環形光照明器和用於環形光照明器的光束成形器的製作方法
2023-05-23 00:16:31 4
專利名稱：環形光照明器和用於環形光照明器的光束成形器的製作方法
技術領域：
本發明涉及環形光照明器。本發明還涉及光束成形器。
背景技術：
在許多光學檢測或成像作業中需要對將要檢測或成像的區域進行清晰的照明。對於許多這樣的照明目的使用環形光，例如在顯微鏡的使用中，這些環形光是提供暗場照明的公知手段。在這種應用中，理想的是將照明的區域限制為感興趣的區域，並且在感興趣的區域內具有均勻的光分布。可能的光源例如為弧光燈、LED (發光二極體)、雷射二極體和齒光燈泡。雖然弧光燈通常提供比LED更高的光強，但它們也比LED呈現更強的強度波動和更短的壽命；因此，通常LED是較佳的光源選擇。因為來自典型LED的光被發射到LED周圍的半球中，所以需要光學元件將儘可能多的來自一個或多個LED的發射光引導到感興趣的區域中，即，進入將要照明的區域中。歐洲專利申請EP 191900IAl涉及用於產品檢測的點光設備，其中將LED用作光源。為了使光跨特定區域的分布變得均勻，使來自LED的光通過棒透鏡。通過聚光透鏡將來自LED的光引入棒透鏡。為了保證棒透鏡和聚光透鏡的適當對準，也為了減少在組裝光學系統期間將要處理的各個部件的數量，棒透鏡和聚光透鏡作為光學單元的部分提供，棒透鏡構成透光部分，而聚光透鏡構成聚光部分。為了將來自光源的光引導至透光部分，聚光部分將折射和反射進行了組合。歐洲專利申請EP 2177816A2揭示了一種光源陣列，具體為LED光源陣列，該光源陣列的光被引導至成形為棒的光積分器。該光積分器基於在該積分器內光的反射使光均勻並限制光。光積分器可以是具有反射內表面的中空管或光學透明材料的實心棒，其中在該光積分器內的光的反射歸因於全內反射。光積分器的橫截面可以是圓形的、多邊形的或不規則的。還可在光積分器的下遊設置其他的光學元件。對於每個光源可以對應有光學元件，用於控制和引導來自該光源的光。為了影響從光積分器出射的光的發散，光積分器可以是錐形的。歐洲專利申請EP 1150154A1揭示了一種照明系統，具體為用於顯微鏡的照明系統，其中多個光源(優選為LED)設置在環狀的載體中。這些LED可以單獨或成組地進行控制，並呈現小的發射角。德國專利申請DE 2852203揭示了一種用於顯微鏡的照明設置，其中來自光源的光沿著光纖引導，且在光纖的各端從該光纖出射，其中這些端以環狀的方式排列。在德國專利申請DE 4016264中揭示了比如基於光纖的另一種環形照明系統。
基於光纖的環形照明系統的問題是從光纖出射的光的大散射。同樣地，LED的環狀排列趨於產生相當不均勻的照明場，且即使這種LED與現有技術的聚光透鏡組合使用，某些應用所需要的照明場的均勻程度也是無法實現的。對於環形光，最大光強是非常重要的設計參數，因為這些環形光本質上是「暗場」照明，其中散射光經常為觀測對象。與弧光燈(用於正常顯微鏡觀察的明亮照明的標準)相t匕，LED的主要劣勢是，它們通常更暗。經常是這樣的情況，基於LED的系統在所觀測對象處沒有提供足夠的光強，且應該在設計中對於該情況給予極大的考慮以使在圖像處可能的光最大化。使光最大化在機器視覺/檢測中尤為重要，其中積分時間無法任意地延長以增加可用於產生良好曝光圖像的光能。在機器視覺系統中的積分時間的增加會降低圖像的頻率且增加總的檢測時間(圖像時間)。由於檢測機器的值取決於有多少半幀可在固定時間裡被成像，因此在對象處使光最大化是非常重要的特徵
