环形光照明器和用于环形光照明器的光束成形器

摘要

本发明揭示了一种具有环状排列光源的环形光照明器。对于每个光源对应有光束成形器，该光束成形器包括聚光器、来自光源的光的均匀化装置以及用于将均匀化装置的输出成像到要照明区域上的成像装置。各个实施例中的均匀化装置为将来自聚光器的光引导至其中的棒。与聚光器相对的棒的端部通过成像装置被成像到要照明区域中。

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2010年4月28日提交的美国临时专利申请No.61/328,869 的优先权，该申请通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及环形光照明器。

本发明还涉及光束成形器。

背景技术

在许多光学检测或成像作业中需要对将要检测或成像的区域进行清晰的 照明。对于许多这样的照明目的使用环形光，例如在显微镜的使用中，这些环 形光是提供暗场照明的公知手段。在这种应用中，理想的是将照明的区域限制 为感兴趣的区域，并且在感兴趣的区域内具有均匀的光分布。可能的光源例如 为弧光灯、LED（发光二极管）、激光二极管和卤光灯泡。虽然弧光灯通常提 供比LED更高的光强，但它们也比LED呈现更强的强度波动和更短的寿命； 因此，通常LED是较佳的光源选择。因为来自典型LED的光被发射到LED周 围的半球中，所以需要光学元件将尽可能多的来自一个或多个LED的发射光引 导到感兴趣的区域中，即，进入将要照明的区域中。

欧洲专利申请EP 1919001A1涉及用于产品检测的点光设备，其中将LED 用作光源。为了使光跨特定区域的分布变得均匀，使来自LED的光通过棒透镜。 通过聚光透镜将来自LED的光引入棒透镜。为了保证棒透镜和聚光透镜的适当 对准，也为了减少在组装光学系统期间将要处理的各个部件的数量，棒透镜和 聚光透镜作为光学单元的部分提供，棒透镜构成透光部分，而聚光透镜构成聚 光部分。为了将来自光源的光引导至透光部分，聚光部分将折射和反射进行了 组合。

欧洲专利申请EP 2177816A2揭示了一种光源阵列，具体为LED光源阵 列，该光源阵列的光被引导至成形为棒的光积分器。该光积分器基于在该积分 器内光的反射使光均匀并限制光。光积分器可以是具有反射内表面的中空管或 光学透明材料的实心棒，其中在该光积分器内的光的反射归因于全内反射。光 积分器的横截面可以是圆形的、多边形的或不规则的。还可在光积分器的下游 设置其他的光学元件。对于每个光源可以对应有光学元件，用于控制和引导来 自该光源的光。为了影响从光积分器出射的光的发散，光积分器可以是锥形的。

欧洲专利申请EP 1150154A1揭示了一种照明系统，具体为用于显微镜 的照明系统，其中多个光源（优选为LED）设置在环状的载体中。这些LED 可以单独或成组地进行控制，并呈现小的发射角。

德国专利申请DE 2852203揭示了一种用于显微镜的照明设置，其中来自 光源的光沿着光纤引导，且在光纤的各端从该光纤出射，其中这些端以环状的 方式排列。在德国专利申请DE 4016264中揭示了比如基于光纤的另一种环形 照明系统。

基于光纤的环形照明系统的问题是从光纤出射的光的大散射。同样地， LED的环状排列趋于产生相当不均匀的照明场，且即使这种LED与现有技术 的聚光透镜组合使用，某些应用所需要的照明场的均匀程度也是无法实现的。

对于环形光，最大光强是非常重要的设计参数，因为这些环形光本质上是 “暗场”照明，其中散射光经常为观测对象。与弧光灯（用于正常显微镜观察 的明亮照明的标准）相比，LED的主要劣势是，它们通常更暗。经常是这样的 情况，基于LED的系统在所观测对象处没有提供足够的光强，且应该在设计中 对于该情况给予极大的考虑以使在图像处可能的光最大化。使光最大化在机器 视觉/检测中尤为重要，其中积分时间无法任意地延长以增加可用于产生良好曝 光图像的光能。在机器视觉系统中的积分时间的增加会降低图像的频率且增加 总的检测时间（图像时间）。由于检测机器的值取决于有多少半帧可在固定时 间里被成像，因此在对象处使光最大化是非常重要的特征。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够在要照明区域中产生清晰且均匀的照明场 的环形光照明器。附加地，来自环形照明器的光应能有效地聚集并被引导至要 照明区域。

