WO2014020163A1 - Auflichtbeleuchtungseinrichtung für ein mikroskop mit flächenlichtquelle - Google Patents

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WO2014020163A1
WO2014020163A1 PCT/EP2013/066316 EP2013066316W WO2014020163A1 WO 2014020163 A1 WO2014020163 A1 WO 2014020163A1 EP 2013066316 W EP2013066316 W EP 2013066316W WO 2014020163 A1 WO2014020163 A1 WO 2014020163A1
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light
incident illumination
illumination device
microscope
light source
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PCT/EP2013/066316
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Robert Paulus
Harald Schnitzler
Reto Züst
Original Assignee
Leica Microsystems (Schweiz) Ag
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    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/06—Means for illuminating specimens
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/005—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed on the light output side of the light guide
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    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0066—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form characterised by the light source being coupled to the light guide
    • G02B6/0068—Arrangements of plural sources, e.g. multi-colour light sources

Definitions

  • Incident light illumination device for a microscope with surface light source
  • the present invention relates to a reflected light illumination device for a microscope with a surface light source, in particular for a microscope with continuously variable magnification, called zoom microscope, in particular stereomicroscope or macroscope, a microscope with Auflichtbeleuch- device and a use of a directed surface light source for incident illumination in a microscope ,
  • a reflected light illumination device for a microscope with a surface light source for a microscope with a surface light source, a microscope with such a reflected light illumination device, and a use of such a surface light source for reflected light illumination in a microscope are proposed according to the independent patent claims.
  • a surface light source of a transmitted-light illumination device as described in DE 10 2011 003 568 A1
  • the luminous area is significantly increased compared to spot or spot light sources and the illuminated field is homogenized. This is particularly advantageous for the study of larger and / or multiple objects, such as e.g. in forensics, materials testing, etc.
  • a surface light source used according to the invention is characterized in that light propagated in a plate-shaped light guide due to total reflection is coupled out by targeted disturbance of the total reflection.
  • the disturbance takes place at a lower boundary surface (so-called underside) of the light guide by an element lying on a so-called contact surface.
  • an upper boundary surface for the purposes of the invention, therefore, the side from which the light emerges, regardless of their orientation in space, referred to as "top”.
  • the element is optically coupled to the light guide and configured to cause diffuse scattering so that the light is extracted at the top.
  • the contacted by the element contact surface acts as a radiating surface.
  • a surface light source for reflected light illumination can be created in a microscope that emits light in a particularly homogeneous manner.
  • the surface light source is very flat and, moreover, is easy to manufacture and to handle. The production is cost-effective, since no expensive optics and no elaborate adjustment are necessary.
  • a further improvement of the homogenization is achieved by the surface area of the contact surface is smaller than the surface area of the bottom.
  • the light guide can therefore be chosen as large as it seems necessary for reasons of homogeneity, wherein the size of the contact surface (which defines the radiating surface) thereof can be specified independently.
  • Further homogenization is achieved by coupling light from at least two different directions into the optical fiber. For example, in the case of a prism-shaped or truncated pyramid-shaped optical waveguide, ie a light waveguide with a polygonal base surface, coupling can take place on at least two of the side faces.
  • coupling takes place at at least two points of the lateral surface, which are preferably distributed uniformly over the circumference.
  • the coupling from the side also allows a low height.
  • the light guide is flat, so that its height is less than its lateral extent, in particular at least ten times in an extension direction. As a result, the necessary height is kept small.
  • a particularly homogeneous emission characteristic is achieved if the element which disturbs the total reflection causes a diffuse scattering of the light propagating in the light guide.
  • the resulting radiation essentially follows Lambert's law, so that the radiation density is substantially constant in all directions.
  • an ideal diffuse-scattering surface (according to Lambert's law) gives off the incident power distributed according to Lambert, so it appears to be bright regardless of the viewing angle (constant luminance).
  • the element which disturbs the total reflection preferably has a remission degree adapted to the at least one luminous means.
  • the total reflection disturbing element preferably has a remission degree R between 0.3 and 0.7. This is particularly suitable in order to produce a glare effect for the user with relatively strong bulbs. On the other hand, a remission degree R between 0.7 and 1, in particular of more than 0.7 or more than 0.9, in particular also with weaker bulbs is preferred. These weaker bulbs may show an advantageous - because low - heat development. This allows a shorter distance between the lamp and the radiating surface and thus a compact design of the entire surface light source.
  • the total reflection-disturbing element is preferably a coating applied to the underside, in particular in the form of a coated coating or film. The flooring can be glued on, painted on, smeared or similar. be.
  • the covering is preferably formed in the form of a paste to be applied.
  • the paste expediently has a white color to achieve a spectrally neutral Ab- beam behavior, and expediently contains a large number of reflection and / or scattering centers, for example. Embedded molecules.
  • the total reflection disturbing element can be used to change the color of the light source (eg LEDs) to optimize the spectral radiation behavior.
  • the at least one light-emitting means expediently comprises an LED or a cold-cathode tube.
  • the design of the luminous means has a special influence on the optimization of the light power transported in the light guide.
  • the emission angle of the luminous means is preferably adapted to the geometry of the optical waveguide, the height of the optical waveguide and the distance of the luminous element (eg chip) in the luminous means from the light entry surface influencing the efficiency.
  • an adjustment of the spacing of the light elements relative to one another contributes to the optimization of the homogeneity and to the minimization of the extension of the light guide.
  • a superimposition of the coupled-in light of adjacent sources takes place only at a certain distance from the edge of the light guide, which in turn depends on the said distance of the light sources. Therefore, according to the invention, the surface area of the contact surface is smaller than the surface area of the underside, so that thorough mixing is achieved.
