环形灯照明器、射束成形器及用于照明的方法

专利名称：环形灯照明器、射束成形器及用于照明的方法
技术领域：
本发明涉及环形灯照明器。本发明还涉及射束成形器。本发明还涉及用于照明的方法。
背景技术：
在许多光学检查或成像作业中，需要对待检查或成像的区域进行清晰地照明。对于许多这样的照明目的来说，在例如显微镜检查中使用环形灯，环形灯是提供暗视野照明的常用装置。在这些应用场合中，希望将被照明的区域限制于所期望的区域，并且在所期望的区域内具有均匀的光分布。可能的光源例如是弧光灯、LED (发光二极管)、激光二极管以及卤素灯泡。虽然弧光灯通常比LED提供更高的光強度，然而这些弧光灯也比LED具有更大的强度涨落以及较短的寿命；因此通常LED是较佳的光源选择。在将来自典型LED的光发射到LED周围的半球区域中时，需要光学元件将从ー个或多个LED发出的光尽可能地引到所期望的区域中、即弓I到待照明的区域中。欧洲专利申请EP I 919 001 Al涉及ー种用于产品检验的聚光灯装置，其中LED用作光源。为了使光在整个特定区域上均匀地分布，使来自LED的光穿过棒状透镜。来自LED的光通过聚光透镜被引入棒状透镜中。为了确保棒状透镜和聚光透镜适当对准，并且此外为了減少在光学系统组装过程中需处理的各个部件的数量，将棒状透镜和聚光透镜设置成光学単元的各个部段，即棒状透镜构成发光部段，而聚光透镜构成聚光部段。聚光部段将折射和反射组合起来，以将来自光源的光引到发光部段中。欧洲专利申请EP 2 177 816 A2披露了ー种光源阵列、尤其是LED阵列，该光源阵列的光被引到呈棒状的光学积分器中。基于光在积分器内的反射，该光学积分器对光进行均匀化和限制。光学积分器可以是具有反射内表面的中空管件或者具有透光材料的实心棒，其中光在光学积分器内的反射是由于全内反射而产生。光学积分器的横截面可以是圆形的、多边形的或者不规则的。又ー些光学元件可设置在光学积分器下游。对于每个光源来说，对应有用于控制和引导来自光源的光的光学元件。光学积分器可以是锥形的，以影响从光学积分器发出光的发散。欧洲专利申请EP I 150 154 Al披露了ー种照明系统、尤其是用于显微镜检查的照明系统，其中多个光源、较佳的是LED设置在环形载体中。LED能単独地或成组地控制，并且具有较小的发射角。德国专利申请DE 28 52 203披露了一种用于显微镜检查的照明装置，其中来自光源的光沿着光纤被引导，并且在光纤的对应端部处离开光纤，其中这些对应端部以环形方式设置。又一种基于光纤的环形照明系统例如在德国专利申请DE 40 16 264进行了披露。基于光纤的环形照明系统的问题在于离开光纤的光具有较大的发散。类似地，LED的环形结构趋于产生相当不均匀的照明区域，并且即使LED结合现有技术的聚光透镜使用，仍无法实现ー些应用场合所需的照明区域均匀度。最大光強度对于环形灯是极为重要的设计參数，因为环形灯固有地是“暗视野”照明，其中发散的光通常是观测目标。LED与弧光灯(用于正常显微镜观察的明亮照明标准)相比主要缺点在于LED通常较暗。基于LED的系统通常没有在所观察的目标处合适的光强度，并且，应极为谨慎地进行设计，以使图象处的可能光照最強。使光照最強对于机器视觉/检查尤为重要，其中积分时间无法任意延长来増大能够获得以产生良好曝光图象的光能。延长机器视觉系统中的积分时间会减小成像频率并且延长总的检查时间(成像时间)。由于检查机器的数值取决于在固定时间能对多少区域进行成像，因此使目标处的光照最強是极为重要的特征。 采用环形灯，待照明的区域通常在斜角下照明。来自环形灯中的各个光源的光束照射在待照明的表面上，使得相对应光束的表面法线和中心轴线之间的角度不是零也不是90°。待照明表面上相对应光束的横截面大于沿着表面法线的表面照明情形中相对应光束的横截面。因此，对于环形灯中的光束来说，光束強度与沿着表面法线照明相比分布在表面上的较大区域上。因此，有效地减小表面上可获得的光束強度。从最大光強度的上述目的的角度出发，这是不利的。

发明内容
