WO2014020166A1 - Auflichtbeleuchtungseinrichtung für ein mikroskop mit gerichteter flächenlichtquelle - Google Patents

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WO2014020166A1
WO2014020166A1 PCT/EP2013/066320 EP2013066320W WO2014020166A1 WO 2014020166 A1 WO2014020166 A1 WO 2014020166A1 EP 2013066320 W EP2013066320 W EP 2013066320W WO 2014020166 A1 WO2014020166 A1 WO 2014020166A1
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WO
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light
incident illumination
illumination device
microscope
light source
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/066320
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English (en)
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Inventor
Reto Züst
Harald Schnitzler
Robert Paulus
Original Assignee
Leica Microsystems (Schweiz) Ag
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/06—Means for illuminating specimens
    • G02B21/08—Condensers
    • G02B21/082—Condensers for incident illumination only
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • 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
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/0036—2-D arrangement of prisms, protrusions, indentations or roughened surfaces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • 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
    • G02B6/0066—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 directed surface light source
  • the present invention relates to a reflected light illumination device for a microscope with a directional surface light source, in particular for a microscope with continuously variable magnification, called a zoom microscope, in particular stereomicroscope or macroscope, a microscope with incident illumination device and a use of a directional surface light source for incident illumination in a microscope.
  • an incident light illumination device for a microscope with a directed surface light source for a microscope with a directed surface light source
  • a microscope with such incident light illumination device for a microscope with such incident light illumination device
  • a use of such a surface light source for incident light illumination in a microscope according to the independent patent claims are proposed.
  • a surface light source of a transmitted-light illumination device is also particularly well suited for reflected-light illumination.
  • 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 examination of larger and / or multiple objects, such as in forensics, material investigations, etc.
  • a surface light source used in the invention is characterized in that in a plate-shaped light guide due to total reflection propagating light is coupled by targeted disturbance of 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.
  • the element is optically coupled to the light guide and designed to cause a change in the reflection angle, so that a coupling of the light takes place at the top.
  • the contacted by the element contact surface acts as a radiating surface.
  • the use of a light guide, which provides for coupling only with a contact surface is, on the one hand allows to obtain a particularly flat design, and on the other hand leads by the mixing of light within the light guide to a first homogenization of the light emission.
  • a particularly contrast-promoting and homogeneous emission characteristic is achieved in that the element which disturbs the total reflection causes a directed reflection of the light propagating in the light guide. The radiation caused thereby can be adjusted by the design of the mirror surfaces.
  • a surface light source for reflected light illumination can be created in a microscope, which emits light in a particularly directional 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 least two, preferably uniformly over the circumference distributed, places the lateral surface.
  • 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.
  • the total reflection disturbing element in particular mirrored, microstructures, which comprise microprisms in a particularly preferred embodiment.
  • the emission characteristic of the surface light source can be influenced.
  • the total reflection disturbing element by means of a connection medium such. transparent adhesive
  • a connection medium such. transparent adhesive
  • 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.
  • Total reflection interfering element the part of the angular range is extracted, for which sin 2 (a)> nl 2 -n 2 2 is satisfied.
  • nl 2 -n 2 2 In a preferred embodiment, 1 ⁇ n2 ⁇ nl, so that a relatively small acceptance angle and thus a narrow emission angle are achieved.
  • the emission angle of the surface light source can be controlled. If a refractive index adaptation is realized, the microstructure decouples the angular region, which is transported constructively in the optical waveguide, in the direction of the sample. The geometry of the microstructure influences the angular characteristic of the decoupled light beam.
  • the element which disturbs the total reflection expediently has a degree of reflection R> 0.5, preferably R> 0.9. Thus, it can be ensured that a large part of the incident light is reflected.
  • 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 radiation 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 (for example chip) in the luminous means from the light entry surface influencing the efficiency.
  • 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.
  • the production and handling of such a mold is not associated with difficulties.
  • particularly simple cooling devices heat sink, etc.
  • the plate-shaped light guide is formed as a cylinder or truncated cone, ie, the base surface defining the top and bottom 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 parameters to control the distribution of the light in the optical waveguide and thus 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.
  • a light directing element can be used between the surface light source and the illuminated object. This causes the blocking or blocking of light with large emission angles and allows only light with small emission angles to pass through.
  • the light directing element can be formed as a lamellar structure. Thus, the large radiation angles are blocked only in one direction.
  • Such a light-directing element is offered, for example, by the company 3M under the name "Vikuiti.”
  • the light-directing 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 angular or even round light channels, through which the light can pass from one side of the light-directing element to the other side
  • a light-directing element can be used to reduce illumination outside the object field, thus increasing the contrast in the microscope image
  • the light direction may be adjusted by adjusting the thickness of the light directing element, the channel dimensions, and / or the distance between the area light source and the light directing element However, no image of the light source takes place.
