CN1328628A - 利用凹超环面反射镜的集聚和收集光学系统 - Google Patents
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Abstract
一个电磁辐射源(SO),例如一个电弧灯,位在一个偏离于一个凹轮胎面反射表面(M1)的光轴的点处。凹面主反射镜(M1)把来自源(SO)的辐射聚焦到一个偏离于光轴的离轴像点处。相对于球面反射表面而言,采用轮胎面反射表面可借助于明显地减小由离轴几何布局所造成的像差而增强对一个小目标(T),例如一个光学纤维,设置了一个辐射收集效率。在第一反射镜(M1)的对侧设置了一个第二凹面反射镜(M2),用来进一步增强小目标(T)所收集的总通量。按照一个实施例,本发明针对于这样的装置,其中离轴距离的平方除以曲率半径等于或小于电磁辐射源的扩展尺寸(y0 2/r<S0)。
Description
本发明的领域
本发明涉及用于汇集和聚集电磁辐射的系统，具体地涉及一种用于在一个诸如光学纤维这样的小目标上提供高辐射度的系统。
本发明的背景
普通的电磁辐射汇集和聚集设计着重于汇集来自一个近似为点源的辐射源的最大光量并对之重新导向。根据这样的设计来产生小尺寸的聚焦斑必然导至辐射通量的减小，这是因为当辐射来自普通的非相干源时，这种普通设计(即汇集和重新导向最大的光量)本质上与把辐射通量聚集到最小可能的焦斑尺寸内是相矛盾的。所以只有通过相应地减小通量密度才能得到小尺寸的像斑。
对于辐射的汇集和聚集通常采用两种基本的光学设计。第一种是如图1所示的聚光透镜系统。聚光透镜存在一些问题，其中包括：会产生色差和球差，成本较高，难于对准，以及占用空间大。以往技术系统中也有使用图2所示的椭球面反射镜的。它们也存在高成本和不可避免地发生像斑放大(即通量密度减小)等问题。如上所述，这两种系统都倾向于以能量密度的降低为代价来着重于对最大通量的重新导向。
美国专利No.4,757,431描述了一种利用一个离轴凹球面反射镜的改进的会聚和收集系统，它增强了照射一个小目标的最大通量和可被该小目标收集的通量密度，该专利中的一个实施例(图3)在此引用作为参考。该专利中描述的离轴凹球面反射镜有如下缺点：存在平行于离轴移位方向上的像散和要求使该移位量最小化时受到固有的物理限制。像散的效果是减小了系统的聚光效率，从而减少了会聚在目标上的通量。源与目标之间距离最小化(即像散失真最小化)的要求给该实施例中源和目标的物理尺寸加上了限制。关于利用可变形凹球面反射镜的教导并没有导致采用在两个正交方向上具有不同曲率半径的超环面反射镜。
本发明的概述
本发明提出一种在以下三个方面优于美国专利No.4,575,431所公开系统的改进系统：(i)本发明系统加强了把由一个点样的电磁辐射源所发射的辐射汇集和会聚到一个小目标上；(ii)本发明系统增加了可以汇集到一个小目标上的通量；以及(iii)对于如美国专利No.4,757,431中描述的任何“离轴光学系统”，特别对于把优选实施例转化成实际系统的情况，该系统改进了电磁辐射源与小目标之间的汇集效率和耦合效率。
