专利名称：用于显微镜透照装置的平面光源的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于显微镜透照(transillumination)装置的平面光源，特别用于具有连续可变放大率的显微镜，简称为“变焦显微镜”，特别地为立体显微镜或巨观显微镜(macroscopes)。
背景技术：
用于显微镜透照装置的平面光源可从现有技 术中获知，例如可从文献DE 102004017 694 B3或US 7，554，727 B2中获知。它们被布置在样本平面下方。平面光源和样本之间的距离被选择成足够的大，从而完全照射样本，且发光装置的结构在样本平面上不再可见。然而在现有技术中，透照基座的全高度过高。没有考虑到符合人体工学。为了允许平面透照装置用于显微镜，例如用于立体显微镜或巨观显微镜，需要将核心元件——光源——配置成尽可能的平坦，且均匀地辐射光。例如，DE102004017694B3教导了在光源上使用用于匀化的漫射盘，但其对发光装置的效率和全高度有负面影响。因此，需要描述ー种最平坦且光匀化的显微镜透照装置。
发明内容
根据本发明，提出一种用于显微镜透照装置的平面光源，其具有权利要求I的特征。本发明是显著的在于,通过故意破坏(deliberate disruption)全反射,板状光导中以全反射的方式传播的光线输出耦合(outcoupled)。通过在所谓“接触面”上邻接元件，这种破坏发生在光导下边界表面(“底面”)。作为结果，光线从上边界表面(“顶面”)耦合输出。这种元件光学地耦合至光导，并被设置以产生反射角度的改变，从而光线从顶面耦合输出。该元件接触的接触面作为辐射表面。使用为耦合输出仅配备有ー个接触面的光导，不仅能获得特别平坦的构造，并且，由于光线在光导内混合而导致了辐射光线的初始均勻化。特别地，通过破坏全反射的元件产生在光导中传播的光线的定向反射(directedreflection)从而获得均匀的辐射。由此产生的辐射可以通过反射面的配置调整。光线从至少两个不同的方向耦合入光导，可获得进一歩的均匀化。当光导形状例如类似棱柱或棱锥台，即光导具有多边形底面，耦合输入(incoupling)发生在至少两个侧面上。当光导为圆柱形或圆锥台形，即光导具有椭圆形底面，耦合输入发生在包络面上的至少两处位置，该两处位置优选地均匀分布在外周上。另外，从侧面的耦合输入允许较低的全高度。接触面的平面面积小于底面的平面面积，可获得匀化上的进ー步改善。因而也保留了不用于辐射、仅用于匀化的边缘区域。因此，光导可选择成为光匀化看似需要的那么大，而接触面(其定义了辐射表面)的尺寸却可独立地选择。使用本发明，可构造出能够特别均匀地辐射光线的用于显微镜透照装置的平面光源。该平面光源在构造上非常平坦，且易于制造和处理。制造中不需要昂贵的光学系统和对准系统，因此成本低廉。根据本发明的构造，热的产生与用于光发射的位置分离开来。这种分离使得能很大程度上以适中的温度照射样本。这种布置被证明是有益的，特别是对大面积光源，鉴于随着发射表面尺寸平方的増加，发光装置输出的必要的光也増加。由于发热的发光装置被布置在侧面，远离样本，因此，在样本下面放置辐射表面并不必然地导致加热样本。使用根据本发明的布置，可更好地消散产生的热。
从属权利要求和下文所描述的主题是有利的实施例。导光板是平坦的，其高度小于其侧边长，特别地至少为十分之一。因此，必需的全高度被保持较低，并且位于平面光源上的目标平面不需过多地朝上移动。在优选的实施例中，破坏全反射的元件优选地包括微结构，该微结构特别地为涂覆反射面，以及在一特别优选的实施例中，包括微棱镜。可通过定义微棱镜的侧面角来影响平面光源的辐射特性。有利地，破坏全反射的元件通过连接介质，例如透明粘合剤，连接到光导，从而连接介质的光学折射率可特别地适于使用目的。发光装置的光线从侧面耦合入光导，并在光导内以全反射的方式传输，直到通过全反射的受控破坏(破坏全反射的元件)将光线向上耦合输出到光板之外。光线从空气进入具有折射率为nl的光导时，朝向光轴折射。然后光线被全反射或从外侧面耦合输出。描述能入射到光导上继续传播的最大角度的受光角α的方程为sin2(a) = nl2~n22,其中，假定光线通过空气(η = I)耦合输入至光导中。η2是邻近介质可能的折射率。当邻近介质是空气(η2 = I)，只要光板的折射率选择为nl > V 2 I. 41，则受光角α包括了全部半个空间。预定义破坏全反射的元件的折射率为η2> 1，则光线从满足sin2(a)彡nl2-n22的角度区域部分耦合输出。在一优选的实施例中，I < n2 < nl，从而能够获得相对小的受光角和狭窄的辐射角。平面光源的辐射角可以通过适当组合光导和连接介质的折射率来控制。一旦折射率适应完成，就可通过微结构将意图在光导中传输的角度范围朝着样本耦合输出。微结构的几何形状影响耦合输出的灯束的角度特性。破坏全反射的元件有益地具有反射系数R彡O. 5，优选地R彡O. 9。因此保证了大部分入射光被反射。至少ー个发光装置有益地包含LED或冷阴极电子管。发光装置的构造在优化光导内传播的光辐射方面具有特别的影响。发光装置的辐射角度优选地适于光导的几何形状，因其发光效率受光导的高度、和发光装置中发光元件(例如芯片)和光入射表面之间的距离影响。发光元件彼此之间间距的调整有助于优化光的匀化，并最小化光导的尺寸。邻近的光源耦合输入的光的重叠仅从距光导的边缘特定距离处才开始，这反过来取决于前述光源之间的间距。根据本发明，接触面的平面面积小于底面的平面面积，因而实现了光的混
