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Vorrichtung zur Weiterleitung eines Lichtstromes
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Weiterleitung eines von
einer einseitig abstrahlenden Lichtquelle austretenden Lichtstromes bei voller Ausnutzung
des von der Lichtquelle kommenden Lichtes. Dabei ist unter einer einseitig abstrahlenden
Lichtquelle insbesondere die Lichtaustrittsfläche eines Lichtleitstabes, vorzugsweise
eines Faserlichtleiters zu verstehen, aber auch die Lichtaustrittsfläche einer Lichtemiss
ionsdiode.
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Die Größe eines von einer solchen Lichtquelle usgeleuchteten Fleckes
kann z.B. dadurch variiert werden, daß in der zu beleuchtenden Ebene eine einstellbare
Gesichtsfeldblende angeordnet wird. Dies löst aber nicht das Problem, da mit einer
solchen Gesichtsfeldblende immer nur ein Teil des von der Lichtquelle kommenden
Lichtstromes zur Beleuchtung benutzt wird, während ein anderer, möglicherweise größerer
Teil des Lichtstromes für die Beleuchtung verloren geht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den von einer einseitig
abstrahlenden Lichtquelle ausgehenden Lichtstrom in seinem Querschnitt zu verändern
und bei jeder zu beleuchtenden Fleck-Größe jedesmal den gesamten aus der Lichtquelle
austretenden Lichtstrom zur
Fleck-Beleuchtung zu benutzen. Anders
ausgedrückt: Die Aufgabe besteht darin, das von einer Lichtquelle der genannten
Art austretende Licht so weiterzuleiten, daß bei gleichbleibendem Lichtstrom der
zu nutzende Querschnitt verändert wird.
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Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Austrittsfläche
der Lichtquelle in Lichtrichtung mindestens zwei optische Systeme nachgeordnet sind,
von denen das erste optische System ortsfest ist und eine feste Brennweite besitzt
und in seinem Durchmesser und Abstand auf.die Apertur der Lichtaustrittsöffnung
der Lichtquelle abgestimmt ist, während das zweite optische System axial verschiebbar
ist, wobei zwischen den beiden optischen Systemen ein telezentrischer Strahlengang
besteht.
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Die Aufgabe ist aber auch dadurch gelöst, daß der Austrittsfläche
der Lichtquelle in Lichtrichtung mindestens zwei optische Systeme nachgeordnet sind,
von denen das erste optische System ortsfest ist und eine feste Brennweite besitzt
und in seinem Durch messer und Abstand auf die Apertur der Lichtaustrittsöffnung
der Lichtquelle abgestimmt ist, während das zweite optische System in seiner Brennweite
veränderbar ist.
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Die Aufgabe ist ferner dadurch gelöst, daß der Austrittsfläche der
Lichtquelle ein konisch verlaufender Lichtleitstab nachgeordnet ist, dessen Lichtaustrittsfläche
in ihrer Größe etwa der Größe des zu beleuchtenden Fleckes entspricht.
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Die Lösung der gestollten Aufgabe ist somit entweder dadurch möglich,
daß ein zweites optisches System fester Brennweite verwendet wird, das aber axial
verschiebbar ist, oder dadurch, daß mehrere zweite optische Systeme unterschiedlicher
Brennweite verwendet werden, deren axiale Lage etwa konstant ist.
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Im letzteren Falle ändert sich die Größe des ausgeleuchf1 d teten
Fleckes nach der Formel S ~ dL wobei mit f1 und f2 die Brennweiten des ersten und
des zweiten optischen Systems bezeichnet sind, während d1 der Durchmesser der Lichtaustrittsfläche
der Lichtquelle ist und d2 der Durchmesser des beleuchteten Fleckes.
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Das dabei verwendete erste optische System besitzt in der Regel eine
derart gewählte feste Brennweite, daß möglichst viel von dem aus der Lichtaustrittsfläche
der Lichtquelle austretenden Lichtstrom erfaßt wird.