为了达到这些目的和其他目的，本发明使用了一个在两个正交轴上具有不同曲率半径的凹反射面(即一个超环面反射镜)作为主光学元件，还使用了一个电磁辐射源和一个目标(即光学纤维)。源和目标分别位于系统光轴两侧并与光轴有接近相同的距离，这里系统光轴的定义是凹超环面反射镜(“离轴反射镜”)的光轴。为了能在目标上会聚最大的通量密度，在光源背后设置一个后向反射镜(最好属于超环面设计或球面设计的)，使得向后的辐射反射回来并使之重新聚焦到辐射源上再通过辐射源照射到超环面反射镜上。后向反射镜与离轴超环面反射镜一起作为一个系统使会聚在目标上的可收集辐射通量密度达到最大。该系统通过两个途径明显地改善了目标上的可收集辐射：(i)反射镜的超环面设计明显地校正了由离轴布局和例如电弧灯这样的典型电磁辐射源的玻璃外壳所造成的像散；(ii)后向反射镜增大了辐射源的有效亮度。该系统的最大光学效率是这样达到的：在实现反射镜与目标的光学匹配的同时，还通过使系统效率最大化和使源、反射镜、目标之间达到光学匹配来使目标上有最大的通量密度，特别是可被作为目标的光学纤维所收集的通量密度。虽然已往技术教导要使用“共轴”的椭球面反射镜或者“离轴”的可变形凹球面反射镜，但实际中使用非球面反射镜是昂贵的。本系统的一个重要优点是利用十分廉价的非球面反射镜，即超环面反射镜，来把光聚集到目标上，其中，目标上的可收集通量密度对反射镜表面质量不敏感。
附图的简单说明
图1是一个以往技术聚光透镜系统的原理图。
图2是一个以往技术椭球面透镜系统的原理图。
图3a是一个利用球面反射镜的以往技术系统在x-z平面内的原理图。
图3b是一个利用球面反射镜的以往技术系统在y-z平面内的原理图。
图4a是本发明系统在x-z平面内的原理图。
图4b是本发明系统在y-z平面内的原理图。
图5是本发明一个实施例的坐标系。
图6a是说明为了使对目标的辐射会聚和收集最大化，凹球面镜的最佳像面位置的光线图。
图6b是说明为了使对目标的辐射会聚和收集最大化，凹超环面反射镜的最佳像面位置的光线图。注意，为了补偿光学像差而采用两个曲率半径的结果是使I1和I2在理论上几乎合并成一个最小模糊圈。实际上，I1和I2位在最小模糊圈处(对比图6a)，并且最小模糊圈处的像尺寸大于源的尺寸，差别大小取决于超环面设计的优化程度。
图7a是当把图3a的光学构成扩展到包括两个离轴主反射镜和个辅助后向反射镜时的原理图。
图7b是当把图7a的两个辅助后向反射镜合并成一个接近于半球面的反射镜时的原理图，其中该接近半球面的反射镜在两个正交平面内的曲率半径根据源的形状可以是不等的(超环面)或相等的(球面)。
图8是当把各反射镜和源组装并基本上做成一个独立单元后的光学结构原理图。
图9是本发明的一个扩展，其中包含借助于4个离轴超环面反射镜耦合于一个电磁辐射源的4个目标。
本发明的详细说明
为了彻底地理解本发明，在以下说明中给出了一些说明性的而不是限制性的具体细节，例如具体的数目、尺寸和光学元件等等。然而，对于熟悉本技术领域的人来说，显然能够以不同于这些具体细节的其他实施方式来实现本发明。为了不致以不必要的细节来妨碍对本发明的说明，在其他方面删去了关于众知装置和技术的详细说明。
根据本发明构筑的辐射聚集、收集和会聚光学系统包含了3个主要元件(图4)。第4个元件是后向反射镜，它是任选的，但可以改善性能。
(1)源。一个电磁辐射光学点源。在本发明的范围内，点源是任意的紧凑型电磁辐射源，其张角是小的，并向4π立体角范围发射通量。典型地，这种源的一维角尺寸不超过0.1弧度。例如，一个典型源可以是一个设置在凹面反射镜前方约50mm处的电弧灯，其中的电弧放电间隙约1mm。实际中，这样的源是一个扩展源。在优选实施例中，它是一个放电间隙≤1mm的紧凑型氙弧灯，其外壳为石英灯壳或带有石英窗的陶瓷壳。不过也可以使用具有类似尺寸或小于目标的任何电磁辐射源(例如光纤、白炽灯、气体放电灯、激光器、发光二极管、半导体等)。这里，电磁源的尺寸最好利用表征源亮度分布特性的强度方向分布图(通量密度随角度的变化)中的1/e强度来定义。亮度与放电隙的尺寸有关，它确定了耦合效率理论极限。