本发明的目的是提供一种环形灯照明器，该环形灯照明器能够在表面上的待照明区域中产生良好限定且均匀的照明域。此外，尽管存在倾斜的照明角，来自环形灯照明器的光源的光应有效地聚集并被引向待照明的区域。通过ー种用于对表面上区域进行照明的环形灯照明器来实现该目的，该环形灯照明器包括 多个环形设置的光源； 聚光器，该聚光器分配给每个光源并且包围对应光源的发光表面；以及 歪像系统(anamorphic system),该歪像系统设置在姆个聚光器的光轴中，构造成将光引到待照明的区域中。本发明的又一目的是提供一种射束成形器，该射束成形器有效地聚集来自光源的光井且允许在斜角下将光引到待照明的表面上，而不会产生由于斜角入射而导致的表面可获得光强度减小。在待照明表面上产生的照明域也应具有较高的均匀度。 通过射束成形器来实现该目的，该射束成形器包括 聚光器，该聚光器构造成包围光源的发光表面； 均化棒，该均化棒构造成对从聚光器接收的光进行均化；以及 歪像系统，该歪像系统用于将均化棒的与聚光器相対的端部成像到待照明区域中。本发明的又一目的是提供一种射束成形器，该射束成形器有效地聚集来自光源的光井且允许在斜角下将光引到待照明的表面上，而不会产生由于斜角入射而导致的表面处可获得光强度减小。此外，射束成形器应具有紧凑的设计。通过射束成形器来实现该目的，该射束成形器包括 聚光器，该聚光器构造成包围光源的发光表面；以及 歪像光学系统，该歪像光学系统设置在聚光器的光轴上，并且构造成接收来自光源的光并将光引到待照明的区域上。根据本发明的环形灯照明器包括以环形方式设置的多个光源。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，每个光源分配有聚光器。聚光器构造成包围相对应光源的发光表面。由于此种构造，从光源的发光表面发出的光到达聚光器并且由聚光器聚集。此外，根据本发明，在聚光器的光轴中设有歪像系统。由聚光器聚集的光到达歪像系统，该歪像系统将光作为射束引到表面上的待照明区域中。光束在斜角下 照射到该表面上。歪像系统将射束成形为使得射束在表面上产生的截面落在表面上的待照明区域内。除了射束由歪像系统进行歪像整形以外，各实施例中的歪像系统可执行附加的光聚焦或透镜化功能。在特定的实施例中，这可通过为环形透镜或圆柱形透镜的歪像系统来实现，该歪像系统成形为除了纯粹的歪像功能以外，实现对分别穿过环形透镜或圆柱形透镜的光束进行附加的聚焦。在不同的实施例中，该歪像系统具有第一光学元件和第二光学元件，该第一光学元件具有光聚焦功能，而该第二光学元件执行歪像射束整形。在特定的实施例中，第二光学元件可以分别是环形透镜或圆柱形透镜，该环形透镜或圆柱形透镜成形为使得穿过第二光学元件的光束不会经受附加的聚焦。对于本领域技术人员显而易见的是，歪像系统能包括多个光学元件。例如，作为对单个环形透镜或圆柱形透镜的替代，歪像系统可包括多个透镜的组件，这些透镜一起执行歪像射束整形以及可选的附加光束聚焦。歪像射束整形大体是指将射束截面变形为，使射束截面沿垂直于射束光轴的第一方向的直径或宽度减小或扩大，而射束沿垂直于射束光轴的第二方向的宽度或直径保持不变。关于环形灯照明器，尤其是涉及射束沿第一方向的宽度或直径的减小。由于光束在表面上的斜角入射，如环形灯照明器的情形那样，射束在表面上的截面中沿着如下方向的直径扩大，即，由该表面与包括射束光轴和表面法线的平面之间的相交部所限定的表面中的方向。歪像系统对准成，使得射束沿完全或至少部分地垂直于射束光轴的第一方向的直径或宽度补偿射束在表面上的截面直径的扩大。射束在表面上的截面还取决于射束的发散度，较佳的是，将射束的发散度考虑到歪像系统的构造中，从而能实现对于射束在表面上截面的直径扩大进行所需的补偿。在平行射束、即具有平行光线的射束(看起来既不收聚也不发散)的情形中，射束在表面上沿着垂直于光轴的第一方向的直径需乘以射束光轴和表面法线之间角度的余弦而减小至所需的直径。在有利的实施例中，对于每个聚光器对应有均化装置。均化装置的目的在于降低整个光束的光強度不均匀性，使得在相对应光束的直径上的整个光强度最终以充分高的程度被均化。在本文中，充分的精确含义通过环形灯照明器所用于的相应照明人物的具体需求来限定。在一较佳实施例中，均化装置是具有圆形、椭圆形、矩形、方形、六边形、八边形或其它截面形状的棒；在此，截面垂直于与聚光器的光轴对准的棒轴线。棒具有第一端和第二端，通过第一端从聚光器接收光，而第二端沿着光轴而与第一端相对且光通过该第二端离开棒。光从棒的第二端到达歪像系统，并且通过该歪像系统被引到待照明的区域中。棒的均化功能由于光从棒的平行于光轴的侧部的反射、尤其是多次反射而实现。