专利名称：具有至少两个光学系统的照明装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括至少两个光学系统的照明装置，每一个光学系统沿单独的光轴对齐，光源沿所述光轴安排。本发明还涉及在医疗仪器中使用该照明装置进行照明。
背景技术：
目前，例如医院手术室中的灯在安装时会遇到很多困难，因为医护人员不能遮挡灯照亮的区域。此外，手术台上的病人本身也会投射阴影，因此外科医生必须使用头灯以照亮关注的区域。使用这样的头灯能引起外科医生头部不适和发热，以及加热关注的区域。
手术室的灯通常直径1米，且通常手术期间在3×3米的区域中使用2-5盏手术灯。必须安放这些灯从而使关注的区域被照亮，所以这些灯的安放是有限制的。相对于手术中需要的其他必需的装置和仪器的安放，由于灯的尺寸，灯的安放还有额外的限制，这是由于一些仪器不得不放置在外科医生身后，或者远离外科医生。
此外，灯产生的热量能使无菌区域受热，这是有害的影响。而且，灯难于清洁，这是由于灯的冷却通风会给无菌区域带来细菌或类似物。
最后，需要灯的色温对于眼睛是舒适的。虽然，人类的视觉系统不善于分辨色温的变化，即许多不同种类的光对我们而言似乎都是“白色”，但是仍需要灯的色温对应于日光的色温(即5000-6000K)，因为在该色彩成分下眼睛能更好的放松。在一些情况下，需要通过利用滤光器改变光的色彩成分、对比度和偏振。但是，这要求在传送给滤光器的光中提供所需的颜色。由于日光中包含从红外(IR)经可见光到紫外(UV)的连续波长，因此这一点是可以确保的。
美国专利第5,584,558号公开了包含一个光源和两个光学系统的照明装置，相互垂直地安排两个光学系统。两个光学系统都具有包括在光源侧的凹面镜和在另一侧的透镜装置的反射器。透镜装置将光聚焦到两个发光的光管，从而能够在同一时间从不同的角度照亮目标。此外，与只使用一个光管的系统相比，光输出加倍。优选的光源为紫外灯，例如水银灯和氙气灯。反射器是反射紫外波长但透过红外波长的分色镜，通过其能够消除灯的发热。照明装置用作紫外光源，例如用于固化胶水。由于这一原因，在光管的输入端安放电子快门，因此能够控制曝光时间。
美国专利第6,139,175公开了用于内窥镜的光源。其公开了在两个相互垂直安放的光学系统中安放一个光源的实施例。两个光学系统都包括用于从光源收集光束的聚光透镜单元，以及用于在入口端接收通过聚光透镜单元收集的光束并传送其到出口端面的光导。反射镜相对于光源安装在聚光透镜单元的另一侧。聚光透镜单元包括前透镜和后透镜，其间放置红外滤光器。
美国专利第4,935,660号公开了金属卤化物放电灯，其中通过控制灯的工作温度能够控制色温。通过将放电灯安装在由硬质玻璃或石英玻璃构成的透明管状元件中实现这一点。管状元件由铟锡氧化物或其他热反射材料覆盖。因此，通过变化涂层的厚度能够控制灯的工作温度。在示例中，灯的色温从4000K变化到3500K。同时实现了提高的光输出通量(流明/瓦特)。
美国专利第6,963,951号公开了具有热反射涂层的金属卤化物放电灯，从而提高了灯的效率。
美国专利第5,003,214公开了金属卤化物放电灯。灯包括一个电弧管和一对电极，并包括含有惰性启动气体、水银和金属卤化物的填充物。电弧管的整个外表面覆盖热反射材料以提高灯的效率。
美国专利第3,588,488公开了手术照明器材。该照明器材使用色温为3000K的光源。通过使用内部的圆柱形滤光器和围绕在内部滤光器周围的分色镜，色温提高到6000K。分色镜在反射光相反的方向额外地传送红外波和热波，因此防止热量传到下方的病人和医生。
因此需要提供色温对应于日光的照明装置，能够同时从不同的角度照亮关注的区域。
发明内容
本发明的目的是提供色温可调的照明装置，能够同时从不同的角度照亮关注的区域。
