EP1894050A1 - Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für mikroskope - Google Patents

Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für mikroskope

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Publication number
EP1894050A1
EP1894050A1 EP06754496A EP06754496A EP1894050A1 EP 1894050 A1 EP1894050 A1 EP 1894050A1 EP 06754496 A EP06754496 A EP 06754496A EP 06754496 A EP06754496 A EP 06754496A EP 1894050 A1 EP1894050 A1 EP 1894050A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
individual light
light sources
lighting device
source
illumination
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06754496A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lutz HÖRING
Andreas Nolte
Michael Brehm
Mario Sondermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss Microscopy GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss MicroImaging GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss MicroImaging GmbH filed Critical Carl Zeiss MicroImaging GmbH
Publication of EP1894050A1 publication Critical patent/EP1894050A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/06—Means for illuminating specimens

Definitions

  • the present invention relates to a controllable microscope illumination within a microscope system, with which all in contrast microscopy contrasting can be realized.
  • high-pressure lamps and halogen lamps are used as conventional microscope illuminators. Due to the lack of controllability in terms of brightness and color temperature / color additional optical components, such as filters, attenuators, etc. are necessary for the control of the output signal of the light source. Another important feature is the given geometry of the light sources used, which usually requires an additional optics for shaping the light beam. Although all contrasting methods can be realized in microscopy by means of these light sources, the effort required for this is usually considerable.
  • An illumination device for flexible design of the illumination structures customary for microscopes is described in US Pat. No. 4,852,985 A.
  • Semiconductor light sources such as, for example, LEDs arranged in two dimensions, are used as the illumination source.
  • the realization of the various lighting structures is carried out by targeted activation of the required LEDs.
  • a device for adjusting the brightness may be present.
  • the area light source can also be designed by the two-dimensional arrangement of LEDs that emit different colors, such as red, green and blue (RGB). In order to produce the most uniform possible color impression in the object plane without color fringes, the arrangement of the individual colors on the array is of great importance.
  • RGB red, green and blue
  • US 4,852,985 A describes a variant of this defined arrangement of LEDs for a 3-color array.
  • a ground glass is required, which is placed in front of the surface light source.
  • the disadvantage of the LED-based RGB illumination for microscopy according to the prior art is that the spectral distribution does not cover the entire visual range, but this is necessary for the color-accurate representation of microscopic samples.
  • US Pat. No. 6,369,939 B1 likewise describes a lighting device for a microscope, which provides for the use of LEDs.
  • two light sources are arranged in the illumination beam path to achieve an optimized geometric light flux, wherein the second light source is located in a central bore of the collector lens.
  • the light of the first light source is focused via lenses and collector lenses in the object plane.
  • This type of illumination is used for small field and large aperture lenses.
  • the second light source illuminates the object plane according to the Köhler principle with a parallel beam.
  • This type of illumination is used for large field and small aperture lenses.
  • one or the other light source is used to illuminate the object plane.
  • the disadvantage of this solution is that the second light source is limited in its size and thus intensity.
  • a transmitted-light illumination unit for microscopes in which a transparent microscope stage is illuminated from below, is described in DE 199 19 096 A1.
  • the lighting unit consisting of one or more LEDs is designed such that it can be arranged both in the aperture diaphragm plane and in front of a Köhler illumination optics.
  • suitable scattering means are arranged in front of the LEDs.
  • Incident light illumination for microscopes in which a ring carrier oriented around the optical axis is present for accommodating illuminants, is described in EP 1 150 154 B1.
  • Light-emitting semiconductor diodes (LEDs) which are arranged in a plurality of concentric ring rows in the ring carrier, are also used here as illumination means.
  • the main beam direction of the LEDs are directed towards the optical axis, with the longitudinal axes of the LEDs of a row of rings intersecting at or near the optical axis (system axis).
  • the preferably designed as white light diodes LEDs are controllable in groups and adjustable in their brightness. With the incident light illumination described, dynamic lighting variants can also be realized.
  • the epi-illumination device is in this case integrated into a stereoscopic surgical microscope, wherein the light generated by at least one LED is imaged coaxially to the microscope beam path via the main objective or an additional illumination optics in the object field.
  • Both variants according to the Köhler principle and according to the non-Köhler principle can be realized, wherein white light LEDs or combinations of different colored LEDs, such as red-green-blue combination can be used.
  • WO 2004/086 117 A1 also describes an arrangement for illuminating objects with light of different wavelengths, which provides for the use of LED light sources.
  • a rotatable receiving device is in this case provided with holders for receiving at least one LED. By rotating the recording device different LEDs are positioned in front of a light exit opening. Again, both white light LEDs or combinations of different colored LEDs, such as red-green-blue combination can be used.
  • US Pat. No. 5,489,771 A describes an LED light standard for photographic and video microscopy. In this calibration system, the intensity of a compact LED light source is controlled by a detector.
