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Dokumentenidentifikation DE102006009053A1 30.08.2007
Titel Multispektrale Beleuchtungsvorrichtung
Anmelder Carl Zeiss Jena GmbH, 07745 Jena, DE
Erfinder Dietrich, Christian, Dr., 07743 Jena, DE
Vertreter GEYER, FEHNERS & PARTNER (G.b.R.), 80687 München
DE-Anmeldedatum 27.02.2006
DE-Aktenzeichen 102006009053
Offenlegungstag 30.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.08.2007
IPC-Hauptklasse G02B 21/06(2006.01)A, F, I, 20060227, B, H, DE
Zusammenfassung Eine Beleuchtungsvorrichtung zur Abgabe von optischer Strahlung durch wenigstens eine Auskoppelschnittstelle umfaßt mindestens zwei Strahlungsquellen (6) zur Abgabe von optischer Strahlung in jeweils unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, wenigstens eine um eine vorgegebene Achse (10) relativ zu den Strahlungsquellen (6) dreh- oder schwenkbare optische Umlenkeinrichtung (9) für die abgegebene optische Strahlung und eine Antriebseinrichtung (11) zur Drehung bzw. Schwenkung der Umlenkeinrichtung (9) um die Achse (10), wobei die Strahlungsquellen (6) so relativ zu der Umlenkeinrichtung (9) und der Achse (10) angeordnet sind, daß von jeder der Strahlungsquellen (6) abgegebene optische Strahlung durch die in eine geeignete Winkelstellung um die Achse (10) gedrehte bzw. geschwenkte Umlenkeinrichtung (9) in die Auskoppelschnittstelle umgelenkt werden kann.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine multispektrale Beleuchtungsvorrichtung, optische Vorrichtungen, insbesondere Abbildungs-, Untersuchungs-, Beobachtungs- und Projektionsvorrichtungen, mit einer solchen Beleuchtungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Bereitstellung optischer Strahlung.

Ein wichtiges Einsatzgebiet von Beleuchtungsvorrichtungen sind Abbildungs- bzw. Untersuchungsvorrichtungen, die dazu vorgesehen sind, Bilder eines zu untersuchenden Objekts bzw. einer Probe zu erzeugen. Typische Beispiele für solche Abbildungsvorrichtungen sind Mikroskope und insbesondere Mikroskope mit einer Weitfeldoptik, die einen vorgegebenen Bereich der abzubildenden bzw. zu untersuchenden Probe, und nicht nur einen kleinen punktförmigen Bereich der Probe, auf eine Bildebene abbildet. Die Beleuchtungsvorrichtung dient dazu optische Strahlung in einem gewünschten Wellenlängenbereich zur Beleuchtung des Objekts bzw. der Probe bereitzustellen bzw. zu liefern. Unter optischer Strahlung wird dabei insbesondere elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im Bereich vom ultravioletten bis zum infraroten Teil des Spektrums verstanden.

Für viele Anwendungen in der Weitfeld-Mikroskopie ist es notwendig, die Proben in definierter möglichst schneller Abfolge mit optischer Strahlung unterschiedlicher Farbe bzw. Wellenlänge zu durch- oder beleuchten. Vorzugsweise sollten der Wechsel zwischen verschiedenen Farben bzw. Wellenlängenbereichen innerhalb von Millisekunden und eine Modulation der Intensität der Probenbeleuchtung innerhalb von Mikrosekunden möglich sein.

Eine besondere Rolle kommt bei der optischen Untersuchung von Proben der Fluoreszenz-Untersuchung zu. Dabei wird die Probe mit Anregungsstrahlung in einem geeigneten Anregungswellenlängenbereich bzw. mit einem geeigneten Anregungsspektrum, das in Abhängigkeit von einem oder mehreren Fluoreszenzfarbstoffen gewählt ist, bestrahlt. Befinden sich in der Probe diese Fluoreszenzfarbstoffe, so wechselwirken diese mit der Anregungsstrahlung und emittieren Fluoreszenzstrahlung, die für den Fluoreszenzfarbstoff charakteristisch ist. Auf diese Weise ist eine Detektion von Fluoreszenzfarbstoffen in einer Probe möglich. Dabei kann nicht nur das Vorhandensein von Fluoreszenzfarbstoffen oder Stoffen, an die die Fluoreszenzfarbstoffe gebunden sind, sondern auch deren Konzentration ermittelt werden.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet von Fluoreszenzuntersuchungen ist die Molekularbiologie. Dabei werden Fluoreszenzfarbstoffe verwendet, die an vorgegebene Stoffe in einer biologischen Probe spezifisch binden und dann in gebundenem Zustand detektiert werden können. Es ist so ein Rückschluß auf das Vorhandensein und die Konzentration des vorgegebenen Stoffs in der Probe möglich. Für solche Untersuchungen werden sogenannte Fluoreszenz-Reader eingesetzt, die zur Untersuchung von Bio-Chips mit mehreren, meist sogar sehr vielen, voneinander abgegrenzten Bereichen mit jeweils unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung ausgelegt sind. Solche Geräte werden eingesetzt, um eine große Anzahl von Proben möglichst bei einer Untersuchung auf mehrere verschiedene Fluoreszenzfarbstoffe untersuchen zu können.

Zur schnellen Untersuchung von Proben wäre es daher wünschenswert, über eine Abbildungs- bzw. Untersuchungsvorrichtung zu verfügen, die einen schnellen Wechsel zwischen den verschiedenen Spektren zuläßt.

Hierzu kann beispielsweise eine multispektrale Beleuchtungsvorrichtung verwendet werden, mit der wenigstens sequentiell optische Strahlung in wenigstens zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen abgegeben werden kann. Dabei wird unter sequentieller Abgabe von optischer Strahlung in wenigstens zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen verstanden, daß zeitlich nacheinander für jeweils einen vorgegebenen Zeitraum optische Strahlung abgegeben wird, deren Intensität jeweils in einem anderen der Wellenlängenbereiche wenigstens ein ausgeprägtes Maximum hat, wobei die Intensität nicht unbedingt in dem Bereich zwischen den beiden Wellenlängenbereichen verschwinden muß.

Eine Möglichkeit für die multispektrale Beleuchtung besteht in der Verwendung von Weißlichtquellen, aus deren optischer Strahlung ein gewünschter Bereich selektiert wird. Hierzu kann beispielsweise die optische Strahlung mittels eines dispersiven Elements räumlich aufgespalten werden. Durch Verwendung einer geeignet angeordneten Blende oder eines Blendenrads kann dann ein gewünschter spektraler Anteil der optischen Strahlung ausgewählt werden. Dieses Vorgehen hat den Nachteil, daß ein Wechsel zwischen verschiedenen Wellenlängenbereichen aufwendig ist. Darüber hinaus ist die Verwendung dispersiver Elemente relativ teuer und aufwendig und in Bezug auf die Strahlungsausbeute auch nicht sehr effektiv.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, nur einen bestimmten gewünschten Wellenlängenbereich, beispielsweise mittels eines Farbfilters oder eines Dichroiten, auszufiltern. Zum Wechsel der Wellenlängenbereiche können beispielsweise Filterräder verwendet werden, die bedingt durch die bewegte Masse jedoch keinen schnellen Wechsel zwischen den Wellenlängenbereichen zulassen.

Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von abstimmbaren Flüssigkristallfiltern, die zwar einen schnellen Wechsel erlauben und flexibel sind, jedoch aufwendig und teuer herzustellen sind. Darüber hinaus bieten sie nur eine sehr eingeschränkte Transmission, häufig kleiner als 50%, so daß auch hier die Strahlungsausbeute gering ist.

