DE3734691A1 - Beleuchtungsvorrichtung fuer mikroskope - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für Mikroskope.

Es ist bekannt, als Beleuchtungsvorrichtung für Mikroskope Wolfram- Lampen, Halogenlampen usw. als Lichtquellen zu verwenden. Diese Be­ leuchtungsvorrichtungen haben jedoch den Nachteil einer hohen Wärme­ leistung, eines hohen Leistungsbedarfes, einer geringen Lebensdauer, eines niedrigen Widerstandes gegen Schwingungen, eines hohen Raum­ bedarfes sowie eines hohen Gewichtes. Diese bekannten Beleuchtungs­ vorrichtungen für Mikroskope sind daher wenig geeignet für lang­ fristigen Betrieb in geschlossenen Räumen, beispielsweise in Labors, so wie sie in Satelliten verwendet werden.

In der Mikroskopie erfordern die verschiedenen Beleuchtungsarten wie Hellfeldbeleuchtung, Dunkelfeldbeleuchtung, Schräglichtbeleuchtung sowie ringförmige Beleuchtung außerdem besondere optische Komponenten, beispielsweise Ringblenden oder Schirmblenden, was den Betrieb kompliziert macht und hohe Kosten zufolge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungsvorrichtung für Mikroskope zu schaffen, die sich für langfristigen Betrieb in geschlossenen Räumen eignet, die die Anwendung aller möglicher Be­ leuchtungsarten bei einfacher Durchführung erlaubt, und die sich bei geringen Herstellungskosten ohne zusätzliche optische Bauteile herstellen läßt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die folgenden Komponenten gelöst: Eine punktförmige Lichtquelle (spot light), bestehend aus einem einzigen Halbleiter und/oder einer Flächenlichtquelle, bestehend aus einer Anzahl von Halbleiter-Lichtquellen, die in zwei Dimensionen angeordnet sind, einen Regelkreis zum selektiven Einschalten des spot lights und/oder einiger oder aller Halbleiter-Lichtquellen in der genannten Flächenlichtquelle, und ein optisches System zum Sammeln und übertragen von Licht, das von dem spot light und/oder der Flächen­ lichtquelle ausgesandt wurde.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine geschliffene Glasplatte auf der Vorderfläche der Flächenlichtquelle angeordnet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Beleuchtungsvorrichtung mit einer Mehrzahl von spot lights und/oder Flächenlichtquellen aus­ gerüstet, die Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen emittieren.

Die Beleuchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist kompakt im Auf­ bau, gering von Gewicht, hat einen kleinen Leistungsbedarf, erzeugt wenig Wärme, hat eine hohe Lebensdauer, hält Vibrationsbelastungen hervorragend stand, ist geeignet für Langzeitbetrieb in geschlossenen Räumen, erlaubt alle denkbaren Beleuchtungsverfahren in einfacher Anwendung und läßt sich zu geringen Kosten ohne zusätzliche spezielle optische Komponenten herstellen. Die Beleuchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung hat weiterhin den Vorteil, daß sie Beobachtungsver­ fahren ermöglicht, die mit herkömmlichen Mikroskopen nicht möglich sind, und zwar durch das Kombinieren von Halbleiter-Lichtquellen verschiedener Wellenlängen.

Die Beleuchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung läßt sich in be­ sonderen Umgebungen anwenden, beispielsweise in Vakuum oder im All.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt.

Fig. 1 zeigt in schematischer Ansicht eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung für Mikroskope.

Fig. 2, 3A und 3B sind Draufsichten auf Flächenlichtquellen bzw. ein weiteres Beispiel einer Flächenlichtquelle.

Fig. 4 ist eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles eines optischen Beleuchtungssystemes gemäß der Erfindung.

Fig. 5 ist wieder eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Flächenlichtquelle gemäß der zweiten Ausführungsform.

Fig. 5A bis 5F veranschaulichen in Draufsicht drei Modulations­ mittel, die voneinander verschieden sind, und die beim zweiten Ausführungsbeispiel angewandt werden bzw. Zündverfahren (ignition modes) der Flächenlichtquelle entsprechend den drei Modulationsmitteln.

Fig. 6 zeigt in Seitenansicht eine dritte Ausführungsform des optischen Beleuchtungssystems gemäß der Erfindung.

Fig. 7 und 8 sind Seitenansichten einer vierten bzw. fünften Ausführungsform des optischen Beleuchtungssystemes gemäß der Erfindung.

Fig. 9 zeigt eine sechste Ausführungsform des optischen Beleuchtungs­ systemes gemäß der Erfindung.

