RU2113724C1 - Illuminator - Google Patents
Illuminator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2113724C1 RU2113724C1 RU96106087A RU96106087A RU2113724C1 RU 2113724 C1 RU2113724 C1 RU 2113724C1 RU 96106087 A RU96106087 A RU 96106087A RU 96106087 A RU96106087 A RU 96106087A RU 2113724 C1 RU2113724 C1 RU 2113724C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- raster
- lens
- illuminator
- light
- light source
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Microscoopes, Condenser (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в аппаратуре для подсветки рабочего поля оптических приборов, в которой для выравнивания светораспределения по освещаемому полю используются линзовые растры, в частности, в осветителях для подсветки рабочего поля микроскопов и бинокулярных луп. The invention relates to optical instrumentation and can be used in equipment for illuminating the working field of optical devices, in which lens rasters are used to align light distribution over the illuminated field, in particular, in illuminators for illuminating the working field of microscopes and binocular magnifiers.
Существуют осветители, имеющие многокомпонентную оптическую систему с несколькими линзовыми растрами [1, 2]. Такие осветители обеспечивают высокую равномерность светораспределения в освещаемом поле. There are illuminators having a multicomponent optical system with several lens rasters [1, 2]. Such illuminators provide high uniformity of light distribution in the illuminated field.
Недостатком таких осветителей являются потери световой энергии при прохождении светового пучка через многокомпонентную оптическую систему. The disadvantage of such illuminators is the loss of light energy when a light beam passes through a multicomponent optical system.
Наиболее близким по техническому решению является осветитель, содержащий оптически связанные источник света, линзовой растр и фокусирующий объектив [3] . Недостатком таких осветителей является то, что, во-первых, размер освещаемой площадки полностью определяются углом рассеяния линзового растра, поэтому большие размеры освещаемого поля требуют больших значений угла рассеяния линзового растра, что приводит к ухудшению равномерности светораспределения, а также потерям световой энергии из-за возрастающих аберраций растра, во-вторых, передний апертурный угол фокусирующего объекта прямо пропорционален его относительному отверстию, а большой передний апертурный угол фокусирующего объекта требует его большого относительного отверстия, что вызывает дополнительные потери света. The closest in technical solution is the illuminator containing an optically coupled light source, a lens raster and a focusing lens [3]. The disadvantage of such illuminators is that, firstly, the size of the illuminated area is completely determined by the scattering angle of the lens raster, therefore, large sizes of the illuminated field require large values of the scattering angle of the lens raster, which leads to a deterioration in the uniformity of light distribution, as well as loss of light energy due to increasing raster aberrations, secondly, the front aperture angle of the focusing object is directly proportional to its relative aperture, and the large front aperture angle of the focusing object requires a large relative aperture, which causes additional light loss.
Поэтому такой осветитель не может одновременно обеспечить высокую равномерность светораспределения по освещаемому полю и высокий коэффициент использования светового потока от источника света. Therefore, such a illuminator cannot simultaneously provide high uniformity of light distribution over the illuminated field and a high coefficient of utilization of the light flux from the light source.
Задачей изобретения является повышение коэффициента использования светового потока от источника света при сохранении высокой равномерности светораспределения по освещаемому полю. The objective of the invention is to increase the utilization of the light flux from the light source while maintaining high uniformity of light distribution over the illuminated field.
