DE102005036397A1 - Beleuchtungseinrichtung für ein Lichtmikroskop - Google Patents

Abstract

Beleuchtungseinrichtung für ein Lichtmikroskop, verkörpert durch einen Objektträger, der aus einem starren plattenförmigen Substrat mit wenigstens einer darauf aufgebrachten organischen lichtemittierenden Diode (OLED) besteht.

Description

• Für die Betrachtung eines Objektes mittels eines Mikroskops ist im Allgemeinen die Beleuchtung des Objektes mit optischen Hilfsmitteln erforderlich. Bei schwachen Vergrößerungen kann es ausreichend sein, das natürliche Licht oder Licht einer künstlichen Strahlungsquelle über einen Umlenkspiegel in den optischen Strahlengang zu lenken. Bei stärkerer Vergrößerung sind jedoch besondere Beleuchtungssysteme mit einer optimalen Kopplung an den Abbildungsstrahlengang erforderlich. Damit werden auch spezielle Mikroskopierverfahren möglich, indem durch unterschiedliche Beleuchtungen unterschiedliche Objektabbildungen bewirkt werden.
• Für eine optimale Objektausleuchtung und optimale Ausnutzung der Lichtquelle werden Mikroskopbeleuchtungen regelmäßig nach dem Köhlerschen Beleuchtungsprinzip aufgebaut. Dieses Beleuchtungsprinzip ermöglicht insbesondere erstens eine gleichmäßige Ausleuchtung des Objektfeldes, zweitens die Anpassung der Beleuchtungsapertur an die Abbildungsapertur und drittens die Anpassung des ausgeleuchteten Objektfeldes an die Größe des Objektes. Für Mikroskope mit Wechselobjektiven unterschiedlicher Apertur und Objektfelddurchmesser müsste mit Wechsel des Objektives auch der Kondensor ausgewechselt werden, um jeweils die Lichtquelle optimal ausnutzen zu können. Diesen Aufwand erspart man sich üblicherweise, indem die Beleuchtungsapertur mit einer Aperturblende und das ausgeleuchtete Objektfeld mit einer Feldblende eingestellt werden.
• Da die Abbildungsqualität des Mikroskops eine komplexe Funktion ist, in die auch die Parameter des Beleuchtungssystems eingehen, ist eine korrekte Justierung der an der Beleuchtung beteiligten optisch wirksamen Elemente von besonderer Bedeutung. Mängel hierbei können zur Herabsetzung der Bildintensität, der Auflösung und/oder dem Kontrast führen. Die daher erforderliche zeitintensive Justage und Justierung des Beleuchtungssystems durch einen erfahrenen Monteur sind ein wesentlicher kostentreibender Faktor bei der Herstellung hochwertiger Mikroskope.
• Die Notwendigkeit der optischen Bauelemente, wie Kollektor, Kondensor und eventuell einstellbare Blenden sowie Filtersysteme erhöhen ebenfalls den Herstellungspreis. Darüber hinaus sind diese Bauelemente und deren vorgegebene Anordnung zueinander für die Gesamtgröße des Mikroskops mitbestimmend.
• Der Herstellungsaufwand für herkömmliche anspruchsvolle Mikroskopbeleuchtungen und der hierfür erforderliche Platzbedarf im Mikroskop lassen sich daher nur sehr begrenzt reduzieren.
