WO2007098821A1 - Multispectral illumination apparatus - Google Patents
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- G02B7/182—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors for mirrors
- G02B7/1821—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors for mirrors for rotating or oscillating mirrors
Definitions
- the present invention relates to a multi-spectral illumination device, optical devices, in particular imaging, examination, observation and projection devices, with such a lighting device and a method for providing optical radiation.
- illumination devices An important field of use of illumination devices are imaging devices which are intended to generate images of an object or a sample to be examined. Typical examples of such imaging devices are microscopes and in particular microscopes with a wide-field optics, which images a given region of the sample to be imaged, and not just a small punctiform region of the sample, onto an image plane.
- the illumination device serves to provide optical radiation in a desired wavelength range for illuminating the object or the sample.
- optical radiation is meant in particular electromagnetic radiation having wavelengths in the range from the ultraviolet to the infrared part of the spectrum.
- the switching between different colors or wavelength ranges within milliseconds and a modulation of the intensity of the sample illumination should be possible within microseconds.
- the sample is irradiated with excitation radiation in a suitable excitation wavelength range or with a suitable excitation spectrum, which is selected as a function of one or more fluorescent dyes. If these fluorescent dyes are present in the sample, they interact with the excitation radiation and emit fluorescence radiation that is characteristic of the fluorescent dye. In this way, a detection of fluorescent dyes in a sample is possible. In this case, not only the presence of fluorescent dyes or substances to which the fluorescent dyes are bound, but also their concentration can be determined.
- fluorescent dyes are used which specifically bind to predetermined substances in a biological sample and can then be detected in the bound state. It is thus possible to infer the presence and concentration of the given substance in the sample.
- fluorescence readers are used, which are designed for the investigation of biochips with several, usually even very many, mutually delimited areas, each with a different chemical composition. Such devices are used to examine a large number of samples as possible in an investigation on several different fluorescent dyes.
- sequential release of optical radiation in at least two different wavelength ranges means that optical radiation is emitted in succession for a given period of time, the intensity of which in each of the wavelength ranges is at least one pronounced maximum, the intensity not necessarily being in the range must disappear between the two wavelength ranges.
- One possibility for multispectral illumination is the use of white light sources, from the optical radiation of which a desired range is selected.
- the optical radiation can be spatially split by means of a dispersive element.
- a desired spectral component of the optical radiation can then be selected.
- This approach has the disadvantage that a change between different wavelength ranges is expensive.
- the use of dispersive elements is relatively expensive and expensive and also not very effective in terms of radiation yield.
- Another possibility is to filter only a certain desired wavelength range, for example by means of a color filter or a dichroic. For changing the wavelength ranges, it is possible, for example, to use filter wheels which, however, due to the moving mass, do not permit a rapid change between the wavelength ranges.
- a general disadvantage of using a white light source is that the switching on and off as well as a modulation of the intensity can not be done very quickly, since these radiation sources are very sluggish.
- mechanical closures and gray filters are necessary, which entail a complex construction.
- Another possibility is to use several colored radiation sources, i. To use sources of optical radiation that emit optical radiation in each different wavelength ranges or with different characteristic wavelength.
- DE 103 14 125 A1 describes an arrangement for illuminating objects with light of different wavelengths in microscopes, automatic microscopes and devices for fluorescence microscopy applications, comprising LED light sources for object illumination, which are arranged in the illumination beam path of the microscope or device.
- a receiving device rotatable about an axis of rotation is provided with holders for at least one of the light-emitting diodes.
- the recording device is adjustable so that the LED can be moved with the respective required for measurements and / or observations focus wavelength in the illumination beam path.
- this concept has the disadvantage that the rotatable receiving device with light-emitting diodes held therein has a considerable mass, which does not allow a very rapid change between the wavelength ranges readily.
- the present invention is therefore an object of the invention to provide a lighting device for the sequential emission of optical radiation in each different predetermined wavelength ranges, which is simple in construction and a rapid change of the wavelength range of the radiation emitted by her dust, and a method for Provide optical radiation in at least two different wavelength ranges.
- an illumination device for emitting optical radiation through at least one decoupling interface with at least two radiation sources for emitting optical radiation in respectively different wavelength ranges
- at least one optical deflection device for deflection about a predetermined axis relative to the radiation sources the emitted optical radiation and drive means for rotating the deflection means about the axis
- the radiation sources being disposed relative to the deflection means and the axis such that optical radiation emitted by each of the radiation sources is rotated about the axis in an appropriate angular position or pivoted deflection can be deflected into the decoupling interface.
- the object is further achieved by a method for the sequential provision of optical radiation in at least two different wavelength ranges in a predetermined time change through at least one decoupling interface, in particular using a lighting device according to the invention, in which with at least two radiation sources, each of which optical radiation in one another of the wavelength ranges, optical radiation is generated in one of the wavelength ranges and directed to an optical deflection device, and the optical deflection is rotated or pivoted relative to the radiation sources so that in the predetermined time change optical radiation of the different wavelength ranges in the Decoupling interface is deflected.
- the illumination device is therefore intended to emit optical radiation through a decoupling interface.
- a decoupling interface is understood as meaning a predefined area of the illumination device or a surface positioned fixedly relative to the illumination device, through which optical radiation is emitted in a direction predetermined by at least one part of the illumination device.
- the direction is understood to mean the direction of the beams of the beam, averaged over the cross section of the emitted radiation beam.
- the radiation sources are designed to emit optical radiation in respectively different wavelength ranges, ie they each have different emission spectra. This is understood to mean that the characteristic wavelengths of the respective emission spectra, for example intensity maxima of the respective emission spectra or heavy point wavelength of the respective emission spectra or their dominant wavelengths, from each other, preferably spaced by more than 50 nm.
- emission peaks of the radiation sources do not overlap at least within the half-value width of the peaks, or only in the flanks of the emission peaks.
- the radiation sources emit optical radiation of different "color”.
- optical radiation is emitted by the corresponding radiation source in the direction of the deflection device.
- the deflection device is brought into a position by turning or pivoting in which the optical radiation of the selected radiation source is deflected by the deflection device into the decoupling interface.
- the movement of the deflection device takes place in the device by means of the drive device, which can for this purpose comprise an actuator or actuator which can be controlled by control signals.
- the lighting device is characterized by a very simple structure and in particular does not need to have moving mechanical components with large mass or large moment of inertia, since optical deflection can be very light and already rotation around a very small angle can be sufficient to instead of radiation first of the radiation sources to direct radiation of a second of the radiation sources in the decoupling interface. This allows a very fast change between the wavelength ranges.
- the radiation sources need not be moved, in principle any radiation sources can be used which can deliver optical radiation in the desired wavelength ranges.
- the radiation sources comprise at least one radiation source whose radiation is emitted to the deflection device via fiber optics.
- a radiation source whose radiation is emitted to the deflection device via fiber optics is then preferably used as at least one of the radiation sources. This allows in particular to use even bulky radiation sources whose optical radiation can then be brought by the fiber optics in a spatially small area near the deflection device.
- the radiation sources preferably comprise at least one laser.
- a laser is preferably used as at least one of the radiation sources. This has the advantage that through the laser Particularly intense and / or narrowband and / or coherent radiation can be delivered compared to other radiation sources.
- the radiation sources particularly preferably comprise at least one semiconductor radiation source.
- a semiconductor radiation source is then preferably used as at least one of the radiation sources.
- This embodiment has a number of advantages. So build semiconductor radiation sources very compact, so that the lighting device itself can also be made compact. Further, there are available semiconductor radiation sources which provide optical radiation in narrow wavelength ranges, i. emitted colored optical radiation. By choosing appropriate semiconductor radiation sources very different wavelength ranges can be covered. Compared to conventional light sources such as arc or halogen lamps, the use of semiconductor radiation sources, in particular light emitting diodes, moreover has the advantage that they have a much longer life. Furthermore, the heat generation by semiconductor radiation sources during their operation is much lower than with arc or halogen lamps. An active cooling of the semiconductor radiation sources can therefore be omitted, a passive cooling can be significantly simplified compared to the use of arc or halogen lamps. Preferably, all radiation sources are semiconductor radiation sources.
- the semiconductor radiation sources may be any semiconductor devices emitting optical radiation.
- laser diodes or superluminescent diodes can be used.
- light-emitting diodes or light emitting diodes or organic light-emitting diodes are used.
- high-performance light-emitting diodes which emit optical radiation of high intensity.
- powerful colored light-emitting diodes are used for the lighting device.
- light-emitting diodes with applied phosphors for color conversion which emit optical radiation in another wavelength range excited by optical radiation emitted by the semiconductor material of the light-emitting diodes, can also be used.
- semiconductor radiation sources in particular light-emitting diodes, have the advantage that their emission spectra are broadband than many lasers, so that it is easier to filter out a certain desired proportion by means of suitable filter selection. Also, the problems that occur in ordinary lasers due to the high coherence of the laser radiation, such as speckle formation, do not occur or not so pronounced.
- the light-emitting diodes may in particular be those having a plane surface from which the optical radiation emerges or light-emitting diodes having a transparent dome arranged above the surface for reducing the refractive index jump to the semiconductor material. your.
- the use of four semiconductor radiation sources allows good coverage of a given spectral range, in particular the entire optical spectrum, in particular the visible spectrum as well as the UV and NIR range.
- at least one of the semiconductor radiation sources is preferably a UV or NIR radiation source with a characteristic emission wavelength in the UV or NIR range.
- a field of the same light emitting diodes can be used.
- the illumination device comprises at least one semiconductor radiation source with at least one phosphor for color conversion, in the beam path of which a band-pass filter is arranged and whose radiation is likewise emitted to the deflection device.
- the bandpass filter is preferably located between a collimation device associated with the semiconductor radiation source and the semiconductor radiation source itself.
- a color conversion by a phosphor is understood to mean that the phosphor emitted by a radiation-emitting layer of the semiconductor radiation source by fluorescence and / or phosphorescence in radiation in the desired wavelength range, ie Radiation of other color, converted.
- the bandpass filter is chosen so that the radiation of the semiconductor radiation source is limited spectrally to a suitable wavelength range. Preferably, that range is in the range of 570 nm.
- This embodiment has the advantage that gaps in the wavelength range of the optical spectrum that can be covered by semiconductor radiation sources can be filled by using a corresponding bandpass filter.
- the radiation sources can be arranged as desired, as long as their radiation can be deflected by the deflection in a suitable position in the decoupling interface.
- the radiation sources are arranged in one plane.
- the axis about which the deflector can be pivoted or rotated is orthogonal to the plane.
- the radiation sources are arranged, for example, on a circuit board.
- the adjustment of the arrangement of the radiation sources relative to the deflection device or the axis is particularly simple.
- the radiation sources are arranged on a circular arc.
- the pivoting or pivoting axis can then run through the center of the circular arc orthogonal to the plane spanned by the circular arc.
- At least one collimation device for collimating the radiation emitted by the radiation source and / or a filter for limiting the spectrum of the radiation impinging on the deflection device can be provided in the beam path between at least one of the radiation sources and the deflection device , For example, a narrow bandpass filter, be arranged.
- the collimation has the advantage that on the one hand a collimated beam can be deflected defined and less losses than a divergent, and that on the other hand, the resulting at collimation at least quasi-parallel beam allows the use of interference filters that beso ⁇ % of it precise Dust filtering.
- the collimation device may comprise at least one concentrator or a holographic or diffractive element which deadens a collimation of the optical radiation emitted by the respective radiation source.
- at least one of the collimating means comprises an aspherical lens or an aspherical mirror.
- This embodiment of the collimation device has the advantage that the aspherical design permits a particularly good bundling of the optical radiation emitted by the respective radiation source, in particular the semiconductor radiation source, and thus radiation losses can be reduced by a less directed radiation of the optical radiation from the semiconductor radiation source.
- the filter serves to mask out long spectral outlets of the emission spectra of the radiation sources, in particular of the semiconductor radiation sources, and thus to possibly avoid disturbing background signals. This has the advantage that a later evaluation in a fluorescence examination is facilitated.
- the bandpass filter preferably has a spectral width of less than 100 nm.
- the deflection device has at least one deflection element which deflects radiation incident thereon.
- a deflection is generally understood to mean that radiation incident from one direction is generated in a different direction, not only diffusely scattered radiation.
- the deflection device can therefore preferably comprise at least one of the following deflection elements or also a combination of at least two of these deflection elements.
- the deflection device of the device can have a prism as deflecting element.
- the deflection device as deflecting a diffractive element having. This can in particular be a diffraction grating.
- the deflection device has at least one mirror as a deflecting element.
- the use of a mirror has the advantage that a very high proportion of the incident radiation is actually deflected and the deflection takes place largely independently of the wavelength of the incident radiation.
- mirrors can have a very low moment of inertia, so that a fast rotation is possible.
- the drive device For the movement of the deflection device, the drive device is used, which can have an actuator which can be controlled via control signals or an actuator which can be controlled via control signals, for example an electric motor or a galvano drive, by means of which the deflection device can be placed in a position corresponding to the control signal.
- the device then preferably also comprises a control device for activating the drive device in order to move the deflection device into at least two positions in which these optical radiation in each case redirects another of the radiation sources into the outcoupling section parts.
- control device is designed to control the drive device. Then, the radiation sources can be operated simultaneously, the selection of wavelength ranges then takes place solely by movement of the deflection. However, it is preferred that the control device is also designed to control the radiation sources.
- control device may be further configured and connected to the radiation sources, that by means of the control device, the intensity and / or radiation duration of the emitted from the radiation sources optical radiation for at least two of the radiation sources is separated from each other adjustable.
- the intensity and / or emission duration of the optical radiation emitted by the radiation sources can then be set separately for at least two of the radiation sources.
- the control device can have corresponding operating elements to be operated by a user, for example switches.
- a control input is provided, by means of which the control device can receive control signals to which the control device switches on and off one or more of the radiation sources and / or the deflection device by means of disconnection.
- the radiation sources can be switched on and off individually or in combination.
- the control device is further configured such that it synchronously or synchronously turns on one of the radiation sources and rotates or swings the deflection device into a position by emitting signals to the drive device in which this optical radiation of the switched radiation source deflects to the coupling-out interface.
- one of the radiation sources is switched on and the deflection device is rotated or swiveled into a position in which this optical radiation of the switched-on radiation source deflects onto the coupling-out interface.
- synchronized switching is understood in particular that synchronization can be done by appropriate external synchronization signals.
- the adjustment of the position of the radiation sources and the decoupling interface and the positions of the deflection device to each other can be done for example by mechanical means.
- the control device is further configured such that the position of the deflection device for the deflection of the optical radiation of one of the radiation sources to the decoupling interface is electronically adjustable.
- the Justiertownkeit needs to be possible only in a predetermined range by a mean angle at which the radiation of the radiation source would ideally be directed into the decoupling interface.
- a homogenization device is preferably arranged in the beam path between the deflection device and the decoupling interface.
- the radiation to be emitted is preferably homogenized before it reaches the decoupling interface.
- transparent rods or hollow rods with reflective side walls, diffractive optical elements or diffusing disks can be used as the homogenizing device.