Поставленная задача достигается тем, что в осветителе, содержащем оптически связанные источник света, линзовый растр и фокусирующий объектив, в отличие от прототипа, отношение W тангенса номинального угла рассеяния u линзового растра к тангенсу угла рассеяния u' линзового растра в осветителе не превышает 1.5, а линзовый растр выбирается с параметрами, удовлетворяющими следующим соотношениям:
0,5D/(3L/W)≤ tg(u) ≤ 0,15W
Y ≤ 0,04L•W•tg(u),
где
D - диаметр освещаемого поля; L - расстояние от осветителя до освещаемого объекта; Y - шаг линзового растра.The problem is achieved in that in a illuminator containing optically coupled light source, a lens raster and a focusing lens, in contrast to the prototype, the ratio W of the tangent of the nominal scattering angle u of the lens raster to the tangent of the scattering angle u 'of the lens raster in the illuminator does not exceed 1.5, and the lens raster is selected with parameters that satisfy the following relationships:
0.5D / (3L / W) ≤ tg (u) ≤ 0.15W
Y ≤ 0.04L • W • tg (u),
Where
D is the diameter of the illuminated field; L is the distance from the illuminator to the illuminated object; Y is the pitch of the lens raster.
Осветитель дополнительно содержит растр-коллектив, расположенный в плоскости мультиплицированного изображения источника света. The illuminator further comprises a raster-collector located in the plane of the multiplied image of the light source.
Эффективной считается такая осветительная система, которая обеспечивает: полный захват светового потока от источника света; формирование на заданном расстоянии от осветителя светового поля требуемых размеров и формы с равномерным светораспределением; отсутствие потерь световой энергии при прохождении светового пучка от источника света до освещаемого объекта. An effective lighting system is one that provides: complete capture of the light flux from the light source; the formation at a given distance from the illuminator of the light field of the required size and shape with uniform light distribution; the absence of light energy loss during the passage of the light beam from the light source to the illuminated object.
В настоящее время для формирования светового поля требуемых размеров и формы с равномерным светораспределением успешно применяются осветители с линзовыми растрами. Однако существующие растровые осветители не удовлетворяют в полной мере вышеперечисленным требованиям по следующем причинам. В известных осветителях светящееся тело источника света проектируется фокусирующим объективом в плоскость освещаемого объекта. При этом, во первых, размеры освещаемого поля полностью определяются углом рассеяния линзового растра, и увеличение угла рассеяния линзового растра ухудшает равномерность светораспределения в освещаемом поле. Кроме того, увеличение угла рассеяния обуславливает увеличение аберраций линзового растра, которые приводят к световым потерям. Во-вторых, при заданной величине расстояния от фокусирующего объектива до освещаемого объекта передний апертурный угол фокусирующего объектива (который должен быть согласован с диаграммой направленности излучения источника) прямо пропорционален относительному отверстию объектива, и увеличение переднего апертурного угла требует увеличения относительного отверстия объектива, что приводит к увеличению рассеяния световой энергии из-за возрастающих аберраций объектива. Currently, illuminators with lens rasters are successfully used to form a light field of the required size and shape with uniform light distribution. However, the existing raster illuminators do not fully satisfy the above requirements for the following reasons. In known illuminators, the luminous body of the light source is projected by a focusing lens into the plane of the illuminated object. In this case, firstly, the dimensions of the illuminated field are completely determined by the scattering angle of the lens raster, and an increase in the scattering angle of the lens raster affects the uniformity of light distribution in the illuminated field. In addition, an increase in the scattering angle causes an increase in the aberrations of the lens raster, which lead to light losses. Secondly, for a given distance from the focusing lens to the illuminated object, the front aperture angle of the focusing lens (which must be consistent with the radiation pattern of the source) is directly proportional to the relative aperture of the lens, and an increase in the front aperture angle requires an increase in the relative aperture of the lens, which leads to increased scattering of light energy due to increasing aberrations of the lens.
В предлагаемом изобретении световое поле формируется не только за счет угла рассеяния растра, но также и за счет задней апертуры фокусирующего объектива. Это позволяет, во-первых, уменьшить угол рассеяния растра, а, во-вторых, снизить относительное отверстие фокусирующего объектива. In the present invention, a light field is formed not only due to the scattering angle of the raster, but also due to the rear aperture of the focusing lens. This allows, firstly, to reduce the scattering angle of the raster, and, secondly, to reduce the relative aperture of the focusing lens.
