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Die Erfindung betrifft ein ringförmiges Beleuchtungssystem welches mehrere Lichtquellen aufweist, die Lichtbündel abstrahlen, und welches optische Bauelemente aufweist, die die Lichtbündel transformieren.
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Ringförmige Beleuchtungen werden beispielsweise in der Mikroskopie als Dunkelfeldbeleuchtungen eingesetzt. Das sind Beleuchtungssysteme, die außerhalb des Objektivs oder in einem Randbereich des Objektivs (außerhalb der abbildenden Optik) durch einen Ringspiegel oder ringförmige Linsen Licht auf die Probe lenken. Die Konstruktion dieser Beleuchtungen ist aufwändig, da Licht von einer außerhalb des Objektiv liegender Quelle in eine ringförmige Winkelverteilung gebracht werden muss, deren Symmetrieachse mit der optischen Achse des Objektivs zusammenfällt.
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Beispielsweise wird in
US 4186993 A ein Objektiv gezeigt, bei dem um die eigentlich abbildende Optik herum in Lichtausbreitungsrichtung ein ringförmiger transparenter Diffusor und eine ringförmige Kondensor-Linse angeordnet sind. In
US 4626079 A werden mehrere Varianten einer Dunkelfeldbeleuchtung gezeigt, bei der um die Objektivlinsen eine Kombination von ringförmigen Linsen und/oder ringförmigen Spiegeln verwendet wird.
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Die bekannten klassischen optischen Anordnungen verwenden aufwendige optische Bauteile, die einzeln mechanisch gefasst und zur Optik des Objektivs justiert werden müssen.
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Für optische inspektions- und Messgeräte werden Dunkelfeldbeleuchtungen durch eine Anordnung von mehreren Leuchtdioden realisiert, die ringförmig das Kameraobjektiv umspannen und ohne Verwendung weiterer optischer Mittel den Objektbereich der Probe beleuchten. In
DE 19752509 A1 wird eine Beleuchtungseinheit beschrieben, die Bereiche unterschiedlicher Strahlungseigenschaften aufweist. Die Beleuchtungseinheit besteht aus verschiedenen Leuchtdioden, welche die Optik des Messsystems ringförmig umgeben.
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Nachteilig an den gängigen LED-Ringlichtbeleuchtungen ist die ungenügende Adaption an anspruchsvolle Anforderungen bezüglich der Winkelverteilung und der Ortsverteilung des Beleuchtungslichtes, sowie die geringe spektrale Homogenität des zur Verfügung gestellten Beleuchtungslichtes.
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Zur Ausleuchtung von Objektbereichen bei Proben in der Mikroskopie oder Inspektion werden zunehmend Leuchtdioden (LED) verwendet. Diese lassen sich gut elektronisch ansteuern und besitzen eine ausgezeichnete Lichtausbeute, haben einen günstigen Preis und eine kleine Baugröße. Einzelne LEDs stellen nahezu punktförmige Lichtquellen dar, deren Licht im Winkel meist sehr inhomogen verteilt wird. Deshalb werden oft mehrere LEDs kombiniert, um bei der Ausleuchtung von Objektbereichen die Homogenität im Ort und im Winkel des Beleuchtungslichtes zu verbessern. Die einfache Überlagerung von Licht aus mehreren Lichtquellen genügt aber den Forderungen nach einer homogenen und stabilen Ausleuchtung einer Probe oft nicht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde eine neue ringförmige Lichtquelle zu schaffen, die eine homogene Lichtverteilung aufweist und die kostengünstig herstellbar ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 12 sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Merkmale des Hauptanspruchs 1.
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Das ringförmige Beleuchtungssystem weist mehrere in einem Kreisring angeordnete Lichtquellen auf, die Lichtbündel abstrahlen. Diese abgestrahlten Lichtbündel werden in einen zylinderförmigen transparenten Lichtmischköper eingekoppelt. Dabei befinden sich die Lichtquellen an einer kreisringförmigen Oberseite des Lichtmischkörpers. Eine kreisringförmige Unterseite weist eine optische Wirkfläche mit einer kreisringförmigen Lichtaustrittsöffnung auf.
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Der Lichtmischkörper mit den daran befestigten Lichtquellen bildet den Ringintegrator mit einer optischen Achse.
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Die Erfindung ist jedoch nicht nur auf die reine Kreisform beschränkt. Sie erstreckt sich auch auf die elliptische Form oder die rechteckige Form sowie auf beliebige geschlossene Ringformen.
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Vorzugsweise sind in die ringförmige Oberseite des Lichtmischkörpers ringförmig verteilt Bohrungen eingebracht, in welche die zylinderförmigen Lichtquellen, insbesondere LEDs, eingefügt sind.