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Wenn die Lichtquelle aus einem Faserlichtleiter besteht, eo beträgt
der Winkel des aus dem Lichtleiter austretenden Lichtkegels in der Regel ca. 670.
Diesem winkel ist
die Brennweite des ersten optischen Systems angepaßt,
wobei vorzugsweise ein solches System gewählt ist, das eine kurze Schnittweite besitzt.
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Wenn eine Vorrichtung benutzt wird, bei der mehrere zweite optische
Systeme unterschiedlicher Brennwerte verwendet werden, so kann dieses zweite optische
System z.B. als auswechselbares System ausgebildet sein, so daß wahlweise ein System
mit längerer oder kurzerer Brennweite in den Strahlengang bringbar ist. Zu diesem
Zweck wird insbesondere vorgeschlagen, mehrere Systeme mit unterschiedlichen Brennweiten
auf einem Revolver oder einem Schieber anzuordnen, so daß der Wechsel des zweiten
optischen Systems durch einfaches Umschwenken oder Verschieben vorgenommen werden
kann.
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Das zweite optische System kann aber auch als Vorio-Objektiv ausgebildet
sein, dessen Brennweite kontinuierlich veränderbar ist.
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Da ein Faserlichtlichtleiter als Lichtquelle sein Licht etwa in einem
vorgegebenen Aperturvinkel von ca. 670 abstrahlt, kann das erste optische System-
wie bereits ausgeführt - eine feste Brennweite, Durchmesser und einen festen Abstand
von der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters haben, um möglichst alles abgestrahlte
Licht zu erfassen. Um jedoch Toleranzen im Abstrahlwinkel
des Lichtes
ebenfalls erfassen zu können, wird vorgeschlagen, auch den Achsabstand des ersten
optischen Systems von der Lichtaustrittsfläche mindestens gerngfügig variabel zu
machen.
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Die erfundene Vorrichtung läßt sich mit Vorteil bei allen solchen
Gclegeniiten verwenden, bei denen die zu beleuchtende Flache sich plötzlich in ihrer
Größe ändert, obwohl der Abstand zwischen dem Lichtleiter und der Ebene des zu beleuchtenden
Fleckes konstant geblieben ist. Dies ist insbesondere bei Nikroskopen der Fall,
bei denen durch Umschlag des Objektiv-Revolvers die Vergrößerung und damit die Größe
des betrachteten Objektfeldes geändert wird. Wenn dabei nicht gleichzeitig auch
die Beleuchtungsstärke.auf dem Objekt entsprechend geändert, z.B. erhöht wird, wird
naturgemäß das betrachtete Bild dunkler.
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Diese Erhöhung der Beleuchtungsstärke kann in einfacher Weise durch
die erfundene Vorrichtung in der Weise geschehen, daß durch entsprechende Wahl des
zweiten optischen Systems jeweils der gesamte aus dem Lichtleiter austretende Lichtstrom
auf das gerade betrachtete Objektfeld konzentriert wird, das dabei völlig homogen
ausgeleuchtet wird.
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Die Erhöhung der Beleuchtungsstärke kann aber auch dadurch geschehen,
daß ein anderer Lichtleiter in den Beleuchtungs-
strahlengang gebracht
wird, dessen Lichtaustrittsfläche in ihrer Größe etwa der Größe des zu beleuchtenden
Objektdatails entspricht.
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Wenn als Mittel zur Querschnittsveränderung des Lichtstromes ein konisch
geformter Lichtleitstab, insbesondere ein konisch geformter Faserlichtleiter verwendet
wird, eo muß der Konuswinkel etwa 6 - 100 betragen, um das Licht bis zur Austrittsfläche
weiterführen zu können.
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Außerdem ist zu beachten, daß bei jeder Reflektion der Strahlen an
der Leiter-Innenwand dadurch ein geringer Lichtverlust eintritt, daß ein Teil des
Lichtes durch die Glas/Luft-Trennfläche nach außen hindurchtritt.
