專利名稱：環(huán)形燈照明器、射束成形器及用于照明的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)形燈照明器。本發(fā)明還涉及射束成形器。本發(fā)明還涉及用于照明的方法。
背景技術(shù)：
在許多光學(xué)檢查或成像作業(yè)中，需要對待檢查或成像的區(qū)域進(jìn)行清晰地照明。對于許多這樣的照明目的來說，在例如顯微鏡檢查中使用環(huán)形燈，環(huán)形燈是提供暗視野照明的常用裝置。在這些應(yīng)用場合中，希望將被照明的區(qū)域限制于所期望的區(qū)域，并且在所期望的區(qū)域內(nèi)具有均勻的光分布?？赡艿墓庠蠢缡腔」鉄?、LED (發(fā)光二極管)、激光二極管以及鹵素?zé)襞?。雖然弧光燈通常比LED提供更高的光強(qiáng)度，然而這些弧光燈也比LED具有更大的強(qiáng)度漲落以及較短的壽命；因此通常LED是較佳的光源選擇。在將來自典型LED的光發(fā)射到LED周圍的半球區(qū)域中時，需要光學(xué)元件將從ー個或多個LED發(fā)出的光盡可能地引到所期望的區(qū)域中、即弓I到待照明的區(qū)域中。歐洲專利申請EP I 919 001 Al涉及ー種用于產(chǎn)品檢驗的聚光燈裝置，其中LED用作光源。為了使光在整個特定區(qū)域上均勻地分布，使來自LED的光穿過棒狀透鏡。來自LED的光通過聚光透鏡被引入棒狀透鏡中。為了確保棒狀透鏡和聚光透鏡適當(dāng)對準(zhǔn)，并且此外為了減少在光學(xué)系統(tǒng)組裝過程中需處理的各個部件的數(shù)量，將棒狀透鏡和聚光透鏡設(shè)置成光學(xué)単元的各個部段，即棒狀透鏡構(gòu)成發(fā)光部段，而聚光透鏡構(gòu)成聚光部段。聚光部段將折射和反射組合起來，以將來自光源的光引到發(fā)光部段中。歐洲專利申請EP 2 177 816 A2披露了ー種光源陣列、尤其是LED陣列，該光源陣列的光被引到呈棒狀的光學(xué)積分器中?；诠庠诜e分器內(nèi)的反射，該光學(xué)積分器對光進(jìn)行均勻化和限制。光學(xué)積分器可以是具有反射內(nèi)表面的中空管件或者具有透光材料的實心棒，其中光在光學(xué)積分器內(nèi)的反射是由于全內(nèi)反射而產(chǎn)生。光學(xué)積分器的橫截面可以是圓形的、多邊形的或者不規(guī)則的。又ー些光學(xué)元件可設(shè)置在光學(xué)積分器下游。對于每個光源來說，對應(yīng)有用于控制和引導(dǎo)來自光源的光的光學(xué)元件。光學(xué)積分器可以是錐形的，以影響從光學(xué)積分器發(fā)出光的發(fā)散。歐洲專利申請EP I 150 154 Al披露了ー種照明系統(tǒng)、尤其是用于顯微鏡檢查的照明系統(tǒng)，其中多個光源、較佳的是LED設(shè)置在環(huán)形載體中。LED能単獨地或成組地控制，并且具有較小的發(fā)射角。德國專利申請DE 28 52 203披露了一種用于顯微鏡檢查的照明裝置，其中來自光源的光沿著光纖被引導(dǎo)，并且在光纖的對應(yīng)端部處離開光纖，其中這些對應(yīng)端部以環(huán)形方式設(shè)置。又一種基于光纖的環(huán)形照明系統(tǒng)例如在德國專利申請DE 40 16 264進(jìn)行了披露?；诠饫w的環(huán)形照明系統(tǒng)的問題在于離開光纖的光具有較大的發(fā)散。類似地，LED的環(huán)形結(jié)構(gòu)趨于產(chǎn)生相當(dāng)不均勻的照明區(qū)域，并且即使LED結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)的聚光透鏡使用，仍無法實現(xiàn)ー些應(yīng)用場合所需的照明區(qū)域均勻度。最大光強(qiáng)度對于環(huán)形燈是極為重要的設(shè)計參數(shù)，因為環(huán)形燈固有地是“暗視野”照明，其中發(fā)散的光通常是觀測目標(biāo)。LED與弧光燈(用于正常顯微鏡觀察的明亮照明標(biāo)準(zhǔn))相比主要缺點在于LED通常較暗?；贚ED的系統(tǒng)通常沒有在所觀察的目標(biāo)處合適的光強(qiáng)度，并且，應(yīng)極為謹(jǐn)慎地進(jìn)行設(shè)計，以使圖象處的可能光照最強(qiáng)。使光照最強(qiáng)對于機(jī)器視覺/檢查尤為重要，其中積分時間無法任意延長來増大能夠獲得以產(chǎn)生良好曝光圖象的光能。延長機(jī)器視覺系統(tǒng)中的積分時間會減小成像頻率并且延長總的檢查時間(成像時間)。由于檢查機(jī)器的數(shù)值取決于在固定時間能對多少區(qū)域進(jìn)行成像，因此使目標(biāo)處的光照最強(qiáng)是極為重要的特征。 采用環(huán)形燈，待照明的區(qū)域通常在斜角下照明。來自環(huán)形燈中的各個光源的光束照射在待照明的表面上，使得相對應(yīng)光束的表面法線和中心軸線之間的角度不是零也不是90°。待照明表面上相對應(yīng)光束的橫截面大于沿著表面法線的表面照明情形中相對應(yīng)光束的橫截面。因此，對于環(huán)形燈中的光束來說，光束強(qiáng)度與沿著表面法線照明相比分布在表面上的較大區(qū)域上。因此，有效地減小表面上可獲得的光束強(qiáng)度。