JP2013535790A - 環形光照明器、ビーム整形器及び照明方法 - Google Patents

Abstract

光源が環状に配置された環形光照明器が開示される。各々の光源に対応するのは、光収集器と、光源からの光を均質にする手段と、均質化手段の出力を照明されるべき領域内に映す歪像システムである。歪像システムは、表面上への光束の入射角が斜めであることによる、照明されるべき表面内での光束の断面領域の変形を相殺する。実施形態の均質化手段は、ロッドであり、光収集器からの光が、そのロッド内に導かれる。光収集器とは反対側のロッドの末端の像は、歪像システムにより、表面上の照明されるべき領域内に映される。照明方法も開示される。

Description

本特許出願は、２０１０年７月３０日に出願され、本明細書に参照として組み込まれている、米国暫定特許出願第６１／３６９，６３２号の優先権を請求する。

本発明は、環形光照明器に関する。

本発明は、ビーム整形器に関する。

本発明は、照明方法にも関する。

多くの光学検査又は造影作業では、検査又は造影される領域を、輪郭をはっきりとさせて照明する必要がある。そのような多くの照明目的には、暗視野照明を与える通常の手段である環形光が、例えば、顕微鏡に利用される。そのような用途で望ましいのは、関心のある領域に照明領域を制限することと、関心のある領域内で光分布が均質であることである。可能な光源は、例えば、アークランプ、ＬＥＤ（発光ダイオード）、レーザダイオード、及びハロゲンランプである。アークランプは、通常、ＬＥＤよりも光強度が高いが、ＬＥＤよりも強度変動が大きく、寿命が短い。従って、一般に、光源の好ましい選択肢は、ＬＥＤである。通常のＬＥＤからの光を、ＬＥＤの周りの半球内に発する場合、１つの又は複数のＬＥＤから可能な限り多くの照射光を、関心のある領域内に、即ち、照明されるべき領域内に向ける光学素子が必要とされる。

欧州特許出願第１９１９００１Ａ１号は、ＬＥＤが光源として利用される製品検査用スポット光装置に関する。光分布をある一定領域にわたり均質にするために、ＬＥＤからの光は、棒型レンズを通る。ＬＥＤからの光は、集光レンズにより棒型レンズ内に導き入れられる。棒型レンズ及び集光レンズの配列を適切に確保し、更に、光学システムの組み立て中に取り扱う個別の部品の数を低減するために、棒型レンズ及び集光レンズは、光学ユニットの一部として与えられ、棒型レンズは、光伝送部分を構成し、集光レンズは、光集光部分を構成する。集光部分は、屈折と反射とを組み合わせて、光源からの光を伝送部分内に導く。

欧州特許出願第２１７７８１６Ａ２号は、光源アレイ、特に、ＬＥＤアレイを開示しており、その光は、ロッドとして成形された光集積器内に導かれる。光集積器は、その集積器内の光の反射を基に、光を均質にし、閉じ込める。光集積器は、反射性の内面を有する中空管、又は、光学的に透明な材料の固体棒であり得る。光集積器内の光反射は、全内部反射に起因する。光集積器の断面は、円形、多角形、又は不規則な形であり得る。他の光学素子が、その光集積器から下流に与えられ得る。各々の光源には、光源からの光を制御、誘導する光学素子が対応する。光集積器は、光集積器から出る光の発散を変化させるために、先が細くされ得る。

欧州特許出願第１１５０１５４Ａ１号は、複数の光源、好ましくは、ＬＥＤが環状担体の中に配置されている、照明システム、特に、顕微鏡用の照明システムを開示する。それらのＬＥＤは、個別に又は群で制御され、小さな発光角度を示し得る。

独国特許出願第２８５２２０３号は、顕微鏡用の照明設定を開示しており、光源からの光は、光ファイバに沿って誘導され、ファイバの各々の末端で、ファイバから出る。これらの各々の末端は、環状に配置されている。独国特許出願第４０１６２６４号には、例えば、光ファイバに基づいた別の環形照明システムが開示される。

光ファイバに基づいた環形照明システムの問題は、光ファイバを出る光の発散が広いことである。同様に、ＬＥＤの環状配置は、どちらかと言えば不均質な照明領域を作り出し易く、そのようなＬＥＤを従来技術の集光レンズと組み合わせて利用しても、幾つかの用途に必要とされる照明領域の均質度を得ることはできない。

最大光強度は、環形光には極めて重要な設計パラメータである。これらの環形光は、本質的に、「暗視野」照明であり、散乱光が、観察対象であることが多い。アークランプ（通常の顕微鏡観察用の明るい照明のための標準物）と比べたＬＥＤの主な不利な点は、通常、ＬＥＤが制光装置であることである。ＬＥＤ基盤システムは、観察対象に適切な光強度を与えないことが多く、極めて入念に設計して、可能な限り光を被写界で最大限にしなければならない。積算時間を任意に延ばして、十分に露光された画像を作り出すのに利用可能な光エネルギーを増すことができないような機械視野／検査には、光を最大限にすることが、特に、重要である。機械視野システムで積算時間を増すことにより、画像の回数が減少し、全検査時間（撮像時間）が増す。検査機械の価値は、固定時間内の撮像され得る画像の数に依存するので、対象に向けた光を最大限にすることは、極めて重要な点である。

