專利名稱：照明裝置和攝影設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種照明裝置和一種攝影設(shè)備，并且特別地，涉及一種在安裝于照相機(jī)機(jī)身時(shí)，適于有效地與機(jī)身的攝影操作聯(lián)動(dòng)而將照明光(閃光)投射到物體上的光學(xué)設(shè)備。
安裝于照相機(jī)機(jī)身某一部分并且與照相機(jī)機(jī)身的攝影操作聯(lián)動(dòng)型式的不同光學(xué)設(shè)備(閃光裝置)。
例如，日本公開實(shí)用新型申請(qǐng)NO.昭57-150826提出了一種照明裝置，它以如下方式設(shè)置，使用時(shí)，其發(fā)射部分保持并固定在遠(yuǎn)離照相機(jī)攝影光軸的位置，而不使用使，此發(fā)射部分向前傾斜并與照相機(jī)外形合為一體。
日本公開專利申請(qǐng)NO.昭59-165037提出了一種照明裝置，它設(shè)置為通過精確排列一個(gè)聚光部分的大量纖維束來獲得預(yù)定的光分布，在此聚光部分中由閃光放電管發(fā)出的光束以帶狀形式得以積聚。
日本公開專利申請(qǐng)NO.平8-2342光學(xué)部件7提出了一種照明裝置，它包括發(fā)射裝置和一個(gè)將此發(fā)射裝置發(fā)出的光投射至物體上的光學(xué)部件，此光學(xué)部件設(shè)置為通過光學(xué)部件沿其徑向?qū)бl(fā)射光并使之彎曲積聚最終將光投射向物體。
一般地，安裝在一個(gè)尺寸小重量輕的照相設(shè)備中的照明裝置(閃光裝置)需要具有如下特點(diǎn)。
(a1)尺寸小重量輕。
(a2)由光源裝置發(fā)出的照明光能夠有效地投射向物方。
因此，本發(fā)明目的在于提供一種改進(jìn)的照明裝置如閃光裝置，它能高效利用光能。
本發(fā)明的另一個(gè)目的為提供一種攝影設(shè)備，如靜態(tài)照相機(jī)，數(shù)字照相機(jī)或視頻攝像機(jī)，它具有能高效利用光能的閃光裝置。
本發(fā)明提供了如下的一種結(jié)構(gòu)，它包括一個(gè)光源和一個(gè)將此光源發(fā)出的光投射至物體上的光學(xué)系統(tǒng)，此光學(xué)系統(tǒng)具有一個(gè)呈錐狀朝向光源的透明部件。此錐狀透明部件具有一個(gè)入射表面，一個(gè)與該入射表面相對(duì)的出射表面，和一個(gè)位于該入射表面和該出射表面之間的發(fā)射表面。由光源發(fā)出的光入射至入射表面并經(jīng)反射表面反射后由出射表面出射。
根據(jù)本發(fā)明，所述光學(xué)系統(tǒng)具有或者不具有一個(gè)凹面反射鏡，以將光源發(fā)出的光反射向入射表面。
根據(jù)本發(fā)明，所述透明部件由塑料或玻璃制成。
根據(jù)本發(fā)明，所述反射表面由一全反射表面，或一具有反射膜的表面，或一具有此兩種表面的表面所構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明，所述入射表面具有或者不具有正折射本領(lǐng)(其焦距值非無窮大而為一正的有限值)。
根據(jù)本發(fā)明，所述出射表面具有或者不具有正折射本領(lǐng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，所述出射表面在其中央部分具有一個(gè)正折射本領(lǐng)的凸形表面，并在其邊緣部分具有一個(gè)傾斜的平表面。
本發(fā)明的另一方面具有一個(gè)正折射本領(lǐng)的菲涅耳透鏡，或者該菲涅耳透鏡制作在出射表面上，或者該菲涅耳透鏡設(shè)置在出射表面的附近。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述出射表面具有多個(gè)凸形表面，都具有所述的正折射本領(lǐng)或不同曲率。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，具有正折射本領(lǐng)的所述出射表面的光軸相對(duì)于所述光學(xué)系統(tǒng)的光軸傾斜或平行偏離。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述出射表面具有一相對(duì)所述光學(xué)系統(tǒng)光軸傾斜的平表面，此傾斜的平表面使由其出射的全部光束發(fā)生折射。
本發(fā)明的另一方面還包括使光源出射光散射的裝置，該裝置設(shè)置在或靠近入射表面處。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述出射表面為矩形，且所述入射表面也為矩形。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述光源具有一個(gè)閃光放電管，它沿垂直于光學(xué)系統(tǒng)光軸的方向延伸，而此光學(xué)系統(tǒng)沿所述垂直方向延伸，并具有一反射鏡用于將所述閃光放電管發(fā)出的光束反射至所述透明部件。所述透明部件為一平行于含所述垂直方向平面的片狀部件，所述入射表面和出射表面皆具有在所述垂直方向?yàn)殚L邊的矩形形狀。令閃光放電管的弧長為HL，令閃光放電管的內(nèi)外徑分別為H1和H2，令入射表面在所述垂直方向的長度為DX，而在垂直于所述垂直方向的長度為DY，則滿足下列條件H1≤DY≤2×H2，
HL≤DX≤HL+8。(單位mm)令反射表面相對(duì)于入射表面的傾斜角(若反射表面為曲面，則為曲面切線相對(duì)于入射表面的傾斜角)為β，并令所述透明部件的折射率為n，則滿足下列條件{sin-1(1/n)}/3}≤β所述出射表面具有一凸形曲面，令該凸形曲面切線相對(duì)于所述入射曲面垂直的平面的傾斜角為α，令所述反射表面相對(duì)于所述入射表面的傾角(若反射表面為曲面，則為曲面切線相對(duì)入射表面的傾角)為β，令光源發(fā)出的光束相對(duì)于所述入射表面的最大入射角為θmax，并令所述透明部件的折射率為n，則滿足下列條件α≤2β-sin-1((sinθmax)/n)+sin-1(1/n)本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，通過結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的下列詳細(xì)描述將更為清楚。
圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的照明裝置的主要部分概略透視圖，此照明裝置設(shè)置在照相機(jī)機(jī)身的頂部；圖2為圖1所示照明裝置采用的光學(xué)部件一種實(shí)施例的示意圖；圖3為圖1所示照明裝置采用的光學(xué)部件另一種實(shí)施例的示意圖；圖4為圖1所示照明裝置采用的光學(xué)部件再一種實(shí)施例的示意圖；圖5為圖1所示照明裝置采用的一種光學(xué)部件的示意圖；圖6為圖1所示照明裝置采用的一種光學(xué)部件的示意圖；圖7為圖1所示照明裝置采用的一種光學(xué)部件的示意圖；圖8為圖1所示照明裝置采用的光學(xué)部件的光分布特性示意圖；圖9為圖1所示照明裝置采用的光學(xué)部件的部分光路示意圖；圖10為本發(fā)明第二實(shí)施例的一種光學(xué)部件的示意圖；圖11為本發(fā)明第二實(shí)施例的一種光學(xué)部件的示意圖；圖12為本發(fā)明第二實(shí)施例的一種光學(xué)部件的示意圖；圖13為第二實(shí)施例中的光學(xué)部件的光分布特性示意圖；圖14為第二實(shí)施例中的光學(xué)部件的光分布特性示意圖；圖15為根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的照明裝置的主要部分概略剖視圖；圖16為根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的照明裝置的主要部分概略透視圖17為根