NL1027627C2 - Verlichtingssysteem. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Verlichtingssysteem

De uitvinding heeft betrekking op een verlichtingssysteem, omvattende een lichtbron met ten minste een LED die is ingericht voor het uitzenden van licht, een optisch element met een brandpunt en een homogenisatiestaaf, omvattende een lichaam met een intreevlak en een 5 uittreevlak, welk lichaam in hoofdzaak doorlatend is voor het licht van de lichtbron waarbij de lichtbron in het brandpunt van het optische element is geplaatst, zodanig dat door de lichtbron uitgezonden licht door het optische element gebundeld kan worden weerkaatst naar een intreevlak van de homogenisatiestaaf.

10 Uit DE 103 14 125 is een inrichting voor het verlichten van objecten bekend, omvattende een LED, een collimatorlens en een lichthomogenisator in de vorm van een staaf. De inrichting wordt gebruikt als lichtbron voor (fluorescentie)mikroskopie.

De bekende inrichting heeft een nadeel dat de te bereiken 15 lichtintensiteit niet altijd voldoende is. Vooral bij fluorescentiemikroskopie is een hoge basislichtsterkte belangrijk, aangezien deze de sterkte van het fluorescentiesignaal bepaalt.

Hoewel LED's bepaalde voordelen kennen boven andere lichtbronnen zoals hogedrukkwikdamplampen, is hun lichtsterkte, zelfs met 20 condensoroptieken, vaak onvoldoende voor een bruikbaar fluorescentiesignaal.

Een doel van de uitvinding is het verschaffen van een verlichtingssysteem met een hogere bereikbare verlichtingssterkte.

De uitvinding bereikt dit doel met de maatregelen van conclusie 25 1. Het gebruik van een holle spiegel als optisch element met een brandpunt biedt als voordeel dat het eenvoudig is om de spiegel om de lichtbron heen te vormen, zodat een relatief groter lichtverzamelend oppervlak beschikbaar is, preciezer gezegd een grotere lichtverzamelende ruimtehoek, en er meer licht kan worden gebundeld.

30 In een voorkeursuitvoeringsvorm omvat de holle spiegel een elliptische spiegel, bij voorkeur met een relatieve invanghoek A van tenminste 0,8, waarbij A gelijk is aan de (uitstralende ruimtehoek van de LED)/2jt. Een elliptische spiegel biedt goede bundeling naar een tweede brandpunt van de ellips. Een aanvullend voordeel van het 35 gebruik van een spiegel is het feit dat een spiegel geen last heeft 1027627- I lil I ι —i^^ - 2 - van chromatische afwijkingen terwijl lenzen, en dikke lenzen zoals condensorlenzen inh het bijzonder erg veel last kunnen hebben van chromatische abberaties.

Alternatief zou ook bv. een parabolische spiegel kunnen worden 5 gebruikt, die maar een brandpunt heeft, en een evenwijdige bundel voortbrengt. Bij voorkeur zou echter die bundel dan hooguit even groot zijn als het intreevlak van de homogenisatiestaaf, omdat anders licht verloren gaat. Dit stelt aanvullende eisen aan de afmetingen van lichtbron, spiegel en intreevlak, welke eisen niet of althans 10 veel minder aanwezig zijn bij gebruik van een elliptische spiegel. In beide gevallen is het eenvoudig mogelijk om de "opening" van de spiegel groot te maken, bij voorkeur ten minste 0,8, met meer voorkeur ten minste 1,0 en met nog meer voorkeur groter dan 1,0.

Hierbij wordt met A een maat voor de maximale ingevangen hoek 15 aangeduid, waarbij A = (ingevangen ruimtehoek in steradialen)/2π.

Hieruit blijkt dat A ligt tussen 0 en 2, en gelijk is aan 1 bij invangen van een halve bol, afgezien van een gedeelte van het door de LED, of de lichtbron geblokkeerde licht.

De relatieve afmetingen van de elliptische spiegel zullen 20 afhangen van de gewenste relatieve invanghoek, alsmede van de gewenste maximale hoek van inval op het intreevlak. Deze maximale hoek van inval kan worden uitgedrukt als een numerieke apertuur, Ai = sin(maximale hoek van inval). Bijvoorbeeld wordt een Ai van ongeveer 0,15 tot 0,20 gekozen, hoewel andere waarden ook eenvoudig mogelijk 25 zijn. De verhouding van de korte as van de ellips tov. de lange as van de ellips bepaalt de ruimtehoek afbeeldingsfactor. Bij een kleine ellips zal de LED echter veel meer in de lichtweg staan dan bij een grote. Verder zal een kleine ellips veel meer last hebben van afbeeldingsgfouten dan een grote. Er is dus een optimum voor de 30 verhouding van de doorsnedeoppervlakte van de ellips en de doorsnedeoppervlakte van de lichtbron. Dit optimum wordt door praktijkwensen bepaald, en ligt bv. tussen 10:1 en 100:1, zonder andere waarden echter uit te sluiten.

Bij voorkeur is het intreevlak in of nabij een tweede brandpunt 35 van de elliptische spiegel geplaatst. Dit betekent dat de afmetingen van het intreevlak van de homogenisatiestaaf zo klein mogelijk kunnen worden gehouden zonder lichtverlies. Met 'nabij' wordt bedoeld 'althans binnen een zodanige afstand van het intreevlak dat de lichtvlek die wordt geworpen voor tenminste 90% binnen het entreevlak 1 027627- - 3 - valt'. Vaak is de afbeeldingskwaliteit niet ideaal, zodat de lichtvlek een eigen uitgebreidheid heeft.