欧州特許出願公開第１９１９００１Ａ１号明細書 欧州特許出願公開第２１７７８１６Ａ２号明細書 欧州特許出願公開第１１５０１５４Ａ１号明細書 独国特許出願公開第２８５２２０３号明細書 独国特許出願公開第４０１６２６４号明細書

環形光を用いる場合、照明されるべき領域は、通常、斜めの角度で照明される。環形光の個別の光源からの光束は、表面法線と各々の光束の中央軸との間の角度が、ゼロと９０°のどちらでもないように、照明されるべき表面に衝突する。照明されるべき表面上の各々のビームの断面は、表面法線に沿って表面を照明する場合の各々のビームの断面よりも大きい。従って、環形光の光束では、そのビームの強度が、表面法線に沿って照明する場合よりも広い表面上の領域にわたり分散される。従って、表面上で利用可能な光束の強度は、事実上、減少する。光強度を最大限にする上記の目的を考慮すれば、これは、不利な点である。

本発明の目的は、輪郭がはっきりとした均質な照明領域を表面上の照明されるべき領域内に作り出すことを可能にする環形光照明器を与えることである。加えて、環形照明器の光源からの光は、効率的に収集され、照明角度が斜めであるにもかかわらず、照明されるべき領域に導かれるであろう。

この目的は、表面上の領域を照明する環形光照明器により達成され、前記照明器は、
環状に配置された複数の光源と、
各々の光源に割り当てられ、各々の光源の発光面を包含する光収集器と、
各々の光収集器の光軸に配置され、照明されるべき領域内に光を導くように設定された歪像レンズと
を含む。

本発明の別の目的は、光源から光を効率的に集め、その光を照明されるべき表面上に斜めの角度で導くことを可能にし、入射角が斜めであることによる表面での利用可能な光強度の低下を起こさない、ビーム整形器を与えることである。照明されるべき表面上に作り出される照明領域は、均質度も高いであろう。

この目的は、
光源の発光面を包含するように設定された光収集器と、
光収集器から受けた光を均質にするように設定された均質化ロッドと、
光収集器とは反対の均質化ロッドの末端の像を、照明されるべき領域内に映す歪像システムと
を含むビーム整形器により達成される。

本発明の更に別の目的は、光源から光を効率的に集め、その光を照明されるべき表面上に斜めの角度で導くのを可能にし、入射角が斜めであることによる表面での利用可能な光強度の低下を起こさない、ビーム整形器を与えることである。更に、ビーム整形器は、小型設計のものとする。

この目的は、
光源の発光面を包含するように設定された光収集器と、
光源から光を受け、その光を照明されるべき領域上に導くように設定された光収集器の光軸上に配置された歪像光学システムと
を含むビーム整形器により達成される。

本発明による環形光照明器は、環状に配置された複数の光源を含む。好ましい実施形態では、各々の光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）又はＬＥＤアレイである。本発明によれば、各々の光源には、光収集器が割り当てられる。光収集器は、各々の光源の発光面を包含するように設定される。この配置のために、光源の発光面から発される光は、光収集器に達し、その光収集器により集められる。更に、本発明によれば、歪像システムが、光収集器の光軸に与えられる。光収集器により集められた光は、ビームとしての光を表面上の照明されるべき領域内に導く、歪像システムに達する。光束は、斜めの角度でこの表面上に衝突する。歪像システムは、結果として得られる表面上のビーム断面が、表面上の照明されるべき領域内にあるように、ビームを整形する。

実施形態の歪像システムは、歪像システムによりビームを歪像整形することに加えて、追加の光集束機能又はレンズ機能を実行し得る。特定の実施形態では、これは、円環レンズ又は円筒レンズをそれぞれ通過する光ビームの追加の集束が、純粋な歪像機能に加えて得られるように整形された、円環レンズ又は円筒レンズである歪像システムにより達成され得る。異なる実施形態では、歪像システムが、光集束機能を備えた第１光学素子と、歪像ビーム整形を実行する第２光学素子とを有する。特定の実施形態では、第２光学素子は、第２光学素子を通過する光束が追加の集束を受けないようにそれぞれ整形された、円環レンズ又は円筒レンズであり得る。歪像システムが複数の光学素子を含み得ることは当業者に明らかである。例えば、単一の円環レンズ又は円筒レンズの代わりに、歪像システムは、歪像ビーム整形と任意選択で光束の追加の集束とを一体的に実行する、複数のレンズのアセンブリを含んでもよい。

歪像ビーム整形は、一般に、ビームの光軸に垂直な第１方向でのビーム断面の直径又は幅が縮小又は拡大され、他方では、ビームの光軸に垂直な第２方向でのビームの幅又は直径が変更されないままであるような、ビームの断面の変形を指す。環形光照明器に関して、特に、第１方向のビームの幅又は直径の縮小は、重要である。環形光照明器を用いる場合のように表面上へのビームの入射角が斜めであるために、ビームの光軸と表面法線とを含む面とその表面を交差させることにより定められた表面方向に沿った、表面上のビームの断面の直径が拡大する。歪像システムは、ビームの光軸に垂直な第１方向でのビームの直径又は幅の縮小が、表面上のビームの断面の直径の拡大を完全に又は少なくとも部分的に相殺するように整列される。表面上のビームの断面は、ビームの発散にも依存し、好ましくは、そのビームの発散は、歪像システムの構成に於いて、表面上のビームの断面の直径の拡大が必要に相殺され得るように考慮される。収束と発散のどちらも示さない平行ビーム、即ち、光線が平行なビームの事例では、光軸に垂直な第１方向に沿ったビームの直径が、ビームの光軸と表面法線との間の角度の余弦倍で、表面上の所望の直径に縮小されなければならない。

