JP2012164651A - 顕微鏡の透過照明装置用フラットパネル型光源 - Google Patents

Abstract

【課題】顕微鏡の透過照明装置用フラットパネル型光源を提供する。
【解決手段】顕微鏡で試料を観察するための、顕微鏡の透過照明装置用フラットパネル型光源１００は、下側界面、上側界面および側面１１３〜１１６を有するプレート型導光手段１１０、少なくとも１つの発光手段１２０、１２２を備え、発光手段は少なくとも２つの異なる方向から、入射面としての側面を介して導光手段１１０の中に光を放射し、全反射によって光が導光手段１１０の中で伝播されるように配置され、全反射は、導光手段１１０の下側界面において接触表面と当接する要素１４０によって所定の方法で攪乱され、光の取り出しが導光手段１１０の上側界面で起こり、接触面の平坦部分面積は下側界面の平坦部分面積より小さく、全反射を攪乱する要素１４０は、導光手段１１０の中で伝播する光の反射を方向付ける。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、顕微鏡、特に連続可変倍率式顕微鏡、略して「ズーム式顕微鏡」、特に双眼実体顕微鏡またはマクロスコープの透過照明装置用フラットパネル型光源に関する。

顕微鏡の透過照明装置用フラットパネル型光源は、先行技術、たとえば特許文献１または特許文献２から知られている。これらは試料面の下方に配置される。フラットパネル型光源と試料の間の距離は、試料全体が照明されるのに十分な大きさに選択され、試料面では発光手段の構造が見えない。しかしながら、先行技術では、透過照明のベース部全体の高さが過剰に高くなる。人間工学面が考慮されていない。顕微鏡、たとえば双眼実体顕微鏡やマクロスコープに平坦な透過照明装置を実装できるようにするためには、中核的な要素、すなわち光源をできるだけ平坦にしながら、しかも均一な発光が行われるように構成することが望ましい。たとえば、特許文献１の教示は、光源の上方に拡散ディスクを使用して、発光の均一化を図るものであるが、これは、全体の高さと発光手段の効率に不利な影響を与える。

ＤＥ １０ ２００４ ０１７ ６９４ Ｂ３ ＵＳ７，５５４，７２７ Ｂ２

したがって、可能な限り平坦であるが、均一に発光する顕微鏡用透過照明装置が望まれている。

本発明によれば、特許請求の範囲における請求項１の特徴構成を有する、顕微鏡の透過照明装置用フラットパネル型光源が提供される。

本発明は、プレート状の導光手段の中で全反射によって伝播される光を、全反射を意図的に攪乱することによって取り出すという事実を特徴とする。この撹乱は、いわゆる「接触面」に当接する要素を用いることにより、導光手段の下側界面（「下面」とする）において起こされる。その結果、光は上側界面（「上面」とする）で取り出される。この要素は導光手段に光学的に連結され、反射角を修正させて、上面で光が取り出されるように構成される。この要素が接触する接触面は発光面として機能する。光の取り出しが行われるように接触面を１つのみ設けた導光手段を使用することにより、特に平坦な形状を実現できるだけでなく、導光手段内部で光が混合され、その結果、最初の発光の均一化が達成される。特に均一な放射特性は、全反射を攪乱する要素が、導光手段内で伝播する光の反射を方向付けるという事実によって実現される。したがって、それによって生成される発光は、鏡面の構成によって調整可能である。

発光のさらなる均一化は、少なくとも２つの異なる方向からの光を結合して導光手段の中へと入射させることによって実現される。たとえばプリズムや角錐台のような形状の導光手段、すなわち底面が多角形の導光手段の場合、側面のうちの少なくとも２つにおいて取り込み（incoupling）が発生する。円柱状または切頭円錐形の導光手段、すなわち底面が楕円形の導光手段の場合、取り込みは、好ましくは円周上に均等に分散された、包囲表面上の少なくとも２箇所において発生する。さらに、側面から取り込むことによって、全体の高さも縮小できる。

