DE69309692T2

DE69309692T2 - Optische vorrichtung zur ringförmigen beleuchtung eines punktes

Info

Publication number: DE69309692T2
Application number: DE69309692T
Authority: DE
Inventors: Nicholas Taylor
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1992-07-31
Filing date: 1993-07-28
Publication date: 1997-11-13
Anticipated expiration: 2013-07-29
Also published as: EP0653075B1; TW221313B; EP0653075A1; WO1994003829A1; GB9216333D0; US5772313A; DE69309692D1; US5890795A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches System zum Fokussieren eines kreisförmigen Lichtstrahls auf einen Punkt.
Bei der Densitometrie mit Hilfe von Reflexion muß oft ein Muster in einem Winkel von 45º mit einem engen Lichtstrahl beleuchtet werden, siehe hierzu die ISO-Norm 5/4 "Geometrische Bedingungen für die Reflexionsdichte". Idealerweise setzt man daher eine Bestrahlung von 360º ein, um sicherzustellen, daß die Ausrichtung bei richtungsabhängigem Reflexionsmaterial das Meßergebnis nicht beeinflussen kann.
Wenn ein optisches System zur Bildung eines schmalen kreisförmigen Strahls, der bei 45º in einem Punkt auf dem Muster zusammenläuft, so daß dieser Punkt beleuchtet wird, im wesentlichen wie in GB-A-2191572 ausgeführt ist oder alternativ eine Lampe umfaßt, die im Mittelpunkt der reflektierenden Oberfläche eines Parabolspiegels so angebracht ist, daß sie einen im wesentlichen parallelen Lichtstrahl erzeugt, sowie eine koaxial zur Achse des Parabolspiegels im Strahlengang des parallelen Lichtstrahls montierte Scheibe, die den Strahl so einschränkt, daß das Licht in einem kreisförmigen, parallelen Lichtstrahl koaxial zur Achse des Reflektors läuft, sowie eine einfache konvergente Linse, die koaxial mit der Achse des Parabolspiegels auf der anderen Seite der Scheibe vom Parabolspiegel abgewendet angebracht ist, wobei der kreisförmige parallele Strahl konvergiert und an einem Punkt fokussiert, der auf der Achse des Parabolspiegels liegt, dann muß eine derartige Linse über eine große Lichtstärke verfügen. Dies ist sehr schwierig und es gibt darüber hinaus nur wenig Platz zwischen der Linse und dem Muster, um den erforderlichen Detektor zur Erfassung des senkrecht zur Ebene des Musters abgestrahlten Lichtes unterzubringen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein optisches System, mit dem das gewünschte Ergebnis einfacher erreicht werden kann als durch eine einfache konvergente Linse, und das genügend Raum bietet, um einen Detektor zur Erfassung des senkrecht zur Musterebene abgestrahlten Lichtes unterzubringen.
US-A-4422135 enthält die Verwendung eines asphärischen Spiegels, der so angeordnet ist, daß seine reflektierende Oberfläche eine kreisförmige, konkave Form aufweist, die sich rund um eine rotationssymmetrische Achse erstreckt, wobei der radiale Querschnitt elliptisch ist. Ein zylindrischer Spiegel wird an die radiale äußere Kante des asphärischen Spiegels angeschlossen und fokussiert den konvergenten kreisförmigen Strahl auf einen einzigen Punkt auf der Achse des kreisförmigen Strahls. Obwohl bei dieser Anordnung keine Linse mit großer Lichtstärke erforderlich ist, ist dennoch nicht mehr Platz zur Aufnahme eines Detektors vorhanden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein optisches System zum Fokussieren eines kreisförmigen Lichtstrahles auf einen Punkt vorgestellt, wobei das System eine Lichtquelle aufweist sowie optische Mittel, die das von der Lichtquelle abgegebene Licht zu einem kreisförmigen Lichtstrahl mit konvergenter Breite formen, wobei die optischen Mittel einen konkaven Spiegel aufweisen, der eine rotationssymmetrische Achse umfaßt, die deckungsgleich