專利名稱：使用帶有透鏡的光導管的光線收集和會聚系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將遍布在較寬收集角內(nèi)的光線收集并會聚到小目標上的照明和投影系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
將電磁輻射收集、會聚并耦合到目標上，比如標準波導，例如單纖維或纖維束，或?qū)㈦姶泡椛漭敵龅酵队皟x的均質(zhì)器中的系統(tǒng)的目的是使在目標處的電磁輻射亮度最大?，F(xiàn)已有幾種將燈發(fā)出的光線收集并會聚的普通系統(tǒng)，用于這種照明和投影應用。
美國專利4757431(’431專利)描述了一種光學收集和會聚系統(tǒng)，在此通過引用而包括其內(nèi)容，該系統(tǒng)采用離軸球形凹面反射器增強照射小目標的通量和到達所述小目標的可收集的通量密度。美國專利5414600(’600專利)提供了另外一種光學收集和會聚系統(tǒng)，在此通過引用而包括其內(nèi)容，該專利描述了橢圓凹面反射器的應用。類似地，美國專利5430634(’634專利)描述了環(huán)形凹面反射器的使用，在此通過引用而包括其內(nèi)容。
’431、’600和’634專利中的系統(tǒng)提供了接近1∶1(等大)的圖像而且保持了來自光源的亮度。然而，隨著為提高所收集的光線量而反射器收集角的增加，這些系統(tǒng)喪失了1∶1的(單位)放大倍數(shù)，因此會降低整個投影系統(tǒng)的性能。因此，在這些系統(tǒng)中，提高收集效率降低了所形成的圖像質(zhì)量。
針對這一問題，在已知的光學收集和會聚系統(tǒng)中，美國專利申請09/604921提供了一種雙拋物面的反射器系統(tǒng)，在此通過引用而包括其內(nèi)容，該系統(tǒng)在很多方面相對于其它已知系統(tǒng)是有益的，包括對于小尺寸的光源獲得1∶1的放大倍數(shù)。
所述光學收集和會聚系統(tǒng)，如圖1(a)所示，使用了兩個通常對稱的拋物面反射器10，11，它們的位置使經(jīng)過第一反射器10反射的光被第二反射器11的相應部分接收。具體而言，從光源12，例如弧光燈，發(fā)出的光被第一拋物面反射器10收集，并沿朝向第二反射器11的光軸校準。所述第二反射器11接收經(jīng)過校準的光束，并將這束光聚焦在位于焦點上的所述目標13上。
為了有利于這種光學系統(tǒng)的描述，圖1中包括從光源12發(fā)出的四種不同光線(a，b，c和d)的光路。當從垂直于所述燈軸的方向看時，從弧光燈輸出的光對著約90°的錐角，如圖1(a)所示。當從平行于所述燈軸的方向看時，從弧光燈輸出的光對著約180°的錐角，如圖1(b)所示。光線a和b指示了所述錐角的范圍。
圖1中的光學系統(tǒng)可以結(jié)合第一拋物面反射器10使用反向反射器14，而捕獲從所述光源12中發(fā)出的沿遠離第一拋物面反射器10的方向的輻射，并將所捕獲的輻射反射而通過所述光源12。具體而言，所述反向反射器14通常為球形，焦點基本上位于所述光源12附近(即，在所述第一拋物面反射器的焦點處)朝向第一拋物面反射器，從而提高經(jīng)過校準的反射光線的強度。
上述雙拋物面光學系統(tǒng)的一個缺點是形成了大輸入角，導致數(shù)字口徑高達1.0。其結(jié)果是，部分光線以相對于所述目標表面非常大的入射角到達所述目標13。這樣高的入射角產(chǎn)生菲涅爾反射，從而造成損失。
在美國申請No.09/669841中，描述了一種雙橢圓面反射器系統(tǒng)，該系統(tǒng)對于小尺寸的光源目標可以提供1∶1的放大倍數(shù)，在此通過引用而包括其內(nèi)容。這種光學收集和會聚系統(tǒng)，如圖2所示，使用了兩個通常對稱的橢圓面反射器20，21，它們的位置使經(jīng)過第一反射器20反射的光被第二反射器21的相應部分接收。具體而言，從光源22發(fā)出的光被第一橢圓面反射器20收集，聚焦于光軸25上，并向第二反射器21發(fā)散。第二反射器21接收發(fā)散光束，將這束光聚焦在位于焦點上的所述目標23上。
