Vorrichtung und Verfahren zur lichtstarken homogenen Beleuchtung mit minimierten Lichtreflexen zur Anwendung in Mikroskopen

Das hier beschriebene Verfahren dient in reflektierend arbeitenden Mikroskopen zur geeigneten Formung des Beleuchtungsstrahls mit hoher Lichtausbeute, und der Anpassung der Beleuchtungsapertur an die Eintrittspupille des Mikroskopobjektivs. Mithilfe dieser Erfindung kann man neue Einsatzmöglichkeiten für relativ lichtschwache Lichtquellen schaffen. Insbesondere der Einsatz von LED- Lichtquellen in konfokal arbeitenden Mikroskopen, welche als sehr lichtschwach gelten, wird durch diese Erfindung ermöglicht. Der Einfluss von internen Lichtreflexen wird durch eine geeignete Blendenpositionierung erheblich reduziert.

Es zeigen:

Fig.l) Prinzipskizze zur Formung des Lichtstrahls für homogene Bildausleuchtung auf definierter Fläche

Fig.2) Prinzipskizze zur Abbildung der Pupillen

Fig. 1) zeigt das Prinzip zur homogenisierung der Ausleuchtung des Zwischenbildes zur Anwendung in Mikroskopen mit minimalem Verlust an Beleuchtungsintensität und minimierter Lichtreflexbildung. Licht, welches nicht in die Eintrittspupille des verwendeten Mikroskopobjektivs gelangen kann, wird zur Eliminierung von Lichtreflexen schon durch die eingesetzte Blendenkombination ausgeblendet. Als Lichtquelle soll in diesem Fall ohne Beschränkung der Allgemeinheit eine LED (1) eingesetzt werden. Diese soll nach Möglichkeit als Lambert- Strahler ausgeführt sein und möglichst homogen abstrahlen. Es folgt eine möglichst kurzbrennweitige Linsenkombination (2) mit der Brennweite fi (z.B. fj = 10 - 15mm) welche so justiert wird, dass der Emitter der LED im Unendlichen abgebildet wird,

also im Fokus der Linsenkombination ist. Je schärfer der Emitter ins Unendliche abgebildet werden kann, umso geringere Probleme mit unbestimmten Lichtreflexen erhält man im Folgenden. Eine rechteckige Blendenöffnung (3) wird in der rückwärtigen Brennebene der Linsenkombination eingesetzt. Die öffnung muss vollständig ausgeleuchtet sein und darf nicht durch mögliche weitere Blenden teilweise abgeschattet sein. In dieser Ebene befindet sich die Fourierebene der Linsenkombination (2), weswegen die Ausleuchtung hier durch die Winkelverteilung der emittierten Lichtintensität definiert ist. Durch die Lambert- Charakteristik des Strahlprofϊls liegt also an dieser Stelle eine sehr homogene Ausleuchtung der Blende vor. Diese Blende wird mithilfe einer weiteren Linse (4) der Brennweite f ₂ (z.B. f ₂ = 50mm) auf die Zwischenbildebene (6) im Mikroskop abgebildet. Dadurch wird die Zwischenbildebene homogen ausgeleuchtet. Eine kreisförmige Blende (5) wird in der rückwärtigen Brennebene der Linse (4) eingesetzt. Auf diese Blende wird der Emitter der LED (1) scharf abgebildet. Die Vergrößerung des Emitters entspricht dem Brennweitenverhältnis V = f ₂ /f i . Bei einer Emittergröße von ca. 1 mm (High-Power-LED) bedeutet das mit den vorgeschlagenen Brennweiten eine Ausleuchtung der Blende (5) von ca. 4-5 mm Durchmesser. Zur Erhöhung der Lichtausbeute im Mikroskop sollte die Blende möglichst minimal größer sein. Aus dem Quotient der gewünschten Diagonale des ausgeleuchteten Zwischenbildes (6) und der Diagonale der Rechteckblende (3) berechnet sich die mit der Linse (4) zu erreichende Vergrößerung V ₂ = b ₂ / g ₂ . Dabei ist b ₂ der Abstand zwischen Zwischenbildebene (6) und Linse (4) und g ₂ der Abstand zwischen Rechteckblende (3) und Linse (4). Wenn das Zwischenbild also eine Diagonale von 22,6 mm bei einer Blendendiagonale von 11,3 mm haben soll, ergibt sich die Vergrößerung V ₂ = 2, also b ₂ = 2 • g ₂ mit g ₂ = 1,5 • f ₂ und b ₂ = 3 • f ₂ . Die Entfernung zwischen Lochblende (5) und Zwischenbild (6) berechnet sich zu d = b ₂ - f ₂ = 2 • f ₂ .

Fig.2) zeigt einen typischen Strahlengang im Reflexions- Lichtmikroskop bzw. Konfokalmikroskop mit Beleuchtung durch das Mikroskopobjektiv. Hierbei wird die Lochblende (5) , welche der Lochblende (5) aus Fig.l) entspricht, durch die Feldlinse (8) auf die Eintrittspupille des Mikroskopobjektivs (9) abgebildet. Das Bild des Emitters befindet sich also auf der Eintrittspupille des Objektivs, zeigt sich hinter dem Objektiv als

Winkelverteilung und wird erst deutlich hinter der Fokusebene des Objektivs sichtbar. Die Ausleuchtung der Probe entspricht etwa der Ausleuchtung in der Zwischenbildebene (6), wo sich typischerweise die Konfokalfilterscheibe befindet. Im Detektionszweig wird das von der Probe zurückreflektierte Licht zunächst auf die Zwischenbildebene (6) abgebildet. Die nahe der Zwischenbildebene befindliche Feldlinse (8) mit der Brennweite fj fokussiert die Pupille des Mikroskopobjektivs über den Strahlteiler auf die Pupille der Abbildungslinse (10). Die Abbildungsimse (10) bildet das Zwischenbild (6) auf die Detektormatrix (11), typischerweise eine CCD- Kamera ab. Der zwischen Zwischenbildebene und Blende (5) bzw. Abbildungslinse (10) liegende optische Weg sollte eine identische Länge haben, um maximale Ausleuchtung zu erzielen.

Bei einer Tubuslänge von z.B. 160mm ergibt sich zur Fortführung des obigen Beispiels eine Vergrößerung der Blende (5) von maximal 1,6. Das bedeutet, dass ein Blendendurchmesser (5) von 5 mm im Beleuchtungszweig auf einen Pupillendurchmesser von 8 mm abgebildet wird und im Detektionszweig wieder auf einen Spotdurchmesser fokussiert wird.

Mit f ' = fr'+g ^"1 ergibt sich für den Fall, dass sich die Feldlinse etwa in der Zwischenbildebene befindet, eine Brennweite f ₃ von 61,5 mm.