WO2006042624A1 - Beleuchtungseinrichtung für mikroskope - Google Patents

Beleuchtungseinrichtung für mikroskope Download PDF

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WO2006042624A1 PCT/EP2005/010471 EP2005010471W WO2006042624A1 WO 2006042624 A1 WO2006042624 A1 WO 2006042624A1 EP 2005010471 W EP2005010471 W EP 2005010471W WO 2006042624 A1 WO2006042624 A1 WO 2006042624A1
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Harald Schadwinkel
Andreas Nolte
Klaus Becker
Thomas Müller-Wirts
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Carl Zeiss Microimaging Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/06—Means for illuminating specimens
    • G02B21/08—Condensers
    • G02B21/082—Condensers for incident illumination only

Definitions

  • the invention relates to a lighting device for microscopes, which is based on the use of non-classical light sources.
  • Non-classical light sources are understood below to mean LEDs (Light Emitting Diodes), lasers, OLEDs (Organic Light Emitting Diodes) or other light sources not based on the glowing effect of hot materials.
  • LEDs Light Emitting Diodes
  • lasers lasers
  • OLEDs Organic Light Emitting Diodes
  • other light sources not based on the glowing effect of hot materials.
  • the examples are explained with reference to LEDs, but are also applicable to the other light sources.
  • the invention has the object to overcome the disadvantages of the prior art and in particular to provide a user-acceptable solution for the retrofitting of LED lighting on existing microscopes.
  • Brightness control of the LED lighting can be used.
  • Resistor network of the or the LED 's is connected upstream, which to control the
  • Brightness of the halogen light serving voltage range to the corresponding one
  • Brightness change of the LED 's converts.
  • Invention characterized by the use of a pulse width modulation.
  • a constant voltage with a frequency far above the temporal resolution limit of the human eye (maximum 50 Hz) is applied in pulses to the LEDs and the brightness is adjusted by changing the time ratio between the applied voltage
  • the necessary for the operation of the pulse width modulation circuit is set from the adjoining, set by the user according to its default for brightness control
  • Microscopes with a modern LED or laser illumination no additional control unit is necessary and the user continues to brightness control the corresponding on
  • Microscope stand attached control can use.
  • Fig. 1 shows schematically the beam path in a microscope
  • Fig. 2 shows a first embodiment with series resistors
  • Fig. 3 shows a second embodiment with a variable current source
  • Fig. 4 shows a third embodiment with a pulse width circuit
  • Fig. 5 is a diagram with different voltage / brightness characteristics
  • Fig. 1 the total beam path is shown schematically in a microscope. From one
  • Light source 1 the light via a protective filter 2, the aperture diaphragm 3 and the
  • the splitter mirror 6 reflects this Exciting light on the object 6 on the object 8.
  • the fluorescent light generated by the excitation light in the object 8 again passes through the lens 7 and is now transmitted by the splitter mirror 6 and imaged by the emission filter 9 on the tube lens 10 and from this via a prism system in the eyepieces 11 , Alternatively, the light can also be imaged by means of a camera mounted on the phototube 12.
  • the light source 1 is detachably connected to the microscope stand 14 via a mechanical interface 13.
  • the power supply of the light source 1 via an attached to the microscope stand 14 electrical interface 15 (eg socket) and a supply line 16.
  • the voltage applied to the interface 15 variable voltage is controlled via an operating element 17 of users according to its requirements on the brightness, but it is also possible to provide keys for defined brightness or color temperature values.
  • an actual light source 18 is for example an LED array, which consists of a regular two-dimensional arrangement of white light LEDs', but there are also other possibilities such as single LED's or LED's of different colors conceivable.
  • the illustrated scheme relates to a fluorescence microscope, but the invention is of course applicable to a conventional microscope. In Fig. 2, a simple circuit for implementing the invention is given.