ム
ロ ο在一特别优选的构造中，板状光导设置为棱柱或棱锥台，即其限定上端或下端的底面是多边形。采用这种类型的构造，其两个或更多的侧面都可特别容易地装配发光装置。此外，这种形状的制造和处理没有任何难度。并且，特别易于在平坦的侧面上提供冷却装置(热沉等)，从而冷却发光装置。
在又ー优选的构造中，板状光导设置为圆柱或圆锥台，即其限定上端或下端的底面是椭圆(包括圆)。采用这种类型的构造，如果ー个或多个发光装置以“全方位”辐射的方式布置在圆柱的圆周上，则可获得特别好的光匀化。与来自发光装置的主要光线相关的、作为光入射面的光导侧面的几何形状和取向可用来作为控制光导内光线分布的參数，从而影响平面光源辐射光线的匀化。此处作为举例，提及作为光入射面的侧面的傾斜。该光入射面的改变优化了平面光源的全高度，鉴于采取这种举措，更靠近显微镜光轴的破坏全反射的元件区域具有更好地照射范围。至少ー个入射面优选地是磨砂的。这优化了光导内立体角上光的分布。光导内更大的角度由此被更多地重加权，以有利于破坏全反射的元件的边缘区域来控制光強度。用于定义辐射表面的光阑，有益地提供在顶面上。如果该光阑面对上边界表面的一侧被额外地涂覆反射面，就不会损失光成分。依据说明书和附图，本发明进一步的优点和实施例是显而易见的。可以理解，在不背离本发明背景的情况下，上文中引用和将在下文中解释的特征不仅仅能够在指出的各个组合中使用，也可以在其它组合中使用或独立使用。基于示例的实施例，本发明图解地描绘在附图中，并且參考附图详细地描述在下文中。
图Ia是根据本发明的平面光源第一优选实施例的俯视图。图Ib是根据附图Ia的平面光源的截面图。图2和3是根据本发明的平面光源另ー优选实施例的俯视图。在附图I至3中，相同的元件被标记为相同的附图标记。
具体实施例方式分别描绘了平面光源第一优选实施例俯视图和截面图的附图Ia和lb，将在下文中以连续和重合的方式描述。附图I中，根据本发明用于显微镜透照装置的平面光源第一优选实施例的俯视图被图解地描绘，且其整体被标记为100。平面光源100包含板状光导110。板状光导可由亚克力、玻璃等制成,此处具有棱柱的形状，特别地为立方体。板状光导110包含一下边界表面111(此时为正方形)和相同的上边界表面112。光导110具有侧边长L和高度h，优选地h < O. 1し此外，光导110包括四个侧面113至116。在该实施例中，发光装置120耦合在所有的侧面113至116上。发光装置120包含同时也作为热沉的载体121，在载体上布置有多个发光元件，此处具体为发光二极管122。发光二极管122布置在光导110上，使得发光二极管122辐射的光线130在光导中以全反射的方式传播。发光二极管122彼此间中心到中心的距离S。邻接于下边界表面111的是破坏全反射的元件140，在该实施例中其具体为圆形。应注意到矩形构造也是优选的。邻接区域被称作“接触面”，且具有小于下边界表面111的平面面积L2的平面面积A。特别地，接触面与作为入射面的侧面之间距离2r，该距离优选地按着如下来定义在光导中，稱合输入的光以折射率η朝着垂线折射。邻近的发光二极管稱合输入的光的重叠仅从距离光导的边缘r = s/2* V (n2-l)处才开始(參见图I)。因此有利的是，在光板的边缘提供全反射区域从而可获得良好的光混合。鉴于发光装置有各向异性的角度特性，典型地边缘区域至少具有为2r的宽度。光导110的立方形状使得能够特别简单地处理并附着上发光装置120，因为侧面113至116都是平坦的。在该实施例中，光辐射130发生在所有的四个侧面113至116上，从而实现了本发明的目的自四个不同的方向产生光辐射。虽然从技术上讲，每ー单个发光二极管122都在无限多的方向辐射光线，但对于本发明的目的，“来自不同方向的辐射”应当被理解为表示发光装置的主要辐射方向是不同的。在这个例子中，破坏全反射的元件140具体为通过透明粘合剂安装在光导下边界表面111上的微结构板。结合上的结构化薄膜同样也能用。元件140包括被有益地涂覆反射面的翼，从而大部分入射光被反射而不会损失掉。反射系数优选地大于O. 9。微结构的几何形状影响耦合输出的光线的角度特性。