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的照明裝置的主要部分概略平面圖；圖18為根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的照明裝置的主要部分概略前視圖；圖19為根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的照明裝置的主要部分概略平面圖；圖20為根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的照明裝置的主要部分概略透視圖，此照明裝置設(shè)置在照相機(jī)機(jī)身的頂部；圖20為根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的照明裝置的主要部分概略透視圖；圖21為根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的照明裝置的主要部分概略剖面圖；圖22為根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的照明裝置的主要部分概略剖面圖；圖23為根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的照明裝置的主要部分概略透視圖；以及圖24為根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的照明裝置的主要部分概略平面圖。
下面參照


本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
圖1為設(shè)置于一個(gè)照相機(jī)(攝影設(shè)備)機(jī)身頂部的本發(fā)明照明裝置的第一實(shí)施例主要部件的概略透視圖。圖2至7為顯示了圖1所示照明裝置中導(dǎo)引照明光束的不同類型光學(xué)部件的主要部分的剖面圖。
圖1所示照相機(jī)包括一個(gè)照相機(jī)機(jī)身1(攝影設(shè)備)和一個(gè)保持?jǐn)z影透鏡的鏡筒部分2。照相機(jī)機(jī)身1的垂直與水平方向及其光軸方向在下文分別稱作Y軸，X軸和Z軸。
照明裝置(發(fā)射部分單元)3設(shè)置在照相機(jī)機(jī)身1的右頂部，用于沿水平方向(X方向)或垂直方向(Y方向)滑動(dòng)。照明裝置3包括一柱狀閃光放電管(光源裝置)4，用于發(fā)射閃光；一反射鏡(反射器)6，用于將閃光放電管4發(fā)出的射向除前方外各個(gè)方向的光束，例如射向后方(與物方相反方向)的光束，聚集并反射至物方，該反射鏡6具有一維方向曲率并設(shè)置為內(nèi)表面反射光束；一個(gè)導(dǎo)引照明光束的光學(xué)部件(光導(dǎo))5，用于聚集由閃光放電管4直接入射至光學(xué)部件5的光束和經(jīng)由反射鏡6反射后入射至光學(xué)部件5的光束，并向物方有效投射一既定形狀的光束。
光學(xué)部件5為由玻璃、塑料或類似材料制成的片狀透明部件。光學(xué)部件5包括一入射表面5a，閃光放電管4一側(cè)的光束由此進(jìn)入光學(xué)部件5；上下表面5c(上表面5c1和下表面5c2)和側(cè)表面5d(5d1和5d2)，他們皆用作反射表面以全反射由入射表面5a入射的光束；和一個(gè)出射表面5b，直接由入射表面5a傳導(dǎo)的光束和經(jīng)由上下表面5c和側(cè)表面5d一次或多次全反射的光束由此出射向物萬。
入射表面5a和出射表面5b之間的部分在下面稱作光導(dǎo)引部分。入射表面5a和出射表面5b在沿物體方向延伸的Z軸方向彼此相對(duì)，也即，入射表面5a和出射表面5b都設(shè)置在攝影透鏡光軸延伸的直線上。入射表面5a和出射表面5b都制成平面或具有正或負(fù)折射本領(lǐng)的曲率的曲面(術(shù)語“曲面”此處用以指球面，非球面，橢圓面，二次曲面，柱面，復(fù)曲面和類似面)。入射表面5a和/或出射表面5b可部分制成曲面，而另一部分制成平面。
雖然第一實(shí)施例的出射表面5b如圖1所示為曲面，但為簡單起見，光學(xué)部件5的入射表面5a和出射表面5b在圖2至7中畫成平面。上和下表面5c1和5c2以及側(cè)表面5d1和5d2都為與入射表面5a成大角度并向物方(向前)延伸的平面或曲面。
光學(xué)部件5的形狀為，其出射表面5b的出射區(qū)域比入射表面5a的入射區(qū)域要大。例如，光學(xué)部件5的XY剖面形狀為使得側(cè)表面5d1和5d2之間的距離和/或上下表面5c1和5c2之間的距離由入射表面5a至出射表面5b以隨機(jī)比率或以固定比率增加。
尤其，光學(xué)部件5的光導(dǎo)部分具有以固定比率或以高階函數(shù)形式增加的XY剖面區(qū)域。
附帶地，在第一實(shí)施例中，照明裝置3可設(shè)置于照相機(jī)機(jī)身1的側(cè)部，以便沿垂直方向(Y方向)或水平方向(X方向)滑動(dòng)。
第一實(shí)施例的照明裝置3中，由閃光放電管4發(fā)出的部分光束直接導(dǎo)引至光學(xué)部件5的入射表面5a上，而其余光束經(jīng)反射鏡6反射后導(dǎo)引至入射表面5a。入射在入射表面5a上的部分光束直線傳輸并被導(dǎo)引至出射表面5b，而其余光束由上下表面5c和/或側(cè)表面5d全部反射并被導(dǎo)引至出射表面5b。
通過此種方式，在光學(xué)部件5的內(nèi)表面多次全反射之后，具有既定形狀(例如，XY截面的正方形和X軸方向較長的矩形)的高亮度照明光束由出射表面5b投射向物體。
特別地，來自閃光放電管4的光束的徑向(Y方向)光束在上下表面5c1和5c2處多次全反射，而軸向(X方向)光束通過出射表面5b的曲面的折射得以有效會(huì)聚并投射向物體。
光學(xué)部件5的入射表面5a的形狀從Z軸方向看為矩形，且入射表面5a在X軸方向的長度略大于閃光放電管4在X軸方向的有效弧長，而入射表面5a在Y軸方向的長度近似等于反射鏡6的開口寬度，使得入射表面5a和反射鏡6的開口之間不存在縫隙。這樣，閃光放電管4發(fā)出的光束得以由入射表面5a有效接收。從Z軸方向看，出射表面5b為類似于入射表面5a的矩形開口。
下面描述第一實(shí)施例中用于導(dǎo)引照明光束的光學(xué)部件5的不同實(shí)施例。圖2為光學(xué)部件7的主要部分的概略剖面圖，光學(xué)部件7由片狀光導(dǎo)制成，作為第一實(shí)施例中用于導(dǎo)引照明光束的光學(xué)部件的一種實(shí)施例。光學(xué)部件7包括一個(gè)入射表面7a，具有由平面或曲面構(gòu)成的多邊形形狀(例如正方形)；一個(gè)出射表面7b，具有由大于入射表面7a面積的平面或曲面構(gòu)成的多邊形形狀(例如正方形)；和上下表面7c1和7c2以及側(cè)表面7d1和7d2，他們都由和入射表面7a與出射表面7b以既定斜率相連的平面或曲面構(gòu)成。光學(xué)部件7具有片狀外形，例如整體為多棱柱(如四棱柱)。在圖2中，為簡單起見將入射表面7a和出射表面7b畫作平面。一個(gè)閃光放電管(未畫出)設(shè)置在距入射表面7a給定距離處。圖2中，符號(hào)Vd表示入射表面7a的高度(沿Y軸方向，即沿固定在照相機(jī)機(jī)身中的光學(xué)部件7的垂直方向量得的入射表面7a尺寸)，符號(hào)A表示沿其高度(Y)方向看的入射表面7a的中心位置(中心)，符號(hào)Ve表示出射表面7b的高度，符號(hào)B表示出射表面7b的中心位置(中心)，且符號(hào)L表示光學(xué)部件7的長度(沿Z軸方向量得的光學(xué)部件7尺寸)。連線Lab為連接點(diǎn)A與點(diǎn)B的直線。(線Lab以下稱作光軸或照明光軸)。線Lc為通過出射表面7b的一端C并平行于光軸Lab的軸線。
在第一實(shí)施例中，令光學(xué)部件7的長度為L，將入射表面7a的高度Vd和出射表面7b的高度Ve設(shè)定如下0.03＜Vα/L＜0.3，0.08＜Ve/L＜0.8，使得照明區(qū)域在物體的垂直方向近似設(shè)定。
