-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flächenlichtquelle für eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung eines Mikroskops, insbesondere für solche mit kontinuierlich veränderbarer Vergrößerung, kurz Zoommikroskope genannt, insbesondere Stereomikroskope oder Makroskope.
-
Stand der Technik
-
In der
US 5,249,077 ist eine Dunkelfeld-Beleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop beschrieben, bei der Licht seitlich in einen plattenförmigen Lichtleiter eingestrahlt und durch Totalreflexion darin transportiert wird. Das zu untersuchende Objekt wird in einem transparenten Medium auf der Oberseite eingebettet, so dass Licht das Objekt erreichen und daran gestreut werden kann.
-
Aus dem Stand der Technik sind Flächenlichtquellen für eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung eines Mikroskops bspw. aus der
DE 10 2004 017 694 B3 oder der
US 7,554,727 B2 bekannt. Sie werden unterhalb der Präparatebene angeordnet. Der Abstand zwischen Flächenlichtquelle und Präparat wird so groß gewählt, dass das Präparat vollständig ausgeleuchtet wird und die Struktur der Leuchtmittel in der Präparatebene nicht mehr erkennbar ist. Im Stand der Technik ist die Bauhöhe der Durchlichtbasis jedoch zu groß. Ergonomische Gesichtspunkte werden nicht berücksichtigt. Um eine flache Durchlichtbeleuchtungseinrichtung für Mikroskope, beispielsweise Stereomikroskope und Mikroskope, realisieren zu können, besteht der Wunsch, das Kernelement, die Lichtquelle, möglichst flach zu bauen, dabei jedoch Licht homogen abzustrahlen. Beispielsweise wird in der
DE 10 2004 017 694 B3 der Einsatz einer Streuscheibe über der Lichtquelle zur Homogenisierung gelehrt, was sich jedoch negativ auf die Bauhöhe und die Effizienz des Leuchtmittels auswirkt.
-
Es ist daher wünschenswert, eine möglichst flache, aber dennoch homogene Durchlichtbeleuchtungseinrichtung für ein Mikroskop anzugeben.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird eine Flächenlichtquelle für eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung eines Mikroskops mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgestellt.
-
Die Erfindung 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. 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 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.
-
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 kegelstumpfförmigen 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.
-
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.
-
Mit der Erfindung kann eine Flächenlichtquelle für eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung eines Mikroskops 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.
-
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung führt zu einer Trennung der Wärmerzeugung vom Ort der genutzten Lichtemission. Diese Trennung ermöglicht eine weitgehend temperaturneutrale Beleuchtung der Probe. Gerade bei der Realisierung einer großflächigen Lichtquelle erweist sich diese Anordnung als vorteilhaft, da die notwendige Lichtleistung der Leuchtmittel mit dem Quadrat des Durchmessers der emittierenden Fläche ansteigt. Die Positionierung der Abstrahlfläche unterhalb der Probe führt daher nicht zwangsläufig zu einer Erwärmung der Probe, da die Wärme erzeugenden Leuchtmittel seitlich entfernt von der Probe angeordnet sind. Die entstehende Wärme kann mit der erfindungsgemäßen Anordnung besser abgeführt werden.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
-
Der Lichtleiter ist flach, so dass seine Höhe geringer als seine Lateralerstreckung ist, insbesondere zumindest um das Zehnfache. Dadurch wird die notwendige Bauhöhe klein gehalten und die Objektebene, welche oberhalb der Flächenlichtquelle liegt, wandert nicht zu weit nach oben.
-
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 verbunden 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 n1 zur Achse hin gebrochen. Danach wird es an den Außenseiten entweder totalreflektiert oder ausgekoppelt. Für den Akzeptanzwinkel α, der den maximalen Winkel beschreibt, unter welchem Licht auf den Lichtleiter einfallen darf, so dass es noch geleitet wird, gilt: sin2(α) = n12 – 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 α den gesamten Halbraum, sobald der Brechungsindex der Platte n1 > √2 ≈ 1,41 gewählt wird. Durch Vorgabe des Brechungsindex n2 > 1 des die Totalreflexion störenden Elements wird der Teil des Winkelbereichs ausgekoppelt, für welchen sin2(α) ≥ n12 – n22 erfüllt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform gilt 1 < n2 < n1, 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 Reflexionsgrad 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 Leuchtelements (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 zwei oder mehr Seitenflächen besonders einfach jeweils mit einem Leuchtmittel ausgestattet 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.
-
Zweckmäßigerweise ist auf der Oberseite eine Blende zur Definition einer Abstrahlfläche vorgesehen. Ist die Blende zusätzlich auf der der oberen Grenzfläche 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 eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
-
Figurenbeschreibung
-
1a zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flächenlichtquelle in einer Draufsicht.
-
1b zeigt die Flächenlichtquelle gemäß 1a in einer Querschnittsansicht.
-
2 und 3 zeigen weitere bevorzugte Ausführungsformen erfindungsgemäßer Flächenlichtquellen in einer Draufsicht.
-
In den 1 bis 3 sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Die 1a und 1b, in denen eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flächenlichtquelle in einer Draufsicht bzw. in einer Querschnittsansicht dargestellt ist, werden im Folgenden zusammenhängend und übergreifend beschrieben.
-
In 1 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flächenlichtquelle für eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 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 Lateralerstreckung 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 Kontaktfläche 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·√(n2 – 1) vom Rand des Lichtleiters statt (vgl. 1a). 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 Mikroprismenplatte 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 Geometrie 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 Durchlichtbeleuchtung einer darüber angeordneten Probe 1 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 2 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 3 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 Leuchtmitteln 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 Halterungen, Kühlkörpern usw. auf einfache Weise zulassen.