根据本发明，实现这一点是通过使光学系统包括沿光轴安排在光源的第一侧的反射器，所述反射器适用于实质上反射所有进入的光，且其曲率半径实质上等于到光源的距离；沿光轴安排在灯的第二相对侧的聚光装置，所述聚光装置适用于直接接收从光源进入的光和所述从反射器反射的光，并聚焦所述直接进入和所述反射的光；具有第一端和第二端的光导，所述第一端沿光轴安排并适用于实质上收集和传输所有通过聚光装置的光，所述第二端发出所述收集到的光；及安排在灯与聚光装置之间的滤热器装置。
反射器、聚光装置和在灯与聚光装置之间的滤热器装置的组合能够调整传送到关注区域的光的色温，安放所述光导的第二端以使能同时从不同的角度照亮关注的区域。
在照明装置的优选实施例中，照明装置只具有两个光学系统，所述光学系统分别具有第一和第二轴，所述第一和第二轴实质上相互垂直。因此实现了单一光导的最大输出。
在另一优选实施例中，光源是卤素灯，并优选金属卤化物放电灯。在又一实施例中，光导是多模光纤或光纤束。这意味着照明装置能够与现有产品装配。
在本发明的实施例中，光纤是侧面发光。这意味着光纤能够用于沿着光纤的长度“冷”发光。例如，其可用于冰箱或其他不需要热量的场合的照明。在照明装置的优选实施例中，滤热器是适用于反射热辐射和传送可见光的分色镜。这是实现滤热器的简单和廉价的方法，同时滤热器确保工作温度足够高以提高灯的效率。
在另一优选实施例中，光导安排在臂的内部，所述臂在选定位置可弯曲且可固定。这意味着所述光导的第二端可以容易地安放和固定，从而照亮关注的区域。
在又一实施例中，反射器的曲率半径是可调的，其能够调整耦合到光导的光的总量，因此调整了从所述光导的第二端发出的光的色温。
照明装置的优选实施例包括适用于调整光源周围的温度的冷却装置，其是调整灯的工作温度的简单装置，因此也调整了色温。
在另一实施例中，灯设置为是可替换的，因此不需要移动照明装置中的其他任何元件就能够替换灯。
在照明装置的优选实施例中，光学系统还包括适用于改变发出的光的彩色成分和/或对比度和/或偏振的滤光器。优选滤光器安排在光导的第二端。这意味着光源发出的白光能够容易地调整以适合特殊的照明需求。
在照明装置的另一优选实施例中，光学系统进一步包括分束装置，其能够将光耦合到其他光导。在意味着能够在同一时间从多个侧面照亮关注的区域，或者在同一时间照亮几个关注的区域。
在照明装置的优选实施例中，光源可从所述光轴移动位置。因此确保光源不遮挡反射器反射的光。
本发明还涉及上述照明装置用于在医疗仪器中照明。例如，通过在医疗仪器中设置光导或光纤实现。例如用于妇科仪器、肋骨牵开器或牙医钻头。
参考以下附图详细说明本发明，其中图1是根据本发明具有两个发光臂的照明装置；图2是根据本发明具有两个光学系统的照明装置的原理图；
图3是根据本发明具有三个光学系统的照明装置的原理图；及图4是根据本系统具有分束装置和其他光导的照明装置的原理图。
具体实施例方式
图1是发光装置1的示意图。发光装置1具有外壳5和两臂2，两臂都具有发光端3。两臂2可弯曲且可固定，因此能够安放发光端3，从而从不同的角度照亮关注的区域或目标4。当然还能够安放两个发光端3，从而照亮两个不同的区域。灯的类型能够使外壳5远离关注的区域放置，仅将臂2拖拽到关注的区域，从而确保外壳不会妨碍使用者。照明装置1还能够制造为便携式装置。这对例如在野外工作的兽医或如无国界医生组织这样的团体是有用的，在那里照明和能源消耗有时是一项难题。
图2是照明装置1的原理图。照明装置包括金属卤化物放电灯10(优选通用电气(GE)制造)和两个光学系统A与B。两个光学系统的光轴11相互垂直，放电灯10安放在两轴11的交叉点。每一个光学系统包括在灯10的一侧安放的反射器12。反射器实质上反射所有进入光，且其曲率半径实质上等于到灯10的距离。这意味着所有反射光通过灯10的中心送回。
为了与光源的发光模式匹配，反射器是椭圆形。
由两个聚光透镜13、14构成的聚光装置安放在灯10的另一侧。第一聚光透镜优选焦距等于到灯10的距离，从而使透镜13接收的所有的光平行。平行的光传送到第二透镜14，其聚焦平行的光。聚焦的光耦合到多模光纤15或光纤束的第一端。放置光纤15的第二端以使照亮关注的区域。