另外，將入射表面7a的寬度Hd(沿X方向，即固定在照相機(jī)機(jī)身上的光學(xué)部件7的水平方向量得的入射表面7a尺寸)和出射表面7b的寬度Hc設(shè)定如下0.2＜Hd/L＜2.0，0.3＜He/L＜3.0，使得照明區(qū)域在物體的水平(X)方向近似設(shè)定。
以下描述關(guān)于由入射表面7a以最大入射角進(jìn)入光學(xué)部件7的光束的傳輸狀態(tài)，其中在入射表面7a前設(shè)置一對(duì)于所有角分量(光束)一樣的均勻散射光源，即在入射表面7a高度Vd的所有點(diǎn)上所有角分量的光強(qiáng)(光分布)都是均勻的。
在這種情況下，在由入射表面7a的點(diǎn)入射表面7a1和入射表面7a2進(jìn)入光學(xué)部件7的光束部分之間，小入射角的成分在光學(xué)部件7中直線傳輸并由出射表面7b出射，如圖2所示。另一方面，大入射角的成分在光學(xué)部件7的表面7c1和7c2處全部反射，反射次數(shù)根據(jù)其相應(yīng)入射角而定，并由出射表面7b出射。在所示例中，特殊成分在其由出射表面7b出射前全反射多達(dá)三次。此方式下面將參照?qǐng)D2所示光路圖加以說明。
在此光路圖中，實(shí)線m2至m2′代表經(jīng)既定次數(shù)全反射后以其相應(yīng)最大角度通過出射表面7b的中央部分B的光束成分。符號(hào)m2至m2′的下標(biāo)代表相應(yīng)光束的全反射次數(shù)，帶有撇號(hào)的尾標(biāo)表示由出射表面7b向上出射的光線，而不帶有撇號(hào)的尾標(biāo)表示由出射表面7b向下出射的光線。例如，符號(hào)m2表示經(jīng)兩次全反射的通過點(diǎn)B的上部最大角光束，符號(hào)m0′表示未經(jīng)全反射直接由出射表面7b出射的下部最大角光束。
在此情況下，在中央部分B處的最大出射角(半視角)為βb，并且可以看到，通過入射表面7a頂端點(diǎn)入射表面7a1的光束經(jīng)兩次全反射，并由出射表面7b的中央部分B出射。
在此光路圖中，兩點(diǎn)點(diǎn)劃線n3′至n2代表經(jīng)既定次數(shù)全反射后以其相應(yīng)最大角度通過出射表面7b的一端C的光線。在此例中，其上部畫出了經(jīng)最多兩次全反射的光線，而下部畫出了經(jīng)最多三次全反射的光線。
端部C處的最大出射角為位于離光軸最遠(yuǎn)一側(cè)的β∞，或者為最靠近光軸一側(cè)的βci。角β∞＞和角βci對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的最大全反射次數(shù)，角β∞為由出射表面7b出射光束的最大出射角。
上述數(shù)值具有如下關(guān)系β∞＞βb＞βci。上例中，盡管只對(duì)兩點(diǎn)作了解釋，即出射表面7b的中央部分B和端部C，但通過其中間點(diǎn)的光線則呈現(xiàn)中間特性。與端部C相比，在每一中間點(diǎn)處，向外(由光軸Lc向光學(xué)部件7外側(cè))出射角的最大值β∞逐漸減小，而朝向光軸Lab的最大角βci逐漸增大。若將光學(xué)部件7的光束入射角和出射角的最大值互相比較，可以看到，光束的出射角最大值β∞與光束的入射角最大值α相比是非常小的。
從以上描述可明顯看出，如果具有均勻光分布的光入射在入射表面7a上，則此光通過光學(xué)部件7變窄并由出射表面7b出射為一光束。該光束的光分布在中央部分B處關(guān)于光軸Lab近似對(duì)稱，但向邊緣部分，光分布的中心逐漸向外側(cè)偏移，并在端部C處達(dá)到最外側(cè)。因此，在端部C處的最大值βo成為通過光學(xué)部件7的光束的最大出射角。
如果具有不均勻光強(qiáng)分布的光束入射在入射表面7a，則通過光束在上下表面7c1和7c2和/或側(cè)表面7d1和7d2處的重復(fù)全反射，使光強(qiáng)分布的不均勻性得以逐漸降低，從而由出射表面7b出射的為光強(qiáng)分布不均勻性較小的光束。這是因?yàn)椋?dāng)入射光在這些以既定角度傾斜的全反射表面(上下表面7c1和7c2和/或側(cè)表面7d1和7d2)重復(fù)全反射時(shí)，入射光的角分量通過傾斜角的偏移得以混合，而不是被保留。
相應(yīng)地，在第一實(shí)施例中，通過以上述方式適當(dāng)設(shè)定光學(xué)部件的傾斜角和長度，使入射光束在由光學(xué)部件出射前，轉(zhuǎn)換為具有較小不均勻光強(qiáng)分布和近似均勻光強(qiáng)分布的光。
第一實(shí)施例中圖2所示光學(xué)部件7的一個(gè)特別數(shù)值例如下所示Vd＝2.1 L＝25.0 α＝75°Ve＝7.0 n＝1.49171(光學(xué)部件的光學(xué)材料折射率)(丙烯酸樹酯)β∞＝27.6° βci＝-10.3°βb＝16.4°。在此數(shù)值例中，以最大入射角α＝75°入射的光束轉(zhuǎn)換為一在最大出射角βo＝27.6°角度內(nèi)出射的窄光束。
雖然上述僅涉及光學(xué)部件的垂直方向，但類似說明適用于光學(xué)部件的水平方向。
圖3和4各為顯示一個(gè)不同光學(xué)部件的光路圖，其光學(xué)部件的入射表面高度Vd與圖7所示光學(xué)部件7相同而出射表面高度Ve不同于光學(xué)部件7。
圖3顯示了一種光學(xué)部件8，其出射表面8b的高度Ve與圖2所示的光學(xué)部件7相比較小，而圖4顯示了一種光學(xué)部件9，其出射表面9b的高度Ve與圖2所示的光學(xué)部件7相比較大。圖3所示的光學(xué)部件8包括一個(gè)入射表面8a，所述出射表面8b，和上下表面8c1和8c2，而圖4所示的光學(xué)部件9包括一個(gè)入射表面9a，出射表面9b，和上下表面9c1和9c2。
另外，圖3和4各顯示了分別由出射表面8b(9b)的中央部分B和端部C對(duì)應(yīng)其各自全反射次數(shù)以最大出射角出射的光線的路徑。各標(biāo)記尾標(biāo)的含義類似于前面關(guān)于圖2的描述。
現(xiàn)在比較圖3和4中所示的光學(xué)部件8和9與圖2中所示的光學(xué)部件7。在圖3的光學(xué)部件8中，其出射表面8b的高度Ve比光學(xué)部件7小，出現(xiàn)在其中央部分B的光線經(jīng)過最多四次全反射，而出現(xiàn)在其端部C的光線則經(jīng)過最多五次全反射，從而分別到達(dá)出射表面8b的上述兩點(diǎn)處的光線包含了比光學(xué)部件7中經(jīng)更多次數(shù)重復(fù)全反射的成分。在上述兩點(diǎn)處的最大出射角βb、βo和βi比光學(xué)部件7中的大，而各最大出射角βb、βo和βi之間的差別比光學(xué)部件7中的小。換句話說，由出射表面8b各點(diǎn)出射的光線在一個(gè)相當(dāng)寬的區(qū)域內(nèi)呈近似連續(xù)分布，而不管其各點(diǎn)的位置，即，為均勻聚光的聚光性能要低于光學(xué)部件7。
為了與圖2所示光學(xué)部件7的數(shù)值例作一比較，下面列出圖3所示光學(xué)部件8的一個(gè)數(shù)值例Vd＝2.1 L＝25.0 α＝75°Ve＝4 n＝1.49171(光學(xué)部件的光學(xué)材料折射率)(丙烯酸樹酯)β∞＝35.6°βci＝-28.4°βb＝29.4°。
然后，將圖4所示的光學(xué)部件9，其出射表面9b的高度Ve比圖2所示的光學(xué)部件7大，與光學(xué)部件7進(jìn)行比較而言。在圖4的光學(xué)部件9中，出現(xiàn)在出射表面9b中央部分B的光線經(jīng)過最多一次全反射，而出現(xiàn)在出射表面9b端部C的光線則經(jīng)過最多兩次全反射。相應(yīng)地，在上述兩點(diǎn)處的最大出射角βb、β∞和βci比光學(xué)部件7中的小，各最大出射角βb、β∞和βci的角分量比光學(xué)部件7中要窄。