De in de uitvinding toegepaste LED is niet bijzonder beperkt.

Bij voorkeur omvat de LED echter een hoogvermogen-LED, met bv. een 5 elektrisch vermogen van 3 W en een lichtopbrengst van ca. 0,5 W. De ruimtehoek waarin deze LEDs stralen ligt typisch in de orde van 0.65*2π (dus ongeveer 70 graden als maximale hoek) tot 2π (90 graden maximale hoek). Dergelijke LED's verschaffen een intensiteit binnen een klein golflengtegebied die kan concurreren met gefilterde, veel 10 grotere kwikdamplampen en dergelijke. LED's hebben echter aanvullende voordelen, zoals zeer lange levensduur, schakelbaarheid en veel lager totaal vermogen, dus lagere warmteontwikkeling.

Met voordeel omvat de lichtbron ten minste een aanvullende lichtbron, bij voorkeur een aanvullende LED die uitstraalt in een 15 aanvullende richting die verschilt van een uitstraalrichting van de ten minste ene LED. Door een tweede lichtbron te verschaffen wordt het verlichtingssysteem flexibeler. Het kan bv. een reservelichtbron omvatten, een lichtbron met een andere kleur, of een lichtbron die uitstraalt in een andere richting dan de ten minste ene (hoofd)LED.

20 In deze laatste uitvoeringsvorm bestaat de mogelijkheid om aanvullende straling in te vangen, om zodoende de oorspronkelijke lichtbundel breder te maken. Immers zullen veel LED's in hooguit een halve bol uitstralen, zodat bv. ruggelings combineren van twee LED's een hele bol oplevert. Van deze hele bol kan eenvouding een 25 betrekkelijk groot gedeelte worden gebundeld met een holle spiegel, bv. met een A van 1,2.

Bij voorkeur omvat het verlichtingssysteem volgens de uitvinding voorts een aanvullende elliptische spiegel met een aanvullend brandpunt, waarbij de ten minste ene aanvullende 30 lichtbron, bij voorkeur de aanvullende LED, in het aanvullende brandpunt van de aanvullende elliptische spiegel is geplaatst. Op deze wijze kan rekening worden gehouden met de uitgebreidheid van de aanvullende lichtbron, bv. ten behoeve van koeling of aansturing, en kan die aanvullende lichtbron een eigen spiegel, met voordeel wederom 35 een elliptische spiegel, worden verschaft. De aanvullende spiegel kan andere afmetingen hebben dan de eerste (elliptische) spiegel, bv. een andere focusafstand, zodat ook de aanvullende lichtbron in een brandpunt kan worden geplaatst, zodanig dat de gebundelde straling van de aanvullende lichtbron ook op het intreevlak valt.

1 027627- - 4 -

Met voordeel omvat de LED en/of de aanvullende LED een omhulling die in hoofdzaak geen lichtbundelende eigenschappen heeft. Hiermee wordt bedoeld dat de LED('s) bij voorkeur geen eigen lensomhulling of dergelijke heeft. Een dergelijke transparante 5 omhulling in de vorm van een lens wordt vaak aangebracht om de straling van de LED reeds enigszins te bundelen. Een nadeel is echter dat de optische kwaliteiten van een dergelijke lens nogal eens te wensen over laten. Bovendien gaat flexibiliteit in optische eigenschappen verloren, en is bv. koeling van de LED problematischer.

10 Uiteraard is het echter, met aanpassingen, niet uitgesloten om een dergelijke LED toe te passen in het verlichtingssysteem volgens de uitvinding.

In een voorkeursuitvoeringsvorm omvat de lichtbron en/of de aanvullende lichtbron een zijdelings uitstralende LED. Dergelijke 15 LED's zijn in de handel verkrijgbaar als bv. LED's die met behulp van een daaraan bevestigd optisch element (bv. een spiegel) uitstralen in een richting loodrecht op de optische as van de LED. Een dergelijke lichtbron kan bv. zorgen voor een annulaire verlichting, indien dat gewenst is. Ook is een dergelijke LED gunstig als aanvullende 20 lichtbron, omdat deze dan kan uitstralen in een gebied dat goed aansluit op het gebied waar de ten minste ene LED een over het algemeen lagere intensiteit heeft, nl. in het gebied rond 90 graden op de optische as van de ten minste ene LED. Aldus kan, indien een spiegel met een bijbehorende hoge A van bv. 1,2 wordt gebruikt, een 25 doelmatige toename in intensiteit van de gebundelde straling worden bereikt.

Ook kunnen LED's e.d. worden gebruikt die een ander, gewenst uitstraalprofiel hebben, zoals slechts in bepaalde richtingen. Op die manier kan ook een bv. ringvormige of quadrupoolverlichtingsmodus 30 worden verwezenlijkt.

Met voordeel omvat de LED en/of de aanvullende LED een koeling, bij voorkeur een vloeistofkoeling. De gehele koelinrichting kan doorzichtig zijn, bijv. met water dat stroomt door een plexiglas plaat met kanalen voor de waterstroom) De lichtopbrengst van een LED 35 neemt af bij hogere temperaturen. Bij een gewenste hoge ' lichtopbrengst zal derhalve een koeling van de LED een hogere lichtsterkte verschaffen. De bekende inrichting bereikt dit met een Peltier-element. Dit is echter een vrij omvangrijk en relatief weinig doelmatig koelmechanisme. De uitvinding bereikt een betere koeling 40 met behulp van een vloeistofkoeling van de LED. Deze vloeistofkoeling 1027627- - 5 - kan heel compact worden uitgevoerd, hetgeen een voordeel kan zijn om zo weinig mogelijk licht weg te nemen, en kan bovendien de LED-temperatuur heel nauwkeurig sturen.

