CN1228566C - 利用级联抛物面反射镜的收集和聚集光学系统 - Google Patents

Abstract

一种电磁辐射收集和聚集光学系统，包括多个级联的凹形抛物面反射镜(32a，32b)和多个电磁辐射或光源(31a，31b)，这些电磁辐射或光源射出光能到这些凹面反射镜，其射出方式使得由这些反射镜将来自每一个源(31a，31b)的能量组合到一个输出目标，例如单芯光纤(I)的端面。

Description

利用级联抛物面反射镜的收集和聚集光学系统

本发明的技术领域

本发明一般涉及照明系统，特别涉及用于收集和聚集电磁辐射到一个很小点使之与目标耦合的光学系统。

本发明的背景技术

当收集和聚集从光源到目标的辐射、特别是可见光时，一个主要目标是使射在目标上的光之亮度为最大。人们已利用同轴椭圆面和抛物柱面反射镜的各种结构以及各种形状的离轴反射镜。由于在目标上产生的像点的明亮度理论上只能被保存在一个理想的光学系统中(在一个非理想系统中被减小)，那么，它就不可能增大在目标上的总通量并高于由光源发出的通量。

为克服这一基本缺陷，常用的一种方法就是利用弧光灯作为光源并结合反向反射镜，这样，从弧光灯一侧发射的光就被反向反射镜改变方向而折回穿过弧光。由于通过弧光的反射光的吸收作用很小，从弧光灯的相对侧发出的光包括了弧光本身发出的光和反向反射的光，因此，从与反向反射镜相对的弧光灯一侧发射的总光通量实际被加倍。其它在先技术的方法通过将来自弧光的光反射回多次而使这个原理得到延伸，因而进一步增大光通量，如Go1denlerg等人的美国专利(专利号4957759)所述。

参见美国专利(专利号5707131)，其说明书公开了利用多个灯结合多个凹面反射镜，以把第一灯的弧光的像点聚焦到一个离轴级联结构中的另一个灯的弧光。图1a和1b说明了利用一个级联系列的反射镜和排在离轴关系中的光源将光耦合到一个目标的原理，如上述专利所述。该系统包括三个主要组成部分：多个源S_i、多个反射镜M_i、和至少一个目标I。

该多个源S_i通常是点式电磁辐射源，如有弧隙的高强度弧形灯。然而，任何具有小发射面积的小型电磁辐射源都是合适的。

多个反射镜M_i将从源S_i发出的电磁辐射聚焦到至少一个目标I。在专利号为5707131的专利中，反射镜都是具有面向目标和光源之凹面的镜子，反射镜的反射面或是球面形、环面形或是椭圆面形，这样可以实现离轴反射，如该技术所示。

目标是一个小的物体，它被提供具有尽可能为最高密度电磁辐射的照明，例如单芯光纤或其它光学光导的端面。

当源到目标的距离很小时，尽管一个非级联离轴系统产生了最小的近似1∶1的放大倍数，用于在专利号为5707131之专利中已公开的级联结构，当多个灯和反射镜加入一个级联时，离轴系统产生的少量的放大倍数将增加并扩展。这样，目标点往往会经受相当大的放大倍数，通量密度相应减小，耦合到目标的光量也减少。由于在先技术中前述的及其它内在的缺陷，有必要提出一种改进的耦合系统，其中，光源能以1∶1的放大倍数级联，使得当增加更多的灯时不会降低级联的功效。

本发明的概述

本发明提供了一种光学系统，其中有多个光源和反射镜被设置在级联关系中，在这种形式下，这些光源的亮度被组合在一起并输入到目标，例如单芯光纤和其它光学光导。

本发明特别提供一种电磁辐射收集和聚集光学系统，用于提供在一小区域中带有较高辐射通量的高强度光输出，它包括一组级联光源和基本上呈抛物面形的反射镜，由于这样一个系统接近于在该目标的弧光的1∶1放大倍数，基本上不依赖于从光源到目标的距离，可以级联多个灯而不降低功效。