- the use of bars with reflective walls has the advantage that the losses therein are particularly low.
- the control device for activating the drive device may be designed to emit signals to the drive device, so that these divert the deflection device into periodic or random movements a middle position offset in which this deflects the radiation emitted by the radiation source optical radiation in the decoupling interface.
- the deflection device is offset in periodic or statistical movements about a middle position in which it deflects the optical radiation emitted by the radiation source into the decoupling interface.
- This embodiment has the advantage that not necessarily further optical components need to be arranged in the beam path between the deflection device and the decoupling interface.
- the deflection does not need to be slowed down to rest, so that not only a homogenization, but also a faster switching can be achieved.
- the lighting device is generally suitable for lighting purposes requiring rapid variation of the color spectrum.
- the invention is therefore in particular also an optical device with a lighting device according to the invention.
- the optical device has, in addition to the illumination device, at least one further optical component which is arranged in the beam path downstream of the coupling-out interface.
- the illumination device is used to examine samples.
- the present invention therefore also relates to an optical device for examining a sample, in particular a wide-field microscope or a fluorescence reader, with a lighting device according to the invention.
- Such an inspection device is characterized by the fact that it has only a few moving parts due to the design of the lighting device and is thus inexpensive and easy to produce. In addition, it can be built very compact.
- the lighting device is suitable for all types of microscopes. These include e.g. Universal microscopes, optical readers (including biochip readers, titer plate readers), stereo microscopes, surgical microscopes and ophthalmic devices.
- the examination device can preferably be designed to carry out fluorescence investigations on a sample.
- FIG. 1 is a schematic representation of a microscope with a lighting device according to a first preferred embodiment of the invention
- FIG. 2 is a schematic representation of a microscope with a lighting device according to a third preferred embodiment of the invention.
- Fig. 3 is a schematic representation of a lighting device according to another preferred embodiment of the invention.
- a microscope 1 in the example a wide field fluorescence microscope, with a lighting device 2 for the examination of a sample 3 is used.
- the microscope 1 which is only shown very schematically, is designed in a conventional manner and in particular has a coupling-in optical system 4, via which optical radiation for illuminating the sample 3 can be coupled into the illumination beam path of the microscope 1.
- a coupling-in optical system 4 via which optical radiation for illuminating the sample 3 can be coupled into the illumination beam path of the microscope 1.
- a coupling-in interface of the microscope 1 is formed which at the same time also forms a decoupling interface of the lighting device 2.
- the illumination device 2 comprises several, in the example four, radiation sources 6 for emitting optical radiation in respective different wavelength ranges in outgoing beam sources 6 partial beam paths, respectively arranged in the partial beam paths after the radiation sources 6 Kollirhations wornen 7 and 8 and excitation bandpass filter and a arranged in the intersection of the partial beam paths deflection 9 with a deflecting element in the form of a mirror 10 rotatable about an axis for deflecting the incident on the deflector 9 radiation of the radiation sources 6, and a drive means 11 for rotating the deflector 9 about the axis 10.
- the optical radiation deflected by the deflecting device 8 focussed in a homogenizing device 13, from which the optical radiation in the Auskoppelroughstelle tr Itt, which is given by the exit surface of the homogenizer 13 and the optical axis of the optics 12 and the homogenizer 13.
- the radiation sources 6 are semiconductor radiation sources, more precisely light-emitting diodes for emitting optical radiation in respectively different wavelength ranges or with different characteristic emission wavelengths, ie in each case different color, in the example red, green, blue or ultraviolet.
- the characteristic emission wavelength of the respective emission spectrum of one of the semiconductor radiation sources in this exemplary embodiment, as well as in the following exemplary embodiments, is the wavelength with the maximum emission intensity.
- the LEDs 6 therefore emit, expressed in terms of the color of the characteristic emission wavelength, optical radiation in spectrums of decreasing characteristic wavelength, ie clockwise in Fig. 1 the first LED in the red, the second LED in the green, the third LED in the blue and the fourth LED in the ultraviolet.
- the light-emitting diodes are chosen so that the emission spectra are well suited to excite at least four predefined fluorescent dyes distributed over the optical spectrum from the UV to the red light.
- the radiation sources 6 are arranged on a in Fig. 1 indicated by a dashed line circle or arc and thus in a plane defined by the arc.
- one of the collimation devices 7 is arranged in the partial beam path of each of the semiconductor radiation sources 6 and collimates the optical radiation emitted by the respective semiconductor radiation source 6.
- aspheric lenses of high numerical aperture preferably greater than 0.5
- the collimation devices 7 and the optics 12 are further designed and arranged such that the largest possible proportion of the optical radiation emitted by each of the semiconductor radiation sources 6 is coupled into the homogenization device 13.
- the collimation devices 7 and the optics 12 are designed in the common beam path section in front of the homogenizing device 13 so that the light conductance values are optimally matched to one another.
- the trained as interference filter, only optional excitation bandpass filter 8 have each adapted to the emission spectra of the semiconductor radiation sources 6 transmission bands that narrow the spectral width of the emission spectra of the semiconductor radiation sources 6 and thus prevent crosstalk in various simultaneous fluorescence studies for different fluorescent dyes.
- the deflection device 9, which comprises only a mirror as deflecting element in this exemplary embodiment, is fastened to the shaft or shaft 11 oriented orthogonally to the plane in which the radiation sources 6 are arranged and can be rotated or pivoted by rotation of the shaft 11.
- the shaft 10 and the deflecting device 9 are arranged in the overlapping region of the partial beam paths behind the radiation sources 6, that in appropriate angular positions of the deflecting device 9 or for appropriate rotation angle of the shaft 10, each optical radiation of one of the radiation sources 6 deflected to the optics 12 can be.
- the optical system 12 couples the optical radiation impinging on it into the homogenizing device 13 in the form of a mirrored hollow rod, which is aligned with its longitudinal axis parallel to the optical axis of the optical system 12.
- the drive device 11 For rotation of the deflecting device 9, the drive device 11 is provided, which for this purpose has a controllable by electrical control signals in its position, not shown in the figures, electromagnetic actuator.
- the control device 14 is for driving the radiation sources 6 independently of one another and for driving the drive means 11 and thus the setting of the deflection device 9 is formed, so that a preferred first embodiment of a method according to the invention can be performed.
- control device 14 has a user interface (not shown in the figures) via which a user can determine the sequence of the wavelength ranges to be set for the optical radiation to be emitted by the illumination device, its desired intensity and the respective duration of the emission.
- corresponding data can either be read in or the user has the option of selecting one from a predetermined number of combinations.
- the order, the intensities and the radiation durations may also be fixed.
- the duty cycle of the respective radiation source and / or the on and / or off timing may be controlled and / or synchronized by at least one signal from an external device connected to the controller 14 via at least one sync or trigger signal connection.
- control device 14 has a user interface, by means of which adjustment inputs can be detected. These inputs are used to adjust the angular position of the deflection or the shaft 11 for each of the radiation sources 6 by electrical signals so that an at least approximately optimal coupling of the deflected optical radiation in the optics 12 and the homogenizer 13 and thus the decoupling interface is possible.
- a user enters for this purpose in an adjustment mode of the control device 14 for each of the radiation sources 6 separately adjustment signals in the control device 14, to which this turns by delivering corresponding control signals by means of the drive means 11, the deflection device 9.
- the corresponding position of the shaft 11 is stored in the control device 14 in the form of appropriate control data associated with the radiation source. Upon selection of one of the radiation sources 6 for illumination, these data are then used to control the drive device 11.
- the control device 14 switches on the respective radiation source 6 and shuts off, as far as this is still the case, radiation sources still in operation, so that optical radiation is only switched on - Th emitted radiation source, is collimated by the corresponding collimation 7 and then spectrally filtered by the corresponding excitation bandpass filter 8.
- the control device 14 synchronously or synchronized to the output of the signals for the radiation sources 6 setting signals to the drive device 11 so that it turns the deflecting device 9 in the selected, the switched radiation source 6 corresponding angular position in which the deflection device 9 the collimated and filtered optical radiation incident thereon from the selected switched-on radiation source 6 is directed in a direction parallel to the optical axis of the focusing optic 12 onto the focusing optic 12, which couples the deflected radiation into the homogenizer 13.
- the radiation source 6 is first turned on and thus the desired radiation output is started after the deflecting device 9 has been rotated into the angular position corresponding to the selected radiation source 6 and the radiation sources 6 are switched off during one rotation of the deflecting device 9 into one of the angular positions.
- the intensity of the optical radiation can be adjusted by appropriate activation of the radiation sources 6 for each selected wavelength range or each switched radiation source separately, ie, regardless of the choice of the intensities of the delivered in other wavelength ranges optical radiation, be adjusted by appropriate signals of the controller 14.
- the duration of the emission of optical radiation or the frequency with which the wavelength ranges can be changed can, depending on the activation and selection of the actuator, be in the range of milliseconds.
- a second preferred embodiment differs from the first exemplary embodiment in that the control device is designed to modulate the intensity of the emitted radiation on a time scale of microseconds during the emission of optical radiation by one of the radiation sources by corresponding control of the radiation source, which is particularly is possible by the use of light-emitting diodes as radiation sources without the use of mechanical fasteners.
- a third preferred embodiment of the illumination device illustrated in FIG. 2 differs from the first embodiment only in that only two radiation sources in the form of light-emitting diodes are used, which are arranged on a circular arc in a plane orthogonal to the optical axis of FIG Optics 12 and the homogenization device 13 and thus the decoupling interface are arranged.
- the control device 14 is designed to control only the two radiation sources.
- the axis or shaft 10 is now arranged parallel to the optical axis of the optics 12 and the homogenizing device 13 and thus the decoupling interface. Otherwise, the arrangement corresponds to the arrangement in Fig. 1 and the same reference numerals are used and the comments on the first embodiment also apply here.
- the optional excitation band filters 8 are not shown in FIG. 2.
- the deflecting device is hereby set in periodic movements about a mean angular position for the currently switched radiation source, for example the angular position determined in the above-described adjustment, in which it emits the radiation emitted by the radiation source optical radiation deflects into the decoupling interface.
- the control device 14 is designed accordingly.
- drive means a galvanometer drive is preferably used.
- a homogenization of the intensity distribution in the decoupling interface can take place as a function of time.
- the deflection device has a prism or a diffractive element, for example a blazed grating, instead of the mirror as deflecting element.
- the radiation sources include fiber optic elements whose radiating surfaces are arranged like the light emitting diodes in the previous examples.
- Fig. 3 is very schematically a further preferred embodiment of a lighting device shown as a scheme.
- decoupling interfaces 15 are provided, by means of which an optical multiplexer 16, for example given by the drive device 11 with the shaft 10 and the deflection device 9 of the preceding embodiments in conjunction with a modified control device 14 ", is provided Radiation of one of the radiation sources 6, which are provided for the emission of optical radiation as in the first embodiment, can be dispensed in. In this example, more than four radiation sources 6 are provided, but the number can be arbitrarily greater than 1.
- optics 12 and a homogenizing device 13 are provided for each of the coupling-out interfaces 15, not shown in FIG. 3, and that the control device 14 'is modified relative to the control device 14, that for each decoupling interface now a corresponding number of angular positions of the deflecting device 9 is stored, which are used in accordance with the currently switched on or be turned on radiation source when using the respective decoupling interface for adjusting the deflecting device 9.
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Abstract
An illumination apparatus for emitting optical radiation through at least one coupling-out interface comprises at least two radiation sources (6) for emitting optical radiation in respectively different wavelength ranges, at least one optical deflection device (9), which can be rotated or pivoted about a prespecified axis (10) relative to the radiation sources (6), for the emitted optical radiation and a drive device (11) for rotating or pivoting the deflection device (9) about the axis (10), wherein the radiation sources (6) are arranged relative to the deflection device (9) and the axis (10) such that optical radiation emitted by each of the radiation sources (6) can be deflected into the coupling-out interface by the deflection device (9) which is rotated or pivoted about the axis (10) into a suitable angular position.
Description
Multispektrale Beleuchtungsvorrichtunq Multispectral illumination device
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine multispektrale Beleuchtungsvorrichtung, opti- sehe Vorrichtungen, insbesondere Abbildungs-, Untersuchungs-, Beobachtungs- und Projektionsvorrichtungen, mit einer solchen Beleuchtungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Bereitstellung optischer Strahlung.The present invention relates to a multi-spectral illumination device, optical devices, in particular imaging, examination, observation and projection devices, with such a lighting device and a method for providing optical radiation.
Ein wichtiges Einsatzgebiet von Beleuchtungsvorrichtungen sind Abbildungs- bzw. Untersu- chungsvorrichtungen, die dazu vorgesehen sind, Bilder eines zu untersuchenden Objekts bzw. einer Probe zu erzeugen. Typische Beispiele für solche Abbildungsvorrichtungen sind Mikroskope und insbesondere Mikroskope mit einer Weitfeldoptik, die einen vorgegebenen Bereich der abzubildenden bzw. zu untersuchenden Probe, und nicht nur einen kleinen punktförmigen Bereich der Probe, auf eine Bildebene abbildet. Die Beleuchtungsvorrichtung dient dazu opti- sehe Strahlung in einem gewünschten Wellenlängenbereich zur Beleuchtung des Objekts bzw. der Probe bereitzustellen bzw. zu liefern. Unter optischer Strahlung wird dabei insbesondere elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im Bereich vom ultravioletten bis zum infraroten Teil des Spektrums verstanden.An important field of use of illumination devices are imaging devices which are intended to generate images of an object or a sample to be examined. Typical examples of such imaging devices are microscopes and in particular microscopes with a wide-field optics, which images a given region of the sample to be imaged, and not just a small punctiform region of the sample, onto an image plane. The illumination device serves to provide optical radiation in a desired wavelength range for illuminating the object or the sample. By optical radiation is meant in particular electromagnetic radiation having wavelengths in the range from the ultraviolet to the infrared part of the spectrum.
Für viele Anwendungen in der Weitfeld-Mikroskopie ist es notwendig, die Proben in definierter möglichst schneller Abfolge mit optischer Strahlung unterschiedlicher Farbe bzw. Wellenlänge zu durch- oder beleuchten. Vorzugsweise sollten der Wechsel zwischen verschiedenen Farben bzw. Wellenlängenbereichen innerhalb von Millisekunden und eine Modulation der Intensität der Probenbeleuchtung innerhalb von Mikrosekunden möglich sein.For many applications in far-field microscopy, it is necessary to illuminate or illuminate the samples in a defined sequence that is as fast as possible using optical radiation of different color or wavelength. Preferably, the switching between different colors or wavelength ranges within milliseconds and a modulation of the intensity of the sample illumination should be possible within microseconds.
