CN1211604C - 电磁辐射会聚和收集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种将电磁射线会聚和收集到目标表面(43)上的方法和系统，该系统一般由辐射源(41)、初级反射镜(42)和形状与初级反射镜(42)的形状互补的向后反射镜(46)构成。初级反射镜(42)具有反射来自辐射源(41)的射线的反射面，该反射面的形状大体为凹形。辐射源(41)几乎沿所有方向发出由初级反射镜聚集并向目标表面改道的大体均匀的射线通量。向后反射镜(46)具有与初级反射镜(42)的形状互补的形状，该向后反射镜位于能拦截一部分朝目标表面改道的射线的位置。向后反射镜(46)将拦截到的那部分射线沿同一路径反射回到所述初级反射镜(42)，从而将改道后的射线导回并使其穿过辐射源(41)。通过这种方式提高了目标表面(43)上的射线通量密度。

Description

电磁辐射会聚和收集系统
技术领域
本发明涉及一种通过向后反射提高电磁辐射源发出的光的通量密度的方法和系统。
背景技术
在收集和会聚从辐射源到目标表面的电磁射线、特别是可见光时，一个主要目标是使光在目标表面上的通量密度最大化，或最亮。已经使用了利用同轴的椭圆和抛物面反射镜以及各种形状的离轴反射镜的各种结构。由于目标上产生的图像亮度在理论上仅存在于理想光学系统(它在非理想系统中会降低)内，因此不可能将目标上的总通量提高到辐射源发出的射线总量以上。
以图1A为例进行说明，特别是在利用反射镜的光学会聚和收集电磁辐射系统范围内，基本系统由大体为凹面形的初级反射镜2构成。在本技术领域各种形状的凹面反射镜是公知的，其包括球形、抛物面形、椭圆形和复曲面反射镜。图1A专门描述了普通抛物面形的凹面反射镜2，它有两个焦点4和5。在该椭圆系统中，一般辐射源1位于一个焦点4附近，而目标表面3一般是光纤的输入端，均化器、或透镜位于另一焦点5附近。椭圆反射镜的一个固有反射特性是，从它的一个焦点发射的光发生聚集并集中到它的另一焦点上。
为了消除对目标表面上的总通量必需至多等于辐射源发射的射线通量的实质性限制，现有技术中通常采用的技术是将弧光灯作为辐射源，并结合向后反射镜一起使用。该组合体获取从弧光灯一侧发射的光，利用向后反射镜将光改道，使光向后穿过灯的弧面。由于被灯的弧面吸收的反射光很少，因此，利用向后反射镜时，从弧光灯对面发出的光由弧光灯本身辐射出的光和向后反射的光组成。于是，从与向后反射镜相对的灯的侧边发出的总光通量能有效地翻倍。另一现有方法扩展了该理念，正如授予Goldenberg等人的美国专利US.4957759号所述，将来自弧面的光通过多次反射回它本身来提高光通量。
如图1B所示，通常将向后反射镜用于具有光轴17的投影系统。在辐射源11后面一般是弧光灯后面设置球形向后反射镜16，使弧面11A位于球形向后反射镜16的曲率中心19上。该定位使在辐射源11后方聚集的光向后通过弧面11A本身成像，并通过诸如透镜的聚光镜18在系统前方聚集。在理想环境下，该向后反射镜16将有效地使传递给聚光镜的亮度翻倍，实践中一般能使目标表面13上的光通量密度增加60％到80％左右。
为了提高诸如图1A中基于反射镜的聚光系统传输的光通量密度，现有技术已开发了图2所示的复合反射系统。参照图2，该复合反射系统在辐射源21与目标表面23相对的一侧上有一个椭圆形初级反射镜22，它能聚集来自第一焦点24上的辐射源21的光，并将光向第二焦点25反射。凹球面反射镜26的曲率中心29与第一焦点24重合，该反射镜26聚集辐射源21发射的一部分光，并将其反射回来穿过辐射源21，由此几乎能使光的有效通量密度翻倍。然后该向后反射的光象原始光那样被椭圆反射镜22聚集，并被传输到第二焦点25，由此提高了目标表面23上的光总通量密度。
