DE2152086A1

DE2152086A1 - Anordnung zur Ausrichtung von Licht fuer ein optisches Beleuchtungsfasersystem

Info

Publication number: DE2152086A1
Application number: DE19712152086
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Hama
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1970-10-20
Filing date: 1971-10-19
Publication date: 1972-04-27
Also published as: JPS4939017B1; US3926501A; DE7139558U

Description

f ÄflNTÄNWALT OR* GERHARD SCHAEfER Οϊ£ϊ*ϋΗ

SeitnerstfaBe la tdefon

O^TKÄL ©Ο»,

Ί © k

»β Wut Attsirlttiitffing isron

füy ein oj>tisciiej|_,ife

fettrifft eine teor*<teiang für <äie l des Lichts einer Lichtquelle auf eine Bildfläche eines optischen Beleuchtungsfasersystems Tint er Verwendung eines Reflexionsspiegels in Form einer lotatiönsflache, dessen Achse durch die Lichtquelle geht und der das Licht auf die Endfläche des Beleuchtungsfasersystems fokussiert.

Ein Beleuchtungsfasersystem dient der Beleuchtung einer Fläche, in deren Nähe es schwierig ist, eine Lichtquelle

seh/D. 209818/068$ ·/.

- 2 - 2152088

„ anzubringen* Die Änwendungsmöglichkeiten derartiger Beleuentungsfasersysteine ist vielfältig.

einen solchem ©ptisehen Fasersystem intensives Lieht höher ^uälitlt ^umführen, ist es bekannt, Lichtquellen, wie'

bogenlanipen, zusammen mit Eeflexionssplfegelia in Föria ¥©ϊι Höfcatioasfltehen, beispielsweise

löinsallipsoiäetia zia Veriieaideiia niöbei 4er fleek oder ieutifcitpiai&fc <äer Üenon-i&irzbögeialappe in einem der BreiffiipMiätte des Rotationsellipsoids nahe der reflek- : tierenden ötoerfiache {Im folgenden ^erster Brennpunkt¹' angeordnet ist,, «anrend die liöbtaMfnehaiende des BeleUGhtungsfasersysteöis an dem anderen Brennpunkt (im folgenden ^&weiter Brennpunkt" genannt| angeordnet ist» Me Indfläohe des Bele^cntaangsfasersysteins ist im Wesentliehen senkrecht zur Achse des SotatiOnsel- '.-lipsoids angeordnet, so daß das Bild des ILeuchtpunkts ^der

»Xenon-Kurzbogenlarape auf der lichtaufnehmenden Endfläche, des lelemchtungsfasersystems abgebildet wird» Barch einen solchen Reflexionsspiegel in Porm eines Sotationsellipsoids konvergiert das einfallende liichtböndel sehr wirkungsvoll auf diese Endfläche, die eine sehr beschrankte Ausdehnung hat.

Bei einem derartigen Beleuchtungssystem ist Jedoch der

209810/0685

Leuchtpunkt der Lichtquelle in einer Achse angeordnet, die im wesentlichen senkrecht durch den Mittelpunkt der Endfläche des Beleuchtungsfasersystems geht. Daher konvergiert das Lichtbündel, das von dem Pasersystem übertragen und ausgesandt' wird, auf den mittleren Teil der zu beleuchtenden Fläche. Das hat zur Folge, daß in den ringförmigen Randzonen der beleuchteten Fläche eine sehr geringe Lichtmenge vorhanden ist. Wenn die auf die ringförmige Randzone der Fläche einfallende Lichtmenge ungenügend ist, ist die Qualität der bei der Fotografie, insbesondere bei der Farbfotografie oder beim Farbfernsehen, erzielbaren Bilder sehr schlecht bzw. es ist schwierig, die Bilder klar zu beobachten.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorbeschriebenen Nachteile zu vermeiden und eine gleichmäßige Verteilung des von der Lichtquelle kommenden Lichts zu erreichen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Lichtquelle und der Reflexionsspiegel seitlich einer Achse angeordnet sind, die im wesentlichen senkrecht zu der Endfläche des Beleuchtungsfasersystems durch deren Mittelpunkt verläuft.