较佳的是，棒是实心材料件，至少能透过用于照明的光的波长，且反射是全内反射。或者，棒的侧部可设有反射涂层，或棒可以是具有反射内壁的中空管。有利的是，棒和聚光器形成一体単元，且尤其可制造成一件。这减少了在组装或维修环形灯照明器中需要处理的各个部件的数量，并且还避免了在组装或维修过程中使聚光灯和棒适当对准的需求。甚至更有利的是，聚光器、棒以及歪像系统形成一体単元并且可制造成一件。在替代的实施例中，均化装置是设置在聚光器上的纹理结构。由于光源的操作会产生热量，有利的是设有用于环形灯照明器的冷却机构。在各实施例中，该冷却机构包括散热片，这些散热片设置在环形灯照明器的外表面上，使得用于与环形灯照明器的周围环境进行热交換的表面増大。替代的或附加的冷却方法是利用液体进行冷却。在一特定的实施例中，根据本发明的用于对表面上的区域进行照明的环形灯照明器包括多个环形设置的光源。为每个光源分配射束成形器，该射束成形器由塑性材料通过注塑制成一件。在本文中，射束成形器具有聚光部分，该聚光部分包围ー个光源的发光表面，其中该聚光部分的功能基于全内反射并且基于折射。射束成形器还具有光均化部分，该光均化部分成形为棒并且设置和构造成通过棒的第一端接收来自聚光部分的光。棒的光均化功能基于光在棒内的全内反射。光通过棒的第二端离开棒，并且到达射束成形器的歪像部分。歪像部分执行透镜化功能(或光聚焦功能)以及歪像射束整形功能，该歪像部分通过这些功能将棒的第二端成像到表面上的待照明区域中。棒的第二端的图象歪像变形，以使图象由于光以斜角入射到表面上而产生的畸变得以完全或部分补偿。对射束成形器进行注塑会大大地简化制造。将射束成形器制成一件便于射束成形器的操作，因为在将射束成形器部署在环形灯照明器中时无需对单独的部件进行组装。用于射束成形器的ー种可能注塑材料是丙烯酸，另ー种会是聚碳酸酷。丙烯酸具有比聚碳酸酯更佳的投射能力，但对于承受升高温度方面能力较低。丙烯酸适用于照明源不会产生大量过热的应用场合。丙烯酸中的投射损失大略是每毫米0.25%，在射束成形器具有67mm总长的情形中，这会产生15%的损失。上文所述的射束成形器并不局限于环形灯照明器。根据本发明的射束成形器包括聚光部分、均化棒以及歪像系统，该聚光部分构造成包围光源的发光表面，均化棒构造成对从聚光器接收的光进行均化，而歪像系统用于将均化棒的与聚光器相対的端部成像到待照明的区域中。均化棒可以是圆形、椭圆形、矩形、方形、六边形、八边形或其它形状的截面；在此，该截面垂直于与聚光器的光轴对准的棒轴线。棒具有第一端和第二端，第一端构造成接收由聚光器聚集的光，而第二端沿着光轴与第一端相对且通过第一端接收的光通过该第二端离开棒。光从棒的第二端到达歪像系统，并且通过该歪像系统被引到待照明的区域中。棒的均化功能由于从棒的平行于光轴的侧部的对光的反射、尤其是多次反射而实现。较佳的是，棒是实心材料件，至少能透过用于照明的光的波长，且该反射是全内反射。或者，棒的侧部可设有反射涂层，或棒可以是具有反射内壁的中空管。
在各实施例中，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过注塑制成为一件。丙烯酸或聚碳酸酯再次是注塑材料的可能选择。在射束成形器的各实施例中，歪像系统除了歪像射束整形功能以外还执行光聚焦功能。在特定的实施例中，这可通过为环形透镜或圆柱形透镜的歪像系统来实现，该歪像系统成形为除了纯粹的歪像功能以外，实现对分别穿过环形透镜或圆柱形透镜的光束进行附加的聚焦。在不同的实施例中，该歪像系统具有第一光学元件和第二光学元件，该第一光学元件具有光聚焦功能，而该第二光学元件执行歪像射束整形。在特定的实施例中，第二光学元件可以分别是环形透镜或圆柱形透镜，该环形透镜或圆柱形透镜成形为使得穿过第二光学元件的光束不会经受附加的聚焦。在特定的实施例中，射束成形器由塑性材料通过注塑制成一件，并且包括聚光部分、光均化部分以及歪像部分。聚光部分构造成包围光源的发光表面。聚光部分的功能基于全内反射并且基于折射。光均化部分成形为棒。棒设置并且构造成通过棒的第一端接收来自聚光部分的光。棒的光均化功能基于光在棒内的全内反射。歪像部分构造成将与棒第一端相対的棒第二端成像到待照明区域中，在此执行透镜化功能和歪像射束整形功能。根据本发明的另ー射束成形器包括聚光器和歪像系统。聚光器构造成包围光源的发光表面。