环状照明器的制作方法

专利名称：环状照明器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于光学测量设备如光学显微镜、图像测试仪一类的环状照明器，尤其涉及一种在众多发光元件发射光束基础上产生一定色调光束的环状照明器，这些众多的发光元件能够发射相互之间颜色不同的光束。
2.相关技术说明为了光学聚焦待测物体一个待测部分的图像并观察这个图像，对待测物体的照明在得到其在光学显微镜下的清晰图像中扮演着极其重要的角色，同样在用于由图像等基础上观察和测量待测物体的形状和尺寸的图像处理类型测量仪器如测量显微镜、工具显微镜、投影仪以及三维图像测试仪中同样有着极其重要的作用。
作为用于图像处理类型测量仪器等的照明方法，我们已经知道有一种垂直向下辐射照明方法，这种照明方法从待测物体的大体正上方对其发射照明光。然而，在很多情况下，这种垂直向下辐射照明方法用于测量具有相对简单形状的待测物体。因此，测量一个具有复杂形状的待测物体例如一个具有很多边缘部分的台阶状待测物体，会出现这样一种情况，即，无法清楚地探测到边缘部分的阴影。
为了克服这样的缺陷，已经有人建议用一种环状照明器，这种环状照明器从与光学系统光轴倾斜一定角度的方向对待测物体发射照明光束，可以清晰地探测到边缘部分的阴影。
对于用于环状照明器的光源，我们已经知道有一种光纤光源，这种光纤光源通过光纤引导卤素灯等发出的照明光。然而，卤素灯等同样具有一些缺点，比如能量损耗大、寿命短以及在控制发光和消光时的慢响应率。
进一步来看，在这样一个环状照明器中，作为一种调节亮度和辐射到待测物体照明光的照明角的方法，我们知道有一种将光纤光源变成光源组件并在其中控制每一个光源组件的发光和消光的方法。这里所采用的方法是给各个光源组件配备灯，并为每一个光源组件控制灯的发光和消光，或者采用一种方法，准备快门开闭装置等以允许光在光纤的中间或末尾部分的传输或中断并控制每一个光源组件的光纤光源的发光和消光。然而，这些方法必须要有大量的灯，使结构变得复杂并因此引起一个问题就是这个照明器变得尺寸很大，制作费用也随之增加。
另一方面，近来，以发光二极管(LED)为代表的发光元件由于它的很多特性如响应率快、寿命长等等一直备受人们关注，并且随着发光元件亮度的提高，发光元件作为光源已经在很多不同的技术领域开始使用。这里，作为可以解决上述卤素灯等所具有的缺陷并且可以控制其发光和消光的光源，采用发光二极管的环状照明器就被提出来了。
例如，在日本未经审查的专利申请号10-54940(相关技术1)中公开，已经提出了一种环状照明器。在相关技术1的环状照明器中，大量的发光二极管被作为光源，这些发光二极管被同心地排列成众多圆环形阵列(在该公开特许的一个实施例中采用了5个阵列)，并且各个发光二极管被安装好以便将它们的发光方向设置成朝向待测物体。此外，在这个专利公开中，揭示了这样一种方法，作为聚焦方法的一种改进，各个发光二极管的发光方向排列成与光轴平行，并将菲涅耳透镜安排在顺着发光方向的下端，这样使得光线聚焦在待测物体上。
进一步来看，在这个专利公开中揭示的环状照明器中，发光二极管被编成包括各个圆形阵列和环状扇区的发光组件，并且可以为每一个发光组件对其发光和消光进行控制。相应地，对排列成众多阵列作为每个发光组件光源的发光二极管的发光和消光的控制是可能的，因此，光在待测物体上的分布能够适当地予以调节。
然而，在相关技术1的环状照明器中，各个发光二极管朝向待测物体发出的光束具有固有发散角，光线会在到达待测物体之前发散，因此，提高照明效率是不够的，由此会有这样一个缺陷，必须安装极大数量的发光二极管来保证必要的照明度。
再者，在相关技术1，作为另外一种提高照明效率的方法，揭示的一种方法是将菲涅耳透镜安装在发光二极管前面并将照明光聚焦在待测物体上。然而，这种方法不是提供用来纠正上述发光二极管的固有发散角的，因此，很难达到照明效率的显著提高。
更进一步来看，这种菲涅耳透镜具有固有焦距，因此，当待测物体和环状照明器之间的距离(可操作距离)在测量过程中随着待测物体相应发生变化时，菲涅耳透镜的焦距和可操作距离被互相替换，以便于照明光散布开，由此降低照明效率。进一步来看，为了保持照明效率，可操作距离不能被改变，因此，出现了这样一个缺陷，很难使每个待测物体得到一个最佳的照明光。
再者，已经知道有这样一种环状照明器，它具有能够控制关于待测物体的照明角以及照明光照明方向的附加功能，以便清晰地探测待测物体的边缘以及表面的情况(相关技术2)。在相关技术2的环状照明器中，对应于特定照明角将发光二极管安装成环形的复式环被准备好，这些环状发光二极管同时或单独地开启以便控制照明角。更进一步来看，在每个环的圆周方向上编成发光组件的发光二极管接受发光和消光控制，以便于光在待测物体上的分配可以适当地予以调节。
