CN101189472B - 具有优化放大倍率的双抛物面和双椭球面反射系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种聚集和收集光学系统，该系统包括两个不对称的反射器。第一反射器和第二反射器均包括具有平行光轴的部分回转椭球面或回转抛物面。电磁辐射源放置在第一反射器的其中一个焦点处并用于产生辐射射线，第二反射器接收辐射射线并使其聚焦于靶处。为了获得最大化的输出耦合效率，第二反射器与第一反射器之间存在焦距差，从而使输入到靶处的射线具有较小的入射角。

Description

具有优化放大倍率的双抛物面和双椭球面反射系统

相关申请

本申请要求2005年6月30日递交的美国临时申请No.60/695,934的权益，并且本申请是2005年11月14日递交的美国申请No.11/274,241的部分继续申请，其中后者是2003年9月12日递交的美国申请No.10/660,492的继续申请，而No.10/660,492是2000年9月27日递交的美国申请No.09/669,841(现在为美国专利No.6,634,759)的继续申请，其中美国申请No.09/669,841要求了2000年5月27日递交的美国临时申请No.60/192,321的权益，上述申请均通过引用包含于本申请中。

技术领域

本发明涉及一种用于收集和聚集(condensing)电磁辐射的系统，具体涉及一种包含不对称抛物面反射器的系统，用于收集从辐射源发出的射线并将收集到的射线聚焦到靶上。

背景技术

用于收集、聚集和耦合电磁辐射至例如单光纤或光纤束一类的波导中或是用于输出至投影机的均化器的系统的功能性目标就是要最大化电磁辐射在靶处的亮度(即最大化通量密度)。现有技术教导了包括球面反射器，椭球面反射器和抛物面反射器的同轴反射系统以及包括球面反射器、环形反射器以及椭球面反射器的离轴反射系统。对于靶具有与电磁辐射源的弧隙相似尺寸的情况，离轴反射系统比同轴反射系统在靶处可获得更高的效率和亮度，从而可最大化由光纤光学靶所收集到的光量。对于靶具有远大于电磁辐射源的弧隙尺寸的情况，离轴反射系统和同轴反射系统均可以有效地将从辐射源发出的射线收集、聚集并耦合到波导中。

光学收集和聚集系统包括多种光学元器件，例如用于从诸如灯泡的光源接收光能并将接收到的光能导向靶的反射器和透镜。特别地，光学系统收集并聚集电磁辐射以便耦合光能至例如单光纤或光纤束的标准波导，或者将光能输出至投影机的均化器。这种光学系统的主要功能性目标就是要实现电磁辐射在靶处的亮度(即通量密度)的最大化。

用于从光源收集并聚集光的光学系统通常可以分为“同轴”或者“离轴”。在同轴系统中，反射器放置在光源与目标之间的光轴上。图1示出了一个公知的采用具有成像透镜的抛物面反射器的同轴光学系统。这种抛物面反射器具有准直从焦点发出的光能至与光轴基本上平行的方向上传输的特征。为了对从光源发出的光进行准直，图1所示的光学系统通过将光源放置于焦点处，从而利用了抛物面反射器的上述特点。放置在光路中的聚集透镜接收基本上准直的光能并且将接收的光能重新导向靶。通过这种方法，可将光能收集并聚集至靶上。抛物面反射器的应用还允许采用各种滤光片来提高光学系统的性能和耐久度。然而，光的发散角沿着反射器连续地变化并且靠近光轴传输的光线具有最大的发散角。因此，系统的放大倍率沿着从光源发出的光所经过的不同路径而变化，导致系统亮度降低。此外，聚焦透镜即使在理想条件下也会产生畸变图像，并且在实际操作中典型地产生严重畸变的图像从而会显著的增加图像的大小并减少目标的通量密度。

图2示出了另一种公知的同轴光学系统。这种系统采用具有从一个焦点发射的所有光线经反射都会导向第二焦点的特征的椭球面反射器。图2所示的光学系统采用椭球面反射器，其中光源置于第一焦点而靶则置于第二焦点。与前面所述的系统一样，同轴椭球面系统也会遭受由于光的发散角沿着反射器连续变化而导致的亮度降低，其中靠近光轴传输的光线具有最大发散角。

总之，同轴系统在耦合过程中普遍受到亮度损失方面的基本限制，从而降低了光学照射和投影系统的整体效率。特别地，在公知同轴系统中反射光束的发散角取决于从辐射源发出的光线的角度，而这种现象是不希望有的。此外，同轴系统的输出基本上呈圆形并且是对称的，因此可能不是很适合非圆形的靶，例如投影仪中采用的矩形均化器。

在离轴光学收集系统中，反射器位于光源与靶之间的光轴之外。例如，图3示出了这样一种光学系统，其中光源位于反向反射器(retro-reflector)的焦点处而靶位于主反射器的焦点处，但是上述反射器均位于光源与靶之间的光轴之外。在所示的光学系统中，光源发出的光能被反向反射器反射并传输至主反射器。光能再次被主反射器反射并会聚在靶上。