  • the plate-shaped light guide is formed as a prism or truncated pyramid, ie, the base surface defining the top and bottom is a polygon.
  • one or more side surfaces can be equipped in a particularly simple manner each with a lighting means.
  • particularly simple cooling devices heat sink, etc.
  • the plate-shaped light guide is formed as a cylinder or truncated cone, ie the defining the top and bottom Base is an ellipse (including circle).
  • a particularly good homogenization can be achieved if one or more lamps are arranged on the circumference of the cylinder so that an irradiation takes place "all around”.
  • the geometry and orientation of the side surfaces of the optical waveguide serving as light entry surfaces relative to the main beam emanating from the illuminant can be used as a parameter to control the distribution of the light in the optical waveguide and thereby influence the homogeneity of the light emitted by the area light source.
  • a tilting of the lateral surface serving as an entry surface is mentioned here. This change in the entry surface contributes to the optimization of the height of the surface light source, since with this measure zones of the total reflection-disturbing element, which are closer to the optical axis of the microscope are better illuminated.
  • At least one entrance surface is frosted.
  • larger angles in the light guide are weighted more heavily and the light intensity is manipulated in favor of the edge zones of the element which disturbs the total reflection.
  • the light of the bulbs is laterally coupled into the light guide and transported by total reflection in the light guide until it is coupled out by a controlled disturbance of total reflection (the total reflection interfering element) from the plate upwards.
  • the light is refracted when entering from the air into the light guide with refractive index nl towards the axis. Then it is either totally reflected on the outer sides or decoupled.
  • et which describes the maximum angle under which light may be incident on the light guide, so that it is still conducted, the following applies:
  • n2 is a possible refractive index of an adjacent medium.
  • the acceptance angle et comprises the entire half space as soon as the refractive index of the plate nl> ⁇ ⁇ 1.41 is selected.
  • the refractive index n2> 1 of the total reflection-disturbing element the part of the angular range is decoupled, for which sin 2 (a)> nl 2 -n 2 2 is satisfied.
  • n2> nl so that the entire light is decoupled and scattered. This serves to increase the luminance.
  • a light directing element can be used between the surface light source and the illuminated object. This causes a block or blocking of light with large radiation angles and allows only light with low radiation angles to pass.
  • the light directing element can be formed as a lamellar structure. Thus, the large radiation angles are blocked only in one direction. This can be a limitation of the radiation characteristic oE in the x direction to a narrow angle range, for example, from -20 ° to + 20 ° can be achieved.
  • Such a light-directing element is offered, for example, by the company 3M under the name "Vikuiti.”
  • the light-conducting element can alternatively also be configured as a net or honeycomb structure, blocking the large emission angles in two or more directions
  • a preferred light directing element comprises a number of rectangular or even round light channels, through which the light can pass from one side of the light directing element to the other side
  • a lighting outside the object field can be reduced. This measure increases the contrast in the microscope image
  • a desired illumination size, brightness decrease, etc.
  • a diaphragm for defining a radiation surface. If the panel is additionally mirrored on the side facing the top, this proportion of light is not lost.
  • Figure la shows a first preferred embodiment of a surface light source used in the invention in a plan view.
  • FIG. 1b shows the surface light source according to FIG. 1a in a cross-sectional view.
  • FIGS. 2 a and 2 b show further preferred embodiments of surface light sources used according to the invention in a plan view.
  • Figure 3 shows a schematic side view of a microscope with a
  • FIG. 4 shows a detail from FIG. 3 with a light directing element between the surface light source and the sample.
  • FIGS. 1 to 4 identical elements are provided with the same reference numerals.
  • FIGS. 1 a and 1 b in which a first preferred embodiment of a surface light source used according to the invention for incident illumination is shown in a plan view or in a cross-sectional view, will be described below in a coherent and comprehensive manner.
  • FIG. 1 a first preferred embodiment of a surface light source of a microscope used according to the invention for incident illumination is shown schematically in a top view and designated as 100 overall.
  • the area light source 100 has a plate-shaped light guide 110.
  • the plate-shaped light guide is for example made of acrylic, glass or similar. formed here and has the shape of a prism, especially a cuboid on.
  • the plate-shaped optical waveguide 110 comprises a lower, in this case square, interface 111 and a congruent upper boundary surface 112.
  • the optical waveguide 110 has a lateral extent L and a height h, wherein preferably: h ⁇ 0.1 L.
  • the light guide 110 also has four side surfaces 113 to 116.
  • light sources 120 are coupled to all side surfaces 113 to 116.
  • the light sources 120 comprise a carrier 121, which simultaneously serves as a heat sink, on which a number of light-emitting diodes 122 are formed
  • Luminous elements are arranged.
  • the light-emitting diodes 122 are thus connected to the light guide ter 110 arranged that emitted by the light emitting diodes 122 light 130 propagates in the light guide due to total reflection.
  • the LEDs 122 have a center-to-center distance s from each other.
  • At the lower interface 111 is located on the total reflection disturbing element 140, which is circular in the present example. It should be noted that a rectangular configuration is also preferred.
  • the abutment region is referred to as a contact surface and has a surface area A which is smaller than the surface area L 2 of the lower boundary surface 111.
  • the contact surface has a distance 2r from the side surfaces serving as entry surfaces, which is preferably determined as follows:
  • the coupled-in light is refracted in the light guide by the refractive index n towards the solder.
  • the cuboid shape of the optical waveguide 110 allows a particularly simple handling and mounting of the lighting means 120, since the side surfaces 113 to 116 are flat.
  • each of the individual light-emitting diodes 122 radiates in an infinite number of directions, an irradiation from different directions in the sense of the invention means that the main emission directions of the light sources differ.