然而，同样在这个相关技术2的环形照明器中，与上述相关技术1相同，由于每个发光二极管发射光束的发散角，照明效率的提高是不够的，因此，存在一个必须安装大量发光二极管来保证足够照明度的缺陷。再者，有必要安装复数样式的环以便使各个环确呈现特定角度，因此，这样使得照明器的结构变得复杂。
另一方面，通过图像处理类型测量仪器等检查或测量的待测物体的类型是极其多样的，所以待测物体包括封装电子零件如印刷电路板(PCB)一类、机械零件、半导体零件、印刷品等等。再者，这些待测物体同样具有不同的表面颜色。在图像处理类型测量仪器一类中，通过用CCD(电荷耦合装置)等识别待测物体的形状等作为一个图像，并且，在通过探测图像边缘位置等来测量尺寸等过程中，对应于待测物体的表面颜色发射具有合适色泽(色调)的照明光，所得图像的对比度得到加强，从而能够预期进一步提高边缘部分探测精度。
作为能够控制这种照明光色调的环状照明器，在上述相关技术1和相关技术2的环形照明器中，多个发光二极管是由几种类型(比如三种类型)的具有各个不同发光颜色红(R)、绿(G)、蓝(B)的发光二极管构成，并且为每一种发光颜色的发光二极管执行发光和消光的控制，以便于能够控制照明光的色调。
然而，在相关技术1和相关技术2的环形照明器中，因为照明效率低，必须排列大量的发光二极管，由此产生一个缺陷，即，使照明器尺寸变大并且制造费用增加。另外如上所述的那样，可以通过排列几种具有不同发光颜色的发光二极管类型来控制照明光色调。然而，虽然从各发光颜色的发光二极管朝待测物体发射的光束被合并在待测物体上，但从各发光二极管发射到待测物体的光束的距离和角度不是固定的，因此，生成照明光的色调是不一致的，以致于产生一个缺陷，就是不能得到足够高精度的图像。
本发明的目的是提供一种能够使装置小型化并且同样可以通过提高照明效率来充分提高图像探测精度的环状照明器。
发明概述为了达到上述目标，按照本发明的一个方面，提供了具有以下组成的环状照明器。也就是说，这种环状照明器包括了一个由多个发光元件组成的光源，这些发光元件排列在光学系统光轴的周围，并由至少两种类型互相具有不同发光颜色的发光元件组成。构成光源的这些发光元件中的每组相同类型的发光元件在基本垂直于光轴的同一平面内围绕光轴排列成环形。顺着发光元件的发光方向，在其下端口提供了一个合并部件，该部件将发光元件发射出的、并且具有相互不同发光颜色的光束合并，并且产生具有特定色调的照明光。此外，顺着产生照明光的照射方向在其下端口提供了一个聚焦部件，该聚焦部件沿着光轴在一个特定位置聚焦照明光。
这里，术语“环绕光轴排列成环状”包括环绕光轴的圆形环状排列、三角形环状排列、方形环状排列或者多边形环状排列包括绕光轴的五边形环状排列。此外，环绕光轴的椭圆形环状排列或长方形环状排列同样也包括在内。
按照这种构成，具有不同发光颜色的发光元件发射出的光束通过顺向安排在发射光束下端的合并部件合并成特定色调的照明光，特定色调的照明光通过聚焦部件被聚焦在特定位置。如此，可以发射合并部件初步合并成给定色调的照明光，因而可以发射具有相应于待测物体表面颜色的色调的照明光。因此，通过光学系统得到的图像对比度得到加强，从而待测物体边缘测定的精确性得到有效提高。此外，由于可以通过聚焦装置把照明光聚焦到指定位置来提高照明效率，可减少发光元件的安装数量以便将照明器小型化。
有不同发光颜色、排列成环状的发光元件组件以一种在空间上被分隔的方式按一定间距沿着光轴方向排列，光发射元件组可以排列成沿射离光轴的方向上。
因为有这样一个结构，通过排列光源使发光元件的光发射方向与光学系统的光轴大体正交并且射离光轴，在由包括合并单元和被安装在光发射方向下游的聚焦单元形成的照明器的多种尺寸中，平行于光轴的方向上的尺寸可以做的小。相应地，安装发光器到光学系统上时，沿着光轴的安装位置的自由度增加了，聚焦范围和聚焦位置的设置能被高度精确地完成，待测物体图象的探测精度就提高了。
有不同发光颜色并被组装成环状的发光元件组件沿着与光轴间的距离各不相同、大体在同一平面上与光轴基本上正交的的圆环排列，光发射方向被排列在基本上平行于光轴的方向上。
因为这样一个结构，通过排列光源使发光元件的光发射方向与光学系统的光轴基本上平行，在由包括合并单元和被安装在光发射方向下游的聚焦单元组成发光器的尺寸中，在光轴半径方向上的尺寸可以缩小。相应的，在把照明器安装到光学系统上之后执行测试时，照明器不阻碍测试操作并且测试操作也能快速完成。
