JP2022105473A - 画像アプリケーション用の適応照明システムのための方法およびシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】伝送または蛍光画像システムのための照明光学系に関し、照明ゾーンのサイズ、強度分布の均一性、および照明の角度に対する要求に適合するように構成されたユニバーサルな照明システムの提供。【解決手段】第1の光学素子、第2の光学素子、および第3の光学素子を含む少なくとも3つの光学素子を含む適応照明器を含み、第1の光学素子と第2の光学素子との間の距離は、調節可能であること。【選択図】図3A
Description
本明細書で開示される発明の実施形態は、ハードウェアを変更することなく、異なる照明アプリケーションを通して、その性能を向上させるために調整するように構成された光学サブシステムに関する。
いくつかの例において、伝送または蛍光画像システムのための照明光学系は、所望の画質を達成するために使用される。照明ゾーンのサイズ、強度分布の均一性、および照明の角度に対する要求は、異なるアプリケーションで異なっている。例えば、蛍光画像システムは、より高い放射照度、大きな照明ゾーン、および照明入射角度に依存しない高い均一性の強度分布を要求する。多くの開口数(numerical aperture)の対物レンズを有する透過画像システムは、画像システムの高解像性能を支持するために、高い照射入射角を要求する。状況によっては、最終的な画像のコントラストを高めるために、照射角度が低減される。したがって、異なるアプリケーションからの様々な要求に適合するように構成されたユニバーサルな照明システムが望まれている。
一例では、上記課題の少なくともいくつかは、適応照明システムによって、少なくとも部分的に対処される。その適応照明システムは、適応照明器(adaptive illuminator)を含む。適応照明器は、第1の光学素子と、第2の光学素子と、第3の光学素子とを含む少なくとも3つの光学素子を含む。第1の光学素子と第2の光学素子との間の距離は調節可能である。
適応照明器は、適応照明システムの1つまたは複数の照明特性を調整するために、第1の光学素子と第2の光学素子との間の距離を調整するように設計される。適応照明器はさらに、そこを通過する光のビームウエストを増大させるように構成される。これは、ビームウエストを増大させることができない光学システムに対して、より小さな集光光学系を有する光源を利用する。したがって、光源のパッケージサイズおよびコストが低減される。
上記の簡単な説明は、詳細な説明でさらに説明される概念の選択を簡略化された形で導入するために提供されることを理解されたい。それは、特許請求される発明の重要なまたは本質的な特徴を識別することを意味するものではなく、その範囲は詳細な説明に続く特許請求の範囲によって一意に定義される。さらに、特許請求される発明は、上記または本開示の任意の部分において言及される任意の欠点を解決する実施形態に限定されない。
本開示は、添付の図面を参照して、非限定的な実施形態の以下の説明を読むことにより、より良く理解される。
以下の説明は、可動レンズを含む照明システムのためのシステムおよび方法に関する。可動レンズは、異なる用途のために照明ゾーンサイズおよび照明入射角度を調整するために移動する。適応照明システムは、より大きなビームウエストを含む入力光の類似の性能を提供するために、上流の光源からより小さなビームウエストを受ける。これを行うことにより、上流の光源のサイズを小さくし、これにより、システムのコストおよび物理的なサイズを小さくしている。
図1は、限定された調整能力を有する照明システムの従来の例を示す。図2Aは、大きな円錐角を有する収束ビームの傾きを示す。小さな円錐角を有する収束ビームレンズは、図2Bに示されている。図3Aは、適応照明システムの第1のレイアウトを示す。図3Bは、適応照明システムの第1のレイアウトのフォーカスレンズの背面開口の投影画像を示す。図3Cは、ターゲット面における第1のレイアウトのシミュレートされた照明ゾーンを示す。図3Dは、第1のレイアウトの照明ゾーンの放射照度強度の断面を示す。図4Aは、適応照明システムの光学系の第2のレイアウトを示す。図4Bは、適応照明システムの第2のレイアウトのフォーカスレンズの背面開口の投影画像を示す。図4Cは、ターゲット面における第2のレイアウトのシミュレートされた照明ゾーンを示す。図4Dは、第2のレイアウトの照明ゾーンの放射照度強度の断面を示す。図5Aは、適応照明システムの光学系の第3のレイアウトを示す。図5Bは、適応照明システムの第3のレイアウトのフォーカスレンズの背面開口の投影画像を示す。図5Cは、ターゲット面における第3のレイアウトのシミュレートされた照明ゾーンを示す。図5Dは、第3のレイアウトの照明ゾーンの放射照度強度の断面を示す。図6は、適応照明システムが組み込まれるマルチチャネルLED光源の一例の実施形態を示す。
