A. La Rosa                                                                     Lecture Notes 

Portland State University 

APPLIED  OPTICS ________________________________________________________________________   

Koehler Illumination

I. Introduction 

We describe an illumination method, introduced by August Koehler in 1893, that allows attaining a uniform illumination on a sample within an optical microscope, despite the eventual use of non‐homogeneous sources (like electrical lamps).  

As described  in more detail below,  the Koehler  illumination setup presents two main characteristics: 

Creates  an evenly illuminated field of view 

The light intensity at specimen plane   and the size of the illuminated field can be regulated independently  

These features are attained by placing two distinct sets of optical elements across the microscope:  

a set of “illumination apertures” A1, A2, A3, A4, and  

a set of  “illuminated field diaphragms” F1, F2, F3, F4.  

These  two sets are  schematically  shown  in Fig1a and Fig.1b below, but a more detailed explanation follows in the next sections.

f1  f1 

Lamp collector 

Fila‐ ment 

Filament’s image 

Condenserlens 

fcond fcond

Objectivelens 

fobj  fobj

Eyepiece lens 

fe fe 

A1  A2 A3 A4 

WD

Object’s image on the user’sretina 

Object

Fig. 1a Illumination apertures‐diaphragms A1, A2, A3, A4. (The complementary field‐diaphragms that limit the width of the cone of rays in the system are not shown). The figure shows how a particular cone of light emitted from a point 

on the filament  is spread out uniformly across the specimen’s plane (a more detailed justification of the ray tracing is given in the main text). In addition, it will be shown that the diaphragm A2 controls the  light  intensity reaching the sample without modifying the size of the  illuminated area on the specimen’s plane.

 

fcond f1  f1 

Lamp collector 

Fila‐ment 

Filament’s image 

Condenserlens 

fcon

Objectivelens 

fobj  fobj

Eyepiece lens 

fe fe 

F1  F2 F3  F4 

Oject’s image on the user’s retina

Object 

WD 

Fig.  1b  Field  diaphragms  F1,  F2,  F3,  F4.  (The  complementary  illumination apertures  that control  the  intensity  reaching  the specimen are not shown). Notice  in this set up that  i) each point on the field‐diaphragm behaves as a point source of light, and ii) the diameter of the field‐diaphragm F1 is imaged at the specimen’s plane. Accordingly, the size of the region illuminated at the specimen’s plane is controlled by the field‐diaphragm F1.    

II. The conventional microscope The  Koehler  illumination  is  to  improve  the  quality  of  a  conventional  optical microscope where: 

an objective‐lens forms a first image at the front focal plane of the eyepiece, and the latter forms a virtual image at infinity. This implies that a bundle of parallel rays reaches the user’s eye, and a real final  image  is formed at the user’s eye retina. 

If  the  illumination  on  the  object  is  not  uniform,  the  corresponding  image will display such low quality light distribution. 

It  is  in  this  optical microscope  setup  that we  are  going  to  introduce  a  proper illumination, the Koehler illumination, to a) fully exploit the maximum resolution of  the  microscope  objective  (by  being  able  to  select  the  proper  numerical aperture of the condenser lens as to match that of the objective lens), b) obtain an  uniform  illumination  over  the  sample  despite  using  lamps  of  non‐uniform 

brightness, while c) minimizing vigneting (the filament is imaged at the user’s eye lens.)  

Objective lens 

fobj  fobj

Eyepiecelens 

fe  fe 

Exit pupil 

First mage’s plane(front focal plane    of the eyepiece) 

Object’s image on the user’s retina 

 

Aperture stop

Object  Optical tube length 

Illumi‐nation 

WD 

fhuman    eye 

Fig. 2a Basic  components of  an optical microscope. An object  is placed  at  a proper  working  distance  (WD)  from  the  objective‐lens.  The  diagram correspond to an  old fashion microscope where a tube length specifies where the first  image  is formed. (Nowadays,  infinitely corrected objective  lenses are used instead). 

 

Objective lens 

fobj  fobj

Eyepiecelens 

fe  fe 

Exit pupil 

First mage’s plane(front focal plane    of the eyepiece) 

Object’s image on the user’s retina 

 

Aperture stop

Object  Optical tube length 

Illumi‐nation 

WD 

fhuman    eye 

Fig. 2a  Basic components of an optical microscope.

III. Description We show the ray tracing starting from the illumination section towards the 

sample stage, and then to the ocular eyepiece. In the final part we outline some hands on “tricks” on how  to actually  implement  the Koehler  illumination  (we’ll see that the order of descriptions reverses, starting rather from the sample stage and continues with the illuminating lamp set up.)  

 

III.1 Filament and lamp collector  

The purpose  is to place the  image of the  filament at the back  focal plane of the condenser lens 

Notice the magnification of the filament’s  image changes with the filament’s position.  

