專利名稱：用于顯微鏡透照裝置的平面光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于顯微鏡透照(transillumination)裝置的平面光源，特別用于具有連續(xù)可變放大率的顯微鏡，簡稱為“變焦顯微鏡”，特別地為立體顯微鏡或巨觀顯微鏡(macroscopes)。
背景技術(shù)：
用于顯微鏡透照裝置的平面光源可從現(xiàn)有技 術(shù)中獲知，例如可從文獻(xiàn)DE 102004017 694 B3或US 7，554，727 B2中獲知。它們被布置在樣本平面下方。平面光源和樣本之間的距離被選擇成足夠的大，從而完全照射樣本，且發(fā)光裝置的結(jié)構(gòu)在樣本平面上不再可見。然而在現(xiàn)有技術(shù)中，透照基座的全高度過高。沒有考慮到符合人體工學(xué)。為了允許平面透照裝置用于顯微鏡，例如用于立體顯微鏡或巨觀顯微鏡，需要將核心元件——光源——配置成盡可能的平坦，且均勻地輻射光。例如，DE102004017694B3教導(dǎo)了在光源上使用用于勻化的漫射盤，但其對發(fā)光裝置的效率和全高度有負(fù)面影響。因此，需要描述ー種最平坦且光勻化的顯微鏡透照裝置。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提出一種用于顯微鏡透照裝置的平面光源，其具有權(quán)利要求I的特征。本發(fā)明是顯著的在于,通過故意破壞(deliberate disruption)全反射,板狀光導(dǎo)中以全反射的方式傳播的光線輸出耦合(outcoupled)。通過在所謂“接觸面”上鄰接元件，這種破壞發(fā)生在光導(dǎo)下邊界表面(“底面”)。作為結(jié)果，光線從上邊界表面(“頂面”)耦合輸出。這種元件光學(xué)地耦合至光導(dǎo)，并被設(shè)置以產(chǎn)生反射角度的改變，從而光線從頂面耦合輸出。該元件接觸的接觸面作為輻射表面。使用為耦合輸出僅配備有ー個接觸面的光導(dǎo)，不僅能獲得特別平坦的構(gòu)造，并且，由于光線在光導(dǎo)內(nèi)混合而導(dǎo)致了輻射光線的初始均勻化。特別地，通過破壞全反射的元件產(chǎn)生在光導(dǎo)中傳播的光線的定向反射(directedreflection)從而獲得均勻的輻射。由此產(chǎn)生的輻射可以通過反射面的配置調(diào)整。光線從至少兩個不同的方向耦合入光導(dǎo)，可獲得進(jìn)一歩的均勻化。當(dāng)光導(dǎo)形狀例如類似棱柱或棱錐臺，即光導(dǎo)具有多邊形底面，耦合輸入(incoupling)發(fā)生在至少兩個側(cè)面上。當(dāng)光導(dǎo)為圓柱形或圓錐臺形，即光導(dǎo)具有橢圓形底面，耦合輸入發(fā)生在包絡(luò)面上的至少兩處位置，該兩處位置優(yōu)選地均勻分布在外周上。另外，從側(cè)面的耦合輸入允許較低的全高度。接觸面的平面面積小于底面的平面面積，可獲得勻化上的進(jìn)ー步改善。因而也保留了不用于輻射、僅用于勻化的邊緣區(qū)域。因此，光導(dǎo)可選擇成為光勻化看似需要的那么大，而接觸面(其定義了輻射表面)的尺寸卻可獨立地選擇。使用本發(fā)明，可構(gòu)造出能夠特別均勻地輻射光線的用于顯微鏡透照裝置的平面光源。該平面光源在構(gòu)造上非常平坦，且易于制造和處理。制造中不需要昂貴的光學(xué)系統(tǒng)和對準(zhǔn)系統(tǒng)，因此成本低廉。根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)造，熱的產(chǎn)生與用于光發(fā)射的位置分離開來。這種分離使得能很大程度上以適中的溫度照射樣本。這種布置被證明是有益的，特別是對大面積光源，鑒于隨著發(fā)射表面尺寸平方的増加，發(fā)光裝置輸出的必要的光也増加。由于發(fā)熱的發(fā)光裝置被布置在側(cè)面，遠(yuǎn)離樣本，因此，在樣本下面放置輻射表面并不必然地導(dǎo)致加熱樣本。使用根據(jù)本發(fā)明的布置，可更好地消散產(chǎn)生的熱。
