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Dokumentenidentifikation DE102006016358A1 11.10.2007
Titel Tragbares Reisemikroskop mit Mehrkammer-Dichtungssystem, effizienten Beleuchtungssystemen, elektronisch gesteuerter LCD-Kondensor-Kontrasteinstellung und akustischem Signalgeber
Anmelder Bröckmann, Eckhard, Dr., 35039 Marburg, DE
Erfinder Bröckmann, Eckhard, Dr., 35039 Marburg, DE
Vertreter Knefel, C., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., 35578 Wetzlar
DE-Anmeldedatum 05.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006016358
Offenlegungstag 11.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.10.2007
IPC-Hauptklasse G02B 21/00(2006.01)A, F, I, 20060405, B, H, DE
Zusammenfassung Gegenstand der Erfindung ist ein kleines, leicht zu transportierendes Mikroskop mit Batterie- beziehungsweise Akkubetrieb, welches im Reiseeinsatz einer rauen Handhabung und wechselnden klimatischen Bedingungen ausgesetzt ist, mit den zusätzlichen Anforderungen der Selbsthaltung der Arbeitsplatte nach manueller Fokussierung und akustischer Anzeige des Spannungs- beziehungsweise Ladezustandes von Batterie beziehungsweise Akku. Das Mikroskop enthält eine effiziente Auflichtbeleuchtung und eine Kondensor-Durchlichtbeleuchtung mit elektronisch verstellbarem Kontrasteffekt, nahezu stufenlos von Hellfeld/Durchlicht bis Dunkelfeld bei der Einsatzmöglichkeit von Objektiven mit unterschiedlicher Vergrößerung und numerischer Apertur.

Beschreibung[de]

Mikroskope sind in einer Vielzahl an Variationen im Handel erhältlich. Sie sind im Allgemeinen als stationäre Tischgeräte ausgelegt. Die Existenz eines leicht zu transportierenden Mikroskopes, ausgelegt als "Reisemikroskop" mit praktischem Tragegriff für eine häufige Verlegung des Einsatzortes ist bisher nicht bekannt.

Batteriebetriebene Mikroskope enthalten Leuchtdioden (LED) als Lichtquellen, weil diese im Gegensatz zu Glüh- oder Gaslampen deutlich weniger elektrische Leistung erfordern. Über die Verwendung von LEDs in Mikroskopen gibt es zahlreiche Veröffentlichungen. Im Falle einer Fluoreszenz-Auflichtbeleuchtung findet man als Favorit die blau strahlende LED "Luxeon® Star" von Lumileds®.

Die in Datenblättern gezeigte reine winkelabhängige Strahlungscharakteristik wird zur Auslegung von Beleuchtungssystemen herangezogen. Weniger bekannt ist vermutlich, dass die in Datenblättern gezeigte Strahlungscharakteristik das Ergebnis einer Messmethode zeigt, bei der ein Goniometer mit relativ großflächigem (1 cm2) Detektor in einem Messabstand von 10 oder 31,6 cm (CIE, International Commission on Illumination) verwendet wird. Man ist aber beim Entwurf von Beleuchtungssystemen oft gezwungen, viel kleinere Abstände zur LED zu verwenden, wo die Strahlungscharakteristik sowohl Winkel- als auch Ortsabhängigkeit aufweist. In einer Ebene direkt oberhalb der LED empfängt man die Oberflächenstrahlung des Chips und daneben je nach Bauform auch seitlich aus dem Chip austretende und nach vorn reflektierte Strahlung, falls der Chip in einer Reflektorwanne eingebettet ist. Die reflektierte Strahlung stammt damit virtuell aus einer Ebene, die sich hinter der Chipoberfläche befindet. Diese komplexen Verhältnisse werden selten im Zusammenhang mit LED-Beleuchtungssystemen detailliert diskutiert.

Experimentelle Untersuchungen finden oft mit vorgegebenen Bauteilen statt (zum Beispiel käufliche Linsen oder den als Zubehör erhältlichen Reflektor zur Luxeon Star, siehe G. Mazzini et. al.: Improvements in fluorescence microscopy allowed by high power light emitting diodes, Current Issues on Multidisciplinary Microscopy Research and Education, Formatex 2004, http://www.formatex.org/micro2003/papers/181-188.pdf. Damit besteht bereits die Einschränkung auf solche experimentellen Ergebnisse, die mit diesen Bauteilen bestenfalls zu erzielen sind, und es fehlt die Möglichkeit der theoretischen Behandlung der Optimierung mit gegebenenfalls anderen Bauteilen und die Angabe der Effektivität in absoluten Werten. Wegen der großen Bedeutung der Optimierung für ein batteriebetriebenes Reisemikroskop mit Leuchtdioden-Beleuchtung wird dieses Thema hier noch einmal aufgegriffen.

Viele, aber nicht alle Mikroskope beinhalten einen Kondensor. Als Kondensorbeleuchtung wird in der Regel eine Glühbirne verwendet. Mit seitlich in den Kondensor einschiebbaren (Ring-)Blenden können verschiedene Kontrasteffekte erzeugt werden, darunter auch Schräglicht- (beziehungsweise Ringlicht-) und Dunkelfeldbeleuchtung. Die optische Wirkung besteht in der Ausblendung gewisser Bereiche in einem ausgedehnten Strahlenbündel. In der DE 37 34 691 A1 ist eine Matrix-Anordnung aus vielen LEDs anstelle einer Lampe und Blenden beschrieben. Hier wird das mechanische Bauteil der Blenden durch eine Vielzahl elektronisch angesteuerter LED-Pixel ersetzt. Durch entsprechende Ansteuerung einzelner Pixel lassen sich aktiv strahlende Muster erzeugen, welche die Wirkung der Blenden in der konventionellen Ausführung nachbilden. Das aktiv strahlende Muster entspricht in seiner Form dann dem komplementären Muster der passiven Blendenabschattung.