• In der US 5,734,498 werden Beleuchtungselemente für ein Lichtmikroskop vorgestellt, welche ohne die Verwendung eines Kondensors eine der Köhlerschen Beleuchtung gleichwertige Beleuchtung eines Objektes versprechen. Insbesondere der Justageaufwand und der Platzbedarf für die Beleuchtungseinrichtung, die nur noch aus einer Lichtquelle und jeweils einem Beleuchtungselement besteht, werden dadurch erheblich reduziert. Ein Beleuchtungselement wird unmittelbar unterhalb des transparenten Objektträgers angebracht. Durch seine Flächenausdehnung parallel zum Objektträger wird die Größe des ausgeleuchteten Objektfeldes bestimmt. Bei Betrachtung des Objektes über das optische Abbildungssystem des Mikroskops erscheint das Objekt gleichmäßig isotrop beleuchtet durch eine homogene helle Lichtquelle hoher numerischer Apertur. Durch unterschiedliche Beleuchtungselemente können Beleuchtungen mit unterschiedlichen Farben realisiert werden. Hierzu weisen Beleuchtungselemente eines ersten vorgeschlagenen Typs entsprechend fluoreszierende Chemikalien auf. Diese Chemikalien innerhalb des Beleuchtungselementes werden durch die Beleuchtung mit einer einfachen Lichtquelle zum Fluoreszieren angeregt und emittieren Licht einer oder mehrerer Frequenzen durch die Absorption der Lichtenergie. Weitere vorgeschlagene Typen der Beleuchtungselemente beinhalten lichtstreuende Teilchen oder sowohl fluoreszierende als auch lichtstreuende Teilchen.
• Durch einen erforderlichen Mindestabstand der Lichtquelle zum Beleuchtungselement ist auch bei dieser Lösung die Reduzierung der Bauhöhe begrenzt.
• Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Beleuchtungseinrichtung zu schaffen, mit der ein verhältnismäßig kleines und preisgünstiges Mikroskop geschaffen werden kann.
• Diese Aufgabe wird mit einer Beleuchtungseinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
• Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden.
• OLEDs werden, wie bekannt, aus einem Dünnschichtsystem gebildet, bestehend aus einer ersten transparenten Elektrode, einer dünnen organischen Schicht oder Schichtenfolge und einer zweiten Elektrode. Fließt Strom durch dieses Dünnschichtsystem, so leuchtet die organische Schicht bzw. Schichtenfolge. Die Farbe, in der die organische Schicht bzw. Schichtenfolge leuchtet, wird durch die Substanz der organischen Schicht und deren eventuellen Dotierung bestimmt. OLEDs lassen sich praktisch in allen Farben herstellen. Um weiß strahlende OLEDs herzustellen, werden für die organischen Schichten kurzwellig emittierende Substanzen gewählt. Eine auf die OLED aufgebrachte fluoreszierende Farbstoff Schicht mit einem Gemisch von Farbpigmenten wandelt das kurzwellige Licht in ein Gemisch langwelligen Lichtes, welches als weißes Licht erscheint. Im Sinne der Erfindung soll eine OLED mit einer aufgebrachten Farbstoffschicht, wie beschrieben, als weiße OLED verstanden werden.
• Bekannterweise kann weißes Licht auch erzeugt werden mit einer OLED-Matrix, bestehend aus rot, grün und blau emittierenden Einzel-OLEDs, die zeitgleich oder quasi zeitgleich angesteuert werden.
• Der Aufbau als Dünnschichtsystem ermöglicht die Herstellung von OLEDs unterschiedlichster Oberflächenausdehnung von einigen μm² (z.B. 350 μm × 350 μm) bis hin zu einigen cm² (z.B. 10 cm × 10 cm) und unterschiedlichster Oberflächenformen wie Kreise oder Ringe.
• Um das Dünnschichtsystem vor Umwelteinflüssen zu schützen, ist es mit einer für die emittierende Strahlung transparenten Schicht versiegelt. Diese Schicht kann aus Glas oder Keramik bestehen. Im Sinne der Erfindung soll die Versieglungsschicht ebenfalls als zur OLED gehörend verstanden werden.
• Die vorangehenden Erläuterungen sollen dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der optischen Geräteentwicklung zum Verständnis der für die Erfindung bedeutsamen Eigenschaften der OLEDs dienen, die bislang nur in wenigen Anwendungen am Markt sind.
