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Dunkelfeld-Beleuchtungssystem
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Die Erfindung betrifft ein Dunkelfeld-Beleuchtungssystem insbesondere
für Auflichtmikroskope. Derartige Einrichtungen besitzen in der Regel einen oder
mehrere, das Objektiv umgebende Ringspiegel, die das auf ihn auffallende, im wesentlichen
parallele Beleuchtungsstrahlenbündel auf das Objektfeld fokussieren. Beispiele für
derartige Beleuchtungseinrichtungen sind in den folgenden Patentschriften dargestellt:
DE 830 840, DE 603 409, DE 603 323, DE 510 756, DE 507 939, DE 574 436 DE 587 077,
DE 2 542 075, DE 2 410 874, US 4 160 578.
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Die bisher dort verwendeten Ringspiegel wurden stets als sphärische,
parabolische oder hyperbolische Konkavspiegel ausgebildet, deren Krümmungsmittelpunkt
ebenso wie der Fokus des Beleuchtungssystem auf der optischen Achse des vom Kondensor
umgebenen Objektivs lag. Wurden diese Konkavspiegel zusätzlich mit einem beleuchtungsseitig
vorgeschalteten konvexen Ringspiegel kombiniert, wie z.B. bei den in der DE 830
840 und DE 2 410 874 beschriebenen Dunkelfeld-Beleuchtungssystemen, dann lag auch
der Krümmungsmittelpunkt des zusätzlichen Konvexspiegels auf der optischen Achse.
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Mit derartigen Spiegel anordnung en ist es schwierig relativ große
Objektfelder einigermaßen homogen auszuleuchten. Zur Ausleuchtung größerer Objektfelder
ist es bekannt, den als konkaven Rotationsparaboloid ausgebildeten Ringspiegel asphärisch
zu deformieren, oder, wie für das Objektiv mit Abbildungsmaßstab 6,5 x in der US
4 160 578,einen konischen Ringspiegel zu verwenden.
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Da der Querschnitt des auf den Spiegel auffallenden ringförmigen Beleuchtungsstrahlenbündels
festliegt, läßt sich mit einem konischen Spiegel jedoch nur ein einziges Objektfeld
bestimmter Größe ausleuchten. Zur Ausleuchtung noch größerer Felder ist es bekannt,
die Fläche des "Ringspiegels" aus einer Aneinanderreihung von 5 oder wie aus der
DE 608 644 bekannt, einer Vielzahl von ebenen Teilflächen aufzubauen. Bei dieser
Art der Beleuchtung treten jedoch azimutabhängige Inhomogenitäten im Leuchtfeld
auf.
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Aus der DE-OS 32 08 753 ist es weiterhin bekannt, zur Ausleuchtung
größerer Objektfelder dem konischen Ringspiegel ringförmige Konkav- oder Konvexlinsen
vorzuschalten, die das Parallelstrahlenbündel aufweitens Hier wird also ein zusätzliches
brechendes Element verwendet, das ddn Herstellungsaufwand erhöht und zusätzlich
chromatische Fehler einführen kann.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Dunkelfeld-Beleuchtungssystem
zu schaffen, das mit möglichst wenig optisch wirksamen FIä1 chen auskommt und eine
verhältnismäßig homogene Ausleuchtung unterschiedlicher Objektfelder, insbesondere
auch großer Objektfelder ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Dunkelfeld-Beleuchtungssystem
nach dem Oberbegriff durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen
gelöst.
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Der Ringspiegel in dem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem ist demgemäß
nicht als Rotationsparaboloid oder Kugelringsegment mit einem gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt
für alle Tangentialschnitte auf der optischen Achse des Objektivs ausgebildet, sondern
als Toroid, dessen Tangentialschnitte vorzugsweise eine Parabel 2. Ordnung oder
der Parabelform angenäherten Kreisbogen darstellen, dessen Krümmungsmittelpunkt
außerhalb der optischen Achse liegt. Damit liegt auch der von diesem Ringspiegel
erzeugte Fokus des auf ihn auffallenden, im wesentlichen parallelen Beleuchtungsstrohlenbündels
außerhalb der optischen Achse und besitzt eine ringförmige Gestalt.
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Indem der Krümmungsmittelpunkt des Spiegels aus der optischen Achse
herausverlegt wird, gewinnt man bei der Auslegung des Dunkelfeld-Beleuchtungssystems
einen weiteren Parameter, der im Hinblick auf optimale Objektousleuchtung variiert
werden kann.
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Zur Ausleuchtung großer Objektfelder ist es zweckmäßig den Ringspiegel
konvex auszubilden und beleuchtungsseitig eine Mattscheibe vorzuschal ten, während
bei kleineren Feldern, wie sie beispielsweise für Mikroskopobjektive mit einem Abbildungsmaßstab
von 20-x benötigt werden all
lein ein konkaver, torischer Ringspiegel
ausreicht.
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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Fig.
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1-4 näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Dunkelfeld-Beleuchtungssystems
gemäß der Erfindung; Fig. 2 ist eine vergrößerte Skizze einer in Verbindung mit
einem Ob-- jektiv mit 20-focher Vergrößerung verwendeten Spiegel fläche im Tangentialschnitt;
Fig. 3 ist eine vergrößerte Skizze einer in Verbindung mit einem Objektiv mit 10-facher
Vergrößerung verwendeten Spiegel fläche im Tangentialschnitt; Fig. 4 ist eine vergrößerte
Skizze einer in Verbindung mit einem Objektiv mit 2,5-facher Vergrößerung verwendeten
Spiegelfläche im Tangentialschnitt.