從最大光強(qiáng)度的上述目的的角度出發(fā)，這是不利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種環(huán)形燈照明器，該環(huán)形燈照明器能夠在表面上的待照明區(qū)域中產(chǎn)生良好限定且均勻的照明域。此外，盡管存在傾斜的照明角，來自環(huán)形燈照明器的光源的光應(yīng)有效地聚集并被引向待照明的區(qū)域。通過ー種用于對表面上區(qū)域進(jìn)行照明的環(huán)形燈照明器來實現(xiàn)該目的，該環(huán)形燈照明器包括 多個環(huán)形設(shè)置的光源； 聚光器，該聚光器分配給每個光源并且包圍對應(yīng)光源的發(fā)光表面；以及 歪像系統(tǒng)(anamorphic system),該歪像系統(tǒng)設(shè)置在姆個聚光器的光軸中，構(gòu)造成將光引到待照明的區(qū)域中。本發(fā)明的又一目的是提供一種射束成形器，該射束成形器有效地聚集來自光源的光井且允許在斜角下將光引到待照明的表面上，而不會產(chǎn)生由于斜角入射而導(dǎo)致的表面可獲得光強(qiáng)度減小。在待照明表面上產(chǎn)生的照明域也應(yīng)具有較高的均勻度。 通過射束成形器來實現(xiàn)該目的，該射束成形器包括 聚光器，該聚光器構(gòu)造成包圍光源的發(fā)光表面； 均化棒，該均化棒構(gòu)造成對從聚光器接收的光進(jìn)行均化；以及 歪像系統(tǒng)，該歪像系統(tǒng)用于將均化棒的與聚光器相対的端部成像到待照明區(qū)域中。本發(fā)明的又一目的是提供一種射束成形器，該射束成形器有效地聚集來自光源的光井且允許在斜角下將光引到待照明的表面上，而不會產(chǎn)生由于斜角入射而導(dǎo)致的表面處可獲得光強(qiáng)度減小。此外，射束成形器應(yīng)具有緊湊的設(shè)計。通過射束成形器來實現(xiàn)該目的，該射束成形器包括 聚光器，該聚光器構(gòu)造成包圍光源的發(fā)光表面；以及 歪像光學(xué)系統(tǒng)，該歪像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置在聚光器的光軸上，并且構(gòu)造成接收來自光源的光并將光引到待照明的區(qū)域上。根據(jù)本發(fā)明的環(huán)形燈照明器包括以環(huán)形方式設(shè)置的多個光源。在較佳實施例中，每個光源是發(fā)光二極管(LED)或LED陣列。根據(jù)本發(fā)明，每個光源分配有聚光器。聚光器構(gòu)造成包圍相對應(yīng)光源的發(fā)光表面。由于此種構(gòu)造，從光源的發(fā)光表面發(fā)出的光到達(dá)聚光器并且由聚光器聚集。此外，根據(jù)本發(fā)明，在聚光器的光軸中設(shè)有歪像系統(tǒng)。由聚光器聚集的光到達(dá)歪像系統(tǒng)，該歪像系統(tǒng)將光作為射束引到表面上的待照明區(qū)域中。光束在斜角下 照射到該表面上。歪像系統(tǒng)將射束成形為使得射束在表面上產(chǎn)生的截面落在表面上的待照明區(qū)域內(nèi)。除了射束由歪像系統(tǒng)進(jìn)行歪像整形以外，各實施例中的歪像系統(tǒng)可執(zhí)行附加的光聚焦或透鏡化功能。在特定的實施例中，這可通過為環(huán)形透鏡或圓柱形透鏡的歪像系統(tǒng)來實現(xiàn)，該歪像系統(tǒng)成形為除了純粹的歪像功能以外，實現(xiàn)對分別穿過環(huán)形透鏡或圓柱形透鏡的光束進(jìn)行附加的聚焦。在不同的實施例中，該歪像系統(tǒng)具有第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件，該第一光學(xué)元件具有光聚焦功能，而該第二光學(xué)元件執(zhí)行歪像射束整形。在特定的實施例中，第二光學(xué)元件可以分別是環(huán)形透鏡或圓柱形透鏡，該環(huán)形透鏡或圓柱形透鏡成形為使得穿過第二光學(xué)元件的光束不會經(jīng)受附加的聚焦。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，歪像系統(tǒng)能包括多個光學(xué)元件。例如，作為對單個環(huán)形透鏡或圓柱形透鏡的替代，歪像系統(tǒng)可包括多個透鏡的組件，這些透鏡一起執(zhí)行歪像射束整形以及可選的附加光束聚焦。歪像射束整形大體是指將射束截面變形為，使射束截面沿垂直于射束光軸的第一方向的直徑或?qū)挾葴p小或擴(kuò)大，而射束沿垂直于射束光軸的第二方向的寬度或直徑保持不變。關(guān)于環(huán)形燈照明器，尤其是涉及射束沿第一方向的寬度或直徑的減小。由于光束在表面上的斜角入射，如環(huán)形燈照明器的情形那樣，射束在表面上的截面中沿著如下方向的直徑擴(kuò)大，即，由該表面與包括射束光軸和表面法線的平面之間的相交部所限定的表面中的方向。歪像系統(tǒng)對準(zhǔn)成，使得射束沿完全或至少部分地垂直于射束光軸的第一方向的直徑或?qū)挾妊a(bǔ)償射束在表面上的截面直徑的擴(kuò)大。射束在表面上的截面還取決于射束的發(fā)散度，較佳的是，將射束的發(fā)散度考慮到歪像系統(tǒng)的構(gòu)造中，從而能實現(xiàn)對于射束在表面上截面的直徑擴(kuò)大進(jìn)行所需的補(bǔ)償。在平行射束、即具有平行光線的射束(看起來既不收聚也不發(fā)散)的情形中，射束在表面上沿著垂直于光軸的第一方向的直徑需乘以射束光軸和表面法線之間角度的余弦而減小至所需的直徑。