DE102012207725A1

DE102012207725A1 - Annular lighting system i.e. annular integrator, for use as dark field lighting unit to illuminate sample in microscopic field, has light mixing body with bottom surface on which active surface is provided with light emitting-opening

Info

Publication number: DE102012207725A1
Application number: DE201210207725
Authority: DE
Inventors: Holger Weigand; Carsten Glasenapp
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2012-09-27

Abstract

The system i.e. annular integrator (1), has multiple light sources i.e. LEDs, for radiating light beams, which are transformed by respective optical components. A cylindrical transparent light mixing body (2) comprises an annular upper surface (3) and an annular bottom surface, where the light sources are inserted into circularly-distributed holes (6) formed on the upper surface. An optical active surface is provided with an annular light emitting-opening at the bottom surface. Inner and outer diaphragm rings are arranged at respective cylinder walls of the body.

Description

Die Erfindung betrifft ein ringförmiges Beleuchtungssystem welches mehrere Lichtquellen aufweist, die Lichtbündel abstrahlen, und welches optische Bauelemente aufweist, die die Lichtbündel transformieren. The invention relates to an annular illumination system which has a plurality of light sources which emit light bundles and which has optical components which transform the light bundles.

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. Ring-shaped illuminations are used, for example, in microscopy as dark-field illuminations. These are illumination systems which direct light onto the sample outside of the objective or in an edge region of the objective (outside the imaging optics) by means of a ring mirror or annular lenses. The construction of these illuminations is complex, since light from a source lying outside the objective must be brought into an annular angular distribution whose axis of symmetry coincides with the optical axis of the objective.

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. For example, in US 4186993 A a lens is shown in which are arranged around the actual imaging optics in the light propagation direction, an annular transparent diffuser and an annular condenser lens. In US 4626079 A Several variants of a dark field illumination are shown in which a combination of annular lenses and / or annular mirrors is used around the objective lenses.

Die bekannten klassischen optischen Anordnungen verwenden aufwendige optische Bauteile, die einzeln mechanisch gefasst und zur Optik des Objektivs justiert werden müssen. The known classical optical arrangements use complex optical components which have to be individually gripped mechanically and adjusted to the optics of the objective.

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. For optical inspection and measuring devices, dark-field illuminations are realized by an arrangement of a plurality of light-emitting diodes, which span the camera objective in a ring shape and illuminate the object area of the sample without the use of further optical means. In DE 19752509 A1 a lighting unit is described which has areas of different radiation properties. The lighting unit consists of different light-emitting diodes, which surround the optics of the measuring system in an annular manner.

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. A disadvantage of the common LED ring light illuminators is the insufficient adaptation to demanding requirements with regard to the angular distribution and the spatial distribution of the illumination light, as well as the low spectral homogeneity of the illumination light provided.

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. For illumination of object areas in samples in microscopy or inspection, light emitting diodes (LED) are increasingly being used. These can be electronically controlled and have an excellent light output, have a low price and a small size. Individual LEDs are almost punctiform light sources whose light is usually distributed very inhomogeneously. Therefore, multiple LEDs are often combined to improve the homogeneity in the location and angle of the illuminating light when illuminating object areas. However, the simple superimposition of light from multiple light sources often does not meet the requirements for a homogeneous and stable illumination of a sample.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde eine neue ringförmige Lichtquelle zu schaffen, die eine homogene Lichtverteilung aufweist und die kostengünstig herstellbar ist. The invention is therefore based on the object to provide a new annular light source having a homogeneous light distribution and which is inexpensive to produce.

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. The object of the invention is achieved with the characterizing features of claim 1. The dependent claims 2 to 12 are advantageous embodiments of the features of the main claim. 1

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. The annular illumination system has a plurality of light sources arranged in a circular ring, which emit light bundles. These emitted light beams are coupled into a cylindrical transparent Lichtmischköper. In this case, the light sources are located on an annular upper side of the light mixing body. An annular bottom side has an optical active surface with an annular light exit opening.

Der Lichtmischkörper mit den daran befestigten Lichtquellen bildet den Ringintegrator mit einer optischen Achse. The light mixing body with the light sources attached thereto forms the ring integrator with an optical axis.