该目的通过具有多个光源的环形照明器实现，其中对于每个光源对应有光 束成形器，该光束成形器包括：

聚光器，用于聚集来自光源的光；

来自光源的光的均匀化装置；以及

成像装置，用于将均匀化装置的输出成像到要照明区域中。

本发明的另一个目的是提供一种光束成形器，该光束成形器可容易地进行 安装且不需要使其部件对准。附加地，来自光源的光应能有效地进行聚集，且 应可使成像透镜的截断损失最小化。

该目的通过制造为单体的光束成形器来实现，包括：

聚光器，用于聚集来自光源的光；

均匀化棒，用于对来自光源的光进行均匀化；以及

透镜，用于将均匀化棒的与聚光器相对的端成像到要照明区域中。

根据本发明的环形光照明器包括多个以环状方式排列的光源。在较佳实施 例中，每个光源是发光二极管（LED）或LED阵列。根据本发明，对于每个光 源对应有光束成形器。光束成形器接收来自光源的光并以在要照明区域中产生 照明场的方式将该光引导至要照明区域中，其中照明场具有边界明确的形状， 且跨该照明场的照明的均匀程度达到足以完成即将进行的检测或照明作业。

光束成形器包括聚光器、均匀化装置和成像装置。

聚光器的目的是接收来自光源的光并将其引导至均匀化装置。聚光器优选 地以如下的方式进行设计：从光源发射的尽可能大比例的光通过聚光器聚集并 被引导至均匀化装置，从而最终可在要照明区域中实现足够强度的照明场。

均匀化装置的目的是降低跨光束的光强的不均匀性，使得最终跨照明场的 光的强度的均匀性达到足够高的程度。

成像装置的目的是将均匀化装置的输出成像到要照明区域中。照明场的大 小部分地取决于成像装置的成像性质。

在一个较佳实施例中，均匀化装置是具有圆形、椭圆形、矩形、正方形、 六边形、八边形或其他横截面的棒；本文中的横截面垂直于光束成形器的光轴。 棒具有第一端和第二端，通过该第一端从聚光器接收光，光通过该第二端从棒 出射，第二端沿着光轴与第一端相对。棒的第二端通过成像装置被成像到要照 明区域中。以这种方式产生的照明场的形状由棒的横截面确定。棒的均匀化功 能归因于来自平行于光轴的棒的侧边的光的反射，通常为多次反射。优选地， 棒是实心物件，至少对于要用于照明的光的波长是透明的，且反射为全内反射。 或者，棒的侧边可设置有反射涂层，或棒可以是具有反射内壁的中空管。本发 明的益处在于，其组合了TIR透镜的聚光效率，以及光束成形器的成像透镜的 最小截断损失。

有利的是，棒和聚光器形成了整体单元，且具体地棒和聚光器可制造为单 件。这减少了在组装或维修环形光照明器中需要处理的单个部件的数量，且还 消除了在组装或维修期间适当对准聚光器和棒的需要。更为有利的是，聚光器、 棒和成像装置形成了整体单元且可制造为单件。

在一些实施例中，成像装置为透镜。

在替换实施例中，均匀化装置为设置在聚光器上的构造。

因为光源的操作产生热量，有利的是为环形光照明器提供冷却机构。在各 个实施例中，该冷却机构包括设置在环形光照明器的外表面上的冷却片，以使 该环形光照明器的用于与环境进行热交换的表面增加。

根据本发明的光束成形器（其可用于根据本发明的环形光照明器，但也可 用于其他目的）制造为单件，从而消除了在光学系统的组装期间对光束成形器 的多个部件的适当对准的需要。而且，以该方式，需要处理的部件的数量也减 少了。光束成形器由对于其将要用于的光波长而言为透明的材料制成。在各个 实施例中，这种材料可以比如为塑料材料或玻璃。