在有利的實施例中，對于每個聚光器對應(yīng)有均化裝置。均化裝置的目的在于降低整個光束的光強(qiáng)度不均勻性，使得在相對應(yīng)光束的直徑上的整個光強(qiáng)度最終以充分高的程度被均化。在本文中，充分的精確含義通過環(huán)形燈照明器所用于的相應(yīng)照明人物的具體需求來限定。在一較佳實施例中，均化裝置是具有圓形、橢圓形、矩形、方形、六邊形、八邊形或其它截面形狀的棒；在此，截面垂直于與聚光器的光軸對準(zhǔn)的棒軸線。棒具有第一端和第二端，通過第一端從聚光器接收光，而第二端沿著光軸而與第一端相對且光通過該第二端離開棒。光從棒的第二端到達(dá)歪像系統(tǒng)，并且通過該歪像系統(tǒng)被引到待照明的區(qū)域中。棒的均化功能由于光從棒的平行于光軸的側(cè)部的反射、尤其是多次反射而實現(xiàn)。較佳的是，棒是實心材料件，至少能透過用于照明的光的波長，且反射是全內(nèi)反射?；蛘撸舻膫?cè)部可設(shè)有反射涂層，或棒可以是具有反射內(nèi)壁的中空管。有利的是，棒和聚光器形成一體単元，且尤其可制造成一件。這減少了在組裝或維修環(huán)形燈照明器中需要處理的各個部件的數(shù)量，并且還避免了在組裝或維修過程中使聚光燈和棒適當(dāng)對準(zhǔn)的需求。甚至更有利的是，聚光器、棒以及歪像系統(tǒng)形成一體単元并且可制造成一件。在替代的實施例中，均化裝置是設(shè)置在聚光器上的紋理結(jié)構(gòu)。由于光源的操作會產(chǎn)生熱量，有利的是設(shè)有用于環(huán)形燈照明器的冷卻機(jī)構(gòu)。在各實施例中，該冷卻機(jī)構(gòu)包括散熱片，這些散熱片設(shè)置在環(huán)形燈照明器的外表面上，使得用于與環(huán)形燈照明器的周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換的表面増大。替代的或附加的冷卻方法是利用液體進(jìn)行冷卻。在一特定的實施例中，根據(jù)本發(fā)明的用于對表面上的區(qū)域進(jìn)行照明的環(huán)形燈照明器包括多個環(huán)形設(shè)置的光源。為每個光源分配射束成形器，該射束成形器由塑性材料通過注塑制成一件。在本文中，射束成形器具有聚光部分，該聚光部分包圍ー個光源的發(fā)光表面，其中該聚光部分的功能基于全內(nèi)反射并且基于折射。射束成形器還具有光均化部分，該光均化部分成形為棒并且設(shè)置和構(gòu)造成通過棒的第一端接收來自聚光部分的光。棒的光均化功能基于光在棒內(nèi)的全內(nèi)反射。光通過棒的第二端離開棒，并且到達(dá)射束成形器的歪像部分。歪像部分執(zhí)行透鏡化功能(或光聚焦功能)以及歪像射束整形功能，該歪像部分通過這些功能將棒的第二端成像到表面上的待照明區(qū)域中。棒的第二端的圖象歪像變形，以使圖象由于光以斜角入射到表面上而產(chǎn)生的畸變得以完全或部分補(bǔ)償。對射束成形器進(jìn)行注塑會大大地簡化制造。將射束成形器制成一件便于射束成形器的操作，因為在將射束成形器部署在環(huán)形燈照明器中時無需對單獨的部件進(jìn)行組裝。用于射束成形器的ー種可能注塑材料是丙烯酸，另ー種會是聚碳酸酷。丙烯酸具有比聚碳酸酯更佳的投射能力，但對于承受升高溫度方面能力較低。丙烯酸適用于照明源不會產(chǎn)生大量過熱的應(yīng)用場合。丙烯酸中的投射損失大略是每毫米0.25%，在射束成形器具有67mm總長的情形中，這會產(chǎn)生15%的損失。上文所述的射束成形器并不局限于環(huán)形燈照明器。根據(jù)本發(fā)明的射束成形器包括聚光部分、均化棒以及歪像系統(tǒng)，該聚光部分構(gòu)造成包圍光源的發(fā)光表面，均化棒構(gòu)造成對從聚光器接收的光進(jìn)行均化，而歪像系統(tǒng)用于將均化棒的與聚光器相対的端部成像到待照明的區(qū)域中。均化棒可以是圓形、橢圓形、矩形、方形、六邊形、八邊形或其它形狀的截面；在此，該截面垂直于與聚光器的光軸對準(zhǔn)的棒軸線。棒具有第一端和第二端，第一端構(gòu)造成接收由聚光器聚集的光，而第二端沿著光軸與第一端相對且通過第一端接收的光通過該第二端離開棒。光從棒的第二端到達(dá)歪像系統(tǒng)，并且通過該歪像系統(tǒng)被引到待照明的區(qū)域中。棒的均化功能由于從棒的平行于光軸的側(cè)部的對光的反射、尤其是多次反射而實現(xiàn)。較佳的是，棒是實心材料件，至少能透過用于照明的光的波長，且該反射是全內(nèi)反射?；蛘?，棒的側(cè)部可設(shè)有反射涂層，或棒可以是具有反射內(nèi)壁的中空管。
在各實施例中，射束成形器可以由塑性材料或玻璃制成，且射束成形器尤其可例如通過注塑制成為一件。丙烯酸或聚碳酸酯再次是注塑材料的可能選擇。在射束成形器的各實施例中，歪像系統(tǒng)除了歪像射束整形功能以外還執(zhí)行光聚焦功能。在特定的實施例中，這可通過為環(huán)形透鏡或圓柱形透鏡的歪像系統(tǒng)來實現(xiàn)，該歪像系統(tǒng)成形為除了純粹的歪像功能以外，實現(xiàn)對分別穿過環(huán)形透鏡或圓柱形透鏡的光束進(jìn)行附加的聚焦。在不同的實施例中，該歪像系統(tǒng)具有第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件，該第一光學(xué)元件具有光聚焦功能，而該第二光學(xué)元件執(zhí)行歪像射束整形。