從圖2中可以看出，雙橢圓面系統(tǒng)具有與雙拋物面系統(tǒng)同樣的缺點，當光線以大的入射角到達目標時，產(chǎn)生菲涅爾反射。與上述系統(tǒng)相同，高的入射角導致菲涅爾反射，從而造成損失。
在圖3中，可以看到雙橢圓面系統(tǒng)的另一實施例。這種雙橢圓面系統(tǒng)與上述雙拋物面系統(tǒng)和雙橢圓面系統(tǒng)的缺點相同，當光線以大的入射角到達目標時，也會產(chǎn)生菲涅爾反射。
在圖4中，示出了用于上述系統(tǒng)的帶有平輸入表面42的錐形光導管40。如圖4所示，被第二反射器41反射的光線a′，b′，c′和d′會聚在錐形光導管40的平面42上。光導管40的錐度將大輸入角變換成較小的輸出角。所述角度的變換程度取決于錐度。對于具體的系統(tǒng)，輸出角是通過匹配輸出設(shè)備與光導管而進行設(shè)計的。從圖4中可以看出，在光導管40的輸入平面42上，在光線a′和d′之間的輸入角接近180°，即，90°的入射角。由于菲涅爾反射，這種高入射角將會造成很大損失。對于沒有涂層的玻璃或石英光導管，菲涅爾反射損失在入射角大于約75度時非常明顯。
因此，有必要提供一種將來自小光源的光線耦合到照明和投影系統(tǒng)的方法，并降低由于菲涅爾反射造成的損失。

發(fā)明內(nèi)容
一種用于大數(shù)值口徑收集和會聚系統(tǒng)的光耦合元件。所述光耦合元件包括具有中心和曲面的透鏡。所述光耦合元件基本上位于光纖、光纖束或均質(zhì)器的輸入端。所述曲面減小了到達所述光耦合元件輸入端的光的入射角，因此，大大降低了菲涅爾反射。
具體而言，一種收集和會聚系統(tǒng)，包括電磁輻射源和光耦合元件，所述光耦合元件被從輻射源發(fā)出的電磁輻射的至少一部分照亮。所述光耦合元件包括透鏡和錐形光導管，所述透鏡具有中心和繞中心分布的曲面。具有第一光軸和第一焦點的第一反射器布置成基本上對稱地面向具有第二光軸和在所述第二光軸上的第二焦點的第二反射器，因此，所述第一光軸和第二光軸基本上是共線的。為了產(chǎn)生輻射光線，所述輻射源基本上位于靠近第一反射器的第一焦點的位置，所述輻射光線被第一反射器向第二反射器反射，基本上會聚在所述第二焦點上。所述透鏡中心基本上位于靠近第二反射器的第二焦點的位置，所述曲面基本上位于所述中心和第二反射器之間，用于收集電磁輻射并將其傳遞到所述錐形光導管。
通過將電磁輻射源置于第一反射器的焦點上，電磁輻射源發(fā)出的電磁輻射被收集并聚焦到目標上，因此，第一反射器產(chǎn)生從第一反射器反射的輻射光線，該光線基本上會聚在第二反射器的焦點上?；旧习肭蚧颦h(huán)形的光耦合元件設(shè)置成使光耦合元件的中心基本上靠近第二反射器的焦點，借此從第二反射器反射的所述會聚的輻射光線基本上通過所述光耦合元件的基本上彎曲的表面，到達第二反射器的焦點。
從下面結(jié)合附圖的對優(yōu)選實施例的詳細描述中，可以進一步理解本發(fā)明的上述及其它特征和優(yōu)點。


圖1(a)是用于本發(fā)明的實施例的光學收集和會聚系統(tǒng)示意圖；圖1(b)是沿反射器軸線方向觀察，圖1(a)所述實施例的燈和第一反射器的細節(jié)；圖2是用于本發(fā)明的實施例的光學收集和會聚系統(tǒng)示意圖；圖3是圖2所示光學收集和會聚系統(tǒng)變體的示意圖；圖4是現(xiàn)有錐形光導管的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有在光導管輸入端的半球形透鏡的錐形光導管示意圖；圖6(a)是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有連接于一塊光學玻璃的球形透鏡的錐形光導管示意圖；圖6(b)是沿反射器軸線方向觀察，圖6(a)所示實施例的光耦合元件的細節(jié)；以及圖7是用于投影系統(tǒng)的本發(fā)明實施例的示意圖。