ist mit der Achse des optischen Systems, sowie einen kreisförmigen Spiegel, der koaxial in den Strahlengang des kreisförmigen Lichtstrahls eingebracht und derart positioniert ist, daß der Lichtstrahl auf ihn trifft, bevor er so fokussiert wurde, daß ein kleines, kreisförmiges Bild entsteht, wobei der kreisförmige Spiegel so angeordnet werden kann, daß er den kreisförmigen Strahl derart ablenkt, daß auf dessen Achse ein einzelnes, punktförmiges Bild entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß der kreisförmige Spiegel einen konischen Spiegel aufweist und daß die optischen Mittel derart angeordnet sind, daß der kreisförmige Lichtstrahl symmetrisch zu jeder parallel zur optischen Achse verlaufenden Linie zum konischen Spiegel hin konvergiert, und auf einer gedachten rechten Zylinderfläche angeordnet sind, die das kleine kreisförmige Bild als Durchmesser hat und sich koaxial zur Achse des optischen Systems erstreckt.
Die besagten optischen Mittel umfassen in einer Ausführung Mittel, die so angeordnet werden, daß das von einer Lichtquelle abgegebene Licht zu einem kreisförmigen parallelen Lichtstrahl geformt wird, und eine kreisförmige konvergierende Linse koaxial mit und in dem Strahlengang des kreisförmigen, parallelen Lichtstrahls angeordnet ist und diesen in den kreisförmigen Lichtstrahl mit konvergentem Durchmesser konvergiert.
Vorzugsweise umfassen die Mittel, die das von einer Lichtquelle abgegebene Licht zu einem kreisförmigen parallelen Lichtstrahl formen, einen Parabolspiegel, in dessen Brennpunkt sich die Lichtquelle befindet. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, daß das Licht gebündelt und so effizienter genutzt wird als bei einer einfachen konvergierenden Linse in Verbindung mit einem derartigen Parabolspiegel, da das von einer größeren, kreisförmigen Oberfläche vom Parabolspiegel abgestrahlte Licht verwendet werden kann, um einen kreisförmigen, parallelen Lichtstrahl zu erzeugen, der von der kreisförmigen konvergierenden Linse fokussiert wird.
Ein Spiegel, insbesondere ein Spiegel in Form eines Kugelausschnittes, kann sich in der Mitte der kreisförmigen konvergierenden Linse befinden und in einem leichten Winkel zur Achse des Parabolspiegels, so daß ein Bild der Lichtquelle entlang der Lichtquelle selbst entsteht, wobei sich die effektive Größe der Lichtquelle verdoppelt.
In einer anderen Ausführung der Erfindung können besagte optische Mittel, die das von der Lichtquelle abgegebene Licht in einen kreisförmigen Strahl formen, der eine konvergente Breite aufweist, einen asphärischen Spiegel umfassen, der so angeordnet ist, daß seine reflektierende Fläche eine kreisförmige konkave Form aufweist, die sich rund um die rotationssymmetrische Achse erstreckt, wobei der radiale Querschnitt ein elliptisches Segment bildet. Die radialen Innenkanten der kreisförmigen, konkaven, reflektierenden Fläche können mit der Achse des konvergenten kreisförmigen Lichtstrahles zusammenfallen oder von beiden Seiten gleich weit entfernt sein.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Form eines optischen Systems für die Reflexions-Densitometrie;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer anderen Form eines optischen Systems für die Reflexions-Densitometrie.
Fig. 3 eine Ausbildung des Spiegels für das optische System gemäß Fig. 2 und seinen Betrieb.
