EP2010953A1 - Vorrichtung und verfahren zur lichtstarken homogenen beleuchtung mit minimierten lichtreflexen zur anwendung in mikroskopen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur lichtstarken homogenen beleuchtung mit minimierten lichtreflexen zur anwendung in mikroskopen

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EP2010953A1
EP2010953A1 EP07722192A EP07722192A EP2010953A1 EP 2010953 A1 EP2010953 A1 EP 2010953A1 EP 07722192 A EP07722192 A EP 07722192A EP 07722192 A EP07722192 A EP 07722192A EP 2010953 A1 EP2010953 A1 EP 2010953A1
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EP
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plane
lens
light source
intermediate image
focal length
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Application number
EP07722192A
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English (en)
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Inventor
Mark A. Weber
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NanoFocus AG
Original Assignee
NanoFocus AG
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Publication date
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes
    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/0032—Optical details of illumination, e.g. light-sources, pinholes, beam splitters, slits, fibers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/06—Means for illuminating specimens

Definitions

  • the method described here is used in reflective microscopes for the appropriate shaping of the illumination beam with high luminous efficacy, and the adaptation of the illumination aperture to the entrance pupil of the microscope objective.
  • this invention one can create new uses for relatively low light sources.
  • the use of LED light sources in confocal microscopes, which are considered to be very faint, is made possible by this invention.
  • the influence of internal light reflections is considerably reduced by a suitable aperture positioning.
  • Fig.l Schematic diagram for shaping the light beam for homogeneous image illumination on a defined surface
  • Fig. 1 shows the principle for homogenizing the illumination of the intermediate image for use in microscopes with minimal loss of illumination intensity and minimized light reflection.
  • Light that can not get into the entrance pupil of the microscope objective used is already eliminated by the aperture combination used to eliminate light reflections.
  • an LED (1) should be used. If possible, this should be designed as a Lambert radiator and emit as homogeneously as possible.
  • a rectangular aperture (3) is inserted in the rear focal plane of the lens combination.
  • the opening must be fully illuminated and must not be partially shaded by possible further apertures.
  • the illumination is defined here by the angular distribution of the emitted light intensity. Due to the lambert characteristic of the beam profile, therefore, a very homogeneous illumination of the diaphragm is present at this point.
  • the intermediate image plane is homogeneously illuminated.
  • a circular aperture (5) is inserted in the rear focal plane of the lens (4).
  • the emitter of the LED (1) is focused on this aperture.
  • V f 2 / fi.
  • b 2 is the distance between the intermediate image plane (6) and the lens (4) and g 2 is the distance between the rectangular diaphragm (3) and the lens (4).
  • the pinhole (5) which corresponds to the pinhole (5) of Fig.l
  • the field lens (8) on the entrance pupil of the microscope objective (9) is mapped.
  • the image of the emitter is thus on the entrance pupil of the lens, appears behind the lens as Angle distribution and is only visible clearly behind the focal plane of the lens.
  • the illumination of the sample corresponds approximately to the illumination in the intermediate image plane (6), where typically the confocal filter disc is located.
  • the detection branch the light reflected back from the sample is first imaged onto the intermediate image plane (6).
  • the field lens (8) with the focal length fj located near the intermediate image plane focuses the pupil of the microscope objective over the beam splitter onto the pupil of the imaging lens (10).
  • the imager (10) images the intermediate image (6) onto the detector matrix (11), typically a CCD camera.
  • the optical path between the intermediate image plane and the diaphragm (5) or imaging lens (10) should have an identical length in order to achieve maximum illumination.
  • a tube length of e.g. 160mm results in continuation of the above example, an enlargement of the diaphragm (5) of a maximum of 1.6. This means that a diaphragm diameter (5) of 5 mm in the illumination branch is imaged onto a pupil diameter of 8 mm and focused again in the detection branch to a spot diameter.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur lichtstarken homogenen Beleuchtung mit minimierten Lichtreflexen zur Anwendung in reflektierend arbeitenden Mikroskopen, die gekennzeichnet ist durch eine homogen abstrahlende Lichtquelle (1) mit einer in Abstrahlrichtung nachfolgend angeordneten kurzbrennweitigen Linsenkombination (2) mit einer Brennweite f1, die so justiert ist, dass die Lichtquelle im Unendlichen abgebildet ist, und in deren rückwärtiger Brennebene eine rechteckige Blendenöffnung (3) eingesetzt ist, wobei sich in dieser Ebene die Fourierebene der Linsenkombination befindet, durch eine weitere Linse (4) der Brennweite f2, durch die die rechteckige Blende (3) auf die Zwischenbildebene (6) des Mikroskops abgebildet wird und in deren rückwärtiger Brennebene eine kreisförmige Blende (5) angeordnet ist, auf die die Lichtquelle (1) scharf abgebildet wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur lichtstarken homogenen Beleuchtung mit minimierten Lichtreflexen zur Anwendung in Mikroskopen
