專利名稱：使用拋物面反射器或?qū)?yīng)橢球面/雙曲面反射器對(duì)的收集和會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于收集和會(huì)聚電磁輻射的系統(tǒng)，具體的，涉及含有用于收集從輻射源發(fā)出的輻射并將所收集的輻射聚焦在目標(biāo)上的拋物面反射器的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
將電磁輻射收集和會(huì)聚并耦合到諸如單光纖或光纖束的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，或者將其輸出到投影儀的均質(zhì)器的系統(tǒng)的功能目的是使在目標(biāo)處的電磁輻射的亮度最大(即使光通量強(qiáng)度最大)?，F(xiàn)有技術(shù)講解了對(duì)采用球形、橢球形和拋物線形反射器的所謂同軸反射器系統(tǒng)和采用球形、環(huán)形和橢球形反射器的離軸反射器系統(tǒng)的應(yīng)用。在目標(biāo)的尺寸類似于電磁輻射源的弧隙的大小時(shí)，離軸反射器系統(tǒng)在目標(biāo)處獲得的效率和亮度比同軸反射器系統(tǒng)的高，由此使由光纖目標(biāo)收集的光量最大化。對(duì)于其尺寸遠(yuǎn)大于電磁源弧隙的目標(biāo)，同軸和離軸反射器系統(tǒng)兩者都可有效地用于將來自輻射源的輻射收集和會(huì)聚(collecting & condensing)和耦合到一波導(dǎo)。
同軸系統(tǒng)的缺點(diǎn)是它們固有地會(huì)改變來自輻射源的輻射的方向，從而形成較大的圖象，該圖象依賴于所發(fā)射輻射的方向而定，因此破壞了當(dāng)輻射源為非相干光源時(shí)將輻射收集和會(huì)聚為最小可能點(diǎn)的目標(biāo)。例如，公知的同軸橢球系統(tǒng)所產(chǎn)生的放大率范圍為從2到8，其依賴于電磁輻射的發(fā)射角度而定。各種放大的輻射束彼此重疊，由此引起所收集的圖象的失真和放大。
此外，橢球形收集和會(huì)聚系統(tǒng)不產(chǎn)生平行(即準(zhǔn)直)的輻射束。這是一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)樾枰獣r(shí)平行光束可便于對(duì)該所收集的輻射的濾過。
在公知的同軸拋物線形系統(tǒng)中，反射束的發(fā)散也依賴于從輻射源的發(fā)射角度。而且，這種系統(tǒng)要求使用一個(gè)或者多個(gè)聚焦透鏡，其在理想狀態(tài)下，會(huì)產(chǎn)生失真的圖象，實(shí)際上，通常會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重變形的圖象，其大大地增加了圖象的尺寸并使亮度或者光通量強(qiáng)度降低。另外，同軸系統(tǒng)的輸出總是圓形對(duì)稱的，因此不適合于非圓形目標(biāo)。
美國專利US4,757,431號(hào)描述了一種經(jīng)改進(jìn)的收集和會(huì)聚系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一種離軸球形凹面反射器，該反射器能夠提高照射一小目標(biāo)的最大光通量強(qiáng)度和可由該小目標(biāo)收集的光通量密度的量。在美國專利US5,414,600(其中，離軸凹面反射器為一橢球面)和美國專利US5,430,634(其中，離軸凹面反射器為一環(huán)面)中對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)。盡管在專利′634中描述的環(huán)形面系統(tǒng)可對(duì)散光進(jìn)行校正，專利′600中的橢球面系統(tǒng)可提供比專利′431的球形面反射器更精密的耦合，但這些系統(tǒng)的每一個(gè)都要求在一高度彎曲的反射表面上涂覆一層光學(xué)涂層。將光學(xué)涂層涂覆在這種曲面上是昂貴的，并且實(shí)現(xiàn)均勻涂層厚度也很困難。此外，在這些系統(tǒng)中，源圖象以相對(duì)小的空間從源被直接聚焦到一目標(biāo)，由此使諸如濾光器和衰減器等的其它光學(xué)單元因缺乏空間而難以插入。
在光譜學(xué)領(lǐng)域，必需將電磁輻射聚焦至測(cè)試樣品上一非常小的斑點(diǎn)上，且其后收集由該樣品反射的輻射。離軸拋物面反射器已經(jīng)被用于該目的。美國專利US3,986,767展示了一種系統(tǒng)，其中使用了離軸拋物面，平行光束被聚焦成小的光斑點(diǎn)直接到達(dá)一測(cè)試樣品上。美國專利US Re32,912展示了該拋物面的使用，借此使用一個(gè)反射拋物面將光聚焦在測(cè)試樣品上，且使用第二個(gè)反射拋物面收集該同一聚焦光。美國專利US4,473,295描述另一種使用反射拋物面來在/從測(cè)試樣品上聚焦/收集輻射的結(jié)構(gòu)。
美國專利US5,191,393及其對(duì)應(yīng)的歐洲專利0401351B1描述了一種系統(tǒng)，借助于該系統(tǒng)，光從潔凈室外部的位置被傳輸?shù)綕崈羰覂?nèi)部的一個(gè)位置，用以完成小特征的光學(xué)測(cè)量。所描述的用于收集和傳輸光的一種結(jié)構(gòu)包括弧光燈、兩個(gè)拋物面反射器、單光纖目標(biāo)和用于濾出不必要的波長的傳輸分色濾光器。第一拋物面反射器收集從源反射的離開濾光反射器的光并且產(chǎn)生平行光束。該平行光束可先通過一個(gè)或多個(gè)附加濾光器，然后到達(dá)第二拋物面反射器，該第二拋物面反射器收集該平行光束并將其聚焦到該單光纖目標(biāo)。但是，這些參考文獻(xiàn)中沒有一個(gè)描述用于實(shí)現(xiàn)在源和聚焦圖象間的單元放大率，以便在目標(biāo)處獲得具有最小失真的最大光通量強(qiáng)度的系統(tǒng)。