從屬權(quán)利要求和下文所描述的主題是有利的實施例。導(dǎo)光板是平坦的，其高度小于其側(cè)邊長，特別地至少為十分之一。因此，必需的全高度被保持較低，并且位于平面光源上的目標(biāo)平面不需過多地朝上移動。在優(yōu)選的實施例中，破壞全反射的元件優(yōu)選地包括微結(jié)構(gòu)，該微結(jié)構(gòu)特別地為涂覆反射面，以及在一特別優(yōu)選的實施例中，包括微棱鏡?？赏ㄟ^定義微棱鏡的側(cè)面角來影響平面光源的輻射特性。有利地，破壞全反射的元件通過連接介質(zhì)，例如透明粘合剤，連接到光導(dǎo)，從而連接介質(zhì)的光學(xué)折射率可特別地適于使用目的。發(fā)光裝置的光線從側(cè)面耦合入光導(dǎo)，并在光導(dǎo)內(nèi)以全反射的方式傳輸，直到通過全反射的受控破壞(破壞全反射的元件)將光線向上耦合輸出到光板之外。光線從空氣進(jìn)入具有折射率為nl的光導(dǎo)時，朝向光軸折射。然后光線被全反射或從外側(cè)面耦合輸出。描述能入射到光導(dǎo)上繼續(xù)傳播的最大角度的受光角α的方程為sin2(a) = nl2~n22,其中，假定光線通過空氣(η = I)耦合輸入至光導(dǎo)中。η2是鄰近介質(zhì)可能的折射率。當(dāng)鄰近介質(zhì)是空氣(η2 = I)，只要光板的折射率選擇為nl > V 2 I. 41，則受光角α包括了全部半個空間。預(yù)定義破壞全反射的元件的折射率為η2> 1，則光線從滿足sin2(a)彡nl2-n22的角度區(qū)域部分耦合輸出。在一優(yōu)選的實施例中，I < n2 < nl，從而能夠獲得相對小的受光角和狹窄的輻射角。平面光源的輻射角可以通過適當(dāng)組合光導(dǎo)和連接介質(zhì)的折射率來控制。一旦折射率適應(yīng)完成，就可通過微結(jié)構(gòu)將意圖在光導(dǎo)中傳輸?shù)慕嵌确秶鴺颖抉詈陷敵?。微結(jié)構(gòu)的幾何形狀影響耦合輸出的燈束的角度特性。破壞全反射的元件有益地具有反射系數(shù)R彡O. 5，優(yōu)選地R彡O. 9。因此保證了大部分入射光被反射。至少ー個發(fā)光裝置有益地包含LED或冷陰極電子管。發(fā)光裝置的構(gòu)造在優(yōu)化光導(dǎo)內(nèi)傳播的光輻射方面具有特別的影響。發(fā)光裝置的輻射角度優(yōu)選地適于光導(dǎo)的幾何形狀，因其發(fā)光效率受光導(dǎo)的高度、和發(fā)光裝置中發(fā)光元件(例如芯片)和光入射表面之間的距離影響。發(fā)光元件彼此之間間距的調(diào)整有助于優(yōu)化光的勻化，并最小化光導(dǎo)的尺寸。鄰近的光源耦合輸入的光的重疊僅從距光導(dǎo)的邊緣特定距離處才開始，這反過來取決于前述光源之間的間距。根據(jù)本發(fā)明，接觸面的平面面積小于底面的平面面積，因而實現(xiàn)了光的混
ム
ロ ο在一特別優(yōu)選的構(gòu)造中，板狀光導(dǎo)設(shè)置為棱柱或棱錐臺，即其限定上端或下端的底面是多邊形。采用這種類型的構(gòu)造，其兩個或更多的側(cè)面都可特別容易地裝配發(fā)光裝置。此外，這種形狀的制造和處理沒有任何難度。并且，特別易于在平坦的側(cè)面上提供冷卻裝置(熱沉等)，從而冷卻發(fā)光裝置。