  • the total reflection interfering element 140 is suitably applied to the lower interface 111 paste. Likewise, it may be a glued foil.
  • the element 140 is expediently essentially opaque, so that the majority of the incident light is not transmitted, but is scattered and is not lost. The remission degree is above 0.9.
  • the element 140 acts as a diffuse scattering surface. As a result, the light 130 impinging on the element 140 is diffusely reflected upwards, with a part leaving the light guide 110 at the upper boundary surface 112 and being able to be used for incident light illumination of a sample 1 (see FIG. 3).
  • an aperture designed here as a pinhole 150 is provided above the upper boundary surface 112, an aperture designed here as a pinhole 150 is provided.
  • the upper boundary surface 112 facing side of the aperture 150 is mirrored.
  • FIG. 2 a shows a plan view of a second preferred embodiment of a surface light source according to the invention and denotes 200.
  • the surface light source 200 has a cylindrical light guide 210 which is surrounded by a number of light-emitting diodes 122 having light-emitting means 220. On the underside of the cylindrical light guide 210, the paste 140 is also applied.
  • the cylindrical shape of the light guide 210 and the associated irradiation of light from all directions lead to a particularly strong homogenization of the emitted light.
  • FIG. 2 b a third preferred embodiment of a surface light source according to the invention is shown in a plan view and designated as a whole by 300.
  • the surface light source 300 in turn comprises a prism-shaped light guide 310 whose base surface has the shape of a regular hexagon.
  • all six side surfaces of the optical waveguide 310 are illuminated by light sources. equipped 120 so that a radiation of light from six directions.
  • This embodiment offers, on the one hand, particularly good homogenization by irradiation from many directions and, on the other hand, flat side surfaces which permit the attachment of the luminous means and also the attachment of holders, heat sinks, etc. in a simple manner.
  • FIG. 3 shows a schematic side view of a microscope 10 with a surface light source 100 for incident illumination of a sample 1.
  • the microscope 10 is designed as a stereomicroscope and furthermore has a stand 11, an eyepiece 12, a microscope body 13 with a zoom mechanism and an objective 14.
  • An observation aperture is indicated by 15, a illumination aperture by 16.
  • the entire illumination cone is designated by 17. It becomes clear that the surface light source 100 leads to a very homogeneous illumination even of large-area samples 1, which is particularly advantageous in microscopes with a large working distance, such as forensic microscopes or stereomicroscopes.
  • light-directing elements can be provided, as shown by way of example in FIG.
  • a light directing element 20 is arranged between the surface light source 100 and the sample 1, which leads to a constriction of the illumination cone 17. It can be seen that the area illuminated adjacent to the sample 1 is significantly reduced, which leads to a reduction in scattered light.
  • the light directing element 20 is here designed as a channel element with a number of light channels 21 arranged one on the other, which dimensions have height H and width P. Their length perpendicular to the plane of the drawing is relatively long and can essentially correspond to the extent of the light directing element in this direction.
  • a lamellar structure of the illumination angle is perpendicular to the plane unaffected. at As a honeycomb element, a similar illumination angle limitation is also conceivable perpendicular to the plane of the drawing.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Auflichtbeleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop zur Betrachtung einer Probe (1) in dem Mikroskop (10), mit einer Flächenlichtquelle (100) zur Auflichtbeleuchtung der Probe (1), wobei die Flächenlichtquelle (100) einen plattenförmigen Lichtleiter mit einer unteren Grenzfläche (111), einer oberen Grenzfläche und wenigstens einer Seitenfläche sowie wenigstens ein Leuchtmittel aufweist, das so angeordnet ist, dass es Licht so über wenigstens eine als Lichteintrittsfläche dienende Seitenfläche in den Lichtleiter einstrahlt, dass dieses aufgrund von Totalreflexion im Lichtleiter propagiert, wobei die Totalreflexion durch ein an der unteren Grenzfläche des Lichtleiters auf einer Kontaktfläche anliegendes Element definiert gestört wird, so dass eine Auskopplung von Licht auf der oberen Grenzfläche des Lichtleiters erfolgt.

Description

Auflichtbeleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop mit Flächenlichtquelle
Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Auflichtbeleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop mit einer Flächenlichtquelle, insbesondere für ein Mikroskop mit kontinuierlich veränderbarer Vergrößerung, kurz Zoommikroskop genannt, insbesondere Stereomikroskop oder Makroskop, ein Mikroskop mit einer Auflichtbeleuch- tungseinrichtung und eine Verwendung einer gerichteten Flächenlichtquelle zur Auflichtbeleuchtung in einem Mikroskop.
Stand der Technik
Im Stand der Technik werden zur Auflichtbeleuchtung in Mikroskopen mit großem Arbeitsabstand, wie Zoommikroskopen, herkömmliche Punkt- bzw. Spotlichtquellen (meist Halogenlampen) eingesetzt, wobei das Objekt üblicherweise nicht durch das Objektiv, sondern separat davon beleuchtet wird. Das Licht wird dabei direkt oder über ein Faserbündel an den Probentisch geführt. Solche Beleuchtungseinrichtungen, wie bspw. in der DE 101 23 785 AI oder der DE 101 33 064 AI offen- bart, erzeugen meist keine homogene Ausleuchtung, was zu Kontrastschwächen und evtl. zu Beleuchtungsartefakten, wie Spiegelungen, Abschattungen usw. führen kann. Auch benötigen sie viel Platz im Umfeld des Mikroskops. Weiterhin führt eine Einkopplung der Lichtquelle in ein Faserbündel und ein anschließendes Um- koppeln in einen diffundierenden Aufsatz zu deutlichen Effizienzverlusten.