Bij voorkeur omvat de lichtbron ten minste twee LED's, die bij 5 voorkeur verschillen in vermogen en/of golflengtebereik, en die met voordeel afzonderlijk verplaatsbaar zijn naar een positie in het brandpunt van de elliptische spiegel. In deze uitvoeringsvorm is de lichtbron schakelbaar tussen twee, of meer, LED's. Aldus kunnen verschillende verlichtingsomstandigheden worden verschaft, zoals een 10 hogere verlichtingssterkte (bv. voor een zwakkere fluorescentie of een anderszins zwakker signaal) of een andere golflengte (bv. voor een anders fluorescerende stof) . In een voordelige uitvoeringsvorm zijn de verschillende LED's niet tegelijk in de holle spiegel aanwezig. De inrichting bekend uit DE 103 14 125 bereikt de 15 positionering van de LEDs ten opzichte van de optische as van het systeem door een draaibare opstelling. Bij gebruik van een compacte holle spiegel, inzonderheid een holle spiegel met een A van ten minste ongeveer 1, is dit ongunstig, aangezien dan vaak een groot gedeelte van het spiegeloppervlak moet worden uitgespaard om de 20 draaiing mogelijk te maken.

De afzonderlijke LED's zijn bij voorkeur transleerbaar. Het gebruik van een translatie voor de beweging van de LED's, eventueel in combinatie met een of meer filters, heeft als voordeel dat dit geen positiewijziging van de afgebeelde lichtvlek op het substraat 25 tot gevolg heeft, dit in tegenstelling tot een fout in de rotatiehoek van het filter. Ook wat betreft de stand ten opzichte van het dichroïtische filter biedt een translatie voordelen boven een rotatie. Immers zal een kleine positiefout geen veranderde hoek, en dus geen veranderde transmissie-eigenschappen van het dichroïtische 30 filter veroorzaken.

In het verlichtingssysteem volgens de uitvinding dient de homogenisatiestaaf om de lichtbundel te homogeniseren, dat wil zeggen een homogener intensiteitsprofiel te verschaffen. Dit wordt betrokken op een referentievlak, bv. het gewenste verlichtingsvlak. Dit 35 homogeniseren wordt bereikt door herhaaldelijk heen en weerkaatsen van de lichtstralen in de homogenisatiestaaf. Aangezien de stralen met verschillende invalshoek dit verschillend zullen doen, zullen die stralen worden opgemengd, zodat uiteindelijk de pieken en dalen in de intensiteit zullen worden uitgesmeerd. De dwarsdoorsnede tov. de 40 optische as mag met voordeel niet wijzigen. De staaf mag dus bv. bij 1027627- - 6 - voorkeur niet taps toelopen, gekromd zijn of om de optische as gedraaid zijn. Als dat wel zo is neemt het hoekaanbod naar het eind van de staaf toe en dat is in het algemeen niet gewenst. Echter, zolang de homogenisatiestaaf star is of althans onbeweeglijk is 5 opgesteld zodat de vorm tijdens gebruik in hoofdzaak niet verandert, kan van elke staaf het uiteindelijke belichtingsprofiel worden berekend of proefondervindelijk worden vastgesteld. In sommige gevallen zijn bv. bochten niet te vermijden, of is juiste een gewijzigd profiel gewenst. Ingeval de homogenisatiestaaf flexibel is 10 uitgevoerd, zoals bij een glasvezel, zal het profiel bij elke beweging kunnen veranderen, hetgeen minder gunstig is om een betrouwbaar en reproduceerbaar profiel te verkrijgen.

De homogenisatiestaaf heeft in een uitvoeringsvorm een rond doorsnedeprofiel met een diameter D, en een lengte L, waarbij een 15 vuistregel voor L als volgt is: L = (n+1/2)*D/tan(gemiddelde grootte van de hoek in staaf ten opzichte van de optische as), waarbij n= 0,1,...

Met een dergelijke betrekking tussen de grootheden doorsnede en 20 lengte van de staaf onstaat een goede homogenisatie reeds bij een betrekkelijk korte lengte van de staaf. Een homogeniteit van 90 tot 98% in een gebied met een straal van 0,9 x de buitenstraal van de vlek kan worden bereikt. Natuurlijk zijn ook andere lengte-diameterverhoudingen mogelijk, bv. om een bepaalde gewenste verdeling 25 te verkrijgen.

Uiteraard zijn ook andere profielen mogelijk, zoals een rechthoekig, vierkant of veelhoekig profiel. Ook zijn andere lengtes mogelijk, met name duidelijk grotere lengtes indien maximale homogenisatie gewenst is en afmetingen niet beperkt zijn. Zo is een 30 lengte van 100*diameter/(n_staaf * tan(gemiddelde grootte van de hoek in de staaf ten opzichte van de optische as)) een goede vuistregel voor prima homogenisatie, al is dit al snel enkele meters en dus te groot voor vele normale systemen.