在又ー優(yōu)選的構(gòu)造中，板狀光導(dǎo)設(shè)置為圓柱或圓錐臺，即其限定上端或下端的底面是橢圓(包括圓)。采用這種類型的構(gòu)造，如果ー個或多個發(fā)光裝置以“全方位”輻射的方式布置在圓柱的圓周上，則可獲得特別好的光勻化。與來自發(fā)光裝置的主要光線相關(guān)的、作為光入射面的光導(dǎo)側(cè)面的幾何形狀和取向可用來作為控制光導(dǎo)內(nèi)光線分布的參數(shù)，從而影響平面光源輻射光線的勻化。此處作為舉例，提及作為光入射面的側(cè)面的傾斜。該光入射面的改變優(yōu)化了平面光源的全高度，鑒于采取這種舉措，更靠近顯微鏡光軸的破壞全反射的元件區(qū)域具有更好地照射范圍。至少ー個入射面優(yōu)選地是磨砂的。這優(yōu)化了光導(dǎo)內(nèi)立體角上光的分布。光導(dǎo)內(nèi)更大的角度由此被更多地重加權(quán)，以有利于破壞全反射的元件的邊緣區(qū)域來控制光強(qiáng)度。用于定義輻射表面的光闌，有益地提供在頂面上。如果該光闌面對上邊界表面的一側(cè)被額外地涂覆反射面，就不會損失光成分。依據(jù)說明書和附圖，本發(fā)明進(jìn)一步的優(yōu)點和實施例是顯而易見的?？梢岳斫?，在不背離本發(fā)明背景的情況下，上文中引用和將在下文中解釋的特征不僅僅能夠在指出的各個組合中使用，也可以在其它組合中使用或獨立使用?；谑纠膶嵤├?，本發(fā)明圖解地描繪在附圖中，并且參考附圖詳細(xì)地描述在下文中。
圖Ia是根據(jù)本發(fā)明的平面光源第一優(yōu)選實施例的俯視圖。圖Ib是根據(jù)附圖Ia的平面光源的截面圖。圖2和3是根據(jù)本發(fā)明的平面光源另ー優(yōu)選實施例的俯視圖。在附圖I至3中，相同的元件被標(biāo)記為相同的附圖標(biāo)記。
具體實施例方式分別描繪了平面光源第一優(yōu)選實施例俯視圖和截面圖的附圖Ia和lb，將在下文中以連續(xù)和重合的方式描述。附圖I中，根據(jù)本發(fā)明用于顯微鏡透照裝置的平面光源第一優(yōu)選實施例的俯視圖被圖解地描繪，且其整體被標(biāo)記為100。平面光源100包含板狀光導(dǎo)110。板狀光導(dǎo)可由亞克力、玻璃等制成,此處具有棱柱的形狀，特別地為立方體。板狀光導(dǎo)110包含一下邊界表面111(此時為正方形)和相同的上邊界表面112。光導(dǎo)110具有側(cè)邊長L和高度h，優(yōu)選地h < O. 1し此外，光導(dǎo)110包括四個側(cè)面113至116。在該實施例中，發(fā)光裝置120耦合在所有的側(cè)面113至116上。發(fā)光裝置120包含同時也作為熱沉的載體121，在載體上布置有多個發(fā)光元件，此處具體為發(fā)光二極管122。發(fā)光二極管122布置在光導(dǎo)110上，使得發(fā)光二極管122輻射的光線130在光導(dǎo)中以全反射的方式傳播。發(fā)光二極管122彼此間中心到中心的距離S。鄰接于下邊界表面111的是破壞全反射的元件140，在該實施例中其具體為圓形。應(yīng)注意到矩形構(gòu)造也是優(yōu)選的。鄰接區(qū)域被稱作“接觸面”，且具有小于下邊界表面111的平面面積L2的平面面積A。特別地，接觸面與作為入射面的側(cè)面之間距離2r，該距離優(yōu)選地按著如下來定義在光導(dǎo)中，稱合輸入的光以折射率η朝著垂線折射。鄰近的發(fā)光二極管稱合輸入的光的重疊僅從距離光導(dǎo)的邊緣r = s/2* V (n2-l)處才開始(參見圖I)。因此有利的是，在光板的邊緣提供全反射區(qū)域從而可獲得良好的光混合。