均一化はさらにまた、接触面の平坦部面積を下面の平坦部面積より小さくすることにより改善される。したがって、周縁領域は発光には使用されず、もっぱら均一化のためにのみ用いられるため、そのままである。したがって、導光手段は均一化に必要と思われる大きさに選択でき、その一方で、接触面の大きさ（発光面を画定する）は、それと無関係に選択することができる。

本発明によれば、特に均一に発光する、顕微鏡の透過照明装置用フラットパネル型光源を作製することが可能である。フラットパネル型光源は、非常に平坦な形状であり、さらに、製造しやすく、扱いやすい。また、経済的に製造でき、それは高額の光学系と高コストの整合作業が不要となるからである。

本発明の構成により、発光が利用される箇所から発熱を分離することができる。この分離によって、ほとんど温度を変化させずに試料を照明できる。必要となる発光手段の光出力が発光面の直径の二乗として増大することから、この配置は、大型の光源を実装する場合に特に有利であることがわかっている。したがって、発熱性の発光手段が試料から横方向に離れて配置されるため、発光面を試料の下方に位置づけても、必ずしも試料が加熱されることにはならない。本発明の配置によれば、生成される熱がより良好に放散される。

有利な実施形態を、特許請求の範囲の従属項に規定し、以下に説明する。

導光手段は平坦であり、その高さはその横方向の長さより小さく、特に、１０分の１以下である。その結果、全体の高さを低く抑えることができ、フラットパネル型光源の上方に配置される対物面をあまり高い位置としなくてもよい。

全反射を攪乱する要素は、好ましくは、特にミラーコートが施された微細構造物で構成され、特に好ましい実施形態においては、マイクロプリズムを有する。フラットパネル型光源の発光特性には、マイクロプリズムのフランク角を設定することによって影響を与えることができる。

全反射を攪乱する要素が、連結媒体、たとえば透明接着剤によって導光手段に連結され、それによって連結媒体の光学屈折率が特に所期の用途に適応させることができるようにすると有利である。発光手段の光は横方向に結合されて導光手段の中に入り、導光手段内を全反射によって運ばれ、最終的に全反射を制御下で攪乱することにより（全反射を攪乱する要素による）、プレートから上方に取り出される。空気中から屈折率ｎ１の導光手段に入ると、光は軸に向かって屈折する。すると、光は全反射されるか、外面において取り出される。光が依然として案内されるように導光手段に入射できる最大角度を示す、受光角αを決定する式は、
ｓｉｎ^２（α）＝ｎ１^２−ｎ２^２
であり、式中、導光手段への取り込みは、空気中（ｎ＝１）で発生すると仮定される。ｎ２は、隣接する媒体の持ちうる屈折率である。隣接する媒体が空気である場合（ｎ２＝１）、受光角αは、プレートの屈折率がｎ１＞√２≒１．４１と選択されるとすぐに、半空間全体を包含する。全反射を攪乱する要素の屈折率をｎ２＞１と事前に定義することによって、角度領域のうち、条件、ｓｉｎ^２（α）≧ｎ１^２−ｎ２^２が満たされる部分が取り出される。好ましい実施形態において、１＜ｎ２＜ｎ１であり、それによって受光角は比較的小さく、それゆえ、発光角が狭くなる。フラットパネル型光源の発光角は、導光手段と連結媒体の屈折率を適切に組み合わせることによって制御できる。屈折率の調整が行われると、設計上、導光手段の中で運ばれる角度範囲は、微細構造物によって試料に向かって取り出される。微細構造物の形状は、取り出される光束の角度特性に影響を与える。

全反射を有用に攪乱する要素は、反射率Ｒ≧０．５、好ましくはＲ≧０．９である。それによって、入射光のほとんどを確実に反射させることが可能である。

少なくとも１つの発光手段は通常、ＬＥＤまたは冷陰極管を含む。発光手段の構成は、導光手段内で運ばれる光出力を最適化するという点で特に影響を与える。発光手段の発光角は好ましくは、導光手段の形状に合わせて調整され、効率は、導光手段の高さと、発光手段の発光素子（たとえばチップ）と光入射面との間の距離によって影響を受ける。

