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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur homogenen Ausleuchtung
einer kleinen Fläche
mit einer Ulbricht'schen
Kugel zur spektroskopischen Untersuchung einer Mehrzahl von auf
einem Probenträger
angeordneten Proben mit mindestens zwei in der wand der Ulbricht'schen Kugel angeordneten
Lichtquellen, die unterschiedliche spektrale Eigenschaften aufweisen,
und die mit einer Lichtquellensteuervorrichtung einzeln ansteuerbar
sind,
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Für verschiedene
Anwendungen, etwa in der Umweltdiagnostik und der Biotechnologie,
ist es wichtig eine kleine Fläche
homogen, d.h. über
die gesamte Fläche
mit gleich bleibender Intensität,
auszuleuchten. Neben der homogenen Ausleuchtung kommt es häufig vor,
dass gleichzeitig an die spektralen Eigenschaften der Beleuchtung
besondere Anforderungen bzgl. der Wellenlänge und der spektralen Bandbreite
gestellt werden.
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Beispielsweise
werden so genannte Nanotiterplatten (NTPs), etwa 2 × 2 cm2 große
Probenträger mit
etwa 600 pyramidenstumpfförmigen
Vertiefungen zur Aufnahme von verschiedenen Probesubstanzen, mit
einer Strahlung der Wellenlänge
635 nm beleuchtet, um gezielt einen Farbstoff, mit dem die Proben dotiert
wurden, zur Fluoreszenz anzuregen (M. Hessling, J. Ihlemann, D.
Ebbecke and G. Marowsky, „Environmental
Analysis by Laser-Induced Fluorescence Detection on Nano Titer Plates", Environmental Monitoring
and Remediation technologies, Proceedings of SPIE vol. 3534, p.
554-564, 1999). Aus der ortsaufgelösten Messung der Fluoreszenzintensitäten der einzelnen
Proben, kann man Rückschlüsse auf
deren Analytkonzentrationen ziehen.
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Außerdem kann
es wünschenswert
sein, die spektrale Zusammensetzung der Beleuchtung in kurzen Zeitabständen, d.h.
in Bruchteilen von Sekunden zu verändern, etwa um in kurzer Zeit
verschiedene Farbstoffe in einer Probesubstanz nacheinander zur Fluoreszenz
anzuregen. Auch die Fluoreszenzanregung mehrerer Farbstoffe gleichzeitig
kann wünschenswert
sein.
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Für die Fluoreszenzerzeugung
müssen
zunächst
bestimmte innermolekulare Energieniveaus besetzt werden, um anschließend eine
Lichtemission zu erreichen. Dazu muss die Energie, d.h. die Wellenlänge der
Beleuchtung genau mit einem möglichen
molekularen Übergang übereinstimmen.
Durch die Änderung
der Wellenlänge
kann man so gezielt einzelne Farbstoffe zur Fluoreszenz anregen.
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Für die Detektion
des Fluoreszenzlichtes kann es auch wünschenswert sein, vorausgesetzt
die homogen beleuchtete Fläche
ist optisch ganz oder stellenweise transparent, wechselweise oder
gleichzeitig von oben in einer Draufsicht, dem so genannten Epimodus
und von unten im so genannten Transmissionsmodus zu beobachten.
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Eine
gängige
Methode zur homogenen Beleuchtung von Flächen mit optischer Strahlung
ist der Einsatz von Lasern in Verbindung mit Homogenisatoren, etwa
Linsenhomogenisatoren oder Diffusern, etwa Streuscheiben oder diffraktive
Elemente. Nachteilig ist dabei die zum Teil große Anzahl optischer Elemente,
die den Aufbau sehr aufwendig macht.
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Bekannt
ist auch die Verwendung einer Ulbricht'schen Kugel zur Homogenisierung. Das
ist eine Hohlkugel, in deren Inneren Licht sich durch diffuse vielfachreflexion
gleichmäßig über die
gesamte Innenfläche
verteilt. Dies kann dazu ausgenutzt werden, in einer Ebene außerhalb
der Kugel eine homogene Ausleuchtung zu erreichen. Die Lichtquelle kann
sich sowohl innerhalb als auch außerhalb der Kugel befinden.