Ein genereller Nachteil der Verwendung einer Weißlichtquellen besteht darin, daß das Ein- und Ausschalten wie auch einen Modulation der Intensität nicht sehr schnell erfolgen kann, da diese Strahlungsquellen sehr träge sind. Hierzu sind vielmehr mechanische Verschlüsse und Graufilter notwendig, die einen aufwendigen Aufbau mit sich bringen.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, mehrere farbige Strahlungsquellen, d.h. Quellen für optische Strahlung zu verwenden, die optische Strahlung in jeweils verschiedenen Wellenlängenbereichen bzw. mit unterschiedlicher charakteristischer Wellenlänge abgeben.

So ist DE 103 14 125 A1 eine Anordnung zur Beleuchtung von Objekten mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge bei Mikroskopen, automatischen Mikroskopen und Geräten für fluoreszenzmikroskopische Anwendungen beschrieben, die LED-Lichtquellen zur Objektbeleuchtung umfaßt, welche im Beleuchtungsstrahlengang des Mikroskops oder Gerätes angeordnet sind. Zur Bewegung wenigstens einer der Leuchtdioden in einen Beleuchtungsstrahlengang ist eine um eine Drehachse drehbare Aufnahmevorrichtung mit Halterungen für jeweils mindestens eine der Leuchtdioden vorgesehen. Mittels einer Antriebseinrichtung ist die Aufnahmevorrichtung einstellbar, so die Leuchtdiode mit der jeweils für Messungen und/oder Beobachtungen benötigten Schwerpunktwellenlänge in den Beleuchtungsstrahlengang bewegt werden kann. Dieses Konzept hat jedoch den Nachteil, daß die drehbare Aufnahmevorrichtung mit darin gehaltenen Leuchtdioden ein erhebliche Masse aufweist, die einen sehr schnellen Wechsel zwischen den Wellenlängenbereichen nicht ohne weiteres zuläßt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungsvorrichtung zur sequentiellen Abgabe von optischer Strahlung in jeweils verschiedenen vorgegebenen Wellenlängenbereichen bereitzustellen, die einfach aufgebaut ist und einen schnellen Wechsel des Wellenlängenbereichs der von ihr abgegebenen Strahlung erlaubt, sowie ein Verfahren zur Bereitstellung von optischer Strahlung in wenigstens zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen anzugeben.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Beleuchtungsvorrichtung zur Abgabe von optischer Strahlung durch wenigstens eine Auskoppelschnittstelle mit mindestens zwei Strahlungsquellen zur Abgabe von optischer Strahlung in jeweils unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, wenigstens einer um eine vorgegebene Achse relativ zu den Strahlungsquellen dreh- oder schwenkbaren optischen Umlenkeinrichtung zur Ablenkung der abgegebenen optischen Strahlung und einer Antriebseinrichtung zur Drehung bzw. Schwenkung der Umlenkeinrichtung um die Achse, wobei die Strahlungsquellen so relativ zu der Umlenkeinrichtung und der Achse angeordnet sind, daß von jeder der Strahlungsquellen abgegebene optische Strahlung durch die in eine geeigneten Winkelstellung um die Achse gedrehte bzw. geschwenkte Umlenkeinrichtung in die Auskoppelschnittstelle umgelenkt werden kann.

Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zur sequentiellen Bereitstellung von optischer Strahlung in wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen in einem vorgegebenen zeitlichen Wechsel durch wenigstens eine Auskoppelschnittstelle, insbesondere unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung, bei dem mit wenigstens zwei Strahlungsquellen, von denen jede optische Strahlung in einem anderen der Wellenlängenbereiche abgeben kann, optische Strahlung in einem der Wellenlängenbereiche erzeugt und auf eine optische Umlenkeinrichtung gerichtet wird, und die optische Umlenkeinrichtung so relativ zu den Strahlungsquellen gedreht oder geschwenkt wird, daß in dem vorgegebenen zeitlichen Wechsel optische Strahlung der unterschiedlichen Wellenlängenbereiche in die Auskoppelschnittstelle umgelenkt wird.

Die Beleuchtungsvorrichtung ist also dazu vorgesehen, optische Strahlung durch eine Auskoppelschnittstelle abzugeben. Unter einer Auskoppelschnittstelle wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine vorgegebene Fläche der Beleuchtungsvorrichtung oder eine fest relativ zu der Beleuchtungsvorrichtung positionierte Fläche verstanden, durch die optische Strahlung in einer durch wenigstens einen Teil der Beleuchtungsvorrichtung vorgegebene Richtung abgegeben wird. Unter der Richtung wird dabei im Falle eines abgegebenen Strahlenbündels die über den Querschnitt des abgegebenen Strahlenbündels gemittelte Richtung der Strahlen des Bündels verstanden.

Die Strahlungsquellen sind zur Abgabe optischer Strahlung in jeweils unterschiedlichen Wellenlängenbereichen ausgebildet, d.h. sie weisen jeweils unterschiedliche Emissionsspektren auf. Darunter wird verstanden, daß die charakteristischen Wellenlängen der jeweiligen Emissionsspektren, beispielsweise Intensitätsmaxima der jeweiligen Emissionsspektren oder Schwerpunktwellenlänge der jeweiligen Emissionsspektren oder deren dominante Wellenlängen, voneinander, vorzugsweise um mehr als 50 nm, beabstandet sind. Insbesondere überlappen sich Emissionspeaks der Strahlungsquellen wenigstens innerhalb der Halbwertsbreite der Peaks vorzugsweise nicht oder nur in den Flanken der Emissionspeaks. Die Strahlungsquellen geben insofern optische Strahlung verschiedener "Farbe" ab.

Zur Auswahl eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs aus den durch die Strahlungsquellen vorgegebenen Wellenlängenbereichen wird von der entsprechenden Strahlungsquelle optische Strahlung in Richtung der Umlenkeinrichtung abgegeben. Die Umlenkeinrichtung wird durch Drehen oder Schwenken in eine Stellung gebracht, in der die optische Strahlung der ausgewählten Strahlungsquelle durch die Umlenkeinrichtung in die Auskoppelschnittstelle umgelenkt wird.

Die Bewegung der Umlenkeinrichtung erfolgt bei der Vorrichtung mittels der Antriebseinrichtung, die hierzu einen durch Steuersignale steuerbaren Aktor bzw. Stellantrieb umfassen kann.

Die Beleuchtungsvorrichtung zeichnet sich durch einen sehr einfachen Aufbau aus und braucht insbesondere nicht über bewegte mechanische Bauelemente mit großer Masse oder großem Trägheitsmoment zu verfügen, da optische Umlenkeinrichtungen sehr leicht sein können und bereits eine Drehung um einen sehr kleinen Winkel ausreichen kann, um statt Strahlung einer ersten der Strahlungsquellen Strahlung einer zweiten der Strahlungsquellen in die Auskoppelschnittstelle zu lenken. Dadurch kann ein sehr schneller Wechsel zwischen den Wellenlängenbereichen erfolgen.

