專利名稱：使用雙橢球反射鏡將光源的光耦合到目標(biāo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于收集和會聚電磁輻射的系統(tǒng)，尤其涉及主要包括橢球反射鏡的系統(tǒng)，用于收集從輻射源發(fā)出的輻射和將收集的輻射聚焦到目標(biāo)上。
從光源收集和會聚光的光學(xué)系統(tǒng)通常分為“軸上”(on-axis)和“軸外”(off-axis)。在軸上系統(tǒng)中，反射鏡位于光源和目標(biāo)之間的光軸上。

圖1說明已知的軸上光學(xué)系統(tǒng)，使用有成像透鏡的拋物面反射鏡。拋物面反射鏡具有從焦點(diǎn)發(fā)出的光能基本照準(zhǔn)而與光軸平行傳播的特點(diǎn)。圖1的光系統(tǒng)通過將光源放在焦點(diǎn)上以便照準(zhǔn)來自光源的光使用拋物面反射鏡的這一特點(diǎn)。位于光束中的聚光透鏡接收基本照準(zhǔn)的光能并將其重新引向目標(biāo)。用這種方法，收集光能和將其會聚到目標(biāo)上。使用拋物面反射鏡還允許使用多種類型的濾光鏡來改善光學(xué)系統(tǒng)的性能和耐用性。然而，光的發(fā)散沿著反射鏡持續(xù)變化，近光軸傳播的射線發(fā)散最大。結(jié)果，系統(tǒng)的放大率隨著從光源發(fā)出的光所走的不同的路徑而變化，使系統(tǒng)亮度降低。另外，即使在很好的條件下聚焦透鏡也產(chǎn)生失真圖像，并且在實(shí)際操作中典型地產(chǎn)生圖像尺寸有效地增大和目標(biāo)上的光通量強(qiáng)度減小的異常圖像。
圖2說明另一已知軸上光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用橢球反射鏡，它的特點(diǎn)是將從一個(gè)焦點(diǎn)發(fā)出的所有光都引導(dǎo)到第二焦點(diǎn)。圖2的光學(xué)系統(tǒng)使用橢球反射鏡，光源放在第一焦點(diǎn)，目標(biāo)放在第二焦點(diǎn)。如在以前的系統(tǒng)中，軸上橢球系統(tǒng)的亮度因光發(fā)散沿反射鏡持續(xù)變化而降低，靠近光軸傳播的射線發(fā)散最大。
總地來講，軸上系統(tǒng)在耦合中通常受到損失亮度的基本限制，因此，降低了光學(xué)照明和投射系統(tǒng)的整體效率。具體地說，已知軸上系統(tǒng)中的發(fā)射光束的發(fā)散不希望地依賴于輻射源的發(fā)射角。另外，軸上系統(tǒng)的輸出基本是圓形并且對稱的，因而可能不適于非圓形目標(biāo)，如投射中使用的矩形均化器。
在軸外光學(xué)收集系統(tǒng)中，反射鏡位于光源和目標(biāo)之間的光軸外。例如，圖3說明一種光學(xué)系統(tǒng)，其中光源位于反向反射鏡的焦點(diǎn)上，目標(biāo)位于主反射鏡的焦點(diǎn)上，但反射鏡位于光源和目標(biāo)之間的光軸外。在所說明的光學(xué)系統(tǒng)中，來自光源的光能從反向反射鏡反射并傳播到主反射鏡。然后，光能從主反射鏡反射并會聚到目標(biāo)上。
利用圖3的軸外系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑小時(shí)，對所有角度的光放大率很接近于1比1。當(dāng)系統(tǒng)使用具有較高數(shù)值孔徑的鏡子(例如要從相同光源收集更多光能)時(shí)，以高發(fā)散角反射大角度的光射線，使放大率偏離1比1。而且，放大率減小了在目標(biāo)處的亮度并使光學(xué)系統(tǒng)性能整個(gè)降低了。放大率的偏移量依賴于鏡子的尺寸、曲率半徑以及弧光燈和目標(biāo)的間距。因此，圖3的軸外結(jié)構(gòu)更適于使用較小數(shù)值孔徑的應(yīng)用。
還已經(jīng)知道不同的軸外光學(xué)系統(tǒng)。例如，美國專利許可證No.4,757,431(“’431專利”)提供一種會聚和收集系統(tǒng)，應(yīng)用軸外球形凹面反射鏡，它加強(qiáng)了照射小目標(biāo)的最大光通量強(qiáng)度和由小目標(biāo)可收集的光通量密度的量。美國專利許可證No.5,414,600(“600專利”)和美國專利許可證No.5,430,634(“’634專利”)提供了對’431專利的光學(xué)系統(tǒng)的提高，其中“600專利”的軸外凹面反射鏡是橢球形的，“’634專利”的軸外凹面反射鏡是復(fù)曲面(toroid)的。雖然’634專利中描述的復(fù)曲面系統(tǒng)校正了散光，專利’600的橢球系統(tǒng)提供比’431專利的球形反射鏡更準(zhǔn)確的耦合，但是這些系統(tǒng)都要求將光學(xué)涂層應(yīng)用到高度彎曲的反射表面上，這是相對昂貴且難于以均勻厚度應(yīng)用。
