具有平面光源的用于顯微鏡的入射照明設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有平面光源的用于顯微鏡的入射照明設(shè)備，特別是用于具有連續(xù)可變的放大率的顯微鏡(簡(jiǎn)稱為“變焦距顯微鏡”)、特別是立體顯微鏡或顯宏鏡的入射照明設(shè)備；一種具有入射照明設(shè)備的顯微鏡；以及定向的平面光源用于顯微鏡中的入射照明的用途。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)有技術(shù)中，常規(guī)的點(diǎn)光源(通常為鹵素?zé)?用于具有長(zhǎng)工作距離的顯微鏡(例如變焦距顯微鏡)中的入射照明；通常物體不是通過(guò)物鏡照明，而是與物鏡分離地照明。將光直接或通過(guò)光纖束引導(dǎo)至樣品臺(tái)。該照明設(shè)備(例如DE 101 23 785 Al或DE 10133 064 Al中公開(kāi)的)通常不產(chǎn)生均勻照明，這可能導(dǎo)致弱對(duì)比和可能的照明偽像(例如映像、陰影等)。該照明設(shè)備還需要顯微鏡附近的大量空間。另外，將光源耦合到光纖束中且隨后再耦合到柔光鏡中導(dǎo)致明顯的效率損失。
[0003]需要描述盡可能平的但仍是均勻的用于顯微鏡的入射照明設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出了根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的具有平面光源的用于顯微鏡的入射照明設(shè)備、具有該入射照明設(shè)備的顯微鏡、以及該平面光源用于顯微鏡中的照明的用途。
[0005]出人意料地，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到透射照明設(shè)備的平面光源(如DE 10 2011 003 568 Al中描述的)也特別適合用于入射照明。與點(diǎn)光源相比，發(fā)光區(qū)域明顯增大，且照明場(chǎng)變得均勻。這對(duì)于研宄較大的樣本和/或多個(gè)樣本(例如取證過(guò)程中的)、材料研宄等是特別有利的。
[0006]根據(jù)本發(fā)明使用的平面光源的顯著特征是由于全反射在面板狀光波導(dǎo)中傳播的光通過(guò)全反射的受控中斷而耦合輸出。該中斷通過(guò)鄰接“接觸面”的元件在光波導(dǎo)的下邊界面(“下側(cè)”)處發(fā)生。因此，光在上邊界面(“上側(cè)”)處耦合輸出。為了本發(fā)明的目的，因此，光射出的一側(cè)稱為“上側(cè)”，不管其在空間中的定向。元件光學(xué)耦合至光波導(dǎo)且配備為引起漫散射，使得光的輸出耦合在上側(cè)發(fā)生。元件接觸的接觸面用作輻射面。具有僅僅一個(gè)用于輸出耦合的接觸表面的光波導(dǎo)的使用，一方面，使得能夠獲得特別平的構(gòu)造，另一方面，由于光波導(dǎo)內(nèi)光的混合，導(dǎo)致輻射光的第一均勻化。
[0007]本發(fā)明允許產(chǎn)生用于顯微鏡中的入射照明的平面光源，該平面光源特別均勻地輻射光。同時(shí)，平面光源物理上是非常平的，而且易于制造和處理。因?yàn)椴恍枰嘿F的光學(xué)部件和復(fù)雜的對(duì)準(zhǔn)，生產(chǎn)是經(jīng)濟(jì)的。
[0008]有利的實(shí)施例是從屬權(quán)利要求和下面的描述的主題。
[0009]均勻化的另一改進(jìn)通過(guò)以下事實(shí)實(shí)現(xiàn):接觸面的平面面積小于下側(cè)的平面面積。因此留下不用于輻射而是專門用于均勻化的邊緣區(qū)域。因此，光波導(dǎo)可以被選擇為均勻原因所需要的一樣大，且接觸面(其限定出輻射面)的尺寸可以獨(dú)立于光波導(dǎo)而被限定。
[0010]進(jìn)一步的均勻化通過(guò)以下事實(shí)實(shí)現(xiàn):光從至少兩個(gè)不同的方向耦合到光波導(dǎo)中。例如，在棱柱形或截棱錐形的光波導(dǎo)(即，具有多邊形基底面的光波導(dǎo))的情況下，輸入耦合可以在至少兩個(gè)側(cè)面處發(fā)生。對(duì)于圓柱形或截圓錐形的光波導(dǎo)(即，具有橢圓形基底面的光波導(dǎo))，輸入耦合在包絡(luò)面的至少兩個(gè)位置(優(yōu)選在外圍均勻分布的)發(fā)生。此外，從該側(cè)的輸入耦合允許低的總高度。