因此，需要提供一種使用拋物面反射器收集和會(huì)聚電磁輻射的方法，該方法使得在目標(biāo)處聚焦的輻射束的光通量強(qiáng)度最大。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的方面，一種經(jīng)改進(jìn)的用于收集和會(huì)聚電磁輻射的系統(tǒng)采用拋物面反射器并能夠在源圖象和目標(biāo)上的聚焦圖象之間實(shí)現(xiàn)單位放大率，或者接近單位放大率，由此在目標(biāo)處產(chǎn)生最大的聚焦強(qiáng)度。具體地，本發(fā)明針對(duì)一種光學(xué)裝置，用于收集來自電磁輻射源的電磁輻射并將所收集的輻射聚焦到一目標(biāo)，該目標(biāo)被由該源發(fā)射的至少一部分電磁輻射照射。該裝置包括準(zhǔn)直反射器和聚焦反射器。該準(zhǔn)直反射器包括至少一部分回轉(zhuǎn)拋物面，并且具有一光軸和在該光軸上的焦點(diǎn)。位于靠近準(zhǔn)直反射器的焦點(diǎn)的源在平行于光軸的方向上產(chǎn)生從準(zhǔn)直反射器反射的準(zhǔn)直輻射線。該聚焦反射器包括至少一部分回轉(zhuǎn)拋物面，并且具有一光軸和在該光軸上的焦點(diǎn)。相對(duì)于所述準(zhǔn)直反射器對(duì)該聚焦反射器進(jìn)行定位和定向，使得從該準(zhǔn)直反射器反射的準(zhǔn)直輻射線被聚焦反射器反射并被聚焦到位于靠近該聚焦反射器的焦點(diǎn)的目標(biāo)上。該準(zhǔn)直反射器和聚焦反射器的形狀略有不同或者基本上為大小和形狀相同，并且可以被定向?yàn)楸舜斯鈱W(xué)對(duì)稱，使得由準(zhǔn)直反射器表面部分反射的每個(gè)輻射射線都由聚焦反射器的相應(yīng)的表面部分反射到該目標(biāo)以基本上實(shí)現(xiàn)單位放大率。
回射器可與該準(zhǔn)直反射器結(jié)合使用，以獲取由該源在離開該準(zhǔn)直反射器的方向上發(fā)射的輻射并將該獲取的輻射反射回來，穿過該源(即穿過該準(zhǔn)直反射器的焦點(diǎn))到達(dá)該準(zhǔn)直反射器，由此增加從這里反射的準(zhǔn)直射線的強(qiáng)度。
可將該準(zhǔn)直和聚焦反射器布置成相對(duì)地、面對(duì)面的關(guān)系，同時(shí)，使各自的光軸共線，或可將它們布置為彼此成一個(gè)角度，在這種情況下，采用重定向反射器以將由準(zhǔn)直反射器反射的準(zhǔn)直射線改向到聚焦反射器。
或者，準(zhǔn)直反射器和聚焦反射器中的一個(gè)具有基本上為橢球面的形狀，而其中的另一個(gè)具有相應(yīng)的基本上為雙曲面的形狀，兩者構(gòu)成一橢球面/雙曲面對(duì)，且該橢球面/雙曲面對(duì)的每個(gè)反射器彼此具有相應(yīng)的尺寸和光學(xué)取向，使得由該準(zhǔn)直反射器表面部分反射的每個(gè)輻射射線都被該聚焦反射器的對(duì)應(yīng)表面部分反射到目標(biāo)，以便較好地實(shí)現(xiàn)在源和聚焦到目標(biāo)上的圖象之間的近似單位放大率(aboutunit magnification)。根據(jù)實(shí)踐，也可使用除1以外的較大或者較小的放大率，即從大約0.5到大約5的放大率，使用該放大率會(huì)導(dǎo)致亮度的降低。
在準(zhǔn)直和聚焦反射器之間可設(shè)置濾光器或者其它光學(xué)元件。


以下，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，各圖中相同的元件或者特征使用同樣的參考標(biāo)號(hào)表示。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的收集和會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)的一實(shí)施例的剖面示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的收集和會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)的立體圖。
圖3是本發(fā)明的收集和會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)的另一實(shí)施例的剖面示意圖。
圖4是本發(fā)明的收集和會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)的又一個(gè)實(shí)施例的剖面示意圖。
圖5a是本發(fā)明的收集和會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)的再一個(gè)實(shí)施例的剖面示意圖。
圖5b是沿線A-A所示方向所視的圖5a的實(shí)施例的端視圖。
圖6是本發(fā)明的收集和會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)的另選擇的實(shí)施例的立體圖。
圖7a是沿A-A所示方向截取的圖6的實(shí)施例的剖面示意圖。
圖7b是沿B-B所示方向截取的圖6的實(shí)施例的剖面示意圖。
圖8a-8f是可用于本發(fā)明各實(shí)施例的多個(gè)多邊形波導(dǎo)目標(biāo)的剖面示意圖。
圖9是可用于本發(fā)明的圓形波導(dǎo)目標(biāo)的剖面示意圖。
圖10a是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的漸增的錐形波導(dǎo)目標(biāo)的示意性側(cè)視圖。