Een voordelig verlichtingssysteem volgens de uitvinding omvat 35 voorts ten minste een aanvullende homogenisatiestaaf met een intreevlak, die verplaatstbaar is in een positie waarbij het intreevlak van de aanvullende homogenisatiestaaf aansluiten op het uittreevlak van de homogenisatiestaaf. Met een dergelijk bijplaatsbare aanvullende homogenisatiestaaf kunnen de 40 homogenisatieëigenschappen eenvoudig en doelmatig worden aangepast, 1 027627- - 7 - bv. indien een lichtbron met ander licht wordt ingeschakeld of indien een nog beter gehomogeniseerde lichtbundel gewenst is. Een uitvoeringsvorm kan bijvoorbeeld zijn een holle, aan de binnenzijde spiegelende pijp die over de staaf past. Door de pijp meer of minder 5 uit te schuiven kan de homogenisatielengte worden aangepast, en dus het belichtingsprofiel.

Bij voorkeur is de homogenisatiestaaf verplaatsbaar ten opzichte van het brandpunt van de elliptische spiegel. Dit biedt een verdere mogelijkheid om intensiteitsprofiel en de homogenisatie van 10 de lichtbundel aan te passen, doordat de hoekverdeling van het via het intreevlak invallende licht dan wordt gewijzigd.

Hier wordt opgemerkt dat de met de homogenisatiestaaf/-staven volgens de uitvinding te bereiken niet beperkt zijn tot LED-lichtbronnen, maar veeleer gelden voor elke te homogeniseren 15 lichtbundel, hoe ook opgewekt. Men zou hierbij zelfs kunnen denken aan (incoherent)laserlicht dat reeds met optische technieken van een gewenst additioneel hoekaanbod is voorzien (bijv eerst een laserbundel verbreden en vervolgens focusseren en direct na het focusvlak de staaf in laten gaan), dat vaak ook verder dient te 20 worden gehomogeniseerd.

In een voordelige uitvoeringsvorm van het verlichtingssysteem volgens de uitvinding omvat dit voorts een filter met een lokaal bestuurbare doorlaatbaarheid voor het licht van de lichtbron, bij voorkeur omvattende een vloeibaar-kristalrangschikking of 25 elektrochrome filterrangschikking. Met behulp van een dergelijk filter kan een bepaalde plek van een te belichten voorwerp, zoals een mikroskoopsubstraat, lokaal minder licht ontvangen. Dit kan worden gebruikt voor het 'uitschakelen' van zeer intens fluorescerende objecten. Deze objecten hebben, naast het feit dat ze de detector 30 overstralen ook de eigenschap dat ze veel licht uitzenden naar zwak of niet fluorescerende plaatsen. Vanaf die plaatsen kan dat licht weer naar de detector verstrooid worden zodat het op zich vaak zwakke licht wordt overstraald door strooilicht dat oorspronkelijk van die sterk fluorescerende objecten afkomstig was. M.a.w. de 35 signaalruisverhouding kan aldus worden verbeterd, doordat de verlichting kan worden beperkt tot de gewenste gebieden.

Een dergelijk filter kan op velerlei wijze zijn uitgevoerd, zoals een vloeibaar-kristalrangschikking of elektrochrome filterrangschikking, doch kan ook bv. een reeks schakelbare spiegels 1027627- - 8 - of dergelijke omvatten. Uiteraard dient een geschikte besturing te zijn verschaft.

De plaats van een dergelijk filter is bv. nabij of in het uittreevlak van de homogenisatiestaaf of een geconjugeerd vlak. Aldus 5 zal er altijd een min of meer scherp beeld van het filter op het te belichten object terechtkomen, en is de controle over de lokale belichting optimaal.

In een andere voordelige uitvoeringsvorm van het verlichtingssysteem volgens de uitvinding omvat dit voorts een filter 10 met een locaal bestuurbare doorlaatbaarheid voor het licht van de lichtbron, bij voorkeur omvattende een vloeibaar-kristalrangschikking of elektrochrome filterrangschikking. Met behulp van een dergelijk filter kan de pupilvorm van de belichting aangepast worden en daarmee de belichtingsvorm in de volgende geconjugeerde vlakken ook. Hierbij 15 valt te denken aan bijvoorbeel annulaire verlichting of quadrupoolbelichting.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een fluorescentieverlichtingssysteem, omvattende een verlichtingssysteem volgens de uitvinding, alsmede een optisch element met een 20 doorlaatbaarheid voor licht van de lichtbron in een golflengtebereik rond een eerste golflengte, die verschilt van de doorlaatbaarheid voor fluorescentielicht in een golflengtebereik rond een langere fluorescentiegolflengte. Met een dergelijk fluorescentieverlichtingssysteem is het bv. mogelijk om een object 25 dat een fluorescentie vertoont bij bestralen met een bepaald soort licht te bestuderen. Daartoe wordt een verlichtingssysteem volgens de uitvinding toegepast die dat type licht uitzendt, alsmede een optisch element dat het fluorescentielicht kan scheiden van het eerstgenoemde type licht, bv. een banddoorlaatfilter of een hoogdoorlaatfilter. Een 30 voorbeeld van een dergelijk filter is een dichroïtisch filter, dat ’ een bepaalde golflengteband doorlaat en het overige licht spiegelt, of omgekeerd. Op deze wijze kan het gewenste maar zwakke fluorescentiesignaal worden gescheiden van de veel sterkere hoofdverlichting. Een dergelijk beginsel is bekend in de literatuur 35 en zal hier niet nader worden toegelicht. Het voordeel van het fluorescentieverlichtingssysteem volgens de uitvinding is dat de te bereiken lichtsterkte hoger is dan voor bekende LED-systemen, zodat ook zwakkere fluorescentiesignalen nog betrouwbaar kunnen worden waargenomen.