[0011]光波導(dǎo)是平面的，使得其高度小于其橫向尺寸，特別是在一個(gè)尺寸范圍內(nèi)至少10的因子。因此，使需要的總高度最小化。
[0012]如果中斷全反射的元件引起在光波導(dǎo)中傳播的光的漫散射，則實(shí)現(xiàn)特別有利的輻射特性。由此引起的發(fā)射基本上遵守朗伯定律，使得在所有方向上的輻射密度基本上是恒定的。根據(jù)朗伯定律理想地漫射的散射面以根據(jù)朗伯分布的方式而不管照明方向再遞送輻射的功率輸出，即以相同的亮度(恒定的照度)出現(xiàn)。中斷全反射的元件優(yōu)選具有適于至少一個(gè)發(fā)光裝置的反射率(remittance)。
[0013]中斷全反射的元件優(yōu)選具有在0.3與0.7之間的反射率R。這特別適合在相對(duì)強(qiáng)的發(fā)光裝置的情況下不對(duì)使用者產(chǎn)生炫目效果。另一方面，對(duì)于較弱的發(fā)光裝置，在0.7與I之間，特別是大于0.7或大于0.9的反射率R也是特別優(yōu)選的。這些較弱的發(fā)光裝置可以顯示出低的(因此有利的)放熱。這允許發(fā)光裝置與輻射面之間的較短的間距，因此允許整個(gè)平面光源的緊湊構(gòu)造。
[0014]中斷全反射的元件優(yōu)選為涂布在下側(cè)上的覆蓋物，特別是處于涂布的涂層或薄膜的形式。該覆蓋物可以被粘合、刷涂、鋪展在下側(cè)，等。覆蓋物優(yōu)選以待涂布的糊劑的形式被配備。糊劑有用地具有白色，以便實(shí)現(xiàn)光譜中性輻射特征，且有用地含有大量反射中心和/或散射中心，例如嵌入的分子。在另一變型實(shí)施例中，中斷全反射的元件可以用于改變發(fā)光裝置(例如LED)的顏色，以便優(yōu)化光譜輻射性能。
[0015]至少一個(gè)發(fā)光裝置有用地包括LED或冷陰極管。發(fā)光裝置的構(gòu)造對(duì)光波導(dǎo)中傳輸?shù)墓夤β仕降膬?yōu)化具有特定影響。發(fā)光裝置的發(fā)射角優(yōu)選適于光波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)；效率受光波導(dǎo)的高度和發(fā)光裝置中的發(fā)光元件(例如，芯片)與光入射面之間的間距影響。
[0016]發(fā)光元件的間距的彼此適配有助于最佳均勻性和使光波導(dǎo)的尺寸最小化。相鄰源的輸入耦合光的疊加僅僅在距光波導(dǎo)的邊緣一定距離處發(fā)生，該距離取決于光源的上述間距。因此，根據(jù)本發(fā)明，接觸面的平面面積小于下側(cè)的平面面積，使得實(shí)現(xiàn)混合。
[0017]在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，面板狀光波導(dǎo)配備為棱柱或截棱錐，S卩限定出上側(cè)和下側(cè)的基底面為多邊形。對(duì)于該實(shí)施例，一個(gè)或多個(gè)側(cè)面中的每一個(gè)可以特別容易地裝備有發(fā)光裝置。此外，不存在與該形狀的制造和處理相關(guān)聯(lián)的困難。將冷卻設(shè)備(散熱裝置等)設(shè)置在平的側(cè)面上以冷卻發(fā)光裝置也是特別容易的。
[0018]在也為優(yōu)選的實(shí)施例中，面板狀光波導(dǎo)配備為圓柱或截圓錐，S卩限定出上側(cè)和下側(cè)的基底面為橢圓(包括圓)。對(duì)于該實(shí)施例，如果一個(gè)或多個(gè)發(fā)光裝置布置在圓柱的外圍使得“全方位”輻射發(fā)生，則可以實(shí)現(xiàn)特別良好的均勻化。
[0019]光波導(dǎo)的用作光入射面的側(cè)面相對(duì)于發(fā)光裝置發(fā)出的主光束的幾何結(jié)構(gòu)和定向可以用作用于控制光在光波導(dǎo)中的分布且因此影響從平面光源輻射的光的均勻性的參數(shù)。此處可以描述的例子是用作入射面的側(cè)面的傾斜。入射面的該改變有助于優(yōu)化平面光源的總高度，因?yàn)橛捎谠撎卣鳎拷@微鏡的光軸的中斷全反射的元件的區(qū)域可以被更好地照明。
[0020]優(yōu)選地，至少一個(gè)入射面被粗糙化(frosted)。這使光波導(dǎo)中立體角上的光分布均勻化。因此，更偏重光波導(dǎo)中的較大的角，且操作光密度有利于中斷全反射的元件的邊緣區(qū)域。