在图3所示的离轴系统中，当系统的数值孔径很小时，所有角度的光的放大倍率都非常接近1∶1。当系统采用高数值孔径的镜(例如，试图从同一光源中收集更多的光能)时，会以大发散角反射大角度的光线，导致放大倍率偏离1∶1。并且放大倍率减少了在靶处的亮度并且整体上降低了光学系统的性能。放大倍率偏离量取决于镜的尺寸，曲率半径以及弧光灯与靶之间的距离。因此，图3所示的离轴配置更适合于具有较小数值孔径的应用。

此外，其它不同的离轴光学系统也是公知的。例如，美国专利No.4,757,431(以下称为‘431专利)提供了一种采用离轴球形凹面反射器的聚集和收集系统，其中离轴球形凹面反射器可提高照射小靶上的最大通量密度以及由小靶收集的通量密度。美国专利No.5,414,600(以下也称为‘600专利)以及美国专利No.5,430,634(以下也称为‘634专利)提供了对‘431专利的光学系统的改进，其中前者中的离轴凹面反射器是椭球面的，而后者中的离轴凹面反射器是环形的。尽管‘634专利中描述的环形系统提供对散光的校正，并且‘600专利的椭球面系统提供了比‘431专利中的球形反射器更加精确的耦合，但是这些系统均需要在高曲率的反射表面实施光学镀膜，这样的光学镀膜相对昂贵并且很难实现厚度均匀。

总之，公知的离轴光学系统提供了一种在靶处获得基本上接近1∶1(未放大)的光源图像并且保持原有亮度的光学系统。然而，在公知的离轴系统中，放大倍率会随着通过增加反射器的收集角度使收集到的光量的增加而偏离1∶1。因此，当通过收集到更多的光源发出的光能而使光强增大时，光学系统的总体性能将会降低。

为了解决公知光学收集和聚集系统中存在的问题，美国专利No.6,672,740提供了一种同轴、双抛物面反射系统，所述系统与其它公知系统相比在很多方面都具有优势，包括对于小尺寸的光源可以得到接近1∶1的放大倍率。如图4中所示，这种光学收集和聚集系统采用两个基本上对称的抛物面反射器，其中所述抛物面反射器需要放置的位置要使从第一反射器反射的光在第二反射器上的相应区域处被接收。特别地，从光源发出的光由第一抛物面反射器收集并且沿着光轴朝向第二个反射器的方向准直。第二反射器接收经准直的光束并使光束聚焦到放置在焦点处的靶上。

为了方便这种光学系统的描述，图4中包含了三束从光源发出的不同的光线(a、b和c)的光路。光线a在与第一抛物面反射器相交之前传输了相对较短的距离，但是光线a在第一抛物面反射器处的发散角相对较大。作为对比，光线c在光源与第一抛物面反射器之间传输的距离更远，但是在第一抛物面反射器处具有相对较小的发散角。位于光线a与光线c之间的光线b，与第一抛物面反射器相交之前传输的距离居于上述两者的距离之间并且具有介于上述两者之间的发散角。在这种光学系统中，由于两个抛物面反射器对称，光线a、b和c在第二抛物面反射器的对应的位置处反射，使得对于每束光线而言第二抛物面反射器与靶之间的距离和光源与第一反射器之间的距离相等。通过这种方式，第二反射器对发散角进行了补偿。因此，这种光学系统以接近1∶1的放大倍率从光源收集并聚集光能并且可保持光源的亮度。

图4所示的光学系统还可以采用一种与第一抛物面反射器联合使用的反向反射器，其中反向反射器用于捕获光源发出的与第一抛物面反射器方向相反的光线并将捕获到的光线反射穿过光源。特别地，这种反向反射器基本上呈球面形状，其焦点位于在朝向第一抛物面反射器的方向上基本上接近光源(即在第一抛物面反射器的焦点处)的位置处从而增大反射的准直光线的强度。

在提出了上述同轴、双抛物面光学系统之后，由于在上述同轴、双抛物面光学系统中光源非常靠近反射器的顶面，因此上述系统会在靠近光源(即沿着类似光线a的路径上)的位置处产生大角度的发散角。特别地，大角度的发散角导致沿着类似光线a路径上传输的光能将会覆盖第二抛物面反射器上的相对较大的区域，从而产生不利的像差以及亮度损失。然而，以上提到的所有的参考文献均未描述一种能够处理大角度发散角并优化光源与聚焦的像之间的放大倍率进而在靶上获得最大的通量密度同时具有最小畸变的系统。

因此，有必要提供一种采用非对称的抛物面反射器收集并聚集电磁辐射的方法，从而最大化在靶上聚焦的光束的通量密度。

发明内容

根据本发明的实施例，提供了一种改进的用于收集并聚集电磁辐射的系统，该系统采用相对的非对称反射器并且优化光源的像与在靶上聚焦的像之间的放大倍率，从而在靶上产生最大的聚焦光强。特别地，本发明针对一种从电磁辐射源收集电磁辐射并将收集到的射线聚焦到靶上的光学设备，所述设备至少利用部分从光源发出的电磁辐射来照射需要被照射的靶。所述设备包含第一反射器和第二反射器，每个反射器均包括至少部分回转抛物面或回转椭球面并且具有光轴A以及光轴A上的焦点。放置在第一反射器焦点附近处的光源产生经第一反射器反射后与光轴A平行的准直射线。第二反射器包含至少部分回转抛物面或回转椭球面并且具有光轴B以及光轴B上的焦点。第二反射器放置在并且朝向与第一反射器相应的位置从而使从第一反射器反射而来的射线被第二反射器反射并且朝着放置在第二反射器焦点附近处的靶聚焦。第一反射器和第二反射器在尺寸和形状上有微小的差别。可选地，第二反射器相对于第一反射器定位和定向从而使从第一反射器反射而来的射线聚焦在第二反射器的焦点处。随后，辐射射线继续传输直至被第二反射器反射并朝着第二反射器的第二焦点附近处放置的靶聚焦。第一反射器和第二反射器可以彼此之间光学上不对称从而优化放大倍率。

