CN106574865A - 照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种照明装置，以所述照明装置特别地为科学目的或质量检验目的可特别均匀地照亮面。确切而言，涉及用于均匀照亮物体的照明装置，所述照明装置包括均匀化装置(10)且适合于与光源连接，其中均匀化装置(10)具有入口开口(12)、布置在入口开口(12)后的入口室(16)、中间室(18)、出口室(20)和布置在出口室(20)后的出口开口(22)，且入口室(16)、中间室(18)和出口室(20)分别具有外面(26)和内面(24)，且入口室(16)沿第一主轴(H1)延伸且出口室(20)沿第二主轴(H2)延伸，且布置在入口开口(12)的区域内的光源可将光通过入口室(16)、中间室(18)、出口室(20)和出口开口(22)发射到待照明的物体上，其特征在于，光束不可沿直线从入口开口(12)的点到达出口开口(22)的点，且在于入口室(16)、中间室(18)和出口室(20)的各自的至少内面(24)各自在至少一个第一区域内是漫反射的内面，使得在入射时以第一辐射强度照亮第一参考面(R1)的、在此内面(24)上反射的光束在出射时以第二辐射强度照亮同样尺寸的第二参考面(R2)，在两个参考面(R1、R2)与反射点(P)以10毫米的距离定位时所述第二辐射强度小于所述第一辐射强度的三分之一。

Description

照明装置
技术领域
本发明涉及照明装置，以所述照明装置、尤其是为科学目的或质量检验目的而能特别均匀地照亮一个面。照明装置在此包括至少一个光源和均匀化装置。
背景技术
均匀地照亮物体在许多领域中是重要的要求。在科学应用中，这例如在环境诊断、生物技术和化学领域中起到作用，例如在涉及检测试样的透射或反射特性时。均匀照亮在光学领域中也是关键的。在此，可涉及用于检验光学器件和照相机的测试方法，也涉及用于检测透镜系统以及传感器的测试方法。
已知的用于生成均匀光的方式是使用累计球。此球具有光入口和出口开口。与此开口相比，球是大的。通常，球直径至少是该出口开口直径的五倍大。优选地，球(内)表面的仅5％被该出口开口穿透。
从现有技术中已知此目前实践中的无替代的方式的一系列用于均匀照亮物体的应用。
德国专利文献DE 101 06 032 B4(专利权人：Laser-Laboratoriume.V.)公开了用于以累计球均匀照亮一个小面的设备。此方式的特殊性在于在球内提供至少两个光源。此光源布置在球壁内。设备特别地有利地用于在照明的光谱特征快速改变时均匀照亮一个面。
德国专利文献DE 28 34 983 C3(专利权人：V.Blazek)公开了累计球的替代的应用。在此涉及用于照明测量装置的测量头。在此情况中，待测量的光通量引入到球内。因此在球的开口上提供了光检测器。对于累计球的使用，典型的是在光源和光检测器之间提供遮光器。累计球的球形形状使得光可通过直接路径从入口开口到达出口开口。(也可通过将光源布置在球外部而避免提供此遮光器。)在此情况中，待测量的入射光通量的光因此可直接到达光检测器。这使得测量存在误差，因为正需要在检测前存在均匀的光分布。因此，使用遮光器是典型的，且在将累计球作为检测头用于光照强度测量装置的此应用中起到作用。
美国专利US 8,259,294 B2(专利权人：Von-Ardenne-Anlagentechnik GmbH)也公开了将累计球用于生成均匀光的应用。在此涉及有效地使用球来测量基片的反射和透射。因为基片以传送带的形式可在球旁经过，所以在此甚至考虑了工业化的应用。光源位于在球内，在光源两侧又提供了遮光器(也称为“遮光板”)。测量机构与待测量的小物体相比占据了很大的空间。
本发明希望改进现有技术。本发明提供了照明装置，所述照明装置允许紧凑的结构形式但仍有效地工作。在此，完全考虑到将此照明装置也用于工业化应用。
发明内容
此技术问题通过根据权利要求1的照明装置解决。
照明装置因此适合于与光源相连接。光源可以是照明装置的任选的元件，但光源也可以替代地是照明装置的一部分。因此，光源可整体地、固定地或可拆卸地与特别是均匀化装置的另外的元件连接或可连接。用于均匀地照亮物体的照明装置因此也可包括光源和均匀化装置。