'027627- - 9 -

Tevens heeft de uitvinding betrekking op een fluorescentiemikroskoóp omvattende een verlichtingssysteem of fluorescentieverlichtingssysteem volgens de uitvinding. Voorts omvat een dergelijke fluorescentiemikroskoop de gebruikelijke onderdelen 5 zoals oculair, objectief, substraattafel en dergelijke. Hierop wordt echter hier niet nader ingegaan, aangezien dergelijke onderdelen bekend worden verondersteld. Bij voorkeur is het verlichtingssysteem schakelbaar tussen een fluorescentiestand, waarbij door het oculair in hoofdzaak slechts een fluorescentiesignaal waarneembaar is, en een 10 normale stand, waarbij door het oculair een normaal verlicht substraat waarneembaar is.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van voorbeelduitvoeringsvormen en onder verwijzing naar de bijgaande 15 tekening. Daarin toont:

Fig. 1 een schematisch aanzicht van een fluorescentie microscopie-opstelling volgens de uitvinding;

Fig. 2. een schematisch aanzicht van een verlichtingssysteem volgens de uitvinding; 20 Fig. 3 een schematisch aanzicht van een ander verlichtingssysteem volgens de uitvinding; en

Fig. 4 toont schematisch een verlichtingssysteem volgens de uitvinding.

In fig. 1 is met 10 een LED aangeduid, die is verbonden met een 25 LED-besturing 12. Via een elliptische spiegel 14 wordt een convergente lichtbundel 16 op een homogenisatiestaaf 18 geworpen. Daaruit treedt, via diffusor 20, een divergerende lichtbundel 22, die via een eerste lens 24 een in hoofdzaak evenwijdige lichtbundel 26 wordt. Deze gaat via excitatiefilter 28 en via dichroïtische spiegel 30 30 en een filter met lokaal bestuurbare transmissie 32 met filterbesturing 33, en via een tweede lens 34 als een gefocusseerde bundel naar een substraat 36 op een substraathouder 38.

Met 40 is een optionele spiegel aangeduid die bijdraagt aan de fluorescentiebundel 42, die via een emissiefilter 44 en oculair 46 35 terecht komt in het oog 48 van een waarnemer.

In het bovenstaande zijn de diffusor 20, het excitatiefilter 28, het filter 32 met filterbesturing 33 en de spiegel 40 elk afzonderlijk en in combinatie optioneel.

Overigens zijn duidelijkheidshalve normale mikroskooponderdelen 40 zoals tubus, objecttafel en dergelijke niet ingetekend.

, 02 7627- - 10 -

De LED 10, of desgewenst een andere in hoofdzaak puntvormige lichtbron zendt licht uit in een grote ruimtehoek in een in hoofdzaak van de hoofdlichtweg afgekeerde richting. Het licht in deze grote ruimtehoek wordt opgevangen en gereflecteerd door middel van de holle 5 spiegel 14. De spiegel is in dit geval elliptisch, waarbij de LED in hoofdzaak in een brandpunt van de ellips is geplaatst. Alternatief kan de spiegel 14 ook een andersgevormde spiegel zijn, echter bij voorkeur zodanig dat een groot gedeelte van het door de lichtbron uitgezonden licht op een homogenisatiestaaf 18 valt.

10 De homogenisatiestaaf is in dit geval weergegeven als een enkel massief doorzichtig lichaam, van bijvoorbeeld glas, kwarts, kunststof enz., doch kan ook bv. hol zijn, en inwendig spiegelend of met gas of vloeistof gevuld. De doorsnedevorm van de homogenisatiestaaf 18 kan bijvoorbeeld rechthoekig, vierkant, rond enz. zijn. De 15 homogenisatiestaaf 18 dient om, door middel van meervoudige interne reflecties, de intensiteitsverdeling in de lichtbundel te homogeniseren. In beginsel geldt dat een langere homogenisatiestaaf 18 een betere homogenisatie oplevert. Anderzijds gelden er in de meeste toestellen en systemen beperkingen voor de in te nemen ruimte. 20 Derhalve zal er in de meeste gevallen een optimale lengte voor de staaf 18 zijn aan te wijzen, die een functie is van de diameter, de doorsnedevorm en bijvoorbeeld de brekingsindex van het gebruikte materiaal in de staaf 18.

Een andere, aanvullende wijze van homogeniseren wordt gevormd 25 door diffusor 20 die in beginsel op elke willekeurige plek in de lichtweg tussen lichtbron 10 en substraat 36 kan worden geplaatst. In dit geval is de diffusor 20 direct bij de staaf 18 geplaatst omdat de lichtbundel aldaar een zeer kleine doorsnede heeft en dus de afmetingen van de diffusor 20 beperkt kunnen blijven. Een nadeel van 30 de diffusor is dat het hoekaanbod van de bundel zal toenemen, zodat de kans bestaat dat er licht uit de lichtbundel verloren gaat. Niettemin is het toevoegen van de diffusor een eenvoudige wijze waarop de bundel verder gehomogeniseerd kan worden binnen een beperkte lengte van het systeem als geheel.