反向反射器可以与第一反射器联合使用，用于捕获光源发出的与第一反射器反向的射线，并将捕获的射线朝向第一反射器反射回去穿过光源(即穿过第一反射器的焦点)，从而提高反射出的射线强度。

第一反射器和第二反射器按照面对面相对的关系放置，并且上述反射器的光轴方向彼此平行或者上述光轴可以彼此之间成一定的角度，在后一种情况中利用重定向反射器将从第一反射器反射出的射线重新定向并使其朝向第二反射器。

根据本发明的示例性实施例，第一反射器和第二反射器包括不对称的椭球面/双曲面对，其中第一反射器和第二反射器的其中之一基本上呈椭球面形状，而第一反射器和第二反射器中的另一个相应地基本上呈双曲面形状，其中所述椭球面/双曲面对中的每个反射器均具有与另一个反射器相对应的尺寸和光学方向，从而使每条由第一反射器表面部分反射的射线由第二反射器的相对应的表面部分朝向靶的方向反射，从而，优选地，优化源与聚焦到靶上的像之间的放大倍率。

根据本发明的示例性实施例，利用电磁辐射射线照射靶的光学设备包括第一反射器和第二反射器。第一反射器包括第一焦距、第一焦点以及第一光轴，将电磁辐射射线定向至基本上靠近第一反射器的第一焦点位置处。第二反射器包含第二焦距、第二焦点以及与第一光轴不重合的第二光轴。第二反射器相对于第一反射器定位和定向，用于接收至少部分从第一反射器反射回的电磁辐射射线并将所述部分辐射射线反射至基本上靠近第二反射器的第二焦点位置放置的靶处。第二反射器与第一反射器不对称。

根据本发明的示例性实施例，第二反射器的焦距比第一反射器的焦距长，从而降低了输入到靶的辐射射线的入射角，因此减少了菲涅尔反射损失。

根据本发明的示例性实施例，选择第一反射器和第二反射器的不对称特征以最大化净输出耦合效率。

根据本发明的示例性实施例，选择两个反射器之间的焦距差以优化菲涅尔反射损失与像差之间的平衡，从而提供最大化的净输出耦合效率。

根据本发明的示例性实施例，利用电磁辐射射线照射靶的光学设备包括第一反射器和第二反射器。第一反射器包括第一焦距、第一焦点、第二焦点以及第一光轴。将电磁辐射射线定向至基本上靠近第一反射器的第一焦点位置处，从而被第一反射器反射并基本上聚焦在第二焦点处。第二反射器包含第二焦距、第一焦点、第二焦点以及第二光轴，其中所述第二光轴与第一光轴不重合。将靶放置于基本上靠近第二反射器的第一焦点处，用于接收穿过第二反射器的第二焦点并被第二反射器反射至基本上会聚在第二反射器的第一焦点处的至少部分电磁辐射射线。第二反射器相对于第一反射器定位和定向从而使第一反射器的第二焦点与第二反射器的第二焦点之间基本上靠近。第二反射器与第一反射器不对称，从而优化净输出耦合效率。

根据本发明的示例性实施例，提供了一种用于收集电磁辐射射线并将收集到的电磁辐射射线聚焦到靶上的方法。所述方法包括下列步骤：将电磁辐射射线定向到基本上靠近第一反射器的第一光轴上的一焦点处；相对于第一反射器定位和定向第二反射器使其接收从第一反射器反射的至少部分电磁辐射射线；以及将靶定位于靠近第二反射器的一个焦点的位置处，用于接收从第二反射器反射的至少部分电磁辐射射线，其中所述第二反射器与第一反射器不对称从而有效地减少了菲涅耳反射损失。

根据本发明的示例性实施例，提供了一种用于收集电磁辐射射线并将收集到的电磁辐射射线聚焦到靶上的方法。所述方法包括下列步骤：将电磁辐射射线定向到基本上靠近第一反射器的第一光轴上的第一焦点处，从而所述第一反射器使从第一反射器反射的射线聚焦至基本上靠近第一光轴上的第二焦点的位置处；定位第二反射器使第二反射器的第二光轴上的第一焦点基本上靠近第一反射器的第二焦点，使得从第一反射器反射的会聚射线穿过第一反射器的第一焦点并且被第二反射器重新定向到朝向第二光轴上的第二焦点；以及将靶放置于靠近第二反射器的第二焦点的位置上，其中所述第二反射器与第一反射器不对称，从而有效地减少了菲涅耳反射损失。

