DE3624687A1 - Illuminating device for microscopes and projectors - Google Patents

Illuminating device for microscopes and projectors

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

The invention relates to an illuminating device for microscopes and projectors with the aim chiefly of increasing measurement accuracy. The main object is to achieve uniform illumination of the aperture stop as well as of the measuring our focussing plane. The illuminating device comprises a light source downstream of which are arranged an optical fibre bundle and a light-guiding body between which at least one curved, imaging optical surface is located which matches the transmission aperture of the optical fibre bundle to that of the light-conducting body. This at least one optical surface is implemented by an intermediate optical imaging system or by a concave light entry surface on the light-guiding body. The light exit surface of the light-guiding body is implemented by a plane or curved surface. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung für Mikroskope oder Projektoren, insbesondere für Meßmikroskope oder Meßprojektoren, die mit optoelektronischer Bildauswertung arbeiten.The invention relates to a lighting device for Microscopes or projectors, in particular for measuring microscopes or measuring projectors with optoelectronic image evaluation work.

Es sind Beleuchtungseinrichtungen aus der DE-OS 31 51 108 und DE-OS 31 47 998 bekannt, bei denen zur gleichmäßigen Ausleuchtung einer Aperturblende ein Lichtleitfaserbündel und unmittelbar daran angeschlossen, ein Lichtleitkörper zur Homogenisierung des aus dem Lichtleitfaserbündel austretenden Lichtes vorgesehen sind. Dieser Lichtleitkörper ist dabei unterschiedlich gestaltet, z. B. zylindrisch oder kegelig. Lichteintritts- und -austrittsflächen der Lichtleitkörper sind eben und besitzen einen runden oder viereckigen Querschnitt. Die Lichteintrittsfläche des Lichtleitkörpers schließt sich ohne Zwischenschaltung weiterer abbildender Flächen oder Elemente unmittelbar an die Lichtaustrittsfläche des Lichtleitfaserbündels an.There are lighting devices from DE-OS 31 51 108 and DE-OS 31 47 998 known in which for uniform Illumination of an aperture diaphragm an optical fiber bundle and directly connected to it, a light guide for homogenizing the emerging from the optical fiber bundle Light are provided. This light guide is designed differently, e.g. B. cylindrical or conical. Light entry and exit surfaces of the light guide body are flat and have a round or square shape Cross-section. The light entry surface of the light guide body closes without the interposition of more imaging surfaces or elements directly to the light exit surface of the optical fiber bundle.

Diese Einrichtungen besitzen vor allem zwei grundsätzliche Nachteile. Bei Benutzung eines zylindrischen Lichtleitstabes als Lichtleitkörper wird dessen Lichtleitvermögen nur teilweise ausgenutzt, da der Lichtleitstab mit Totalreflexion an der Grenzfläche Glas/Luft eine größere Apertur übertragen kann als ein Lichtleitfaserbündel, in dessen Einzelfasern Totalreflexionen an der Grenzfläche Faserkern/ Fasermantel erfolgen. Lichtleitkörper mit verspiegelter Mantelfläche besitzen relativ hohe Lichtverluste, die mit wachsender Zahl der Reflexionen sehr schnell anwachsen. Lichtleitkörper mit vergrößerter Lichtaustrittsfläche sind bezüglich der Lichtmischung ungünstig, da bei ihnen die Zahl der Lichtreflexionen längs des Körpers vermindert ist. Lichtleitkörper mit verkleinerter Lichtaustrittsfläche erschweren die Realisierung genauer Aperturblenden an der Austrittsfläche.Above all, these facilities have two basic ones Disadvantage. When using a cylindrical light guide rod its light-conducting capacity is only used as a light-guiding body partially used because the light guide rod with total reflection  transmit a larger aperture at the glass / air interface can be used as an optical fiber bundle, in its individual fibers Total reflections at the fiber core / interface Fiber sheath done. Light guide body with mirrored Shell surface have relatively high light losses with growing number of reflections grow very quickly. Light guide body with enlarged light exit area are unfavorable in terms of light mixing because of them the number of light reflections along the body is reduced is. Light guide body with a smaller light exit surface complicate the realization of accurate aperture diaphragms on the exit surface.