圖10b是根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的漸減的錐形波導(dǎo)目標(biāo)的示意性側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
參考附圖，現(xiàn)在說明本發(fā)明的示例性實(shí)施例。這些實(shí)施例說明了本發(fā)明的原理，但不應(yīng)當(dāng)被解釋為限制本發(fā)明的范圍。
參考示出本發(fā)明一代表性實(shí)施例的圖1，本發(fā)明與下述四個(gè)主要元件相關(guān)。
1.電磁源電磁源20較佳的是具有外殼22的光源。更好的是，該源20包括諸如氙燈、金屬鹵化物燈、HID燈、或者水銀燈的弧光燈。對(duì)于某些應(yīng)用，如果系統(tǒng)被改進(jìn)成容納不透光的白熾燈絲，則可使用例如鹵素?zé)舻陌谉霟?，以下將詳?xì)對(duì)此進(jìn)行描述。
2.準(zhǔn)直反射器準(zhǔn)直反射器30包括回轉(zhuǎn)拋物面的一部分，其具有光軸38和焦點(diǎn)36。在圖2所示的實(shí)施例中，準(zhǔn)直反射器30包括該回轉(zhuǎn)拋物面的第一個(gè)四分之一圓周32和第二個(gè)四分之一圓周34?；蛘?，準(zhǔn)直反射器30可僅包括回轉(zhuǎn)拋物面的大約一個(gè)四分之一圓周。該準(zhǔn)直反射器30優(yōu)選具有一反射涂層(例如鋁或者銀)并且該表面被高度拋光。對(duì)于某些應(yīng)用，準(zhǔn)直反射器30可由涂覆有可選擇波長的多層介質(zhì)涂層的玻璃制成。例如，可將僅在可見波長具有高反射率的冷涂料應(yīng)用于可見光的應(yīng)用中。將源20置于該準(zhǔn)直反射器的焦點(diǎn)36，則接觸到反射器30的電磁輻射將被反射為平行于反射器30的光軸38的平行光束。在源20為弧光燈的情況下，其弧隙與準(zhǔn)直反射器30的焦距相比，最好短一些。
3.聚焦反射器聚焦反射器40包括回轉(zhuǎn)拋物面的一部分，其具有光軸48和焦點(diǎn)46。如圖2所示，聚焦反射器40包括一回轉(zhuǎn)拋物面的第一個(gè)四分之一圓周42和第二個(gè)四分之一圓周44?；蛘撸劢狗瓷淦?0可僅包括一回轉(zhuǎn)拋物面的大約一個(gè)四分之一圓周。聚焦反射器40的形狀可以與準(zhǔn)直反射器30的形狀略有不同，或者可以與后者的大小和形狀均基本相同。例如，如果準(zhǔn)直反射器30包括一回轉(zhuǎn)拋物面的單個(gè)四分之一圓周，則聚焦反射器40也應(yīng)當(dāng)基本上是該同一回轉(zhuǎn)拋物面的單個(gè)四分之一圓周。
聚焦反射器40被如此定位和定向，使得由準(zhǔn)直反射器30反射的準(zhǔn)直電磁輻射照射到聚焦反射器40的拋物表面，并且此后被聚焦到聚焦反射器40的焦點(diǎn)46。為了獲得在準(zhǔn)直反射器30和聚焦反射器40之間的單位放大率(即聚焦圖象與源的大小基本相同)，由準(zhǔn)直反射器30的表面部分反射并準(zhǔn)直的每個(gè)電磁輻射射線都應(yīng)當(dāng)被聚焦反射器40的相應(yīng)的表面部分反射并聚焦，以便在焦點(diǎn)46處獲得具有最大可能亮度的聚焦，這一點(diǎn)很重要。在本公開的上下文中，對(duì)準(zhǔn)直反射器30和聚焦反射器40關(guān)于彼此進(jìn)行定位和定向，以便由準(zhǔn)直反射器30的表面部分準(zhǔn)直的每個(gè)電磁輻射射線均被聚焦反射器40的相應(yīng)的表面部分聚焦，以上對(duì)反射器的定位被稱為以彼此“光學(xué)對(duì)稱”的方式定位這些反射器。
4.目標(biāo)目標(biāo)60是要求以最大可能密度照射的小目標(biāo)。在優(yōu)選實(shí)施例中，目標(biāo)60為諸如單芯光纖、熔融光纖束、光纖束或者均質(zhì)器的波導(dǎo)。該目標(biāo)的輸入端，例如為光纖基端(proximal end)被定位在聚焦反射器40的焦點(diǎn)，以在此接收由聚焦反射器40反射的電磁輻射的聚焦射線。
如上所述，目標(biāo)60可以是波導(dǎo)，其剖面可以是圖8a-8f所示的多邊形，或者是圖9所示的圓形。而且，目標(biāo)60可以是如圖10a所示的漸增的錐形波導(dǎo)，或者是如圖10b所示的漸減的錐形波導(dǎo)。
盡管目標(biāo)和源與本發(fā)明的收集和會(huì)聚系統(tǒng)有著密切的聯(lián)系，但根據(jù)本發(fā)明更廣泛的方面，本發(fā)明涉及對(duì)兩個(gè)拋物面反射器的使用，這兩個(gè)拋物面反射器被設(shè)置為大小和形狀基本相同，以便彼此在光學(xué)上對(duì)稱。
繼續(xù)對(duì)該收集和會(huì)聚系統(tǒng)進(jìn)行說明，在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，準(zhǔn)直反射器30和聚焦反射器40彼此被以相對(duì)的、面對(duì)面的位置放置，使得彼此以凹面相向。通過以下布置可使圖1所示的結(jié)構(gòu)具有光學(xué)對(duì)稱性調(diào)整準(zhǔn)直反射器30和聚焦反射器40，使得它們各自的光軸38和48共線，且使準(zhǔn)直反射器30的反射表面與實(shí)現(xiàn)單位放大率的聚焦反射器40的相應(yīng)的反射表面彼此相對(duì)且面對(duì)面放置。
在另一實(shí)施例中，參考圖1，準(zhǔn)直反射器30和聚焦反射器40構(gòu)成一為橢球面/雙曲面對(duì)的準(zhǔn)直/聚焦反射器對(duì)，其中該準(zhǔn)直反射器30和聚焦反射器40中的一個(gè)具有基本上為橢球面的形狀，而另一個(gè)具有相應(yīng)的基本上為雙曲面的形狀，并且該橢球面/雙曲面對(duì)的每個(gè)反射器之間大小和光學(xué)取向彼此對(duì)應(yīng)，使得由準(zhǔn)直反射器30的表面部分反射的每個(gè)輻射射線均被聚焦反射器40的對(duì)應(yīng)的表面部分反射到目標(biāo)，以較佳地實(shí)現(xiàn)在源和聚焦于目標(biāo)上的圖象之間的近似單位放大率。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，也可使用伴隨亮度降低的除1以外的較大或較小的放大率，即從大約0.5到大約5的放大率。