  • an aperture for defining a radiating surface is provided on the upper side. If the panel is additionally mirrored on the side facing the top, this proportion of light
  • 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, where 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 arranged on the light guide 110 in such a way that light 130 emitted by the light-emitting diodes 122 propagates in the light guide on the basis of total reflection.
  • the LEDs 122 have a center-to-center distance s from each other.
  • 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 con- contact surface a distance 2r from serving as entry surfaces side 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.
  • an irradiation of light 130 on all four side surfaces 113 to 116 so that in the meaning of the invention, an irradiation of light takes place from four different directions.
  • 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-disturbing element 140 is designed as a micro-prism plate, which is provided with transparent adhesive on the underside
  • the 111 of the optical fiber 110 is attached. Likewise, it may be a glued, structured film.
  • the element 140 expediently has mirrored flanks, so that the majority of the incident light is reflected and is not lost.
  • the reflectance is preferably above 0.9.
  • the geometry of the microstructure influences the angular characteristic of the decoupled one
  • the mirrored microprism plate 140 is connected to the light guide 110 by means of the adhesive, wherein the optical refractive index of the adhesive is selected so that the angular range, which is transported constructively in the light guide, is coupled out in the direction of the sample.
  • the light 130 impinging on the element 140 is reflected upwardly, with a portion leaving the light guide 110 at the upper interface 112 and being usable 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 is also located on the micro prism plate 140.
  • FIG. 2 b shows a third preferred embodiment of a device according to the invention
  • the surface light source 300 in turn comprises a prism-shaped optical waveguide 310 whose base has the shape of a regular hexagon.
  • all six side surfaces of the light guide 310 are equipped with luminous means 120, so that light is transmitted from six directions.
  • this embodiment offers a particularly good homogeneity. tion by irradiation from many directions and on the other hand flat side surfaces that allow the attachment of the bulbs and also the attachment of brackets, 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 at 15, an illumination aperture at 16. The entire illumination cone is denoted 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 long 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 another, 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.
  • 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, 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, wobei das die Totalreflexion störende Element eine gerichtete Reflexion des im Lichtleiter propagierenden Lichts bewirkt.

Description

Auflichtbeleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop mit gerichteter Flächenlichtquelle
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Auflichtbeleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop mit einer gerichteten Flächenlichtquelle, insbesondere für ein Mikroskop mit kontinuierlich veränderbarer Vergrößerung, kurz Zoommikroskop genannt, insbesondere Stereomikroskop oder Makroskop, ein Mikroskop mit einer Auflichtbeleuchtungseinrichtung 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 Beleuchtungsein- richtungen, wie bspw. in der DE 101 23 785 AI oder der DE 101 33 064 AI offenbart, 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 gerichteten Flächenlichtquelle, ein Mikroskop mit einer solchen Auflicht- beleuchtungseinrichtung und eine Verwendung einer solchen Flächenlichtquelle zur Auflichtbeleuchtung in einem Mikroskop gemäß den unabhängigen Patentan- Sprüchen vorgeschlagen.
Es wurde überraschenderweise erkannt, dass sich eine Flächenlichtquelle einer Durchlichtbeleuchtungseinrichtung, wie in der DE 10 2011 003 569 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 propagierendes 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 Veränderung des Reflexionswinkels 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. Eine besonders kontrastfördernde und homogene Abstrahlcharakteristik wird dadurch erreicht, dass das die Totalreflexion störende Element eine gerichtete Reflexion des im Lichtleiter propagierenden Lichts bewirkt. Die dadurch bewirkte Abstrahlung kann durch die Ausgestaltung der Spiegelflächen eingestellt werden.
Mit der Erfindung kann eine Flächenlichtquelle zur Auflichtbeleuchtung in einem Mikroskop geschaffen werden, die Licht besonders gerichtet 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.
Vorzugsweise weist das die Totalreflexion störende Element, insbesondere verspiegelte, Mikrostrukturen auf, welche in besonders bevorzugter Ausgestaltung Mikroprismen umfassen. Durch Vorgabe der Flankenwinkel der Mikroprismen kann die Abstrahlcharakteristik der Flächenlichtquelle beeinflusst werden.
Es ist von Vorteil, wenn das die Totalreflexion störende Element mittels eines Verbindungsmediums, wie z.B. transparentem Klebstoff, mit dem Lichtleiter verbun- den ist, wobei die optische Brechzahl des Verbindungsmediums gezielt an die beabsichtigte Verwendung angepasst werden kann. 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 1 < n2 < nl, so dass ein relativ kleiner Akzeptanzwinkel und damit ein enger Abstrahlwinkel erreicht werden. Durch eine geeignete Kombination der Brechungsindizes von Lichtleiter und Verbindungsmedium kann der Abstrahlwinkel der Flächenlichtquelle gesteuert werden. Ist eine Brechungsindexanpassung realisiert, wird mit der Mikrostruktur der Winkelbereich, der in dem Lichtleiter konstruktiv transportiert wird, in Richtung der Probe ausgekoppelt. Die Geometrie der Mikrostruktur beeinflusst die Winkelcharakteristik des ausgekoppelten Lichtbündels.