Zur Reduzierung der Komplexität – insbesondere hinsichtlich der Verdrahtung – wurde bei dem hier beschriebenen Reisemikroskop als Lichtquelle nur eine einzige LED im Kondensor eingebaut. Zur Nachbildung der Ringblenden wurde ein passives Bauteil verwendet, welches die lichtdurchlässigen Bereiche von Blendenanordnungen 1:1 nachbildet. Es gibt Liquid Crystal Displays (LCDs), die durch Ansteuerung einzelner Pixel als Lichtmodulatoren für ein durchlaufendes Lichtbündel verwendet werden können. Bei hinreichend kleinen Pixeln kann der Übergang von Hellfeld-Durchlichtbeleuchtung bis hin zur Dunkelfeldbeleuchtung nahezu stufenlos erfolgen. Dabei ist auch eine Anpassung an Objektive unterschiedlicher Numerischer Apertur und unterschiedlicher Vergrößerung möglich, was nach der in DE 31 08 389 A1 beschriebenen Anordnung nicht möglich ist. In der DE 196 44 662 A1 wird auf dieses Problem hingewiesen. Dort jedoch wird ein relativ großer LCD-Projektor verwendet. Diese Lösung kann für ein kleines batteriebetriebenes Reisemikroskop nicht angewandt werden. Da auch keine Orientierungs- oder Schriftzeichen benötigt werden, wie dies bei einer Ausführung nach DE 196 44 662 A1 möglich wäre und zur Einsparung von optischen Bauteilen, wurde das LCD nicht in einer zur Leuchtfeld- oder Aperturblendenebene gelegt.

Zum Schutz empfindlicher optischer, mechanischer und elektronischer Teile nach außen gegen Staub und Spritzwasser sind verschiedene Methoden geläufig, wie zum Beispiel Gummidichtungen oder Kunststoffdichtungen in Gehäuseteilen. Zur Dichtung nach außen herausragender Wellen werden in der Regel O- oder X-Ringe aus zum Beispiel Gummi oder so genannte Simmerringe verwendet. Zum Ausgleich von Bautoleranzen und zur Abdichtung gegen kleinste Partikel müssen diese Dichtelemente auf dem Mantel der Welle allseits eng anliegen, was durch einen (elastischen) Druck der Dichtungen auf die Welle realisiert wird. Bedingt durch die Existenz eines Schermoduls der Materialien, aus denen O- und X-Ringe bestehen, kann ein rückstellendes Drehmoment entstehen, wenn eine Welle nach Drehbetätigung – hier: Welle mit Drehknopf zur Fokussierung des betrachteten Objektes – losgelassen wird mit der Folge, dass die Welle sich wieder ein wenig zurückdreht. Das einmal scharf eingestellte Objekt würde sich danach in einer zuvor durchfahrenen Ebene befinden, die unscharf abgebildet wird. Dieses Problem muss hier gelöst werden.

Mikroskope enthalten eine Höhenverstellung zum Zweck der Fokussierung, wobei eine Drehbewegung am Drehknopf in eine vertikale Translationsbewegung umgesetzt wird. Häufig wird dazu eine Kombination bestehend aus Ritzel und Zahnstange verwendet. Als Lager und Führung der Arbeitsplatte bei unterschiedlicher Höhe wird häufig eine Schwalbenschwanzführung verwendet, in der ausreichende Haltekräfte durch Reibung bauartbedingt gegeben sein müssen, damit die Arbeitsplatte nach Höhenverstellung in der angefahrenen Position verbleibt und sich nicht durch das Eigengewicht wieder absenkt. Damit ist noch keine Selbsthemmung verbunden. Bei dem hier beschriebenen Reisemikroskop dürfen keine äußeren staubempfindlichen Teile verwendet werden, wie dies bei Schwalbenschwanzführungen und Getrieben der Fall ist. Unter tropischen Bedingungen können zudem nur Bauteile eingesetzt werden, die keine Öle oder Fette als Schmierstoffe erfordern.

Aus diesen Gründen müssen hier besondere Überlegungen der mechanischen Konstruktion vorgenommen werden.

Die Existenz eines Mikroskopes mit akustischem Signalgeber zur Meldung des Batteriezustandes ist bisher ebenfalls nicht bekannt.

Gegenstand der Erfindung ist ein kleines, leicht zu transportierendes Mikroskop mit Batterie- beziehungsweise Akkubetrieb, welches im Reiseeinsatz einer rauen Handhabung und wechselnden klimatischen Bedingungen ausgesetzt ist, mit den zusätzlichen Anforderungen der Selbsthaltung der Arbeitsplatte nach manueller Fokussierung und akustischer Anzeige des Spannungs- beziehungsweise Ladezustandes von Batterie beziehungsweise Akku. Das Mikroskop enthält eine effiziente Auflichtbeleuchtung und eine Kondensor-Durchlichtbeleuchtung mit elektronisch verstellbarem Kontrasteffekt, nahezu stufenlos von Hellfeld/Durchlicht bis Dunkelfeld bei der Einsatzmöglichkeit von Objektiven mit unterschiedlicher Vergrößerung und Numerischer Apertur.

Anstelle von zerbrechlichen Lichtquellen werden auch hier Leuchtdioden eingesetzt. Die Beleuchtungssysteme sind zur optimalen Ausnutzung des von den Leuchtdioden erzeugten Lichtes ausgelegt. Der Kondensor kann auf Grund der Verwendung einer kleinen LED als Lichtquelle ebenfalls klein dimensioniert werden. Zur Erzeugung verschiedener Kontrasteffekte sowie Dunkelfeldbeleuchtung wird ein LCD mit elektronisch gesteuerter nahezu kontinuierlich von innen nach außen laufenden kreisförmigen optischen Sperre und ringförmigen transparenten Schlitzen verwendet. Dies hat den Vorteil des Ersatzes mechanischer Teile und die Vermeidung von Dichtungsproblemen, wenn diese mechanischen Bauteile zwecks Bedienung/Verschiebung nach außen herausragen sollten.