Fig. 1 zeigt ein optisches System, das einen Parabolspiegel 10 mit einer Achse 11 enthält, einer in seinem Brennpunkt angebrachten Lampe 12 und einer koaxialen kreisförmigen konvexen Linse 13. Der Innendurchmesser der kreisförmigen Linse 13 ist gleich dem Durchmesser der Lampe 11 und der Außendurchmesser der Linse 13 ist gleich dem Durchmesser des Randes des Parabolspiegels 10. Ein paralleler Lichtstrahl wird durch Reflexion vom Parabolspiegel 10 aus dem von der Lampe 12 abgegebenen Licht geformt und durch die kreisförmige Linse 13 geleitet, so daß er auf der anderen Seite von Linse 13 als kreisförmiger Lichtstrahl mit einer konvergenten Breite wieder austritt. Ein Ableitspiegel 14 ist im Mittelpunkt der kreisförmigen Linse 13 angebracht, um das Licht zu sperren, das nicht durch die Linse 13 fällt.
Ein innen mit Silber beschichteter konischer Spiegel 15 wird koaxial in den Strahlengang des kreisförmigen Lichtstrahls mit der konvergenten Breite zwischen der kreisförmigen Linse 13 und dem kleinen kreisförmigen Bild angebracht, das von diesem Strahl im Brennpunkt der kreisförmigen Linse 13 geformt wird. Der Spiegel 15 verursacht, daß der kreisförmige Lichtstrahl so abgelenkt wird, daß er in einem kleinen Punkt 16 auf der Achse 11 konvergiert, der einen Punkt auf dem Muster sein kann, dessen Reflexionsvermögen oder Reflexionsdichte gemessen werden soll.
Das vom Spiegel 15 reflektierte Licht bildet einen kleinen, konischen Lichtstrahl, der in einem Winkel von 45º ± 5º zur Achse 11 verläuft.
Ein Lichtdetektor 17 wird koaxial auf die Achse 11 neben dem Ende mit dem größeren Durchmesser des konischen Spiegels 15 montiert und erfaßt die Lichtmenge, die senkrecht vom Muster abgestrahlt wird, das im Punkt 16 beleuchtet wird, so daß das Reflexionsvermögen oder die Reflexionsdichte des Mustermaterials gemessen werden können.
Die Verwendung der kreisförmigen konvexen Linse 13 und des innen mit Silber beschichteten konischen Spiegels 15 in Kombination bedeutet, daß die Brennweite der konvergenten Linse für die konische Beleuchtung des Punktes auf dem Muster durch das durch die Linse in einem Winkel von etwa 45º im Vergleich zur Achse 11 geleitete Licht nicht klein sein muß.
Ein Spiegel in Form eines Kugelsegments kann im Mittelpunkt der kreisförmigen Linse 13 und in einem kleinen Winkel von der Achse 11 angeordnet werden, so daß er ein Bild des Glühdrahtes der Lampe 12 entlang der Lampe 12 entwirft, und so die tatsächliche Größe der Lichtquelle verdoppelt wird.
Fig. 2 zeigt, daß das oben beschriebene und in Fig. 1 dargestellte System auch verändert werden kann, wobei das Endergebnis dasselbe bleibt, indem der Parabolspiegel 10 und die kreisförmige Konvexlinse 13 gegen einen asphärischen Spiegel 18 ausgetauscht werden. Letzerer ist so geformt, daß durch Drehen eines elliptischen Bereiches, insbesondere des Bereiches A-B aus Fig. 3, um 360º die Hauptachse der Ellipse in einem Winkel zur optischen Achse 11 des Systems geneigt wird und einen ihrer Brennpunkte (F1) auf dieser Achse 11 hat. So hat der Spiegel 18 also eine kreisförmige, konkave Form, deren radialer Querschnitt Teil einer Ellipse ist. Die radiale Innenkante des kreisförmigen konkaven Bereichs von Spiegel 18, insbesondere Punkt B in Fig. 3 kann von der Achse 11 in einem Abstand gemäß Fig. 3 angeordnet sein, so daß Platz für die Lampe 12 entsteht. Alternativ kann sie sich auch auf der Achse 11 befinden.
Fig. 2 zeigt den Lampendraht 19, der im Brennpunkt F1 der Ellipse positioniert ist, das ist der Brennpunkt auf Achse 11. Das vom Glühdraht 19 abgegebene Licht wird von der Ellipse 18 reflektiert und im zweiten Brennpunkt F2 der Ellipse wie in Fig. 3 abgebildet fokussiert.
Das von der Lampe 12 abgegebene Licht wird von Spiegel 18 reflektiert und bildet so einen kreisförmigen Strahl mit einer konvergenten Breite symmetrisch um die Achse 11 angeordnet. Dieser Strahl wird vom konischen Spiegel 15 abgelenkt, wie bereits unter Fig. 1 beschrieben.