在特定的實施例中，第二光學(xué)元件可以分別是環(huán)形透鏡或圓柱形透鏡，該環(huán)形透鏡或圓柱形透鏡成形為使得穿過第二光學(xué)元件的光束不會經(jīng)受附加的聚焦。在特定的實施例中，射束成形器由塑性材料通過注塑制成一件，并且包括聚光部分、光均化部分以及歪像部分。聚光部分構(gòu)造成包圍光源的發(fā)光表面。聚光部分的功能基于全內(nèi)反射并且基于折射。光均化部分成形為棒。棒設(shè)置并且構(gòu)造成通過棒的第一端接收來自聚光部分的光。棒的光均化功能基于光在棒內(nèi)的全內(nèi)反射。歪像部分構(gòu)造成將與棒第一端相対的棒第二端成像到待照明區(qū)域中，在此執(zhí)行透鏡化功能和歪像射束整形功能。根據(jù)本發(fā)明的另ー射束成形器包括聚光器和歪像系統(tǒng)。聚光器構(gòu)造成包圍光源的發(fā)光表面。該歪像系統(tǒng)設(shè)置在聚光器的光軸上，并且構(gòu)造成接收來自聚光器的光并將光引到待照明的區(qū)域上。該射束成形器可制成一件式。在一實施例中，該歪像系統(tǒng)具有光聚焦功能。較佳的是，該聚光器通過全內(nèi)反射和折射的組合來執(zhí)行其聚光功能。在特定的實施例中，射束成形器由塑性材料通過注塑制成一件，并且包括聚光部分和歪像部分。聚光部分構(gòu)造成包圍光源的發(fā)光表面。在該實施例中，聚光部分的聚光功能基于全內(nèi)反射并且基于折射。歪像部分構(gòu)造成將來自聚光器的光引到待照明區(qū)域中，在此執(zhí)行透鏡化功能和歪像射束整形功能。在根據(jù)本發(fā)明的用于對表面上的區(qū)域進(jìn)行均勻照明的方法中，多個光源繞待照明的區(qū)域并且離該表面一定距離以環(huán)形方式設(shè)置。由每個光源發(fā)出的光被射束成形器聚集成具有預(yù)定截面的相應(yīng)射束。在此，射束成形器的光軸在與該表面成斜角的情形下被引向該表面。射束沿著射束成形器的光軸由此在與該表面成斜角的情形下被弓I到待照明的區(qū)域中。此種斜角入射致使射束在表面上的截面區(qū)域相對于射束的截面變形。因此，在將每個射束引到待照明表面中之前,對該射束的截面進(jìn)行歪像變形，以使得該射束在表面上的截面區(qū)域的變形得以補(bǔ)償，或者換言之，使得射束在表面上的截面區(qū)域由于斜角入射而產(chǎn)生的變形與射束截面的歪像變形抵消。


現(xiàn)在將在利用附圖得到的本發(fā)明以下詳細(xì)描述中更完整地描述本發(fā)明的操作的本質(zhì)和模式，其中圖1a示出具有環(huán)形設(shè)置的光纖端部的現(xiàn)有技術(shù)環(huán)形燈照明器；圖1b示出具有環(huán)形設(shè)置的光源的現(xiàn)有技術(shù)環(huán)形燈照明器；圖2是圖1b中示出的現(xiàn)有技術(shù)環(huán)形燈照明器可實現(xiàn)的強(qiáng)度分布；圖3示出TIR透鏡和光線以及由其在表面上產(chǎn)生的強(qiáng)度分布；
圖4是設(shè)置在待照明表面上的環(huán)形燈照明器的示意圖。圖5示出在表面上的射束截面由于傾斜照明角而產(chǎn)生的畸變。圖6a示出在表面于斜角下由光錐照明的情形中的總體幾何圖。圖6b不出圖6a所不光錐的截面,其中該截面垂直于光錐的光軸。圖6c示出光錐在圖6a所示表面上的截面區(qū)域。圖7示出根據(jù)本發(fā)明的射束成形器和光線。圖8a示意地示出由圖7所示射束成形器所產(chǎn)生的光束的截面，其中該截面垂直于射束成形器的光軸。圖8b示意地示出圖8a中描述的光束在表面上的截面區(qū)域,該光束在斜角下照射到該表面上。圖9是根據(jù)本發(fā)明的射束成形器的立體圖；圖1Oa是聚光器和均化棒的立體圖；圖1Ob是圖1Oa所示聚光器和均化棒的另ー立體圖；圖11示出被置于帶均化棒的聚光器中空腔內(nèi)的光源；圖12是聚光器中空腔的俯視圖；圖13是設(shè)置成環(huán)以構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的環(huán)形照明器的多個射束成形器的可能實施方式的實施例。圖14是根據(jù)本發(fā)明的另ー射束成形器的一實施例的示意圖。
具體實施例方式對于各個附圖，相同的附圖標(biāo)記代表相同的元件。此外，在附圖中僅僅示出為了描述相對應(yīng)附圖所需的附圖標(biāo)記。所示出的實施例僅僅代表如何執(zhí)行本發(fā)明的ー些示例。這并不應(yīng)被認(rèn)為對本發(fā)明有所限制。圖1a示出現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)形燈照明器10的構(gòu)造?；」鉄?2用作光源；來自弧光燈12的光通過合適的光學(xué)元件13 (在附圖中僅僅示出一個此種元件)耦合到多根光纖11中。光纖11的端部14呈環(huán)形地設(shè)置在環(huán)形燈照明器11的環(huán)狀載體17中，從而這些光纖能使從弧光燈12發(fā)出的光朝向?qū)⒂奢d體17外切地照明的區(qū)域15發(fā)射。如光錐16所示，光從端部14發(fā)出，具有相當(dāng)大的發(fā)散度，這意味這對于許多精確應(yīng)用場合來說發(fā)散度過大。圖1b示出現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)形燈照明器20的另ー種構(gòu)造。在環(huán)形載體27中，多個光源22以環(huán)形方式設(shè)置。光源22朝向待照明的區(qū)域15發(fā)出光。