此光源自身可包括若干辐射器(带有灯丝的白炽灯、卤素灯或类似物)，但光源也可包括多个组合在一个单元内的辐射器。特别地，可考虑使用多个LED。所述LED可布置在一块板上。以此方式，可形成面光源。也可提供多于一个光源，例如两个光源，所述光源各自分开地形成一个结构单元。
均匀化设备包括入口开口、布置在入口开口后的入口室、中间室、出口室和布置在出口室后的出口开口。这些室分别具有外面和内面。
布置在入口开口的区域内的光源可将光通过入口室、中间室、出口室和出口开口发射到待照明的物体上。根据本发明的布置使得在此光束不可沿直线从入口开口的点到达出口开口的点。
此外，至少入口室、中间室和出口室的半个内面分别构造为漫反射的。构造为漫反射的面因此可布置为使其主要贡献于光反射。但也可将各室的内面的超过一半，例如至少一个或全部室的内面的超过70％、超过80％或超过90％或甚至全部内面构造为漫反射的。
室的内面因此在此至少在所述内面的进行漫反射之处被构造为使得在入射时以第一辐射强度照亮第一参考面的、在此内面的一个上反射的光束在出射时以第二辐射强度照亮对称地定位的、大小相同的第二参考面，其中第二辐射强度至少小于第一辐射强度的三分之一。漫反射面也可构造为使得该分数达到五分之一、十分之一或更低。以此使得仅有很小的光份额经历经典的镜面反射，即入射角等于出射角的反射。
所述参考面在此应具有5mm×5mm的尺寸。第一参考面在测试光束的入射方向上应布置在反射表面上方10mm处。布置在出射方向上的第二参考面在镜面反射的光束的出射方向上也应具有距反射点10mm的距离。
以此令人惊奇的方式，尽管均匀化装置的内部几何形状部分地具有棱角，仍可获得很均匀地射出的光。这也令人惊奇地等同于由通过球所代表的完全的内面对称性所给出的效果。尽管如此，也实现了光谱很均匀的光分布。
此外，此扩展也允许在室的内部内省去遮光板。因为相应的室的内部很难到达且也应具有尽可能均匀的表面，所以必要的是提供遮光板，但这是现有技术中的明显的缺点，其仅可通过累计球来克服，方式是通过将光源回缩、即与球成距离地布置且例如通过镜筒来入射。
替代地或补充地，所述室的内面的有利的构造也可以以另外的方式实现。例如，合适的是将内面构造为使得在此内面上反射的光束在入射时以第一空间角度照射，而在出射时以至少3倍或10倍大的空间角度照射。
合适地，内面构造为是粗糙的或非常粗糙的。内面因此具有小于10、优选地小于8、5或3的光泽度。光泽度测量在此合适地根据EN ISO 2813通过使用85度几何形状进行。
本发明因此也涉及用于均匀照亮物体的均匀照明装置，所述均匀照明装置包括均匀化装置且可包括光源，其中均匀化装置具有入口开口、布置在入口开口后的入口室、中间室、出口室和布置在出口室后的出口开口，且入口室、中间室和出口室分别具有外面和内面，且入口室沿第一主轴延伸且出口室沿第二主轴延伸，且可提供在入口室的区域内的光源可将光通过入口室、中间室、出口室和出口开口发射到待照亮的物体上，其特征在于，光束不可沿直线从入口开口的点到达出口开口的点，并且，入口室、中间室和出口室的各自的至少内面在各自的至少一个第一区域内是漫反射的，且具有小于等于10％的光泽度。
合适地，在照明装置中，入口室和出口室相互布置为使得第一主轴和第二主轴相互垂直地走向。也合适地，室的尺寸被设计为使得第一主轴是入口室的最长的主轴且使得第二主轴是出口室的最长的主轴。合适的是，第一主轴延伸穿过入口室的中心且第二主轴延伸穿过出口室的中心。
室的此布置允许了紧凑的结构形式。在此，尽管在入口开口和出口开口之间的光传播距离总和较低，也可产生强度均匀的且光谱分布均匀的光。此结构形式也允许了无遮光板。室的内面在此可基本上构造为光滑的且无棱角的。
有利的是使用面光源。此面光源在一定的面上分布地发出光。例如，可在该面上分布地布置LED。该面在此并未完全地以LED填满，但在此面上分布了LED或另外的辐射器。此面与入射开口的面相比应相对大。例如，合适的是此面至少占入射开口的面的50％，合适的值也可为70％或90％。