35 De diffusor 20 kan een plaatje omvatten van een materiaal dat doorlatend is voor de gebruikte straling en dat bijvoorbeeld is voorzien van een oppervlaktestructuur, bijvoorbeeld een verzameling willekeurige krasjes, enz.. Andere bekende diffusoren, zoals een houder met een doorlatende vloeistof met daarin zwevende 40 lichtbrekende deeltjes enz., worden niet uitgesloten.

1 027627- - 11 -

De optiek bestaande uit eerste lens 24, excitatiefilter 28, dichroitische spiegel 30 en tweede lens 34 is in principe wel bekend, en zal hier dan ook kort worden besproken. De dichroitische spiegel 30 dient om het licht van de lichtbron 10 naar het substraat 36 te 5 weerkaatsen, maar fluorescentiestraling die terugkeert van het substraat 36, en een andere golflengte heeft dan het door de lichtbron 10 uitgezonden licht, in hoofdzaak ongehinderd door te laten. Veelal bestaan dergelijke dichroitische filters uit een aantal afwisselende laagjes opgedampte diëlektrica. Een dergelijk 10 dichroitisch filter heeft een filter/transmissiekarateristiek die sterk hoekafhankelijk is. Derhalve dient het filter 30 met een in hoofdzaak evenwijdige bundel te worden belicht. Lens 24 dient dan ook om de divergente bundel 22 tot een in hoofdzaak evenwijdige bundel 26 om te vormen. Tweede lens 34 focusseert vervolgens de in hoofdzaak 15 evenwijdige bundel 26 weer zodanig dat het substraat 36 efficiënt kan worden belicht. In feite kan lens 34 als een soort objectief worden beschouwd. Overigens geldt voor alle lenzen in de getoonde opstelling, dat wil zeggen lens 24, lens 34 en lens 46, dat dit ook samengestelde lenzen kunnen zijn.

20 De dichroitische spiegel 30 dient uiteraard te zijn afgestemd op het door de lichtbron 10 uitgezonden licht alsmede op de verwachte fluorescentiestraling van het substraat 36, zodanig dat er een voldoende scheiding van de gewenste fluorescentiestraling ten opzichte van de oorspronkelijke straling van de lichtbron 10 25 optreedt.

Het optionele barrièrefilter 44, ook wel emissiefilter genoemd, kan aanvullend dienen voor het uitfilteren van ongewenste straling uit dë terugkerende fluorescentiebundel 42. Dergelijke ongewenste straling kan omvatten reststraling van het door de lichtbron 10 30 uitgezonden licht dat niet door de dichroitische spiegel 30 wordt tegengehouden, andere dan de gewenste fluorescenties enz.. Met andere worden kan een dergelijke barrièrefilter 44 de fluorescentiebundel 42 scheiden van de oorspronkelijke lichtbundel 16.

Vaak omvatten ook het barrièrefilter en/of het excitatiefilter 35 een diëlektrisch filter. Dergelijke filters hebben een transmissiekarakteristiek die hoekafhankelijk is. Dat wil zeggen, de transmissieband is een functie van de invalshoek van de erop vallende straling. Derhalve kan een verlichtingssysteem volgens de uitvinding een beweegbaar excitatiefilter en/of een beweegbaar barrièrefilter 40 omvatten, zodanig dat de hoek van excitatie- en/of het barrièrefilter 1027627- - 12 - ten opzichte van de invallende straling wijzigbaar is. Aldus kunnen verschillende delen van het spektrum worden doorgelaten, en worden gebruikt om een substraat te bemonsteren, zonder dat een verwisseling van filter en/of lichtbron nodig is. Van voordeel is hierbij dat bv.

5 een LED een zekere bruikbare spectrumbreedte heeft, van bv. enkele tientallen nanometer FWHM.

Via een oculair 46 kan de fluorescentiebundel 42 worden bekeken door het oog 48 van de waarnemer, of uiteraard ook door een lichtmeetinrichting, een camera enz.

10 In Figuur 2 is schematisch een verlichtingssysteem getoond dat een onderdeel kan zijn van de fluorescentiemikroskopieopstelleing volgens fig. 1. Hierin zijn soortgelijke onderdelen aangeduid met gelijke verwijzingscijfers.

LED 10 straalt hier uit in een halve bol, aangeduid met 15 ruimtehoek y. De elliptische spiegel vangt in hoofdzaak al deze straling op en spiegelt en bundelt deze in voorwaartse richting. Vanwege de halve bol van de LED 10 heeft de elliptische spiegel een relatieve invanghoek A van een 1,0. In feite kan de elliptische spiegel, indien de LED 10 in nog meer richtingen zou uitzenden, 20 bijvoorbeeld naar achteren, een nog hogere numerieke apertuur hebben, zoals 1,2 enz.. Dit is uiteraard duidelijk hoger dan met een condensorlens zou kunnen worden bereikt.

De convergerende bundel 16 wordt begrensd door randstralen 17 die een maximale hoek α maken met de optische as. Deze hoek α is 25 afgestemd op de gewenste te bereiken numerieke apparatuur van bijvoorbeeld 0,15-0,2. De randstralen 17 maken de sterkste hoek met de optische as en zullen dus in de homogenisatiestaaf 18 het vaakst weerspiegelen. Een dergelijke randstraal is in de figuur aangeduid met de dubbele pijl. Daarentegen zal een straal evenwijdig aan de 30 optische as in beginsel niet worden weerkaatst. Aldus treedt een vermenging op van de diverse lichtstralen, en zal de intensiteitsverdeling in de bundel worden gehomogeniseerd. Men zou kunnen zeggen dat de lichtbundel 16 die invalt op de homogenisatiestaaf 18, en een diameter Di heeft bij een numerieke 35 apertuur A na homogenisatie in hoofdzaak dezelfde A heeft maar een diameter van D2 en uiteraard een verbeterde dat wil zeggen homogenere intensiteitsverdeling.