発光素子の相互からの間隔を調整することは、導光手段の発光の均一性を最適化し、寸法を小さくするのに役立つ。隣接する光源からの、取り込まれた光の重複は、導光手段の端面から特定の距離の地点から始まり、この距離は上記の光源の間隔に依存する。したがって、本発明によれば、接触面の平坦部分面積は下面の平坦部分面積より小さく、混合が起こる。

特に好ましい構成において、プレート状の導光手段はプリズムまたは角錐台として実現され、すなわち、上面と下面を画定する底面が多角形である。この種の構成によって、２つまたはそれ以上の側面の各々には発光手段を特に容易に取り付けることができる。このような形状であれば、さらには、製造および扱いに何の問題も伴わない。発光手段を冷却するために、平坦な側面に冷却手段（ヒートシンク等）を設置することもまた、特に容易である。

また好ましい構成において、プレート状の導光手段は円柱状または円錐台として実現され、すなわち、上面と下面を画定する底面が楕円形（円形を含む）である。この種の構成では、１つまたはそれ以上の発光手段を円柱の円周上に配置し、「全方向」に発光させると、特に高い均一性が実現される。

導光手段のうち、光入射面として機能する側面の、発光手段から発せられる主要ビームに関する形状と方位を、導光手段の中の光の分布を制御し、これによってフラットパネル型光源からの発光の均一性に影響を与えるパラメータとして使用することができる。ここで、たとえば入射面として機能する側面を傾けることについて説明する。入射面をこのように変更することは、フラットパネル型光源の全体的な高さを最適化するのに役立ち、これは、この操作によって、全反射を攪乱する要素の中で、顕微鏡の光軸により近い領域に、より多くの照明が当たるからである。

少なくとも１つの入射面は好ましくは、艶消し加工される。これによって、導光手段における立体角範囲での光の分布が均一となる。導光手段の中の角度の大きな部分には、大きく重み付けされ、光の強度は全反射を攪乱する要素の周縁領域で強くなるように操作される。

有益な態様として、上面に発光面を画定する絞りを設ける。さらにこの絞りの、上側界面側の面にミラーコートを施すと、その光成分は失われない。

本発明の別の利点や実施形態は、以下の説明と添付の図面から明らかとなる。

当然のことながら、上記の特徴と以下で説明する特徴は、そこに記載されているそれぞれの組み合わせでしか使用されないのではなく、他の組み合わせでも、または単独でも使用でき、これも本発明の内容から逸脱しない。

本発明は、例示的実施形態に基づいて図面に概略的に示されており、この図を参照しながら、以下に詳細に説明する。

本発明によるフラットパネル型光源の第一の好ましい実施形態の平面図である。 図１ａによるフラットパネル型光源の断面図である。 本発明によるフラットパネル型光源の別の好ましい実施形態の平面図である。 本発明によるフラットパネル型光源の別の好ましい実施形態の平面図である。

図１から図３を通じて、同一要素には同じ参照番号が付されている。

図１ａと図１ｂは、フラットパネル型光源の第一の好ましい実施形態のそれぞれ平面図と断面図であり、以下に、これらを続けて以下に説明する。

図１において、本発明による、顕微鏡の透過照明装置用フラットパネル型光源の第一の好ましい実施形態が平面図として概略的に示されており、その全体を１００とする。

フラットパネル型光源１００は、プレート状の導光手段１１０を備える。プレート状の導光手段は、たとえばアクリルガラスまたはその他によって作製され、ここでは、プリズム、具体的には立方形である。プレート状の導光手段１１０は、下側（この場合、正方形の）界面１１１と、それと合同の上側界面１１２を含む。導光手段１１０は、横方向の長さＬと高さｈを有し、好ましくはｈ＜０．１Ｌである。