根据本发明的实施例，在目标上得到的亮度将高于采用单个光源的情况，并仅受级联设置在该特定结构中的光源及反射镜的数目的限制。本发明还可选择设置两个输出而不仅是一个输出。此外，利用一组级联的两个或多个光源，通过对单个光源的开关可以进行光强和波长控制。本发明的另一个特征是通过级联多个光源提供冗余(redundancy)。对于需要小于所有光源的光强度的应用，根据本发明的实施例，一个光源可用作备用光源，当另一个光源发生故障时，该备用光源被打开并几乎没有停止工作时间。

附图的简要说明

从以下的详细叙述和附图中将更充分理解本发明，这些内容仅作为说明给出，本发明并不限于这些内容，其中：

图1a和图1b是如已知的技术的收集和聚集系统的示意图，该系统具有设置在离轴结构中的级联灯和反射镜；

图2a是根据本发明的收集和聚集系统的基本单元的示意图，在组合中利用半抛物面准直反射镜、半抛物面聚焦反射镜和球面反向反射镜；

图2b是根据本发明的收集和聚集系统的基本单元的示意图，在组合中利用全抛物面准直反射镜、半抛物面聚焦反射镜和平板反向反射镜；

图3a是表示两个抛物面系统基本单元的级联的示意图，其中利用两个全抛物面准直反射镜、一个半抛物面聚焦反射镜和用于反向反射的平面反射镜将两个灯的输出耦合到单个目标；

图3b是表示两个抛物面系统基本单元的级联的示意图，其中利用两个全抛物面准直反射镜、及两个半抛物面聚焦反射镜将两个灯的输出耦合到两个目标；

图4是表示两个抛物面系统基本单元的级联的示意图，其中利用一个全抛物面准直反射镜、一个半抛物面准直反射镜、一个半抛物面聚焦反射镜和一个用于反向反射的球面镜将两个灯的输出耦合到单个目标；

图5是表示根据本发明的三个抛物面系统基本单元的级联的示意图，其中，利用三个全抛物面准直反射镜、一个半抛物面聚焦反射镜和一个平板反向反射镜将三个灯的输出耦合到单个目标；

图6a至图6g是可在本发明的实施例中被采用的多个截面为多边形的光导(波导)目标的示意图；

图7是一个在本发明中可被利用的圆形截面光导目标的示意图；

图8a是说明根据本发明的一个实施例的一个增大的锥面光导的侧视图；

图8b是说明根据另一个实施例的一个减小的锥面光导的侧视图。

优选实施例的详细说明

图2a和2b标示出一个用于将辐射(最好是可见光)收集和聚集到目标I的系统，它包括单个光源21、抛物面准直反射镜22和聚焦反射镜23。这三个部件组合成为本发明的基本单元。

光源21最好是高强度弧光灯，它被设置在抛物面准直反射镜22的焦点处。在本发明的实施例中特别适用的弧光灯将具有弧隙，它相对于抛物面反射镜22的焦矩较小，并比得上目标I之所要求的大小。这样的灯可以是水银灯、汞氙灯、氙灯、金属卤化灯、HID灯(高强度放电灯)、钨卤灯或卤素灯。本领域普通技术人员将容易理解的是，应该根据本发明的特定应用选择灯的类型和额定功率。

根据本发明之实施例的目标I可以是需要将光的聚焦点的照射于其上的任何区域。例如，这些区域可以是、但不限于是透镜的表面、光导的输入表面(光导可以是单根光纤或光纤束)、光束均匀器、空心内反射管、其它光纤、光导及其组合。用于本发明之实施例的合适的光束均匀器包括锥面的或非锥面的多边形波导、单芯光纤、光纤的熔丝束或非熔丝束、或光纤束。

当目标I是光导(波导)时，它可以是截面如图6a至6f所示的多边形、或是如图7所示的圆形。另外，目标I可以是如图8a所示的增大的锥面光导、或是如图8b所示的减小的锥面光导。

根据本发明的优选实施例，所有的反射镜都是其上具有高反射光学涂层的镜子，例如：铝或银。这些镜子非常有效地反射所有形式的辐射，包括紫外线光、可见光和红外线光。对于某些应用，本发明的反射镜可以包括玻璃制成的镜子并被涂覆有波长选择多层介电涂层。例如，仅在可见波长中具有高反射率的冷涂层可被用于光学应用。如本领域普通技术人员所理解的，在本发明之实施例中可以单独应用和组合应用各种涂层。

