用于照明的传递的可变聚光器的制作方法

专利名称：用于照明的传递的可变聚光器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及照明系统并且更具体地涉及用于照明的传递的可变聚光器。更 具体地，所述聚光器可以包括递归嵌套的圆到线(circle-to-line)光纤形状转换线缆以 及可聚焦的输入透镜系统。
背景技术：
照明系统常常包括提供具有圆对称的光束的源，诸如具有抛物线形或椭圆形反射 器的卤素、金属卤化物或氙灯，或者气体或固态激光器。这样的照明系统也常常向目标传递 照明，其中该目标受益于所述传递的具有线(等同地被称为狭缝)的形状或者具有线的光 学变换(诸如通过透镜或反射镜)所提供的形状的照明。因此，所述照明从所述输入的圆 形形状到所述输出的线形形状的形状转换对于实现这样的照明系统是必需的。尽管照明形状转换可以通过在自由空间中转换所述形状的分立的光学元件的布 置来实现，常常期望的是将形状转换光纤线缆用于所述照明的传递，诸如在其中所述目标 在相对远处或者从所述源不便于接近的情况下。例如，Strack的美国专利No. 3，933，556描 述了用于转换光学图像的形状的光纤图像传输设备，包括类线和类环的构造。在一些情况 下，使用具有单个输入和多个输出的形状转换光纤线缆是有利的。圆到线光纤线缆(等同 地被称为线到圆光纤线缆)，例如分别具有单输出和双输出的Dolan-Jermer QF和QDF型线 缆对于这样的照明系统是商业上可获得的解决方案。在一些情况下，形状转换光纤线缆内的各个光纤实质上是在空间上不可区分 的，诸如由于所述线缆内的随机化或者由于入射在所述输入上的源光的同质性。例如， Siegmund的美国专利No. 4，190，347描述了用于行扫描文件复印机的行照明器，其包括具 有沿行并置的光输出端以及紧密捆束在一起的相对的光接收端的光纤的扇形阵列。在其中 各个光纤实质上在空间上不可区分的情况下，所述传递的照明图案本质上是固定的并且仅 可以通过所述线缆输出或所述线缆输出和所述照明目标之间的中间光学元件(诸如透镜 和/或反射镜)的外加的机械调整而改变。在本领域中各种构造是已知的，其中形状变换光纤线缆内的各个光纤以有序的形 式被并置以便它们在空间上是可区分的。例如，Kruythoff等人的美国专利No. 3，191，487 描述了用于光学图像传输的系统，其中从其图像将被传输的对象的每个点获得彩色的光 束，所述彩色光束的光谱组成代表所述图像中的图像点的位置，并且其中所述彩色的光束 被合并并且被传输到图像空间，在该图像空间中它们被分离以便形成所述图像。同样地， Kurtz的美国专利No. 5，671，084描述了光纤圆到线转换器，其中将以结构化的方式随机排 列或者重新组织所述光纤，以便在所述输出端存在具有比所述输入光更加均勻的轮廓的光 的线。在其中所述各个光纤在空间上是可区分的情况下，所述传递的照明图案本质上是不 固定的，而是可以通过改变入射在所述光纤线缆的所述输入上的照明图案的空间和/或角 度容量而是可变的。期望的可能是照明系统提供所述传递的光到更小的目标区域中的可调节的集中。例如，在具有可变放大率的明视场或荧光成像(或视频)系统中，期望的可能是集中或凝聚 所述照明光以对应于更大的放大率，即更小的视场，以便减小捕获足够亮度的图像(或视 频)所必需的曝光时间(或提高帧速率)。可替代地，在其中所述目标大小是可变的明视场 或荧光成像(或视频)系统中，常常期望的是集中或凝聚所述照明光以对应于更小的目标 大小以便减小捕获足够亮度的图像(或视频)所必需的曝光时间(或提高帧速率)。分立 光学元件的布置(诸如可变的射束收缩器)在本领域中是已知的，用于提供照明的可变的 集中。然而，在其中所述目标在相对远处或相对于照明源不便于接近使得光纤线缆被期望 用于向所述目标传递照明的情况下，所述传递的光到更小的目标区域中的可调节的集中或 凝聚需要照明传递路径相对于所述目标的调节。例如，光纤线缆的输出可以可调节地被布 置在更接近所述目标处；然而，在相对远的或不便于接近的位置处的光纤线缆的输出的机 械调整由于复杂度、空间约束和成本而常常是不期望的。要解决的问题申请人:已认识到对于适用于向在相对远处的或相对于照明源不便于接近的目标 传递可调节地集中或凝聚的照明的可变聚光器的需要。期望地，所述传递的照明的射束的 形状从圆被转换为线并且用于改变或调节所述照明的集中或凝聚的装置是简单的并且被 应用于所述传递系统的输入。申请人还已认识到在一些情况下，期望的将是所述传递的照 明包括多个线。