Da die Strahlungsquellen nicht bewegt zu werden brauchen, können prinzipiell beliebige Strahlungsquellen verwendet werden, die optische Strahlung in den gewünschten Wellenlängenbereichen abgeben können. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfassen die Strahlungsquellen wenigstens eine Strahlungsquelle, deren Strahlung über eine Faseroptik auf die Umlenkeinrichtung abgegeben wird. Bei dem Verfahren wird dann vorzugsweise als wenigstens eine der Strahlungsquellen eine Strahlungsquelle verwendet, deren Strahlung über eine Faseroptik auf die Umlenkeinrichtung abgegeben wird. Dies erlaubt es insbesondere, auch voluminöse Strahlungsquellen zu verwenden, deren optische Strahlung dann durch die Faseroptik in einem räumlich kleinen Bereich nahe der Umlenkeinrichtung gebracht werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung umfassen die Strahlungsquellen vorzugsweise wenigstens einen Laser. Bei dem Verfahren wird als wenigstens eine der Strahlungsquellen vorzugsweise ein Laser verwendet. Dies hat den Vorteil, daß durch den Laser verglichen mit anderen Strahlungsquellen besonders intensive und/oder schmalbandige und/oder kohärente Strahlung geliefert werden kann.

Bei der Vorrichtung umfassen die Strahlungsquellen besonders bevorzugt wenigstens eine Halbleiterstrahlungsquelle. Bei dem Verfahren wird dann vorzugsweise als wenigstens eine der Strahlungsquellen eine Halbleiterstrahlungsquelle verwendet. Diese Ausführungsform hat eine Reihe von Vorteilen. So bauen Halbleiterstrahlungsquellen sehr kompakt, so daß die Beleuchtungsvorrichtung selbst auch kompakt aufgebaut werden kann. Weiter sind Halbleiterstrahlungsquellen verfügbar, die optische Strahlung in schmalen Wellenlängenbereichen, d.h. farbige optische Strahlung abgegeben. Durch Wahl entsprechender Halbleiterstrahlungsquellen können sehr unterschiedliche Wellenlängenbereiche abgedeckt werden. Gegenüber konventionellen Lichtquellen wie Bogen- oder Halogenlampen hat die Verwendung von Halbleiterstrahlungsquellen, insbesondere Leuchtdioden, darüber hinaus den Vorteil, daß diese eine wesentlich längere Lebensdauer aufweisen. Weiter ist die Wärmeentwicklung durch Halbleiterstrahlungsquellen bei deren Betrieb wesentlich geringer als bei Bogen- oder Halogenlampen. Eine aktive Kühlung der Halbleiterstrahlungsquellen kann daher unterbleiben, eine passive Kühlung kann gegenüber der Verwendung von Bogen- oder Halogenlampen deutlich vereinfacht werden. Vorzugsweise sind alle Strahlungsquellen Halbleiterstrahlungsquellen.

Bei den Halbleiterstrahlungsquellen kann es sich um beliebige, optische Strahlung emittierende Halbleiterbauelemente handeln. Beispielsweise können Laserdioden oder Superlumineszenzdioden verwendet werden. Vorzugsweise werden jedoch lichtemittierende Dioden bzw. Leuchtdioden oder organische Leuchtdioden verwendet. Besonders bevorzugt sind dabei Hochleistungsleuchtdioden, die optische Strahlung hoher Intensität abstrahlen. Vorzugsweise werden leistungsstarke farbige Leuchtdioden für die Beleuchtungsvorrichtung eingesetzt. Um vorgegebene Wellenlängenbereiche abdecken zu können, können auch Leuchtdioden mit aufgebrachten Leuchtstoffen zur Farbkonversion, die durch von dem Halbleitermaterial der Leuchtdioden abgegebene optische Strahlung angeregt optische Strahlung in einem anderen Wellenlängenbereich abgeben, eingesetzt werden. Gegenüber der Verwendung von konventionellen Lasern haben Halbleiterstrahlungsquellen, insbesondere Leuchtdioden, den Vorteil, daß deren Emissionsspektren breitbandiger als die vieler Laser sind, so daß durch geeignete Filterwahl einfacher ein bestimmter gewünschter Anteil ausgefiltert werden kann. Auch treten die bei gewöhnlichen Lasern durch die hohe Kohärenz der Laserstrahlung auftretenden Probleme wie Speckle-Bildung nicht bzw. nicht so ausgeprägt auf.

Bei den Leuchtdioden kann es sich insbesondere um solche mit einer planen Fläche, aus der die optische Strahlung austritt oder Leuchtdioden mit einer über der Fläche angeordneten transparenten Kuppel zur Reduktion des Brechungsindexsprungs zum Halbleitermaterial handeln. Die Verwendung von vier Halbleiterstrahlungsquellen erlaubt eine gute Abdeckung eines gegebenen Spektralbereichs, insbesondere des gesamten optischen Spektrums, insbesondere des sichtbaren Spektrums sowie des UV- und NIR-Bereichs. Vorzugsweise ist dazu wenigstens ein der Halbleiterstrahlungsquellen eine UV- oder NIR-Strahlungsquelle mit einer charakteristischen Emissionswellenlänge im UV- bzw. NIR- Bereich. Um eine für die jeweilige Anwendung hinreichende Strahlungsleistung in einem jeweiligen Wellenlängenbereich zur Verfügung stellen zu können, ist es auch möglich, statt nur einer Halbleiterstrahlungsquelle für einen gegebenen Emissionswellenbereich ein entsprechendes Feld von gleichen Halbleiterstrahlungsquellen zu verwenden. Beispielsweise kann ein Feld von gleichen Leuchtdioden verwendet werden.

Halbleiterstrahlungsquellen sind bislang bei wirtschaftlich vertretbaren Kosten nicht für beliebige Emissionswellenlängenbereiche verfügbar. Es ist daher bevorzugt, daß die Beleuchtungsvorrichtung wenigstens eine Halbleiterstrahlungsquelle mit wenigstens einem Leuchtstoff zur Farbkonversion umfaßt, in deren Strahlengang ein Bandpaßfilter angeordnet ist und deren Strahlung ebenfalls auf die Umlenkeinrichtung abgegeben wird. Der Bandpaßfilter befindet sich dabei vorzugsweise zwischen einer der Halbleiterstrahlungsquelle zugeordneten Kollimationseinrichtung und der Halbleiterstrahlungsquelle selbst. Unter einer Farbkonversion durch einen Leuchtstoff wird dabei verstanden, daß der Leuchtstoff von einer strahlungsemittierenden Schicht der Halbleiterstrahlungsquelle abgegebene Strahlung durch Fluoreszenz und/oder Phosphoreszenz in Strahlung in dem gewünschten Wellenlängenbereich, d.h. Strahlung anderer Farbe, konvertiert. Der Bandpaßfilter ist so gewählt, daß die Strahlung der Halbleiterstrahlungsquelle spektral auf einen geeigneten Wellenlängenbereich beschränkt wird. Vorzugsweise liegt jener Bereich im Bereich von 570 nm. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß Lücken im von Halbleiterstrahlungsquellen abdeckbaren Wellenlängenbereich des optischen Spektrums gefüllt werden können, indem ein entsprechender Bandpaßfilter verwendet wird.

Prinzipiell können die Strahlungsquellen beliebig angeordnet sein, solange deren Strahlung durch die Umlenkeinrichtung in einer geeigneten Stellung in die Auskoppelschnittstelle umgelenkt werden kann. Vorzugsweise sind die Strahlungsquellen jedoch in einer Ebene angeordnet. In diesem Fall verläuft dann die Achse, um die die Umlenkeinrichtung geschwenkt oder gedreht werden kann, orthogonal zu der Ebene. Hierdurch kann ein sehr einfacher Aufbau erzielt werden, indem die Strahlungsquellen beispielsweise auf einer Platine angeordnet werden. Weiter ist die Justierung der Anordnung der Strahlungsquellen relativ zu der Umlenkeinrichtung bzw. der Achse besonders einfach.