用于光束成形器的模制材料的一种可能性为丙烯酸，另一种可能性为聚碳 酸酯。丙烯酸比聚碳酸酯具有更好的透射性，但较不能耐受升高的温度。对于 不会产生很多余热的照明源的应用场合，丙烯酸应该是可行的。丙烯酸中的透 射损失大约为每毫米0.25％，这导致在光束成形器具有67mm总长度的情况下 有15％的损失。

根据本发明的光束成形器包括聚光器，其被配置为聚集来自与该光束成形 器一起使用的光源的光。该光束成形器还包括沿着光束成形器的光轴定向的均 匀化棒。聚光器布置成将其聚集的光通过棒的第一端引导至棒中。通过来自棒 侧边的光的反射，通常是多次反射，棒对通过其的光的均匀性起作用。该反射 为全内反射。光束成形器进一步包括透镜，其将与第一端相对的棒的第二端成 像到要照明区域中。

各个实施例中的垂直于光束成形器光轴的棒的横截面可以是圆形、椭圆 形、三角形、正方形、矩形、六边形、八边形或任何其他形状。

本发明可在显微镜中实现，该显微镜保证用显微镜检测的区域（特别是暗 场类型）的清晰照明。显微镜包括至少一个如上所述的根据本发明的环形光照 明器。用于该至少一个环形光照明器的光束成形器可以是如上所述的根据本发 明的整体件类型，或者也可以包括以超过一个部件进行设置的聚光器、均匀化 装置和成像装置。

附图说明

现在在以下结合附图对本发明的详细描述中，将更加全面地描述本发明的 特性和操作模式，其中：

图1a示出具有环状排列的光纤端的现有技术的环形光照明器；

图1b示出具有环状排列的光源的现有技术的环形光照明器；

图2示出用如图1b所示的现有技术的环形光照明器可实现的强度分布；

图3示出TIR透镜和光线以及由其在表面上产生的强度分布；

图4示出非球面聚光透镜和光线以及由其在表面上产生的强度分布；

图5示出复合透镜和光线以及由其在表面上产生的强度分布；

图6示出根据本发明的光束成形器和光线；

图7示出由图6的光束成形器在表面上产生的强度分布；

图8示出用根据本发明的环形光照明器可实现的强度分布；

图9是根据本发明的光束成形器的透视图。

图10a是聚光器和均匀化棒的透视图；

图10b是图10a的聚光器和均匀化棒的另一透视图；

图11示出被引入具有均匀化棒的聚光器中的腔内的光源；

图12是聚光器中的腔的俯视图；以及

图13是多个光束成形器排列成环形以构成根据本发明的环形照明器的可 能实现的实施例。

具体实施方式

贯穿各附图，相同附图标记表示相同的元件。此外，在附图中只示出对于 描述各个附图为必需的附图标记。所示出的实施例仅表示如何实现本发明的例 子。这不应被视为对本发明的限制。

图1a示出现有技术的环形光照明器10的设置。弧光灯12被用作光源； 来自弧光灯12的光通过合适的光学元件13（在附图中只示出一个这样的元件） 耦合进多个光纤11。光纤11的端部14环状地排列在环形光照明器10的环形 载体17中，其排列的方式使得光纤11的端部14将来自弧光灯12的光发射至 被载体17包围的要照明区域15。如锥体16所指示地，从端部14发射具有相 当大发散的光，该相当大发散意味着对于许多精密应用场合来说都太大的发 散。

图1b示出现有技术环形照明器20的另一种设置。在环状载体27中，多 个光源22以环状方式排列。光源22向要照明区域15发射光。光源是LED， 其通常设置有成形光学器件（未示出），以将从LED发射的光聚集到预定方向 的周围。如锥体26所指示地，尽管有成形光学器件，但来自单个光源的光仍 然呈现对于许多精密应用场合来说都太大的发散。根据本发明的环形光照明器 与所示出的现有技术的环形光照明器具有相同的总体设置；但是，现有技术的 成形光学器件用具有以下所述配置的根据本发明的光束成形器替代。