具體實施例方式
在圖5中，示出了用于將電磁輻射501發(fā)射到光耦合元件502的收集和會聚系統(tǒng)500，該光耦合元件502包括連接于錐形光導管504的透鏡503，錐形光導管504的截面可以是圓形、方形、矩形或一般為多邊形。
具體而言，所述收集和會聚系統(tǒng)500具有電磁輻射501的輻射源506和光耦合元件502，所述光耦合元件502被至少部分從輻射源506發(fā)出的電磁輻射501照亮。透鏡503具有中心507和繞所述中心507分布的曲面505。具有第一光軸509a和位于第一光軸509a上的第一焦點510的第一反射器508a位于輻射源506周圍，使得輻射源506基本上位于靠近反射器508a第一焦點510的位置。具有第二光軸509b和位于第二光軸509b上的第二焦點511的第二反射器508b基本上與第一反射器508a對稱地布置。第一光軸509a基本上與第二光軸509b共線。
輻射源506產(chǎn)生電磁輻射光線501，并被第一反射器508a反射到第二反射器508b，從而基本上會聚在第二焦點511。中心507基本上位于靠近第二反射器508b的第二焦點511的位置，且曲面505基本上位于中心507和第二反射器508b之間，以收集電磁輻射501。在一個實施例中，曲面505基本上是非球形的。在另一個實施例中，曲面505基本上繞所述中心507徑向分布。在第三個實施例中，曲面505基本上是環(huán)形的。在優(yōu)選實施例中，透鏡503基本上是半球形的。
相對于光耦合元件502的大角度的光照射到透鏡503的曲面505上，大致與曲面505正交。因此，在光耦合元件502的曲面505上的光點大小相對于例如平面減小了。所以，可以使用更小的輸入端。作為選擇，大的輸入表面積導致了較高的能量容差閾值。例如，代替石英，在某些特定應用中可以使用BK7玻璃和其它更低熔點的材料。
取決于特定的應用場合，錐形光導管504的錐形過渡部分可以是直的或彎曲的。透鏡503和錐形光導管504可以做成一體，或分別加工后組裝在一起。如果透鏡503和錐形光導管504是單獨件，透鏡503和錐形光導管504之間的折射指數(shù)應匹配。錐形光導管504上可有涂層，也可以沒有涂層。錐形光導管504的輸出表面可以是曲面以便與特定的應用場合適當匹配。
第一和第二反射器508a和508b可以涂有僅反射電磁輻射譜中預定部分的涂層。例如，所述涂層僅反射可見光輻射、預定波段的輻射、或特定顏色的輻射。第一和第二反射器508a和508b可以是大體上橢圓、環(huán)形、球形或拋物形回轉(zhuǎn)面的一部分。
在另一個實施例中，設(shè)置附加反射器512，以至少反射不直接照射第一反射器508a的那部分電磁輻射的一部分，使其回到第一反射器508a通過第一反射器508a的第一焦點510，從而增加會聚光線的通量強度。在優(yōu)選實施例中，附加反射器512是球形反向反射器，位于與第一反射器508a相對的輻射源506一側(cè)，反射從輻射源506發(fā)出的遠離第一反射器508a的電磁輻射501，使其通過第一反射器508a的第一焦點510朝向第一反射器508a。
在一個實施例中，輻射源506是發(fā)光的弧光燈。輻射源506可以是，例如氙燈、金屬鹵化物燈、HID燈或水銀燈。在另一個替代實施例中，輻射源506是白熾燈。
在一個實施例中，被光耦合元件502收集和會聚的所述電磁輻射501被耦合到波導513，例如單芯光纖、光纖束、熔結(jié)光纖束、多邊形棒、中空反射光導管、或均質(zhì)器。波導513的截面可以是圓形、多邊形、錐形及其組合。光耦合元件502和波導513可以使用例如石英、玻璃、塑料或丙烯酸纖維等材料制成。