如图2a所述，在该基本单元的这一实施例中，抛物面准直反射镜22的形状基本上象半抛物面。该系统最好具有球面反向反射镜24a，其曲率中心与光源21重合，这样使得反向反射镜24a将光反射回到光源21的弧隙，基本上没有放大像点。该反向反射将增大(接近两倍)射向目标I的光通量的总量，该目标最好是光导26的端面。

光源21发出的光和由反向反射镜24a反射的光被校准为平行光线，其传播方向平行于抛物面准直反射镜22的光轴28。利用具有基本上为半抛物面形的一个聚焦反射镜23，使这些平行光线然后被聚焦于目标I的一个点，该半抛物面形具有与抛物面准直反射镜22基本相同的二次曲线参数。聚焦反射镜23的设置使得其光轴29基本上与第一抛物面区域的光轴共线，结果形成具有单位放大倍数及产生最亮光强光斑的系统。

图2b描述了一个如图2a所示的基本单元的另一实施例，其中，球面反向反射镜24a被第二半抛物面形反射镜22a和一个平板反向反射镜24b所替代，该平板反向反射镜与第一和第三抛物面区域的光轴28垂直。本领域技术人员易于理解的是，当平板反向反射镜24b被使用时，第一半抛物面区域22和第二半抛物面区域22a可以被基本上是全抛物面形的单个反射镜可互换地替代。

图3a描述了本发明的一个实施例，其中如图2a、2b所示的两个基本单元系统是按级联关系来设置的。第一光源31a被设置在一个基本上是全抛物面形反射镜32a的焦点处，这样，反射镜32a收集的光被校准为平行光线。由平面镜构成的反向反射镜34位于抛物面反射镜32a的输出面之前，它覆盖了反射镜的孔径的一半，其排列垂直于反射镜的轴38a，使得光被反射折回到它自己的路径，并通过第一光源31a向后再聚焦。被该抛物面反射镜之上半部校准的光将几乎被加倍，包括直接由弧光本身发出的光和经反向反射的光。第一光源31a的输出由此被导向到第二抛物面反射镜32b，该反射镜具有基本上为抛物面之形状并带光源31b，光源31b被设置在它的焦点处。来自反射镜31b的光由反射镜32b聚焦，形成光源31b的弧光。

由第一光源31a和部分第二光源31b发出的光构成的总输出将由第二反射镜32b的下半部分校准成为平行光线。重新导向反射镜35最好是平面镜，它设置在相对反射镜32b的光轴38b成一个角的位置，它使来自反射镜32b的输出改变方向进入一个聚焦反射镜33，在该聚焦反射镜处被聚焦为在目标I上的一个点。

光源31b发射并朝着反射镜32b之上半部分的部分光(朝上如图3a所示)将由反射镜32b校准，由半反射镜32a的上半部分聚焦穿过光源31a的弧光，然后由反射镜32a的下半部分和反向反射镜34之组合将光反向反射折回到光源31a的弧光。然后，该反向反射光由反射镜32a校准、由反射镜32b聚焦通过光源31b的弧光、由重新导向反射镜35改变其方向、及由瞄准反射镜33将其与其它前述的光一起收集到目标I的一点。假设没有因缺陷导致的损耗和光源相同，由这样的级联系统在目标I上产生的亮度接近四倍于单个光源而无反向反射的亮度。

图3b描述了本发明的另一实施例，采用与图3a所示类似的设计，除了是采用两个目标I及Ia而不是一个。比较图3a和3b描述的实施例可以看出，反向反射镜34已被从图3a的实施例中略去，而被第二重新导向反射镜35a和第二瞄准反射镜33a替代，它们按与重新导向反射镜35和瞄准反射镜33相似的方式定向，以便将光源31a和31b的光耦合到目标Ia。