Das hier beschriebene Verfahren dient in reflektierend arbeitenden Mikroskopen zur geeigneten Formung des Beleuchtungsstrahls mit hoher Lichtausbeute, und der Anpassung der Beleuchtungsapertur an die Eintrittspupille des Mikroskopobjektivs. Mithilfe dieser Erfindung kann man neue Einsatzmöglichkeiten für relativ lichtschwache Lichtquellen schaffen. Insbesondere der Einsatz von LED- Lichtquellen in konfokal arbeitenden Mikroskopen, welche als sehr lichtschwach gelten, wird durch diese Erfindung ermöglicht. Der Einfluss von internen Lichtreflexen wird durch eine geeignete Blendenpositionierung erheblich reduziert.
Es zeigen:
Fig.l) Prinzipskizze zur Formung des Lichtstrahls für homogene Bildausleuchtung auf definierter Fläche
Fig.2) Prinzipskizze zur Abbildung der Pupillen
Fig. 1) zeigt das Prinzip zur homogenisierung der Ausleuchtung des Zwischenbildes zur Anwendung in Mikroskopen mit minimalem Verlust an Beleuchtungsintensität und minimierter Lichtreflexbildung. Licht, welches nicht in die Eintrittspupille des verwendeten Mikroskopobjektivs gelangen kann, wird zur Eliminierung von Lichtreflexen schon durch die eingesetzte Blendenkombination ausgeblendet. Als Lichtquelle soll in diesem Fall ohne Beschränkung der Allgemeinheit eine LED (1) eingesetzt werden. Diese soll nach Möglichkeit als Lambert- Strahler ausgeführt sein und möglichst homogen abstrahlen. Es folgt eine möglichst kurzbrennweitige Linsenkombination (2) mit der Brennweite fi (z.B. fj = 10 - 15mm) welche so justiert wird, dass der Emitter der LED im Unendlichen abgebildet wird, also im Fokus der Linsenkombination ist. Je schärfer der Emitter ins Unendliche abgebildet werden kann, umso geringere Probleme mit unbestimmten Lichtreflexen erhält man im Folgenden. Eine rechteckige Blendenöffnung (3) wird in der rückwärtigen Brennebene der Linsenkombination eingesetzt. Die Öffnung muss vollständig ausgeleuchtet sein und darf nicht durch mögliche weitere Blenden teilweise abgeschattet sein. In dieser Ebene befindet sich die Fourierebene der Linsenkombination (2), weswegen die Ausleuchtung hier durch die Winkelverteilung der emittierten Lichtintensität definiert ist. Durch die Lambert- Charakteristik des Strahlprofϊls liegt also an dieser Stelle eine sehr homogene Ausleuchtung der Blende vor. Diese Blende wird mithilfe einer weiteren Linse (4) der Brennweite f2 (z.B. f2 = 50mm) auf die Zwischenbildebene (6) im Mikroskop abgebildet. Dadurch wird die Zwischenbildebene homogen ausgeleuchtet. Eine kreisförmige Blende (5) wird in der rückwärtigen Brennebene der Linse (4) eingesetzt. Auf diese Blende wird der Emitter der LED (1) scharf abgebildet. Die Vergrößerung des Emitters entspricht dem Brennweitenverhältnis V = f2/f i . Bei einer Emittergröße von ca. 1 mm (High-Power-LED) bedeutet das mit den vorgeschlagenen Brennweiten eine Ausleuchtung der Blende (5) von ca. 4-5 mm Durchmesser. Zur Erhöhung der Lichtausbeute im Mikroskop sollte die Blende möglichst minimal größer sein. Aus dem Quotient der gewünschten Diagonale des ausgeleuchteten Zwischenbildes (6) und der Diagonale der Rechteckblende (3) berechnet sich die mit der Linse (4) zu erreichende Vergrößerung V2 = b2 / g2. Dabei ist b2 der Abstand zwischen Zwischenbildebene (6) und Linse (4) und g2 der Abstand zwischen Rechteckblende (3) und Linse (4). Wenn das Zwischenbild also eine Diagonale von 22,6 mm bei einer Blendendiagonale von 11,3 mm haben soll, ergibt sich die Vergrößerung V2= 2, also b2 = 2 • g2 mit g2 = 1,5 • f2 und b2 = 3 • f2. Die Entfernung zwischen Lochblende (5) und Zwischenbild (6) berechnet sich zu d = b2 - f2 = 2 • f2.
Fig.2) zeigt einen typischen Strahlengang im Reflexions- Lichtmikroskop bzw. Konfokalmikroskop mit Beleuchtung durch das Mikroskopobjektiv. Hierbei wird die Lochblende (5) , welche der Lochblende (5) aus Fig.l) entspricht, durch die Feldlinse (8) auf die Eintrittspupille des Mikroskopobjektivs (9) abgebildet. Das Bild des Emitters befindet sich also auf der Eintrittspupille des Objektivs, zeigt sich hinter dem Objektiv als Winkelverteilung und wird erst deutlich hinter der Fokusebene des Objektivs sichtbar. Die Ausleuchtung der Probe entspricht etwa der Ausleuchtung in der Zwischenbildebene (6), wo sich typischerweise die Konfokalfilterscheibe befindet. Im Detektionszweig wird das von der Probe zurückreflektierte Licht zunächst auf die Zwischenbildebene (6) abgebildet. Die nahe der Zwischenbildebene befindliche Feldlinse (8) mit der Brennweite fj fokussiert die Pupille des Mikroskopobjektivs über den Strahlteiler auf die Pupille der Abbildungslinse (10). Die Abbildungsimse (10) bildet das Zwischenbild (6) auf die Detektormatrix (11), typischerweise eine CCD- Kamera ab. Der zwischen Zwischenbildebene und Blende (5) bzw. Abbildungslinse (10) liegende optische Weg sollte eine identische Länge haben, um maximale Ausleuchtung zu erzielen.
Bei einer Tubuslänge von z.B. 160mm ergibt sich zur Fortführung des obigen Beispiels eine Vergrößerung der Blende (5) von maximal 1,6. Das bedeutet, dass ein Blendendurchmesser (5) von 5 mm im Beleuchtungszweig auf einen Pupillendurchmesser von 8 mm abgebildet wird und im Detektionszweig wieder auf einen Spotdurchmesser fokussiert wird.
Mit f ' = fr'+g"1 ergibt sich für den Fall, dass sich die Feldlinse etwa in der Zwischenbildebene befindet, eine Brennweite f3 von 61,5 mm.

