EP3475751A1 - Mikroskopbeleuchtungseinrichtung sowie mikroskop mit einer derartigen mikroskopbeleuchtungseinrichtung - Google Patents

Mikroskopbeleuchtungseinrichtung sowie mikroskop mit einer derartigen mikroskopbeleuchtungseinrichtung

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EP3475751A1
EP3475751A1 EP17734286.2A EP17734286A EP3475751A1 EP 3475751 A1 EP3475751 A1 EP 3475751A1 EP 17734286 A EP17734286 A EP 17734286A EP 3475751 A1 EP3475751 A1 EP 3475751A1
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EP
European Patent Office
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light
conversion element
illumination device
fluorescent materials
microscope
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17734286.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Cornell Peter Gonschior
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.)
Leica Microsystems CMS GmbH
Original Assignee
Leica Microsystems CMS GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Leica Microsystems CMS GmbH filed Critical Leica Microsystems CMS GmbH
Publication of EP3475751A1 publication Critical patent/EP3475751A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/06—Means for illuminating specimens
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0003—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being doped with fluorescent agents
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
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    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/6456—Spatial resolved fluorescence measurements; Imaging
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/062—LED's
    • G01N2201/0626—Use of several LED's for spatial resolution

Definitions

  • the present invention relates to a microscope illumination device and a microscope with such a microscope illumination device.
  • LEDs For the illumination device of scientific and / or medical devices, such as microscopes, microdissection devices, endoscopes, etc., often semiconductor elements such as LEDs are used. By combining a plurality of different light-emitting diodes, which emit light in different wavelength ranges, an illumination light with a white color impression can be generated.
  • DE 10 2010 067 786 A1 discloses a microscope illumination with at least one semiconductor light source and at least one light mixing element.
  • the light mixing element light entering through a light entrance surface is mixed in its interior. At a light exit surface mixed light emerges from the light mixing element.
  • the semiconductor light sources are, for example, light-emitting diodes. Several light-emitting diodes can be used, for example to produce a white mixed light. Similar illumination devices are also described, for example, in documents US Pat. No. 4,923,279 AI, US Pat. No. 6,783,269 B2, US Pat. No. 5,588,084 AI and US Pat. No. 7,898,665 B2.
  • US 2009/0034292 A1 shows an illumination device with at least one LED and with a light guide, which contains different wavelength conversion materials, each with different emission regions. The wavelength conversion materials are irradiated by the LED and the converted light is coupled out at a light exit surface. The illumination device generates white light as a backlight for monitors.
  • the microscope illumination device has at least one light source and a light conversion element.
  • the at least one light source is in particular as at least one semiconductor light source or as at least one semiconductor element formed, for example as at least one light emitting diode and / or as at least one laser light source.
  • the light conversion element is designed as at least one light guide, which contains different fluorescent materials, each with different emission regions.
  • the different fluorescent materials each have an excitation region or absorption region, wherein they absorb light with wavelength in this excitation region in each case expediently. After such excitation, the fluorescent materials emit emission light having wavelengths in the respective emission region.
  • the individual materials may each have the same excitation range or different excitation ranges.
  • light can be generated inside the light conversion elements by the fluorescent materials.
  • the at least one light source is arranged in such a way that emission light for excitation of the fluorescent materials from the at least one light source is coupled into the light conversion element.
  • the emission light of the light sources expediently has a wavelength which lies in the excitation region of the fluorescent materials.
  • the light conversion element is designed in such a way that light emitted by the fluorescent materials is conducted to a light exit surface of the light conversion element where it is decoupled as illumination light.
  • the light conversion element is in particular not completely made of the fluorescent materials, but the materials are introduced into the light conversion element at suitable locations.
  • the light conversion element expediently has the properties of a conventional light guide.
  • the light conversion element is transparent, so that emission light from the light sources can be radiated into the light conversion element in a simple manner.
  • the emission light generated by the fluorescent materials becomes expediently guided by reflection or total reflection within the light conversion element.
  • the light conversion element may be composed of a light guide or of a plurality of light guides, which are arranged in succession or in succession, in particular. These individual light guides can expediently have the same or at least substantially the same shape.
  • the composition of the individual light guides, in particular the density and the nature of the fluorescent materials incorporated therein, can be identical or else different.
  • the invention enables a separation between the primary light sources and the generation of the illumination light.
  • the light conversion element makes it possible to convert the emission light of the light sources into the illumination light.
  • Characteristics of the illumination light are determined in particular by the properties of the fluorescent materials and are in particular not or at least hardly dependent on characteristics of the light sources used. By suitable choice of the fluorescent materials, it is expedient to provide a homogeneous white illumination light with a broadband, continuous spectrum.
  • illumination light sources eg for microscopes or other scientific purposes, often use different light emitting diodes or other semiconductor light sources whose light is mixed to produce a white color impression.
  • individual light-emitting diodes usually have only a very narrow-band emission spectrum, a combination of a multiplicity of different light-emitting diodes, each with different emission spectra, is necessary in order to produce illumination light with a white color impression.
  • this illumination light is not homogeneously white and usually has no broadband, continuous spectrum but a sequence of individual discrete or narrowband individual spectra.
  • Such conventional illumination light sources often require a multiplicity of different optical elements, for example dichroic mirrors, which have to be adapted precisely to the specific beam characteristics and arrangements of the light-emitting diodes.
  • Such conventional illumination light sources are structurally very complex and require high precision in the alignment of optical elements.
  • the illumination light source according to the invention it is possible to produce homogeneous white illumination light without great constructive effort and without the need for precisely aligned optical elements.
  • the individual fluorescent materials each have a broadband emission spectrum.
  • the fluorescent materials each have the same or similar excitation regions, it is possible, for example, to use light sources, in particular light-emitting diodes of the same type or with identical or similar emission spectra, in order to simultaneously excite all the fluorescent materials in the light conversion element. Nevertheless, a broadband illumination light can be generated by the different emission regions of the fluorescent materials.
  • the illumination light source makes it possible to flexibly change the spectral composition or the spectrum of the illumination light.
  • individual spectral components of the illumination light can be flexibly connected or disconnected.
  • different fluorescing materials each have different individual excitation regions, respective ones can be used to excite these individual materials Be provided light sources with specially adapted to these excitation areas emission areas.
  • the spectral composition of the illumination light can be varied by turning the respective light sources on or off.
  • the generated homogeneous white illumination light which is a very natural-looking light, is particularly suitable for illuminating objects to be observed in microscopes.
  • the microscope illumination device is also suitable for use for other, in particular scientific and / or medical, purposes, e.g. for microdissection devices, endoscopes, etc.
  • the light conversion element may be formed, for example, as a rod, fiber, disk, plate, etc.
  • the light conversion element may also include a core and a cladding, wherein light is conducted within the core.
  • the jacket in particular has a lower refractive index than the core.
  • the individual light sources are arranged on one or more sides of the light conversion element and illuminate it from the side. It is also conceivable, for example, that the light conversion element is guided past the light sources in a spiral or meandering pattern.
  • the light sources are arranged in one or more rows.
  • at least two of the light sources are arranged next to one another in such a row.
  • these rows are each arranged parallel to one another, for example on opposite sides of the light conversion element.
  • the light sources arranged in such a row are expediently identical or identical or emit emission light of the same or at least substantially the same wavelength. If the different fluorescent materials each have different, individual excitation ranges, the individual rows can each be used to excite a specific material. be seen. Thus, spectral components of the illumination light can be easily switched on or off by activating or deactivating corresponding rows of light sources.
  • the light conversion element expediently has a circular and / or elliptical and / or polygonal cross-sectional area. In a polygonal shape, the emission light of the light sources can be particularly effectively coupled to the corresponding flat side surfaces of the light conversion element. For example, the individual light sources can also be arranged directly on these flat side surfaces.
  • the cross-sectional area of the light conversion element has the shape of a polygon with rounded corners.
  • a particularly effective mixing of the light emitted by the individual fluorescent materials can be ensured.
  • oblique beams are suppressed, resulting in particular in a homogeneous illumination of the light exit surface.
  • the at least one light source is expediently arranged on at least one active and / or passive cooling device.
  • a separate cooling device may be provided for each of the above-described rows of light sources.
  • a control device for controlling the light sources is provided.
  • This control device can be expediently also set up to control active cooling devices.
  • the light conversion element is divided into sections.
  • Each of these sections advantageously contains only one of the fluorescent materials at a time.
  • each of these sections preferably each contains fluorescent materials with them or at least substantially the same emission areas.