有利な実施形態では、各々の光収集器に均質化手段が対応する。均質化手段の目的は、各々の光束の直径にわたる光強度が最終的に十分に高い程度で均質であるように、光束にわたる光強度の不均質性を低減することである。この文脈での十分の正確な意味は、環形光照明器が利用される各々の照明作業の特定の要求により定められる。

１つの好ましい実施形態では、均質化手段は、円、楕円、長方形、正方形、六角形、八角形又は他の断面のロッドである。その断面は、本明細書では、光収集器の光軸に整列されているロッドの軸に垂直である。ロッドは、光収集器から光を受ける第１末端と、その光がロッドから出る、光軸に沿った第１末端とは反対側の第２末端とを有する。ロッドの第２末端から、光は、歪像システムに達し、その歪像システムにより、照明されるべき領域内に導かれる。ロッドの均質化機能は、光軸に平行なロッドの側面からの光の反射、通常は、多重反射に起因する。好ましくは、ロッドは、固体部品であり、照明に利用されるべき光の波長に対して少なくとも透明である。その反射は、全内部反射である。代わりに、ロッドの側面が、反射性の被膜を備えてもよく、ロッドが、反射性の内壁を有する中空環であってもよい。

有利には、ロッド及び光収集器は、集積ユニットを形成し、特に、１つの部品として製造され得る。これにより、環形光照明器の組み立て又は保守点検で取り扱う必要のある個別の部品の数が削減され、組み立て又は保守点検中に光収集器とロッドとを適切に整列する必要も回避される。更に有利には、光収集器、ロッド、及び歪像システムは、集積ユニットを形成し、１つの部品として製造され得る。

代わりの実施形態では、均質化手段は、光収集器上に与えられる表面構造である。

光源の操作により熱が生じるので、有利には、環形光照明器に冷却機構が与えられる。実施形態では、この冷却機構は、環形光照明器の外部の環境と熱を交換する表面が増すように、冷却フィンが、環形光照明器の外面上に与えられる。代わりの又は追加の冷却方法は、液体で冷却することである。

特定の実施形態では、表面上の領域を照明するための本発明による環形光照明器は、環状に配置された複数の光源を含む。各々の光源には、可塑性材料から１つの部品として射出成形されているビーム整形器が割り当てられる。ビーム整形器は、ここでは、光収集部分が、１つの光源の発光面を包含しており、光収集部分の機能は、全内部反射及び屈折に基づいている。ビーム整形器には、光均質化部分もあり、その部分は、ロッドとして整形され、ロッドの第１末端を通じて光収集部分から光を受けるように配置及び設定されている。ロッドの光均質化機能は、ロッド内の光の全内部反射に基づいている。光は、ロッドの第２末端を通じてロッドから出て、ビーム整形器の歪像部分に達する。歪像部分は、レンズ機能（又は光集束機能）と歪像ビーム整形機能とを実行し、それにより、ロッドの第２末端の像を、表面上の照明されるべき領域内に映す。ロッドの第２末端の画像は、表面上への光入射角が斜めであることによる画像の歪みが、完全に又は部分的に相殺されるように、歪像により変形される。

ビーム整形器を射出成形することにより、製造が簡略化される。ビーム整形器を１つの部品として製造することにより、ビーム整形器を環形光照明器内に配備する際に、個別の部品を組み立てる必要がないので、ビーム整形器の取り扱いが容易になる。

ビーム整形器用の成形材料の１つの可能性は、アクリルであり、別の可能性は、ポリカーボネートであり得る。アクリルは、ポリカーボネートよりも透過性が優れているが、高温に耐える能力が小さい。アクリルは、照明源が過剰な熱を生成しない用途には適しているであろう。アクリルの透過率の損失は、おおよそ、１ｍｍ当たり０．２５％であり、それは、ビーム整形器の全長が６７ｍｍの場合、１５％の損失になる。

上記のビーム整形器は、環形光照明器に限定されない。

本発明によるビーム整形器は、光源の発光面を包含するように設定された光収集器と、光収集器から受けた光を均質にするように設定された均質化ロッドと、光収集器とは反対側の均質化ロッドの末端の像を、照明されるべき領域内に映す歪像システムとを含む。

ロッドは、円、楕円、長方形、正方形、六角形、八角形又は他の断面であり得る。その断面は、本明細書では、光収集器の光軸に整列されているロッドの軸に垂直である。ロッドは、光収集器により集められた光を受けるように設定された第１末端と、第１末端を通じて受けとった光がロッドから出る、光軸に沿った第１末端とは反対側の第２末端とを有する。光は、ロッドの第２末端から歪像システムに達し、その歪像システムにより、照明されるべき領域内に導かれる。ロッドの均質化機能は、光軸に平行なロッドの側面からの光の反射、通常は、多重反射に起因する。好ましくは、ロッドは、固体部品であり、照明に利用されるべき光の波長に対して少なくとも透明である。その反射は、全内部反射である。代わりに、ロッドの側面が、反射性の被膜を備えてもよく、ロッドが、反射性の内壁を有する中空環であってもよい。

実施形態では、ビーム整形器が、可塑性材料又はガラスから作製され得る。特に、ビーム整形器は、１つの部品として、例えば、射出成形により製造され得る。アクリル又はポリカーボネートは、再び、射出成形可能な選択肢である。