一実施形態では、適応照明システムは、より小さなビームウエストを有するセミコリメート入力ビームを受け、可変的な大きなビームウエスト、焦点距離、および円錐角を有する収束円錐光を出力する。第1の負の光学素子および第2の正の光学素子(例えば、入力から出力へ)は、所望の出力ビームを達成するために、入力セミコリメートビームを所望のより大きなビームウエストまで拡大するように共に動作する。これは、所望のビーム収束角度および有効焦点距離を達成することを含む。出力ビームウエストは、負の光学素子および正の光学素子の空隙(air gap)によって制御される。
適応照明システムにおける最後の光学素子は、適応照明システムの最終有効焦点距離の中間(neutral)焦点距離を提供する。一例では、これは、有効焦点距離の調整可能な範囲の中点に近接する。適応照明システムの有効焦点距離は、第1の2つの素子の間に配置された空隙を介して減少または増大される。
2つの光学素子間の空隙を低減させると、より小さい初期ビームウエストを有するより遅い収束光円錐が生成される。対応する円錐光は、照明フォーカスレンズ(例えば、ケーラー照明スキームによる対物レンズまたは集光レンズ)を通過し、より大きな最大照明角度を有するより小さな照明ゾーンを生成する。大きな照射角度は、高解像度画像を提供するために、高開口数画像レンズを支持する。
2つの光学素子の間の空隙を増大させると、より大きな初期ビームウエストを有するより速い収束光円錐が生成される。ケーラー照明スキームによる対物レンズまたは集光レンズを通過する対応する円錐光は、より小さな最大照明角度を有するより大きな照明ゾーンを生成する。より小さい照明角度は、蛍光画像アプリケーションのためにより望ましい構成をサポートする。
ここで図1を参照すると、ケーラー照明を使用する照明システムの従来の例が示される。ケーラー照明スキームは、顕微鏡光学システムのような画像光学系において使用される。このスキームでは、ターゲット照明面102は、光源面の共役位置から離れて配置する。したがって、光源内に生成される空間変動または望ましくない強度構造を低減する。
発光ダイオード(LED)である光源104は、いくつかの強度分布パターン(例えば、ランバート分布)を有する有限および/または固定寸法を含む。光源104からの光が通過する集光レンズ106は、光源104からの放射を集め、光を照明レンズ108に向けて投影する。集光レンズ106は、光源104の放射面の近傍で閾値を有する小さなレンズである。放射面は、カプセル化されたLED内の半球レンズ、単一の個別レンズ、または複数のレンズの組み合わせである。このようにして、集光レンズは、画像アプリケーションの所望の特性を満たすために、色収差および/またはセミコリメート出力ビームを低減する。
照明レンズ108は、集光レンズ106からフォーカスレンズ110の背面開口面の領域に光を集光するために使用される。これは、透過モード画像光学系における集光レンズ(condenser lens)であっても、落射照明スキームを使用する画像光学系の蛍光モードにおける対物レンズであってもよい。
図1の従来の例に示すように、照明光学系のターゲット面102は、ケーラー照明の条件が満たされるように、光源面と共役されていない。実線によって示される集束ビーム112は、照明レンズ108を介して生成される円錐角αを含み、ターゲット面102の照明ゾーンのサイズを決定する効果を有する。いくつかの例では、照明ゾーンを均等に照明することが望まれる。照明の条件は、強度の均一性が閾値強度変動(例えば、10%)以下を含む場合を含む。いくつかの例では、追加的または代替的に、閾値強度変動は、5%、2%、またはそれ未満である。円錐角αは、集束ビーム112から、点線によって図示されている周辺光線114までに測定されたビームウエスト116と、照明レンズの後方焦点距離とによって決定される。
透過画像システムでは、軸に沿って光源104からの光の進行方向に対してターゲット面102の背後に付加的なフォーカスレンズ(例えば、対物レンズ)がある。対物レンズは、ターゲット面のサンプルを通る透過光を受ける。このような例では、照明の最大入射角βは、高解像度の画像性能を提供するために、高開口数の対物レンズを満たすのに十分な大きさである必要がある。最大照射角βは、周辺光線114に基づいている。これは、光源104のエッジから、フォーカスレンズの後方焦点面におけるその投影像のエッジに由来する。その結果、フォーカスレンズ110の背面開口面におけるより大きな投影光源像は、より大きな照明角度を生成する。これは、照明レンズ108の焦点距離によって決まり、ターゲット面102において十分に大きな照明ゾーンを提供しない。したがって、図1の従来の例は、様々な照明スキームに適していない。