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. However, the invention is not limited to the pure circular shape. It also extends to the elliptical shape or the rectangular shape as well as any closed ring shapes.

Vorzugsweise sind in die ringförmige Oberseite des Lichtmischkörpers ringförmig verteilt Bohrungen eingebracht, in welche die zylinderförmigen Lichtquellen, insbesondere LEDs, eingefügt sind. Preferably, annularly distributed bores are introduced into the annular upper side of the light mixing body into which the cylindrical light sources, in particular LEDs, are inserted.

Eine andere Ausführungsform verwendet flache Lichtquellen, die ringförmig verteilt auf in die ringförmige Oberseite des Lichtmischkörpers geklebt sind. Another embodiment uses flat light sources that are distributed annularly in the annular top of the light mixing body.

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. In this case, the annular underside of the light mixing body in the azimuthal direction φ has a constant height profile and the height profile in the radial direction r is flat or is spherical or is aspherical or is a free-form surface.

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. In addition, the annular underside of the light mixing body may have a structure. This structure may be an annular aperture. This structure can also be a diffractive one Structure or a Fresnel structure or a micro-optical structure.

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 b_a zu der ringförmige Unterseite des Lichtmischkörpers eine ringförmige Blendenöffnung mit einer Öffnungsbreite b_ö. However, aperture rings are preferably arranged on the cylinder walls of Lichtmischköpers. An inner diaphragm ring is fixed to the inner wall of the light mixing body, and an outer diaphragm ring is fixed to the outer wall of the light mixing body. Both aperture rings form at a distance b _a to the annular bottom of the light mixing body an annular aperture with an opening width b _ö .

Zur Anpassung des ringförmigen Beleuchtungssystems an unterschiedliche Beleuchtungsaufgaben ist die Blendenöffnung in ihrem Abstand b_a zu der ringförmigen Unterseite des Lichtmischkörpers einstellbar. Weiterhin ist die Blendenöffnung in ihrer radialen Ausdehnung mit ihrer Öffnungsbreite b_ö einstellbar gestaltet. In order to adapt the annular illumination system to different lighting tasks, the diaphragm opening can be adjusted in its distance b _a to the annular underside of the light mixing body. Furthermore, the aperture is designed in its radial extent with its opening width b _ö adjustable.

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. The transparency of the envelope surfaces of the light mixing body is canceled by mirroring and / or blackening. Excluded are the surfaces for the irradiation of the light from the light sources and the optical effective surface for the light emission. With this measure, a disturbing light emission is avoided and the efficiency of the light mixture can be improved.

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. Preferably, the cylindrical ring of the light mixing body has a conical shape. The surface normals of the top surfaces of this conical cylindrical ring assume an angle of between greater than 0 ° and less than 90 ° with respect to the optical axis, with the annular top surface being larger at the top than the annular top surface at the bottom.

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. The light mixing body is preferably attached directly to the wall of the lens of a measuring device and is changeable. However, the light mixing body can also be integrated into the housing wall of the objective and surround the objective optics.

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. The invention provides a dark field illumination system with very good light mixing. The lighting system also allows for adaptations for many applications, with an adjustment of the illumination angle, the illumination aperture, as well as the illuminated object areas is provided. The dark field illumination system consists of a cylinder-shaped base body, which is made of an optically transparent material. Particularly suitable are, for example, optical polycarbonate or polyolefin. In the preferably plan top are holes in the LEDs are embedded. The LEDs emit white and / or colored light. This main body, which is equipped with the light sources is called in the following ring integrator. It has on the underside an optical active surface, which can be considered in the radial cross section of the entire ring of spherical or aspherical shape and is used in transmission. Furthermore, the surface may be provided with structures.

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. Such structures are, for example, diffractive gratings or refractive Fresnel structures. The light emanating from the LEDs, in particular the light emanating at a larger angle, is reflected on its way to the exit surface on the radial outer surfaces of the ring integrator and thus mixed with the underside of the integrator. These reflections are made possible in a natural way by a refractive index jump at the ring integrator / air interface. To improve the reflectivity, these surfaces can be mirrored. Furthermore, the light of adjacent LEDs is superimposed and reflected, resulting in additional mixing. The required for the specific application angle range of the illumination light (divergence in the radial direction) is adjusted by connecting an aperture. Preferably, this aperture is adjustable and arranged.

