DE3229944A1

DE3229944A1 - Ringfoermige beleuchtungsvorrichtung fuer mikroskope

Info

Publication number: DE3229944A1
Application number: DE19823229944
Authority: DE
Inventors: Yoshisada Hachiouji Tokyo Hayamizu
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1981-08-13
Filing date: 1982-08-12
Publication date: 1983-03-03
Also published as: JPS5828713A; US4476519A; DE3229944C2

Description

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Cj

Anwaltsakte: P + G 87O OLYMPUS OPTICAL CO., LTD.

Tokyo, Japan

Ringförmige Beleuchtungsvorrichtung für

Mikroskope

Die Erfindung betrifft das Gebiet der ringförmigen Beleuchtungssysteme zur Anwendung bei Phasen-Kontrast-Mikroskopen sowie bei Mikroskopen mit hohem Auflösevermögen (superresolution).

In Figur 1 ist ein bekanntes optisches System eines herkömmlichen Phasen-Kontrast-Mikroskops dargestellt. Dieses optische System besteht aus einem Beleuchtungssystem mit den folgenden Einzelelementen: Eine Lichtquelle 1, eine Kollektorlinse 2, eine Relaislinse 3 zum Umformen des aus der Lichtquelle 1 kommenden Lichtes in parallele Lichtstrahlen, einen Ringschlitz 4 (Ringblende) im Anschluß an die Relaislinse j5 sowie eine

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Condenserlinse 5> deren vorderer Brennpunkt derart angeordnet ist, daß er im wesentlichen mit dem Ringschlitz 4 zusammenfällt, wodurch das durch den Ringschlitz 4 hindurchgetretene und somit ringförmige Licht zu einem konischen Lichtbündel geformt und diagonal auf ein Objekt S projiziert wird, ferner ein Betrachtungssystem, das ein Objektiv 6 umfaßt, schließlich eine Phasenplatte, die in einer zum Ringschlitz 4 in bezug auf das optische System konjugierten Position angeordnet ist, eingeschlossen von Objektiv 6 und Condenserlinse 5> so daß das Bild durch die Condenserlinse 5 und das Objekt 6 des Ringschlitzes hierauf überlappen. Das System umfaßt noch ein Okular, das aber nicht dargestellt ist. Die numerische Blendenöffnung (numerische aperture) NA des durch Objekt S hindurchtretenden Lichtes liegt normalerweise bei der Hälfte der numerischen Apertur des Objektives 6. Die Vergrößerung des Objektives 6 beträgt das 10- bis 100-fache, und die numerische Apertur schwankt zwischen 0,25 bis 1,25. Dabei ist es notwendig, den Durchmesser des Ringschlitzes 4 in Abhängigkeit der numerischen Apertur des Objektives 6 zu variieren. Aus diesem Grunde wird bei dieser Art von Beleuchtungssystemen normalerweise eine Mehrzahl von Ringschlitzen 4 unterschiedlicher Durchmesser angewendet; die Ringschlitze 4 werden konzentrisch auf einem Drehteller angeordnet, so daß ein Ringschlitz des geeigneten Durchmessers ausgewählt und durch Verdrehen des Drehtellers in Abhängigkeit der numerischen Apertur des Objektives 6 in Wirkstellung geschwenkt werden kann. Das Bedienen ist jedoch schwierig; außerdem tritt bei einem solchen Beleuchtungssystem nur ein Teil der aus Lichtquelle 1 austretenden Lichtstrahlen durch den betreffenden Ringschlitz 4. Der Lichtverlust ist somit verhältnismäßig groß und das Sehfeld ist verhältnismäßig dunkel.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ringförmige Beleuchtungsvorrichtung zu schaffen, deren Helligkeit ausreichend ist und bei der der Durchmesser des ringförmigen Lichtes auf einfache Weise verändert werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine solche Gestaltung der Vorrichtung gelöst, daß im wesentlichen zueinander parallele Lichtstrahlen auf die Eingangs-Stirnseite eines hülsenförmigen Lichttransmitters projiziert werden, und zwar aus einer Richtung, die sich mit der Eingangs-Stirnfläche diagonal schneidet, zusammenfallens mit einer Lichtsammellinse und einem konischen Lichtbündel, das aus einer Ausgangs-Stirnfläche des Milsenförmigen Lichttransmitters projiziert wird, um ein Bild eines ringförmigen Lichtes zu bilden. Der Winkel zwischen den parallelen Lichtstrahlen und der Eingangs-Stirnfläche des hülsenförmigen Lichttransmitters läßt sich verändern, um den Durchmesser des Bildes des ringförmigen Lichtes zu variieren.