Es ist wünschenswert, eine möglichst flache, aber dennoch homogene Auflichtbe- leuchtungseinrichtung für ein Mikroskop anzugeben. Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden eine Auflichtbeleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop mit einer Flächenlichtquelle, ein Mikroskop mit einer solchen Auflichtbeleuch- tungseinrichtung und eine Verwendung einer solchen Flächenlichtquelle zur Auflichtbeleuchtung in einem Mikroskop gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vorgeschlagen. Es wurde überraschenderweise erkannt, dass sich eine Flächenlichtquelle einer Durchlichtbeleuchtungseinrichtung, wie in der DE 10 2011 003 568 AI beschrieben, auch besonders gut zur Auflichtbeleuchtung eignet. Die Leuchtfläche wird im Vergleich zu Punkt- oder Spotlichtquellen deutlich vergrößert und das beleuchtete Feld wird homogenisiert. Dies ist insbesondere für die Untersuchung größerer und/oder mehrerer Objekte vorteilhaft, wie z.B. in der Forensik, bei Materialuntersuchungen usw.
Eine erfindungsgemäß verwendete Flächenlichtquelle zeichnet sich dadurch aus, dass in einem plattenförmigen Lichtleiter aufgrund von Totalreflexion propagie- rendes Licht durch gezielte Störung der Totalreflexion ausgekoppelt wird. Die Störung erfolgt an einer unteren Grenzfläche (sog. Unterseite) des Lichtleiters durch ein auf einer sog. Kontaktfläche anliegendes Element. In der Folge wird Licht an einer oberen Grenzfläche (sog. Oberseite) ausgekoppelt. Im Sinne der Erfindung wird somit die Seite, an der das Licht austritt, unabhängig von ihrer Orientierung im Raum, als "Oberseite" bezeichnet. Das Element ist optisch mit dem Lichtleiter gekoppelt und so ausgebildet, dass eine diffuse Streuung bewirkt wird, so dass eine Auskopplung des Lichts an der Oberseite erfolgt. Die von dem Element berührte Kontaktfläche wirkt als Abstrahlfläche. Die Verwendung eines Lichtleiters, der zur Auskopplung lediglich mit einer Kontaktfläche versehen ist, ermöglicht einerseits, eine besonders flache Bauform zu erhalten, und führt andererseits durch die Durchmischung von Licht innerhalb des Lichtleiters zu einer ersten Homogenisierung der Lichtabstrahlung.
Mit der Erfindung kann eine Flächenlichtquelle zur Auflichtbeleuchtung in einem Mikroskop geschaffen werden, die Licht besonders homogen abstrahlt. Die Flächenlichtquelle baut gleichzeitig sehr flach und ist darüber hinaus auf einfache Weise herzustellen und zu handhaben. Die Herstellung ist kostengünstig, da keine teuren Optiken und keine aufwendige Justage notwendig sind. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Eine weitere Verbesserung der Homogenisierung wird erreicht, indem der Flächeninhalt der Kontaktfläche kleiner als der Flächeninhalt der Unterseite ist. Somit verbleibt ein Randbereich, der nicht zur Abstrahlung, sondern ausschließlich zur Homogenisierung dient. Der Lichtleiter kann daher so groß gewählt werden, wie es aus Homogenitätsgründen erforderlich scheint, wobei die Größe der Kontaktfläche (welche die Abstrahlfläche definiert) davon unabhängig vorgegeben werden kann. Eine weitere Homogenisierung wird erreicht, indem Licht aus wenigstens zwei unterschiedlichen Richtungen in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Beispielsweise kann bei einem prismenförmigen oder pyramidenstumpfförmigen Lichtleiter, d.h. einem Lichtleiter mit einer polygonalen Grundfläche, eine Einkopplung an mindestens zwei der Seitenflächen erfolgen. Bei einem zylinderförmigen oder kegel- stumpfförmigen Lichtleiter, d.h. einem Lichtleiter mit einer elliptischen Grundfläche, erfolgt eine Einkopplung an mindestens zwei, vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang verteilten, Stellen der Mantelfläche. Die Einkopplung von der Seite erlaubt überdies eine geringe Bauhöhe. Der Lichtleiter ist flach, so dass seine Höhe geringer als seine Lateralerstreckung ist, insbesondere zumindest um das Zehnfache in einer Ausdehnungsrichtung. Dadurch wird die notwendige Bauhöhe klein gehalten. Eine besonders homogene Abstrahlcharakteristik wird erreicht, wenn das die Totalreflexion störende Element eine diffuse Streuung des im Lichtleiter propagierenden Lichts bewirkt. Die dadurch bewirkte Abstrahlung folgt im Wesentlichen dem Lambert'schen Gesetz, so dass die Strahlungsdichte nach allen Richtungen im Wesentlichen konstant ist. Eine ideal diffus streuende Fläche (nach dem Lam- bert'schen Gesetz) gibt unabhängig von der Beleuchtungsrichtung die eingestrahlte Leistung nach Lambert verteilt wieder ab, erscheint also unabhängig vom Betrachtungswinkel gleich hell (konstante Leuchtdichte). Das die Totalreflexion störende Element hat vorzugsweise einen an das wenigstens eine Leuchtmittel ange- passten Remissionsgrad.