对于电弧灯这一具体情形，方向分布是近似轴对称的，并且是电参数和电极的设计及成分、气压、放电隙尺寸、气体成份等的复杂函数。对于球面外壳电弧灯这一具体情形，反射镜所成的辐射源像的实际相对位置和强度分布存在着像差。这是由基本上起着透镜作用的外壳的形状造成的。需要由一个光学系统(元件)来补偿。光学补偿的方法既可以是修改反射镜的设计使之能补偿外壳造成的像散，也可以是在离轴反射镜(见后)与目标之间插入校正光学系统。此外，可以对外壳加以光学镀膜，以使菲涅耳反射最大化，由此使目标上的可收集辐射最大化，或者用以控制和/或过滤辐射通量。
(2)反射镜。反射镜(离轴的)反射来自源的电磁辐射并使之聚焦到目标上。反射镜的光轴定义了系统的z轴，相对于这个轴，源和目标都是离轴的。在本发明范围内，反射镜是一个相对于源是凹的超环面反射镜的一部分，其准确设计和位置取决于源和目标的特性。在本发明的一个优选实施例中，其准确设计取决于源和目标的特性。这些特性如下：对于目标有(i)尺寸、(ii)形状、(iii)离轴位移量(见后)、以及(iv)对于光纤目标有数值孔径、直径和相对于离轴反射镜的近端端面角，该端面角的定义是光纤横轴与纵轴之间的夹角；对于源有(i)尺寸和亮度、(ii)有效数值孔径、和(iii)源外壳造成的像散。对反射镜表面可以施加光学镀膜，以增强反射率或者控制和/或过滤辐射通量。可以用一个插入在反射镜与目标之间的透镜或倾斜平板(带有或不带有光学镀膜或电介质镀膜的)来进行附加的像散校正。
(3)目标。目标是一个需要用最大可能通量密度的电磁辐射辐照或照明的小物体。在本优选实施例中，目标是直径接近于或小于1mm的单条光学纤维。光学纤维的特性即直径和数值孔径必需匹配于由源和反射镜组成的系统的光学特性。通过对光纤输入端加以光学处理，可以增强集光和传光效率。或者，目标也可以是具有类似或非类似的形状、尺寸、材料和数值孔径的对称或非对称排列的单条光学纤维或一组光学纤维。每条光纤的端面典型地被抛光成平面并且垂直于光纤纵轴；不过，靠近反射镜的那个端面可以被抛光成一个倾斜平面，其目的是：(i)补偿电弧灯等电磁辐射源的不对称像和补偿因离轴和灯壳造成的像散；(ii)改变相对于集光系统的光纤相对数值孔径，以及(iii)调节光纤目标近端面纵轴相对于系统光轴的相对角度。
(4)后向反射镜。后向反射镜使来自源的辐射反射返回并重新聚焦到源上，通过在原始的源上叠加一个反向的辐射强度分布来有效地增大源的强度。在本发明的优选实施例中，后向反射镜是一个相对于源是凹形的超环面反射镜的一部分。在另一个实施例中，后向反射镜是球面反射镜的一部分。后向反射镜的准确设计取决于相对于目标尺寸(以及光纤目标情形下的数值孔径)的源形状和尺寸，还取决于对可能由源外壳造成的非球面的需要校正情况。此外，还可以对后向反射镜的表面施加光学镀膜以增强反射率，或者控制、过滤、和/或衰减辐射通量。
图4a和4b示出根据本发明的一个理想会聚和收集系统。在系统光轴O的两侧分别有一个源So和一个目标T，它们各自相对于光轴位移了一个距离y0，系统光轴由轮胎两反射镜M1(离轴反射镜)的曲率中心和光轴定义(超环面反射镜光轴的定义是曲率半径垂直截面的法线。)还有，在源So的后方有一个后向反射镜M2，源位在近似等于其曲率半径的距离处。虽然该优选实施例为了得到最集中的辐射通量密度而包括了后向反射镜，但对于把辐射聚集、会聚和收集到目标上来说这不是主要的。