ビーム整形器の実施形態では、歪像システムは、歪像ビーム整形機能に加えて、光集束機能を実行する。特定の実施形態では、これは、円環レンズ又は円筒レンズをそれぞれ通過する光ビームの追加の集束が、純粋な歪像機能に加えて得られるように整形された、円環レンズ又は円筒レンズである歪像システムにより達成され得る。異なる実施形態では、歪像システムが、光集束機能を備えた第１光学素子と、歪像ビーム整形を実行する第２光学素子とを有する。特定の実施形態では、第２光学素子は、それぞれ、第２光学素子を通過する光束が追加の集束を被らないように整形された円環レンズ又は円筒レンズであり得る。

特定の実施形態では、ビーム整形器は、可塑性材料から１つの部品として射出成形され、光収集部分と光均質化部分と歪像部分とを含む。光収集部分は、光源の発光面を包含するように設定されている。光収集部分の機能は、全内部反射及び屈折に基づいている。光均質化部分は、ロッドとして整形される。ロッドは、ロッドの第１末端を通じて光収集部分から光を受けるように配置及び設定されている。ロッドの光均質化機能は、ロッド内の光の全内部反射に基づいている。歪像部分は、ロッドの第１末端とは反対側のロッドの第２末端の像を、照明されるべき領域内に映すように設定され、レンズ機能と歪像ビーム整形機能とをその中で実行する。

本発明による別のビーム整形器は、光収集器と歪像システムとを含む。光収集器は、光源の発光面を包含するように設定されている。歪像システムは、光収集器の光軸上に配置されており、光収集器から光を受け、その光を照明されるべき領域上に導くように設定されている。このビーム整形器は、１つの部品として製造され得る。

実施形態では、歪像システムは、光集束機能を示す。

好ましくは、光収集器は、全内部反射と屈折とを組み合わせることにより、その光収集機能を実行する。

特定の実施形態では、ビーム整形器は、可塑性材料から１つの部品として射出成形され、光収集部分と歪像部分とを含む。光収集器は、光源の発光面を包含するように設定されている。この実施形態での光収集部分の光収集機能は、全内部反射及び屈折に基づいている。歪像システムは、光収集器からの光を照明されるべき領域上に導くように設定され、レンズ機能と歪像ビーム整形機能とをその中で実行する。

表面上の領域を均質に照明する本発明による方法では、複数の光源が、照明されるべき領域の周りに、表面から一定の距離で環状に配置される。各々の光源により発される光は、ビーム整形器を用いて、既定の断面の各々のビームに集められる。ここでは、ビーム整形器の光軸が、表面に対して斜めの角度で表面に向けられている。ビームは、ビーム整形器の光軸に沿って、そのように表面に対して斜めの角度で、照明されるべき領域内に導かれるものである。そのような斜めの入射角により、ビームの断面に対して、表面上のビームの断面領域が変形する。従って、各々のビームが照明される領域内に導かれる前に、表面上のそのビームの断面領域の変形が相殺されるように、又は、言い換えれば、入射角が斜めであることによる表面上のビームの断面領域の変形が、ビームの断面の歪像による変形を打ち消すように、そのビームの断面は、歪像により変形される。

本発明の操作の性質及び様式は、ここで、付属の図面と共に扱われる本発明の以下の詳細な記述で、更に十分に記載される。その中で、
光ファイバの末端が環状に配置された先行技術の環形光照明器を示す。 光源が環状に配置された従来技術の環形光照明器を示す。 図１ｂで示されるような従来技術の環形光照明器を用いて得られ得る強度分布を示す。 ＴＩＲレンズ及び光線、並びに、表面上でそのレンズにより作り出された強度分布を示す。 照明されるべき表面の上に配置された環形光照明器の概略図である。 照明角が斜めであることによるビーム断面の表面での歪みを示す。 斜めの角度の光円錐により表面を照明する場合の一般的な幾何学状況を示す。 断面が光円錐の光軸に垂直である、図６ａの光円錐の断面を示す。 図６ａの表面での光円錐の断面領域を示す。 本発明によるビーム整形器と光線とを示す。 断面がビーム整形器の光軸に垂直である、図７のビーム整形器により作り出される光束の断面を概略的に示す。 光束が斜めの角度で衝突する表面上の、図８ａの前後で記載されるような光束の断面を概略的に示す。 本発明によるビーム整形器の斜視図である。 光収集器及び均質化ロッドの斜視図である。 図１０ａの光収集器及び均質化ロッドの別の斜視図である。 均質化ロッド付き光収集器の中の空洞内に挿入された光源を示す。 光収集器中の空洞の上面図である。 本発明による環形照明器を構成するように複数のビーム整形器が環状に配置された可能な実装の実施形態である。 本発明による別のビーム整形器の実施形態の概略図である。

同じ参照番号は、様々な図を通して同じ要素を指す。更に、各々の図の記述に必要な参照番号のみが、図に示される。図示される実施形態は、本発明が実行され得る方法の単なる実施例である。これは、本発明を限定するものと見なされるべきではない。

図１ａは、従来技術の環形光照明器１０を示す。アークランプ１２は、光源として利用される。アークランプ１２からの光は、適切な光学素子１３（そのような１つの素子のみが、図面に示されている）により複数の光ファイバ１１内に結合される。光ファイバ１１の末端１４は、アークランプ１２からの光を、担体１７により囲まれる照明されるべき領域１５に向けて発するように、環形光照明器１０の環形担体１７の中で環状に配置される。光は、円錐１６により示されるように、末端１４から、かなりの発散で発されており、それは、精度を要する多くの用途には発散があまりにも大きいことを意味する。