  • a diffuser arranged in front of the LED light source ensures, in addition to ensuring high light homogeneity, that part of the light radiation falls on the laterally arranged detector and can be evaluated.
  • the light intensities generated can be set very precisely in this standard light source which can be used for calibration, in that the energy supplied to the LEDs can be constantly adjusted to the detector via the control circuit.
  • the compact LED light source preferably consists of differently colored LEDs (RGG or RGB), which can be controlled individually. By selective control of the LEDs and the use of bandpass filters monochromatic light can be generated. The generation of pulse-modulated light requires that the camera and / or video camera be synchronized accordingly.
  • the present invention has for its object an electronically switchable, adjustable in brightness, optionally different colors or additively the color white with all components of the white light performing, over the illuminated field homogeneous lighting device to provide.
  • the intensity should be so great that all the contrasting methods that are essential in microscopy are possible with the illumination device.
  • the illumination device in particular for microscopes, consists in this case of a plurality of individually controllable light-emitting semiconductor diodes (LED) which can be regulated in their brightness, and illumination optics which are arranged in or near the illumination beam path of the microscope. Turblendenebene is arranged.
  • the light cones of the LEDs used have small opening angles and are in the form of unit cells, which fill a carrier surface over the entire surface, homogeneously.
  • illumination variants can be generated for all the contrasting techniques that are essential in microscopy.
  • FIG. 1a the unit cells and a LED array for 4 colors
  • FIG. 1 b the unit cells and a LED array for 5 colors
  • FIG. 1c the unit cells and a LED array for 6 colors
  • FIG. 2a shows an arrangement of a unit cell for 4 sources and the corresponding microlens array
  • FIG. 2b shows the arrangement with microlens array according to FIG. 2a in the illumination beam path of a microscope
  • Figure 3 the beam path for a three-dimensional LED array with the corresponding intensity distribution in the object plane
  • Figure 4 the beam path for a two-dimensional LED array with the corresponding intensity distribution in the object plane.
  • the illumination device in particular for microscopes, consists of a plurality of individual light sources which can be regulated in their brightness, wherein these individual light sources are designed in the form of unit cells and form a luminous area by periodic arrangement.
  • the luminous surface formed by the individual light sources may have a flat, conical, convex or concave shape.
  • the individual light sources receiving support surface is preferably mirrored.
  • the unit cell describes the smallest at least 2-dimensional arrangement of light sources from which an at least 2-dimensional surface can be filled by periodic arrangement.
  • the unit cells consist of a compact arrangement of more than three, preferably four to six individual light sources with at least two different colors. In special cases, single light sources of the same color can also be used.
  • the unit cells must be as compact as possible and as close as possible to the surface. The goal here is that the color impression even with increasing magnification, d. H. diminishing, considered object field, always the same remains and that the luminance is sufficient even for high magnifications.
  • the unit cell consists of a compact arrangement of four to six different color radiating, individual light sources in which each individual light sources only exists once
  • unit cells from a compact arrangement of four to six, emitting different colors To use single light sources where each single light source is duplicated.
  • the larger unit cell consists essentially of two "small" unit cells, one of these unit cells having a mirrored arrangement of the individual light sources.
  • FIG. 1a shows the unit cells A and A 'as well as the filled luminous areas for four individual light sources 1, 2, 3 and 4, which preferably emit light of different color. In a particular embodiment can in each case emit two individual light sources 1, 3 and 2, 4 light of the same color.
  • FIG. 1b shows the unit cells B and B 'as well as the filled luminous areas for five individual light sources 1, 2, 3, 4 and 5, the unit cells C and C and the filled luminous areas for six individual light sources 1, 2, 3, 4 are shown in FIG. 1c , 5 and 6 are shown.
  • FIGS. 1a to 1c are intended to show how the individual light sources radiating different colors are to be arranged in a unit cell in order to achieve illumination of the object plane which is as homogeneous as possible in terms of color and intensity.
  • FIGS. 1a to 1c show theoretical arrangements for unit cells and filled luminous areas
  • FIG. 2a shows a real, as dense arrangement as possible, a unit cell A consisting of four individual light sources, wherein each individual light source 1, 2, 3 and 4 is preceded by an imaging optic , Corresponding microlenses 7, which are designed as a microlens array 10 and are arranged in front of the unit cell A, serve as imaging optics.
  • FIG. 2 b shows the arrangement of the unit cell A with microlens array 10 according to FIG. 2 a in the illumination beam path of a microscope and is intended to illustrate the mode of action of a microlens array 10 serving as imaging optics.
  • the individual light sources are in the form of the source surfaces 8 produced by them whose images 9 are magnified by the microlens array 10.
  • the images 9 of the source surface 8 generated by the individual light sources are magnified by the microlens array 10 so that the images 9 touch the source surfaces 8 of adjacent individual light sources.