Ein weiterer Nachteil ergibt sich bei Anwendung der bekannten Einrichtungen bei Mikroskopen mit veränderlicher Lage der Einstellebene oder Meßebene des Mikroskopes zur Beleuchtungseinrichtung, wie sie bei Meßmikroskopen mit starr eingebauter Durchlichtbeleuchtungseinrichtung beim Messen von Meßobjekten unerschiedlicher Höhe bzw. Dicke auftritt. In diesem Falle liegt eine zur Einstellebene konjugierte Ebene ortsveränderlich im Lichtleitkörper oder in dessen Nähe. Insbesondere kann diese Ebene auch mit der Lichtaustrittsfläche des Lichtleitbündels zusammenfallen. Da sich die Ausleuchtung der zur Einstellebene konjugierten Ebene längs des Lichtleitkörpers im Sinne zunehmender Homogenisierung von der Lichteintritts- zur Lichtaustrittsfläche ändert, resuliert hieraus eine unterschiedliche Ausleuchtung unterschiedlicher Einstell- oder Meßebenen am Meßobjekt, was bei optoelektronischer 3-D-Messung zu systematischen Meßfehlern führen kann. Fällt die konjugierte Ebene mit der Lichtaustrittsfläche des Lichtleitbündels zusammen, so erscheint dessen Struktur in der Einstellebene des Mikroskopes, was zu systematischen Fehlern bei optoelektronischer Bildauswertung führt. Another disadvantage arises when using the known Devices in microscopes with variable Position of the setting plane or measuring plane of the microscope Illumination device such as that used in measuring microscopes rigid built-in transmitted light illumination device at Measuring objects of different heights or thicknesses occurs. In this case there is a conjugate to the setting level Level changeable in the light guide or in its proximity. In particular, this level can also with the The light exit surface of the light guide bundle collapse. Because the illumination of the conjugate to the setting level Level along the light guide body in the sense of increasing Homogenization from the light entry to the light exit surface changes, a different one results from this Illumination of different setting or measuring levels on Measurement object, which is too systematic in optoelectronic 3-D measurement Can lead to measurement errors. Falls conjugated Level with the light exit surface of the light guide bundle together, its structure appears on the setting level of the microscope, causing systematic errors optoelectronic image evaluation leads.  

Es ist der Zweck der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und die Meß-Genauigkeit bei Meßmikroskopen zu erhöhen.It is the purpose of the invention, the disadvantages of the prior art the technology to eliminate and the measuring accuracy in measuring microscopes to increase.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungseinrichtung für Mikroskope oder Projektoren zu schaffen, welche eine sehr gleichmäßige Ausleuchtung der Aperturblende bei gleichzeitiger guter Ausleuchtung der Einstellebene gestattet.The invention has for its object a lighting device to create for microscopes or projectors, which is a very uniform illumination of the aperture diaphragm permitted with good illumination of the setting level.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Beleuchtungseinrichtung für Mikroskope oder Projektoren, insbesondere für Meßmikroskope oder Meßprojektoren, mit einer Lichtquelle, welcher ein Lichtleitfaserbündel und ein Lichtleitkörper nachgeordnet sind, dadurch gelöst, daß zwischen Lichtleitfaserbündel und Lichtleitkörper mindestens eine gekrümmte, abbildende, die Übertragungsapertur des Lichtleitfaserbündels an die durch den Lichtleitkörper maximal übertragbare Apertur anpassende, optische Fläche vorgesehen ist, derart, daß im Lichtleitköprer eine Aperturvergrößerung in Relation zur Lichtleitfaser existiert.According to the invention, this object is achieved with a lighting device for microscopes or projectors, in particular for measuring microscopes or projectors, with a light source, which is an optical fiber bundle and an optical fiber body are subordinate, solved in that between optical fiber bundles and light guide body at least one curved, imaging, the transmission aperture of the optical fiber bundle to the maximum transferable by the light guide body Aperture-matching optical surface is provided, such that in the light guide body an aperture enlargement in relation to the optical fiber exists.