Коэффициент W, равный отношению тангенса номинального угла рассеяния u линзового растра к тангенсу угла рассеяния u' линзового растра в осветителе, выражается через параметры оптической системы и в зависимости от положения линзового растра в осветителе коэффициент W выражается следующим образом:
- при расположении линзового растра перед фокусирующим объективом W ≅ 1/(1-d/f'),
- при расположении линзового растра после фокусирующего объектива 
где a - расстояние от источника света до фокусирующего объектива; d - расстояние между линзовым растром и фокусирующим объективом; f' - фокусное расстояние фокусирующего объектива. При этом величина W не должна превышать 1,5, чтобы не вызвать увеличения номинального угла расстояния линзового растра и, соответственно, увеличения аберраций линзовых элементов растра.The coefficient W equal to the ratio of the tangent of the nominal scattering angle u of the lens raster to the tangent of the scattering angle u 'of the lens raster in the illuminator is expressed in terms of the parameters of the optical system and depending on the position of the lens raster in the illuminator, the coefficient W is expressed as follows:
- when the lens raster is located in front of the focusing lens W ≅ 1 / (1-d / f '),
- when the lens raster is located after the focusing lens
where a is the distance from the light source to the focusing lens; d is the distance between the lens raster and the focusing lens; f 'is the focal length of the focusing lens. Moreover, the value of W should not exceed 1.5, so as not to cause an increase in the nominal distance angle of the lens raster and, accordingly, an increase in the aberrations of the lens elements of the raster.
При этом максимальное значение угла рассеяния растра ограничивается неравенством tg(u)≤0,15•W, причем W = tg(u)/tg(u') ≤ 1,5,
так как известно, что при апертуре освещающего пучка (определяемого в данном случае действующим углом рассеяния растра u'), не превышающего величину 0,15, сохраняется высокая равномерность светораспределения в освещаемом поле. Кроме того, в этом случае потери световой энергии из-за светорассеяния, вызываемого аберрациями линзовых элементов растра, незначительны. Однако сильное уменьшение угла рассеяния растра может привести к ухудшению равномерности светораспределения, поэтому величина угла рассеяния должна иметь также минимально допустимое значение, которое выводится из условия, что отношение размера светового пятна, формируемого за счет апертуры фокусирующего объекта, и размера светового пятна, формируемого за счет угла рассеяния растра, не должна превышать 3 и устанавливается соотношением tg(u) ≥ 0,5D/(3L/W).In this case, the maximum value of the raster scattering angle is limited by the inequality tg (u) ≤0.15 • W, moreover, W = tg (u) / tg (u ') ≤ 1.5,
since it is known that when the aperture of the illuminating beam (defined in this case by the effective scattering angle of the raster u '), not exceeding the value of 0.15, high uniformity of light distribution in the illuminated field is maintained. In addition, in this case, the loss of light energy due to light scattering caused by aberrations of the lens elements of the raster is negligible. However, a strong decrease in the scattering angle of the raster can lead to a deterioration in the uniformity of light distribution, therefore, the value of the scattering angle should also have a minimum acceptable value, which is deduced from the condition that the ratio of the size of the light spot formed due to the aperture of the focusing object and the size of the light spot formed due to the scattering angle of the raster should not exceed 3 and is set by the ratio tg (u) ≥ 0.5D / (3L / W).
Шаг растра Y выбирается из условия обеспечения равномерности светораспределения по освещаемому полю за счет наложения достаточного количества световых пучков (не менее 50) от отдельных линзовых элементов растра: Y ≤ 0,04L • W • tg(u). The raster pitch Y is selected from the condition of ensuring uniform distribution of light over the illuminated field by applying a sufficient number of light beams (at least 50) from the individual lens elements of the raster: Y ≤ 0.04L • W • tg (u).