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Eine andere Ausführungsform verwendet flache Lichtquellen, die ringförmig verteilt auf in die ringförmige Oberseite des Lichtmischkörpers geklebt sind.
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Dabei weist die ringförmige Unterseite des Lichtmischkörpers in azimutaler Richtung φ ein konstantes Höhenprofil auf und das Höhenprofil in radialer Richtung r ist plan oder ist sphärisch oder ist asphärisch oder ist eine Freiformfläche.
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Zusätzlich kann die ringförmige Unterseite des Lichtmischkörpers eine Struktur aufweisen. Diese Struktur kann eine ringförmige Blendenöffnung sein. Diese Struktur kann aber auch eine diffraktive Struktur oder eine Fresnelstruktur oder eine mikrooptische Struktur sein.
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Vorzugsweise sind aber Blendenringe an den Zylinderwandungen des Lichtmischköpers angeordnet. Ein innerer Blendenring ist an der Innenwandung des Lichtmischkörpers befestigt und ein äußerer Blendenring ist an der äußeren Wand des Lichtmischkörpers befestigt. Beide Blendenringe bilden in einem Abstand ba zu der ringförmige Unterseite des Lichtmischkörpers eine ringförmige Blendenöffnung mit einer Öffnungsbreite bö.
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Zur Anpassung des ringförmigen Beleuchtungssystems an unterschiedliche Beleuchtungsaufgaben ist die Blendenöffnung in ihrem Abstand ba zu der ringförmigen Unterseite des Lichtmischkörpers einstellbar. Weiterhin ist die Blendenöffnung in ihrer radialen Ausdehnung mit ihrer Öffnungsbreite bö einstellbar gestaltet.
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Die Transparenz der Hüllflächen des Lichtmischkörpers wird durch Verspiegelung und/oder Schwärzung aufgehoben. Davon ausgenommen sind die Flächen für die Einstrahlung des Lichtes aus den Lichtquellen und die optische Wirkfläche für den Lichtaustritt. Mit dieser Maßnahme wird eine störende Lichtabstrahlung vermieden und die Effizienz der Lichtmischung kann verbessert werden.
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Vorzugsweis hat der Zylinderring des Lichtmischkörpers eine Kegelform. Die Flächennormalen der Deckflächen dieses kegelförmigen Zylinderringes nehmen zu der optischen Achse einen Winkel zwischen größer 0° und kleiner 90° ein, wobei die ringförmige Deckfläche an der Oberseite größer ist als die ringförmige Deckfläche an der Unterseite.
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Der Lichtmischkörper ist vorzugsweise direkt an der Wandung des Objektivs eines Messgerätes befestigt und ist wechselbar. Der Lichtmischkörper kann aber auch in die Gehäusewandung des Objektivs integriert sein und die Objektivoptik umgeben.
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Die Erfindung stellt ein Dunkelfeld-Beleuchtungssystem mit sehr guter Lichtmischung zur Verfügung. Das Beleuchtungssystem lässt darüber hinaus Adaptionen für viele Anwendungsfälle zu, wobei eine Anpassung der Beleuchtungswinkel, der Beleuchtungsapertur, sowie der ausgeleuchtete Objektbereiche vorgesehen ist. Das Dunkelfeld-Beleuchtungssystem besteht aus einem zylinderringförmigen Grundkörper, der aus einem optisch transparenten Material gefertigt ist. Besonders geeignet sind beispielsweise optisches Polykarbonat oder Polyolefin. In der vorzugsweise planen Oberseite befinden sich Bohrungen, in die LEDs eingelassen sind. Die LEDs strahlen weißes und/oder farbiges Licht ab. Dieser Grundkörper, der mit den Lichtquellen bestückt ist, wird im folgenden Ringintegrator genannt. Er besitzt an der Unterseite eine optische Wirkfläche, die im radialen Querschnitt des gesamten Ringes betrachtet von sphärischer oder asphärischer Form sein kann und in Transmission genutzt wird. Ferner kann die Oberfläche mit Strukturen versehen sein.
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Derartige Strukturen sind beispielsweise diffraktive Gitter oder refraktive Fresnelstrukturen. Das von den Leuchtdioden ausgehende Licht, insbesondere das unter einem größeren Winkeln ausgehende Licht, wird auf seinem Weg zur Austrittsfläche an den radialen Außenflächen des Ringintegrator reflektiert und gelangt so gemischt zur Unterseite des Integrators. Diese Reflexionen werden in natürlicher Weise durch einen Brechzahlsprung an der Grenzfläche Ringintegrator / Luft ermöglicht. Zur Verbesserung der Reflektivität können diese Flächen verspiegelt sein. Weiter wird das Licht benachbart liegender LEDs überlagert und reflektiert, was zu einer zusätzlichen Durchmischung führt. Der für die konkrete Anwendung benötigte Winkelbereich des Beleuchtungslichtes (Divergenz in radialer Richtung) wird durch Nachschalten einer Blende eingestellt. Vorzugsweise ist diese Blende verstellbar ausgebildet und angeordnet.
