ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Советский патент 1996 года по МПК G02B21/06 

Изобретение относится к оптике, а более точно к осветительным устройствам микроскопов, и может быть использовано помимо микроскопии в фототелеграфной и кинопроекционной технике.

Цель изобретения расширение эксплуатационных возможностей путем обеспечения плавного изменения метода и режима освещения объекта.

На фиг. 1 приведена принципиальная оптическая схема осветительного устройства с ходом лучей; на фиг. 2 принципиальная оптическая схема осветительного устройства с ходом лучей, содержащая коллектор и светопровод, выполненный в виде волоконно-оптического жгута; на фиг. 3 приведен фрагмент оптической схемы осветительного устройства с ходом лучей включающий в себя источник света и светопровод; на фиг. 4 фрагмент оптической схемы осветительного устройства с ходом лучей, включающий в себя источник света и приведенный к воздуху (редуцированный) светопровод; на фиг. 5 и 6 представлены изображения источника света, даваемые светопроводом в зависимости от формы его поперечного сечения; на фиг. 7 приведен фрагмент оптической схемы осветительного устройства с ходом лучей, включающий в себя светопровод и источник света, смещенные друг относительно друга; на фиг. 8 сечение А А на фиг. 7.

Осветительное устройство (см.фиг.1) содержит последовательно установленные источник 1 света, светопровод 2 с боковой отражающей поверхностью и конденсор 3. При этом выходной торец светопровода 2 оптически сопряжен с плоскостью установки освещаемого объекта, а источник 1 света и входной торец светопровода 2 установлены с возможностью перемещения в пространстве друг относительно друга. Боковая поверхность светопровода 2 может быть выполнена в виде боковой поверхности многогранника, а сам светопровод в этом случае установлен с возможностью вращения вокруг своей оси. Для равномерного освещения объекта между выходным торцом светопровода 2 и конденсатором 3 устанавливается линзовый растр 4. Источник 1 света может быть выполнен в виде лазера. Светопровод 2 может быть выполнен в виде одиночного гибкого оптического волокна или в виде жгута или шайбы, содержащих не менее чем два одинаковых световода (см.фиг.2). С целью повышения энергетических характеристик устройства между источником 1 света и светопроводом 2 устанавливается коллектор 5 (см.фиг.2).

Устройство (фиг. 3) содержит источник 1 света и светопровод 2, выполненный в виде прямого жесткого светопровода с прямыми торцами, имеющего длину d и размер поперечного сечения в меридиональной плоскости, равный D. Световод изготовлен из оптического стекла, имеющего показатель преломления n. Источник 1 света имеет возможность перемещаться относительно входного торца светопровода 2 вдоль оптической оси световода (на фиг.2 показано два положения источника).

Устройство, изображенное на фиг.3, работает следующим образом. Лучи, идущие из точек светящегося тела источника 1 света (на чертеже показаны для простоты только лучи, идущие из осевой точки тела), в зависимости от соотношения величин d, D и n и значения угла луча с осью σ₁ или σ₂ (σ₁ и σ₂ углы указанных лучей с осью для первого и второго положений источника 1 света) будут иметь то или иное число отражений от боковой поверхности светопровода 2. На фиг. 3 для ближнего к входному торцу положения источника 1 света луч имеет два отражения от боковой поверхности, а для второго дальнего положения источника луч претерпевает одно отражение. Так как световод в данном исполнении в меридиональной плоскости имеет зеркальную развертку в виде плоскопараллельной пластины, лучи, входящие в световод, на выходе из него составят с оптической осью углы, равные углам этих лучей на входе, но знак угла будет зависеть от числа отражений. При четном числе отражений знак угла не изменится, а при нечетном меняется на противоположный, что иллюстрируется фиг.3. Так как число отражений зависит от значения угла луча с осью σ₁ или σ₂, то будет иметь место нарушение гомоцентричности пучков даже при отсутствии аберраций.