鑒于發(fā)光裝置有各向異性的角度特性，典型地邊緣區(qū)域至少具有為2r的寬度。光導(dǎo)110的立方形狀使得能夠特別簡單地處理并附著上發(fā)光裝置120，因為側(cè)面113至116都是平坦的。在該實施例中，光輻射130發(fā)生在所有的四個側(cè)面113至116上，從而實現(xiàn)了本發(fā)明的目的自四個不同的方向產(chǎn)生光輻射。雖然從技術(shù)上講，每ー單個發(fā)光二極管122都在無限多的方向輻射光線，但對于本發(fā)明的目的，“來自不同方向的輻射”應(yīng)當(dāng)被理解為表示發(fā)光裝置的主要輻射方向是不同的。在這個例子中，破壞全反射的元件140具體為通過透明粘合劑安裝在光導(dǎo)下邊界表面111上的微結(jié)構(gòu)板。結(jié)合上的結(jié)構(gòu)化薄膜同樣也能用。元件140包括被有益地涂覆反射面的翼，從而大部分入射光被反射而不會損失掉。反射系數(shù)優(yōu)選地大于O. 9。微結(jié)構(gòu)的幾何形狀影響耦合輸出的光線的角度特性。涂覆反射面的微棱鏡板140通過粘合劑與光導(dǎo)110連接，粘合劑的光學(xué)折射系數(shù)被選擇為使得意圖在光導(dǎo)中傳輸?shù)慕嵌确秶鴺颖抉詈陷敵?。從而，入射到元?40上的光線130被向上反射，部分從上邊界表面112離開光導(dǎo)110并用于對設(shè)置在光導(dǎo)上方的樣本I進(jìn)行透照。光闌，此處具體構(gòu)造為孔150，提供在上邊界表面112上。光闌150面對上邊界表面112的一側(cè)涂覆反射面。附圖2中，根據(jù)本發(fā)明的平面光源第二優(yōu)選實施例的俯視圖被描繪，且被標(biāo)記為200。平面光源200包括圓柱光導(dǎo)210，其被多個包含發(fā)光二極管122的發(fā)光裝置220包圍著。微棱鏡板140同樣地與圓柱光導(dǎo)210的底面鄰接。光導(dǎo)210的圓柱形狀，和與其關(guān)聯(lián)的全方位的光輻射，能夠特別好地勻化輻射的光線。附圖3中，根據(jù)本發(fā)明的平面光源第三優(yōu)選實施例的俯視圖被描繪，且被標(biāo)記為300。平面光源300再次包含棱柱形光導(dǎo)310,其底面為正六邊形。在該實施例中,光導(dǎo)的所有六個側(cè)面均配備有發(fā)光裝置120，從而從六個方向輻射光線。一方面，鑒于來自許多方向的輻射，該實施例提供了特別好的光勻化，另ー方面，該實施例提供了易于附著發(fā)光裝置、底座和熱沉等的平坦側(cè)面。
權(quán)利要求
1.一種用于顯微鏡透照裝置的平面光源(100;200;300)，用于觀察顯微鏡中的樣本⑴， 該平面光源(100 ；200 ；300)包含板狀光導(dǎo)(110 ；210 ;310)，其具有下邊界表面(111)、上邊界表面(112)、至少ー個側(cè)面(113至116)以及至少ー個發(fā)光裝置(120，122)，該發(fā)光裝置被布置成通過作為光入射面的至少ー個側(cè)面，從至少兩個不同的方向?qū)⒐饩€(130)輻射入光導(dǎo)(110 ;210 ;310)，通過這種方式光線在光導(dǎo)(110;210;310)內(nèi)以全反射的方式傳播， 通過在光導(dǎo)(110 ；210 ；310)下邊界表面(111)上的接觸面(A)上鄰接元件(140 ；440)的規(guī)定方式破壞該全反射，從而光線從光導(dǎo)(110 ;210 ;310)的上邊界表面(112)稱合輸出， 該接觸面的平面面積(A)小于該下邊界表面(111)的平面面積(L2)， 破壞全反射的元件(140)使得在光導(dǎo)(110 ；210 ；310)中傳播的光線(130)定向反射。