總地來講，已知的軸外光學(xué)系統(tǒng)提供在目標(biāo)處通常接近1比1(即無放大率)的光源圖像并保留了亮度。然而，在已知的軸外系統(tǒng)中，放大率隨著通過增大反射鏡收集角來增大收集的光量而大大偏離1比1。這樣，由于收集來自光源的光能的較大部分而增大光強(qiáng)度，光學(xué)系統(tǒng)的整體性能降低了為了提出已知光學(xué)收集和會聚系統(tǒng)中的問題，美國專利No.09/604,921提供一種軸上的雙拋物面反射鏡系統(tǒng)，它相對于其它已知系統(tǒng)在很多方面具有優(yōu)點(diǎn)，包括小尺寸光源實(shí)現(xiàn)接近1比1的放大率。如圖4所示，該光學(xué)收集和會聚系統(tǒng)使用兩個(gè)通常對稱的拋物面透鏡，放置成使從第一反射鏡反射的光在第二反射鏡的相應(yīng)區(qū)段接收。具體地說，從光源發(fā)出的光由第一反射鏡收集并沿光軸向第二反射鏡照準(zhǔn)。第二反射鏡接收照準(zhǔn)的光束并將其聚焦到位于該焦點(diǎn)的目標(biāo)上。
為了方便描述該光學(xué)系統(tǒng)，圖4包括用于發(fā)自光源的3條不同射線(a，b，c)的光路。射線a在與第一拋物面反射鏡相交之前傳播了相對小的距離，但是在第一拋物面反射鏡的射線a的發(fā)散相對大。相反，射線c在光源和第一拋物面反射鏡之間傳播的更遠(yuǎn)，但在第一反射鏡的發(fā)散相對較小。位于射線a和c之間的射線b在與第一拋物面反射鏡相交之前傳播了中等距離并且發(fā)散中等。在這個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中，由于兩個(gè)拋物面反射鏡對稱，射線a，b，c在第二拋物面反射鏡的相應(yīng)位置反射，使得在第二拋物面反射鏡和目標(biāo)之間每條射線的距離與在光源和第一拋物面反射鏡之間的距離相同。以這種方法，第二反射鏡補(bǔ)償了發(fā)散。結(jié)果，光學(xué)系統(tǒng)以接近1比1的放大率收集和會聚來自光源的光能并保存了光源的亮度。
圖4的光學(xué)系統(tǒng)還可使用與第一拋物面反射鏡結(jié)合的反向反射鏡，以捕獲由光源在離開第一拋物面反射鏡的方向發(fā)出的輻射并且通過光源將捕獲的輻射反射回去。具體地說，反向反射鏡具有一般球形的形狀，焦點(diǎn)位于基本靠近光源(即，在第一拋物面反射鏡的焦點(diǎn))朝向第一拋物面反射鏡，從而增大了從其反射的照準(zhǔn)射線的強(qiáng)度。
上述軸上的雙拋物面光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)缺陷是因?yàn)楣庠捶浅＝咏瓷溏R的頂點(diǎn)側(cè)。結(jié)果，該系統(tǒng)在光源附近產(chǎn)生大角度的發(fā)散(即，沿著類似于射線a的路徑)。具體地說，大角度的發(fā)散使沿著類似于射線a的路徑傳播的光能在第二拋物面反射鏡上包圍了相對較大的區(qū)域，因此產(chǎn)生了不需要的異常和亮度損失。
考慮到已知光學(xué)收集和會聚系統(tǒng)中的這些缺陷，目前需要耦合來自小光源光到照明和投影系統(tǒng)的改進(jìn)的方法和系統(tǒng)。
反向反射鏡可以與第一反射鏡結(jié)合使用以在離開第一反射鏡的方向捕獲由該光源發(fā)出的輻射和將捕獲的輻射通過光源朝向第一反射鏡反射回，從而增大從其反射的射線的強(qiáng)度。
第一和第二反射鏡的形狀可以按系統(tǒng)需要與橢球不同。類似地，第一和第二反射鏡可以有復(fù)曲面或近似橢球的球形。
圖1是已知軸上會聚和收集光學(xué)系統(tǒng)的截面的示意圖，它使用拋物面反射鏡和聚焦透鏡；圖2是已知軸上會聚和收集光學(xué)系統(tǒng)的截面的示意圖，它使用橢球反射鏡；
