專利名稱：環(huán)狀照明器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種用于光學測量設備如光學顯微鏡、圖像測試儀一類的環(huán)狀照明器，尤其涉及一種在眾多發(fā)光元件發(fā)射光束基礎上產(chǎn)生一定色調(diào)光束的環(huán)狀照明器，這些眾多的發(fā)光元件能夠發(fā)射相互之間顏色不同的光束。
2.相關(guān)技術(shù)說明為了光學聚焦待測物體一個待測部分的圖像并觀察這個圖像，對待測物體的照明在得到其在光學顯微鏡下的清晰圖像中扮演著極其重要的角色，同樣在用于由圖像等基礎上觀察和測量待測物體的形狀和尺寸的圖像處理類型測量儀器如測量顯微鏡、工具顯微鏡、投影儀以及三維圖像測試儀中同樣有著極其重要的作用。
作為用于圖像處理類型測量儀器等的照明方法，我們已經(jīng)知道有一種垂直向下輻射照明方法，這種照明方法從待測物體的大體正上方對其發(fā)射照明光。然而，在很多情況下，這種垂直向下輻射照明方法用于測量具有相對簡單形狀的待測物體。因此，測量一個具有復雜形狀的待測物體例如一個具有很多邊緣部分的臺階狀待測物體，會出現(xiàn)這樣一種情況，即，無法清楚地探測到邊緣部分的陰影。
為了克服這樣的缺陷，已經(jīng)有人建議用一種環(huán)狀照明器，這種環(huán)狀照明器從與光學系統(tǒng)光軸傾斜一定角度的方向?qū)Υ郎y物體發(fā)射照明光束，可以清晰地探測到邊緣部分的陰影。
對于用于環(huán)狀照明器的光源，我們已經(jīng)知道有一種光纖光源，這種光纖光源通過光纖引導鹵素燈等發(fā)出的照明光。然而，鹵素燈等同樣具有一些缺點，比如能量損耗大、壽命短以及在控制發(fā)光和消光時的慢響應率。
進一步來看，在這樣一個環(huán)狀照明器中，作為一種調(diào)節(jié)亮度和輻射到待測物體照明光的照明角的方法，我們知道有一種將光纖光源變成光源組件并在其中控制每一個光源組件的發(fā)光和消光的方法。這里所采用的方法是給各個光源組件配備燈，并為每一個光源組件控制燈的發(fā)光和消光，或者采用一種方法，準備快門開閉裝置等以允許光在光纖的中間或末尾部分的傳輸或中斷并控制每一個光源組件的光纖光源的發(fā)光和消光。然而，這些方法必須要有大量的燈，使結(jié)構(gòu)變得復雜并因此引起一個問題就是這個照明器變得尺寸很大，制作費用也隨之增加。
另一方面，近來，以發(fā)光二極管(LED)為代表的發(fā)光元件由于它的很多特性如響應率快、壽命長等等一直備受人們關(guān)注，并且隨著發(fā)光元件亮度的提高，發(fā)光元件作為光源已經(jīng)在很多不同的技術(shù)領域開始使用。這里，作為可以解決上述鹵素燈等所具有的缺陷并且可以控制其發(fā)光和消光的光源，采用發(fā)光二極管的環(huán)狀照明器就被提出來了。
例如，在日本未經(jīng)審查的專利申請?zhí)?0-54940(相關(guān)技術(shù)1)中公開，已經(jīng)提出了一種環(huán)狀照明器。在相關(guān)技術(shù)1的環(huán)狀照明器中，大量的發(fā)光二極管被作為光源，這些發(fā)光二極管被同心地排列成眾多圓環(huán)形陣列(在該公開特許的一個實施例中采用了5個陣列)，并且各個發(fā)光二極管被安裝好以便將它們的發(fā)光方向設置成朝向待測物體。此外，在這個專利公開中，揭示了這樣一種方法，作為聚焦方法的一種改進，各個發(fā)光二極管的發(fā)光方向排列成與光軸平行，并將菲涅耳透鏡安排在順著發(fā)光方向的下端，這樣使得光線聚焦在待測物體上。
進一步來看，在這個專利公開中揭示的環(huán)狀照明器中，發(fā)光二極管被編成包括各個圓形陣列和環(huán)狀扇區(qū)的發(fā)光組件，并且可以為每一個發(fā)光組件對其發(fā)光和消光進行控制。相應地，對排列成眾多陣列作為每個發(fā)光組件光源的發(fā)光二極管的發(fā)光和消光的控制是可能的，因此，光在待測物體上的分布能夠適當?shù)赜枰哉{(diào)節(jié)。
然而，在相關(guān)技術(shù)1的環(huán)狀照明器中，各個發(fā)光二極管朝向待測物體發(fā)出的光束具有固有發(fā)散角，光線會在到達待測物體之前發(fā)散，因此，提高照明效率是不夠的，由此會有這樣一個缺陷，必須安裝極大數(shù)量的發(fā)光二極管來保證必要的照明度。
再者，在相關(guān)技術(shù)1，作為另外一種提高照明效率的方法，揭示的一種方法是將菲涅耳透鏡安裝在發(fā)光二極管前面并將照明光聚焦在待測物體上。然而，這種方法不是提供用來糾正上述發(fā)光二極管的固有發(fā)散角的，因此，很難達到照明效率的顯著提高。
更進一步來看，這種菲涅耳透鏡具有固有焦距，因此，當待測物體和環(huán)狀照明器之間的距離(可操作距離)在測量過程中隨著待測物體相應發(fā)生變化時，菲涅耳透鏡的焦距和可操作距離被互相替換，以便于照明光散布開，由此降低照明效率。進一步來看，為了保持照明效率，可操作距離不能被改變，因此，出現(xiàn)了這樣一個缺陷，很難使每個待測物體得到一個最佳的照明光。
