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Die
Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung für Mikroskope,
welche auf der Nutzung von nichtklassischen Leuchtquellen beruht.
Unter nichtklassischen Leuchtquellen werden im folgenden LED's (Light Emitting
Diodes), Laser, OLED's
(Organic Light Emitting Diodes) oder andere nicht auf dem Glüheffekt
heißer
Materialien beruhende Leuchtquellen verstanden. Zur Vereinfachung
werden die Beispiele an Hand von LED's erläutert, sind aber auch auf die
anderen Leuchtquellen anwendbar.
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Herkömmliche
Mikroskope verfügen
zur Beleuchtung der Proben über
klassische Lichtquellen wie Halogenlampen o.ä.. Zur Anpassung an das jeweilige
Präparat
müssen
diese in ihrer Helligkeit gesteuert werden, wozu die Mikroskope über entsprechende
Bedienelemente verfügen.
Da diese Leuchten häufig
extern angeschlossen werden verfügen sie über einen
elektrischen Stecker, mit dem sie an einer Buchse des Mikroskops
angeschlossen werden können.
Das entsprechende Bedienelement am Mikroskop steuert so die an der
Buchse anliegende Spannung und damit die Helligkeit der Lichtquelle.
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In
der
DE 37 34 691 wurde
vorgeschlagen, als Lichtquelle für
Mikroskope LED's
(Light Emitting Diodes) zu verwenden. Mit der Verbesserung der Parameter
der LED's im Laufe
der Entwicklung (höhere Lichtausbeuten,
Weisslicht-LED's
usw.) wurde der Einsatz in der Mikroskopie attraktiver. Beispiele
für einen
solchen Einsatz sind u.a. die
DE
199 19 096 ,
DE 100
17 823 ,
DE 102 14 703 und
das DE-GM 298 16 055.
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Dabei
hat sich als nachteilig erwiesen, dass diese LED-Beleuchtungen aufgrund
der elektrischen Eigenschaften der LED's zur Regelung der Helligkeit mit eigenen,
spezifischen Ansteuerschaltungen versehen sein müssen, welche üblicherweise
in einem eigenen Ansteuergerät
untergebracht sind, die Helligkeitsregelung erfolgt damit an einem
Bedienelement des Ansteuergerätes
und ist damit für
den Benutzer des Mikroskops aufwendig und ungewohnt.
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Die
Erfindung stellt sich der Aufgabe, die Nachteile des Standes der
Technik zu überwinden und
insbesondere eine für
den Benutzer akzeptable Lösung
für die
Nachrüstung
von LED-Beleuchtungen an
vorhandenen Mikroskopen anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst, vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Dabei
ist es besonders vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung
an den zur Spannungsversorgung der externen Halogenleuchte angeschlossen
werden kann und das für
die Regelung dieser Leuchte am Mikroskop vorgesehene Bedienelement
zur Helligkeitsregelung der LED-Beleuchtung verwendet werden kann.
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Eine
besonders einfache Lösung
ergibt sich, wenn ein entsprechend dimensioniertes Widerstandsnetzwerk
der oder den LED's
vorgeschaltet wird, welches den zur Regelung der Helligkeit der Halogenleuchte
dienenden Spannungsbereich auf die zu einer entsprechenden Helligkeitsänderung
der LED's umsetzt.
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Um
die sich bauartbedingt durch die Helligkeitsregelung der LED's mittels Veränderung
der anliegenden Spannung ergebenden Verschiebungen der abgestrahlten
Wellenlänge
und damit der Farbe des Lichtes zu vermeiden ist eine besonders
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung durch die Verwendung einer Pulsweitenmodulation charakterisiert. Dabei
wird eine konstante Spannung mit einer weit oberhalb der zeitlichen
Auflösungsgrenze
des menschlichen Auges (max. 50 Hz) liegenden Frequenz impulsförmig an
die LED's angelegt
und die Helligkeit durch Veränderung
des Zeitverhältnisses zwischen
angelegter Spannung (LED hell) und Spannung Null (LED dunkel) eingestellt.
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Die
zum Betrieb der zur Pulsweitenmodulation notwendigen Schaltung wird
dabei aus der anliegenden, vom Benutzer entsprechend seiner Vorgabe zur
Helligkeitsregelung eingestellten Spannung gewonnen. Das bedeutet,
dass die der gewünschten Helligkeit
entsprechende Spannung gleichzeitig zur Versorgung der Steuerschaltung
und der LED's dient und
außerdem
zwecks Ansteuerung der Pulsweitenschaltung zur Einstellung der entsprechenden
Helligkeit ausgewertet wird.