圖3是已知軸外會聚和收集光學(xué)系統(tǒng)的截面的示意圖；圖4是已知軸上會聚和收集光學(xué)系統(tǒng)的截面的示意圖，它使用兩個(gè)拋物面反射鏡；圖5是軸外會聚和收集光學(xué)系統(tǒng)的截面的示意圖，它使用按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的兩個(gè)橢球反射鏡；圖6是會聚和收集光學(xué)系統(tǒng)的截面的示意圖，它使用按照本發(fā)明的替換實(shí)施例的偏心距更大的兩個(gè)反射鏡；和圖7A-7J是可應(yīng)用于本發(fā)明多個(gè)實(shí)施例中的多個(gè)波導(dǎo)目標(biāo)的截面示意圖。示例的實(shí)施例的詳細(xì)敘述現(xiàn)在參考附圖描述本發(fā)明的示例的實(shí)施例。這些實(shí)施例說明了本發(fā)明的原理，而不應(yīng)視為限制本發(fā)明的范圍。
參考作為本發(fā)明代表性的最佳實(shí)施例表示的圖5-6，本發(fā)明與以下4個(gè)主要部件相關(guān)1.電磁源電磁源10最好是具有封套12的光源。最優(yōu)選地，源10包括諸如氙燈、金屬鹵化物燈、HID燈或汞燈的弧光燈。對于某些應(yīng)用，可以使用例如鹵化物燈的白熾燈，正如下面更詳細(xì)地描述的，假定修改該系統(tǒng)以適應(yīng)該燈的非不透明燈絲。但是，可以使用與目標(biāo)尺寸類似或比它小的任何電磁輻射源(例如，光纖、白熾燈、氣體放電燈、激光、LED、半導(dǎo)體等)。
這里的電磁源的尺寸由強(qiáng)度等高線圖的1/e強(qiáng)度較好地定義，強(qiáng)度等高線圖描繪光源的亮度(角范圍上的光通量密度)。亮度與弧隙的尺寸有關(guān)并確定耦合效率的理論限制。對于弧光燈的具體情況，等高線近似軸對稱并且是電額定值、電極設(shè)計(jì)和組成、氣壓、弧隙尺寸和氣體組成的復(fù)合函數(shù)。對于具有非球面彎曲的封套的弧光燈的具體情況，由反射鏡映像的光源的有效相關(guān)位置和強(qiáng)度分布出現(xiàn)異常。這是由主要起著透鏡功能并且要求補(bǔ)償光學(xué)組件的封套的形狀引起的。光學(xué)補(bǔ)償可以通過修改反射鏡的設(shè)計(jì)來補(bǔ)償封套引起的散光或通過在光源和目標(biāo)之間插入校正光來實(shí)現(xiàn)。另外，光學(xué)涂層可以應(yīng)用到封套上使費(fèi)涅耳反射最小化并從而使目標(biāo)處可收集的輻射最大化，或者控制和/或?yàn)V除輻射通量。
2.第一橢球反射鏡第一橢球反射鏡20最好包括具有光軸22以及焦點(diǎn)24和26的回轉(zhuǎn)橢球部分。第一橢球反射鏡20最好有反射涂層28(例如鋁或銀)和表面是高度拋光的。對于某些應(yīng)用，第一橢球反射鏡20可以用以波長選擇的多層不導(dǎo)電涂層涂覆的玻璃制成。例如，在可見光應(yīng)用中，涂層28可以是用只在可見波長具有高反射率的冷涂層。將光源10放在第一橢球反射鏡的第一焦點(diǎn)24上，將與反射鏡20接觸的電磁輻射作為會聚到反射鏡20的第二焦點(diǎn)26的能量束反射。當(dāng)光源20為弧光燈時(shí)，該弧隙最好比第一橢球反射鏡20的焦長小。
3.第二橢球反射鏡第二橢球反射鏡30最好包括具有光軸32以及焦點(diǎn)34和36的回轉(zhuǎn)橢球部分。第二反射鏡30也可有涂層38，如上所述的選擇地反射光能。第二橢球反射鏡30可以與第一反射鏡20不同，但與第一橢球反射鏡20最好是基本相同尺寸和形狀。
放置和定向第二橢球反射鏡30，以便第一橢球反射鏡20反射的電磁輻射會聚在第二橢球反射鏡30的第二焦點(diǎn)36。輻射繼續(xù)直到照射到第二橢球反射鏡30的表面，然后向著第二橢球反射鏡30的第一焦點(diǎn)34聚焦。為了實(shí)現(xiàn)第一橢球反射鏡20和第二橢球反射鏡30之間的單位放大(即，聚焦圖像與光源的尺寸基本相同)，重要的是由第一橢球反射鏡20的表面部分反射和聚焦的每條電磁輻射的射線都由第二橢球反射鏡30的相應(yīng)的表面部分反射和聚焦，以便實(shí)現(xiàn)以最大可能的亮度在第一焦點(diǎn)34聚焦。在本說明書的上下文中，第一橢球反射鏡20和第二橢球反射鏡30相互定向并定位以便由第一橢球反射鏡20表面部分照準(zhǔn)的每條電磁輻射的射線由第二橢球反射鏡30的相應(yīng)表面部分聚焦稱為相互“光學(xué)對稱”定位反射鏡。
