DE4035077A1 - Beleuchtungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Beleuchtung in optischen Präzisionsgeräten, insbesondere innerhalb von Mikroskopen.

Beleuchtungssysteme sind vielfältig bekannt, insbesondere für Mikroskope ist das "Köhlersche Beleuchtungsverfahren" fast durchweg gebräuchlich. Zur Homogenisierung der Ausleuchtung und Begrenzung der Leuchtdichteverteilung werden unterschiedliche optische Mittel in den Strahlengang eingebracht.

Wabenkondensatoren realisieren eine Aufspaltung in Teilbilder, die anschließend im Leuchtfeld überlagert werden.

Eine solche Anordnung erfordert einen erheblichen technologischen Aufwand und Raumbedarf, der in vielen Fällen nicht zu vertreten ist. Ein geringer Lichtverlust läßt sich dabei auch nicht vermeiden.

In Beleuchtungssystemen mit Lichtleitern werden an Stelle von Wabenkondensoren Mischelemente eingesetzt, Glaskörper bzw. Reflektoren: DE 31 47 998 und DE 31 51 108.

Größe und Form der Reflektoren sowie die Form ihrer Lichtaustritts- bzw. Eintritts-Stirnflächen sind variabel. Im einfachsten Fall ist ein Reflektor eine einzelne Faser, bestehend aus Kern und Mantel. Die Länge des Reflektors unterliegt dabei folgender Bedingung in Abhängigkeit von der Brechzahl n:

l/n 1

Durch die Verwendung solcher Reflektoren werden Ungleichmäßigkeiten der Ausleuchtung verbessert.

Für höhere Ansprüche, wie sie z. B. die Meßtechnik stellt, genügt die damit erreichte Homogenisierung nicht, da keine eindeutige, definierbare Zuordnung zwischen Bild der Lichtquelle und auszuleuchtender Fläche möglich ist.

Gemäß DE 38 22 936 ist ein Kaleidoskop bekannt zur Erzeugung von Mehrfachbildern, ein mehrkantiges Prisma aus transparentem Werkstoff, dessen Grund- bzw. Deckfläche der Einblicksöffnung zugewandt ist.

Eine Verwendung dieses Kaleidoskopkörpers in Beleuchtungssystemen ist nicht bekannt und wird nicht nahegelegt.

Die Erfindung hat das Ziel, eine einfache raumsparende Beleuchtungsanordnung zu schaffen, die eine sehr gute gleichmäßige Ausleuchtung erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Be­ leuchtungssystem für hochgenaue mikroskopische Abbildungsprobleme zu schaffen, welches unter Anwendung des Köhlerschen Be­ leuchtungsprinzips eine sehr hohe Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung erreicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem optischen Be­ leuchtungssystem, bestehend aus Lichtquelle und optischem Ab­ bildungssystem, wobei eine sekundäre Lichtquelle in die Aperturblende abgebildet wird und des weiteren bestehend aus einem zwischen Lichtquelle und Abbildungssystem angeordneten stangenförmigen, geraden, prismatischen Reflektor mit einwärts reflektierenden Umfangsflächen, dessen eine Grundfläche als Lichteintrittsfläche von der Lichtquelle entweder direkt oder unter Einsatz bekannter Mittel beleuchtet wird und wobei diese Grundfläche die sekundäre Lichtquelle ist und die Abmaße des Reflektors in Abhängigkeit von einem zu übertragenden Aperturwinkel u eines aus der sekundären Lichtquelle austretenden Lichtbündels folgender Gleichung genügen:

wobei
d der mittlere Durchmesser der Grundfläche
l die Kantenlänge der Umfangsfläche
n die Brechzahl im Inneren des Reflektors
k das Verhältnis der Fläche der Aperturblende zur Fläche des Bildes der sekundären Lichtquelle, Aperturblende ist und
c ein Formfaktor in Abhängigkeit von der Form der Grundfläche mit c1, oder c=1 für konvexe Polygone, deren Seiten ausschließlich Winkel von 30, 60, 90 oder 120 Grad einschließen.