Zweckmäßigerweise hat das die Totalreflexion störende Element einen Reflexi- onsgrad R > 0,5, vorzugsweise R > 0,9. Somit kann sichergestellt werden, dass ein Großteil des auftreffenden Lichts reflektiert wird. 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 steu- ern 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 Rand- zonen des die Totalreflexion störenden Elements manipuliert. 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 gro- ßen 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 Lichtrichtele- ment wird z.B. von der Firma 3M unter dem Namen„Vikuiti" angeboten. Das Lichtrichtelement 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 Lichtrichtele- ments 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 Fläche erzeugt. Durch das Lichtrichtelement findet jedoch keine Abbildung der Lichtquelle statt. Zweckmäßigerweise ist auf der Oberseite eine Blende zur Definition einer Abstrahlfläche 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 Be- Schreibung 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 Lichtleiter 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 (vgl. Figur la). 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 im vorliegenden Beispiel als Mik- roprismenplatte ausgebildet, die mit transparentem Klebstoff an der Unterseite
111 des Lichtleiters 110 befestigt ist. Ebenso kann es sich um eine aufgeklebte, strukturierte Folie handeln. Das Element 140 weist zweckmäßigerweise verspiegelte Flanken auf, so dass der Großteil des auftreffenden Lichts reflektiert wird und nicht verloren geht. Der Reflexionsgrad liegt vorzugsweise über 0,9. Die Geo- metrie der Mikrostruktur beeinflusst die Winkelcharakteristik des ausgekoppelten
Lichtbündels. Die verspiegelte Mikroprismenplatte 140 ist mittels des Klebstoffs mit dem Lichtleiter 110 verbunden, wobei die optische Brechzahl des Klebstoffs so gewählt ist, dass der Winkelbereich, der in dem Lichtleiter konstruktiv transportiert wird, in Richtung der Probe ausgekoppelt wird. Im Ergebnis wird das auf das Element 140 auftreffende Licht 130 gerichtet nach oben reflektiert, wobei ein Teil den Lichtleiter 110 an der oberen Grenzfläche 112 verlässt und für die Auflichtbeleuchtung 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 liegt ebenfalls die Mikroprismenplatte 140 an.
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 Lichtleiter 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 Homogeni- sierung durch Einstrahlung aus vielen Richtungen und andererseits ebene Seitenflächen, die die Anbringung der Leuchtmittel und auch die Anbringung von Halterungen, 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 Beleuchtungs- apertur 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 Arbeitsabstand, 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 senk- recht 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 Zeichenebene 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,
wobei das die Totalreflexion störende Element (140) eine gerichtete Reflexion des im Lichtleiter (110; 210; 310) propagierenden Lichts (130) bewirkt.
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 we- nigstens 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) ein- strahlt, 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) einen Reflexionsgrad
R > 0,5, vorzugsweise R > 0,9, hat.
5. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das die Totalreflexion störende Element (140), insbesondere verspiegelte, Mikrostrukturen aufweist.
6. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das die Totalreflexion störende Element (140) mittels eines Verbindungsmediums mit dem Lichtleiter (110; 210; 310) verbunden ist, wobei die optische Brechzahl des Verbindungsmediums kleiner als die optische Brechzahl des Lichtleiters (110; 210; 310) ist.
7. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach Anspruch 6, wobei das Verbindungsmedium transparenter Klebstoff ist.
8. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Leuchtmittel (120) eine LED (122) oder eine Kaltka- thodenröhre aufweist.
9. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine als Lichteintrittsfläche dienende Seitenfläche mit der unteren Grenzfläche (111) und/oder der oberen Grenzfläche (112) einen Winkel kleiner oder größer 90°, vorzugsweise kleiner 85° oder größer 95°, einschließt.
10. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine als Lichteintrittsfläche dienende Seitenfläche zumindest teilweise mattiert ist.
11. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der plattenförmige Lichtleiter die Form eines Prismas (110; 310), eines Pyramidenstumpfs, eines Zylinders (210) oder eines Kegelstumpfs hat.
12. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei über der oberen Grenzfläche (112) eine Blende (150) zum Begrenzen der
Licht emittierenden Fläche vorgesehen ist.
13. Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach Anspruch 12, wobei die Blende (150) auf der der oberen Grenzfläche (112) zugewandten Seite verspiegelt ist.
14. 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.
15. Mikroskop (10) mit einer Auflichtbeleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, welche zur Auflichtbeleuchtung der Probe (1) eingerichtet ist.
16. Verwendung einer Flächenlichtquelle (100; 200; 300) einer Auflichtbe- leuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Auflichtbeleuchtung in einem Mikroskop zur Betrachtung einer Probe (1) in dem Mikroskop (10) .
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