Относительное отверстие Dо/f' объектива при этом находится из следующего выражения:
0,5Dо/f' = (tg(u)•a-0,5D)/L-tg(u)-tg(u) • W,
где Dо - диаметр входного зрачка объектива; f' - фокусное расстояние объектива.The relative hole D o / f 'of the lens is then found from the following expression:
0.5D o / f '= (tg (u) • a-0.5D) / L-tg (u) -tg (u) • W,
where D about - the diameter of the entrance pupil of the lens; f 'is the focal length of the lens.
Преимущества предлагаемого осветителя по сравнению с существующими иллюстрируется на следующем численном примере; приведенном в таблице. The advantages of the proposed illuminator compared to the existing ones are illustrated by the following numerical example; given in the table.
В этом примере предполагается, что растр установлен таким образом, что величина W = 1. In this example, it is assumed that the raster is set so that the value of W = 1.
Из приведенного примера следует, что при одинаковом диаметре освещаемого поля и расстоянии до освещаемого объекта, а также одинаковых габаритах, предлагаемый осветитель имеет значительно меньшие значения угла рассеяния растра и относительного отверстия объектива. From the above example it follows that with the same diameter of the illuminated field and the distance to the illuminated object, as well as the same dimensions, the proposed illuminator has significantly lower values of the scattering angle of the raster and the relative aperture of the lens.
Следует отметить также, что данный осветитель по сравнению с существующими имеет меньшие габариты. It should also be noted that this illuminator has smaller dimensions compared to existing ones.
Введение в осветитель растр-коллектива, расположенного в плоскости мультиплицированного изображения источника света, устраняет влияние на светораспределение структуры тела накала источника света, как правило при использовании ламп накаливания. The introduction of a raster-collector located in the plane of the multiplied image of the light source into the illuminator eliminates the influence on the light distribution of the body structure of the incandescent light source, as a rule when using incandescent lamps.
На фиг. 1 изображена оптическая схема осветителя с ходом лучей при расположении растра перед фокусирующим объективом;
на фиг. 2 изображена оптическая схема осветителя с ходом лучей при расположении растра после фокусирующего объектива;
на фиг. 3 - оптическая схема осветителя с растр-коллективом.In FIG. 1 shows an optical diagram of a illuminator with a beam path when a raster is located in front of a focusing lens;
in FIG. 2 shows an optical diagram of a illuminator with a beam path when the raster is located after the focusing lens;
in FIG. 3 is an optical diagram of a illuminator with a raster-collective.
Осветитель содержит оптически связанные источник света 1, фокусирующий объектив 2 и линзовый растр 3 (см. фиг. 1, 2). Освещаемый объект располагается в плоскости 4. The illuminator contains an optically coupled
Осветитель может дополнительно содержать растр-коллектив 5, расположенный в плоскости мультиплицированного изображения источника света (см. фиг. 3). The illuminator may further comprise a
В качестве источника света в растровых осветителях, как правило, используются источники света со светящимся телом минимальных размеров, что обеспечивает эффективное использование световой энергии источника. Это галогенные или дуговые лампы, а также лазерные источники. As a light source in raster illuminators, as a rule, light sources with a luminous body of minimum dimensions are used, which ensures the efficient use of the light energy of the source. These are halogen or arc lamps, as well as laser sources.
При использовании в качестве источника света электрических ламп для полного захвата излучения в зависимости от типа лампы применяют сферические или эллиптические отражатели. When using electric lamps as a light source, spherical or elliptical reflectors are used to completely capture radiation, depending on the type of lamp.