Für die Beleuchtung bei der mikroskopischen Abbildung, insbesondere bei höheren Ansprüchen, wird in der Regel die Köhlersche Beleuchtung verwendet. Dabei wird die Lichtquelle in die Aperturblende der Beleuchtung und diese wiederum in die Eintrittspupille des Mikroskops abgebildet, während der von der Lichtquelle abgenommene Aperturkegel durch die Leuchtfeldblende begrenzt wird, die wiederum in die Objektebene des Mikroskops abgebildet wird.

Bei dieser Anordnung wird die Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung in der Objektebene prinzipiell durch den physikalisch bedingten Randabfall begrenzt.

Durch die Nutzung des Kaleidoskopprinzips wird eine ausgezeichnete Ausleuchtung erreicht.

Verwendet wird erfindungsgemäß ein prismatischer Körper aus transparentem Material mit dem Querschnitt eines Polygons (vorzugsweise eines regelmäßigen Sechsecks oder eines Rechtecks) oder ein Spiegelschacht gleichen Querschnitts. Im ersten Fall müssen die Außenflächen dann verspiegelt sein, wenn der Grenzwinkel der Totalreflexion überschritten werden soll. Die Eintrittsfläche dieses Elements wird beleuchtet, z. B. durch die in unmittelbare Nähe oder direkten Kontakt gebrachte Austrittsfläche eines Lichtleitkabels oder eine andere Lichtquelle. Durch Spiegelung an den Seitenflächen entstehen sekundäre Bilder der Eintrittsfläche, die z. B. im Falle sechseckigen Querschnitts flächendeckend sind. An der Austrittsfläche entsteht durch die Überlagerung des Lichtes aller Teilkanäle eine Ausleuchtung sehr hoher Gleichmäßigkeit. Unter Anwendung des Prinzips der Köhlerschen Beleuchtung werden die Bilder der Eintrittsfläche des Kaleidoskops in die Aperturblende abgebildet, während die Leuchtfeldblende in der Nähe der Austrittsfläche des Kaleidoskops realisiert wird. Wichtig ist die richtige Wahl des Verhältnisses von Querschnitt zu Länge des Kaleidoskops in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung, das die Anzahl der wirksamen Teilkanäle und damit den Grad der Durchmischung bestimmt. Wird ein Lichtleitkabel verwendet, ist es zweckmäßig, bereits an seinem Eintritt für ausreichend gleichmäßige Ausleuchtung, z. B. durch ein weiteres Element zur Durchmischung (etwa ein runder Stab aus transparentem Material) zu sorgen.

Die Erfindung wird mit einem Beispiel und einer Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems eines Mikroskopes;

Fig. 2 zeigt die Blendenebene des Beleuchtungssystems;

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reflektors.

Eine Lichtquelle 1 ist so angeordnet, daß ihr Bild LQ′ durch ein optisches System L1 auf die Eintrittsfläche E1 eines runden Quarzstabes M1 abgebildet wird, der eine einfache Homogenisierung des Lichtes bewirkt. Dem Quarzstab M1 unmittelbar nachgeordnet ist ein Lichtleitkabel LLK, wodurch die Autrittsfläche A1 des Quarzstabes M1 der Eintrittsfläche E2 des Lichtleitkabels benachbart ist. Nach dem Lichtleitkabel ist ein Reflektor R im Strahlengang angeordnet, wodurch die Austrittsfläche A2 des Lichtleitkabels LLK der Eintrittsfläche E3 des Reflektors benachbart ist. Dessen Austrittsfläche A3 befindet sich in geringem Abstand zu einer nachgeordneten Feldblende FB. Darauf folgt eine vignettierungsfreie Beleuchtungsoptik, Linsen L2 und L3, mit eingeschlossener Aperturblende AB, vor der Objektebene des Mikroskopes O, in der ein Bild FB′ der Feldblende FB erzeugt wird. In der Aperturblende AB entsteht ein Bild E3′ der Eintrittsfläche E3. Ein nachgeordnetes Abbildungssystem L4 realisiert die mikroskopische Abbildung der Objektebene O in eine Bildebene O′. Das Beispiel bezieht sich auf eine Durchlicht­ beleuchtung eines Meßmikroskops. Der erfindungsgemäße Aufbau kann aber auch analog für Auflicht und zur Beleuchtung in anderen Geräten benutzt werden.

