專利名稱：用于臨界照明的具有透射光照明器件的顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于臨界照明的具有透射光照明器件(透射照明器件)的顯微鏡。
背景技術(shù)：
用于光學(xué)顯微鏡的這種常規(guī)光源自身(例如卷曲的燈絲或LED陣列)是高度不均勻的，結(jié)果是經(jīng)常地使用散射體(通常是散射盤)。但是，這導(dǎo)致在物體方向上的光損耗，以使光源必須相應(yīng)地更亮。在簡易顯微鏡中，經(jīng)常使用所謂的臨界照明，臨界照明需要更少的光學(xué)部件。通常，至少能夠省掉聚光鏡和場快門(field shutter)。物體基本上位于聚光器在樣本端的焦點處，物體被在大區(qū)域上大體上平行的光照射。任何現(xiàn)有的孔快門(aperture shutter)大體上位于聚光器在燈端的焦點處。光源的遠場中的非均勻性在物像中是直接可見的。如果光源的區(qū)域過小，則在物像中發(fā)生漸暈。但是，提供具有足夠大區(qū)域同時是均勻的光源是非常昂貴的。特別是對于對光學(xué)質(zhì)量具有更高要求的更高質(zhì)量的顯微鏡，這種光源只能以很高的費用和努力被設(shè)置。為了能夠為高放大率提供足夠的光強度，必須使用強發(fā)光設(shè)備。LED用作具有很多優(yōu)勢的緊湊發(fā)光設(shè)備是普遍的。但是，使用多個LED以獲得足夠高強度的發(fā)光通常是必要的。由于LED之間的間隙特別地導(dǎo)致顯著的非均勻性，為了能夠提供足夠的均勻性，特別是對不同的放大率，必須使用散射體(通常是散射盤)。但是，使用散射盤導(dǎo)致光損耗，使得有必要使用更亮的LED和/或更多的LED。為了能夠提供足夠的沒有漸暈的照明，必須將已知的光源增大。這一方面需要透鏡系統(tǒng)，另一方面需要相對長的光學(xué)路徑，相對長的光學(xué)路徑使得有必要折疊該光學(xué)路徑。這兩方面均大大增加成本。提供高質(zhì)量的臨界照明因此是非常昂貴的，這是為什么在高質(zhì)量顯微鏡中基本上僅僅使用所謂的科勒照明，科勒照明對光源的要求較低。但是，為此需要另外的光學(xué)元件。期待有用于高質(zhì)量的光學(xué)顯微鏡的低成本的足夠均勻的臨界照明。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提出具有權(quán)利要求1的特征的用于臨界照明的具有透射光照明器件的顯微鏡。從屬權(quán)利要求的主題和以下的描述為有利的實施例。 光源具有包括至少一個LED的LED器件。與卷曲的燈絲相比，發(fā)光二極管的使用降低功耗和散發(fā)的熱量，以使幾乎不需要任何額外的空間用于昂貴的冷卻。由于LED在具有高發(fā)光功率和低功耗的同時僅僅具有小體積，且因為LED不需改變色溫即可以變暗，故LED具有相對于常規(guī)的白熾燈的優(yōu)勢。由于使用合適的光引導(dǎo)元件(如后文中說明的)，因此不需要使用常規(guī)的散射體，結(jié)果是即使LED器件僅僅具有幾個LED，優(yōu)選地在一個LED和至多四個LED之間，也可以獲得足夠的光強度，從而簡化構(gòu)造，且降低特別地源于LED之間的間隙的非均勻性。為了光源的方向特性的控制調(diào)節(jié)，使用光引導(dǎo)元件。這產(chǎn)生遙遠表面的預(yù)設(shè)照明(尺寸、亮度的降低等)。這通過光引導(dǎo)元件的壁上的耦合輸入光的方向的不同變化和/或通過耦合輸出表面上的合適的結(jié)構(gòu)(例如透鏡)而實現(xiàn)。與常規(guī)的顯微鏡照明對比，光引導(dǎo)元件不會引起任何光源成像。耦合輸出表面對于聚光器孔的總表面區(qū)域的照明足夠大。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果耦合輸出表面大于最大的聚光器孔，則具有不同程度的放大率的物鏡的物鏡光瞳很好地被照明。如以上所說明的，光源自身具有相對小的光發(fā)射區(qū)域，特別地，光發(fā)射區(qū)域比耦合輸出表面更小。為了高的光效率從光引導(dǎo)元件發(fā)出的光被充分地聚焦，且為了臨界照明從光引導(dǎo)元件發(fā)出的光被足夠均勻地聚焦。