在一個實施例中，光纖514被光學耦合元件502和/或波導5 13收集和會聚的電磁輻射501照亮。光纖514傳輸并釋放收集和會聚的電磁輻射501，而在需要的位置提供照明。
在圖6中示出了本發(fā)明的另一個實施例。它包括平截的球面605，其曲率中心607位于錐形光導管604的輸入端。當沿著所述反射器的光軸觀察時，所述球面605對著180°的弧，如圖6(b)所示，但當沿著與所述反射器光軸正交的方向觀察時，對著例如90°的較小弧，如圖6(a)所示。因此，球面605的接收角大致與燈的發(fā)射角匹配，當沿著所述反射器光軸觀察時，燈的發(fā)射角約為180°，但當沿著與所述反射器光軸正交的方向觀察時，燈的發(fā)射角約為90°。
圖6中示出的實施例比圖5中示出的實施例易于制造，因為它需要更少的材料，需要將較小的表面加工到光學質(zhì)量。在圖6示出的進一步改進的實施例中，球面605可以改進以減小象差。例如，可使用非球面和其它適當?shù)谋砻妗?br> 在圖7中示出了使用圖5所示的本發(fā)明實施例的投影系統(tǒng)。會聚透鏡705基本上與錐形光導管704的輸出端703串連?；旧吓c會聚透鏡705串連的投影系統(tǒng)706被光耦合元件702收集、會聚并經(jīng)過會聚透鏡705的電磁輻射照亮。投影系統(tǒng)706傳輸并釋放所收集和會聚的電磁輻射701，而在需要的位置形成投影圖像。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，一種用于收集從電磁輻射源發(fā)出的電磁輻射，并將收集到的電磁輻射聚焦到目標上的方法如下。電磁輻射源位于第一反射器的焦點上。輻射光線由輻射源生成。輻射光線被第一反射器反射。輻射光線會聚在第二反射器的焦點上。基本上半球形的光學耦合元件設(shè)置成其中心基本上靠近第二反射器的焦點。被反射器反射的輻射光線通過光學耦合元件的大體上彎曲的表面到達第二反射器的焦點。
雖然已經(jīng)詳細描述了本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于上述的特定實施例。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以從在此描述的特定實施例作出很多應用和修改，而不脫離本發(fā)明的思想。
權(quán)利要求
1.一種收集和會聚系統(tǒng)，包括電磁輻射源；由所述輻射源發(fā)出的電磁輻射的至少一部分照亮的光學耦合元件，所述光學耦合元件包括透鏡和錐形光導管，所述透鏡具有中心和繞所述中心分布的曲面；第一反射器，具有第一光軸和在所述第一光軸上的第一焦點；第二反射器，具有第二光軸和在所述第二光軸上的第二焦點，所述第二反射器基本上與所述第一反射器對稱地設(shè)置，而使所述第一光軸和所述第二光軸共線；所述輻射源位于所述第一反射器的所述第一焦點附近，產(chǎn)生輻射光線，所述光線從所述第一反射器反射到所述第二反射器，且基本上會聚在所述第二焦點；以及其中，所述中心位于所述第二反射器的所述第二焦點附近，且所述曲面位于所述中心和所述第二反射器之間，以收集所述電磁輻射。
2.如權(quán)利要求1所述的收集和會聚系統(tǒng)，其特征在于，所述曲面基本上是非球面。
3.如權(quán)利要求1所述的收集和會聚系統(tǒng)，其特征在于，所述曲面基本上繞所述中心徑向地分布。
4.如權(quán)利要求1所述的收集和會聚系統(tǒng)，其特征在于，所述透鏡是一個半球。
5.如權(quán)利要求1所述的收集和會聚系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二反射器具有涂層，該涂層僅反射電磁輻射譜的預定部分。