再者，已經(jīng)知道有這樣一種環(huán)狀照明器，它具有能夠控制關(guān)于待測物體的照明角以及照明光照明方向的附加功能，以便清晰地探測待測物體的邊緣以及表面的情況(相關(guān)技術(shù)2)。在相關(guān)技術(shù)2的環(huán)狀照明器中，對應于特定照明角將發(fā)光二極管安裝成環(huán)形的復式環(huán)被準備好，這些環(huán)狀發(fā)光二極管同時或單獨地開啟以便控制照明角。更進一步來看，在每個環(huán)的圓周方向上編成發(fā)光組件的發(fā)光二極管接受發(fā)光和消光控制，以便于光在待測物體上的分配可以適當?shù)赜枰哉{(diào)節(jié)。
然而，同樣在這個相關(guān)技術(shù)2的環(huán)形照明器中，與上述相關(guān)技術(shù)1相同，由于每個發(fā)光二極管發(fā)射光束的發(fā)散角，照明效率的提高是不夠的，因此，存在一個必須安裝大量發(fā)光二極管來保證足夠照明度的缺陷。再者，有必要安裝復數(shù)樣式的環(huán)以便使各個環(huán)確呈現(xiàn)特定角度，因此，這樣使得照明器的結(jié)構(gòu)變得復雜。
另一方面，通過圖像處理類型測量儀器等檢查或測量的待測物體的類型是極其多樣的，所以待測物體包括封裝電子零件如印刷電路板(PCB)一類、機械零件、半導體零件、印刷品等等。再者，這些待測物體同樣具有不同的表面顏色。在圖像處理類型測量儀器一類中，通過用CCD(電荷耦合裝置)等識別待測物體的形狀等作為一個圖像，并且，在通過探測圖像邊緣位置等來測量尺寸等過程中，對應于待測物體的表面顏色發(fā)射具有合適色澤(色調(diào))的照明光，所得圖像的對比度得到加強，從而能夠預期進一步提高邊緣部分探測精度。
作為能夠控制這種照明光色調(diào)的環(huán)狀照明器，在上述相關(guān)技術(shù)1和相關(guān)技術(shù)2的環(huán)形照明器中，多個發(fā)光二極管是由幾種類型(比如三種類型)的具有各個不同發(fā)光顏色紅(R)、綠(G)、藍(B)的發(fā)光二極管構(gòu)成，并且為每一種發(fā)光顏色的發(fā)光二極管執(zhí)行發(fā)光和消光的控制，以便于能夠控制照明光的色調(diào)。
然而，在相關(guān)技術(shù)1和相關(guān)技術(shù)2的環(huán)形照明器中，因為照明效率低，必須排列大量的發(fā)光二極管，由此產(chǎn)生一個缺陷，即，使照明器尺寸變大并且制造費用增加。另外如上所述的那樣，可以通過排列幾種具有不同發(fā)光顏色的發(fā)光二極管類型來控制照明光色調(diào)。然而，雖然從各發(fā)光顏色的發(fā)光二極管朝待測物體發(fā)射的光束被合并在待測物體上，但從各發(fā)光二極管發(fā)射到待測物體的光束的距離和角度不是固定的，因此，生成照明光的色調(diào)是不一致的，以致于產(chǎn)生一個缺陷，就是不能得到足夠高精度的圖像。
本發(fā)明的目的是提供一種能夠使裝置小型化并且同樣可以通過提高照明效率來充分提高圖像探測精度的環(huán)狀照明器。
發(fā)明概述為了達到上述目標，按照本發(fā)明的一個方面，提供了具有以下組成的環(huán)狀照明器。也就是說，這種環(huán)狀照明器包括了一個由多個發(fā)光元件組成的光源，這些發(fā)光元件排列在光學系統(tǒng)光軸的周圍，并由至少兩種類型互相具有不同發(fā)光顏色的發(fā)光元件組成。構(gòu)成光源的這些發(fā)光元件中的每組相同類型的發(fā)光元件在基本垂直于光軸的同一平面內(nèi)圍繞光軸排列成環(huán)形。順著發(fā)光元件的發(fā)光方向，在其下端口提供了一個合并部件，該部件將發(fā)光元件發(fā)射出的、并且具有相互不同發(fā)光顏色的光束合并，并且產(chǎn)生具有特定色調(diào)的照明光。此外，順著產(chǎn)生照明光的照射方向在其下端口提供了一個聚焦部件，該聚焦部件沿著光軸在一個特定位置聚焦照明光。
這里，術(shù)語“環(huán)繞光軸排列成環(huán)狀”包括環(huán)繞光軸的圓形環(huán)狀排列、三角形環(huán)狀排列、方形環(huán)狀排列或者多邊形環(huán)狀排列包括繞光軸的五邊形環(huán)狀排列。此外，環(huán)繞光軸的橢圓形環(huán)狀排列或長方形環(huán)狀排列同樣也包括在內(nèi)。
按照這種構(gòu)成，具有不同發(fā)光顏色的發(fā)光元件發(fā)射出的光束通過順向安排在發(fā)射光束下端的合并部件合并成特定色調(diào)的照明光，特定色調(diào)的照明光通過聚焦部件被聚焦在特定位置。如此，可以發(fā)射合并部件初步合并成給定色調(diào)的照明光，因而可以發(fā)射具有相應于待測物體表面顏色的色調(diào)的照明光。因此，通過光學系統(tǒng)得到的圖像對比度得到加強，從而待測物體邊緣測定的精確性得到有效提高。此外，由于可以通過聚焦裝置把照明光聚焦到指定位置來提高照明效率，可減少發(fā)光元件的安裝數(shù)量以便將照明器小型化。
有不同發(fā)光顏色、排列成環(huán)狀的發(fā)光元件組件以一種在空間上被分隔的方式按一定間距沿著光軸方向排列，光發(fā)射元件組可以排列成沿射離光軸的方向上。
因為有這樣一個結(jié)構(gòu)，通過排列光源使發(fā)光元件的光發(fā)射方向與光學系統(tǒng)的光軸大體正交并且射離光軸，在由包括合并單元和被安裝在光發(fā)射方向下游的聚焦單元形成的照明器的多種尺寸中，平行于光軸的方向上的尺寸可以做的小。相應地，安裝發(fā)光器到光學系統(tǒng)上時，沿著光軸的安裝位置的自由度增加了，聚焦范圍和聚焦位置的設置能被高度精確地完成，待測物體圖象的探測精度就提高了。