次に、図2Aおよび図2Bを参照すると、それらは、2つの異なる構成を有する集束レンズの後方焦点面に集束された集束ビームの第1の光線トレース200および第2の光線トレース250をそれぞれ示す。第1の光線トレース200では、大きな円錐角αを有する収束ビーム202は、ターゲット面102に第1の照明ゾーン204を生成する。第2の光線トレース250では、小さな円錐角αを有する収束ビーム252は、第1の照明ゾーン204よりも小さな第2の照明ゾーン254を生成する。これに対応して、第1の光線トレース200において集束ビーム202から周辺光線214まで測定されたLED画像長さ212は、第2の光線トレース250において集束ビーム252から周辺光線264まで測定されたLED画像長さ262よりも小さい。したがって、第1の光線トレース200の照明光学系は、フォーカスレンズ110の後方焦点面において、より小さなLED画像を投影する。その結果、第2の光線トレース250に示される照明角度に対して、より小さな最大照明角度βをもたらしている。
図2Aおよび図2Bの例に示すように、照明ゾーンのサイズ(例えば、図2Aの照明ゾーン204および図2Bの照明ゾーン254)および照明角度は、収束円錐角と、フォーカスレンズレンズ210の背面開口のLED画像のサイズとを調整することによって調整される。図3Aないし図5Dの例では、光学系システムは、異なる照明スキームに合致させるために、様々な照明ゾーンサイズおよび照明角度を提供する適応照明レンズを含む。これは、図1の従来の例では達成することができない。
図3Aを参照すると、適応照明システム310の第1のレイアウト300を示す。適応照明システム310は、様々な照明スキームを提供するように構成された少なくとも3つの光学要素を含む適応照明器320を含む。適応照明器320の第1の光学素子322は、入射(incoming)電力ビームウエスト332を拡張するように構成されたネガティブパワード(negatively powered)光学素子である。第2の光学素子324は、所望のビームウエストの変化の効果を生成するために、第1の光学素子322と協働して動作するように構成されたポジティブパワード(positively powered)光学素子である。一例では、第1の光学素子322は凹状であり、第2の光学素子324は凸状である。第1および第2の光学素子は、わずかに発散、セミコリメート、または収束される出射ビームのコリメーション仕様を決定するようにさらに構成される。第1のレイアウト300では、第1の距離336は、第1の光学素子322と第2の光学素子324との間に配置され、空隙に対応する。第1の距離336は、特定の出射(exit)ビームウエスト(例えば、出射(outgoing)ビームウエスト334)と、適応照明器320の実効後方焦点距離とを設定する。
一例において、図3Aにおける第1の距離336は、図4Aおよび図5Aに示される距離に対する中間の値である。図3Aの第1の距離336は、光源104の軸上部分から発生する光線の出射ビームの収束の「中間(middle)」値を提供する。このような構成では、適応照明器320アセンブリの焦点長さは、アセンブリ内の最後の素子であるレンズ326の焦点距離にほぼ等しい。第2の光学素子324と第3の光学素子326との間の距離は、出射ビームウエストおよびビームコリメーションに対する効果が少ない。したがって、距離は、パッケージングの理由から、最小限に抑えられ、および/またはゼロに低減される。
第1のレイアウトを例として用いると、適応照明器320によって形成される出射ビームウエスト334は、以下に示す式1に基づいて計算される。
式1において、W1およびW2は、それぞれ、適応照明器320の外部の入射ビームウエスト332および出射ビームウエスト334に対応する。NAnegは、第1の光学素子322の開口数に対応する。
図3Aの例では、適応照明器320の光学素子の直径は、50mm以下である。しかしながら、光学素子は、50mmを超える直径を含んでもよい。第1の距離336は、25mmに等しい。第1の光学素子の開口数は、0.17に等しい。従って、式1に基づいて、ビームウエストは、8.6mmだけ増大する。適応照明器の焦点距離は、約150mmである。これは、最後の素子とほぼ同じである。第1のレイアウト300は、収束ビーム円錐角342が約8度である構成をさらに含む。光源104は、ランベルトのコサイン則に従う角度強度分布を有する1mm円形のLEDである。集束レンズの後方焦点面の投影像は、直径約8.5mmである。これは、図3Bに示されている。照射入射角344は、約25度である。これは、約0.42の照射開口数に等しい。ターゲット面102におけるシミュレートされた照明ゾーンは、図3Cに示されている。照明ゾーンの断面放射照度強度は、図3Dにプロットされている。図3Dのプロットでは、断面は、約1.8mmの直径を含む均一な平坦領域を示す。
次に図4Aを参照すると、適応照明システム310の第2のレイアウト400を示す。第2のレイアウト400は、第1の光学素子322と第2の光学素子324との間の第2の距離436を含む。上述のように、第2の光学素子324と第3の光学素子326との間の距離は、照明条件にほとんど影響を及ぼさない。例えば、第2のレイアウト400における第2の光学素子と第3の光学素子との間の距離は、図3Aにおける距離に等しい。一例では、第2の距離436は、図3Aの第1の距離336よりも大きい。一例では、第1の光学素子322は、第1のレイアウト300の第1の位置から離れた第2の位置に移動する。第2の位置は、第1の光学素子322と第2の光学素子324との間の最大距離に対応する、第1の光学素子322の位置の範囲における位置を表す。一例では、第2の距離436は、65mmに等しい。