该歪像系统设置在聚光器的光轴上，并且构造成接收来自聚光器的光并将光引到待照明的区域上。该射束成形器可制成一件式。在一实施例中，该歪像系统具有光聚焦功能。较佳的是，该聚光器通过全内反射和折射的组合来执行其聚光功能。在特定的实施例中，射束成形器由塑性材料通过注塑制成一件，并且包括聚光部分和歪像部分。聚光部分构造成包围光源的发光表面。在该实施例中，聚光部分的聚光功能基于全内反射并且基于折射。歪像部分构造成将来自聚光器的光引到待照明区域中，在此执行透镜化功能和歪像射束整形功能。在根据本发明的用于对表面上的区域进行均匀照明的方法中，多个光源绕待照明的区域并且离该表面一定距离以环形方式设置。由每个光源发出的光被射束成形器聚集成具有预定截面的相应射束。在此，射束成形器的光轴在与该表面成斜角的情形下被引向该表面。射束沿着射束成形器的光轴由此在与该表面成斜角的情形下被弓I到待照明的区域中。此种斜角入射致使射束在表面上的截面区域相对于射束的截面变形。因此，在将每个射束引到待照明表面中之前,对该射束的截面进行歪像变形，以使得该射束在表面上的截面区域的变形得以补偿，或者換言之，使得射束在表面上的截面区域由于斜角入射而产生的变形与射束截面的歪像变形抵消。


现在将在利用附图得到的本发明以下详细描述中更完整地描述本发明的操作的本质和模式，其中图1a示出具有环形设置的光纤端部的现有技术环形灯照明器；图1b示出具有环形设置的光源的现有技术环形灯照明器；图2是图1b中示出的现有技术环形灯照明器可实现的強度分布；图3示出TIR透镜和光线以及由其在表面上产生的強度分布；
图4是设置在待照明表面上的环形灯照明器的示意图。图5示出在表面上的射束截面由于倾斜照明角而产生的畸变。图6a示出在表面于斜角下由光锥照明的情形中的总体几何图。图6b不出图6a所不光锥的截面,其中该截面垂直于光锥的光轴。图6c示出光锥在图6a所示表面上的截面区域。图7示出根据本发明的射束成形器和光线。图8a示意地示出由图7所示射束成形器所产生的光束的截面，其中该截面垂直于射束成形器的光轴。图8b示意地示出图8a中描述的光束在表面上的截面区域,该光束在斜角下照射到该表面上。图9是根据本发明的射束成形器的立体图；图1Oa是聚光器和均化棒的立体图；图1Ob是图1Oa所示聚光器和均化棒的另ー立体图；图11示出被置于带均化棒的聚光器中空腔内的光源；图12是聚光器中空腔的俯视图；图13是设置成环以构成根据本发明的环形照明器的多个射束成形器的可能实施方式的实施例。图14是根据本发明的另ー射束成形器的一实施例的示意图。
具体实施例方式对于各个附图，相同的附图标记代表相同的元件。此外，在附图中仅仅示出为了描述相对应附图所需的附图标记。所示出的实施例仅仅代表如何执行本发明的ー些示例。这并不应被认为对本发明有所限制。图1a示出现有技术的环形灯照明器10的构造。弧光灯12用作光源；来自弧光灯12的光通过合适的光学元件13 (在附图中仅仅示出一个此种元件)耦合到多根光纤11中。光纤11的端部14呈环形地设置在环形灯照明器11的环状载体17中，从而这些光纤能使从弧光灯12发出的光朝向将由载体17外切地照明的区域15发射。如光锥16所示，光从端部14发出，具有相当大的发散度，这意味这对于许多精确应用场合来说发散度过大。图1b示出现有技术的环形灯照明器20的另ー种构造。在环形载体27中，多个光源22以环形方式设置。光源22朝向待照明的区域15发出光。光源是LED，LED通常设有整形光学元件(未示出)，以使从LED发出的光绕预定方向聚集。如光锥26所示，尽管具有整形光学元件，从单个光源发出的光仍具有对于许多精确应用场合来说过大的发散度。图2示出利用图1b中所描述的环形照明器20可实现的強度分布I，包括将TIR透镜(參见图3)作为整形光学元件的八个光源。照明型式相当发散。所示出图象的中心区域仅仅比由其中一个光锥26所照明的区域稍亮，这表示相当大量的光強度朝向图象所示区域的偏离中心区引导，而非朝向待照明的中心区域15引导。利用图1a中描述的环形照明器10可获得的強度分布具有类似的情形。图3示出TIR (全内反射)透镜23。由光线100指示的来自光源22 (在此是LED)的光被TIR透镜23捕获并且朝向光斑110引导。通过两个原理来实现对光的引导占据TIR透镜23的中心部分的折射透镜部分24使光线100通过折射而被引导向光斑110。