图3表示该复合反射系统的另一结构，其中凹球面向后反射镜36位于辐射源31后方，椭圆形初级反射镜位于辐射源与目标表面33之间。就象图2所描述的复合反射镜系统那样，辐射源31位于初级反射镜32的第一焦点34附近，而向后反射镜36的曲率中心、目标表面位于第二焦点35附近。与没有向后反射的情况相比，该情形的目标表面33上的通量密度几乎也能翻倍。
尽管图2和3所描述的系统都采用了凹球面向后反射镜来提高目标表面上的光通量密度，但二者中采用的复合向后反射镜系统制造过于复杂，成本高昂。另外，灯与反射镜间的精确对准也非常困难。于是，该技术领域需要一种能提高辐射源向目标表面发出的射线通量密度的最佳光学会聚和收集系统和方法，该系统要容易制造，且成本低廉。
发明内容
本发明提供了一种能提高目标表面上的光通量密度的电磁辐射会聚和收集方法和系统。依照本发明的系统包括诸如弧光灯的能发出大体均匀的射线通量的辐射源、具有大体为凹形的反射面、焦点和光轴的初级反射镜以及具有非凹形反射面的向后反射镜。依照本发明，选择初级反射镜的大体凹形和向后反射镜的非凹形，以使这两个形状互补。即，初级反射镜和向后反射镜的形状是：由初级反射镜引导来的光将以直角与向后反射镜的非凹形反射面相交，从而使与向后反射镜相撞的光基本上沿原路返回辐射源。
本发明的方法包括以下步骤：从辐射源发出射线，利用基本为凹形的初级反射镜聚集射线，并朝目标表面将发出的射线至少改道成两部分，其中，目标表面例如为光纤的输入端、场均化器、或透镜。该方法还包括利用与初级反射镜形状互补的非凹形向后反射镜大体沿射线的初始路径向后反射至少一部分被初级反射镜改变了方向的射线，并使其通过辐射源。
本发明克服了现有技术中存在的缺点和缺陷，有效地将光会聚到目标表面上，并保持高的光通量密度，同时不需要成本高昂而复杂的复合反射镜或聚光透镜。由下面结合附图描述本发明优选实施例和权利要求一起使本发明的上述的和其它的优点、特征以及方案更容易被理解。通过举例方式对本发明进行说明，本发明并不局限于附图所示结构，图中类似参考标记表示类似部件。
附图简要说明
图1A是现有的传统同轴椭圆反射镜会聚和收集系统的示意图。
图1B是现有的采用透镜和球形向后反射镜的会聚和收集系统的示意图。
图2是现有的同轴复合反射镜会聚和收集系统的第一实施例的示意图。
图3是现有的同轴复合反射镜会聚和收集系统的第二实施例的示意图。
图4是本发明第一实施例的示意图，其中大体为凹椭圆形的初级反射镜与互补的凸球面形的向后反射镜一起使用。
图4A是描述图4的向后反射镜在沿初级反射镜的光轴观察时的示意图，以进一步表示在本发明的上述实施例中它的环形形状。
图5是本发明第二实施例的示意图，其中，将大体为凹椭圆形的初级反射镜与互补的凸球面形的向后反射镜一起使用。
图5A是描述图5的向后反射镜在沿初级反射镜的光轴观察时的示意图，以进一步表示在本发明的上述实施例中它的圆盘形状。
图6本发明的第三实施例的示意图，其中，将大体为凹椭圆形的初级反射镜与互补的凸球面形的向后反射镜一起使用。
图6A是描述图6的向后反射镜在沿初级反射镜的光轴观察时的示意图，以进一步表示在本发明的上述实施例中它的局部圆盘形状。
图7是本发明的第四实施例的示意图，其中，将大体为凹抛物面形的初级反射镜与互补的平面向后反射镜一起使用。
图7A是描述图7的向后反射镜在沿初级反射镜的光轴观察时的示意图，以进一步表示在本发明的上述实施例中它的圆环形状。
图8是本发明的第五实施例的示意图，其中，将大体为凹抛物面形的初级反射镜与互补的平面向后反射镜一起使用。
图8A是描述图8的向后反射镜在沿初级反射镜的光轴观察时的示意图，以进一步表示在本发明的上述实施例中它的圆盘形状。
图9是表示本发明的第六实施例的示意图，其中，将大体为凹抛物面形的初级反射镜与互补的平面向后反射镜一起使用。
图9A是描述图9的向后反射镜在沿初级反射镜的光轴观察时的示意图，以进一步表示它在本发明的上述实施例中的局部圆盘形状。