各最大出射角βb、β∞和βci之間的差別比光學(xué)部件7中的大，并且隨著在各出射點(diǎn)由出射表面9b出射的光線的中心方向越來越遠(yuǎn)離光軸Lab，光線的中心出射方向的傾斜越來越大。換句話說，由于出射表面9b寬于出射表面7b，通過混合由出射表面9b各出射點(diǎn)出射的光束所獲得的光分布特性具有如下特征，盡管靠近光軸Lab的區(qū)域會(huì)比靠近邊緣部分的區(qū)域明亮，也可使中央?yún)^(qū)域非常明亮。這就是說，有可能獲得具有較小均勻性和高方向性的光分布。
為了與圖2所示光學(xué)部件7的數(shù)值例作一比較，下面列出圖4所示光學(xué)部件9的一個(gè)數(shù)值例V/d＝2.1 L＝25.0 α＝75°
Ve＝12 n＝1.49171(光學(xué)部件的光學(xué)材料折射率)(丙烯酸樹酯)β∞＝29.4° βci＝4.8° βb＝9.9°。
雖然以上說明針對(duì)的光學(xué)部件都具有相同的長度L、不同高度Ve的出射表面和相同高度Vd的入射表面，但第一實(shí)施例也適用于具有不同長度L、相同高度Ve的出射表面和相同高度Vd的入射表面的光學(xué)部件。如果長度L具有一定的自由度，會(huì)出現(xiàn)下述傾向。
如果長度L較大，會(huì)得到在出射表面具有均勻光強(qiáng)分布和高方向性的光分布，出射角的最大值會(huì)趨近于圖2、3和4中的角度θ。因?yàn)椴灰资芄鈱W(xué)部件入射表面上光入射時(shí)的不均勻光分布，例如光源的不均勻光分布的影響，所以此光分布是均勻的。這是因?yàn)槿瓷浯螖?shù)增加，并且在入射時(shí)光源的光分布特性得以減弱。
另一方面，如果長度L較小，出射表面的光強(qiáng)分布會(huì)呈現(xiàn)山形光分布特性，在光軸附近的出射光強(qiáng)較高，向邊緣部分逐漸變低，并且其照明區(qū)域趨于比圖2、3和4中的角度θ寬。在此情況下，其光分布易受在光入射在光學(xué)部件的入射表面時(shí)的不均勻光分布，例如光源的不均勻光分布的影響。這是因?yàn)槿瓷浯螖?shù)少，并且入射時(shí)的光源特性直接反映在出射光特性上。
雖然在光學(xué)部件的上述各實(shí)施例中，相應(yīng)光學(xué)部件7，8和9的光導(dǎo)部分的上下表面7c1，7c2；8c1，8c2；和9c1，9c2為簡單起見畫成平面，但是這些上下表面不必限于平面，也可采用任意形狀例如曲面。
在上下表面為曲面的情況下，由入射表面直接傳輸至出射表面而未接觸上下表面的光線不受影響，呈現(xiàn)與上述各例光學(xué)部件類似的光分布特性，但是大入射角的分量則受到各反射表面形狀的影響，呈現(xiàn)下述特性。
如果光束射至所述任一曲面，此光束的分布特性將根據(jù)曲面形狀而改變。與上下表面為平面的光學(xué)部件相比，在采用外曲面(凸形曲面)的光學(xué)部件中，盡管全反射次數(shù)有所減少，但由于每次全反射的角度調(diào)整量增加，使得其方向性增加。換句話說，采用這種曲面對(duì)于增強(qiáng)光在由光學(xué)部件出射后僅在一特定方向的分布是有效的，例如，若反射后光束被導(dǎo)引至光軸Lab上，可獲得中央部分非常明亮的光分布。然而，整個(gè)光分布容易變得不均勻，并且易受光束入射時(shí)不均勻光分布(例如光源的不均勻光分布)的影響。
另一方面，與上下表面為平面的光學(xué)部件相比，在采用內(nèi)曲面(凹面)的光學(xué)部件中，盡管全反射次數(shù)增加，但每次全反射的角度調(diào)整量減小。因?yàn)橛扇肷浔砻嬷苯觽鬏斨脸錾浔砻娴墓馐鴶?shù)減少，出射光束的光分布不易受入射時(shí)不均勻光分布的影響，使得有可能通過采用比由平面表面構(gòu)成的光學(xué)部件短的結(jié)構(gòu)，獲得均勻的光分布。
下面參照?qǐng)D5至7說明第一實(shí)施例中光學(xué)部件優(yōu)選形狀的數(shù)值關(guān)系。
首先考慮理想狀態(tài)，如果采用的光學(xué)部件的各上下表面5c1和5c2的傾斜角θ如下確定θ＝sin-1((sinβ∞)/n)，(n光學(xué)部件的材料折射率)并且光學(xué)部件的長度L無限延伸，則可最有效地獲得以最大出射角β∞的照明。然而，事實(shí)上這種形狀是大到不實(shí)際的。
在實(shí)際情況下，光學(xué)部件的各上下表面5c1和5c2的傾斜角θ要做得小于上述值，以使整個(gè)出射角變窄，并且使光學(xué)部件的長度L降至實(shí)際長度，使在此條件下不能完全控制的漏光與β∞一致。
圖5至7顯示了基于以上理論計(jì)算的第一實(shí)施例中光學(xué)部件的不同形狀。
圖5至7各顯示了用于獲得相應(yīng)于最大入射角α的最大出射角β∞的結(jié)構(gòu)。在圖5所示結(jié)構(gòu)中，允許最多一次全反射，并使傾斜角θ1和長度L1為最小。在圖6所示結(jié)構(gòu)中，允許最多兩次全反射，并使傾斜角θ2和長度L2為最小。在圖7所示結(jié)構(gòu)中，允許最多四次全反射，并使傾斜角θ3和長度L3為最小。
最大全反射次數(shù)N與實(shí)現(xiàn)該種最小形狀的傾斜角θ之間的關(guān)系為N·θ＝{sin-1((sinα)/n)-sin-1((sinβ∞)/n)}/2并且此時(shí)光學(xué)部件的最短長度L如下確定L=d·cosθ‾·cot{sin-1((sinα)/n)}+cotθcot(2N+1)·θ-cot{sin-1((sinα)/n)}×1+cot2(2N+1)·θ-(d/2)·cotθ]]>由上述關(guān)系，通過利用全反射能夠有效控制光分布的光學(xué)部件形狀的必要條件為，光學(xué)部件的傾斜角θ小于對(duì)應(yīng)于最少全反射次數(shù)即一次全反射的值θ1，并且光學(xué)部件的長度L大于對(duì)應(yīng)于最少全反射次數(shù)的長度L1。
此關(guān)系由下式給定θ≤{sin-1((sinα)/n)-sin-1((sinβ∞)/n}/2}L≥d·cosθ2·cot{sin-1((sinα)/n)}+cotθcot3θ-cot{sin-1((sinα)/n)}×1+cot23θ-(d/2)·cotθ]]>下面說明圖5至7所示形狀的數(shù)值例。
令光學(xué)部件的入射表面高度為Vd，令光學(xué)部件的出射表面高度為Ve，令光學(xué)部件的長度為L，令光學(xué)部件各上下表面的傾斜角為θ，令入射時(shí)的最大有效入射角為α，令在出射表面的最大出射角為β∞，并令光學(xué)部件的材料折射率為n，Vd＝2.1 n＝1.49171(丙烯酸樹酯)α＝60° β∞＝3.0°(Vd，n，α和β∞對(duì)于所有數(shù)值例都是一樣的)θ1＝7.953° L1＝18.1 Ve1＝7.2，θ1＝3.977° L1＝20.6 Ve1＝5.0，θ1＝1.988° L1＝30.6 Ve1＝4.2。
圖8顯示了如此獲得的光分布特性。如所示，最少全反射次數(shù)的形狀呈現(xiàn)的特性曲線在其中央部分達(dá)到最高峰值，并向最大出射角β∞降低。然而，隨著全反射次數(shù)的增加，峰值趨于由中央部分向邊緣部分移動(dòng)。
利用這些特性，有可能選擇一種適于所需照明區(qū)域的照明光學(xué)系統(tǒng)。例如，全反射次數(shù)多的形狀適合用于均勻照明具有一定長度的平面，因?yàn)檫@種形狀能實(shí)現(xiàn)高亮度的邊緣照明。全反射次少的形狀適合用于以強(qiáng)的斑狀光束照明上述平面的中央部分。
第一實(shí)施例的以上說明表明，通過逐漸展寬光學(xué)部件的XY截面區(qū)域，有可能獲得照明光學(xué)系統(tǒng)所需的各種特性。然而，第一實(shí)施例并不只限于上述形狀，例如下列各種形狀的改變也是可以的。
(b1)光學(xué)部件的各上下表面和/或側(cè)表面不是具有不變的傾斜率而是具有多種不同的傾斜。
(b2)光學(xué)部件的各上下表面和/或側(cè)表面具有一個(gè)限定不變截面區(qū)域的部分或者具有一個(gè)限定減小截面區(qū)域的部分。
(b3)光學(xué)部件的光軸Lab不是直的而是以一恒定曲率彎曲的。特別地，其上下表面或其側(cè)表面沿著與光學(xué)部件的截面以一定比率增加的相同方向彎曲。
