DE3032586A1

DE3032586A1 - Ringfoermige beleuchtungsoptik

Info

Publication number: DE3032586A1
Application number: DE19803032586
Authority: DE
Inventors: Calvin S. Wappingers Falls N.Y. McCamy
Original assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Current assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Priority date: 1979-10-11
Filing date: 1980-08-27
Publication date: 1981-04-30
Also published as: JPS5661702A; DE3032586C2; JPS639321B2; US4320442A

Description

PFENNING · MAAS

• Ö MEINIG

SPOTT

■ Patentanwälte Kurfürstendamrr, *70. C ¹OOO Berlin 15

MACBETH-7

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PATE

BERLIN · MÜNCHEN

J. Pfenning, Dipl -Ing Berlin Dr.! Maas. Dipl -Chem. - München K. H Meinig Dlpl-Phys ■ Berlin Dr G Spott. Dip! -Chem München

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27. August 1980

KOLLMORGEN TECHNOLOGIES CORPORATION Republic National Bank Building Dallas, Texas 75201, V.St.A.

Ringförmige Beleuchtungsoptik

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Beleuchtungsoptik und insbesondere eine ringförmige Beleuchtungsoptik mit einem Beleuchtungswinkel von 45°.

Wird eine Oberfläche kritisch betrachtet, beispielsweise zur Untersuchung ihrer Farbe oder ihrer Struktur oder ihres Musters, so ist es vorteilhaft, die zu untersuchende Oberfläche so zu beleuchten, daß kein Licht spiegelnd in das betrachtende Auge reflektiert wird. Diese Bedingung wird erfüllt, wenn das Licht auf die Oberfläche des zu untersuchenden Objektes in einem Winkel von 45° auftrifft. Tatsächlich ist die Beleuchtung unter 45° in zahlreichen Fällen zur Untersuchung von Oberflächeneigenschaften eingeführt worden, wie beispielsweise in der Kolorimetrie.

Es sind in der Technik eine ganze Reihe von Beleuchtungsoptiken bekannt und eingeführt worden. Beispielsweise wird nach US-PS 4,022,534 eine Beleuchtungsoptik beschrieben, die eine 45/0° Kollektorbeleuchtungs-Geometrie benutzt, einen keilförmigen Diffuser und einen zylindrischen Reflektor, um eine Beleuchtung unter 45° zu erzielen. In US-PS 1,445,306 wird ein Reflektor beschrieben, dessen Lichtquelle zwischen einer halb-ellipsoiden und einer sphärischen reflektierenden Oberfläche angeordnet ist. US-PS 3,982,824 beschreibt eine katoptrische Linsenanordnung, nach welcher ein primärer Parabolspiegel in einem sekundären elliptischen Spiegel angeordnet ist. US-PS 1,711,478 beschreibt einen Reflektor, der in einem Teil parabolisch und in zwei anderen

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• τ·

Teilen sphärisch mit verschiedenen Radien gekrümmt ist. In US-PS 3,257,574 wird ein Reflektor, der aus einem elliptischen und einem angrenzenden sphärischen Hohlspiegel besteht, beschrieben. US-PS 3,893,754 beschreibt ein Spiegelsystem, bestehend aus einer Kombination eines parabolischen und eines ellipsoiden Spiegels, US-PS 3,801,773 beschreibt einen Reflektor, bestehend aus zwei Paaren kongruenter, flacher, koaxialer sphärischer Oberflächenabschnitte. US-PS 3,449,561 beschreibt einen Spiegelreflektor, der durch Drehung von Ellipsenabschnitten um die Generatorachse gebildet wird. Die Hauptachsen der Ellipsen treffen die Generatorachse im spitzen Winkel. Schließlich wird in US-PS 4,002,499 ein Energie-Kollektor beschrieben, der aus einem Paar von involuten Abschnitten besteht; eine solche Anordnung wird auch als "gull wing" ("Knickflügel") Anordnung bezeichnet.

Die vorliegende Erfindung sieht eine ringförmige Beleuchtungsoptik großer Leistungsfähigkeit vor, die aus einer Kombination eines sphärischen, eines elliptischen und eines zylindrischen Spiegels besteht. Das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht wird zunächst von der elliptischen und dann von der zylindrischen Oberfläche reflektiert. Lichtstrahlen, die nicht auf die elliptische Spiegeloberfläche gerichtet sind, treffen den sphärischen Reflektor und werden dann von der elliptischen Spiegeloberfläche und dem zylindrischen Reflektor reflektiert. Das erfindungsgemäße System ist sehr leistungsfähig, da fast die gesamte Lichtstrahlung bis auf

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einen kleinen Rest, der in einem sehr kleinen Winkel zur Rotationsachse auftrifft, verwertet wird. Die ringförmige Beleuchtungsoptik entsprechend der vorliegenden Erfindung kann zur Beleuchtung unter einem Winkel von 45° benutzt werden; sie ist aber auch für Winkel zwischen 40° und 50° brauchbar.

Durch die Abbildung wird das erfindungsgemäße System noch besser veranschaulicht.