4.目標(biāo)目標(biāo)50是要求以可能最高的強(qiáng)度照射的小物體。在最佳實(shí)施例中，目標(biāo)50是波導(dǎo)，諸如單芯光纖、熔接光纖束、光纖束，如圖6所示的。目標(biāo)的輸入端(例如光纖的近端)放置在第二橢球反射鏡30的第一焦點(diǎn)34，以接收第二橢球反射鏡30反射的電磁輻射的聚焦射線。
當(dāng)本發(fā)明的光學(xué)收集和會聚系統(tǒng)應(yīng)用來照射或投影圖像時(shí)，需在目標(biāo)均化輸出強(qiáng)度輪廓，以便輸出更均勻。例如，對于諸如內(nèi)窺鏡在醫(yī)療過程期間的照明，希望具有均勻的照明以便醫(yī)生可以相等的清晰度觀察照射的中心和周邊區(qū)域。在使用光纖照射的情況下，均勻強(qiáng)度允許將更高的功率耦合到特定的光纖構(gòu)成中而不被熱點(diǎn)損壞。在投影的情況下，需以均勻的強(qiáng)度在屏幕上產(chǎn)生均勻強(qiáng)度的輪廓。具體地說，希望所顯示圖像的中心和周邊具有相等亮度水平的視覺美感。
因此，目標(biāo)可以是均化器，如圖5所示的，它調(diào)節(jié)輸出強(qiáng)度輪廓。波導(dǎo)截面可以是如圖7A-7F所示的多角形(正方形、矩形、三角形等)或截面如圖7G-7H所示的是圓的(圓或橢圓等)。
取決于數(shù)值孔徑和尺寸的輸出要求，均化器可以是從小到大或從大到小的錐形。因此，目標(biāo)50可以是如圖7I所示的增大錐形波導(dǎo)，或如圖7J所示的減小錐形波導(dǎo)。以這種方法，均化器允許照明輸出形狀的改變。例如在圖像源60放置在目標(biāo)50的輸出流中經(jīng)聚光透鏡80和投影透鏡90產(chǎn)生投影圖像70的投影顯示中，根據(jù)顯示的格式，均化器理想的輸出回是具有寬高比為4∶3或16∶9的矩形，或其它比例。無論如何，兩個(gè)方向中的照明輻射的角度應(yīng)近似，以便圓形投影透鏡90可以有效地與光學(xué)系統(tǒng)一起使用。
根據(jù)本發(fā)明更廣的方面，雖然目標(biāo)和光源是與本發(fā)明的收集和會聚系統(tǒng)密切相關(guān)的，但是本發(fā)明涉及使用尺寸和形狀基本相同的兩個(gè)反射鏡，以便共享一個(gè)焦點(diǎn)(即，第一橢球反射鏡20的第二焦點(diǎn)26和第二橢球反射鏡30的第二焦點(diǎn)36位于基本相同的位置)。
繼續(xù)描述收集和會聚系統(tǒng)，在圖5-6所示的配置中，第一橢球反射鏡20和第二橢球反射鏡30以彼此相反的面對關(guān)系放置，以便彼此朝向凹進(jìn)。在圖5-6的配置中通過安排第一橢球反射鏡20和第二橢球反射鏡30來實(shí)現(xiàn)光學(xué)對稱，以便它們各自的光軸22和32共線，以便第一橢球反射鏡20的反射表面與第二橢球反射鏡30的相應(yīng)反射表面是相反的面對關(guān)系，實(shí)現(xiàn)單位放大。
圖5-6中，考慮到光源10產(chǎn)生的電磁輻射的不同可能的路徑，畫出3條射線a，b和c來說明反射鏡的功能。圖5-6中，射線a，b和c是與圖4中基本相同的位置，以便說明本光學(xué)系統(tǒng)減小異常的效果。從光源10發(fā)出的每條射線a，b和c在不同的點(diǎn)照射第一橢球反射鏡20，每個(gè)點(diǎn)與光源10距離不同。但是每條射線a，b和c也從第二橢球反射鏡30的相應(yīng)位置聚焦到目標(biāo)50上，因此，3條射線產(chǎn)生1∶1放大率。
如前所述，射線a到光源10和第一橢球反射鏡20的距離近，因此與射線b和c相比產(chǎn)生較大發(fā)散。利用本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)，來自光源的輻射從第一反射鏡20的第一焦點(diǎn)24聚焦到第二焦點(diǎn)26。結(jié)果，該輻射從源10傳播的距離比使用拋物面反射鏡的圖4系統(tǒng)中的相應(yīng)距離相對大，即使是諸如射線a以高角度發(fā)出的輻射。因?yàn)檫@時(shí)射線a，b和c的距離相對更均勻，所以較大的距離減小了異常量。