適応照明器320は、29度に等しいより大きい円錐角442の収束ビームを生成する。これは、図3Aの第1のレイアウト300の円錐角342よりも大きい。より大きい円錐角442は、増大した出射ビームウエスト434と、減少した焦点距離との両方に起因する。出射ビームウエスト434は、図3Aの第1のレイアウト300に対して、入射ビームウエスト432よりも大きい40mmに等しく、焦点距離は65mmに減少する。照明ゾーンは、図4Cおよび4Dに示されるように、図3Aの第1のレイアウト300における1.8mmから5.8mmに増大する。フォーカスレンズ110の後方焦点面に投影されるLED画像は、図4Bに示すように、直径が8.5mmから1mmに縮小される。したがって、照射入射角は、25度から13度に減少する。これは、開口数0.22に相当する。
次に図5Aを参照すると、適応照明システム510の第3のレイアウト500を示す。第3のレイアウト500は、第1の光学素子322と第2の光学素子324との間の第3の距離536を含む。第1光学素子322は、第1の光学素子322の位置の範囲における第2の極端な(extreme)位置に対応する第3の位置に移動する。入射ビームウエスト532と出射ビームウエスト534との間の差は、第1の光学素子322の他の全ての位置に対する最小の差である。すなわち、図4Aに示される第2の位置は、第1の光学素子と第2の光学素子との間の最大距離(例えば、第2の距離436)を有する第1の極端な位置である。したがって、第2の極端な位置は、第1の光学素子と第2の光学素子との間の、第3の距離536によって表される最小距離に対応する。一例では、第3の距離は15mmである。このようにして、図3Aの第1のレイアウト300の第1の位置は、第2のレイアウト400条件と第3のレイアウト500条件との間の照明条件を提供する第1の位置にもかかわらず、第2の位置よりも第3の位置に近い。
第3のレイアウト500は、適応照明器320が4.2度の収束ビーム円錐角542を生成する構成を含む。ターゲット面102における照明ゾーンは、図5Cおよび図5Dに示すように直径0.8mmである。投影されたLED画像サイズは、図5Bに示されるように直径16mmに増大する。これは、開口数0.77で50度の最大照射角を生成する。
このようにして、図3A、4A、および5Aの例は、適応照明システム310の適応照明器320の異なる例示的な位置を示す。適応照明システムは、エテンデューの保存に基づいて、最大入射角で照明ゾーンサイズをバランスするように構成される。照明特性は、適応照明器320の2つ以上の光学素子間の距離および/または空隙を調整することによって調整される。より具体的には、適応照明システム310の異なる動作モードが光学素子を交換することなく達成されるように、第1の光学素子(例えば、ネガティブパワード素子)と第2の光学素子(例えば、ポジティブパワード素子)との間の空隙は調整される。第1の光学素子は、照明ゾーンサイズまたは照明ゾーン角度を調整する要求に応じて、第1の極端な位置(図4Aに示す)、第2の極端な位置(図5Aに示す)、またはそれらの間の複数の位置に調整される。第1の極端な位置に向かって第1の光学素子を動作させると、照明ゾーンのサイズが増大し、照明入射角度が減少する。これに対して、第2の極端な位置に向かって第1の光学素子を調整すると、照明ゾーンのサイズが減少し、照明入射角度が増大する。
第1の光学素子322または第2の光学素子324は、所望の特性が達成されるまで、ユーザによって手動で調整される。加えてまたは代替的に、いくつかの例では、適応照明システム310のアクチュエータは、上述の第2の位置および第3の位置をカバーする範囲内で他方へまたは他方から離れて、第1の光学素子322または第2の光学素子324のいずれかを動作させるように構成される。アクチュエータは、電気的または手動で操作されてもよい。
一実施形態では、適応照明システム310は、インターフェースを含む。インターフェースは、様々な照明モードに対応する複数のオプションを含む。ユーザは、適応照明システム310のコントローラに入力される1つまたは複数の所望の照明特性を選択する。コントローラは、その非一時的メモリに記憶された命令を備える。コントローラが実行されると、コントローラは、ユーザが選択した入力に基づいて、第1の光学素子と第2の光学素子との間の距離を調整することができる。このようにして、適応照明システムは、光学素子を置換することなく、異なる照明モードを提供するように照明特性を迅速に調整する。