In diesem Fall gelangt das Licht durch eine Öffnung von außen in die
Ulbricht'sche Kugel.
Dabei sind meist zur Lichteinkopplung zusätzliche optische Elemente notwendig.
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Problematisch
ist die mangelnde Flexibilität der
bekannten Homogenisatoren im Hinblick auf eine schnelle zeitliche
Variation der spektralen Eigenschaften der Beleuchtung, etwa die
abwechselnde Beleuchtung mit zwei verschiedenen Wellenlängen.
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Hinreichend
abstimmbare Laserlichtquellen sind sehr teuer und haben einen relativ
großen
Platzbedarf, der Einsatz von Strahlteilern und Filterädern bei
nicht abstimmbaren Lichtquellen verkompliziert den Aufbau erheblich.
Zudem ist ein Wellenlängenwechsel
in Sekundenbruchteilen mit diesen Systemen kaum möglich.
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Aus
der WO 95/20183 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Identifizieren
eines Bilderzeugungsmaterials bekannt. In einer Ulbricht'schen Kugel sind
mehrere in der Wand der Ulbricht'schen
Kugel angeordnete LEDs mit Wellenlängen zwischen 555-690 nm durch
eine Schaltungsanordnung einzeln ansteuerbar. Zum Zwecke der Unterscheidung von
verschiedenen Filmmaterialien können
mit Hilfe der Ulbricht'schen
Kugel Diapositive mit verschiedenen Wellenlängen beleuchtet und auf ihre
Absorptionseigenschaften hin untersucht werden. Dazu wird jeweils
eine LED von der Schaltungsanordnung angesteuert und die jeweilige
Probe anhand des durch die Probe transmittierten Lichts in einer
nachgeschalteten Detektoreinrichtung auf ihre Farbabsorptionseigenschaften
analysiert.
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Nachteilig
bei der bekannten Vorrichtung wirkt sich aus, dass immer nur eine
LED zu einem Zeitpunkt von der Schaltungsanordnung angesteuert werden
kann. Dadurch sind die spektralen Variationsmöglichkeiten relativ begrenzt.
Es kann auch nur jeweils eine Probe, d.h. ein Diapositiv, zu einem
Zeitpunkt untersucht werden. Dies ist relativ umständlich und
zeitaufwendig. Zudem muss die Probe transparent sein. Eine Beobachtung
und Auswertung von Strahlung, die von der Probe zurückgeworfen
wird, ist nicht möglich.
Weiterhin ist eine ortsauflösende
Messung nicht vorgesehen, so dass die Homogenität der Strahlung nur eine untergeordnete
Rolle spielt. Die Vorrichtung ist daher für Messungen, bei denen eine hohe
Ortsauflösung
gefordert ist und es deshalb auf eine besonders hohe Homogenität der Strahlung
ankommt, relativ ungeeignet.
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Aus
der
DE 44 28 188 C1 ist
ein telezentrisches Beleuchtungssystem bekannt, bei dem die Lichtquelle
als Ulbricht'sche
Kugel ausgebildet ist. Die Kugel weist eine oder ein vielfaches
von vier LEDs auf, die auf mindestens einer Kreisbahn an der Innenseite
der Kugel angeordnet sind. Dadurch soll eine möglichst gleichmäßige Beleuchtung
erzeugt werden. Die homogene monochromatische Strahlung wird durch
eine Blende in einen Tubus ausgekoppelt, dem eine Fresnellinse vorgelagert
ist. Die LEDs weisen plangeschliffene und mattierte Austrittsöffnungen
auf, mit denen sie bündig
zur Innenoberfläche
der Kugel in der Wand angeordnet sind Zusätzlich ist ein Sensor mit einer
Regelschaltung vorgesehen, mit dem Intensitätsschwankungen ausgeglichen
werden können.