  • at least one individual light source is decentered with respect to the optical axis 12 of the imaging optics. This can ensure that the touching images 9 of the swelling surfaces 8 form a closed surface. Any existing gaps 11 can thus be closed.
  • microlens arrays which are ideally located in or near a conjugate field diaphragm plane, serve primarily for homogenization
  • imaging optics which are arranged directly in front of the individual light sources have a completely different mode of action. Through this, an enlarged image whose source surface is first generated in each case for each individual light source. Ideally, these swelling surfaces should touch and thus ideally increase the effective fill factor from well below 1 to 1. In this case, the fill factor is the ratio of luminous area to carrier area.
  • the source surfaces 8 generated by the individual light sources are enlarged by the microlens array 10 and supplied to the illumination beam path of the microscope by suitable imaging optics 13.
  • a further advantageous embodiment results if one or more individual light sources are sufficiently deconvolved that their images of the source surfaces completely overlap with the images of the source surfaces of adjacent individual light sources.
  • colors can be mixed and even white light generated.
  • one or a plurality of lenses, diffractive optics, gradient index lenses or mirrors are used as imaging optics.
  • imaging optics particularly advantageous is the use of microlens arrays with aspherical lenses that can be made of plastic.
  • small-area light sources are used as individual light sources, with which a high fill factor can be achieved.
  • the aberrations of the highly decentered elements in the front part of the arrangement must be mastered and compensated, otherwise these elements hardly contribute to the gain in intensity.
  • a suitable decentering of the respective microlens to the source is used, which maintains or compensates for these aberrations depending on the source location.
  • the limits of the microlenses should have the lowest possible azimuthal differences, because these in turn lead to differently recorded apertures in the different azimuths, which likewise results in field inhomogeneity.
  • the individual lenses are preferably hexagonal and not square-shaped.
  • the focal length of the microlens, the limiting diameter or the edge length of the limiting hexagon of the microlens, the swelling distance and the swelling surface size must be matched to one another in such a way that the widest possible field homogeneity occurs. This has the consequence of being on homogenizing elements in the beam path, such. As the lens, can be dispensed with and the arrangement works extremely efficient.
  • FIG. 3 shows the beam path for a three-dimensional LED array with the corresponding intensity distribution in the object plane.
  • FIG. 4 shows the beam path for a two-dimensional LED array with the intensity distribution in the object plane.
  • the lighting device has to achieve the most homogeneous possible illumination of the object level via additional optical elements.
  • additional optical elements preferably diffractive optical elements (DOE), preferably microlens arrays are used. These are ideally located in or near a conjugate field diaphragm and are primarily homogenizing.
  • DOE diffractive optical elements
  • illumination variants can be generated for all the contrasting methods that are essential in microscopy.
  • the used LED lighting is electronically switchable, adjustable in brightness and it provides all the colors.
  • the lighting device is more durable and cheaper and the beam path is more compact and less expensive than is the case with conventional microscope illuminations. LEDs have a long life and are very robust and insensitive. lent to shocks.
  • the spatial light distribution and the color temperature are adjustable. With LEDs, a highly efficient conversion of electrical energy into electromagnetic radiation in the desired spectral range, with a reduced heat load of the device is possible.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine steuerbare Mikroskopbeleuchtung innerhalb eines Mikroskopsystems, mit der alle in der Mikroskopie wesentlichen Kontrastverfahren realisiert werden können. Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung besteht aus einer Mehrzahl in ihrer Helligkeit regelbaren Einzellichtquellen, wobei diese Einzellichtquellen in Form von Einheitszellen ausgebildet sind und durch periodische Anordnung eine Leuchtfläche bilden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jeder Einzellichtquelle (1-6) eine abbildende Optik zugeordnet, um das Abbild (11) der Quellfläche (8) der Einzellichtquelle (1-6) zu vergrößern, so dass sich die Abbilder (11 ) der Quellflächen (8) benachbarter Einzellichtquellen (1-6) berühren. Mit der vorgeschlagenen Lösung können Beleuchtungsvarianten für alle in der Mikroskopie wesentlichen Kontrastverfahren erzeugt werden. Die vorgeschlagene LED-Beleuchtung ist elektronisch schaltbar, in der Helligkeit regelbar, liefert alle Farben, ist langlebig und kostengünstig. LEDs weisen eine lange Lebensdauer auf und sind sehr robust und unempfindlich gegen Erschütterungen. Die räumliche Lichtverteilung und die Farbtemperatur sind einstellbar.

Description

Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für Mikroskope
Die vorliegende Erfindung betrifft eine steuerbare Mikroskopbeleuchtung innerhalb eines Mikroskopsystems, mit der alle in der Mikroskopie wesentlichen Kontrastverfahren realisiert werden können.