滤光片或其他光学元件可放置在准直和聚焦反射器之间。

根据系统所需，第一反射器和第二反射器的形状可以是偏离椭球面或抛物面的形状。同样地，第一反射器和第二反射器可具有近似于椭球面的环形或球面形的形状。

附图说明

本发明的实施例将参照所附的附图予以描述，其中各个附图中的相同部件或特征均采用相同的附图标记表示：

图1是公知的采用抛物面反射器和聚焦透镜的同轴聚集和收集光学系统的横截面示意图；

图2是公知的采用椭球面反射器的同轴聚集和收集光学系统的横截面示意图；

图3是公知的离轴聚集和收集光学系统的横截面示意图；

图4是公知的采用两个抛物面反射器的同轴聚集和收集光学系统的横截面示意图；

图5是根据本发明示例性实施例的采用两个椭球面反射器的离轴聚集和收集光学系统的横截面示意图；

图6是根据本发明示例性实施例的采用两个较大偏心率的反射器的聚集和收集光学系统的横截面示意图；

图7a至图7j是可在本发明实施例中使用的多种波导靶的横截面示意图；

图8a是根据本发明示例性实施例的双抛物面反射系统的示意图；

图8b是标准的双抛物面反射系统的入射角示意图；

图9a至图9b是根据本发明示例性实施例的双抛物面或椭球面反射系统的示意图；以及

图10是根据本发明示例性实施例的双抛物面或椭球面反射系统的示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的示例性实施例进行描述。这些实施例仅用于解释本发明的原理，而不应该理解为对本发明范围的限制。

参照图5至图6以及图8至图10，这些附图示出了本发明的典型的示例性实施例，本发明与下面四个主要部件有关：电磁辐射源10、第一反射器20、第二反射器30以及靶或是锥形的光导管(TLP)50。

优选地，电磁辐射源10为带有玻泡12的光源。更优选地，源10包含例如氙灯、金属卤化物灯、高压气体放电(HID)灯或是汞灯的弧光灯。如下面将要详细描述的一样，对于一些特定应用，如果系统经过改进可以适应带有透明的灯丝的灯，也可以使用例如卤素灯的白炽灯。然而，还可使用小于或相似于靶尺寸的任何电磁辐射源(例如，光纤、白炽灯、气体放电灯、激光、LED、半导体等等)。

在这里，电磁辐射源的大小最好是通过等照度线图(intensity contourmap)的1/e强度值的来定义，其表征光源的亮度(角范围上通量密度)。亮度与弧隙的尺寸相关并且亮度决定了耦合效率的理论极限。对于采用弧光灯的特定例子，轮廓近似轴对称并且其是关于额定电功率、电极设计及组成、气压、弧隙尺寸以及气体成分的复变函数。对于采用具有非球面曲线玻泡的弧光灯的特定例子，通过反射器成像的光源的有效相对位置和强度分布会发生像差。上述像差是由玻泡的形状造成的，玻泡起到了与透镜基本相同的作用并且需要光学元件的补偿。光学补偿可以通过改变反射器的设计去补偿由玻泡造成的散光或者通过在光源与靶之间插入光学校正元件来实现。此外，可对玻泡施加光学镀膜以便最小化菲涅耳反射，从而最大化在靶处可收集到的射线或者用于控制和/或过滤辐射通量。

第一反射器20包括部分回转椭球面或回转抛物面，其中椭球面或抛物面具有光轴22和焦点24、26。优选地，第一反射器20具有反射镀膜28(例如，铝或银)并且表面高度抛光。对于某些特定应用，第一反射器20可以由具有波长选择的多层电介质镀膜的玻璃制成。例如，镀膜28可以是冷镀的镀膜，仅对用于可见光方面应用中的可见光波段具有高反射率。源10放置在第一反射器20的第一焦点24处，到达第一反射器20的电磁辐射作为能量束被反射并且聚焦至第一反射器20的第二焦点26处。其中，源20是弧光灯，优选地，弧隙小于第一反射器20的焦距。

第二反射器30包含部分回转椭球面或回转抛物面，其中椭球面或抛物面具有光轴32和焦点34、36。第二反射器30还可以具有镀膜38，如上所述可选择性地反射光能。第二反射器30可以与第一反射器20的形状或尺寸不同。也就是说，第一反射器与第二反射器彼此不对称。

定位并定向第二反射器30使得由第一椭球面反射器20反射的电磁辐射聚焦至第二反射器30的第二焦点36处。电磁辐射继续传输直至到达第二反射器30的表面并随后朝向第二反射器30的第一焦点34聚焦。为了优化第一反射器20与第二反射器30之间的放大倍率(即聚焦的像与光源基本上大小相同)，被第一反射器20的表面部分反射并聚焦的每一条电磁辐射射线被第二反射器30上基本对应的表面部分反射并聚焦是非常重要的，以在第一焦点34处实现聚焦，即获得最大的可能亮度。在本公开文本的上下文中，第一反射器20和第二反射器30彼此相应地进行定位和定向，从而使经第一反射器20表面部分准直以后的每条电磁辐射射线可被第二椭球面反射器30的基本对应的表面部分聚焦。

靶50是需要利用可能的最高亮度照射的小目标。在本发明的示例性实施例中，如图6所示，靶50是例如光导管、锥形光导管、单芯光纤、熔融光纤束以及光纤束的波导。靶的输入端(例如光纤的近端)位于第二反射器30的第一焦点34处以便接收由第二反射器30反射的电磁辐射聚焦射线。