為了這個目的，包括光源和光引導(dǎo)元件的系統(tǒng)被布置，以使從光引導(dǎo)元件發(fā)出的光以至少±10°和至多±50°的角度范圍被發(fā)射出去，且以低于50% (優(yōu)選地低于35%，更優(yōu)選地低于25%)的強度波動對在至少±5°的角度范圍內(nèi)在5米距離處的區(qū)域(在具有在顯微術(shù)中常規(guī)地使用的圓形的橫截面的光學(xué)路徑中，這與直徑為至少87. 5cm的被照明的圓形的區(qū)域相對應(yīng))照明。換句話說，亮度在圍繞光軸的至少± 5°的范圍內(nèi)以僅僅50 %、35 %或者25 %的最大值波動。不需要常規(guī)地用于顯微術(shù)照明中的均勻化的這種散射盤。與散射盤相關(guān)聯(lián)的光損耗因此不會發(fā)生，且甚至相對較少的LED也能夠提供足夠的亮度。合適的光引導(dǎo)元件例如從室內(nèi)發(fā)光技術(shù)中已知。光引導(dǎo)元件基本上是具有較小的耦合輸入表面和較大的耦合輸出表面的錐臺形的。耦合輸出表面經(jīng)常具有透鏡布置，優(yōu)選地具有超過20個微透鏡的微透鏡布置，微透鏡布置優(yōu)選地具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)。光引導(dǎo)元件通常由透明的塑料制成。在本發(fā)明的背景中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種光引導(dǎo)元件也可以用于促進臨界顯微鏡發(fā)光的領(lǐng)域。事實上，來自其他專業(yè)領(lǐng)域的發(fā)光器件通常不適合用于顯微術(shù)，因為在顯微鏡中有通過聚光器、物體平面和物鏡直到目鏡的出射光瞳的對燈和照明的光瞳成像的所謂的交錯的光學(xué)路徑。由于這個原因，關(guān)于與表面照明有關(guān)的燈的均勻性的數(shù)據(jù)不能應(yīng)用于顯微鏡照明的均勻性。本發(fā)明提供低成本的用于高質(zhì)量光學(xué)顯微鏡(特別是具有可互換的物鏡的高質(zhì)量光學(xué)顯微鏡)的足夠均勻的臨界照明，即用于非常不同的放大率以及因此非常不同的均勻性和亮度要求的臨界照明。但是，根據(jù)所使用的光引導(dǎo)元件，還可能有在近場中(即恰好在耦合輸出表面后的區(qū)域)的非均勻性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)與耦合輸出表面的直徑的至少兩倍相對應(yīng)的耦合輸出表面和聚光器孔之間的間距對于具有20倍以上放大率的物鏡實現(xiàn)被觀測的物體的足夠的均勻性。耦合輸出表面離聚光器孔的間距越遠，物場被越均勻地照明。但是，該間距優(yōu)選地選擇為至多不需要對照明光學(xué)路徑進行任何折疊的大小。這帶來成本優(yōu)勢，因為不需要偏轉(zhuǎn)設(shè)備。通常，對應(yīng)于耦合輸出表面的直徑的四倍的間距將仍然允許耦合輸出表面和聚光器之間直的光學(xué)路徑。在低放大率和伴隨的小孔的情況下，圖像的焦深可以很大，以使甚至相對較遠的耦合輸出表面可以在物像中可見。圖像變得不均勻。但是，由于低放大率需要的光強度也低，在這些情況下，可以在光學(xué)路徑中設(shè)置散射體(優(yōu)選地是散射盤)。為了使在目鏡中檢測聚光器孔(例如孔快門)成為可能，將散射體方便地布置在耦合輸出表面和聚光器孔之間。散射體優(yōu)選地能夠樞轉(zhuǎn)入和樞轉(zhuǎn)出。優(yōu)選地，將散射體布置得靠近聚光器孔以盡可能最小化光損耗。散射體還應(yīng)用在當使用高放大率的物鏡時，如果孔快門(虹膜)在很大程度上被關(guān)閉的情況。如果根據(jù)孔設(shè)置散射體，即當孔維度(通常為快門直徑)低于預(yù)設(shè)的大小時引入散射體，則因此是有利的。如果使用的光源足夠亮，則還可以永久地設(shè)置散射體。一方面為了允許對具有伴隨的大的焦深的小的孔維度的均勻照明，另一方面為了對具有高放大率的物鏡提供足夠的光強度，以特別有利的方式配置散射體，以使僅僅預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的光被圍繞光軸散射。為了這個目的，將散射體配備為具有預(yù)定散射的(優(yōu)選為粗糙的)中央?yún)^(qū)域的透明盤。