Besonders bevorzugt sind die Strahlungsquellen auf einem Kreisbogen angeordnet. Insbesondere kann dann die Dreh- bzw. Schwenkachse durch den Mittelpunkt des Kreisbogens orthogonal zu der durch den Kreisbogen aufgespannten Ebene verlaufen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die optischen Wege von den Strahlungsquellen zu der Umlenkeinrichtung in diesem Fall gleich lang sind, so daß Intensitätsverluste auf dem Weg von den Strahlungsquellen und der Umlenkeinrichtung gleich stark sind.

Da insbesondere Halbleiterstrahlungsquellen die optische Strahlung nicht unbedingt stark gebündelt abgegeben, kann im Strahlengang zwischen wenigstens einer der Strahlungsquellen und der Umlenkeinrichtung vorzugsweise wenigstens eine Kollimationseinrichtung zum Kollimieren der von der Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung und/oder ein Filter zur Begrenzung des Spektrums der auf die Umlenkeinrichtung auftreffenden Strahlung, beispielsweise ein schmales Bandpaßfilter, angeordnet sein. Die Kollimation hat den Vorteil, daß zum einen ein kollimiertes Strahlenbündel definierter und unter geringeren Verlusten umgelenkt werden kann als ein divergentes, und daß zum anderen das bei der Kollimation entstehende wenigstens quasi-parallele Strahlenbündel die Verwendung von Interferenzfiltern erlaubt, die eine besonders präzise Filterung erlauben. Die Kollimationseinrichtung kann beispielsweise wenigstens einen Konzentrator oder ein holographisches oder diffraktives Element aufweisen, der bzw. das eine Kollimation der von der jeweiligen Strahlungsquelle abgegebenen optischen Strahlung erlaubt. Vorzugsweise umfaßt jedoch wenigstens eine der Kollimationseinrichtungen eine asphärische Linse oder einen asphärischen Spiegel. Diese Ausführungsform der Kollimationseinrichtung hat den Vorteil, daß die asphärische Ausbildung eine besonders gute Bündelung der von der jeweiligen Strahlungsquelle, insbesondere Halbleiterstrahlungsquelle, abgegebenen optischen Strahlung erlaubt und damit Strahlungsverluste durch eine wenig gerichtete Abstrahlung der optischen Strahlung von der Halbleiterstrahlungsquelle reduziert werden können.

Das Filter dient dabei dazu, lange spektrale Ausläufer der Emissionsspektren der Strahlungsquellen, insbesondere der Halbleiterstrahlungsquellen, auszublenden und damit möglicherweise störende Untergrundsignale zu vermeiden. Dies hat den Vorteil, daß eine spätere Auswertung. bei einer Fluoreszenzuntersuchung erleichtert wird. Das Bandpaßfilter hat vorzugsweise eine spektrale Breite von weniger als 100 nm.

Die Umlenkeinrichtung verfügt über mindestens ein Umlenkelement, das auf es auftreffende Strahlung umlenkt. Unter einer Umlenkung wird dabei generell verstanden, daß aus aus einer Richtung einfallender Strahlung sich in eine andere Richtung ausbreitende, nicht nur diffus gestreute Strahlung erzeugt wird. Die Umlenkeinrichtung kann daher vorzugsweise wenigstens eines der im Folgenden genannten Umlenkelemente oder auch eine Kombination von wenigstens zwei dieser Umlenkelemente umfassen.

So kann die Umlenkeinrichtung der Vorrichtung als Umlenkelement ein Prisma aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, daß die Umlenkeinrichtung als Umlenkelement ein diffraktives Element aufweist. Bei diesem kann es sich insbesondere um ein Beugungsgitter handeln. Vorzugsweise weist die Umlenkeinrichtung wenigstens einen Spiegel als Umlenkelement auf. Die Verwendung eines Spiegels hat den Vorteil, daß ein sehr hoher Anteil der einfallenden Strahlung tatsächlich umgelenkt wird und die Umlenkung weitgehend unabhängig von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung gleich erfolgt. Darüber hinaus können Spiegel ein sehr geringes Trägheitsmoment aufweisen, so daß eine schnelle Drehung möglich ist.

Zur Bewegung der Umlenkeinrichtung dient die Antriebseinrichtung, die hierzu einen über Steuersignale ansteuerbaren Aktor bzw. einen über Steuersignale ansteuerbaren Stellantrieb, beispielsweise einen Elektromotor oder einen Galvanoantrieb, aufweisen kann, mittels dessen die Umlenkeinrichtung in eine dem Steuersignal entsprechende Stellung gestellt werden kann. Die Vorrichtung umfaßt dann vorzugsweise noch eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung, um die Umlenkeinrichtung in wenigstens zwei Stellungen zu bewegen, in denen diese optische Strahlung jeweils einer anderen der Strahlungsquellen in die Auskoppelschnittstelle umleiten.

Prinzipiell genügt es, daß die Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung ausgebildet ist. Dann können die Strahlungsquellen gleichzeitig betrieben werden, die Auswahl der Wellenlängenbereiche erfolgt dann allein durch Bewegung der Umlenkeinrichtung. Es ist jedoch bevorzugt, daß die Steuereinrichtung auch zur Ansteuerung der Strahlungsquellen ausgebildet ist.

Insbesondere kann die Steuereinrichtung weiter so ausgebildet und mit den Strahlungsquellen verbunden sein, daß mittels der Steuereinrichtung die Intensität und/oder Abstrahldauer der von den Strahlungsquellen abgegeben optischen Strahlung für wenigstens zwei der Strahlungsquellen getrennt voneinander einstellbar ist. Bei dem Verfahren kann dann vorzugsweise die Intensität und/oder Abstrahldauer der von den Strahlungsquellen abgegebenen optischen Strahlung für wenigstens zwei der Strahlungsquellen getrennt voneinander eingestellt werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Strahlungsleistungen der einzelnen Strahlungsquellen, insbesondere von Halbleiterstrahlungsquellen, im Unterschied zu Bogen- oder Halogenlampen, ohne eine Änderung des Farbspektrums genau eingestellt werden können. Insbesondere ist es möglich, die Strahlungsleistungen so einzustellen, daß die von den Strahlungsquellen in die Auskoppelschnittstelle abgegebene optische Strahlung jeweils die gleiche Strahlungsleistung aufweist. Auch ist eine Modulation der Strahlungsleistung möglich. Die Steuereinrichtung kann dazu über entsprechende, von einem Benutzer zu bedienende Bedienelemente, beispielsweise Schalter verfügen. Vorzugsweise ist jedoch ein Steuereingang vorgesehen, durch den die Steuereinrichtung Steuersignale empfangen kann, auf die hin die Steuereinrichtung eine oder mehrere der Strahlungsquellen an- und abschaltet und/oder die Umlenkeinrichtung durch Abgabe entsprechender Signale an die Antriebseinrichtung in eine geeignete Winkelstellung bringt. Dabei können die Strahlungsquellen einzeln oder auch in Kombination miteinander ein- und ausgeschaltet werden.