发明内容
本发明的一个实施例涉及用于传递来自照明源的照明的可变聚光器设备。所述设 备包括圆到线光纤形状转换线缆，该线缆具有用于接收照明的线缆输入以及用于传递照明 的线缆输出；以及用于调节所述线缆输入上的照明的焦距的装置。所述线缆可以包括递归 嵌套的光纤。在所述线缆输入处，单个光纤的集合可以被递归嵌套在围绕输入的共同中心 的相继更小的环中。在该布置中，在所述线缆输出处，所述单个光纤的集合可以被递归嵌套 在围绕输出的共同中心的至少一条线中。在所述线缆输入处，所述环可以定义所述光纤的 输入嵌套级；在所述线缆输出处，所述单个光纤的集合可以被布置为在围绕所述输出的共 同中心的输出嵌套级处形成线段对；并且所述输出嵌套级优选地与所述输入嵌套级对应。 所述对应可以是精确的或者是大致的。所述单个光纤可以被随机排列在每个集合内。所述线缆可以具有多个线缆输出。在这样的情况下，在所述线缆输入处，单个光纤 的集合可以被递归嵌套在围绕输入的共同中心相继更小的环中并且所述环可以定义所述 光纤的输入嵌套级。在所述多个线缆输出的每一个处，所述单个光纤的集合可以被递归嵌 套在围绕输出的共同中心的至少一条线中并且可以被布置为在围绕所述输出的共同中心 的输出嵌套级处形成线段对。所述输出嵌套级与所述输入嵌套级对应。在所述线缆输入处，单个光纤的集合可以被递归嵌套在围绕输入的共同中心的相 继更小的环中并且所述环定义所述光纤的输入嵌套级；并且所述用于调节的装置可以包括 透镜系统，该透镜系统改变入射在所述线缆输入上的照明点的半径，由此改变传递照明的 输入嵌套级的数量。所述照明点的半径可以对应于从所述线缆输出传递的照明的目标的大 小或者对应于使由从所述线缆输出传递的照明照射的目标成像的变焦透镜的放大系数。本发明的另一实施例涉及狭缝灯设备，该狭缝灯设备包括照明源；用于传递来自所述源的照明的可变聚光器设备，所述聚光器设备包括圆到线光纤形状转换线缆，该线缆 具有用于接收照明的线缆输入以及用于传递照明的线缆输出；以及用于调节所述线缆输入 上的照明的焦距的装置；以及用于接收来自所述线缆输出的照明的圆柱形透镜。所述聚光 器设备可以包括先前所描述的特征。本发明的另外的实施例涉及成像系统，该成像系统包括照明源；用于传递来自所 述源的照明的可变聚光器设备，所述聚光器设备包括圆到线光纤形状转换线缆，所述线缆 具有用于接收照明的线缆输入以及用于传递照明的线缆输出；以及用于调节所述线缆输 入上的照明的焦距的装置；用于支撑将被从所述线缆输出传递的照明照射的目标的台板 (platen)，以及用于使被照射的目标成像的装置。所述聚光器设备可以包括先前所描述的 特征。至少一个反射镜可以被包括以按期望的方式将所述传递的照明分配给所述台板。所 述至少一个反射镜可以是曲面的并且优选地具有凸复曲面曲率。所述用于成像的装置可以 包括变焦透镜。在该情况下，在所述线缆输入处，单个光纤的集合可以被递归嵌套在围绕输 入的共同中心的相继更小的环中并且所述环定义所述光纤的输入嵌套级；所述用于调节的 装置可以包括透镜系统，该透镜系统改变入射在所述线缆输入上的照射点的半径，由此改 变传递照明的输入嵌套级的数量；并且所述照明点的半径可以对应于所述变焦透镜的放大 系数。所述照明点的半径可以对应于在所述台板上被支撑的目标的大小。


本发明的前述和其他目的、特征和优点根据下面对本发明的实施例(如在附图中 所示的)的更具体的描述将是显而易见的。附图中的元件不必需相对彼此按比例被绘制。图IA示出根据本发明的可变聚光器的全貌图。图IB和IC分别示出根据本发明 的递归嵌套的圆到线光纤形状转换线缆的线缆输入和单线线缆输出的详细的立体图。图2A-2Q示出根据本发明的包括具有可调节焦距的输入透镜和图1A-1B的光纤线 缆的可变聚光器的线缆输入和线缆输出的详细视图。图3示出根据本发明的描绘了传递照明的光纤线缆线输出的百分率(fraction) 与具有入射照明的光纤线缆圆输入半径的百分率之间的关系的图表。图4A-4F示出本发明的实施例的一系列详细视图，其中图2A-2Q的可变聚光器结 合圆柱形透镜而被用于产生狭缝灯。图5A示出根据本发明的具有双线输出的递归嵌套的圆到线光纤形状转换线缆的 全貌图。图5B-5D示出根据本发明的图5A的线缆输入和线缆输出的放大的、详细的立体图。