Nach dem bekannten Stand der Technik kommen als konventionelle Mikroskopbeleuchtungen Höchstdrucklampen und Halogenlampen zum Einsatz. Durch die mangelnde Ansteuerbarkeit bezüglich Helligkeit und Farbtemperatur/Farbe sind für die Steuerung des Ausgangssignals der Lichtquelle zusätzliche optische Bauelemente, wie Filter, Abschwächer usw. notwendig. Ein anderes wesentliches Merkmal ist die vorgegebene Geometrie der verwendeten Lichtquellen, die meist eine zusätzliche Optik zur Formung des Lichtbündels erforderlich macht. Mittels dieser Lichtquellen können zwar alle Kontrastverfahren in der Mikroskopie realisiert werden, allerdings ist der dafür erforderliche Aufwand meist erheblich.
Eine Beleuchtungsvorrichtung zur flexiblen Gestaltung der für Mikroskope üblichen Beleuchtungsstrukturen wird in der US 4,852,985 A beschrieben. Als Beleuchtungsquelle kommen hierbei Halbleiter-Lichtquellen, wie beispielsweise zweidimensional angeordnete LEDs zum Einsatz. Die Realisierung der verschiedenen Beleuchtungsstrukturen erfolgt dabei durch gezielte Einschaltung der erforderlichen LEDs. Zusätzlich kann eine Vorrichtung zur Einstellung der Helligkeit vorhanden sein. Durch diese gezielte Einschaltung einer Anzahl von LEDs sind die verschiedenen Beleuchtungsarten bei einem Mikroskop ohne zusätzliche optische Komponenten realisierbar. Die Flächenlichtquelle lässt sich auch durch die zweidimensionale Anordnung von LEDs, die verschiedene Farben, wie beispielweise Rot, Grün und Blau (RGB) abstrahlen, gestalten. Um in der Objektebene einen möglichst gleichmäßigen Farbeindruck ohne Farbsäume zu erzeugen, ist die Anordnung der einzelnen Farben auf dem Array von großer Bedeutung. Die US 4,852,985 A beschreibt dazu eine Variante für eine definierte Anordnung von LEDs für ein 3- Farben-Array. Zur Vermeidung von Beleuchtungs-Ungleichförmigkeiten ist bei dieser Lösung eine Mattscheibe erforderlich, die vor der Flächenlichtquelle angeordnet wird. Der Nachteil bei der LED-basierten RGB-Beleuchtung für die Mikroskopie nach dem Stand der Technik ist, dass die spektrale Verteilung nicht den ganzen visuellen Bereich abdeckt, was aber für die farbrichtige Darstellung von mikroskopischen Proben notwendig ist.
In der US 6,369,939 B1 wird ebenfalls eine Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop beschrieben, welche die Verwendung von LEDs vorsieht. Hierbei werden zur Erzielung eines optimierten geometrischen Lichtflusses zwei Lichtquellen im Beleuchtungsstrahlengang angeordnet, wobei sich die zweite Lichtquelle in einer zentralen Bohrung der Kollektorlinse befindet. Das Licht der ersten Lichtquelle wird über Streuscheiben und Kollektorlinsen in die Objektebene fokussiert. Diese Beleuchtungsart wird für Objektive mit kleinem Feld und großer Apertur verwendet. Im Gegensatz dazu beleuchtet die zweite Lichtquelle die Objektebene nach dem Köhler'schen Prinzip mit einem parallelen Strahlenbündel. Diese Beleuchtungsart wird für Objektive mit großem Feld und kleiner Apertur verwendet. Je nach verwendetem Objektiv wird die eine oder andere Lichtquelle zur Beleuchtung der Objektebene genutzt. Nachteilig wirkt sich bei dieser Lösung aus, dass die zweite Lichtquelle in ihrer Größe und damit Intensität beschränkt ist.
Eine Durchlicht-Beleuchtungseinheit für Mikroskope, bei der ein durchsichtiger Mikroskoptisch von unten beleuchtet wird, ist in der DE 199 19 096 A1 beschrieben. Die aus einer oder mehreren LEDs bestehende Beleuchtungseinheit ist dabei so gestaltet, dass sie sowohl in der Aperturblendenebene als auch vor einer Köhler'schen Beleuchtungsoptik angeordnet werden kann. Zur Gewährleistung einer möglichst gleichmäßigen Ausleuchtung sind vor den LEDs geeignete Streumittel angeordnet. Eine Auflichtbeleuchtung für Mikroskope, bei dem ein um die optische Achse orientierten Ringträger zur Aufnahme von Beleuchtungsmitteln vorhanden ist, wird in der EP 1 150 154 B1 beschrieben. Als Beleuchtungsmittel kommen auch hier lichtemittierende Halbleiterdioden (LEDs) zum Einsatz, die in mehreren konzentrischen Ringreihen im Ringträger angeordnet sind. Die Hauptstrahlrichtung der LEDs sind zur optischen Achse hin gerichtet, wobei sich die Längsachsen der LEDs einer Ringreihe in einem Punkt auf oder in der Nähe der optischen Achse (Systemachse) schneiden. Die vorzugsweise als Weißlichtdioden ausgebildeten LEDs sind in Gruppen steuerbar und in ihrer Helligkeit regelbar. Mit der beschriebenen Auflichtbeleuchtung sind auch dynamische Beleuchtungsvarianten realisierbar.