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Nachteilig
bei diesem System wirkt sich aus, dass die spektralen Eigenschaften,
insbesondere die Wellenlänge
und die Wellenlängenbandbreite
der Beleuchtung nicht veränderbar
sind. Dieses System ist daher für
Anwendungen, bei denen variable spektrale Eigenschaften der Beleuchtung
verlangt werden, nicht geeignet.
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Aus
der
DE 197 35 926
A1 ist eine Ulbricht'sche
Kugel bekannt, die eine externe Lichtquelle und einen Detektor aufweist. Über den
Detektor wird die Fluoreszenz einer Zellkultur gemessen, die sich
in einer äquatorial
in der Kugel angeordneten Perfusionskammer befindet. Die externe
Lichtquelle kann ein Laser sein, dem eine Optik vorgelagert ist.
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Die
Beleuchtung mit einem externen Laser erfordert eine aufwendige Optik
zur Einkopplung der Strahlung in die Ulbricht'sche Kugel. Eine schnelle Änderung
der spektralen Eigenschaften ist nicht, oder nur mit großem zusätzlichen
Aufwand möglich.
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Aus
der
EP 0 493 660 B1 ist
ein Anomaloskop zur Untersuchung des menschlichen Farbsinns bekannt,
bei dem zwei Ulbricht'sche
Kugeln als Lichtquellen verwendet werden. Beide Kugeln stehen in einem
90°-Winkel
zueinander In den Kugeln können jeweils
eine oder mehrere Lumineszenzdioden angeordnet sein. In der Kugel
wird jeweils ein Mischlicht mit unterschiedlichen spektralen Eigenschaften
erzeugt.
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Nachteilig
wirkt sich bei der Vorrichtung aus, dass eine schnelle zeitliche Änderung
der spektralen Eigenschaften nicht möglich ist. Für die homogene Ausleuchtung
einer Ebene ist die Vorrichtung nicht ohne weiteres geeignet. Die
Verwendung von mehreren Ulbricht'schen
Kugel ist zudem sehr aufwendig und kostenintensiv.
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Aus
der
US 5 268 749 ist
eine Vorrichtung zur homogenen Ausleuchtung einer Ebene bekannt, bei
der eine Lichtquelle einer kugelförmigen Kammer mit einer diffus
reflektierenden Innenwandbeschichtung vorgelagert ist. Die Lichtquelle,
etwa eine Gasentladungslampe oder eine LED ist austauschbar, um
die spektralen Eigenschaften der Beleuchtung zu verändern.
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Nachteilig
wirkt sich hier der hohe zeitliche Aufwand für den Austausch der Lichtquellen
aus, der eine schnelle zeitliche spektrale Variation der Beleuchtung
nicht ermöglicht.
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Aus
der
JP 07212537 A ist
eine Lichtquelle zu Erzeugung eines rot-blau-grünen Standardmischlichts bekannt,
die eine kugelförmige
Kammer mit mehreren verschiedenfarbigen LEDs verwendet. Über ein
Faserbündel
wird das erzeugte Mischlicht ausgekoppelt.
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Das
erzeugte Mischlicht dieser Vorrichtung kann in seinen spektralen
Eigenschaften bezüglich Wellenlänge und
bandbreite nicht variiert werden, insbesondere ist eine schnelle Änderung
der spektralen Eigenschaften nicht möglich. Zudem ist eine homogene
Ausleuchtung einer Fläche
mit der Vorrichtung nicht ohne weiteres möglich.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine mit einfachen Mitteln
herzustellende kompakte Vorrichtung zur homogenen Ausleuchtung einer
Fläche
zu schaffen, bei der eine schnelle Änderung der spektralen Eigenschaften
der Beleuchtung möglich
ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verbindung
mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass eine gewünschte spektrale
Charakteristik durch die Kombination von mindestens zwei Lichtquellen
erzielbar ist, die von der Lichtquellensteuervorrichtung ansteuerbar
sind, und dass der Ulbricht'schen
Kugel mindestens ein bildgebender Detektor vorgelagert ist, mit
Hilfe dessen die auf dem Probenträger mit den Proben ausgeleuchtete
Fläche mindestens
ortsaufgelöst
detektierbar ist.