上述任一形狀的改變不僅使得有可能實(shí)現(xiàn)照相機(jī)機(jī)身內(nèi)空間的有效布置，而且具有如下效果，能實(shí)現(xiàn)均勻光分布并減小入射在光學(xué)部件的入射表面上的不均勻光分布。
如上所述，通過精確設(shè)定既定因素，例如光學(xué)部件的出射表面的高度和寬度，光學(xué)部件的長度L，其出射表面的長度和寬度，上下表面的形狀，側(cè)表面的形狀以及入射表面和出射表面的表面形狀，第一實(shí)施例有可能使得在有效利用光源出射光束時(shí)有效照明一個(gè)物體。
光學(xué)部件5和閃光放電管4在第一實(shí)施例中都用作光源裝置，對(duì)比下面將加以說明。入射表面5a的面積越小，整個(gè)光學(xué)部件5可做得越小。
入射表面5a不遮擋光束的最小面積為對(duì)應(yīng)于閃光放電管4的有效弧長部分形狀的面積。此時(shí)，中央光的量可以增加，但邊緣光的量大大降低，并且不能獲得均勻光分布。另外，由于反射鏡6的結(jié)構(gòu)，若入射表面5a區(qū)域小于閃光放電管4的外徑，則在反射鏡6與光學(xué)部件5的入射表面5a之間存在縫隙，光線通過該縫隙，從而照明效率變低。
如果反射鏡6制成沿其向前方向的開口尺寸內(nèi)逐漸減小，以防止出現(xiàn)縫隙，則反射鏡6內(nèi)的反射次數(shù)增加，照明效率變低。另一方面，如果入射表面5a過寬，出射表面5b需要與入射表面5a面積的增加成比例擴(kuò)大，從而整個(gè)光學(xué)部件5尺寸變大。
由于上述原因，若光學(xué)部件5的入射表面5a具有矩形形狀，則該矩形在Y方向的長度最好如下確定H1≤DY≤2×H2，其中DY表示所述矩形在Y方向的長度，H1和H2分別表示閃光放電管4的內(nèi)外徑。
光學(xué)部件5在軸(X)向的長度以如下方式確定，以便可有效利用出射光。光學(xué)部件5的最小長度最好設(shè)定為等于閃光放電管4的弧長，光學(xué)部件5的最大長度則以下述方式確定，以便考慮閃光放電管4的夾持部分寬度和因光學(xué)部件5的長度增加引起的其整體尺寸的增加HL≤DX≤HL+8(mm)，其中DX表示光學(xué)部件5的入射表面5a在X方向的長度，HL表示閃光放電管4的弧長，mm表示長度單位。
下面描述光學(xué)部件5的各側(cè)表面5d1和5d2的結(jié)構(gòu)。側(cè)表面5d1和5d2最好制成使得所有光束都能不經(jīng)入射任一側(cè)表面5d1和5d2上而被導(dǎo)引至出射表面5b。
特別地，如圖9所示，各側(cè)表面5d1和5d2的傾斜角最好如下確定β≥sin-1(1/n)，其中n表示光學(xué)部件5的材料折射率。
然而，在某些實(shí)際情況下，各側(cè)表面5d1和5d2的傾斜角β由于某些原因必須做小例如，不可能獲得水平(X)方向足夠的開口區(qū)域或足夠長度來聚集光學(xué)部件5邊緣部分垂直方向的光束。在實(shí)際情況下，角β的實(shí)際允許值最大接近于上述角β的1/3。特別地，實(shí)際允許角β最好如下確定{sin-1(1/n)}/3≤β。
附帶地，如果各側(cè)表面5d1和5d2為曲面，則角β為該曲面切線的傾斜角。如果將角β設(shè)定為小于該切線傾角的角度，則光束在經(jīng)側(cè)表面5d1和5d2反射之后，容易由出射表面5b加以全反射，從而增加了光量的損失。如果為不產(chǎn)生光損耗而減小出射表面5b，則未達(dá)到所需折射能力且對(duì)于小空間不能獲得高聚光性能。
下面說明光學(xué)部件5的出射表面5b。出射表面5b需要具有如下形狀，使得所有以最大入射角θmax入射的光束在經(jīng)側(cè)表面5d1和5d2反射之后都能由出射表面5b出射。
下面參照?qǐng)D9說明各數(shù)值關(guān)系。上述條件表示如下入射表面5a的關(guān)系Ψ＝sin-1(sinθmax/n)，出射表面5b的全反射條件φ＜sin-1(1/n)。
由于φ＝α-(2β-Ψ)，α-(2β-Ψ)＜sin-1(1/n)。
因此α≤2βsin-1((sinθmax)/n)+sin-1(1/n)。…(1)上式為以最大入射角θmax入射的光束在出射表面5b不發(fā)生全反射的條件。上式中，α出射表面5b切線的傾斜角，β側(cè)表面5d1或5d2(反射表面)的傾斜角，或者在側(cè)表面5d1或5d2為曲面時(shí)，側(cè)表面5d1或5d2切線傾斜角的最大值，
θmax入射角的最大值，n光學(xué)部件5的材料折射率。
下面說明本發(fā)明第二實(shí)施例。在第一實(shí)施例中，光強(qiáng)分布在中央部分與邊緣部分之間有所不同，且光強(qiáng)分布的中心逐漸外移，逐點(diǎn)向邊緣部分移動(dòng)。相應(yīng)地，光在照明平面上的分布趨勢為，在其中央部分明亮而向其邊緣部分逐漸變暗。
第二實(shí)施例通過將出射表面制成具有正折射本領(lǐng)的曲面(如下所述，曲面形狀是任意的)改善了這種趨勢，并且實(shí)現(xiàn)了小尺寸和高方向性的照明光學(xué)相同。
圖10畫出了表示將出射表面5b制成曲面所需元件的符號(hào)。符號(hào)R表示出射表面5b的曲率半徑。
下面描述根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)部件的光學(xué)過程，它采用球面(透鏡表面)曲面，用作具有正折射本領(lǐng)的出射表面。如果具有正折射本領(lǐng)的制成球面(透鏡表面)曲面的出射表面5b，用于具有最小傾斜角θ類似于圖3所示形狀的光導(dǎo)部分，則出射表面5b的中央部分B的照明角分布和端部C的照明角分布大致相同，并且在出射角βb與各出射角βci和β∞之間沒有實(shí)質(zhì)區(qū)別。
在此情況下，照明平面h的光分布是理想的，因?yàn)樗w上是平坦均勻的，并且在邊緣部分必要照明區(qū)域之外急劇降低。在這種傾斜角θ較小的情況下，若出射表面5b制成一個(gè)大曲率的表面，則會(huì)發(fā)生光的散射，不能達(dá)到所需效果。
如果具有正折射本領(lǐng)的曲面應(yīng)用至光學(xué)部件為具有中間傾斜角θ的光導(dǎo)部分，類似于圖2所示光導(dǎo)部分，則在中央部分B的光分布和在端部C的光分布在自身照明角內(nèi)是大致相等的，但出射光束的中心卻發(fā)生傾斜。這種現(xiàn)象逐點(diǎn)相繼發(fā)生在出射表面上，且出射方向的中心逐漸由中央部分移向邊緣部分，直到在端部C處達(dá)到大致最大偏移量。
與上述曲面用于圖3所示出射表面的情況相比，照明光束的光分布為，照明光量在邊緣部分輕微而緩慢降低，實(shí)際有效照明區(qū)域(具有光強(qiáng)為中心50％的區(qū)域)變窄，且光損耗量增加。如果采用具有類似于圖4所示光導(dǎo)部分最大傾斜角的光學(xué)部件，其光分布趨勢類似于在前述曲面用于圖2所示出射表面5b時(shí)所達(dá)到的趨勢，但這種趨勢增大，即，光分布變得更不均勻并且光損耗量增加。在第二實(shí)施例中，具有平面的上下表面的這種光學(xué)部件的特性，通過出射表面制成曲面得以有效校正。
下面說明最基本的校正方法。由于在出射表面端部C光強(qiáng)分布的中心大致與上(或下)表面的傾斜角θ相一致，通過曲面方式可有效實(shí)現(xiàn)使光束在端部C以近似平行于光軸Lab出射的校正。另外，有必要逐漸改變所述曲面的特性而不使其影響到靠近光軸的中央部分。
第二實(shí)施例基于此原理，并通過例如圖10所示方法實(shí)現(xiàn)校正，其中圖10為光學(xué)部件的截面示意圖。特別地，采用具有以光軸Lab上點(diǎn)E為中心，曲率半徑為R的表面作為校正表面，使得沿連接入射表面5a的端部D與出射表面5b的端部C的直線DC且以傾斜角θ傳播的光線在所述曲面處折射并沿平行于光軸Lab的方向傳播。
端部C的數(shù)值關(guān)系表示為nsinξ＝sin(ξ+θ)， …(2)其中n光學(xué)部件的材料折射率，ξ使光分布中心在端部C處經(jīng)折射后平行于光軸的入射角。