没有撞击折射透镜部分24而是由TIR透镜23捕获的光线100通过从TIR透镜23的侧表面25的全内反射而被引导向光斑110。此外，在图3中示出光斑110在与TIR透镜23的光轴19垂直的表面上的強度分布2。由TIR透镜23产生的強度分布2大略呈高斯分布，从而在光斑110的中部处具有最大強度，然而在该中部周围仍存在強度渐渐减小的较宽区域，即光斑110不存在被清楚限定的边缘。本文所描述的TIR透镜23能用作用于图1b中所描述现有技术环形照明器20的整形光学元件。不具有清楚限定边缘的光斑110的強度分布2是为何通过八个此种组合的光源22同TIR透镜23的协作产生的強度分布I如图2所示相当发散的ー个原因。图4示出环形灯照明器30在待照明表面31上的典型设置。该环形灯照明器30发出多个光锥36。在附图中，示出两个光锥36 ;为了更好地进行区分，利用实线来绘制其中一个光锥36，而利用虚线来绘制另一个光锥36。光锥36以具有直径38的截面区域32与表面31相交。直径38包含在由表面31的法线39与光锥36的光轴35所限定的平面中。待照明的区域15所具有的直径37通常小于截面区域32的直径38。待照明的区域15通常包含在截面区域32中。图5示出图4所示截面区域32的俯视图。此外还示出待照明的区域15。待照明的区域15所具有的直径37小于截面区域的直径38。待照明的区域15包含在截面区域32中。由于光锥36 (參见图4)在表面31 (參见图4)上的斜角入射，因而与待照明的区域15相比，截面区域32沿着直径38是细长的。因此，光锥36的光通量分布在截面区域32上，而该截面区域32大于待照明的区域15。因此，与沿着表面的法线39对待照明的区域15进行照明的情形相比，待照明15中的光强度减小。通常，此种强度减小是不期望的。图6a示出在斜角33下利用光锥36来对表面31进行照明的总体几何图。照明角33在此定义为由表面31的法线39和光锥36的光轴35所包围的角。照明角33在此并非是零度，从而对表面31进行的照明不是沿着表面31的法线39发生的。光锥36在截面区域32中与表面31相交。此外，还示出光锥36与光锥36的光轴35垂直的截面34。在图6b中示出截面34的俯视图，而在图6c中示出截面区域32的俯视图。在所示的情形中，截面34是圆形的并且具有直径D。截面区域32具有第一直径38和第二直径Q，该第二直径垂直于第一直径38。本文中，在光轴35与表面31相交的位点处剖取垂直于光轴35的截面34。因此，在该情形中，直径Q等于直径D。另ー方面，位于由光轴35和表面法线39所限定的平面中的直径38与截面34的直径D相比是拉长的。在所示的示例中，直径38和D的相对尺寸通过照明角33和光锥36的发散度来确定。对于本领域技术人员显而易见的是，不仅对于光锥、即发散光束会发生如下情形、而且对于聚集光束和平行光线的光束也会发生如下情形截面区域32的直径38相对于截面34的直径D延长。如果与光束的光轴35垂直的光束截面34具有不同于圆形的形状、例如椭圆形、矩形、方向、多边形或任何其它形状，则显然也会发生此种延长情況。图7示出根据ー较佳实施例的射束成形器50，该射束成形器包括聚光部分60、呈棒状的均化部分70、锥形部段52以及歪像部分80，该歪像部分在此是圆柱形透镜，执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中并且发出由光线100所指示的光。聚光部分60聚集来自光源的光井且通过均化棒70的第一端71将光引到均化棒70中。均化棒70沿着射束成形器50的光轴19对准。射束成形器的光轴19与聚光部分60的光轴重合。在均化棒70中，光通过从均化棒70的侧表面73的反射、通常是多次反射来均化。例如由诸如塑性材料或玻璃之类的材料通过注塑将射束成形器50制成一件式，该材料可被光波长适用于射束成形器的光所透射，且从侧表面73的反射是全内反射。光通过均化棒70的第二端72离开均化棒70并且进入锥形部段52。光从锥形部段到达歪像部分80，该歪像部分将光引到光斑110上。光斑110的強度分布是均化棒70的第二端72的图象，并且由于歪像部分80的歪像射束整形功能产生附加的歪像变形。附图中所示出的光斑110位于垂直于射束成形器50的光轴19的平面中。锥形部段52的目的在于在均化棒70的第二端72和歪像部分80之间建立固定距离。