上述したように、適応照明システム310は、出力ビームウエストを増大する。これを行うことにより、上流の光学系は、より小さなビームウエストのために、より小さな光学系で設計される。したがって、光源ユニットのサイズを小さくすることができる。これにより、光源内に異なる波長のより多数の光源を配置することができる。マルチチャネルLED光源600が図6に示される。そこにおいて、波長選択コンポーネント(例えば、ダイクロイックミラーまたはフィルター)は、チャネル結合のために使用される。より小さなビームを使用することによって、ダイクロイックミラーのコストを低減することができる。それによって、適応照明システム310のコストをさらに低減する。さらに、光源アセンブリの物理的サイズを小さくする。これにより、他のコンポーネントと一体化して、多様な完全に機能するシステムを形成することができる。
より具体的には、マルチ光配置のマルチチャネルLED光源600は、第1の光源610と、第2の光源620と、第3の光源630と、第4の光源640、第5の光源650とを含む。一例では、マルチチャネルLED光源600は、適応照明システム310を備えた図3A、4A、および5Aの光源104の代わりに使用される。
第1の光源610は、第1のLED612と、第1のLEDレンズ614と、第1のフィルター616とを含む。LEDレンズ614は、単レンズ、複レンズ、またはマルチ要素レンズである。フィルター616は、LED発光スペクトルのさらなる精密化を提供し、任意選択である。以下のLEDレンズおよびフィルターのうちの1つまたは複数は、任意である。第1の光源610は、第1の波長の光を複数のダイクロイックミラー660に向けて放射する。光は、第1のダイクロイックミラー662で反射され、第2のダイクロイックミラー664で反射され、第3のダイクロイックミラー666で反射され、次いで、第4のダイクロイックミラー668で反射されてから、出力670に到達する。
第2の光源620は、第2のLED622と、第2のLEDレンズ624と、第2のフィルター626とを含む。第2の光源620は、第2の波長の光を複数のダイクロイックミラー660に向けて放射する。光は、第1のダイクロイックミラー662を横断し、第2のダイクロイックミラー664で反射し、第3のダイクロイックミラー666で反射し、第4のダイクロイックミラー668で反射してから、出力670に到達する。
第3の光源630は、第3のLED632と、第3のLEDレンズ634と、第3のフィルター636とを含む。第3の光源630は、第3の波長の光を複数のダイクロイックミラー660に向けて放射する。光は、第3のダイクロイックミラー666を横断し、第4のダイクロイックミラー668で反射してから、出力670に到達する。
第4の光源640は、第4のLED642と、第4のLEDレンズ644と、第4のフィルター646とを含む。第4の光源640は、第4の波長の光を複数のダイクロイックミラー660に向けて放射する。光は、第2のダイクロイックミラー664を横断し、第3のダイクロイックミラー666で反射し、第4のダイクロイックミラー668で反射してから、出力670に到達する。
第5の光源650は、第5のLED652と、第5のLEDレンズ654と、第5のフィルター656とを含む。第5の光源650は、複数のダイクロイックミラー660に向けて第5の波長の光を放射する。赤色光は、第4のダイクロイックミラー668を横断し、出力670に到達する。
一例では、第1~第5の波長は、350~750nmの間である。第1から第5の波長のそれぞれは、第1から第5の波長のそれぞれが異なるように、異なる色の光を放射するように構成される。一例では、第1の波長は385nmであり、第2の波長は475nmであり、第3の波長は635nmであり、第4の波長は550nmであり、第5の波長は730nmである。本開示の範囲から逸脱することなく、他の波長(したがって色)が放射されてもよい。図示のように、出力670は、光線を軸699に直線上に整列させる。光線は、ターゲット面(例えば、図3A、4A、および5Aのターゲット面102)に到達する前に、軸699から逸脱してもよい。
マルチチャネルLED光源600では、ダイクロイックミラーは、直線導波路を形成し、各光源から出力光ガイドに光ビームを跳ね返す。最低波長チャネルを除くすべてのチャネルの光線は、導波路内で45°の入射角で1つのダイクロイックミラーを通過し、次いで、下流のダイクロイックミラーの残りの部分によって反射される。例えば、730nmの光は、700nmのロングパス(LP)のダイクロイックミラーを通過し、導光路に入る。550nmの光は、500nmのLPダイクロイックミラーを通過し、その後600nmと700nmのダイクロイックミラーで反射される。385nmの光は、導波路への伝送のない入射と、導光路に入射する前の4回の反射とを進む。これは、1つの伝送損失よりも依然として少ない損失を経験する。
改善された光学効率に加えて、ダイクロイックミラーのこの直線導波路配置により、既存の構成および性能に最小の外乱を伴って、新たなチャネルを追加することができる。