  • the light conversion element is divided into sections such that light is emitted in different emission regions in each of these sections. In particular, therefore, a different proportion of the illumination light is generated in different wavelength ranges in each of these sections.
  • the individual sections can be realized, for example, by individual different light guides, which each contain the corresponding fluorescent materials.
  • the at least one light source has a plurality of light sources, of which at least one is provided for each of the sections.
  • the light sources associated with the same of the sections are arranged in a group.
  • the light sources of such a group can be arranged in rows, as explained above.
  • the light sources of such a group illuminate only the corresponding section and excite the corresponding fluorescent materials of the respective section.
  • the different groups of light sources can be activated and deactivated individually and independently of each other.
  • the sections are preferably separated from one another by separating elements which each reflect or absorb light at specific wavelengths.
  • these separating elements each absorb or reflect emission light from the light sources.
  • light from the light sources or the group of light sources which has not been absorbed in the respective section by the fluorescent materials there, is forwarded to adjacent sections and, where appropriate, the latter excites fluorescent materials, although this section is disabled.
  • the light conversion element is formed as at least one transparent solid body containing the different fluorescent materials.
  • a solid body made of glass or plastic, such as acrylic glass (polymethylmethacrylate, PMMA), be made.
  • the different fluorescent materials can be introduced in a simple, constructively low-cost manner. Furthermore, a simple coupling of the light of the light sources and an efficient light conduction within the solid can be ensured.
  • Quantum dots are nanoscopic material structures, in particular of semiconductor material (eg InGaAs, CdSe, InP or GalnP).
  • semiconductor material eg InGaAs, CdSe, InP or GalnP.
  • Charge carriers (electrons, holes) in a quantum dot are so limited in their mobility that their energy can no longer be continuous, but only assume discrete values, which is why quantum dots behave similarly to atoms. Shape, size and number of electrons can be selected appropriately, so that electronic and optical properties of quantum dots can be set flexibly.
  • emission spectra of individual quantum dots are not line spectra, but in particular have the shape of a Lorentz curve.
  • the emission spectrum of an ensemble of quantum dots has the form of a Gaussian curve, since the superposition of individual spectral Lorentz curves at different emission wavelengths leads in particular to a Gaussian distribution.
  • the different emission regions of the different fluorescent materials are each chosen such that, if in each of these different emission regions each light is emitted, at the light exit surface homogeneous or at least substantially homogeneous white.
  • the light is provided.
  • the light conversion element contains different fluorescent materials with eg at least three different emission regions. By means of such different emission regions, it is expedient to provide a particularly homogeneous white illumination light with a broadband spectrum.
  • the emission light of the at least one light source has shorter wavelengths than the light emitted by the fluorescent materials.
  • the fluorescent materials each have an absorption region at shorter wavelengths than their respective emission regions.
  • the light sources emit in the blue or UV range. This light is converted by the light conversion elements expediently into light in the visible range.
  • the emission light of the at least one light source has wavelengths between 300 nm and 500 nm, preferably between 350 nm and
  • the different emission regions of the different fluorescent materials are at wavelengths between 400 nm and 700 nm, preferably at wavelengths between 450 nm and 670 nm.
  • center wavelengths of the individual emission regions of the fluorescent materials at 450 nm and / or 490 nm and / or 525 nm and / or 540 nm and / or 575 nm and / or 630 nm and / or 665 nm.
  • the fluorescent materials are arranged in the light conversion element such that a density and / or the emission regions and / or excitation regions of the fluorescent materials follow a predetermined distribution along a length of the light conversion element in the direction of the light exit surface.
  • the density decreases in the direction of the light exit surface.
  • the distributions of density as well as excitation and emission regions are coordinated so that a second absorption (ie an absorption of the light emitted by the fluorescent materials Light) can be prevented, whereby the efficiency of the illumination light source can be increased.
  • a reflective element is arranged on one of the light exit surface opposite end of the light conversion element, e.g. a reflective coating.
  • a reflective coating When light emitted from the fluorescent materials in the light conversion element is conducted to this end, it is reflected on the reflective element in the direction of the light exit surface and directed thereto.
  • the entire or at least substantially all the emission light generated in the light conversion element is thus expediently provided as illuminating light at the light exit surface.
  • the reflective element is adapted to reflect light having wavelengths in the emission regions of the fluorescent materials.
  • the reflective element may also be transparent in specific wavelength ranges, for example in one or all excitation regions of the fluorescent materials.
  • one or more of the light sources are arranged, which emit light in this particular wavelength range.
  • a light-emitting element is arranged on the light exit surface of the light conversion element.
  • an effective delivery or radiation of the illumination light is ensured by this light-emitting element.
  • the light-emitting element may be used as an antireflection element, e.g. an antireflection coating, and / or be designed as a parabolic concentrator and / or as a gradient index lens.
  • the invention further relates to a microscope with a preferred embodiment of a microscope illumination device according to the invention.
  • Advantages and preferred embodiments of the microscope according to the invention emerge the above description of the microscope illumination device according to the invention in an analogous manner.
  • FIG. 1 schematically shows a preferred embodiment of a microscope illumination device according to the invention in a side view.
  • FIG. 2 schematically shows preferred embodiments of a microscope illumination device according to the invention, each in a cross-sectional representation.
  • FIG. 3 schematically shows spectra of fluorescent materials of a preferred embodiment of a microscope illumination device according to the invention.
  • FIG. 4 schematically shows a preferred embodiment of a microscope illumination device according to the invention in a side view.
  • FIG. 5 schematically shows a preferred embodiment of a microscope according to the invention with a preferred embodiment of a microscope illumination device according to the invention in a side view.
  • 1 shows a preferred embodiment of a microscope illumination device according to the invention is shown schematically in a side view and designated 100.
  • the microscope illumination device 100 has light sources 110 in the form of light-emitting diodes. In the illustrated example, four light-emitting diodes are combined to form a group 111 or 112. The light-emitting diodes of each of these groups 111 and 112 are each arranged linearly next to one another in a row.
  • an active cooling device 121 or 122 is provided in each case.
  • a control unit 130 is provided for controlling the individual light-emitting diodes 110 and optionally the active cooling devices 121 and 122.
  • the control unit 130 may control the LEDs of each group 111 and 112 together.
  • the light-emitting diodes 110 are in particular of the same type and each emit emission light in the same wavelength range, for example violet light in a wavelength range between 380 nm and 390 nm.
  • the microscope illumination device 100 furthermore has a light conversion element 140.
  • the light conversion element 140 is formed as a light guide containing different fluorescent materials 151 to 157 each having different emission regions.
  • the light guide is preferably formed as a transparent solid and made of acrylic glass (polymethyl methacrylate, PMMA, for example).
  • the fluorescent materials 151 to 157 may have been firmly introduced into the acrylic glass in a manufacturing process.
  • the individual fluorescent materials 151 to 157 can each be introduced into the acrylic glass as quantum dots of semiconductor materials.
  • These different fluorescent materials 151 to 157 may each have a similar excitation range, for example, between 350 nm and 450 nm, respectively. However, each of the fluorescent materials 151 to 157 has an individual emission region.
  • the material 151 may have an emission range between 400 nm and 500 nm with a center wavelength of 450 nm.
  • the material 152 has, for example, an emission range between 440 nm and 540 nm with a center wavelength of 490 nm.
  • the material 153 has an emission range between 475 nm and 575 nm with a center wavelength of 525 nm.
  • the emission range of the material 154 has, for example, a center wavelength of 540
  • the center wavelength of the emission region of the material 155 is for example 575 nm and the range extends between 525 nm and 625 nm.
  • the material 156 has an emission range between 580 nm and 680 nm a central wavelength of 630 nm and the material 157 has an emission range between 615 nm and 715 nm with a center wavelength of 665 nm.
  • the groups of light sources 111 and 112 are respectively disposed on opposite sides of the light conversion element 140. Emission light from the light sources 110 can thus be coupled into the light conversion element 140 in a simple manner.
  • the light of the light sources 110 is absorbed by the different fluorescent materials 151 to 157. After this excitation, the fluorescent materials 151 to 157 each emit emission light in the respective emission regions.
  • This light emitted from the materials 151 to 157 is transported in the light conversion element 140 by total reflection to its ends 141 and 142.
  • a reflective element 143 in the form of a reflection coating is mounted at one end 141 of the light conversion element 140.
  • the emission light of the materials 151 to 157 incident there is reflected on the reflection coating 143 and is then conducted to the other end 142 of the light conversion element 140.