当在图像的照射或投影中应用本发明的光学收集和聚集系统时，需要均化在靶处的输出强度分布(profile)，从而使输出更均匀。例如，在医学过程中所用的诸如内窥镜的照明，希望获得均匀的照射从而使医生在照射的中心区域和边缘区域观察时可获得相同清晰度。在利用光纤进行照射的情况下，均匀的强度使得更高的能量可以耦合到特定光纤结构中而不会使其被热点所损伤。在投影的情况中，需要利用均匀的强度在屏幕上产生均匀的强度分布。特别地，在视觉审美应用中希望显示图像的中心部分和边缘部分具有相同的照射等级。

相应的，靶可以是如图5中所示的用于调整输出强度轮廓的均化器。波导可以是如图7a至图7f中的横截面图所示的多边形(正方形、矩形、三角形等等)或者是如图7g至图7h中横截面图所示的圆形(圆形、椭圆形等等)。

根据在数值孔径和尺寸方面对输出的要求，均化器可以是从小到大的锥形或者是从大到小的锥形。因此，靶50可以是如图7i所示的增长型锥形波导，或是如图7j所示的缩减型锥形波导。以上述方式，使得均化器可以改变照射的输出形状。例如在图像源60放置在靶50的输出路径上并且通过聚集透镜80和投影透镜90产生投影图像70的投影显示中，均化器的理想输出是长宽比为4∶3或16∶9或者是依据显示格式的其它比例的矩形。然而，照射射线的角度在各个方向上均应相近，从而确保圆形投影透镜90可以有效地用于本光学系统中。

尽管靶和源与本发明中的收集和聚集系统紧密联系，根据本发明的示例性实施例，上述系统涉及使用两个在尺寸和/或形状方面有细微差别的反射器的应用，从而具有重合的焦点(即第一反射器20的第二焦点26和第二反射器30的第二焦点36基本上处于相同的位置)。

下面继续描述本发明的收集和聚集系统，在图5至图6所示的设置中，第一反射器20和第二反射器30彼此面对面相对地放置从而使每个反射器的凹面朝向另一个反射器。在如图5至图6所示的设置中，光学对称性是通过第一反射器20和第二反射器30的放置方式实现的，其中第一反射器20和第二反射器30的位置关系要使它们各自的光轴22、32共线，并且第一反射器20的反射表面与第二反射器30的基本上相应的反射表面面对面相对地放置，使得放大倍率优化。

在图5至图6中，三束射线a、b和c用于示意反射器针对由源10产生的电磁辐射射线的不同路径所发挥的作用。为了更好地说明本发明的光学系统在减少像差方面的有效性，在图5至图6中的射线a、b和c在位置上与图4中的射线基本上相同。从光源10发出的射线a、b和c到达第一反射器20上的不同点，每个点与源10之间有着不同的距离。但是射线a、b和c均从第二反射器30的相对应的位置聚焦到靶50上，因此三条射线均获得近似1∶1的放大倍率或是轻微放大。

如上所述，与射线b和射线c相比，射线a在源10与第一反射器20之间的距离最短并因此产生较大的发散角。在本发明的光学系统中，光源发出的射线从第一反射器20的第一焦点24聚焦到第二焦点26。因此，从源10发出的射线的传输距离，即使是那些诸如射线a的以大角度发出的的射线，都比如图4所示的抛物面反射系统中的相应的射线传输距离大。由于在本发明中射线a，b和c具有相对更一致的传输距离，因此较大传输距离减少了像差的量。

为了进一步减少像差，图6示出了第一反射器20’和第二反射器30’具有较大偏心率(即第一反射器和第二反射器更接近于圆形)的本发明示例性实施例。由于在本示例性实施例中第一反射器20’和第二反射器30’具有较大的曲率，因此减小了第一反射器20’的第一焦点24’与第二反射器30’的第一焦点34’之间的距离。同时，第一反射器20’、第二反射器30’的较大曲率在沿着射线a的方向上增大了第一反射器20’与其第一焦点24’之间的距离。同样地，还增大了在沿着射线a的方向上第二反射器30’与其第一焦点34’之间的距离。因此，与图5中所示的实施例相比，图6中所示的射线a、b和c在辐射源10’与第一反射器20’之间传输的距离(以及辐射源10’与目标50’之间的总距离)相对更加一致。即使对于例如类似射线a的能量传输路径的靠近光轴22’传输的电磁辐射，此特征也可使系统在光源与目标之间产生较小像差。

比较图5与图6中同一射线c的传输路径，可以看出为了收集源10发出的相同角度的输出射线，图6中所示的实施例采用了覆盖椭球面较大部分的反射器20’、30’。然而，可以看出图6中的反射器20’、30’与图5中的反射器20、30具有基本相同的直径。

如图5和图6中所示，本发明提供的收集和聚集系统可以包括反向反射器40的使用，在所示的实施例中，反向反射器40是球面反向反射器。将反向反射器40放置成可捕获源10发出的电磁辐射，如果不使用所述反向反射器40，这些电磁辐射不可能到达第一椭球面反射器20。更特别地，球面反向反射器40的构造和放置要使得从源10发出的并在第一反射器20相反方向上的射线能够被反向反射器40反射回并穿过第一反射器20的第一焦点24，随后朝向第一反射器20。由第一反射器20反射的这部分附加射线添加至直接从源10发出并到达第一反射器20的射线中，从而增加反射后朝向第二反射器30的射线强度。因此，在第二反射器30的第一焦点34处的射线强度也增强了。