Угол рассеяния линзового растра ограничивается сверху величиной 0,15 • W, которая дает неоднородность светораспределения не более нескольких процентов. Кроме того, в этом случае аберрации растра не дают ощутимых потерь световой энергии. Сильное уменьшение угла рассеяния растра может привести к ухудшению равномерности светораспределения, поэтому величина угла рассеяния должна иметь также минимально допустимое значение, которое выводится из условия, что отношение размера светового пятна, формируемого за счет апертуры фокусирующего объектива, и размера светового пятна, формируемого за счет угла рассеяния растра не должно превышать 3 и устанавливается соотношением: tg(u) ≥ 0,5D/(3L/W). The scattering angle of the lens raster is limited from above to 0.15 • W, which gives an inhomogeneity of light distribution of not more than a few percent. In addition, in this case, the raster aberrations do not give tangible losses of light energy. A strong decrease in the scattering angle of the raster can lead to deterioration in the uniformity of light distribution, therefore, the value of the scattering angle should also have a minimum acceptable value, which is deduced from the condition that the ratio of the size of the light spot formed by the aperture of the focusing lens and the size of the light spot formed due to the angle the scattering of the raster should not exceed 3 and is established by the ratio: tg (u) ≥ 0.5D / (3L / W).
Шаг растра Y, выбираемый из приведенных соотношений, обеспечивает достаточное количество перекрывающихся световых пучков от отдельных линзовых элементов (не менее 50), чтобы получить высокую равномерность светораспределения в освещаемом поле. The raster step Y, selected from the above relations, provides a sufficient number of overlapping light beams from individual lens elements (at least 50) to obtain a high uniformity of light distribution in the illuminated field.
В случае применения в осветителе источника света с протяженным, неоднородным светящимся телом, что наиболее характерно для ламп накаливания, на светораспределение в освещаемом поле влияют размеры и структура светящегося тела. Для устранения этого влияния в осветитель дополнительно вводится растр-коллектив, устанавливаемый в плоскости мультиплицированного изображения источника света. Параметры растр-коллектива рассчитываются по известной методике в зависимости от геометрии светящегося тела источника света и параметров основного растра. If a light source with an extended, inhomogeneous luminous body is used in the illuminator, which is most typical for incandescent lamps, the light distribution in the illuminated field is affected by the size and structure of the luminous body. To eliminate this influence, a raster-collective is additionally introduced into the illuminator, which is installed in the plane of the multiplied image of the light source. The parameters of the raster team are calculated according to a known method, depending on the geometry of the luminous body of the light source and the parameters of the main raster.
Расстояние a от источника света до фокусирующего объектива выбирается в соответствии с габаритными требованиями. Относительное отверстие фокусирующего объектива определяется из приведенного выражения:
0,5Dо/f' = (tg(u) • a-0,5D)/L-tg(u)-tg(u) • W,
где
Dо - диаметр входного зрачка объектива; f' - фокусное расстояние объектива.The distance a from the light source to the focusing lens is selected in accordance with the dimensional requirements. The relative hole of the focusing lens is determined from the above expression:
0.5D o / f '= (tg (u) • a-0.5D) / L-tg (u) -tg (u) • W,
Where
D about - the diameter of the entrance pupil of the lens; f 'is the focal length of the lens.
Расстояние d между линзовым растром и фокусирующим объективом выбирается таким, чтобы коэффициент W не превышал величины 1.5, так как при этом обеспечивается диапазон оптимальных характеристик линзового растра. При этом используются соотношения:
- при расположении линзового растра перед фокусирующим объективом W ≅ 1/(1-d/f'),
- при расположении линзового растра после фокусирующего объектива
где
a - расстояние от источника света до фокусирующего объектива; d - расстояние между линзовым растром и фокусирующим объективом; f' - фокусное расстояние фокусирующего объектива.The distance d between the lens raster and the focusing lens is chosen so that the coefficient W does not exceed 1.5, since this ensures a range of optimal characteristics of the lens raster. The following ratios are used:
- when the lens raster is located in front of the focusing lens W ≅ 1 / (1-d / f '),
- when the lens raster is located after the focusing lens
Where
a is the distance from the light source to the focusing lens; d is the distance between the lens raster and the focusing lens; f 'is the focal length of the focusing lens.