复数个发光元件是由可以分别发射红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)光的三种类型发光二极管组成。
由于这样一种结构，通过使用构成典型发光元件的发光二极管，可提供能显示出高响应率、长寿命等等发光二极管特征的光源。同时，通过均匀地合成光的三原色红、绿、蓝各色光，可以产生照明的基本色白光，而通过适当改变红(R)、绿(G)、蓝(B)各色的混合量，能产生各种色度的照明光。因此，与有各种表面色彩的待测物体相对应的最佳色度的照明光能被辐射，以便待测对象的边缘或类似物的探测精度能进一步有效提高。
合并单元可以配置成包括以平面形状形成的分光镜。
由于这样一种使用了分光镜(分光镜具有使一定波长的光透过或在其上反射的特性)的结构，通过对由发光元件发射的具有互不相同色彩的光束选择性地反射或者透过，这样就可以合成不同颜色的光束，以产生给定色度的照明光。此外，由于使用了具有单一平面形状的分光镜，就有可能廉价地构成合并单元。此外，与用有弯曲表面分光镜的情况相比，可以容易地计算反射和透射光的焦距。相应地，分光镜排列和装配结构能很容易地完成，同时，照明光的合成操作也能被精确的执行。
分光镜有反射比给定波长短的光而允许比给定波长长的光通过的特性，或者有允许比给定波长短的光通过而反射比给定波长长的光特性。
由于这样一种结构，相应于光的波长来说，在给定波长从反射到透射或者从透射到反射的转换数仅为一次，因此，与可以两次或多次执行反射和透过多种波长光的特性转换的分光镜比较，镜面蒸发沉积膜层数少，由此膜的形成过程被简化，分光镜的反射透过效率能够提高。
由合并单元产生的照明光的照射方向被设置在在一个平面内、同光轴基本上正交并射离光轴，聚焦单元配置包括一个在光轴方向上聚焦照明光的反射镜，该反射镜包括一个反射面这个反射面相对于平行和正交于光轴的两个横截面方向分别有特定的曲率。
由于这样一种结构，在光轴方向上照明光被一个设置在比光源和组合装置更远离光轴的一定位置上的反射镜反射，因此，被辐射到待测物体的照明光的照明角度被增加，当一个待测试物体呈立体形装或类似形状时，就能清晰的探测到待测试物体边缘部分的阴影。此外，反射镜上设有能够聚焦照明光于待测物体特定位置的弯曲表面(curvature)，因此，可以集中把照明光照射到待测物体的待测位置，由此可以提高照明效率。
合并单元所产生的照明光的照射方向可以设置为基本上平行于光轴的方向，配置聚焦单元以包括成套的在离开光轴的方向上反射照明光的第一反射镜，和把反射到反射镜上的照明光聚焦在光轴方向的第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜当中至少有一个具有这样的反射面，它有分别对应于平行和垂直于光轴的横截面方向的弯曲表面。
由于这样一种结构，通过调整来自光源的辐射光以及来自合并单元的照明光的照射方向使之平行于光轴，并在靠近待测物体的位置上设置反射镜，光轴轴向的尺寸可以缩小。再者，把照明光聚焦到特定位置的弯曲表面(curvature)设置在第一和第二反射镜中任意一个的反射面上，或者它们两个的反射面上，因此，可以集中把照明光照射到待测物体的待测位置，由此可以提高照明效率。
光源和合并单元可以固定到照明器本体上，安装聚焦单元使之相对于照明器本体在基本上平行于光轴的方向上可相对移动，环状照明器具有调节单元，该调节单元通过执行照明器与聚焦单元之间的相对移动来调节照明光聚焦的位置。
由于这样一种结构，通过提供光源和聚焦单元固定于其上的照明器本体与聚焦单元之间沿光轴的相对移动，照明光被反射到有弯曲表面的反射镜的反射面倾角各不相同的位置上，因此，改变了反射角。相应地，可以对应于待测物体调节照明角，因此，可以获得对应于待测物体的尺寸、形状、表面条件的适当照明角度的照明光，由此，可以进一步提高待测物体边缘等的测试精度。
合并单元所产生的照明光的照射方向可以设定为基本上平行于光轴，聚焦单元配置包括大体呈圆环形透镜，其中心部位有孔。
由于这样一种结构，由于使用了通用光学元件的透镜，可以低成本制造环状照明器。与此同时，由于使用透射率高、精度高的透镜，可以把透射损失抑制到很小，就有可能精确地把照明光聚焦到照明区域，由此进一步提高照明效率。此外，组成光学系统的物镜之类可以经透镜中心位置所形成的孔穿过环状照明器，或者，有可能使来自待测物体的反射光不受干扰地到达物镜等，因此，待测物体的测量可以顺利进行。
附图简要说明

图1是本发明第一实施例的环状照明器的透视图。
图2是上述实施例的环状照明器的横截面图。