為了進(jìn)一步減小異常，圖6顯示了本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中第一和第二橢球反射鏡20’和30’具有更大的偏心距(即，第一和第二橢球反射鏡更圓)。由于本實(shí)施例中第一和第二橢球反射鏡20’和30’更彎曲，第一橢球反射鏡20’的第一焦點(diǎn)24’和第二橢球反射鏡30’的第一焦點(diǎn)34’之間的距離減小了。同時(shí)，橢球反射鏡20’和30’的更大的彎曲增加了第一橢球反射鏡20’和其沿射線a的第一焦點(diǎn)24’之間的距離。類似地，第二橢球反射鏡30’和其沿射線a的第一焦點(diǎn)34’之間的相應(yīng)距離增大了。結(jié)果，對于圖6中射線a，b和c，輻射源10’和第一反射鏡20’之間的傳播距離(以及光源10’和目標(biāo)50’之間的總距離)與圖5的實(shí)施例相比相對更均勻。這個(gè)特點(diǎn)允許該系統(tǒng)在光源和目標(biāo)之間產(chǎn)生較小的異常，即使用在光軸22’附近傳播的電磁能量，諸如類似于射線a的能量傳播路徑。
通過比較圖5和6中相同射線c的路徑，可看到圖6的實(shí)施例使用覆蓋橢球更大部分的反射鏡20’和30’，以便從光源10收集相同角的輸出輻射。然而，可以看到，圖6中的反射鏡20’和30’與圖5中的反射鏡20’和30’直徑幾乎相同。
如圖5和6所示的，本發(fā)明的收集和會聚系統(tǒng)可以包括使用反向反射鏡40，在說明的實(shí)施例中，它是球面反向反射鏡。放置反向反射鏡40以捕獲由光源10發(fā)出的電磁輻射，否則它不會照射在第一橢球反射鏡20。更具體地說，構(gòu)成和安排球面反向反射鏡40使在從離開第一橢球反射鏡20的方向由光源10發(fā)出的射線由反向反射鏡40通過第一橢球反射鏡20的第一焦點(diǎn)24反射回去，然后朝向第一橢球反射鏡20。由第一橢球反射鏡20反射的這一附加輻射被加到直接從光源10照射第一橢球反射鏡20的輻射中，從而增加了朝向第二橢球反射鏡30反射的輻射強(qiáng)度。結(jié)果，在第二橢球反射鏡30的第一焦點(diǎn)34的輻射強(qiáng)度也增大了。
如果白熾燈用作光源10，不能定向反向反射鏡，所以將輻射通過第一橢球反射鏡20的第一焦點(diǎn)24聚焦回去，因?yàn)榉聪蚍瓷涞妮椛鋾晃挥诘谝唤裹c(diǎn)24的不透明燈絲阻擋。這種情況下，應(yīng)調(diào)節(jié)反向反射鏡40的位置，以便反向反射的輻射經(jīng)過第一焦點(diǎn)24附近而不精確地通過它。
應(yīng)當(dāng)理解，已經(jīng)知道了幾種不同的反向反射鏡40并且可應(yīng)用在本發(fā)明中。例如，作為對球形反向反射鏡40的替換，反向反射功能可由具有與光源10的弧尺寸相同數(shù)量級或較小的單位組件的二維直角立方體陣列(corner cubearray)(未示出)來執(zhí)行。應(yīng)用二維直角立方體陣列不需要精確地定位反向反射鏡并且在光源10的弧上產(chǎn)生更緊密的聚焦(tighter focus)。
還應(yīng)當(dāng)理解，雖然上述實(shí)施例描述了具有橢球形的第一和第二反射鏡的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)知道和本發(fā)明先提出的，第一和第二反射鏡20和30可以近似使用與理想幾何橢球形稍微不同的形狀。例如，第一和第二反射鏡20和30可以有變化的橢球形狀以補(bǔ)償不同的參數(shù)，諸如球形封套等。這種情況下，一般橢球反射鏡20和30的形狀偏差可能是小的，而最終輸出可能與最佳時(shí)略不同。也可以引入反射鏡形狀的偏差來減小反射鏡20和30的成本，或提高特定燈的類型和弧形的性能。例如，已經(jīng)知道和本發(fā)明先提出的，橢球反射鏡20和30可以是近似于復(fù)曲面反射鏡(有兩個(gè)垂直且半徑不等的曲率)或球形反射鏡，它可以相對較低的成本制造。如果使用非橢球反射鏡，輸出偶合可能不是最佳，但第一和第二反射鏡20和30減少的費(fèi)用可以足以證明通過不充分耦合的損失是正當(dāng)?shù)摹?br> 現(xiàn)在提供本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)例。這些實(shí)例意圖說明本發(fā)明的一些可能的實(shí)現(xiàn)方式但不是要限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)例按照本發(fā)明的第一對示例的光學(xué)系統(tǒng)使用低瓦數(shù)燈(100瓦數(shù)量級)作為光源。在按照圖5的實(shí)施例的反射系統(tǒng)中，第一和第二反射鏡的直徑都為2.5英寸，光源和目標(biāo)之間的間隔(即焦點(diǎn)間距)大約5英寸。相反，按照圖6所示的實(shí)施例的更大偏心距的低瓦數(shù)反射系統(tǒng)使用類似尺寸的第一和第二反射鏡，其直徑均約2.5英寸，但光源和目標(biāo)之間的距離約2英寸。