图10A到10F是多个多边形光波导(波导)目标的横截面的示意图，这些光波导可用到本发明的实施例中。
图11是横截面为圆形的光波导目标的示意图，它可用到本发明中。
图12A是表示依照本发明一个实施例的渐细光波导目标的示意性侧视图。
图12B是表示依照另一实施例的渐粗光波导目标的示意性侧视图。
图13是中空管光波导匀化器的示意性横截面图，它可用到本发明中。
图14是一实施例的示意性侧视图，它可与本发明一起使用，其中，目标表面是透镜的输入端。
具体实施方式
图4和4A描述了本发明的第一优选实施例，它由大体为凹形的初级反射镜42构成，该反射镜42为椭圆形，沿光轴47对称。将包括弧光灯的辐射源41设置得使它的弧隙位于反射镜42的第一焦点44上，从而使灯轴与椭圆形初级反射镜42的光轴47共线。
正如图中所示，初级反射镜42优选为椭圆截面，由此它能聚集大部分由如弧光灯的辐射源41发出的光。本领域普通技术人员可以理解的是，由于辐射源41位于椭圆体的第一焦点44上，因此所有发射光聚集并导向椭圆体的第二焦点45。为了提高光在目标表面43上的通量密度，在第一和第二焦点44和45之间的初级反射镜42的输出光路上布置了凸球面形的向后反射镜，从而使它的曲率中心49位于第二焦点45附近。
该凸球面形的向后反射镜46和大体为凹椭圆形的初级反射镜42的具体方位是互补的，在此所有入射到球形向后反射镜46的反射面上的光将以直角与其相交。结果，入射到凸球面形向后反射镜46上的光以180°被反射，光基本上沿它的路径折回椭圆形初级反射镜42，并折回弧面本身，从而实现了向后反射功能。在图4和4A所描述的优选实施例中，在凸球面形的向后反射镜46的中心形成有小孔46b，用以向目标表面43提供高光通量密度和低数值孔径的光输出。如图4A所示，该小孔46b围绕初级反射镜42的光轴47对称，以确保所有向后反射的光从小孔46b离开，从而使其聚集到目标表面43上。本领域普通技术人员可以理解的是，该小孔46b可以是围绕光轴47对称的任意形状，但该小孔46b优选为图4A所示的圆形，从而使向后反射镜46在沿光轴46观察时呈圆环形。
图5和5A示意性地表示本发明的可替换实施例，其与前述实施例的类似之处在于：其采用了能向位于第二焦点55上的目标表面53反射来自位于第一焦点54上的弧光灯辐射源51的光的椭圆形初级反射镜52。该可替换实施例未采用圆环形向后反射镜，而是采用了曲率中心59大体位于第二焦点55上的大体为凸球面形的向后反射镜56，如图5A所示，当沿光轴57观察时，该向后反射镜56为中心位于光轴57上的实心圆盘形。输出取自该凸球面形向后反射镜56的外部，由于向后反射，目标表面上的通量密度增大。
图6和6A示意性地表示本发明的另一个可替换实施例，其中凸球面形的向后反射镜66与大体为凹椭圆形的初级反射镜62一起使用。如图所示，当沿光轴67观察时，向后反射镜66外观呈半圆盘形。该结构基本上将来自初级反射镜62的初始光输出分成两半，于是第一半光输出(表示为图中底部的那一半)向回反射到初级反射镜62中。所有传递到目标表面63的光从初级反射镜62的未限制(表示为上一半)部分引出。
图7和7A示意性地表示本发明的第二优选实施例，由大体为凹形的初级反射镜72构成，该初级反射镜为抛物面形，沿光轴77对称。与采用椭圆形初级反射镜的实施例类似，将包括弧光灯的辐射源71设置得使它的弧隙位于初级反射镜72的焦点74上，从而使灯轴与抛物面形初级反射镜72的光轴77共线。
如图7所示，向后反射镜76包含大体为平面形的反射表面，该向后反射镜垂直于抛物面形初级反射镜72的光轴77。本领域普通技术人员可以理解的是，大体为凹形抛物面的反射镜的固有特性是，从它的焦点发射的光将被准直成大量平行于反射镜的光轴传播的光束。由此，因为与光轴77垂直的平面向后反射镜76将以180°反射来自初级反射镜72的所有入射光，从而使光基本上沿光路折回辐射源71，因此该平面向后反射镜与抛物面形的初级反射镜72是互补的。