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Dadurch,
dass die Lichtquellen in der Kugelwand eingebaut sind, sind keine
weiteren optischen Komponenten, insbesondere keine Strahlformungsoptiken
nötig,
die Anordnung kann daher sehr kompakt gebaut und preisgünstig hergestellt
werden. Mit den verschiedenen spektralen Eigenschaften der einzelnen
Lichtquellen kann eine homogene Ausleuchtung mit weitgehend frei
wählbarer
spektraler Charakteristik erreicht werden.
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Diese
spektrale Charakteristik lässt
sich innerhalb von Bruchteilen von Sekunden über die Ansteuerung der jeweiligen
Lichtquelle, völlig
ohne mechanische Bewegungen, ändern.
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Bei
dem Anmeldungsgegenstand ist eine gleichzeitige Ansteuerung mehrerer
Lichtquellen möglich,
so dass durch eine Kombination verschiedener Wellenlängen und
einer ortsaufgelösten
Detektion eine Vielzahl von Proben mit verschiedenen spektroskopischen
Eigenschaften gleichzeitig oder mit einer zeitaufgelösten Detektion
in schneller zeitlicher Abfolge hintereinander untersucht werden
können.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die ausleuchtbare Fläche als Probenträger ausgebildet.
Der Probenträger
kann eine Nanotiterplatte sein, die auch aus einem optisch ganz
oder stellenweise transparenten Material hergestellt sein kann.
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Ein
Probenträger
kann direkt an einer unteren Öffnung
der Ulbricht'schen
Kugel angeordnet sein. Als Nanotiterplatte mit einer Vielzahl von
pyramidenstumpfförmigen
Vertiefungen eignet sich der Probenträger hervorragend zur Untersuchung
einer Vielzahl unterschiedlicher Probesubstanzen, die auf eine variierende
Beleuchtung unterschiedlich reagieren können. Durch einen Probenträger mit
optisch transparenter Beschaffenheit eröffnet sich die Möglichkeit
der Beobachtung von unten, also in einem Transmissionsmodus. Mit
einem hohen Durchlasskoeffizienten werden dabei die Intensitätsverluste
minimiert.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist die Ulbricht'sche
Kugel diametral zu der unteren Öffnung
eine obere Öffnung
auf, der ein externer Detektor vorgelagert sein kann. Zur Beobachtung
im Transmissionsmodus kann der ausleuchtbaren Fläche auf der der Kugel abgewandten
Seite ebenfalls ein Detektor vorgelagert sein.
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Die
Detektoren von oben und falls gewünscht auch von unten ermöglichen
die Beobachtung einer oder vieler Probesubstanzen. Die Reaktion,
insbesondere die Emission von Fluoreszenzlicht der beobachteten
Substanzen, kann mit entsprechenden Detektoren detailliert erfasst,
gespeichert und einer computergestützten Analyse zugeleitet werden.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung kann über
die Lichtquellensteuerung die Strahlungsintensität der einzelnen Lichtquellen
geändert
werden.
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Je
nach Art der Untersuchung, kann es erforderlich sein, Probesubstanzen
mit einer definierten Intensität
zu bestrahlen. Mit der Intensitätssteuerung kann
diesem Erfordernis optimal entsprochen werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Innenwand der Ulbricht'schen Kugel mit einer diffus reflektierenden Oberflächenbeschichtung
versehen. Es ist auch möglich,
dass die Innenwand selbst aus einem diffus reflektierenden Material
geschaffen ist. Dieses Wandmaterial kann auch optisch transparente
Eigenschaften aufweisen.
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Eine
homogene Ausleuchtung wird am besten durch die Vielfachreflexion
der emittierten Strahlung an einer diffus reflektierenden sphäroidischen Oberfläche erreicht.