Da ein Reisemikroskop einem rauen Betrieb ausgesetzt sein kann, wurde die Höhenverstellung mit selbsthemmenden Bauteilen ausgeführt, die eine stärkere Belastung der Arbeitsplatte erlauben, ohne dass diese sich absenken kann. Zur manuellen Höhenverstellung dient auch hier eine nach außen ragende Drehachse mit Drehknopf. Zur Abdichtung wurde hier jedoch auf den Einsatz eng anliegender elastischer Dichtungsmaterialien verzichtet, weil die Drehachse sehr leichtgängig gelagert werden soll und das Rückstelldrehmoment elastischer Wellendichtungen zu einer geringen Verschiebung der Arbeitsplatte führen kann, nachdem diese losgelassen wurde. Das zu untersuchende mikroskopische Objekt würde damit aus dem einmal eingestellten Fokus wieder herausgleiten. Der Verzicht auf die hochdichtenden Bauteile im Falle der Drehachse bewirkt eine mindere Schutzart an dieser Stelle. Das stellt sich zunächst als Nachteil dar, wird aber dadurch gelöst, dass mechanische, optische und elektronische Bauteile zu Baugruppen zusammengefasst und in räumlich getrennten Bereichen des Mikroskopes untergebracht werden, wobei verschiedene Methoden der Abdichtung gegen Staub und Feuchtigkeit verwendet werden. Somit entsteht ein Mehrkammer-Dichtungssystem. Die mechanische Kammer unterliegt dem geringsten Schutz, der durch die Verwendung von Buchsen als Lager zwar Staub aber keine Feuchtigkeit abhält. Das Problem entfällt jedoch bei Verwendung nichtrostender Materialien.

Bei einem Reisemikroskop mit Batterie- beziehungsweise Akku-Speisung ist die Spannungs- beziehungsweise Ladungsüberwachung eine wichtige Hilfe für den Benutzer. Neben einer optischen Anzeige stellt sich die Aufgabe einer zusätzlichen akustischen Signalisierung. Da generell darauf geachtet wurde, dass keine empfindlichen Bauteile aus dem Gehäuse herausragen, kommt nur ein Einbau eines akustischen Signalgebers im Inneren des Gehäuses in Frage. Doch dann entsteht das Problem, wie bei begrenzter elektrischer Betriebsleistung noch ausreichend Schallintensität nach außen gelangen kann. Die Lösung besteht in einer akustischen Kopplung des Signalgebers an das Gehäuse, wodurch darin Körperschall erzeugt wird, der nach außen abgestrahlt wird.

Anspruch 1:

Der Griff befindet sich so weit wie möglich im oberen Bereich des Gerätes an einer Position, die oberhalb des Schwerpunktes liegt. Dadurch lässt sich das Gerät sehr einfach und schnell zu wechselnden Einsatzorten transportieren (1).

Ansprüche 2 und 3:

Die folgende Tabelle zeigt die Empfindlichkeit gegenüber Staub und Feuchtigkeit für verschiedene Bauteile:

Bei Verwendung nicht rostender Materialien ist die Feuchtigkeitsempfindlichkeit mechanischer Bauteile gering. Elektronische Bauteile mit metallischem Mantel können oxidieren. Bei Feuchtigkeit und Schmutz können Kriechströme in elektronischen Schaltungen entstehen. Bei Feuchtigkeit besteht Kondensationsgefahr. Staub und Kondensation auf Linsen und in der Nähe einer Bildebene führen zu Funktionseinschränkungen.

Die Idee ist, alle elektronischen Bauteile zu einer Baugruppe zusammenzufassen und im Gerätefuß der Elektronik-Kammer 2, zu platzieren. Mechanische Teile, darunter bewegliche Teile, werden im Unterteil des Gehäuses, der Mechanik-Kammer 3, platziert. Im Oberteil des Gehäuses, der Optik-Kammer 4, werden optische Bauteile platziert. Der Kondensor 5 ist ebenfalls als eine Optik-Kammer anzusehen. Auf diese Weise entsteht ein Mehrkammer-System (1).

Elektronik-Kammer 2:

Diese enthält unten eine Öffnung, passend für einen Deckel 6 zum Auswechseln der Batterien. Die Dichtung erfolgt mit einer Flachdichtung 7 aus zum Beispiel Silikon. Nach oben zum Gehäuse weisend befindet sich eine geschlossene Membran 8, zum Beispiel aus Silikon. Die damit erreichte Schutzart beträgt mindestens IP64.

Mechanik-Kammer 3:

Diese enthält bewegliche mechanische Teile, von denen einige nach außen ragen: Zylinderstifte 9 und eine Drehachse 10 mit einem Drehknopf 11 zur Höhenverstellung der Arbeitsplatte 12. Die Zylinderstifte sind von Führungen mit Abstreifern 13 umfasst, welche das Eindringen von Fremdstoffen verhindern. Bei der Drehachse besteht die Forderung, dass diese leichtgängig sein muss. Eng anliegende Dichtungen wie zum Beispiel O-Ringe aus zum Beispiel Gummi könnten zuviel Gleitreibung erzeugen, welche die Bedienung der Höhenverstellung stören. Ferner bewirkt eine Haftreibung ein rückstellendes Drehmoment nach Verdrehung der Achse, wodurch ein einmal in den Fokus gebrachtes mikroskopisches Objekt nach dem Loslassen des Drehknopfes wieder aus der Fokusebene herausgleiten würde. Aus diesem Grunde wurde zur Lagerung der Drehachse eine Gleitbuchse 22 (2) verwendet, welche nicht als hochdichtendes Bauteil angesehen werden kann. Die Schutzart der Mechanik-Kammer ist also relativ gering, was wegen der geringeren Dichtungsanforderungen der Mechanik (siehe obige Tabelle) bei Verwendung rostfreier Materialien nicht weiter stört.

Optik-Kammer 4:

Diese ist nach unten gegen die Mechanik-Kammer 3 durch eine geschlossene Wand 14 getrennt. Ein O-Ring 15, am Okular 16 anliegend, dichtet die Optik-Kammer dort nach außen ab. Richtung Objektiv 17 befindet sich ein Glasfenster 18, welches mit einem dichtenden Klebstoff gehalten wird. Die Objektive 17 selber werden in Standardausführung hergestellt und enthalten keinen weiteren Schutz. Sie sind daher als Verschleißteile zu betrachten. Die Schutzart der Optik-Kammer beträgt mindestens IP64.