如图7A所示，在该优选实施例中，小孔76b位于反射镜中心。就象图4和4A的实施例那样，应当了解的是该小孔76b不需要是圆形的，但它最好是围绕初级反射镜72的光轴77对称。
图8和8A示意性地描述了本发明第二优选实施例的可选择实施例。在该可选择实施例中，平面向后反射镜86再次垂直于初级反射镜82的光轴87并固定在焦点84和目标表面83之间。然而，如图8A所示，当沿光轴87观察时，可以看到向后反射镜86为中心位于光轴87上的实心圆盘形。于是，如图8所示，所有到达目标表面83的光束在向后反射镜86的外面传播。
图9和9A示意性地描述了本发明的另一可替换实施例，利用了抛物面形初级反射镜92和平面向后反射镜96。与图6和6A所示的实施例类似，当沿光轴97观察时，平面向后反射镜96为半圆盘形。在采用该类型向后反射镜96的本发明的实施例中，所有传递到目标表面93的光部是从初级反射镜92的非限制部分发出的。因此最后所得到的输出的截面为半圆形，其亮度比没有向后反射镜的原始输出的亮度高。
在上述所有实施例中，初级反射镜和向后反射镜都由具有高反射率涂层的适当材料制成，优选为金属。反射镜也可以由玻璃制成，为了在宽波带中应用，它要涂敷诸如银或铝的金属涂层，或为了用于仅反射特定波长的辐射光，它要涂敷多层介质涂层，例如，用于白光输出的宽波带可视涂层，用于固化环氧树脂的蓝色或UV涂层，或适于其它特殊应用的其它波长的专用涂层。
依照本发明实施例的适当辐射源可以是能从小区域发出大体均匀的高密度射线的任意辐射源，例如弧光灯。特别适合用于本发明实施例的弧光灯具有相对初级反射镜的焦距而言比较小的弧隙。对光纤应用来说，优选辐射源包括弧隙长度的数量级约为1mm到6mm的高密度弧光灯。该弧光灯可以是汞灯、汞氙灯、氙灯、金属卤化物灯、HID灯、钨卤灯、或卤素灯、或具有诸如钠的各种掺杂物的弧光灯。本领域普通技术人员容易理解的是，应当根据本发明的具体应用选择灯类型和额定功率。
依照本发明实施例的目标表面可以是要求在上面提供聚集的光辐射通量的任何表面。例如，这些表面是透镜面、光波导输入面但不限于透镜面、光波导的输入面，这些光波导可以是单根光纤或光纤束、匀化器、中空内反射管以及其它光纤、光波导和它们的组合体。
例如，在要求将光传输到由基于低温塑料的材料制成的光纤内的情况下，在将射线引导到光纤中以前，利用均化器对目标表面上的辐射通量分布进行再分配将有助于避免光纤材料被烧焦。当目标表面上产生高度聚集的光斑时，在本发明利用椭圆形初级反射镜的实施例中这一点特别有用。
适用于本发明的匀化器可以有任何亮度或是也可用作光波导的数值孔径转换装置。适合用于本发明实施例的匀化器包括锥形或非锥形的多边形波导、锥形单芯光纤(例如覆层棒)、熔融光纤束、或不规则分布的光纤束。适合用于匀化器的材料为石英、玻璃、或高温塑料。
合适的光波导I的截面是图10A-10F所示的多边形，或图11所示的圆形。另外，光波导I可以是图12A所示的渐细光波导或图12B所示的渐粗光波导。此外，光波导I可以是图13所示的具有反射内壁R的中空管匀化器，或者目标I可以是图14所示的透镜L的输入端S。
对于其中采用了抛物面形初级反射镜的本发明实施例来说，可在目标表面上利用本领域公知的焦距透镜或反射镜将输出改道到该光纤光波导中。
由于图4-6所述实施例中形状为精确椭圆形的反射镜制造价格非常昂贵，因此可通过利用美国专利US5414600、US5430634和US5757431教导的球面镜、复曲面反射镜来代替形状大体为椭圆形的凹面。正如这些参考文件中所教导的，光耦合到目标表面的减损量关键取决于系统尺寸(例如目标表面相对辐射源的距离)和初级反射镜与目标表面的相对数值孔径。
