ОСВЕТИТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК G02B27/00 G02B21/06 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в аппаратуре для подсветки рабочего поля оптических приборов, в которой для выравнивания светораспределения по освещаемому полю используются линзовые растры, в частности, в осветителях для подсветки рабочего поля микроскопов и бинокулярных луп.

Существуют осветители, имеющие многокомпонентную оптическую систему с несколькими линзовыми растрами [1, 2]. Такие осветители обеспечивают высокую равномерность светораспределения в освещаемом поле.

Недостатком таких осветителей являются потери световой энергии при прохождении светового пучка через многокомпонентную оптическую систему.

Наиболее близким по техническому решению является осветитель, содержащий оптически связанные источник света, линзовой растр и фокусирующий объектив [3] . Недостатком таких осветителей является то, что, во-первых, размер освещаемой площадки полностью определяются углом рассеяния линзового растра, поэтому большие размеры освещаемого поля требуют больших значений угла рассеяния линзового растра, что приводит к ухудшению равномерности светораспределения, а также потерям световой энергии из-за возрастающих аберраций растра, во-вторых, передний апертурный угол фокусирующего объекта прямо пропорционален его относительному отверстию, а большой передний апертурный угол фокусирующего объекта требует его большого относительного отверстия, что вызывает дополнительные потери света.

Поэтому такой осветитель не может одновременно обеспечить высокую равномерность светораспределения по освещаемому полю и высокий коэффициент использования светового потока от источника света.

Задачей изобретения является повышение коэффициента использования светового потока от источника света при сохранении высокой равномерности светораспределения по освещаемому полю.

Поставленная задача достигается тем, что в осветителе, содержащем оптически связанные источник света, линзовый растр и фокусирующий объектив, в отличие от прототипа, отношение W тангенса номинального угла рассеяния u линзового растра к тангенсу угла рассеяния u' линзового растра в осветителе не превышает 1.5, а линзовый растр выбирается с параметрами, удовлетворяющими следующим соотношениям:
0,5D/(3L/W)≤ tg(u) ≤ 0,15W
Y ≤ 0,04L•W•tg(u),
где
D - диаметр освещаемого поля; L - расстояние от осветителя до освещаемого объекта; Y - шаг линзового растра.

Осветитель дополнительно содержит растр-коллектив, расположенный в плоскости мультиплицированного изображения источника света.

Эффективной считается такая осветительная система, которая обеспечивает: полный захват светового потока от источника света; формирование на заданном расстоянии от осветителя светового поля требуемых размеров и формы с равномерным светораспределением; отсутствие потерь световой энергии при прохождении светового пучка от источника света до освещаемого объекта.

В настоящее время для формирования светового поля требуемых размеров и формы с равномерным светораспределением успешно применяются осветители с линзовыми растрами. Однако существующие растровые осветители не удовлетворяют в полной мере вышеперечисленным требованиям по следующем причинам. В известных осветителях светящееся тело источника света проектируется фокусирующим объективом в плоскость освещаемого объекта. При этом, во первых, размеры освещаемого поля полностью определяются углом рассеяния линзового растра, и увеличение угла рассеяния линзового растра ухудшает равномерность светораспределения в освещаемом поле. Кроме того, увеличение угла рассеяния обуславливает увеличение аберраций линзового растра, которые приводят к световым потерям. Во-вторых, при заданной величине расстояния от фокусирующего объектива до освещаемого объекта передний апертурный угол фокусирующего объектива (который должен быть согласован с диаграммой направленности излучения источника) прямо пропорционален относительному отверстию объектива, и увеличение переднего апертурного угла требует увеличения относительного отверстия объектива, что приводит к увеличению рассеяния световой энергии из-за возрастающих аберраций объектива.

В предлагаемом изобретении световое поле формируется не только за счет угла рассеяния растра, но также и за счет задней апертуры фокусирующего объектива. Это позволяет, во-первых, уменьшить угол рассеяния растра, а, во-вторых, снизить относительное отверстие фокусирующего объектива.