图4描述了本发明的另一实施例，除将一球面凹镜44用作反向反射镜外(如图2a所示系统中同样采用的)，其结构与如图3a所述实施例相似。图4的系统的性能与图3a的系统性能基本一致，聚焦在目标I的总光通量基本上是无反向反射的单个光源之光通量的四倍。与图2a类似，反射镜42a是半抛物面，与图3a所示实施例中采用的全抛物面反射镜32a不同。

虽然以上所述显示两个光源级联为单个输出，实际上通过利用光源和抛物面反射镜的相同基本单元可以级联更多个灯。图5描述了一个优选的实施例，其中三个光源51a、51b和51c通过一系列抛物面准直反射镜52a、52b和52c、反向反射镜54、重新导向反射镜55和聚焦反射镜53级联，并使光聚焦为在目标I的一点。在这一情况下，不考虑在反射镜的镜损失和在光源的灯外壳反射，目标I的理论上的总通量六倍于未使用反向反射的单个光源可达到的光通量。

用相应的抛物面准直反射镜可以同样地级联更多的灯至所需的光源数(n)。

如本技术领域中的普通技术人员所理解的，在本发明的实际实施中，关于根据本发明可以级联多少个灯、而同时对在目标处的通量仍有显著的改善，将会有一个限制。光通量可以不受该系统中各种缺陷之光源的影响，包括反射镜的反射率、对于弧光灯在灯外壳的玻璃/空气界面处的菲涅尔反射、及任何由反射镜、弧光灯的玻璃外壳及多通道带来的光学像差。

除增大目标点的通量，根据本发明的抛物面级联聚集和收集系统可用于产生其它所需要的结果。例如，根据本发明的多个级联光源可以被有利地用于提供冗余辐射光源。在一个类似于图3a和图3b并具有两个源的级联系统中，被聚焦在目标点上的输出辐射或可以是来自两个源之辐射的组合，或可以是独立来自每一个源的辐射。如果在该系统的正常工作期间只采用一个源、而该源因某种原因失效时，可采用该第二源替代失效的源。采用根据本发明的级联系统，可以简单地关闭该失效的源，在数秒内可接通该第二源，而不需要对该系统做任何实际改变。当不希望为耦合系统花费相当多的停工时间时，这个特征是特别有利的。

同样，本发明实施例中所使用的光源可以是两个精选的光源，它们产生不同类型的辐射(不同的波长、强度等)。例如，在一个含两个光源的系统中，第一光源可以是汞弧灯，第二光源可以是钠弧灯。这些弧光灯被认为是效率非常高的节能灯。该汞灯发射具有蓝光范围中之波长的可见光，而该钠灯发射具有黄光范围中之波长的可见光。当这些类型的灯被独立使用时产生对照明不需要的光，例如手术用照明，当这两个波长的光被组合使用时，输出光之整体颜色更类似于白色光。本技术领域的技术人员将易于理解，将那些产生不同输出光谱的灯进行组合的能力使得根据本发明的系统满足各种光谱输出特性的需要。

另外，抛物面的大小可以是半抛物面，如上所述，或者可以根据应用情况在其圆形范围内更大或更小。根据一个实施例，抛物面部分小于半抛物面，例如，大于四分之一抛物面但小于半抛物面。

以上说明了本发明，本技术领域的技术人员显而易见的是，只要不违背本发明的原理和范围，可以用很多方式对其进行变化和修改。任何及所有这样的修改都应包含在权利要求的范围内。

Claims (31)

1、一种电磁辐射收集和聚集光学系统，用于提供在一小区域中带有较高辐射通量的高强度光输出，包括：

一个第一凹面反射镜，具有一个焦点，所述第一凹面反射镜具有基本上为抛物面的形状；

一个第一电磁辐射源，设置在靠近所述第一凹面反射镜的所述焦点之位置；

一个反向反射镜，被设计用于使电磁辐射改变方向而折回通过一个所述第一电磁辐射源的第一侧，然后出来通过所述第一电磁辐射源的第二侧，使得基本上所有由所述第一电磁辐射源发射的辐射都朝着所述第一凹面反射镜的抛物面部分；