Das die Totalreflexion störende Element hat vorzugsweise einen Remissionsgrad R zwischen 0,3 und 0,7. Dies eignet sich besonders, um bei relativ starken Leuchtmitteln keinen Blendeffekt für den Benutzer zu erzeugen. Andererseits ist ein Remissionsgrad R zwischen 0,7 und 1, insbesondere von mehr als 0,7 oder mehr als 0,9, insbesondere auch bei schwächeren Leuchtmitteln bevorzugt. Diese schwächeren Leuchtmittel zeigen ggf. eine vorteilhafte - weil geringe - Wärmeentwicklung. Dies erlaubt einen kürzeren Abstand zwischen dem Leuchtmittel und der Abstrahlfläche und somit eine kompakte Bauform der gesamten Flächenlichtquelle. Das die Totalreflexion störende Element ist vorzugsweise ein auf die Unterseite aufgetragener Belag, insbesondere in Form einer aufgetragenen Beschichtung oder Folie. Der Belag kann aufgeklebt, aufgemalt, aufgeschmiert o.ä. sein. Der Belag ist vorzugsweise in Form einer aufzutragenden Paste ausgebildet. Die Paste hat zweckmäßigerweise eine weiße Farbe zur Erzielung eines spektral neutralen Ab- Strahlverhaltens, und enthält zweckmäßigerweise eine hohe Anzahl von Reflexions- und/oder Streuzentren, bspw. eingebettete Moleküle. In einer weiteren Aus- führungsvariante kann das die Totalreflexion störende Element dazu verwendet werden, die Farbe der Leuchtmittel (z.B. LEDs) zur Optimierung des spektralen Abstrahlverhaltens zu verändern. Zweckmäßigerweise umfasst das wenigstens eine Leuchtmittel eine LED oder eine Kaltkathodenröhre. Die Ausgestaltung des Leuchtmittels hat einen besonderen Einfluss bei der Optimierung der in dem Lichtleiter transportierten Lichtleistung. Der Abstrahlwinkel des Leuchtmittels ist vorzugsweise an die Geometrie des Lichtleiters angepasst, wobei die Höhe des Lichtleiters und der Abstand des Leuchtele- ments (z.B. Chip) im Leuchtmittel von der Lichteintrittsfläche die Effizienz beeinflussen.
Eine Anpassung des Abstands der Leuchtelemente zueinander trägt zur Optimierung der Homogenität und zur Minimierung der Ausdehnung des Lichtleiters bei. Eine Überlagerung des eingekoppelten Lichts benachbarter Quellen findet erst ab einem gewissen Abstand vom Rand des Lichtleiters statt, der wiederum vom genannten Abstand der Lichtquellen abhängt. Daher ist erfindungsgemäß der Flächeninhalt der Kontaktfläche kleiner als der Flächeninhalt der Unterseite, so dass eine Durchmischung erreicht wird.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist der plattenförmige Lichtleiter als Prisma oder Pyramidenstumpf ausgebildet, d.h. die die Ober- und Unterseite definierende Grundfläche ist ein Polygon. Bei einer solchen Ausgestaltung können eine oder mehr Seitenflächen besonders einfach jeweils mit einem Leuchtmittel ausge- stattet werden. Weiterhin ist die Herstellung und Handhabung einer solchen Form nicht mit Schwierigkeiten verbunden. Weiterhin können an den ebenen Seitenflächen auch besonders einfach Kühleinrichtungen (Kühlkörper usw.) vorgesehen werden, um die Leuchtmittel zu kühlen. In ebenso bevorzugter Ausgestaltung ist der plattenförmige Lichtleiter als Zylinder oder Kegelstumpf ausgebildet, d.h. die die Ober- und Unterseite definierende Grundfläche ist eine Ellipse (inkl. Kreis). Bei einer solchen Ausgestaltung kann eine besonders gute Homogenisierung erreicht werden, wenn am Umfang des Zylinders ein oder mehrere Leuchtmittel so angeordnet werden, dass eine Einstrahlung "rundherum" erfolgt.
Die Geometrie und Ausrichtung der als Lichteintrittsflächen dienenden Seitenflächen des Lichtleiters relativ zum vom Leuchtmittel ausgehenden Hauptstrahl kann als Parameter genutzt werden, um die Verteilung des Lichts im Lichtleiter zu steuern und damit die Homogenität des von der Flächenlichtquelle abgestrahlten Lichts zu beeinflussen. Beispielhaft ist hier ein Verkippen der als Eintrittsfläche dienenden Seitenfläche genannt. Diese Veränderung der Eintrittsfläche trägt zur Optimierung der Bauhöhe der Flächenlichtquelle bei, da mit dieser Maßnahme Zonen des die Totalreflexion störenden Elements, die näher an der optischen Achse des Mikroskops liegen besser ausgeleuchtet werden.
Vorzugsweise ist wenigstens eine Eintrittsfläche mattiert. Die homogenisiert die Lichtverteilung über den Raumwinkel im Lichtleiter. Damit werden größere Winkel im Lichtleiter stärker gewichtet und die Lichtintensität zu Gunsten der Randzonen des die Totalreflexion störenden Elements manipuliert.