  • the conversion of the variable input voltage takes place at the interface 15 in a variable current through the use of resistors 19, 19 ', 19 ", wherein in the case of LED arrays in this case the use of each of a resistor 19, 19', 19" per LED 20th '20'. 20 "is advantageous in order to compensate for differences in the diode characteristic curves.
  • the dimensioning of the resistors R results from
  • Umax is the maximum supply voltage at the interface 15, Imax the maximum current allowed for the LED, ULEDmax the voltage drop at the LED at maximum current.
  • variable supply voltage into a variable current
  • a controlled current source which derives the desired current from the supply potential difference.
  • a circuit is indicated in Fig. 3, wherein here only the circuit for an LED is shown, for LED arrays, such a circuit is assigned to each LED. From the variable supply voltage, which is applied to the socket 15, the reference variable of the current source with transistor Tl and measuring resistor R3 is generated by means of the resistors Rl and R2, and the diode Dl, which conducts a voltage approximately proportional to the supply current through the LED 20.
  • a disadvantage of the simple variants described so far is that the supply voltage must always be greater than the threshold voltage of the semiconductor light sources used.
  • LED elements connected in series are often used in order not to cause excessive total currents and to compensate for different characteristics.
  • the threshold voltages add up.
  • three white LEDs so results in a threshold voltage of about 8 ... 9 volts, so that one of the replacement of the halogen lamp adapted brightness control is no longer possible, since this already begins at about 3V, the light flux. Therefore, in Fig. 4, a particularly preferred embodiment is described.
  • a voltage of, for example, 12 V for supplying the pulse width controller 22 is obtained via a power up-converter 21.
  • This has a ramp generator 23, which can optionally be controlled by an external trigger 24.
  • the target brightness representing voltage is by means of the circuit 25 (for example with the aid of a Zener diode, which converts the guide voltage only from about 3V, and a voltage divider, with the aid of which a calibration factor can be set) a Reference value 26 formed as an input for a differential amplifier 27, which compares this setpoint 26 with an actual value 28, wherein this is obtained via a low pass 29 and a matching circuit 39 from the current value 31 for the control of the LED array 32.
  • the differential signal of the differential amplifier 27 is applied to an integral regulator 33, which is connected to a comparator 34.
  • the second input of the comparator 34 is connected to the output of the ramp generator 23.
  • This generates from the output from the controller 33 manipulated variable and the output from the ramp generator 23 pulse-shaped voltage distribution corresponding to the desired brightness division between light and dark phases for the LED array 32.
  • the change between these phases takes place with such a high frequency that both the human eye as well as any connected to the camera output 12 camera can not resolve this, and thus only the integral brightness corresponding to the am Register control element 17 set value.
  • the frequency is well above 50 Hz, the axis is sufficient for the human eye. This frequency depends on the camera's integration time and is typically in the kHz range or above.
  • the matching circuit 30 may be used in conjunction with the low-pass filter 29 to provide a desired characteristic of the relationship between the one at the interface

Abstract

Beleuchtungseinrichtung für Mikroskope, welche lösbar mit dem Mikroskop verbunden ist und mindestens eine nichtklassische Leuchtquelle wie z.B. LED, Laser o.ä aufweist und wobei das Mikroskop über ein Bedienelement zur Einstellung der Helligkeit der Beleuchtung verfügt, und bei der die Helligkeit der nichtklassischen Leuchtquelle mittels diesem Bedienelement eingestellt wird.

Description

Beleuchtungseinrichtung für Mikroskope
Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung für Mikroskope, welche auf der Nutzung von nichtklassischen Leuchtquellen beruht. Unter nichtklassischen Leuchtquellen werden im folgenden LED 's (Light Emitting Diodes), Laser, OLED 's (Organic Light Emitting Diαdes) oder andere nicht auf dem Glüheffekt heißer Materialien beruhende Leuchtquellen verstanden. Zur Vereinfachung werden die Beispiele an Hand von LED's erläutert, sind, aber auch auf die anderen Leuchtquellen anwendbar.