該散射體特別地適合于永久固定在光學(xué)路徑中。如果預(yù)定區(qū)域為圓形的且具有與O. 35的發(fā)光孔(O. 35的數(shù)值孔與20倍的物鏡的一般孔相對應(yīng))相對應(yīng)的直徑，則已經(jīng)證實是有利的。高達1. 5倍大的直徑也是合適的，在這種情況下，散射表面與總耦合輸出表面相比仍然小，且因此在高放大率下仍然有高發(fā)光強度。有已知的應(yīng)用(例如對照方法)，其中在甚至更高的放大率下發(fā)光孔是關(guān)閉的。當發(fā)光孔直徑變得接近預(yù)定范圍時，在散射區(qū)域和透明區(qū)域之間的邊緣處可能有破壞性的散射效應(yīng)。而且，物場中的光強度對虹膜直徑的二次依賴性的梯度發(fā)生變化，如亮度不斷增加的降低所表明的。這個變化的方案將以非圓形配置(例如以星形的形狀或者其他逐漸變細的結(jié)構(gòu))的預(yù)定區(qū)域顯現(xiàn)。由于非圓形(例如星形)配置，邊緣處的散射效應(yīng)被最小化，且當孔被關(guān)閉時沒有異常的亮度效應(yīng)。非圓形區(qū)域的粗糙的(基本上圓形的)中心應(yīng)該轉(zhuǎn)而與O. 35的發(fā)光孔的預(yù)定直徑相對應(yīng)?？蛇x地或者另外地，可以使用具有梯度的粗糙區(qū)域。本發(fā)明的進一步的優(yōu)點和實施例從描述和附圖中將變得明顯。應(yīng)當理解的是，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，以上所提及的特征和以下將被描述的特征可以不僅被使用在所說明的特定的組合中，而且可以被使用在其他組合中或者獨立地被使用。本發(fā)明通過示例性的實施例示意性地表示在附圖中，且下面參考附圖詳細描述本發(fā)明。
圖1在側(cè)視示意圖中示出根據(jù)本發(fā)明的顯微鏡的優(yōu)選實施例，該圖中將基座沿縱剖面示出。圖2在剖面圖(左)、俯視圖(中央)和透視圖(右)中示出適合用于本發(fā)明的光引導(dǎo)元件的優(yōu)選實施例。圖3示出具有光引導(dǎo)元件的合適的光源的發(fā)射特性圖。圖4示意性地示出適合用于本發(fā)明的散射體的第一優(yōu)選實施例。圖5示意性地示出適合用于本發(fā)明的散射體的第二優(yōu)選實施例。
具體實施方式
圖1在側(cè)視示意圖中示出根據(jù)本發(fā)明的顯微鏡100的優(yōu)選實施例，該圖中將基座沿縱剖面示出。顯微鏡100用于觀測布置在顯微鏡臺90上的物體O。顯微鏡具有座架60，座架60用于支撐不同的顯微鏡元件，特別地透射光照明器件10、具有不同的物鏡71的旋轉(zhuǎn)物鏡陣列70和具有目鏡的管80。顯微鏡臺90通過旋鈕91和92以已知的方式在z或者x/y方向上可移動。透射光照明器件10包括被配備作為LED器件的光源20。電源21用于對LED器件提供能量。光引導(dǎo)元件30設(shè)置在LED器件20之上，光引導(dǎo)元件30在面向待照明物體O的一側(cè)包括具有維度(在這種情況下為直徑)D的較大的耦合輸出表面32。光源20的光發(fā)射表面(芯片表面)比光引導(dǎo)兀件的稱合輸出表面32顯著地更小,優(yōu)選地小于尺寸的一半、三分之一或者四分之一。照明器件進一步包括聚光器40，聚光器40有具有維度(在這種情況下為直徑)A的聚光器孔41，在本示例中，聚光器孔41被配備作為可調(diào)的虹膜快門(iris shutter)。透射光照明器件10被設(shè)置用于待檢測物體O的臨界照明。物體O因此大體上位于聚光器40在樣本側(cè)的焦點處，孔快門41大體上位于聚光器40在燈側(cè)的焦點處。在不出的實施例中，I禹合輸出表面32與孔41的間距d為f禹合輸出表面維度D的兩倍。光引導(dǎo)兀件30引導(dǎo)由LED器件20發(fā)射的光，以使光從f禹合輸出表面32以10°至20°的角度范圍被發(fā)射出去。在遠場中，光具有強度分布，以使在圍繞主發(fā)射方向至少5°的范圍內(nèi)強度以至多50%波動(參見圖3)。圖2在剖面圖(左)、俯視圖(中央)和透視圖(右)中示意性地示出包括光源20和光引導(dǎo)元件30的系統(tǒng)。在本實施例中，LED器件20包括以矩形陣列布置的四個單獨的LED。但是，LED器件20也可以包括更少的LED，優(yōu)選地僅僅包括一個LED。