涂覆反射面的微棱镜板140通过粘合剂与光导110连接，粘合剂的光学折射系数被选择为使得意图在光导中传输的角度范围朝着样本耦合输出。从而，入射到元件140上的光线130被向上反射，部分从上边界表面112离开光导110并用于对设置在光导上方的样本I进行透照。光阑，此处具体构造为孔150，提供在上边界表面112上。光阑150面对上边界表面112的一侧涂覆反射面。附图2中，根据本发明的平面光源第二优选实施例的俯视图被描绘，且被标记为200。平面光源200包括圆柱光导210，其被多个包含发光二极管122的发光装置220包围着。微棱镜板140同样地与圆柱光导210的底面邻接。光导210的圆柱形状，和与其关联的全方位的光辐射，能够特别好地匀化辐射的光线。附图3中，根据本发明的平面光源第三优选实施例的俯视图被描绘，且被标记为300。平面光源300再次包含棱柱形光导310,其底面为正六边形。在该实施例中,光导的所有六个侧面均配备有发光装置120，从而从六个方向辐射光线。一方面，鉴于来自许多方向的辐射，该实施例提供了特别好的光匀化，另ー方面，该实施例提供了易于附着发光装置、底座和热沉等的平坦侧面。
权利要求
1.一种用于显微镜透照装置的平面光源(100;200;300)，用于观察显微镜中的样本⑴， 该平面光源(100 ；200 ；300)包含板状光导(110 ；210 ;310)，其具有下边界表面(111)、上边界表面(112)、至少ー个侧面(113至116)以及至少ー个发光装置(120，122)，该发光装置被布置成通过作为光入射面的至少ー个侧面，从至少两个不同的方向将光线(130)辐射入光导(110 ;210 ;310)，通过这种方式光线在光导(110;210;310)内以全反射的方式传播， 通过在光导(110 ；210 ；310)下边界表面(111)上的接触面(A)上邻接元件(140 ；440)的规定方式破坏该全反射，从而光线从光导(110 ;210 ;310)的上边界表面(112)稱合输出， 该接触面的平面面积(A)小于该下边界表面(111)的平面面积(L2)， 破坏全反射的元件(140)使得在光导(110 ；210 ；310)中传播的光线(130)定向反射。
2.根据权利要求I的平面光源(100；200 ;300)，破坏全反射的元件(140 ；440)具有反射系数R≥0. 5，优选地R≥0. 9。
3.根据权利要求I或2的平面光源(100；200 ;300)，破坏全反射的元件(140)包括微结构，该微结构特别地被涂覆反射面。
4.根据前述任ー权利要求中的平面光源(100；200 ;300)，破坏全反射的元件(140)通过连接介质连接到光导(110 ;210 ;310)，连接介质的光学折射率小于光导(110 ；210 ；310)的光学折射率。
5.根据权利要求4的平面光源(100；200 ;300)，连接介质是透明粘合剤。
6.根据前述任ー权利要求的平面光源(100；200 ;300)，该至少一个发光装置(120)包含LED(122)或冷阴极电子管。
7.根据前述任ー权利要求的平面光源(100;200 ;300)，作为光入射面的至少ー个侧面与下边界表面(111)和/或上边界表面(112)围成小于或大于90°的角度，优选地小于85°或大于95°。
8.根据前述任ー权利要求的平面光源(100;200 ;300)，作为光入射面的至少ー个侧面至少部分是磨砂的。
9.根据前述任ー权利要求的平面光源(100；200 ;300)，板状光导的形状为棱柱(110 ；310)、棱锥台、圆柱(210)、或圆锥台。
10.根据前述任ー权利要求的平面光源(100;200 ;300)，在上边界表面(112)上方提供用于划定光出射面边界的光阑(150)。
11.根据权利要求10的平面光源(100；200 ;300)，光阑面对上边界表面(112)的ー侧涂覆反射面。
全文摘要
本发明涉及用于显微镜透照装置的平面光源(100)，其用于观察显微镜中的样本，该平面光源(100)包含板状光导(110)，其具有下边界表面、上边界表面、至少一个侧面(113至116)以及至少一个发光装置(120，122)，该发光元件被布置成通过作为光入射面的至少一个侧面，从至少两个不同的方向将光线辐射入光导(110)，通过这种方式光线在光导(110)内以全反射的方式传播，通过在光导(110)下边界表面上的接触面上邻接元件(140)的方式破坏该全反射，从而光线从光导(110)的上边界表面耦合输出，该接触面的平面面积小于该下边界表面的平面面积，破坏全反射的元件(140)使得在光导(110)中传播的光线(130)定向反射。
文档编号G02B6/00GK102628984SQ20121002353
公开日2012年8月8日 申请日期2012年2月2日 优先权日2011年2月3日
发明者H·史尼兹勒, R·保卢斯, R·祖斯特 申请人:徕卡显微系统(瑞士)股份公司