图6A和6B分别示出本发明的实施例的立体图和详细视图，其中包括具有可调节 的焦距的输入透镜和图5A-5D的光纤线缆的可变聚光器结合凸复曲面反射镜而被用在宏 观多模态成像系统(macroscopicmulti-modalimaging system)中。图7示出图6A和B所示的实施例的图解视图。图8A、8F和8K示出基于像图6A-6B和图7所示的那样的实施例的光射线跟踪仿 真的立体图。图8B-8E、8G-8J和8L-8P示出图8A、8F和8K的一部分的详细视图。图9示出概括图8A-8P中示出的所述光射线跟踪仿真的图表。图10AU0F和IOK示出基于像图6A-6B和图7所示的那样的另一实施例的光射线 跟踪仿真的立体图。图10B-10E、10G-10J和10L-10P示出图10AU0F和IOK的一部分的详细视图。图11示出概括图10A-10P中示出的光射线跟踪仿真的图表。图12示出描绘了对于在图8A-8P和10A-10P中建模的实施例，入射在所述光纤线 缆圆输入上的照明点的半径与输入透镜和光纤线缆圆输入之间的距离之间的关系的图表。图13示出描绘了对于在图8A-8P和10A-10P中建模的实施例，在其中所述传递的 照明强度至少是所述传递的照明强度的峰值的25%的目标区域的百分率与入射在所述光 纤线缆的圆输入上的照明点的半径之间的关系的图表。
具体实施例方式现在将具体参考本发明的某些优选的实施例来详细地描述本发明，但是将理解的 是可以在本发明的精神和范围内实现变化和修改。本发明包括用于照明传递的可变聚光器，其由递归嵌套的圆到线光纤形状转换线 缆和输入透镜系统组成。图1A-1C示出了根据本发明的具有单线线缆输出120的递归嵌套的圆到线光纤 形状转换线缆100的全貌图和详细的立体图。在线缆100的线缆输入110处，单个光纤8、 7、6、5、4、3、2和1的集合如图IB所示被布置在围绕共同中心递归嵌套的相继更小的环中。 如在本说明书中所用的那样，“递归嵌套”意思是被布置使得元件的集合具有共同的几何中 心，其中所述集合以增量变化的尺度具有特定几何结构。因此，在图IB中，第一嵌套级由包 括中心光纤1的集合建立；第二嵌套级由包括光纤2的集合建立；第三嵌套级由包括光纤3 的集合建立；第四嵌套级由包括光纤4的集合建立，所述光纤4到光纤1与到光纤3有不同 的距离；第五嵌套级由包括光纤5的集合建立；第六嵌套级由包括光纤6的集合建立，所述 光线6到光纤1与到光纤5有不同的距离；第七嵌套级由包括光纤7的集合建立；第八嵌套 级由包括光纤8的集合建立，所述光纤8到光纤1与到光纤7有不同的距离；等等。在线缆 输出120处，单个光纤8、7、6、5、4、3、2和1的集合如图IC所示的那样被布置为围绕光纤1 处的线中点递归嵌套的线段对。如所示出的那样，图IC中的线段对的嵌套级与图IB中的 环的嵌套级对应，如在图1B-1C中通过将输入110处的光纤的数字标号与输出120处的数 字标号相匹配而被理解的那样。因此，在图IC中，第一嵌套级再次由光纤1建立；第二嵌套 级由被布置在光纤1的每一侧上的光纤2建立；等等。本领域的技术人员将理解递归嵌套 的光纤的两条或更多条平行的线可以被使用而不背离本发明的范围。嵌套级的对应可以是 精确的或是大致的。所述单个光纤可以被随机排列在每个集合或嵌套级内。应当理解的是 纯粹为了简化图示的目的而在图1B-1C中示出相对小数量的嵌套级和填充每个嵌套级的 相对小数量的单个光纤；并且应当理解的是一般地任何数量的嵌套级和填充每个嵌套级的 任何数量的单个光纤可以被使用，仅受所述线缆的可制造性的限制。因此，附图可能更好地 被解释为示意光纤的组的布置而不是示意单个光纤的布置。图2A-2Q示出如在包括具有可调节焦距的输入透镜和线缆100的可变聚光器10 中实现的线缆输入Iio和线缆输出120的详细视图。在这个实施例中，所述焦距(即所述 输入透镜和线缆输入110之间的距离)可以沿箭头135所指示的方向被调节以产生分别在 图 2A、2C、2D、2E、2G、2I、2K、2M 和 2P 中的 130A、130B、130C、130D、130E、130F、130G 和 130H 所标记的构造，以便通过将照明的射束分别聚焦到光路142A、142B、142C、142D、142E、142F、142G和142H而将来自入射在线缆输入110上的照明140的射束的照明点的半径分别调节 到半径145A、145B、145C、145D、145E、145F、145G和145H。这些构造因此能够以小于或等于 分别由光纤(或等同地为光纤组)8、7、6、5、4、3、2和1填充的那些嵌套级的变化数量的嵌 套级向所述各个光纤提供照明输入。