Claims

1. Optisches System zum Fokussieren eines kreisförmigen Lichtstrahls auf einen Punkt (16), mit einer Lichtquelle (12, 19), optischen Mitteln (10 und 13, 18), die das von der Lichtquelle (12, 19) abgegebene Licht zu einem kreisförmigen Lichtstrahl mit konvergenter Breite formen, wobei die optischen Mittel (10 und 13, 18) einen konkaven Spiegel (10, 18) aufweisen, der eine rotationssymmetrische Achse umfaßt, die deckungsgleich ist mit der Achse (11) des optischen Systems, sowie einen kreisförmigen Spiegel (15) aufweisen, der koaxial in den Strahlengang des kreisförmigen Lichtstrahls eingebracht und derart positioniert ist, daß der Lichtstrahl auf ihn auftrifft, bevor er so fokussiert ist, daß ein kleines, kreisförmiges Bild (bei F2) entsteht, wobei der kreisförmige Spiegel (15) den kreisförmigen Lichtstrahl derart ablenkt, daß auf dessen Achse (11) ein einzelnes punktförmiges Bild (16) entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß der kreisförmige Spiegel (15) einen konischen Spiegel aufweist und daß die optischen Mittel (10 und 13, 18) derart angeordnet sind, daß der kreisförmige Lichtstrahl symmetrisch zu jeder parallel zur optischen Achse verlaufenden Linie zum konischen Spiegel (15) hin konvergiert, und auf einer gedachten rechten Zylinderfläche angeordnet sind, die das kleine kreisförmige Bild (bei F2) als Durchmesser hat und sich koaxial zur Achse (11) des optischen Systems (11) erstreckt.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel eine Einrichtung (10) aufweisen, die das von der Lichtquelle (12) abgegebene Licht zu einem kreisförmigen, parallelen Lichtstrahl formen und daß eine kreisförmige, konvergierende Linse (13) koaxial mit und in dem Strahlengang des kreisförmigen, parallelen Lichtstrahls angeordnet ist und diesen in den kreisförmigen Lichtstrahl mit konvergentem Durchmesser konvergiert.

3. Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die das von der Lichtquelle abgegebene Licht zu einem kreisförmigen, parallelel Lichtstrahl formt, einen Parabolspiegel (10) umfaßt, der in der Mitte seiner Spiegelfläche die Lichtquelle (12) aufweist.

4. Optisches System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiegel (14) in der Mitte der kreisförmigen, konvergierenden Linse (13) angeordnet ist, um entlang der Lichtquelle (12) ein Bild von ihr zu erzeugen und dadurch die effektive Größe der Lichtquelle (12) zu verdoppeln.

5. Optisches System nach Anspruch 4 in Abhängigkeit von Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (14) in der Mitte der kreisförmigen, konvergierenden Linse zur Achse (11) des Parabolspiegels (10) hin leicht geneigt ist.

6. Optisches System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (14) in der Mitte der kreisförmigen, konvergierenden Linse ein sphärischer Spiegel ist.

7. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel, die das von der Lichtquelle abgegebene Licht zu einem kreisförmigen Lichtstrahl mit konvergentem Durchmesser formen, ein asphärischer Spiegel (18) sind, der derart angeordnet ist, daß seine reflektierende Fläche eine kreisförmige, konkave Form besitzt, die sich um die rotationssymmetrische Achse (11) erstreckt, wobei der radiale Querschnitt der eines elliptischen Segments ist.