  • This end 142 of the light conversion element 140 is to be regarded as a light exit surface at which the light emitted by the fluorescent materials 151 to 157 is coupled out.
  • a light-emitting element may be attached to the light exit surface 142, for example in the form of an antireflection coating 144.
  • another light-emitting element can be applied to the light exit surface 142, for example in the form of a parabolic concentrator 145 or a graded-index lens 146.
  • FIG. 2a A cross section through the microscope illumination device 100 along the line AA is shown schematically in FIG. 2a.
  • the light conversion element 140 has a cross-sectional area in the form of a rectangle with rounded corners.
  • the two groups 111 and 112 of light-emitting diodes are arranged on opposite sides of the cross-sectional area.
  • FIG. 2b shows a cross-section through a preferred embodiment of a microscope illumination device 100 'according to the invention analogous to FIG. 2a. provides.
  • This microscope illumination device 100 ' has a light conversion element 140' with a circular cross-sectional area.
  • FIG. 3 schematically shows spectra of the fluorescent materials of the light conversion element from FIG. 1.
  • the abscissa indicates the wavelength in nm.
  • the curve labeled 310 characterizes the excitation range of the fluorescent materials 151 to 157.
  • FIG. 3 shows three emission spectra, for example the emission spectrum 320 of the material 151 between 400 nm and 500 nm with the center wavelength of 450 nm, the emission spectrum 330 of the material 154 between 490 nm and 590 nm with a center wavelength of 540 nm and the emission spectrum 340 of the material 156 between 580 nm and 680 nm with a center wavelength of 630 nm. Since the fluorescent materials are realized as quantum dots, their spectra each have the shape a Lorentz curve.
  • FIG. 4 shows a further preferred embodiment of a microscope illumination device according to the invention is shown in a schematic side view analogous to Figure 1 and designated 100 ".
  • the microscope illumination device 100 has a light conversion element 140", which is subdivided into three sections 140a, 140b, 140c. At a light exit surface 142 "of the light conversion element 140" illumination light is coupled out.
  • the three sections 140a, 140b, 140c make it possible to flexibly connect or disconnect individual spectral components of the illumination light.
  • each of these three sections 140a, 140b, 140c each contains only one type of fluorescent material.
  • the material 151 is introduced, in the section 140b the material 154 and in the section 140c the material 156th
  • the sections 140a, 140b, 140c can be realized by each of the sections 140a, 140b, 140c is formed by a separate light guide and wherein these three optical fibers are arranged one after the other.
  • a light source group lilac, 111b and 111c is respectively provided.
  • two light emitting diodes are arranged side by side on an active cooling device 121a, 121b and 121c, respectively.
  • the light source group lilac serves to excite the material 151 in the section 140a
  • the light source group 111b serves to excite the material 154 in the section 140b
  • the light source group 111c serves to excite the material 156 in the section 140c.
  • a control unit 130 " is provided for driving the light source groups lilac, 111b and 111c and the active cooling devices 121a, 121b and 121c.”
  • Each of the light source groups lilac, 111b and 111c can be individually and independently activated and deactivated by the control unit 130 " become.
  • the spectral components of the corresponding fluorescent material can be flexibly switched on or off at the illumination light of the respective section assigned to this light source group.
  • the sections 140a, 140b and 140c are separated from each other by a separator 161 and 162, respectively, which each reflect light in the excitation region of the fluorescent materials. Thus, in particular, it can be prevented that the material of one section is excited by the LEDs of the group of the adjacent section.
  • a further light source group 113 consisting of a light-emitting diode is arranged behind the light exit surface 142 "opposite end 141" of the light conversion element 140 ".At this end 141" a reflective element 147 in the form of a reflection coating is mounted, but which is in the emission region of the light emitting diodes 110 is transparent. Thus, the light of the LED 113 of the group 113 can be directly coupled into the light conversion element 140 ".
  • the fluorescent materials 151, 154 and 156 are arranged in the light conversion element 140 "such that the emission regions of the fluorescent materials follow a predetermined distribution along a length of the light conversion element in the direction of the light exit surface 142" ,
  • a preferred embodiment of a microscope according to the invention is shown schematically in a side view and designated by 500.
  • the microscope 500 comprises a preferred embodiment of a microscope illumination device according to the invention, for example the microscope illumination device 100 shown in FIG. 1. Illumination light which is output from the microscope illumination device 100 at the light exit surface is coupled into a beam path 501 of the microscope 500. An object 502 to be observed is illuminated by the illumination light.
  • the microscope 500 further has a lens 503 and an eyepiece 504 for observing the object. It is understood that the microscope 500 may have other useful elements.
  • the microscope 500 shown in FIG. 5 is designed, for example, as a transmitted-light microscope, in which the sample is illuminated from below by the illumination light.
  • the microscope can also be designed, for example, as a reflected-light microscope, in which a sample is illuminated from above. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikroskopbeleuchtungseinrichtung (100, 100', 100") mit wenigstens einer Lichtquelle (110) und mit einem Lichtkonversionselement (140, 140', 140"), wobei das Lichtkonversionselement (140, 140', 140") als wenigstens ein Lichtleiter ausgebildet ist, der unterschiedliche fluoreszierende Materialien (151, 152, 153, 154, 155, 156, 157) mit jeweils unterschiedlichen Emissionsbereichen (320, 330, 340) enthält, wobei die wenigstens eine Lichtquelle (110) derart angeordnet ist, dass Emissionslicht zur Anregung der fluoreszierenden Materialien (151, 152, 153, 154, 155, 156, 157) von der wenigstens einen Lichtquelle (110) in das Lichtkonversionselement (140, 140', 140") eingekoppelt wird, und wobei das Lichtkonversionselement (140, 140', 140") derart ausgestaltet ist, dass von den fluoreszierenden Materialien (151, 152, 153, 154, 155, 156, 157) emittiertes Licht zu einer Lichtaustrittsfläche (142, 142") des Lichtkonversionselements (140, 140', 140") geleitet und dort als Beleuchtungslicht ausgekoppelt wird.

Description

Mikroskopbeleuchtungseinrichtung sowie Mikroskop mit einer derartigen
Mikroskopbeleuchtungseinrichtung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikroskopbeleuchtungseinrichtung sowie ein Mikroskop mit einer derartigen Mikroskopbeleuchtungseinrichtung.
Stand der Technik
Für die Beleuchtungseinrichtung von wissenschaftlichen und/oder medizinischen Geräten, wie Mikroskopen, Mikrodissektionseinrichtungen, Endoskopen, usw., werden häufig Halbleiterelemente wie Leuchtdioden verwendet. Durch Kombination mehrerer unterschiedlicher Leuchtdioden, welche jeweils in verschiedenen Wellenlängenbereichen Licht emittieren, kann ein Beleuchtungslicht mit weißem Farbeindruck erzeugt werden.
Beispielsweise wird in der DE 10 2010 067 786 AI eine Mikroskopbeleuchtung offenbart mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle und mindestens einem Licht- mischelement. In dem Lichtmischelement wird über eine Lichteintrittsfläche eintretendes Licht in seinem Inneren gemischt. An einer Lichtaustrittsfläche tritt gemischtes Licht aus dem Lichtmischelement aus. Die Halbleiterlichtquellen sind beispielsweise Leuchtdioden. Es können mehrere Leuchtdioden verwendet werden, um z.B. ein weißes Mischlicht zu erzeugen. Ähnliche Beleuchtungseinrichtungen werden beispielsweise auch in den Schriften US 4 923 279 AI, US 6 783 269 B2, US 5 588 084 AI und US 7 898 665 B2 beschrieben. Da einzelne Leuchtdioden jedoch zumeist nur ein sehr schmalbandiges Emissionsspektrum besitzen, ist ein derartig erzeugtes Beleuchtungslicht oftmals nicht homogen weiß und besitzt zumeist kein breitbandiges, kontinuierliches Spektrum, sondern eine Aneinanderreihung einzelner diskreter bzw. schmalbandiger Ein- zelspektren. Für wissenschaftliche und/oder medizinische Geräte kann es jedoch oftmals notwendig sein, ein homogenes weißes Beleuchtungslicht mit einem kontinuierlichen, breitbandigen Spektrum bereitzustellen, was mit derartigen herkömmlichen Beleuchtungseinrichtungen zumeist nicht möglich ist. Die US 2009/0034292 AI zeigt eine Beleuchtungseinrichtung mit wenigstens einer LED und mit einem Lichtleiter, der unterschiedliche Wellenlängenkonversionsmaterialien mit jeweils unterschiedlichen Emissionsbereichen enthält. Die Wellenlängenkonversionsmaterialien werden von der LED bestrahlt und das konvertierte Licht wird an einer Lichtaustrittsfläche ausgekoppelt. Die Beleuchtungseinrichtung erzeugt weißes Licht als Hintergrundbeleuchtung für Monitore.