• Weder der Aufbau von OLEDs noch deren Herstellung sind Gegenstand dieser Erfindung. Die Erfindung betrifft die Verwendung von OLEDs als solche und spezieller Ausführungen für eine Mikroskopbeleuchtung, die durch einen Objektträger verkörpert wird.
• Da OLEDs im Unterschied zu dem im Stand der Technik beschriebenen beleuchtetem Beleuchtungselement (Sekundärstrahler) selbst Licht abstrahlen, wird kein Licht erzeugt, was nicht zur Beleuchtung beiträgt. Entsprechend kann bei gleicher Strahlungseffizienz der Primärstrahler eine vergleichbar helle Beleuchtung des zu mikroskopierenden Objektes durch OLEDs mit weniger elektrischer Energie erreicht werden, als durch eine konventionelle Köhlersche Beleuchtung oder einen Sekundärstrahler.
• Grundsätzlich besteht eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung, die durch einen Objektträger verkörpert wird, aus einem starren Substratträger und einer darauf aufgebrachten OLED bzw. einer OLED-Matrix.
• In einem ersten Ausführungsbeispiel ist auf das Substrat, das in einer für Objektträger üblichen Form als rechteckförmige Planplatte ausgebildet ist, eine einzelne OLED aufgebracht, die im Wesentlichen vom Substrat weg emittiert. Die flächige Ausdehnung der OLED ist bestimmt durch die Größe des gewünschten Leuchtfeldes für ein jeweiliges Mikroskop, für das der Objektträger eingesetzt werden soll. Je nachdem, mit welcher Farbe das Objekt beleuchtet werden soll, wurde eine OLED ausgewählt, die im gewünschten Wellenlängenband Strahlung emittiert. Für eine Bestrahlung des Objekts mit weißem Licht wurde eine OLED, wie oben beschrieben, mit einer zusätzlichen fluoreszierenden Schicht verwendet.
• Das Substrat ist für die Emissionsstrahlung nicht transparent oder vorteilhaft, um auch auf das Substrat auftreffende Strahlungsanteile zur Objektausleuchtung zu nutzen, transparent und auf seiner der OLED abgewandten Oberfläche verspiegelt.
• Ein Objektträger gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hat eine fest vorgegebene Leuchtfeldgröße und ein fest vorgegebenes Emissionsband und wird bestimmungsgemäß im Lichtmikroskop so positioniert, dass sich das Substrat auf der zum Mikroskopobjektiv abgewandten Seite des Objektträgers befindet.
• Da die OLED selbst ein Primärstrahler ist und daher keine Beleuchtung braucht und darüber hinaus extrem dünn ausgeführt werden kann, beansprucht eine Beleuchtungseinrichtung, die durch einen Objektträger verkörpert wird, bestehend aus einem Substrat mit einer aufgebrachten OLED, nur den Platzbedarf, der ohnehin für einen Objektträger erforderlich ist. Ein mit einer solchen Beleuchtungseinrichtung ausgestattetes Mikroskop kann entsprechend kleiner, handlicher, leichter und auch preisgünstiger hergestellt werden.
• Besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung für ein Taschenmikroskop verwendet werden, bei dem ein geringes Gewicht und eine kleine Größe von besonderem Interesse sind. Hierfür ist es auch von Vorteil, dass zur Betreibung von OLEDs keine Netzspannung erforderlich ist.
• Als Energiequelle ist eine Niederspannungsquelle ausreichend. Sie kann geräteintern in Form einer Batterie mit den Elektroden der OLEDs verbunden sein, oder als externe Spannungsquelle über einen am Mikroskop vorhandenen Niederspannungsanschluss die OLED speisen. Für ein gelegentliches Mikroskopieren in freier Natur kann das Mikroskop auch mit einem heutzutage üblicherweise mitgeführten Mobiltelefon verbunden werden, um die OLEDs mit der Batterie des Mobiltelefons zu speisen. Noch ist die Herstellung von OLEDs im Vergleich zur Herstellung von einfachen Glasträgern, wie sie konventionell als Objektträger verwendet werden, verhältnismäßig teuer. Es lässt sich jedoch absehen, dass deren Herstellungskosten in der Zukunft deutlich sinken. Die erfindungsgemäßen selbstleuchtenden Objektträger könnten dann zum Wegwerfartikel werden, d.h. ein Reinigen oder Desinfizieren nach der Benutzung könnte entfallen.