Besteht die Innenwand der Kugel selbst aus einem solchen Material, ist
eine zusätzliche
Beschichtung nicht erforderlich. Ein transparentes Material erlaubt
die vollständige
Integration der Lichtquellen in der Kugelwand. Dadurch wird das Licht
schon beim Eintritt in die Ulbricht'sche Kugel gestreut und verbessert die
Homogenität
der Beleuchtung.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung emittiert eine oder mehrere der Lichtquellen in einem
schmalbandigen Spektralbereich. Ebenso können breitbandige Lichtquellen verwendet
werden.
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In
der Spektroskopie spielt die Bandbreite, d.h. der Wellenlängenbereich
einer Lichtquelle eine große
Rolle. Schmalbandige Lichtquellen emittieren oft nur in einem Bereich
von Bruchteilen eines Nanometers. Dadurch ist es möglich, gezielt
einzelne molekulare Übergänge einer
Substanz anzuregen, um bestimmte Informationen über deren Beschaffenheit, aus
dem erzeugten Fluoreszenzlicht zu extrahieren. Breitbandige Lichtquellen
regen hingegen eine Vielzahl von Übergängen gleichzeitig an, sind
aber in der Regel weniger aufwendig herzustellen und damit kostengünstiger.
Sie bieten sich daher an, wenn die Anregung einzelner molekularer Übergänge nicht
erforderlich ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist die Oberfläche
der Innenwand der Ulbricht'schen
Kugel über
einen großen Spektralbereich
einen hohen Reflexionskoeffizienten auf.
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Ein
großer
Spektralbereich der Reflexion ermöglich die Verwendung von Lichtquellen
aus einem ebenso großen
Spektralbereich. Dadurch werden die Anwendungsmöglichkeiten bzgl. der Untersuchung und
Bestrahlung von Probesubstanzen erhöht.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist mindesten eine der Lichtquellen als Elektrolumineszenzdiode
ausgebildet. Auch die Verwendung von Laserdioden ist möglich.
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Elektrolumineszenzdioden,
so genannte LEDs (Light Emitting Diode) geben ihre quasi monochromatische
Strahlung im sichtbaren Bereich von 380 nm bis 780 nm ab. Ihre spektrale
Bandbreite liegt je nach Typ im Bereich von 10 nm bis 50 nm. Sie
haben eine hohe Lebensdauer, sind kostengünstig und kompakt, und schaltkreiskompatibel.
Daher sind sie hervorragend für
den Einbau in Ulbricht'sche
Kugeln und für
eine gezielte Ansteuerung geeignet. Laserdioden lassen sich ebenso
gut ansteuern wie LEDs. Ihr Licht ist jedoch wesentlich schmalbandiger
und hat eine höhere
spektrale Leistungsdichte. Daher bietet sich ihre Verwendung besonders
dann an, wenn die optische Anregung einzelner molekularer Übergänge einer
Probesubstanz gefragt ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist mindestens eine der in der Wand der Ulbricht'schen Kugel angeordneten Lichtquellen
eine mechanisch durchgehende Öffnung
zum Kugelinneren auf. Es ist aber auch möglich, dass mindestens eine
Lichtquelle keine durchgehende Öffnung
zum Kugelinneren aufweist. Den Lichtquellen können optische Filter oder Linsen
vorgelagert sein. Die Lichtquellen selbst oder ihre vorgelagerten
optischen Elemente können
mit der Innenwand der Kugel bündig
abschließend
angeordnet sein.
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Durchgehende Öffnungen
zum Innenraum ermöglichen
die Verwendung von nicht transparenten Wandmaterialien der Ulbricht'schen Kugel. Bei optisch
transparenter Wandbeschaffenheit können die Lichtquellen komplett
in die Wand integriert sein, was sich für die Homogenisierung der Abstrahlung günstig auswirkt
und die Lichtquelle zusätzlich schützt. Weiterhin
bleibt bei einem Austausch einer Lichtquelle die keinen mechanischen
Durchgang zum Kugelinneren aufweist, die Kugel vollkommen geschlossen.
Dadurch können
insbesondere Beeinträchtigungen
der reflektierenden Eigenschaften der empfindlichen Innenwände der
Kugel durch Verschmutzungen verhindert werden. Grundsätzlich ist es
auch möglich,
nachträglich
weitere nicht durchgehende Bohrungen von außen anzubringen, um zusätzliche
Lichtquellen einzufügen.