Es ist wünschenswert, eine verbesserte Beleuchtungseinrichtung bereitzustellen, mittels welcher ein möglichst homogenes weißes Beleuchtungslicht mit einem möglichst kontinuierlichen, breitbandigen, aber variablen Spektrum erzeugt wer- den kann.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden eine Mikroskopbeleuchtungseinrichtung sowie ein Mik- roskop mit einer derartigen Mikroskopbeleuchtungseinrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Mikroskopbeleuchtungseinrichtung weist wenigstens eine Lichtquelle und ein Lichtkonversionselement auf. Die wenigstens eine Lichtquelle ist insbesondere als wenigstens eine Halbleiterlichtquelle bzw. als wenigstens ein Halbleiterelement ausgebildet, z.B. als wenigstens eine Leuchtdiode und/oder als wenigstens eine Laserlichtquelle. Das Lichtkonversionselement ist als wenigstens ein Lichtleiter ausgebildet, der unterschiedliche fluoreszierende Materialien mit jeweils unterschiedlichen Emissionsbereichen enthält.
Die unterschiedlichen fluoreszierenden Materialien weisen jeweils einen Anregungsbereich bzw. Absorptionsbereich auf, wobei sie Licht mit Wellenlänge in diesem Anregungsbereich jeweils zweckmäßigerweise absorbieren. Nach derartiger Anregung emittieren die fluoreszierenden Materialien Emissionslicht mit Wellen- längen in dem jeweiligen Emissionsbereich. Die einzelnen Materialien können dabei jeweils denselben Anregungsbereich oder jeweils unterschiedliche Anregungsbereiche aufweisen. Somit kann durch die fluoreszierenden Materialien Licht im Inneren der Lichtkonversionselemente erzeugt werden. Die wenigstens eine Lichtquelle ist derart angeordnet, dass Emissionslicht zur Anregung der fluoreszierenden Materialien von der wenigstens einen Lichtquelle in das Lichtkonversionselement eingekoppelt wird. Das Emissionslicht der Lichtquellen besitzt zweckmäßigerweise eine Wellenlänge, welche in dem Anregungsbereich der fluoreszierenden Materialen liegt. Das Lichtkonversionselement ist der- art ausgestaltet, dass von den fluoreszierenden Materialien emittiertes Licht zu einer Lichtaustrittsfläche des Lichtkonversionselements geleitet und dort als Beleuchtungslicht ausgekoppelt wird.
Das Lichtkonversionselement ist insbesondere nicht komplett aus den fluoreszie- renden Materialen gefertigt, sondern die Materialien sind an geeigneten Stellen in das Lichtkonversionselement eingebracht. Das Lichtkonversionselement besitzt zweckmäßigerweise die Eigenschaften eines herkömmlichen Lichtleiters. Insbesondere ist das Lichtkonversionselement transparent, so dass Emissionslicht der Lichtquellen auf einfache Weise in das Lichtkonversionselement eingestrahlt wer- den kann. Das durch die fluoreszierenden Materialen erzeugte Emissionslicht wird innerhalb des Lichtkonversionselements zweckmäßigerweise durch Reflexion bzw. Totalreflexion geleitet.
Das Lichtkonversionselement kann aus einem Lichtleiter oder auch aus mehreren Lichtleitern zusammengesetzt sein, welche insbesondere aufeinander folgend bzw. hintereinander angeordnet sind. Diese einzelnen Lichtleiter können zweckmäßigerweise dieselbe oder zumindest im Wesentlichen dieselbe Form besitzen. Die Zusammensetzung der einzelnen Lichtleiter, insbesondere die Dichte sowie die Art der darin eingebrachten fluoreszierenden Materialien, kann identisch sein oder auch unterschiedlich.
Durch die Erfindung wird eine Trennung zwischen den primären Lichtquellen und der Erzeugung des Beleuchtungslichts ermöglicht. Das Lichtkonversionselement ermöglicht insbesondere eine Umwandlung des Emissionslichts der Lichtquellen in das Beleuchtungslicht. Charakteristiken des Beleuchtungslichts sind insbesondere durch die Eigenschaften der fluoreszierenden Materialen bestimmt und sind insbesondere nicht oder zumindest kaum abhängig von Charakteristiken der verwendeten Lichtquellen. Durch geeignete Wahl der fluoreszierenden Materialien wird zweckmäßigerweise ein homogenes weißes Beleuchtungslicht mit einem breitbandigen, kontinuierlichen Spektrum bereitgestellt.
Herkömmliche Beleuchtungslichtquellen z.B. für Mikroskope oder andere wissenschaftliche Zwecke verwenden oftmals verschiedene Leuchtdioden oder anderen Halbleiterlichtquellen, deren Licht gemischt wird, um einen weißen Farbeindruck zu erzeugen. Da einzelne Leuchtdioden jedoch zumeist nur ein sehr schmalbandi- ges Emissionsspektrum besitzen, ist eine Kombination aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Leuchtdioden mit jeweils unterschiedlichen Emissionsspektren notwendig, um Beleuchtungslicht mit einem weißen Farbeindruck zu erzeugen. Dieses Beleuchtungslicht ist oftmals jedoch nicht homogen weiß und besitzt zumeist kein breitbandiges, kontinuierliches Spektrum, sondern eine Aneinanderreihung einzelner diskreter bzw. schmalbandiger Einzelspektren. Weiterhin wird bei derartigen herkömmlichen Beleuchtungslichtquellen oftmals eine Vielzahl von unterschiedlichen optischen Elementen benötigt, z.B. dichroitische Spiegel, welche präzise an die speziellen Strahlcharakteristiken und Anordnungen der Leuchtdioden angepasst werden müssen. Derartige herkömmliche Beleuchtungslichtquellen sind konstruktiv sehr aufwendig und bedürfen hoher Präzision bei der Ausrichtung optischer Elemente.
Im Gegensatz dazu kann mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungslichtquelle ohne großen konstruktiven Aufwand und ohne Bedarf an präzise ausgerichteten opti- sehen Elementen homogenes weißes Beleuchtungslicht erzeugt werden. Zweckmäßigerweise besitzen die einzelnen fluoreszierenden Materialien jeweils ein breitbandiges Emissionsspektrum. Somit wird es insbesondere ermöglicht, Beleuchtungslicht mit einem breitbandigen Spektrum bereitzustellen, unter der Verwendung von Lichtquellen mit einem vergleichsweise schmalbandigen Emissions- spektrum.
Beispielsweise ist es somit nicht notwendig, eine Vielzahl von unterschiedlichen Lichtquellen mit unterschiedlichen Emissionsspektren zu verwenden. Wenn die fluoreszierenden Materialen jeweils gleiche oder ähnliche Anregungsbereiche be- sitzen, können beispielsweise Lichtquellen, insbesondere Leuchtdioden, desselben Typs bzw. mit gleichen oder ähnlichen Emissionsspektren verwendet werden, um sämtliche fluoreszierende Materialien in dem Lichtkonversionselement gleichzeitig anzuregen. Durch die verschiedenen Emissionsbereiche der fluoreszierenden Materialen kann dennoch ein breitbandiges Beleuchtungslicht erzeugt werden.
Des Weiteren wird es durch die Beleuchtungslichtquelle ermöglicht, die spektrale Zusammensetzung bzw. das Spektrum des Beleuchtungslichts flexibel zu verändern. Insbesondere lassen sich einzelne spektrale Anteile des Beleuchtungslichts flexibel zu- oder abzuschalten. Beispielsweise wenn unterschiedliche fluoreszie- rende Materialien jeweils unterschiedliche individuelle Anregungsbereiche besitzen, können zur Anregung dieser einzelnen Materialien jeweils entsprechende Lichtquellen mit speziell auf diese Anregungsbereiche angepassten Emissionsbereichen vorgesehen sein. Somit kann auf einfache, flexible Weise die spektrale Zusammensetzung des Beleuchtungslichts variiert werden, indem die jeweiligen Lichtquellen ein- oder ausgeschaltet werden.