如圖2所示，在準(zhǔn)直反射器包括一回轉(zhuǎn)拋物面的第一個(gè)四分之一圓周32和第二個(gè)四分之一圓周34，且聚焦反射器40包括一大小和形狀相似的回轉(zhuǎn)拋物面的第一個(gè)四分之一圓周42和第二個(gè)四分之一圓周44時(shí)，可提供兩個(gè)目標(biāo)，即光纖60a和60b，以便獲得兩個(gè)獨(dú)立的輸出。在該所示的實(shí)施例中，輸出60a接收來自準(zhǔn)直反射器30的第二個(gè)四分之一圓周34和聚焦反射器40的第二個(gè)四分之一圓周44的電磁輻射。輸出60b接收來自準(zhǔn)直反射器30的第一個(gè)四分之一圓周32和聚焦反射器40的第一個(gè)四分之一圓周42的電磁輻射。為允許同時(shí)放置這兩個(gè)光纖60a和60b，聚焦反射器40的第一個(gè)四分之一圓周42和第個(gè)二四分之一圓周44必需沿聚焦反射器40的光軸在空間上彼此偏離少量的距離。
如圖1和2所示，本發(fā)明的收集和會(huì)聚系統(tǒng)可以結(jié)合使用回射器50，在所示實(shí)施例中，其為一球形回射器。該回射器50被定位為收集從源20發(fā)射的電磁輻射，如果不被收集，這些電磁輻射也不會(huì)照射到準(zhǔn)直反射器30。更具體地，該球形回射器50被如此構(gòu)造和放置，使得從源20發(fā)射的沿離開準(zhǔn)直反射器30的方向的輻射被回射器50反射回來，通過準(zhǔn)直反射器30的焦點(diǎn)36，到達(dá)準(zhǔn)直反射器30。對(duì)由準(zhǔn)直反射器30反射的該附加的輻射進(jìn)行準(zhǔn)直并將其加入到直接從源20照射到準(zhǔn)直反射器30的輻射中，由此增加被反射到聚焦反射器40的準(zhǔn)直輻射的強(qiáng)度。結(jié)果，也增加了在聚焦反射器40的焦點(diǎn)46處的輻射的強(qiáng)度。
如果采用白熾燈作為源20，則回射器不可被定向?yàn)槭沟闷鋵⑤椛渚劢狗祷夭⒋┻^準(zhǔn)直反射器30的焦點(diǎn)36，因?yàn)樵摶厣漭椛鋵⒈晃挥诮裹c(diǎn)36的不透光的燈絲阻擋。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)回射器50的位置，使得反向反射的輻射不是正好通過該焦點(diǎn)36。
作為對(duì)該球形回射器的替換，也可通過兩維立體反射器陣列(未示出)來實(shí)現(xiàn)該回射功能，該陣列的單位元素的尺寸與源20的電弧的尺寸大小相當(dāng)或更小。采用兩維立體反射器陣列無需對(duì)回射器進(jìn)行精確定位并將在源20的電弧處產(chǎn)生更緊密的聚焦。
正如圖1所示，因?yàn)闇?zhǔn)直反射器30和聚焦反射器40之間隔開一定的空間距離，因此，可將諸如濾光器56的各種光學(xué)單元插入反射器30和40之間。因?yàn)樵诜瓷淦?0和40之間傳輸?shù)碾姶泡椛浔粶?zhǔn)直，因此這些光學(xué)元件可以具有簡單的形狀和設(shè)計(jì)。正如圖1所示，濾光器56是一平面濾光器。
圖3示出本發(fā)明的收集和會(huì)聚系統(tǒng)的另一種結(jié)構(gòu)。在圖3的結(jié)構(gòu)中，目標(biāo)62不再是單光纖，而是光纖束62(盡管所示結(jié)構(gòu)能夠與上述任何一個(gè)目標(biāo)結(jié)合使用)。此外，在圖3的結(jié)構(gòu)中，具有光軸48′和焦點(diǎn)46′的聚焦反射器40′關(guān)于準(zhǔn)直反射器30是偏離的。即，聚焦反射器40′的光軸48′與準(zhǔn)直反射器30的光軸38′并不象在圖1和2的實(shí)施例中那樣是共線的。在準(zhǔn)直反射器30和聚焦反射器40′之間的光學(xué)對(duì)稱(即單位放大率)是通過采用與準(zhǔn)直反射器30的大小和形狀基本相同的聚焦反射器40′并通過將重定向反射器64精確地定位在從準(zhǔn)直反射器30反射的經(jīng)準(zhǔn)直的電磁輻射的路徑上來實(shí)現(xiàn)的。重定向反射器64為一平面反射器，使得所反射的輻射也是準(zhǔn)直。重定向反射器64和聚焦反射器40′被精確定位，以便從準(zhǔn)直反射器30和聚焦反射器40′兩者的相應(yīng)的表面部分反射該被重新定向的準(zhǔn)直的輻射。
圖3所示的布結(jié)構(gòu)可用于空間或者其它限制不允許將準(zhǔn)直反射器30和聚焦反射器40′布置為使得它們各自的光軸38，48′彼此共線的情況。應(yīng)當(dāng)理解，也可以采用一個(gè)或者多個(gè)附加的重定向反射器以允許聚焦反射器和準(zhǔn)直反射器之間更多的空間變化，只要保持光學(xué)對(duì)稱即可。
重定向反射器64可以是簡單的反射器，或者可以是反射濾光器。
本發(fā)明的收集和會(huì)聚系統(tǒng)的另一個(gè)可選擇的實(shí)施例示于圖4。在圖4的結(jié)構(gòu)中，球形回射器50由次級(jí)準(zhǔn)直反射器70代替，其由具有光軸78和焦點(diǎn)76的回轉(zhuǎn)拋物面構(gòu)成，該光軸78和焦點(diǎn)76優(yōu)選為分別與準(zhǔn)直反射器30的光軸38和焦點(diǎn)36重合。該次級(jí)準(zhǔn)直反射器70優(yōu)選為與準(zhǔn)直反射器30的大小和形狀相同。即，如果準(zhǔn)直反射器30包括一回轉(zhuǎn)拋物面的單個(gè)四分之一圓周，則該次級(jí)準(zhǔn)直反射器70也將包括一類似回轉(zhuǎn)拋物面的單個(gè)四分之一圓周。