如果源10采用的是白炽灯，则反向反射器不能将射线向第一反射器20的第一焦点24处聚焦，因为回复反射的射线会被位于第一焦点24处的不透光的灯丝阻挡。在这种情况下，反向反射器40应该调整到使回复反射射线穿过靠近第一焦点24的位置而非准确地穿过第一焦点24的位置。

可以理解的是，在本发明中可以应用多种不同类型的公知的反向反射器40。例如，作为球面反向反射器40的替代物，可以通过具有与光源10的电弧尺寸相同量级或者更小量级的单元尺寸的二维角锥棱镜阵列(未示出)实现反向反射器的功能。采用二维的角锥棱镜阵列可以消除对反向反射器精确定位的需要并且可在源10的电弧处获得更集中的聚焦。

应该可以理解的是，尽管上述实施例描述了具有椭球面或抛物面形状的第一反射器和第二反射器的配置，通过本发明还可以理解并预见的是第一反射器20和第二反射器30可以应用在形状上与理想几何形状的椭球面或抛物面具有细微差别的形状作为近似。例如，第一反射器20和第二反射器30可以具有改变的椭球面或抛物面形状去补偿各种参数，例如玻泡、滤光片等。在这个例子中，基本上呈椭球面或抛物面的反射器20、30的形状偏差可以很小并且最终输出与最优值之间具有细微差别。反射器的形状偏差还可用于降低反射器20、30的成本，或用于提高特定类型的灯和特定形状电弧的性能。例如，通过本发明还可以理解并预见的是反射器20、30可以是近似的环形反射器(具有两个垂直且不相等的曲率半径)或球面反射器，其中上述反射器可以相对较低的成本制造。如果采用非椭圆反射器，则输出耦合可能不是最优的，但是在第一反射器20和第二反射器30上降低的成本可以足以弥补低耦合效率带来的损失。

在标准的双抛物面反射(DPR)系统中，两个反射器是彼此对称的。电弧的像通常不会如同在椭球面或抛物面反射系统中一样发生畸变或是变得模糊。特别地，对于具有小聚光能力(etendue)的应用来说可获得更高的耦合效率。如图8b所示，标准DPR系统的特点就是进入锥形光导管或靶50的光的角度可以高达±90°，其中±90°是指掠射角，在掠射角处菲涅尔反射损失很高。现在参考图8a，根据本发明的示例性实施例，双抛物面反射(DPR)系统100包括彼此不对称的第一反射器20和第二反射器30。可选地，可利用具有不同形状和/或尺寸的两个部分的单一反射器代替上述的第一反射器20和第二反射器30。两个反射器20、30的不对称关系导致了小的放大倍率，进而引入了像的畸变。但是，输入到锥形的光导管(TLP)50中的光或射线具有比标准的DPR系统小的入射角，从而最大化净输出耦合效率。

根据本发明的示例性实施例，图9a中所示的DPR系统200包括电磁辐射源10、第一反射器20、第二反射器30以及TLP 50，其中两个反射器20、30不对称从而实现微小的放大倍率。可选地，可以利用具有不同形状和/或尺寸的两个部分的单一反射器代替第一反射器20和第二反射器30。根据本发明的一个方面，第二反射器30比第一反射器20大并且焦距比第一反射器20的焦距长。微小放大倍率引起少量图像畸变，但是TLP 50的输入光具有较小的入射角，因此减小了菲涅尔损失。

优选地，第一反射器20为具有光轴22(或焦点的轴线22)的抛物面反射器并且第二反射器30为具有光轴32(或焦点的轴线32)的抛物面反射器。上述两条轴线22、32不重合。图9b示出了从第二反射器30入射到TLP 50上所得的光线。当输出部分或第二反射器30调整到与输入部分或第一反射器同一个焦平面22的时候，如图9b所示，输出部分或第二反射器30的焦点轴线32会处于DPR系统200的外侧。这会产生入射角小于±90°的有益效果，从而减弱菲涅尔反射效应。

可以理解的是，DPR 200或双椭球面反射器(DER)系统300可以通过射线追踪的方式进行设计。在本发明中通过减少菲涅尔反射而获得的增益由于DPR或DER系统200的非对称性而造成的轻微图像畸变而部分损失。因此，本发明提供的系统优化了菲涅尔反射损失与像差或畸变之间的平衡，从而最大化净输出耦合效率。

根据本发明的示例性实施例，如图10所示的DER系统200包括电磁辐射源10、第一反射器20、第二反射器30以及TLP50，其中两个椭球面反射器20、30不对称，从而实现微小放大倍率。根据本发明的一个方面，第二反射器30比第一反射器20大并且第二反射器的焦距长度比第一反射器20的焦距长。微小放大倍率引入少量的图像畸变，但是照到TLP50的输入光具有较小入射角，因此减小了菲涅尔损失。