Herkömmliche Mikroskope verfügen zur Beleuchtung der Proben über klassische Lichtquellen wie Halogenlampen o.a.. Zur Anpassung an das jeweilige Präparat müssen diese in ihrer Helligkeit gesteuert werden, wozu die Mikroskope über entsprechende Bedienelemente verfügen. Da diese Leuchten häufig extern angeschlossen werden verfügen sie über einen elektrischen Stecker, mit dem sie an einer Buchse des Mikroskops angeschlossen werden können. Das entsprechende Bedienelement am Mikroskop steuert so die an der Buchse anliegende Spannung und damit die Helligkeit der Lichtquelle. In der DE 37 34 691 wurde vorgeschlagen, als Lichtquelle für Mikroskope LED's (Light Emitting Diodes) zu verwenden. Mit der Verbesserung der Parameter der LED's im Laufe der Entwicklung (höhere Lichtausbeuten, Weisslicht-LED 's usw.) wurde der Einsatz in der Mikroskopie attraktiver. Beispiele für einen solchen Einsatz sind u.a. die DE 199 19 096, DE 100 17 823, DE 102 14 703 und das DE-GM 298 16 055. Dabei hat sich als nachteilig erwiesen, dass diese LED-Beleuchtungen aufgrund der elektrischen Eigenschaften der LED's zur Regelung der Helligkeit mit eigenen, spezifischen Ansteuerschaltungen versehen sein müssen, welche üblicherweise in einem eigenen Ansteuergerät untergebracht sind, die Helligkeitsregelung erfolgt damit an einem Bedienelement des Ansteuergerätes und ist damit für den Benutzer des Mikroskops aufHvendig und ungewohnt.
Die Erfindung stellt sich der Aufgabe, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und insbesondere eine für den Benutzer akzeptable Lösung für die Nachrüstung von LED- Beleuchtungen an vorhandenen Mikroskopen anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst, vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die erfmdungsgemäße Beleuchtungseinrichrurig an den zur Spannungsversorgung der externen Halogenleuchte angeschlossen werden kann und das für die Regelung dieser Leuchte am Mikroskop vorgesehene Bedienelement zur
Helligkeitsregelung der LED -Beleuchtung verwendet werden kann.
Eine besonders einfache Lösung ergibt sich, wenn ein entsprechend dimensioniertes
Widerstandsnetzwerk der oder den LED 's vorgeschaltet wird, welches den zur Regelung der
Helligkeit der Halogenleuchte dienenden Spannungsbereich auf die zu einer entsprechenden
Helligkeitsänderung der LED 's umsetzt.
Um die sich bauartbedingt durch die Helligkeitsregelung der LED 's mittels Veränderung der anliegenden Spannung ergebenden Verschiebungen der abgestrahlten Wellenlänge und damit der Farbe des Lichtes zu vermeiden ist eine besonders "bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung durch die Verwendung einer Pulsweitenmodulation charakterisiert. Dabei wird eine konstante Spannung mit einer weit oberhalb der zeitlichen Auflösungsgrenze des menschlichen Auges (max. 50 Hz) liegenden Frequenz impulsförmig an die LED 's angelegt und die Helligkeit durch Veränderung des Zeitverhältnisses zwischen angelegter Spannung
(LED hell) und Spannung Null (LED dunkel) eingestellt.
Die zum Betrieb der zur Pulsweitenmodulation notwendigen Schaltung wird dabei aus der anliegenden, vom Benutzer entsprechend seiner Vorgabe zur Helligkeitsregelung eingestellten
Spannung gewonnen. Das bedeutet, dass die der gewünschten Helligkeit entsprechende
Spannung gleichzeitig zur Versorgung der Steuerschaltung und der LED 's dient und außerdem zwecks Ansteuerung der Pulsweitenschaltung zur Einstellung der entsprechenden
Helligkeit ausgewertet wird.