在較高瓦數(shù)的應(yīng)用中，光學(xué)系統(tǒng)相對較大，提供較高電磁能量級的可希望的收集并適應(yīng)可能更大的燈。例如，當(dāng)使用高瓦數(shù)的燈時(shí)，用圖5結(jié)構(gòu)的5000瓦數(shù)量級，每個(gè)主反射鏡直徑為20英寸，光源和目標(biāo)之間的間距約為40英寸。如上所述，圖6的實(shí)施例使用類似尺寸的主反射鏡，但導(dǎo)致光源和目標(biāo)之間距離減小。例如，按照圖6實(shí)施例的示例的高瓦數(shù)光學(xué)系統(tǒng)也使用直徑約20英寸的第一和第二反射鏡，但光源和目標(biāo)之間的距離為16英寸。
結(jié)論本發(fā)明已經(jīng)描述了，很明顯，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以許多方法進(jìn)行變化而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。任何這樣的修改都包括在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)裝置，包括電磁輻射源；要用由所述光源發(fā)出的至少部分電磁輻射照射的目標(biāo)；第一反射鏡，具有光軸和在所述光軸上的第一和第二焦點(diǎn)，所述光源放置在所述第一反射鏡的所述第一焦點(diǎn)附近以產(chǎn)生從所述第一反射鏡反射并且基本會聚在所述第二焦點(diǎn)的輻射的射線；和第二反射鏡，具有光軸和在所述第二反射鏡的所述光軸上的第一和第二焦點(diǎn)，所述目標(biāo)位于所述第二反射鏡的所述第一焦點(diǎn)附近，以接收通過所述第二反射鏡的所述第二焦點(diǎn)并由所述第二反射鏡反射而基本上會聚在所述第二反射鏡的所述第一焦點(diǎn)的輻射的射線，相對于所述第一反射鏡放置和定向所述第二反射鏡，以便所述第一反射鏡的所述第二焦點(diǎn)和所述第二反射鏡的所述第二焦點(diǎn)基本接近定位，并且所述第一反射鏡的所述光軸和所述第二反射鏡的所述光軸是基本共線的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的收集和會聚系統(tǒng)，其中第一反射鏡和第二反射鏡是大約相同的尺寸和形狀，并且具有彼此相應(yīng)的尺寸和光朝向，以便由所述第一反射鏡的表面部分反射的基本上每條輻射的射線都由所述第二反射鏡的相應(yīng)表面部分朝向所述目標(biāo)反射，以便在光源和目標(biāo)之間基本實(shí)現(xiàn)單位放大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的收集和會聚系統(tǒng)，其中所述第一反射鏡具有只反射電磁輻射光譜的預(yù)定部分的涂層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的光學(xué)裝置，其中所述涂層只反射可見光輻射、預(yù)定頻帶的輻射或特殊顏色的輻射。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中所述第一和所述第二反射鏡都包括至少一部分基本上回轉(zhuǎn)的橢球。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的光學(xué)裝置，其中所述第一和所述第二反射鏡還包括非橢球段。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中所述第一和所述第二反射鏡各個(gè)包括至少一部分基本上回轉(zhuǎn)的復(fù)曲面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中所述第一和所述第二反射鏡各個(gè)包括至少一部分基本上回轉(zhuǎn)的球體。