6.如權(quán)利要求5所述的收集和會聚系統(tǒng)，其特征在于，所述涂層僅反射可見光輻射、預定波段的輻射、或特定顏色的輻射。
7.如權(quán)利要求1所述的收集和會聚系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二反射器包括基本上為橢圓形回轉(zhuǎn)表面的至少一部分。
8.如權(quán)利要求1所述的收集和會聚系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二反射器包括基本上為環(huán)形回轉(zhuǎn)表面的至少一部分。
9.如權(quán)利要求1所述的收集和會聚系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二反射器包括基本上為球形回轉(zhuǎn)表面的至少一部分。
10.如權(quán)利要求1所述的收集和會聚系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二反射器包括基本上為拋物線形回轉(zhuǎn)表面的至少一部分。
11.如權(quán)利要求1所述的收集和會聚系統(tǒng)，其特征在于，所述電磁輻射源發(fā)射的一部分電磁輻射直接照射在所述第一反射器上，一部分電磁輻射不直接照射在所述第一反射器上，且所述系統(tǒng)還包括附加反射器，該附加反射器制作并布置成反射不直接照射在所述第一反射器上的那部分電磁輻射的至少一部分，使其經(jīng)過所述第一反射器的第一焦點朝向所述第一反射器，從而增加會聚光線的光通量強度。
12.如權(quán)利要求11所述的收集和會聚系統(tǒng)，其特征在于，所述附加反射器包括球形反向反射器，它設(shè)置在所述輻射源的與所述第一反射器相對的一側(cè)，用于反射所述輻射源沿遠離所述第一反射器的方向發(fā)射的電磁輻射，使其經(jīng)過所述第一反射器的第一焦點朝向所述第一反射器。
13.如權(quán)利要求1所述的收集和會聚系統(tǒng)，其特征在于，所述輻射源包括發(fā)光的弧光燈。
14.如權(quán)利要求13所述的收集和會聚系統(tǒng)，其特征在于，所述弧光燈包括從包括氙燈、金屬鹵化物燈、HID燈，或水銀燈的組中選擇的燈。
15.如權(quán)利要求1所述的收集和會聚系統(tǒng)，其特征在于，所述輻射源包括白熾燈。
16.如權(quán)利要求1所述的收集和會聚系統(tǒng)，其特征在于，所述光耦合元件還包括從包括單芯光纖、光纖束、熔結(jié)光纖束、多邊形棒、中空反射光導管、或均質(zhì)器的組中選擇的波導。
17.如權(quán)利要求16所述的收集和會聚系統(tǒng)，其特征在于，所述波導的橫截面是從包括波導、多邊形波導、錐形波導及其組合的組中選擇的。
18.如權(quán)利要求1所述的收集和會聚系統(tǒng)，其特征在于，所述光耦合元件包括從包括石英、玻璃、塑料或丙烯酸纖維中選擇的材料。
19.如權(quán)利要求1所述的收集和會聚系統(tǒng)，其特征在于，還包括光纖，所述光纖被所述光耦合元件處收集和會聚的輻射照亮，所述光纖釋放出所收集和會聚的輻射，以在所需位置提供照明。
20.如權(quán)利要求1所述的收集和會聚系統(tǒng)，其特征在于，還包括設(shè)置在所述錐形光導管輸出端附近的會聚透鏡；設(shè)置在所述會聚透鏡輸出側(cè)附近的圖像投影系統(tǒng)；被所述光耦合元件處收集和會聚的輻射照亮的圖像，所述投影系統(tǒng)釋放出所收集和會聚的輻射，以顯示圖像。