平面反射器72被放置于次級(jí)準(zhǔn)直反射器70的輸出端，與光軸78基本垂直。如圖所示，由源20發(fā)出的離開準(zhǔn)直反射器30的輻射被該次級(jí)準(zhǔn)直反射器70反射并準(zhǔn)直。該由反射器70反射的與光軸78平行的準(zhǔn)直輻射反射離開平面反射器72回到次級(jí)準(zhǔn)直反射器70，并且此后被反射穿過焦點(diǎn)76和36到達(dá)準(zhǔn)直反射器30，由此增加了反射到聚焦反射器40的準(zhǔn)直輻射的強(qiáng)度。因此，該次級(jí)準(zhǔn)直反射器70和平面反射器72一起起到回射器的作用。
如果該準(zhǔn)直和次級(jí)準(zhǔn)直反射器每個(gè)都包括一回轉(zhuǎn)拋物面的兩個(gè)四分之一圓周，使得它們?cè)谝黄鹦纬梢粋€(gè)完整的回轉(zhuǎn)拋物面，則次級(jí)準(zhǔn)直反射器的每個(gè)四分之一圓周部分會(huì)將輻射回射到正相對(duì)的準(zhǔn)直反射器的一個(gè)四分之一圓周。
本發(fā)明的收集和會(huì)聚系統(tǒng)的另一個(gè)可選擇的結(jié)構(gòu)示于圖5a和5b。在圖5a的結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)包括cermax燈80，其具有陽極84，由陰極支持部件86支持的陰極82，以及在陽極和陰極之間的電弧87，其構(gòu)成圖5a的收集和會(huì)聚系統(tǒng)的源。cermax燈80包括一拋物面反光鏡81，在其開口端覆蓋有一窗口88。包括回轉(zhuǎn)拋物面的第一個(gè)四分之一圓周92和第二個(gè)四分之一圓周94的拋物面反光鏡81的上半部分構(gòu)成該系統(tǒng)的準(zhǔn)直反射器90。包括回轉(zhuǎn)拋物面的第三個(gè)四分之一圓周102和第四個(gè)四分之一圓周104的拋物面反光鏡81的下半部分分別構(gòu)成次級(jí)準(zhǔn)直反射器100的第一和第二個(gè)四分之一圓周。準(zhǔn)直反射器90具有焦點(diǎn)96和光軸98，次級(jí)準(zhǔn)直反射器100具有分別與準(zhǔn)直反射器90的焦點(diǎn)96和光軸98重合的焦點(diǎn)106和光軸108。平面反射器110被放置在次級(jí)準(zhǔn)直反射器100的開口端的前面，并且被放置為使得其與次級(jí)準(zhǔn)直反射器100的光軸108垂直。
與圖4的結(jié)構(gòu)一樣，在電弧87處發(fā)出的直接朝向準(zhǔn)直反射器90的輻射被以平行于光軸98的準(zhǔn)直射線反射到聚焦反射器40。在電弧87處發(fā)出的離開準(zhǔn)直反射器90的輻射被次級(jí)準(zhǔn)直反射器100準(zhǔn)直并反射到平面反射器110。之后，該輻射被平面反射器110反射回到次級(jí)準(zhǔn)直反射器100且穿過焦點(diǎn)96到達(dá)準(zhǔn)直反射器90。因此，該次級(jí)準(zhǔn)直反射器100和平面反射器110一起起到回射器的作用。該回射輻射與在準(zhǔn)直反射器90處直接發(fā)出的輻射一起，被該準(zhǔn)直反射器90的第一個(gè)四分之一圓周92和第二個(gè)四分之一圓周94準(zhǔn)直，變成平行光束，穿過窗口88離開cermax燈80。為了實(shí)現(xiàn)以單位放大率將圖象聚焦在目標(biāo)上，將具有光軸48和焦點(diǎn)46的聚焦反射器40放置為關(guān)于cermax燈的準(zhǔn)直反射器部分90光學(xué)對(duì)稱，該聚焦反射器40的大小和形狀與準(zhǔn)直反射器90的相同。由該準(zhǔn)直反射器90反射的準(zhǔn)直輻射將被聚焦反射器40聚焦成一聚焦圖象，該聚焦圖像的尺寸類似于電弧87的尺寸。
圖6和圖7示出本發(fā)明的收集和會(huì)聚系統(tǒng)的另一個(gè)可選擇的結(jié)構(gòu)，其中，整個(gè)回轉(zhuǎn)拋物面的反射輸出被收集并會(huì)聚到一聚焦反射器120，該聚焦反射器120包括一回轉(zhuǎn)拋物面的單個(gè)四分之一圓周，其具有光軸128和焦點(diǎn)126。具體地，該拋物面反射器110定義了準(zhǔn)直反射器112，其具有光軸118和焦點(diǎn)116且包括該回轉(zhuǎn)拋物面的單個(gè)四分之一圓周。拋物面反射器110還定義了具有光軸138和焦點(diǎn)136的第一次級(jí)準(zhǔn)直反射器130，具有光軸148和焦點(diǎn)146的第二次級(jí)準(zhǔn)直反射器140，以及具有光軸158和焦點(diǎn)156的第三次級(jí)準(zhǔn)直反射器。焦點(diǎn)116，136，146和156最好象光軸118，138，148和158那樣彼此重合。
可關(guān)于準(zhǔn)直反射器112放置重定向反射器168，以便將反射器112的準(zhǔn)直反射輸出的方向重定向到聚焦反射器120，該聚焦反射器120被定位并放置為使其關(guān)于該準(zhǔn)直反射器112光學(xué)對(duì)稱。反射器168可以是簡單反射器或者是反射濾光器。
第一平面反射器160被可操作地定位在第一次級(jí)準(zhǔn)直反射器130的前面并且被放置為垂直于光軸138。反射器160將第一次級(jí)準(zhǔn)直反射器130的準(zhǔn)直輸出回射到反射器130，因此起到回射器的作用。此后，該回射輻射被反射回來，穿過焦點(diǎn)136到達(dá)第二次級(jí)準(zhǔn)直反射器140。