Hierdurch wird die Intensität des von der lichtaussendenden Endfläche des optischen Fasersystems ausgehende Licht in der

209818/0685 "^A

Randzone erhöht, während sie in der zentralen Zone verrin-¹gert wird, so daß die Lichtintensität in der Randzone und in der Mittelzone ausgeglichen gleichmäßig ist..

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann eine Vielzahl von Lichtquellen zusammen mit ihren Reflexionsspiegeln seitlich der Achse angeordnet werden, die im wesentlichen durch den Mittelpunkt der Lichteinstrahlungsfläche des Fasersystems um dieses herum angeordnet ist, so daß die Intensität des Lichts, das auf die zu beleuchtende ' Fläche fällt, auch in Umfangsrichtung in den jeweiligen Randzonen der Fläche ausgeglichen wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen im folgenden an Hand der Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Ansicht einer bekannten P Vorrichtung für die Ausrichtung des Lichts

einer Lichtquelle auf die Einstrahlungsendflache eines Beleuchtungsfasersystems;

Fig. 2 bis 4 Diagramme der Charakteristiken von Reflexionsspiegeln in Form von Rotationsellipsoiden;

P₃₅₃ 209818/0685

Pig. 2 stellt die Beziehung zwischen der Vergrösserung des Bildes m und dem Verhältnis k des größeren Durchmessers zum kleineren Durchmesser des Ellipsoids, das den Reflexionsspiegel bildet, dar j

Fig. 5 die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel θρ des auf die Einstrahlungsfläche des Beleuchtungsfasersystems auffallenden Lichts und dem vorgenannten Verhältnis k;

Fig. 4 die Beziehung zwischen dem Winkel Θ,, der durch die Achse des Ellipsoids in Richtung entgegengesetzt zum zweiten Brennpunkt und dem Lichtweg des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts geht, und dem vorgenannten Verhältnis k;

Fig. 5 ein Diagramm der Charakteristik eines Rotationsellipsoids, wobei die Ordinate der ausgezogenen Linie die Intensität des von der Lichtquelle auf die Lichteinstrahlungsendfläche des Beleuchtungsfasersystems reflektierenden Lichts, und die Abszisse den vorbeschriebenen Einfallswinkel Q₂ darstellt.

209818/0685

P 355 ./.

Die gestrichelte Linie gibt die charakteristische Kurve der Intensität des Lichts, die von der lichtaussendenden Endfläche des Beleuchtungsfasersystems ausgeht, wobei das Gewicht auf die Betrachtung des Lichtübertragungs-Wirkungsgrades des Beleuchtungsfasersystems von Fig. 6 gelegt ist;

Fig. β eine Darstellung des Lichtübertragungs-Wirkungsgrades des Fasersystems in Abhängigkeit vom Lichteinfallswinkel Qp;

Fig. 7 eine schematische Seitenansicht einer Anord-. nung nach der Erfindung;

Fig. 8 ein Diagramm, das die Charakteristik der tatsächlichen Beleuchtung darstellt, wie sie nach der vorliegenden Erfindung erhalten wird.

In Fig. 1 ist der erste Brennpunkt F, des Rotationsellipsoids, das den Reflexionsspiegel 1 bildet, in der Achse O angeordnet, die durch den Mittelpunkt der Lichteinstrahlungsendfläche des Beleuchtungsfasersystems 2 rechtwinklig zu dieser verläuft, während der zweite Brennpunkt Fp im wesentlichen

209818/0685

im Mittelpunkt, der Lichteinstrahlungsendfläche angeordnet

Eine. Lichtquelle 3, beispielsweise eine Xenon-Kurzbogenlampe, stimmt,mit ihrem Leuchtfleck oder Leuchtpunkt mit dem ersten Brennpunkt- P-. üb er ein. . ,

Unter der Annahme, daß die Exzentrizität des Rotationsellipsoids, e. und ihr großer Durchmesser 2a ist, daß der Durchmesser der Lichtquelle 3 gleich 0-, der Durehmesser der Lichteinstrahlungsendfläche des Beleuchtungsfasersystems 2 gleich 0₂ und der Lichtausstrahlungswinkel, der zwischen dem. Lichtweg des von der Lichtqulle 3 ausgestrahlten Lichts und der Achse O₃ ausgehend vom ersten Brennpunkt F- in der Richtung rückwärts vom zweiten Brennpunkt Pp gleich Θ, ist und daß der Lichteinfallswinkel, der zwischen dem Lichtweg des auf die Lichteinstrahlungsendfläche auffallenden Lichts und der Achse O liegt, gleich Gg, ergibt sich für die Vergrößerung des Bildes der Lichtquelle J>, die auf der Lichteinstrahlungsendfläche des Beleuchtungsfasersystems 2 gebildet wird, die folgende Gleichung: ,2

m =

Der Lichteinfäliswinkel O₂ ist bestimmt durch die folgende Öleichung: ^;" -■■ - -. . -^i·^ .-: --

P 353 "·'■■' ./.