Коэффициент W, равный отношению тангенса номинального угла рассеяния u линзового растра к тангенсу угла рассеяния u' линзового растра в осветителе, выражается через параметры оптической системы и в зависимости от положения линзового растра в осветителе коэффициент W выражается следующим образом:
- при расположении линзового растра перед фокусирующим объективом W ≅ 1/(1-d/f'),
- при расположении линзового растра после фокусирующего объектива
где a - расстояние от источника света до фокусирующего объектива; d - расстояние между линзовым растром и фокусирующим объективом; f' - фокусное расстояние фокусирующего объектива. При этом величина W не должна превышать 1,5, чтобы не вызвать увеличения номинального угла расстояния линзового растра и, соответственно, увеличения аберраций линзовых элементов растра.

При этом максимальное значение угла рассеяния растра ограничивается неравенством tg(u)≤0,15•W, причем W = tg(u)/tg(u') ≤ 1,5,
так как известно, что при апертуре освещающего пучка (определяемого в данном случае действующим углом рассеяния растра u'), не превышающего величину 0,15, сохраняется высокая равномерность светораспределения в освещаемом поле. Кроме того, в этом случае потери световой энергии из-за светорассеяния, вызываемого аберрациями линзовых элементов растра, незначительны. Однако сильное уменьшение угла рассеяния растра может привести к ухудшению равномерности светораспределения, поэтому величина угла рассеяния должна иметь также минимально допустимое значение, которое выводится из условия, что отношение размера светового пятна, формируемого за счет апертуры фокусирующего объекта, и размера светового пятна, формируемого за счет угла рассеяния растра, не должна превышать 3 и устанавливается соотношением tg(u) ≥ 0,5D/(3L/W).

Шаг растра Y выбирается из условия обеспечения равномерности светораспределения по освещаемому полю за счет наложения достаточного количества световых пучков (не менее 50) от отдельных линзовых элементов растра: Y ≤ 0,04L • W • tg(u).

Относительное отверстие D_о/f' объектива при этом находится из следующего выражения:
0,5D_о/f' = (tg(u)•a-0,5D)/L-tg(u)-tg(u) • W,
где D_о - диаметр входного зрачка объектива; f' - фокусное расстояние объектива.

Преимущества предлагаемого осветителя по сравнению с существующими иллюстрируется на следующем численном примере; приведенном в таблице.

В этом примере предполагается, что растр установлен таким образом, что величина W = 1.

Из приведенного примера следует, что при одинаковом диаметре освещаемого поля и расстоянии до освещаемого объекта, а также одинаковых габаритах, предлагаемый осветитель имеет значительно меньшие значения угла рассеяния растра и относительного отверстия объектива.

Следует отметить также, что данный осветитель по сравнению с существующими имеет меньшие габариты.

Введение в осветитель растр-коллектива, расположенного в плоскости мультиплицированного изображения источника света, устраняет влияние на светораспределение структуры тела накала источника света, как правило при использовании ламп накаливания.

На фиг. 1 изображена оптическая схема осветителя с ходом лучей при расположении растра перед фокусирующим объективом;
на фиг. 2 изображена оптическая схема осветителя с ходом лучей при расположении растра после фокусирующего объектива;
на фиг. 3 - оптическая схема осветителя с растр-коллективом.

Осветитель содержит оптически связанные источник света 1, фокусирующий объектив 2 и линзовый растр 3 (см. фиг. 1, 2). Освещаемый объект располагается в плоскости 4.

Осветитель может дополнительно содержать растр-коллектив 5, расположенный в плоскости мультиплицированного изображения источника света (см. фиг. 3).

В качестве источника света в растровых осветителях, как правило, используются источники света со светящимся телом минимальных размеров, что обеспечивает эффективное использование световой энергии источника. Это галогенные или дуговые лампы, а также лазерные источники.

При использовании в качестве источника света электрических ламп для полного захвата излучения в зависимости от типа лампы применяют сферические или эллиптические отражатели.