Eine weitere Auflicht-Beleuchtungseinrichtung wird in der DE 103 39 619 A1 beschrieben. Die Auflicht-Beleuchtungseinrichtung ist hierbei in ein Stereo- Operationsmikroskop integriert, wobei das von wenigstens einer LED erzeugte Licht koaxial zum Mikroskopstrahlengang über das Hauptobjektiv oder eine zusätzliche Beleuchtungsoptik im Objektfeld abgebildet wird. Dabei sind sowohl Varianten nach dem Köhler'schen Prinzip als auch nach dem Nicht- Köhler'schen Prinzip realisierbar, wobei Weißlicht-LEDs oder Kombinationen verschiedenfarbiger LEDs, wie beispielsweise Rot-Grün-Blau-Kombination verwendet werden können.
Auch in der WO 2004/086 117 A1 wird eine Anordnung zur Beleuchtung von Objekten mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge beschrieben, die die Verwendung von LED-Lichtquellen vorsieht. Eine drehbare Aufnahmevorrichtung ist hierbei mit Halterungen zur Aufnahme jeweils mindestens einer LED versehen. Durch Drehen der Aufnahmevorrichtung werden unterschiedliche LEDs vor eine Lichtaustrittsöffnung positioniert. Auch hier können sowohl Weißlicht-LEDs oder auch Kombinationen verschiedenfarbiger LEDs, wie beispielsweise Rot- Grün-Blau-Kombination verwendet werden. In der US 5,489,771 A wird ein LED-Licht-Standard für die Foto- und Videomikroskopie beschrieben. Bei diesem Kalibrierungssystem wird die Intensität einer kompakten LED-Lichtquelle mit Hilfe eines Detektors kontrolliert. Ein vor der LED-Lichtquelle angeordneter Diffusor sorgt neben der Gewährleistung einer hohen Lichthomogenität dafür, dass ein Teil der Lichtstrahlung auf den seitlich angeordneten Detektor fällt und ausgewertet werden kann. Die erzeugten Lichtintensitäten lassen sich bei dieser zur Kalibrierung nutzbaren Standardlichtquelle sehr exakt einstellen, indem die den LEDs zugeführte Energie über den Regelstromkreis mit dem Detektor ständig abgeglichen werden kann. Vorzugsweise besteht die kompakte LED-Lichtquelle aus verschiedenfarbig strahlenden LEDs (RGG oder RGB), die einzeln angesteuert werden können. Durch gezielte Ansteuerung der LEDs und die Verwendung von Bandpassfiltern kann einfarbiges Licht erzeugt werden. Bei der Erzeugung von impuls-moduliertem Licht ist es erforderlich, dass die Kamera und/oder Videokamera entsprechend synchronisiert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine elektronisch schaltbare, in der Helligkeit regelbare, wahlweise verschiedene Farben oder additiv die Farbe weiß mit allen Komponenten des weißen Lichts darstellende, über das ausgeleuchtete Feld homogene Beleuchtungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen. Die Intensität soll dabei so groß sein, dass mit der Beleuchtungsvorrichtung alle in der Mikroskopie wesentlichen Kontrastierverfahren möglich sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für Mikroskope, besteht dabei aus einer Mehrzahl, einzeln ansteuerbarer und in ihrer Helligkeit regelbarer, lichtemittierender Halbleiterdioden (LED) und einer Beleuchtungsoptik, die im Beleuchtungsstrahlengang des Mikroskops in oder nahe der Aper- turblendenebene angeordnet ist. Die Lichtkegel der verwendeten LEDs weisen geringe Öffnungswinkel auf und sind in Form von Einheitszellen ausgebildet, die eine Trägerfläche vollflächig, homogen füllen.