光源是LED，LED通常設(shè)有整形光學(xué)元件(未示出)，以使從LED發(fā)出的光繞預(yù)定方向聚集。如光錐26所示，盡管具有整形光學(xué)元件，從單個光源發(fā)出的光仍具有對于許多精確應(yīng)用場合來說過大的發(fā)散度。圖2示出利用圖1b中所描述的環(huán)形照明器20可實現(xiàn)的強(qiáng)度分布I，包括將TIR透鏡(參見圖3)作為整形光學(xué)元件的八個光源。照明型式相當(dāng)發(fā)散。所示出圖象的中心區(qū)域僅僅比由其中一個光錐26所照明的區(qū)域稍亮，這表示相當(dāng)大量的光強(qiáng)度朝向圖象所示區(qū)域的偏離中心區(qū)引導(dǎo)，而非朝向待照明的中心區(qū)域15引導(dǎo)。利用圖1a中描述的環(huán)形照明器10可獲得的強(qiáng)度分布具有類似的情形。圖3示出TIR (全內(nèi)反射)透鏡23。由光線100指示的來自光源22 (在此是LED)的光被TIR透鏡23捕獲并且朝向光斑110引導(dǎo)。通過兩個原理來實現(xiàn)對光的引導(dǎo)占據(jù)TIR透鏡23的中心部分的折射透鏡部分24使光線100通過折射而被引導(dǎo)向光斑110。沒有撞擊折射透鏡部分24而是由TIR透鏡23捕獲的光線100通過從TIR透鏡23的側(cè)表面25的全內(nèi)反射而被引導(dǎo)向光斑110。此外，在圖3中示出光斑110在與TIR透鏡23的光軸19垂直的表面上的強(qiáng)度分布2。由TIR透鏡23產(chǎn)生的強(qiáng)度分布2大略呈高斯分布，從而在光斑110的中部處具有最大強(qiáng)度，然而在該中部周圍仍存在強(qiáng)度漸漸減小的較寬區(qū)域，即光斑110不存在被清楚限定的邊緣。本文所描述的TIR透鏡23能用作用于圖1b中所描述現(xiàn)有技術(shù)環(huán)形照明器20的整形光學(xué)元件。不具有清楚限定邊緣的光斑110的強(qiáng)度分布2是為何通過八個此種組合的光源22同TIR透鏡23的協(xié)作產(chǎn)生的強(qiáng)度分布I如圖2所示相當(dāng)發(fā)散的ー個原因。圖4示出環(huán)形燈照明器30在待照明表面31上的典型設(shè)置。該環(huán)形燈照明器30發(fā)出多個光錐36。在附圖中，示出兩個光錐36 ;為了更好地進(jìn)行區(qū)分，利用實線來繪制其中一個光錐36，而利用虛線來繪制另一個光錐36。光錐36以具有直徑38的截面區(qū)域32與表面31相交。直徑38包含在由表面31的法線39與光錐36的光軸35所限定的平面中。待照明的區(qū)域15所具有的直徑37通常小于截面區(qū)域32的直徑38。待照明的區(qū)域15通常包含在截面區(qū)域32中。圖5示出圖4所示截面區(qū)域32的俯視圖。此外還示出待照明的區(qū)域15。待照明的區(qū)域15所具有的直徑37小于截面區(qū)域的直徑38。待照明的區(qū)域15包含在截面區(qū)域32中。由于光錐36 (參見圖4)在表面31 (參見圖4)上的斜角入射，因而與待照明的區(qū)域15相比，截面區(qū)域32沿著直徑38是細(xì)長的。因此，光錐36的光通量分布在截面區(qū)域32上，而該截面區(qū)域32大于待照明的區(qū)域15。因此，與沿著表面的法線39對待照明的區(qū)域15進(jìn)行照明的情形相比，待照明15中的光強(qiáng)度減小。通常，此種強(qiáng)度減小是不期望的。圖6a示出在斜角33下利用光錐36來對表面31進(jìn)行照明的總體幾何圖。照明角33在此定義為由表面31的法線39和光錐36的光軸35所包圍的角。照明角33在此并非是零度，從而對表面31進(jìn)行的照明不是沿著表面31的法線39發(fā)生的。光錐36在截面區(qū)域32中與表面31相交。此外，還示出光錐36與光錐36的光軸35垂直的截面34。在圖6b中示出截面34的俯視圖，而在圖6c中示出截面區(qū)域32的俯視圖。在所示的情形中，截面34是圓形的并且具有直徑D。截面區(qū)域32具有第一直徑38和第二直徑Q，該第二直徑垂直于第一直徑38。本文中，在光軸35與表面31相交的位點處剖取垂直于光軸35的截面34。因此，在該情形中，直徑Q等于直徑D。另ー方面，位于由光軸35和表面法線39所限定的平面中的直徑38與截面34的直徑D相比是拉長的。在所示的示例中，直徑38和D的相對尺寸通過照明角33和光錐36的發(fā)散度來確定。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，不僅對于光錐、即發(fā)散光束會發(fā)生如下情形、而且對于聚集光束和平行光線的光束也會發(fā)生如下情形截面區(qū)域32的直徑38相對于截面34的直徑D延長。如果與光束的光軸35垂直的光束截面34具有不同于圓形的形狀、例如橢圓形、矩形、方向、多邊形或任何其它形狀，則顯然也會發(fā)生此種延長情況。圖7示出根據(jù)ー較佳實施例的射束成形器50，該射束成形器包括聚光部分60、呈棒狀的均化部分70、錐形部段52以及歪像部分80，該歪像部分在此是圓柱形透鏡，執(zhí)行歪像射束整形功能和光聚焦功能。光源(未示出)插在聚光部分60中并且發(fā)出由光線100所指示的光。聚光部分60聚集來自光源的光井且通過均化棒70的第一端71將光引到均化棒70中。均化棒70沿著射束成形器50的光軸19對準(zhǔn)。射束成形器的光軸19與聚光部分60的光軸重合。