[0021]具體地限定中斷全反射的元件的光學(xué)折射率是合適的。發(fā)光裝置的光橫向耦合到光波導(dǎo)中，且通過(guò)全反射在光波導(dǎo)中傳輸，直到光通過(guò)全反射的受控中斷(中斷全反射的元件)向上耦合離開(kāi)板。在光從空氣進(jìn)入折射率為nl的光波導(dǎo)時(shí)，光朝向軸線折射。然后，光全部反射或者在外側(cè)耦合輸出。決定允許角α的表達(dá)式為:
[0022]sin2 ( α ) = nl2_n22，
[0023]允許角α描述了光可以入射到光波導(dǎo)上使得光仍被引導(dǎo)的最大值，
[0024]其中假設(shè)到光波導(dǎo)中的輸入耦合通過(guò)空氣(η = I)發(fā)生。η2為相鄰介質(zhì)的可能的折射率。對(duì)于相鄰介質(zhì)為空氣(η2 = I)的情況，一旦選擇用于板的折射率nl大于選擇的V 2 ^ 1.41，允許角α包括整個(gè)半空間。由于中斷全反射的元件的折射率η2>1的限定，sin2(a)彡nl2-n22對(duì)其有效的角區(qū)域的部分被耦合輸出。在優(yōu)選實(shí)施例中，η2彡nl，使得所有光被耦合輸出且散射。這用于增大照度。
[0025]為了受控地影響平面光源的方向特性，特別是在需要發(fā)射角的限制時(shí)，光引導(dǎo)元件可以插入在平面光源與被照明的物體之間。該元件阻止具有大發(fā)射角的光，且僅僅允許具有小發(fā)射角的光穿過(guò)。光引導(dǎo)元件可以配備為板條結(jié)構(gòu)。因此，大發(fā)射角在僅一個(gè)方向上被阻止。由此可能的是，在X方向(無(wú)限制)上的發(fā)射特性限制至窄角區(qū)域，例如-20°至+20°。該光引導(dǎo)元件例如由3M公司以名稱“Vikuiti”提供?？蛇x地，光引導(dǎo)元件也可以配備為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或蜂窩狀結(jié)構(gòu)。由此大發(fā)射角在兩個(gè)或更多個(gè)方向上被阻止。優(yōu)選的光引導(dǎo)元件包括大量多邊形或圓形光通道，光可以從光引導(dǎo)元件的一側(cè)穿過(guò)光通道到光引導(dǎo)元件的另一側(cè)。物體場(chǎng)外的照明可以通過(guò)光引導(dǎo)元件減少。該特征導(dǎo)致顯微鏡圖像中對(duì)比度的增大。光方向的程度可以通過(guò)例如改變光引導(dǎo)元件的厚度或通道尺寸，和/或通過(guò)平面光源與光引導(dǎo)元件之間的距離而改變。由此可以產(chǎn)生遙遠(yuǎn)區(qū)域的所需照明(尺寸、亮度下降等)。然而，光源通過(guò)光引導(dǎo)元件成像沒(méi)有發(fā)生。
[0026]用于限定發(fā)射面的光闌有利地設(shè)置在上側(cè)。如果光闌的面向上側(cè)的一側(cè)被另外地表面涂覆(mirror-coat)，該光分量沒(méi)有損失。
[0027]本發(fā)明的另外優(yōu)點(diǎn)和實(shí)施例從描述和附圖中變得明顯。
[0028]應(yīng)理解的是，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，以上描述的特征和以下將說(shuō)明的特征不僅可以指出的相應(yīng)組合使用，而且可以其他組合或單獨(dú)使用。
[0029]在基于示例性實(shí)施例的附圖中示意性地示出了本發(fā)明，且下面將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。
【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1a為根據(jù)本發(fā)明使用的平面光源的第一優(yōu)選實(shí)施例的俯視圖。
[0031]圖1b為根據(jù)圖1a的平面光源的截面圖。
[0032]圖2a和圖2b為根據(jù)本發(fā)明使用的平面光源的另外優(yōu)選實(shí)施例的俯視圖。
[0033]圖3為具有用于入射照明的平面光源的顯微鏡的示意性側(cè)視圖。
[0034]圖4示出了具有在平面光源與樣品之間的光引導(dǎo)元件的圖3的一部分。
【具體實(shí)施方式】
[0035]在圖1至4中，相同的元件以相同的標(biāo)號(hào)標(biāo)記。
[0036]下面以連續(xù)和重疊的方式描述圖1a和圖lb，其中根據(jù)本發(fā)明使用的用于入射照明的平面光源的第一優(yōu)選實(shí)施例分別在俯視圖和截面圖中示出。
[0037]在圖1中，顯微鏡的根據(jù)本發(fā)明使用的用于入射照明的平面光源的第一優(yōu)選實(shí)施例示意