Der besondere Vorteil der Erfindung ist darin begründet, dass bei Nachrüstung eines
Mikroskops mit einer modernen LED- oder Laserb eleuchtung keine zusätzliche Steuereinheit notwendig ist und der Nutzer weiterhin zur Helligkeits Steuerung das entsprechende am
Mikroskopstativ angebrachte Bedienelement benutzen kann.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert
Es zeigen
Fig. 1 schematisch den Strahlengang in einem Mikroskop
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel mit Vorwiderständen
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer variablen Stromquelle
Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einer Pulsweitenschaltung
Fig. 5 ein Diagramm mit verschiedenen Spannungs/Helligkeitskennlinien
In Fig. 1 ist schematisch der Gesamtstrahlengang in einem Mikroskop dargestellt. Von einer
Lichtquelle 1 wird das Licht über ein Schutzfilter 2, die Aperturblende 3 und die
Leuchtfeldblende 4 auf den Anregungsfilter 5 gerichtet. Der Teilerspiegel 6 reflektiert das Anregungslicht über das Objektiv 6 auf das Objekt 8. Das vom Anregungslicht im Objekt 8 erzeugte Fluoreszenzlicht passiert wiederum das Objektiv 7 und wird jetzt vom Teilerspiegel 6 durchgelassen und durch das Emissionsfilter 9 auf die Tubuslinse 10 und von dieser über ein Prismensystem in die Okulare 11 abgebildet. Alternativ kann das Licht auch mittels einer am Fototubus 12 angebrachte Kamera abgebildet werden. Die Lichtquelle 1 ist über eine mechanische Schnittstelle 13 lösbar mit dem Mikroskopstativ 14 verbunden. Die Spannungsversorgung der Lichtquelle 1 erfolgt über eine am Mikroskopstativ 14 angebrachte elektrische Schnittstelle 15 (z.B. Buchse) und eine Zuleitung 16. Die an der Schnittstelle 15 anliegende variable Spannung wird über ein Bedienelement 17 von Benutzer entsprechend seinen Anforderungen an die Helligkeit geregelt, es ist aber auch möglich Tasten für definierte Helligkeits- oder auch Farbtemperaturwerte vorzusehen. Als eigentliche Leuchtquelle 18 dient beispielsweise ein LED-Array, welches aus einer regelmäßigen zweidimensionalen Anordnung von Weißlicht-LED 's besteht, es sind aber auch andere Möglichkeiten wie Einzel-LED's oder LED's verschiedener Farben vorstellbar. Das dargestellte Schema betrifft ein Fluoreszenzmikroskop, die Erfindung ist aber selbstverständlich auch bei einem herkömmlichen Mikroskop anwendbar. In Fig. 2 ist eine einfache Schaltung zur Umsetzung der Erfindung angegeben. Dabei erfolgt die Umsetzung der variablen Eingangsspannung an der Schnittstelle 15 in einen variablen Strom durch die Verwendung von Widerständen 19, 19', 19", wobei im Fall von LED Arrays hierbei die Verwendung je eines Widerstandes 19, 19', 19" je LED 20, 20'. 20" vorteilhaft ist, um Unterschiede der Diodenkennlinien auszugleichen. Die Dimensionierung der Widerstände R ergibt sich durch
R = ( Umax - ULEDmax ) / Imax
Hierbei sind Umax die maximale Versorgungsspannung an der Schnittstelle 15, Imax der für die LED erlaubte Maximalstrom, ULEDmax der Spannungsabfall an der LED bei Maximalstrom.