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Optische
Filter bieten die Möglichkeit
die spektralen Eigenschaften der Abstrahlung weiter zu spezifizieren.
Linsen können
den abgestrahlten Lichtkegel weiter aufweiten und den Öffnungswinkel beeinflussen,
was sich wiederum günstig
auf die Homogenisierung auswirkt. Aufgrund ihrer asymmetrischen
Abstrahlung ist dies besonders bei Laserdioden sinnvoll. Auch ein
bündiger
Abschluss der Lichtquelle oder seiner vorgelagerten Bauteile mit
der Innenwand der Kugel wirkt sich günstig auf eine Optimierung
der Homogenisierung der Beleuchtung aus.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist mindestens ein Detektor eine zeitauflösende Nachweisvorrichtung
auf. Ortsauflösende
und wellenlängenauflösende Nachweisvorrichtungen
können
auch vorgesehen sein.
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Ein
zeitauflösender
Detektor ermöglicht
die Erfassung von zeitlich sich ändernden
Fluoreszenzsignalen der Probesubstanzen. Bei einer Vielzahl von verschiedenen
Substanzen auf dem Probenträger
erlaubt eine ortsauflösender
Detektor deren Unterscheidung bei der Beobachtung. Ein wellenlängenselektiver
Detektor kann gezielt bestimmte Ausschnitte des Fluoreszenzlichtes
einer Probe zur Analyse verwerten.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind an der Ulbricht'schen Kugel Bohrungen zur Einkopplung
externer Lichtquellen vorgesehen.
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Durch
diese Öffnungen
wird die Option geschaffen auch externe Lichtquellen zur Einkopplung in
die Ulbricht'sche
Kugel verwenden zu können,
wodurch deren Verwendbarkeit noch universeller gestaltet wird.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Öffnungen
der Ulbricht'schen
Kugel mit transparenten Fenstern verschließbar.
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Transparente
Fenster können
ohne große
Intensitätsverluste
verwendet werden, um das Kugelinnere vor Verschmutzungen und Beschädigungen
zu schützen.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung und den beigefügten
Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
beispielsweise veranschaulicht sind.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1:
Eine schematische Darstellung im Schnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
und
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2:
eine schematische Darstellung im Schnitt einer weiteren Vorrichtung
mit einem zweiten Detektor.
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Eine
Vorrichtung zur homogenen Ausleuchtung eine kleinen Fläche 2 besteht
im Wesentlichen aus einer Ulbricht'schen Kugel 1, einer Mehrzahl
von Lichtquellen 3, 4, 5, die in der
Wand 14 der Kugel 1 angeordnet sind, und einer
Lichtquellensteuerung 6.
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Die
Ulbricht'sche Kugel 1 ist
eine Hohlkugel, deren Innenoberfläche 12 diffus hochreflektierend ausgebildet
sind. Die Wand 14 der Kugel 1 besteht dabei vorteilhaft
aus einem optisch transparenten diffus reflektierenden Material.
Zur einfacheren Handhabung ist die Kugel 1 nach unten hin
abgeflacht. In einer unteren Öffnung 15 ist
eine zu beleuchtende Fläche 2,
vorteilhaft als transparenter Probenhalter ausgebildet und für die Aufnahme
von zu untersuchenden (nicht dargestellten) Probesubstanzen vorgesehen,
eingepasst. Der Kugeldurchmesser ist dabei konstruktiv deutlich
größer als
der Durchmesser der zu beleuchtenden Fläche 2 ausgelegt. Generell ist
die Konstruktion der Ulbricht'schen
Kugel 1 derart ausgeführt,
dass die gesamte Querschnittsfläche
aller Öffnungen
wesentlich kleiner als die gesamte Oberfläche der Kugel 1 ist.