入口室优选地构造为管状地包围第一主轴且具有相应地垂直于第一主轴的多个横截面。在入口室的有利的几何构造中，在此横截面的各最长延伸尺度短于第一主轴。以相应的方式，出口室可管状地包围第二主轴。出口室也可具有垂直于第二主轴的多个横截面。在此，又有利的是横截面的最长的延伸尺度分别短于第二主轴。对于入口室和出口室的简单的且合适的结构形式是使得所有横截面具有相同的形状。在此有用的是矩形、正方形或圆形的横截面形状。也可使用椭圆形的形状。在优选的实施形式中，入口室和出口室相应地为圆柱形或长方体形。长方体形的入口室或出口室容易地被非长方体形的中间室邻接。入口室和中间室之间的边界以及出口室和中间室之间的边界可通常也替代地通过使第一主轴是入口室的对称轴而非中间室的对称轴且使第二主轴是出口室的对称轴而非中间室的对称轴来实现。在无此对称轴的均匀化装置的情况中，体积相同的部分可分别被视作入口室、中间室和出口室。
有利的是入口室、中间室和/或出口室的内面完全是漫反射的。这可特别地也通过提供覆层来实现，所述覆层然后形成反射面。用于此覆层的合适的材料是硫酸钡、二氧化钛或聚四氟乙烯。
对于光源的选择，合适的是提供多个LED灯。在此，通常提供10至200个灯，经常提供50至100个灯。这些灯可布置在一个平面内。为此，所述灯例如安装在一块板内。LED灯的各辐射部分在此可从该板突伸出。通过在光源中将频率分别不同的例如5个、10个、20个或更多的辐射器组合成组，也可产生光谱特别均匀的光。带有具有少于30个此组的光源的均匀化装置也允许产生光谱很均匀的光。
本发明的另外的特点以及优点从如下给出的附图和有关的描述中得到。在图中且在有关的描述中，组合地描述了本发明的特点。这些特点当然也可以以另外的组合被根据本发明的对象所包括。每个公开的特征因此也视作与另外的特点以技术上有意义的组合公开。此附图部分地是略微简化的且示意性的。
附图说明
图1是根据本发明的均匀化装置的透视图。
图2是通过尺寸上类似的根据本发明的均匀化装置的示意性截面图。
图3在透视图中示出了光源，所述光源可合适地使用在本发明的范围内。
图4是用来确定用于均匀化装置的合适的内面的测量结构的示意图。示。
具体实施方式
图1在透视图中从侧面示出了根据本发明的均匀化装置10的示意图。此均匀化装置10具有入口开口12。入口开口12自身被凸缘14a围绕。入口室16处在入口开口后。此入口室16过渡到中间室18。出口室20处在中间室18后。出口室20以出口开口22结束，所述出口开口22也被凸缘14b围绕。在出口开口22的区域内可见出口室20的内面24。此外，入口室20具有外面26。出口室20的内面24和外面26过渡到中间室18和入口室16的相应的内面和外面。
入口室为长方体形。入口室包围了第一主轴，所述第一主轴从入口开口12的中心向上伸出。中间室18将入口室16与出口室20连接。中间室18具有矩形横截面。但在侧视图中，中间室18具有三角形形状。出口室也为长方体形。出口室沿第二主轴走向，所述第二主轴延伸穿过出口开口22的中心。
图2示出了根据本发明的均匀化装置的示意性剖面侧视图。光可从在此图中布置在下方的入口室16通过中间室18达到出口室20内。可见，第一主轴H1延伸穿过入口开口12的中心。相应地，第二主轴H2延伸穿过出口开口22的中心。两个主轴相互垂直。此外图中绘出了参考线L，所述参考线L从处在入口开口的边缘上的点引向处在出口开口的边缘上的点。此线将两个点连接，所述点刚好分别属于入口开口以及出口开口。但光沿此线不可从入口开口12到达出口开口22，因为中间室18的边沿阻挡了光传播。
此几何图示因此解释了均匀化装置10的此几何构造可无累计球内通常的遮光板。相反，室的内面可构造为完全光滑且无边沿。可见，对此重要的是室的延伸尺度，特别是入口室16和出口室20垂直于其第一主轴H1和第二主轴H2的延伸尺度不可过大。因此，在本发明的范围内有利的是横截面Q的最长的延伸尺度小于主轴的长度，例如第一主轴H1的相对长度。
图1和图2示出了本发明的构思，所述构思也与这些图中的图示独立地是本发明的部分。存在多个至少垂直于入口开口走向的横截面。此横截面在图2中描绘。此横截面通常也垂直于出口开口走向。在此横截面的至少一个中，根据本发明的优选实施形式，光束也可垂直于入口开口进入，然后光束被一次反射以此且垂直于出口开口离开。光束在其上发生反射的面在此优选地与入口开口成45度角度。在有用的实施形式中，这可对于垂直于入口开口和/或出口开口的所有横截面适用。
根据本发明的另外的一般性方面，根据本发明的照明装置在垂直于入口开口走向的至少一个横截面中可为矩形入口室和矩形出口室的组合。优选地，中间室在相应的横截面内具有三角形形状。在此，合适的是三角形的边齐平地对接矩形的相邻的边。入口室和出口室在此可合适地也具有长方体形形状。
