CN1050435A - 聚焦光源和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于照明光纤的改进光源包括一个高强度 的位于一个反射镜组件内的气体放电灯，该反射镜组 件将来自灯的辐射聚焦在远处焦点上，并可有选择地 透射和反射所希望的可见光辐射，以及衰减不希望的 紫外和红外辐射。组装过程中的对准工序确保了将 最大的通量强度提供给位于反射镜组件远处焦点的 光纤。

Description

本发明涉及特别适合于照明光纤的光源，更具体地说涉及一种包括弧光放电灯和反射器的装置，该反射器可在光源和光纤之间有效地传递可见光辐射而抑制紫外和红外线辐射。

本申请的内容涉及1987年11月17日由George  K.Awai提交的申请序号为121，906的题为“冷光装置和方法”申请的内容，现为美国专利第4，825，341号;并涉及1988年10月31日由George  K.Awai提交的申请序号为264，788号的题为“冷光装置和方法”申请的内容。

许多纤维光学照明应用需要一种光源能发射光通量进入光纤，以便以低阶模的形式沿光纤长度方向长距离传导，或者以高阶模形式用于例如通过光纤侧面横向发射。前种应用一般使用玻璃光纤，而后种应用一般使用塑料光纤。对于塑料光纤，由于位于可见光谱两端的辐射对塑料光纤材料的有害作用，务必注意使伴随可见照明的热量的紫外线辐射为最小。另外，理想的用于照明光纤的光源应该将所有的可见光通量的输出传送到光纤的一端所在的焦点以便以最大效率将光通量传入光纤。

根据本发明，一种使可见光通量传入光纤的传输最优的改进光源和方法包括一个位于椭球面反射镜内的高强度气体放电灯，该椭球面反射镜涂有波长选择性涂层以增强将可见光通量传输到焦点或小焦点区，而使从灯传送到焦点的热量和紫外线通量最小。已认识到典型的金属蒸汽气体放电灯的辐射模式特性，并用其来增大将可见光通量从灯输入光纤的传输效率。

图1是典型的高强度金属蒸汽气体放电灯的平面图;

图2是图1中灯的端视图;

图3是用于图1中灯的反射镜外壳的截面图;

图4是图示图3和5中反射镜外壳曲率的曲线图;

图5是根据本发明的光源的截面图;

图6是示出图1中的灯在水平平面内的发光强度的规化曲线的图;

图7是示出图1中的灯在垂直平面内的发光强度的规化曲线的图;

图8A、8B和8C是图示图5中组件上的滤色涂层的理想传输特性曲线的图。

参照图1，示出了一个包括一个灯泡13的气体放电灯的平面图，灯泡13包括一对电极9、11，它们相对取向并沿轴线14对齐。灯泡13含有电离的气体和诸如锡、铊和汞的金属蒸汽。灯泡13用玻璃毛坯15上的玻璃制成，玻璃毛坯15刚性支撑电极9、11，及其在固定位置的引线导体17、19。灯泡13和毛坯15以及引线导体17、19均装在玻璃外壳21中，该外壳21与底座23相接，而引线导体由17、19通过底座23形成连接管脚25、27。这种类型的灯可以从市场上获得（例如，从纽约OSRAM  Corp.of  Newburgh获得），并且一般能发射约为12000流明的光通量，其色温为3000°k、功耗为150W。

图1中所示的灯在图2中图示其简化的端视图。电极9、11沿轴线14对齐，并位于垂直于和电极成直线排列的（水平）轴线14的纵轴29的两侧，而反射镜24基本上轴向对称地安置在灯周围。该灯图示为对称于x（水平）和y（垂直）轴14、29的原点，以便将灯的发光强度分布数据（如图6和7中的曲线所示）进行对比，这将在后面说明。

参照图3，示出了根据本发明用于图1中灯的反射罩31的截面图。反射罩31包括反射部分33，对准部分35和安装部分37。对准部分35的内部尺寸能轴线对齐地放入灯的外壳21，安装部分37的内部尺寸能放入底座23以将各部件连接在一起，按后面将要说明的方法，电极轴位于反射部分33的焦点40上。