從作為光源的LED器件20發(fā)射出的光在合適形狀的稱合輸入表面被稱合輸入至光引導(dǎo)兀件30,并且在上方的稱合輸出表面32再次被f禹合輸出。I禹合輸出表面32具有微透鏡陣列,微透鏡為蜂窩形的。但是,光引導(dǎo)元件30不對光源20成像。圖3示出具有LED的光引導(dǎo)元件的優(yōu)選的發(fā)射特性。圖3以笛卡爾圖示出光強度。繪制y軸上的距離5米處的光強度I [Cd]與X軸上的發(fā)射角度[° ]的圖，所使用的光源20為單個Luxeon Rebel白光LED。顯然地，光被引導(dǎo)，以使發(fā)射重心位于光軸(0° )的區(qū)域。因此對發(fā)射光進行一定的準直，以使實質(zhì)的光能在-15°和+15°之間的范圍內(nèi)。也顯然地，在-5°和+5°之間有小于50%的強度的小波動。在根據(jù)圖1的顯微鏡中，用具有小維度(孔快門開口直徑A)的孔41，焦深可以很大，以使耦合輸出表面的結(jié)構(gòu)在物像中變得可見。這導(dǎo)致不希望的非均勻性。為了消除這種非均勻性，可以在耦合輸出表面32和孔41之間的光學(xué)路徑中(優(yōu)選地，靠近孔41)設(shè)置散射體。在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施例中，散射體具體配置為如以下將參考圖4和圖5說明的。散射體可以永久地布置在光學(xué)路徑中，或者根據(jù)孔維度可以樞轉(zhuǎn)入和樞轉(zhuǎn)出。在這種情況下，如果臨界孔維度(一般為直徑)降低至一定水平以下，則將散射體樞轉(zhuǎn)入，且如果超過該水平則將散射體樞轉(zhuǎn)出。臨界孔維度優(yōu)選地與O. 35的數(shù)值孔相對應(yīng)。圖4示出這種散射體的第一實施例400，且圖5示出這種散射體的第二實施例500。兩個散射體大體上均由直徑為Dl的透明盤組成，該透明盤被配置為在預(yù)設(shè)區(qū)域401或501分別具有散射效應(yīng)。為了這個目的，預(yù)設(shè)區(qū)域優(yōu)選地是例如通過噴砂制成粗糙的。選擇直徑D1，以使散射體可以容易地被布置在光學(xué)路徑中而不造成遮蔽。直徑Dl方便地與發(fā)光孔的至少一個最大可能的維度相對應(yīng)。根據(jù)圖4的實施例包括圓形的散射區(qū)域401，散射區(qū)域401的維度D2 (在這種情況下為直徑)與預(yù)設(shè)的孔維度(優(yōu)選地與O. 35的數(shù)值孔相對應(yīng))匹配。根據(jù)圖5的實施例500具有星形的配置，在中心的中央(更特別地為凸起)區(qū)域的直徑D2也與預(yù)設(shè)的孔維度(優(yōu)選地與O. 35的數(shù)值孔相對應(yīng))匹配。除了在中間的中央?yún)^(qū)域，預(yù)設(shè)區(qū)域501額外地具有逐漸變細的結(jié)構(gòu)，以避免，特別是在孔快門的關(guān)閉期間光的突然減少，以及避免在從散射區(qū)域至透明區(qū)域的過渡段處的散射。
權(quán)利要求
1.一種用于待觀測物體(O)的臨界照明的具有透射光照明器件(10)的顯微鏡(100)， 包括光源(20)，所述光源(20)包括具有較小的光發(fā)射表面的LED器件；光引導(dǎo)兀件(30),所述光引導(dǎo)兀件(30)有具有稱合輸出表面維度(D)的較大的稱合輸出表面(32)，所述光引導(dǎo)元件(30)被布置以使所述光源(20)發(fā)射的光被耦合輸入并從所述率禹合輸出表面(32)被I禹合輸出，其中，從所述I禹合輸出表面(32)被I禹合輸出的光以至少 ±10°和至多±50°的角度范圍被發(fā)射出去，且以低于50%的強度波動對在至少±5°的角度范圍內(nèi)在5米距離處的區(qū)域照明；聚光器(40)，所述聚光器(40)在所述光引導(dǎo)元件的耦合輸出表面(32)和所述待觀測物體(O)之間，其中，所述聚光器(40)有具有孔維度(A)的孔(41)，且所述聚光器(40)被布置以使所述孔(41)被從所述I禹合輸出表面(32) I禹合輸出的光完全照射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顯微鏡，其中，所述耦合輸出表面維度(D)大于所述孔維度㈧。