Fig. 10 ist eine Draufsicht auf eine weitere Anordnung der jeweiligen Flächenlichtquellen in einer sechsten Ausführungsform.

Fig. 11 ist eine Seitenansicht einer siebten Ausführungsform des optischen Beleuchtungssystemes gemäß der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsform des optischen Be­ leuchtungssystemes gemäß der Erfindung ist in ihrem grundsätzlichen Aufbau ein sogenanntes Köhler-System. Dieses System benutzt im vor­ liegenden Falle eine Flächenlichtquelle 2, bestehend aus einer Halb­ leiter-Lichtquelle 1, beispielsweise einer LED oder Laser-Diode, angeordnet in zwei Dimensionen, anstelle der gewöhnlichen Halogen­ lampe. Das aus Flächenlichtquelle 2 emittierte Licht wird von einer Sammellinse 3 gesammelt, tritt sodann durch eine Feldblende 4 hin­ durch, wird als Bild der Flächenlichtquelle 2′ in der Position einer Aperturblende 5 fokussiert, und zwar in der Nähe der vorderen Brenn­ ebene einer Kondenserlinse 6. Das fokussierte Bild der Flächenlicht­ quelle arbeitet als zweite Lichtquelle, und das von dieser Licht­ quelle emittierte Licht tritt durch die Kondenserlinse 6 hindurch und beleuchtet in Form von annähernd parallelen Strahlen eine Probe 7. Das durch die Probe 7 hindurchgetretene Licht fällt auf eine Objektivlinse 8 eines Mikroskopes zum Vergrößern des Bildes von Probe 7 auf. Jede Halbleiter-Lichtquelle 1 der Flächenlichtquelle 2 ist an jeden Schalter 10 in einer Schaltereinheit 9 angeschlossen, ferner an eine Leistungsquelle 11 zum Zünden einer jeden Halbleiter- Lichtquelle 1 mittels der Schaltereinheit 9. Die einzelnen Schalter 10 in der Schaltereinheit 9 werden durch einen Schaltregler 12 einge­ schaltet, der die verschiedenen Beleuchtungsarten selektiv ermittelt, um entsprechende Halbleiter-Lichtquellen 1 zu zünden. Schalteinheit 9, Leistungsquelle 11 und Schaltregler 12 bilden eine Regelschaltung C. Die Regelschaltung C kann mit einer Lichtjustiervorrichtung zum Einstellen der Helligkeit der Lichtquelle 1 ausgestattet sein.

Die in Fig. 2 dargestellte Flächenlichtquelle 2 umfaßt sieben Halb­ leiter-Lichtquellen 1 in zwei Dimensionen. Es wird bei der folgenden Beschreibung unterstellt, daß die Halbleiter-Lichtquelle 1-1 auf der optischen Achse angeordnet ist.

Im folgenden werden lichtemittierende Muster der Flächenlichtquelle 2 bei verschiedenen Beleuchtungsmethoden beschrieben:

• 1. Hellfeldbeleuchtung alle sieben Halbleiter-Lichtquellen 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, 1-6 und 1-7 werden gezündet.
• 2. Dunkelfeldbeleuchtung oder ringförmige Beleuchtung sechs Halbleiter-Lichtquellen 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, 1-6 und 1-7 außer der Halbleiter-Lichtquelle 1-1 werden gezündet.
• 3. Schräglichtbeleuchtung eine oder einige der Halbleiter-Lichtquellen außerhalb der optischen Achse und außer Halbleiter-Lichtquelle 1-1 werden gezündet, beispielsweise 1-2 oder 1-2 und 1-3.

Durch selektives Zünden so wie oben beschrieben einer Anzahl von Halbleiter-Lichtquellen 1 mit Schaltregler 12 und Schalteinheit 9 in Regelschaltung C sind verschiedene Beleuchtungsarten ohne herkömm­ liche spezielle optische Komponenten verfügbar. Werden die Halbleiter- Lichtquellen 1 als Lichtquelle, wie oben beschrieben, verwendet, so hat das optische Beleuchtungssystem die Vorteile einer geringen Wärmeerzeugung, eines geringen Leistungsbedarfes, einer hohen Lebens­ dauer, eines guten Widerstandes gegen Vibration, eines geringen Raumbedarfes und eines geringen Gewichtes; es ist gleichzeitig geeig­ net für langfristigen Betrieb in geschlossenen Räumen.

Das in Fig. 3 gezeigte Beispiel der Flächenlichtquelle 2 ist als eine on-chip-Flächenlichtquelle ausgeführt, bestehend aus einer Mehr­ zahl von Halbleiter-Lichtquellen 1 (mit einem Durchmesser von einigen -zig Mikrometer bis mehrere hundert Mikrometer), angeordnet in zwei Dimensionen auf einem Halbleiter-chip von mehreren Quadratmillimetern.