因此，照明光分别以图案150A、150B、150C、150D、150E、 150F、150G和150H从线缆输出120被传递，以便分别获得相对的图案长度155A、155B、 155C、155D、155E、155F、155G和155H。因而，通过使用所述示出的可变聚光器10将所述照 明可调节地集中在所述输出处。图3示出根据本发明的描绘了传递照明的光纤线缆线输出的百分率1与具有入射 照明的光纤线缆圆输入半径的百分率r之间的关系的图表。在单个光纤相对所述线缆是小 的限定内描述该关系；该关系在该限定内是近似的。所述关系为1等于r2，这可以通过理解 填充相继更小的嵌套级的单个光纤的总体大小与输入处的入射光的面积成比例地在数量 上变得更小而在物理上被解释。图4A-4F示出本发明的实施例的一系列详细视图，其中图2的可变聚光器10结合 圆柱形透镜160而被用于产生狭缝灯，该狭缝灯提供照明的狭缝170A、170D和170H，对应于 输入透镜构造130A、130D和130H。所述可变聚光器10可以为本领域中已知的狭缝灯提供 期望的改进，诸如被用于机器视觉和眼科学应用，特别是在其中提供相似功能性的分立光 学元件将是麻烦的或是不期望的情况中，例如用于对居家病人或者在乡下或不发达的病人 群中的眼科学诊断的便携式狭缝灯。图5A-5D示出根据本发明的具有双单线线缆输出125A、125B的递归嵌套的圆到 线光纤形状转换线缆105的全貌图和详细的立体图。在所述光纤线缆的输入112处，单个 光纤8、7、6、5、4、3、2和1的集合包括围绕共同中心递归嵌套的相继更小的环。在分叉114 处，所述光纤大体上相等地被划分以形成具有相应的双单线线缆输出125A、125B的双输出 线缆112A、112B。所述单个光纤的集合在这两个输出之间被分配以便它们包括两个线段对。 每个线段对围绕所述两个线中点中的每一个而被递归嵌套。如所示出的那样，图5C-5D中 的两个线段对的嵌套级与图5B中的环的嵌套级对应，如可以在图5C-5D中通过将输入112 处的数字标号与输出125A、125B处的数字标号相匹配而被理解的。该对应可以是精确的或 者是大致的。所述单个光纤可以被随机排列在每个集合或嵌套级内。一般而言，所述光纤 线缆的输出可以被分成多个线，由此所述单个光纤的集合被分配给所述多个线使得所述单 个光纤的集合包括围绕所述多个线中点而被递归嵌套的多个线段对，由此所述多个线段对 的嵌套级对应于所述环的嵌套级。图6A和6B分别示出本发明的实施例的完整的立体图和不完整的、放大的立体图， 其中宏观的多模态成像系统200包括装入照明源212的照明源模块210。可变聚光器251 包括具有可调节焦距的输入透镜220A、220B以及图5A-5D中示出的类型的光纤线缆252。 线缆252包括双单线线缆输出254A和254B，所述双单线线缆输出254A和254B结合凸复曲 面反射镜256A和256B而被使用。所述反射镜的复曲面形的表面是由围绕圆的平面中的轴 而被旋转的圆所生成的表面的区域，其中所述轴不与所述圆相交。所述凸复曲面反射镜被 采用以在二维视场上以期望的方式分配来自输出254A、2MB的照明，虽然使用可替代的几 何形状的反射镜可以被使用。成像系统200与商业可获得的Kodak h-Vivo成像系统FX Pro相似并且包括采样室230和图像捕获模块250。照明源212包括灯(未在图6A-6B中示出)，以及包括多个照明滤光器的照明滤光轮216。照明235的目标，例如单个不动的小 动物、多个不动的小动物、电泳凝胶、多个电泳凝胶或者诸如手或脚的不动的人的附肢，被 插入采样室230，在该采样室230中其被搁在透明的台板258上。图像捕获模块230还包括 折镜(foldmirrorUeO以将成像路径导向屈光镜沈2，并且再往前到成像滤光轮沈4的平 面，该成像滤光轮包括多个成像路径滤光器、变焦透镜266并且最后包括照相机沈8。如所 示意的那样，输入透镜220A、220B位于照明源模块210中；而光纤线缆252位于图像捕获模 块250中。这种布置提供输入透镜220A、220B与源212以及来自线缆输出254A、254B的照 明与目标235的健壮的光机械对准，因此仅使所述照明源模块和所述图像捕获模块之间的 一个附加的光机械对准成为必要。图7示出图6A和6B中示出的实施例的图解视图。用于改变或调节线缆输入258 上的输入透镜220A、220B的焦距的装置被提供，以便允许改变被照射的光纤1_8的数量。