Es bietet sich an, die optische Brechzahl des die Totalreflexion störenden Elements gezielt vorzugeben. Das Licht der Leuchtmittel wird seitlich in den Lichtleiter eingekoppelt und durch Totalreflexion so lange in dem Lichtleiter transportiert, bis es durch eine kontrollierte Störung der Totalreflexion (die Totalreflexion störendes Element) aus der Platte nach oben ausgekoppelt wird. Das Licht wird beim Eintritt aus Luft in den Lichtleiter mit Brechzahl nl zur Achse hin gebrochen. Danach wird es an den Außenseiten entweder totalreflektiert oder ausgekoppelt. Für den Akzeptanzwinkel et, der den maximalen Winkel beschreibt, unter welchem Licht auf den Lichtleiter einfallen darf, so dass es noch geleitet wird, gilt:
sin2(ct)=nl2-n22,
wobei angenommen wird, dass die Einkopplung in den Lichtleiter durch Luft (n = 1) geschieht. n2 ist ein möglicher Brechungsindex eines angrenzenden Mediums. Für den Fall, dass das angrenzende Medium Luft (n2 = 1) ist, umfasst der der Akzeptanzwinkel et den gesamten Halbraum, sobald der Brechungsindex der Platte nl > λίΐ « 1,41 gewählt wird. Durch Vorgabe des Brechungsindex n2 > 1 des die Totalreflexion störenden Elements wird der Teil des Winkelbereichs ausgekoppelt, für welchen sin2(a) > nl2-n22 erfüllt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform gilt n2 > nl, so dass das gesamte Licht ausgekoppelt und gestreut wird. Dies dient zur Erhöhung der Leuchtdichte. Zur gezielten Beeinflussung der Richtcharakteristik der Flächenlichtquelle, insbesondere wenn eine Einschränkung des Abstrahlwinkels gewünscht ist, kann zwischen Flächenlichtquelle und beleuchtetem Objekt ein Lichtrichtelement eingesetzt werden. Dieses bewirkt ein Ausblenden bzw. ein Blocken von Licht mit großen Abstrahlwinkeln und lässt nur Licht mit geringen Abstrahlwinkeln passieren. Das Lichtrichtelement kann als Lamellenstruktur ausgebildet werden. Damit werden die großen Abstrahlwinkel nur in einer Richtung geblockt. Damit kann eine Einschränkung der Abstrahlcharakteristik o.E. in x-Richtung auf einen schmalen Winkelbereich, z.B. von -20° bis +20° erreicht werden. Ein solches Lichtrichtelement wird z.B. von der Firma 3M unter dem Namen„Vikuiti" angeboten. Das Lich- trichtelement kann alternativ auch als Netz- oder Wabenstruktur ausgebildet werden. Damit werden die großen Abstrahlwinkel in zwei oder mehr Richtungen geblockt. Ein bevorzugtes Lichtrichtelement umfasst eine Anzahl von eckigen oder auch runden Lichtkanälen, durch die das Licht von einer Seite des Lichtrichtelements zur anderen Seite passieren kann. Mittels eines Lichtrichtelements kann eine Beleuchtung außerhalb des Objektfeldes reduziert werden. Mit dieser Maßnahme wird eine Steigerung des Kontrastes im Mikroskopbild erreicht. Das Ausmaß der Lichtrichtung kann beispielsweise durch Anpassung der Dicke des Lichtrichtelements, der Kanalabmessungen und/oder durch des Abstandes zwischen der Flächenlichtquelle und dem Lichtrichtelement angepasst werden. Damit wird eine erwünschte Beleuchtung (Größe, Helligkeitsabfall etc.) einer entfernten Flä- che erzeugt. Durch das Lichtrichtelement findet jedoch keine Abbildung der Lichtquelle statt.
Zweckmäßigerweise ist auf der Oberseite eine Blende zur Definition einer Ab- strahlfläche vorgesehen. Ist die Blende zusätzlich auf der der Oberseite zugewandten Seite verspiegelt, geht dieser Lichtanteil nicht verloren.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben. Figurenbeschreibung
Figur la zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäß verwendeten Flächenlichtquelle in einer Draufsicht. Figur lb zeigt die Flächenlichtquelle gemäß Figur la in einer Querschnittsansicht.
Figuren 2a und 2b zeigen weitere bevorzugte Ausführungsformen erfindungsgemäß verwendeter Flächenlichtquellen in einer Draufsicht. Figur 3 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Mikroskops mit einer
Flächenlichtquelle zur Auflichtbeleuchtung.
Figur 4 zeigt einen Ausschnitt aus Figur 3 mit einem Lichtrichtelement zwi- sehen der Flächenlichtquelle und der Probe.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In den Figuren 1 bis 4 sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Figuren la und lb, in denen eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäß zur Auflichtbeleuchtung verwendeten Flächenlichtquelle in einer Draufsicht bzw. in einer Querschnittsansicht dargestellt ist, werden im Folgenden zusammenhängend und übergreifend beschrieben.
In Figur 1 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäß zur Auflichtbeleuchtung verwendeten Flächenlichtquelle eines Mikroskops schematisch in einer Draufsicht dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Die Flächenlichtquelle 100 weist einen plattenförmigen Lichtleiter 110 auf. Der plattenförmige Lichtleiter ist beispielsweise aus Acryl, Glas o.ä. ausgebildet und weist hier die Form eines Prismas, speziell eines Quaders, auf. Der plattenförmige Lichtleiter 110 umfasst eine untere, hier quadratische, Grenzfläche 111 und eine kongruente obere Grenzfläche 112. Der Lichtleiter 110 weist eine Lateralerstre- ckung L und eine Höhe h auf, wobei vorzugsweise gilt: h < 0,1 L.