Zur Verbesserung der Ausleuchtung der Einstell- oder Meßebene des Mikroskopes und zur Verschiebung einer im Lichtleitkörper oder in dessen Nähe liegenden, zur Einstellebene konjutierten Ebene von der Lichtaustrittsfläche des Lichtleitbündels weg ist es günstig, daß an oder in der Nähe der Austrittsfläche des Lichtleitkörpers mindestens eine gekrümmte, abbildende, optische Fläche im Strahlengang vorgesehen ist. Gleiches wird auch erreicht, wenn an der ebenen Lichtaustrittsfläche des Lichtleitstabes eine Plankonvexlinse mit ihrer ebenen Fläche befestigt ist. To improve the illumination of the setting or measuring level of the microscope and for moving one in the light guide or in the vicinity of it, to the setting level conjugate plane from the light exit surface of the Lichtleitbündels it is convenient that on or in the At least near the exit surface of the light guide body a curved, imaging, optical surface in the beam path is provided. The same is achieved if on the flat light exit surface of the light guide rod a plane convex lens is attached with its flat surface.  

Es ist außerdem vorteilhaft, wenn im Raum zwischen Lichtleitfaserbündel und Lichtleitkörper ein optisches Abbildungssystem oder eine Konkavlinse angeordnet ist.It is also advantageous if in the space between optical fiber bundles and light guide an optical imaging system or a concave lens is arranged.

Ferner ist es günstig, daß eine plankonkave Linse mit verspiegelter oder polierter Mantelfläche mit ihrer Planfläche fest an der Lichteintrittsfläche des Lichtleitkörpers angeordnet ist, wobei der Durchmesser der Linse gleich dem Durchmesser der Lichteintrittsfläche ist. Des gleichen ist es ferner vorteilhaft, daß die Lichteintrittsfläche des Lichtleitkörpers als abbildende Konkavfläche ausgebildet ist.It is also advantageous that a plano-concave lens with a mirrored or polished surface with its flat surface firmly arranged on the light entry surface of the light guide body where the diameter of the lens is equal to that The diameter of the light entry surface is. The same it is also advantageous that the light entry surface of the light guide body is formed as an imaging concave surface is.

Durch die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung wird in einfacher Weise eine weitere Verbesserung der Ausleuchtung der Aperturblende bei gleichzeitig verbesserter Ausleuchtung der Einstell- oder Meßebene des Mikroskopes erreicht. Es wird eine bessere Lichtmischung durch Vergrößerung der Anzahl der Reflexionen innerhalb des Lichtleitkörpers erreicht. Die Ausleuchtung der Meß- und Einstellebene ist weitgehend unabhängig von deren Lage zur Beleuchtungseinrichtung, was sich besonders günstig bei optoelektronischer Bildantastung bzw. - auswertung auswirkt.The lighting device according to the invention is used in a simple way to further improve the illumination the aperture diaphragm with improved illumination reached the setting or measuring level of the microscope. There will be a better light mixing by enlarging the Number of reflections within the light guide body reached. The illumination of the measuring and setting level is largely independent of their location to the lighting device, which is particularly favorable with optoelectronic Image sensing or evaluation affects.

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigenThe invention is explained below using exemplary embodiments will. Show in the accompanying drawing

Fig. 1 eine Beleuchtungseinrichtung als Schema mit Abbildungssystem, Fig. 1 shows an illumination device as a scheme with the imaging system,

Fig. 2 eine Beleuchtungseinrichtung mit Bikonkavlinse, Fig. 2 shows an illumination device with biconcave lens,

Fig. 3 eine Beleuchtungseinrichtung mit am Lichtleitkörper angeordneter Plankonkavlinse, Fig. 3 is a lighting device arranged on the light guide body plano-concave lens,

Fig. 4 eine Beleuchtungseinrichtung mit am Lichtleitkörper angeordneter Hohlfläche, Fig. 4 is a lighting device arranged on the light guide body concave surface,

Fig. 5 eine Beleuchtungseinrichtung mit Lichtleitkörper mit konvexer Lichtaustrittsfläche Fig. 5 shows a lighting device with a light guide body with a convex light exit surface

Fig. 6 eine Beleuchtungseinrichtung mit Lichtleitkörper mit an der Lichtaustrittsfläche angesetzter Plankonvexlinse. Fig. 6 is an illumination device having light guide bodies with attached on the light exit surface of plano-convex lens.