• Um erfindungsgemäße Objektträger mit OLEDs unterschiedlicher Emissionswellenlängen, Oberflächenformen und -größe zu einem gleichen Mikroskop kompatibel zu gestalten, weisen sie einen standardisierten Niederspannungsanschluss auf, der auch ein Teil eines Objektbewegungssystems sein kann und haben eine gleiche Substratgröße und -form.
• 1 zeigt schematisch ein solches Mikroskop mit einem Objektiv 1, welches das von einer Probe 2 kommende Licht auf einen CCD-Empfänger 3 projiziert. Statt eines herkömmlichen Objektträgers wird eine OLED 4 verwendet, auf welchem die Probe 2 fixiert und mit einem Deckglas 5 abgedeckt ist. Zur Spannungsversorgung dient eine Spannungsquelle 6, welche über Kabel 7 mit dem OLED-Objektträger 4 verbunden ist.
• Anstelle einer einzelnen OLED kann gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel (2) auch eine OLED-Matrix auf das Substrat aufgebracht werden. Durch die differenzierte Ansteuerung der einzelnen Einzel-OLEDs 8.1, 8.2, 8.3, ..., 8.n können unterschiedliche Emissionsspektren und unterschiedliche Leuchtfeldgrößen und -formen realisiert werden.
• Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel (3) soll eine OLED oder eine OLED-Matrix 4 verwendet werden, die im Wesentlichen zum Substrat hin emittiert. Das Substrat 9 ist für die Emissionsstrahlung transparent und in Form einer Mikrotiterplatte 10 ausgebildet, an deren Bodenfläche die OLED oder OLED-Matrix 4 angrenzt. Ein derartiger Objektträger wird bestimmungsgemäß im Lichtmikroskop so positioniert, dass sich das Substrat auf der zum Mikroskopobjektiv hingewandten Seite des Objektträgers befindet.
• Gemäß einer vierten Ausführungsform soll die Beleuchtungsquelle in Form einer OLED oder OLED-Matrix nicht Bestandteil des Objektträgers oder der Mikrotiterplatte sein, sondern als Teil des Mikroskops fest mit dem Mikroskopstativ verbunden sein. Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass die OLED nicht über Elektroden elektrisch mit der Energiequelle verbunden wird, sondern direkt über Kabel angeschlossen werden kann. Des Weiteren können bisherige Objektträger und Mikrotiterplatten verwendet werden.
• Vorzugsweise kann die im Mikroskop integrierte OLED-Beleuchtungsquelle Bestandteil der Objektbewegungseinheit sein. Üblicherweise wird das zu untersuchende Objekt auf der Objektbewegungseinheit durch eine oder mehrere Klemmen fixiert, so dass dessen Position eindeutig vorgegeben ist. Der Bereich der Objektbewegungseinheit unterhalb des Objektes könnte als OLED ausgebildet sein, so dass das vom OLED emittierte Licht durch das Objekt hindurch in die abbildende Optik des Mikroskops eingekoppelt wird.
• Diese Ausführungsform ist in 4 schematisch dargestellt, wobei im wesentlichen nur die Teile gezeigt werden, die von der in 1 gezeigten Ausführungsform abweichen. Hier ist der Objekttisch 11 selbst als OLED ausgeführt, welcher über Anschlüsse 7 mit der Spannungsversorgung 6 verbunden ist. Die Probe 2 befindet sich auf einem herkömmlichen Objektträger 12 und ist mit einem Deckglas 5 abgedeckt.