Eine besondere Rolle kommt bei der optischen Untersuchung von Proben der Fluoreszenz- Untersuchung zu. Dabei wird die Probe mit Anregungsstrahlung in einem geeigneten Anregungswellenlängenbereich bzw. mit einem geeigneten Anregungsspektrum, das in Abhängigkeit von einem oder mehreren Fluoreszenzfarbstoffen gewählt ist, bestrahlt. Befinden sich in der Probe diese Fluoreszenzfarbstoffe, so wechselwirken diese mit der Anregungsstrahlung und
emittieren Fluoreszenzstrahlung, die für den Fluoreszenzfarbstoff charakteristisch ist. Auf diese Weise ist eine Detektion von Fluoreszenzfarbstoffen in einer Probe möglich. Dabei kann nicht nur das Vorhandensein von Fluoreszenzfarbstoffen oder Stoffen, an die die Fluoreszenzfarbstoffe gebunden sind, sondern auch deren Konzentration ermittelt werden.A special role is played in the optical examination of samples from the fluorescence assay. In this case, the sample is irradiated with excitation radiation in a suitable excitation wavelength range or with a suitable excitation spectrum, which is selected as a function of one or more fluorescent dyes. If these fluorescent dyes are present in the sample, they interact with the excitation radiation and emit fluorescence radiation that is characteristic of the fluorescent dye. In this way, a detection of fluorescent dyes in a sample is possible. In this case, not only the presence of fluorescent dyes or substances to which the fluorescent dyes are bound, but also their concentration can be determined.
Ein wichtiges Anwendungsgebiet von Fluoreszenzuntersuchungen ist die Molekularbiologie. Dabei werden Fluoreszenzfarbstoffe verwendet, die an vorgegebene Stoffe in einer biologischen Probe spezifisch binden und dann in gebundenem Zustand detektiert werden können. Es ist so ein Rückschluß auf das Vorhandensein und die Konzentration des vorgegebenen Stoffs in der Probe möglich. Für solche Untersuchungen werden sogenannte Fluoreszenz-Reader eingesetzt, die zur Untersuchung von Bio-Chips mit mehreren, meist sogar sehr vielen, voneinander abgegrenzten Bereichen mit jeweils unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung ausgelegt sind. Solche Geräte werden eingesetzt, um eine große Anzahl von Proben möglichst bei einer Untersuchung auf mehrere verschiedene Fluoreszenzfarbstoffe untersuchen zu können.An important field of application of fluorescence studies is molecular biology. In this case, fluorescent dyes are used which specifically bind to predetermined substances in a biological sample and can then be detected in the bound state. It is thus possible to infer the presence and concentration of the given substance in the sample. For such investigations, so-called fluorescence readers are used, which are designed for the investigation of biochips with several, usually even very many, mutually delimited areas, each with a different chemical composition. Such devices are used to examine a large number of samples as possible in an investigation on several different fluorescent dyes.
Zur schnellen Untersuchung von Proben wäre es daher wünschenswert, über eine Abbildungsbzw. Untersuchungsvorrichtung zu verfügen, die einen schnellen Wechsel zwischen den verschiedenen Spektren zuläßt.For rapid examination of samples, it would therefore be desirable to use an Abbildungsbzw. To have an examination device that allows a quick change between the different spectra.
Hierzu kann beispielsweise eine multispektrale Beleuchtungsvorrichtung verwendet werden, mit der wenigstens sequentiell optische Strahlung in wenigstens zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen abgegeben werden kann. Dabei wird unter sequentieller Abgabe von optischer Strahlung in wenigstens zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen verstanden, daß zeitlich nacheinander für jeweils einen vorgegebenen Zeitraum optische Strahlung abgegeben wird, deren Intensität jeweils in einem anderen der Wellenlängenbereiche wenigstens ein ausgeprägtes Maximum hat, wobei die Intensität nicht unbedingt in dem Bereich zwischen den beiden Wellenlängenbereichen verschwinden muß.For this purpose, it is possible, for example, to use a multispectral illumination device with which at least sequentially optical radiation can be emitted in at least two different wavelength ranges. In this context, sequential release of optical radiation in at least two different wavelength ranges means that optical radiation is emitted in succession for a given period of time, the intensity of which in each of the wavelength ranges is at least one pronounced maximum, the intensity not necessarily being in the range must disappear between the two wavelength ranges.
Eine Möglichkeit für die multispektrale Beleuchtung besteht in der Verwendung von Weißlicht- quellen, aus deren optischer Strahlung ein gewünschter Bereich selektiert wird. Hierzu kann beispielsweise die optische Strahlung mittels eines dispersiven Elements räumlich aufgespalten werden. Durch Verwendung einer geeignet angeordneten Blende oder eines Blendenrads kann dann ein gewünschter spektraler Anteil der optischen Strahlung ausgewählt werden. Dieses Vorgehen hat den Nachteil, daß ein Wechsel zwischen verschiedenen Wellenlängenbereichen aufwendig ist. Darüber hinaus ist die Verwendung dispersiver Elemente relativ teuer und aufwendig und in Bezug auf die Strahlungsausbeute auch nicht sehr effektiv.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, nur einen bestimmten gewünschten Wellenlängenbereich, beispielsweise mittels eines Farbfilters oder eines Dichroiten, auszufiltern. Zum Wechsel der Wellenlängenbereiche können beispielsweise Filterräder verwendet werden, die bedingt durch die bewegte Masse jedoch keinen schnellen Wechsel zwischen den Wellenlängenberei- chen zulassen.One possibility for multispectral illumination is the use of white light sources, from the optical radiation of which a desired range is selected. For this purpose, for example, the optical radiation can be spatially split by means of a dispersive element. By using a suitably arranged aperture or an aperture wheel, a desired spectral component of the optical radiation can then be selected. This approach has the disadvantage that a change between different wavelength ranges is expensive. In addition, the use of dispersive elements is relatively expensive and expensive and also not very effective in terms of radiation yield. Another possibility is to filter only a certain desired wavelength range, for example by means of a color filter or a dichroic. For changing the wavelength ranges, it is possible, for example, to use filter wheels which, however, due to the moving mass, do not permit a rapid change between the wavelength ranges.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von abstimmbaren Flüssigkristallfiltern, die zwar einen schnellen Wechsel ertauben und flexibel sind, jedoch aufwendig und teuer herzustellen sind. Darüber hinaus bieten sie nur eine sehr eingeschränkte Transmission, häufig klei- ner als 50%, so daß auch hier die Strahlungsausbeute gering ist.Another possibility is the use of tunable liquid crystal filters, which indeed dodge a quick change and are flexible, but are expensive and expensive to produce. In addition, they offer only a very limited transmission, often smaller than 50%, so that here too the radiation yield is low.
Ein genereller Nachteil der Verwendung einer Weißlichtquellen besteht darin, daß das Ein- und Ausschalten wie auch einen Modulation der Intensität nicht sehr schnell erfolgen kann, da diese Strahlungsquellen sehr träge sind. Hierzu sind vielmehr mechanische Verschlüsse und Graufil- ter notwendig, die einen aufwendigen Aufbau mit sich bringen.A general disadvantage of using a white light source is that the switching on and off as well as a modulation of the intensity can not be done very quickly, since these radiation sources are very sluggish. For this purpose, mechanical closures and gray filters are necessary, which entail a complex construction.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, mehrere farbige Strahlungsquellen, d.h. Quellen für optische Strahlung zu verwenden, die optische Strahlung in jeweils verschiedenen Wellenlängenbereichen bzw. mit unterschiedlicher charakteristischer Wellenlänge abgeben.Another possibility is to use several colored radiation sources, i. To use sources of optical radiation that emit optical radiation in each different wavelength ranges or with different characteristic wavelength.
So ist DE 103 14 125 A1 eine Anordnung zur Beleuchtung von Objekten mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge bei Mikroskopen, automatischen Mikroskopen und Geräten für fluoreszenzmikroskopische Anwendungen beschrieben, die LED-Lichtquellen zur Objektbeleuchtung umfaßt, welche im Beleuchtungsstrahlengang des Mikroskops oder Gerätes angeordnet sind. Zur Bewegung wenigstens einer der Leuchtdioden in einen Beleuchtungsstrahlengang ist eine um eine Drehachse drehbare Aufnahmevorrichtung mit Halterungen für jeweils mindestens eine der Leuchtdioden vorgesehen. Mittels einer Antriebseinrichtung ist die Aufnahmevorrichtung einstellbar, so die Leuchtdiode mit der jeweils für Messungen und/oder Beobachtungen benötigten Schwerpunktwellenlänge in den Beleuchtungsstrahlengang bewegt werden kann. Dieses Konzept hat jedoch den Nachteil, daß die drehbare Aufnahmevorrichtung mit darin gehaltenen Leuchtdioden ein erhebliche Masse aufweist, die einen sehr schnellen Wechsel zwischen den Wellenlängenbereichen nicht ohne weiteres zuläßt.Thus, DE 103 14 125 A1 describes an arrangement for illuminating objects with light of different wavelengths in microscopes, automatic microscopes and devices for fluorescence microscopy applications, comprising LED light sources for object illumination, which are arranged in the illumination beam path of the microscope or device. For moving at least one of the light-emitting diodes into an illumination beam path, a receiving device rotatable about an axis of rotation is provided with holders for at least one of the light-emitting diodes. By means of a drive device, the recording device is adjustable so that the LED can be moved with the respective required for measurements and / or observations focus wavelength in the illumination beam path. However, this concept has the disadvantage that the rotatable receiving device with light-emitting diodes held therein has a considerable mass, which does not allow a very rapid change between the wavelength ranges readily.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungsvorrichtung zur sequentiellen Abgabe von optischer Strahlung in jeweils verschiedenen vorgegebenen Wellenlängenbereichen bereitzustellen, die einfach aufgebaut ist und einen schnellen Wechsel des Wellenlängenbereichs der von ihr abgegebenen Strahlung ertaubt, sowie ein Verfahren zur
Bereitstellung von optischer Strahlung in wenigstens zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen anzugeben.The present invention is therefore an object of the invention to provide a lighting device for the sequential emission of optical radiation in each different predetermined wavelength ranges, which is simple in construction and a rapid change of the wavelength range of the radiation emitted by her dust, and a method for Provide optical radiation in at least two different wavelength ranges.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Beleuchtungsvorrichtung zur Abgabe von optischer Strah- lung durch wenigstens eine Auskoppelschnittstelle mit mindestens zwei Strahlungsquellen zur Abgabe von optischer Strahlung in jeweils unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, wenigstens einer um eine vorgegebene Achse relativ zu den Strahlungsquellen dreh- oder schwenkbaren optischen Umlenkeinrichtung zur Ablenkung der abgegebenen optischen Strahlung und einer Antriebseinrichtung zur Drehung bzw. Schwenkung der Umlenkeinrichtung um die Achse, wobei die Strahlungsquellen so relativ zu der Umlenkeinrichtung und der Achse angeordnet sind, daß von jeder der Strahlungsquellen abgegebene optische Strahlung durch die in eine geeigneten Winkelstellung um die Achse gedrehte bzw. geschwenkte Umlenkeinrichtung in die Auskoppelschnittstelle umgelenkt werden kann.The object is achieved by an illumination device for emitting optical radiation through at least one decoupling interface with at least two radiation sources for emitting optical radiation in respectively different wavelength ranges, at least one optical deflection device for deflection about a predetermined axis relative to the radiation sources the emitted optical radiation and drive means for rotating the deflection means about the axis, the radiation sources being disposed relative to the deflection means and the axis such that optical radiation emitted by each of the radiation sources is rotated about the axis in an appropriate angular position or pivoted deflection can be deflected into the decoupling interface.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zur sequentiellen Bereitstellung von optischer Strahlung in wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen in einem vorgegebenen zeitlichen Wechsel durch wenigstens eine Auskoppelschnittstelle, insbesondere unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung, bei dem mit wenigstens zwei Strahlungsquellen, von denen jede optische Strahlung in einem anderen der Wellenlängenbe- reiche abgeben kann, optische Strahlung in einem der Wellenlängenbereiche erzeugt und auf eine optische Umlenkeinrichtung gerichtet wird, und die optische Umlenkeinrichtung so relativ zu den Strahlungsquellen gedreht oder geschwenkt wird, daß in dem vorgegebenen zeitlichen Wechsel optische Strahlung der unterschiedlichen Wellenlängenbereiche in die Auskoppelschnittstelle umgelenkt wird.The object is further achieved by a method for the sequential provision of optical radiation in at least two different wavelength ranges in a predetermined time change through at least one decoupling interface, in particular using a lighting device according to the invention, in which with at least two radiation sources, each of which optical radiation in one another of the wavelength ranges, optical radiation is generated in one of the wavelength ranges and directed to an optical deflection device, and the optical deflection is rotated or pivoted relative to the radiation sources so that in the predetermined time change optical radiation of the different wavelength ranges in the Decoupling interface is deflected.
Die Beleuchtungsvorrichtung ist also dazu vorgesehen, optische Strahlung durch eine Auskoppelschnittstelle abzugeben. Unter einer Auskoppelschnittstelle wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine vorgegebene Fläche der Beleuchtungsvorrichtung oder eine fest relativ zu der Beleuchtungsvorrichtung positionierte Fläche verstanden, durch die optische Strahlung in einer durch wenigstens einen Teil der Beleuchtungsvorrichtung vorgegebene Richtung abgegeben wird. Unter der Richtung wird dabei im Falle eines abgegebenen Strahlenbündels die über den Querschnitt des abgegebenen Strahlenbündels gemittelte Richtung der Strahlen des Bündels verstanden.The illumination device is therefore intended to emit optical radiation through a decoupling interface. In the context of the present invention, a decoupling interface is understood as meaning a predefined area of the illumination device or a surface positioned fixedly relative to the illumination device, through which optical radiation is emitted in a direction predetermined by at least one part of the illumination device. In this case, in the case of a radiation beam emitted, the direction is understood to mean the direction of the beams of the beam, averaged over the cross section of the emitted radiation beam.
Die Strahlungsquellen sind zur Abgabe optischer Strahlung in jeweils unterschiedlichen Wellenlängenbereichen ausgebildet, d.h. sie weisen jeweils unterschiedliche Emissionsspektren auf. Darunter wird verstanden, daß die charakteristischen Wellenlängen der jeweiligen Emissionsspektren, beispielsweise Intensitätsmaxima der jeweiligen Emissionsspektren oder Schwer-
punktwellenlänge der jeweiligen Emissionsspektren oder deren dominante Wellenlängen, voneinander, vorzugsweise um mehr als 50 nm, beabstandet sind. Insbesondere überlappen sich Emissionspeaks der Strahlungsquellen wenigstens innerhalb der Halbwertsbreite der Peaks vorzugsweise nicht oder nur in den Flanken der Emissionspeaks. Die Strahlungsquellen geben insofern optische Strahlung verschiedener "Farbe" ab.The radiation sources are designed to emit optical radiation in respectively different wavelength ranges, ie they each have different emission spectra. This is understood to mean that the characteristic wavelengths of the respective emission spectra, for example intensity maxima of the respective emission spectra or heavy point wavelength of the respective emission spectra or their dominant wavelengths, from each other, preferably spaced by more than 50 nm. In particular, emission peaks of the radiation sources do not overlap at least within the half-value width of the peaks, or only in the flanks of the emission peaks. The radiation sources emit optical radiation of different "color".