Zoals hierboven reeds beschreven zijn de lengte, diameter d en bijvoorbeeld desgewenst ook de brekingsindex van de 1 027627 - - 13 - homogenisatiestaaf 18 aangepast aan de hoofdlengte van het gebruikte licht, en aan de maximale hoek <x enz. Om zonder veel aanpassingen aan opstelling enz. toch ook bijvoorbeeld een ander soort licht te kunnen gebruiken, of een andere hoek a, voorziet de uitvinding er in om 5 achter de homogenisatiestaaf 18 een aanvullende homogenisatiestaaf 18' te plaatsen. Deze aanvullende homogenisatiestaaf 18' omvat een aanvullende lengte van een materiaal dat hetzij hetzelfde is als dat van de homogenisatiestaaf 18, hetzij een andere brekingsindex heeft. Ook zou de aanvullende homogenisatiestaaf een hol lichaam kunnen zijn 10 enz.. Doel van de aanvullende homogenisatiestaaf 18' is om, bijvoorbeeld bij een iets andere golflengte, toch op een ideaal intensiteitsverdelingsprofiel uit te komen.

De LED 10 wordt elektrisch gevoed door middel van LED-besturing 12. Deze zal verderop nader worden toegelicht. Met 50 is een LED-15 koeling aangeduid, die dient om de temperatuur van de LED zo laag mogelijk, althans op een zo gunstig mogelijk niveau te houden. Een dergelijke LED-koeling 50 kan bijvoorbeeld een Peltier-element, of bij voorkeur een vloeistofkoeling, zoals waterkoeling omvatten. Waterkoeling biedt het voordeel van een groter koelingsvermogen. Het 20 te koelen vermogen van een LED bedraagt overigens vaak maar enkele Watts.

Een groot voordeel van de uitvinding is dat deze zeer energie-efficiënt is. Enkele Watts totaal vermogen zijn toereikend, zodat het gehele verlichtingssysteem eenvoudig op accu's .of batterijen kan 25 werken, hetgeen een groot voordeel is voor toepassing op afgelegen gebieden, zoals op medisch gebied, bv. onderzoek van weefsels.

LED-besturing 12 dient om de LED in en uit te schakelen. Dit in- en uitschakelen heeft (nagenoeg) geen invloed op de levensduur van de lichtbron, in tegenstelling tot bv. gasontladingslampen. Het 30 is aldus mogelijk om de LED alleen dan in te schakelen als er licht gewenst is, zodat de geschatte levensduur van rond 50.000 uur optimaal kan worden gebruikt. In feite is er aldus sprake van een lichtbron die nooit hoeft worden te vervangen.

Een ander voordeel van het schakelen van de LED hangt samen met 35 het feit dat een LED zijn grootste intensiteit biedt bij een lage temperatuur, bv. vlak na het inschakelen. Vooral bij zeer kortdurende verlichting kan het extra voordeel bieden om LED's te gebruiken als lichtbron, door deze dan met een hoger dan nominaal vermogen aan te sturen. Bij kortdurende oversturing, bv. maximaal 1 seconde, en bij 1027627- - 14 - voorkeur gedurende een tijdsduur tussen 1 ps en 50 ms, treedt geen schade op aan de LED, en kan gebruik worden gemaakt van een hogere intensiteit van wel een factor 2-5 hoger. Deze aansturing is vooral gunstig indien er verschijnselen worden onderzocht waarbij er 5 nagloeien optreedt, bv langzame fluorescentie of fosforescentie.

De sturing van de LED kan voorts geschieden op basis van de opgewekte lichtintensiteit. Daartoe kan de LED-besturing 12 bv. worden gekoppeld met een lichtmeter (niet weergegeven), die de bundelintensiteit meet, en een signaal terugkoppelt naar de LED-10 besturing. Op deze wijze kan een zeer stabiele LED-verlichting worden verkregen. Deze stabiliteit kan nog verder worden vergroot bij een combinatie met LED-koeling, zodat de temperatuur van de LED, die een grote invloed op de intensiteit heeft, kan worden gestabiliseerd.

Figuur 3 toont een schematisch aanzicht van een ander 15 verlichtingssysteem volgens de uitvinding.

Hierin is 10 wederom een LED, geplaatst in een brandpunt fl van de elliptische spiegel 14. Met 10' is een aanvullende LED aangegeven, die is geplaatst in het brandpunt f2 van aanvullende elliptische spiegel 14'. Koelingen zijn aangegeven met 50 respectievelijk 50'.

20 Het is te zien in de Figuur dat de elliptische spiegels 14 en 14' verschillen in afmetingen vanwege de verschillende posities van de daarbij horende LED's 10 en 10', hoewel ze bij voorkeur wel op elkaar aansluiten. LED 10' is in de figuur een zijdelings uitstralende LED, waarvan de bundel is aangeduide met de 25 streeplijnen. Aldus kan de intensiteit van de totale bundel doelmatig worden verhoogd, vooral indien de intensiteit van de LED 10 bij grote uitstraalhoek gering is.