Die Abbildung stellt einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungsoptik dar. Die ringförmige Beleuchtungsoptik besteht aus einer elliptischen Oberfläeche 10, einer zylindrischen Oberfläche 12 und einer sphärischen Oberfläche 14. Alle drei Oberflächen sind symmetrisch zur optischen Achse O angeordnet und alle drei Oberflächen sind Rotationsflächen um diese optische Achse.

Eine Lichtquelle S ist in Punkt D angeordnet und liegt in einem Brennpunkt der Ellipse auf der optischen Achse. Die Hauptachse der Ellipse 16 trifft die optische Achse in einem spitzen Winkel OC. Strahlen von der Lichtquelle S, die vom elliptischen Spiegel 10 reflektiert werden, treffen sich in einem Brennpunkt auf einem Kreis mit dem Radius r weit von der optischen Achse entfernt und werden vom zylindrischen

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Reflektor aufgefangen und reflektiert. Die sphärische Oberfläche 14 reflektiert die Strahlen, die sonst verloren gehen würden, zurück in das Beleuchtungssystem.

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Wie in der Abbildung gezeigt, ist die zu betrachtende Probe in O angeordnet, beispielsweise χ = y = ζ = O. Der Radius der kreisförmigen zylindrischen Oberfläche ist 1 Einheit, beispielsweise y = 1 und χ = o, entsprechend der vorliegenden Abbildung.

Folglich ist:

1/A = tan 50° = 1,1918 A = 0,8391

1/B = tan 45° = 1,0000 B = 1,0000

1/C = tan 40° = 0_f8391 C = 1,1918 E = 2A E = 1 ,6782

F = 2B F= 2,0000

G = 2C G= 2,3835

Die Lichtquelle S muß auf der optischen Achse O_z liegen und ihr Abstand muß größer sein als C, um zu vermeiden, daß der sphärische Reflektor in sich selbst reflektiert. Der sphärische Reflektor muß sich bis zur Linie CD, aber nicht über diese hinaus, erstrecken, so daß die zylindrische Oberfläche kein direktes Licht erhält. Die sphärische Oberfläche kann sich bis zur Linie AE erstrecken, nicht aber über diese hinaus, so daß der zylindrische Reflektor ausschließlich Licht erhält, das vom elliptischen Reflektor reflektiert ist. Deshalb muß die Lichtquelle S zwischen C und E liegen, beispielsweise in einem Abstand zwischen 1,1918 und 1,6782, vorzugsweise in einem Abstand von 1.5 Einheiten. Das Zentrum K der Ellipse liegt beispielsweise im Punkt (O, 1, 0,75).

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— Öf —

Eine Ellipse wird allgemein durch die folgende Gleich_ung beschrieben:

a²

worin χ und y die Koordinaten des Hilfskoordinaten-Systems sind, a die halbe Hauptachse und b die halbe Nebenachse. Der Abstand vom Zentrum der Ellipse zu einem Brennpunkt ist c, dann ist a² = b² + c². Im vorliegenden Fall ist

C = DK = Yi² + (0,75)² = 1,250 und c² = 1,5625

Da sin OC= 1/c = 0,8 ist, ist der Winkel CK zwischen der Hauptachse der Ellipse und der optischen Achse O_z 53,13°. Das ist der Winkel zwischen der z-Achse und der x-Achse. Beide Brennpunkte liegen auf der x-Achse; nur ein Brennpunkt der Ellipse liegt auf der z-Achse, nämlich in der Lichtquelle. Die Ellipse muß durch den Punkt C gehen. Im (y, z) System liegt C im Punkt (1, 1,1918). CK hat die Länge 1,1918 - 0,75 = 0,4418. Im (X, Y) System hat C die Koordinaten

Y = 0,4418 sin oC = 0,3534

X = 0,4418 cos OC = 0,2651

Wenn a² = P, b² = Q, und c² = R sind, kann die Ellipsengleichung wie folgt geschrieben werden:

QX² + PY² = PQ

wobei P = Q + R ist. Wird P durch-die Kombination der beiden letzten Gleichungen herausgenommen und dann entsprechend um-

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gefomrt, ergibt sich die folgende quadratische Gleichung

für Q, in welcher R eine Konstante und X und Y bekannte Punkte sind:

Q² + (R-X² - Y² ) Q - RY² = O

Daraus ergibt sich

Q = 0,1303 = b²

b = 0,3610

und P = R + Q = 1,6928 = a²

a = 1,30108

So kann die räumliche Ellipsengleichung in (X, Y) wie folgt ausgedrückt werden:

1,693 0,1303 und die Konstanten der Ellipse sind die folgenden:

halbe Hauptachse a = 1,301 halbe Nebenachse b = 0,3610 halbe Brennweite c = 1,2500

Der Zylinder hat einen Durchmesser von 1 Einheit und eine Länge von AC = 0,3527 Einheiten.

Entsprechend der Abbildung muß der sphärische Reflektor einen Radius haben, der geringer ist als DJ, beispielsweise weniger als 0,36 Einheiten.