Der Kondensor 5 ist auch als Optik-Kammer in diesem Sinne zu betrachten. Die Kontaktseite Richtung Arbeitsplatte 12 ist mittels eines umlaufenden O-Rings 19 abgedichtet. Die dem zu untersuchenden Objekt zugewandte Linse 20 ist mit einem dichtenden Klebstoff eingebaut.

Ein seitlich an das Gehäuse 21 angeschraubter Deckel (nicht dargestellt) enthält entweder eine am Rand umlaufende Rundschnur oder nimmt eine eingelegte Flachdichtung auf. In der Dichtung 8 und in der Wand 14 befinden sich Löcher zur Durchführung von elektrischen Leitungen. Die Dichtung in den Löchern erfolgt mit einem elastischen Klebstoff. Diese Elastizität erlaubt einen Druckausgleich zwischen den Kammern des Dichtungssystems.

Ansprüche 4 bis 7:

Die Drehachse 10 ist im Inneren des Mikroskopes als Gewindestange ausgeführt (2). Ein quaderförmiger Klotz 23 weist im unteren Bereich ein Gewinde 24 auf. Durch Drehung der Drehachse 10 wird der Klotz verschoben und führt somit eine Translationsbewegung aus. Ferner enthält der Klotz eine Ausfräsung in Form einer schiefen Ebene 25, durch die ein Zapfen 26 greift, der mit dem Zylinderstift 9 verbunden ist. Die schiefe Ebene 25 überführt die waagerechte Translation des Klotzes in eine senkrechte Translation von Zapfen 26 und Zylinderstift 9 zur Arbeitsplatte 12 mit einer Untersetzung entsprechend der Steilheit. Die Umsetzung der verschiedenen Bewegungen erfolgt in einem einzigen Bauteil, dem Klotz 23. Das Gewicht der Arbeitsplatte 12 erzeugt an der Berührung des Zapfens 26 mit der schiefen Ebene 25 eine senkrecht zur schiefen Ebene stehende Komponente 27 und diese wiederum eine nach links gerichtete Kraftkomponente 28, die den Klotz an die Gewindestange drückt. Dadurch entsteht eine Selbsthaltung durch Reibung, ähnlich wie bei einer Kombination bestehend aus Schnecke und Zahnscheibe. Durch diese Selbsthaltung kann die Arbeitsplatte 12 stark belastet werden, ohne abwärts zu gleiten.

Ansprüche 8 bis 14:

Wegen des transportablen und reisefähigen Anspruches des Mikroskopes werden zur Beleuchtung LEDs verwendet, weil diese unzerbrechlich und leicht sind und relativ wenig elektrische Leistungen benötigen. Die hier beschriebene Ausführung einer Auflichtbeleuchtung bezieht sich nicht auf unendlich ausgelegte Objektive.

Die Datenblätter von LEDs zeigen im Allgemeinen einen recht glatten Verlauf der winkelabhängigen Strahlungscharakteristik, weil die Messvorschrift nach CIE (International Commission on Illumination) dazu eine Detektorfläche von 1 cm2 und einen Abstand von 10 cm beziehungsweise 31,6 cm empfiehlt. In unmittelbarer Nähe der LED ist die Strahlungscharakteristik aber im Allgemeinen viel komplizierter und ortsabhängig. Dort müsste sie mit einem entsprechend kleineren Detektor gemessen werden. Die Komplexität ergibt sich aus der Tatsache, dass neben der Oberflächenstrahlung des Chips noch seitlich Strahlung austritt, die bei vielen LEDs durch Einbettung des Chips in eine Reflektorwanne ebenfalls zur Beleuchtung zur Verfügung steht. Dadurch entsteht eine virtuelle Lichtquelle hinter der Chipoberfläche. Zudem wirkt das tropfenförmige Gehäuse der meisten 5 mm-LEDs noch als Linse. Es gibt zurzeit keine optische Anordnung, die es ermöglicht, die gesamte Strahlung heutiger LEDs zur Beleuchtung eines kleinen Bereiches zu nutzen.

Es gibt aber auch reine Oberflächenstrahler mit dünner Schutzschicht, die eine diffuse Strahlung nach dem (nicht notwendigerweise) Lambertschen Gesetz abgeben. Eine solche LED mit hoher Lichtleistung wird hier verwendet. Die Strahlerfläche einer derartigen LED lässt sich gut abbilden. Das zugehörige Modell für Strahldurchrechnungsprogramme ist trivial.

Bei nicht auf Unendlich korrigierten Objektiven ist das Zwischenbild 29 in der Entfernung "optische Tubuslänge" (bo) von der Fassung/Austrittsöffnung 30 der letzten Objektivlinse entfernt (3). B bezeichnet den Durchmesser der Austrittsöffnung und ∅z den Durchmesser des Zwischenbildes. In der geometrisch-strahlenoptischen Betrachtungsweise der Optik sind alle vorkommenden Lichtstrahlen in dem Raum zwischen Objektiv und Zwischenbild durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet:

  • 1. Der Strahl tritt aus der Austrittsöffnung 30 aus.
  • 2. Der Strahl ist derart gerichtet, dass er durch die Fläche des Zwischenbildes 29 stößt.

Während erstens unmittelbar einleuchtet, folgt zweitens aus dem geometrisch-strahlenoptischen Modell der Optik. Bei der Konstruktion von Abbildungsproblemen werden Strahlen verwendet, deren Zielpunkt sich in der begrenzten Fläche des Zwischenbildes befindet. Grundsätzlich alle Strahlen, welche die beiden Eigenschaften erfüllen, und nur diese können zur Entstehung des Zwischenbildes beitragen.