一个第二凹面反射镜，具有一个焦点，所述第二凹面反射镜具有基本上为抛物面的形状；

一个第二电磁辐射源，设置在靠近所述第二凹面反射镜的所述焦点之位置；

一个凹面聚焦反射镜，具有一个焦点，所述聚焦反射镜具有含抛物面形状的至少一部分；

一个目标，设置在所述聚焦反射镜的所述焦点附近；及

其中，所述第一凹面反射镜和所述反向反射镜被定向，以便校准基本上所有来自所述第一电磁辐射源的辐射，并使其射向所述第二凹面反射镜，所述第二凹面反射镜被定位，以便校准基本上所有来自所述第一凹面反射镜和所述第二电磁辐射源的辐射，并使其改变方向进入所述聚焦反射镜，所述聚焦反射镜被定位，以便收集由所述第二凹面反射镜反射的辐射并将辐射聚焦在所述目标上。

2、根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一凹面反射镜、第二凹面反射镜和凹面聚焦反射镜的所述抛物面形状是半抛物面。

3、根据权利要求1所述的系统，其中所述第一凹面反射镜、第二凹面反射镜和凹面聚焦反射镜的所述抛物面形状小于半抛物面并大于四分之一抛物面。

4、根据权利要求1所述的电磁辐射收集和聚集光学系统，还包括：

一个第三凹面反射镜，具有一个焦点，所述第三凹面反射镜具有基本上为抛物面的形状；

一个第三电磁辐射源，设置在靠近所述第三凹面反射镜的所述焦点之位置；

其中，所述第三反射镜被定位于所述第一凹面反射镜和所述第二凹面反射镜之间，以便校准基本上所有离开所述第一凹面反射镜的辐射和基本上所有由所述第三源发射的辐射，并使其改变方向进入所述第二凹面反射镜。

5、根据权利要求1所述的电磁辐射收集和聚集光学系统，其中，所述目标是光学光导。

6、根据权利要求5所述的电磁辐射收集和聚集光学系统，其中，所述光导具有从包括透镜、光束均匀器、内反射管、光纤及光纤束的一组中选择的一种。

7、根据权利要求6所述的系统，其中，所述光导是从包括圆形截面光导、多边形截面光导、锥形光导及其组合的一组中选择的。

8、根据权利要求1所述的电磁辐射收集和聚集光学系统，其中，所述第一电磁辐射源和第二电磁辐射源中的至少一个是高强度弧光灯。

9、根据权利要求8所述的电磁辐射收集和聚集光学系统，其中，所述高强度弧光灯是从包括汞氙灯、氙灯、金属卤化物灯、HID灯、钨卤灯及卤素灯的一组中选择的一种。

10、根据权利要求1所述的电磁辐射收集和聚集光学系统，其中，所述第一电磁辐射源和第二电磁辐射源发射不同强度的辐射。

11、根据权利要求1所述的电磁辐射收集和聚集光学系统，其中所述第一和第二光源发射不同波长的辐射。

12、根据权利要求1所述的电磁辐射收集和聚集光学系统，其中，所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜中至少有一个被处理，以便有选择地滤除具有预定波长的辐射。

13、根据权利要求1所述的电磁辐射收集和聚集光学系统，其中，所述第一凹面反射镜有一光轴，所述反向反射镜包括一平面反射镜，该平面反射镜被定位垂直于所述光轴。

14、根据权利要求1所述的电磁辐射收集和聚集光学系统，其中，所述反向反射镜包括具有曲率中心的凹面球形反射镜，其中所述球形反射镜被调准以便设置所述第一电磁辐射源靠近所述曲率中心。

15、一种级联电磁辐射收集和聚集光学系统，为提供在一个小区域内带有高辐射通量的高强度光输出，包括：

多个凹面反射镜，各凹面反射镜都有一个光轴和一个焦点，所述多个凹面反射镜之每一个具有基本上为抛物面的形状；

多个电磁辐射源，所述多个电磁辐射源的每一个电磁辐射源与所述多个凹面反射镜的一个反射镜配对，每一个所述电磁辐射源设置的位置靠近与之相配对的反射镜的所述焦点，每一电磁辐射源与反射镜配对被定位，以便每一个所述反射镜从与之配对的所述电磁辐射源接收电磁辐射，并校准所述辐射的射线平行于所述反射镜的所述光轴。