In  practice,  since  the  illumination  set‐up  (i.e.  filament’s  position)  is  rarely changed, the lamp position is chosen at the very beginning of the setup such that the filament’s image fills the largest diameter of the aperture diaphragm A2. (As a consequence, when working with the aperture diaphragm A2 at  lower openings, of the lamp’s light power will be used less efficiently.) 

 

f1  f1 

Lamp collector 

Filament’s image

Condenser lens 

fcond  fcond 

Oba

Objectlens

fobj fo

F2

A1  A2 F1 

Field diaphragm (back focal plane of lamp 

collector lens) 

GR

P 

Aperture diaphragm (or sub stage diaphragm) (Located at the front focal plane of the condenser lens) 

Filament 

Fig. 3 Filament imaged at the front focal plane of the condenser lens. 

Notice that the field diaphragm F1 (located at the back focal plane of the lamp collector) is uniformly illuminated 

Indeed,  notice  in  Fig.3  above  that  it  doesn’t matter whether  or  not  the  point sources G, R, and P at the filament are of equal intensity. If, for example, one of those sources were off, the overall  illumination would certainly be dimmer, but the intensity across the field diaphragm would still be uniform. 

(Note: we are not justifying, however, whether a point source like “G”, for example, produces or not a uniform illumination across the plane “F1”.)

 

III.2 The condenser lens 

One of  the  roles of  the condenser  lens  is  to  image  the  field diaphragm  (F1) into the object’s plane F2. 

Objecback-f

plan

Objl

fobj fobj

A3

G R P

Filament 

Filament’s image

Object 

Lamp collector 

Condenserlens 

Field diaphragm (back focal plane of lamp 

collector lens) 

f1  f1 fcond fcond

A1  A2F1 

Aperture diaphragm(or sub stage diaphragm) 

(Located at the front focal plane of the condenser lens) 

F2

Object’s plane 

Fig. 4  Field diaphragm F1 imaged at the object’s plane F2. 

The aperture diaphragm A2 controls the numerical aperture of the condenser lens  

Notice  in the  figure below that the smaller aperture A2 the smaller the angle . This  is  an  important  feature,  since,  ideally,  the  numerical  aperture  of  the condenser lens should match the numerical aperture of the objective‐lens. For a given  objective  lens,  the  Khoeler  illumination  allows  using  the  aperture diaphragm A2 to match that value. 

Objecback-f

plan

Objl

fobj fobj

A3

Filament’s image

Object 

Lamp collector 

Condenser lens 

Field diaphragm (back focal plane of lamp 

collector lens) 

f1  f1 

F1

G R P

Filament 

fcond 

A1  A2  F2 

fcond 

Fig. 5 The size of the aperture diaphragm A2 determines the condenser’s numerical aperture. 

III.3  Independent  control  of  the  dimension  and  light  intensity  of  the 

illuminated  field  area  (equivalently,  independent  control  of  the illuminated field area and the condenser’s numerical aperture). 

The  field  diaphragm  (F1)  controls  the  size  of  the  illuminated  area  on  the object’s plane (F2).  

Indeed, notice  in  Fig. 6  that  F1  controls  the  size of  the bundle of  rays emitted from a particular point P on  the  filament.  If we decreased  the  size of  the  field diagram (F1) then that particular bundles of rays will illuminate a smaller area of the specimen.  

A decrease in the field diaphragm (F1) does not affect the light intensity (or power density Watt/m2) received at the specimen.  

The  reason  is  that  a  uniform  distribution  of  light  (across  the  diameter  of  the aperture) passes through F1. That uniformity will be observed also at the objects’ plane (where the rays in the bundles arrive in parallel). Hence, decreasing the size of diaphragm F1 is translated in a decrease of the illuminated area on the objects’ plane, without changing the uniformity of the illumination. 

 

f1  f1 

Lamp collector 

Condenser lens 

fcond fcond

Objectivback-foca

plane

fobj fobj 

A3

A1  A2F1

Field diaphragm (back focal plane of lamp 

collector lens) 

G R 

P 

 A uniform distribution of light passes across 

this aperture 

Filament 

 A uniform distribution of light reaches the 

objects plane 

F2

Object 

Fig. 6 The size of the field diaphragm F1 determines the size of the illuminated area on the object’s plane 

                (Would “P” and ”R” produce  illuminated areas of  the same size on  the plane F2? )  

 

The aperture diagram (A2) controls the light intensity reaching the object, but without affecting the size of the illuminated area.   

Notice  in  Fig  7  that  each  point  on  the  aperture  generates  a  bundle  that illuminates the object uniformly. (The size of the  illuminating bundles controlled by  F1.)  If  we  decreased  the  size  of  the  aperture  diagram  (A2)  then  we  are decreasing  the  number  of  bundles  arriving  at  the  object’s  plane  (hence decreasing the light intensity) but not the size of the illuminated area. 