Die Idee der effizienten Auflichtbeleuchtung besteht darin, eine optische Anordnung zu schaffen, welche Lichtstrahlen erzeugt, die der Umkehrung der beiden obigen geometrischen Eigenschaften entsprechen. Das Zwischenbild wird dabei durch einen Strahler gleicher Größe ersetzt, dessen ausgesandte Lichtstrahlen nur in die Austrittsöffnung fallen. Da Zwischenbild und Objekt zueinander konjugiert sind, dienen all diese Strahlen der Beleuchtung. Die Umkehrung der obigen Bedingungen lautet:

  • 1. Der Strahl tritt aus dem Zwischenbild 29 aus oder seine Verlängerung durchstößt das Zwischenbild, falls sich der Strahler nicht in der Zwischenbildebene befinden sollte.
  • 2. Der Strahl ist derart gerichtet, dass er durch die Fläche der Austrittsöffnung 30 stößt.

Grundsätzlich alle Strahlen, welche die beiden Bedingungen erfüllen, und nur diese können zur Beleuchtung des Objektbereiches beitragen, der zum Zwischenbild konjugiert ist.

Zur Übertragung der Strahlung der LED 31 wird eine Linse 32 (4) oder ein Linsensystem verwendet. Die Aufgabe wird zunächst als Abbildung betrachtet, wobei die Strahlerfläche der LED mit dem Durchmesser G (im Falle einer quadratischen LED wird der Durchmesser des einbeschriebenen Kreises verwendet) auf die Austrittsöffnung 30 mit dem Durchmesser B als reelles Luftbild abgebildet wird. Daraus ergibt sich der Abbildungsmaßstab m (negativ bei seitenverkehrten Bildern): m = –B/G

Um die Bedingung unter Ziffer 1 zu erfüllen, wird der objektivseitig optisch genutzte Durchmesser ∅L einer Linse oder eines Linsensystems gleich ∅z gewählt und als Bildentfernung b (Abstand der Austrittsöffnung zur bildseitigen Hauptebene Hb) die optische Tubuslänge des Objektives. Die Entfernung zwischen der LED-seitigen Hauptebene Hg und der LED g folgt aus: g = –m/b.

Die Erfüllung der Bedingung unter Ziffer 2 ist nun Aufgabe der Linse. Beim Entwurf dieser Linse ist darauf zu achten, dass der Rand scharf abgebildet wird. Im Falle einer Bildfeldwölbung ist für die Größe b die Entfernung zu wählen, welche zu einer scharfen Randabbildung führt, weil ansonsten Verluste auftreten würden. Die Abbildungsqualität nahe der optischen Achse kann vernachlässigt werden, weil die Aufgabenstellung grundsätzlich ein Beleuchtungsproblem und nur im Ansatz ein Abbildungsproblem ist. Die Auffassung als Abbildung ermöglicht aber die Angaben von grundlegenden Linsendaten.

Die Linse ist zur Optimierung der Effizienz so zu formen, dass die LED-seitige Numerische Apertur oder der Lichtleitwert L möglichst groß wird. Das theoretische Maximum kann über die Gleichsetzung der beiderseitigen Lichtleitwerte bestimmt werden. In skalarer Schreibweise:

oder in brauchbarer Näherung: &OHgr;G&pgr;(G/2)2 = &OHgr;B&pgr;(B/2)2(1).

Obige Gleichungen enthalten nur geometrische Größen. Optische Verluste, wie sie beim Übergang zwischen verschiedenen optischen Medien auftreten, können darin nicht berücksichtigt werden.

AG = &pgr;(G/2)2 ist die Größe LED-Strahlerfläche (beziehungsweise die Fläche des einbeschriebenen Kreises) und AB = &pgr;(B/2)2 die Größe der Fläche der Austrittsöffnung. dAG ist ein Flächenelement in der Ebene der LED-Strahlerfläche und dAB ein Flächenelement in der Ebene der Austrittsöffnung. Die Raumwinkel ergeben sich aus der Fläche einer Kugelkappe in der jeweiligen Hauptebene mit dem Durchmesser ∅L geteilt durch die Quadrate der Radien der Kugeln Rb 2 = b2 + (∅L/2)2 beziehungsweise Rg 2 = g2 + (∅L/2)2 (siehe 4).

Die Linse beziehungsweise das Linsensystem ist also so zu formen, dass &OHgr;G möglichst den Wert des physikalischen Grenzfalles erreicht. Aus (1) geht durch Umformung hervor: &OHgr;G = &OHgr;B(B/G)2 = m2 &OHgr;B(2).

Diese Lösung entnimmt der LED nur diejenigen Strahlen, die auch wirklich zu einer Beleuchtung führen. Strahlen, welche die LED unter einem größeren Winkel zur optischen Achse verlassen und nicht auf die Linse treffen, können nicht genutzt werden.

Es bleibt noch zu diskutieren, was passiert, falls die Linse nicht in der Zwischenbildebene 29 des Mikroskopes angebracht ist (5). Der Abbildungsmaßstab m muss unverändert bleiben. Der von der Austrittsöffnung 30 aus gesehene Raumwinkel &OHgr;B, begrenzt vom Linsenrand, ist nicht konstant. Das liegt daran, dass der Raumwinkel von der Austrittsöffnung aus zu betrachten ist und nicht ausgehend vom Schnittpunkt der Randstrahlen des Lichtkegels.

Sei nun die Linse an der Stelle b2 > bo (optische) Tubuslänge weiter weg positioniert mit einem entsprechend angepassten größeren Durchmesser. Der Raumwinkel &OHgr;B ist dann kleiner. Für eine verlustfreie Linse, die Gleichung (2) erfüllt, bedeutet dies, dass der Raumwinkel &OHgr;G der LED-Strahlung ebenfalls kleiner wird. Der LED wird weniger Strahlung entnommen und die Effizienz sinkt.

Für den Fall b1 < bo (optische Tubuslänge) vergrößert sich der Raumwinkel &OHgr;B. Für eine verlustfreie Linse, die die Gleichung (2) erfüllt, wird der Raumwinkel &OHgr;G der LED-Strahlung ebenfalls größer. Der LED wird also mehr Strahlung entnommen, was zunächst vorteilhaft erscheint. Doch dann treten Strahlen 33 (gestrichelt in 5) auf, welche die geometrische Bedingung unter Ziffer 1 verletzen: Der nach rechts verlängerte Strahl 33 stößt auf den Rand einer Kreisfläche in der Zwischenbildebene, dessen Durchmesser ∅1 größer als ∅z ist. (Es lassen sich durch Rotation um die optische Achse beliebig viele solcher Strahlen erzeugen). Entsprechend wird auf der Objektseite des Objektives ein größeres Gebiet beleuchtet, weil Objekt und Zwischenbild zueinander durch die Abbildung des Objektives konjugiert sind. Das nun größere objektseitige Gebiet ist aber nicht mehr für die Betrachtung durch das Okular vorgesehen oder kann nicht vollständig betrachtet werden, wenn das Zwischenbild durch eine Feldblende begrenzt ist. Dieser Fall ist als Verlust zu betrachten.