導光手段１１０はさらに、４つの側面１１３〜１１６を有する。この例において、発光手段１２０は、すべての側面１１３〜１１６に連結されている。発光手段１２０はキャリア１２１を含み、これは同時にヒートシンクとして機能し、その上にいくつかの発光要素が配置され、発光要素はここでは、発光ダイオード１２２として構成されている。発光ダイオード１２２は、導光手段１１０の上に、発光ダイオード１２２から放射される光１３０が導光手段の中を、全反射によって伝播するように配置される。発光ダイオード１２２は、相互に中心間距離ｓだけ離れている。

下側界面１１１には要素１４０が当接し、要素１４０は全反射を攪乱し、この例においては円形に構成されている。当然のことながら、長方形もまた好ましい。当接領域は、「接触面」と呼ばれ、その平坦部分面積Ａは下側界面１１１の平坦部分面積Ｌ^２より小さい。特に、接触面は入射面として機能する側面から距離２ｒの位置にあり、この距離は好ましくは、以下のように決定される。

導光手段の中で、取り込まれた光は、屈折率ｎによって垂直線に向かって屈折される。それゆえ、隣接する発光ダイオードから取り込まれた光の重複が始まるのは、導光手段の周縁から距離ｒ＝ｓ／２^＊√（ｎ^２−１）の地点からである（図１を参照のこと）。したがって、良好な混合を実現させるためには、プレートの周縁に全反射領域を設けることが有利である。発光手段の異方性角度特性から、一般に、周縁領域に少なくとも２ｒの幅が設けられる。

導光手段１１０が立方形であるために、発光手段１２０の取扱いと取り付けが簡単となり、これは側面１１３〜１１６が平坦であるからである。

この例では光１３０は４つの側面１１３〜１１６のすべてから放出され、本発明の目的において、４方向からの発光が起こる。技術的な意味において、個々の発光ダイオード１２２はそれぞれ、無限に多くの方向に発光するが、「異なる方向からの発光」とは、本発明の目的において、発光手段の主な発光方向が異なることを意味する。

全反射を攪乱する要素１４０は、この例においては、マイクロプリズムプレートとして構成されており、これは、透明接着剤によって導光手段１１０の下側界面１１１に装着されている。接合され、構築されたフィルムも同様に使用可能である。要素１４０は、有益な態様としてミラーコートが施された側面を有し、それによって入射光の大部分が反射され、失われない。反射率は好ましくは０．９より大きい。微細構造物の形状は、取り出される光束の角度特性に影響を与える。

ミラーコートが施されたマイクロプリズムプレート１４０は、接着剤によって導光手段１１０に連結され、接着剤の光学屈折率は、設計上、導光手段内で運ばれる角度範囲が試料に向かって取り出されるように選択される。その結果、要素１４０に入射する光１３０は上方に反射され、それによって一部が上側界面１１２において導光手段１１０から出て、その上方に配置される試料１の透過照明に使用される。

ここで開口部として構成される絞り１５０が、上側界面１１２の上方に配置される。絞り１５０の、上側界面１１２に面する側には、ミラーコートが施されている。

図２において、本発明によるフラットパネル型光源の第二の好ましい実施形態が平面図として示されており、これを２００とする。フラットパネル型光源２００は、円柱状の導光手段２１０を備え、これは発光ダイオード１２２を有するいくつかの発光手段２２０により取り囲まれている。マイクロプリズム１４０が前述のものと同様に、円柱状の導光手段２１０の下面に当接される。

導光手段２１０が円柱状であり、それに伴う全方向からの光の放出によって、特に均一な発光が得られる。

図３において、本発明によるフラットパネル型光源の第三の好ましい実施形態が平面図として示されており、この全体を３００とする。フラットパル型光源３００は前述のように、プリズム型の導光手段３１０を含み、その底面は正六角形である。この例において、導光手段３１０の６つすべての側面に発光手段１２０が設けられ、それによって、６方向から光が放出される。この実施形態によれば、一方で、多くの方向からの発光による特に良好な均一性が得られ、もう一方で、発光手段そして、マウント、ヒートシンク等を容易に取り付けることができる平坦な側面が得られる。