有不同發(fā)光顏色并被組裝成環(huán)狀的發(fā)光元件組件沿著與光軸間的距離各不相同、大體在同一平面上與光軸基本上正交的的圓環(huán)排列，光發(fā)射方向被排列在基本上平行于光軸的方向上。
因為這樣一個結(jié)構(gòu)，通過排列光源使發(fā)光元件的光發(fā)射方向與光學系統(tǒng)的光軸基本上平行，在由包括合并單元和被安裝在光發(fā)射方向下游的聚焦單元組成發(fā)光器的尺寸中，在光軸半徑方向上的尺寸可以縮小。相應的，在把照明器安裝到光學系統(tǒng)上之后執(zhí)行測試時，照明器不阻礙測試操作并且測試操作也能快速完成。
復數(shù)個發(fā)光元件是由可以分別發(fā)射紅色(R)、綠色(G)和藍色(B)光的三種類型發(fā)光二極管組成。
由于這樣一種結(jié)構(gòu)，通過使用構(gòu)成典型發(fā)光元件的發(fā)光二極管，可提供能顯示出高響應率、長壽命等等發(fā)光二極管特征的光源。同時，通過均勻地合成光的三原色紅、綠、藍各色光，可以產(chǎn)生照明的基本色白光，而通過適當改變紅(R)、綠(G)、藍(B)各色的混合量，能產(chǎn)生各種色度的照明光。因此，與有各種表面色彩的待測物體相對應的最佳色度的照明光能被輻射，以便待測對象的邊緣或類似物的探測精度能進一步有效提高。
合并單元可以配置成包括以平面形狀形成的分光鏡。
由于這樣一種使用了分光鏡(分光鏡具有使一定波長的光透過或在其上反射的特性)的結(jié)構(gòu)，通過對由發(fā)光元件發(fā)射的具有互不相同色彩的光束選擇性地反射或者透過，這樣就可以合成不同顏色的光束，以產(chǎn)生給定色度的照明光。此外，由于使用了具有單一平面形狀的分光鏡，就有可能廉價地構(gòu)成合并單元。此外，與用有彎曲表面分光鏡的情況相比，可以容易地計算反射和透射光的焦距。相應地，分光鏡排列和裝配結(jié)構(gòu)能很容易地完成，同時，照明光的合成操作也能被精確的執(zhí)行。
分光鏡有反射比給定波長短的光而允許比給定波長長的光通過的特性，或者有允許比給定波長短的光通過而反射比給定波長長的光特性。
由于這樣一種結(jié)構(gòu)，相應于光的波長來說，在給定波長從反射到透射或者從透射到反射的轉(zhuǎn)換數(shù)僅為一次，因此，與可以兩次或多次執(zhí)行反射和透過多種波長光的特性轉(zhuǎn)換的分光鏡比較，鏡面蒸發(fā)沉積膜層數(shù)少，由此膜的形成過程被簡化，分光鏡的反射透過效率能夠提高。
由合并單元產(chǎn)生的照明光的照射方向被設置在在一個平面內(nèi)、同光軸基本上正交并射離光軸，聚焦單元配置包括一個在光軸方向上聚焦照明光的反射鏡，該反射鏡包括一個反射面這個反射面相對于平行和正交于光軸的兩個橫截面方向分別有特定的曲率。
由于這樣一種結(jié)構(gòu)，在光軸方向上照明光被一個設置在比光源和組合裝置更遠離光軸的一定位置上的反射鏡反射，因此，被輻射到待測物體的照明光的照明角度被增加，當一個待測試物體呈立體形裝或類似形狀時，就能清晰的探測到待測試物體邊緣部分的陰影。此外，反射鏡上設有能夠聚焦照明光于待測物體特定位置的彎曲表面(curvature)，因此，可以集中把照明光照射到待測物體的待測位置，由此可以提高照明效率。
合并單元所產(chǎn)生的照明光的照射方向可以設置為基本上平行于光軸的方向，配置聚焦單元以包括成套的在離開光軸的方向上反射照明光的第一反射鏡，和把反射到反射鏡上的照明光聚焦在光軸方向的第二反射鏡，第一反射鏡和第二反射鏡當中至少有一個具有這樣的反射面，它有分別對應于平行和垂直于光軸的橫截面方向的彎曲表面。
由于這樣一種結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整來自光源的輻射光以及來自合并單元的照明光的照射方向使之平行于光軸，并在靠近待測物體的位置上設置反射鏡，光軸軸向的尺寸可以縮小。再者，把照明光聚焦到特定位置的彎曲表面(curvature)設置在第一和第二反射鏡中任意一個的反射面上，或者它們兩個的反射面上，因此，可以集中把照明光照射到待測物體的待測位置，由此可以提高照明效率。
光源和合并單元可以固定到照明器本體上，安裝聚焦單元使之相對于照明器本體在基本上平行于光軸的方向上可相對移動，環(huán)狀照明器具有調(diào)節(jié)單元，該調(diào)節(jié)單元通過執(zhí)行照明器與聚焦單元之間的相對移動來調(diào)節(jié)照明光聚焦的位置。
由于這樣一種結(jié)構(gòu)，通過提供光源和聚焦單元固定于其上的照明器本體與聚焦單元之間沿光軸的相對移動，照明光被反射到有彎曲表面的反射鏡的反射面傾角各不相同的位置上，因此，改變了反射角。相應地，可以對應于待測物體調(diào)節(jié)照明角，因此，可以獲得對應于待測物體的尺寸、形狀、表面條件的適當照明角度的照明光，由此，可以進一步提高待測物體邊緣等的測試精度。
合并單元所產(chǎn)生的照明光的照射方向可以設定為基本上平行于光軸，聚焦單元配置包括大體呈圓環(huán)形透鏡，其中心部位有孔。
由于這樣一種結(jié)構(gòu)，由于使用了通用光學元件的透鏡，可以低成本制造環(huán)狀照明器。與此同時，由于使用透射率高、精度高的透鏡，可以把透射損失抑制到很小，就有可能精確地把照明光聚焦到照明區(qū)域，由此進一步提高照明效率。此外，組成光學系統(tǒng)的物鏡之類可以經(jīng)透鏡中心位置所形成的孔穿過環(huán)狀照明器，或者，有可能使來自待測物體的反射光不受干擾地到達物鏡等，因此，待測物體的測量可以順利進行。