Das erzeugte homogene weiße Beleuchtungslicht, welches ein sehr natürlich wirkendes Licht darstellt, ist besonders zur Beleuchtung von zu beobachtenden Objekten in Mikroskopen geeignet. Die Mikroskopbeleuchtungseinrichtung eignet sich jedoch auch zur Nutzung für andere, insbesondere wissenschaftliche und/oder medizinische, Zwecke, z.B. für Mikrodissektionseinrichtungen, Endoskope, usw.
Das Lichtkonversionselement kann beispielsweise als Stab, Faser, Scheibe, Platte usw. ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Lichtkonversionselement auch einen Kern und einen Mantel aufweisen, wobei Licht innerhalb des Kerns geleitet wird. Der Mantel besitzt dabei insbesondere einen geringeren Brechungsindex als der Kern. Insbesondere sind die einzelnen Lichtquellen an einer oder an mehreren Seiten des Lichtkonversionselements angeordnet und beleuchten dieses von der Seite. Es ist beispielsweise auch denkbar, dass das Lichtkonversionselement spiralförmig oder mäanderförmig wiederholt an den Lichtquellen vorbeigeführt wird.
Zweckmäßigerweise sind die Lichtquellen in einer oder mehreren Reihen angeordnet. In einer derartigen Reihe sind insbesondere wenigstens zwei der Lichtquellen nebeneinander angeordnet. Insbesondere sind diese Reihen jeweils parallel zueinander angeordnet, beispielsweise an gegenüberliegenden Seiten des Lichtkonversionselements.
Die in einer derartigen Reihe angeordneten Lichtquellen sind zweckmäßigerweise gleich oder baugleich bzw. emittieren Emissionslicht derselben oder zumindest im Wesentlichen derselben Wellenlänge. Wenn die unterschiedlichen fluoreszieren- den Materialien jeweils unterschiedliche, individuelle Anregungsbereiche besitzen, können die einzelnen Reihen jeweils zur Anregung eines speziellen Materials vor- gesehen sein. Somit können spektrale Anteile des Beleuchtungslichts auf einfache Weise zu- oder abgeschaltet werden, indem entsprechende Reihen von Lichtquellen aktiviert oder deaktiviert werden. Das Lichtkonversionselement weist zweckmäßigerweise eine kreisförmige und/oder elliptische und/oder vieleckige Querschnittsfläche auf. Bei einer vieleckigen Form kann an den entsprechenden ebenen Seitenflächen des Lichtkonversionselements das Emissionslicht der Lichtquellen besonders effektiv eingekoppelt werden. Beispielsweise können die einzelnen Lichtquellen dabei auch direkt auf diesen ebenen Seitenflächen angeordnet werden.
Insbesondere besitzt die Querschnittsfläche des Lichtkonversionselements die Form eines Vielecks mit abgerundeten Ecken. Bei einer derartigen Form der Quer- schnittsfläche kann beispielsweise eine besonders effektive Durchmischung des von den einzelnen fluoreszierenden Materialien emittierten Lichts gewährleistet werden. Weiterhin werden schiefe Strahlen unterdrückt, was insbesondere zu einer homogenen Ausleuchtung der Lichtaustrittsfläche führt.
Zweckmäßigerweise ist die wenigstens eine Lichtquelle auf wenigstens einer akti- ven und/oder passiven Kühlvorrichtung angeordnet. Beispielsweise kann für jede der oben beschriebenen Reihen von Lichtquellen eine eigene Kühlvorrichtung vorgesehen sein.
Bevorzugt ist eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Lichtquellen vorgesehen. Diese Steuereinrichtung kann zweckmäßigerweise ebenfalls zur Steuerung von aktiven Kühlvorrichtungen eingerichtet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Lichtkonversionselement in Abschnitte unterteilt. Jeder dieser Abschnitte enthält vorteilhafterweise jeweils nur eines der fluoreszierenden Materialien. Alternativ oder zusätzlich enthält jeder dieser Abschnitte vorzugsweise jeweils fluoreszierende Materialien mit denselben oder zumindest im Wesentlichen denselben Emissionsbereichen. Somit ist das Lichtkonversionselement derart in Abschnitte unterteilt, dass in jedem dieser Abschnitte Licht in unterschiedlichen Emissionsbereichen emittiert wird. Insbesondere wird somit in jedem dieser Abschnitte ein unterschiedlicher Anteil des Be- leuchtungslichts in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen erzeugt. Auf diese Weise kann eine modulare Ausgestaltung des Lichtkonversionselements ermöglicht werden, wodurch zweckmäßigerweise das flexible Zu- bzw. Abschalten von spektralen Anteilen des Beleuchtungslichts ermöglicht wird. Die einzelnen Abschnitte können beispielsweise durch einzelne unterschiedliche Lichtleiter realisiert werden, welche jeweils die entsprechenden fluoreszierenden Materialien enthalten. Diese einzelnen Lichtleiter können, wie weiter oben beschrieben, aufeinander folgend bzw. hintereinander angeordnet sein. Vorteilhafterweise weist die wenigstens eine Lichtquelle mehrere Lichtquellen auf, von denen jeweils wenigstens eine für jeden der Abschnitte vorgesehen ist. Insbesondere sind die Lichtquellen, welche demselben der Abschnitte zugeordnet sind, in einer Gruppe angeordnet. Beispielsweise können die Lichtquellen einer derartigen Gruppe in Reihen angeordnet sein, wie oben erläutert. Die Lichtquellen einer derartigen Gruppe beleuchten jeweils insbesondere nur den entsprechenden Abschnitt und regen die entsprechenden fluoreszierenden Materialien des jeweiligen Abschnitts an. Insbesondere können die unterschiedlichen Gruppen von Lichtquellen einzeln und unabhängig voneinander aktiviert bzw. deaktiviert werden. Die Abschnitte sind bevorzugt jeweils durch Trennelemente voneinander getrennt, welche jeweils Licht bei speziellen Wellenlängen reflektieren oder absorbieren. Zweckmäßigerweise absorbieren oder reflektieren diese Trennelemente jeweils Emissionslicht der Lichtquellen. Somit kann insbesondere verhindert werden, dass Licht der Lichtquellen bzw. der Gruppe von Lichtquellen, welches in dem jeweili- gen Abschnitt nicht durch die dortigen fluoreszierenden Materialien absorbiert wurde, in benachbarte Abschnitte weitergeleitet wird und dort gegebenenfalls die fluoreszierenden Materialien anregt, obwohl dieser entsprechende Abschnitt deaktiviert ist.
Vorteilhafterweise ist das Lichtkonversionselement als wenigstens ein transparen- ter Festkörper ausgebildet, der die unterschiedlichen fluoreszierenden Materialien enthält. Beispielsweise kann ein derartiger Festkörper aus Glas oder aus Kunststoff, etwa Acrylglas (Polymethylmethacrylat, PMMA), gefertigt sein. In derartigen Festkörpern können auf einfache, konstruktiv aufwandsarme Weise die unterschiedlichen fluoreszierenden Materialien eingebracht werden. Weiterhin kann eine einfache Einkopplung des Lichts der Lichtquellen sowie eine effiziente Lichtleitung innerhalb des Festkörpers gewährleistet werden.
Vorzugsweise bestehen die unterschiedlichen fluoreszierenden Materialien aus Quantenpunkten (engl, quantum dot = QD). Quantenpunkte sind nanoskopische Materialstrukturen, insbesondere aus Halbleitermaterial (z. B. InGaAs, CdSe, InP oder GalnP). Ladungsträger (Elektronen, Löcher) in einem Quantenpunkt sind in ihrer Beweglichkeit derart eingeschränkt, dass ihre Energie nicht mehr kontinuierliche, sondern nur noch diskrete Werte annehmen kann, weswegen sich Quantenpunkte ähnlich wie Atome verhalten. Form, Größe sowie Anzahl von Elektronen können zweckmäßig gewählt werden, so dass sich elektronische und optische Eigenschaften von Quantenpunkten flexibel einstellen lassen. Emissionsspektren einzelner Quantenpunkte sind im Gegensatz zu Atomen keine Linienspektren, sondern besitzen insbesondere die Form einer Lorentzkurve. Das Emissionsspektrum eines Ensembles von Quantenpunkten besitzt insbesondere die Form einer Gauß- kurve, da die Überlagerung einzelner spektralen Lorentzkurven bei unterschiedlichen Emissionswellenlängen insbesondere zu einer Gaußverteilung führt.