本领域普通技术人员可以理解的是，辐射源与目标表面之间的距离(例如椭圆形初级反射镜的尺寸)可以根据要在目标表面上获得的理想放大量和理想数值孔径来选择。系统优选的放大因子和数值孔径可基于目标上的光输出要与目标的输入特征(例如位于目标表面附近的光纤的临界数值孔径)相匹配来选择。
虽然已经参照实施本发明的优选实施例表示和描述了本发明，但应当理解的是，在本发明可根据不同实施过程作出各种变化，而不脱离此处公开的和下面权利要求包含的较为显著的创造性内容。

Claims (18)

1.一种可提高目标表面上光通量密度的电磁辐射会聚和收集系统，该系统包括：
能发出均匀的光辐射通量的辐射源；
具有凹形的反射面、焦点和光轴的初级反射镜，所述辐射源位于所述焦点附近，所述凹形的反射面能聚集从所述辐射源发出的所述光辐射通量的第一和第二部分，并将所述第一部分光辐射通量改道成沿多个第一路径，将第二部分辐射通量改道成沿多个第二路径；以及
具有非凹形反射面的向后反射镜，所述非凹形反射面与所述初级反射镜的所述凹形的反射面的方位互补；
其中所述第一部分辐射通量沿所述多个第一路径辐射到目标表面上，所述第二部分辐射通量沿所述多个第二路径辐射到所述向后反射镜的所述非凹形反射面，所述非凹形反射面沿所述多个第二路径将所述辐射通量的所述第二部分反射回所述初级反射镜，从而由所述初级反射镜将所述辐射通量的所述第二部分沿所述多个第一路径反射到目标表面。
2.根据权利要求1所述的电磁辐射会聚和收集系统，其中所述凹形的反射面的曲率为椭圆形的曲率，所述非凹形反射面的曲率为球形的曲率。
3.根据权利要求2所述的电磁辐射会聚和收集系统，其中，沿所述光轴观察时，所述向后反射镜为圆盘形。
4.根据权利要求2所述的电磁辐射会聚和收集系统，其中，沿所述光轴观察时，所述向后反射镜为圆环形。
5.根据权利要求2所述的电磁辐射会聚和收集系统，其中，所述光轴观察时，所述向后反射镜为部分圆环形。
6.根据权利要求1所述的电磁辐射会聚和收集系统，其中，所述凹形的反射面的曲率为抛物面形的曲率，所述非凹形反射面为平面形。
7.根据权利要求1所述的电磁辐射会聚和收集系统，其中，其中所述辐射源包括弧光灯。
8.根据权利要求7所述的电磁辐射会聚和收集系统，其中，所述弧光灯具有弧隙，其长度范围为1mm到6mm。
9.根据权利要求7所述的电磁辐射会聚和收集系统，其中，所述弧光灯的灯型可从以下灯类型组成的组中选择：氙灯、汞灯、汞氙灯、金属卤化物灯、HID灯、钨卤灯和卤素灯。
10.根据权利要求1所述的电磁辐射会聚和收集系统，其中，目标表面包括光学波导的输入端。
11.根据权利要求10所述的电磁辐射会聚和收集系统，其中，所述光学波导类型从以下波导组成的组中选择：单根光纤、熔融光纤束、以及覆层棒。
12.根据权利要求1所述的电磁辐射会聚和收集系统，其中，所述目标表面包括匀化器的输入端，所述匀化器接收来自初级反射镜的光辐射通量，并将射线发送给光学波导，其中所述匀化器能以一定角度将光辐射通量再分配成均匀的密度分布。
13.根据权利要求12所述的电磁辐射会聚和收集系统，其中，所述匀化器的截面形状为圆形或多边形。
14.根据权利要求12所述的电磁辐射会聚和收集系统，其中，所述匀化器为由以下材料组成的组中选择的材料构成的光纤：石英、玻璃和高温塑料。
15.根据权利要求12所述的电磁辐射会聚和收集系统，其中，所述匀化器是具有反射内壁的中空管。
16.根据权利要求1所述的电磁辐射会聚和收集系统，其中，所述目标表面包括透镜的输入端。
17.根据权利要求2所述的电磁辐射会聚和收集系统，其中，所述椭圆形的凹反射面由复曲面或球形面代替。
18.根据权利要求1所述的电磁辐射会聚和收集系统，其中，所述初级反射镜与所述向后反射镜中的至少一个能选择性地仅反射某一辐射波长。
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