weiterhin
ist von Vorteil, wenn die freie Öffnung
der Aperturblende regelbar ist, eine Tatsache, die insbesondere
bei der kritischen Beleuchtungsart vorteilhaft ausgenutzt werden
kann, während
bei der Köhlerschen
Beleuchtungsart mit voll geöffneter Aperturblende
gearbeitet werden kann.
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Zum
Einbringen der Linse in den Beleuchtungsstrahlengang kann vorteilhafterweise
eine Schiebe- oder Schwenkeinrichtung vorgesehen sein, wobei dieser
Schiebe- oder Schwenkmechanismus mit Vorteil motorbetrieben ist.
Die Linse wird dann an definierter Stelle in den Beleuchtungsstrahlengang eingeschoben
oder eingeschwenkt, wobei dies automatisch durch Aktivieren eines
entsprechenden Motors (Schrittmotor) geschehen kann. Es ist auch denkbar,
das motorbetriebene Einschwenken der Linse automatisch mit dem jeweils
im Mikroskop verwendeten Objektiv zu koppeln.
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Zur
Beleuchtung einer Objektebene mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung
wird zur Beleuchtung großer
Objektflächen
mit kleiner Apertur die Linse in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht
(Köhlersche
Beleuchtungsart) und zur Beleuchtung kleiner Objektflächen mit
großer
Apertur die Linse aus dem Beleuchtungsstrahlengang entfernt (kritische
Beleuchtungsart).
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Die
Erfindung kann extrem kurze Belichtungszeiten bei mikroskopischen
Untersuchungen unter Verwendung von Kameras realisieren, insbesondere
da bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung
anstelle normaler LED- oder Halogen-Lampen Hochleistungs-LEDs hoher Lichtleistung
eingesetzt werden können.
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Im
Folgenden soll ein Ausführungsbeispiel die
Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern.
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Es
zeigt die einzige 1 eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung,
die kleine Objektfelder mit großen
Aperturwinkeln beleuchtet (1a) und
die große
Objektfelder mit kleinen Aperturwinkeln beleuchtet (1b).
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Die 1a und 1b zeigen
eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung 1 mit
den folgenden Komponenten: eine Lichtquelle 8, eine Beleuchtungslinse 6,
eine Aperturblende 4 sowie ein Kondensorkopf 11.
Der Kondensorkopf 11 besteht hier aus den beiden hintereinander
geschalteten Linsen 2 und 3. Er stellt einen Standard-Kondensor
(Abbe-Kondensor) dar. Eine zusätzliche
Streuscheibe 5 sorgt für
kleine Öffnungswinkel/Streuwinkel
in der Aperturebene. Als Lichtquelle 8 wird in diesem Ausführungsbeispiel
eine besonders bevorzugte Hochleistungs-LED (Leistungen üblicherweise
1W, 3W oder 5W) hoher Lichtleistung eingesetzt. Derartige Hochleistungs-LEDs
sind in der Regel auf Aluminiumplatinen angebracht, um eine Wärmeableitung
zu ermöglichen.
Häufig
ist zusätzlich
eine extra Kühlung erforderlich.
Solche Hochleistungs-LEDs haben den Vorteil, dass der Strahlungsfluss
für schwache
und für
starke Objektive optimal geregelt werden kann, um möglichst
hohe Beleuchtungsintensitäten
zu erreichen. Hierzu wird die Stromzufuhr der Hochleistungs-LED
geregelt.
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Weiterhin
dargestellt ist in den 1a und 1b die
Objektebene 12, auf der ein in Durchlicht-Beleuchtung zu
untersuchendes Objekt (beispielsweise Zellen) aufzubringen ist.
Die optischen Komponenten und der Strahlengang eines sich anschließenden Mikroskops
sind vorliegend nicht dargestellt, da sie allgemein bekannt sind.
Auf der Objektebene 12 ist durch Punkte das maximale Objektfeld
(Objektfläche)
angedeutet.
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Bei
der Verwendung starker Objektive (z.B. 100x/0.9), also wenn eine
hohe Vergrößerung des Objektes
erwünscht
ist, ist die Beleuchtung eines kleinen Objektfeldes (z.B. 0,25 μm) mit großer Apertur
(z.B. α =
64°) mittels
der Beleuchtungseinrichtung 1 erforderlich. Hierzu ist
der in 1a gezeigte Aufbau der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 1 geeignet.