按照这种考虑，根据本发明的照明装置可具有入口室，所述入口室是长方体形的。根据本发明的照明装置也可具有长方体形的出口室。两个室也可以是立方体形的。根据本发明的中间室可具有半长方体形的形状。在此，半长方体形理解为对角切割的长方体形，其中截面沿侧面上对角线的延伸方向走向。合适地，半长方体形的与其邻面不成直角的面是中间室的主反射面，即在从入口室到出口室的路径中光的大部分在其上被反射的反射面。
图3示出了与本发明一起使用的合适的光源。在此光源中将多个LED 24布置在支承板26上。这得到了面光源。LED占据了由线段a和b的乘积给出的面积。光源合适地具有大约80个LED，所述LED发射出22种不同的频率。(LED布置在图3中被略微简化。)支承板可合适地具有连接设备，例如至少一个孔28，所述孔28可用于将支承板26与所示的凸缘14a螺纹连接。
图4在示意图中示出了结构，以此结构可检测面用作本发明的范围内的漫反射内面的适合性。图中示出了入射光E，所述入射光E在点P上到达内面。此内面在此图示为包括支承材料30和涂上的覆层32。在理想的(但实际上在本发明的范围内不提供的)镜面反射的情况中，入射光E在出射光A的方向上被反射。在此，入射角α(阿尔法)等于出射角β(贝塔)，所述入射角和出射角分别相对于反射面(在此为覆层32)上在反射点P上的垂线S测量。以距点P合适的距离可垂直于入射光的方向提供参考面R1。在距P相同的距离上在出射辐射A的方向上提供了第二参考面R2。
在两个参考面上可测量辐射强度。所述辐射强度合适地以瓦/平方米测量。在可见光的范围内，也可替代地以坎德拉/平方米测量光照强度。(但均匀化装置也可与红外光一起使用。)对于测量参考面应为5毫米乘5毫米大且定位为距反射点10mm的距离。当使第二参考面的辐射强度小于第一参考面的辐射强度的三分之一时，材料合适地与根据本发明的均匀化装置的几何形状一起使用。对于特别合适的材料，倍数也可明显地更大，例如甚至大于5倍或10倍或20倍。面的反射因此明显地与镜面反射不同。
一系列测量已证实，在亮度分布和光谱分布方面，根据本发明的均匀化装置提供了卓越的结果。累计球对于实际应用不提供更好的结果。在测试方式中将3×3cm大的板照亮，在所述板上布置了各为1×1cm大的九个测量区。
借助于根据本发明的图1中的均匀化装置照亮此测试面，和借助于带有累计球的装置照亮此均匀化装置。光源分别是相同的，使用平面LED光源，如在图3中所图示，即带有80个LED、发射出22种不同的频率的光源。对于两个均匀化装置，测量三个值。一是测量光照强度，二是测量显色指数，三是测量色温。各值在下文中给出，其中CCT用于测量光色(英语术语为Correlated Color Temperature，色温)，CRI用于测量显色指数(英语术语：ColorRendering Index，显色指数)且LUX用于测量光照强度。
在表2以及表3中在每列中确定了最大值和最小值之间的差异。对于每列，确定最小值与最大值的商且为更简单地描述而将其乘以100。相应的值在行“一致性”中给出。
表1-测试点的布置
P1 P2 P3
P4 P5 P6
P7 P8 P9
表2-以累计球进行的测量
表3-以根据本发明的均匀化装置进行的测量
对于所有实际以及科学要求，超过96的值被认为是很好的，且超过98的值被认为是卓越的。超过98的值由根据本发明的紧凑的均匀化装置在三个所测量的参数方面实现。对于许多应用很重要的显色指数也与结构上明显更大的、带有30cm的直径的累计球的情况一样好。
由此图示和前文中的描述显见可如何合适地制造均匀化装置。因为装置具有多个平滑面，因此该均匀化装置比球明显更紧凑且可很好地与另外的结构组合。
附图标记列表
10 均匀化装置
12 入口开口
14 凸缘
16 入口室
18 中间室
20 出口室
22 出口开口
24 内面
26 外面
24 LED
26 支承板
28 孔
30 支承材料
32 覆层
H1 第一主轴
H2 第二主轴
h1 入口室沿H1的延伸尺度
h2 出口室沿H2的延伸尺度
a 面光源在第一方向上的延伸尺度
b 面光源在第二方向上的延伸尺度
L 参考线
S 垂线
E 入射光束
A 出射光束
P 反射点
R1 第一参考面
R2 第二参考面

Claims (16)