由于将射束成形器50制造成一件式，因此在对光学系统进行组装的过程中，无需将各个部件、即聚光部分60、均化棒70以及歪像部分80对准。这简化了对射束成形器50的操纵以及对光学系统、例如图1b所示类型的环形灯照明器20的组装；与现有技术相比，仅仅将所描述的射束成形器50而非TIR透镜用作根据本发明环形灯照明器的各实施例中的整形光学元件。当然，射束成形器50也能用于其它照明目的，而非局限于环形灯照明。图8a示意地示出由图7所示射束成形器50所产生的光束的截面34，其中截面34垂直于射束成形器50的光轴19 (參见图7)。在沿着表面法线39 (參见图6a)进行照明的情形中，即在射束成形器50的光轴19平行于表面法线39的情形中，该截面34会与光斑110的形状相对应(參见图7)。由于在图7所示射束成形器50的实施例中，均化棒70具有呈规则八边形的截面，因而截面34在此是八边形的。光束的截面34的形状是八边形的，但并非呈规则八边形的形状。截面的第一直径Dl小于沿着与第一直径Dl的方向垂直的方向的第二直径D2。光束截面34的此种变形是由于歪像部分80的歪像射束整形而产生(见图7)。图8b示意地示出图8a中描述的光束在表面31上的截面区域32，如图6所描述的光锥36的情形，光束在斜角33下照射到表面31上。直径38的方向沿着表面31和一平面之间的相交部，该平面包括光束光轴和表面法线39。在图8a和Sb所示的情形中，使得截面34的第一直径Dl的方向也落在该平面内。歪像部分80构造成使得光束的截面34的第一直径Dl由于歪像射束整形而产生的减小弥补截面区域32由于光束在表面31上的斜角33入射而产生的沿着直径38的方向的延长。在所示的情形中，截面区域32的垂直于直径38的直径Q既不受歪像射束整形又不受斜角入射的影响。对于所示的构造而言，截面区域32的直径Q与光束的截面34的第二直径D2相等。图9示出已在图7中示出的根据本发明的射束成形器50的立体图。在此，示出离开歪像部分80的光线100。在图7中已描述了此种射束成形器50的构造。聚光部分60具有空腔61，光源(未示出)会被置入到该空腔中。聚光部分60的大体构造与图3所示的TIR透镜23的构造相对应，如图3所示。歪像部分80的直径82规定了能设置在环形照明器20中的射束成形器50的数量。图1Oa和IOb分别是聚光器60或聚光部分60的立体图，该聚光器或聚光部分用于图7和9所示根据本发明的射束成形器50，以及用作用于根据本发明的环形灯照明器的整形光学元件，该环形灯照明器可由若干部件构成。图中仅仅示出附连于聚光器60的均化棒70的一部分。均化棒70在此具有六边形截面，且聚光器60的形状与均化棒70的截面相适应，同样在与均化棒70的第一端71相邻的部段中具有六边形截面。图1Ob清楚地示出聚光器60的空腔61，光源(未示出)、通常是LED插入到该空腔中。图11不出聚光器60和一部分均化棒70的剖视图。将LED62置于聚光器60的空腔61中。类似于图3所示TIR透镜23，聚光器60具有折射透镜部分64，该折射透镜部分聚集发射到聚光器60的光轴66周围的中心区域中的光。该区域的截面通过折射透镜部分64的形状和尺寸而确定。由LED发射到中心区域外部的区域的光通过从聚光器60的侧表面65的全内反射而被引到均化棒70中。图12是聚光器60中空腔61的俯视图，类似于图11所示LED62的光源被插在该空腔中。空腔61和折射透镜部分64在此具有六边形截面。图13是设置成环以形成根据本发明的环形照明器20的多个射束成形器50的可能实施方式的实施例。设置在环形照明器20中的多个射束成形器50为待照明的区域15 提供均匀的照明。歪像部分80的直径82 (參见图9)规定了设置在环形照明器20中的射束成形器50的数量。在此处示出的实施例中，歪像部分80的直径82是30mm，这使得大约有24个射束成形器50设置在环形照明器20中。图14示出根据本发明的另ー射束成形器90的实施例。图3中描述的TIR透镜23用作聚光器。在该实施例中，TIR透镜23构造成聚集来自光源22的光并且将光引向歪像系统80，该光源22插入到聚光器或TIR透镜23的空腔61中且由此被聚光器所封围。歪像系统80执行歪像射束整形功能，并且在特定的实施例中还可执行光聚焦功能。在所示的实施例中，歪像系统80是圆柱形透镜。