• Der Vorteil der OLED, selbst ein Primärstrahler zu sein und daher extrem dünn sein zu können, kommt bei dieser Ausführungsform besonders zum Tragen. Auch die oben genannten weiteren Vorteile lassen sich bei dieser Ausführungsform nennen.
• Gemäß einer fünften Ausführungsform (5) soll die Beleuchtungsquelle in Form einer OLED oder OLED-Matrix ebenfalls nicht Bestandteil des Objektträgers oder der Mikrotiterplatte sein, sondern die OLED 4 kann auch als Teil des Mikroskops unterhalb des Kondensors 13 angebracht sein. Dadurch ist es möglich, das von der OLED 4 emittierte Licht effizienter dem Objekt 2 zuzuführen und eine dem Köhlerschen Beleuchtungsprinzip verwandte Form der Mikroskopbeleuchtung zu realisieren.
• Vorteilhaft an dieser Erfindung ist, dass die OLED kompakter ausgeführt werden kann. Ist die OLED als OLED-Mikrodisplay ausgebildet (siehe 2), so lassen sich durch geeignete Ansteuerung zur Kontrastierung notwendige Beleuchtungsformen ohne Zuhilfenahme mechanischer Bauteile realisieren. Zum Beispiel lässt sich ein Dunkelfeldkontrast durch ein ringförmiges Beleuchtungsmuster erzeugen. Des Weiteren können die Farbkanäle des OLED Mikrodisplays benutzt werden, um die spektralen Eigenschaften der Beleuchtung entsprechend der Anforderungen aus der Applikation zu variieren.
• Dem Fachmann auf dem Gebiet dieser Erfindung erschließt sich, dass die Erfindung nicht auf die Einzelheiten der vorstehend beispielhaft angeführten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass die vorliegende Erfindung in anderen speziellen Formen verkörpert sein kann, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, die durch die anliegenden Ansprüche festgelegt ist.

Claims (11)

1. Beleuchtungseinrichtung für ein Lichtmikroskop mit einem Objektträger, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung durch den Objektträger verkörpert wird, der aus einem im wesentlichen starren plattenförmigen Substrat mit wenigstens einer darauf aufgebrachten organischen lichtemittierenden Diode (OLED) besteht.
2. Beleuchtungseinrichtung für ein Lichtmikroskop, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung einen Bestandteil des Lichtmikroskops darstellt und aus einem im wesentlichen starren plattenförmigen Substrat mit wenigstens einer darauf aufgebrachten organischen lichtemittierenden Diode (OLED) besteht.
3. Beleuchtungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass genau eine OLED vorhanden ist und diese eine Oberflächengröße aufweist, die gleich der Leuchtfeldgröße für ein Lichtmikroskop ist.
4. Beleuchtungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von einzeln ansteuerbaren OLED vorhanden ist, die eine OLED-Matrix bilden und durch eine ausgewählte Ansteuerung der einzelnen OLED die Leuchtfeldgröße für ein Lichtmikroskop variierbar ist.
5. Beleuchtungseinrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von einzeln ansteuerbaren OLED vorhanden ist, die eine OLED-Matrix bilden und durch eine ausgewählte Ansteuerung der einzelnen OLED die Leuchtfeldform für ein Lichtmikroskop variierbar ist.
6. Beleuchtungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der OLED/OLED-Matrix ein normierter Niederspannungsanschluss vorhanden ist, über den die OLED/OLED-Matrix mit einer externen Niederspannungsquelle verbunden werden kann.
7. Beleuchtungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat auf seiner Oberfläche verspiegelt ist.
8. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat in Form einer Mikrotiterplatte ausgebildet ist.
9. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung Bestandteil der Objektbewegungseinrichtung des Lichtmikroskops ist.
10. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung unterhalb des Kondensors des Lichtmikroskops angeordnet ist.
11. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die OLED Beleuchtung als OLED Mikrodisplay ausgeführt ist und damit eine örtliche und spektrale Variation der Beleuchtung erlaubt.