1.一种用于均匀照亮物体的照明装置，所述照明装置包括均匀化装置(10)且与适合于与光源连接，其中，均匀化装置(10)具有入口开口(12)、布置在入口开口(12)后的入口室(16)、中间室(18)、出口室(20)和布置在出口室(20)后的出口开口(22)，且入口室(16)、中间室(18)和出口室(20)分别具有外面(26)和内面(24)，且入口室(16)沿第一主轴(H1)延伸且出口室(20)沿第二主轴(H2)延伸，且可提供在入口开口(12)的区域内的光源可将光通过入口室(16)、中间室(18)、出口室(20)和出口开口(22)发射到待照明的物体上，其特征在于，光束不可沿直线从入口开口(12)的点到达出口开口(22)的点，并且，入口室(16)、中间室(18)和出口室(20)的各自的至少内面(24)各自在至少一个第一区域内是漫反射的，使得在入射时以第一辐射强度照亮第一参考面(R1)的、在此内面(24)上反射的光束在出射时以第二辐射强度照亮同样尺寸的第二参考面(R2)，在第一和第二参考面(R1、R2)与反射点(P)以10毫米的距离定位时所述第二辐射强度小于所述第一辐射强度的三分之一。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其中，至少一个所述内面(24)在第一区域内具有小于等于10的光泽度。
3.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中，入口室(16)为长方体形状且出口室(20)为长方体形状。
4.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中，在入射时照亮第一空间角度的、在此内面(24)上反射的光束在出射时照亮至少十倍大的空间角度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中，第一主轴(H1)和第二主轴(H2)相互垂直走向。
6.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中，入口开口(12)包括第一参考面(R1)且光源是在第二参考面(R2)上发光的面光源，其中，第二面(R2)的大小为第一面(R1)的大小的至少50％。
7.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中，入口室(16)管状地包围第一主轴(H1)且具有垂直于第一主轴(H1)的多个横截面，其中，横截面的最长的延展尺度分别短于第一主轴(H1)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中，出口室(20)管状地包围第二主轴(H2)且具有垂直于第二主轴(H2)的多个横截面，其中，横截面的最长的延伸尺度分别短于第二主轴(H2)。
9.根据权利要求6或7所述的照明装置，其中，所有横截面具有相同的形状。
10.根据权利要求8所述的照明装置，其中，横截面具有圆形或正方形的形状。
11.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中，在入口室(16)、中间室(18)和/或出口室(20)的内面(24)上不提供遮光板。
12.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中，入口室(16)、中间室(18)和/或出口室(20)的内面(24)是完全漫反射的。
13.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中，入口室(16)、中间室(18)和/或出口室(20)的内面(24)包括由硫酸钡或二氧化钛或聚四氟乙烯制成的覆层。
14.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中，提供多个LED灯(24)作为光源。
15.根据权利要求13所述的照明装置，其中，所述LED灯(24)布置在一个平面内。
16.根据前述权利要求中任一项所述的照明装置，其中,光源包括多个不同频率的辐射器。
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