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Ein
(nicht dargestelltes) Fenster, dass der zu beleuchtenden Fläche 2 zum
Kugelinneren hin vorgelagert ist, versiegelt die Kugel 1 zum
Schutz vor Verschmutzungen. In der Wand 14 sind Bohrungen zur
Aufnahme der Lichtquellen 3, 4, 5 angeordnet. Die
Lichtquellen 3, 4, 5 verfügen über verschiedene spektrale
Eigenschaften und weisen vorteilhaft insbesondere verschiedene Emissionswellenlängen auf.
Die Lichtquelle 3 verfügt über eine
durchgehende mechanische Öffnung 13 zum
Kugelinneren. Dabei ist die Lichtquelle 3 vorteilhaft als
LED mit einem relativ großen Öffnungswinkel
zwischen 5 bis 50° ausgebildet.
Der Lichtquelle 4 ist ein optisches Element 11 vorgelagert.
Vorteilhaft ist dieses Element 11 als optischer Filter
mit vorgegebener spektraler Transmission ausgebildet. Eine weitere
Lichtquelle 5 ist vollständig in die transparente Wand 14 integriert. Diese
Lichtquelle 5 ist vorteilhaft als Laserdiode ausgebildet,
deren asymmetrische Abstrahlung durch das Wandmaterial bereits vorhomogenisierbar
ist. Grundsätzlich
können
bei der Verwendung eines transparenten Wandmaterials alle Lichtquellen 3, 4, 5 vollständig in
die Wand 14 der Kugel 1 integriert sein.
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Die
Kugel weist eine obere Öffnung 7 auf, der
ein Detektor 8, vorteilhaft als ortsauflösende CCD – Kamera
ausgebildet, vorgelagert ist. Der Detektor 8 ist mit einer
(nicht dargestellten) Auswerteeinrichtung zur Weiterverarbeitung
der Messsignale verbunden. Die Öffnung 7 ist
zum Schutz des Kugelinneren mit einem Fenster 10 versiegelt.
Grundsätzlich
können alle Öffnungen
mit transparenten Fenstern versiegelt sein. Die Lichtquellen 3, 4, 5 sind
mit einer Lichtquellensteuerung 6, die vorteilhaft als
PC mit einer schnellen Steuerelektronik ausgebildet ist, elektronisch
verbunden und von dieser einzeln ansteuerbar. Der Detektor 8 erlaubt
die Beobachtung der zu beleuchtenden Fläche 2 bzw. des leuchtenden
Objekts senkrecht von oben, d.h. im so genannten Epimodus.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist auf der der Kugel abgewandten Seite ein zweiter
Detektor 9 vorgelagert, der die zu beleuchtende Fläche 2,
bzw. den transparenten Probenhalter senkrecht von unten in einem
Transmissionsmodus beobachten kann. Mit den Detektoren 8 und 9 zusammen
ist eine gleichzeitige Beobachtung der Fläche 2 von oben und
unten möglich.
Grundsätzlich
ist die gleichzeitige Beobachtung von unten und oben auch möglich, wenn
die Ulbricht'sche
Kugel nur eine Lichtquelle aufweist.
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Ein
Verfahren zur homogenen Ausleuchtung einer kleinen Fläche 2 beruht
im Wesentlichen auf der gezielten Ansteuerung einzelner Lichtquellen 3, 4, 5 einer
Ulbricht'schen Kugel 1,
bei der die spektralen Eigenschaften der Beleuchtung in vorgegebener Weise
variiert werden.
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Bei
einer Ausführungsform
des Verfahrens sind auf einer Nanotiterplatte ca. 600 Proben eines Stoffen
mit verschiedenen umweltgefährdenden
Inhaltsstoffen aufgebracht. Die aufzuspürenden Substanzen sind jeweils
chemisch mit verschiedenen Farbstoffen markiert. Jeder Farbstoff
reagiert bei Einstrahlung einer auf den jeweiligen Farbstoff abgestimmtem
Wellenlänge
mit der Aussendung von für den
jeweiligen Stoff charakteristischem Fluoreszenzlicht.
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Die
gewünschte
spektrale Charakteristik lässt
sich durch eine Lichtquelle oder auch durch die Kombination von
Lichtquellen erzielen.