Der Lichtleiter 110 weist weiterhin vier Seitenflächen 113 bis 116 auf. In vorliegendem Beispiel sind an alle Seitenflächen 113 bis 116 Leuchtmittel 120 angekoppelt. Die Leuchtmittel 120 umfassen einen gleichzeitig als Kühlkörper dienenden Träger 121, auf dem eine Anzahl von hier als Leuchtdioden 122 ausgebildeten
Leuchtelementen angeordnet sind. Die Leuchtdioden 122 sind so an dem Lichtlei- ter 110 angeordnet, dass von den Leuchtdioden 122 ausgestrahltes Licht 130 im Lichtleiter aufgrund von Totalreflexion propagiert. Die Leuchtdioden 122 weisen einen Mitte-Mitte-Abstand s voneinander auf. An der unteren Grenzfläche 111 liegt ein die Totalreflexion störendes Element 140 an, das im vorliegenden Beispiel kreisrund ausgebildet ist. Es sei angemerkt, dass auch eine rechteckige Ausgestaltung bevorzugt ist. Der Anlagebereich wird als Kontaktfläche bezeichnet und weist einen Flächeninhalt A auf, welcher kleiner als der Flächeninhalt L2 der unteren Grenzfläche 111 ist. Insbesondere weist die Kon- taktfläche einen Abstand 2r von den als Eintrittsflächen dienenden Seitenflächen auf, der vorzugsweise wie folgt bestimmt wird:
Das eingekoppelte Licht wird in dem Lichtleiter durch den Brechungsindex n zum Lot hin gebrochen. Eine Überlagerung des eingekoppelten Lichts benachbarter Leuchtdioden findet somit erst ab einem Abstand r = s/2 * λί (n2-l) vom Rand des Lichtleiters statt. Daher ist es vorteilhaft, am Rand der Platte einen totalreflektierenden Bereich vorzusehen, so dass eine gute Durchmischung erreicht wird. Auf Grund der nicht isotropen Winkelcharakteristik der Leuchtmittel, wird typischerweise eine Breite von wenigstens 2r für die Randzone vorgesehen.
Die Quaderform des Lichtleiters 110 ermöglicht eine besonders einfache Handhabung und Anbringung der Leuchtmittel 120, da die Seitenflächen 113 bis 116 eben sind. Im vorliegenden Beispiel erfolgt eine Einstrahlung von Licht 130 an allen vier Seitenflächen 113 bis 116, so dass im Sinne der Erfindung eine Einstrahlung von Licht aus vier unterschiedlichen Richtungen erfolgt. Wenngleich im technischen Sinne jede der einzelnen Leuchtdioden 122 in unendlich viele Richtungen abstrahlt, ist unter einer Einstrahlung aus unterschiedlichen Richtungen im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass sich die Hauptabstrahlrichtungen der Leuchtmittel unterscheiden. Das die Totalreflexion störende Element 140 ist zweckmäßigerweise eine auf die untere Grenzfläche 111 aufgetragene Paste. Ebenso kann es sich um eine aufgeklebte Folie handeln. Das Element 140 ist zweckmäßigerweise im Wesentlichen opak, so dass der Großteil des auftreffenden Lichts nicht transmittiert, sondern gestreut wird und nicht verloren geht. Der Remissionsgrad liegt über 0,9. Das Element 140 wirkt als diffuse Streufläche. Im Ergebnis wird das auf das Element 140 auftreffende Licht 130 diffus nach oben reflektiert bzw. gestreut, wobei ein Teil den Lichtleiter 110 an der oberen Grenzfläche 112 verlässt und für die Auflichtbe- leuchtung einer Probe 1 (siehe Figur 3) verwendet werden kann.
Oberhalb der oberen Grenzfläche 112 ist eine hier als Lochblende 150 ausgestaltete Blende vorgesehen. Die der oberen Grenzfläche 112 zugewandte Seite der Blende 150 ist verspiegelt.
In Figur 2a ist eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flächenlichtquelle in einer Draufsicht dargestellt und mit 200 bezeichnet. Die Flächenlichtquelle 200 weist einen zylinderförmigen Lichtleiter 210 auf, der von einem eine Anzahl von Leuchtdioden 122 aufweisenden Leuchtmittel 220 umgeben ist. Auf der Unterseite des zylinderförmigen Lichtleiters 210 ist ebenfalls die Paste 140 aufgetragen.
Die Zylinderform des Lichtleiters 210 und die damit verbundene Einstrahlung von Licht aus allen Richtungen führen zu einer besonders starken Homogenisierung des abgestrahlten Lichts.
In Figur 2b ist eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flächenlichtquelle in einer Draufsicht dargestellt und insgesamt mit 300 bezeichnet. Die Flächenlichtquelle 300 umfasst wiederum einen prismenförmigen Lichtlei- ter 310, dessen Grundfläche die Form eines regelmäßigen Sechsecks hat. Im vorliegenden Beispiel sind alle sechs Seitenflächen des Lichtleiters 310 mit Leuchtmit- teln 120 ausgestattet, so dass eine Einstrahlung von Licht aus sechs Richtungen erfolgt. Diese Ausführungsform bietet einerseits eine besonders gute Homogenisierung durch Einstrahlung aus vielen Richtungen und andererseits ebene Seitenflächen, die die Anbringung der Leuchtmittel und auch die Anbringung von Halte- rungen, Kühlkörpern usw. auf einfache Weise zulassen.
In Figur 3 ist eine schematische Seitenansicht eines Mikroskops 10 mit einer Flächenlichtquelle 100 zur Auflichtbeleuchtung einer Probe 1 dargestellt. Das Mikroskop 10 ist als Stereomikroskop ausgebildet und weist weiterhin ein Stativ 11, ein Okular 12, einen Mikroskopkörper 13 mit einem Zoom-Mechanismus und ein Objektiv 14 auf. Eine Beobachtungsapertur ist mit 15 angedeutet, eine Beleuchtungsapertur mit 16. Der gesamte Beleuchtungskegel ist mit 17 bezeichnet. Es wird deutlich, dass die Flächenlichtquelle 100 zu einer sehr homogenen Ausleuchtung auch von großflächigen Proben 1 führt, was bei Mikroskopen mit großem Arbeits- abstand, wie Forensikmikroskopen oder auch Stereomikroskopen besonders vorteilhaft ist.