図１ｂは、従来技術の環形照明器２０の別の設定を示す。環状担体２７の中に、複数の光源２２が環状に配置される。光源２２は、照明されるべき領域１５に向けて光を発する。光源は、通常、ＬＥＤから発される光の密度を既定方向の周りに高めるための整形光学素子（図示されず）を備えているＬＥＤである。円錐２６により示されるように、整形光学素子があるにもかかわらず、単一光源からの光は、精度を要する多くの用途には発散があまりにも大きい。

図２は、整形光学素子としてのＴＩＲレンズ（図３）を備えた８つの光源を含む、図１ｂの前後で記載されるような環形照明器２０を用いて得られ得る強度分布１を示す。照明パターンは、どちらかと言えば拡散性のものである。図示される画像の中央領域は、円錐２６のうちの１つにより照明された領域よりも幾分明るいだけであり、それは、かなりの量の強度が、照明されるべき中央領域１５ではなく、画像中に示される領域の軸から外れた領域に向けられていることを示す。図１ａの前後で記載されるような環形照明器１０を用いて得られ得る強度分布は、同様である。

図３は、ＴＩＲ（全内部反射）レンズ２３を示す。光源２２、ここではＬＥＤからの、光線１００により示された光は、ＴＩＲレンズ２３により捕獲され、スポット１１０に向けられる。光の誘導は、２つの原理により達成される。ＴＩＲレンズ２３の中央部分を占有する屈折性レンズ部分２４は、光線１００を、屈折によりスポット１１０に向ける。屈折性レンズ部分２４に突き当たらないが、ＴＩＲレンズ２３により捕獲される光線１００は、ＴＩＲレンズ２３の側面２５から、全内部反射によりスポット１１０に向けられる。更に図３には、ＴＩＲレンズ２３の光軸１９に垂直な表面上のスポット１１０の強度分布２が示される。ＴＩＲレンズ２３により作り出される強度分布２は、おおよそガウス分布であるので、スポット１１０の中央部に最大強度があるが、強度が次第に落ちる、即ち、スポット１１０の縁がはっきりと定められていない広い領域も、中央の周辺にある。ここで記載されるＴＩＲレンズ２３は、図１ｂの前後で記載されたような従来技術の環形照明器２０用の整形光学素子として利用することができる。スポット１１０の強度分布２で縁がはっきりと定められていないことは、光源２２及びＴＩＲレンズ２３のそのような８つの組み合わせの協働により作り出される強度分布１が、図２から明らかなように、どちらかと言えば拡散性のものである１つの理由である。

図４は、環形光照明器３０が照明されるべき表面３１の上方にある、一般的な配置を示す。環形光照明器３０は、複数の光円錐３６を発する。図面では、２つの光円錐３６が示されている。より良く区別するために、光円錐３６のうちの１つは、実線で引かれ、光円錐３６のうちの１つは、点線で引かれている。光円錐３６は、直径３８を表す断面領域３２内で、表面３１に交わる。直径３８は、表面３１の法線３９と光円錐３６の光軸３５により定められる平面内に含まれる。照明されるべき領域１５の直径３７は、一般に、断面領域３２の直径３８よりも小さい。照明されるべき領域１５は、一般に、断面領域３２内に含まれる。

図５は、図４の断面領域３２の上面図を示す。照明されるべき領域１５も図示される。照明されるべき領域１５の直径３７は、断面領域の直径３８よりも小さい。照明されるべき領域１５は、断面領域３２内に含まれる。断面領域３２は、表面３１（図４を参照すること）上への光円錐３６の（図４を参照すること）入射角が斜めであるために、照明されるべき領域１５と比べて、直径３８に沿って延びている。従って、光円錐３６の光束は、断面領域３２にわたり分散されており、その領域は、照明されるべき領域１５よりも大きい。従って、照明されるべき領域１５内の光強度は、表面の法線３９に沿って照明されるべき領域１５を照明する場合と比べて低下する。一般には、この強度の低下は、望ましいものではない。

図６ａは、斜めの角度３３の光円錐３６を用いて表面３１を照明する一般的な幾何学状況を示す。斜めの角度３３は、ここでは、表面３１の法線３９と光円錐３６の光軸３５とにより囲まれる角度として定められる。この角度３３は、ここでは、ゼロとは異なるので、表面３１の照明は、表面３１の法線３９に沿って生じない。光円錐３６は、断面領域３２で、表面３１に交わる。光円錐３６の光軸３５に垂直な光円錐３６の断面３４も図示される。図６ｂには、断面３４の上面図が示され、図６ｃには、断面領域３２が示される。この事例で示される断面３４は、円であり、直径がＤである。断面領域３２は、第１直径３８と、第１直径３８に垂直な第２直径Ｑとを示す。光軸３５に垂直な断面３４は、ここでは、光軸３５が表面３１に交わる点で取られている。従って、この事例では、直径Ｑは、直径Ｄに等しい。他方では、光軸３５及び表面法線３９により定められる平面内にある直径３８は、断面３４の直径Ｄに対して延びている。直径３８及びＤの相対寸法は、図示される実施例の角度３３と光円錐３６の発散とにより定められる。断面３４の直径Ｄに対する断面領域３２の直径３８の延びが、光円錐、即ち、発散性の光束に対して起こるばかりでなく、収束性の光束及び光線が平行な光束に対しても起こることは、当業者に明らかである。光束の光軸３５に垂直な光束の断面３４の断面が、円とは異なり、例えば、楕円、長方形、正方形、多角形等である場合にも、その延びは、明らかに生じる。