附圖簡要說明

圖1是本發(fā)明第一實施例的環(huán)狀照明器的透視圖。
圖2是上述實施例的環(huán)狀照明器的橫截面圖。
圖3是上述實施例環(huán)狀照明器的仰視圖。
圖4是本發(fā)明第二實施例環(huán)狀照明器的橫截面圖。
圖5是本發(fā)明第三實施例環(huán)狀照明器的橫截面圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖詳細描述本發(fā)明的較佳實施例。在以下說明中，相同組成元件用同一標號表示，其說明可能會省略或簡化。
本發(fā)明第一實施例的環(huán)狀照明器10如附圖1到3所示，第二和第三實施例的環(huán)狀照明器50，60分別如附圖4和附圖5所示。
第一實施例附圖1是環(huán)狀照明器10的總體透視圖，附圖2是其橫截面圖，附圖3是其仰視圖，部分為橫截面圖。附圖1到附圖3中，環(huán)狀照明器10用于照亮待測物體3(工件)，并安裝在構(gòu)成測試儀等的光學放大系統(tǒng)的物鏡1上，該待測物體3被置于圖中并未示出的圖像測試儀的測試基架2上。圖像測試儀中，測試基架2受到水平面上成正交關(guān)系的兩個軸向的驅(qū)動控制，亦即，在左右方向和前后方向，如圖2所示，通過圖中并未示出的驅(qū)動裝置進行。再者，通過在豎直方向上對物鏡1進行驅(qū)動控制，即附圖2的上下方向，可以對物鏡1的位置和測試距離進行調(diào)節(jié)適應待測物體3的待測部分。
環(huán)狀照明器10具有環(huán)繞物鏡1并構(gòu)成照明器本體、整體形成繞物鏡1光軸1A的環(huán)狀的殼體11，以及安裝于殼體11內(nèi)部、靠近物鏡1一側(cè)的光源盒12，設置了構(gòu)成光源的復數(shù)個發(fā)光二極管20和構(gòu)成組合裝置的一組鏡面30。反射鏡40被放置在光源盒12周圍，構(gòu)成聚焦裝置。再者，圖2中豎直方向上物鏡1的位置的確定使物鏡1和待測物體3之間有給定的測量距離。在此，照明光以對應于環(huán)狀照明器10與待測物體3間距離(可操作距離)的入射角θ1照射待測物體3，環(huán)形照明器10安裝在物鏡1上。
外殼11是由加工金屬薄片或類似的東西制作成環(huán)形的，在圖2中向下開口，提供穿過圖2中豎直方向中部的透鏡通孔11A。外殼11的透鏡通孔11A的內(nèi)徑大小允許物鏡1盡可能通過。再者，圖中并沒示出的安裝部分可把環(huán)形照明器10安裝到物鏡1上且物鏡1可穿過外殼11。就這樣的安裝部分而言，舉個例子，可以使用三個螺釘，他們被支撐在外殼11上以至于螺釘可移向也可以遠離物鏡1。
光源盒12是由加工金屬薄片或類似的東西采用和外殼11同樣的方法制成的盒形部件，基本上成八邊形的平面形狀，其中角部基本上斜切成矩形。在光源盒12的四個面中遠離物鏡1的那邊，狹縫13沿著正交于光軸1A的平面形成。
光源盒12的內(nèi)部，可以發(fā)出三種顏色的光(紅，綠，藍)的發(fā)光二極管20，按各自類型排列。各顏色的發(fā)光二極管20沿著光軸1A安裝，使發(fā)紅光(R)的二極管21，發(fā)綠光(G)的二極管22和發(fā)藍光(B)的二極管23在圖2中以一定的間隔依次自上而下排列，排列在光軸1A周圍大體成矩形、并且分別與光軸1A基本上正交的平面中。就各色紅、黃、藍的發(fā)光二極管21，22，23而言，七個發(fā)光二極管被沿著基本上成矩形的平面的每一邊排列，它們都和各自的邊基本正交，其發(fā)光方向在遠離光軸1A的方向上。
就各色發(fā)光二極管20而言，將聚焦透鏡安裝在發(fā)光方向的末端以便發(fā)射光束的發(fā)散角可以取給定的角度(如，20°)，并且這些發(fā)光二極管20可和控制電路及電源相聯(lián)，圖中未示。
沿各色發(fā)光二極管20的光發(fā)射方向的下游方向是反射鏡組30，每一發(fā)射鏡組由鏡面31，32，33構(gòu)成，鏡面31，32，33分別形成了基本上為矩形的平面，這些鏡面的縱向排列在基本上平行于紅綠藍各色發(fā)光二極管發(fā)出的光束的方向，并且這些鏡面的縱向長度基本上等于被排列在矩形平面內(nèi)的發(fā)光二極管20的各側(cè)面的長度。再者，鏡面31，32，33排列的傾角在沿光軸1A的橫截面方向上與光軸1A大體成45°。
鏡面31是反射鏡，可把從紅色發(fā)光二極管21發(fā)出的光沿光軸1A反射到待測物體3上。
鏡面32，33分別是分光鏡，其性能或者反射波長比給定波長短的光束而使比給定波長長的光束能夠通過，或者是允許比給定波長短的光束通過而反射比給定波長長的光束。也就是說，鏡面32，33是分光鏡，其對應光的波長從反射到透射或從透射到反射的性能轉(zhuǎn)變次數(shù)在波長確定的情況下只有一次。
鏡面32被排列得使其可允許被鏡面31反射的紅光透過并且可以沿光軸1A朝待測物體3的方向反射從發(fā)綠光的二極管22發(fā)射出、波長比紅光短的綠光。
鏡面33的排列使其可反射透過32的紅光和被32反射的綠光，并且允許從發(fā)藍光的二極管23發(fā)射出的、波長比紅光和綠光的波長都短的藍光透過。