Das in Fig. 3B dargestellte Ausführungsbeispiel der Flächenlicht­ quelle 2 weist eine Mehrzahl von Halbleiter-Lichtquellen auf, die Rotlicht, Grünlicht, Blaulicht und dergleichen zu emittieren ver­ mögen und die in zwei Dimensionen angeordnet sind. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel läßt sich die Flächenlichtquelle mit verschiedenen Arten von Farblicht dadurch herstellen, daß man die Regelschaltung C betreibt, statt des Umschaltens auf verschiedene Filter bei her­ kömnmlichen Beleuchtungsvorrichtungen.

Bei der in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsform ist das optische Beleuchtungssystem dadurch aufgebaut, daß die Aperturblende 5 aus dem optischen System gemäß Fig. 1 entfallen ist und daß eine Objektivlinse 8 verwendet wird, mit verschiedenen Modulationsmitteln 8′, die in einer zur Flächenlichtquelle 2 konjugierten Position angeordnet sind. Bei diesem System ist die Flächenlichtquelle 2, wie in Fig. 5 gezeigt, dadurch gebildet, daß Halbleiter-Lichtquellen koaxial um die Halbleiter-Lichtquelle 1-1 herumgruppiert sind, die ihrerseits auf der optischen Achse in der gleichen Weise wie in Fig. 2 angeordnet ist. Lichtemittierende Muster dieser Flächenlicht­ quelle, die durch die Regelschaltung C geregelt werden können, lassen sich wie folgt beschreiben:

• 1. Hellfeldbeleuchtung
  Die Größe der Flächenlichtquelle 2 wird verändert, indem man von der Außenseite die koaxial angeordneten Halbleiter-Lichtquellen herausnimmt, um eine Anpassung an die Größe einer Aperturblende zu erlauben, die durch Verändern der Vergrößerung der Objektiv­ linse 8 verändert wird.
• 2. Phasenkontrastbeleuchtung
  Die Objektivlinse 8 umfaßt eine Phasenplatte als Modulationsmittel 8′. Die Fig. 5A und 5C zeigen die Phasenplatten 8′, die bei der Objektivlinse 8 verwendet werden, bezüglich der Vergrößerung verschieden, und die Fig. 5B und 5D zeigen die Flächenlichtquellen 2, die derart gezündet werden, daß sie den in den Fig. 5A und 5B gezeigten Phasenplatten 8′ entsprechen.
• 3. Modulationskontrastbeleuchtung nach Hoffman (US-PS 42 00 353)
  Die Objektivlinse 8 umfaßt einen Modulationsfilm als Modulations­ mittel 8′. Fig. 5E zeigt den Modulationsfilm 8′, der einen halb­ transparenten Bereich 8′ a und einen lichtunterbrechenden Bereich 8′ b umfaßt; Fig. 5F zeigt die Flächenlichtquelle 2, die derart gezündet wird, daß sie diesem Modulationsfilm 8′ entspricht. Sämtliche oder einige der Halbleiter-Lichtquellen, die in der Flächenlichtquelle 2 nicht gezündet werden, können gezündet werden, um eine Kontraständerung herbeizuführen.

Fig. 6 veranschaulicht die dritte Ausführungsform der Erfindung, wobei ein optisches Kompakt-Beleuchtungssystem eine kleine Flächen­ lichtquelle 2 in der Position der Aperturblende 5 umfaßt, während die Kondensorlinse 3 und die Feldblende 4 entfallen sind.

Die Fig. 7 und 8 zeigen die vierte bzw. fünfte Ausführungsform der Erfindung. Hierbei ist eine geschliffene Glasplatte 14 zum Ver­ meiden einer Beleuchtungs-Ungleichförmigkeit der Flächenlichtquelle 2 auf der Frontfläche (d. h. auf der Seite der Objektivlinse der Flächenlichtquelle 7 angeordnet.