若由圖10所示關(guān)系找出出射表面5b的最佳曲率半徑，則R=(Ltanθ+Vd2)1+tan2(θ+ξ)tan2(θ+ξ)----(3)]]>由式(2)關(guān)系求得Vd，再把所得值代入式(3)，得到大致最佳曲率半徑R。
圖11和12分別顯示了具有對(duì)應(yīng)于圖5和6所示光學(xué)部件形狀且其出射表面5b分別具有滿足式(3)的曲率的光導(dǎo)部件。圖13和14顯示了在出射表面5b具有這種曲率的前后光分布特性變化的一個(gè)例子。由圖11和12可以看出，如果在入射表面5a的光強(qiáng)分布均勻，則有可能在出射表面5b從中心至邊緣的每一點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)大致均勻的光分布。
下面說明一個(gè)實(shí)際數(shù)值例。如果圖5和6所示值相同，則圖11和12所示各光導(dǎo)部分的ξ和R根據(jù)式(2)和(3)取下述值ξ1＝16° R1＝8.9，ξ2＝8°R2＝12.0。
圖13和14說明了發(fā)光管的實(shí)際光分布特性，在如下條件下由其徑向截面的測量，在圖1所示結(jié)構(gòu)中，柱狀光源設(shè)置在距光學(xué)部件的入射表面1mm遠(yuǎn)處，光源除出射光經(jīng)由射入光學(xué)部件的部分外，覆有一個(gè)反射鏡。
在圖13中，虛線表示采用圖5光學(xué)部件時(shí)得到的光分布特性，而實(shí)線表示采用圖11光學(xué)部件時(shí)得到的光分布特性。通過將出射表面5b制成曲面，可獲得如下效果。
首先，視角邊緣部分出現(xiàn)的小于中央部分光強(qiáng)而無助于實(shí)際照明的光束成分向光軸Lab偏移，從而在中央較寬的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了近似均勻的光分布。
相應(yīng)地，在光強(qiáng)為光軸上光強(qiáng)50％區(qū)域的實(shí)際有效成分有大幅度增加，從而有可能實(shí)現(xiàn)高效低損耗照明。另外，由于不必增加光學(xué)部件的長度來獲得這些特性，可使光學(xué)部件的整體外形最小化。
在所示例子中，照明區(qū)域由60°大幅度降至40°，并且在此照明區(qū)域內(nèi)的光強(qiáng)分布保持大致均勻。所示例的分布在偏離中央部分各10°的相對(duì)位置處呈現(xiàn)峰值。這種分布取決于入射在光學(xué)部件的入射表面上的光的特性，也就是說，光強(qiáng)分布特性受光源或反射鏡的限制，出現(xiàn)這種分布的原因在于，在上述結(jié)構(gòu)中，原先應(yīng)該存在于或接近中心的光束由于出射表面制成曲面而減少。
在這種全反射次數(shù)較少的光學(xué)部件中，由于入射在入射表面上的光束的光強(qiáng)分布影響最終光的分布特性，所以下述校正是有效的。
(c1)使入射在光學(xué)部件上光的光強(qiáng)分布獨(dú)立于光源特性而均勻(使入射表面成為漫射(散射)表面，或者在入射表面前插入漫射(散射)表面)。
(c2)設(shè)定出射表面制成曲面的校正方式不是為了使所有點(diǎn)處的光強(qiáng)分布中心彼此一致，而是為了使光強(qiáng)分布中心對(duì)于每一點(diǎn)偏移一定量并使得偏移后的中心互相重疊。
特別地，對(duì)于校正(c2)，需要采用如下方法，通過使出射表面曲率由式(3)值改變一定量來設(shè)定出射表面曲率的方法，或者制作并非簡單曲面如球面而是能夠校正入射在入射表面光的光分布的任意曲面的方法。
在前述設(shè)定所述曲率的方法中，需要指出，如果所述曲率過大，則有一部分光線在出射表面全反射而不能有效利用，而如果所述曲率過小，則不能達(dá)到足夠的校正，不可能進(jìn)行有效的聚光控制。
因此，使所述曲率接近于式(3)表示的曲率半徑是有效的，特別是在出射表面的邊緣部分不發(fā)生全反射的區(qū)域內(nèi)。如果必須防止在出射表面的邊緣部分發(fā)生全反射，則只在邊緣部分增加所述曲率是有效的。這種全反射發(fā)生在下述情況下。
令光在入射表面的最大入射角為α，并令全反射總次數(shù)為N，在端部C以最大角出射的情況下可得下列條件，ξ+θ+{sin-1((sinα)/n-2(N+1)θ}＜sin-1(1/n)。N＝1時(shí)所述曲率最大，并且需要滿足下列條件ξ＜sin-1(1/n)-sin-1((sinα)/n)+3θ。
如果不滿足此條件，則增加邊緣部分的曲率有助于使光束有效出射。
雖然在第二實(shí)施例中，出射表面制成曲面用作具有正折射本領(lǐng)的透鏡部分，但此出射表面并不僅限于這種形狀，可為如前所述的非球面，或者為節(jié)省空間也可采用片狀透鏡如菲涅耳透鏡。
雖然在第二實(shí)施例中上面描述的為理想曲面，但接近于此理想曲面的形狀也能起大體有效的作用，由式(2)和(3)得出的曲率半徑R在最小值Rmin＝R/2與最大值Rmax＝2R之間大體有效。
下面參照?qǐng)D15說明本發(fā)明第三實(shí)施例。第三實(shí)施例目的在于有效的投射光束，并保持其通過利用在入射表面附近設(shè)置的光源的光分布特性在一個(gè)窄區(qū)域內(nèi)得以改進(jìn)的方向性。圖15還表示了代表性的光路，它類似于第一和第二實(shí)施例的光路圖。
第三實(shí)施例特點(diǎn)在于具有正折射本領(lǐng)的曲面設(shè)置為入射表面10a。下面參照?qǐng)D15說明第三實(shí)施例。
在圖15中，數(shù)標(biāo)4表示閃光放電管，數(shù)標(biāo)6表示反射鏡，數(shù)標(biāo)10表示光學(xué)部件，入射表面10a制成具有正折射本領(lǐng)的曲面。在圖15中，光路也以實(shí)線表示。另外，通過與第一和第二實(shí)施例的入射表面類似的平面的光線以雙點(diǎn)劃線表示，以示區(qū)別。
一般地，作為光源的閃光放電管4的出射表面小于光學(xué)部件10的入射表面10a，并且在入射表面10a產(chǎn)生大量趨于沿光軸Lab發(fā)散的成分(光線)。盡管圖15顯示了由閃光放電管4中央部分出射的光束的光路，但幾乎所有光束成分，其中部分由閃光放電管4直接傳播至入射表面10a，而其余經(jīng)反射鏡6的后部反射重新通過閃光放電管4并入射在入射表面10a上，呈現(xiàn)類似于圖15中所示光束的光路特性。如果通過利用這種光源與入射表面10a的位置關(guān)系來提高聚光性能，則將入射表面10a制成具有正折射本領(lǐng)的曲面是有效的。
如所示，與具有平面入射表面類型的光學(xué)部件相比，第三實(shí)施例使得有可能大幅度提高聚光性能。第三實(shí)施例還具有如下效果，即使在如前結(jié)合第一實(shí)施例所述的試圖通過利用表面上下表面10c1和10c2的傾斜來改善方向性的情況下也能減小光學(xué)部件的整體長度。另外，如果將第三實(shí)施例與前面結(jié)合第二實(shí)施例所述的入射表面制成曲面的結(jié)構(gòu)類型相結(jié)合，可減緩入射表面的曲率，從而有可能產(chǎn)生例如減小光損耗并改善光利用效率的效果。
在第二和第三實(shí)施例每個(gè)中，一般透鏡部分的曲面用作形成入射表面或出射表面的曲面。然而，本發(fā)明并僅不限于此種曲面，也可采用任意斜面、二次曲面、菲涅耳透鏡等。
圖16為顯示根據(jù)本發(fā)明照明裝置的第四實(shí)施例主要部分的概略透視圖，圖17和18為顯示其主要部分的概略平面圖和前視圖。在圖16中，相同的標(biāo)記數(shù)字用于表示與圖1所示相同的構(gòu)成部件。
第四實(shí)施例僅在下述等方面區(qū)別于圖1所示第一實(shí)施例。
(d1)出射表面5b包括一個(gè)正折射本領(lǐng)的曲面5b1，設(shè)置在以光軸為中心的中央部分；和與曲面5b1相鄰的平面5b2，設(shè)置在相對(duì)的邊緣部分。
(d2)各平面5b2具有由前述式(1)限定的傾斜角α。