在把鏡面33反射出來的紅光和綠光與從鏡面33中透射的藍光混合在一起形成的照明光的照射方向的下游(亦即，與光軸1A正交的平面上遠離光軸1A方向的下游)排列著反射鏡4。反射鏡40被放在光源盒12和外殼11矩形之間，反射鏡40相對于光源盒12的位置可通過一個圖中未顯示的驅(qū)動裝置沿光軸1A移動，該驅(qū)動器件安裝在外殼11內(nèi)。
反射鏡40由金屬制的反射鏡體41構(gòu)成，其中正對著光軸1A的側(cè)面是拋光的鏡面，從而形成了反光的反射面42。相對于沿光軸1A的橫截面方向，沿遠離光軸1A的方向，在反射面42上形成凸曲率，以使照明光被反射到待測物體3上。再者，對應于和光軸1A大體正交的平面方向上，其半徑基本上是光軸1A到反射鏡40之間距離的兩倍凸曲率在遠離光軸1A的方向形成于反射面42上，以至沿著基本上平行于大體排列成矩形的發(fā)光二極管20的光發(fā)射方向并射離光軸1A的方向照射的照明光可被反射到光軸1A上。
下面，解釋本實施例的環(huán)形照明器10的操作方法。
首先，相對于預定的測試距離，根據(jù)待測物體3的尺寸、形狀和測量范圍調(diào)整物鏡1的位置，環(huán)形照明器10安裝在物鏡1上。
為了根據(jù)待測物體3的色度調(diào)節(jié)照明器的色度，作為光源排列的分別為紅、綠、藍的發(fā)光二極管21，22，23中選擇出適當顏色的發(fā)光二極管20，執(zhí)行這些發(fā)光二極管20的發(fā)光和消光。也就是說，當分別為紅、綠、藍的所有發(fā)光二極管21，22，23通電時，由鏡面組件30合成的照明光變成白光，而當只打開一個顏色的發(fā)光二極管時，只能得到這個顏色的照明光。再者，當從分別為紅、綠、藍的發(fā)光二極管21，22，23中選擇任意兩色發(fā)光二極管20一并打開時，獲得的照明光是所選的兩個顏色的組合。再者，通過部分打開或關(guān)閉被選的發(fā)光二極管21，22，23的任何一個或兩個，很可能合成得到中間色的照明光。
進一步，為了根據(jù)待測物體3的待測表面的形狀提供合適的照射角度，環(huán)形照明器10包括調(diào)節(jié)照射角度的透鏡裝置。例如，當要觀察表面不規(guī)則的待測物體不規(guī)則的邊緣時，調(diào)節(jié)裝置可把照射角設為大照射角度θ2。也就是說，反射鏡40以這樣的方式被安裝以便于反射鏡40可以相對于構(gòu)成發(fā)光本體的外殼11移動，并且光源盒12，如圖2中雙劃線標示，可沿著光軸1A朝遠離待測物體3的方向移動，同時，環(huán)形照明器10在物鏡1上的安裝位置靠近待測物體3。因為這樣的布置，被光源盒12中鏡面組件30混合并通過光源盒12中狹縫13的照明光在反射鏡40的反射表面42靠近待測物體3的位置被反射，亦即，在有曲率的反射表面42的位置處，和光軸1A所夾的傾角小。相應的，反射的照明光照射到被測物體上，和光軸1A成大夾角θ2。
由于這樣的結(jié)構(gòu)，根據(jù)本實施例可以獲得下列有益的效果。
(1)從單色紅，綠，藍的發(fā)光二極管21，22，23發(fā)射的光束通過鏡面組件30被組合成特定色度的照明光，鏡面組件被放置在發(fā)光二極管21，22，23前面，其中包括兩個分光鏡32，33，合成的照明光被照到待測物體3上，因此，可以使輻射的照明光的色度和待測物體3的表面顏色相對應。也就是說，從物鏡1中得到的待測物體3的圖像對比度被加強了，因此，可以有效地提高對待測物體3的邊緣和類似區(qū)域觀測的準確性。
(2)通過使用鏡面組件30構(gòu)成的組合裝置合成從單色紅，綠，藍的發(fā)光二極管21，22，23發(fā)射的光束，被鏡面組件30初步組合成特定色度的照明光照射到待測物體3上。相應的，和各單色光束被組合成待測物體3表面上的情況相比，照明光有均勻的一致性色度，沒有了不規(guī)則性，從而進一步改善了觀測的正確率。
(3)通過反射鏡40把照明光集中到待測物體3上，提高了照明效率，從而可以減少發(fā)光二極管20的安裝數(shù)量，由此使照明器小型化。
(4)和相關(guān)技術(shù)對比，可減少發(fā)光二極管20的安裝數(shù)量，因此減少不利影響，譬如來自發(fā)光二極管20的熱量會對圖像測量裝置件等的影響，同時，還可以減少電力消耗和電費。
(5)隨著發(fā)光二極管20作為光源的使用，可以提供具有快速響應和長壽命的光源，而快速響應和長壽命是發(fā)光二極管的特征。再者，有了分別為紅、綠、藍的發(fā)光二極管21，22，23，可以產(chǎn)生由三原色光構(gòu)成的白色照明光，同時，通過適當?shù)母淖兗t、黃、藍的合成比例，可以產(chǎn)生由不同色度的照明光束。因此，可以向待測物體3照射與表面顏色各不相同的待測物體3相應的適當色度的照明光。
(6)隨著構(gòu)成鏡面組件30作為組合裝置的分光鏡32，33的使用，可以混合一個特定色度的照明光。再者，通過以基本上呈矩形的平面、簡單形狀形成分光鏡32，33，可以廉價的方式形成鏡面組件30。更進一步，和使用曲面分光鏡相比，可以容易地計算反射光和透射光的焦距，因此，容易實現(xiàn)分光鏡32，33的排列和裝配，同時，精確的組合照明光也是可行的。
(7)鏡面32，33是分光鏡，在分光鏡中，對于給定波長的光，在從反射到透射或從透射到反射過程中，特征轉(zhuǎn)變的次數(shù)是僅與給定光的波長相對應的。因此，與那些在多個波長上對應于光波長從反射到透射或從透射到反射過程中特性轉(zhuǎn)變的次數(shù)是兩次或更多次的分光鏡相比，可以減小鏡面表面氣相沉積薄膜的層數(shù)，因此，薄膜形成的工藝變得容易了，同時，分光鏡的反射效率和透射效率可以得到提高。