图2示出可用在图1b所示背景中描述的环形照明器20实现的强度分布1， 该环形照明器20包括具有TIR透镜（见图3）作为成形光学器件的八个光源。 照明图案相当发散。所示图像的中央区域仅仅比锥体26之一所照明的区域稍 微亮一些，这表示，相当大量的强度被引导至图像中所示区域的中央区域外的 区域，而不是引导至要照明的中央区域15。可用如图1a所示背景中描述的环 形照明器10实现的强度分布是类似的。

图3示出TIR（全内反射）透镜23。来自光源22（此处为LED）的由光 线100指示的光被TIR透镜23捕获并被引导至斑点110。引导光根据两个原理 实现：占据TIR透镜23的中央部分的折射透镜部分24通过折射将光线100引 导至斑点110。未碰撞折射透镜部分24但被TIR透镜23捕获的光线100通过 全内反射从TIR透镜23的侧表面被引导至斑点110。图3中还示出的是在垂直 于TIR透镜23的光轴19的表面上斑点110的强度分布2。由TIR透镜23产生 的强度分布2大致是高斯分布，从而在斑点110的中央有最大的强度，但在强 度变小的中央周围同样有宽的区域，即，斑点110没有清晰界定的边缘。此处 所描述的TIR透镜23可被用作如在图1b所示背景中描述的现有技术的环形照 明器20的成形光学器件。无清晰界定边缘的斑点110的强度分布2是由八个 这样的光源22和TIR透镜23的组合的协作产生的强度分布1相当发散的原因， 如图2所明显示出的。

图4示出非球面聚光透镜33和光线100。作为光源，在本附图中示意性地 示出了LED的发射器32。非球面聚光透镜33捕获来自光源的光并将其引导至 斑点110上。图4中还示出的是在垂直于聚光透镜33的光轴19的表面上斑点 110的强度分布3，其为LED光发射器32的图像。如这种情况般地直接成像 LED发射器32带来了斑点110照明的高不均匀性的风险。因此，在要由图1b 中所示类型的环形光照明器20（具有LED作为光源且具有非球面聚光透镜33 作为成形光学器件）照明的区域中产生的强度分布的均匀性无法保证对精密应 用而言是足够的。此外，通常如图4中所示的非球面聚光透镜33的聚光效率 低于如图3中所示的TIR透镜23的聚光效率。

图5示出复合透镜40，其包含半球透镜41和中继透镜43，半球透镜41 用以聚集来自光源42的由光线100指示的光，中继透镜43将光引导至斑点110 上。图5中还示出的是在垂直于复合透镜40的光轴19的表面上斑点110的强 度分布4，其为面对光源42的半球透镜41的平坦后表面的图像。这种设置具 有比图3中所述的TIR透镜23低的聚光效率，且不与封装的LED兼容，这在 组装像图1b的环形光照明器20那样的光学系统中是一劣势。

图6示出光束成形器50，其包括聚光器60、均匀化棒70、锥体部分52和 透镜80。在聚光器60中插入光源（未示出），且该光源发射如光线100所指 示的光。聚光器60聚集来自光源的光并将其通过均匀化棒70的第一端71引 导入均匀化棒70。在均匀化棒70中，通过来自均匀化棒侧表面73的反射，通 常是多次反射，对光进行均匀化。光束成形器50用对于该光束成形器将要被 一起使用的光的波长为透明的材料（像比如塑料材料或玻璃）制造为单体，且 来自侧表面73的反射为全内反射。光通过均匀化棒70的第二端72从均匀化 棒70出射，并进入锥体部分52。从那里，光到达透镜80，透镜80将光引导 到斑点110上。斑点110的强度分布为均匀化棒70的第二端72的图像。锥体 部分52的目的是在均匀化棒70的第二端72和透镜80之间建立固定的距离。 因为光束成形器50被制造为单体，所以在光学系统的组装期间不需要对各个 部件（即，聚光器60、均匀化棒70和透镜80）进行对准。这简化了光束成形 器50的处理以及像例如图1b中所示类型的环形光照明器20的光学系统的组 装。然而，与现有技术相反，将刚刚讨论的光束成形器50而不是TIR透镜用 作根据本发明的环形光照明器实施例中的成形光学器件。光束成形器50当然 还可以用于其他的照明作业，而并不局限于环形光照明。