Der hülsen- oder stabförmige Lichttransmitter kann aus irgendwelchen optischen Pasern, einem Glasstab oder einem Rohr bestehen, dessen Innenfläche zum Zwecke guten Reflektionsvermögens sauber bearbeitet ist. So läßt sich beispielsweise ein auf seiner Mantelfläche silber-beschichteter Glasstab verwenden. Auch kommen flexible optische Pasern in Betracht.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Figur 1 zeigt, wie bereits erwähnt, ein optisches System eines herkömmlichen Phasen-Kontrast-Mikroskops.

Figur 2 ist eine Darstellung eines optischen Systemes einer Ausführungsform einer ringförmigen Beleuchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung.

Figur 3 ist eine Darstellung eines optischen Systemes einer weiteren Ausführungsform einer ringförmigen Beleuchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung.

Zunächst soll die Ausführungsform gemäß Fig. 2 beschrieben werden. Bei dieser Ausführungsform sind die einzelnen Elemente, soweit möglich, mit denselben Bezugszeichen versehen, wie die entsprechenden Elemente bei dem AusfUhrungsbeispiel des Standes der Technik gemäß Fig. 1. Die Vorrichtung weist u.a. optische Fasern 8 auf, eine Laser-Lichtquelle 9* die auf der Seite der Eingangs-Stirnfläche 8a der optischen Fasern 8 angeordnet ist und die Laserstrahlen auf die Eingangs-Stirnfläche 8a zu projizieren vermag. Auf diese Weise schneiden sich im wesentlichen parallele Lichtstrahlen diagonal mit der Eingangs-Stirnfläche 8a. Man erkennt ferner eine LichtSammellinse 10, die derart angeordnet ist, daß ein vorderer Brennpunkt mit einer Ausgangs-Stirnfläche 8b der Fasern 8 zusammenfällt, daß ferner ein rückwärtiger Brennpunkt mit einem vorderen Brennpunkt einer Condenserlinse 5 zusammenfällt und daß sich die optische Achse unter rechten Winkeln der Ausgangsstirnfläche 8b schneidet, um aus den optischen Fasern austretende Lichtstrahlen zu sammeln.

Bezeichnet man bei einer derart aufgebauten, erfindungsgemäßen ringförmigen Beleuchtungsvorrichtung den Winkel,/die optische Achse des aus der Lichtquelle austretenden Strahlenbündels mit der Eingangs-Stirnfläche 8a bildet, mit Ö, so ist das aus der Austritts-Endfläche projizierte Lichtbündel durch die Charakter!- stika der Fasern 8 konisch mit einem Scheitelwinkel von 20. Vernachlässigt man den Einfluß der Diffraction, so ist die Stärke d des konischen Lichtbündels im wesentlichen gleich dem Durchmesser d¹ der Fasern 8. Da ferner der vordere Brennpunkt der Lichtsammellinse 10 mit der Ausgangs-Stirnfläche 8b der Fasern 8 zusammenfällt und da die optische Achse der Lichtsammellinse 10 unter rechten Winkeln die Austritts-Stirnfläche 8b der Lichtsammellinse 10 schneidet, so wird das erwähnte konische Strahlenbündel als Bild eines feinen ringförmigen Lichtes auf einer rückwärtigen Brennebene H der Lichtsamme!linse 10 fokussiert. Ist

der Radius r und beträgt die Brennweite der LichtSammellinse fp, so gilt die Gleichung r = f_p sin Θ; das ringförmige Licht eines Durchmessers von 2r ist dasselbe wie das ringförmige Licht, das durch den Ringschlitz 4 des herkömmlichen Ausführungsbeispiels erzeugt wird.Ferner fällt die Lage des Bildes des ringförmigen Lichtes mit dem vorderen Brennpunkt der Condenserlinse 5 zusammen. Das ringförmige Licht wird daher, genau wie bei der erwähnten, bekannten Geräteform durch die Condenserlinse 5 zu einem konischen Lichtbündel geformt und diagonal auf Objekt S projiziert. In diesem Falle ist die Brennweite der Condenserlinse 5 f„· Die numerische Apertur NA des auf das Objekt S projizierten Lichtes errechnet sich dann aus der Gleichung

NA = ~~ = -£- sin Θ.

c c

Wird die Neigung der Laserlichtquelle 9 derart verändert, daß der Winkel θ der optischen Achse des aus der Lichtquelle austretenden Lichtes mit der die Achse unter rechten Winkeln mit der Eingangs-Stirnfläche 8a der Fasern 8 schneidet, so wird der Durchmesser 2r des ringförmigen Lichtes verändert, wodurch sich die numerische Apertur NA ebenfalls sehr leicht verändern läßt. Wie sich aus dem oben stehenden ergibt, wird bei dieser erfindungsgemäßen Geräteform das meiste aus der Lichtquelle austretende Licht in ringförmiges, illuminierendes Licht umgewandelt, das hell und wirkungsvoll ist.