第二平面反射器162和第三平面反射器164被放置為彼此垂直，并且分別被可操作地定位在第二次級(jí)準(zhǔn)直反射器140和第三次級(jí)準(zhǔn)直反射器150的前面。由第二和第三平面反射器162和164交叉而成的直角形成的頂點(diǎn)166被設(shè)置為關(guān)于光軸118，138，148和158成直角。第二次級(jí)準(zhǔn)直反射器140的準(zhǔn)直輸出被從第二平面反射器162反射到第三平面反射器164，且此后回到第三次級(jí)準(zhǔn)直反射器150。如此回射的輻射被第三次級(jí)準(zhǔn)直反射器150直接返回，穿過其焦點(diǎn)156到達(dá)準(zhǔn)直反射器112，并且此后在被重定向反射器168改變方向后到達(dá)聚焦反射器120。
第三次級(jí)準(zhǔn)直反射器150的準(zhǔn)直輸出被從第三平面反射器164反射到第二平面反射器162，并且之后被回射到第二次級(jí)準(zhǔn)直反射器140。第二次級(jí)準(zhǔn)直反射器140將如此回射的輻射直接反回，穿過焦點(diǎn)146到達(dá)第一次級(jí)準(zhǔn)直反射器130。
因此，可以理解，由每一個(gè)準(zhǔn)直四分之一圓周112，130，140和150收集的光均被聚焦反射器120集中和聚焦到目標(biāo)122上。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)裝置，包括電磁輻射源；待被由所述源發(fā)射的至少一部分電磁輻射照射的目標(biāo)；準(zhǔn)直反射器，其具有一光軸和在所述光軸上的焦點(diǎn)，所述源位于緊鄰所述準(zhǔn)直反射器的所述焦點(diǎn)的位置，以產(chǎn)生從所述準(zhǔn)直反射器反射的沿基本上平行于所述光軸的方向的準(zhǔn)直輻射射線；和聚焦反射器，包括一回轉(zhuǎn)拋物面的至少一部分，所述聚焦反射器具有一光軸和在所述光軸上的焦點(diǎn)，所述目標(biāo)位于緊鄰所述聚焦反射器的所述焦點(diǎn)的位置，所述聚焦反射器關(guān)于所述準(zhǔn)直反射器定位和定向，使得由所述聚焦反射器反射從所述準(zhǔn)直反射器反射的準(zhǔn)直輻射射線并將該射線基本上聚焦到所述目標(biāo)上，其中，該準(zhǔn)直反射器和聚焦反射器構(gòu)成一準(zhǔn)直/聚焦反射器對(duì)，該準(zhǔn)直/聚焦反射器對(duì)可以是(a)一對(duì)反射器，該對(duì)反射器中的每個(gè)反射器包括一基本上為回轉(zhuǎn)拋物面的至少一部分，且具有大約相同的尺寸和形狀，準(zhǔn)直反射器和聚焦反射器的大小和光學(xué)取向彼此對(duì)應(yīng)，使得由所述準(zhǔn)直反射器的表面部分反射的每個(gè)輻射射線都基本上被所述聚焦反射器的相應(yīng)的表面部分反射到所述目標(biāo)上，以便基本上實(shí)現(xiàn)在源和聚焦到所述目標(biāo)上的圖象之間的單位放大率，和(b)一對(duì)反射器，包括準(zhǔn)直和聚焦反射器的橢球面/雙曲面對(duì)，該橢球面/雙曲面對(duì)的準(zhǔn)直和聚焦反射器中的一個(gè)基本上為橢球面形狀，而該準(zhǔn)直和聚焦反射器的另一個(gè)基本上為相應(yīng)的雙曲面形狀，并且該橢球面/雙曲面對(duì)的每個(gè)反射器所具有的尺寸和光學(xué)取向彼此對(duì)應(yīng)，使得由所述準(zhǔn)直反射器的表面部分反射的每個(gè)輻射射線基本上都被所述聚焦反射器對(duì)應(yīng)的表面部分反射到所述目標(biāo)上，以便實(shí)現(xiàn)在源和聚焦到所述目標(biāo)上的圖象之間的從大約0.5到大約5的近似單位放大率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其中，近似單位放大率是在所述源和聚焦到所述目標(biāo)上的圖象之間實(shí)現(xiàn)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)裝置，其中，由所述電磁輻射源發(fā)射的一部分電磁輻射直接照射在所述準(zhǔn)直反射器上，而一部分電磁輻射不直接照射在所述準(zhǔn)直反射器上，且其中所述裝置還包括一個(gè)或多個(gè)附加反射器，其被構(gòu)造和安排為將未直接照射在所述準(zhǔn)直反射器上的電磁輻射部分的至少一部分反射穿過所述準(zhǔn)直反射器的焦點(diǎn)到達(dá)所述準(zhǔn)直反射器，以增加該準(zhǔn)直射線的光通量強(qiáng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的光學(xué)裝置，其中，所述附加反射器包括置于所述源的與所述準(zhǔn)直反射器相反的一側(cè)的球形回射器，以將從所述源發(fā)射的沿離開所述準(zhǔn)直反射器方向的電磁輻射反射穿過所述準(zhǔn)直反射器的焦點(diǎn)到達(dá)所述準(zhǔn)直反射器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的光學(xué)裝置，其中，所述附加反射器包括次級(jí)準(zhǔn)直反射器，其包括一回轉(zhuǎn)拋物面的一部分，其所具有的光軸與所述準(zhǔn)直反射器的光軸基本重合，該回轉(zhuǎn)拋物面所具有的焦點(diǎn)與所述準(zhǔn)直反射器的焦點(diǎn)基本重合，使得從所述源發(fā)射的沿離開所述準(zhǔn)直反射器方向的電磁輻射產(chǎn)生從所述次級(jí)準(zhǔn)直反射器反射的、平行于所述次級(jí)準(zhǔn)直反射器的光軸的準(zhǔn)直的電磁輻射射線；和一般平面反射器，其基本上垂直于所述次級(jí)準(zhǔn)直反射器的光軸，并且被構(gòu)造并安排為反射從所述次級(jí)準(zhǔn)直反射器反射的準(zhǔn)直的電磁輻射射線，以產(chǎn)生從所述平面反射器反射的、平行于所述次級(jí)準(zhǔn)直反射器的光軸的準(zhǔn)直的電磁輻射射線，該從所述平面反射器反射的準(zhǔn)直射線此后被所述次級(jí)準(zhǔn)直反射器反射穿過所述準(zhǔn)直反射器的焦點(diǎn)到達(dá)所述準(zhǔn)直反射器。