灯 214，诸如具有抛物线形反射器的氙灯，位于照明源212中并且通过照明滤光器217 (诸如适 用于荧光激发的干涉滤光器)向可变聚光器251的输入透镜220A、220B发射光束215。输 入透镜220A、220B被安装在透镜支座279中，该透镜支座279适用于通过导螺杆278在马 达276使该导螺杆机械旋转时在箭头222所指示的方向上被平移。所述透镜的平移允许在 光纤线缆252的线缆输入253处的输入光224A、2MB、224C、2MD、224E、224F的焦距的改变 或调整。本领域的技术人员从这个图中将理解这样的光学元件的其他布置可以包括用于 改变或调节线缆输入253上的焦距的装置。例如，灯214的产生照明的大体上准直的射束 215的抛物线形反射器与输入透镜220A、220B的结合可以被具有椭圆形反射器的灯替代， 该椭圆形反射器产生照明的聚焦的射束，在这种情况下灯214将相对于线缆输入253被平 移。此外，在所有实施例中，线缆输入253自身可以等价地是可平移的，或者灯、输入透镜和 光纤线缆的输入的任何组合可以是可平移的。进一步参考图7，光纤线缆252将照明引导到双线缆输出254A和254B，所述双线 缆输出254A和254B将所传递的照明的线255瞄准凸复曲面反射器256A、256B，这两个反射 器又以期望的方式将所述照明引向目标235被置于其上的台板258。所述目标返回成像光
，折镜260将该成像光引向屈光镜沈2，通过成像滤光器263到变焦透镜沈6，并且最后 到照相机268。如箭头267所指示的，通过经由传送带272与滑轮270在马达274使所述滑 轮机械旋转时的机械耦合，所述变焦透镜是可调节的。通信和计算机控制系统280与所述 照相机沈8以及马达274和276通信并且控制它们，并且分别经由线缆^0A、B、C和D将图 像数据提供给显示设备观2。图像^4A、284BJ84C、284DJ84E或被显示在显示设备 282上。输入透镜220A、220B的焦距的调节可以包括对应于照明的目标235的大小的调节， 或者可以对应于使所述照明的目标成像的变焦透镜266的放大系数而被调节，或者包括两 者ο图8A-8P示出基于像图6A、6B和图7所示的那样的实施例的光射线跟踪仿真的立 体图和详细视图。如图8A、8F和8K所示，25mm直径的光束215被可变聚光器251的输入透 镜220A聚焦到朝向线缆252的线缆输入253的相应的光路径，即图8B的224A、图8G的224B 或图8L的224C。通过示例被示出为焦距相对长的透镜的透镜220A可以是具有101. 6mm焦 距、38. Imm直径的对称凸透镜，并且可以由BK7型玻璃制成。这样的透镜是商业可获得的， 例如JML OpticalIndustries的部件编号CBX10696的透镜。透镜220A可以可替代地是任何合适的透镜或透镜的组合，例如消色差双合透镜可以被用在其中期望的是使色像差最小以 对于照明的不同波长保持大体上相同的照明图案的情况中。示例透镜220A的中间平面与 线缆输入253之间的被调节的距离通过示例而被示出为在图8B、8G和8L中分别是62. 0mm、 76. 3mm和88. 6mm。由于这些距离小于透镜220A的焦距，增加该距离导致具有入射照明的光 纤线缆圆输入半径的百分率r被减小。可替代地，所述距离可以大于所述透镜的焦距使得 增加所述距离导致具有入射照明的光纤线缆圆输入半径的百分率r被增加。在光纤线缆输 入处的分别对应于距离62. 0mm、76. 3mm和88. 6mm的照明点226A、226B和226C的光学仿真 分别被包括在图8C、8H和8M中，其中可以观察到r的减小。线缆252将所述照明引向双线 缆输出254A和2MB，这些输出将所传递的照明的线255瞄准凸复曲面反射器256A、256B， 这些反射器又以期望的方式将所述照明引向台板258。被传递到所述台板258的对应于距 离62. Omm,76. 3mm和88. 6mm的照明的光学仿真分别被包括在图8A、8F和8K中，其中可以 观察到所述照明图案由于传递所述照明的光纤线缆线输出的百分率1的减小的集中。由变 焦透镜提供的视场^3A、28;3B*^3C (举例来说分别为200mm χ 200mmU00mm χ IOOmm和 50mm χ 50mm)分别在图8D、8I和8N中被示出为重叠在被传递到台板258的照明的光学仿 真上。