优选两个透镜13和14是完全相同的，从而透镜系统形成清晰成像系统，其使灯10的灯丝成像为放大的图像。当然，透镜13、14必须与光纤15的数值孔径相匹配。即为了耦合尽可能多的光到光纤15，透镜13、14和光纤15的数值孔径必须尽可能的大。优选地，两个透镜是消色差透镜，因此降低了光学系统中的色差。
优选光纤15是无损耗的，这意味着从光纤15的第二端发出所有耦合到第一端的光。但是，也能够使用侧面发光的光纤。使用对于光纤实质上已知的方法，将光纤绕紧到足够小的卷轴半径以使光向外耦合穿过侧面，从而实现了侧面发光。但是，还可以使用具有波纹表面的光纤实现侧面发光。侧面发光的光纤有利于例如冰箱或冷藏库系统。在这样的系统中，为了向顾客展示产品本来的颜色，由白光源照亮冰箱中的产品非常重要，这是识别产品的关键。同时，需要光源不发热，从而冷冻的货物不会受热。本系统中侧面发光的光纤15发白光且不发热。
在放电灯10与透镜装置13、14之间放置滤热器16。滤热器优选平面分色镜16，其反射热辐射和红外波长，并对可见光是透明的。然而，滤热器还能够使用曲率半径与到灯10的距离相匹配的凹面分色镜实现。使用这种方法，所有镜面反射的热辐射将被送回放电灯10，因此提高了放电灯10的工作温度，效率更高。滤热器16还可以通过在第一透镜13上涂敷热反射涂层实现。
滤热器有三重功效。第一，滤热器16保护透镜装置13、14和光纤16，从而能够使用更廉价的透镜和光纤，因此降低了系统的总成本。第二，滤热器16确保提高灯10的工作温度，因此提高了灯10的效率。最后，滤热器确保不向被照亮的区域传送热量。
灯10优选安放在支架(未示出)中，不需要系统中任何其他的光学元件，就能保护灯10。
优选照明装置具有冷却装置(未示出)，如风扇或类似装置。冷却装置能够控制灯的工作温度，因此能够控制灯10的色温或白平衡。风扇能指向图2所示的平面之外。在医院中，照明装置1能够连接到现有的空调系统。
通过变化耦合到光纤15的光的总量能够控制从光纤15发出的光的色温。这一点通过使反射器12的曲率半径可变实现，例如，跨反射器安装可调的压板，所述压板适用于在反射器上施加压力，因此使反射产生小角度的变形。
在一些情况下，需要通过调整例如色彩成分、对比度或偏振改变光的特性。这一点通过在光纤15的第二端安装滤光器实现。例如，其能减少干扰外科医生的身体组织反射，或使不同类型的组织更容易区分。当然，滤光器还能放置在光学系统中其他任何实用的位置。在一些情况下，例如在眼睛检查中必须改变发出的光束的大小。这一点通过在光纤15的第二端安装虹彩光阑实现。
图2所示的设置能够使多于80％的灯10发出的光耦合到光纤15。对不同类型的金属卤化物放电灯进行的测试还表明能够将光输出变化为更好的色温，分别由GE和Philips生产的灯的测试结果如下表所示。同时灯的效率也得到了提高。所有的灯正常的色温在约4000K。
有时，需要照亮多于两个的目标或者从多于两个角度照亮目标。这一点通过照明装置具有多于两个光学系统实现，从而具有多于两个的发光光纤15。图3是具有三个光学系统的照明装置。每一个光学系统具有一个光轴，每个光轴相互偏移60度。这意味着每一个聚光系统收集灯10发出的光的三分之一。反射器11如图所示是三个独立的反射器，但是也可以是一个反射器。这样的设置实质上能够使从灯10发出的光全部耦合到光纤15。当然，也能够构造具有四个或更多个光学系统的系统。
在系统中增加发光光纤数量的另一种方法如图4所示。在该设置中，实质上公知的立方角分束器17放置在光学系统之一中的两个聚光透镜13、14之间。优选该分束器将光分为两等强度的光束。从进入光束分离出的光传送到第三聚光透镜18，其将光聚焦并耦合到第三光纤19。
当使用光纤束收集来自灯10的光时，在系统中增加发光光纤15或臂2的数量的另一种方法自然出现，因为在光纤束中单独的光纤可以各自用于照明。