上記の図は、種々のコンポーネントの相対的な位置決めを伴う構成の例を示している。互いに直接接触している、または直接結合されていることが示されている場合、そのような要素は、少なくとも一例では、それぞれ直接接触している、または直接結合されていると呼ばれる。同様に、互いに隣接してまたは近接して示される要素は、少なくとも一例では、互いに隣接してまたは近接している。一例として、互いに面共有接触するコンポーネントは、面共有接触と呼ばれる。別の例として、少なくとも1つの例では、間に空間のみを有し、他のコンポーネントを有さないで、互いから離れて配置された要素は、そのようなものとして参照される。さらに別の例として、互いに上/下に、互いに反対側に、または互いに左/右に示される要素は、互いに対してそのようなものとして参照される。さらに、図に示されるように、少なくとも1つの例では、要素の最上部の要素または点は、コンポーネントの「上部」と呼ばれる。要素の最下部の要素または点は、コンポーネントの「底部」と呼ばれる。本明細書で使用されるように、トップ/ボトム、上部/下部、上/下は、図面の垂直軸に対して相対的であり、図面の要素の互いに対する位置を説明するために使用される。したがって、一例では、他の要素の上に示される要素は、他の要素の上に垂直に配置される。さらに別の例として、図面内に示される要素の形状は、それらの形状(例えば、円形、直線、平面、湾曲、丸みを帯びた、面取りされた、角度をつけられたなど)を有するものとして言及される。さらに、互いに交差するように示された要素は、少なくとも1つの例では、交差する要素または互いに交差すると呼ばれる。さらに、別の要素内に示されるか、または別の要素の外側に示される要素は、一例では、そのようなものとして参照される。
適応照明システムの技術的効果は、適応照明器の光学素子間の距離および/または空隙を調整することによって、様々な照明モードを提供することである。光学素子は、少なくとも1つのネガティブパワード光学素子と、少なくとも1つのポジティブパワード光学素子とを含む。適応照明システムは更に、光源としてより小さなビームウエストが使用されるように、ビームウエストを増大させるように構成される。これにより、光源は様々な波長の光を提供することができる。これは、光源のコストを下げ、パッケージングサイズを小さくする。このようにして、適応照明システムは、その中で要素を置き換え、交換することなく、その中で光学要素を調整することによって、複数の照明モードを実行するように構成された照明システムを提供する。これを行うことによって、運転コストを低減することができ、効率を高めることができる。
適応照明システムの一例は、第1の光学素子と、第2の光学素子と、第3の光学素子とを含む少なくとも3つの光学素子を含む適応照明器を含む。第1の光学素子と第2の光学素子との間の距離は、調節可能である。適応照明システムの第1の例は、第1の光学素子が負の光パワーを有し、第2の光学素子が正の光パワーを有する構成をさらに含む。適応照明システムの第2の例は、任意に、第1の例を含む。第2の例は、第3の光学素子が正の光パワーを有する構成をさらに含む。適応照明システムの第3の例は、任意に、前記例のうちの1つまたは複数を含む。第3の例は、さらに、第1の光学素子が所定の範囲を移動可能である構成を含む。その範囲は、第1の極端な位置と、第2の極端な位置とを含む。適応照明システムの第4の例は、任意選択で、前記例のうちの1つまたは複数を含む。第4の例は、さらに、第1の極端な位置が、距離が最大距離である場合を含む構成を含む。適応照明システムの第5の例は、任意選択で、前記例のうちの1つまたは複数を含む。第5の例は、第2の極端な位置が、距離が最小距離である場合を含む構成をさらに含む。適応照明システムの第6の例は、任意に、前記例のうちの1つまたは複数を含む。第6の例は、さらに、第1の極端な位置と第2の極端な位置との間の中間位置を含む。中間位置は、第1の極端な位置と第2の極端な位置との間にある。適応照明システムの第7の例は、任意選択で、前記例のうちの1つまたは複数を含む。第7の例は、光源をさらに含む。その光源は、複数の光源(例えば、白熱光、ガス放電ランプ、発光ダイオード、レーザ光源、ハロゲン光、および水銀ランプなど)を含む。それらは、複数の集光のうちの1つまたは複数に向けて異なる波長の光のビームおよび光学コンポーネントをガイドする反射光のビームを放出するように構成される。