视场^3A、28!3B和的图像和也分别被示出在图8E、8J和8P 中，为了直接比较的目的而假定了统一的填充空间的目标。图9示出了概括图8A-8P中示出的光射线跟踪仿真的图表，包括从附加的光射线 跟踪仿真获得的数据。该图显示出每个视场(FOV)内相对于在最大半径处平均传递的照明 强度的平均传递的照明强度一般地随入射在所述光纤线缆圆输入上的照明点的半径的减 小而增加，并且一般地随减小视场而更快地增加，因此就可调节地将所述照明集中到更小 的视场中而言指示出所述可变聚光器的益处。图10A-10P示出基于像图6A、6B和图7所示的那样的实施例的光射线跟踪仿真的 其他的立体图和详细视图。如图10AU0F和IOK所示，25mm直径的光束215通过可变聚光 器251的输入透镜220B被聚焦到朝向光纤线缆252的线缆输入253的相应的光路径，即 图IOB的224D、图IOG的224E和图IOL的224F。通过示例被示出为焦距相对短的透镜的 透镜220B可以是具有38. Imm焦距、38. Imm直径的对称凸透镜，并且可以由BK7型玻璃制 成。这样的透镜是商业可获得的，例如Melles Griot的部件编号OlLDX 079的透镜。透镜 220B可以可替代地是任何合适的透镜或透镜的组合，例如消色差双合透镜可以被用在其中 期望的是使色像差最小以对于照明的不同波长保持大体上相同的照明图案的情况中。示例 透镜220B的中间平面与线缆输入253之间的被调节的距离通过示例被示出为在图10BU0G 和IOL中分别是21. 4mm,26. Imm和30. 7mm。由于这些距离小于透镜220B的焦距，增加所述 距离导致具有入射照明的光纤线缆圆输入半径的百分率r被减小。可替代地，所述距离可 以大于所述透镜的焦距使得增加所述距离导致具有入射照明的光纤线缆圆输入半径的百 分率r被增加。在光纤线缆输入处的分别对应于距离21. 4mm,26. Imm和30. 7mm的照明点 226D、226E和226F的光学仿真分别被包括在图10CU0H和IOM中，其中可以观察到r的减 小。线缆252将所述照明引向双线缆输出254A和254B，所述双线缆输出254A和254B将所 传递的照明的线255瞄准凸复曲面反射器256A、256B，这些反射器又以期望的方式将所述 照明引向台板258。被传递到所述台板258的对应于距离21. 4mm,26. Imm和30. 7mm的照明 的光学仿真分别被包括在图10AU0F和IOK中，其中可以观察到所述照明图案由于传递所述照明的光纤线缆线输出的百分率1的减小的集中。由变焦透镜提供的视g^3A、28;3B和 (举例来说分别为 200mm χ 200mmU00mm χ IOOmm和 50mm χ 50mm)分别在图 10D、10I 和ION中被示出为重叠在被传递到所述台板258的照明的光学仿真上。视场^3A、28!3B和 283C的各自的图像^4D、284E和也分别被示出在图10EU0J和IOP中，为了直接比较 的目的而假定了统一的填充空间的目标。图11示出概括图10A-10P所示的光射线跟踪仿真的图表，包括从附加的光射线跟 踪仿真获得的数据。该图显示出每个视场(FOV)内相对于在最大半径处平均传递的照明强 度的平均传递的照明强度一般地随入射在所述光纤线缆圆输入上的照明点的半径的减小 而增加，并且一般地随减小视场更快地增加，因此就可调节地将所述照明集中到更小的视 场中而言指示出所述可变聚光器的益处。图12示出描绘了对于在图8A-8P和10A-10P中所建模的实施例，入射在所述光纤 线缆圆输入上的照明点的半径与输入透镜和光纤线缆圆输入之间的距离之间的关系的图 表。由于所述光纤线缆圆输入基本上被用作提供输入光路径224A、2MB、224C、2MD、224E 和224F的圆形二次曲线的平面的事实，入射在所述光纤线缆圆输入上的照明点的半径与 输入透镜和光纤线缆圆输入之间的距离之间的关系一般地是负的线性相关的关系。用于 38. Imm焦距透镜的线性相关的斜率在幅度上大于用于101. 6mm焦距透镜的线性相关的斜 率，因为38. Imm焦距透镜的焦距小于101. 6焦距透镜的焦距，因而38. Imm焦距透镜提供具 有更大角度的入射圆锥。事实上，被耦合到所述光纤输入环中的照明的入射角度被分配在 所述照射的嵌套级之中，以便当照射的嵌套级的数量被减小时，所述分配更粗略，并且因而 每个嵌套级平均地以逐渐增大的入射角度被照射。