Световой пучок от источника света 1 захватывается фокусирующим объективом 2 и направляется в плоскость освещаемого объекта. Линзовый растр 3 делит световой пучок от источника света на множество отдельных пучков, которые накладываются друг на друга в плоскости освещаемого объекта и образуют освещаемое поле. Растр-коллектив 4 совмещает световые пучки от внеосевых точек источника света со световым пучком от осевой точки. The light beam from the
Источники информации. Sources of information.
1. Патент N 3-78607, Япония. 1. Patent N 3-78607, Japan.
2. П. И.Исаев. Эффективность осветительных систем для проекции. М.: Искусство, 1988., с.90. 2. P. I. Isaev. The effectiveness of lighting systems for projection. M .: Art, 1988., p.90.
3. С. Н. Натаровский. Степень когерентности освещаемого объекта, создаваемого растровым осветителем. - Оптика и спектроскопия, 1988, т. 64, вып. 5, с. 1144-1147. 3. S. N. Natarovsky. The degree of coherence of the illuminated object created by the raster illuminator. - Optics and Spectroscopy, 1988, v. 64, no. 5, p. 1144-1147.
Claims (2)
0,5D/(3L/W) ≤ tg(u) ≤ 0,15W
Y ≤ 0,04L • W • tg(u),
где D - диаметр освещаемого поля;
L - расстояние от осветителя до освещаемого объекта;
Y - шаг линзового растра.1. A lighter containing an optically coupled light source, a lens raster and a focusing lens, characterized in that the ratio W of the tangent of the nominal scattering angle u of the lens raster to the tangent of the scattering angle u 'of the lens raster in the illuminator does not exceed 1.5, and the lens raster is selected with parameters satisfying the following relationships:
0.5D / (3L / W) ≤ tg (u) ≤ 0.15W
Y ≤ 0.04L • W • tg (u),
where D is the diameter of the illuminated field;
L is the distance from the illuminator to the illuminated object;
Y is the pitch of the lens raster.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BY950751 | 1995-06-28 | ||
| BY950751 | 1995-06-28 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2113724C1 true RU2113724C1 (en) | 1998-06-20 |
| RU96106087A RU96106087A (en) | 1998-06-27 |
Family
ID=4083673
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU96106087A RU2113724C1 (en) | 1995-06-28 | 1996-03-28 | Illuminator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2113724C1 (en) |
-
1996
- 1996-03-28 RU RU96106087A patent/RU2113724C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Оптика и спектроскопия. 1988, т. 64, вып. 5, с. 1144-1147. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4281366A (en) | Lighting systems for surgical operations | |
| US4106078A (en) | Light source system | |
| US4939630A (en) | Illumination optical apparatus | |
| US4497013A (en) | Illuminating apparatus | |
| US4206494A (en) | High throughput illuminator | |
| CN100517079C (en) | Illumination optical apparatus and optical apparatus | |
| GB2261528A (en) | High power light source | |
| US5707131A (en) | Collections and condensing optical system using cascaded concave reflectors | |
| JP2001515268A (en) | Illumination design for scanning microlithography systems | |
| JPH032284B2 (en) | ||
| US4526443A (en) | Telecentric illumination system | |
| JPS633288B2 (en) | ||
| US4375315A (en) | Arc lamp illuminator | |
| WO2003054445A1 (en) | Searchlight with improved optical density | |
| JP2002543467A (en) | Improved light coupling from small arc lamps to larger targets | |
| JPH0629189A (en) | Projection type aligner, method therefor and illumination optical device | |
| JP2006208682A (en) | Lighting optical device and optical device | |
| RU2113724C1 (en) | Illuminator | |
| US6022123A (en) | Light source device | |
| US20050254124A1 (en) | Microscope | |
| US7248404B2 (en) | Microscope | |
| JP2001228402A (en) | Confocal optical scanner and confocal microscope | |
| JP2001188174A (en) | Light condensing illuminator | |
| JP2906543B2 (en) | Lighting system for micro reader printer | |
| JPH0744141B2 (en) | Lighting optics |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100329 |