反射部分33预定将（通过与本发明以外的常规外部电路）从电极9、11之间保留的气体放电弧的“灯丝”发出的光聚焦到一根或多根光纤的端面所在的一点（或小焦点区）39。反射部分33一般为围绕主轴41旋转对称的截顶椭球面形状，该椭球面的焦点39和40位于主轴41上。椭球面的一个截面位于对准部分35和反射部分33的相交平面43上，另一截面位于垂直于椭球面水平切线具有或接近最大直径49的平面45上。为了接收和反射电极9、11间发射的附加光通量，该椭球面反射部分33可以朝着焦点39的方向延伸超过平面45的位置，只是受到消除组件内热量和希望为在灯泡和焦点39之间插入彩色滤光片留足够的空间所带来的限制。因此，当电极9、11定向在（截顶）椭球面的一个焦点40时，根据熟知的物理原理，其间发射的辐射通量51则聚焦在另一焦点39上。在截面43和45之间的椭球面反射部分33的具体形状在图4曲线中图示出来。如前所述，截平面45可以位于或接近该椭球面的最大直径57处（它位于主轴的原点55处），焦点40是反射部分中灯的电极9、11所在和对准的位置。组装好的反射镜和灯在图5中示出。

根据本发明，从电极9、11间发射的并聚焦在交点39的辐射通量的发光强度，在垂直于中心轴并位于或接近焦点39的平面中的点位置上进行检测，如图5所示。图6和7中的图形示出了在距离电极9、11不同距离的上述这些点上测得的发光强度曲线。具体地说，图6图示了在与电极9、11相交的水平平面内距电极不同距离点上的发光强度。应当注意到发光强度的分布在焦距处最大，并且在水平面上该分布基本对称（如图6所示）。然而，在垂直平面内光强分布不是对称的（如图7所示），在与电极9、11相交的水平平面以上的位置有发光强度急剧增加的辅助峰值，其中图5中的检测距离d小于或等于焦距值（约1.0″）。

申请人认为对于不对称光强分布的一种解释是在灯泡13中包括金属蒸汽的电离气体趋于冷凝和主要汇集在灯泡13的较下部分，并随着工作时间增长而改变程度。这样，从灯泡13较下部分发射的辐射通量部分被散射或吸收。由于对电极9、11间辐射的总光通量的这种作用，为使垂直分布的峰值有稍微移动，将电极9、11的轴线以相对于反射部分33轴线负的或向下方向稍微移动。因此，在将灯的外壳21和底痤23分别装入对准部分35和安装部分37时，将电极轴线14移到反射部分33对称轴下面所选择的尺寸处，并使用例如玻璃与玻璃融焊，或常规的环氧树胶或熔结玻璃粘合剂36或类似物，将底座23装到或永久地固定在安装部分37上。认为所选择的位移尺寸取决于图2示出的充气灯泡13的直径D。因此，电极9、11相对于对称轴的位移量设置为nxD，其中0≤n≤0.2。这样在焦点39处检测的总的通量强度最大，将底座23和安装部分37刚性并永久地连在一起，从而提供一个如图5所示的具有最佳工作取向（即，电极轴线14为水平）的灯装置，它在焦点39处（光纤的端面所在处）提供最大的通量强度。将底座23连接到反射镜的安装部分37非常有利于灯泡和反射镜远处较冷端的差热膨胀，所述灯泡和反射镜的远处较冷端远离电极9、11间的离子放电区中的热源。

根据本发明的另一方面，在连在反射部分33外截面上的透明玻璃面板61上，以及反射部分33的内表面上形成分色滤光涂层，如图5所示。在这些表面上以常规方式形成（例如使用金属蒸汽沉积技术）分色滤色层提供波长选择性透射通过面板61，如图8A所示，并提供来自反射部分33表面的波长选择性反射。因此增强了用图5装置在可见光范围内发射的有效辐射，并衰减了在红外和紫外范围内的辐射，如图8A所示。具体地说，涂在面板61上的分色滤光涂层的透射特性抑制了红外和紫外范围波长的透射，如图8A和8B所示。涂在反射部分33的分色滤光涂层的透射特性也透射（不是反射）红外范围的波长，如图8C所示。