(8)照明器的成形使得發(fā)光二極管20的光發(fā)射方向是基本上垂直于光軸1A并遠離光軸1A，鏡片組30和反射鏡40被排列到光發(fā)射方向的下游，在照明體的外部，與光軸1A平行方向的尺寸被縮減，因此，沿著光軸1A方向裝配位置的自由度得到提高，同時裝配照明體到物鏡1，這就是可操作距離和照明角度的設置可以精確實現(xiàn)的原因，而且被測物體3的圖象的探測精度能得到提高。
(9)反射鏡40被放在在比光源盒12更遠離光軸1A的位置，照明光被反射鏡40反射進光軸1A的方向，因此，照明光照射到被測物體3的照明角θ1增大了，這就是被測物體3的邊緣部分的影子具有立體的形狀的原因，并能被清楚的探測。因為聚焦照明光到給定的位置的曲率是由反射鏡40的反射面42規(guī)定的，所以通過聚焦的方法使得照明光照射到被測物體3的位置是可行的，因此照明效率得到了提高。
(9)反射鏡40被設于比光源盒12更遠離光軸1A的位置，照明光沿光軸1A的方向被反射鏡40反射，因此，照射到待測物體3上的照明光角度θ1增大了，由此具有立體的形狀的待測物體3的邊緣部分的陰影能被清楚的探測。因為聚焦照明光到給定位置的曲面是是設置于反射鏡40的反射面42上，所以通過集中的方式可使照明光照射到待測物體3的待測位置，由此照明效率得到了提高。
(10)相對于沿光軸1A的橫截面方向和垂直于光軸1A的平面方向這兩個方向，沿遠離光軸1A的方向，反射鏡40的反射面42上有一個凸曲率。因此，可以通過集中的方法使照明光照到待測物體，使得照明效率得以提高。
(11)通過允許反射鏡40沿著光軸1A相對于外殼11和光源盒12相對移動，使得照明光在具有曲面的反射鏡40的反射面42上反射時具有不同的傾角?？梢愿淖兎瓷浣?，而且照在被測物體3上的照明角可以進行調(diào)整。由此使照明光可以得到適當?shù)恼彰鹘嵌圈?，θ2，它們與被測物體3的尺寸、形狀和表面情況有關(guān)，從而使待測物體3邊緣等的觀測準確率更加提高成為可能。
第二實施例下面，對本發(fā)明的第二實施例進行說明。圖4是按照第二實施例環(huán)形照明器50的一個橫截面。環(huán)形照明器50的構(gòu)造與上述第一實施例的不同之處在于發(fā)光二極管20作為光源的排列方向，以及用透鏡54代替反射鏡40作為聚焦手段。其它構(gòu)造與第一實施例基本相同。
在圖4中，紅，綠、藍各發(fā)光二極管21，22，23在分別基本上垂直于光軸1A的平面上排列成環(huán)形，其中發(fā)光二極管21，22，23大體排列成矩形，光的顏色不同，則這些矩形與光軸1A間的距離不同，且相互間以一定的間隔分開。也就是說，從最靠近光軸1A的是發(fā)紅光的發(fā)光二極管21，次之是發(fā)綠光的二極管22，再者是發(fā)藍光的二極管23，依次排列。各發(fā)光二極管20發(fā)光方向排列得基本上平行于光軸，以使光發(fā)射定向照射到待測物體3上。
于發(fā)光二極管20的光發(fā)射方向的下游排列著類似于上述第一實施例鏡面組30的鏡面組30。因為這些鏡面組30，各來自于紅、綠、藍光發(fā)光二極管的光束可以在鏡面30上反射或通過鏡面組30遠離光軸1A，組合一定色度的照明光。組合的照明光基本平行于光軸1A照向被測物體3。
容納發(fā)光二極管20和鏡面組30的光源盒52于待測物體3面對的底壁上有狹縫53允許照明光通過。狹縫53形成于遠離物鏡1的一邊的底壁。
如圖4所示，光源盒52安裝于其上的外殼51形成一個向下敞開的環(huán)形，并帶有有一個垂直通過中心的透鏡通孔51A。
透鏡54作為聚焦手段被安裝在殼體51敞開的一邊。透鏡54是用透明玻璃制作的，并且被大體加工成圓環(huán)狀。這里，透鏡54中心基本對準光軸，厚度朝外圍逐漸減小，并且在中心有一個孔55。而且，透鏡54有使通過光源盒52上狹縫53的照明光發(fā)生偏轉(zhuǎn)的功能，和以對應于焦距的照明角θ3把照明光聚焦到待測物體3上的功能。
因為這樣的構(gòu)造，按照本實施例，除以前提到的有益效果(1)，(2)，(4)，(7)外，還可以獲得以下有益效果。
(12)組成照明器使得其發(fā)光二極管20的光發(fā)射方向被定向在基本上平行于光軸1A，鏡面組30和透鏡54被安裝在光發(fā)射方向的下游。關(guān)于照明器的尺寸，在光軸1A軸向的尺寸能夠做小，因此在物鏡1上安裝照明器不會防礙測量，因而會使測量快速進行。
(13)透鏡54是一種普通的光學器件，由于它的使用，使得制造成本低廉的環(huán)形照明器50成為可能。同時，由于透鏡54的高透射系數(shù)和準確率，可以使照明光的透射損失減小并且使照明光在在照明范圍內(nèi)準確聚焦，因而使照明效率進一步提高。
(14)物鏡1能通過透鏡54中部的孔55穿透環(huán)形照明器50。同時，使得反射光從被測物體3不受干擾連續(xù)到達物鏡1，使得被測物體3能被準確測量。
第三實施例下面對本發(fā)明第三實施例進行說明。圖5是第三實施例環(huán)形照明器60的一個橫截面圖。照明器60的組成不同于上述第一實施例照明器之處在于作為光源的發(fā)光二極管20的排列方向和作為聚焦手段的反射鏡40的構(gòu)成。其它組成與第一實施例基本上相同。
如圖5所示，光源盒62安裝于其上的外殼61形成一個向下敞開的環(huán)形，并帶有有一個垂直通過中心的透鏡通孔61A。