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Zur grundlegenden Adaption von Beleuchtungswinkel, Beleuchtungswinkelbereich, Homogenität, sowie zum Einstellen der Beleuchtung auf den genutzten Objektbereich, können die geometrischen Parameter h, d, ba, bö und die Form der Austrittsfläche F variiert werden.
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Für die unterschiedlichsten Beleuchtungsanwendungen können durch Optimierung mit handelsüblicher Optik-Software geeignete Parametersätze gefunden werden.
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Das vorgeschlagene Beleuchtungssystem erreicht eine deutlich bessere Homogenität des Beleuchtungslichtes als die bekannten Lösungen. Die erfindungsgemäße Lösung ist vergleichsweise einfach und daher kostengünstig und eignet sich daher insbesondere für Inspektionsaufgaben und in der Messtechnik.
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Beleuchtungsaufgaben in der Mikroskopie und Inspektion, bei denen ausschließlich am Objekt gestreutes Licht in die Beobachtungsoptik fällt, bei gleichzeitiger Vermeidung von Licht, das durch Reflexion am Objekt zum Detektor gelangt, sind Dunkelfeldbeleuchtungen. Hierbei wird das erfindungsgemäße ringförmige Beleuchtungssystem vorteilhaft eingesetzt. Bei der Dunkelfeldbeleuchtung ist der minimale Beleuchtungswinkel stets größer als der maximale objektseitige Aperturwinkel der Beobachtungsoptik (sogenannte Dunkelfeld-Bedingung). Weiter ist es insbesondere bei Inspektionsaufgaben wichtig, für das Beleuchtungslicht gewisse Winkelbereiche (bevorzugt außerhalb der Beobachtungsapertur) mit sehr guter Homogenität zu realisieren.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 Ringförmiges Beleuchtungssystem, Ansicht schräg von Oben
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2 Ringförmiges Beleuchtungssystem, Ansicht schräg von Unten
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3 Lichtmischkörper mit eingesetzten Lichtquellen in der Draufsicht
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4 Ringintegrator im Schnitt
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5 Objektiv mit Ringintegrator für eine einfache Beleuchtung
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6 Objektiv mit Ringintegrator für eine optimierte Beleuchtung
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7 Eine weitere Ausführungsform des Ringintegrators
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8 Ausführungsform des Ringintegrators mit einer Struktur
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1 zeigt das ringförmige Beleuchtungssystem in einer Ansicht schräg von oben als Ringintegrator 1 mit einer optischen Achse 15. Der Ringintegrator 1 besteht im Wesentlichen aus einen Lichtmischkörper 2, der die Form eines Zylinderrings hat. In die in dieser Ansicht sichtbaren Oberseite 3 der Deckfläche des Lichtmischkörpers 2 sind kreisförmig verteilt eine Vielzahl von Bohrungen 6 eingebracht, die zur Aufnahme einer Vielzahl von Lichtquellen 5 (nicht dargestellt) dienen.
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2 zeigt den Ringintegrator 1 in einer Ansicht schräg von unten. Die in dieser Ansicht sichtbare Unterseite 4 der Deckfläche des Lichtmischkörpers 2 trägt eine kreisringförmige Blendenöffnung 10. Diese Blendenöffnung 10 kann direkt auf der unteren Deckfläche des Lichtmischkörpers 2 hergestellt sein, indem kreisringförmige Schichten aus einem lichtundurchlässigen Material aufgebracht werden. Ein innerer Blendenring 11 und ein äußerer Blendenring 12 decken die Bereiche der Unterseite 4 ab, aus denen kein Licht austreten soll.
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3 zeigt ein Mikroskop- oder Kameraobjektiv 9 schematisch im Schnitt, welches von dem Ringintegrator 1 umgeben ist, in einer Ansicht auf seine Oberseite 3. Der Lichtmischkörpers 2 hat in die Bohrungen 6 eingesetzten Lichtquellen 5. Die zylinderförmigen Wandungen des Lichtmischkörpers 2 fassen unterseitig den inneren Blendenring 11 und den äußeren Blendenring 12. Die Blendenringe 11 und 12 realisieren die ringförmige Blendenöffnung 10.