如图所示的射束成形器90能用在根据本发明的环形灯照明器中，然而并非局限于该特定的用途。在任何情形中，例如在图4、5、6a、6b和6c中所描述的，如果来自射束成形器90的射束在斜角下被引到表面上，由歪像系统80执行的歪像射束整形能有利地用于补偿来自该射束成形器90的光束与该表面的截面区域的延长。可以通过在射束成形器90的至少ー个光学表面上、即在来自光源22的光线100所通过的至少ー个表面上提供纹理结构来实现对光束的附加均化。可提供用于对光束进行均化的ー个可能表面是表面91。在附图中，为了简化起见，仅仅示出来自光源22的两道光线100，一道光线穿过TIR透镜23的折射透镜部分24并由此通过折射而被引到歪像元件80，而另一道光线100照射在TIR透镜23的侧表面25上并且通过从侧表面25的全内反射被引到歪像元件80。由于该实施例的射束成形器90并不如图7所示射束成形器50那样具有均化棒70，因此该射束成形器90比之前的射束成形器50具有更紧凑的设计。已參照特定实施例描述了本发明。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，在不偏离所附权利要求的范围和精神的情形下，能进行这些替代和修改。附图标记I, 6强度分布2，3，4，5 强度分布10, 20, 30环形灯照明器11光纤12弧光灯13光学元件14光纤端部0097]15待照明区域0098]16，26光锥0099]17，27载体0100]19，66光轴0101]22光源0102]23TIR透镜0103]24，64折射透镜部分0104]25，65侦U表面0105]31表面0106]32截面区域0107]33照明角0108]34截面0109]35光锥的光轴0110]36光锥 0111]37待照明区域的直径0112]38截面区域的直径0113]39表面法线0114]50射束成形器0115]52锥形部段0116]60聚光器、聚光部分0117]61空腔0118]62LED0119]70均化棒、呈棒状的均化部分0120]71均化棒的第一端0121]72均化棒的第二端0122]73均化棒的侧表面0123]80歪像系统、歪像部分0124]82歪像系统/歪像部分的直径0125]90射束成形器0126]91纹理结构的表面0127]100光线0128]110光斑0129]D截面的直径0130]Dl截面的第一直径0131]D2截面的第二直径0132]Q截面区域的直径
权利要求
1.用于对表面上的区域进行照明的环形灯照明器，包括 多个环形设置的光源； 聚光器，所述聚光器被分配给每个光源并且包围相对应光源的发光表面；以及 歪像系统，所述歪像系统设置在每个聚光器的光轴中，构造成将光引到待照明的区域中。
2.如权利要求1所述的环形灯照明器，其特征在于，所述歪像系统额外地执行光聚焦功能。
3.如权利要求2所述的环形灯照明器，其特征在于，至少一个歪像系统是环形透镜或圆柱形透镜。
4.如权利要求1所述的环形灯照明器，其特征在于，所述歪像系统具有第一光学元件和第二光学元件，所述第一光学元件具有光聚焦功能，而所述第二光学元件执行歪像射束整形。
5.如权利要求4所述的环形灯照明器，其特征在于，所述第二光学元件是环形透镜或圆柱形透镜。
6.如权利要求1所述的环形灯照明器，其特征在于，对于每个聚光器对应有均化装置，所述均化装置用于对来自所述聚光器的光进行均化。
7.如权利要求6所述的环形灯照明器，其特征在于，所述均化装置是棒。
8.如权利要求7所述的环形灯照明器，其特征在于，所述棒的均化功能基于光在所述棒内的全内反射。
9.如权利要求7所述的环形灯照明器，其特征在于，聚光器和相对应的棒形成一件式单元。
10.如权利要求7所述的环形灯照明器，其特征在于，聚光器、相对应的棒以及相对应的歪像系统形成一件式单元。
11.如权利要求6所述的环形灯照明器，其特征在于，所述均化装置是设置在所述聚光器上的纹理结构。
12.如权利要求1所述的环形灯照明器，其特征在于，每个光源具有至少一个发光二极管(LED)。
13.如权利要求1所述的环形灯照明器，其特征在于，所述环形灯照明器具有多个散热片。