Die Darstellung gemäß 5a enthält nur normierte Größen:

b':
Abstand b (Abstand Austrittsöffnung zur Linse), normiert mit bo (optische Tubuslänge),
&OHgr;':
Raumwinkel &OHgr;B(b) im Abstand b, normiert mit dem Raumwinkel &OHgr;B im Fall von b = bo,
F':
die zu ∅1 gehörende Kreisfläche, normiert mit der Fläche des Zwischenbildes.

Als "Effizienz" wird folgender Ausdruck dargestellt: Effizienz (b') = &OHgr;'(b')/ F'(b').

5a zeigt, dass die Effizienz tatsächlich bei b = bo maximal wird. Dieser Fall wird realisiert durch eine Linse, deren objektivseitige Hauptebene sich in der Zwischenbildebene befindet mit einem Linsendurchmesser entsprechend dem Durchmesser ∅z des Zwischenbildes.

Es sei noch einmal betont, dass diese Berechnung auf rein geometrischen Größen, wie zum Beispiel dem Lichtleitwert beruhen. Es bleibt unberücksichtigt, wie viel optische Leistung ein "Lichtstrahl" tatsächlich mit sich führt. Eine solche Berechnung wäre sehr aufwändig und würde vermutlich ein abgerundetes Maximum der Effizienz (kein Knick wie in der 5a) zeigen und das vermutlich bei einem Abstand b leicht unterhalb von bo (optische Tubuslänge).

In der Praxis kann es nützlich sein, das Objekt tatsächlich auch etwas in der nahen Umgebung des mikroskopisch beobachtbaren Bereiches auszuleuchten. Dazu wäre es besser, die Linse in der Zwischenbildebene zu belassen und mit einem größeren Durchmesser auszulegen. In diesem Fall wird der LED auch mehr Strahlung zur Ausleuchtung der Umgebung des nun vergrößerten Bereichs entnommen.

Zur Homogenität der Beleuchtung: Für den Abbildungsvorgang des Objektives vom Objekt zum Zwischenbild liegt die Austrittsöffnung des Objektives in einer lichtintensitätsbegrenzenden Ebene, das Zwischenbild dagegen in einer feldbegrenzenden Ebene.

Für die Beleuchtungsanordnung herrschen umgekehrte Verhältnisse. Sollte das von der Linse beziehungsweise Linsensystem erzeugte Bild der LED eine ungleichmäßige Intensitätsverteilung aufweisen (zum Beispiel Schatten, hervorgerufen durch eine Elektrode auf dem LED-Chip), so herrscht dennoch in einer Ebene der Linse (Zwischenbildebene) Homogenität im Rahmen der Strahlungscharakteristik der LED und der zum Rand zunehmenden Reflexionsverluste und damit auch bei der Beleuchtung des Objektes, weil Zwischenbild und Objekt zueinander konjugiert sind.

Zur praktischen Ausführung muss das Licht der Auflichtbeleuchtung über einen Strahlteiler 34 (4) eingekoppelt werden, damit Linse und LED die Betrachtung des Zwischenbildes durch das Okular nicht behindern. Im Falle einer Fluoreszenz-Auflichtbeleuchtung wird man einen dichroischen Spiegel anstelle eines Strahlteilers verwenden.

Ein Rechenbeispiel für einen Strahler mit richtungsunabhängiger Strahlungsdichte (Lambertscher Strahler): Gegeben seien: bo = 170 mm, G = 1 mm, m = 6,5 mm, ∅z = 18 mm, G = 1 mm und LED: Osram Golden Dragon.

Mit konsequenter Berücksichtung des Lambertschen Strahlungsgesetzes, jedoch unter der Annahme einer verlustfreien Linse ergibt eine ausführliche Rechnung, dass theoretisch knapp 12 % aller Photonen den Objektbereich erreichen. Dieser Wert ist ziemlich klein. Der Grund ist, dass der Lichtleitwert der LED in diesem Beispiel für die Beleuchtungsanwendung zu groß ist. Die hier beschriebene Methode schafft verlustfreie Bedingungen in dem Bereich zwischen Linse und Objektiv. Strahlerseitig wird die volle Fläche genutzt bei Verzicht auf weniger intensive Strahlen weit abgewinkelter Strahlen (Lambertsches Gesetz), die zusätzlich am Linsenrand mit großem Einfallswinkel auftreffen und mehr Reflexionsverluste (Fresnel-Verluste) erleiden würden.

Eines der Entwurfskriterien einer Linse als idealer Transformator nach Gleichung (2) räumt der Abbildung der lichtdurchflossenen Flächen Vorrang gegenüber den Raumwinkeln ein. Der LED-seitige Raumwinkel &OHgr;G wird nicht größer als zur Optimierung notwendig. Auch das ist ein Effizienzvorteil, weil dann der LED vorzugsweise die "wertvollen" Strahlen entnommen werden. Das sind Strahlen mit den geringsten Verlusten bei Wichtung nach Lambert und Fresnel.