Zur Streulichtreduktion und insbesondere zur Kontrasterhöhung können Lichtrichtelemente vorgesehen sein, wie beispielhaft in Figur 4 dargestellt ist.
In Figur 4 ist ein Lichtrichtelement 20 zwischen Flächenlichtquelle 100 und Probe 1 angeordnet, die zu einer Einengung des Beleuchtungskegels 17 führt. Es ist erkennbar, dass der neben der Probe 1 ausgeleuchtete Bereich deutlich verkleinert ist, was zu einer Streulichtreduktion führt. Das Lichtrichtelement 20 ist hier als Kanalelement mit einer Anzahl von aneinander angeordneten Lichtkanälen 21 ausgebildet, welche Abmessungen Höhe H und Breite P haben Ihre Länge senkrecht zur Zeichenebene ist relativ lang und kann im Wesentlichen der Ausdehnung des Lichtrichtelements in dieser Richtung entsprechen. Somit kann in der Ausführung als Kanalelement der Beleuchtungswinkel et = arctan(P/H) in der Zeichen- ebene nahezu beliebig reduziert werden. Bei dieser Ausführung als Lamellenstruktur bleibt der Beleuchtungswinkel senkrecht zur Zeichenebene unbeeinflusst. Bei Ausführung als Wabenelement ist zusätzlich auch senkrecht zur Zeichenebene eine ebensolche Beleuchtungswinkelbegrenzung denkbar.

Claims

Patentansprüche
1. Auflichtbeleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop zur Betrachtung einer Probe (1) in dem Mikroskop (10), mit einer Flächenlichtquelle (100; 200; 300) zur Auflichtbeleuchtung der Probe (1),
wobei die Flächenlichtquelle (100; 200; 300) einen plattenförmigen Lichtleiter (110; 210; 310) mit einer unteren Grenzfläche (111), einer oberen Grenzfläche (112) und wenigstens einer Seitenfläche (113 - 116) sowie wenigstens ein Leuchtmittel (120, 122) aufweist, das so angeordnet ist, dass es Licht (130) so über wenigstens eine als Lichteintrittsfläche dienende Seitenfläche in den Lichtleiter (110; 210; 310) einstrahlt, dass dieses aufgrund von Totalreflexion im Lichtleiter (110; 210; 310) propagiert,
wobei die Totalreflexion durch ein an der unteren Grenzfläche (111) des Lichtleiters (110; 210; 310) auf einer Kontaktfläche (A) anliegendes Element (140; 440) definiert gestört wird, so dass eine Auskopplung von Licht auf der oberen Grenzfläche (112) des Lichtleiters (110; 210; 310) erfolgt.
2. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Flächeninhalt (A) der Kontaktfläche kleiner als der Flächeninhalt der unteren Grenzfläche (111) ist.
3. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das wenigstens eine Leuchtmittel (120, 122) so angeordnet ist, dass es Licht (130) aus wenigstens zwei unterschiedlichen Richtungen so über die wenigstens eine als Lichteintrittsfläche dienende Seitenfläche in den Lichtleiter (110; 210; 310) einstrahlt, dass dieses aufgrund von Totalreflexion im Lichtleiter (110; 210; 310) propagiert.
4. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das die Totalreflexion störende Element (140; 440) eine diffuse Streuung des im Lichtleiter (110; 210; 310) propagierenden Lichts (130) an der der Kon- taktfläche bewirkt.
5. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das die Totalreflexion störende Element (140; 440) opak ist und einen Remissionsgrad R über den sichtbaren Spektralbereich von 0,3 < R < 0,7 oder R > 0,7 oder R > 0,9 hat.
6. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das die Totalreflexion störende Element ein auf die untere Grenzfläche (111) aufgetragener Belag (140), insbesondere eine aufgetragene Paste, ist.
7. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das die Totalreflexion störende Element eine an der unteren Grenzfläche (111) haftende Folie (140) ist.
8. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die optische Brechzahl des die Totalreflexion störenden Elements (140; 440) der optischen Brechzahl des Lichtleiters (110; 210; 310) entspricht oder größer ist.
9. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Leuchtmittel (120) eine LED (122) oder eine Kaltka- thodenröhre aufweist.
10. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine als Lichteintrittsfläche dienende Seitenfläche mit der unte- ren Grenzfläche (111) und/oder der oberen Grenzfläche (112) einen Winkel kleiner oder größer 90°, vorzugsweise kleiner 85° oder größer 95°, einschließt.
11. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine als Lichteintrittsfläche dienende Seitenfläche zumindest teilweise mattiert ist.
12. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der plattenförmige Lichtleiter die Form eines Prismas (110; 310), eines Py- ramidenstumpfs, eines Zylinders (210) oder eines Kegelstumpfs hat.
13. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei über der oberen Grenzfläche (112) eine Blende (150) zum Begrenzen der Licht emittierenden Fläche oder ein Lichtrichtelement (20) zum Begrenzen eines Beleuchtungswinkels (et) vorgesehen ist.
14. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach Anspruch 13, wobei die Blende (150) auf der der oberen Grenzfläche (112) zugewandten Seite verspiegelt ist.
15. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei über der oberen Grenzfläche (112) ein Lichtrichtelement (20) zum Begrenzen eines Beleuchtungswinkels (et) in mindestens einer Vorzugsrichtung vorgesehen ist.
16. Mikroskop (10) mit einer Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, welche zur Auflichtbeleuchtung der Probe (1) eingerichtet ist.
17. Verwendung einer Flächenlichtquelle (100; 200; 300) einer Auflichtbe- leuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zur Auflichtbeleuchtung in einem Mikroskop zur Betrachtung einer Probe (1) in dem Mikroskop (10) .
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