Auf diese Weise benutzt die Linse Licht, das unter einem Winkel zwischen 72.9° und 126.2°, bezogen auf die optische Achse, ausgestrahlt wird. Da sich dieser Bereich von 17.2° unter normal bis 36.2° über normal erstreckt, ergibt sich ein Bereich von 36.2 - 17.2 = 19°. Das unter diesem Winkelbereich

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einfallende Licht würde für die Beleuchtung des zu untersuchenden Gegenstandes verloren gehen, wenn es nicht vermittels der sphärischen Oberfläche 14 in das Beleuchtungssystem zurückreflektiert würde. Durch die Verwendung des sphärischen Reflektors wird die Lichtausbeute stark erhöht und alles Licht, das zwischen einem Winkel von 53.8° bis 126.2° = 72° einfällt, wird ausgenutzt. Damit ist die Lichtausbeute fünf mal größer als bei Verwendung eines einzigen elliptischen Reflektors. Der verwendete Bereich ist genau auf der Normalen zentriert.

Obgleich die Erfindung hier beispielhaft anhand einer besonderen Ausgestaltungsform beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, daß der Fachmann zahlreiche Abwandlungen und weitere Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Beleuchtungsoptik entwickeln kann. Beispielsweise könnten statt der glatten Reflektoroberflächen solche verwendet werden, die aus einzelnen Facetten bestehen. Des weiteren wird der Fachmann vorzugsweise solche Reflektoroberflächen verwenden, die nicht durch Drehung um 360° beschrieben werden, sondern durch Drehung um einen geringeren Winkelbetrag. Die hier bisher beschriebenen Oberflächen entstanden sämtlich durch Drehung um 3 60°; dennoch sind auch solche Oberflächen erfindungsgemäß, die durch Drehen um einen Winkel von weniger als 360° beschrieben werden.

Demzufolge ist die Erfindung nichtdurch die vorliegende Beschreibung beschränkt, sondern nur durch die Patentansprüche.

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Claims

Patentansprüche:

I Ringförmige Beleuchtungsoptik, dadurch gekennzeichnet , daß diese aus einem elliptischen, einem zylindrischen und einem sphärischen Reflektor besteht.
2. Beleuchtungsoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des elliptischen Reflektors durch ein rotierendes Ellipsensegment gebildet wird und die Rotationsachse die optische Achse des Systems ist.
3. Beleuchtungsoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des zylindrischen Reflektors durch ein rotierendes geradliniges Zylindersegment gebildet wird und die Rotationsachse die optische Achse des Systems ist.
4. Beleuchtungsoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Reflektor an den elliptischen Reflektor angrenzt.
5. Beleuchtungsoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des sphärischen Reflektors durch ein rotierendes Kreissegment gebildet wird, das um die optische Achse des Systems gedreht wird.

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6. Beleuchtungsoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Oberfläche des sphärischen Reflektors gegenüber der konkaven Oberfläche des elliptischen Reflektors angeordnet ist.
7. Beleuchtungsoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle auf der optischen Achse und zwischen dem elliptischen und dem sphärischen Reflektor angeordnet ist.
8. Beleuchtungsoptik nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius des zylindrischen Reflektors dem radialen Abstand zwischen dem Zentrum der Ellipse und der optischen Achse entspricht.
9. Beleuchtungsoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel, unter welchem das Licht vom zylindrischen Reflektor reflektiert wird, in der Größenordnung von 50° liegt.
10. Beleuchtungsoptik nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Reflektor Licht in einem Winkel zwischen 40° und 50° reflektiert.
11. Beleuchtungsoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu beleuchtende Gegenstand auf der optischen Achse angeordnet ist, und daß dieser von den Licht-

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strahlen beleuchtet wird, die vom zylindrischen Reflektor reflektiert werden.
12. Beleuchtungsoptik nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen auf der Oberfläche des zu beleuchtenden Gegenstandes unter einem Winkel von 40° bis 50° auftreffen.
13. Beleuchtungsoptik nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen auf der Oberfläche des zu beleuchtenden Gegenstandes unter einem Winkel von 45° auftreffen.
14. Beleuchtungsoptik nach den Ansprüchen 1 bis 13, c!.· durch gekennzeichnet, daß der zu beleuchtende Gegenstand im Punkt O eines rechteckigen Koordinatensystems angeordnet ist und, wenn der Radius des zylindrischen Reflektors einer Einheit entspricht, die Lichtquelle auf der optischen Achse im Abstand zwischen 1,1918 bis 1,6782 Einheiten vom Punkt des Koordinatensystems entfernt angeordnet ist.
15. Beleuchtungsoptik nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle im Abstand von 1,5 Einheiten vom Punkt O des Koordinatensystems auf der optischen Achse angeordnet ist.
16. Beleuchtungsoptik nach Anspruch 14, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß der sphärische Reflektor einen Radius von weniger als 0,36 Einheiten hat.
17. Beleuchtungsoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptachse der Ellipse, welche die Oberfläche des elliptischen Reflektors bildet, einen spitzen Winkel mit der optischen Achse des Systems bildet, und daß der zylindrische Reflektor an den elliptischen Reflektor angrenzt und so eingestellt ist, daß er das gesamte Licht von der konkaven Oberfläche des elliptischen Reflektors empfängt.

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