Eine solch einfache Umsetzung der variablen Versorgungsspannung in einen variablen Strom ist jedoch mit relativ großen Verlustleistungen behaftet, da der Spannungsabfall an den Widerständen sehr groß gegenüber der Streuung der Strom-Spannungs-Kennlinien sein muss. Günstiger ist stattdessen die Verwendung einer gesteuerten Stromquelle, welche den Sollstrom aus der Versorgungspotentialdifferenz herleitet. Eine solche Schaltung ist in Fig. 3 angeben, wobei hier nur die Schaltung für eine LED gezeigt wird, für LED-Arrays wird eine solche Schaltung jeder LED zugeordnet. Aus der variablen Versorgungsspannung, welche an der Buchse 15 anliegt, wird mit Hilfe der Widerstände Rl und R2, sowie der Diode Dl die Führungsgröße der Stromquelle mit Transistor Tl und Messwiderstand R3 erzeugt, welche einen der Versorgungsspannung etwa proportionalen Strom durch die LED 20 leitet.
Ein Nachteil der bisher beschriebenen einfachen Varianten ist, dass die Versorgungsspannung stets größer sein muss als die Schwellspannung der verwendeten Halbleiterlichtquellen. Gerade bei LED-Arrays werden häufig in Reihe geschaltete LED-Elemente benutzt, um nicht zu hohe Gesamtströme zu bewirken und um unterschiedliche Kennlinien auszugleichen. In diesem Fall addieren sich jedoch die Schwellspannungen. Bei Serienschaltung von beispielsweise drei weißen LEDs ergibt sich so eine Schwellspannung von ca. 8...9 Volt, damit ist eine der zu ersetzenden Halogenlampe angepasste Helligkeitsregelung nicht mehr möglich, da bei dieser bereits bei ca. 3V der Lichtfluss einsetzt. Daher ist in Fig. 4 ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben. Aus der an der Schnittstelle 15 anliegenden variablen Spannung wird über einen Leistungs- Aufwärtswandler 21 eine Spannung von beispielsweise 12 V zur Versorgung des Pulsweitenstellers 22 gewonnen. Dieser weist einen Rampengenerator 23 auf, welcher optional von einem externen Trigger 24 angesteuert werden kann. Aus der an der Schnittstelle 15 anliegenden, die Sollhelligkeit repräsentierenden Spannung wird mittels der Schaltung 25 (beispielsweise mit Hilfe einer Zener-Diode, die die Führungsspannung erst ab ca. 3V umsetzt, und eines Spannungsteilers, mit dessen Hilfe sich ein Kalibrierfaktor einstellen lässt) ein Sollwert 26 als Eingang für einen Differenzverstärker 27 gebildet, welcher diesen Sollwert 26 mit einem Istwert 28 vergleicht, wobei dieser über einen Tiefpass 29 und eine Anpassungsschaltung 39 aus dem aktuellen Stromwert 31 für die Ansteuerung des LED- Arrays 32 gewonnen wird. Das Differenzsignal des Differenzverstärkers 27 wird auf einen integralen Regler 33 gegeben, welcher mit einem Komparator 34 verbunden ist. Der zweite Eingang des Komparator 34 ist mit dem Ausgang des Rampengenerators 23 verbunden. Dieser erzeugt aus der vom Regler 33 abgegebenen Stellgröße und dem vom Rampengenerator 23 abgegebenen pulsförmigen Spannungsverlauf eine der gewünschten Helligkeit entsprechende Aufteilung zwischen Hell- und Dunkelphasen für das LED-Array 32. Der Wechsel zwischen diesen Phasen erfolgt mit einer so hohen Frequenz, dass sowohl das menschliche Auge als auch eine eventuell am Kameraausgang 12 angeschlossene Kamera diese nicht auflösen kann, und damit nur die integrale Helligkeit entsprechend des am Bedienelement 17 eingestellten Wertes registrieren. Für das menschliche Auge reicht es axis wenn die Frequenz deutlich oberhalb von 50 Hz liegt, für die Kamera ist diese Frequenz von der Integrationszeit der Kamera abhängig und liegt typischerweise im kHz-Bereich oder darüber. Die Anpassungsschaltung 30 kann in Verbindung mit dem Tiefpass 29 dazu genutzt werden, eine gewünschte Kennlinie für den Zusammenhang zwischen der an der Schnittstelle
15 anliegenden Spannung und dem vom LED-Array 32 abgegebenen Lichtfluss zu erzeugen.