図７は、好ましい実施形態によるビーム整形器５０を示し、そのビーム整形器は、光収集部分６０と、ロッド７０として整形された均質化部分と、円錐部分５２と、歪像部分８０とを含む。ここでは、円筒レンズが、歪像ビーム整形機能と光収束機能の両方を実行する。光源（図示されず）は、光収集部分６０内に挿入され、光線１００により示される光を発する。光収集部分６０は、光源から光を集め、その光を、均質化ロッド７０の第１末端７１を通じて均質化ロッド７０内に導く。均質化ロッド７０は、ビーム整形器５０の光軸１９に沿って整列される。ビーム整形器の光軸１９は、光収集部分６０の光軸に一致する。均質化ロッド７０内で、光は、均質化ロッド７０の側面７３から、反射により、通常は、多重反射により均質化される。ビーム整形器５０は、例えば、射出成形により、ビーム整形器を用いるための光の波長に対して透明な材料、例えば、可塑性材料又はガラスから、１つの部品として製造され、側面７３からの反射は、全内部反射である。光は、均質化ロッド７０の第２末端７２を通じて均質化ロッド７０から出て、円錐部分５２に入る。ここから、光は、歪像部分８０に達し、その歪像部分は、その光をスポット１１０上に導く。スポット１１０の強度分布は、均質化ロッド７０の第２末端７２の画像であり、歪像部分８０の歪像ビーム整形機能のために追加的に歪像変形されている。図面内に示されるスポット１１０は、ビーム整形器５０の光軸１９に垂直な表面内にある。円錐部分５２の目的は、均質化ロッド７０の第２末端７２と歪像部分８０との間に固定距離を設けることである。ビーム整形器５０は、１つの部品として製造されるので、光学システムの組み立て中に、個別の部品、即ち、光収集部分６０と均質化ロッド７０と歪像部分８０とを整列する必要がない。これにより、ビーム整形器５０の取り扱いと、図１ｂに示される種類の、例えば、環形光照明器２０のような光学システムの組み立てが簡略化される。しかしながら、従来技術とは反対に、本発明による環形光照明器の実施形態では、ＴＩＲレンズではなく、まさに考察されたビーム整形器５０が、整形光学素子として利用される。ビーム整形器５０は、当然、他の照明作業にも利用することができ、環形光照明器に限定されない。

図８ａは、図７のビーム整形器５０により作り出される光束の断面３４を概略的に示し、断面３４は、ビーム整形器５０の光軸１９（図７を参照すること）に垂直である。この断面３４は、表面法線３９（図６ａを参照すること）に沿って照明する場合、即ち、ビーム整形器５０の光軸１９が、表面法線３９に平行である場合、表面３１（図６ａを参照すること）上に作り出されるスポット１１０（図７を参照すること）の形に対応し得る。ここでは、図７に示されるビーム整形器５０の実施形態で、均質化ロッド７０の断面が、通常の八角形として整形されているので、断面３４は八角形である。光束の断面３４の形は、八角形であるが、通常の八角形として整形されていない。断面の第１直径Ｄ１は、第１直径Ｄ１の方向に垂直な方向に沿った第２直径Ｄ２よりも小さい。ビーム断面３４のこの変形は、歪像部分８０（図７を参照すること）による歪像ビーム整形により生じる。

図８ｂは、光円錐３６の場合に対して図６で記載されるように光束が斜めの角度３３で衝突する表面３１上の、図８ａの前後で記載されるような光束の断面領域３２を概略的に示す。直径３８の方向は、表面３１と、光束の光軸及び表面法線３９を含む平面との間の交線に沿っている。図８ａ及び図８ｂの場合、その配置は、断面３４の第１直径Ｄ１の方向が、この平面内にあるようなものである。歪像部分８０は、歪像ビーム整形によるビームの断面３４の第１直径Ｄ１の縮小が、表面３１上への光束の斜めの入射角３３により生じた直径３８の方向に沿った断面領域３２の延びを相殺するように設定されている。図示される事例では、直径３８に垂直な断面領域３２の直径Ｑは、歪像ビーム整形と斜めの入射角の両方により影響されていない。図示される構成では、断面領域３２の直径Ｑは、光線の断面３４の第２直径Ｄ２の等しい。

図９は、図７で既に示されたような、本発明によるビーム整形器５０の斜視図を示す。ここでは、歪像部分８０から出る光線１００が示されている。そのようなビーム整形器５０の構成は、図７の前後で既に考察されている。光収集部分６０には、光源（図示されず）が挿入されるべき空洞６１がある。光収集部分６０の一般的な構成は、図３に示されるようなＴＩＲレンズ２３の構成に対応する。歪像部分８０の直径８２は、環形照明器２０内に配置され得るビーム整形器５０の数を制限する。