Bei dem in Fig. 3 veranschaulichten, erfindungsgemäßen Gerät werden flexible optische Fasern 8 verwendet. Die Austritts-Stirnfläche 8b der Fasern 8 liegt dabei fest, während die Neigung des Eintrittsendes der Fasern 8 veränderbar ist, so wie durch die gestrichelten Linien veranschaulicht. Hierdurch läßt sich Winkel θ der optischen Achse des Lichtbündels mit der die Eingangs-Stirnfläche 8a unter rechten Winkeln schneidenden Achse verändern. Es wird ein Lichtbündel erzeugt, das aus feinen, zueinander parallelen Lichtstrahlen besteht, und

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zwar mittels einer Lichtquelle 11, die annähernd eine punktförmige Lichtquelle ist, sowie einer Collectorlinse 12 und einer Relaislinse 15, die jeweils eine konvexe bzw. eine konkave Linse sind. In diesem Falle ist die Lichtquelle 11 vorzugsweise so klein und so hell wie möglich. So läßt sich beispielsweise eine Xenon-Entladeröhre od.dgl. vorsehen.

Bei jedem der beiden erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele sind zwar optische Pasern 8 verwendet. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht nur auf die Anwendung solcher Pasern beschränkt ist. Vielmehr kann der genannte hülsen- oder stabförmige Lichttransmitter auch ein Glasstab sein, der beispielsweise auf seiner Mantelfläche silberbeschichtet ist, oder ein Rohr, dessen innere Fläche tadellose Reflektionseigenschaften aufweist. Der Front-Brennpunkt der Lichtsammellinse 10 braucht nicht stets mit der Ausgangs-Stirnfläche 8b der Pasern 8 zusammenzufallen. Falls er jedoch zusammenfällt, so ist der Durchmesser des von der Lichtsammellinse 10 projizierten Lichtes konstant, was zu bevorzugen ist.

Wie bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen hat das erfindungsgemäße ringförmige Beleuchtungssystem den großen Vorteil, daß der Durchmesser des ringförmigen Lichtes leicht veränderbar ist, daß die Vorrichtung ein helles Licht ergibt und wirkungsvoll arbeitet, und daß sie sich schließlich als Illuminationsvorrichtung für ein Phasen-Kontrast-Mikroskop oder ein Mikroskop hoher Auflösung (superresolutions-Mikroskop) verwenden läßt und in jedem Falle ein Bild eines feinen ringförmigen Lichtes liefert.

Heidenheim, 09.08.82
DrW/Srö

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Claims

Anwaltsakte: P + G 87O OLYMPUS OPTICAL CO., LTD. Tokyo, Japan Patentansprüche

1. Ringförmige Beleuchtungsvorrichtung, gekennzeichnet durch eine derartige Gestaltung, daß im wesentlichen parallele Lichtstrahlen auf die Eingangs-Stirnfläche (8a) eines stab- oder hülsenförmigen Lichttransmitters (8) aus einer Richtung projiziert werden, die sich diagonal mit der Eingangs-Stirnfläche schneidet, daß ein konisches Lichtbündel aus der Ausgangs -Stirnfläche (8b) des stab- oder hülsenförraigen Lichttransmitters austritt und von einer LichtSammellinse (10) gesammelt wird, um ein Bild eines ringförmigen Lichtes zu erzeugen .

2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von den Lichtstrahlen mit der Eingangs-Stirnfläche des Transmitters gebildete Winkel θ variabel ist, um den Durchmesser (2r) des Bildes des ringförmigen Lichtes zu variieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transmitter optische Fasern (8), einen Glasstab oder eine Hülse aufweist, deren Innenfläche gut reflektierend ist.

²J-. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis J, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Laser-Lichtquelle (9) ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß dfe Lichtquelle aus einer Xenon-Entladeröhre (11), einer Sammellinse (12) und einer Relaislinse (IJ) besteht.

Heidenheim, Ο9.Ο8.82
DrW/Srö