Zur Auswahl eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs aus den durch die Strahlungsquellen vorgegebenen Wellenlängenbereichen wird von der entsprechenden Strahlungsquelle optische Strahlung in Richtung der Umlenkeinrichtung abgegeben. Die Umlenkeinrichtung wird durch Drehen oder Schwenken in eine Stellung gebracht, in der die optische Strahlung der ausgewählten Strahlungsquelle durch die Umlenkeinrichtung in die Auskoppelschnittstelle umgelenkt wird.In order to select a predetermined wavelength range from the wavelength ranges predetermined by the radiation sources, optical radiation is emitted by the corresponding radiation source in the direction of the deflection device. The deflection device is brought into a position by turning or pivoting in which the optical radiation of the selected radiation source is deflected by the deflection device into the decoupling interface.
Die Bewegung der Umlenkeinrichtung erfolgt bei der Vorrichtung mittels der Antriebseinrich- tung, die hierzu einen durch Steuersignale steuerbaren Aktor bzw. Stellantrieb umfassen kann.The movement of the deflection device takes place in the device by means of the drive device, which can for this purpose comprise an actuator or actuator which can be controlled by control signals.
Die Beleuchtungsvorrichtung zeichnet sich durch einen sehr einfachen Aufbau aus und braucht insbesondere nicht über bewegte mechanische Bauelemente mit großer Masse oder großem Trägheitsmoment zu verfügen, da optische Umlenkeinrichtungen sehr leicht sein können und bereits eine Drehung um einen sehr kleinen Winkel ausreichen kann, um statt Strahlung einer ersten der Strahlungsquellen Strahlung einer zweiten der Strahlungsquellen in die Auskoppelschnittstelle zu lenken. Dadurch kann ein sehr schneller Wechsel zwischen den Wellenlängenbereichen erfolgen.The lighting device is characterized by a very simple structure and in particular does not need to have moving mechanical components with large mass or large moment of inertia, since optical deflection can be very light and already rotation around a very small angle can be sufficient to instead of radiation first of the radiation sources to direct radiation of a second of the radiation sources in the decoupling interface. This allows a very fast change between the wavelength ranges.
Da die Strahlungsquellen nicht bewegt zu werden brauchen, können prinzipiell beliebige Strahlungsquellen verwendet werden, die optische Strahlung in den gewünschten Wellenlängenbereichen abgeben können. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfassen die Strahlungsquellen wenigstens eine Strahlungsquelle, deren Strahlung über eine Faseroptik auf die Umlenkeinrichtung abgegeben wird. Bei dem Verfahren wird dann vorzugs- weise als wenigstens eine der Strahlungsquellen eine Strahlungsquelle verwendet, deren Strahlung über eine Faseroptik auf die Umlenkeinrichtung abgegeben wird. Dies erlaubt es insbesondere, auch voluminöse Strahlungsquellen zu verwenden, deren optische Strahlung dann durch die Faseroptik in einem räumlich kleinen Bereich nahe der Umlenkeinrichtung gebracht werden kann.Since the radiation sources need not be moved, in principle any radiation sources can be used which can deliver optical radiation in the desired wavelength ranges. In a preferred embodiment of the illumination device, the radiation sources comprise at least one radiation source whose radiation is emitted to the deflection device via fiber optics. In the method, a radiation source whose radiation is emitted to the deflection device via fiber optics is then preferably used as at least one of the radiation sources. This allows in particular to use even bulky radiation sources whose optical radiation can then be brought by the fiber optics in a spatially small area near the deflection device.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung umfassen die Strahlungsquellen vorzugsweise wenigstens einen Laser. Bei dem Verfahren wird als wenigstens eine der Strahlungsquellen vorzugsweise ein Laser verwendet. Dies hat den Vorteil, daß durch den Laser
verglichen mit anderen Strahlungsquellen besonders intensive und/oder schmalbandige und/oder kohärente Strahlung geliefert werden kann.In a preferred embodiment of the device, the radiation sources preferably comprise at least one laser. In the method, a laser is preferably used as at least one of the radiation sources. This has the advantage that through the laser Particularly intense and / or narrowband and / or coherent radiation can be delivered compared to other radiation sources.
Bei der Vorrichtung umfassen die Strahlungsquellen besonders bevorzugt wenigstens eine Halbleiterstrahlungsquelle. Bei dem Verfahren wird dann vorzugsweise als wenigstens eine der Strahlungsquellen eine Halbleiterstrahlungsquelle verwendet. Diese Ausführungsform hat eine Reihe von Vorteilen. So bauen Halbleiterstrahlungsquellen sehr kompakt, so daß die Beleuchtungsvorrichtung selbst auch kompakt aufgebaut werden kann. Weiter sind Halbleiterstrahlungsquellen verfügbar, die optische Strahlung in schmalen Wellenlängenbereichen, d.h. farbige optische Strahlung abgegeben. Durch Wahl entsprechender Halbleiterstrahlungsquellen können sehr unterschiedliche Wellenlängenbereiche abgedeckt werden. Gegenüber konventionellen Lichtquellen wie Bogen- oder Halogenlampen hat die Verwendung von Halbleiterstrahlungsquellen, insbesondere Leuchtdioden, darüber hinaus den Vorteil, daß diese eine wesentlich längere Lebensdauer aufweisen. Weiter ist die Wärmeentwicklung durch Halbleiterstrahlungs- quellen bei deren Betrieb wesentlich geringer als bei Bogen- oder Halogenlampen. Eine aktive Kühlung der Halbleiterstrahlungsquellen kann daher unterbleiben, eine passive Kühlung kann gegenüber der Verwendung von Bogen- oder Halogenlampen deutlich vereinfacht werden. Vorzugsweise sind alle Strahlungsquellen Halbleiterstrahlungsquellen.In the apparatus, the radiation sources particularly preferably comprise at least one semiconductor radiation source. In the method, a semiconductor radiation source is then preferably used as at least one of the radiation sources. This embodiment has a number of advantages. So build semiconductor radiation sources very compact, so that the lighting device itself can also be made compact. Further, there are available semiconductor radiation sources which provide optical radiation in narrow wavelength ranges, i. emitted colored optical radiation. By choosing appropriate semiconductor radiation sources very different wavelength ranges can be covered. Compared to conventional light sources such as arc or halogen lamps, the use of semiconductor radiation sources, in particular light emitting diodes, moreover has the advantage that they have a much longer life. Furthermore, the heat generation by semiconductor radiation sources during their operation is much lower than with arc or halogen lamps. An active cooling of the semiconductor radiation sources can therefore be omitted, a passive cooling can be significantly simplified compared to the use of arc or halogen lamps. Preferably, all radiation sources are semiconductor radiation sources.
Bei den Halbleiterstrahlungsquellen kann es sich um beliebige, optische Strahlung emittierende Halbleiterbauelemente handeln. Beispielsweise können Laserdioden oder Superlumineszenzdioden verwendet werden. Vorzugsweise werden jedoch lichtemittierende Dioden bzw. Leuchtdioden oder organische Leuchtdioden verwendet. Besonders bevorzugt sind dabei Hochleistungsleuchtdioden, die optische Strahlung hoher Intensität abstrahlen. Vorzugsweise werden leistungsstarke farbige Leuchtdioden für die Beleuchtungsvorrichtung eingesetzt. Um vorgegebene Wellenlängenbereiche abdecken zu können, können auch Leuchtdioden mit aufgebrachten Leuchtstoffen zur Farbkonversion, die durch von dem Halbleitermaterial der Leuchtdioden abgegebene optische Strahlung angeregt optische Strahlung in einem anderen Wellenlängenbereich abgeben, eingesetzt werden. Gegenüber der Verwendung von konventionellen Lasern haben Halbleiterstrahlungsquellen, insbesondere Leuchtdioden, den Vorteil, daß deren Emissionsspektren breitbandiger als die vieler Laser sind, so daß durch geeignete Filterwahl einfacher ein bestimmter gewünschter Anteil ausgefiltert werden kann. Auch treten die bei gewöhnlichen Lasern durch die hohe Kohärenz der Laserstrahlung auftretenden Probleme wie Speckle- Bildung nicht bzw. nicht so ausgeprägt auf.The semiconductor radiation sources may be any semiconductor devices emitting optical radiation. For example, laser diodes or superluminescent diodes can be used. Preferably, however, light-emitting diodes or light emitting diodes or organic light-emitting diodes are used. Particular preference is given to high-performance light-emitting diodes which emit optical radiation of high intensity. Preferably, powerful colored light-emitting diodes are used for the lighting device. In order to cover predetermined wavelength ranges, light-emitting diodes with applied phosphors for color conversion, which emit optical radiation in another wavelength range excited by optical radiation emitted by the semiconductor material of the light-emitting diodes, can also be used. Compared to the use of conventional lasers, semiconductor radiation sources, in particular light-emitting diodes, have the advantage that their emission spectra are broadband than many lasers, so that it is easier to filter out a certain desired proportion by means of suitable filter selection. Also, the problems that occur in ordinary lasers due to the high coherence of the laser radiation, such as speckle formation, do not occur or not so pronounced.
Bei den Leuchtdioden kann es sich insbesondere um solche mit einer planen Fläche, aus der die optische Strahlung austritt oder Leuchtdioden mit einer über der Fläche angeordneten transparenten Kuppel zur Reduktion des Brechungsindexsprungs zum Halbleitermaterial han-
dein. Die Verwendung von vier Halbleiterstrahlungsquellen erlaubt eine gute Abdeckung eines gegebenen Spektralbereichs, insbesondere des gesamten optischen Spektrums, insbesondere des sichtbaren Spektrums sowie des UV- und NIR-Bereichs. Vorzugsweise ist dazu wenigstens ein der Halbleiterstrahlungsquellen eine UV- oder NIR-Strahlungsquelle mit einer charakteristi- sehen Emissionswellenlänge im UV- bzw. NIR- Bereich. Um eine für die jeweilige Anwendung hinreichende Strahlungsleistung in einem jeweiligen Wellenlängenbereich zur Verfügung stellen zu können, ist es auch möglich, statt nur einer Halbleiterstrahlungsquelle für einen gegebenen Emissionswellenbereich ein entsprechendes Feld von gleichen Halbleiterstrahlungsquellen zu verwenden. Beispielsweise kann ein Feld von gleichen Leuchtdioden verwendet werden.The light-emitting diodes may in particular be those having a plane surface from which the optical radiation emerges or light-emitting diodes having a transparent dome arranged above the surface for reducing the refractive index jump to the semiconductor material. your. The use of four semiconductor radiation sources allows good coverage of a given spectral range, in particular the entire optical spectrum, in particular the visible spectrum as well as the UV and NIR range. For this purpose, at least one of the semiconductor radiation sources is preferably a UV or NIR radiation source with a characteristic emission wavelength in the UV or NIR range. In order to be able to provide sufficient radiation power in the respective wavelength range for the respective application, it is also possible to use a corresponding field of identical semiconductor radiation sources instead of just one semiconductor radiation source for a given emission wavelength range. For example, a field of the same light emitting diodes can be used.
Halbleiterstrahlungsquellen sind bislang bei wirtschaftlich vertretbaren Kosten nicht für beliebige Emissionswellenlängenbereiche verfügbar. Es ist daher bevorzugt, daß die Beleuchtungsvorrichtung wenigstens eine Halbleiterstrahlungsquelle mit wenigstens einem Leuchtstoff zur Farbkonversion umfaßt, in deren Strahlengang ein Bandpaßfilter angeordnet ist und deren Strahlung ebenfalls auf die Umlenkeinrichtung abgegeben wird. Der Bandpaßfilter befindet sich dabei vorzugsweise zwischen einer der Halbleiterstrahlungsquelle zugeordneten Kollimationseinrich- tung und der Halbleiterstrahlungsquelle selbst. Unter einer Farbkonversion durch einen Leuchtstoff wird dabei verstanden, daß der Leuchtstoff von einer Strahlungsemittierenden Schicht der Halbleiterstrahlungsquelle abgegebene Strahlung durch Fluoreszenz und/oder Phosphoreszenz in Strahlung in dem gewünschten Wellenlängenbereich, d.h. Strahlung anderer Farbe, konvertiert. Der Bandpaßfilter ist so gewählt, daß die Strahlung der Halbleiterstrahlungsquelle spektral auf einen geeigneten Wellenlängenbereich beschränkt wird. Vorzugsweise liegt jener Bereich im Bereich von 570 nm. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß Lücken im von Halbleiterstrahlungsquellen abdeckbaren Wellenlängenbereich des optischen Spektrums gefüllt werden können, indem ein entsprechender Bandpaßfilter verwendet wird.Semiconductor radiation sources have not yet been available at economically acceptable cost for any emission wavelength range. It is therefore preferred that the illumination device comprises at least one semiconductor radiation source with at least one phosphor for color conversion, in the beam path of which a band-pass filter is arranged and whose radiation is likewise emitted to the deflection device. The bandpass filter is preferably located between a collimation device associated with the semiconductor radiation source and the semiconductor radiation source itself. A color conversion by a phosphor is understood to mean that the phosphor emitted by a radiation-emitting layer of the semiconductor radiation source by fluorescence and / or phosphorescence in radiation in the desired wavelength range, ie Radiation of other color, converted. The bandpass filter is chosen so that the radiation of the semiconductor radiation source is limited spectrally to a suitable wavelength range. Preferably, that range is in the range of 570 nm. This embodiment has the advantage that gaps in the wavelength range of the optical spectrum that can be covered by semiconductor radiation sources can be filled by using a corresponding bandpass filter.
Prinzipiell können die Strahlungsquellen beliebig angeordnet sein, solange deren Strahlung durch die Umlenkeinrichtung in einer geeigneten Stellung in die Auskoppelschnittstelle umgelenkt werden kann. Vorzugsweise sind die Strahlungsquellen jedoch in einer Ebene angeordnet. In diesem Fall verläuft dann die Achse, um die die Umlenkeinrichtung geschwenkt oder gedreht werden kann, orthogonal zu der Ebene. Hierdurch kann ein sehr einfacher Aufbau erzielt werden, indem die Strahlungsquellen beispielsweise auf einer Platine angeordnet werden. Weiter ist die Justierung der Anordnung der Strahlungsquellen relativ zu der Umlenkeinrichtung bzw. der Achse besonders einfach.In principle, the radiation sources can be arranged as desired, as long as their radiation can be deflected by the deflection in a suitable position in the decoupling interface. Preferably, however, the radiation sources are arranged in one plane. In this case, then the axis about which the deflector can be pivoted or rotated, is orthogonal to the plane. This allows a very simple structure can be achieved by the radiation sources are arranged, for example, on a circuit board. Furthermore, the adjustment of the arrangement of the radiation sources relative to the deflection device or the axis is particularly simple.