Es soll nun der Fall mit einer handelsüblichen LED mit nicht Lambertscher Strahlungscharakteristik behandelt werden:

Anspruch 14:

Handelsübliche LED mit Reflektorwanne: Für eine solche gängige LED wird ein Strahlermodell diskutiert, bei dem strahlende Teilbereiche vorhanden sind, die wenigstens in einem praktisch nutzbaren Raumwinkelbereich annähernd diffus strahlen. 6 zeigt einen LED-Chip 35 mit einem Durchmesser G1, der Oberflächenstrahlung aussendet. Seitlich austretende Strahlung wird durch eine Reflektorwanne 36 nach vorne gelenkt. Dadurch entsteht eine virtuelle Lichtquelle der Ausdehnung G2 an einer anderen Position auf der optischen Achse. Die Idee ist, zwei Abbildungsprobleme in ihrer Auswirkung auf die genannten geometrischen Bedingungen zu diskutieren. Die Oberflächenstrahlung (grau) bestimmt maßgeblich die Bildausdehnung B an der Stelle b = bo (37). Der Abbildungsmaßstab ist dann mit m = B/G1 zu wählen. Das Bild der virtuellen Seitenstrahlung (schwarz) erscheint bei 38. In diesem vereinfachten Strahlermodell erfüllen alle genutzten Strahlen die beiden Bedingungen zur Nutzung als Beleuchtung.

Bei handelsüblichen LEDs dieser Bauart wirkt das in Strahlerrichtung abgerundete EPOXY-Gehäuse als Lupe, so dass man nur virtuelle Bilder der Strahlerquellen sieht. Die Abmessungen dieser virtuellen Quellen sind dann in ein Strahlendurchrechnungsprogramm zum Entwurf der Linse einzugeben. Man kann diese Abmessungen zum Beispiel mit einer CCD-Kamera mit kalibriertem Makro-Objektiv ausmessen.

Ansprüche 17 bis 20: (Fig. 7):

Kondensoren sind so ausgelegt, dass in ihrem Inneren ein Bereich 39 entsteht, wie in 7 dargestellt, in dem nahezu parallel verlaufende Lichtstrahlen auftreten. Eine der Lichtquelle zugewandte Linse 40 oder ein Linsensystem hat die Aufgabe, diese Parallelität zu erzeugen. Als Strahler wurde auch hier wieder eine nur auf der Oberfläche strahlende LED 50 mit Lambertscher Strahlercharakteristik verwendet, weil sich diese gut abbilden lässt. Als Linsensystem 40 wurde eine einzige asphärische Linse verwendet. Eine andere asphärische Linse 41 dient dazu, dass parallele Licht zu fokussieren. In dem Bereich des konvergenten Strahlenbüschels 42 befindet sich – wie bei Kondensoren allgemein üblich – eine Halbkugellinse 43. Die gekrümmte Seite bewirkt fast keine Brechung, weil die Lichtstrahlen dort nahezu senkrecht auftreffen. Die flache Seite erzeugt durch starke Brechung ein weit aufgefächertes Strahlenbüschel 44, was dem Kondensor eine hohe Numerische Apertur verleiht. Aufgrund der hier vorherrschenden kleinen Abmessungen kann die Dicke des Objektträgers – eine Glasplatte 45 genormter Dicke – nicht vernachlässigt werden. Sie ist optisch als Teil der Halbkugellinse zu betrachten. In dem Bereich des parallel verlaufenden Strahlenganges kann eine Blende 46 mit ringförmigen Segmenten 47 eingeschoben werden. Dann sind nur noch die tief schwarz gezeichneten Strahlen wirksam, die am Ausgang des Kondensors das Dunkelfeld 48 erzeugen, bei dem keine direkte Strahlung in das Objektiv 17 fällt, sondern nur Streulicht, hervorgerufen durch Streuung am zu untersuchendem Objekt, das sich am Ort des Lichtfleckes 49 befindet.

Falls die Größe der Strahlerfläche der LED so groß ist wie die angestrebte Größe des Beleuchtungsfleckes 49 auf dem Objektträger, können die beiden Linsen 40 und 41 von gleicher Bauart sein (1:1 Abbildung).

Falls keine nur auf der Oberfläche strahlende LED mit Lambertscher Strahlercharakteristik in der gewünschten Leuchtfarbe verfügbar ist, zeigt 8 eine alternative Anordnung der Kondensorbeleuchtung für die Verwendung von einfachen LEDs (5 mm Durchmesser) 51. Diese Anordnung kann dann von Bedeutung sein, wenn zum Beispiel eine weiß strahlende LED gewünscht wird. Über ein Linsensystem 52 wird die Strahlung zu einem Fleck 53 konzentriert. Dieser wird durch eine Lochblende 55 zusätzlich begrenzt. In diesem Ausführungsbeispiel wurden drei gleichartige Plankonvexlinsen verwendet. Die rechte Linse 54 weist rechtsseitig eine plane Fläche auf, die ein weit gefächertes Strahlenbüschel 56 erzeugt. Ein Strahlenbüschel hinreichender Divergenz wird für die volle Ausleuchtung der Kondensorlinse 40 benötigt. Die Position der Lochblende 55 entspricht der Position der LED 50 in 7.

9 zeigt einen zum Stand der Technik gehörenden, verschiebbaren Blechstreifen 57 mit mehreren Ringblenden. Ein solches Blech kann anstelle der Blende 46 seitlich in den Kondensor 5 eingeführt und verschoben werden. Das Loch 58 bewirkt keine Einschränkung der Strahlen im Kondensor und erzeugt auch keinen kontrastverbessernden Effekt (Hellfeld, Köhlersche Beleuchtung). Die Blenden 59 erzeugen einen so genannten Ringlicht-Kontrast, während die Blende 60 mit den schmalen lichtdurchlässigen Segmenten den Dunkelfeldeffekt erzeugt, wie auch die Blende 46 in 7. Ein solches Bauteil hat den Nachteil, dass es seitlich aus dem Kondensor 5 herausragen würde und daher Dichtungsprobleme hervorruft.