优选地，第一反射器20为具有光轴22(或焦点的轴线22)的椭球面反射器并且第二反射器30为具有光轴32(或焦点的轴线32)的椭球面反射器。上述两条轴线22、32不重合。从第二反射器30入射到TLP 50上的所得到的入射光线与图9b中所示的DPR系统200中的入射光线相似。当输出部分或第二反射器30调整到与输入部分或第一反射器20同一个焦平面22的时候，输出部分或第二反射器30的焦点的轴线32会处于DER系统300的外侧(与图9b中所示的DPR系统200类似)。这会产生入射角小于±90°的有益效果，从而减弱菲涅尔反射效应。

在本说明书中提供了多个本发明的例子。这些例子用于说明本发明的一些可行的实施方式但并非用于限制本发明的范围。

例子

根据本发明实现的第一对示例性光学系统采用功率量级为100W的低功率的灯作为光源。在根据图5中所示的实施例的反射系统中，第一反射器和第二反射器均具有2.5英寸的直径并且源与靶之间相隔(即两个焦点之间的距离)约5英寸。相比较而言，根据图6中所示的实施例的具有较大偏心率的低功率反射系统采用具有相似尺寸的第一反射器和第二反射器，每个反射器的直径均约为2.5英寸，但是源与靶之间的距离约为2英寸。

在较高功率的应用中，光学系统相对较大以便期望收集较高电磁辐射能量等级并适应可能采用的较大功率灯。例如，当采用如图5所示配置并采用功率量级为5000W的高功率灯时，每个主反射器均具有20英寸的直径并且源与靶之间相隔约40英寸。如上所述，图6中所示的实施例中所使用的主反射器具有相近的尺寸，但是导致源与靶之间的距离的减小。例如，根据图6中所示实施例的示例性高功率的光学系统也采用直径约为20英寸的第一反射器和第二反射器，但是源与靶之间的距离为16英寸。

上述内容就是对本发明的描述，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围的条件下可对本发明做出多种变化。上述任何修改均应该认为是包含在所附权利要求的范围之内。

Claims (34)

1.一种利用电磁辐射射线照射靶的光学设备，包括：

第一反射器，其包括第一光轴，和在所述第一光轴上的第一焦点，所述电磁辐射射线导向至基本上靠近所述第一反射器的所述第一焦点的位置；以及

第二反射器，其包括第二光轴，和在所述第二光轴上的第二焦点，所述第二反射器相对于所述第一反射器进行定位和定向，以便接收至少部分从所述第一反射器反射回的射线并将所述射线的所述部分反射至放置于基本上靠近所述第二反射器的所述第二焦点处的靶，所述第二反射器与所述第一反射器光学不对称；和

其中所述第一光轴与所述第二光轴彼此之间基本上平行。

2.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述第一反射器具有第一焦距并且其中所述第二反射器具有与所述第一焦距不同的第二焦距。

3.根据权利要求2所述的光学设备，其中所述第二反射器的第二焦距比所述第一反射器的所述第一焦距长，以便降低输入到所述靶的所述射线的入射角。

4.根据权利要求1所述的光学设备，其中选择所述第一反射器与第二反射器的不对称的特征以用于最大化净输出耦合效率。

5.根据权利要求2所述的光学设备，其中选择所述第一焦距与所述第二焦距之间的焦距差以用于优化菲涅尔反射损失与像差之间的平衡。

6.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述第一反射器和所述第二反射器均包括至少部分基本上回转抛物面。

7.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述第一反射器和所述第二反射器均包括至少部分基本上回转椭球面或部分基本上回转环形面。

8.根据权利要求1所述的光学设备，其中部分所述电磁辐射射线直接照射到所述第一反射器上并且部分电磁辐射射线未能直接照射到所述第一反射器上，以及其中所述设备还包括附加反射器，其结构和放置用于朝向所述第一反射器反射至少部分所述未能直接照射到所述第一反射器上的电磁辐射射线穿过所述第一反射器的所述第一焦点以便增大聚焦射线的通量密度。

9.根据权利要求8所述的光学设备，其中所述附加反射器包括球面反向反射器，所述反向反射器放在与所述第一反射器相对的所述第一反射器的所述第一焦点的一侧，用于将背向第一反射器方向发射的电磁辐射射线朝向所述第一反射器方向反射使其穿过所述第一反射器的所述第一焦点。

10.根据权利要求2所述的光学设备，其中所述第一反射器与所述第二反射器彼此面对面相对放置。

11.根据权利要求1所述的光学设备，还包括一个图像源，收集并聚集的射线在所述靶处照射所述图像源，其中所述图像源包括存储的图像并且通过射线投影所述存储的图像。

12.根据权利要求6或7所述的光学设备，其中所述第一反射器和所述第二反射器的直径均大于所述第一反射器的所述第一焦点与靶之间的距离。

13.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述靶为锥形的光导管。

14.一种利用电磁辐射射线为靶提供照射的光学设备，包括：

第一反射器，其包括第一光轴，和在所述第一光轴上的第一焦点和第二焦点，所述电磁辐射射线被导向至基本上靠近所述第一反射器的所述第一焦点的位置，以便所述第一反射器反射所述电磁辐射射线并使其基本上聚焦于所述第二焦点处；以及