Besonders bevorzugt sind die Strahlungsquellen auf einem Kreisbogen angeordnet. Insbesondere kann dann die Dreh- bzw. Schwenkachse durch den Mittelpunkt des Kreisbogens orthogonal zu der durch den Kreisbogen aufgespannten Ebene verlaufen. Diese Ausführungsform hat
den Vorteil, daß die optischen Wege von den Strahlungsquellen zu der Umlenkeinrichtung in diesem Fall gleich lang sind, so daß Intensitätsverluste auf dem Weg von den Strahlungsquellen und der Umlenkeinrichtung gleich stark sind.Particularly preferably, the radiation sources are arranged on a circular arc. In particular, the pivoting or pivoting axis can then run through the center of the circular arc orthogonal to the plane spanned by the circular arc. This embodiment has the advantage that the optical paths from the radiation sources to the deflection device in this case are the same length, so that intensity losses on the way from the radiation sources and the deflection are equally strong.
Da insbesondere Halbleiterstrahlungsquellen die optische Strahlung nicht unbedingt stark gebündelt abgegeben, kann im Strahlengang zwischen wenigstens einer der Strahlungsquellen und der Umlenkeinrichtung vorzugsweise wenigstens eine Kollimationseinrichtung zum Kollimieren der von der Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung und/oder ein Filter zur Begrenzung des Spektrums der auf die Umlenkeinrichtung auftreffenden Strahlung, beispielsweise ein schmales Bandpaßfilter, angeordnet sein. Die Kollimation hat den Vorteil, daß zum einen ein kollimiertes Strahlenbündel definierter und unter geringeren Verlusten umgelenkt werden kann als ein divergentes, und daß zum anderen das bei der Kollimation entstehende wenigstens quasi-parallele Strahlenbündel die Verwendung von Interferenzfiltern erlaubt, die eine besoη% ders präzise Filterung ertauben. Die Kollimationseinrichtung kann beispielsweise wenigstens einen Konzentrator oder ein holographisches oder diffraktives Element aufweisen, der bzw. das eine Kollimation der von der jeweiligen Strahlungsquelle abgegebenen optischen Strahlung ertaubt. Vorzugsweise umfaßt jedoch wenigstens eine der Kollimationseinrichtungen eine asphärische Linse oder einen asphärischen Spiegel. Diese Ausführungsform der Kollimationseinrichtung hat den Vorteil, daß die asphärische Ausbildung eine besonders gute Bündelung der von der jeweiligen Strahlungsquelle, insbesondere Halbleiterstrahlungsquelle, abgegebenen optischen Strahlung erlaubt und damit Strahlungsverluste durch eine wenig gerichtete Abstrahlung der optischen Strahlung von der Halbleiterstrahlungsquelle reduziert werden können. Das Filter dient dabei dazu, lange spektrale Ausläufer der Emissionsspektren der Strahlungs- quellen, insbesondere der Halbleiterstrahlungsquellen, auszublenden und damit möglicherweise störende Untergrundsignale zu vermeiden. Dies hat den Vorteil, daß eine spätere Auswertung bei einer Fluoreszenzuntersuchung erleichtert wird. Das Bandpaßfilter hat vorzugsweise eine spektrale Breite von weniger als 100 nm.Since, in particular, semiconductor radiation sources do not necessarily deliver the optical radiation in a concentrated manner, at least one collimation device for collimating the radiation emitted by the radiation source and / or a filter for limiting the spectrum of the radiation impinging on the deflection device can be provided in the beam path between at least one of the radiation sources and the deflection device , For example, a narrow bandpass filter, be arranged. The collimation has the advantage that on the one hand a collimated beam can be deflected defined and less losses than a divergent, and that on the other hand, the resulting at collimation at least quasi-parallel beam allows the use of interference filters that besoη % of it precise Dust filtering. By way of example, the collimation device may comprise at least one concentrator or a holographic or diffractive element which deadens a collimation of the optical radiation emitted by the respective radiation source. Preferably, however, at least one of the collimating means comprises an aspherical lens or an aspherical mirror. This embodiment of the collimation device has the advantage that the aspherical design permits a particularly good bundling of the optical radiation emitted by the respective radiation source, in particular the semiconductor radiation source, and thus radiation losses can be reduced by a less directed radiation of the optical radiation from the semiconductor radiation source. In this case, the filter serves to mask out long spectral outlets of the emission spectra of the radiation sources, in particular of the semiconductor radiation sources, and thus to possibly avoid disturbing background signals. This has the advantage that a later evaluation in a fluorescence examination is facilitated. The bandpass filter preferably has a spectral width of less than 100 nm.
Die Umlenkeinrichtung verfügt über mindestens ein Umlenkelement, das auf es auftreffende Strahlung umlenkt. Unter einer Umlenkung wird dabei generell verstanden, daß aus aus einer Richtung einfallender Strahlung sich in eine andere Richtung ausbreitende, nicht nur diffus gestreute Strahlung erzeugt wird. Die Umlenkeinrichtung kann daher vorzugsweise wenigstens eines der im Folgenden genannten Umlenkelemente oder auch eine Kombination von wenig- stens zwei dieser Umlenkelemente umfassen.The deflection device has at least one deflection element which deflects radiation incident thereon. A deflection is generally understood to mean that radiation incident from one direction is generated in a different direction, not only diffusely scattered radiation. The deflection device can therefore preferably comprise at least one of the following deflection elements or also a combination of at least two of these deflection elements.
So kann die Umlenkeinrichtung der Vorrichtung als Umlenkelement ein Prisma aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, daß die Umlenkeinrichtung als Umlenkelement ein diffraktives Element
aufweist. Bei diesem kann es sich insbesondere um ein Beugungsgitter handeln. Vorzugsweise weist die Umlenkeinrichtung wenigstens einen Spiegel als Umlenkelement auf. Die Verwendung eines Spiegels hat den Vorteil, daß ein sehr hoher Anteil der einfallenden Strahlung tatsächlich umgelenkt wird und die Umlenkung weitgehend unabhängig von der Wellenlänge der einfallen- den Strahlung gleich erfolgt. Darüber hinaus können Spiegel ein sehr geringes Trägheitsmoment aufweisen, so daß eine schnelle Drehung möglich ist.Thus, the deflection device of the device can have a prism as deflecting element. However, it is also possible that the deflection device as deflecting a diffractive element having. This can in particular be a diffraction grating. Preferably, the deflection device has at least one mirror as a deflecting element. The use of a mirror has the advantage that a very high proportion of the incident radiation is actually deflected and the deflection takes place largely independently of the wavelength of the incident radiation. In addition, mirrors can have a very low moment of inertia, so that a fast rotation is possible.
Zur Bewegung der Umlenkeinrichtung dient die Antriebseinrichtung, die hierzu einen über Steuersignale ansteuerbaren Aktor bzw. einen über Steuersignale ansteuerbaren Stellantrieb, bei- spielsweise einen Elektromotor oder einen Galvanoantrieb, aufweisen kann, mittels dessen die Umlenkeinrichtung in eine dem Steuersignal entsprechende Stellung gestellt werden kann. Die Vorrichtung umfaßt dann vorzugsweise noch eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung, um die Umlenkeinrichtung in wenigstens zwei Stellungen zu bewegen, in denen diese optische Strahlung jeweils einer anderen der Strahlungsquellen in die Auskoppel- schnittsteile umleiten.For the movement of the deflection device, the drive device is used, which can have an actuator which can be controlled via control signals or an actuator which can be controlled via control signals, for example an electric motor or a galvano drive, by means of which the deflection device can be placed in a position corresponding to the control signal. The device then preferably also comprises a control device for activating the drive device in order to move the deflection device into at least two positions in which these optical radiation in each case redirects another of the radiation sources into the outcoupling section parts.
Prinzipiell genügt es, daß die Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung ausgebildet ist. Dann können die Strahlungsquellen gleichzeitig betrieben werden, die Auswahl der Wellenlängenbereiche erfolgt dann allein durch Bewegung der Umlenkeinrichtung. Es ist jedoch bevorzugt, daß die Steuereinrichtung auch zur Ansteuerung der Strahlungsquellen ausgebildet ist.In principle, it is sufficient that the control device is designed to control the drive device. Then, the radiation sources can be operated simultaneously, the selection of wavelength ranges then takes place solely by movement of the deflection. However, it is preferred that the control device is also designed to control the radiation sources.
Insbesondere kann die Steuereinrichtung weiter so ausgebildet und mit den Strahlungsquellen verbunden sein, daß mittels der Steuereinrichtung die Intensität und/oder Abstrahldauer der von den Strahlungsquellen abgegeben optischen Strahlung für wenigstens zwei der Strahlungsquellen getrennt voneinander einstellbar ist. Bei dem Verfahren kann dann vorzugsweise die Intensität und/oder Abstrahldauer der von den Strahlungsquellen abgegebenen optischen Strahlung für wenigstens zwei der Strahlungsquellen getrennt voneinander eingestellt werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Strahlungsleistungen der einzelnen Strahlungsquellen, insbesondere von Halbleiterstrahlungsquellen, im Unterschied zu Bogen- oder Halogenlampen, ohne eine Änderung des Farbspektrums genau eingestellt werden können. Insbesondere ist es möglich, die Strahlungsleistungen so einzustellen, daß die von den Strahlungsquellen in die Auskoppelschnittstelle abgegebene optische Strahlung jeweils die gleiche Strahlungsleistung aufweist. Auch ist eine Modulation der Strahlungsleistung möglich. Die Steuereinrichtung kann dazu über entsprechende, von einem Benutzer zu bedienende Bedienelemente, beispielsweise Schalter verfügen. Vorzugsweise ist jedoch ein Steuereingang vorgesehen, durch den die Steuereinrichtung Steuersignale empfangen kann, auf die hin die Steuereinrichtung eine oder mehrere der Strahlungsquellen an- und abschaltet und/oder die Umlenkeinrichtung durch Ab-
gäbe entsprechender Signale an die Antriebseinrichtung in eine geeignete Winkelstellung bringt. Dabei können die Strahlungsquellen einzeln oder auch in Kombination miteinander ein- und ausgeschaltet werden.In particular, the control device may be further configured and connected to the radiation sources, that by means of the control device, the intensity and / or radiation duration of the emitted from the radiation sources optical radiation for at least two of the radiation sources is separated from each other adjustable. In the method, the intensity and / or emission duration of the optical radiation emitted by the radiation sources can then be set separately for at least two of the radiation sources. This embodiment has the advantage that the radiation powers of the individual radiation sources, in particular of semiconductor radiation sources, in contrast to arc or halogen lamps, without a change in the color spectrum can be accurately adjusted. In particular, it is possible to adjust the radiation powers so that the optical radiation emitted by the radiation sources into the coupling-out interface has the same radiant power in each case. Also, a modulation of the radiation power is possible. For this purpose, the control device can have corresponding operating elements to be operated by a user, for example switches. Preferably, however, a control input is provided, by means of which the control device can receive control signals to which the control device switches on and off one or more of the radiation sources and / or the deflection device by means of disconnection. There would be corresponding signals to the drive means in a suitable angular position brings. The radiation sources can be switched on and off individually or in combination.
Besonders bevorzugt ist die Steuereinrichtung weiter so ausgebildet, daß sie synchron oder synchronisiert eine der Strahlungsquellen einschaltet und durch Abgabe von Signalen an die Antriebseinrichtung die Umlenkeinrichtung in eine Stellung dreht bzw. schwenkt, in der diese optische Strahlung der eingeschalteten Strahlungsquelle auf die Auskoppelschnittstelle umlenkt. Bei dem Verfahren wird zum Wechsel der Wellenlängenbereiche synchron oder synchro- nisiert eine der Strahlungsquellen eingeschaltet und die Umlenkeinrichtung in eine Stellung gedreht bzw. geschwenkt, in der diese optische Strahlung der eingeschalteten Strahlungsquelle auf die Auskoppelschnittstelle umlenkt. Dies hat den Vorteil, daß in der Zeit, in der die Strahlung der Strahlungsquelle in die Auskoppelschnittstelle umgelenkt wird, die anderen Strahlungsquellen abgeschaltet werden oder abgeschaltet gehalten werden können, wozu die Steuereinrich- tung entsprechend ausgebildet sein kann. Dadurch können störende Hintergrundstrahlung, die durch Abgabe von Strahlung in den nicht gewünschten Wellenlängenbereichen in den zu beleuchtenden Bereich gelangen könnte, sowie eine unerwünschte Wärmeentwicklung vermieden werden. Unter einem synchronisierten Einschalten wird insbesondere verstanden, daß eine Synchronisation durch entsprechende externe Synchronisationssignale erfolgen kann.Particularly preferably, the control device is further configured such that it synchronously or synchronously turns on one of the radiation sources and rotates or swings the deflection device into a position by emitting signals to the drive device in which this optical radiation of the switched radiation source deflects to the coupling-out interface. In the method, to synchronize or synchronize the wavelength ranges, one of the radiation sources is switched on and the deflection device is rotated or swiveled into a position in which this optical radiation of the switched-on radiation source deflects onto the coupling-out interface. This has the advantage that in the time in which the radiation of the radiation source is deflected into the Auskoppelschnittstelle, the other radiation sources can be switched off or kept switched off, to which the control device can be designed accordingly. As a result, disturbing background radiation, which could reach the area to be illuminated by emitting radiation in the unwanted wavelength ranges, as well as unwanted heat generation can be avoided. Under a synchronized switching is understood in particular that synchronization can be done by appropriate external synchronization signals.
Die Justierung der Lage der Strahlungsquellen und der Auskoppelschnittstelle und der Stellungen der Umlenkeinrichtung zueinander kann beispielsweise mit mechanischen Mitteln erfolgen. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung jedoch weiter so ausgebildet, daß die Stellung der Umlenkeinrichtung für die Ablenkung der optischen Strahlung einer der Strahlungsquellen auf die Auskoppelschnittstelle elektronisch justierbar ist. Die Justiermöglichkeit braucht dabei nur in einem vorgegebenen Bereich um einen mittleren Winkel möglich zu sein, bei dem die Strahlung der Strahlungsquelle idealerweise in die Auskoppelschnittstelle gelenkt würde.The adjustment of the position of the radiation sources and the decoupling interface and the positions of the deflection device to each other can be done for example by mechanical means. Preferably, however, the control device is further configured such that the position of the deflection device for the deflection of the optical radiation of one of the radiation sources to the decoupling interface is electronically adjustable. The Justiermöglichkeit needs to be possible only in a predetermined range by a mean angle at which the radiation of the radiation source would ideally be directed into the decoupling interface.
Für viele Beleuchtungszwecke ist es wünschenswert, optische Strahlung mit einer über den Strahl- bzw. Strahlbündelquerschnitt in guter Näherung konstanten Intensität verwenden zu können. Dazu ist bei der vorzugsweise im Strahlengang zwischen der Umlenkeinrichtung und der Auskoppelschnittstelle eine Homogenisierungseinrichtung angeordnet. Bei dem Verfahren wird vorzugsweise die abzugebende Strahlung noch vor Erreichen der Auskoppelschnittstelle homogenisiert. Als Homogenisierungseinrichtung können insbesondere transparente Stäbe oder Hohlstäbe mit reflektierenden Seitenwänden, diffraktiv optische Elemente oder Streuscheiben verwendet werden. Die Verwendung von Stäben bzw. Hohlstäben mit reflektierenden Wänden hat den Vorteil, daß die Verluste darin besonders niedrig sind.