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)裝置，其中所述準(zhǔn)直反射器包括一回轉(zhuǎn)拋物面的一個(gè)或者兩個(gè)四分之一圓周。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的光學(xué)裝置，其中所述聚焦反射器所包括的一回轉(zhuǎn)拋物面的四分之一圓周的個(gè)數(shù)與所述準(zhǔn)直反射器包括的相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求3的光學(xué)裝置，其中所述準(zhǔn)直反射器和所述聚焦反射器每個(gè)都包括一回轉(zhuǎn)拋物面的單個(gè)四分之一圓周，并且所述附加反射器包括第一個(gè)、第二個(gè)和第三個(gè)次級(jí)準(zhǔn)直反射器，每個(gè)都包括一回轉(zhuǎn)拋物面的一個(gè)四分之一圓周，該回轉(zhuǎn)拋物面所具有的光軸基本上與所述準(zhǔn)直反射器的光軸重合，所具有的焦點(diǎn)基本上與所述準(zhǔn)直反射器的焦點(diǎn)重合，使得從所述源發(fā)射的沿離開所述準(zhǔn)直反射器方向的電磁輻射產(chǎn)生從所述第一個(gè)、第二個(gè)和第三個(gè)次級(jí)準(zhǔn)直反射器反射的、平行于所述次級(jí)準(zhǔn)直反射器的光軸的經(jīng)準(zhǔn)直的電磁輻射射線；第一個(gè)一般平面反射器，其基本上垂直于所述第一個(gè)次級(jí)準(zhǔn)直反射器的光軸，并且被構(gòu)造和安排為反射從所述第一個(gè)次級(jí)準(zhǔn)直反射器反射的準(zhǔn)直電磁輻射射線，以產(chǎn)生從所述第一個(gè)平面反射器反射的、平行于所述第一個(gè)次級(jí)準(zhǔn)直反射器光軸的準(zhǔn)直電磁輻射射線，該從所述第一個(gè)平面反射器反射的準(zhǔn)直射線此后被所述第一個(gè)次級(jí)準(zhǔn)直反射器反射穿過所述第二個(gè)次級(jí)準(zhǔn)直反射器的焦點(diǎn)到達(dá)所述第二個(gè)次級(jí)準(zhǔn)直反射器；和彼此垂直且被可操作地分別置于所述第二個(gè)和第三個(gè)次級(jí)準(zhǔn)直反射器的前面的第二個(gè)和第三個(gè)一般平面反射器，所述第二個(gè)和第三個(gè)平面反射器被構(gòu)造和安排為(1)從所述第二個(gè)平面反射器將從所述第二個(gè)次級(jí)準(zhǔn)直反射器反射的準(zhǔn)直電磁輻射射線反射到所述第三個(gè)平面反射器，以產(chǎn)生從所述第三個(gè)平面反射器反射的、平行于所述第三個(gè)次級(jí)準(zhǔn)直反射器光軸的準(zhǔn)直電磁輻射射線，該從所述第三個(gè)平面反射器反射的準(zhǔn)直射線之后被所述第三個(gè)次級(jí)準(zhǔn)直反射器反射穿過所述準(zhǔn)直反射器的焦點(diǎn)到達(dá)所述準(zhǔn)直反射器；和(2)從所述第三個(gè)平面反射器將從所述第三個(gè)次級(jí)準(zhǔn)直反射器反射的準(zhǔn)直電磁輻射射線反射到所述第二個(gè)平面反射器，以產(chǎn)生從所述第二個(gè)平面反射器反射的、平行于所述第二個(gè)次級(jí)準(zhǔn)直反射器光軸的準(zhǔn)直電磁輻射射線，該從所述第二個(gè)平面反射器反射的準(zhǔn)直射線之后被所述第二個(gè)次級(jí)準(zhǔn)直反射器反射穿過所述第一個(gè)次級(jí)準(zhǔn)直反射器的焦點(diǎn)到達(dá)所述第一個(gè)次級(jí)準(zhǔn)直反射器。
9.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)裝置，其中所述準(zhǔn)直和聚焦反射器的所述光軸彼此基本重合，并且其中所述準(zhǔn)直和聚焦反射器相互之間以相對(duì)的、面對(duì)面的關(guān)系放置。
10.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)裝置，其中所述準(zhǔn)直和聚焦反射器的所述光軸彼此構(gòu)成一個(gè)角度，并且所述光學(xué)裝置還包括一重定向反射器，該反射器被構(gòu)造和安排為將從所述準(zhǔn)直反射器反射的準(zhǔn)直電磁輻射射線反射到所述聚焦反射器。
11.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)裝置，還包括置于所述準(zhǔn)直反射器和所述聚焦反射器之間的濾光器，以濾出由所述準(zhǔn)直反射器反射的準(zhǔn)直輻射射線。
12.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)裝置，其中所述源包括發(fā)光弧光燈。
13.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)裝置，其中所述弧光燈包括氙燈、金屬鹵化物燈、HID燈、或者水銀燈。
14.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)裝置，其中所述源包括白熾燈。
15.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)裝置，其中所述目標(biāo)包括可以為單芯光纖、光纖束、熔融光纖束、或者均質(zhì)器的波導(dǎo)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的光學(xué)裝置，其中所述波導(dǎo)看可以是圓形剖面波導(dǎo)、多邊形剖面波導(dǎo)、錐形波導(dǎo)及它們的組合。