图7示出了在垂直于光束成形器50的光轴19的表面上的由图6的光束成 形器50产生的斑点110的强度分布5。斑点110的形状由均匀化棒70的横截 面确定，更精确地由在第二端72处的均匀化棒70的横截面确定。在所示的实 施例中，该横截面具有八边形的形状。如已经提到的，横截面的不同形状也是 可能的。应该注意的是，斑点110呈现清晰界定的边缘，且由于均匀化棒70 的作用，跨斑点110的照明强度即使对于精密应用也足够均匀了。

图8示出了可用根据本发明的环形照明器实现的强度分布6，其在该附图 所涉及的实施例中包括八个在图6所示背景中描述类型的光束成形器50作为 成形光学器件。该附图应该与附图2作比较。由于由光束成形器50产生的光 束有清晰界定的边缘，这导致图7中所示的斑点110有清晰界定的边缘，所以 在图8中，要照明区域15明显比其周围更亮。

图9示出如已在图6中示出的根据本发明的光束成形器50的透视图。此 处，示出从透镜80出射的光线100。这种光束成形器50的配置已在图6所示 背景中进行了讨论。聚光器60呈现腔61，光源（未示出）将被引入该腔61。 聚光器60的总体配置对应于如图3中所示的TIR透镜23的配置。用于成像的 透镜80的直径82调节排列在环形照明器20中的光束成形器50的数量。透镜 80具有出射表面84，该出射表面84将通过均匀化棒70的第二端72从均匀化 棒70出射的光成像到斑点110上。推荐透镜80的出射表面84为非球面的。

图10a和10b是聚光器60以及用于根据本发明的环形光照明器的成形光 学器件（其可由几个部件组成）的透视图，聚光器60作为用于如图6和9中 所示的根据本发明的光束成形器50。只示出附连于聚光器60的均匀化棒70的 一部分。此处的棒70具有六边形的横截面，且聚光器60的形状适合于棒70 的横截面，还在与棒70的第一端71相邻的截面呈现出六边形的横截面。图10b 清楚地示出了聚光器60的腔61，光源（未示出）（通常为LED）将被插入该 腔61。

图11示出了聚光器60以及均匀化棒70的一部分的截面图。LED 62被引 入聚光器60的腔61中。与图3的TIR透镜23类似，聚光器60呈现折射透镜 部分64，其将发射的光聚集到光轴66周围的中央区域中。该区域的横截面由 折射透镜部分64的形状和大小确定。由LED发射到中央区域外侧区域中的光 通过来自聚光器60的侧表面65的全内反射被引导至均匀化棒70中。

图12是聚光器60中的腔61的俯视图，像LED 62那样的光源将被插入该 腔61。腔61和折射透镜部分64具有六边形的横截面。

图13是多个光束成形器50排列成环形以形成根据本发明的环形照明器20 的可能实现的实施例。排列在环形照明器20中的多个光束成形器50为要照明 区域15提供了均匀的照明。透镜80的直径82（见图9）调节排列在环形照明 器20中的光束成形器50的数量。在本文所示的实施例中，透镜80的直径82 是30mm，这导致有大约24个光束成形器50排列在环形照明器20中。

已经参考了具体实施例描述了本发明。然而，对于本领域技术人员来说， 显而易见地，可以在不背离所附权利要求书的范围的情况下作出替换和修改。

附图标记

1,6        强度分布

2,3,4,5    强度分布

10,20      环形光照明器

11         光纤

12         弧光灯

13         光学元件

14         光纤的端部

15         要照明区域

16,26      光锥

17,27      载体

19,66      光轴

22,42      光源

23         TIR透镜

24,64      折射透镜部分

25,65      侧表面

32         LED发射器

33         非球面聚光透镜

40         复合透镜

41         半球透镜

43         中继透镜

50         光束成形器

52         锥体部分

60         聚光器

61         腔

62         LED

70         均匀化棒

71         均匀化棒的第一端

72        均匀化棒的第二端

73        均匀化棒的侧表面

80        透镜

82        透镜的直径

84        出射表面

100       光线

110       斑点