Die Lösungsidee besteht darin, ein elektronisches Bauteil im Inneren des Kondensors zu verwenden, mit dem die gleichen Effekte erzeugt werden können wie mit den Blenden des Blechsstreifens 57. Dazu eignet sich ein LCD. Das LCD 61 besteht aus in einem Gitter angeordneten Flüssigkristallzellen 62, die sich elektronisch einzeln durchsichtig oder undurchsichtig schalten lassen (10). Man erkennt im linken Teil der 10 ein ähnliches Muster, wie bei der Blende 60 des Blechstreifens dargestellt ist. Falls zwischen den einzelnen Pixeln 62 Lücken 63 bestehen, die sich nicht undurchsichtig schalten lassen, verbleibt bei Dunkelsteuerung des LCD ein dünnes transparentes Gitter. Damit ließe sich kein Dunkelfeld-Effekt erzeugen. Deshalb muss das LCD zusätzlich mit zum Beispiel einer Glasplatte 64 abgedeckt werden, auf der eine schwarze Gitterstruktur 65 aufgebracht ist, die in ihrer Geometrie dem transparenten Gitter des LCD entspricht und dieses abdeckt. Damit lässt sich das gewünschte Ergebnis 66 erzielen, das rechts in 10 gezeigt ist.

Das LCD muss für Transmissionsbeleuchtung ausgelegt sein und ein hohes Kontrastverhältnis (gute Abdunklung) aufweisen. Bei einer hohen Pixeldichte kann der Übergang von der uneingeschränkten Transmission (Loch 58) zu Dunkelfeld 60 nahezu kontinuierlich gesteuert werden. Es erfolgt eine von innen nach außen sich ausbreitende Abschattung.

Das LCD befindet sich nicht in einer feldbegrenzenden Ebene. Es erfolgt also eine reine Richtungsmodulation (die mit einer Helligkeitsmodulation einhergeht). Die Ansteuerung des LCDS nimmt ein Mikroprozessor vor, der auf Schaltelemente reagiert, die vom Benutzer betätigt werden.

Anspruch 21: Akustischer Signalgeber (Fig. 11):

Beim Einschalten des Mikroskopes wird eine Tonfolge erzeugt, falls die Betriebsspannung beziehungsweise der Ladezustand der Akkus für den Betrieb bedenkenlos ist. Bei kritischer Betriebsspannung wird dagegen ein tieffrequenter Tonpuls unmittelbar nach dem Einschalten und bei jedem Wechsel der Beleuchtungsrichtung erzeugt.

Das Problem der Schallerzeugung nach außen bei einem Bauteil im abgedichteten Gehäuse wird durch Ankleben eines der schwingenden Teile eines Signalgebers an das Gehäuse 21 gelöst. Dadurch entsteht Körperschall im Gehäuse, der nach außen abgestrahlt wird. Als Signalgeber eignen sich unter anderem dynamische Lautsprecher. Ein scheibenförmiger Piezo-elektrischer Töner 67 ist besser geeignet, weil er zwei flache Seiten enthält und damit mehr Kontaktfläche zum Verkleben an das Gehäuse bereitstellt.

Im Ausführungsbeispiel besteht die Tonfolge aus der aufsteigenden Quinte, ausgehend vom Kammerton a. Dieses Signal ist auch beim Hochfahren von Notebook-Rechnern zu hören und bekannt.

12 zeigt einen Strahlenverlauf mit der erfindungsgemäßen Linse. Ein raytracing-Programm würde den in 12 dargestellten Strahlenverlauf zeigen, nämlich, keine parallel verlaufenden Strahlen. Paralleles Licht ergäbe sich bei der Verwendung eines Punktstrahlers, das heißt, bei einer LED mit kleiner Lochblende (Pin-Hole). In diesem Fall ergäbe sich jedoch nur eine sehr kleine Lichtausbeute. Die erfindungsgemäße Linse besitzt eine viel größere Numerische Apertur, so dass auch eine hohe Lichtausbeute gewährleistet ist.


Anspruch[de]
Mikroskop, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroskop einen oben am Gehäuse angeordneten Griff aufweist, derart, dass das Gerät sehr leicht zu greifen und an häufig wechselnde Einsatzorte zu transportieren ist. Mikroskop, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroskop ein Mehrkammer-Dichtsystem aufweist, bei dem mechanische, elektronische und optische Baugruppen getrennt voneinander im Gehäuse untergebracht und durch Wände getrennt sind. Mikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Dichtungsverfahren eingesetzt werden. Mikroskop, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Höhenverstellung des Arbeitstisches ein Bauelement verwendet wird, welches eine Drehbewegung in eine Translationsbewegung in Richtung der Drehachse umsetzt. Mikroskop nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteil verwendet wird, welches die Translationsbewegung durch Anwendung des Prinzips der schiefen Ebene in eine andere Translationsbewegung überführt, die senkrecht auf der ersten steht. Mikroskop nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide Bauteile zu einem einzigen zusammengefasst werden. Mikroskop nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Selbsthaltung realisiert ist. Mikroskop, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Auflichtbeleuchtung eine LED als Lichtquelle und eine Linse oder ein Linsensystem als Raumwinkel-Transformator verwendet werden. Mikroskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die LED die Eigenschaft eines diffus strahlenden Oberflächenstrahlers besitzt. Mikroskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse Lichtstrahlen erzeugt, die aus Umkehrung der bilderzeugenden geometrischen Strahlen hervorgehen. Mikroskop nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse die Strahlerfläche der LED möglichst vollständig abbildet. Mikroskop nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Linse zur Schaffung höchster Effizienz der Beleuchtung an einer ausgezeichneten Position befindet. Mikroskop nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse möglichst große strahlerseitige Numerische Apertur aufweist. Mikroskop nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle einer diffus strahlenden LED alternativ auch eine nicht homogen und nicht diffus strahlende LED verwendet werden kann. Mikroskop, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle für den Kondensor eine LED verwendet wird. Mikroskop nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die LED als diffus strahlender Oberflächenstrahler ausgelegt ist. Mikroskop nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlerfläche der LED etwa so groß ist wie die geplante Beleuchtungsfläche des Kondensors. Mikroskop nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ eine nicht diffus strahlende handelsübliche LED zusammen mit Linsen und einer Lochblende verwendet wird. Mikroskop nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Einrichtung für die Erzeugung eines Dunkelfeldes ein LCD mit elektronischer Ansteuerung verwendet wird. Mikroskop nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das LCD einen nahezu kontinuierlichen Übergang von Durchlicht- zu Dunkelfeldbeleuchtung ermöglicht. Mikroskop, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroskop einen akustischen Signalgeber mit Körperschall-Kopplung aufweist.






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