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中由所述電磁輻射光源發(fā)出的電磁輻射的一部分直接照射在所述第一反射鏡上，而一部分電磁輻射不直接照射在所述第一反射鏡，和其中所述裝置還包括附加反射鏡，構(gòu)成和安排用來將不直接照射在所述第一反射鏡反射的至少部分電磁輻射部分朝向所述第一反射鏡反射，經(jīng)過所述第一反射鏡的第一焦點(diǎn)，以增大會聚射線的光通量強(qiáng)度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的光學(xué)裝置，其中所述附加反射鏡包括設(shè)在對著所述第一反射鏡的所述光源一側(cè)的球形反向反射鏡，以將從所述光源發(fā)出的電磁輻射在離開所述第一反射鏡的方向朝著所述第一反射鏡反射經(jīng)過所述第一反射鏡的第一焦點(diǎn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中所述第一和第二反射鏡的所述光軸基本相互重合，其中所述第一和第二反射鏡彼此相反面對關(guān)系布置。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中所述光源包括發(fā)光弧光燈。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的光學(xué)裝置，其中所述弧光燈包括從氙燈、金屬鹵化物燈、HID燈或汞燈組成的組中選出的燈。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中所述光源包括白熾燈。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中所述目標(biāo)包括從包括單芯光纖、光纖束、熔合光纖束、多角桿、中空反射光管或均化器的組中選擇的波導(dǎo)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的光學(xué)裝置，其中所述波導(dǎo)是從圓形截面波導(dǎo)、多角形截面波導(dǎo)、錐形波導(dǎo)和它們的組合組成的組中選出的。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的光學(xué)裝置，其中所述波導(dǎo)是矩形的以產(chǎn)生具有寬高比為4∶3或16∶9的輻射輸出。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，還包括在所述目標(biāo)收集和會聚的輻射照射的圖像源，其中所述圖像源包含存儲的圖像，所述存儲圖像由輻射投影。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，還包括光纖，該光纖由在所述目標(biāo)收集和會聚的輻射照射，該光纖釋放收集和會聚的輻射以在在希望的位置提供照射。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中第一和第二反射鏡各個(gè)具有比光源和目標(biāo)之間的距離大的直徑。
21.一種光學(xué)裝置，用于收集由電磁輻射源發(fā)出的電磁輻射和將收集的輻射聚焦到目標(biāo)上，所述裝置包括第一反射鏡，包括至少一部分的回轉(zhuǎn)的凹曲線，所述第一反射鏡具有光軸和所述光軸上的至少兩個(gè)焦點(diǎn)，當(dāng)電磁輻射源位于所述第一反射鏡的第一焦點(diǎn)時(shí)，所述第一反射鏡產(chǎn)生從所述第一反射鏡反射在所述第一反射鏡的第二焦點(diǎn)會聚的輻射的射線，和第二反射鏡，包括至少一部分的回轉(zhuǎn)的凹曲線，所述第二反射鏡具有光軸和所述光軸上的至少兩個(gè)焦點(diǎn)，相對于所述第一反射鏡放置和定向所述第二反射鏡，以便第一反射鏡的光軸和第二反射鏡的光軸是基本共線的，相對于所述第一反射鏡放置和定向所述第二反射鏡，使得第一反射鏡的第二焦點(diǎn)和第二反射鏡的第二焦點(diǎn)基本上接近放置，從所述第一反射鏡反射的會聚輻射射線通過第一反射鏡的第二焦點(diǎn)，而由所述第二反射鏡重新引導(dǎo)朝向靠近所述第二反射鏡的第二焦點(diǎn)放置的目標(biāo)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的光學(xué)裝置，其中所述第一反射鏡和所述第二反射鏡具有基本相同的尺寸和形狀，并且彼此光學(xué)對稱地定向，以便由所述第一反射鏡的表面部分反射的每條輻射射線由所述反射鏡的相應(yīng)表面部分朝向所述目標(biāo)反射，以在光源和目標(biāo)之間實(shí)現(xiàn)基本單位放大。