Alternativ oder zusätzlich kann jedoch bei der Beleuchtungsvorrichtung zur Homogenisierung der durch die Auskoppelschnittstelle abzugebenden Strahlung wenigstens einer der Strahlungsquellen vorzugsweise die Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung dazu ausgebildet sein, Signale an die Antriebseinrichtung abzugeben, so daß diese die Umlenkein- richtung in periodische oder statistische Bewegungen um eine mittlere Stellung versetzt, in der diese die von der Strahlungsquelle abgegebene optische Strahlung in die Auskoppelschnittstelle umlenkt. Bei dem Verfahren ist es bevorzugt, daß zur Homogenisierung der in die Auskoppelschnittstelle abzugebenden Strahlung einer der Strahlungsquellen die Umlenkeinrichtung in periodische oder statistische Bewegungen um eine mittlere Stellung versetzt wird, in der diese die von der Strahlungsquelle abgegebene optische Strahlung in die Auskoppelschnittstelle umlenkt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß im Strahlengang zwischen der Umlenkeinrichtung und der Auskoppelschnittstelle nicht unbedingt weitere optische Bauelemente angeordnet zu sein brauchen. Darüber hinaus braucht bei einer Umschaltung zwischen zwei Stellungen der Umlenkeinrichtung die Umlenkeinrichtung nicht bis zur Ruhe abgebremst zu werden, so daß nicht nur eine Homogenisierung, sondern auch eine schnellere Umschaltung erreicht werden kann.For many lighting purposes, it is desirable to be able to use optical radiation with a constant intensity which is good enough over the beam or beam cross section. For this purpose, a homogenization device is preferably arranged in the beam path between the deflection device and the decoupling interface. In the method, the radiation to be emitted is preferably homogenized before it reaches the decoupling interface. In particular, transparent rods or hollow rods with reflective side walls, diffractive optical elements or diffusing disks can be used as the homogenizing device. The use of bars with reflective walls has the advantage that the losses therein are particularly low. Alternatively or additionally, however, in the illumination device for homogenizing the radiation to be emitted by the decoupling interface of at least one of the radiation sources, the control device for activating the drive device may be designed to emit signals to the drive device, so that these divert the deflection device into periodic or random movements a middle position offset in which this deflects the radiation emitted by the radiation source optical radiation in the decoupling interface. In the method, it is preferred that, for the homogenization of the radiation to be emitted into the decoupling interface of one of the radiation sources, the deflection device is offset in periodic or statistical movements about a middle position in which it deflects the optical radiation emitted by the radiation source into the decoupling interface. This embodiment has the advantage that not necessarily further optical components need to be arranged in the beam path between the deflection device and the decoupling interface. In addition, when switching between two positions of the deflection, the deflection does not need to be slowed down to rest, so that not only a homogenization, but also a faster switching can be achieved.
Die Beleuchtungsvorrichtung eignet sich allgemein für Beleuchtungszwecke, die eine schnelle Variation des Farbspektrums erfordern. Gegenstand der Erfindung ist daher insbesondere auch eine optische Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung. Die optische Vorrichtung weist neben der Beleuchtungsvorrichtung wenigstens ein weiteres optisches Bauelement auf, das im Strahlengang nach der Auskoppelschnittstelle angeordnet ist.The lighting device is generally suitable for lighting purposes requiring rapid variation of the color spectrum. The invention is therefore in particular also an optical device with a lighting device according to the invention. The optical device has, in addition to the illumination device, at least one further optical component which is arranged in the beam path downstream of the coupling-out interface.
Besonders bevorzugt wird die Beleuchtungsvorrichtung zur Untersuchung von Proben einge- setzt. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher auch eine optische Vorrichtung zur Untersuchung einer Probe, insbesondere ein Weitfeldmikroskop oder ein Fluoreszenz-Reader, mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung. Eine solche Untersuchungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß sie bedingt durch die Ausbildung der Beleuchtungsvorrichtung nur wenige bewegliche Teile aufweist und damit kostengünstig und einfach herstellbar ist. Dar- über hinaus kann sie sehr kompakt aufgebaut werden. Die Beleuchtungsvorrichtung ist für alle Arten von Mikroskopen geeignet. Hierzu gehören z.B. Universal-Mikroskope, optische Reader (u.a. Biochip-Reader, Titerplatten-Reader), Stereo-Mikroskope, Operations-Mikroskope und ophthalmologische Geräte.Particularly preferably, the illumination device is used to examine samples. The present invention therefore also relates to an optical device for examining a sample, in particular a wide-field microscope or a fluorescence reader, with a lighting device according to the invention. Such an inspection device is characterized by the fact that it has only a few moving parts due to the design of the lighting device and is thus inexpensive and easy to produce. In addition, it can be built very compact. The lighting device is suitable for all types of microscopes. These include e.g. Universal microscopes, optical readers (including biochip readers, titer plate readers), stereo microscopes, surgical microscopes and ophthalmic devices.
Dabei kann die Untersuchungsvorrichtung vorzugsweise zur Durchführung von Fluoreszenzuntersuchungen an einer Probe ausgebildet sein.In this case, the examination device can preferably be designed to carry out fluorescence investigations on a sample.
Die Erfindung wird im folgenden noch näher anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Mikroskops mit einer Beleuchtungsvorrichtung nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,The invention will be explained in more detail below with reference to the drawings. Show it: 1 is a schematic representation of a microscope with a lighting device according to a first preferred embodiment of the invention,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Mikroskops mit einer Beleuchtungsvorrichtung nach einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und2 is a schematic representation of a microscope with a lighting device according to a third preferred embodiment of the invention, and
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungsvorrichtung nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.Fig. 3 is a schematic representation of a lighting device according to another preferred embodiment of the invention.
In Fig. 1 dient ein Mikroskop 1 , im Beispiel ein Weitfeldfluoreszenzmikroskop, mit einer Beleuchtungsvorrichtung 2 zur Untersuchung einer Probe 3.In FIG. 1, a microscope 1, in the example a wide field fluorescence microscope, with a lighting device 2 for the examination of a sample 3 is used.
Das nur sehr schematisch gezeigte Mikroskop 1 ist in konventioneller Weise ausgebildet und verfügt insbesondere über eine Einkoppeloptik 4, über die optische Strahlung zur Beleuchtung der Probe 3 in den Beleuchtungsstrahlengang des Mikroskops 1 eingekoppelt werden kann. Durch die optische Achse 5 der Einkoppeloptik 4 und deren Eintrittsfläche wird eine Einkoppelschnittstelle des Mikroskops 1 gebildet, die gleichzeitig auch eine Auskoppelschnittstelle der Beleuchtungsvorrichtung 2 bildet.The microscope 1, which is only shown very schematically, is designed in a conventional manner and in particular has a coupling-in optical system 4, via which optical radiation for illuminating the sample 3 can be coupled into the illumination beam path of the microscope 1. Through the optical axis 5 of the coupling optics 4 and their entrance surface, a coupling-in interface of the microscope 1 is formed which at the same time also forms a decoupling interface of the lighting device 2.
Die Beleuchtungsvorrichtung 2 umfaßt mehrere, im Beispiel vier, Strahlungsquellen 6 zur Abgabe optischer Strahlung in jeweils unterschiedlichen Wellenlängenbereichen in von den Strahlungsquellen 6 ausgehenden Teilstrahlengängen, jeweils in den Teilstrahlengängen nach den Strahlungsquellen 6 angeordnete Kollirhationseinrichtungen 7 und Anregungsbandpaßfilter 8 sowie eine im Schnittbereich der Teilstrahlengänge angeordnete Umlenkeinrichtung 9 mit einem Umlenkelement in Form eines um eine Achse 10 drehbaren Spiegels zur Umlenken der auf die Umlenkeinrichtung 9 auftreffenden Strahlung der Strahlungsquellen 6, und eine Antriebseinrichtung 11 zur Drehung der Umlenkeinrichtung 9 um die Achse 10. In einem gemeinsamen Strahiengangabschnitt nach der Umlenkeinrichtung 9 ist eine fokussierende Optik 12 angeordnet, die von der Umlenkeinrichtung 8 umgelenkte optische Strahlung in eine Homogenisierungseinrichtung 13 fokussiert, von der aus die optische Strahlung in die Auskoppelschnittstelle tritt, die durch die Austrittsfläche der Homogenisierungseinrichtung 13 und die optische Achse der Optik 12 und der Homogenisierungseinrichtung 13 gegeben ist.The illumination device 2 comprises several, in the example four, radiation sources 6 for emitting optical radiation in respective different wavelength ranges in outgoing beam sources 6 partial beam paths, respectively arranged in the partial beam paths after the radiation sources 6 Kollirhationseinrichtungen 7 and 8 and excitation bandpass filter and a arranged in the intersection of the partial beam paths deflection 9 with a deflecting element in the form of a mirror 10 rotatable about an axis for deflecting the incident on the deflector 9 radiation of the radiation sources 6, and a drive means 11 for rotating the deflector 9 about the axis 10. In a common Strahiengangabschnitt after the deflector 9 is a focussing optics 12 is arranged, the optical radiation deflected by the deflecting device 8 focussed in a homogenizing device 13, from which the optical radiation in the Auskoppelschnittstelle tr Itt, which is given by the exit surface of the homogenizer 13 and the optical axis of the optics 12 and the homogenizer 13.
Zur Ansteuerung der Strahlungsquellen 6 und der Antriebseinrichtung 11 dient eine Steuereinrichtung 14.
Die Strahlungsquellen 6 sind in diesem Ausführungsbeispiel Halbleiterstrahlungsquellen, genauer Leuchtdioden zur Abstrahlung optischer Strahlung in jeweils unterschiedlichen Wellenlängenbereichen bzw. mit unterschiedlicher charakteristischer Emissionswellenlänge, d.h. jeweils unterschiedlicher Farbe, im Beispiel rot, grün, blau bzw. Ultraviolett. Die charakteristische Emissionswellenlänge des jeweiligen Emissionsspektrums einer der Halbleiterstrahlungsquellen ist in diesem Ausführungsbeispiel wie auch den folgenden Ausführungsbeispielen die Wellenlänge mit der maximalen Emissionsintensität. In einer anderen Variante kann auch die Schwerpunktwellenlänge, d.h. der mit der Emissionsintensität gewichtete Mittelwert der Emissionswellenlängen, als charakteristische Emissionswellenlänge verwendet werden. Die Leuchtdioden 6 emittieren daher, ausgedrückt durch die Farbe der charakteristischen Emissionswellenlänge, optische Strahlung in Spektren mit absteigender charakteristischer Wellenlänge, d.h. in Fig. 1 im Uhrzeigersinn die erste Leuchtdiode im Roten, die zweite Leuchtdiode im Grünen, die dritte Leuchtdiode im Blauen und die vierte Leuchtdiode im Ultravioletten. Die Leuchtdioden sind dabei so gewählt, daß sich die Emissionsspektren gut zur Anregung von wenigstens vier vorge- gebenen Fluoreszenzfarbstoffen verteilt über das optische Spektrum vom UV bis zum roten Licht eignen.For controlling the radiation sources 6 and the drive device 11 is a control device 14th In this exemplary embodiment, the radiation sources 6 are semiconductor radiation sources, more precisely light-emitting diodes for emitting optical radiation in respectively different wavelength ranges or with different characteristic emission wavelengths, ie in each case different color, in the example red, green, blue or ultraviolet. The characteristic emission wavelength of the respective emission spectrum of one of the semiconductor radiation sources in this exemplary embodiment, as well as in the following exemplary embodiments, is the wavelength with the maximum emission intensity. In another variant, it is also possible to use the centroid wavelength, ie the mean value of the emission wavelengths weighted with the emission intensity, as the characteristic emission wavelength. The LEDs 6 therefore emit, expressed in terms of the color of the characteristic emission wavelength, optical radiation in spectrums of decreasing characteristic wavelength, ie clockwise in Fig. 1 the first LED in the red, the second LED in the green, the third LED in the blue and the fourth LED in the ultraviolet. The light-emitting diodes are chosen so that the emission spectra are well suited to excite at least four predefined fluorescent dyes distributed over the optical spectrum from the UV to the red light.
Die Strahlungsquellen 6 sind auf einem in Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Kreis bzw. Kreisbogen und damit in einer durch den Kreisbogen definierten Ebene angeordnet.The radiation sources 6 are arranged on a in Fig. 1 indicated by a dashed line circle or arc and thus in a plane defined by the arc.
Im Teilstrahlengang jeder der Halbleiterstrahlungsquellen 6 ist jeweils eine der Kollimationsein- richtungen 7 angeordnet, die von der jeweiligen Halbleiterstrahlungsquelle 6 abgegebene optische Strahlung kollimiert. Im Beispiel werden als Kollimationseinrichtungen 7 asphärische Linsen hoher numerischer Apertur, vorzugsweise größer als 0,5, verwendet, die verglichen mit prinzipiell auch einsetzbaren sphärischen Linsen bessere Kollimationseigenschaften haben. Die Kollimationseinrichtungen 7 und die Optik 12 sind weiter so ausgelegt und angeordnet, daß ein möglichst großer Anteil der von jeder der Halbleiterstrahlungsquellen 6 abgegebenen optischen Strahlung in die Homogenisierungseinrichtung 13 eingekoppelt wird. Insbesondere sind die Kollimationseinrichtungen 7 und die Optik 12 im gemeinsamen Strahlengangabschnitt vor der Homogenisierungseinrichtung 13 so ausgelegt, daß die Lichtleitwerte optimal aneinander angepaßt sind.In each case one of the collimation devices 7 is arranged in the partial beam path of each of the semiconductor radiation sources 6 and collimates the optical radiation emitted by the respective semiconductor radiation source 6. In the example, aspheric lenses of high numerical aperture, preferably greater than 0.5, are used as collimation devices, which have better collimation properties compared with spherical lenses which can also be used in principle. The collimation devices 7 and the optics 12 are further designed and arranged such that the largest possible proportion of the optical radiation emitted by each of the semiconductor radiation sources 6 is coupled into the homogenization device 13. In particular, the collimation devices 7 and the optics 12 are designed in the common beam path section in front of the homogenizing device 13 so that the light conductance values are optimally matched to one another.
Die als Interferenzfilter ausgebildeten, nur optionalen Anregungsbandpaßfilter 8 verfügen über jeweils an die Emissionsspektren der Halbleiterstrahlungsquellen 6 angepaßte Transmissions- bänder, die die spektrale Breite der Emissionsspektren der Halbleiterstrahlungsquellen 6 einengen und so ein Übersprechen bei verschiedenen gleichzeitigen Fluoreszenzuntersuchungen für verschiedene Fluoreszenzfarbstoffe verhindern.