(d3)各上下表面5c1和5c2由自由曲面(任意形狀例如曲面或非對(duì)稱曲面的表面)組成，通過連續(xù)排列連結(jié)由入射表面5a和出射表面5b限定的平面的包絡(luò)形成。
在根據(jù)第四實(shí)施例的光學(xué)部件5中，使出射表面5b的中央部分曲面5b1的曲率盡可能大，以使曲面5b1的尺寸得以減小(光學(xué)部件5縮短)，出射表面5b的各邊緣部分制成具有根據(jù)前述式(1)計(jì)算的最大角α的平面5b2，并且曲面5b1和各平面5b2設(shè)定為互相鄰接。
采用這種結(jié)構(gòu)，有可能實(shí)現(xiàn)具有所需最小尺寸的高效聚光光學(xué)系統(tǒng)，它能免于由在出射表面5b全反射所導(dǎo)致的光損耗。
圖19為顯示構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明照明裝置第五實(shí)施例的光學(xué)部件的主要部分的概略圖。第五實(shí)施例區(qū)別圖16所示第四實(shí)施例僅在于在出射表面5b的中央部分設(shè)置有彼此相鄰的用于聚光的多個(gè)(圖19為兩個(gè))凸形表面5bb1和5bb2。
出射表面的形狀并不限于一個(gè)曲面而可以制成多個(gè)曲面，并且通過以多個(gè)曲面制成出射表面，有可能使光分布產(chǎn)生故意的偏離。
盡管在第五實(shí)施例中采用了具有大致相同形狀的兩個(gè)凸面，但本發(fā)明不必限于這一種形狀，也可采用兩個(gè)較大和較小的凸面或多于兩個(gè)的凸面。
通過以上述方式部分校正所述形狀，可大致校正在照明平面上的局部光分布。
圖20為顯示第六實(shí)施例主要部分的示意圖，其中根據(jù)本發(fā)明的照明裝置3固定在照相機(jī)機(jī)身1上。在圖20中，相同標(biāo)記數(shù)字用以表示與圖1所示相同的構(gòu)件。
第六實(shí)施例與圖1所示第一實(shí)施例僅區(qū)別在下列諸方面。
(e1)在光學(xué)部件5的出射表面5b之前設(shè)置有一個(gè)楔形透明部件(前面板)11，用于沿向下方向或向攝影透鏡折射光束。
(e2)在光學(xué)部件5的上下表面分別設(shè)置有反射板12，而在光學(xué)部件5的側(cè)表面分別設(shè)置有反射板13。各反射板12和13具有一個(gè)內(nèi)表面，設(shè)置為用于導(dǎo)引光束進(jìn)入光學(xué)部件5的反射表面，從而防止由光學(xué)部件5出射的光束被照相機(jī)機(jī)身1吸收。
(e3)光學(xué)部件5的出射表面5b具有一個(gè)近光軸的曲面中央部分和遠(yuǎn)離光軸的平面邊緣部分。
圖21為顯示圖20所示照明裝置3的主要部件的概略平面圖，圖22為顯示圖20所示照明裝置3的主要部件的概略剖面圖。圖21和22各顯示了由閃光放電管發(fā)出的光束通過光學(xué)部件5和楔形透明部件11射向物方的光路。如圖21和22所示，由閃光放電管4發(fā)出的光束在光學(xué)部件5的入射表面5a折射一次并抵達(dá)出射表面5b，并由出射表面5b的大曲率加以聚集。
在部分光束由出射表面5b出射之后，它們由反射板12或13反射并由前面板11出射。前面板11在其截面內(nèi)具有均勻的厚度，因而不影響光分布。
另一方面，在由閃光放電管4發(fā)出的光束中，對(duì)光學(xué)部件5的入射表面5a具有特大入射角的光束，在側(cè)表面5d1和5d2發(fā)生一次全反射，然后由出射表面5b折射并從出射表面5b出射。
以此方式，具有大入射角的成分通過利用在側(cè)表面5d1和5d2的全反射同樣得到有效控制。
然而，如前所述，如果以此方式采用在側(cè)表面5d1和5d2的反射，則光束在出射表面5b發(fā)生全反射，從而可能發(fā)生光損耗。
在第六實(shí)施例中，根據(jù)此點(diǎn)，各側(cè)表面5d1和5d2的傾斜角設(shè)定為β＝30°，出射表面5b的傾斜角設(shè)定為α＝45°，光學(xué)部件5的長度L設(shè)定為15.0，光學(xué)部件5在X方向的長度設(shè)定為26.0，從而在出射表面5b基本不發(fā)生光損耗。
由圖21所示光學(xué)部件的形狀還可看出，光學(xué)部件5對(duì)于由閃光放電管4和反射鏡6組成的出射部分的光軸中心為非對(duì)稱的。特別地，出射表面5b對(duì)于光軸Lab向左(圖21中，向上)偏心。
相應(yīng)地，在光束通過光學(xué)部件5時(shí)，光束中心向左偏移。這樣通過使照明方向?qū)τ谖挥谟邢捱h(yuǎn)處(例如，2米)的物體向左偏移一定量，可實(shí)現(xiàn)有效照明(以校正象差)，因?yàn)殚W光放電管4的出射部分位于照相機(jī)的攝影光學(xué)系統(tǒng)的右上側(cè)，如圖20所示。
圖22顯示了包括閃光放電管4中心的垂直截面，并且顯示了由閃光放電管4的大致中心(光軸中心)出射的光束的光路。
如圖22所示，對(duì)光學(xué)部件5具有小入射角的成分(光束)直接由光學(xué)部件5出射，而具有大入射角的成分在光學(xué)部件5的側(cè)表面5d1和5d2重復(fù)全反射，并由光學(xué)部件5沿大致恒定的方向出射。盡管未畫出，但有關(guān)光學(xué)部件5的上下表面5c1和5c2具有大傾斜角的邊緣光束，也可得到大體類似的控制和聚集。
在此情況下，盡管聚光部分短而至前面板11的距離長，但是由于反射板13的存在使在聚光部分聚集的光束的光分布得以保持并投射向物體。
另外，在第六實(shí)施例中，前面板11沿其截面具有變化的厚度，如圖22所示。這是為了校正與圖21所示水平截面形狀類似的象差。由于在圖20所示照相機(jī)結(jié)構(gòu)中需要使光軸中心向下，故使前面板11由上至下逐漸變厚，如圖22所示，從而使得光軸中心向下一定量。
附帶地，前面板11的水平厚度也可變化，以使光束能在水平方向折射。另外，閃光放電管4的光軸中心與光學(xué)部件5和出射表面5b的照明光軸Lab彼此偏離，以提高照明效率。
第六實(shí)施例也可以下列方式設(shè)置。
(f1)光學(xué)部件的出射表面具有一矩形曲面，且該矩形曲面相對(duì)光學(xué)部件的入射表面傾斜。
(f2)光學(xué)部件的出射表面制成多個(gè)曲面，且相對(duì)光學(xué)部件入射表面的法線非對(duì)稱設(shè)置。
通過上述結(jié)構(gòu)的結(jié)合，有可能實(shí)現(xiàn)高效率薄尺寸的照明裝置，考慮到象差校正它能最佳適應(yīng)于柱狀光源。
圖23為顯示根據(jù)本發(fā)明照明裝置的第七實(shí)施例主要部分的概略透視圖。圖24為圖23所示主要部分的概略平面圖。
在圖20所示第六實(shí)施例中，由于光學(xué)部件5的出射表面5b的曲率較大，在照明裝置安裝于光學(xué)設(shè)備機(jī)身(或照相機(jī)機(jī)身)時(shí)，光學(xué)部件5的側(cè)面部分可插入一個(gè)較深位置。
由于此原因，在第七實(shí)施例中，為使整個(gè)照明裝置最小化，設(shè)置有在水平(X)方向具有正折射本領(lǐng)的菲涅耳透鏡14與光學(xué)部件5的出射表面5b相連或分隔一微小距離。
在圖23和24中，相同的標(biāo)記數(shù)字用以表示與圖1所示相同的構(gòu)件。在第七實(shí)施例中，菲涅耳透鏡14設(shè)置在出射表面上，以便有效地聚集由閃光放電管4出射的光束并將其投射向物體。
附帶地，在第七實(shí)施例中，可使菲涅耳透鏡14的表面傾斜，以使菲涅耳透鏡14的光軸中心與出射部分的光軸中心偏離，從而實(shí)現(xiàn)象差校正。
在第七實(shí)施例中，光學(xué)部件5的上下表面5c1和5c2以及側(cè)表面5d1和5d2也可為平面表面，以利于光學(xué)部件5的制造。
附帶地，根據(jù)本發(fā)明的攝影設(shè)備(例如照相機(jī))以如下方式設(shè)置，使得相應(yīng)實(shí)施例的任一照明裝置固定在或可滑動(dòng)地裝配在照相機(jī)機(jī)身上，從而以高照明效率照明物體。
權(quán)利要求