Mit der vorgeschlagenen Lösung können Beleuchtungsvarianten für alle in der Mikroskopie wesentlichen Kontrastverfahren erzeugt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Dazu zeigen
Figur 1a: die Einheitszellen und ein LED-Array für 4 Farben,
Figur 1 b: die Einheitszellen und ein LED-Array für 5 Farben,
Figur 1c: die Einheitszellen und ein LED-Array für 6 Farben,
Figur 2a: eine Anordnung einer Einheitszellen für 4 Quellen und das entsprechende Mikrolinsen-Array,
Figur 2b: die Anordnung mit Mikrolinsen-Array gemäß Figur 2a im Beleuchtungsstrahlengang eines Mikroskops
Figur 3: den Strahlverlauf für ein dreidimensionales LED-Array mit der entsprechenden Intensitätsverteilung in der Objektebene und
Figur 4: den Strahlverlauf für ein zweidimensionales LED-Array mit der entsprechenden Intensitätsverteilung in der Objektebene.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für Mikroskope, besteht aus einer Mehrzahl in ihrer Helligkeit regelbaren Einzellichtquellen, wobei diese Einzellichtquellen in Form von Einheitszellen ausgebildet sind und durch periodische Anordnung eine Leuchtfläche bilden. Die durch die Einzellichtquellen gebildete Leuchtfläche, kann dabei eine ebene, kegelschnittförmige, konvexe oder konkave Form aufweisen. Die die Einzellichtquellen aufnehmende Trägerfläche ist vorzugsweise verspiegelt.
Die Einheitszelle beschreibt die kleinste mindestens 2-dimensionale Anordnung von Lichtquellen, aus der durch periodische Anordnung eine mindestens 2-dimensionale Fläche gefüllt werden kann. Die Einheitszellen bestehen dabei aus einer kompakten Anordnung von mehr als drei, vorzugsweise vier bis sechs Einzellichtquellen mit mindestens zwei unterschiedlichen Farben. In speziellen Fällen können auch Einzellichtquellen von gleicher Farbe verwendet werden. Um bei mehrfarbigen Einheitszellen Farbinhomogenitäten in der Objektebene zu vermeiden, müssen die Einheitszellen so kompakt wie möglich und so dicht wie möglich auf der Fläche angeordnet sein. Ziel ist es dabei, dass der Farbeindruck auch bei zunehmender Vergrößerung, d. h. kleiner werdendem, betrachtetem Objektfeld, immer der gleiche bleibt und das die Leuchtdichte auch für hohe Vergrößerungen noch ausreicht.
Während in einer ersten Ausgestaltungsvariante die Einheitszelle aus einer kompakten Anordnung von vier bis sechs, verschiedene Farben abstrahlende, Einzellichtquellen besteht, bei der jede Einzellichtquellen nur einmal vorhanden ist sieht eine zweite Ausgestaltungsvariante vor, Einheitszellen aus einer kompakten Anordnung von vier bis sechs, verschiedene Farben abstrahlenden Einzellichtquellen zu verwenden, bei denen jede Einzellichtquelle doppelt vorhanden ist. Die größere Einheitszelle besteht dabei im wesentlichen aus zwei „kleinen" Einheitszellen, wobei eine dieser Einheitszellen eine gespiegelte Anordnung der Einzellichtquellen aufweist.
Mit den größeren Einheitszellen können homogenere Verteilung erreicht werden. Dazu zeigt Figur 1a die Einheitszellen A und A' sowie die gefüllten Leuchtflächen für vier Einzellichtquellen 1 , 2, 3 und 4, die vorzugsweise Licht unterschiedlicher Farbe abstrahlen. In einer besonderen Ausgestaltung können hierbei jeweils zwei Einzellichtquellen 1 , 3 und 2, 4 Licht gleicher Farbe abstrahlen.
Während Figur 1b die Einheitszellen B und B' sowie die gefüllten Leuchtflächen für fünf Einzellichtquellen 1 , 2, 3, 4 und 5 zeigt, sind in Figur 1c die Einheitszellen C und C sowie die gefüllten Leuchtflächen für sechs Einzellichtquellen 1 , 2, 3, 4, 5 und 6 dargestellt.
Mit den Darstellungen der Figur 1a bis 1c soll gezeigt werden, wie die verschiedene Farben abstrahlenden Einzellichtquellen in einer Einheitszelle anzuordnen sind, um eine farblich und intensitätsmäßig möglichst homogene Ausleuchtung der Objektebene zu erzielen.
Während in den Figur 1a bis 1c theoretische Anordnungen für Einheitszellen und gefüllten Leuchtflächen dargestellt sind, zeigt Figur 2a eine reale, möglichst dichte Anordnung, einer aus vier Einzellichtquellen bestehenden Einheitszelle A, wobei jeder Einzellichtquelle 1, 2, 3 und 4 eine abbildende Optik vorgeordnet ist. Als abbildende Optik dienen hierbei entsprechende Mikrolinsen 7, die als Mikrolinsen-Array 10 ausgebildet und der Einheitszelle A unmittelbar vorgeordnet sind.