图3是上述实施例环状照明器的仰视图。
图4是本发明第二实施例环状照明器的横截面图。
图5是本发明第三实施例环状照明器的横截面图。
具体实施例方式
以下结合附图详细描述本发明的较佳实施例。在以下说明中，相同组成元件用同一标号表示，其说明可能会省略或简化。
本发明第一实施例的环状照明器10如附图1到3所示，第二和第三实施例的环状照明器50，60分别如附图4和附图5所示。
第一实施例附图1是环状照明器10的总体透视图，附图2是其横截面图，附图3是其仰视图，部分为横截面图。附图1到附图3中，环状照明器10用于照亮待测物体3(工件)，并安装在构成测试仪等的光学放大系统的物镜1上，该待测物体3被置于图中并未示出的图像测试仪的测试基架2上。图像测试仪中，测试基架2受到水平面上成正交关系的两个轴向的驱动控制，亦即，在左右方向和前后方向，如图2所示，通过图中并未示出的驱动装置进行。再者，通过在竖直方向上对物镜1进行驱动控制，即附图2的上下方向，可以对物镜1的位置和测试距离进行调节适应待测物体3的待测部分。
环状照明器10具有环绕物镜1并构成照明器本体、整体形成绕物镜1光轴1A的环状的壳体11，以及安装于壳体11内部、靠近物镜1一侧的光源盒12，设置了构成光源的复数个发光二极管20和构成组合装置的一组镜面30。反射镜40被放置在光源盒12周围，构成聚焦装置。再者，图2中竖直方向上物镜1的位置的确定使物镜1和待测物体3之间有给定的测量距离。在此，照明光以对应于环状照明器10与待测物体3间距离(可操作距离)的入射角θ1照射待测物体3，环形照明器10安装在物镜1上。
外壳11是由加工金属薄片或类似的东西制作成环形的，在图2中向下开口，提供穿过图2中竖直方向中部的透镜通孔11A。外壳11的透镜通孔11A的内径大小允许物镜1尽可能通过。再者，图中并没示出的安装部分可把环形照明器10安装到物镜1上且物镜1可穿过外壳11。就这样的安装部分而言，举个例子，可以使用三个螺钉，他们被支撑在外壳11上以至于螺钉可移向也可以远离物镜1。
光源盒12是由加工金属薄片或类似的东西采用和外壳11同样的方法制成的盒形部件，基本上成八边形的平面形状，其中角部基本上斜切成矩形。在光源盒12的四个面中远离物镜1的那边，狭缝13沿着正交于光轴1A的平面形成。
光源盒12的内部，可以发出三种颜色的光(红，绿，蓝)的发光二极管20，按各自类型排列。各颜色的发光二极管20沿着光轴1A安装，使发红光(R)的二极管21，发绿光(G)的二极管22和发蓝光(B)的二极管23在图2中以一定的间隔依次自上而下排列，排列在光轴1A周围大体成矩形、并且分别与光轴1A基本上正交的平面中。就各色红、黄、蓝的发光二极管21，22，23而言，七个发光二极管被沿着基本上成矩形的平面的每一边排列，它们都和各自的边基本正交，其发光方向在远离光轴1A的方向上。
就各色发光二极管20而言，将聚焦透镜安装在发光方向的末端以便发射光束的发散角可以取给定的角度(如，20°)，并且这些发光二极管20可和控制电路及电源相联，图中未示。
沿各色发光二极管20的光发射方向的下游方向是反射镜组30，每一发射镜组由镜面31，32，33构成，镜面31，32，33分别形成了基本上为矩形的平面，这些镜面的纵向排列在基本上平行于红绿蓝各色发光二极管发出的光束的方向，并且这些镜面的纵向长度基本上等于被排列在矩形平面内的发光二极管20的各侧面的长度。再者，镜面31，32，33排列的倾角在沿光轴1A的横截面方向上与光轴1A大体成45°。
镜面31是反射镜，可把从红色发光二极管21发出的光沿光轴1A反射到待测物体3上。
镜面32，33分别是分光镜，其性能或者反射波长比给定波长短的光束而使比给定波长长的光束能够通过，或者是允许比给定波长短的光束通过而反射比给定波长长的光束。也就是说，镜面32，33是分光镜，其对应光的波长从反射到透射或从透射到反射的性能转变次数在波长确定的情况下只有一次。
镜面32被排列得使其可允许被镜面31反射的红光透过并且可以沿光轴1A朝待测物体3的方向反射从发绿光的二极管22发射出、波长比红光短的绿光。
镜面33的排列使其可反射透过32的红光和被32反射的绿光，并且允许从发蓝光的二极管23发射出的、波长比红光和绿光的波长都短的蓝光透过。
在把镜面33反射出来的红光和绿光与从镜面33中透射的蓝光混合在一起形成的照明光的照射方向的下游(亦即，与光轴1A正交的平面上远离光轴1A方向的下游)排列着反射镜4。反射镜40被放在光源盒12和外壳11矩形之间，反射镜40相对于光源盒12的位置可通过一个图中未显示的驱动装置沿光轴1A移动，该驱动器件安装在外壳11内。