14.用于对表面上的区域进行照明的环形灯照明器，包括 多个环形设置的光源；以及 射束成形器，所述射束成形器被分配给每个光源，其中所述射束成形器由塑性材料通过注塑制成一件式，且每个射束成形器包括 聚光部分，所述聚光部分包围一个光源的发光表面，其中所述聚光部分的功能基于全内反射并且基于折射； 光均化部分，所述光均化部分形成为棒，并且被设置且构造成接收来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内的全内反射；以及歪像部分，所述歪像部分执行透镜化功能和歪像射束整形功能。
15.射束成形器，包括 聚光器，所述聚光器构造成包围光源的发光表面； 均化棒，所述均化棒构造成对从所述聚光器接收的光进行均化；以及 歪像系统，所述歪像系统用于将所述均化棒的与所述聚光器相对的端部成像到待照明区域中。
16.如权利要求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.如权利要求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.如权利要求15所述的射束成形器，其特征在于，所述歪像系统执行光聚焦功能。
19.如权利要求18所述的射束成形器，其特征在于，所述歪像系统是环形透镜或圆柱形透镜。
20.如权利要求15所述的射束成形器，其特征在于，所述歪像系统具有第一光学元件和第二光学元件，所述第一光学元件具有光聚焦功能，而所述第二光学元件执行歪像射束整形。
21.如权利要求20所述的射束成形器，其特征在于，所述第二光学元件是环形透镜或圆柱形透镜。
22.如权利要求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过注塑而被制成一件，且所述射束成形器包括 聚光部分，所述聚光部分构造成包围光源的发光表面，其中所述聚光部分的功能基于全内反射并且基于折射； 光均化部分，所述光均化部分形成为棒，并且被设置且构造成接收来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内的全内反射；以及 歪像部分，所述歪像部分构造成将所述均化部分的与所述聚光部分相对的端部成像到待照明区域中，在此执行透镜化功能和歪像射束整形功能。
24.射束成形器，包括 聚光器，所述聚光器构造成包围光源的发光表面；以及 歪像系统，所述歪像系统设置在所述聚光器的光轴上，并且构造成接收来自所述聚光器的光并将所述光引到待照明的区域上。
25.如权利要求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.如权利要求24所述的射束成形器，其特征在于，所述歪像系统具有光聚焦功能。
27.如权利要求24所述的射束成形器，其特征在于，所述聚光器通过全内反射和折射的组合来执行其聚光功能。
28.射束成形器，所述射束成形器由塑性材料通过注塑制成一件式，且所述射束成形器包括 聚光部分，所述聚光部分构造成包围一个光源的发光表面，其中所述聚光部分的功能基于全内反射并且基于折射；以及 歪像部分，所述歪像部分设置在所述聚光部分的光轴上，并且将来自所述聚光部分的光引到待照明的区域中，在此执行透镜化功能和歪像射束整形功能。
29.利用多个光源对表面上的区域进行均匀照明的方法，包括以下步骤 绕待照明的区域以环形方式并且离开所述表面一定距离地设置所述多个光源； 利用射束成形器将每个光源所发出的光聚集成预定截面的相应射束，其中所述射束成形器的光轴在与所述表面所呈的斜角下被引向所述表面； 使每个射束的截面歪像变形并且在所述斜角下将所述射束引到待照明的区域中，其中所述射束的截面的歪像变 形使得所述射束在所述表面上由于斜角入射而产生的截面区域变形得以补偿。
全文摘要
披露了一种带有环形设置光源的环形灯照明器。对于每个光源对应有聚光器、均化装置以及歪像系统，该均化装置用于来自光源的光，而歪像系统用于将均化装置的输出成像到待照明区域中。歪像系统对由于光束在表面上的斜角入射而产生的光束在待照明表面中的截面区域的变形进行补偿。各实施例中的均化装置是棒，来自聚光器的光被引到该棒中。棒的与聚光器相对的端部由歪像系统成像到表面上的待照明区域中。还披露了一种照明方法。
文档编号F21V8/00GK103026125SQ201180036224
公开日2013年4月3日 申请日期2011年7月25日 优先权日2010年7月30日
发明者D·布吉斯 申请人:克拉-坦科股份有限公司