Zur grundlegenden Adaption von Beleuchtungswinkel, Beleuchtungswinkelbereich, Homogenität, sowie zum Einstellen der Beleuchtung auf den genutzten Objektbereich, können die geometrischen Parameter h, d, b_a, b_ö und die Form der Austrittsfläche F variiert werden. For the fundamental adaptation of illumination angle, illumination angle range, homogeneity and for adjusting the illumination to the used object area, the geometric parameters h, d, b _a , b _ö and the shape of the exit surface F can be varied.

Für die unterschiedlichsten Beleuchtungsanwendungen können durch Optimierung mit handelsüblicher Optik-Software geeignete Parametersätze gefunden werden. For a variety of lighting applications, suitable parameter sets can be found by optimization with commercially available optical software.

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. The proposed illumination system achieves a significantly better homogeneity of the illumination light than the known solutions. The solution according to the invention is comparatively simple and therefore inexpensive and is therefore particularly suitable for inspection tasks and in metrology.

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. Lighting tasks in microscopy and inspection, in which only light scattered on the object falls into the observation optics, while avoiding light that reaches the detector by reflection on the object, are dark field illuminations. In this case, the annular illumination system according to the invention is advantageously used. In dark field illumination, the minimum illumination angle is always greater than the maximum object-side aperture angle of the observation optics (so-called dark field condition). Furthermore, it is particularly important for inspection tasks, for the illumination light certain angular ranges (preferably outside the observation aperture) to realize with very good homogeneity.

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. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the specified combinations but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail for example with reference to the accompanying drawings, which also disclose characteristics essential to the invention. Show it:

1 Ringförmiges Beleuchtungssystem, Ansicht schräg von Oben 1 Ring-shaped lighting system, view diagonally from above

2 Ringförmiges Beleuchtungssystem, Ansicht schräg von Unten 2 Ring-shaped lighting system, view diagonally from below

3 Lichtmischkörper mit eingesetzten Lichtquellen in der Draufsicht 3 Light mixing body with inserted light sources in plan view

4 Ringintegrator im Schnitt 4 Ring integrator in section

5 Objektiv mit Ringintegrator für eine einfache Beleuchtung 5 Lens with ring integrator for easy illumination

6 Objektiv mit Ringintegrator für eine optimierte Beleuchtung 6 Lens with ring integrator for optimized illumination

7 Eine weitere Ausführungsform des Ringintegrators 7 Another embodiment of the ring integrator

8 Ausführungsform des Ringintegrators mit einer Struktur 8th Embodiment of the ring integrator with a structure

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. 1 shows the annular illumination system in a view obliquely from above as a ring integrator 1 with an optical axis 15 , The ring integrator 1 consists essentially of a light mixing body 2 which has the shape of a cylinder ring. In the top visible in this view 3 the top surface of the light mixing body 2 are circularly distributed a variety of holes 6 introduced, which absorb a variety of light sources 5 serve (not shown).

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. 2 shows the ring integrator 1 in a view diagonally from below. The underside visible in this view 4 the top surface of the light mixing body 2 carries a circular aperture 10 , This aperture 10 can be directly on the lower top surface of the light mixing body 2 be prepared by applying annular layers of an opaque material. An inner aperture ring 11 and an outer aperture ring 12 cover the areas of the bottom 4 from which no light should escape.

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. 3 shows a microscope or camera lens 9 schematically in section, which of the ring integrator 1 surrounded, in a view on its top 3 , The light mixing body 2 got into the holes 6 used light sources 5 , The cylindrical walls of the light mixing body 2 grasp the inner diaphragm ring on the underside 11 and the outer bezel ring 12 , The aperture rings 11 and 12 realize the annular aperture 10 ,

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. 4 shows a section AA through the ring integrator 1 which is in 3 is shown. The transparent light mixing body 2 points in the top 3 the holes 6 into which the light sources 5 are inserted. The example shows a glued-in LED with a spherical head. Opposite the light sources 5 is the bottom of the light mixing body 2 provided with a spherical effective in the radial direction optical effective surface F. The remaining envelope surfaces 13 of the light mixing body are coated with a jacket which is reflective and therefore opaque. The of the light sources 5 emitted light bundles spread in the light mixing body 2 and reach the optical active surface F either on a direct path or via a reflection or multiple reflections on the cylinder walls of the light mixing body 2 , The light mixing body 2 is a ring cylinder with a thickness d and a height h.