Das Licht der Hochleistungs-LED wird über die Beleuchtungslinse 6 nach
Unendlich abgebildet. Es wird somit die gesamte Aperturblende 4 ausgeleuchtet.
Der Kondensorkopf 11 bildet dann die Lichtquelle 8 mit
großen
Aperturwinkeln α auf
ein kleines Objektfeld ab (vgl. Beleuchtungsstrahl 9 in 1a).
Die somit realisierte Beleuchtung entspricht in ihrer Art der kritischen
Beleuchtung.
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Durch
die erfindungsgemäß in den
Beleuchtungsstrahlengang 9 einbringbare Linse 7 realisiert die
erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung 1 eine
andere Art der Beleuchtung, wie aus dem Strahlengang 10 in 1b deutlich
wird. Durch den Doppelpfeil in 1b wird
ein Schiebemechanismus 13 angedeutet, durch den die Linse 7 in
der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 1 zugeschaltet werden
kann. Auf die Vorteile der motorischen Zuschaltung ist bereits an
anderer Stelle eingegangen worden. Durch die Zuschaltung der Linse 7,
die zusammen mit der Beleuchtungslinse 6 die Lichtquelle oder
Hochleistungs-LED 8 in die Aperturblende 4 abbildet,
wird der dargestellte Beleuchtungsstrahlengang 10 realisiert,
der ein großes
Objektfeld mit kleinen Aperturwinkeln α beleuchtet (vgl. Beleuchtungsstrahlengang 10 in
der Objektebene 12 in 1b). Diese
Beleuchtungsart eignet sich für
schwache Objektive (beispielsweise 4x/0.1.), mit denen größere Objektflächen (z.B.
6,2 μm)
mit geringerer Auflösung (z.B. α = 6°) und Vergrößerung betrachtet
und untersucht werden, beispielsweise um dann anschließend in
ausgewählte
kleinere Objektbereiche vorzudringen.
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Die
Linse 7 besitzt eine kurze Brennweite und wird unmittelbar
oberhalb der Lichtquelle 8 in den Strahlengang gebracht.
Die Lichtquelle 8 wird somit auf den Mittenbereich der
Aperturebene des Kondensorkopf 11 abgebildet, so dass die
Apertur der schwachen Objektive gefüllt ist. Diese Beleuchtung entspricht
der Art der Köhlerschen
Beleuchtung.
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Die Öffnungswinkel
in diesem Mittenbereich sind so groß, dass über den Kondensorkopf 11 eine große Objektfläche beleuchtet
wird. Gleichzeitig sind die Aperturwinkel, wie aus 1b ersichtlich,
klein. Eine Blendenregelung ist in diesem Fall selten sinnvoll,
so dass die Aperturblende offen bleiben kann.
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Erfindungsgemäß läßt sich
durch Zuschalten und Entfernen der Linse 7 zwischen den
genannten Beleuchtungsarten (Köhlerische
Beleuchtung bzw. kritische Beleuchtung) hin und her wechseln. Da
die Linse 7 mit kurzer Brennweite dicht vor der Lichtquelle 8 anzubringen
ist, ist die Verwendung kleiner Linsen möglich, die einfach und schnell
in den Strahlengang einbringbar bzw. aus dem Strahlengang entfernbar
sind. Wie bereits erwähnt,
kann das Zuschalten der Linse 7 insbesondere abhängig vom
verwendeten Objektiv auch automatisiert werden.
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Die
vorliegende erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung
eignet sich insbesondere zur Realisierung extrem kurzer Belichtungszeiten
bei ausreichend hoher Beleuchtungsintensität für mikroskopische Untersuchungen
mit einer Kamera. Dies ermöglicht
eine Untersuchung von Vorgängen
insbesondere bei lebenden Objekten (Zellen).
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- 1
- Beleuchtungseinrichtung
- 2
- Linse
des Kondensorkopfs 11
- 3
- Linse
des Kondensorkopfs 11
- 4
- Aperturblende
- 5
- Streuscheibe
- 6
- Beleuchtungslinse
- 7
- Linse
- 8
- Lichtquelle
- 9
- Beleuchtungsstrahlengang
- 10
- Beleuchtungsstrahlengang
- 11
- Kondensorkopf
- 12
- Objektebene
- 13
- Schiebemechanismus