Figur 2b zeigt die Anordnung der Einheitszelle A mit Mikrolinsen-Array 10 gemäß Figur 2a im Beleuchtungsstrahlengang eines Mikroskops und soll der Veranschaulichung der Wirkungsweise eines als abbildende Optik dienenden Mikrolinsen-Arrays 10. Im Einzelnen sind die Einzellichtquellen hier in Form der von ihnen erzeugten Quellflächen 8 dargestellt, deren Abbilder 9 vom Mikrolinsen-Array 10 vergrößert werden. Insbesondere werden vom Mikrolinsen-Array 10 die Abbilder 9 der von den Einzellichtquellen erzeugten Quellfläche 8 so vergrößert, dass sich die Abbilder 9 der Quellflächen 8 benachbarter Einzellichtquellen berühren. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird mindestens eine Einzellichtquelle bezüglich der optischen Achse 12 der abbildenden Optik dezentriert. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die sich berührenden Abbilder 9 der Quellflächen 8 eine geschlossene Fläche bilden. Eventuelle vorhandene Lücken 11 können somit geschlossen werden.
Während Mikrolinsen-Arrays, die idealerweise in oder nahe einer konjugierten Leuchtfeldblendenebene angeordnet sind, in erster Linie der Homogenisierung dienen, haben abbildende Optiken die unmittelbar vor den Einzellichtquellen angeordnet sind eine völlig andere Wirkungsweise. Durch diese wird zunächst jeweils für jede Einzellichtquelle ein vergrößertes Abbild deren Quellfläche erzeugt. Diese Quellflächen sollten sich im idealen Fall berühren und somit idealerweise den effektiven Füllfaktor von deutlich unter 1 auf 1 erhöhen. Als Füllfaktor wird hierbei das Verhältnis von Leuchtfläche zu Trägerfläche bezeichnet.
In Figur 2b werden die von den Einzellichtquellen erzeugten Quellflächen 8 vom Mikrolinsen-Array 10 vergrößert und durch eine geeignete Abbildungsoptik 13 dem Beleuchtungsstrahlengang des Mikroskops zugeführt.
Eine weitere vorteilhafte, nicht dargestellte Ausgestaltung ergibt sich, wenn ein oder mehrere Einzellichtquellen soweit dezentiert sind, dass sich deren Abbilder der Quellflächen mit den Abbildern der Quellflächen benachbarter Einzellichtquellen vollständig überlagern. Durch die Überlagerungen von Quellflächen bzw. deren Abbilder können beispielsweise Farben gemischt und sogar Weißlicht erzeugt werden.
Als abbildende Optik werden hierbei insbesondere ein oder eine Mehrzahl von Linsen, diffraktiven Optiken, Gradienten-Index-Linsen oder auch Spiegeln verwendet. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung Mikrolinsen-Arrays mit asphärischen Linsen, die aus Kunststoff gefertigt sein können. Bei der vorgeschlagenen Lösung werden als Einzellichtquellen insbesondere kleinflächige Lichtquellen verwendet, mit denen ein hohen Füllfaktor erreicht werden kann. Hierbei sind beispielsweise LEDs, organische Leuchtdioden (O- LEDs), Faserlaser, Laserdioden bzw. auch die Enden von Lichtleitfasern Lichtleitfaserbündeln oder Mischstäben verwendbar.
Es wäre auch denkbar dieses Prinzip der Erhöhung des effektiven Füllfaktors auf eine konventionelle Halogenlampe anzuwenden. Die einzelnen Windungen der Wendel einer Halogenlampe erzeugen eine Quellfläche, die in erster Näherung aus einzelnen hell leuchtenden Balken besteht. Von einer abbildenden Optik wird diese, von den Wendeln der Halogenlampe erzeugte Quellfläche vergrößert, d. h. die Balken werden verbreitert aber nicht verlängert, dass sich die Balken berühren. Der effektiven Füllfaktor kann dadurch von deutlich unter 1 auf 1 erhöht werden.
Gleichzeitig müssen die Aberrationen vor allem der stark dezentrierten Elemente im vorderen Teil der Anordnung beherrscht und kompensiert werden, weil sonst diese Elemente kaum zum Intensitätsgewinn beitragen. Hierzu wird eine geeignete Dezentrierung von der jeweiligen Mikrolinse zur Quelle verwendet, die diese Aberrationen quellortabhängig vorhält bzw. kompensiert.
Des weiteren sollten die Begrenzungen der Mikrolinsen möglichst geringe azimutale Unterschiede aufweisen, weil diese wiederum zu unterschiedlich aufgenommenen Aperturen in den verschiedenen Azimuten führen, was ebenfalls eine Feldinhomogenität zur Folge hat. Um dies zu erreichen sind die einzelnen Linsen, vorzugsweise hexagonal und nicht quadratisch begrenzt.
Letztlich müssen die Brennweite der Mikrolinse, der begrenzende Durchmesser bzw. die Kantenlänge des begrenzenden Hexagons der Mikrolinse, der Quellabstand und die Quellflächengröße so auf einander abgestimmt sein, dass sich eine möglichst große Feldhomogenität einstellt. Dies hat zur Folge, dass auf homogenisierende Elemente im Strahlengang, wie z. B. der Streuscheibe, verzichtet werden kann und die Anordnung äußerst effizient arbeitet.