Фиг. 4 поясняет нарушение гомоцентричности проходящего через световод пучка лучей, где для простоты светопровод-световод 2 в меридиональной плоскости заменен эквивалентной воздушной (редуцированной) плоскопараллельной пластинкой, имеющей размеры вдоль оси d/n и в поперечном сечении D/n. В результате такой замены светопровод-световод 2 для лучей, лежащих в меридиональной плоскости, работает как система плоских параллельных друг другу зеркал 2. Световой пучок, идущий из осевой точки А источника 1 света, частично проходит, не отражаясь от плоских зеркал боковых поверхностей светопровода-световода 2, и частично, имея по одному отражению от указанных зеркал. Верхнее и нижнее зеркала 2 дают по одному изображению источника 1 света в точках А₁ и А₂. Таким образом, в меридиональной плоскости получается по меньшей мере три плоских пучка, лучи которых распространяются под всеми возможными углами к оптической оси в пределах апертуры исходного пучка угла σ.. Легко показать, что таких новых мультипликационных изображений источника 1 света будет вдвое больше максимального числа отражений луча, идущего под максимальным углом к оси световода углом, определяющим апертуру пучка. Все эти изображения лежат в одной плоскости. Общее число мультипликационных изображений источника света 1 будет также зависеть и от числа отражающих боковых граней светопровода 2.

Фиг.5 и 6 поясняют образование мультиплицированных изображений точечного источника 1 света в пространстве изображений после светопровода 2 в зависимости от формы его поперечного сечения. Источник 1 света находится на оси светопровода 2. На фиг.5 приведен случай использования прямого светопровода с квадратной формой поперечного сечения, а на фиг.6 с треугольной формой сечения. В точке А для каждого случая находится изображение источника 1 света, образованное частью пучка лучей, не претерпевших ни одного отражения от боковых поверхностей, а в точках А₁, А₂, А₃ и А₄ (см.фиг.5) и А₁, А₂ и А₃ (см. фиг.6) изображения, образованные частями пучка лучей, претерпевших по одному отражению.

Таким образом, появилась возможность организации многостороннего освещения объекта. При вращении светопровода 2 мультиплицированные изображения источника 1 света будут также поворачиваться, что в осветительном устройстве обеспечит возможность выбора оптимального азимута освещения.

На фиг.7 приведен фрагмент осветительного устройства, содержащий источник 1 света, который для простоты выбран здесь точечным, и светопровод 2, выполненный в виде прямого жесткого световода с прямыми торцами. Источник 1 света смещен с оси светопровода-световода 2.

Устройство, изображенное на фиг.7, работает следующим образом. Источник 1 света смещен с оси светопровода 2 на такую величину, что ни один луч, прошедший через последний без отражения, не будет иметь место. Для простоты максимальное число отражений лучей не превышает двух. В результате прохождения пучка через световод 2 будет образовано только два мультиплицированных изображения источника 1 света, лежащих в точках А₁ и А₂ в меридиональной плоскости. Изображения, аналогичного изображению, лежащему в точке А по фиг. 5 и 6, здесь не будет. На фиг.7 в пространстве после световода 2 имеется заштрихованная зона, в которой светового поля источника света не будет. Если форма поперечного сечения световода 2 будет круглой, то в сечении А А будем иметь кольцевую форму пучка, изображенную на фиг.8. При соблюдении условия d > D в сечении А А для прямого световода с круглым сечением получим практически равномерное световое сечение в виде кольца. При изменении смещения источника света с оси светопровода будет меняться размер кольцевого сечения (см. фиг. 8), чем легко обеспечивается плавный переход от светлопольного освещения объекта к темнопольному. Эволюция формы сечения пучка лучей из сплошного круглого в кольцевую и постепенное изменение размеров сечения происходит плавно и практически без потерь энергии в пределах апертуры световода, значение которой определяется в случае отсутствия на его боковых отражающих поверхностях зеркального покрытия условием соблюдения явления полного внутреннего отражения для всех лучей, идущих от источника света в световод. Это обеспечивает сохранение значения светового потока и при неизменном размере освещаемой площадки сохранение значения освещенности.

Устройство, изображенное на фиг.1, работает следующим образом. При расположении источника 1 света на оси световода 2 из последнего выходит пучок лучей, имеющий сплошное круглое сечение в любом месте и апертуру, равную апертуре исходного пучка sinσ. При отсутствии в схеме линзового растра 4 выходной торец световода 2 строится конденсатором 3 в плоскости освещаемого объекта. Действие конденсора 3 и линзового растра 4 с остальными элементами устройства обеспечивает освещение заданного размера поля объекта. Размер освещаемого поля объекта определяется в основном значением апертуры линзового элемента растра и оптическими характеристиками конденсора 3 и практически не зависит от размера выходного торца световода 2, равного D, и апертуры выходящего из него пучка лучей, что при проектировании обеспечивает широкий выбор при определении соотношения между d и D.

