DE3734691C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Mikroskop.

Es ist bekannt, als Beleuchtungsvorrichtungen 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.

Eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem Gattungsbegriff ist aus der US 45 61 731 bekanntgeworden. Im einzelnen ist dort eine flächige Beleuchtungsvorrichtung für ein Durchlicht-Mikroskop gezeigt und dargestellt. Diese Vorrichtung ist senkrecht und symmetrisch zur optischen Achse des Mikroskopes angeordnet und besteht aus einer Mehrzahl von Halbleiterelementen. Diese sind individuell ansteuerbar, um ein gewünschtes Leuchtmuster in das Mikroskopobjektiv einzustrahlen. Ferner zeigt die Druckschrift die Verwendung monochromatischer Lichtquellen sowie die wahlweise Einstrahlung und Überlagerung von roten, blauen und grünen, nicht-polarisierten Lichtstrahlen.

Die AT 3 54 136 zeigt und beschreibt die Verwendung eines Lasers mit einer nachgeschalteten Mattscheibe in einem Durchlicht-Mikroskop.

Aus der DE 34 20 760 A1 ist eine flächige Beleuchtungsvorrichtung für ein Durchlicht-Mikroskop bekanntgeworden. Diese Vorrichtung ist ebenfalls senkrecht und symmetrisch zur optischen Achse des Mikroskops angeordnet und weist eine Mehrzahl von separaten Lichtquellen mit nachgeschalteter Mattscheibe auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung im Hinblick auf eine flexible Gestaltung der Beleuchtungsstrukturen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-4.

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 Modulationen, die voneinander verschieden sind, und die beim zweiten Ausführungsbeispiel angewandt werden.

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 der 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 Kondensorlinse 6. Das fokussierte Bild der Flächenlicht­ quelle arbeitet als zweite Lichtquelle, und das von dieser Licht­ quelle emittierte Licht tritt durch die Kondensorlinse 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. 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 11 bis mehrere hundert Mikrometer), angeordnet in zwei Dimensionen auf einem Halbleiterchip 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 kömmlichen Beleuchtungsvorrichtungen.

Bei der in Fig. 4 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 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 Mattscheibe 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 Mattscheibe 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 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 18a, ein Differential-Interferenz-Prisma 18b und eine Kondensorlinse 6, ferner ein optisches Abbildungssystem mit einer Objektivlinse 8, einem Differential-Interferenz-Prisma 18c, einem Analysator 18d und einer Bildlinse 18e. Das optische System 19 gemäß Schlieren besteht aus einem optischen Beleuchtungssystem mit einer einzigen Rotlicht-LED 1, einer Kondensorlinse 6, einer Lochblende 19a und einem Kollimator 19b mit einer Schlieren- Linse, und ein optisches Abbildungssystem mit einer Schlierenlinse 19c, einer Messerkante 19d sowie einer Bildlinse 19e. 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 mm der Bild­ linse 18e auf, eine zehnfache Vergrößerung, eine numerische Apertur von 0,25 sowie einen Arbeitsabstand von 12 mm der Objektivlinse 8.

Claims (4)

1. Beleuchtungsvorrichtung für Mikroskop, mit einer Mehrzahl von flächig angeordneten Beleuchtungselementen, die individuell ansteuerbar sind und ein gewünschtes Beleuchtungsmuster für das zu untersuchende Objekt vorgeben, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beleuchtungselemente als aktive Halbleiterquellen ausgebildet sind, die in drei unterschiedlichen Wellenlängen Licht emittieren und konzentrisch zu der optischen Achse der Beleuchtungsvorrichtung angeordnet sind,
daß alle gleichfarbig emittierenden Halbleiterquellen in jeweils einer Gruppe (2-1, 2-2, 2-3) zusammengefaßt sind und in einer zu der Kondensorlinse (3) des Mikroskops konjugierten Ebene liegen,
und daß zwei dichroische Spiegel (15-1, 15-2) vorgesehen sind, welche die Strahlung von zwei dieser Gruppe (2-2, 2-3) zusammenfassen und in die Strahlung der dritten Gruppe (2-1) einkoppeln.

2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine (1-1) der Halbleiterlichtquellen (1-1 bis 1-7) auf der optischen Achse der Beleuchtungsvorrichtung angeordnet ist.

3. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mattscheibe (14) objektivseitig unmittelbar vor den Halbleiterlichtquellen angeordnet ist.

4. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Halbleiterlichtquellen als rot-, grün- und blaustrahlende Leuchtdioden ausgeführt sind,
daß alle gleichfarbigen Leuchtdioden zu insgesamt drei, jeweils eine Ebene definierenden Diodengruppen (2-1, 2-2, 2-3) zusammengefaßt sind, und
daß der erste dichroische Spiegel (15-1) zwischen der ersten Diodengruppe (2-1) und dem Objekt angeordnet ist und das Licht der ersten Diodengruppe (2-1) durchläßt, das Licht der beiden anderen Diodengruppen (2-2, 2-3) dagegen zum Objekt hin reflektiert, während der zweite dichroische Spiegel (15-2) zwischen dem ersten dichroischen Spiegel (15-1) und der dritten Diodengruppe (2-3) angeordnet ist und das Licht der zweiten Diodengruppe (2-3) zu dem ersten dichroischen Spiegel (15-1) hin reflektiert und das Licht der dritten Diodengruppe (2-3) durchläßt.