反射镜40由金属制的反射镜体41构成，其中正对着光轴1A的侧面是抛光的镜面，从而形成了反光的反射面42。相对于沿光轴1A的横截面方向，沿远离光轴1A的方向，在反射面42上形成凸曲率，以使照明光被反射到待测物体3上。再者，对应于和光轴1A大体正交的平面方向上，其半径基本上是光轴1A到反射镜40之间距离的两倍凸曲率在远离光轴1A的方向形成于反射面42上，以至沿着基本上平行于大体排列成矩形的发光二极管20的光发射方向并射离光轴1A的方向照射的照明光可被反射到光轴1A上。
下面，解释本实施例的环形照明器10的操作方法。
首先，相对于预定的测试距离，根据待测物体3的尺寸、形状和测量范围调整物镜1的位置，环形照明器10安装在物镜1上。
为了根据待测物体3的色度调节照明器的色度，作为光源排列的分别为红、绿、蓝的发光二极管21，22，23中选择出适当颜色的发光二极管20，执行这些发光二极管20的发光和消光。也就是说，当分别为红、绿、蓝的所有发光二极管21，22，23通电时，由镜面组件30合成的照明光变成白光，而当只打开一个颜色的发光二极管时，只能得到这个颜色的照明光。再者，当从分别为红、绿、蓝的发光二极管21，22，23中选择任意两色发光二极管20一并打开时，获得的照明光是所选的两个颜色的组合。再者，通过部分打开或关闭被选的发光二极管21，22，23的任何一个或两个，很可能合成得到中间色的照明光。
进一步，为了根据待测物体3的待测表面的形状提供合适的照射角度，环形照明器10包括调节照射角度的透镜装置。例如，当要观察表面不规则的待测物体不规则的边缘时，调节装置可把照射角设为大照射角度θ2。也就是说，反射镜40以这样的方式被安装以便于反射镜40可以相对于构成发光本体的外壳11移动，并且光源盒12，如图2中双划线标示，可沿着光轴1A朝远离待测物体3的方向移动，同时，环形照明器10在物镜1上的安装位置靠近待测物体3。因为这样的布置，被光源盒12中镜面组件30混合并通过光源盒12中狭缝13的照明光在反射镜40的反射表面42靠近待测物体3的位置被反射，亦即，在有曲率的反射表面42的位置处，和光轴1A所夹的倾角小。相应的，反射的照明光照射到被测物体上，和光轴1A成大夹角θ2。
由于这样的结构，根据本实施例可以获得下列有益的效果。
(1)从单色红，绿，蓝的发光二极管21，22，23发射的光束通过镜面组件30被组合成特定色度的照明光，镜面组件被放置在发光二极管21，22，23前面，其中包括两个分光镜32，33，合成的照明光被照到待测物体3上，因此，可以使辐射的照明光的色度和待测物体3的表面颜色相对应。也就是说，从物镜1中得到的待测物体3的图像对比度被加强了，因此，可以有效地提高对待测物体3的边缘和类似区域观测的准确性。
(2)通过使用镜面组件30构成的组合装置合成从单色红，绿，蓝的发光二极管21，22，23发射的光束，被镜面组件30初步组合成特定色度的照明光照射到待测物体3上。相应的，和各单色光束被组合成待测物体3表面上的情况相比，照明光有均匀的一致性色度，没有了不规则性，从而进一步改善了观测的正确率。
(3)通过反射镜40把照明光集中到待测物体3上，提高了照明效率，从而可以减少发光二极管20的安装数量，由此使照明器小型化。
(4)和相关技术对比，可减少发光二极管20的安装数量，因此减少不利影响，譬如来自发光二极管20的热量会对图像测量装置件等的影响，同时，还可以减少电力消耗和电费。
(5)随着发光二极管20作为光源的使用，可以提供具有快速响应和长寿命的光源，而快速响应和长寿命是发光二极管的特征。再者，有了分别为红、绿、蓝的发光二极管21，22，23，可以产生由三原色光构成的白色照明光，同时，通过适当的改变红、黄、蓝的合成比例，可以产生由不同色度的照明光束。因此，可以向待测物体3照射与表面颜色各不相同的待测物体3相应的适当色度的照明光。
(6)随着构成镜面组件30作为组合装置的分光镜32，33的使用，可以混合一个特定色度的照明光。再者，通过以基本上呈矩形的平面、简单形状形成分光镜32，33，可以廉价的方式形成镜面组件30。更进一步，和使用曲面分光镜相比，可以容易地计算反射光和透射光的焦距，因此，容易实现分光镜32，33的排列和装配，同时，精确的组合照明光也是可行的。
(7)镜面32，33是分光镜，在分光镜中，对于给定波长的光，在从反射到透射或从透射到反射过程中，特征转变的次数是仅与给定光的波长相对应的。因此，与那些在多个波长上对应于光波长从反射到透射或从透射到反射过程中特性转变的次数是两次或更多次的分光镜相比，可以减小镜面表面气相沉积薄膜的层数，因此，薄膜形成的工艺变得容易了，同时，分光镜的反射效率和透射效率可以得到提高。