Die Umlenkeinrichtung 9, die als Umlenkelement in diesem Ausführungsbeϊspiel nur einen Spiegel umfaßt, ist an der orthogonal zu der Ebene, in der die Strahlungsquellen 6 angeordnet sind, ausgerichteten Achse bzw. Welle 11 befestigt und durch Drehung der Welle 11 dreh- bzw. schwenkbar. Die Welle 10 und die Umlenkeinrichtung 9 sind so in dem Überschneidungs- bereich der Teilstrahlengänge hinter den Strahlungsquellen 6 angeordnet, daß in geeigneten Winkelstellungen der Umlenkeinrichtung 9 bzw. für geeignete Drehwinkel der Welle 10, jeweils optische Strahlung einer der Strahlungsquellen 6 auf die Optik 12 umgelenkt werden kann.The trained as interference filter, only optional excitation bandpass filter 8 have each adapted to the emission spectra of the semiconductor radiation sources 6 transmission bands that narrow the spectral width of the emission spectra of the semiconductor radiation sources 6 and thus prevent crosstalk in various simultaneous fluorescence studies for different fluorescent dyes. The deflection device 9, which comprises only a mirror as deflecting element in this exemplary embodiment, is fastened to the shaft or shaft 11 oriented orthogonally to the plane in which the radiation sources 6 are arranged and can be rotated or pivoted by rotation of the shaft 11. The shaft 10 and the deflecting device 9 are arranged in the overlapping region of the partial beam paths behind the radiation sources 6, that in appropriate angular positions of the deflecting device 9 or for appropriate rotation angle of the shaft 10, each optical radiation of one of the radiation sources 6 deflected to the optics 12 can be.
Die Optik 12 koppelt die auf sie auftreffende optische Strahlung in die Homogenisierungsein- richtung 13 in Form eines verspiegelten Hohlstabes ein, der mit seiner Längsachse parallel zu der optischen Achse der Optik 12 ausgerichtet ist.The optical system 12 couples the optical radiation impinging on it into the homogenizing device 13 in the form of a mirrored hollow rod, which is aligned with its longitudinal axis parallel to the optical axis of the optical system 12.
Damit ergibt sich in diesem Ausführungsbeispiel eine Ausrichtung der Achse bzw. Welle 10 orthogonal zu der optischen Achse der Optik 12 und der Homogenisierungseinrichtung 13 und damit der durch die Auskoppelschnittstelle gegebenen mittleren Abstrahlrichtung.This results in this embodiment, an alignment of the axis or shaft 10 orthogonal to the optical axis of the optics 12 and the homogenizer 13 and thus given by the decoupling interface mean radiation direction.
Zur Drehung der Umlenkeinrichtung 9 ist die Antriebseinrichtung 11 vorgesehen, die hierzu einen durch elektrische Steuersignale in seiner Stellung steuerbaren, in den Figuren nicht gezeigten elektromagnetischen Aktor aufweist.For rotation of the deflecting device 9, the drive device 11 is provided, which for this purpose has a controllable by electrical control signals in its position, not shown in the figures, electromagnetic actuator.
Die Steuereinrichtung 14 ist zur Ansteuerung der Strahlungsquellen 6 unabhängig voneinander und zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung 11 und damit der Einstellung der Umlenkeinrichtung 9 ausgebildet, so daß eine bevorzugte erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden kann.The control device 14 is for driving the radiation sources 6 independently of one another and for driving the drive means 11 and thus the setting of the deflection device 9 is formed, so that a preferred first embodiment of a method according to the invention can be performed.
Die Steuereinrichtung 14 verfügt dazu über eine in den Figuren nicht gezeigte Benutzerschnittstelle, über die ein Benutzer die Reihenfolge der einzustellenden Wellenlängenbereiche der von der Beleuchtungsvorrichtung abzugebenden optischen Strahlung, deren gewünschte Intensität und die jeweilige Dauer der Abstrahlung festlegen kann. Hierzu können entsprechende Daten entweder eingelesen werden oder der Benutzer hat die Möglichkeit, aus einer vorgegebenen Anzahl von Kombinationen eine auszuwählen. In anderen Ausführungsbeispielen können die Reihenfolge, die Intensitäten und die Abstrahldauern auch fest vorgegeben sein. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Einschaltdauer der jeweiligen Strahlungsquelle und/oder der Ein- und/oder Ausschaltzeitpunkt durch wenigstens ein Signal eines externen Geräts, das über wenigstens eine Synchrionisations- oder Triggersignalverbindung mit der Steuereinrichtung 14 verbunden ist, gesteuert und/oder synchronisiert werden.
Weiter besitzt die Steuereinrichtung 14 eine Benutzerschnittstelle, mittels derer Justiereingaben erfaßt werden können. Diese Eingaben dienen dazu, für jeweils eine der Strahlungsquellen 6 durch elektrische Signale die Winkelstellung der Umlenkeinrichtung bzw. der Welle 11 so justieren zu können, daß eine wenigstens näherungsweise optimale Einkopplung der umgelenkten optischen Strahlung in die Optik 12 und die Homogenisierungseinrichtung 13 und damit die Auskoppelschnittstelle möglich ist. Ein Benutzer gibt hierzu in einem Justiermodus der Steuereinrichtung 14 für jede der Strahlungsquellen 6 getrennt Justiersignale in die Steuereinrichtung 14 ein, auf die hin diese durch Abgabe von entsprechenden Steuersignalen mittels der Antriebseinrichtung 11 die Umlenkeinrichtung 9 dreht. Wird eine wenigstens näherungsweise be- züglich der Einkopplung der optischen Strahlung optimale Stellung der Umlenkeinrichtung 9 für eine gewählte Strahlungsquelle 6 erreicht, wird die entsprechende Stellung der Welle 11 in Form entsprechender Ansteuerdaten in der Steuereinrichtung 14 der Strahlungsquelle zugeordnet gespeichert. Bei Auswahl einer der Strahlungsquellen 6 zur Beleuchtung werden diese Daten dann zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung 11 verwendet.For this purpose, the control device 14 has a user interface (not shown in the figures) via which a user can determine the sequence of the wavelength ranges to be set for the optical radiation to be emitted by the illumination device, its desired intensity and the respective duration of the emission. For this purpose, corresponding data can either be read in or the user has the option of selecting one from a predetermined number of combinations. In other embodiments, the order, the intensities and the radiation durations may also be fixed. In further embodiments, the duty cycle of the respective radiation source and / or the on and / or off timing may be controlled and / or synchronized by at least one signal from an external device connected to the controller 14 via at least one sync or trigger signal connection. Furthermore, the control device 14 has a user interface, by means of which adjustment inputs can be detected. These inputs are used to adjust the angular position of the deflection or the shaft 11 for each of the radiation sources 6 by electrical signals so that an at least approximately optimal coupling of the deflected optical radiation in the optics 12 and the homogenizer 13 and thus the decoupling interface is possible. A user enters for this purpose in an adjustment mode of the control device 14 for each of the radiation sources 6 separately adjustment signals in the control device 14, to which this turns by delivering corresponding control signals by means of the drive means 11, the deflection device 9. If an optimum position of the deflecting device 9 for a selected radiation source 6 is achieved, at least approximately with respect to the coupling of the optical radiation, the corresponding position of the shaft 11 is stored in the control device 14 in the form of appropriate control data associated with the radiation source. Upon selection of one of the radiation sources 6 for illumination, these data are then used to control the drive device 11.
Entsprechend der vorgegebenen Reihenfolge, Intensität und Dauer der Strahlungsabgabe in den gewählten vorgegebenen Wellenlängenbereichen schaltet die Steuereinrichtung 14 jeweils die entsprechende Strahlungsquelle 6 ein und schaltet, soweit dies noch der Fall ist, noch in Betrieb befindliche Strahlungsquellen ab, so daß optische Strahlung nur von der eingeschalte- ten Strahlungsquelle abgegeben, durch die entsprechende Kollimationseinrichtung 7 kollimiert und dann durch den entsprechenden Anregungsbandpaßfilter 8 spektral gefiltert wird.In accordance with the predetermined sequence, intensity and duration of the radiation output in the selected predetermined wavelength ranges, the control device 14 switches on the respective radiation source 6 and shuts off, as far as this is still the case, radiation sources still in operation, so that optical radiation is only switched on - Th emitted radiation source, is collimated by the corresponding collimation 7 and then spectrally filtered by the corresponding excitation bandpass filter 8.
Die Steuereinrichtung 14 gibt synchron bzw. synchronisiert zu der Abgabe der Signale für die Strahlungsquellen 6 Einstellsignale an die Antriebseinrichtung 11 ab, so daß diese die Umlenk- einrichtung 9 in die der gewählten, eingeschalteten Strahlungsquelle 6 entsprechende Winkelstellung dreht, in der die Umlenkeinrichtung 9 die auf sie auftreffende kollimierte und gefilterte optische Strahlung der gewählten, eingeschalteten Strahlungsquelle 6 in eine Richtung parallel zur der optischen Achse der fokussierenden Optik 12 auf die fokussierende Optik 12 lenkt, die die umgelenkte Strahlung in die Homogenisierungseinrichtung 13 einkoppelt.The control device 14 synchronously or synchronized to the output of the signals for the radiation sources 6 setting signals to the drive device 11 so that it turns the deflecting device 9 in the selected, the switched radiation source 6 corresponding angular position in which the deflection device 9 the collimated and filtered optical radiation incident thereon from the selected switched-on radiation source 6 is directed in a direction parallel to the optical axis of the focusing optic 12 onto the focusing optic 12, which couples the deflected radiation into the homogenizer 13.
Vorzugsweise wird die Strahlungsquelle 6 erst eingeschaltet und damit die gewünschte Strahlungsabgabe gestartet, nachdem die Umlenkeinrichtung 9 in die der gewählten Strahlungsquelle 6 entsprechende Winkelstellung gedreht wurde und es werden die Strahlungsquellen 6 während einer Drehung der Umlenkeinrichtung 9 in eine der Winkelstellungen ausgeschaltet.Preferably, the radiation source 6 is first turned on and thus the desired radiation output is started after the deflecting device 9 has been rotated into the angular position corresponding to the selected radiation source 6 and the radiation sources 6 are switched off during one rotation of the deflecting device 9 into one of the angular positions.
Nachdem die Strahlung mittels der Homogenisierungseinrichtung 13 homogenisiert wurde, wird diese dann durch bzw. in die Auskoppelschnittstelle abgegeben. Dabei kann die Intensität der optischen Strahlung durch entsprechende Ansteuerung der Strahlungsquellen 6 für jeden ge-
wählten Wellenlängenbereich bzw. jede eingeschaltete Strahlungsquelle getrennt, d.h. unabhängig von der Wahl der Intensitäten der in anderen Wellenlängenbereichen abzugebenden optischen Strahlung, durch entsprechende Signale der Steuereinrichtung 14 eingestellt werden.After the radiation has been homogenized by means of the homogenizing device 13, it is then discharged through or into the decoupling interface. In this case, the intensity of the optical radiation can be adjusted by appropriate activation of the radiation sources 6 for each selected wavelength range or each switched radiation source separately, ie, regardless of the choice of the intensities of the delivered in other wavelength ranges optical radiation, be adjusted by appropriate signals of the controller 14.
Die Dauer der Abgabe optischer Strahlung bzw. die Frequenz, mit der die Wellenlängenbereiche gewechselt werden können, kann, je nach Ansteuerung und Wahl des Aktors, im Bereich von Millisekunden liegen.The duration of the emission of optical radiation or the frequency with which the wavelength ranges can be changed can, depending on the activation and selection of the actuator, be in the range of milliseconds.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbei- spiel darin, daß die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, während der Abgabe optischer Strahlung durch eine der Strahlungsquellen durch entsprechende Ansteuerung der Strahlungsquelle die Intensität der abgegebenen Strahlung auf einer Zeitskala von Mikrosekunden zu modulieren, was insbesondere durch die Verwendung von Leuchtdioden als Strahlungsquellen ohne die Verwendung mechanischer Verschlüsse möglich ist.A second preferred embodiment differs from the first exemplary embodiment in that the control device is designed to modulate the intensity of the emitted radiation on a time scale of microseconds during the emission of optical radiation by one of the radiation sources by corresponding control of the radiation source, which is particularly is possible by the use of light-emitting diodes as radiation sources without the use of mechanical fasteners.
Eine dritte bevorzugte Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung, die in Fig. 2 veranschaulicht ist, unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nur darin, daß zum einen nur zwei Strahlungsquellen in Form von Leuchtdioden verwendet werden, die auf einem Kreisbogen in einer Ebene orthogonal zu der optische Achse der Optik 12 bzw. der Homogenisierungsein- richtung 13 und damit der Auskoppelschnittstelle angeordnet sind. Die Steuereinrichtung 14 ist entsprechend zur Ansteuerung nur der beiden Strahlungsquellen ausgebildet. Zum anderen ist die Achse bzw. Welle 10 nun parallel zu der optischen Achse der Optik 12 und der Homogenisierungseinrichtung 13 und damit der Auskoppelschnittstelle angeordnet. Ansonsten entspricht die Anordnung der Anordnung in Fig. 1 und es werden die gleichen Bezugszeichen verwendet und die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel gelten auch hier entsprechend. Der Übersichtlichkeit halber sind in Fig. 2 die optionalen Anregungsbandfilter 8 nicht gezeigt.A third preferred embodiment of the illumination device illustrated in FIG. 2 differs from the first embodiment only in that only two radiation sources in the form of light-emitting diodes are used, which are arranged on a circular arc in a plane orthogonal to the optical axis of FIG Optics 12 and the homogenization device 13 and thus the decoupling interface are arranged. The control device 14 is designed to control only the two radiation sources. On the other hand, the axis or shaft 10 is now arranged parallel to the optical axis of the optics 12 and the homogenizing device 13 and thus the decoupling interface. Otherwise, the arrangement corresponds to the arrangement in Fig. 1 and the same reference numerals are used and the comments on the first embodiment also apply here. For the sake of clarity, the optional excitation band filters 8 are not shown in FIG. 2.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, daß die Optik 12 und die Homogenisierungseinrichtung 13 fehlen. Zur Homogenisierung der in die Auskoppelschnittstelle einzukoppelnden optischen Strahlung der Strahlungsquellen wird statt dessen hier die Umlenkeinrichtung in periodische Bewegungen um eine mittlere Winkelstellung für die gerade eingeschaltete Strahlungsquelle, beispielsweise die bei der oben geschilderten Justierung ermittelte Winkelstellung, versetzt, in der diese die von der Strahlungsquelle abgegebene optische Strahlung in die Auskoppelschnittstelle umlenkt. Hierzu ist die Steuereinrichtung 14 entsprechend ausgebildet. Als Antriebseinrichtung wird vorzugsweise ein Galvanometerantrieb verwendet. Durch die periodische Bewegung des Strahlenbündels quer zur Ausbreitungsrichtung kann so im zeitlichen Mittel eine Homogenisierung der Intensitätsverteilung in der Auskoppelschnittstelle erfolgen.