發明內容
本發明的目的是提供一種能夠在要照明區域中產生清晰且均勻的照明場的環形光照明器。附加地，來自環形照明器的光應能有效地聚集並被引導至要照明區域。該目的通過具有多個光源的環形照明器實現，其中對於每個光源對應有光束成形器，該光束成形器包括聚光器，用於聚集來自光源的光；來自光源的光的均勻化裝置；以及成像裝置，用於將均勻化裝置的輸出成像到要照明區域中。本發明的另一個目的是提供一種光束成形器，該光束成形器可容易地進行安裝且不需要使其部件對準。附加地，來自光源的光應能有效地進行聚集，且應可使成像透鏡的截斷損失最小化。該目的通過製造為單體的光束成形器來實現，包括聚光器，用於聚集來自光源的光；均勻化棒，用於對來自光源的光進行均勻化；以及透鏡，用於將均勻化棒的與聚光器相對的端成像到要照明區域中。根據本發明的環形光照明器包括多個以環狀方式排列的光源。在較佳實施例中，每個光源是發光二極體(LED)或LED陣列。根據本發明，對於每個光源對應有光束成形器。光束成形器接收來自光源的光並以在要照明區域中產生照明場的方式將該光引導至要照明區域中，其中照明場具有邊界明確的形狀，且跨該照明場的照明的均勻程度達到足以完成即將進行的檢測或照明作業。光束成形器包括聚光器、均勻化裝置和成像裝置。聚光器的目的是接收來自光源的光並將其引導至均勻化裝置。聚光器優選地以如下的方式進行設計從光源發射的儘可能大比例的光通過聚光器聚集並被引導至均勻化裝置，從而最終可在要照明區域中實現足夠強度的照明場。均勻化裝置的目的是降低跨光束的光強的不均勻性，使得最終跨照明場的光的強度的均勻性達到足夠高的程度。成像裝置的目的是將均勻化裝置的輸出成像到要照明區域中。照明場的大小部分地取決於成像裝置的成像性質。在一個較佳實施例中，均勻化裝置是具有圓形、橢圓形、矩形、正方形、六邊形、八邊形或其他橫截面的棒；本文中的橫截面垂直於光束成形器的光軸。棒具有第一端和第二端，通過該第一端從聚光器接收光，光通過該第二端從棒出射，第二端沿著光軸與第一端相對。棒的第二端通過成像裝置被成像到要照明區域中。以這種方式產生的照明場的形狀由棒的橫截面確定。棒的均勻化功能歸因於來自平行於光軸的棒的側邊的光的反射，通常為多次反射。優選地，棒是實心物件，至少對於要用於照明的光的波長是透明的，且反射為全內反射。或者，棒的側邊可設置有反射塗層，或棒可以是具有反射內壁的中空管。本發明的益處在於，其組合了 TIR透鏡的聚光效率，以及光束成形器的成像透鏡的最小截斷損失。有利的是，棒和聚光器形成了整體單元，且具體地棒和聚光器可製造為單件。這減少了在組裝或維修環形光照明器中需要處理的單個部件的數量，且還消除了在組裝或維修期間適當對準聚光器和棒的需要。更為有利的是，聚光器、棒和成像裝置形成了整體單元且可製造為單件。 在一些實施例中，成像裝置為透鏡。在替換實施例中，均勻化裝置為設置在聚光器上的構造。因為光源的操作產生熱量，有利的是為環形光照明器提供冷卻機構。在各個實施例中，該冷卻機構包括設置在環形光照明器的外表面上的冷卻片，以使該環形光照明器的用於與環境進行熱交換的表面增加。根據本發明的光束成形器(其可用於根據本發明的環形光照明器，但也可用於其他目的)製造為單件，從而消除了在光學系統的組裝期間對光束成形器的多個部件的適當對準的需要。而且，以該方式，需要處理的部件的數量也減少了。