(2)

Andererseits ist es praktisch schwierig, den maximalen Radius des Rotationsellipsoids, das den Reflexionsspiegel 1 bildet, aus produktionstechnischen Gründen kleiner zu machen als die Tiefe des Reflexionsspiegels 1. Wenn daher die Exzentrizität e einmal bestimmt ist, ist der Bereich des Einfallswinkels Θ» begrenzt durch die folgende Bedingung:

1 - cos ⁹I <1 (3)

(1 + e) sin G₁

Unter der Annahme, daß das Verhältnis des großen Durchmessers zum kleinen Durchmesser des Rotationsellipsoids gleich k ist, besteht die folgende Beziehung zwischen dem Verhältnis k und der Exzentrizität e:

e² + k² = 1 (4)

Die Figuren 2 bis 4 zeigen die vorgenannten Beziehungen in verschiedenen Diagrammen.

In Fig. 2 ist das Verhältnis k auf der Abszisse abgetragen, während die Vergrößerung m auf der Ordinate dargestellt ist. Der Winkel G₁ ist als Parameter verwendet für die Darstellung der Beziehung, die in der Gleichung (l) dargestellt ist.

P 553 209818/0685 ./.

Die Kurven a, Jd, c, d, e und f wurden erhalten durch Parameter G₁ von 40°, 50°, 60°, 120°, 130° und Ι4θ°.

In Pig. 3 ist das Verhältnis k auf der Abszisse abgetragen, während die Ordinate den Einfallswinkel Gp darstellt. Der Winkel G₁ ist als Parameter verwendet für die Darstellung der Beziehung, wie sie durch die Gleichung (2) gegeben ist, wobei die Kurven a^T, b¹, c', d', e¹ und f¹ erhalten wurden durch Veränderung des Parameters G₁ von 40° auf 50°, 60°. 120°, 130° und 140°.

In Pig. 4 ist das Verhältnis k auf der Abszisse abgetragen, während die Ordinate die Winkel G, angibt. Sie stellt die Beziehung dar, die durch die Ungleichung (3) gegeben ist, Das gestrichelte Gebiet nahe der Kurve g zeigt den Bereich, in dem das als Reflexionsspiegel 1 dienende Rotationsellipsoid praktisch hergestellt werden kann.

Im Falle eine Xex>n-Kurzbogenlampe verwendet wird als Lichtquelle 3> liegt die Strahlungswinkel-Charakteristik des von der Lampe ausgesandten Lichts im folgenden Bereich:

G₁ = 50 bis 130°

Der Fig. 4 kann daher entnommen werden, daß bessere Reflexionswirkungsgrade des Reflexionsspiegels erhalten werden

209818/0685

P 353 ./.

können, wenn das Verhältnis k kleiner gemacht wird. Wenn jedoch das Verhältnis k kleiner gemacht wird, wird der Winkel Qp sehr klein, wie dies aus Pig. J5 hervorgeht. Beinahe die ganzen Lichtstrahlen werden daher als Folge der physikalischen Charakteristik des optischen Fasersystems von der lichtaussendenden Endfläche des Pasersystems 2 auf den mittleren Teil der zu beleuchtenden Fläche fokussiert, was mit sich bringt, daß der zentrale Teil der Fläche hell ist, während die ringförmige Randzone dunkel bleibt. Es ist daher schwierig, eine helle ringförmige Randzone der zu beleuchtenden Fläche zu erhalten, wenn nicht der Winkel Q₂ geeignet groß gemacht wird, was bis zu einem gewissen Grad zu Lasten des Reflexionswirkungsgrades des Reflexionsspiegels geht.