Andere bevorzugte Ausführungsformen unterscheiden sich von den zuvor geschilderten Ausführungsbeispielen dadurch, daß die Umlenkeinrichtung als Umlenkelement statt des Spiegels ein Prisma oder ein diffraktives Element, beispielsweise ein Blaze-Gitter, aufweist.Another embodiment differs from the first embodiment in that the optic 12 and the homogenizer 13 are absent. Instead of homogenizing the optical radiation of the radiation sources to be coupled into the decoupling interface, the deflecting device is hereby set in periodic movements about a mean angular position for the currently switched radiation source, for example the angular position determined in the above-described adjustment, in which it emits the radiation emitted by the radiation source optical radiation deflects into the decoupling interface. For this purpose, the control device 14 is designed accordingly. As drive means, a galvanometer drive is preferably used. As a result of the periodic movement of the radiation beam transversely to the direction of propagation, a homogenization of the intensity distribution in the decoupling interface can take place as a function of time. Other preferred embodiments differ from the previously described embodiments in that the deflection device has a prism or a diffractive element, for example a blazed grating, instead of the mirror as deflecting element.
Bei noch einem anderen Ausführungsbeispiel umfassen die Strahlungsquellen faseroptische Elemente, deren Abstrahlflächen wie die Leuchtdioden in den vorhergehenden Beispielen angeordnet sind.In yet another embodiment, the radiation sources include fiber optic elements whose radiating surfaces are arranged like the light emitting diodes in the previous examples.
In Fig. 3 ist sehr schematisch eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Beleuchtungsvorrichtung als Schema gezeigt.In Fig. 3 is very schematically a further preferred embodiment of a lighting device shown as a scheme.
Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen sind hier mehrere Auskoppelschnittstellen 15 vorgesehen, durch die mittels eines optischen Multiplexers 16, beispielsweise gegeben durch die Antriebseinrichtung 11 mit der Welle 10 und der Umlenkeinrichtung 9 der vorhergehenden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit einer modifizierten Steuereinrichtung 14" gegeben ist, optische Strahlung einer der Strahlungsquellen 6, die zur Abgabe von optischer Strahlung wie im ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen sind, abgebbar ist. In diesem Beispiel sind mehr als vier Strahlungsquellen 6 vorgesehen, die Anzahl kann jedoch beliebig größer als 1 sein.In contrast to the preceding exemplary embodiments, here several decoupling interfaces 15 are provided, by means of which an optical multiplexer 16, for example given by the drive device 11 with the shaft 10 and the deflection device 9 of the preceding embodiments in conjunction with a modified control device 14 ", is provided Radiation of one of the radiation sources 6, which are provided for the emission of optical radiation as in the first embodiment, can be dispensed in. In this example, more than four radiation sources 6 are provided, but the number can be arbitrarily greater than 1.
Die einzigen Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel bestehen hier darin, daß für jede der Auskoppelschnittstellen 15, in Fig. 3 nicht gezeigt, jeweils eine Optik 12 und eine Homogenisierungseinrichtung 13 vorgesehen sind, und daß die Steuereinrichtung 14' gegenüber der Steuereinrichtung 14 dahingehend modifiziert ist, daß für jede Auskoppelschnittstelle nun eine entsprechende Anzahl von Winkelstellungen der Umlenkeinrichtung 9 gespeichert ist, die bei Verwendung der jeweiligen Auskoppelschnittstelle zur Einstellung der Umlenkeinrichtung 9 entsprechend der gerade eingeschalteten bzw. einzuschaltenden Strahlungsquelle verwendet werden.
The only differences from the first exemplary embodiment here are that optics 12 and a homogenizing device 13 are provided for each of the coupling-out interfaces 15, not shown in FIG. 3, and that the control device 14 'is modified relative to the control device 14, that for each decoupling interface now a corresponding number of angular positions of the deflecting device 9 is stored, which are used in accordance with the currently switched on or be turned on radiation source when using the respective decoupling interface for adjusting the deflecting device 9.
Claims
1. Beleuchtungsvorrichtung zur Abgabe von optischer Strahlung durch wenigstens eine Auskoppelschnittstelle mit mindestens zwei Strahlungsquellen (6) zur Abgabe von optischer Strahlung in jeweils unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, wenigstens einer um eine vorgegebene Achse (10) relativ zu den Strahlungsquellen (6) dreh- oder schwenkbaren optischen Umlenkeinrichtung (9) zur Ablenkung der abgegebenen optischen Strahlung und einer Antriebseinrichtung (11) zur Drehung bzw. Schwenkung der Umlenkeinrichtung (9) um die Achse (10), wobei die Strahlungsquellen (6) so relativ zu der Umlenkeinrichtung (9) und der Achse (10) angeordnet sind, daß von jeder der Strahlungsquellen (6) abgegebene optische Strahlung durch die in eine geeigneten Winkelstellung um die Achse (10) gedrehte bzw. geschwenkte Umlenkeinrichtung (9) in die Auskoppelschnittstelle umgelenkt werden kann.1. Lighting device for emitting optical radiation through at least one Auskoppelschnittstelle with at least two radiation sources (6) for emitting optical radiation in each different wavelength ranges, at least one about a predetermined axis (10) relative to the radiation sources (6) rotatable or pivotable optical Deflection device (9) for deflecting the emitted optical radiation and a drive device (11) for rotation or pivoting of the deflecting device (9) about the axis (10), wherein the radiation sources (6) so relative to the deflecting device (9) and the axis (10) are arranged so that from each of the radiation sources (6) emitted optical radiation can be deflected by the in a suitable angular position about the axis (10) rotated or pivoted deflection device (9) in the decoupling interface.
2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Strahlungsquellen wenigstens eine Strahlungsquelle umfassen, deren Strahlung über eine Faseroptik auf die Umlenkeinrichtung (9) abgegeben wird.2. Lighting device according to claim 1, wherein the radiation sources comprise at least one radiation source whose radiation is emitted via a fiber optic on the deflection device (9).
3. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Strahlungsquellen wenigstens einen Laser umfassen3. Lighting device according to claim 1 or 2, wherein the radiation sources comprise at least one laser
4. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Strahlungsquellen (6) wenigstens eine Halbleiterstrahlungsquelle umfassen.4. Lighting device according to one of claims 1 to 3, wherein the radiation sources (6) comprise at least one semiconductor radiation source.
5. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 , bei der die Strahlungsquellen (6) in einer Ebene angeordnet sind.5. Lighting device according to claim 1, wherein the radiation sources (6) are arranged in a plane.
6. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Strahlungsquellen (6) auf einem Kreisbogen angeordnet sind. 6. Lighting device according to claim 1 or 2, wherein the radiation sources (6) are arranged on a circular arc.
7. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Umlenkeinrichtung (9) als Umlenkelement einen Spiegel, ein Prisma oder ein diffraktives Element aufweist.7. Lighting device according to one of claims 1 to 6, wherein the deflecting device (9) as deflection element comprises a mirror, a prism or a diffractive element.
8. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die weiter eine Steuereinrichtung (14; 14') zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung (11 ) umfaßt, um die Umlenkeinrichtung (9) in wenigstens zwei Stellungen zu bewegen, in denen diese optische Strahlung jeweils einer anderen der Strahlungsquellen (6) in die Auskoppelschnittstelle umleiten.8. Lighting device according to one of claims 1 to 7, further comprising a control device (14, 14 ') for controlling the drive means (11) to move the deflecting device (9) in at least two positions, in which each of these optical radiation divert the other of the radiation sources (6) into the decoupling interface.
9. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die eine Steuereinrichtung (14; 14') zur Ansteuerung der Strahlungsquellen (6) aufweist.9. Lighting device according to one of claims 1 to 8, which has a control device (14, 14 ') for controlling the radiation sources (6).
10. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Steuereinrichtung (14; 14') so ausgebildet ist, daß sie synchron oder synchronisiert eine der Strahlungsquellen (6) einschaltet und durch Abgabe von Signalen an die Antriebseinrichtung (11 ) die Umlenkeinrichtung (9) in eine Stellung dreht bzw. schwenkt, in der diese optische Strahlung der eingeschalteten Strahlungsquelle (6) auf die Auskoppelschnittstelle umlenkt.10. Lighting device according to one of claims 1 to 9, wherein the control device (14; 14 ') is designed so that it synchronously or synchronized one of the radiation sources (6) turns on and by delivering signals to the drive means (11), the deflection device (9) rotates or pivots in a position in which deflects this optical radiation of the switched radiation source (6) on the decoupling interface.
11. Beleuchtungsvonrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Steuereinrichtung (14; 14') so ausgebildet und mit den Strahlungsquellen (6) verbunden ist, daß mittels der Steuereinrichtung (14; 14') die Intensität und/oder Abstrahldauer der von den Strahlungsquellen (6) abgegeben optischen Strahlung für wenigstens zwei der Strahlungsquellen (6) getrennt voneinander einstellbar ist.Lighting device according to one of claims 1 to 10, wherein the control device (14; 14 ') is designed and connected to the radiation sources (6) such that by means of the control device (14; 14') the intensity and / or emission duration of the from the radiation sources (6) emitted optical radiation for at least two of the radiation sources (6) is separated from each other adjustable.
12. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , bei der die Steuereinrichtung (14; 14') so ausgebildet ist, daß die Stellung der Umlenkeinrichtung (9) für die Ablenkung der optischen Strahlung einer der Strahlungsquellen (6) auf die Auskoppelschnittstelle elektronisch justierbar ist.12. Lighting device according to one of claims 1 to 11, wherein the control device (14; 14 ') is formed so that the position of the deflecting device (9) for the deflection of the optical radiation of one of the radiation sources (6) on the decoupling interface electronically adjustable is.
13. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im Strahlengang zwischen der Umlenkeinrichtung (9) und der Auskoppelschnittstelle eine Homogenisierungseinrichtung (13) angeordnet ist.13. Lighting device according to one of the preceding claims, wherein in the beam path between the deflection device (9) and the Auskoppelschnittstelle a homogenization device (13) is arranged.
14. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zur Homogenisierung der durch die Auskoppelschnittstelle abzugebenden Strahlung wenigstens einer der Strahlungsquellen (6) eine Steuereinrichtung (14; 14') zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung (11) dazu ausgebildet ist, Signale an die Antriebseinrichtung (11) abzugeben, so daß diese die Umlenkeinrichtung (9) in periodische oder statistische Bewegungen um eine mittlere Stellung versetzt, in der diese die von der Strahlungsquelle (6) abgegebene optische Strahlung in die Auskoppelschnittstelle umlenkt.14. Lighting device according to one of the preceding claims, in which a control device (14, 14 ') for activating the drive device (11) is designed for the homogenization of the radiation to be emitted by the decoupling interface of at least one of the radiation sources (6), signals to the drive device (11). 11), so that the latter deflects the deflection device (9) into periodic or statistical movements about a middle position in which it deflects the optical radiation emitted by the radiation source (6) into the coupling-out interface.
15. Optische Vorrichtung mit einer Beleuchtungsvorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 15. An optical device with a lighting device (3) according to any one of the preceding claims.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, die zur Untersuchung einer Probe (1) ausgebildet ist, insbesondere Weitfeldmikroskop oder Fluoreszenz-Reader.16. The apparatus of claim 15, which is designed for the examination of a sample (1), in particular wide-field microscope or fluorescence reader.
17. Verfahren zur sequentiellen Bereitstellung von optischer Strahlung in wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen in einem vorgegebenen zeitlichen Wechsel durch wenigstens eine Auskoppelschnittstelle, insbesondere unter Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mit wenigstens zwei Strahlungsquellen (6), von denen jede optische Strahlung in einem anderen der Wellenlängenbereiche abgeben kann, optische Strahlung in einem der Wellenlängenbereiche erzeugt und auf eine optische Umlenkeinrichtung (9) gerichtet wird, und die optische Umlenkeinrichtung (9) so relativ zu den Strahlungsquellen (6) gedreht oder geschwenkt wird, daß in dem vorgegebenen zeitlichen Wechsel optische Strahlung der unterschiedlichen Wellenlängenbereiche in die Auskoppelschnittstelle umgelenkt wird.17. A method for the sequential provision of optical radiation in at least two different wavelength ranges in a predetermined time change through at least one decoupling interface, in particular using a lighting device according to one of the preceding claims, wherein with at least two radiation sources (6), each of which optical radiation in another of the wavelength ranges, optical radiation is generated in one of the wavelength ranges and directed to an optical deflector (9), and the optical deflector (9) is rotated or pivoted relative to the radiation sources (6) that in the given temporal change optical radiation of the different wavelength ranges is deflected into the decoupling interface.
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem als wenigstens eine der Strahlungsquellen eine Strahlungsquelle verwendet wird, deren Strahlung über eine Faseroptik auf die Umlenkeinrichtung abgegeben wird.18. The method according to claim 17, wherein at least one of the radiation sources, a radiation source is used, the radiation is emitted via a fiber optic on the deflection.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, bei dem als wenigstens eine der Strahlungsquellen ein Laser verwendet wird.A method according to claim 17 or 18, wherein a laser is used as at least one of the radiation sources.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem als wenigstens eine der Strahlungsquellen (6) eine Halbleiterstrahlungsquelle verwendet wird.20. The method according to any one of claims 17 to 19, wherein at least one of the radiation sources (6), a semiconductor radiation source is used.
21. Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 17 bis 20, bei dem zum Wechsel der Wellenlängenbereiche synchron oder synchronisiert eine der Strahlungsquellen (6) eingeschaltet und die Umlenkeinrichtung (9) in eine Stellung gedreht bzw. geschwenkt wird, in der diese optische Strahlung der eingeschalteten Strahlungsquelle (6) in die Auskoppelschnittstelle umlenkt.21. The method of claim any one of claims 17 to 20, wherein synchronously or synchronized to change the wavelength ranges of the radiation sources (6) is turned on and the deflection device (9) is rotated or pivoted to a position in which this optical radiation of the switched Radiation source (6) deflects into the decoupling interface.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21 , bei dem die Intensität und/oder Abstrahldauer der von den Strahlungsquellen (6) abgegebenen optischen Strahlung für wenigstens zwei der Strahlungsquellen (6) getrennt voneinander eingestellt wird.22. The method according to any one of claims 17 to 21, wherein the intensity and / or radiation duration of the radiation sources (6) emitted optical radiation for at least two of the radiation sources (6) is set separately from each other.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22 bei dem die abzugebende Strahlung noch vor Erreichen der Auskoppelschnittstelle homogenisiert wird.23. The method according to any one of claims 17 to 22 in which the radiation to be emitted is homogenized before reaching the decoupling interface.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, bei dem zur Homogenisierung der in die Auskoppelschnittstelle abzugebende Strahlung einer der Strahlungsquellen (6) die Umlenkeinrichtung (9) in periodische oder statistische Bewegungen um eine mittlere Stellung versetzt wird, in der diese die von der Strahlungsquelle (6) abgegebene optische Strahlung in die Auskoppelschnittstelle umlenkt. 24. The method according to any one of claims 17 to 23, wherein for homogenizing the radiation to be emitted into the Auskoppelschnittstelle one of the radiation sources (6), the deflection device (9) is offset in periodic or statistical movements about a middle position in which these from the Radiation source (6) deflected optical radiation in the decoupling interface.
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