Besonders bevorzugt sind die unterschiedlichen Emissionsbereiche der unterschiedlichen fluoreszierenden Materialien jeweils derart gewählt, dass, wenn in all diesen unterschiedlichen Emissionsbereichen jeweils Licht emittiert wird, an der Lichtaustrittsfläche homogenes oder zumindest im Wesentlichen homogenes wei- ßes Licht bereitgestellt wird. Zweckmäßigerweise enthält das Lichtkonversionselement unterschiedliche fluoreszierende Materialien mit z.B. mindestens drei unterschiedlichen Emissionsbereichen. Durch derartige unterschiedliche Emissionsbereiche kann zweckmäßigerweise ein besonders homogenes weißes Beleuch- tungslicht mit einem breitbandigen Spektrum bereitgestellt werden.
Vorteilhafterweise besitzt das Emissionslicht der wenigstens einen Lichtquelle kürzere Wellenlängen als das von den fluoreszierenden Materialien emittierte Licht. Demgemäß besitzen die fluoreszierenden Materialien jeweils einen Absorp- tionsbereich bei kürzeren Wellenlängen als ihre entsprechenden Emissionsbereiche. Insbesondere emittieren die Lichtquellen im blauen oder UV-Bereich. Dieses Licht wird von den Lichtkonversionselementen zweckmäßigerweise in Licht im sichtbaren Bereich umgewandelt. Vorzugsweise weist das Emissionslicht der wenigstens einen Lichtquelle Wellenlängen zwischen 300 nm und 500 nm auf, bevorzugt zwischen 350 nm und
450 nm. Vorzugsweise liegen die unterschiedlichen Emissionsbereiche der unterschiedlichen fluoreszierenden Materialien bei Wellenlängen zwischen 400 nm und 700 nm, bevorzugt bei Wellenlängen zwischen 450 nm und 670 nm. Beispielsweise können Mittenwellenlängen der einzelnen Emissionsbereiche der fluoreszierenden Materialien bei jeweils bei 450 nm und/oder 490 nm und/oder 525 nm und/oder 540 nm und/oder 575 nm und/oder 630 nm und/oder 665 nm liegen.
Vorteilhafterweise sind die fluoreszierenden Materialien derart in dem Lichtkon- versionselement angeordnet, dass eine Dichte und/oder die Emissionsbereiche und/oder Anregungsbereiche der fluoreszierenden Materialien einer vorbestimmten Verteilung entlang einer Länge des Lichtkonversionselements in Richtung der Lichtaustrittsfläche folgen. Insbesondere nimmt die Dichte in Richtung der Licht- austrittsfläche ab. Insbesondere sind die Verteilungen von Dichte sowie Anre- gungs- und Emissionsbereiche aufeinander abgestimmt, so dass eine Zweitabsorption (d.h. eine Absorption des von den fluoreszierenden Materialien emittierten Lichts) verhindert werden kann, wodurch die Effizienz der Beleuchtungslichtquelle gesteigert werden kann.
Vorteilhafterweise ist an einem der Lichtaustrittsfläche gegenüber liegenden Ende des Lichtkonversionselements ein reflektierendes Element angeordnet, z.B. eine reflektierende Beschichtung. Wenn von den fluoreszierenden Materialien emittiertes Licht in dem Lichtkonversionselement zu diesem Ende geleitet wird, wird es an dem reflektierenden Element in Richtung der Lichtaustrittsfläche reflektiert und zu dieser geleitet. An der Lichtaustrittsfläche wird somit zweckmäßigerweise das gesamte oder zumindest im Wesentlichen das gesamte in dem Lichtkonversionselement erzeugte Emissionslicht als Beleuchtungslicht bereitgestellt.
Insbesondere ist das reflektierende Element dazu eingerichtet, Licht mit Wellenlängen in den Emissionsbereichen der fluoreszierenden Materialien zu reflektie- ren. Zweckmäßigerweise kann das reflektierende Element in speziellen Wellenlängenbereichen auch transparent sein, beispielsweise in einem oder in allen Anregungsbereichen der fluoreszierenden Materialien. Somit wird es ermöglicht, dass auch hinter diesem Ende des Lichtkonversionselements eine oder mehrere der Lichtquellen angeordnet werden, welche Licht in diesem speziellen Wellenlängen- bereich emittieren.
Bevorzugt ist an der Lichtaustrittsfläche des Lichtkonversionselements ein Lichtabgabeelement angeordnet. Durch dieses Lichtabgabeelement wird insbesondere eine effektive Abgabe bzw. Abstrahlung des Beleuchtungslichts gewährleistet. Bei- spielsweise kann das Lichtabgabeelement als ein Antireflexionselement, z.B. eine Antireflexionsbeschichtung, und/oder als ein parabolischer Konzentrator und/oder als eine Gradientenindexlinse ausgebildet sein.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Mikroskop mit einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Mikroskopbeleuchtungseinrichtung. Vorteile und bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Mikroskops ergeben sich aus der obigen Beschreibung der erfindungsgemäßen Mikroskopbeleuchtungseinrichtung in analoger Art und Weise.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Be- Schreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenbeschreibung
Figur 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Mikroskopbeleuchtungseinrichtung in einer Seitenansicht.
Figur 2 zeigt schematisch bevorzugte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Mikroskopbeleuchtungseinrichtung jeweils in einer Querschnittdarstellung. Figur 3 zeigt schematisch Spektren von fluoreszierenden Materialien einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Mikroskopbeleuchtungseinrichtung.
Figur 4 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungs- gemäßen Mikroskopbeleuchtungseinrichtung in einer Seitenansicht. Figur 5 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Mikroskops mit einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Mikroskopbeleuchtungseinrichtung in einer Seitenansicht. In Figur 1 ist eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Mikroskopbeleuchtungseinrichtung schematisch in einer Seitenansicht dargestellt und mit 100 bezeichnet.
Die Mikroskopbeleuchtungseinrichtung 100 weist Lichtquellen 110 in Form von Leuchtdioden auf. Im dargestellten Beispiel sind jeweils vier Leuchtdioden zu einer Gruppe 111 bzw. 112 zusammengefasst. Die Leuchtdioden jeder dieser Gruppen 111 und 112 sind jeweils linear nebeneinander in einer Reihe angeordnet.
Für jede dieser Gruppen 111 und 112 von Leuchtdioden ist jeweils eine aktive Kühlvorrichtung 121 bzw. 122 vorgesehen.
Eine Steuereinheit 130 ist zur Steuerung der einzelnen Leuchtdioden 110 sowie optional der aktiven Kühlvorrichtungen 121 und 122 vorgesehen. Insbesondere kann die Steuereinheit 130 die Leuchtdioden jeder Gruppe 111 und 112 jeweils gemeinsam ansteuern.
Die Leuchtdioden 110 sind insbesondere vom selben Typ und emittieren jeweils Emissionslicht im selben Wellenlängenbereich, beispielsweise violettes Licht in einem Wellenlängenbereich zwischen 380 nm und 390 nm.
Die Mikroskopbeleuchtungseinrichtung 100 weist weiterhin ein Lichtkonversionselement 140 auf. Das Lichtkonversionselement 140 ist als ein Lichtleiter ausgebildet, der unterschiedliche fluoreszierende Materialien 151 bis 157 mit jeweils unterschiedlichen Emissionsbereichen enthält. Der Lichtleiter ist vorzugsweise als ein transparenter Festkörper ausgebildet und beispielsweise aus Acrylglas (Polymethylmethacrylat, PMMA) gefertigt. Die fluoreszierenden Materialien 151 bis 157 können in einem Herstellungsprozess fest in das Acrylglas eingebracht worden sein. Beispielsweise können die einzelnen fluo- reszierenden Materialien 151 bis 157 jeweils als Quantenpunkte aus Halbleitermaterialien in das Acrylglas eingebracht sein.
Diese unterschiedlichen fluoreszierenden Materialien 151 bis 157 können jeweils einen ähnlichen Anregungsbereich besitzen, beispielsweise jeweils zwischen 350 nm und 450 nm. Jedes der fluoreszierenden Materialien 151 bis 157 besitzt jedoch einen individuellen Emissionsbereich.