17.一種用于收集由電磁輻射源發(fā)射的電磁輻射并將所收集的輻射聚焦到一目標(biāo)上的光學(xué)裝置，所述裝置包括準(zhǔn)直反射器，包括一回轉(zhuǎn)拋物面的至少一部分，所述準(zhǔn)直反射器具有一光軸和在所述光軸上的焦點(diǎn)，當(dāng)電磁輻射源位于緊鄰所述準(zhǔn)直反射器的所述焦點(diǎn)時(shí)，所述準(zhǔn)直反射器產(chǎn)生從所述準(zhǔn)直反射器反射的、平行于所述光軸的準(zhǔn)直輻射射線；和聚焦反射器，包括一回轉(zhuǎn)拋物面的至少一部分，所述聚焦反射器具有一光軸和在所述光軸上的焦點(diǎn)，所述聚焦反射器關(guān)于所述準(zhǔn)直反射器定位和定向，使得從所述準(zhǔn)直反射器反射的準(zhǔn)直輻射射線被所述聚焦反射器反射并聚焦到置于緊鄰所述聚焦反射器的所述焦點(diǎn)位置處的目標(biāo)上，其中所述準(zhǔn)直反射器和所述聚焦反射器所具有的大小和形狀基本相同，并且被定向?yàn)楸舜酥g光學(xué)對(duì)稱，使得由所述準(zhǔn)直反射器的表面部分反射的每個(gè)輻射射線都被所述聚焦反射器的對(duì)應(yīng)表面部分反射到所述目標(biāo)上，以便基本上實(shí)現(xiàn)在源和聚焦到目標(biāo)上的圖象之間的單位放大率。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的光學(xué)裝置，還包括一個(gè)或者多個(gè)附加反射器，其被構(gòu)造和安排為將由源發(fā)射的未直接照射在所述準(zhǔn)直反射器上的電磁輻射部分的至少一部分反射穿過所述準(zhǔn)直反射器的焦點(diǎn)到達(dá)所述準(zhǔn)直反射器，以增加該準(zhǔn)直射線的光通量強(qiáng)度。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的光學(xué)裝置，其中所述附加反射器包括置于所述源的與所述準(zhǔn)直反射器相反的一側(cè)的球形回射器，以將從所述源發(fā)射的沿離開所述準(zhǔn)直反射器方向的電磁輻射反射穿過所述準(zhǔn)直反射器的焦點(diǎn)到達(dá)所述準(zhǔn)直反射器。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的光學(xué)裝置，其中所述附加反射器包括次級(jí)準(zhǔn)直反射器，其包括一回轉(zhuǎn)拋物面的一部分，該回轉(zhuǎn)拋物面所具有的光軸基本上與所述準(zhǔn)直反射器的光軸重合，該回轉(zhuǎn)拋物面所具有的焦點(diǎn)基本上與所述準(zhǔn)直反射器的焦點(diǎn)重合，使得從所述源發(fā)射的沿離開所述準(zhǔn)直反射器方向的電磁輻射產(chǎn)生從所述次級(jí)準(zhǔn)直反射器反射的、平行于所述次級(jí)準(zhǔn)直反射器光軸的準(zhǔn)直電磁輻射射線；和一般平面反射器，其基本上垂直于所述次級(jí)準(zhǔn)直反射器的光軸，并且被構(gòu)造和安排為反射從所述次級(jí)準(zhǔn)直反射器反射的準(zhǔn)直電磁輻射射線，以產(chǎn)生從所述平面反射器反射的、平行于所述次級(jí)準(zhǔn)直反射器的光軸的準(zhǔn)直電磁輻射射線，該從所述平面反射器反射的準(zhǔn)直射線之后被所述次級(jí)準(zhǔn)直反射器反射穿過所述準(zhǔn)直反射器的焦點(diǎn)到達(dá)所述準(zhǔn)直反射器。
21.根據(jù)權(quán)利要求17的光學(xué)裝置，其中所述準(zhǔn)直和聚焦反射器的所述光軸基本上相互重合，并且其中所述準(zhǔn)直和聚焦反射器相互之間以相對(duì)的、面對(duì)面的關(guān)系放置。
22.根據(jù)權(quán)利要求17的光學(xué)裝置，其中所述準(zhǔn)直和聚焦反射器的所述光軸彼此構(gòu)成一個(gè)角度，并且所述光學(xué)裝置還包括一重定向反射器，其被構(gòu)造和安排為將從所述準(zhǔn)直反射器反射的準(zhǔn)直電磁輻射射線反射到所述聚焦反射器上。
23.根據(jù)權(quán)利要求17的光學(xué)裝置，還包括置于所述準(zhǔn)直反射器和所述聚焦反射器之間的濾光器，以濾出由所述準(zhǔn)直反射器反射的準(zhǔn)直輻射射線。
24.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)裝置，其中所述準(zhǔn)直反射器和所述聚焦反射器所具有的大小和形狀基本相同，并且被定向?yàn)樵诠鈱W(xué)上彼此基本對(duì)稱。
全文摘要
一種收集和會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)包括準(zhǔn)直反射器(30)和聚焦反射器(40)。該準(zhǔn)直反射器(30)包括具有焦點(diǎn)(36)和光軸(38)的回轉(zhuǎn)拋物面的一部分。聚焦反射器(40)包括具有焦點(diǎn)(46)和光軸(48)的回轉(zhuǎn)拋物面的一部分。位于準(zhǔn)直反射器(30)的焦點(diǎn)(36)處的電磁輻射源(20)產(chǎn)生準(zhǔn)直輻射光束。聚焦反射器(40)被放置為使其接收該準(zhǔn)直光束并將其聚焦到位于該聚焦反射器(40)的焦點(diǎn)(46)處的目標(biāo)上。
文檔編號(hào)G02B6/00GK1359459SQ00809723
公開日2002年7月17日 申請(qǐng)日期2000年6月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月1日
發(fā)明者肯尼斯·K·利 申請(qǐng)人:考金特光學(xué)技術(shù)公司