容納發(fā)光二極管20和鏡面組30的光源盒62于待測物體3面對的底壁上有狹縫63允許照明光通過。狹縫63形成于靠近物鏡1的一邊的底壁。
在圖5中，紅、綠、藍各發(fā)光二極管21，22，23在分別基本上垂直于光軸1A的平面上排列成環(huán)形，其中發(fā)光二極管21，22，23大體排列成環(huán)形，光的顏色不同，則這些環(huán)形與光軸1A間的距離不同，且相互間以一定的間隔分開。也就是說，從最靠近光軸1A的是發(fā)蘭光的發(fā)光二極管23，次之是發(fā)綠光的二極管22，再者是發(fā)紅光的二極管23，依次排列。各發(fā)光二極管20發(fā)光方向排列得基本上平行于光軸，以使光發(fā)射朝向待測物體3。
于發(fā)光二極管20的光發(fā)射方向的下游排列著類似于上述第一實施例鏡面組30的鏡面組30。因為這些鏡面組30，各來自于紅、綠、藍光發(fā)光二極管的光束可以在鏡面30上反射或通過鏡面組30遠離光軸1A，組合一定色度的照明光。組合的照明光以基本平行于光軸1A的方向通過光源盒62上的狹縫63。
在盒61內(nèi)，作為聚焦手段的反射鏡40被安裝在光源盒62面對著待測物體3的一側(cè)。
反射鏡40是由第一反射鏡64和第二反射鏡66組成的兩種類型反射鏡構(gòu)成的。第一反射鏡64包括處在平面的第一反射面65，該第一反射面65是平面狀并且使通過了狹縫63的照明光沿遠離光軸1A的方向反射。而且，第一反射鏡64是整體固定在光源盒62上。
第二反射鏡66包括第二反射面67，反射面67是彎曲形狀的，帶有在遠離光軸1A的方向上對應于沿光軸1A方向的橫截面方向和大體垂直于光軸1A的平面方向這兩個方向的凸曲率，因此被第一反射面65反射的照明光在朝著待測物體3、照明角為θ4的方向上被反射和聚焦。而且，第二反射鏡66相對于第一反射鏡64的位置是可以沿光軸1A在(圖中未示出)安裝在殼體61里面的一個驅(qū)動設備驅(qū)使下而移動。
為了相應于環(huán)形照明器60中的待測物體3把照明角θ4調(diào)整到大的照明角θ5，安裝時相對于第一反射鏡64可以進行移動的第二反射鏡66被沿著光軸1A移向光源盒62的一側(cè)，見圖5中雙虛線所示，同時，環(huán)形照明器60于物鏡1上的安裝位置是在靠近待測物體3的位置。因為這樣的結(jié)構(gòu)，反射在第一反射面65上的照明光被反射在靠近待測物體3位置處的第二個反射鏡66的反射面67，亦即，帶有曲面的第二反射面67，其位置對光軸1A的傾角很小。因此，被反射的照明光以和光軸1A成θ5的大照明夾角的形式照射到待測物體3上。
這樣一來，本實施例除了上述(1)到(7)提到的有益效果外，還可以獲得以下有益效果。
(15)通過形成照明器，使其發(fā)光二極管20的光發(fā)射方向基本上平行于光軸1A，且鏡子組件30、第一反射鏡64以及第二反射鏡66被排列在光發(fā)射方向的下游，關(guān)于照明器的尺寸，光軸1A周圍軸向尺寸可以做小，因此，在把照明器安裝到物鏡1上進行測量時，照明器不會阻礙測量從而測量的操作可以快速完成。
(16)對應于兩個方向，即一個是沿光軸1A的截面方向，一個是和光軸1A基本上正交的平面方向，在遠離光軸1A的方向上，第二反射鏡66的反射面設有凸曲率，因此，能夠以集中的方式輻射照明光到待測物體3的測量位置上去，由此照明效率可被進一步提高。
(17)使第二反射鏡66實現(xiàn)在沿光軸1A的方向?qū)Φ谝环瓷溏R64的相對移動，則照明光反射在第二反射鏡66有曲面的第二反射面67的位置傾角會有不同，以至反射角發(fā)生改變，由此，對待測物體3的照明角度可以進行調(diào)節(jié)。因此，得到了適應待測物體3的尺寸，形狀和表面狀況的合適的照明角度θ4，θ5的照明光，從而對待測物體3的邊緣等類似地方的探測精度可以進一步提高。
本發(fā)明并不局限于上述各實施例，在實現(xiàn)本發(fā)明的范圍內(nèi)作出的改進和完善仍被包括在本發(fā)明中。
例如，盡管所做說明是對上述各個實施例用于圖象測試儀的環(huán)形照明器進行的，但環(huán)形照明器還可以用于測量顯微鏡、工具顯微鏡、投影儀、三維圖象測量裝置和其他裝置。
再者，盡管在上述各實施例中環(huán)形照明器被安裝在物鏡1上，但本發(fā)明并不局限在這樣的安裝方式。也就是說，環(huán)形照明器可以被安裝在測量裝置的本體或測量基架或其它位置。再者，除了測量器件外，提供了支撐環(huán)形照明器的部件，環(huán)形照明器可以被安裝在它上面。此外，安裝方法也不局限于使用三個支撐螺釘?shù)陌惭b方法，螺釘可以朝向物鏡1移動或移離物鏡1，可對環(huán)形照明器與待測物體間整操作距離進行適當調(diào)整的任何方法都是適用的。此外，安裝方法可以采用可沿著光學系統(tǒng)的光軸移動的裝置。
再者，上述各實施例中發(fā)光二極管20被排列成基本呈長方形的平面中。然而，本發(fā)明并不局限在這樣的排列，發(fā)光二極管20可以排列在基本成環(huán)形的平面中、或基本上成三角形的平面中、基本上成五角形平面中或多邊形平面中。
再者，紅、綠、藍各色發(fā)光二極管21，22，23的排列并不局限于上述各實施例中的順序，可以采用不同的排列。這種情況下，可以采用其反射和透射性能與各色紅，綠，藍發(fā)光二極管21，22，23的排列相對應的分色鏡。此外，還可以使用在多個波長上反射性能或透射性能的轉(zhuǎn)變數(shù)是兩次或更多次的分色鏡。