Beispielsweise kann das Material 151 einen Emissionsbereich zwischen 400 nm und 500 nm mit einer Mittenwellenlänge von 450 nm besitzen. Das Material 152 besitzt beispielsweise einen Emissionsbereich zwischen 440 nm und 540 nm mit einer Mittenwellenlänge von 490 nm. Das Material 153 besitzt einen Emissionsbereich zwischen 475 nm und 575 nm mit einer Mittenwellenlänge von 525 nm. Der Emissionsbereich des Materials 154 besitzt beispielsweise eine Mittenwellenlänge von 540 nm und erstreckt sich zwischen 490 nm und 590 nm. Die Mittenwellen- länge des Emissionsbereichs des Materials 155 liegt beispielsweise bei 575 nm und der Bereich erstreckt sich zwischen 525 nm und 625 nm. Das Material 156 besitzt einen Emissionsbereich zwischen 580 nm und 680 nm mit einer Mittenwellenlänge von 630 nm und das Material 157 besitzt einen Emissionsbereich zwischen 615 nm und 715 nm mit einer Mittenwellenlänge von 665 nm.
Die Gruppen von Lichtquellen 111 und 112 sind jeweils an gegenüberliegenden Seiten des Lichtkonversionselements 140 angeordnet. Emissionslicht von den Lichtquellen 110 kann somit auf einfache Weise in das Lichtkonversionselements 140 eingekoppelt werden. In dem Lichtkonversionselement 140 wird das Licht der Lichtquellen 110 von den unterschiedlichen fluoreszierenden Materialien 151 bis 157 absorbiert. Nach dieser Anregung emittieren die fluoreszierenden Materialien 151 bis 157 jeweils Emissionslicht in den jeweiligen Emissionsbereichen.
Dieses von den Materialien 151 bis 157 emittierte Licht wird in dem Lichtkonversionselement 140 durch Totalreflexion zu dessen Enden 141 und 142 transportiert. An einem Ende 141 des Lichtkonversionselements 140 ist ein reflektierendes Element 143 in Form einer Reflexionsbeschichtung angebracht. Das dort auftref- fende Emissionslicht der Materialien 151 bis 157 wird an der Reflexionsbeschichtung 143 reflektiert und wird daraufhin zu dem anderen Ende 142 des Lichtkonversionselements 140 geleitet.
Dieses Ende 142 des Lichtkonversionselements 140 ist als eine Lichtaustrittsfläche anzusehen, an welcher das von den fluoreszierenden Materialien 151 bis 157 emittierte Licht ausgekoppelt wird.
Zur effizienteren Auskopplung des Beleuchtungslichts kann an der Lichtaustrittsfläche 142 ein Lichtabgabeelement angebracht sein, beispielsweise in Form einer Antireflexionsbeschichtung 144. Weiterhin kann auf die Lichtaustrittsfläche 142 ein weiteres Lichtabgabeelement aufgebracht werden, beispielsweise in Form eines parabolischen Konzentrators 145 oder einer Gradientenindexlinse 146.
Ein Querschnitt durch die Mikroskopbeleuchtungseinrichtung 100 entlang der Li- nie A-A ist in Figur 2a schematisch dargestellt. Wie in Figur 2a zu erkennen ist, besitzt das Lichtkonversionselement 140 eine Querschnittsfläche in Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken. Die beiden Gruppen 111 und 112 von Leuchtdioden sind an gegenüberliegenden Seiten der Querschnittsfläche angeordnet. In Figur 2b ist ein Querschnitt durch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Mikroskopbeleuchtungseinrichtung 100' analog zu Figur 2a darge- stellt. Diese Mikroskopbeleuchtungseinrichtung 100' weist ein Lichtkonversionselement 140' mit einer kreisförmigen Querschnittsfläche auf.
In Figur 3 sind schematisch Spektren der fluoreszierenden Materialien des Licht- konversionselements aus Figur 1 schematisch dargestellt. Auf der Abszisse ist dabei die Wellenlänge in nm angegeben.
Die mit 310 bezeichnete Kurve charakterisiert dabei den Anregungsbereich der fluoreszierenden Materialien 151 bis 157. Weiterhin sind in Figur 3 drei Emissi- onsspektren dargestellt, beispielsweise das Emissionsspektrum 320 des Materials 151 zwischen 400 nm und 500 nm mit der Mittenwellenlänge von 450 nm, das Emissionsspektrum 330 des Materials 154 zwischen 490 nm und 590 nm mit einer Mittenwellenlänge von 540 nm sowie das Emissionsspektrum 340 des Materials 156 zwischen 580 nm und 680 nm mit einer Mittenwellenlänge von 630 nm. Da die fluoreszierenden Materialien als Quantenpunkte realisiert sind, besitzen ihre Spektren jeweils die Form einer Lorentzkurve.
In Figur 4 ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Mikroskopbeleuchtungseinrichtung in einer schematischen Seitenansicht analog zu Figur 1 dargestellt und mit 100" bezeichnet.
Die Mikroskopbeleuchtungseinrichtung 100" weist ein Lichtkonversionselement 140" auf, welches in drei Abschnitte 140a, 140b, 140c unterteilt ist. An einer Licht- austrittsfläche 142" des Lichtkonversionselement 140" wird Beleuchtungslicht ausgekoppelt. Durch die drei Abschnitte 140a, 140b, 140c wird es ermöglicht, einzelne spektrale Anteile des Beleuchtungslichts flexibel zu- oder abzuschalten.
Jeder dieser drei Abschnitte 140a, 140b, 140c enthält jeweils nur eine Art von fluoreszierendem Material. In den Abschnitt 140a ist nur das Material 151 eingebracht, in den Abschnitt 140b das Material 154 und in den Abschnitt 140c das Material 156. Die Abschnitte 140a, 140b, 140c können dabei realisiert werden, indem jeder der Abschnitte 140a, 140b, 140c durch einen separaten Lichtleiter gebildet wird und wobei diese drei Lichtleiter nacheinander angeordnet sind.
Für jeden der drei Abschnitte 140a, 140b bzw. 140c ist jeweils eine Lichtquellen- Gruppe lila, 111b bzw. 111c vorgesehen. In diesem Beispiel sind in jeder dieser Lichtquellen-Gruppen lila, 111b und 111c jeweils zwei Leuchtdioden nebeneinander auf einer aktiven Kühlvorrichtung 121a, 121b bzw. 121c angeordnet.
Die Lichtquellen-Gruppe lila dient dabei zur Anregung des Materials 151 im Abschnitt 140a, die Lichtquellen-Gruppe 111b hingegen dient zur Anregung des Materials 154 im Abschnitt 140b und die Lichtquellen-Gruppe 111c dient dabei zur Anregung des Materials 156 im Abschnitt 140c.
Eine Steuereinheit 130" ist zur Ansteuerung der Lichtquellen-Gruppen lila, 111b und 111c sowie der aktiven Kühlvorrichtungen 121a, 121b und 121c vorgesehen. Jede der Lichtquellen-Gruppen lila, 111b und 111c kann durch die Steuereinheit 130" einzeln und unabhängig voneinander aktiviert und deaktiviert werden.
Durch Aktivieren bzw. Deaktivieren einer einzelnen Lichtquellen-Gruppen können die spektralen Anteile des entsprechenden fluoreszierenden Materials am Beleuchtungslicht des jeweiligen dieser Lichtquellen-Gruppe zugeordneten Abschnitts flexibel zu- oder abgeschaltet werden.
Die Abschnitte 140a, 140b und 140c sind jeweils durch ein Trennelement 161 bzw. 162 voneinander getrennt, welches jeweils Licht im Anregungsbereich der fluoreszierenden Materialien reflektiert. Somit kann insbesondere verhindert werden, dass das Material eines Abschnitts von den Leuchtdioden der Gruppe des benach- barten Abschnitts angeregt wird. Eine weitere Lichtquellen-Gruppe 113 aus einer Leuchtdiode ist hinter dem der Lichtaustrittsfläche 142" gegenüberliegendem Ende 141" des Lichtkonversionselements 140" angeordnet. An diesem Ende 141" ist ein reflektierendes Element 147 in Form einer Reflexionsbeschichtung angebracht, welches jedoch in dem Emissionsbereich der Leuchtdioden 110 transparent ist. Somit kann das Licht der Leuchtdiode 110 der Gruppe 113 direkt in das Lichtkonversionselement 140" eingekoppelt werden.
Durch die drei unterschiedlichen Abschnitte 140a, 140b und 140c sind die fluores- zierenden Materialien 151, 154 und 156 derart in dem Lichtkonversionselement 140" angeordnet, dass die Emissionsbereiche der fluoreszierenden Materialien einer vorbestimmten Verteilung entlang einer Länge des Lichtkonversionselements in Richtung der Lichtaustrittsfläche 142" folgen. In Figur 5 ist eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Mikroskops schematisch in einer Seitenansicht dargestellt und mit 500 bezeichnet.