因为在所述输出处由所述单个光纤所传 送的照明的角度基本上等于入射在所述单个光纤上的角度，故所述传递的照明图案受耦合 到所述光纤输入环中的照明的入射角度的分配影响。因此，所述传递的照明到更小的视场 中的更大的集中可以通过使用具有更长焦距的输入透镜而被实现，如通过比较图8N与图 ION所示的那样，而所述传递的照明到更大的视场中的更大的均勻性可以通过使用具有更 短焦距的输入透镜而被实现，如通过比较图8D与图IOD所示的那样；用于视场范围的最优 的照明图案可以通过对输入透镜、光纤线缆和所述线缆的输出与所述目标之间的光学元件 的最优的选择而被实现。此外，由于所述光纤中的总的内部反射的临界角，所述光纤具有对 入射输入角的容许的极限圆锥，因此只有低于所述极限的入射角度被传送。图13示出描绘了对于在图8A-8P和10A-10P中所建模的实施例，在其中所述传递 的照明强度至少是所述传递的照明强度的峰值的25%的目标区域的百分率与入射在所述 光纤线缆圆输入上的照明点的半径之间的关系的图表。所述传递的照明强度的峰值的25% 的优值(figure of merit)被选为用于有用的照明强度的合理的优值。在其中所述传递的 照明强度至少是所述传递的照明强度的峰值的25%的目标区域的百分率与入射在所述光 纤线缆圆输入上的照明点的半径之间的关系一般地是正的线性相关的关系。用于38. Imm 焦距透镜的线性相关的斜率大体上等于用于101. 6mm焦距透镜的线性相关的斜率；然而， 用于38. Imm焦距透镜的线性相关的截距大于用于101. 6mm焦距透镜的线性相关的截距。两 种情况间在截距上的这种差别是因为耦合到所述光纤输入环中的照明的入射角对于更短 的38. Imm焦距比对于更长的101. 6mm焦距透镜更大，使得在所述输出处由所述单个光纤传 送的照明的角度对于更短的38. Imm焦距比对于更长的101. 6mm焦距透镜更大，并且在所述输出处由所述单个光纤传送的照明的更大的角度等同于更大的视场覆盖。部件列表
权利要求
1.一种用于传递来自照明源的照明的可变聚光器设备，所述设备包括圆到线光纤形状转换线缆，所述圆到线光纤形状转换线缆具有用于接收照明的线缆输 入以及用于传递照明的线缆输出；以及用于调节所述线缆输入上的照明的焦距的装置。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，其中所述线缆包括递归嵌套的光纤。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，其中在所述线缆输入处，单个光纤的集合被 递归嵌套在围绕输入的共同中心的相继更小的环中。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，其中在所述线缆输出处，所述单个光纤的集 合被递归嵌套在围绕输出的共同中心的至少一个线中。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，其中 在所述线缆输入处，所述环定义所述光纤的输入嵌套级；在所述线缆输出处，所述单个光纤的集合被布置为在围绕所述输出的共同中心的输出 嵌套级处形成线段对；以及所述输出嵌套级与所述输入嵌套级对应。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，其中所述线缆具有多个线缆输出；在所述线缆输入处，单个光纤的集合被递归嵌套在围绕输入的共同中心的相继更小的 环中并且所述环定义所述光纤的输入嵌套级；在所述多个线缆输出中的每一个处，所述单个光纤的集合被递归嵌套在围绕输出的共 同中心的至少一个线中并且被布置为在围绕所述输出的共同中心的输出嵌套级处形成线 段对；以及所述输出嵌套级与所述输入嵌套级对应。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，其中在所述线缆输入处，单个光纤的集合被 递归嵌套在围绕输入的共同中心的相继更小的环中并且所述环定义所述光纤的输入嵌套 级；以及所述用于调节的装置包括改变入射在所述线缆输入上的照明点的半径的透镜系统，由 此改变传递照明的输入嵌套级的数量。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，其中所述照明点的所述半径对应于将被从 所述线缆输出传递的照明照射的目标的大小。
9.如权利要求7所述的设备，其特征在于，其中所述照明点的所述半径对应于变焦透 镜的放大系数，所述变焦透镜使将被从所述线缆输出传递的照明照射的目标成像。