在均化棒70中，光通過從均化棒70的側(cè)表面73的反射、通常是多次反射來均化。例如由諸如塑性材料或玻璃之類的材料通過注塑將射束成形器50制成一件式，該材料可被光波長適用于射束成形器的光所透射，且從側(cè)表面73的反射是全內(nèi)反射。光通過均化棒70的第二端72離開均化棒70并且進(jìn)入錐形部段52。光從錐形部段到達(dá)歪像部分80，該歪像部分將光引到光斑110上。光斑110的強(qiáng)度分布是均化棒70的第二端72的圖象，并且由于歪像部分80的歪像射束整形功能產(chǎn)生附加的歪像變形。附圖中所示出的光斑110位于垂直于射束成形器50的光軸19的平面中。錐形部段52的目的在于在均化棒70的第二端72和歪像部分80之間建立固定距離。由于將射束成形器50制造成一件式，因此在對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行組裝的過程中，無需將各個部件、即聚光部分60、均化棒70以及歪像部分80對準(zhǔn)。這簡化了對射束成形器50的操縱以及對光學(xué)系統(tǒng)、例如圖1b所示類型的環(huán)形燈照明器20的組裝；與現(xiàn)有技術(shù)相比，僅僅將所描述的射束成形器50而非TIR透鏡用作根據(jù)本發(fā)明環(huán)形燈照明器的各實施例中的整形光學(xué)元件。當(dāng)然，射束成形器50也能用于其它照明目的，而非局限于環(huán)形燈照明。圖8a示意地示出由圖7所示射束成形器50所產(chǎn)生的光束的截面34，其中截面34垂直于射束成形器50的光軸19 (參見圖7)。在沿著表面法線39 (參見圖6a)進(jìn)行照明的情形中，即在射束成形器50的光軸19平行于表面法線39的情形中，該截面34會與光斑110的形狀相對應(yīng)(參見圖7)。由于在圖7所示射束成形器50的實施例中，均化棒70具有呈規(guī)則八邊形的截面，因而截面34在此是八邊形的。光束的截面34的形狀是八邊形的，但并非呈規(guī)則八邊形的形狀。截面的第一直徑Dl小于沿著與第一直徑Dl的方向垂直的方向的第二直徑D2。光束截面34的此種變形是由于歪像部分80的歪像射束整形而產(chǎn)生(見圖7)。圖8b示意地示出圖8a中描述的光束在表面31上的截面區(qū)域32，如圖6所描述的光錐36的情形，光束在斜角33下照射到表面31上。直徑38的方向沿著表面31和一平面之間的相交部，該平面包括光束光軸和表面法線39。在圖8a和Sb所示的情形中，使得截面34的第一直徑Dl的方向也落在該平面內(nèi)。歪像部分80構(gòu)造成使得光束的截面34的第一直徑Dl由于歪像射束整形而產(chǎn)生的減小彌補(bǔ)截面區(qū)域32由于光束在表面31上的斜角33入射而產(chǎn)生的沿著直徑38的方向的延長。在所示的情形中，截面區(qū)域32的垂直于直徑38的直徑Q既不受歪像射束整形又不受斜角入射的影響。對于所示的構(gòu)造而言，截面區(qū)域32的直徑Q與光束的截面34的第二直徑D2相等。圖9示出已在圖7中示出的根據(jù)本發(fā)明的射束成形器50的立體圖。在此，示出離開歪像部分80的光線100。在圖7中已描述了此種射束成形器50的構(gòu)造。聚光部分60具有空腔61，光源(未示出)會被置入到該空腔中。聚光部分60的大體構(gòu)造與圖3所示的TIR透鏡23的構(gòu)造相對應(yīng)，如圖3所示。歪像部分80的直徑82規(guī)定了能設(shè)置在環(huán)形照明器20中的射束成形器50的數(shù)量。圖1Oa和IOb分別是聚光器60或聚光部分60的立體圖，該聚光器或聚光部分用于圖7和9所示根據(jù)本發(fā)明的射束成形器50，以及用作用于根據(jù)本發(fā)明的環(huán)形燈照明器的整形光學(xué)元件，該環(huán)形燈照明器可由若干部件構(gòu)成。圖中僅僅示出附連于聚光器60的均化棒70的一部分。均化棒70在此具有六邊形截面，且聚光器60的形狀與均化棒70的截面相適應(yīng)，同樣在與均化棒70的第一端71相鄰的部段中具有六邊形截面。圖1Ob清楚地示出聚光器60的空腔61，光源(未示出)、通常是LED插入到該空腔中。圖11不出聚光器60和一部分均化棒70的剖視圖。將LED62置于聚光器60的空腔61中。類似于圖3所示TIR透鏡23，聚光器60具有折射透鏡部分64，該折射透鏡部分聚集發(fā)射到聚光器60的光軸66周圍的中心區(qū)域中的光。該區(qū)域的截面通過折射透鏡部分64的形狀和尺寸而確定。由LED發(fā)射到中心區(qū)域外部的區(qū)域的光通過從聚光器60的側(cè)表面65的全內(nèi)反射而被引到均化棒70中。圖12是聚光器60中空腔61的俯視圖，類似于圖11所示LED62的光源被插在該空腔中。空腔61和折射透鏡部分64在此具有六邊形截面。圖13是設(shè)置成環(huán)以形成根據(jù)本發(fā)明的環(huán)形照明器20的多個射束成形器50的可能實施方式的實施例。設(shè)置在環(huán)形照明器20中的多個射束成形器50為待照明的區(qū)域15 提供均勻的照明。歪像部分80的直徑82 (參見圖9)規(guī)定了設(shè)置在環(huán)形照明器20中的射束成形器50的數(shù)量。在此處示出的實施例中，歪像部分80的直徑82是30mm，這使得大約有24個射束成形器50設(shè)置在環(huán)形照明器20中。圖14示出根據(jù)本發(fā)明的另ー射束成形器90的實施例。圖3中描述的TIR透鏡23用作聚光器。