Wenn andererseits das Verhältnis k größer gemacht wird, wird die Vergrößerung m kleiner, wie dies der Fig. 2 zu entnehmen ist. Daher muß das Verhältnisφ_ρ / Φ, klein gehalten werden, um¹das Licht der Lichtquelle für das Beleuchtungsfasersystem wirkungsvoll zu erhalten. Wenn daher der Wert von Φρ auf einen konstanten Wert festgelegt wird, ist es notwendig, den Wert von φ., groß zu machen, um die vorgenannte Bedingung zu erfüllen. Dies macht eine große Kapazität der Lichtquelle erforderlich.

P 353 ./·■

209818/0685

Unter der Annahme, daß eine Lichtquelle großer Kapazität mit einem Wert von Φ. =0,8 mm verwendet wird, der Wert von Φρ auf J5 mm festgelegt ist und das'Verhältnis k = 0,65 ist, sind die Lichteinfalls-Charakteristiken Ι(θ₂), d.h. die Lichtintensität, die erhalten wird als Punktion des Winkels ©₂, ist durch die folgenden Gleichungen gegeben:

Φ₁ 2' nr '

Ι(θρ) = %^ cos Q₀ (wenn Φ₉ /φ. < m)...... (5¹)

2 _i2d 2 2 1

C« = Abstand zwischen den beiden Brennpunkten des Rotationsellipsoids, wenn Φρ /φ->m,

L₂ = Abstand zwischen den beiden Brennpunkten des Rotationsellipsoids, wenn Φ₂ /Φ, <m.

Die vorbeschriebenen Beziehungen sind dargestellt durch die ausgezogene Kurve in Fig. 5· Der Maximalwert dieser Kurve wird erhalten, wenn m =Φ₂ /Φ,. Dies ist praktisch die Grenze.

Die gestrichelte Kurve in Fig. 5 zeigt die Winkelcharakte- ' ristik Ι(θ) des ausgesandten Lichts des Beleuchtungsfasersystems 2, d.h. die Lichtintensität, die von der Liehtausstrahlungsendfläche des optischen Systems als Funktion des

209818/0885

Ausstrahlungswinkels θ abgestrahlt wird. Das Gewicht ist dieser gestrichelten Kurve gegeben worden unter Beachtung der Lichtübertragungswirkung des Beleuchtungsfasersystems 2, das'in Fig. 6 dargestellt ist.

Die Lichtübertragungswirkung des optischen Systems 2, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, wird erhalten unter der Annahme, daß die Lichtintensität, die auf die Lichteinstrah- ^ lungsendflache des optischen Fasersystems auffällt, gleich ist, unabhängig von der Veränderung des Lichteinfallswinkels Gp. Die Charakteristiken, die in der Fig. 6 dargestellt sind, sind die größten, die bei bekannten Systemen erhalten werden. Bessere Resultate können nicht erhalten werden wegen der verschiedenen Begrenzungen in der praktischen Herstellung von optischen Fasersystemen, wie sie bereits beschrieben worden sind.

Gemäß dem charakteristischen Merkmal der Erfindung wird die P Lichtintensität, die in die ringförmigen Randzonen des zu beleuchtenden Gebietes fällt, vergrößert, während die Intensität des in die zentrale Zone fallenden Lichts verringert wird. Durch die in Fig. 7 dargestellte erfindungsgemäße Anordnung wird so ein Ausgleich der Helligkeit des gesamten zu beleuchtenden Gebietes erreicht.

209818/0695

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung, wie sie in Pig. 7 dargestellt ist, ist der Reflexionsspiegel I¹ in Form eines Rotationsellipsoids so angeordnet, daß- der erste Brennpunkt F^ seitlich der Achse 0 angeordnet ist, die im wesentlichen durch den Mittelpunkt der Lichteinstrahlungsendfläche des Beleuchtungsfasersystems 2 und rechtwinklig zu dieser verläuft, während der zweite Brennpunkt Pp im wesentlichen im Mittelpunkt der Lichteinstrahlungsendfläche angeordnet ist, wobei ein Winkel CL zwischen der Achse 0' des Rotationsellipsoids und der Achse 0 gebildet wird.

Die Lichtquelle 3¹* beispielsweise eine Xenon-Kurzbogenlampe, stimmt mit "ihrem Leuchtpunkt mit dem ersten Brennpunkt P! überein.