図１０ａ及び図１０ｂは、それぞれ、図７及び図９に示されるような本発明によるビーム整形器５０に用いられるような、並びに、整形光学素子内で、幾つかの部品で構成され得る本発明による環形光照明器に用いられるような、光収集器６０又は光収集部分６０の斜視図である。光収集器６０に取り付けられる均質化ロッド７０の一部分のみが示されている。ここでは、ロッド７０は、断面が六角形であり、光収集器６０の形は、ロッド７０の断面に適合し、ロッド７０の第１末端７１に隣接する部分でも、断面が六角形である。図１０ｂは、光源（図示されず）、一般に、ＬＥＤが挿入されるべき光収集器６０の空洞６１を明確に示す。

図１１は、光収集器６０の断面と均質化ロッド７０の一部とを示す。ＬＥＤ６２は、光収集器６０の空洞６１内に挿入される。図３のＴＩＲレンズ２３と同様に、光収集器６０は、屈折性レンズ部分６４が、発された光を光収集器６０の光軸６６の周りの中央領域内に集める。この領域の断面は、屈折性レンズ部分６４の形及び寸法により定められる。ＬＥＤにより、中央領域の外の領域内に発される光は、光収集器６０の側面６５から、全内部反射により均質性ロッド７０内に導かれる。

図１２は、図１１内のＬＥＤ６２のような光源が挿入されるべき光収集器６０中の空洞６１の上面図である。空洞６１及び屈折性レンズ部分６４は、ここでは、断面が六角形である。

図１３は、本発明による環形照明器２０を形成するように複数のビーム整形器５０が環状に配置された、可能な実装の実施形態である。環形照明器２０内に配置される複数のビーム整形器５０は、照明されるべき領域１５に均質な照明を与える。歪像部分８０（図９を参照すること）の直径８２は、環形照明器２０内に配置されるビーム整形器５０の数を制限する。ここで示される実施形態では、歪像部分８０の直径８２は、３０ｍｍであり、それにより、約２４個のビーム整形器５０が、環形照明器２０内に配置されることになる。

図１４は、本発明による別のビーム整形器９０の実施形態を示す。図３の前後で記載されるようなＴＩＲレンズ２３は、光収集器として機能する。この実施形態では、ＴＩＲレンズ２３は、光収集器又はＴＩＲレンズ２３の空洞６１内に挿入され、光収集器によりそのように囲まれた光源２２から、光を集めるように設定されており、その光を歪像システム８０に向ける。歪像システム８０は、歪像ビーム整形機能を実行し、特定の実施形態では、加えて、光集束機能を実行し得る。図示される実施形態では、歪像システム８０は、円筒レンズである。図示されるようなビーム整形器９０は、本発明による環形光照明器に利用され得るが、この特定の用途に限定されない。いずれの事例でも、ビーム整形器９０からのビームが斜めの角度で表面上に導かれる場合、図４、５、６ａ、６ｂ及び６ｃの前後で考察されたような表面を有するビーム整形器９０の光束の断面領域の延びを相殺するように、有利には、歪像システム８０により実行される歪像ビーム整形が用いられ得る。光束の追加の均質化は、ビーム整形器９０の光学面のうちの少なくとも１つの上に、即ち、光源２２から光線１００が通過する表面のうちの少なくとも１つの上に、表面構造を与えることにより達成され得る。光束を均質にする表面構造が与えられ得る１つの可能な表面は、表面９１である。図面では、明確化のために、光源２２からの２つの光線１００のみが示されており、一方の光は、ＴＩＲレンズ２３の屈折性レンズ部分２４を通過し、そのように屈折により歪像素子８０に導かれ、他方の光１００は、ＴＩＲレンズ２３の側面２５に衝突し、側面２５から全内部反射により歪像素子８０に導かれる。この実施形態のビーム整形器９０は、図７のビーム整形器５０としての均質化ロッド７０がないので、そのビーム整形器よりも小型に設計される。

本発明は、特定の実施形態を参照しつつ記載されている。しかしながら、後続の請求項の範囲及び趣旨から逸脱せずに変更及び修正され得ることは、当業者に明らかである。

１，６ 強度分布、２，３，４，５ 強度分布、１０，２０，３０ 環形光照明器、１１ 光学ファイバ、１２ アークランプ、１３ 光学素子、１４ 光ファイバ末端、１５ 照明されるべき領域、１６，２６ 光円錐、１７，２７ 担体、１９，６６ 光軸、２２ 光源、２３ ＴＩＲレンズ、２４，６４ 屈折性レンズ部分、２５，６５ 側面、３１ 表面、３２ 断面領域、３３ 角度、３４ 断面、３５ 光円錐の光軸、３６ 光円錐、３７ 照明されるべき領域の直径、３８ 断面領域の直径、３９ 表面法線、５０ ビーム整形器、５２ 円錐部分、６０ 光収集器，光収集部分、６１ 空洞、６２ ＬＥＤ、７０ 均質化ロッド，ロッドとして整形された均質化部分、７１ 均質化ロッドの第１末端、７２ 均質化ロッドの第２末端、７３ 均質化ロッドの側面、８０ 歪像システム，歪像部分、８２ 歪像システム／歪像部分の直径、９０ ビーム整形器、９１ 構造表面、１００ 光線、１１０ スポット、Ｄ 断面の直径、Ｄ１ 断面の第１直径、Ｄ２ 断面の第２直径、Ｑ 断面領域の直径。

Claims (29)