適応照明システムの適応照明器の一例は、光源と、集光レンズと、フォーカスレンズと、ターゲット面とを備える。適応照明器は、ネガティブパワード光学系を含む第1の光学素子と、ポジティブパワード光学系を含む第2の光学素子と、ポジティブパワード光学系を含む第3の光学素子とを備える。第1の光学素子は、光が光源から放射される軸に沿って移動可能である。適応照明器の第1の例はさらに、第1の光学素子が照明ゾーンのサイズを大きくし、最大照明入射角度を小さくするようなリクエストに応じて、第1の極端な位置に移動するように構成される構成を含む。適応照明器の第2の例は、任意に、第1の例を含む。第2の例は、第1の光学素子が、照明ゾーンのサイズを小さくし、最大照明入射角度を増大するようなリクエストに応じて、第2の極端な位置に移動するように構成される構成を含む。適応照明器の第3の例は、任意に、前記例のうちの1つまたは複数を含む。第3の例は、さらに、第1の光学素子が電気または手動アクチュエータによって移動される構成を含む。適応照明器の第4の例は、任意選択で、前記例のうちの1つまたは複数を含む。第4の例は、第1の光学素子が第2の光学素子と集光レンズとの間の軸に沿って移動可能である構成を含む。第1の光学素子は、第1の光学素子と第2の光学素子との間の距離を調整するために移動される。適応照明器の第5の例は、任意選択で、前記例のうちの1つまたは複数を含む。第5の例は、さらに、距離を増大させると照明ゾーンサイズが増大し、最大照明入射角が減少し、距離を減少させると照明ゾーンサイズが減少し、最大照明入射角が増大する構成を含む。適応照明器の第6の例は、任意選択で、前記例のうちの1つまたは複数を含む。第6の例は、第2の光学素子および第3の光学素子が不動である構成をさらに含む。
適応照明システムは、ターゲット面に向かって、適応照明器の第1のレンズおよび第2のレンズを通して、軸に沿って光を放射するように構成された光源と、第1のレンズと第2のレンズとの間に配置された適応照明器とを含む。適応照明器は、空隙を調整するために軸に沿って移動可能な第1の光学素子と、空隙を調整するために離れた第2の光学素子とを含む。適応照明器は、さらに、適応照明器内の第2の光学素子の後ろに配置された第3の光学素子を含む。適応照明システムの第1の例は、第1の光学素子が第1の極端な位置と、第2の極端な位置と、それらの間の複数の位置とに移動可能である構成を含む。第1の光学素子が第1の極端な位置にあるとき、空隙が最大である。そして、第1の光学素子が第2の極端な位置にあるとき、空隙が最小である。適応照明システムの第2の例は、任意に、第1の例を含む。第2の例は、第1の光学素子が負の光パワーを有し、第2の光学素子が正の光パワーを有し、第3の光学素子が正の光パワーを有する構成を含む。光源は、第1のビームウエストを有するビームを提供する。第1の光学素子、第2の光学素子、および第3の光学素子は、第2のビームウエストを有するビームを出力する。第2のビームウエストは、第1のビームウエストよりも大きい。適応照明システムの第3の例は、任意選択で、前述の例のうちの1つまたは複数を含む。第3の例は、光源が複数の光源を含む構成をさらに含む。複数の光源のそれぞれは、互いに同一に配向された複数のスペクトル選択光学コンポーネントのうちの1つまたは複数に向けて光ビームを放射するように構成された光源(例えば、白熱光、ガス放電ランプ、発光ダイオード、またはレーザ源など)を含む。複数のスペクトル選択光学コンポーネントは、軸に沿って光ビームを誘導するように構成される。適応照明システムの第3の例は、任意選択で、前記例のうちの1つまたは複数を含む。第3の例は、複数のスペクトル選択光学コンポーネントがダイクロイックミラーである構成をさらに含む。
本明細書で使用されるように、単数形で記載され、「a」または「an」という語で続けられる要素または工程は、そのような排除が明示的に述べられない限り、要素または工程の複数を排除しないものとして理解される。さらに、本発明の「一実施形態」への言及は、記載された特徴を組み込む追加の実施形態の存在を排除するとして解釈されることを意図していない。さらに、明示的に述べられない限り、実施形態「備える」、「含む」、または「有する」、要素または特定の特性を有する複数の要素は、そのような特性を有さない追加の要素を含んでもよい。用語「含む(including)」および「in which」は、それぞれ、用語「備える(comprising)」および「wherein」の平易言語の均等物として使用される。さらに、用語「第1の」、「第2の」、「第3の」などは、ラベルとして単に使用され、それらのオブジェクトの数値的な要件や特別な位置の順序を課すことを意図していない。
本明細書は、ベストモードを含む発明を開示するための例を使用し、技術分野における通常の知識を有する者が当該発明を実施することができる例を使用する。これは、任意のデバイスまたはシステムを作製し、使用し、任意の組み込み方法を実行することを含む。発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当該発明の通常の知識で生じる他の例を含む。特許請求の範囲に記載のものと相違ない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲に記載のものとごくわずかな相違の均等な構造的要素を含む場合、このような他の例は、特許請求の範囲内に含まれると意図される。
Claims (20)
- 第1の光学素子と、第2の光学素子と、第3の光学素子とを含む少なくとも3つの光学素子を含む適応照明器を含み、