10.一种狭缝灯设备，所述狭缝灯设备包括 照明的源；用于传递来自所述源的照明的可变聚光器设备，所述聚光器设备包括圆到线光纤形状 转换线缆，所述圆到线光纤形状转换线缆具有用于接收照明的线缆输入以及用于传递照明 的线缆输出；以及用于调节所述线缆输入上的照明的焦距的装置；以及 用于接收来自所述线缆输出的照明的圆柱形透镜。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，其中在所述线缆输入处，单个光纤的集合被递归嵌套在围绕输入的共同中心的相继更小的 环中并且所述环定义所述光纤的输入嵌套级；以及所述用于调节的装置包括改变入射在所述线缆输入上的照明点的半径的透镜系统，由 此改变传递照明的输入嵌套级的数量。
12.—种成像系统，所述成像系统包括照明的源；用于传递来自所述源的照明的可变聚光器设备，所述聚光器设备包括圆到线光纤形状 转换线缆，所述圆到线光纤形状转换线缆具有用于接收照明的线缆输入以及用于传递照明 的线缆输出；以及用于调节所述线缆输入上的照明的焦距的装置；用于支撑将被从所述线缆输出传递的照明照射的目标的台板，以及用于使被照射的目标成像的装置。
13.如权利要求12所述的成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括至少一个反射 镜以按期望的方式将所述被传递的照明分配给所述台板。
14.如权利要求13所述的成像系统，其特征在于，其中所述至少一个反射镜是曲面的。
15.如权利要求14所述的成像系统，其特征在于，其中所述至少一个反射镜具有凸复 曲面曲率
16.如权利要求12所述的成像系统，其特征在于，其中所述用于成像的装置包括变焦透镜。
17.如权利要求16所述的成像系统，其特征在于，其中在所述线缆输入处，单个光纤的 集合被递归嵌套在围绕输入的共同中心的相继更小的环中并且所述环定义所述光纤的输 入嵌套级；所述用于调节的装置包括改变入射在所述线缆输入上的照明点的半径的透镜系统，由 此改变传递照明的输入嵌套级的数量；以及所述照明点的所述半径对应于所述变焦透镜的放大系数。
18.如权利要求17所述的设备，其特征在于，其中所述线缆包括递归嵌套的光纤。
19.如权利要求17所述的设备，其特征在于，其中在所述线缆输入处，单个光纤的集合 被递归嵌套在围绕输入的共同中心的相继更小的环中。
20.如权利要求19所述的设备，其特征在于，其中在所述线缆输出处，所述单个光纤的 集合被递归嵌套在围绕输出的共同中心的至少一个线中。
21.如权利要求20所述的设备，其特征在于，其中在所述线缆输入处，所述环定义所述 光纤的输入嵌套级；在所述线缆输出处是输出，所述单个光纤的集合被布置为在围绕所述输出的共同中心 的输出嵌套级处形成线段对；以及所述输出嵌套级与所述输入嵌套级对应。
22.如权利要求17所述的设备，其特征在于，其中在所述线缆输入处，单个光纤的集合 被递归嵌套在围绕输入的共同中心的相继更小的环中并且所述环定义所述光纤的输入嵌 套级；以及所述用于调节的装置包括改变入射在所述线缆输入上的照明点的半径的透镜系统，由 此改变传递照明的输入嵌套级的数量。
23.如权利要求17所述的设备，其特征在于，其中在所述线缆输入处，单个光纤的集合 被递归嵌套在围绕输入的共同中心的相继更小的环中并且所述环定义所述光纤的输入嵌套级；所述用于调节的装置包括改变入射在所述线缆输入上的照明点的半径的透镜系统，由 此改变传递照明的输入嵌套级的数量；以及所述照明点的所述半径对应于被支撑在所述台板上的目标的大小。
全文摘要
用于照明的传递的可变聚光器，其包括递归嵌套的圆到线光纤形状转换线缆以及可聚焦的输入透镜系统。在所述光纤线缆的输入处，单个光纤的集合包括围绕共同中心递归嵌套的相继更小的环。在所述光纤线缆的输出处，所述单个光纤的集合包括围绕所述线中点递归嵌套的线段对，由此所述线段对的嵌套级精确地或大致地对应于所述环的嵌套级。所述输出可以被分成多个线，由此所述单个光纤的集合被分配在所述多个线中。所述输入透镜系统具有单一的可调节的聚焦装置以改变入射在所述光纤线缆圆输入的输入上的照明点的半径。
文档编号F21V5/04GK102066835SQ200980115898
公开日2011年5月18日 申请日期2009年4月29日 优先权日2008年4月30日
发明者G·费克 申请人:卡尔斯特里姆保健公司