Die Beleuchtungseinrichtung nach Fig. 1 umfaßt eine Lichtquelle 1 und einen Lichtleitkörper 3, der als lichtleitendes Element einem Lichtleitfaserbündel 2 nachgeordnet ist. Zwischen dem Lichtleitfaserbündel 2 und dem Lichtleitkörper 3 ist mindestens eine gekrümmte, abbildende, die Übertragungsapertur α 1 des Lichtleitfaserbündels 2 an die durch den Lichtleitkörper 3 maximal übertragbare Apertur α 2 anpassende, optische Fläche vorgesehen, welche durch ein Zwischenabbildungssystem 4 realisiert wird. Dem Lichtleitkörper 3 ist ein Kollektor 5 im Strahlengang nachgeordnet.The illumination device of FIG. 1 comprises a light source 1 and a light guide body 3, which is arranged downstream of the light-guiding element an optical fiber bundle. 2 Between the optical fiber bundle 2 and the light guiding body 3 at least one curved, imaging, the transmission aperture α 1 of the optical fiber bundle 2 to the maximum transmissible through the optical waveguide 3 aperture α 2 adaptive optical surface is provided, which is realized by an intermediate imaging system. 4 The light guide body 3 is followed by a collector 5 in the beam path.

Zur Anpassung der Apertur des Lichtleitfaserbündels 2 an die Übertragungsapertur des Lichtleitkörpers 3 ist gemäß Fig. 2 eine Bikonkavlinse 6 im Raum zwischen dem Lichtleitfaserbündel 2 und dem Lichtleitkörper 3 angeordnet. Fig. 3 zeigt eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Plankonkavlinse 7, welche an der Lichteintrittsfläche des Lichtleitkörpers 3 mit ihrer Planfläche angekittet ist, wobei diese Plankonkavlinse 7 eine verspiegelte oder polierte Mantelfläche 8 besitzt und im Durchmesser mit dem des Lichtleitkörpers 3 übereinstimmt. Durch geeignete Glaskombination der angekitteten Linse und des Lichtleitstabes kann der Farbzerstreuung entgegengewirkt werden. Gemäß Fig. 4 ist die Lichteintrittsfläche des Lichtleitkörpers 3 als Konkavfläche 9 ausgebildet. Damit wird der Lichtleitkörper 3 zu einer "dicken Linse".To adapt the aperture of the optical fiber bundle 2 to the transmission aperture of the optical fiber body 3 , a biconcave lens 6 is arranged in the space between the optical fiber bundle 2 and the optical fiber body 3 according to FIG. 2. Fig. 3 shows an illumination device with a plano-concave lens 7, which is cemented to the light entrance surface of the optical waveguide 3 with its planar surface, said plano-concave lens 7 has a mirrored or polished lateral surface 8, and coincides with that of the light guide 3 in diameter. A suitable glass combination of the cemented lens and the light guide rod can be used to counteract the color dispersion. According to FIG. 4, the light entry surface of the light guide 3 is formed as a concave surface. 9 The light guide body 3 thus becomes a "thick lens".

Fig. 5 zeigt eine Beleuchtungseinrichtung, bei welcher dem Lichtleitfaserbündel 2 ein Lichtleitkörper 3 nachgeordnet ist, welcher eine konkave Lichteintrittsfläche 10 und eine konvexe Lichtaustrittsfläche 11 besitzt, die eine gekrümmte, abbildende, optische Fläche verkörpert. Diese abbildende Lichtaustrittsfläche 11 bildet eine zur Einstellebene 12 oder Meßebene konjugierte Ebene E 1 von der Lichtaustrittsfläche des Lichtleitbündels 1 fort in Richtung der Lichtaustrittsfläche 11 des Lichtleitkörpers 3 in eine Ebene E 1 ab. Betrag und Vorzeichen der gekrümmten Lichtaustrittsfläche 11 hängen von der nachgeschalteten Beleuchtungsoptik 13 bzw. der durch diese bestimmten Lage der konjugierten Ebene E 1 ab. Bei Lage der Ebene E 1, im Lichtleitkörper 3 ist eine konvexe Lichtaustrittsfläche 11 vorteilhaft. Fig. 5 shows a lighting device in which the optical fiber bundle 2 is disposed downstream of a light guide body 3, which has a concave light entry surface 10 and a convex light-emitting surface 11 has embodying a curved imaging optical surface. This imaging light exit surface 11 forms a plane E 1 conjugated to the setting plane 12 or measurement plane away from the light exit surface of the light guide bundle 1 in the direction of the light exit surface 11 of the light guide body 3 in a plane E 1 . The amount and sign of the curved light exit surface 11 depend on the downstream lighting optics 13 or the position of the conjugate plane E 1 determined by this. If the plane E 1 is located in the light guide body 3 , a convex light exit surface 11 is advantageous.