Durch die in Fig. 7 dargestellte Anordnung wird die in Fig. 8 dargestellte Lichtaussendungs-Winkelcharakteristik I^!(Θ) erhalten.

Wie der Fig. 8 zu entnehmen ist, ist die Spitze der Lichtintensität bei 0=0° verringert, wenn der Winkel G verändert wird von 0° bis etwa 20°, während die Lichtintensität von etwa θ = 10° bis 30°stark anwächst, so daß die mittlere Lichtintensität im wesentlichen über die gesamte zu beleuchtende Fläche ausgemittelt wird.

209818/0685

, Wenn daher der Winkel α mit 20° festgelegt wird, ist die Intensität des Lichts bei 9=0° ungefähr ein Drittel der Intensität, die erhalten wird, wenn CL = 0° ist, während der Bereich des Winkels Θ, in dem die Intensität des Lichts ungefähr 50 % der maximalen Intensität ist, auf ungefähr 25° anwächst. Die vollständige Lichtmenge, die durch das optische Beleuchtungsfasersystem übertragen wird, wenn der Winkel CL mit 20° festgelegt ist, beträgt ungefähr zwei Drittel fc der Lichtmenge, die erhalten wird, wenn der Winkel mit 0 festgelegt ist. Die Verringerung der Lichtmenge bei θ = 0° ist jedoch kompensiert durch das Anwachsen der Lichtmenge in der Randzone durch Verwendung des Reflexionsspiegels 1' und der Lichtquelle 3^!> die unter einem Winkel von 20° in bezug auf die Achse 0 des Fasersystems 2 angeordnet ist, und es ist sichergestellt, daß der Lichtübertragungs-Wirkungsgrad im Sinne der gleichmäßigen Beleuchtung doppelt so groß ist wie der bei bekannten Anordnungen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann eine Mehrzahl von Lichtquellen kleiner Kapazität um die Achse 0 angeordnet werden, um eine gleichförmigere Beleuchtung zu erhalten.

Daher können erfindungsgemäß drei Lampen, jede mit einer

P 353 ./.

209818/0685

Kapazität von nur 75 Watt, um die Achse O unter einem Winkel CL von 20 angeordnet werden, um eine genügende und gleichmäßige Beleuchtung an Stelle einer einzigen Lampe mit einer Kapazität von 500 Watt zu verwenden, die auf der Achse 0 angeordnet ist, d.h. wenn der Winkel CL 0° beträgt.

Im Falle der Verwendung einer Vielzahl von Lichtquellen kann die Anzahl derselben willkürlich gewählt werden und der Winkel CL braucht nicht konstant zu sein für jede der Lichtquellen, aber er muß für die jeweilige Lichtquelle geeignet gewählt werden. So wird erfindungsgemäß nicht nur eine gleichförmige Beleuchtung erhalten; auch, die Fläche, die gleichförmig beleuchtet werden soll, kann durch geeignete Anordnung der Lichtquellen verändert werden.

209818/0685

Claims

Patentansprüche

y Anordnung für die Ausrichtung des Lichts einer Lichtquelle auf eine Endfläche eines optischen Beleuehtungsfasersystems unter Verwendung eines Reflexionsspiegels in Form einer Rotationsfläche, dessen Achse durch die Lichtquelle geht und der das Licht auf die Endfläche des Beleuchtungsfasersystems fokussiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (3¹) und der Reflexionsspiegel (I¹) seitlich einer Achse (0) angeordnet sind, die im wesentlichen senkrecht zu der Endfläche des Beleuchtungsfasersystems (2) durch deren Mittelpunkt verläuft.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Xenon-Kurzbogenlampe ist und der Reflexionsspiegel die Form eines Rotationsellipsoids hat, wobei der Leuchtpunkt der Xenon-Kurzbogenlampe (3') in einem Brennpunkt (Fj) des Rotationsellipsoids und der andere Brennpunkt (Fi) in der Endfläche des Beleuchtungs-, fasersystems (2) liegt.

~5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Lichtquellen (j5^!) und zugehörigen Reflexionsspiegeln (l¹) in Stellungen seitlich um die Achse (0) angeordnet sind.

209816/0685

Leer seite