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Der
besondere Vorteil der Erfindung ist darin begründet, dass bei Nachrüstung eines
Mikroskops mit einer modernen LED- oder Laserbeleuchtung keine zusätzliche
Steuereinheit notwendig ist und der Nutzer weiterhin zur Helligkeitssteuerung
das entsprechende am Mikroskopstativ angebrachte Bedienelement benutzen
kann.
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Die
Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert
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Es
zeigen
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1 schematisch
den Strahlengang in einem Mikroskop
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
mit Vorwiderständen
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
mit einer variablen Stromquelle
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4 ein
drittes Ausführungsbeispiel
mit einer Pulsweitenschaltung
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5 ein
Diagramm mit verschiedenen Spannungs/Helligkeitskennlinien
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In 1 ist
schematisch der Gesamtstrahlengang in einem Mikroskop dargestellt.
Von einer Lichtquelle 1 wird das Licht über ein Schutzfilter 2,
die Aperturblende 3 und die Leuchtfeldblende 4 auf
den Anregungsfilter 5 gerichtet. Der Teilerspiegel 6 reflektiert
das Anregungslicht über
das Objektiv 6 auf das Objekt 8. Das vom Anregungslicht
im Objekt 8 erzeugte Fluoreszenzlicht passiert wiederum
das Objektiv 7 und wird jetzt vom Teilerspiegel 6 durchgelassen
und durch das Emissionsfilter 9 auf die Tubuslinse 10 und
von dieser über
ein Prismensystem in die Okulare 11 abgebildet. Alternativ
kann das Licht auch mittels einer am Fototubus 12 angebrachte
Kamera abgebildet werden. Die Lichtquelle 1 ist über eine mechanische
Schnittstelle 13 lösbar
mit dem Mikroskopstativ 14 verbunden. Die Spannungsversorgung der
Lichtquelle 1 erfolgt über
eine am Mikroskopstativ 14 angebrachte elektrische Schnittstelle 15 (z.B. Buchse)
und eine Zuleitung 16. Die an der Schnittstelle 15 anliegende
variable Spannung wird über
ein Bedienelement 17 von Benutzer entsprechend seinen Anforderungen
an die Helligkeit geregelt, es ist aber auch möglich Tasten für definierte
Helligkeits- oder auch Farbtemperaturwerte vorzusehen. Als eigentliche
Leuchtquelle 18 dient beispielsweise ein LED-Array, welches
aus einer regelmäßigen zweidimensionalen
Anordnung von Weißlicht-LED's besteht, es sind
aber auch andere Möglichkeiten
wie Einzel-LED's
oder LED's verschiedener
Farben vorstellbar. Das dargestellte Schema betrifft ein Fluoreszenzmikroskop,
die Erfindung ist aber selbstverständlich auch bei einem herkömmlichen
Mikroskop anwendbar. In 2 ist eine einfache Schaltung
zur Umsetzung der Erfindung angegeben. Dabei erfolgt die Umsetzung
der variablen Eingangsspannung an der Schnittstelle 15 in
einen variablen Strom durch die Verwendung von Widerständen 19, 19', 19'', wobei im Fall von LED Arrays
hierbei die Verwendung je eines Widerstandes 19, 19', 19'' je LED 20, 20', 20'' vorteilhaft ist, um Unterschiede
der Diodenkennlinien auszugleichen. Die Dimensionierung der Widerstände R ergibt
sich durch R = (Umax – ULEDmax )/Imax
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Hierbei
sind Umax die maximale Versorgungsspannung an der Schnittstelle 15,
Imax der für die
LED erlaubte Maximalstrom, ULEDmax der Spannungsabfall an der LED
bei Maximalstrom.
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Eine
solch einfache Umsetzung der variablen Versorgungsspannung in einen
variablen Strom ist jedoch mit relativ großen Verlustleistungen behaftet,
da der Spannungsabfall an den Widerständen sehr groß gegenüber der
Streuung der Strom-Spannungs-Kennlinien sein muss. Günstiger
ist stattdessen die Verwendung einer gesteuerten Stromquelle, welche
den Sollstrom aus der Versorgungspotentialdifferenz herleitet.