光束成形器由對於其將要用於的光波長而言為透明的材料製成。在各個實施例中，這種材料可以比如為塑料材料或玻璃。用於光束成形器的模製材料的一種可能性為丙烯酸，另一種可能性為聚碳酸酯。丙烯酸比聚碳酸酯具有更好的透射性，但較不能耐受升高的溫度。對於不會產生很多餘熱的照明源的應用場合，丙烯酸應該是可行的。丙烯酸中的透射損失大約為每毫米O. 25%，這導致在光束成形器具有67_總長度的情況下有15%的損失。根據本發明的光束成形器包括聚光器，其被配置為聚集來自與該光束成形器一起使用的光源的光。該光束成形器還包括沿著光束成形器的光軸定向的均勻化棒。聚光器布置成將其聚集的光通過棒的第一端引導至棒中。通過來自棒側邊的光的反射，通常是多次反射，棒對通過其的光的均勻性起作用。該反射為全內反射。光束成形器進一步包括透鏡，其將與第一端相對的棒的第二端成像到要照明區域中。各個實施例中的垂直於光束成形器光軸的棒的橫截面可以是圓形、橢圓形、三角形、正方形、矩形、六邊形、八邊形或任何其他形狀。本發明可在顯微鏡中實現，該顯微鏡保證用顯微鏡檢測的區域(特別是暗場類型)的清晰照明。顯微鏡包括至少一個如上所述的根據本發明的環形光照明器。用於該至少一個環形光照明器的光束成形器可以是如上所述的根據本發明的整體件類型，或者也可以包括以超過一個部件進行設置的聚光器、均勻化裝置和成像裝置。
現在在以下結合附圖對本發明的詳細描述中，將更加全面地描述本發明的特性和操作模式，其中圖Ia示出具有環狀排列的光纖端的現有技術的環形光照明器；圖Ib示出具有環狀排列的光源的現有技術的環形光照明器；圖2示出用如圖Ib所示的現有技術的環形光照明器可實現的強度分布；圖3示出TIR透鏡和光線以及由其在表面上產生的強度分布；圖4示出非球面聚光透鏡和光線以及由其在表面上產生的強度分布；
圖5示出複合透鏡和光線以及由其在表面上產生的強度分布；圖6示出根據本發明的光束成形器和光線；圖7示出由圖6的光束成形器在表面上產生的強度分布；圖8示出用根據本發明的環形光照明器可實現的強度分布；圖9是根據本發明的光束成形器的透視圖。圖IOa是聚光器和均勻化棒的透視圖；圖IOb是圖IOa的聚光器和均勻化棒的另一透視圖；圖11示出被引入具有均勻化棒的聚光器中的腔內的光源；圖12是聚光器中的腔的俯視圖；以及圖13是多個光束成形器排列成環形以構成根據本發明的環形照明器的可能實現的實施例。
具體實施例方式貫穿各附圖，相同附圖標記表示相同的元件。此外，在附圖中只示出對於描述各個附圖為必需的附圖標記。所示出的實施例僅表示如何實現本發明的例子。這不應被視為對本發明的限制。圖Ia示出現有技術的環形光照明器10的設置。弧光燈12被用作光源；來自弧光燈12的光通過合適的光學元件13 (在附圖中只示出一個這樣的元件)耦合進多個光纖11。光纖11的端部14環狀地排列在環形光照明器10的環形載體17中，其排列的方式使得光纖11的端部14將來自弧光燈12的光發射至被載體17包圍的要照明區域15。如錐體16所指示地，從端部14發射具有相當大發散的光，該相當大發散意味著對於許多精密應用場合來說都太大的發散。圖Ib示出現有技術環形照明器20的另一種設置。在環狀載體27中，多個光源22以環狀方式排列。光源22向要照明區域15發射光。光源是LED，其通常設置有成形光學器件(未示出)，以將從LED發射的光聚集到預定方向的周圍。如錐體26所指示地，儘管有成形光學器件，但來自單個光源的光仍然呈現對於許多精密應用場合來說都太大的發散。