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4 zeigt einen Schnitt A-A durch den Ringintegrator 1, welcher in 3 gezeigt ist. Der transparente Lichtmischkörper 2 weist in der Oberseite 3 die Bohrungen 6 auf, in welche die Lichtquellen 5 eingefügt sind. Das Beispiel zeigt eine eingeklebte LED mit einem kugelförmigen Kopf. Gegenüberliegend der Lichtquellen 5 ist die Unterseite des Lichtmischkörpers 2 mit einer in radialer Richtung sphärischen optischen Wirkfläche F versehen. Die übrigen Hüllflächen 13 des Lichtmischkörpers sind mit einem Mantel überzogen, der reflektierend und daher lichtundurchlässig gestaltet ist. Die von den Lichtquellen 5 ausgestrahlten Lichtbündel breiten sich im Lichtmischkörper 2 aus und erreichen die optische Wirkfläche F entweder auf einem direkten Weg oder über eine Reflexion oder mehrere Reflexionen an den Zylinderwandungen des Lichtmischkörpers 2. Der Lichtmischkörper 2 ist ein Ringzylinder mit einer Dicke d und einer Höhe h.
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Im Beispiel tragen die Zylinderwandungen des Lichtmischkörpers 2 Blendenringe, wobei die innere Zylinderwandung den inneren Blendenring 11 trägt und die äußere Zylinderwandung den äußeren Blendenring 12 trägt, die axialsymmetrisch zum Zylinderring des Lichtmischkörpers 2 angeordnet sind. Der Blendenradius ri des inneren Blendenringes ergibt sich aus dem Radius des äußeren Blendenringes ra minus der freien Öffnungsbreite der Blende bö. Die Blendenöffnung ist in einem Abstand ba vor der optischen Wirkfläche F angeordnet.
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5 zeigt ein Objektiv 9 mit Objektivlinsen 8, welches von dem Ringintegrator 1 umgeben ist. Die optische Achse 15 des Objektivs 9 und die Hauptstrahlrichtung 16 der Lichtquellen 5 sind parallel. Der Aperturwinkel des Objektivs α ist in jedem Fall kleiner als der mittlere Beleuchtungswinkel β.
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Diese Anordnung liefert eine einfache achsparallele Beleuchtung, welche jedoch eine sehr gute spektrale und örtliche Homogenität sowie eine ausgezeichnete Winkelhomogenität erzeugt.
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6 zeigt ein Objektiv mit einem Ringintegrator für eine noch besser optimierte Beleuchtung.
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Die optische Achse 15 des Objektivs 9 und die Hauptstrahlrichtung 16 der Lichtquellen 5 sind hier nicht parallel. Der Lichtmischkörper 2 hat hier die Form eines kegelförmigen Zylinderringes. Die Flächennormale jeder der Deckflächen nimmt zur optischen Achse 15 des Objektivs 9 einen Winkel zwischen größer 0° und kleiner als 90° ein. Die Deckfläche an der Oberseite 3 ist größer als die Deckfläche an der Unterseite 4. Die Hauptstrahlrichtung 16 jeder der Lichtquellen nimmt einen Winkel β ein, der dem mittleren Beleuchtungswinkel β entspricht. Insbesondere gilt α < β – βa, ∝ < β – βa, wobei βa der Aperturwinkel des Ringintegrators ist, welcher durch die radiale Öffnung der Blende bö gegeben ist.
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7 zeigt andere Ausführungsform des Ringintegrators 1. Im Beispiel ist die optische Wirkfläche F asphärisch. In den Lichtmischkörper sind zylinderförmige Lichtquellen 5 eingebaut.
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8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Ringintegrators 1, bei dem die optische Wirkfläche Fstruck eine sphärische oder asphärische Form aufweist und auf dieser zusätzlich eine mikrooptische Struktur aufgebracht ist. Eine derartige Struktur kann eine diffraktive Struktur oder eine Fresnel-Struktur oder eine andere mikrooptische Struktur sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ringintegrator
- 2
- Lichtmischkörper
- 3
- Oberseite
- 4
- Unterseite
- 5
- Lichtquellen (LEDs)
- 6
- Bohrungen
- 7
- Klebestelle
- 8
- Objektivlinsen
- 9
- Objektiv
- 10
- ringförmige Blendenöffnung
- 11
- innerer Blendenring
- 12
- äußerer Blendenring
- 13
- Hüllflächen
- 14
- Probe
- 15
- optische Achse
- 16
- Hauptstrahlrichtung
- d
- Dicke des Lichtmischkörpers
- h
- Höhe des Lichtmischkörpers
- F
- optische Wirkfläche
- Fstrukt
- optische Wirkfläche mit Struktur
- ba
- Abstand Blendenöffnung – optische Wirkfläche
- bö
- Öffnungsbreite der ringförmigen Blende
- α
- Aperturwinkel der Kameraoptik
- β
- mittlerer Beleuchtungswinkel
- βa
- Aperturwinkel des Ringintegrators
- r
- Radius
- ri
- Radius des inneren Blendenringes
- ra
- Radius des äußeren Blendenringes
- φ
- Azimut
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4186993 A [0003]
- US 4626079 A [0003]
- DE 19752509 A1 [0005]