 

f1  f1 

Lamp collector 

Condenser lens 

fcond  fcond 

Objective back-focal

plane

fobj fobj 

(frontthe

A1  A2 F1 

Field diaphragm (back focal plane of lamp 

collector lens) 

G R 

P 

Each point on the aperture A2 generated 

a bundle. 

Filament 

 All the different bundles illuminate the same area. The number of bundles is 

controlled by the A2 aperture.

F2

Object 

Fig. 7 The A2 controls the number of bundles arriving to the objects plane (hence controlling the illumination intensity) but not the size of the bundles (hence whthot modifying the area illuminated on the objects plane).

That  is,  the  aperture  diagram  (A2)  and  the  field  diaphragm  (F1)  affect independently the optical setup. 

III.4 Complete optical setup 

The  above  description  constitutes  the  expected  arrangement  in  an  Koehler illumination  setup.  The  resulting  full  ray  tracing  in  the  optical  microscope  is shown below.   

A1 

f1  f1 

Field diaphragm 

(Back focal plane of lamp collector lens) 

Filament 

Filament’s image 

Condenser lens

Objectplane 

fcond fcond 

Objective back‐focal plane 

Objective lens

fobj  fobj

Eyepiece lens 

fe fe 

Exit  pupil 

First‐image’s plane (front focal plane  of the eyepiece) 

A2  A4 

A4 

Image on the user’s retina

 

A3 

F1  F2  F3

Lamp Collector 

lens 

F4 

WD

(Front focal plane of the condenser 

lens)   Fig. 8 Notice how each point source (cone of light) from the filament i) arrive uniformly spread  over  the  specimen  object’s  plane,  and  ii)  if  the  diameter  of  the  aperture diaphragm were to be reduced, then less number of point sources from the filament will arrive to the specimen’s plane, however each cone that goes through will illuminate the same  specimen’s  region. Hence,  the diaphragm  control  the  intensity of  light  reaching the  specimen but without altering  the  size of  the  illuminated area on  the  specimen’s plane.   

IV. IMPLEMENTATION  Starting with the objective lens and the eyepiece in their proper position,  

image the field diaphragm F1 in the object’s plane For that purpose, have the  field diaphragm quite open and try to obtain a sharp image of the borders. You achieve that placing the condenser lens in the proper position. 

Image the filament in the front focal plane of the condenser lens.  You  can obtain  this by placing  a piece of upper  in  the back  focal plane of  the objective lens. A clear image of the filament should be obtained there.   

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MicroRef:   

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oscope illumi http://www.o

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ination systemolympusmicro

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m    o.com/primer/

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/anatomy/koh

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hler.html 

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 Ref:    

    

 

 

http://snydeer.ucalgary.caa/imaging/syystem/files/22011All+Wideefield+Protoccols.pdf  

 

 

 

   

 

 

  

  

 http:/ ‐‐‐‐‐‐‐‐

             

//snyder.ucal

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gary.ca/imag

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ging/system/f

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files/2011All+

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+Widefield+Pr

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rotocols.pdf  

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 V. REFERENCES C.  Hammond,  "Symmetrical  Ray  Diagrams  of  the  Optical  Pathways  in  Light Microscopes" The Americas Microscopy and Analysis, Sept Issue, p. 5‐8 (2006).  The article considers infinity corrected optics  C.  Hammond,  “A  symmetrical  representation  of  the  geometrical  optics  of  the light microscope,” Journal of Microscopy. 192, 63–68 (1998).  Shinya Inoue, K. R. Spring, “Video Microscopy, the Fundamentals” 2nd Ed. Plenum Press (1997).  

 

Backup figure

A1

f1 f1

Field diaphragm

(back focal plane of lamp collector lens)

Lamp collector

Filament

Filament’s image

Condenser lens

Aperture diaphragm (or substage diaphragm) (In the front focal plane of the

condenser lens)

Object

fcond fcond

Objective back-focal

plane

Objective lens

fobj fobj

Eyepiece

fe fe

Exit pupil

First mage plane (front focal plane of

the eyepiece)

A2 A3 A4 F1 F2 F3 F4

Image on the user’s retina

Backup figure

A1

f1 f1

Field diaphragm

(back focal plane of lamp collector lens)

Lamp collector

Filament

Filament’s image

Condenser lens

Aperture diaphragm (or substage diaphragm) (In the front focal plane of the

condenser lens)

Object

fcond fcond

Objective back-focal

plane

Objective lens

fobj fobj

Eyepiece

fe fe

Exit pupil

First mage plane (front focal plane of

the eyepiece)

A2 A3 A4 F1 F2 F3 F4

Image on the user’s retina