(8)照明器的成形使得发光二极管20的光发射方向是基本上垂直于光轴1A并远离光轴1A，镜片组30和反射镜40被排列到光发射方向的下游，在照明体的外部，与光轴1A平行方向的尺寸被缩减，因此，沿着光轴1A方向装配位置的自由度得到提高，同时装配照明体到物镜1，这就是可操作距离和照明角度的设置可以精确实现的原因，而且被测物体3的图象的探测精度能得到提高。
(9)反射镜40被放在在比光源盒12更远离光轴1A的位置，照明光被反射镜40反射进光轴1A的方向，因此，照明光照射到被测物体3的照明角θ1增大了，这就是被测物体3的边缘部分的影子具有立体的形状的原因，并能被清楚的探测。因为聚焦照明光到给定的位置的曲率是由反射镜40的反射面42规定的，所以通过聚焦的方法使得照明光照射到被测物体3的位置是可行的，因此照明效率得到了提高。
(9)反射镜40被设于比光源盒12更远离光轴1A的位置，照明光沿光轴1A的方向被反射镜40反射，因此，照射到待测物体3上的照明光角度θ1增大了，由此具有立体的形状的待测物体3的边缘部分的阴影能被清楚的探测。因为聚焦照明光到给定位置的曲面是是设置于反射镜40的反射面42上，所以通过集中的方式可使照明光照射到待测物体3的待测位置，由此照明效率得到了提高。
(10)相对于沿光轴1A的横截面方向和垂直于光轴1A的平面方向这两个方向，沿远离光轴1A的方向，反射镜40的反射面42上有一个凸曲率。因此，可以通过集中的方法使照明光照到待测物体，使得照明效率得以提高。
(11)通过允许反射镜40沿着光轴1A相对于外壳11和光源盒12相对移动，使得照明光在具有曲面的反射镜40的反射面42上反射时具有不同的倾角。可以改变反射角，而且照在被测物体3上的照明角可以进行调整。由此使照明光可以得到适当的照明角度θ1，θ2，它们与被测物体3的尺寸、形状和表面情况有关，从而使待测物体3边缘等的观测准确率更加提高成为可能。
第二实施例下面，对本发明的第二实施例进行说明。图4是按照第二实施例环形照明器50的一个横截面。环形照明器50的构造与上述第一实施例的不同之处在于发光二极管20作为光源的排列方向，以及用透镜54代替反射镜40作为聚焦手段。其它构造与第一实施例基本相同。
在图4中，红，绿、蓝各发光二极管21，22，23在分别基本上垂直于光轴1A的平面上排列成环形，其中发光二极管21，22，23大体排列成矩形，光的颜色不同，则这些矩形与光轴1A间的距离不同，且相互间以一定的间隔分开。也就是说，从最靠近光轴1A的是发红光的发光二极管21，次之是发绿光的二极管22，再者是发蓝光的二极管23，依次排列。各发光二极管20发光方向排列得基本上平行于光轴，以使光发射定向照射到待测物体3上。
于发光二极管20的光发射方向的下游排列着类似于上述第一实施例镜面组30的镜面组30。因为这些镜面组30，各来自于红、绿、蓝光发光二极管的光束可以在镜面30上反射或通过镜面组30远离光轴1A，组合一定色度的照明光。组合的照明光基本平行于光轴1A照向被测物体3。
容纳发光二极管20和镜面组30的光源盒52于待测物体3面对的底壁上有狭缝53允许照明光通过。狭缝53形成于远离物镜1的一边的底壁。
如图4所示，光源盒52安装于其上的外壳51形成一个向下敞开的环形，并带有有一个垂直通过中心的透镜通孔51A。
透镜54作为聚焦手段被安装在壳体51敞开的一边。透镜54是用透明玻璃制作的，并且被大体加工成圆环状。这里，透镜54中心基本对准光轴，厚度朝外围逐渐减小，并且在中心有一个孔55。而且，透镜54有使通过光源盒52上狭缝53的照明光发生偏转的功能，和以对应于焦距的照明角θ3把照明光聚焦到待测物体3上的功能。
因为这样的构造，按照本实施例，除以前提到的有益效果(1)，(2)，(4)，(7)外，还可以获得以下有益效果。
(12)组成照明器使得其发光二极管20的光发射方向被定向在基本上平行于光轴1A，镜面组30和透镜54被安装在光发射方向的下游。关于照明器的尺寸，在光轴1A轴向的尺寸能够做小，因此在物镜1上安装照明器不会防碍测量，因而会使测量快速进行。
(13)透镜54是一种普通的光学器件，由于它的使用，使得制造成本低廉的环形照明器50成为可能。同时，由于透镜54的高透射系数和准确率，可以使照明光的透射损失减小并且使照明光在在照明范围内准确聚焦，因而使照明效率进一步提高。
(14)物镜1能通过透镜54中部的孔55穿透环形照明器50。同时，使得反射光从被测物体3不受干扰连续到达物镜1，使得被测物体3能被准确测量。