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的光學(xué)裝置，還包括附加反射鏡，構(gòu)成和安排用來將不直接照射在所述第一反射鏡的由光源發(fā)出的至少部分的電磁輻射部分朝向所述第一反射鏡反射，經(jīng)過所述第一反射鏡的第一焦點(diǎn)以增加會聚射線的光通量強(qiáng)度。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的光學(xué)裝置，其中所述附加反射鏡包括放置在對著所述第一反射鏡的光源側(cè)的球形反向反射鏡，以將從該光源發(fā)出的電磁輻射在離開所述第一反射鏡的方向朝向所述第一反射鏡反射，經(jīng)過所述第一反射鏡的第一焦點(diǎn)。
25.根據(jù)權(quán)利要求21的光學(xué)裝置，其中所述第一和第二反射鏡的所述光軸基本相互重合，其中所述第一和第二反射鏡彼此相反面對關(guān)系安排。
26.根據(jù)權(quán)利要求21的光學(xué)裝置，其中所述第一和所述第二反射鏡各個(gè)包括至少一部分基本上回轉(zhuǎn)的橢球。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的光學(xué)裝置，其中所述第一和第二反射鏡各個(gè)還包括非橢球段。
28.根據(jù)權(quán)利要求21的光學(xué)裝置，其中所述第一和所述第二反射鏡各個(gè)包括至少一部分基本上回轉(zhuǎn)的復(fù)曲面。
29.根據(jù)權(quán)利要求21的光學(xué)裝置，其中所述第一和所述第二反射鏡均包括至少一部分基本上回轉(zhuǎn)的球體。
30.根據(jù)權(quán)利要求21的光學(xué)裝置，其中第一和第二反射鏡均具有比光源和目標(biāo)之間的距離大的直徑。
31.一種用于收集由電磁輻射源發(fā)出的電磁輻射和將收集的輻射聚焦到目標(biāo)上的方法，所述方法包括步驟將所述電磁輻射源放置在第一橢球反射鏡的第一焦點(diǎn)，以便所述第一反射鏡產(chǎn)生從所述第一反射鏡反射的、會聚在所述第一反射鏡的第二焦點(diǎn)的輻射射線；放置第二橢球反射鏡，以便第二橢球反射鏡的第一焦點(diǎn)基本上接近第一反射鏡的第二焦點(diǎn)，從而從所述第一反射鏡反射的會聚輻射射線通過第一反射鏡的第一焦點(diǎn)，并由所述第二反射鏡重朝向所述第二反射鏡的第二焦點(diǎn)反射；和將目標(biāo)放置到所述第二反射鏡的第二焦點(diǎn)附近。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，還包括定向第一反射鏡和第二反射鏡的步驟，以便第一反射鏡的光軸和第二反射鏡的光軸基本重合。
全文摘要
一種會聚和收集光的系統(tǒng)包括第一反射鏡(20)和第二反射鏡(30)。第一和第二反射鏡包括具有兩個(gè)焦點(diǎn)(24，26)的回轉(zhuǎn)橢球部分和光軸(22)。電磁輻射源位于第一反射鏡的一個(gè)焦點(diǎn)上以產(chǎn)生在第一反射鏡的第二焦點(diǎn)(26)會聚的輻射。兩個(gè)反射鏡的第二焦點(diǎn)(26，36)重合。放置第二反射鏡接收通過第二反射鏡的第二焦點(diǎn)并聚焦到位于第二反射鏡的第一焦點(diǎn)上的目標(biāo)后的輻射。為了在該目標(biāo)獲得最大照明度，第一和第二反射鏡尺寸和形狀基本相同且彼此光學(xué)對稱地放置，以便從第一橢球反射鏡的表面部分反射的輻射再從第二橢球反射鏡的相應(yīng)表面部分反射，以實(shí)現(xiàn)光源及其聚焦圖像單位放大。橢球反射鏡可以包括非橢球部分或可以是以球形或復(fù)曲而反射鏡近似。
文檔編號F21S2/00GK1459039SQ01815747
公開日2003年11月26日 申請日期2001年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月27日
發(fā)明者李健志 申請人:高準(zhǔn)光源科技有限公司