１ 試料
１００ フラットパネル型光源
１１０ 導光手段
１１１ 下側界面
１１２ 上側界面
１１３−１１６ 側面
１２０ 発光手段
１２１ キャリア
１２２ 発光ダイオード
１３０ 光
１４０ 全反射を攪乱する要素
１５０ 絞り
２００ フラットパネル型光源
２１０ 導光手段
２２０ 発光手段
３００ フラットパネル型光源
３１０ 導光手段
４４０ 全反射を攪乱する要素

Claims (11)

1. 顕微鏡で試料（１）を観察するための、顕微鏡の透過照明装置用フラットパネル型光源（１００、２００、３００）であって、
   前記フラットパネル型光源（１００、２００、３００）は、下側界面（１１１）、上側界面（１１２）および少なくとも１つの側面（１１３〜１１６）を有するプレート状の導光手段（１１０、２１０、３１０）と、少なくとも１つの発光手段（１２０、１２２）とを備えて構成され、前記発光手段は、光入射面として機能する少なくとも１つの側面を介して、少なくとも２つの異なる方向から前記導光手段（１１０、２１０、３１０）の中に光（１３０）を放射して、前記光が全反射によって前記導光手段（１１０、２１０、３１０）の中を伝播されるようにし、
   前記全反射は、前記導光手段（１１０、２１０、３１０）の前記下側界面（１１１）にて接触面（Ａ）と当接する要素（１４０、４４０）により所定のやり方で撹乱され、それによって、前記導光手段（１１０、２１０、３１０）の前記上側界面（１１２）で光が取り出されるようになっており、
   前記接触面の平坦部分面積（Ａ）は前記下側界面（１１１）の平坦部分面積（Ｌ^２）より小さく、
   全反射を撹乱する前記要素（１４０）が、前記導光手段（１１０、２１０、３１０）の中を伝播する前記光（１３０）を方向付けて反射させる、フラットパネル型光源（１００、２００、３００、４００）。
2. 全反射を攪乱する前記要素（１４０、４４０）の屈折率ＲがＲ≧０．５、好ましくはＲ≧０．９である、請求項１に記載のフラットパネル型光源（１００、２００、３００）。
3. 全反射を攪乱する前記要素（１４０）は、特にミラーコートが施された微細構造物を含む、請求項１または請求項２に記載のフラットパネル型光源（１００、２００、３００）。
4. 全反射を攪乱する前記要素（１４０）は、前記導光手段（１１０、２１０、３１０）の光学屈折率より低い光学屈折率の連結媒体を介して、前記導光手段（１１０、２１０、３１０）に連結された、請求項１〜３のいずれか一項に記載のフラットパネル型光源（１００、２００、３００）。
5. 前記連結媒体は透明接着剤である、請求項４に記載のフラットパネル型光源（１００、２００、３００）。
6. 前記少なくとも１つの発光手段（１２０）がＬＥＤ（１２２）または冷陰極管を備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のフラットパネル型光源（１００、２００、３００）。
7. 光入射面として機能する少なくとも１つの側面が、前記下側界面（１１１）および／または前記上側界面（１１２）とともに、９０°未満、または９０°超、好ましくは８５°未満または９５°超の角度を成す、請求項１〜６のいずれか一項に記載のフラットパネル型光源（１００、２００、３００）。
8. 光入射面として機能する少なくとも１つの側面が、少なくとも部分的に艶消し加工されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載のフラットパネル型光源（１００、２００、３００）。
9. 前記プレート状の導光手段がプリズム（１１０，３１０）、角錐台、円柱（２１０）または円錐台の形状を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載のフラットパネル型光源（１００、２００、３００）。
10. 前記発光面を限定する絞り（１５０）が前記上側界面（１１２）の上方に設けられている、請求項１〜９のいずれか一項に記載のフラットパネル型光源（１００、２００、３００）。
11. 前記絞り（１５０）が、前記上側界面（１１２）側の面にミラーコート加工を有する、請求項１０に記載のフラットパネル型光源（１００、２００、３００）。