第二反射器，其包括第二光轴，和在所述第二光轴上的第一焦点和第二焦点，靶放置在基本上靠近所述第二反射器的所述第一焦点的位置以便接收至少部分穿过所述第二反射器的所述第二焦点并被所述第二反射器反射的并且基本上聚焦于所述第二反射器的所述第一焦点处的辐射射线，所述第二反射器相对于所述第一反射器定位并定向以便所述第一反射器的所述第二焦点与所述第二反射器的所述第二焦点基本上靠近，所述第二反射器与所述第一反射器光学不对称；和

其中所述第一光轴与所述第二光轴彼此之间基本上平行。

15.根据权利要求14所述的光学设备，其中所述第一反射器具有第一焦距并且其中所述第二反射器具有与所述第一焦距不同的第二焦距。

16.根据权利要求15所述的光学设备，其中所述第二反射器的第二焦距比所述第一反射器的所述第一焦距长，减小输入到所述靶的所述辐射射线的入射角。

17.根据权利要求14所述的光学设备，其中选择所述第一反射器和第二反射器的不对称的特征以用于最大化净输出耦合效率。

18.根据权利要求15所述的光学设备，其中选择所述第一焦距与所述第二焦距之间的焦距差以用于优化菲涅尔反射损失与像差之间的平衡。

19.根据权利要求14所述的光学设备，其中所述第一反射器和第二反射器均包括至少部分基本上回转抛物面。

20.根据权利要求14所述的光学设备，其中所述第一反射器和第二反射器均包括至少部分基本上回转椭球面或回转环形面。

21.根据权利要求14所述的光学设备，其中部分所述电磁辐射射线直接照射到所述第一反射器上并且部分电磁辐射射线未能直接照射到所述第一反射器上，以及其中所述设备还包括附加反射器，其结构和放置使得可反射至少部分所述未能直接照射到所述第一反射器上的电磁辐射射线并使其穿过所述第一反射器的所述第一焦点而照射到所述第一反射器上，以便增大聚焦射线的通量密度。

22.根据权利要求21所述的光学设备，其中所述附加反射器包括一个球面反向反射器，所述反向反射器放置在所述第一反射器的所述第一焦点的一侧，并与所述第一反射器相对放置，用于将背向第一反射器方向发射的电磁辐射射线朝向第一反射器方向反射使其穿过所述第一反射器的第一焦点。

23.根据权利要求15所述的光学设备，其中所述第一反射器与所述第二反射器彼此面对面相对放置。

24.根据权利要求14所述的光学设备，还包括一个图像源，收集并聚集的射线在所述靶处照射所述图像源，其中所述图像源包括存储的图像并且通过射线投影所述存储的图像。

25.根据权利要求19或20所述的光学设备，其中所述第一反射器和所述第二反射器的直径均大于所述第一反射器的所述第一焦点与靶之间的距离。

26.根据权利要求14所述的光学设备，其中所述靶为锥形的光导管。

27.一种收集电磁辐射射线并将所收集到的电磁辐射射线聚焦至靶上的方法，所述方法包括以下步骤：

将所述电磁辐射射线导向基本上靠近第一反射器的第一光轴上的一个焦点处；

相对于所述第一反射器定位并定向第二反射器使其能够接收所述第一反射器反射的至少所述辐射射线的一部分；以及

定位所述靶于基本上靠近所述第二反射器的第二光轴上的焦点处，使其能够接收所述第二反射器反射的所述辐射射线的至少一部分，其中所述第二反射器与所述第一反射器光学不对称从而优化净输出耦合效率和其中所述第一光轴与所述第二光轴彼此之间基本上平行。

28.根据权利要求27所述的方法，还包括减小输入到所述靶的所述射线的入射角的步骤。

29.根据权利要求27所述的方法，还包括选择所述第一反射器和第二反射器的不对称特征来最大化净输出耦合效率的步骤。

30.根据权利要求27所述的方法，还包括优化菲涅尔反射损失与像差之间的平衡以便提供最大化的净输出耦合效率的步骤。

31.一种收集电磁辐射射线并将所收集到的电磁辐射射线聚焦至靶上的方法，所述方法包括以下步骤：

将所述电磁辐射射线导向至基本上靠近第一反射器的第一光轴上的第一焦点处，以便从所述第一反射器反射的所述射线能够基本上被所述第一反射器聚焦于所述第一光轴上的第二焦点处；

定位第二反射器从而使所述第二反射器的第二光轴上的第一焦点与所述第一反射器的所述第二焦点基本上靠近，以便从所述第一反射器反射回来的所述聚焦的射线穿过所述第一反射器的所述第一焦点并被所述第二反射器重新导向至所述第二光轴上的第二焦点；以及

定位所述靶于基本上靠近所述第二反射器的所述第二焦点处，其中所述第二反射器与所述第一反射器光学不对称从而有效地减少菲涅尔反射损失；和

其中所述第一光轴与所述第二光轴彼此之间基本上平行。

32.根据权利要求31所述的方法，还包括减小输入到所述靶的所述射线的入射角的步骤。

33.根据权利要求31所述的方法，还包括选择所述第一反射器和第二反射器的不对称特征来最大化净输出耦合效率的步骤。

34.根据权利要求31所述的方法，还包括优化菲涅尔反射损失与像差之间的平衡以便提供最大化的净输出耦合效率的步骤。

Images