21.一種光學裝置，用于收集電磁輻射源發(fā)射的電磁輻射并將所述收集的電磁輻射聚焦在光耦合元件上，所述裝置包括電磁輻射源；由所述輻射源發(fā)出的電磁輻射的至少一部分照亮的光學耦合元件，所述光學耦合元件包括透鏡和錐形光導管，所述透鏡具有中心和繞所述中心分布的曲面；第一反射器，具有第一光軸和在所述第一光軸上的第一焦點；第二反射器，具有第二光軸和在所述第二光軸上的第二焦點，所述第二反射器基本上與所述第一反射器對稱地設(shè)置，而使所述第一光軸和所述第二光軸共線；所述輻射源位于所述第一反射器的所述第一焦點附近，產(chǎn)生輻射光線，所述光線從所述第一反射器反射到所述第二反射器，且基本上會聚在所述第二焦點；以及其中，所述中心位于所述第二反射器的所述第二焦點附近，且所述曲面位于所述中心和所述第二反射器之間，以收集所述電磁輻射。
22.如權(quán)利要求21所述的光學裝置，其特征在于，還包括附加反射器，所述附加反射器制作并布置成反射不直接照射在所述第一反射器上的那部分電磁輻射的至少一部分，使經(jīng)過所述第一反射器的第一焦點朝向所述第一反射器，從而增加會聚光線的光通量強度。
23.如權(quán)利要求22所述的光學裝置，其特征在于，所述附加反射器包括球形反向反射器，它設(shè)置在所述輻射源的與所述第一反射器相對的一側(cè)，用于反射所述輻射源沿遠離所述第一反射器的方向發(fā)射的電磁輻射，使其經(jīng)過所述第一反射器的第一焦點朝向所述第一反射器。
24.如權(quán)利要求21所述的光學裝置，其特征在于，所述第一和第二反射器包括基本上為橢圓形回轉(zhuǎn)表面的至少一部分。
25.如權(quán)利要求21所述的光學裝置，其特征在于，所述第一和第二反射器包括基本上為環(huán)形回轉(zhuǎn)表面的至少一部分。
26.如權(quán)利要求21所述的光學裝置，其特征在于，所述第一和第二反射器包括基本上為球形回轉(zhuǎn)表面的至少一部分。
27.如權(quán)利要求21所述的光學裝置，其特征在于，所述第一和第二反射器包括基本上為拋物線形回轉(zhuǎn)表面的至少一部分。
28.一種用于收集電磁輻射源發(fā)射的電磁輻射、并將所述收集的電磁輻射聚焦在目標上的方法，所述方法包括步驟將所述電磁輻射源布置在第一反射器的焦點處；由所述輻射源產(chǎn)生輻射光線；由所述第一反射器朝第二反射器反射所述輻射光線；將所述輻射光線會聚在所述第二反射器的焦點處；設(shè)置基本上為半球形的光耦合元件，使所述光耦合元件的中心基本上接近所述第二反射器的焦點；以及使所述第二反射器反射的輻射光線經(jīng)過所述光耦合元件的基本上彎曲的表面，且朝向所述第二反射器的第二焦點。
29.如權(quán)利要求28所述的用于收集電磁輻射的方法，其特征在于，所述第一和第二反射器包括基本上為拋物線形回轉(zhuǎn)表面的至少一部分。
30.如權(quán)利要求28所述的用于收集電磁輻射的方法，其特征在于，所述第一和第二反射器包括基本上為橢圓形回轉(zhuǎn)表面的至少一部分。
全文摘要
一種用于大數(shù)值口徑的收集和會聚系統(tǒng)的光耦合元件。所述光耦合元件包括具有曲面的透鏡和錐形光導管。所述曲面減小了照在所述光耦合元件輸入端的光線入射角，從而明顯減小菲涅耳反射。通過將電磁輻射源布置在第一反射器的第一焦點上，而使所述輻射源產(chǎn)生從所述第一反射器反射的輻射光線，其中該光線會聚在第二反射器的第二焦點上，可以將輻射源發(fā)射的電磁輻射收集并聚焦在目標上。所述光耦合元件的位置使透鏡的中心基本上接近第二反射器的第二焦點，且所述曲面在第二反射器和所述中心之間。從所述第二反射器反射的會聚輻射光線經(jīng)過所述透鏡的曲面，并到達所述中心。
文檔編號G02B27/00GK1471647SQ01816028
公開日2004年1月28日 申請日期2001年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月20日
發(fā)明者肯尼思·K·利, 肯尼思 K 利 申請人:微陽有限公司