因此，由位于本发明的光源焦点39处的光纤接收的有效辐射由于减小了来自本发明光源的热量和紫外辐射从而大大减小了对光纤塑料材料的危害。

因此，本发明的光源理想地适用于照明位于或接近截顶椭球面焦点处的光纤端面。另外，通过前述的对准过程提供给该焦点的可见光辐射强度最大，并用装置中的分色滤光涂层或辐射反射和透射元件来衰减不希望的辐射强度。

Claims (12)

1、一种包括具有其辐射基本上在确定波段内的灯丝源的灯的照明装置，其特征在于：所述源沿基本垂直于和所选择的照明方向成一直线的基准轴的轴线取向，

将一个反射镜放在灯的周围，用于将其辐射基本上集中在沿参考轴的远离源的一点附近，该反射镜大致包括一个关于轴旋转的椭球面，它将所述点和在所述源附近的另一个点作为椭球面焦点，并基本上在所述源位置和所述点中间的垂直于基准轴的平面中被截顶，

将一块透射材料的面板大致放在反射镜的截面上，用以透射来自于所述源的辐射。

2、根据权利要求1的发光装置，其中所述灯含有一对沿所述轴分开的电极，其特征在于：电极对之间包括金属蒸汽的电离气体用以支持该对电极间的灯丝响应所加的电信号进行放电，

使所述电极轴线偏离于基准轴线。

3、根据权利要求2的发光装置，其特征在于：将所述电极轴线从所述基准轴移向所述另一个点附近。

4、根据权利要求2的发光装置，其特征在于：电极的工作取向为其轴线大致水平，并将所述电极轴线移到所述基准轴线的下面。

5、根据权利要求1的发光装置，其特征在于：所述面板包括一滤光涂层用以衰减来自源的基本上在可见光波带之外的辐射的透射。

6、根据权利要求1的发光装置，其特征在于：所述反射镜包括一滤光涂层用以减小对来自源的基本上可见光波带之外的辐射的反射。

7、根据权利要求1的发光装置，其中的灯包括与之相接的并位于距灯丝源一定距离的支承底座，所述发光装置的特征在于：反射镜包括一个与其连为一体的外壳，以在其中形成从反射镜到该外壳远端的一个通道，

灯的支承底座连在所述外壳的远端用以形成将灯保持在反射镜和外壳内且灯丝源基本位于所述另一点的组件。

8、根据权利要求7的发光装置，其特征在于：反射镜包括一个在灯丝源附近的反射部分，该部分约为1.0英寸长，在所述截面中直径约为2.0英寸，在远离所述点的所述另一点一侧位置上的椭球面截面上，其直径约为1.0英寸。

9、一种选择增强光源可见光辐射的方法，其特征在于：在该源的周围形成一个透辐射材料的反射镜用以有选择地聚焦来自源的辐射，

在反射镜上形成一与波长相关的滤光涂层用以减小对来自该源的在可见光波长之外的辐射的反射。

10、根据权利要求9的发光装置，其特征在于：将与波长相关的滤色片置于聚焦源辐射通路中，用以透射来自源的基本上在可见光波长范围内的辐射。

11、一种增强其中有金属蒸汽的气体放电辐射源的方法，该辐射源包括位于其周围大致为椭球面的反射镜，用于将其辐射聚集在沿水平参考轴并远离该源的点附近，该方法的特征在于：当将源相对于所述基准轴放在反射镜中时，至少在所述点的附近检测出来自源的辐射强度，

最大的辐射强度由光源在反射镜中的位移决定，

将光源刚性地固定在反射镜上相对位移处以便检测到的辐射强度为最大。

12、根据权利要求9的方法，其源包括一对在气体放电介质中沿着水平轴线相互分开的电极，其特征在于：电极偏离于基准轴线以将光源刚性紧固在反射镜上。

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