Besonders bevorzugt ist die Steuereinrichtung weiter so ausgebildet, daß sie synchron oder synchronisiert eine der Strahlungsquellen einschaltet und durch Abgabe von Signalen an die Antriebseinrichtung die Umlenkeinrichtung in eine Stellung dreht bzw. schwenkt, in der diese optische Strahlung der eingeschalteten Strahlungsquelle auf die Auskoppelschnittstelle umlenkt. Bei dem Verfahren wird zum Wechsel der Wellenlängenbereiche synchron oder synchronisiert eine der Strahlungsquellen eingeschaltet und die Umlenkeinrichtung in eine Stellung gedreht bzw. geschwenkt, in der diese optische Strahlung der eingeschalteten Strahlungsquelle auf die Auskoppelschnittstelle umlenkt. Dies hat den Vorteil, daß in der Zeit, in der die Strahlung der Strahlungsquelle in die Auskoppelschnittstelle umgelenkt wird, die anderen Strahlungsquellen abgeschaltet werden oder abgeschaltet gehalten werden können, wozu die Steuereinrichtung entsprechend ausgebildet sein kann. Dadurch können störende Hintergrundstrahlung, die durch Abgabe von Strahlung in den nicht gewünschten Wellenlängenbereichen in den zu beleuchtenden Bereich gelangen könnte, sowie eine unerwünschte Wärmeentwicklung vermieden werden. Unter einem synchronisierten Einschalten wird insbesondere verstanden, daß eine Synchronisation durch entsprechende externe Synchronisationssignale erfolgen kann.

Die Justierung der Lage der Strahlungsquellen und der Auskoppelschnittstelle und der Stellungen der Umlenkeinrichtung zueinander kann beispielsweise mit mechanischen Mitteln erfolgen. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung jedoch weiter so ausgebildet, daß die Stellung der Umlenkeinrichtung für die Ablenkung der optischen Strahlung einer der Strahlungsquellen auf die Auskoppelschnittstelle elektronisch justierbar ist. Die Justiermöglichkeit braucht dabei nur in einem vorgegebenen Bereich um einen mittleren Winkel möglich zu sein, bei dem die Strahlung der Strahlungsquelle idealerweise in die Auskoppelschnittstelle gelenkt würde.

Für viele Beleuchtungszwecke ist es wünschenswert, optische Strahlung mit einer über den Strahl- bzw. Strahlbündelquerschnitt in guter Näherung konstanten Intensität verwenden zu können. Dazu ist bei der vorzugsweise im Strahlengang zwischen der Umlenkeinrichtung und der Auskoppelschnittstelle eine Homogenisierungseinrichtung angeordnet. Bei dem Verfahren wird vorzugsweise die abzugebende Strahlung noch vor Erreichen der Auskoppelschnittstelle homogenisiert. Als Homogenisierungseinrichtung können insbesondere transparente Stäbe oder Hohlstäbe mit reflektierenden Seitenwänden, diffraktiv optische Elemente oder Streuscheiben verwendet werden. Die Verwendung von Stäben bzw. Hohlstäben mit reflektierenden Wänden hat den Vorteil, daß die Verluste darin besonders niedrig sind.

Alternativ oder zusätzlich kann jedoch bei der Beleuchtungsvorrichtung zur Homogenisierung der durch die Auskoppelschnittstelle abzugebenden Strahlung wenigstens einer der Strahlungsquellen vorzugsweise die Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung dazu ausgebildet sein, Signale an die Antriebseinrichtung abzugeben, so daß diese die Umlenkeinrichtung in periodische oder statistische Bewegungen um eine mittlere Stellung versetzt, in der diese die von der Strahlungsquelle abgegebene optische Strahlung in die Auskoppelschnittstelle umlenkt. Bei dem Verfahren ist es bevorzugt, daß zur Homogenisierung der in die Auskoppelschnittstelle abzugebenden Strahlung einer der Strahlungsquellen die Umlenkeinrichtung in periodische oder statistische Bewegungen um eine mittlere Stellung versetzt wird, in der diese die von der Strahlungsquelle abgegebene optische Strahlung in die Auskoppelschnittstelle umlenkt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß im Strahlengang zwischen der Umlenkeinrichtung und der Auskoppelschnittstelle nicht unbedingt weitere optische Bauelemente angeordnet zu sein brauchen. Darüber hinaus braucht bei einer Umschaltung zwischen zwei Stellungen der Umlenkeinrichtung die Umlenkeinrichtung nicht bis zur Ruhe abgebremst zu werden, so daß nicht nur eine Homogenisierung, sondern auch eine schnellere Umschaltung erreicht werden kann.

Die Beleuchtungsvorrichtung eignet sich allgemein für Beleuchtungszwecke, die eine schnelle Variation des Farbspektrums erfordern. Gegenstand der Erfindung ist daher insbesondere auch eine optische Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung. Die optische Vorrichtung weist neben der Beleuchtungsvorrichtung wenigstens ein weiteres optisches Bauelement auf, das im Strahlengang nach der Auskoppelschnittstelle angeordnet ist.

Besonders bevorzugt wird die Beleuchtungsvorrichtung zur Untersuchung von Proben eingesetzt. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher auch eine optische Vorrichtung zur Untersuchung einer Probe, insbesondere ein Weitfeldmikroskop oder ein Fluoreszenz-Reader, mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung. Eine solche Untersuchungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß sie bedingt durch die Ausbildung der Beleuchtungsvorrichtung nur wenige bewegliche Teile aufweist und damit kostengünstig und einfach herstellbar ist. Darüber hinaus kann sie sehr kompakt aufgebaut werden. Die Beleuchtungsvorrichtung ist für alle Arten von Mikroskopen geeignet. Hierzu gehören z.B. Universal-Mikroskope, optische Reader (u.a. Biochip-Reader, Titerplatten-Reader), Stereo-Mikroskope, Operations-Mikroskope und ophthalmologische Geräte.

Dabei kann die Untersuchungsvorrichtung vorzugsweise zur Durchführung von Fluoreszenzuntersuchungen an einer Probe ausgebildet sein.

Die Erfindung wird im folgenden noch näher anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Mikroskops mit einer Beleuchtungsvorrichtung nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

2 eine schematische Darstellung eines Mikroskops mit einer Beleuchtungsvorrichtung nach einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und

3 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungsvorrichtung nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

In 1 dient ein Mikroskop 1, im Beispiel ein Weitteldfluoreszenzmikroskop, mit einer Beleuchtungsvorrichtung 2 zur Untersuchung einer Probe 3.

Das nur sehr schematisch gezeigte Mikroskop 1 ist in konventioneller Weise ausgebildet und verfügt insbesondere über eine Einkoppeloptik 4, über die optische Strahlung zur Beleuchtung der Probe 3 in den Beleuchtungsstrahlengang des Mikroskops 1 eingekoppelt werden kann. Durch die optische Achse 5 der Einkoppeloptik 4 und deren Eintrittsfläche wird eine Einkoppelschnittstelle des Mikroskops 1 gebildet, die gleichzeitig auch eine Auskoppelschnittstelle der Beleuchtungsvorrichtung 2 bildet.