根據本發明的環形光照明器與所示出的現有技術的環形光照明器具有相同的總體設置；但是，現有技術的成形光學器件用具有以下所述配置的根據本發明的光束成形器替代。圖2示出可用在圖Ib所示背景中描述的環形照明器20實現的強度分布1，該環形照明器20包括具有TIR透鏡(見圖3)作為成形光學器件的八個光源。照明圖案相當發散。所示圖像的中央區域僅僅比錐體26之一所照明的區域稍微亮一些，這表示，相當大量的強度被引導至圖像中所示區域的中央區域外的區域，而不是引導至要照明的中央區域15。可用如圖Ia所示背景中描述的環形照明器10實現的強度分布是類似的。圖3示出TIR (全內反射)透鏡23。來自光源22 (此處為LED)的由光線100指示的光被TIR透鏡23捕獲並被引導至斑點110。引導光根據兩個原理實現佔據TIR透鏡23的中央部分的折射透鏡部分24通過折射將光線100引導至斑點110。未碰撞折射透鏡部分24但被TIR透鏡23捕獲的光線100通過全內反射從TIR透鏡23的側表面被引導至斑點110。圖3中還示出的是在垂直於 TIR透鏡23的光軸19的表面上斑點110的強度分布2。由TIR透鏡23產生的強度分布2大致是高斯分布，從而在斑點110的中央有最大的強度，但在強度變小的中央周圍同樣有寬的區域，即，斑點110沒有清晰界定的邊緣。此處所描述的TIR透鏡23可被用作如在圖Ib所示背景中描述的現有技術的環形照明器20的成形光學器件。無清晰界定邊緣的斑點110的強度分布2是由八個這樣的光源22和TIR透鏡23的組合的協作產生的強度分布I相當發散的原因，如圖2所明顯示出的。圖4示出非球面聚光透鏡33和光線100。作為光源，在本附圖中示意性地示出了LED的發射器32。非球面聚光透鏡33捕獲來自光源的光並將其引導至斑點110上。圖4中還示出的是在垂直於聚光透鏡33的光軸19的表面上斑點110的強度分布3，其為LED光發射器32的圖像。如這種情況般地直接成像LED發射器32帶來了斑點110照明的高不均勻性的風險。因此，在要由圖Ib中所示類型的環形光照明器20(具有LED作為光源且具有非球面聚光透鏡33作為成形光學器件)照明的區域中產生的強度分布的均勻性無法保證對精密應用而言是足夠的。此外，通常如圖4中所示的非球面聚光透鏡33的聚光效率低於如圖3中所示的TIR透鏡23的聚光效率。圖5示出複合透鏡40，其包含半球透鏡41和中繼透鏡43，半球透鏡41用以聚集來自光源42的由光線100指示的光，中繼透鏡43將光引導至斑點110上。圖5中還示出的是在垂直於複合透鏡40的光軸19的表面上斑點110的強度分布4，其為面對光源42的半球透鏡41的平坦後表面的圖像。這種設置具有比圖3中所述的TIR透鏡23低的聚光效率，且不與封裝的LED兼容，這在組裝像圖Ib的環形光照明器20那樣的光學系統中是一劣勢。圖6示出光束成形器50，其包括聚光器60、均勻化棒70、錐體部分52和透鏡80。在聚光器60中插入光源(未示出)，且該光源發射如光線100所指示的光。聚光器60聚集來自光源的光並將其通過均勻化棒70的第一端71引導入均勻化棒70。在均勻化棒70中，通過來自均勻化棒側表面73的反射，通常是多次反射，對光進行均勻化。光束成形器50用對於該光束成形器將要被一起使用的光的波長為透明的材料(像比如塑料材料或玻璃)製造為單體，且來自側表面73的反射為全內反射。