第三实施例下面对本发明第三实施例进行说明。图5是第三实施例环形照明器60的一个横截面图。照明器60的组成不同于上述第一实施例照明器之处在于作为光源的发光二极管20的排列方向和作为聚焦手段的反射镜40的构成。其它组成与第一实施例基本上相同。
如图5所示，光源盒62安装于其上的外壳61形成一个向下敞开的环形，并带有有一个垂直通过中心的透镜通孔61A。
容纳发光二极管20和镜面组30的光源盒62于待测物体3面对的底壁上有狭缝63允许照明光通过。狭缝63形成于靠近物镜1的一边的底壁。
在图5中，红、绿、蓝各发光二极管21，22，23在分别基本上垂直于光轴1A的平面上排列成环形，其中发光二极管21，22，23大体排列成环形，光的颜色不同，则这些环形与光轴1A间的距离不同，且相互间以一定的间隔分开。也就是说，从最靠近光轴1A的是发兰光的发光二极管23，次之是发绿光的二极管22，再者是发红光的二极管23，依次排列。各发光二极管20发光方向排列得基本上平行于光轴，以使光发射朝向待测物体3。
于发光二极管20的光发射方向的下游排列着类似于上述第一实施例镜面组30的镜面组30。因为这些镜面组30，各来自于红、绿、蓝光发光二极管的光束可以在镜面30上反射或通过镜面组30远离光轴1A，组合一定色度的照明光。组合的照明光以基本平行于光轴1A的方向通过光源盒62上的狭缝63。
在盒61内，作为聚焦手段的反射镜40被安装在光源盒62面对着待测物体3的一侧。
反射镜40是由第一反射镜64和第二反射镜66组成的两种类型反射镜构成的。第一反射镜64包括处在平面的第一反射面65，该第一反射面65是平面状并且使通过了狭缝63的照明光沿远离光轴1A的方向反射。而且，第一反射镜64是整体固定在光源盒62上。
第二反射镜66包括第二反射面67，反射面67是弯曲形状的，带有在远离光轴1A的方向上对应于沿光轴1A方向的横截面方向和大体垂直于光轴1A的平面方向这两个方向的凸曲率，因此被第一反射面65反射的照明光在朝着待测物体3、照明角为θ4的方向上被反射和聚焦。而且，第二反射镜66相对于第一反射镜64的位置是可以沿光轴1A在(图中未示出)安装在壳体61里面的一个驱动设备驱使下而移动。
为了相应于环形照明器60中的待测物体3把照明角θ4调整到大的照明角θ5，安装时相对于第一反射镜64可以进行移动的第二反射镜66被沿着光轴1A移向光源盒62的一侧，见图5中双虚线所示，同时，环形照明器60于物镜1上的安装位置是在靠近待测物体3的位置。因为这样的结构，反射在第一反射面65上的照明光被反射在靠近待测物体3位置处的第二个反射镜66的反射面67，亦即，带有曲面的第二反射面67，其位置对光轴1A的倾角很小。因此，被反射的照明光以和光轴1A成θ5的大照明夹角的形式照射到待测物体3上。
这样一来，本实施例除了上述(1)到(7)提到的有益效果外，还可以获得以下有益效果。
(15)通过形成照明器，使其发光二极管20的光发射方向基本上平行于光轴1A，且镜子组件30、第一反射镜64以及第二反射镜66被排列在光发射方向的下游，关于照明器的尺寸，光轴1A周围轴向尺寸可以做小，因此，在把照明器安装到物镜1上进行测量时，照明器不会阻碍测量从而测量的操作可以快速完成。
(16)对应于两个方向，即一个是沿光轴1A的截面方向，一个是和光轴1A基本上正交的平面方向，在远离光轴1A的方向上，第二反射镜66的反射面设有凸曲率，因此，能够以集中的方式辐射照明光到待测物体3的测量位置上去，由此照明效率可被进一步提高。
(17)使第二反射镜66实现在沿光轴1A的方向对第一反射镜64的相对移动，则照明光反射在第二反射镜66有曲面的第二反射面67的位置倾角会有不同，以至反射角发生改变，由此，对待测物体3的照明角度可以进行调节。因此，得到了适应待测物体3的尺寸，形状和表面状况的合适的照明角度θ4，θ5的照明光，从而对待测物体3的边缘等类似地方的探测精度可以进一步提高。
本发明并不局限于上述各实施例，在实现本发明的范围内作出的改进和完善仍被包括在本发明中。
例如，尽管所做说明是对上述各个实施例用于图象测试仪的环形照明器进行的，但环形照明器还可以用于测量显微镜、工具显微镜、投影仪、三维图象测量装置和其他装置。
再者，尽管在上述各实施例中环形照明器被安装在物镜1上，但本发明并不局限在这样的安装方式。也就是说，环形照明器可以被安装在测量装置的本体或测量基架或其它位置。再者，除了测量器件外，提供了支撑环形照明器的部件，环形照明器可以被安装在它上面。此外，安装方法也不局限于使用三个支撑螺钉的安装方法，螺钉可以朝向物镜1移动或移离物镜1，可对环形照明器与待测物体间整操作距离进行适当调整的任何方法都是适用的。此外，安装方法可以采用可沿着光学系统的光轴移动的装置。