Das Mikroskop 500 umfasst eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Mikroskopbeleuchtungseinrichtung, beispielsweise die in Figurl dargestellte Mikroskopbeleuchtungseinrichtung 100. Beleuchtungslicht, welches von der Mikroskopbeleuchtungseinrichtung 100 an der Lichtaustrittsfläche ausgekoppelt wird, wird in einen Strahlengang 501 des Mikroskops 500 eingekoppelt. Ein zu beobachtendes Objekt 502 wird von dem Beleuchtungslicht beleuchtet. Das Mikroskop 500 weist weiterhin ein Objektiv 503 sowie ein Okular 504 zur Beobachtung der Ob- jekts auf. Es versteht sich, dass das Mikroskop 500 noch weitere zweckmäßige Elemente aufweisen kann.
Das in Figur 5 dargestellte Mikroskop 500 ist beispielsweise als ein Durchlichtmik- roskop ausgebildet, bei welchem die Probe von unten mit dem Beleuchtungslicht beleuchtet wird. Das Mikroskop kann aber ebenso beispielsweise als Auflichtmikroskop ausgebildet sein, bei welchem eine Probe von oben beleuchtet wird. Bezugszeichenliste
100 Mikroskopbeleuchtungseinrichtung
100' Mikroskopbeleuchtungseinrichtung
100" Mikroskopbeleuchtungseinrichtung
110 Lichtquellen, Leuchtdioden
111 Lichtquellen-Gruppe, Leuchtdioden
lila Lichtquellen-Gruppe, Leuchtdioden
111b Lichtquellen-Gruppe, Leuchtdioden
111c Lichtquellen-Gruppe, Leuchtdioden
112 Lichtquellen-Gruppe, Leuchtdioden
113 Lichtquellen-Gruppe Leuchtdioden
121 aktive Kühlvorrichtung
121a aktive Kühlvorrichtung
121b aktive Kühlvorrichtung
121c aktive Kühlvorrichtung
122 aktive Kühlvorrichtung
130 Steuereinheit
130" Steuereinheit
140 Lichtkonversionselement
140' Lichtkonversionselement
140" Lichtkonversionselement
140a Abschnitt des Lichtkonversionselements
140b Abschnitt des Lichtkonversionselements
140c Abschnitt des Lichtkonversionselements
141 Ende des Lichtkonversionselement
141" Ende des Lichtkonversionselement
142 Ende des Lichtkonversionselement, Lichtaustrittsfläche 142" Ende des Lichtkonversionselement, Lichtaustrittsfläche
143 reflektierendes Element, Reflexionsbeschichtung 144 Lichtabgabeelement, Antireflexionsbeschichtung
145 Lichtabgabeelement, parabolischer Konzentrator
146 Lichtabgabeelement, Gradientenindexlinse
147 reflektierendes Element, Reflexionsbeschichtung
151 fluoreszierendes Material
152 fluoreszierendes Material
153 fluoreszierendes Material
154 fluoreszierendes Material
155 fluoreszierendes Material
156 fluoreszierendes Material
157 fluoreszierendes Material
161 Trennelement
162 Trennelement 310 Anregungsbereich
320 Emissionsspektrum
330 Emissionsspektrum
340 Emissionsspektrum
500 Mikroskop
501 Strahlengan:
502 Probe
503 Objektiv
504 Okular

Claims

Patentansprüche
1. Mikroskopbeleuchtungseinrichtung (100, 100', 100") mit wenigstens einer Lichtquelle (110) und mit einem Lichtkonversionselement (140, 140', 140"),
wobei das Lichtkonversionselement (140, 140', 140") als wenigstens ein
Lichtleiter ausgebildet ist, der unterschiedliche fluoreszierende Materialien (151, 152, 153, 154, 155, 156, 157) mit jeweils unterschiedlichen Emissionsbereichen (320, 330, 340) enthält,
wobei die wenigstens eine Lichtquelle (110) derart angeordnet ist, dass Emissionslicht zur Anregung der fluoreszierenden Materialien (151, 152, 153, 154, 155, 156, 157) von der wenigstens einen Lichtquelle (110) in das Lichtkonversionselement (140, 140', 140") eingekoppelt wird, und
wobei das Lichtkonversionselement (140, 140', 140") derart ausgestaltet ist, dass von den fluoreszierenden Materialien (151, 152, 153, 154, 155, 156, 157) emittiertes Licht zu einer Lichtaustrittsfläche (142, 142") des Lichtkonversionselements (140, 140', 140") geleitet und dort als Beleuchtungslicht ausgekoppelt wird.
2. Mikroskopbeleuchtungseinrichtung (100, 100', 100") nach Anspruch 1, wo- bei das Lichtkonversionselement (140, 140', 140") in Abschnitte (140a, 140b,
140c) unterteilt ist, wobei jeder dieser Abschnitte (140a, 140b, 140c) jeweils nur eines der fluoreszierenden Materialien (151, 152, 153, 154, 155, 156, 157) enthält und/oder wobei jeder dieser Abschnitte (140a, 140b, 140c) jeweils fluoreszierende Materialien (151, 152, 153, 154, 155, 156, 157) mit denselben oder zumindest im Wesentlichen denselben Emissionsbereichen enthält.
3. Mikroskopbeleuchtungseinrichtung (100, 100', 100") nach Anspruch 2, wobei die wenigstens eine Lichtquelle (110) mehrere Lichtquellen aufweist, wobei für jeden der Abschnitte (140a, 140b, 140c) jeweils wenigstens eine der mehreren Lichtquellen vorgesehen ist.
4. Mikroskopbeleuchtungseinrichtung (100, 100', 100") nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Abschnitte (140a, 140b, 140c) jeweils durch Trennelemente (161, 162) voneinander getrennt sind, welche jeweils Licht bei speziellen Wellenlängen reflektieren oder absorbieren.
5. Mikroskopbeleuchtungseinrichtung (100, 100', 100") nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Lichtkonversionselement (140, 140', 140") als wenigstens ein transparenter Festkörper ausgebildet ist, der die unterschiedlichen fluoreszierenden Materialien (151, 152, 153, 154, 155, 156, 157) enthält.
6. Mikroskopbeleuchtungseinrichtung (100, 100', 100") nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die unterschiedlichen fluoreszierenden Materialien (151, 152, 153, 154, 155, 156, 157) Quantenpunkte umfassen.
7. Mikroskopbeleuchtungseinrichtung (100, 100', 100") nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Emissionslicht der wenigstens einen Lichtquelle (110) kürzere Wellenlängen besitzt als das von den fluoreszierenden Materialien (151, 152, 153, 154, 155, 156, 157) emittierte Licht.
8. Mikroskopbeleuchtungseinrichtung (100, 100', 100") nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Emissionslicht der wenigstens einen Lichtquelle (110) Wellenlängen zwischen 350 nm und 450 nm aufweist.
9. Mikroskopbeleuchtungseinrichtung (100, 100', 100") nach einem der vor- stehenden Ansprüche, wobei die unterschiedlichen Emissionsbereiche (320, 330, 340) der unterschiedlichen fluoreszierenden Materialien (151, 152, 153, 154, 155, 156, 157) bei Wellenlängen zwischen 400 nm und 700 nm liegen, insbesondere bei Wellenlängen zwischen 450 nm und 670 nm.
10. Mikroskopbeleuchtungseinrichtung (100, 100', 100") nach einem der vor- stehenden Ansprüche, wobei die fluoreszierenden Materialien (151, 152, 153, 154, 155, 156, 157) derart in dem Lichtkonversionselement (140, 140', 140") angeordnet sind, dass eine Dichte und/oder die Emissionsbereiche (320, 330, 340) und/oder Anregungsbereiche der fluoreszierenden Materialien (151, 152, 153, 154, 155, 156, 157) einer vorbestimmten Verteilung entlang einer Länge des Lichtkonversionselements (140, 140', 140") in Richtung der Lichtaustrittsfläche (142, 142") folgen.
11. Mikroskopbeleuchtungseinrichtung (100, 100', 100") nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei an einem der Lichtaustrittsfläche (142, 142") gegen- über liegenden Ende (141, 141") des Lichtkonversionselements (140, 140', 140") ein reflektierendes Element (143, 147) angeordnet ist.
12. Mikroskopbeleuchtungseinrichtung (100, 100', 100") nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei an der Lichtaustrittsfläche (142, 142") des Lichtkonversionselements ein Lichtabgabeelement (144, 145, 146) angeordnet ist.
13. Mikroskop (500) mit einer Mikroskopbeleuchtungseinrichtung (100, 100', 100") nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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