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Da der Einfallswinkel der Strahlen auf diese Grenzfläche immer steiler
wird, je mehr Reflektionen stattfinden, wird dieser Lichtverlust immer größer, je
länger der konische Lichtleiter ist. Die Bindung an den Konuswinkel von 6 - 100
und der immer steiler werdende Einfallswinkel setzen der Länge des konischen Lichtleiters
daher natürlichc Grenzen.
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In der Zeichnung ist die Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen
dargestellt, bei denen die Lichtquelle jeweils von einem Faserlichtleiter gebildet
wird.
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Es zeigen:
Fig. la; lb eine Vorrichtung mit axial
verschiebbaren optischen Systemen in zwei verschiedenen Stellungen, Fig. 2 eine
Vorrichtung mit auswechselbarem zweiten optischen System auf einem Schieber, Fig.
3 eine Vorrichtung mit einem auswechselbaren zweiten optischen System auf einem
Revolver, und mit einem strahlenumlenkenden Element zwischen dem ersten und dem
zweiten System, Fig. 4 eine Vorrichtung mit mehreren konischen Lichtleitern, die
der Lichtquelle auswechselbar nachgeordnet sind.
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In den Figuren ist der Lichtleiter jeweils mit 3 bezeichnet. Diesem
ist in den Fig.ia und lb ein erstes optisches System 1 und ein zweites optisches
System 2 in Lichtrichtung nachgeschaltet. Das erste optische System ist mit seiner
Brennweite und seinem Abstand von der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters 3 derart
gewählt, daß es den gesamten im Aperturwinkel austretenden Lichtstrom erfaßt und
in ein achsparalleles Strahlenbündel umwandelt. Zwischen den optischen Systemen
1 und 2 besteht somit ein telezentrischer Strahlengang.
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Das zweite optische System 2 verwandelt diesen Strahlengang wiederum
in ein konvergierendes Strahlenbündel, und je nachdem, welchen Abstand dieses optische
System 2
von der zu beleuchtenden Fläche 4 besitzt, wird auf dieser
ein Fleck größeren Durchmessers D oder kleineren Durchmessers d mit dem gesamten
Lichtstrom homogen ausgeleuchtet (Fig.la u. 1b). Die Brennweite des zweiten optischen
Systems ändert sich dabei nicht, daher bleibt der Winkel, unter dem ds Strahlenbündel
nach Durchtritt durch das zweite optische System 2 konvergiert, konstant.
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Die unterschiedliche Größe des ausgeleuchteten Fleckes D bzw. d ergibt
sich lediglich aus dem Abstand des zweiten optischen Systems 2 von der zu beleuchtenden
Fläche 4.
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Zu diesem Zweck ist das erste optische System 1 in einer Hülse 5 gehalten,
die mit dem Lichtleiter 3 in einer festen Verbindung stehen kann (nicht gezeigt),
Das zweite optische System 2 ist in einer Hülse 6 gefaßt, die in Richtung des Doppelpfeiles
A auf der Hülse 5 verschiebbar ist, so daß durch diese Verschiebung der Abstand
des zweiten optischen Systems 2 von der zu beleuchtenden Fläche 4 kontinuierlich
veränderbar ist.
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In Fig.2 ist ebenfalls dem Lichtleiter 3 das erste optische System
1 nachgeschaltet, das einen achsparallelen Strahlengang erzeugt. Dieser achsparallele
Strahlengang
wird wiederum in ein konvergierendes Strahlenbündel
umgewandelt. Jedoch geschieht dies durch zwei verschiedene zweite optische Systeme
2' und 2'', die eine unterschiedliche Brennweite besitzen. Daher konvergiert das
Strahlenbündel nach Durchtritt durch das zweite optische System unterschiedlich
stark, so daß in der zu beleuchtenden Fläche 4 Flecke mit unterschiedlichen Durchmessern
D bzw. d nusgeleuchtet werden.