При смещении источника 1 света с оси световода 2 выходящий из последнего пучок лучей превращается в пучок кольцевого сечения, который после прохождения линзового растра 4 и конденсора 3 осветит ту же самую площадку как по форме, так и по размеру. И если апертура объектива или оптической системы, строящей изображение освещенного объекта (на фиг.1 не показан), не будет выходить за пределы зоны, в которой нет светового поля источника на выходе световода 2 (см.фиг.7), то освещение будет осуществляться по методу темного поля. Переход от светлопольного освещения к темнопольному при смещении источника 1 света с оси световода 2 будет плавным, размер и форма освещаемой площади объекта, ее положение и значение освещенности будут оставаться неизменными. Для достижения постоянства значения освещенности нужно, чтобы при любом положении смещенного источника света значение угла s и угловой размер светящегося тела источника 1 света при наблюдении из осевой точки входного торца световода оставались прежними. При малых смещениях источника 1 света это автоматически достигается при смещении его по окружности с центром в осевой точке входного торца световода 2. Удаление источника 1 света от входного торца световода 2 приводит к уменьшению указанных угловых величин, что обеспечивает возможность плавного изменения режима освещения без изменения метода.

Если светопровод имеет некруглую форму поперечного сечения, то при вращении его вокруг своей оси будет плавно изменяться азимут освещения объекта.

Устройство, изображенное на фиг.2, работает следующим образом. Коллектор 5 строит изображение светящегося тела источника 1 света на входном торце волоконно-оптического жгута 2, которое по жгуту передается на выходной торец, и далее световой пучок, пройдя линзовый растр 4 и конденсор 3, освещает поле объекта. Когда оптическая ось коллектора 5 перпендикулярна входному торцу жгута 2, то выходящий пучок будет иметь сплошное круглое сечение, которое при развороте коллектора 5 и источника 1 света вокруг осевой точки на торце жгута постепенно растет и с момента, когда угол между осью коллектора 5 и осью жгута составит значение, равное заднему апертурному углу коллектора 5, начнет вырождаться в пучок с кольцевым сечением. Далее устройство работает аналогично предыдущему случаю. Введение коллектора 5 в состав осветительного устройства обеспечит более полное использование светового потока источника 1 света, участвующего в освещении объекта, т. е. приведет к повышению энергических характеристик осветительного устройства.

Изобретение относится к оптике, а более точно - к осветительным устройствам микроскопов, и может быть использовано помимо микроскопии в фототелеграфной и кинопроекционной технике. Осветительное устройство содержит последовательно установленные источник 1 света, светопровод 2 с боковой отражающей поверхностью и конденсор 3. При этом выходной торец светопровода 2 оптически сопряжен с плоскостью установки освещаемого объекта, а источник 1 света и входной торец светопровода 2 установлены с возможностью перемещения в пространстве друг относительно друга. Боковая поверхность светопровода 2 может быть выполнена в виде боковой поверхности многогранника, а сам светопровод в этом случае установлен с возможностью вращения вокруг своей оси. Для равномерного освещения объекта между выходным торцом светопровода 2 и конденсором 3 устанавливается линзовый растр 4. Источник 1 света может быть выполнен в виде лазера. Светопровод 2 может быть выполнен в виде одиночного гибкого оптического волокна или в виде жгута или шайбы, содержащих не менее чем два одинаковых световода. С целью повышения энергетических характеристик устройства между источником 1 света и светопроводом 2 устанавливается коллектор 5. Указанное выполнение устройства обеспечивает плавное изменение метода (светлое или темное поле) и режима освещения объекта, что, в свою очередь, приводит к расширению эксплуатационных возможностей. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Осветительное устройство, содержащее последовательно установленные источник света, светопровод с боковой отражающей поверхностью и конденсор, отличающееся тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей путем обеспечения плавного изменения метода и режима освещения объекта, выходной торец светопровода оптически сопряжен с плоскостью установки освещаемого объекта, а источник света и входной торец светопровода установлены с возможностью перемещения в пространстве друг относительно друга. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что боковая поверхность светопровода выполнена в виде боковой поверхности многогранника, а сам светопровод установлен с возможностью вращения вокруг своей оси.