Gleiches wird mit einem Lichtleitkörper 3 erreicht, welcher an der Lichteintrittsseite eine Plankonkavlinse 14 und an der Lichtaustrittsseite eine mit ihrer ebenen Fläche angekittete Plankonvexlinse 15 bestzt (Fig. 6). Die angekittete Plankonvexlinse 15 kann ferner dazu benutzt werden, chromatische Abbildungsfehler im Beleuchtungsstrahlengang zu korrigieren.The same is achieved with a fiber-optic element 3, which at the light entrance side, a plano-concave lens 14 and on the light exit side of the angekittete with its flat surface plano-convex lens 15 bestzt (Fig. 6). The cemented plano-convex lens 15 can also be used to correct chromatic aberrations in the illumination beam path.

Zur weiteren Glättung der Intensitätsverteilung des Lichtes in der Aperturblende und in der Einstellebene bzw. Meßebene bei Meßmikroskopen können die gekrümmten Lichteintritts- bzw. Lichtaustrittsflächen des Lichtleitkörpers 3 mit einer Mattierung versehen sein.To further smooth the intensity distribution of the light in the aperture diaphragm and in the setting plane or measuring plane in measuring microscopes, the curved light entry or light exit surfaces of the light guide body 3 can be provided with a matting.

Claims (6)

1. Beleuchtungseinrichtung für Mikroskope oder Projektionen, insbesondere für Meßmikroskope oder Meßprojektoren, mit einer Lichtquelle, welcher ein Lichtleitfaserbündel und ein Lichtleitkörper nachgeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Lichtfaserbündel und Lichtleitkörper mindestens eine gekrümmte, abbildende, die Übertragungsapertur des Lichtleitfaserbündels an die durch den Lichtleitkörper maximal übertragbare Apertur anpassende, optische Fläche vorgesehen ist, derart, daß im Lichtleitkörper eine Aperturvergrößerung in Relation zur Lichtleitfaser existiert.1. Illumination device for microscopes or projections, in particular for measuring microscopes or projectors, with a light source, which are arranged downstream of an optical fiber bundle and a light guide body, characterized in that between the optical fiber bundle and the light guide body at least one curved, imaging, the transmission aperture of the optical fiber bundle to the through the light guide body optical surface adaptable to the maximum transferable aperture is provided, such that an aperture enlargement exists in relation to the optical fiber in the light guide body. 2. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an oder in der Nähe der Austrittsfläche des Lichtleitkörpers mindestens eine gekrümmte, abbildende, optische Fläche im Strahlengang vorgesehen ist.2. Lighting device according to claim 1, characterized in that on or near the exit surface of the light guide body at least one curved, imaging, optical Surface is provided in the beam path. 3. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Raum zwischen Lichtleitfaserbündel und Lichtleitkörper ein optisches Abbildungssystem oder eine Konkavlinse angeordnet ist.3. Lighting device according to claim 1, characterized in that in the space between the optical fiber bundle and Lichtleitkörper an optical imaging system or Concave lens is arranged. 4. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine plankonkave Linse mit verspiegelter oder polierter Mantelfläche mit ihrer Planfläche fest an der Lichteintrittsfläche des Lichtleitkörpers angeordnet ist, wobei der Durchmesser der Linse gleich dem Durchmesser der Lichteintrittsfläche ist.4. Lighting device according to claim 1, characterized in that a plano-concave lens with mirrored or polished surface with its flat surface the light entry surface of the light guide body arranged where the diameter of the lens is equal to the diameter is the light entry area. 5. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leichteintrittsfläche des Lichtleitkörpers als abbildende Konkavfläche ausgebildet ist. 5. Lighting device according to claim 1, characterized in that the light entry surface of the light guide body as an imaging Concave surface is formed.   6. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der ebenen Lichtaustrittsfläche des Lichtleitstabes eine Plankonvexlinse mit ihrer ebenen Fläche befestigt ist.6. Lighting device according to claim 2, characterized in that on the flat light exit surface of the light guide rod a plane convex lens is attached with its flat surface.
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