一个第一聚焦反射镜，具有一个焦点，所述聚焦反射镜至少有一部分是抛物面形状；

一个目标，设置在靠近所述聚焦反射镜的焦点处；及

其中，所述多个凹面反射镜使从级联方式中的所述多个电磁辐射源发射的电磁辐射改变方向，射到所述聚焦反射镜上，其中所述第一聚焦反射镜聚集所述被改变方向的辐射到所述目标。

16、根据权利要求15所述的系统，其中所述抛物面部分是半抛物面。

17、根据权利要求15所述的系统，其中所述抛物面部分小于半抛物面，并大于四分之一抛物面。

18、根据权利要求15所述的级联电磁辐射收集和聚集光学系统，还包括：

一个第二凹面聚焦反射镜，具有一个焦点，所述第二聚焦反射镜至少有一部分基本上是半抛物面形状；及

一个第二目标，设置在靠近所述第二聚焦反射镜的所述焦点处；

其中，所述多个凹面反射镜使从级联方式中的所述多个电磁辐射源发射的电磁辐射改变方向，射到所述第一聚焦反射镜和所述第二聚焦反射镜上，其中，所述第一聚焦反射镜聚集所述被改变方向的辐射的第一部分到所述目标，所述第二聚焦反射镜聚集所述被改变方向的辐射的第二部分到所述第二目标。

19、根据权利要求15所述的级联电磁辐射收集和聚集光学系统，还包括：

一个反向反射镜；及

其中，所述反向反射镜改变电磁辐射的方向折回通过所述多个电磁辐射源的第一电磁辐射源的第一侧，射出并通过所述第一电磁辐射源的第二侧，以便使基本上所有由所述第一电磁辐射源发射的辐射被射向该反射镜的基本上为半抛物面之部分，该反射镜与所述第一电磁辐射源配对。

20、根据权利要求19所述的级联电磁辐射收集和聚集光学系统，其中，与所述第一电磁辐射源配对的所述反射镜具有一个光轴，所述反向反射镜包括平面反射镜，它被定位垂直于所述光轴。

21、根据权利要求19所述的级联电磁辐射收集和聚集光学系统，其中，所述反向反射镜包括具有曲率中心的凹面球形反射镜，其中所述球形反射镜被调准以便设置所述第一电磁辐射源靠近所述曲率中心。

22、根据权利要求15所述的级联电磁辐射收集和聚集光学系统，其中所述目标是光学光导。

23、根据权利要求22所述的级联电磁辐射收集和聚集光学系统，其中，所述光学光导是从包含透镜、光束均匀器、内反射管、光纤和光纤束的一组中选择的一种。

24、根据权利要求23所述的系统，其中，所述光学光导是从包含圆形截面光导、多边形截面光导、锥形光导及其组合的一组中选择的。

25、根据权利要求15所述的级联电磁辐射收集和聚集光学系统，其中，所述多个电磁辐射源的至少一个是高强度弧光灯。

26、根据权利要求25所述的级联电磁辐射收集和聚集光学系统，其中，所述高强度弧光灯是从包括汞氙灯、氙灯、金属卤化物灯、HID灯、钨卤灯及卤素灯的一组中选择的一种。

27、根据权利要求15所述的级联电磁辐射收集和聚集光学系统，其中，在所述多个电磁辐射源中至少有两个源发射具有不同强度的辐射。

28、根据权利要求15所述的级联电磁辐射收集和聚集光学系统，其中，在所述多个电磁辐射源中至少有两个源发射具有不同波长的辐射。

29、根据权利要求15所述的级联电磁辐射收集和聚集光学系统，其中，所述多个凹面反射镜包括至少三个反射镜。

30、根据权利要求15所述的级联电磁辐射收集和聚集光学系统，其中，所述多个电磁辐射源包括至少三个源。

31、根据权利要求15所述的级联电磁辐射收集和聚集光学系统，其中，在所述多个凹面反射镜中至少一个反射镜被处理，以便可选择地滤除具有预定波长的辐射。

Images