光通過均勻化棒70的第二端72從均勻化棒70出射，並進入錐體部分52。從那裡，光到達透鏡80，透鏡80將光引導到斑點110上。斑點110的強度分布為均勻化棒70的第二端72的圖像。錐體部分52的目的是在均勻化棒70的第二端72和透鏡80之間建立固定的距離。因為光束成形器50被製造為單體，所以在光學系統的組裝期間不需要對各個部件(即，聚光器60、均勻化棒70和透鏡80)進行對準。這簡化了光束成形器50的處理以及像例如圖Ib中所示類型的環形光照明器20的光學系統的組裝。然而，與現有技術相反，將剛剛討論的光束成形器50而不是TIR透鏡用作根據本發明的環形光照明器實施例中的成形光學器件。光束成形器50當然還可以用於其他的照明作業，而並不局限於環形光照明。 圖7示出了在垂直於光束成形器50的光軸19的表面上的由圖6的光束成形器50產生的斑點Iio的強度分布5。斑點110的形狀由均勻化棒70的橫截面確定，更精確地由在第二端72處的均勻化棒70的橫截面確定。在所示的實施例中，該橫截面具有八邊形的形狀。如已經提到的，橫截面的不同形狀也是可能的。應該注意的是，斑點110呈現清晰界定的邊緣，且由於均勻化棒70的作用，跨斑點110的照明強度即使對於精密應用也足夠均勻了。圖8示出了可用根據本發明的環形照明器實現的強度分布6，其在該附圖所涉及的實施例中包括八個在圖6所示背景中描述類型的光束成形器50作為成形光學器件。該附圖應該與附圖2作比較。由於由光束成形器50產生的光束有清晰界定的邊緣，這導致圖7中所示的斑點110有清晰界定的邊緣，所以在圖8中，要照明區域15明顯比其周圍更亮。圖9示出如已在圖6中示出的根據本發明的光束成形器50的透視圖。此處，示出 從透鏡80出射的光線100。這種光束成形器50的配置已在圖6所示背景中進行了討論。聚光器60呈現腔61，光源(未示出)將被引入該腔61。聚光器60的總體配置對應於如圖3中所示的TIR透鏡23的配置。用於成像的透鏡80的直徑82調節排列在環形照明器20中的光束成形器50的數量。透鏡80具有出射表面84，該出射表面84將通過均勻化棒70的第二端72從均勻化棒70出射的光成像到斑點110上。推薦透鏡80的出射表面84為非球面的。圖IOa和IOb是聚光器60以及用於根據本發明的環形光照明器的成形光學器件(其可由幾個部件組成)的透視圖，聚光器60作為用於如圖6和9中所示的根據本發明的光束成形器50。只示出附連於聚光器60的均勻化棒70的一部分。此處的棒70具有六邊形的橫截面，且聚光器60的形狀適合於棒70的橫截面，還在與棒70的第一端71相鄰的截面呈現出六邊形的橫截面。圖IOb清楚地示出了聚光器60的腔61，光源(未示出)(通常為LED)將被插入該腔61。圖11不出了聚光器60以及均勻化棒70的一部分的截面圖。LED 62被引入聚光器60的腔61中。與圖3的TIR透鏡23類似，聚光器60呈現折射透鏡部分64，其將發射的光聚集到光軸66周圍的中央區域中。該區域的橫截面由折射透鏡部分64的形狀和大小確定。由LED發射到中央區域外側區域中的光通過來自聚光器60的側表面65的全內反射被引導至均勻化棒70中。圖12是聚光器60中的腔61的俯視圖，像LED 62那樣的光源將被插入該腔61。腔61和折射透鏡部分64具有六邊形的橫截面。圖13是多個光束成形器50排列成環形以形成根據本發明的環形照明器20的可能實現的實施例。排列在環形照明器20中的多個光束成形器50為要照明區域15提供了均勻的照明。透鏡80的直徑82 (見圖9)調節排列在環形照明器20中的光束成形器50的數量。在本文所示的實施例中，透鏡80的直徑82是30mm，這導致有大約24個光束成形器50排列在環形照明器20中。已經參考了具體實施例描述了本發明。然而，對於本領域技術人員來說，顯而易見地，可以在不背離所附權利要求書的範圍的情況下作出替換和修改。附圖標記