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Die beiden zweiten optischen Systeme 2' und 2 " sitzen auf einem gemeinsamen
Schieber 7, der in Richtung des Doppfelpfeiles B in einem Schlitz der Fassung 8
des ersten optischen Systems 1 hin und her verschiebbar ist.
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so daß in der einen Stellung das System 2' und in der anderen Stellung
das System 2' im Strahlengang steht.
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Dabei ändert sich - im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der Fig.1
- der Abstand des zweiten optischen Systems von der zu beleuchtenden Fläche 4 nicht,
sondern die unterschiedliche Größe der Fleclce D bzw. d wird durch das geänderte
Verhältnis der Brennweiten des ersten optischen Systems zum zweiten optischen System
(f1:f2) nach der in der Beschreibungseinleitung aufgeführten Formel hervorgerufen.
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Fig.3 zeigt ebenfalls ein Ausführungsbeispiel, bei dem die unterschiedliche
Größe des ausgeleuchteten Fleckes D bzw. d durch Änderung der Brennweite des zweiten
optischen Systems bewirkt wird. Die beiden zweiten optischen Systeme 2'; 2" sind
hier in einem Revolver 9 gelagert, der um einen Stift 10 drehbar ist. Letzterer
sitzt fest in der Fassung 11 des ersten optischen Systems 1.
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Außerdem ist zwischen das erste optische System und das jeweils eingeschaltete
zweite optische System ein Strahlenumlenkspiegel 12 eingeschaltet, so daß die Richtungen
des einfallenden und ausfallenden Lichtes etwa senkrecht aufeinander stehen. Natürlich
könnte auch jeder beliebige andere Umlenkwinkel gewählt sein, und es könnten auch
mehr als nur lie zwei gezeigten zweiten optischen Systeme 2'; 2' auf dem Revolver
9 bzw. auf dem Schieber 7 angeordnet sein.
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Die Anordnung der zweiten optischen Systeme auf Schiebern oder Revolvern
erfordert seitlich des Beleuchtungssystems immer einen ausreichenden Platz zur Verschiebung
bzw.
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zum Revolverumschlag. Dieser Platz kann eingespart werden, wenn die
Anderung der Brennweite des zweiten optischen Systems nicht durch Einschalten einzelner
Systeme mit unterschiedlichen festen Brennweiten geschieht, sondern
wenn
als zweites opti.sches System ein System mit veränderbarer Brennweite, d.h. ein
Vario-System benutzt wird.
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Eine Darstellung dieser Ausführungsform erübrigt sich, da Vario-Systeme
allgemein bekannt sind.
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In Fig. 4 ist wiederum der Lichtleiter mit 3 bezeichnet.
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Ihm sind wahlweise zwei konisch geformte Lichtleiter 15 und i6 in
Lichtrichtung nachgeordnet. Sie sind auf einem Schieber 17 gelagert, der in Richtung
des Doppelpfeiles C verschiebbar ist.
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Die konischen Lichtleiter 15 und 16 besitzen etwa den gleichen Konuswinkel
von ca. 6-100, sind aber unterschiedlich lang. Demzufolge haben auch ihre Lichtaustrittsflächen
D und d einen unterschiedlichen Durchmesser.
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Sie beleuchten daher unterschiedlich große Flecken auf der zu beleuchtenden
Fläche 4.
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Da die Lichtaustrittsflächen der konischen Lichtleiter das Licht in
einen Raumwinkel von nahezu 1800 abstrahlen muß die zu beleuchtende Fläche D bzw.
d der Lichtaustrittsfläche jeweils nahe gegenüberstehen. Es leuchtet jedoch ein,
daß zur Beleuchtung sowohl des großen Fleckes D als auch des kleinen Fleckes d jeweils
der gesamte vom Lichtleiter 3 kommende Lichtstrom verwendet wird. Die Beleuchtungsstärke
auf den Flecken D und d ist dahor unterschiedlich groß.
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