Claims

Patentanspxrüche
1. Vorrichtung zur lichtstarken homogenen Beleuchtung mit minimierten Lichtreflexen zur Anwendung in reflektierend arbeitenden Mikroskopen, gekennzeichnet durch eine homogen abstrahlende Lichtquelle (1) mit einer in Abstrahlrichtung nachfolgend angeordneten kurzbrennweitigen Linsenkombination (2) mit einer Brennweite fi, die so justiert ist, dass die Lichtquelle (1) im Unendlichen abgebildet ist, und in deren rückwärtiger Brennebene eine rechteckige Blendenöffnung (3) eingesetzt ist, wobei sich in dieser Ebene die Fourierebene der Linsenkombination (2) befindet, durch eine weitere Linse (4) der Brennweite fa, durch die die rechteckige Blende (3) auf die Zwischenbildebene (6) des Mikroskops (9) abgebildet wird und in deren rückwärtiger Brennebene eine kreisförmige Blende (5) angeordnet ist, auf die die Lichtquelle (1) scharf abgebildet wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle der Emitter einer LED ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, die Lichtquelle (1) als Lambert-Strahler ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der kreisförmigen Blende (5) und dem Objektiv des Mikroskops (9) eine Feldlinse (8) angeordnet ist und zwischen der kreisförmigen Blende (5) und der Zwischenbildebene (6) ein Strahlteiler (7) vorgesehen ist, über den die Pupille des Mikroskop- Objektivs auf die Pupille einer Abbildungslinse (10) mit der Brennweite f3 abgebildet wird, die das Zwischenbild (6) auf einen Detektor (10) , der beispielsweise eine CCD- Kamera sein kann, abbildet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Weg zwischen der Zwischenbildebene (6) und der Blende (5) identisch ist dem optischen Weg zwischen der Zwischenbildebene (6) und der Abbildungslinse (10).
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