Figur 3 zeigt den Strahlverlauf für ein dreidimensionales LED-Arrays mit der entsprechenden Intensitätsverteilung in der Objektebene. Im Vergleich dazu ist in Figur 4 der Strahlverlauf für ein zweidimensionales LED-Array mit der Intensitätsverteilung in der Objektebene dargestellt. Hier ist ersichtlich, dass es bei einem zweidimensionalen LED-Array in der Bildebene zu einer leicht inhomogenen Ausleuchtung kommt, die sich in einem Randabfall bemerkbar macht. Dieser Randabfall der Intensität im Objektfeld kann durch die Verwendung eines dreidimensionalen LED-Arrays vermieden werden, da die LEDs homogen über die Fläche ins Feld abgebildet werden.
Die Beleuchtungsvorrichtung verfügt zur Erzielung einer möglichst homogenen Ausleuchtung der Objektebene über zusätzliche optische Elemente. Neben diffraktiven optischen Elementen (DOE) werden dabei vorzugsweise Mikrolin- sen-Arrays eingesetzt. Diese sitzen idealerweise in oder nahe einer konjugierten Leuchtfeldblendenebene und wirken in erster Linie homogenisierend.
Durch die geeignete Kombination von Beleuchtungsstrahlengang, Abstrahlcharakteristik der einzelnen LEDs, Geometrie von Lichtquelle und Streuscheibe, Mikrolinsenarray und Ansteuerung der einzelnen LEDs kann eine homogene Feldausleuchtung und eine strukturierte Beleuchtung in der Objektebene erreicht werden.
Mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung können Beleuchtungsvarianten für alle in der Mikroskopie wesentlichen Kontrastverfahren erzeugt werden. Die verwendete LED-Beleuchtung ist elektronisch schaltbar, in der Helligkeit regelbar und sie liefert alle Farben. Die Beleuchtungsvorrichtung ist langlebiger und kostengünstiger und der Strahlengang ist kompakter und kostengünstiger gestaltet, als das bei konventionellen Mikroskopbeleuchtungen der Fall ist. LEDs weisen eine lange Lebensdauer auf und sind sehr robust und unempfind- lieh gegen Erschütterungen. Die räumliche Lichtverteilung und die Farbtemperatur sind einstellbar. Mit LEDs ist eine äußerst effiziente Umwandlung elektrischer Energie in elektromagnetische Strahlung im gewünschten Spektralbereich, bei einer reduzierten Wärmebelastung des Gerätes möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Beleuchtungsvorrichtung für Mikroskope, mit einer Mehrzahl in ihrer Helligkeit regelbaren Einzellichtquellen (1-6), wobei diese Einzellichtquellen (1-6) in Form von Einheitszellen (A, A', B, B', C, C) ausgebildet sind und durch periodische Anordnung eine Leuchtfläche füllen.
2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 , bei der die Einheitszelle (A, A', B1 B', C, C) aus einer Anordnung von mindestens vier Einzellichtquellen (1-6) mit mindestens zwei unterschiedlichen Farben besteht.
3. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Trägerfläche, auf der die Einzellichtquellen (1-6) angeordnet sind, eine ebene, kegelschnittförmige, konvexe oder konkave Form aufweist.
4. Beleuchtungsvorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei der die Trägerfläche verspiegelt ist.
5. Beleuchtungsvorrichtung, vorzugsweise nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei der jeder Einzellichtquelle eine abbildende Optik zugeordnet ist.
6. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei der jede abbildende Optik so gewählt und angeordnet ist, dass das Abbild (11 ) der Quellfläche (8) der Einzellichtquelle (1-6) vergrößert ist, dass sich die Abbilder (11) der Quellflächen (8) benachbarter Einzellichtquellen (1-6) berühren.
7. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei der mindestens eine Einzellichtquelle (1-6) bezüglich der optischen Achse (12) der abbildenden Optik dezentriert ist.
8. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 7, bei der ein oder mehrere Einzellichtquellen (1-6) soweit dezentiert sind, dass sich deren Abbilder (11 ) der Quellflächen (8) mit den Abbildern (11 ) der Quellflächen (8) einer oder mehrerer benachbarter Einzellichtquellen (1-6) vollständig überlagern.
9. Beleuchtungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der die abbildende Optik aus einer oder einer Mehrzahl von Linsen, diffrakti- ven Optiken, Gradienten-Index-Linsen oder Spiegeln besteht.
10. Beleuchtungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 9, bei der die abbildende Optik aus Kunststoff besteht.
11. Eine Beleuchtungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der als Einzellichtquellen LEDs, organische Leuchtdioden (OLEDs), Faserlaser, Laserdioden bzw. das Ende von Lichtleitfasern, Lichtleitfaserbündeln oder eines Mischstabes verwendet werden kann.
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