I, 6強度分布2，3，4，5 強度分布10, 20環形光照明器11光纖12弧光燈13光學元件14光纖的端部15要照明區域 16，26光錐17，27載體19，66光軸22,42光源23TIR 透鏡24，64折射透鏡部分25，65側表面32LED 發射器33非球面聚光透鏡40複合透鏡41半球透鏡43中繼透鏡50光束成形器52錐體部分60聚光器61腔62LED70均勻化棒71均勻化棒的第一端72均勻化棒的第二端73均勻化棒的側表面80透鏡82透鏡的直徑84出射表面100光線110斑點
權利要求
1.一種環形光照明器，包括 多個環狀排列的光源； 指派給每個光源的光束成形器； 聚光器，用於聚集來自每個光源的光； 所述聚光器之後的來自每個光源的光的均勻化裝置；以及 成像裝置，用於將所述均勻化裝置的輸出成像到要照明區域中。
2.如權利要求I所述的環形光照明器，其特徵在於，所述均勻化裝置為棒。
3.如權利要求2所述的環形光照明器，其特徵在於，所述棒和所述聚光器一起形成一單體單元。
4.如權利要求2所述的環形光照明器，其特徵在於，所述棒、所述聚光器和所述成像裝置一起形成一單體單元。
5.如權利要求2所述的環形光照明器，其特徵在於，所述棒的均勻化功能基於該棒內光的全內反射。
6.如權利要求I所述的環形光照明器，其特徵在於，所述成像裝置為成像透鏡。
7.如權利要求6所述的環形光照明器，其特徵在於，所述成像裝置具有非球面出射表面。
8.如權利要求I所述的環形光照明器，其特徵在於，所述均勻化裝置為設置在所述聚光器上的構造。
9.如權利要求I所述的環形光照明器，其特徵在於，每個光源包括至少一個發光二極體(LED)。
10.如權利要求I所述的環形光照明器，其特徵在於，所述環形光照明器呈現多個冷卻片。
11.一種光束成形器，包括 聚光器，用於聚集來自光源的光； 均勻化棒，用於對來自所述光源的光進行均勻化；以及 透鏡，用於將所述均勻化棒的與所述聚光器相對的端成像到要照明區域中，其中所述聚光器、所述均勻化棒和所述用於成像的透鏡製造為單體。
12.如權利要求11所述的光束成形器，其特徵在於，所述光束成形器用塑料材料鑄模。
13.如權利要求11所述的光束成形器，其特徵在於，所述光束成形器由玻璃製成。
14.如權利要求11所述的光束成形器，其特徵在於，所述用於成像的透鏡具有非球面出射表面，用於將所述均勻化棒成像到要照明區域上。
全文摘要
本發明揭示了一種具有環狀排列光源的環形光照明器。對於每個光源對應有光束成形器，該光束成形器包括聚光器、來自光源的光的均勻化裝置以及用於將均勻化裝置的輸出成像到要照明區域上的成像裝置。各個實施例中的均勻化裝置為將來自聚光器的光引導至其中的棒。與聚光器相對的棒的端部通過成像裝置被成像到要照明區域中。
文檔編號F21V5/00GK102859265SQ201180021092
公開日2013年1月2日 申請日期2011年4月28日 優先權日2010年4月28日
發明者A·希爾 申請人:克拉-坦科股份有限公司