Die Beleuchtungsvorrichtung 2 umfaßt mehrere, im Beispiel vier, Strahlungsquellen 6 zur Abgabe optischer Strahlung in jeweils unterschiedlichen Wellenlängenbereichen in von den Strahlungsquellen 6 ausgehenden Teilstrahlengängen, jeweils in den Teilstrahlengängen nach den Strahlungsquellen 6 angeordnete Kollimationseinrichtungen 7 und Anregungsbandpaßfilter 8 sowie eine im Schnittbereich der Teilstrahlengänge angeordnete Umlenkeinrichtung 9 mit einem Umlenkelement in Form eines um eine Achse 10 drehbaren Spiegels zur Umlenken der auf die Umlenkeinrichtung 9 auftreffenden Strahlung der Strahlungsquellen 6, und eine Antriebseinrichtung 11 zur Drehung der Umlenkeinrichtung 9 um die Achse 10. In einem gemeinsamen Strahlengangabschnitt nach der Umlenkeinrichtung 9 ist eine fokussierende Optik 12 angeordnet, die von der Umlenkeinrichtung 8 umgelenkte optische Strahlung in eine Homogenisierungseinrichtung 13 fokussiert, von der aus die optische Strahlung in die Auskoppelschnittstelle tritt, die durch die Austrittsfläche der Homogenisierungseinrichtung 13 und die optische Achse der Optik 12 und der Homogenisierungseinrichtung 13 gegeben ist.

Zur Ansteuerung der Strahlungsquellen 6 und der Antriebseinrichtung 11 dient eine Steuereinrichtung 14.

Die Strahlungsquellen 6 sind in diesem Ausführungsbeispiel Halbleiterstrahlungsquellen, genauer Leuchtdioden zur Abstrahlung optischer Strahlung in jeweils unterschiedlichen Wellenlängenbereichen bzw. mit unterschiedlicher charakteristischer Emissionswellenlänge, d.h. jeweils unterschiedlicher Farbe, im Beispiel rot, grün, blau bzw. Ultraviolett. Die charakteristische Emissionswellenlänge des jeweiligen Emissionsspektrums einer der Halbleiterstrahlungsquellen ist in diesem Ausführungsbeispiel wie auch den folgenden Ausführungsbeispielen die Wellenlänge mit der maximalen Emissionsintensität. In einer anderen Variante kann auch die Schwerpunktwellenlänge, d.h. der mit der Emissionsintensität gewichtete Mittelwert der Emissionswellenlängen, als charakteristische Emissionswellenlänge verwendet werden. Die Leuchtdioden 6 emittieren daher, ausgedrückt durch die Farbe der charakteristischen Emissionswellenlänge, optische Strahlung in Spektren mit absteigender charakteristischer Wellenlänge, d.h. in 1 im Uhrzeigersinn die erste Leuchtdiode im Roten, die zweite Leuchtdiode im Grünen, die dritte Leuchtdiode im Blauen und die vierte Leuchtdiode im Ultravioletten. Die Leuchtdioden sind dabei so gewählt, daß sich die Emissionsspektren gut zur Anregung von wenigstens vier vorgegebenen Fluoreszenzfarbstoffen verteilt über das optische Spektrum vom UV bis zum roten Licht eignen.

Die Strahlungsquellen 6 sind auf einem in 1 durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Kreis bzw. Kreisbogen und damit in einer durch den Kreisbogen definierten Ebene angeordnet.

Im Teilstrahlengang jeder der Halbleiterstrahlungsquellen 6 ist jeweils eine der Kollimationseinrichtungen 7 angeordnet, die von der jeweiligen Halbleiterstrahlungsquelle 6 abgegebene optische Strahlung kollimiert. Im Beispiel werden als Kollimationseinrichtungen 7 asphärische Linsen hoher numerischer Apertur, vorzugsweise größer als 0,5, verwendet, die verglichen mit prinzipiell auch einsetzbaren sphärischen Linsen bessere Kollimationseigenschaften haben. Die Kollimationseinrichtungen 7 und die Optik 12 sind weiter so ausgelegt und angeordnet, daß ein möglichst großer Anteil der von jeder der Halbleiterstrahlungsquellen 6 abgegebenen optischen Strahlung in die Homogenisierungseinrichtung 13 eingekoppelt wird. Insbesondere sind die Kollimationseinrichtungen 7 und die Optik 12 im gemeinsamen Strahlengangabschnitt vor der Homogenisierungseinrichtung 13 so ausgelegt, daß die Lichtleitwerte optimal aneinander angepaßt sind.

Die als Interterenzfilter ausgebildeten, nur optionalen Anregungsbandpaßfilter 8 verfügen über jeweils an die Emissionsspektren der Halbleiterstrahlungsquellen 6 angepaßte Transmissionsbänder, die die spektrale Breite der Emissionsspektren der Halbleiterstrahlungsquellen 6 einengen und so ein Übersprechen bei verschiedenen gleichzeitigen Fluoreszenzuntersuchungen für verschiedene Fluoreszenzfarbstoffe verhindern.

Die Umlenkeinrichtung 9, die als Umlenkelement in diesem Ausführungsbeispiel nur einen Spiegel umfaßt, ist an der orthogonal zu der Ebene, in der die Strahlungsquellen 6 angeordnet sind, ausgerichteten Achse bzw. Welle 11 befestigt und durch Drehung der Welle 11 dreh- bzw. schwenkbar. Die Welle 10 und die Umlenkeinrichtung 9 sind so in dem Überschneidungsbereich der Teilstrahlengänge hinter den Strahlungsquellen 6 angeordnet, daß in geeigneten Winkelstellungen der Umlenkeinrichtung 9 bzw. für geeignete Drehwinkel der Welle 10, jeweils optische Strahlung einer der Strahlungsquellen 6 auf die Optik 12 umgelenkt werden kann.

Die Optik 12 koppelt die auf sie auftreffende optische Strahlung in die Homogenisierungseinrichtung 13 in Form eines verspiegelten Hohlstabes ein, der mit seiner Längsachse parallel zu der optischen Achse der Optik 12 ausgerichtet ist.

Damit ergibt sich in diesem Ausführungsbeispiel eine Ausrichtung der Achse bzw. Welle 10 orthogonal zu der optischen Achse der Optik 12 und der Homogenisierungseinrichtung 13 und damit der durch die Auskoppelschnittstelle gegebenen mittleren Abstrahlrichtung.

Zur Drehung der Umlenkeinrichtung 9 ist die Antriebseinrichtung 11 vorgesehen, die hierzu einen durch elektrische Steuersignale in seiner Stellung steuerbaren, in den Figuren nicht gezeigten elektromagnetischen Aktor aufweist.

Die Steuereinrichtung 14 ist zur Ansteuerung der Strahlungsquellen 6 unabhängig voneinander und zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung 11 und damit der Einstellung der Umlenkeinrichtung 9 ausgebildet, so daß eine bevorzugte erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden kann.

Die Steuereinrichtung 14 verfügt dazu über eine in den Figuren nicht gezeigte Benutzerschnittstelle, über die ein Benutzer die Reihenfolge der einzustellenden Wellenlängenbereiche der von der Beleuchtungsvorrichtung abzugebenden optischen Strahlung, deren gewünschte Intensität und die jeweilige Dauer der Abstrahlung festlegen kann. Hierzu können entsprechende Daten entweder eingelesen werden oder der Benutzer hat die Möglichkeit, aus einer vorgegebenen Anzahl von Kombinationen eine auszuwählen. In anderen Ausführungsbeispielen können die Reihenfolge, die Intensitäten und die Abstrahldauern auch fest vorgegeben sein. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Einschaltdauer der jeweiligen Strahlungsquelle und/oder der Ein- und/oder Ausschaltzeitpunkt durch wenigstens ein Signal eines externen Geräts, das über wenigstens eine Synchrionisations- oder Triggersignalverbindung mit der Steuereinrichtung 14 verbunden ist, gesteuert und/oder synchronisiert werden.