在該實施例中，TIR透鏡23構(gòu)造成聚集來自光源22的光并且將光引向歪像系統(tǒng)80，該光源22插入到聚光器或TIR透鏡23的空腔61中且由此被聚光器所封圍。歪像系統(tǒng)80執(zhí)行歪像射束整形功能，并且在特定的實施例中還可執(zhí)行光聚焦功能。在所示的實施例中，歪像系統(tǒng)80是圓柱形透鏡。如圖所示的射束成形器90能用在根據(jù)本發(fā)明的環(huán)形燈照明器中，然而并非局限于該特定的用途。在任何情形中，例如在圖4、5、6a、6b和6c中所描述的，如果來自射束成形器90的射束在斜角下被引到表面上，由歪像系統(tǒng)80執(zhí)行的歪像射束整形能有利地用于補(bǔ)償來自該射束成形器90的光束與該表面的截面區(qū)域的延長?？梢酝ㄟ^在射束成形器90的至少ー個光學(xué)表面上、即在來自光源22的光線100所通過的至少ー個表面上提供紋理結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)對光束的附加均化?？商峁┯糜趯馐M(jìn)行均化的ー個可能表面是表面91。在附圖中，為了簡化起見，僅僅示出來自光源22的兩道光線100，一道光線穿過TIR透鏡23的折射透鏡部分24并由此通過折射而被引到歪像元件80，而另一道光線100照射在TIR透鏡23的側(cè)表面25上并且通過從側(cè)表面25的全內(nèi)反射被引到歪像元件80。由于該實施例的射束成形器90并不如圖7所示射束成形器50那樣具有均化棒70，因此該射束成形器90比之前的射束成形器50具有更緊湊的設(shè)計。已參照特定實施例描述了本發(fā)明。然而，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說顯而易見的是，在不偏離所附權(quán)利要求的范圍和精神的情形下，能進(jìn)行這些替代和修改。附圖標(biāo)記I, 6強(qiáng)度分布2，3，4，5 強(qiáng)度分布10, 20, 30環(huán)形燈照明器11光纖12弧光燈13光學(xué)元件14光纖端部0097]15待照明區(qū)域0098]16，26光錐0099]17，27載體0100]19，66光軸0101]22光源0102]23TIR透鏡0103]24，64折射透鏡部分0104]25，65偵U表面0105]31表面0106]32截面區(qū)域0107]33照明角0108]34截面0109]35光錐的光軸0110]36光錐 0111]37待照明區(qū)域的直徑0112]38截面區(qū)域的直徑0113]39表面法線0114]50射束成形器0115]52錐形部段0116]60聚光器、聚光部分0117]61空腔0118]62LED0119]70均化棒、呈棒狀的均化部分0120]71均化棒的第一端0121]72均化棒的第二端0122]73均化棒的側(cè)表面0123]80歪像系統(tǒng)、歪像部分0124]82歪像系統(tǒng)/歪像部分的直徑0125]90射束成形器0126]91紋理結(jié)構(gòu)的表面0127]100光線0128]110光斑0129]D截面的直徑0130]Dl截面的第一直徑0131]D2截面的第二直徑0132]Q截面區(qū)域的直徑
權(quán)利要求
1.用于對表面上的區(qū)域進(jìn)行照明的環(huán)形燈照明器，包括 多個環(huán)形設(shè)置的光源； 聚光器，所述聚光器被分配給每個光源并且包圍相對應(yīng)光源的發(fā)光表面；以及 歪像系統(tǒng)，所述歪像系統(tǒng)設(shè)置在每個聚光器的光軸中，構(gòu)造成將光引到待照明的區(qū)域中。
2.如權(quán)利要求1所述的環(huán)形燈照明器，其特征在于，所述歪像系統(tǒng)額外地執(zhí)行光聚焦功能。
3.如權(quán)利要求2所述的環(huán)形燈照明器，其特征在于，至少一個歪像系統(tǒng)是環(huán)形透鏡或圓柱形透鏡。
4.如權(quán)利要求1所述的環(huán)形燈照明器，其特征在于，所述歪像系統(tǒng)具有第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件，所述第一光學(xué)元件具有光聚焦功能，而所述第二光學(xué)元件執(zhí)行歪像射束整形。
5.如權(quán)利要求4所述的環(huán)形燈照明器，其特征在于，所述第二光學(xué)元件是環(huán)形透鏡或圓柱形透鏡。
6.如權(quán)利要求1所述的環(huán)形燈照明器，其特征在于，對于每個聚光器對應(yīng)有均化裝置，所述均化裝置用于對來自所述聚光器的光進(jìn)行均化。
7.如權(quán)利要求6所述的環(huán)形燈照明器，其特征在于，所述均化裝置是棒。
8.如權(quán)利要求7所述的環(huán)形燈照明器，其特征在于，所述棒的均化功能基于光在所述棒內(nèi)的全內(nèi)反射。
9.如權(quán)利要求7所述的環(huán)形燈照明器，其特征在于，聚光器和相對應(yīng)的棒形成一件式單元。
10.如權(quán)利要求7所述的環(huán)形燈照明器，其特征在于，聚光器、相對應(yīng)的棒以及相對應(yīng)的歪像系統(tǒng)形成一件式單元。
11.如權(quán)利要求6所述的環(huán)形燈照明器，其特征在于，所述均化裝置是設(shè)置在所述聚光器上的紋理結(jié)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求1所述的環(huán)形燈照明器，其特征在于，每個光源具有至少一個發(fā)光二極管(LED)。