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 r_i des inneren Blendenringes ergibt sich aus dem Radius des äußeren Blendenringes r_a minus der freien Öffnungsbreite der Blende b_ö. Die Blendenöffnung ist in einem Abstand b_a vor der optischen Wirkfläche F angeordnet. In the example, the cylinder walls of the light mixing body carry 2 Aperture rings, wherein the inner cylinder wall, the inner aperture ring 11 carries and the outer cylinder wall, the outer aperture ring 12 carries, the axisymmetric to the cylinder ring of the light mixing body 2 are arranged. The aperture radius r _{i of} the inner diaphragm ring results from the radius of the outer diaphragm ring r _a minus the free opening width of the diaphragm b _ö . The aperture is arranged at a distance b _{a in} front of the optical effective surface F.

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. 5 shows a lens 9 with objective lenses 8th that of the ring integrator 1 is surrounded. The optical axis 15 of the lens 9 and the main beam direction 16 the light sources 5 are parallel. The aperture angle of the lens α is in any case smaller than the average illumination angle β.

Diese Anordnung liefert eine einfache achsparallele Beleuchtung, welche jedoch eine sehr gute spektrale und örtliche Homogenität sowie eine ausgezeichnete Winkelhomogenität erzeugt. This arrangement provides a simple paraxial illumination, but which produces very good spectral and local homogeneity as well as excellent angular homogeneity.

6 zeigt ein Objektiv mit einem Ringintegrator für eine noch besser optimierte Beleuchtung. 6 shows a lens with a ring integrator for even better optimized lighting.

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 – β_a, ∝ < β – β_a, wobei β_a der Aperturwinkel des Ringintegrators ist, welcher durch die radiale Öffnung der Blende b_ö gegeben ist. The optical axis 15 of the lens 9 and the main beam direction 16 the light sources 5 are not parallel here. The light mixing body 2 here has the form of a conical cylindrical ring. The surface normal of each of the top surfaces increases to the optical axis 15 of the lens 9 an angle between greater than 0 ° and less than 90 °. The top surface at the top 3 is larger than the top surface at the bottom 4 , The main beam direction 16 each of the light sources occupies an angle β corresponding to the average illumination angle β. In particular, α <β-β _a , α <β-β _a , where β _{a is} the aperture angle of the ring integrator, which is given by the radial opening of the diaphragm b _ö .

7 zeigt andere Ausführungsform des Ringintegrators 1. Im Beispiel ist die optische Wirkfläche F asphärisch. In den Lichtmischkörper sind zylinderförmige Lichtquellen 5 eingebaut. 7 shows another embodiment of the ring integrator 1 , In the example, the optical effective area F is aspherical. In the light mixing body are cylindrical light sources 5 built-in.