Weiter besitzt die Steuereinrichtung 14 eine Benutzerschnittstelle, mittels derer Justiereingaben erfaßt werden können. Diese Eingaben dienen dazu, für jeweils eine der Strahlungsquellen 6 durch elektrische Signale die Winkelstellung der Umlenkeinrichtung bzw. der Welle 11 so justieren zu können, daß eine wenigstens näherungsweise optimale Einkopplung der umgelenkten optischen Strahlung in die Optik 12 und die Homogenisierungseinrichtung 13 und damit die Auskoppelschnittstelle möglich ist. Ein Benutzer gibt hierzu in einem Justiermodus der Steuereinrichtung 14 für jede der Strahlungsquellen 6 getrennt Justiersignale in die Steuereinrichtung 14 ein, auf die hin diese durch Abgabe von entsprechenden Steuersignalen mittels der Antriebseinrichtung 11 die Umlenkeinrichtung 9 dreht. Wird eine wenigstens näherungsweise bezüglich der Einkopplung der optischen Strahlung optimale Stellung der Umlenkeinrichtung 9 für eine gewählte Strahlungsquelle 6 erreicht, wird die entsprechende Stellung der Welle 11 in Form entsprechender Ansteuerdaten in der Steuereinrichtung 14 der Strahlungsquelle zugeordnet gespeichert. Bei Auswahl einer der Strahlungsquellen 6 zur Beleuchtung werden diese Daten dann zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung 11 verwendet.

Entsprechend der vorgegebenen Reihenfolge, Intensität und Dauer der Strahlungsabgabe in den gewählten vorgegebenen Wellenlängenbereichen schaltet die Steuereinrichtung 14 jeweils die entsprechende Strahlungsquelle 6 ein und schaltet, soweit dies noch der Fall ist, noch in Betrieb befindliche Strahlungsquellen ab, so daß optische Strahlung nur von der eingeschalteten Strahlungsquelle abgegeben, durch die entsprechende Kollimationseinrichtung 7 kollimiert und dann durch den entsprechenden Anregungsbandpaßfilter 8 spektral gefiltert wird.

Die Steuereinrichtung 14 gibt synchron bzw. synchronisiert zu der Abgabe der Signale für die Strahlungsquellen 6 Einstellsignale an die Antriebseinrichtung 11 ab, so daß diese die Umlenkeinrichtung 9 in die der gewählten, eingeschalteten Strahlungsquelle 6 entsprechende Winkelstellung dreht, in der die Umlenkeinrichtung 9 die auf sie auftreffende kollimierte und gefilterte optische Strahlung der gewählten, eingeschalteten Strahlungsquelle 6 in eine Richtung parallel zur der optischen Achse der fokussierenden Optik 12 auf die fokussierende Optik 12 lenkt, die die umgelenkte Strahlung in die Homogenisierungseinrichtung 13 einkoppelt.

Vorzugsweise wird die Strahlungsquelle 6 erst eingeschaltet und damit die gewünschte Strahlungsabgabe gestartet, nachdem die Umlenkeinrichtung 9 in die der gewählten Strahlungsquelle 6 entsprechende Winkelstellung gedreht wurde und es werden die Strahlungsquellen 6 während einer Drehung der Umlenkeinrichtung 9 in eine der Winkelstellungen ausgeschaltet.

Nachdem die Strahlung mittels der Homogenisierungseinrichtung 13 homogenisiert wurde, wird diese dann durch bzw. in die Auskoppelschnittstelle abgegeben. Dabei kann die Intensität der optischen Strahlung durch entsprechende Ansteuerung der Strahlungsquellen 6 für jeden gewählten Wellenlängenbereich bzw. jede eingeschaltete Strahlungsquelle getrennt, d.h. unabhängig von der Wahl der Intensitäten der in anderen Wellenlängenbereichen abzugebenden optischen Strahlung, durch entsprechende Signale der Steuereinrichtung 14 eingestellt werden.

Die Dauer der Abgabe optischer Strahlung bzw. die Frequenz, mit der die Wellenlängenbereiche gewechselt werden können, kann, je nach Ansteuerung und Wahl des Aktors, im Bereich von Millisekunden liegen.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, daß die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, während der Abgabe optischer Strahlung durch eine der Strahlungsquellen durch entsprechende Ansteuerung der Strahlungsquelle die Intensität der abgegebenen Strahlung auf einer Zeitskala von Mikrosekunden zu modulieren, was insbesondere durch die Verwendung von Leuchtdioden als Strahlungsquellen ohne die Verwendung mechanischer Verschlüsse möglich ist.

Eine dritte bevorzugte Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung, die in 2 veranschaulicht ist, unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nur darin, daß zum einen nur zwei Strahlungsquellen in Form von Leuchtdioden verwendet werden, die auf einem Kreisbogen in einer Ebene orthogonal zu der optische Achse der Optik 12 bzw. der Homogenisierungseinrichtung 13 und damit der Auskoppelschnittstelle angeordnet sind. Die Steuereinrichtung 14 ist entsprechend zur Ansteuerung nur der beiden Strahlungsquellen ausgebildet. Zum anderen ist die Achse bzw. Welle 10 nun parallel zu der optischen Achse der Optik 12 und der Homogenisierungseinrichtung 13 und damit der Auskoppelschnittstelle angeordnet. Ansonsten entspricht die Anordnung der Anordnung in 1 und es werden die gleichen Bezugszeichen verwendet und die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel gelten auch hier entsprechend. Der Übersichtlichkeit halber sind in 2 die optionalen Anregungsbandfilter 8 nicht gezeigt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, daß die Optik 12 und die Homogenisierungseinrichtung 13 fehlen. Zur Homogenisierung der in die Auskoppelschnittstelle einzukoppelnden optischen Strahlung der Strahlungsquellen wird statt dessen hier die Umlenkeinrichtung in periodische Bewegungen um eine mittlere Winkelstellung für die gerade eingeschaltete Strahlungsquelle, beispielsweise die bei der oben geschilderten Justierung ermittelte Winkelstellung, versetzt, in der diese die von der Strahlungsquelle abgegebene optische Strahlung in die Auskoppelschnittstelle umlenkt. Hierzu ist die Steuereinrichtung 14 entsprechend ausgebildet. Als Antriebseinrichtung wird vorzugsweise ein Galvanometerantrieb verwendet. Durch die periodische Bewegung des Strahlenbündels quer zur Ausbreitungsrichtung kann so im zeitlichen Mittel eine Homogenisierung der Intensitätsverteilung in der Auskoppelschnittstelle erfolgen.

Andere bevorzugte Ausführungsformen unterscheiden sich von den zuvor geschilderten Ausführungsbeispielen dadurch, daß die Umlenkeinrichtung als Umlenkelement statt des Spiegels ein Prisma oder ein diffraktives Element, beispielsweise ein Blaze-Gitter, aufweist.

Bei noch einem anderen Ausführungsbeispiel umfassen die Strahlungsquellen faseroptische Elemente, deren Abstrahlflächen wie die Leuchtdioden in den vorhergehenden Beispielen angeordnet sind.

In 3 ist sehr schematisch eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Beleuchtungsvorrichtung als Schema gezeigt.

Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen sind hier mehrere Auskoppelschnittstellen 15 vorgesehen, durch die mittels eines optischen Multiplexers 16, beispielsweise gegeben durch die Antriebseinrichtung 11 mit der Welle 10 und der Umlenkeinrichtung 9 der vorhergehenden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit einer modifizierten Steuereinrichtung 14' gegeben ist, optische Strahlung einer der Strahlungsquellen 6, die zur Abgabe von optischer Strahlung wie im ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen sind, abgebbar ist. In diesem Beispiel sind mehr als vier Strahlungsquellen 6 vorgesehen, die Anzahl kann jedoch beliebig größer als 1 sein.

Die einzigen Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel bestehen hier darin, daß für jede der Auskoppelschnittstellen 15, in 3 nicht gezeigt, jeweils eine Optik 12 und eine Homogenisierungseinrichtung 13 vorgesehen sind, und daß die Steuereinrichtung 14' gegenüber der Steuereinrichtung 14 dahingehend modifiziert ist, daß für jede Auskoppelschnittstelle nun eine entsprechende Anzahl von Winkelstellungen der Umlenkeinrichtung 9 gespeichert ist, die bei Verwendung der jeweiligen Auskoppelschnittstelle zur Einstellung der Umlenkeinrichtung 9 entsprechend der gerade eingeschalteten bzw. einzuschaltenden Strahlungsquelle verwendet werden.


Anspruch[de]
Beleuchtungsvorrichtung zur Abgabe von optischer Strahlung durch wenigstens eine Auskoppelschnittstelle mit mindestens zwei Strahlungsquellen (6) zur Abgabe von optischer Strahlung in jeweils unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, wenigstens einer um eine vorgegebene Achse (10) relativ zu den Strahlungsquellen (6) dreh- oder schwenkbaren optischen Umlenkeinrichtung (9) zur Ablenkung der abgegebenen optischen Strahlung und einer Antriebseinrichtung (11) zur Drehung bzw. Schwenkung der Umlenkeinrichtung (9) um die Achse (10), wobei die Strahlungsquellen (6) so relativ zu der Umlenkeinrichtung (9) und der Achse (10) angeordnet sind, daß von jeder der Strahlungsquellen (6) abgegebene optische Strahlung durch die in eine geeigneten Winkelstellung um die Achse (10) gedrehte bzw. geschwenkte Umlenkeinrichtung (9) in die Auskoppelschnittstelle umgelenkt werden kann. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Strahlungsquellen wenigstens eine Strahlungsquelle umfassen, deren Strahlung über eine Faseroptik auf die Umlenkeinrichtung (9) abgegeben wird. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Strahlungsquellen wenigstens einen Laser umfassen Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Strahlungsquellen (6) wenigstens eine Halbleiterstrahlungsquelle umfassen. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Strahlungsquellen (6) in einer Ebene angeordnet sind. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Strahlungsquellen (6) auf einem Kreisbogen angeordnet sind. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Umlenkeinrichtung (9) als Umlenkelement einen Spiegel, ein Prisma oder ein diffraktives Element aufweist. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die weiter eine Steuereinrichtung (14; 14') zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung (11) umfaßt, um die Umlenkeinrichtung (9) in wenigstens zwei Stellungen zu bewegen, in denen diese optische Strahlung jeweils einer anderen der Strahlungsquellen (6) in die Auskoppelschnittstelle umleiten. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die eine Steuereinrichtung (14; 14') zur Ansteuerung der Strahlungsquellen (6) aufweist. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Steuereinrichtung (14; 14') so ausgebildet ist, daß sie synchron oder synchronisiert eine der Strahlungsquellen (6) einschaltet und durch Abgabe von Signalen an die Antriebseinrichtung (11) die Umlenkeinrichtung (9) in eine Stellung dreht bzw. schwenkt, in der diese optische Strahlung der eingeschalteten Strahlungsquelle (6) auf die Auskoppelschnittstelle umlenkt. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Steuereinrichtung (14; 14') so ausgebildet und mit den Strahlungsquellen (6) verbunden ist, daß mittels der Steuereinrichtung (14; 14') die Intensität und/oder Abstrahldauer der von den Strahlungsquellen (6) abgegeben optischen Strahlung für wenigstens zwei der Strahlungsquellen (6) getrennt voneinander einstellbar ist. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Steuereinrichtung (14; 14') so ausgebildet ist, daß die Stellung der Umlenkeinrichtung (9) für die Ablenkung der optischen Strahlung einer der Strahlungsquellen (6) auf die Auskoppelschnittstelle elektronisch justierbar ist. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im Strahlengang zwischen der Umlenkeinrichtung (9) und der Auskoppelschnittstelle eine Homogenisierungseinrichtung (13) angeordnet ist. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zur Homogenisierung der durch die Auskoppelschnittstelle abzugebenden Strahlung wenigstens einer der Strahlungsquellen (6) eine Steuereinrichtung (14; 14') zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung (11) dazu ausgebildet ist, Signale an die Antriebseinrichtung (11) abzugeben, so daß diese die Umlenkeinrichtung (9) in periodische oder statistische Bewegungen um eine mittlere Stellung versetzt, in der diese die von der Strahlungsquelle (6) abgegebene optische Strahlung in die Auskippelschnittstelle umlenkt. Optische Vorrichtung mit einer Beleuchtungsvorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Vorrichtung nach Anspruch 15, die zur Untersuchung einer Probe (1) ausgebildet ist, insbesondere Weitfeldmikroskop oder Fluoreszenz-Reader. Verfahren zur sequentiellen Bereitstellung von optischer Strahlung in wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen in einem vorgegebenen zeitlichen Wechsel durch wenigstens eine Auskoppelschnittstelle, insbesondere unter Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mit wenigstens zwei Strahlungsquellen (6), von denen jede optische Strahlung in einem anderen der Wellenlängenbereiche abgeben kann, optische Strahlung in einem der Wellenlängenbereiche erzeugt und auf eine optische Umlenkeinrichtung (9) gerichtet wird, und die optische Umlenkeinrichtung (9) so relativ zu den Strahlungsquellen (6) gedreht oder geschwenkt wird, daß in dem vorgegebenen zeitlichen Wechsel optische Strahlung der unterschiedlichen Wellenlängenbereiche in die Auskoppelschnittstelle umgelenkt wird. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem als wenigstens eine der Strahlungsquellen eine Strahlungsquelle verwendet wird, deren Strahlung über eine Faseroptik auf die Umlenkeinrichtung abgegeben wird. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, bei dem als wenigstens eine der Strahlungsquellen ein Laser verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem als wenigstens eine der Strahlungsquellen (6) eine Halbleiterstrahlungsquelle verwendet wird. Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 17 bis 20, bei dem zum Wechsel der Wellenlängenbereiche synchron oder synchronisiert eine der Strahlungsquellen (6) eingeschaltet und die Umlenkeinrichtung (9) in eine Stellung gedreht bzw. geschwenkt wird, in der diese optische Strahlung der eingeschalteten Strahlungsquelle (6) in die Auskoppelschnittstelle umlenkt. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, bei dem die Intensität und/oder Abstrahldauer der von den Strahlungsquellen (6) abgegebenen optischen Strahlung für wenigstens zwei der Strahlungsquellen (6) getrennt voneinander eingestellt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22 bei dem die abzugebende Strahlung noch vor Erreichen der Auskoppelschnittstelle homogenisiert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, bei dem zur Homogenisierung der in die Auskoppelschnittstelle abzugebende Strahlung einer der Strahlungsquellen (6) die Umlenkeinrichtung (9) in periodische oder statistische Bewegungen um eine mittlere Stellung versetzt wird, in der diese die von der Strahlungsquelle (6) abgegebene optische Strahlung in die Auskoppelschnittstelle umlenkt.






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