13.如權(quán)利要求1所述的環(huán)形燈照明器，其特征在于，所述環(huán)形燈照明器具有多個散熱片。
14.用于對表面上的區(qū)域進(jìn)行照明的環(huán)形燈照明器，包括 多個環(huán)形設(shè)置的光源；以及 射束成形器，所述射束成形器被分配給每個光源，其中所述射束成形器由塑性材料通過注塑制成一件式，且每個射束成形器包括 聚光部分，所述聚光部分包圍一個光源的發(fā)光表面，其中所述聚光部分的功能基于全內(nèi)反射并且基于折射； 光均化部分，所述光均化部分形成為棒，并且被設(shè)置且構(gòu)造成接收來自所述聚光部分的光，其中所述棒的光均化功能基于光在所述棒內(nèi)的全內(nèi)反射；以及歪像部分，所述歪像部分執(zhí)行透鏡化功能和歪像射束整形功能。
15.射束成形器，包括 聚光器，所述聚光器構(gòu)造成包圍光源的發(fā)光表面； 均化棒，所述均化棒構(gòu)造成對從所述聚光器接收的光進(jìn)行均化；以及 歪像系統(tǒng)，所述歪像系統(tǒng)用于將所述均化棒的與所述聚光器相對的端部成像到待照明區(qū)域中。
16.如權(quán)利要求15所述的射束成形器，其特征在于，所述射束成形器由塑性材料模制。
17.如權(quán)利要求15所述的射束成形器，其特征在于，所述射束成形器由玻璃制成。
18.如權(quán)利要求15所述的射束成形器，其特征在于，所述歪像系統(tǒng)執(zhí)行光聚焦功能。
19.如權(quán)利要求18所述的射束成形器，其特征在于，所述歪像系統(tǒng)是環(huán)形透鏡或圓柱形透鏡。
20.如權(quán)利要求15所述的射束成形器，其特征在于，所述歪像系統(tǒng)具有第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件，所述第一光學(xué)元件具有光聚焦功能，而所述第二光學(xué)元件執(zhí)行歪像射束整形。
21.如權(quán)利要求20所述的射束成形器，其特征在于，所述第二光學(xué)元件是環(huán)形透鏡或圓柱形透鏡。
22.如權(quán)利要求15所述的射束成形器，其特征在于，所述射束成形器被制成一件式。
23.射束成形器，所述射束成形器由塑性材料通過注塑而被制成一件，且所述射束成形器包括 聚光部分，所述聚光部分構(gòu)造成包圍光源的發(fā)光表面，其中所述聚光部分的功能基于全內(nèi)反射并且基于折射； 光均化部分，所述光均化部分形成為棒，并且被設(shè)置且構(gòu)造成接收來自所述聚光部分的光，其中所述棒的光均化功能基于光在所述棒內(nèi)的全內(nèi)反射；以及 歪像部分，所述歪像部分構(gòu)造成將所述均化部分的與所述聚光部分相對的端部成像到待照明區(qū)域中，在此執(zhí)行透鏡化功能和歪像射束整形功能。
24.射束成形器，包括 聚光器，所述聚光器構(gòu)造成包圍光源的發(fā)光表面；以及 歪像系統(tǒng)，所述歪像系統(tǒng)設(shè)置在所述聚光器的光軸上，并且構(gòu)造成接收來自所述聚光器的光并將所述光引到待照明的區(qū)域上。
25.如權(quán)利要求24所述的射束成形器，其特征在于，所述射束成形器被制成一件式。
26.如權(quán)利要求24所述的射束成形器，其特征在于，所述歪像系統(tǒng)具有光聚焦功能。
27.如權(quán)利要求24所述的射束成形器，其特征在于，所述聚光器通過全內(nèi)反射和折射的組合來執(zhí)行其聚光功能。
28.射束成形器，所述射束成形器由塑性材料通過注塑制成一件式，且所述射束成形器包括 聚光部分，所述聚光部分構(gòu)造成包圍一個光源的發(fā)光表面，其中所述聚光部分的功能基于全內(nèi)反射并且基于折射；以及 歪像部分，所述歪像部分設(shè)置在所述聚光部分的光軸上，并且將來自所述聚光部分的光引到待照明的區(qū)域中，在此執(zhí)行透鏡化功能和歪像射束整形功能。
29.利用多個光源對表面上的區(qū)域進(jìn)行均勻照明的方法，包括以下步驟 繞待照明的區(qū)域以環(huán)形方式并且離開所述表面一定距離地設(shè)置所述多個光源； 利用射束成形器將每個光源所發(fā)出的光聚集成預(yù)定截面的相應(yīng)射束，其中所述射束成形器的光軸在與所述表面所呈的斜角下被引向所述表面； 使每個射束的截面歪像變形并且在所述斜角下將所述射束引到待照明的區(qū)域中，其中所述射束的截面的歪像變 形使得所述射束在所述表面上由于斜角入射而產(chǎn)生的截面區(qū)域變形得以補(bǔ)償。
全文摘要
披露了一種帶有環(huán)形設(shè)置光源的環(huán)形燈照明器。對于每個光源對應(yīng)有聚光器、均化裝置以及歪像系統(tǒng)，該均化裝置用于來自光源的光，而歪像系統(tǒng)用于將均化裝置的輸出成像到待照明區(qū)域中。歪像系統(tǒng)對由于光束在表面上的斜角入射而產(chǎn)生的光束在待照明表面中的截面區(qū)域的變形進(jìn)行補(bǔ)償。各實施例中的均化裝置是棒，來自聚光器的光被引到該棒中。棒的與聚光器相對的端部由歪像系統(tǒng)成像到表面上的待照明區(qū)域中。還披露了一種照明方法。
文檔編號F21V8/00GK103026125SQ201180036224
公開日2013年4月3日 申請日期2011年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者D·布吉斯 申請人:克拉-坦科股份有限公司