Figuur 4 toont schematisch een verlichtingssysteem volgens de uitvinding.

30 Hierin zijn 10 en 10' LED's die zijn aangebracht op een ondersteuning 56 die verplaatsbaar is in de richting van de pijl B, via een gat 60 in de spiegel 14.

In deze uitvoeringsvorm kan eenvoudig worden gewisseld van LED, bv. om een andere golflengte of intensiteit te kiezen, terwijl de 35 oppervlakte van het gat 60 klein kan blijven, en dus de verliezen aan intensiteit gering. Zo zijn er vele LED's beschikbaar in het zichtbare en nabije UV-golflengtegebied. De meeste LED's hebben benadbreedten van bv. ongeveer 50 nm FWHM, zodat er meerdere LED's nodig zijn om in totaal het hele zichtbare gebied bij benadering af 40 te dekken.

1027627- - 15 -

De uitvinding verschaft een verlichtingssysteem dat een hoge intensiteit in de opgewekte lichtbundel biedt, die bovendien zeer homogeen kan worden gemaakt, zeer stabiel is. Bovendien is deze 5 schakelbaar in AAN en UIT en bovendien in vermogen en in kleur.

Bovendien is een groot voordeel van de uitvinding dat er buitengewoon doelmatig met energie wordt omgegaan.

1027627-

Claims (15)

1. Verlichtingssysteem, omvattende - een lichtbron met ten minste een LED die is ingericht voor het uitzenden van licht; - een optisch element met een brandpunt; en 5. een homogenisatiestaaf, omvattende een lichaam met een intreevlak en een uittreevlak, welk lichaam in hoofdzaak doorlatend is voor het licht van de lichtbron, waarbij de lichtbron in het brandpunt van het optische element is geplaatst, zodanig dat door de lichtbron uitgezonden licht door het 10 optische element gebundeld kan worden weerkaatst naar een intreevlak van de homogenisatiestaaf, waarbij het optische element een holle spiegel omvat.

2. Verlichtingssysteem volgens conclusie 1, waarbij de holle 15 spiegel een elliptische spiegel omvat, bij voorkeur met een relatieve invanghoek A van tenminste 0,8, waarbij A gelijk is aan de (uitstralende ruimtehoek van de LED)/27ï.

3. Verlichtingssysteem volgens conclusie 2, waarbij het 20 intreevlak in of nabij een tweede brandpunt van de elliptische spiegel is geplaatst.

4. Verlichtingssysteem volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de lichtbron ten minste een aanvullende lichtbron omvat, bij 25 voorkeur een aanvullende LED, welke aanvullende lichtbron uitstraalt in een aanvullende richting die verschilt van een uitstraalrichting van de ten minste ene LED.

5. Verlichtingssysteem volgens conclusie 4, voorts omvattende 30 een aanvullende elliptische spiegel met een aanvullend brandpunt, waarbij de ten minste ene aanvullende lichtbron, bij voorkeur de aanvullende LED, in het aanvullende brandpunt van de aanvullende elliptische spiegel is geplaatst.

6. Verlichtingssysteem volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de LED en/of de aanvullende LED een omhulling omvat die in hoofdzaak geen lichtbundelende eigenschappen heeft. 1027627- - 17 -

7. Verlichtingssysteem volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de LED en/of de aanvullende LED een zijdelings uitstralende LED omvat.

8. Verlichtingssysteem volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de LED en/of de aanvullende LED een koeling, bij voorkeur een vloeistofkoeling, omvat.

9. Verlichtingssysteem volgens een der voorgaande conclusies, 10 waarbij de homogenisatiestaaf een rond doorsnedeprofiel heeft met een diameter D, en een lengte L, waarbij: L = (n+l/.2) *D/tan (gemiddelde grootte van de hoek in de homogenisatiestaaf ten opzichte van de optische as), waarbij n= 0,1,... 15

10. Verlichtingssysteem volgens een der voorgaande conclusies, voorts omvattende ten minste een aanvullende homogenisatiestaaf met een intreevlak, die verplaatstbaar is in een positie waarbij het intreevlak van de aanvullende homogenisatiestaaf aansluiten op het 20 uittreevlak van de homogenisatiestaaf.

11. Verlichtingssysteem volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de homogenisatiestaaf verplaatsbaar is ten opzichte van het brandpunt van de elliptische spiegel. 25

12. Verlichtingssysteem volgens een der voorgaande conclusies, voorts omvattende een filter met een locaal bestuurbare doorlaatbaarheid voor het licht van de lichtbron, bij voorkeur omvattende een vloeibaar-kristalrangschikking of elektrochrome 30 filterrangschikking.

13. Verlichtingssysteem volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de lichtbron ten minste twee LED's omvatten, die bij voorkeur verschillen in vermogen en/of golflengtebereik, en die afzonderlijk 35 verplaatsbaar zijn naar een positie in het brandpunt van de elliptische spiegel.

14. Fluorescentieverlichtingssysteem, omvattende een verlichtingssysteem volgens een der voorgaande conclusies, alsmede 40 een optisch element met een doorlaatbaarheid voor licht van de 1 027627- - 18 - lichtbron in een golflengtebereik rond een eerste golflengte, die verschilt van de doorlaatbaarheid voor fluorescentielicht in een golflengtebereik rond een langere fluorescentiegolflengte.

15. Fluorescentiemikroskoop omvattende een (fluorescentie)verlichtingssysteem volgens een der voorgaande conclusies. 10 1 027627 -