Угол рассеяния линзового растра ограничивается сверху величиной 0,15 • W, которая дает неоднородность светораспределения не более нескольких процентов. Кроме того, в этом случае аберрации растра не дают ощутимых потерь световой энергии. Сильное уменьшение угла рассеяния растра может привести к ухудшению равномерности светораспределения, поэтому величина угла рассеяния должна иметь также минимально допустимое значение, которое выводится из условия, что отношение размера светового пятна, формируемого за счет апертуры фокусирующего объектива, и размера светового пятна, формируемого за счет угла рассеяния растра не должно превышать 3 и устанавливается соотношением: tg(u) ≥ 0,5D/(3L/W).

Шаг растра Y, выбираемый из приведенных соотношений, обеспечивает достаточное количество перекрывающихся световых пучков от отдельных линзовых элементов (не менее 50), чтобы получить высокую равномерность светораспределения в освещаемом поле.

В случае применения в осветителе источника света с протяженным, неоднородным светящимся телом, что наиболее характерно для ламп накаливания, на светораспределение в освещаемом поле влияют размеры и структура светящегося тела. Для устранения этого влияния в осветитель дополнительно вводится растр-коллектив, устанавливаемый в плоскости мультиплицированного изображения источника света. Параметры растр-коллектива рассчитываются по известной методике в зависимости от геометрии светящегося тела источника света и параметров основного растра.

Расстояние a от источника света до фокусирующего объектива выбирается в соответствии с габаритными требованиями. Относительное отверстие фокусирующего объектива определяется из приведенного выражения:
0,5D_о/f' = (tg(u) • a-0,5D)/L-tg(u)-tg(u) • W,
где
D_о - диаметр входного зрачка объектива; f' - фокусное расстояние объектива.

Расстояние d между линзовым растром и фокусирующим объективом выбирается таким, чтобы коэффициент W не превышал величины 1.5, так как при этом обеспечивается диапазон оптимальных характеристик линзового растра. При этом используются соотношения:
- при расположении линзового растра перед фокусирующим объективом W ≅ 1/(1-d/f'),
- при расположении линзового растра после фокусирующего объектива
,
где
a - расстояние от источника света до фокусирующего объектива; d - расстояние между линзовым растром и фокусирующим объективом; f' - фокусное расстояние фокусирующего объектива.

Световой пучок от источника света 1 захватывается фокусирующим объективом 2 и направляется в плоскость освещаемого объекта. Линзовый растр 3 делит световой пучок от источника света на множество отдельных пучков, которые накладываются друг на друга в плоскости освещаемого объекта и образуют освещаемое поле. Растр-коллектив 4 совмещает световые пучки от внеосевых точек источника света со световым пучком от осевой точки.

Источники информации.

1. Патент N 3-78607, Япония.

2. П. И.Исаев. Эффективность осветительных систем для проекции. М.: Искусство, 1988., с.90.

3. С. Н. Натаровский. Степень когерентности освещаемого объекта, создаваемого растровым осветителем. - Оптика и спектроскопия, 1988, т. 64, вып. 5, с. 1144-1147.

Осветитель может быть использован для подсветки рабочего поля оптических приборов. Осветитель содержит оптически связанные источник света, линзовый растр и фокусирующий объектив. Отношение W тангенса номинального угла рассеяния u линзового растра к тангенсу угла рассеяния u' линзового растра в осветителе не превышает 1,5. Линзовый растр выбирается с параметрами, удовлетворяющими соотношениям, приведенным в формуле изобретения. Осветитель дополнительно может содержать растр-коллектив, расположенный в плоскости мультиплицированного изображения источника света. 1 з.п.ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1. Осветитель, содержащий оптически связанные источник света, линзовый растр и фокусирующий объектив, отличающийся тем, что отношение W тангенса номинального угла рассеяния u линзового растра к тангенсу угла рассеяния u' линзового растра в осветителе не превышает 1,5, а линзовый растр выбирается с параметрами, удовлетворяющими следующим соотношениям:
0,5D/(3L/W) ≤ tg(u) ≤ 0,15W
Y ≤ 0,04L • W • tg(u),
где D - диаметр освещаемого поля;
L - расстояние от осветителя до освещаемого объекта;
Y - шаг линзового растра. 2. Осветитель по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит растр-коллектив, расположенный в плоскости мультиплицированного изображения источника света.