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的平面光源(100；200 ;300)，破壞全反射的元件(140 ；440)具有反射系數(shù)R≥0. 5，優(yōu)選地R≥0. 9。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2的平面光源(100；200 ;300)，破壞全反射的元件(140)包括微結(jié)構(gòu)，該微結(jié)構(gòu)特別地被涂覆反射面。
4.根據(jù)前述任ー權(quán)利要求中的平面光源(100；200 ;300)，破壞全反射的元件(140)通過連接介質(zhì)連接到光導(dǎo)(110 ;210 ;310)，連接介質(zhì)的光學(xué)折射率小于光導(dǎo)(110 ；210 ；310)的光學(xué)折射率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的平面光源(100；200 ;300)，連接介質(zhì)是透明粘合剤。
6.根據(jù)前述任ー權(quán)利要求的平面光源(100；200 ;300)，該至少一個發(fā)光裝置(120)包含LED(122)或冷陰極電子管。
7.根據(jù)前述任ー權(quán)利要求的平面光源(100;200 ;300)，作為光入射面的至少ー個側(cè)面與下邊界表面(111)和/或上邊界表面(112)圍成小于或大于90°的角度，優(yōu)選地小于85°或大于95°。
8.根據(jù)前述任ー權(quán)利要求的平面光源(100;200 ;300)，作為光入射面的至少ー個側(cè)面至少部分是磨砂的。
9.根據(jù)前述任ー權(quán)利要求的平面光源(100；200 ;300)，板狀光導(dǎo)的形狀為棱柱(110 ；310)、棱錐臺、圓柱(210)、或圓錐臺。
10.根據(jù)前述任ー權(quán)利要求的平面光源(100;200 ;300)，在上邊界表面(112)上方提供用于劃定光出射面邊界的光闌(150)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的平面光源(100；200 ;300)，光闌面對上邊界表面(112)的ー側(cè)涂覆反射面。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于顯微鏡透照裝置的平面光源(100)，其用于觀察顯微鏡中的樣本，該平面光源(100)包含板狀光導(dǎo)(110)，其具有下邊界表面、上邊界表面、至少一個側(cè)面(113至116)以及至少一個發(fā)光裝置(120，122)，該發(fā)光元件被布置成通過作為光入射面的至少一個側(cè)面，從至少兩個不同的方向?qū)⒐饩€輻射入光導(dǎo)(110)，通過這種方式光線在光導(dǎo)(110)內(nèi)以全反射的方式傳播，通過在光導(dǎo)(110)下邊界表面上的接觸面上鄰接元件(140)的方式破壞該全反射，從而光線從光導(dǎo)(110)的上邊界表面耦合輸出，該接觸面的平面面積小于該下邊界表面的平面面積，破壞全反射的元件(140)使得在光導(dǎo)(110)中傳播的光線(130)定向反射。
文檔編號G02B6/00GK102628984SQ20121002353
公開日2012年8月8日 申請日期2012年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月3日
發(fā)明者H·史尼茲勒, R·保盧斯, R·祖斯特 申請人:徠卡顯微系統(tǒng)(瑞士)股份公司