当然，应当注意在照明装置1中增加光学系统的数量减少了每根光纤15的发光量，也可以影响色温。因此，更需要的是使用几个照明装置1，而不是增加光学系统的数量。
光源10可以从光轴11移位，从而光源本身不遮挡反射器12反射的光。通常，光源10的移位约为灯丝宽度的一半。在图2所示的实施例中，这意味着为了从两光轴11移位，光源必须沿对角线移动。
本发明的上述说明表明以多种方式做出变化是显而易见。这样的变化不脱离本发明的范围，且对本领域的技术人员显而易见的所有修改也不脱离权利要求书的范围。
权利要求
1.一种照明装置，包括-至少两个光学系统，每个光学系统沿单独的光轴(11)对齐；及-沿所述光轴(11)安排的光源(10)，-其中，每个光学系统包括-沿光轴(11)安排在光源(10)的第一侧的反射器(12)，所述反射器(12)适用于实质上反射所有进入的光，且其曲率半径实质上等于到光源(10)的距离；-沿光轴(11)安排在灯(10)的第二相对侧的聚光装置(13、14)，所述聚光装置(13、14)适用于直接接收从光源(10)进入的光和从反射器(12)反射的光，并聚焦所述直接进入和所述反射的光；-具有第一端和第二端的光导(15)，所述第一端沿光轴(11)安排并适用于实质上收集和传输所有通过聚光装置(13、14)的光，所述第二端发出所述收集到的光；及-安排在灯(10)与聚光装置(13、14)之间的滤热器(16)装置。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于只具有两个光学系统，所述光学系统分别具有第一和第二轴，所述第一和第二轴实质上相互垂直。
3.根据权利要求1或2所述的照明装置，其特征在于所述发光灯(10)是卤素灯，优选金属卤化物放电灯。
4.根据上述权利要求任一所述的照明装置，其特征在于光导(15)是多模光纤或光纤束。
5.根据上述权利要求任一所述的照明装置，其特征在于光导(15)是侧面发光。
6.根据上述权利要求任一所述的照明装置，其特征在于所述滤热器(16)是适用于反射热辐射和传送可见光的分色镜。
7.根据上述权利要求任一所述的照明装置，其特征在于光导(15)安排在臂(2)内部，所述臂(2)在选定的位置可弯曲且可固定。
8.根据上述权利要求任一所述的照明装置，其特征在于反射器(12)的曲率半径是可调的。
9.根据上述权利要求任一所述的照明装置，其特征在于进一步包括适用于调节光源(10)周围的温度的冷却装置。
10.根据上述权利要求任一所述的照明装置，其特征在于光学系统还包括适用于变化发出的光的彩色成分和/或对比度和/或偏振的滤光器，所述滤光器优选安排在光导(15)的第二端。
11.根据上述权利要求任一所述的照明装置，其特征在于光学系统进一步包括分束装置(17)，能够将光耦合到其他光导(19)。
12.根据上述权利要求任一所述的照明装置，其特征在于光源(10)从所述光轴(11)移动位置。
13.根据上述权利要求任一所述的照明装置用于医疗仪器中的照明。
全文摘要
提供一种照明装置，其包括至少两个光学系统，每一个光学系统沿单独的光轴对齐，光源沿所述光轴安排。每个光学系统包括沿光轴安排在光源的第一侧的反射器，所述反射器适用于实质上反射所有进入的光，且其曲率半径实质上等于到光源的距离；沿光轴安排在灯的第二相对侧的聚光装置，所述聚光装置适用于直接接收从光源进入的光和从反射器反射的光，并聚焦所述直接进入和所述反射的光；具有第一端和第二端的光导，沿光轴安排所述第一端，其适用于实质上收集和传输所有通过聚光装置的光，所述第二端发出所述收集到的光；及安排在灯与聚光装置之间的滤热器装置。
文档编号G02B6/42GK101091130SQ200580045229
公开日2007年12月19日 申请日期2005年11月2日 优先权日2004年11月2日
发明者约翰·耶特泰尔蒙 申请人:光电子公司