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Eine
solche Schaltung ist in 3 angeben, wobei hier nur die
Schaltung für
eine LED gezeigt wird, für
LED-Arrays wird eine solche Schaltung jeder LED zugeordnet. Aus
der variablen Versorgungsspannung, welche an der Buchse 15 anliegt,
wird mit Hilfe der Widerstände
R1 und R2, sowie der Diode D1 die Führungsgröße der Stromquelle mit Transistor T1
und Messwiderstand R3 erzeugt, welche einen der Versorgungsspannung
etwa proportionalen Strom durch die LED 20 leitet.
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Ein
Nachteil der bisher beschriebenen einfachen Varianten ist, dass
die Versorgungsspannung stets größer sein
muss als die Schwellspannung der verwendeten Halbleiterlichtquellen.
Gerade bei LED-Arrays werden häufig
in Reihe geschaltete LED-Elemente benutzt, um nicht zu hohe Gesamtströme zu bewirken
und um unterschiedliche Kennlinien auszugleichen. In diesem Fall
addieren sich jedoch die Schwellspannungen. Bei Serienschaltung von
beispielsweise drei weißen
LEDs ergibt sich so eine Schwellspannung von ca. 8 ... 9 Volt, damit
ist eine der zu ersetzenden Halogenlampe angepasste Helligkeitsregelung
nicht mehr möglich,
da bei dieser bereits bei ca. 3V der Lichtfluss einsetzt. Daher
ist in 4 ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel
beschrieben. Aus der an der Schnittstelle 15 anliegenden
variablen Spannung wird über
einen Leistungs-Aufwärtswandler 21 eine
Spannung von beispielsweise 12 V zur Versorgung des Pulsweitenstellers 22 gewonnen.
Dieser weist einen Rampengenerator 23 auf, welcher optional
von einem externen Trigger 24 angesteuert werden kann.
Aus der an der Schnittstelle 15 anliegenden, die Sollhelligkeit
repräsentierenden
Spannung wird mittels der Schaltung 25 (beispielsweise
mit Hilfe einer Zener-Diode, die die Führungsspannung erst ab ca.
3V umsetzt, und eines Spannungsteilers, mit dessen Hilfe sich ein
Kalibrierfaktor einstellen lässt)
ein Sollwert 26 als Eingang für einen Differenzverstärker 27 gebildet,
welcher diesen Sollwert 26 mit einem Istwert 28 vergleicht,
wobei dieser über
einen Tiefpass 29 und eine Anpassungsschaltung 39 aus
dem aktuellen Stromwert 31 für die Ansteuerung des LED-Arrays 32 gewonnen
wird. Das Differenzsignal des Differenzverstärkers 27 wird auf
einen integralen Regler 33 gegeben, welcher mit einem Komparator 34 verbunden
ist. Der zweite Eingang des Komparator 34 ist mit dem Ausgang
des Rampengenerators 23 verbunden. Dieser erzeugt aus der
vom Regler 33 abgegebenen Stellgröße und dem vom Rampengenerator 23 abgegebenen
pulsförmigen
Spannungsverlauf eine der gewünschten
Helligkeit entsprechende Aufteilung zwischen Hell- und Dunkelphasen
für das
LED-Array 32. Der Wechsel zwischen diesen Phasen erfolgt
mit einer so hohen Frequenz, dass sowohl das menschliche Auge als
auch eine eventuell am Kameraausgang 12 angeschlossene
Kamera diese nicht auflösen
kann. und damit nur die integrale Helligkeit entsprechend des am Bedienelement 17 eingestellten Wertes
registrieren. Für
das menschliche Auge reicht es aus wenn die Frequenz deutlich oberhalb
von 50 Hz liegt, für
die Kamera ist diese Frequenz von der Integrationszeit der Kamera
abhängig
und liegt typischerweise im kHz-Bereich oder darüber. Die Anpassungsschaltung 30 kann
in Verbindung mit dem Tiefpass 29 dazu genutzt werden,
eine gewünschte Kennlinie
für den
Zusammenhang zwischen der an der Schnittstelle 15 anliegenden
Spannung und dem vom LED-Array 32 abgegebenen Lichtfluss
zu erzeugen. Dazu kann sie einen entsprechenden nichtlinearen Verlauf
zwischen Eingang und Ausgang einbringen.
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Beispiele
für solche
Kennlinien sind in 5 angegeben. Damit lässt sich
die Kennlinie einer Halogenlampe exakt nachbilden, aber auch gezielt
ein linearer Verlauf oder anderes einbringen.
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Die
Erfindung ist nicht an die dargestellten Ausführungsbeispiele gebunden, fachmännische Weiterentwicklungen
z.B. durch andere Schaltungsvarianten führen nicht zu einem Verlassen
des Schutzbereiches.