前記第1の光学素子と前記第2の光学素子との間の距離は、調節可能であることを特徴とする適応照明システム。 - 前記第1の光学素子は、負の光パワーを有し、
前記第2の光学素子は、正の光パワーを有する請求項1に記載の適応照明システム。 - 前記第3の光学素子は、正の光パワーを有する請求項2に記載の適応照明システム。
- 前記第1の光学素子は、所定の範囲を通って移動可能であり、
前記範囲は、第1の極端な位置と、第2の極端な位置とを含む請求項1に記載の適応照明システム。 - 前記第1の極端な位置は、前記距離が最大距離である構成を含む請求項4に記載の適応照明システム。
- 前記第2の極端な位置は、前記距離が最小距離である構成を含む請求項4に記載の適応照明システム。
- 前記第1の極端な位置と前記第2の極端な位置との間の中間位置を更に含み、
前記中間位置は、前記第1の極端な位置と、前記第2の極端な位置との間にある請求項4に記載の適応照明システム。 - 光源をさらに含み、
前記光源は、白熱光、ガス放電ランプ、発光ダイオード、レーザ光源、ハロゲン光、および水銀ランプを含む複数の光源を含み、
前記複数の光源は、それぞれ、複数の集光のうちの1つまたは複数に向けて異なる波長の光のビームおよび光学コンポーネントをガイドする反射光のビームを放射するように構成される請求項1に記載の適応照明システム。 - 光源と、集光レンズと、フォーカスレンズと、ターゲット面とを含む適応照明システムの適応照明器であって、前記適応照明器は、
ネガティブパワード光学系を含む第1の光学素子と、
ポジティブパワード光学系を含む第2の光学素子と、
ポジティブパワード光学系を含む第3の光学素子と、を含み、
前記第1の光学素子は、光が前記光源から放射される軸に沿って移動可能であることを特徴とする適応照明器。 - 前記第1の光学素子は、照明ゾーンサイズを増大させ、最大照明入射角を減少させるリクエストに応答して、第1の極端な位置に移動するように構成される請求項9に記載の適応照明器。
- 前記第1の光学素子は、前記照明ゾーンサイズを減少させ、前記最大照明角を増大させるリクエストに応答して、第2の極端な位置に移動するように構成される請求項10に記載の適応照明器。
- 前記第1の光学素子は、電気アクチュエータまたは手動アクチュエータによって移動される請求項9に記載の適応照明器。
- 前記第1の光学素子は、前記第2の光学素子と前記集光レンズとの間の軸に沿って移動可能であり、
前記第1の光学素子は、前記第1の光学素子と前記第2の光学素子との間の距離を調整するように移動する請求項9に記載の適応照明器。 - 前記距離を増大させることは、照明ゾーンサイズを増大させ、最大照明入射角を減少させ、
前記距離を減少させることは、前記照明ゾーンサイズを減少させ、前記最大照明入射角を増大させる請求項13に記載の適応照明器。 - 前記第2の光学素子および前記第3の光学素子は、移動不能である請求項9に記載の適応照明器。
- 適応照明器の第1のレンズおよび第2のレンズを通過して、ターゲット面に向かって、軸に沿って光を放射するように構成された光源と、
前記第1のレンズと前記第2のレンズとの間に配置された適応照明器と、を含み、
前記適応照明器は、空隙を調整するために前記軸に沿って移動可能な第1の光学素子と、前記空隙を調整するために前記第1の光学素子と離間した前記第2の光学素子と、前記適応照明器において前記第2の光学素子の後方に配置された第3の光学素子と、を含むことを特徴とする適応照明システム。 - 前記第1光学素子は、第1の極端な位置と、第2の極端な位置と、それらの間の複数の位置とに移動可能であり、
前記空隙は、前記第1の光学素子が前記第1の極端な位置にあるとき、最大であり、
前記空隙は、前記第1の光学素子が前記第2の極端な位置にあるとき、最小である請求項16に記載の適応照明システム。 - 前記第1の光学素子は負の光パワーを有し、前記第2の光学素子は正の光パワーを有し、前記第3の光学素子は正の光パワーを有し、
前記光源は、第1のビームウエストを有するビームを提供し、
前記第1の光学素子、前記第2の光学素子および前記第3の光学素子は、第2のビームウエストを有するビームを出力し、
前記第2のビームウエストは、前記第1のビームウエストよりも大きい請求項16に記載の適応照明システム。 - 前記光源は、複数の光源を含み、
前記複数の光源は、それぞれ、白熱光、ガス放電ランプ、発光ダイオード、またはレーザ光源のような光源を含み、互いに同一に配向された複数のスペクトル選択光学コンポーネントのうちの1つまたは複数に向けて光線を放射するように構成され、
前記複数のスペクトル選択光学コンポーネントは、前記軸に沿って前記光線を導くように構成される請求項16に記載の適応照明システム。 - 前記複数のスペクトル選択的光学コンポーネントは、ダイクロイックミラーである請求項19に記載の適応照明システム。
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