8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Ringintegrators 1, bei dem die optische Wirkfläche F_struck 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. 8th shows a further embodiment of the ring integrator 1 Wherein the optical effective area F _struck has a spherical or aspherical shape, and in addition, a micro-optical structure is applied on this. Such a structure may be a diffractive structure or a Fresnel structure or another micro-optical structure.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Ringintegrator ring integrator
2 2: Lichtmischkörper Light mixing body
3 3: Oberseite top
4 4: Unterseite bottom
5 5: Lichtquellen (LEDs) Light sources (LEDs)
6 6: Bohrungen drilling
7 7: Klebestelle splice
8 8th: Objektivlinsen objective lenses
9 9: Objektiv lens
10 10: ringförmige Blendenöffnung annular aperture
11 11: innerer Blendenring inner aperture ring
12 12: äußerer Blendenring outer aperture ring
13 13: Hüllflächen enveloping surfaces
14 14: Probe sample
15 15: optische Achse optical axis
16 16: Hauptstrahlrichtung Boresight
d d: Dicke des Lichtmischkörpers Thickness of the light mixing body
h H: Höhe des Lichtmischkörpers Height of the light mixing body
F F: optische Wirkfläche optical effective surface
F_strukt F _structs: optische Wirkfläche mit Struktur optical effective surface with structure
b_a b _a: Abstand Blendenöffnung – optische Wirkfläche Distance aperture - optical effective area
b_ö b _ö: Öffnungsbreite der ringförmigen Blende Opening width of the annular aperture
α α: Aperturwinkel der Kameraoptik Aperture angle of the camera optics
β β: mittlerer Beleuchtungswinkel average illumination angle
β_a β _a: Aperturwinkel des Ringintegrators Aperture angle of the ring integrator
r r: Radius radius
r_i _i: Radius des inneren Blendenringes Radius of the inner aperture ring
r_a r _a: Radius des äußeren Blendenringes Radius of the outer aperture ring
φ φ: Azimut azimuth

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 4186993 A [0003]
US 4626079 A [0003]
DE 19752509 A1 [0005]

Claims

Ring-shaped lighting system which several light sources ( 5 ) which emit light bundles and which has optical components which transform the light bundles, characterized in that the illumination system has a cylindrical transparent light mixing body ( 2 ) having an annular top ( 3 ) and an annular bottom ( 4 ) and an optical axis ( 15 ), wherein at the top ( 3 ) the light sources are arranged annularly and at the bottom ( 4 ) an optical active surface (F) is provided with an annular light exit opening.

Annular illumination system according to claim 1, characterized in that in the annular upper side ( 3 ) of the light mixing body ( 2 ) distributed circular holes ( 6 ) into which the light sources ( 5 ) are inserted.

Annular illumination system according to claim 1, characterized in that the light sources ( 5 ) distributed in a circular manner on the annular upper side ( 3 ) of the light mixing body ( 2 ) are glued.

Annular illumination system according to claim 1, characterized in that the annular underside ( 4 ) of the light mixing body ( 2 ) in the azimuthal direction (φ) has a constant height profile and the height profile in the radial direction (r) is flat or spherical or aspherical or is a free-form surface.

Annular illumination system according to claim 1, characterized in that the annular underside ( 4 ) of the light mixing body ( 2 ) has a structure (F _struk ).

Ring-shaped illumination system according to claim 5, characterized in that the structure (F _struk ) on the annular underside ( 4 ) of the light mixing body ( 2 ) an annular aperture ( 10 ).

Ring-shaped illumination system according to claim 5 or claim 6, characterized in that structure (F _struk ) on the annular underside ( 4 ) of the light mixing body ( 2 ) is a diffractive structure or a Fresnel structure or a micro-optical structure.

Annular illumination system according to claim 1, characterized in that on the cylinder walls of Lichtmischköpers ( 2 ) each an inner aperture ring ( 11 ) and an outer aperture ring ( 12 ) are arranged at a distance (b _a ) to the annular bottom ( 4 ) of the light mixing body ( 2 ) an annular aperture ( 10 ) with the opening width (b _ö ).

Annular illumination system according to claim 8, characterized in that the aperture ( 10 ) is adjustable in its distance (b _a ) to the annular bottom of the light mixing body.

Annular illumination system according to claim 8 or claim 9, characterized in that the aperture ( 10 ) in its opening width (b _ö ) in the radial direction is adjustable.

Annular illumination system according to one of the preceding claims, characterized in that the transparency of the envelope surfaces ( 13 ) of the light mixing body ( 2 ) is removed by mirroring and / or blackening, with the exception of the areas for the irradiation of the light from the light sources ( 5 ) and the optical active surface (F).

Annular illumination system according to claim 1, characterized in that the light mixing body ( 2 ) is a conical cylindrical ring whose annular top surfaces have a surface normal to the optical axis ( 15 ) is at an angle between greater than 0 ° and less than 90 °, wherein the annular top surface at the top ( 3 ) is larger than the annular top surface at the bottom ( 4 ).