再者，上述各实施例中发光二极管20被排列成基本呈长方形的平面中。然而，本发明并不局限在这样的排列，发光二极管20可以排列在基本成环形的平面中、或基本上成三角形的平面中、基本上成五角形平面中或多边形平面中。
再者，红、绿、蓝各色发光二极管21，22，23的排列并不局限于上述各实施例中的顺序，可以采用不同的排列。这种情况下，可以采用其反射和透射性能与各色红，绿，蓝发光二极管21，22，23的排列相对应的分色镜。此外，还可以使用在多个波长上反射性能或透射性能的转变数是两次或更多次的分色镜。
再者，除了各色红、绿、蓝发光二极管21，22，23外，发白光的二极管也可以使用。因为这样的构造，可以实现调节照明光的色度而不降低其亮度。
再者，尽管在上述实施例中外壳和光源盒是由加工金属薄片材料制成，材料并不局限于金属薄片材料，可以由合成树脂制成。此外，反射镜由金属制成，在其反射表面用镜面抛光。然而，反射镜并不局限于这样的结构。也就是说，反射镜可以用玻璃或合成树脂制成，或仅仅是反射平面用玻璃或金属制成，或对反射面进行金属镀层之类的处理。
权利要求
1.一种环状照明器，其特征在于，它包括光源，由环绕光学系统光轴排列的复数个发光元件形成，该发光元件至少由两种类型的相互之间发光颜色不相同的发光元件以及形成光源的发光元件以外的元件组成，每组相同类型的光源在基本上垂直于光轴的同一平面上环绕光轴排列成环状；合并装置，该装置将发光元件辐射出的相互之间发光颜色不相同的光束合并并产生具有一定色度的照明光，该合并装置设置于发光元件发光方向的下游；以及聚焦装置，该装置将照明光聚焦在沿光轴方向的特定位置上，设置于所产生的照明光照射方向的下游。
2.根据权利要求1所述的环状照明器，其特征在于，具有不相同发光颜色且排列成环状的发光元件组件按照沿光轴方向相互之间有特定间距的方式排列，该发光元件组件的发光方向排列为从光轴为向外。
3.根据权利要求1所述的环状照明器，其特征在于，具有不相同发光颜色且排列成环状的发光元件组件沿圆周排列，这些圆周离光轴的距离各不相同，基本上处于垂直于各轴的同一平面，发光方向排列为与光轴基本平行。
4.根据权利要求1所述的环状照明器，其特征在于，复数个发光元件包括三种类型的发光二极管，分别发射红(R)、绿(G)、兰(B)光。
5.根据权利要求1所述的环状照明器，其特征在于合并装置的配置包括平面形状的分光镜。
6.根据权利要求5所述的环状照明器，其特征在于分光镜的特性是，或者反射波长比特定波长短的光而允许比该特定波长长的光透射，或者允许波长比特定波长短的光透射而反射比该特定波长长的光。
7.根据权利要求1所述的环状照明器，其特征在于设定合并装置所产生的照明光的照射方向为在一个平面上、基本上垂直于光轴、离开光轴向外，所述聚焦装置的配置包括反射镜将照明光聚焦在光轴方向，该反射镜包括分别有相对于平行和垂直于光轴的两个横截面方向的特定曲率的反射面。
8.根据权利要求1所述的环状照明器，其特征在于设定合并装置所产生的照明光的照射方向为基本上平行于光轴，聚焦装置的配置包括第一反射镜将照明光离开光轴的方向上反射，和第二反射镜将反射到反射镜上的照明光聚焦设定的光轴方向，以及至少第一反射镜和第二反射镜当中的一个包括分别有相对于平行和垂直于光轴的两个横截面方向的特定曲率的反射面。
9.根据权利要求1所述的环状照明器，其特征在于，光源和合并装置固定到照明器本体上，聚焦装置安装得使之在基本上平行于光轴的方向上相对于照明器本体可以移动，以及环状照明器具有调节装置可以通过执行照明器本体和聚焦装置的相对移动来调节照明光的聚焦位置。
10.根据权利要求1所述的环状照明器，其特征在于设定合并装置所产生的照明光的照射方向为基本上平行于光轴，聚焦装置的配置包括基本上呈圆环形、其中心位置有一个孔的透镜。
全文摘要
在光学系统的光轴周围、多个相互之间发射光颜色不同的发光元件中，相同颜色的发光元件的组件在一个或多个基本上垂直于光轴的平面内排列成环状。用于将不同发光颜色的辐射光束合并起来生成具有特定色度的照明光的合并单元设置在发光方向的下游。再者，将照明光聚焦在朝向光轴的方向上的聚焦单元设置于合并单元之前。由于如此结构，能够向待测物体辐射出对应于待测物体表面颜色有一致的、非异常色度的照明光。
文档编号F21V7/00GK1458543SQ0313118
公开日2003年11月26日 申请日期2003年5月16日 优先权日2002年5月17日
发明者下川清治, 长滨龙也, 小畑邦明, 松原弘宗 申请人:株式会社三丰