1. 環状に配置された複数の光源と、
   各々の光源に割り当てられ、前記各々の光源の発光面を包含する光収集器と、
   各々の光収集器の光軸に配置され、照明されるべき領域内に光を導くように設定された歪像システムと
   を含む、表面上の領域を照明する環形光照明器。
2. 前記歪像システムが、光集束機能を追加的に実行する、請求項１に記載の環形光照明器。
3. 少なくとも１つの歪像システムが、円環レンズ又は円筒レンズである、請求項２に記載の環形光照明器。
4. 前記歪像システムが、光集束機能を備えた第１光学素子と、歪像ビーム整形を実行する第２光学素子とを有する、請求項１に記載の環形光照明器。
5. 前記第２光学素子が、円環レンズ又は円筒レンズである、請求項４に記載の環形光照明器。
6. 各々の光収集器に、前記光収集器からの光を均質にする均質化手段が対応する、請求項１に記載の環形光照明器。
7. 前記均質化手段がロッドである、請求項６に記載の環形光照明器。
8. 前記ロッドの均質化機能が、前記ロッド内の光の全内部反射に基づいている、請求項７に記載の環形光照明器。
9. 光収集器及び対応するロッドが、１つの部品ユニットを形成する、請求項７に記載の環形光照明器。
10. 光収集器、対応するロッド、及び対応する歪像システムが、１つの部品ユニットを形成する、請求項７に記載の環形光照明器。
11. 前記均質化手段が、前記光収集器上に与えられる表面構造である、請求項６に記載の環形光照明器。
12. 各々の光源に、少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）がある、請求項１に記載の環形光照明器。
13. 前記環形照明器に、複数の冷却フィンがある、請求項１に記載の環形光照明器。
14. 環状に配置された複数の光源と、
    各々の光源に割り当てられ、可塑性材料から１つの部品として射出成形されるビーム整形器と
    を含む、表面上の領域を照明するための本発明による環形光照明器であって、各々のビーム整形器が、
    １つの光源の発光面を包含し、その機能が全内部反射及び屈折に基づいている光収集部分と、
    その光均質化機能がその内部の光の全内部反射に基づいているロッドとして整形され、前記光収集部分から光を受けるように配置及び設定された光均質化手段と、
    レンズ機能と歪像ビーム整形機能とを実行する歪像部分と、
    を含む、環形光照明器。
15. 光源の発光面を包含するように設定された光収集器と、
    前記光収集器から受けた光を均質にするように設定された均質化ロッドと、
    前記光収集器とは反対側の前記均質化ロッドの末端の像を、照明されるべき領域内に映す歪像システムと、
    を含む、ビーム整形器。
16. 前記ビーム整形器が、可塑性材料から成形される、請求項１５に記載のビーム整形器。
17. 前記ビーム整形器が、ガラスで作製される、請求項１５に記載のビーム整形器。
18. 前記歪像システムが、光集束機能を実行する、請求項１５に記載のビーム整形器。
19. 前記歪像システムが、円環レンズ又は円筒レンズである、請求項１８に記載のビーム整形器。
20. 前記歪像システムが、光集束機能を備えた第１光学素子と、歪像ビーム整形を実行する第２光学素子とを有する、請求項１５に記載のビーム整形器。
21. 前記第２光学素子が、円環レンズ又は円筒レンズである、請求項２０に記載のビーム整形器。
22. 前記ビーム整形器が、１つの部品として製造される、請求項１５に記載のビーム整形器。
23. 可塑性材料から１つの部品として射出成形されるビーム整形器であって、前記ビーム整形器が、
    光源の発光面を包含するように設定され、その機能が全内部反射及び屈折に基づいている光収集部分と、
    その光均質化機能がその内部の光の全内部反射に基づいているロッドとして整形され、前記光収集部分から光を受けるように配置及び設定された光均質化手段と、
    前記光収集部分とは反対側の前記均質化部分の末端の像を、前記照明されるべき領域内に映すように設定され、レンズ機能と歪像ビーム整形機能とをその中で実行する歪像部分と
    を含む、ビーム整形器。
24. 光源の発光面を包含するように設定された光収集器と、
    前記光収集器から光を受け、前記光を照明されるべき領域上に導くように設定された光収集器の光軸上に配置された歪像システムと
    を含む、ビーム整形器。
25. 前記ビーム整形器が、１つの部品として製造される、請求項２４に記載のビーム整形器。
26. 前記歪像システムが光集束機能を表す、請求項２４に記載のビーム整形器。
27. 前記光収集器が、全内部反射と屈折とを組み合わせることにより、その光収集機能を実行する、請求項２４に記載のビーム整形器。
28. 可塑性材料から１つの部品として射出成形されたビーム整形器であって、前記ビーム整形器が、
    １つの光源の発光面を包含するように設定され、その機能が全内部反射及び屈折に基づいている光収集部分と、
    前記光収集部分の光軸上に配置され、前記光収集部分からの光を照明されるべき領域内に導き、レンズ機能と歪像ビーム整形機能とをその中で実行する歪像部分と
    を含む、ビーム整形器。
29. 複数の光源を用いて表面上の領域を均質に照明する方法であって、
    複数の光源を照明されるべき領域の周りに、前記表面から一定の距離で環状に配置することと、
    その光軸が前記表面に対して斜めの角度で前記表面に向けられるビーム整形器を用いて、各々の光源により発された光を既定断面の各々のビーム内に集めることと、
    前記斜めの入射角による前記表面上の前記ビームの断面領域の変形が相殺されるように、各々のビームの前記断面を歪像により変形し、前記ビームを前記斜めの角度で照明されるべき領域内に導くことと
    を含む、方法。

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