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Das in Fig. 1 skizzierte Dunkelfeld-Beleuchtungssystem für ein Auflicht-Mikroskop
umfaßt eine Lichtquelle 1 im Brennpunkt eines Kondensors 3 zur Erzeugung eines möglichst
parallelen Strohlenbündels, das von zwei Blenden 2 und 4 auf einen ringförmigen
Querschnitt abgeblendet wird. Dieses parallele ringförmige Beleuchtungsbündel wird
über einen ringförmigen Planspiegel 5 im Auflicht-Illuminator des Mikroskops umgelenkt
und tritt konzentrisch in einen ringförmigen Kanal 8 der Hülse 13 des am nicht im
einzelnen dargestellten Illuminator befestigten Objektivs 6 ein. Am unteren Ende
der Hülse 13 ist ein das Lichtbündel direkt auf das Objektfeld 1 reflektierender
Ringspiegel 9 angebracht. Bis hierher ist ein Auflicht-Dunkelfeld-Beleuchtungssystem
mit bekanntem Aufbau beschrieben.
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Erfindungsgemäß besitzt der Ringspiegel 9 jedoch im Tangentialsahnitt
betrachtet nicht die Farm einer Parabel oder Hyperbel mit Scheitelpunkt auf der
optischen Achse. Der Spiegel 9 besitzt vielmehr die Form eines parabolischen Toroids,
d.h. die Scheitelpunkte 21 der Tangentiolschnittel des Spiegels bilden ebenso wie
die Brennpunkte 12 des vom Spiegel 9
fokussierten Strahlenbündels
einen zur optischen Achse konzentrischen Ring.
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Durch Wahl der folgenden drei Parameter 1. Krümmung der Parabel 2.
achsialer Versatz des Scheitels in x, d.h. gegenüber der Objektebene und 3. radialer
Versatz des Scheitels gegenüber der optischen Achse 7 lassen sich die für eine derartige
Beleuchtung gestellten Forderungen o) möglichst großer Arbeitsabstand des Objektivs
b) Einhalten der durch die Dunkelfeldbedingung gegebenen maximalen Ablenkwinkel
und c) vollständige und homogene Ausleuchtung des Objektfelds relativ gut erfüllen.
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Dies zeigen die für drei verschiedene Anwendungsfälle errechneten
Beispiele nach Fig. 2-4: In Fig. 2 sind die geometrischen Verhältnisse einer Dunkelfeld-Beleuch
tung für ein Mikroskopobjektiv mit Abbildungsmaßstob 20 x und einer Apertur 0,5
dargestellt, das ein Objektfeld von 1,25 mm besitzt, welches homogen ausgeleuchtet
werden soll. Es ist ein Arbeitsabstand von mindestens 1 mm gefordert. Das Beleuchtungsstrahlenbündel,
das der Ringspiegel des Auflichtilluminators liefert, besitzt einen Innendurchmesser
von 20 mm und einen Außendurchmesser von 24 mm.
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Gemäß der Erfindung wird zur Ausleuchtung des Objektfeldes ein torischer
Ringspiegel 24 verwendet, dessen Tangentialschnitt in dem von der optik schen Achse
23 und der Objektebene gebildeten Koordinatensystem folUehder Gleichung genügt:
Der vom Beleuchtungsstrahlenbündel beaufschlagte Teilbereich- dieser Parabel läßt
sich sehr gut durch einen Kreis mit einem Radius von 31 mm annähern, dessen Mittelpunkt
mit den Koordinaten Xm = 21,8 mm und Ym = -t4,1
weit außerhalb der
optischen Achse liegt. Der Fokus 22, in dem die Lichtquelle ringförmig verzerrt
zwischenabgebildet wird, liegt oberhalb der Objektebene.
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Zur Ausleuchtung eines Objektfeldes 18 mit Durchmesser d = 2,5 mm
eines Objektivs mit Abbildungsmaßstab 10 x und Apertur 0,3 wird wie in Fig. 3 dargestellt,
ein ebenfalls konkaver, torischer Ringspiegel 19 verwendet, dessen Gleichung im
Tangentialschnitt folgende Form besitzt:
Hier liegt der Fokus des Beleuchtungsstrahlenbündels ebenso wie der Scheitelpunkt
der Parabel unterhalb der Objektebene und außerhalb der optischen Achse 17.
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In Fig. 3 ist eine zur Ausleuchtung eines Objektfeldes 28 von 10 mm
Durchmesser geeignete Lösung skizziert, wie sie beispielsweise für ein Objektiv
mit Abbildungsmaßstab 2,5 x und einer Apertur von 0,075 benötigt wird.
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Der konvexe Ringspiegel 29, der das einfallende Parallellichtbündel
aufweitet und auf das Objektfeld 28 reflektiert, ist ein parabolisches Toroid, dessen
Tangentialschnitt folgender Kurvengleichung genügt:
Der Scheitelpunkt 30 und der virtuelle Fokus 26 dieser Parabel liegen auch hier
außerhalb der optischen Achse 27 des nicht näher dargestellten Objektivs.
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Eine dem Spiegel 29 beleuchtungsseitig vorgeschaltete, ringförmige
Streuscheibe 31 verbessert die Homogenität der Ausleuchtung des Feldes 28.
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