Fig. 9 veranschaulicht die sechste Ausführungsform der Erfindung. Hierbei haben die Flächenlichtquellen 2-1, 2-2 und 2-3 unterschied­ liche Lichtwellenlängen (beispielsweise rot, grün und blau); sie sind in Positionen angeordnet, die optisch zueinander konjugiert sind. Durch Auswahl verschiedener lichtemittierender Muster bezüglich der einzelnen Flächenlichtquellen, d. h. durch Anwenden der Flächen­ lichtquellen 2-1 und 2-2 als Hellfeld-Beleuchtungsquellen, und bei­ spielsweise der Flächenlichtquelle 2-3 als Dunkelfeld-Beleuchtungs­ lichtquelle ist es möglich, eine Probe gleichzeitig auf verschiedene Bleuchtungsweisen zu betrachten. Der in Fig. 9 dargestellte dichroische Spiegel 15-1 hat die Funktion, Licht aus der Flächenlichtquelle 2-1 zu übertragen und Lichtstrahlen aus den Flächenlichtquellen 2-2 und 2-3 zu reflektieren, während der dichroische Spiegel 15-2 die Funktion hat, Licht aus der Flächenlichtquelle 2-3 zu übertragen und Licht aus der Flächenlichtquelle 2-2 zu reflektieren.

Fig. 10 zeigt die Zuordnung der verschiedenen Flächenlichtquellen 2-1, 2-2 und 2-3, wobei die Halbleiter-Lichtquellen in der höchsten Dichte angeordnet sind. Gemäß dieser Anordnung sind Lücken zwischen den Halbleiter-Lichtquellen in jeder Flächenlichtquelle von den Halb­ leiter-Lichtquellen in der anderen Flächenlichtquelle ausgefüllt. Eine relativ helle, gleichförmige Beleuchtung läßt sich daher er­ zielen, ohne daß eine geschliffene Glasplatte verwendet wird.

Bei der in Fig. 11 dargestellten, siebten Ausführungsform der Er­ findung wird ein optisches System zum Beobachten des Wachstums eines Kristalles 17 (beispielsweise KAP) in einer Lösung verwendet, die die sich ihrerseits in einem geschlossenen Behälter befindet. Das optische System besteht aus einem Differential-Interferenz-Mikroskop 18 (Nomarski-Mikroskop) zum Beobachten der Kristallfläche (das in der Zeichnung vertikal dargestellte optische System), und einem optischen System 19 nach Schlieren zum Betrachten der Konzentrations­ verteilung der Lösung rund um den Kristall (optische Variation des Brechungsindex). Das optische System des Differential-Interferenz- Mikroskops 18 besteht aus einem optischen Beleuchtungssystem, um­ fassend eine Flächenlichtquelle 2, die eine Anzahl von roten LEDs umfaßt, einen Polarisator 18 a, ein Differential-Interferenz-Prisma 18 b und eine Kondenserlinse 6, ferner ein optisches Abbildungssystem mit einer Objektivlinse 8, einem Differential-Interferenz-Prisma 18 c, einem Analysator 18 d und einer Bildlinse 18 e. Das optische System 19 gemäß Schlieren besteht aus einem optischen Beleuchtungssystem mit einer einzigen Rotlicht-LED 1, einer Kondenserlinse 6, einer sogenannten Pinhole 19 a und einem Collimator 19 b mit einer Schlieren- Linse, und ein optisches Abbildungssystem mit einer Schlierenlinse 19 c, einer Messerkante 19 d sowie einer Bildlinse 19 e. Diese optischen Systeme 18 und 19 wenden LEDs mit einer superhohen Helligkeit an (beispielsweise H-3000, hergestellt von Stanley Electric Co., Ltd.) mit einer Rotlichtwellenlänge 660 nm und einer Helligkeit von 3000 mcd, oder Infrarotdioden mit einem superhohen Ausgang DN 305 (Wellenlänge 850 nm, Strahlungsausgang 80 mW/sr). Ein Prototyp der sechsten Ausführung der Erfindung arbeitete optisch tadellos. Das optische Mikroskopsystem 18 wies eine Brennlänge von 135 nm der Bild­ linse 18 e auf, eine zehnfache Vergrößerung, ein NA von 0,25 sowie einen Arbeitsabstand von 12 mm der Objektivlinse 8. Bei dem optischen System nach Schlieren hatte die Pinhole 19 a einen Durchmesser von 0,8 mm.

Claims (11)

1. Beleuchtungsvorrichtung für Mikroskope, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flächenlichtquelle (2) mit einer Mehrzahl von Halbleiter- Lichtquellen (1, 1-1 . . . 1-7) in zwei Dimensionen angeordnet ist, daß eine Regelschaltung (C) an die Flächenlichtquelle angeschlossen ist und einige oder sämtliche Halbleiter-Lichtquellen zündet in Verbindung mit der Auswahl des Beleuchtungsmodus, und daß ein optisches Beleuchtungssystem (3-6) mit der Flächenlichtquelle fluchtend angeordnet ist und das aus der Flächenlichtquelle emittierte Licht sammelt und überträgt.

2. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Mehrzahl der Halbleiter-Lichtquellen auf der optischen Achse des optischen Systemes angeordnet ist, und daß die übrigen Halbleiter-Lichtquellen auf einem Kreis angeordnet sind, der koaxial zur optischen Achse verläuft (Fig. 2).

3. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenlichtquelle mit einem ringförmigen Muster gezündet werden kann, der koaxial zur optischen Achse des optischen Systemes verläuft.

4. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenlichtquelle mit einem geradlinigen Muster gezündet werden kann, parallel zum Durchmesser des genannten Kreises.

5. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der Halbleiter-Lichtquellen im Quadrat angeordnet sind (Fig. 3).

6. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine geschliffene Glasplatte (14) unmittelbar vor der Flächen­ lichtquelle angeordnet ist (Fig. 5 und 6).

7. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenlichtquelle eine Mehrzahl von Halbleiter-Lichtquellen umfaßt, um Rotlicht zu emittieren, daß eine Mehrzahl von Halb­ leiter-Lichtquellen Grünlicht emittiert, und daß eine Mehrzahl von Halbleiter-Lichtquellen Blaulicht emittiert.

8. Beleuchtungseinrichtung mit einer ersten Flächenlichtquelle (2-1), umfassend eine Mehrzahl von Halbleiter-Lichtquellen, die in zwei Dimensionen angeordnet sind, eine zweite Flächenlicht­ quelle (2-2), die Licht emittiert, daß eine von jenem der ersten Flächenlichtquelle unterschiedliche Wellenlänge aufweist und eine Mehrzahl von Halbleiter-Lichtquellen umfaßt, eine dritte Flächen­ lichtquelle (2-3), das Licht emittiert, das eine Wellenlänge hat, die unterschiedlich gegenüber jenen der ersten und der zweiten Flächenlichtquelle ist und eine Mehrzahl von Halbleiter-Licht­ quellen umfaßt, mit einer ersten Regelschaltung (C), die an die erste Flächenlichtquelle angeschlossen ist und selektiv einige oder alle der genannten Mehrzahl von Halbleiter-Lichtquellen zündet, die die erste Flächenlichtquelle bildet, in Verbindung mit der Auswahl des Beleuchtungsmodus, mit einer zweiten Regel­ schaltung (C), die an die zweite Flächenlichtquelle angeschlossen ist und selektiv einige oder alle der Mehrzahl von Halbleiter- Lichtquellen zündet, die die zweite Flächenlichtquelle bildet, und die außerdem die Auswahl des Beleuchtungsmodus trifft, mit einer dritten Regelschaltung (C), die an die dritte Flächenlicht­ quelle angeschlossen ist und selektiv einige oder alle der ge­ nannten Mehrzahl von Halbleiter-Lichtquellen zündet, die die dritte Flächenlichtquelle bilden, und die außerdem den Beleuchtungs­ modus auswählt, mit optischen Mitteln (15-1, 15-2), die der ersten, der zweiten und der dritten Flächenlichtquelle gegenüberliegend angeordnet sind und die Lichtstrahlen aus der ersten, der zweiten und der dritten Flächenlichtquelle in demselben optischen Strahlen­ gang einleiten, und schließlich mit einem optischen System (3-6), das auf der optischen Achse der genannten optischen Mittel angeordnet ist und das Lichtstrahlen aus der ersten, der zweiten und der dritten Flächenlichtquelle, die gezündet werden, sammelt und überträgt.

9. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Flächenlichtquelle Rotlicht emittiert, daß die zweite Flächenlichtquelle Grünlicht emittiert, und daß die dritte Flächenlichtquelle Blaulicht emittiert.

10. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, die zweite und die dritte Flächenlichtquelle derart angeordnet sind, daß beim Einleiten der Lichtstrahlen aus diesen Quellen durch die optischen Mittel in denselben optischen Strahlen­ gang eine Mehrzahl von Zwischenräumen zwischen den einzelnen Lichtbündeln, welche jeweils aus den Halbleiter-Lichtquellen aus­ treten, die die drei Flächenlichtquellen bilden, ausgefüllt wird durch Lichtbündel, die jeweils aus der Mehrzahl von Halbleiter- Lichtquellen austreten, die ihrerseits die anderen der genannten drei Flächenlichtquellen bilden.

11. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses ein zweites optisches System umfaßt, das aus einer einzigen Halbleiter-Lichtquelle (1), einer Kondenserlinse (6), einer Pinhole (19 a) und einem Collimator (19 b) besteht, die auf­ einanderfolgend angeordnet sind, und daß das zweite optische System eine optische Achse hat, die sich mit der optischen Achse des genannten optischen Systems rechtwinklig schneidet.