Dazu kann sie einen entsprechenden nichtlinearen Verlauf zwischen Eingang und Ausgang einbringen.
Beispiele für solche Kennlinien sind in Fig. 5 angegeben. Damit lässt sich die Kennlinie einer
Halogenlampe exakt nachbilden, aber auch gezielt ein linearer Verlauf oder anderes einbringen.
Die Erfindung ist nicht an die dargestellten Ausführungsbeispiele gebunden, fachmännische
Weiterentwicklungen z.B. durch andere Schaltungsvarianten führen nicht zu einem Verlassen des Schutzbereiches.

Claims

Patentansprüche
1. Beleuchtungseinrichtung für Mikroskope, welche lösbar mit dem Mikroskop verbunden ist und mindestens eine nichtklassische Leuchtquelle wie z.B. LED, Laser o.a. aufweist und wobei das Mikroskop über mindestens ein Bedienelement zur Einstellung der Helligkeit der Beleuchtung verfügt, und bei der die Helligkeit deT mindestens einen nicritklassischen Leuchtquellen mittels diesem mindestens einen Bedienelement eingestellt wird.
2. Beleuchtungseinrichtung für Mikroskope nach Anspruch 1, wobei die an einer Schnittstelle des Mikroskops anliegende, von dem Bedienelement beeinflusste Spannung zur Helligkeitseinstellung der mindestens einen nichtklassischen Leuchtquellen verwendet wird.
3. Beleuchtungseinrichtung für Mikroskope nach Anspruch 2, wobei der mindestens einen nichtklassischen Leuchtquellen mindestens ein Widerstand vorgeschaltet i st, welcher die Umsetzung der an der Schnittstelle anliegenden Spannung in eine an die Spannung/Helligkeitskennlinie der nichtklassische Leuchtquelle angepasste Spannung bewirkt.
4. Beleuchtungseinrichtung für Mikroskope nach Anspruch 3, wobei mehrere nichtklassische Leuchtquellen mit vorgeschaltetem Widerstand parallel an die Schnittstelle angeschlossen sind.
5. Beleuchtungseinrichtung für Mikroskope nach Anspruch 4, wobei die den jeweiligen nichtklassischen Leuchtquellen vorgeschalteten Widerstände so dimensioniert sind, dass sie die individuellen Unterschiede der Spannung/Helligkeitskennlinie der jeweiligen nichtklassischen Leuchtquellen ausgleichen.
6. Beleuchtungseinrichtxmg für Mikroskope nach Anspruch 2, wobei der mindestens einen nichtklassischen Leuchtquelle eine gesteuerte Stromquelle vorgeschaltet ist, welche einen Sollstrom zur Ansteuerung der nichtklassische Leuchtquelle aus der an der Schnittstelle des Mikroskops anliegenden Spannung ableitet.
7. Beleuchtungseinrichtung für Mikroskope nach Anspruch 2, wobei die nichtklassische Leuchtquelle pulsförrnig angesteuert wird und der nichtklassischen Leuchtquelle eine Ansteuerschaltung mit einer Pulsweitenmodulation vorgeschaltet ist, wobei die Versorgungsspannung der Ansteuerschaltung aus der an der Schnittstelle anliegenden Spannung gewonnen wird und wobei von der Ansteuerschaltung ein der anliegenden Spannung entsprechendes Tastverhältnis der Pulsweiten erzeugt wird, so dass die resultierende Helligkeit der nichtklassischen Leuchtquelle mittels des Bedienelements am Mikroskop gesteuert wird.
8. Mikroskop mit einer Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorigen Ansprüche.
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