1.一種閃光裝置，包括一個(gè)光源；和一個(gè)將所述光源發(fā)出的光束投射至物體上的光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)具有一個(gè)呈錐狀朝向所述光源的透明部件，所述透明部件具有一個(gè)入射表面，一個(gè)與該入射表面相對(duì)的出射表面，和一個(gè)位于該入射表面和該出射表面之間的發(fā)射表面，由所述光源發(fā)出的光入射至該入射表面并經(jīng)該反射表面反射后由所述出射表面出射。
2.如權(quán)利要求1所述的閃光裝置，其中所述光學(xué)系統(tǒng)具有一個(gè)凹面反射鏡，用于將所述光源發(fā)出的光反射向所述入射表面。
3.如權(quán)利要求1所述的閃光裝置，其中透明部件由塑料或玻璃制成。
4.如權(quán)利要求1所述的閃光裝置，其中所述反射表面由一全反射表面，或一具有反射膜的表面形成。
5.如權(quán)利要求1所述的閃光裝置，其中所述入射表面具有正折射本領(lǐng)。
6.如權(quán)利要求1所述的閃光裝置，其中所述出射表面具有正折射本領(lǐng)。
7.如權(quán)利要求6所述的閃光裝置，其中所述入射表面具有正折射本領(lǐng)。
8.如權(quán)利要求6所述的閃光裝置，其中所述出射表面在其中央部分具有一個(gè)有正折射本領(lǐng)的凸表面，并在其邊緣部分具有一個(gè)傾斜的平面表面。
9.如權(quán)利要求6所述的閃光裝置，其中所述出射表面具有一個(gè)有正折射本領(lǐng)的凸表面。
10.如權(quán)利要求6所述的閃光裝置，其中所述出射表面具有一個(gè)有正折射本領(lǐng)的菲涅耳透鏡。
11.如權(quán)利要求6所述的閃光裝置，其中所述出射表面具有多個(gè)凸表面，都具有所述的正折射本領(lǐng)。
12.如權(quán)利要求11所述的閃光裝置，其中所述多個(gè)凸表面具有不同曲率。
13.如權(quán)利要求6所述的閃光裝置，其中所述出射表面的光軸相對(duì)于所述光學(xué)系統(tǒng)的光軸傾斜或平行偏離。
14.如權(quán)利要求1所述的閃光裝置，其中所述出射表面具有一相對(duì)所述光學(xué)系統(tǒng)光軸傾斜的平面表面，所述傾斜的平面表面使由其出射的全部光束發(fā)生折射。
15.如權(quán)利要求1所述的閃光裝置，還包括使由所述光源出射的光散射的裝置，所述裝置設(shè)置在或靠近所述入射表面處。
16.如權(quán)利要求1所述的閃光裝置，其中所述出射表面為矩形。
17.如權(quán)利要求1所述的閃光裝置，其中所述入射表面為矩形。
18.如權(quán)利要求1所述的閃光裝置，其中所述光學(xué)系統(tǒng)具有一個(gè)用于使由所述出射表面出射的光聚集的透鏡。
19.如權(quán)利要求18所述的閃光裝置，其中所述透鏡為菲涅耳透鏡。
20.如權(quán)利要求1所述的閃光裝置，其中所述光源具有一個(gè)沿垂直于所述光學(xué)系統(tǒng)光軸方向延伸的閃光放電管。
21.如權(quán)利要求20所述的閃光裝置，其中所述光學(xué)系統(tǒng)沿所述垂直方向延伸，并具有一反射鏡用于將所述閃光放電管發(fā)出的光束反射至所述透明部件。
22.如權(quán)利要求21所述的閃光裝置，其中所述透明部件為一平行于經(jīng)所述垂直方向平面的片狀部件，并且其中所述入射表面和出射表面皆具有在所述垂直方向?yàn)殚L邊的矩形形狀。
23.如權(quán)利要求22所述的閃光裝置，其中令閃光放電管的弧長為HL，令閃光放電管的內(nèi)外徑分別為H1和H2，令所述入射表面在所述垂直方向的長度為DX，而在垂直于所述垂直方向的長度為DY，滿足下列條件H1≤DY≤2×H2，HL≤DX≤HL+8。(單位mm)
24.如權(quán)利要求22所述的閃光裝置，其中令所述反射表面相對(duì)于所述入射表面的傾斜角(若所述反射表面為曲面，則為該曲面切線相對(duì)于所述入射表面的傾斜角)為β，并令所述透明部件的折射率為n，滿足下列條件{sin-1(1/n)}/3≤β。
25.如權(quán)利要求22所述的閃光裝置，其中所述出射表面具有一凸形曲面，令該凸形曲面切線相對(duì)與所述入射曲面垂直的平面的傾斜角為α，令所述反射表面相對(duì)于所述入射表面的傾角(若所述反射表面為曲面，則為該曲面切線相對(duì)所述入射表面的傾角)為β，令所述光源發(fā)出的光束相對(duì)于所述入射表面的最大入射角為θmax，并令所述透明部件的折射率為n，滿足下列條件α≤2β-sin-1((sinθmax)/n)+sin-1(1/n)。
26.如權(quán)利要求22所述的閃光裝置，其中所述透明部件由塑料或玻璃制成。
27.如權(quán)利要求22所述的閃光裝置，其中所述反射表面由一全反射光束的表面，或一具有反射膜的表面形成。
28.如權(quán)利要求22所述的閃光裝置，其中所述入射表面具有正折射本領(lǐng)。
29.如權(quán)利要求22所述的閃光裝置，其中所述出射表面具有正折射本領(lǐng)。
30.如權(quán)利要求29所述的閃光裝置，其中所述入射表面具有正折射本領(lǐng)。
31.如權(quán)利要求30所述的閃光裝置，其中所述出射表面在其中央部分具有一個(gè)有正折射本領(lǐng)的凸形表面，并在其邊緣部分具有一個(gè)傾斜的平面表面。
32.如權(quán)利要求30所述的閃光裝置，其中所述出射表面具有一個(gè)有正折射本領(lǐng)的凸形表面。
33.如權(quán)利要求30所述的閃光裝置，其中所述出射表面具有一個(gè)有正折射本領(lǐng)的菲涅耳透鏡。
34.如權(quán)利要求30所述的閃光裝置，其中所述出射表面具有多個(gè)凸形表面，都具有所述的正折射本領(lǐng)。
35.如權(quán)利要求34所述的閃光裝置，其中所述多個(gè)凸形表面具有不同曲率。
36.如權(quán)利要求30所述的閃光裝置，其中所述出射表面的光軸相對(duì)于所述光學(xué)系統(tǒng)的光軸傾斜或平行偏離。
37.如權(quán)利要求22所述的閃光裝置，其中所述出射表面具有一相對(duì)所述光學(xué)系統(tǒng)光軸傾斜的平面表面，所述傾斜的平面表面使由其出射的全部光束發(fā)生折射。
38.如權(quán)利要求22所述的閃光裝置，還包括使由所述光源出射的光數(shù)射的裝置，所述裝置設(shè)置在或靠近所述入射表面處。
39.如權(quán)利要求22所述的閃光裝置，其中所述光學(xué)系統(tǒng)具有一個(gè)用于使由所述出射表面出射的光聚集的透鏡。
40.如權(quán)利要求18所述的閃光裝置，其中所述透鏡為菲涅耳透鏡。
41.一種包括一個(gè)具有根據(jù)權(quán)利要求1至40任一所述閃光裝置的機(jī)身的攝影設(shè)備。
42.如權(quán)利要求41所述攝影設(shè)備，其中所述閃光裝置是可移動(dòng)的。
43.如權(quán)利要求42所述攝影設(shè)備，其中所述閃光裝置設(shè)置在所述機(jī)身的頂部。
44.如權(quán)利要求41所述攝影設(shè)備，還包括一個(gè)鏡筒。
全文摘要
一種閃光裝置,包括一個(gè)光源和一個(gè)將此光源發(fā)出的光束投射至物體上的光學(xué)系統(tǒng),此光學(xué)系統(tǒng)具有一個(gè)呈錐狀朝向光源的透明部件。此透明部件具有一個(gè)入射表面,一個(gè)與該入射表面相對(duì)的出射表面,和一個(gè)位于該入射表面和該出射表面之間的發(fā)射表面。由光源發(fā)出的部分光束入射至所述入射表面并經(jīng)所述反射表面反射后由所述出射表面出射。
文檔編號(hào)F21V8/00GK1186259SQ97122809
公開日1998年7月1日 申請(qǐng)日期1997年10月9日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月9日
發(fā)明者天明良治 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社