Fig. 2 zeigt das vervielfachte Bild E3′ der Eintrittsfläche E3 des Reflektors R in der Ebene der Aperturblende AB.

Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Reflektor R. Eintrittsfläche E3 und Austrittsfläche A3 sind in diesem Beispiel regelmäßige Sechsecke. Der mittlere Durchmesser dieser Flächen wird mit d bezeichnet, die Kantenlänge der reflektierenden Umfangsflächen mit l.

In der Aperturblende AB entsteht ein Bild E3′ der Eintrittsfläche E3.

Zur Dimensionierung verwendet man die Gleichung

Für das regelmäßige Sechseck ist c=1. Beispielsweise ist mit d : l=1 : 10 bei einer Brechzahl n=1,52 mit dem Faktor K=16 ein Aperturwinkel u=16,9° (sin u=0,29) erreichbar.
k beschreibt die Anzahl der mitwirkenden Teillichtquellen (angeschnittene Flächen gemäß ihres Anteils eingeschlossen), je kleiner (sin u), k, um so homogener wird die Ausleuchtung des Objektes. k entspricht dem Flächenverhältnis der Aperturblende zum Bild des einzelnen Sechsecks in dieser. An der sekundären Lichtquelle wird ein Abstrahlwinkel σ

beansprucht (im Beispiel σ=±20,8°).

Durch die kaleidoskopartige Wirkung des Reflektors wird das Bild E3′ der Eintrittsfläche E3 vervielfacht und desweiteren in die Aperturblende AB und in die Eintrittspupille des abbildenden optischen Systems L4 abgebildet. Ein Bild FB′ der gleichmäßig ausgeleuchteten Feldblende FB wird in der Objektebene O des Mikroskops erzeugt. Dadurch wird über die gesamte Fläche eine gleichmäßige Ausleuchtung ohne Randabfall erreicht. Durch die Gestaltung der Lichteintritts-E3- und Austrittsfläche A3 als spezielle Vielecke wird erreicht, daß die Bilder E3′ lückenlos aneinandergesetzt die Fläche A3 ausfüllen.

Claims (1)

1. Optisches Beleuchtungssystem, bestehend aus Lichtquelle und optischem Abbildungssystem, wobei eine sekundäre Lichtquelle in die Aperturblende abgebildet wird und des weiteren bestehend aus einem zwischen Lichtquelle und Abbildungssystem angeordneten stangenförmigen, geraden, prismatischen Reflektor mit einwärts reflektierenden Umfangsflächen, dessen eine Grundfläche als Lichteintrittsfläche von der Lichtquelle entweder direkt oder unter Einsatz bekannter Mittel beleuchtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß diese Grundfläche die sekundäre Lichtquelle ist und daß die Abmaße des Reflektors in Abhängigkeit von einem zu übertragenden Aperturwinkel u eines aus der sekundären Lichtquelle austretenden Lichtbündels folgender Gleichung genügen wobei
   d der mittlere Durchmesser der Grundfläche
   l die Kantenlänge der Umfangsfläche
   n die Brechzahl im Inneren des Reflektors
   k das Verhältnis der Fläche der Aperturblende zur Fläche des Bildes der sekundären Lichtquelle, das heißt Lichteintrittsfläche des Reflektors, in der Aperturblende ist und
   c ein Formfaktor in Abhängigkeit von der Form der Grundfläche mit c1, oder c=1 für konvexe Polygone, deren Seiten ausschließlich Winkel von 30, 60, 90 oder 120 Grad einschließen.