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的顯微鏡，其中，所述耦合輸出表面(32)包括透鏡布置。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的顯微鏡，其中，所述耦合輸出表面(32)與所述孔(41)的間距(d)為所述耦合輸出表面維度(D)的至少兩倍和至多四倍。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的顯微鏡，其中，所述孔(41)被布置在所述聚光器(40)在所述光源側(cè)的焦點處。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的顯微鏡，其中，所述耦合輸出表面(32)和所述聚光器(40)之間的光學(xué)路徑是未折疊的。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的顯微鏡，其中，所述孔維度(A)能夠通過虹膜快門被可變地預(yù)設(shè)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的顯微鏡，其中，散射體(400，500)布置在所述耦合輸出表面(32)和所述聚光器孔(41)之間的光學(xué)路徑中，優(yōu)選地緊鄰所述聚光器孔 (41)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的顯微鏡，其中，所述散射體(400，500)配備為具有預(yù)設(shè)散射區(qū)域(401,501)的透明盤。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的顯微鏡，其中，所述散射區(qū)域(401)為圓形的，且具有與預(yù)設(shè)發(fā)光孔相對應(yīng)的維度(D2)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的顯微鏡，其中，所述散射區(qū)域(501)為非圓形的，優(yōu)選地為星形的。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的顯微鏡，其中，所述散射區(qū)域(501)內(nèi)的中央?yún)^(qū)域、特別是凸起的中央?yún)^(qū)域具有與預(yù)設(shè)發(fā)光孔相對應(yīng)的維度(D2)。
13.根據(jù)權(quán)利要求8至12中的任一項所述的顯微鏡，其中，所述散射體(400，500)被可樞轉(zhuǎn)地安裝，以能夠樞轉(zhuǎn)入所述光學(xué)路徑和樞轉(zhuǎn)出所述光學(xué)路徑。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的顯微鏡，其中，設(shè)置機械裝置，所述機械裝置根據(jù)所述孔維度(A)將所述散射體(400，500)樞轉(zhuǎn)入所述光學(xué)路徑和樞轉(zhuǎn)出所述光學(xué)路徑。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于臨界照明的具有透射光照明器件的顯微鏡。本發(fā)明涉及一種用于待觀測物體的臨界照明的具有透射光照明器件的顯微鏡，包括光源，光源包括具有較小的光發(fā)射表面的LED器件；光引導(dǎo)元件，光引導(dǎo)元件有具有耦合輸出表面維度的較大的耦合輸出表面，光引導(dǎo)元件被布置以使從光源發(fā)射出的光被耦合輸入并從耦合輸出表面被耦合輸出，從耦合輸出表面被耦合輸出的光以至少±10°和至多±50°的角度范圍被發(fā)射出去，且以低于50％的強度波動對在±5°的角度范圍內(nèi)在5米距離處的區(qū)域照明；聚光器，聚光器在光引導(dǎo)元件的耦合輸出表面和待觀測物體之間，其中，聚光器有具有孔維度的孔，且聚光器被布置以使孔被從耦合輸出表面耦合輸出的光完全照射。
文檔編號G02B21/08GK102998785SQ20121034642
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月15日
發(fā)明者羅伯特·萊托, 岡特·格雷伯 申請人:徠卡顯微系統(tǒng)(瑞士)股份公司