再者，除了各色紅、綠、藍發(fā)光二極管21，22，23外，發(fā)白光的二極管也可以使用。因為這樣的構(gòu)造，可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)照明光的色度而不降低其亮度。
再者，盡管在上述實施例中外殼和光源盒是由加工金屬薄片材料制成，材料并不局限于金屬薄片材料，可以由合成樹脂制成。此外，反射鏡由金屬制成，在其反射表面用鏡面拋光。然而，反射鏡并不局限于這樣的結(jié)構(gòu)。也就是說，反射鏡可以用玻璃或合成樹脂制成，或僅僅是反射平面用玻璃或金屬制成，或?qū)Ψ瓷涿孢M行金屬鍍層之類的處理。
權(quán)利要求
1.一種環(huán)狀照明器，其特征在于，它包括光源，由環(huán)繞光學系統(tǒng)光軸排列的復數(shù)個發(fā)光元件形成，該發(fā)光元件至少由兩種類型的相互之間發(fā)光顏色不相同的發(fā)光元件以及形成光源的發(fā)光元件以外的元件組成，每組相同類型的光源在基本上垂直于光軸的同一平面上環(huán)繞光軸排列成環(huán)狀；合并裝置，該裝置將發(fā)光元件輻射出的相互之間發(fā)光顏色不相同的光束合并并產(chǎn)生具有一定色度的照明光，該合并裝置設置于發(fā)光元件發(fā)光方向的下游；以及聚焦裝置，該裝置將照明光聚焦在沿光軸方向的特定位置上，設置于所產(chǎn)生的照明光照射方向的下游。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)狀照明器，其特征在于，具有不相同發(fā)光顏色且排列成環(huán)狀的發(fā)光元件組件按照沿光軸方向相互之間有特定間距的方式排列，該發(fā)光元件組件的發(fā)光方向排列為從光軸為向外。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)狀照明器，其特征在于，具有不相同發(fā)光顏色且排列成環(huán)狀的發(fā)光元件組件沿圓周排列，這些圓周離光軸的距離各不相同，基本上處于垂直于各軸的同一平面，發(fā)光方向排列為與光軸基本平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)狀照明器，其特征在于，復數(shù)個發(fā)光元件包括三種類型的發(fā)光二極管，分別發(fā)射紅(R)、綠(G)、蘭(B)光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)狀照明器，其特征在于合并裝置的配置包括平面形狀的分光鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的環(huán)狀照明器，其特征在于分光鏡的特性是，或者反射波長比特定波長短的光而允許比該特定波長長的光透射，或者允許波長比特定波長短的光透射而反射比該特定波長長的光。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)狀照明器，其特征在于設定合并裝置所產(chǎn)生的照明光的照射方向為在一個平面上、基本上垂直于光軸、離開光軸向外，所述聚焦裝置的配置包括反射鏡將照明光聚焦在光軸方向，該反射鏡包括分別有相對于平行和垂直于光軸的兩個橫截面方向的特定曲率的反射面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)狀照明器，其特征在于設定合并裝置所產(chǎn)生的照明光的照射方向為基本上平行于光軸，聚焦裝置的配置包括第一反射鏡將照明光離開光軸的方向上反射，和第二反射鏡將反射到反射鏡上的照明光聚焦設定的光軸方向，以及至少第一反射鏡和第二反射鏡當中的一個包括分別有相對于平行和垂直于光軸的兩個橫截面方向的特定曲率的反射面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)狀照明器，其特征在于，光源和合并裝置固定到照明器本體上，聚焦裝置安裝得使之在基本上平行于光軸的方向上相對于照明器本體可以移動，以及環(huán)狀照明器具有調(diào)節(jié)裝置可以通過執(zhí)行照明器本體和聚焦裝置的相對移動來調(diào)節(jié)照明光的聚焦位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)狀照明器，其特征在于設定合并裝置所產(chǎn)生的照明光的照射方向為基本上平行于光軸，聚焦裝置的配置包括基本上呈圓環(huán)形、其中心位置有一個孔的透鏡。
全文摘要
在光學系統(tǒng)的光軸周圍、多個相互之間發(fā)射光顏色不同的發(fā)光元件中，相同顏色的發(fā)光元件的組件在一個或多個基本上垂直于光軸的平面內(nèi)排列成環(huán)狀。用于將不同發(fā)光顏色的輻射光束合并起來生成具有特定色度的照明光的合并單元設置在發(fā)光方向的下游。再者，將照明光聚焦在朝向光軸的方向上的聚焦單元設置于合并單元之前。由于如此結(jié)構(gòu)，能夠向待測物體輻射出對應于待測物體表面顏色有一致的、非異常色度的照明光。
文檔編號F21V7/00GK1458543SQ0313118
公開日2003年11月26日 申請日期2003年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月17日
發(fā)明者下川清治, 長濱龍也, 小畑邦明, 松原弘宗 申請人:株式會社三豐