如图4所示，源So和目标T的离轴位移量y0是相等的。在实施本发明时，源的离轴位移量可以与目标的不同。在实际情形中，系统的实际光轴将位于目标与源之间，可能与反射镜的光轴不重合。在此情形下系统实际光轴的准确位置取决于目标的数值孔径和反射镜的有效数值孔径。当离轴反射镜的光轴不精确重合于系统光轴时，系统的实际光轴将由源数值孔径与反射镜有效数值孔径及目标数值孔径的正确匹配来确定。如果反射镜上实际用来把光会聚和聚集到目标接纳角内的那个部分小于满孔径A1(见图4)，则反射镜的有效数值孔径将不同地其理论值。对于目标数值孔径小于离轴反射镜数值孔径的系统，反射镜的有效数值孔径将小于其理论值。
可以看到，图4a和4b所示系统的几何布局与美国专利No.4,757,431的图3a和3b所公开的布局十分相似，这后两个图在此引用作为比较。如那个专利所解释的，使用球面反射镜将加上一引用作为比较。如那个专利所解释的，使用球面反射镜将加上一个限制：即离轴距离的平方(y0 2)除以离轴反射镜的曲率半径(r)应小于源(S0)的张角。如下面将讨论的，由于本发明的改进，这一限制将被缓解。
虽然上面所引用的专利教导说：(i)相对于凹球面反射镜，源的放置位置应该是，沿着z轴的距离等于反射镜的曲率半径，并且离轴量y0应满足(y0 2)/r＜So；(ii)目标的最佳位置应该是由最小模糊圈所定义的像点的位置，但是，进一步的分析表明，把目标放置在美国专利No.4,757,431所规定的位置上不一定是最佳的。目标的准确位置取决于源、反射镜、和/或设置在目标与源之间的透射光学元件的特性。该位置还取决于目标，特别当目标是光学纤维时，取决于光纤的形状、尺寸、数值孔径(NA)、以及近端截面相对于离轴反射镜光轴的角度。因此，本发明是一种加大和增强目标上的辐射通量会聚和收集的光学系统。它还加大和增强目标的照明程度。对于目标为多模光纤的情形，光纤将起着一个使透过的辐射通量随机化和搅和的主动元件的作用，从而消除了光学像差和光学记忆。图5示出了根据本发明一个实施例的坐标系。
由于本发明的光学系统可以用源、目标、和光学元件的许多变化来构建，所以对于一个给定目标，最大可收集通量的位置的定义是，关于一组特定系统元件的最大通量密度位置，该位置与最大总通量密度位置、最大总通量位置、或像点(最小模糊圈)位置可能重合，也可能不重合。对于目标设置在像点位置的情况，本发明将提供一个能相对于以往技术来说加大辐射通量密度的光学成像系统。然而，在提供最大理论集光效率方面，该系统可能不是最佳的。本发明中目标的最佳位置取决于目标的特性，这可以分成以下几种情况。
情况1：目标放置在其尺寸接近或小于源尺寸的像点(最小弥散图)处的情况，系统放大率接近等于1。在此情况中，如果光纤目标的数值孔径等于或大于离轴反射镜的数值孔径，则系统是典型地被最优化了。
情况2：目标小于源；或者光纤目标的数值孔径小于情况1中离轴反射镜的数值孔径的情况，这时存在着对于一个给定源和一个目标能优化目标上可收集的通量密度的特定超环面，它可能与情况1中的不同。因此，对于情况2中的目标，对于一个给定的源有一个相应的最佳超环面。这种包含了尺寸不匹配的源和目标的系统具有特定的最佳离轴超环面反射镜；放大率则与情况1类似，近似为1；并且目标放置在像点处。
情况3：含有一个给定的源和一个对目标的特定特性(对于情况1和2中所讨论的光纤目标，这些特性例如有直径、形状、数值孔径等)优化了的超环面反射镜的实际系统情况，当在这种优化系统中使用具有不同于优化目标尺寸或数值孔径的目标时，将需要调整目标和反射镜相对于源的位置。在情况3中，系统的放大率将不再是1，因为为了优化反射镜表面上用来最大程度地把辐射通量密度会集到目标接纳角范围内的那个部分的位置，典型地必须让超环面反射镜沿z轴移动，使它与源之间的距离能实现上述优化。相对于情况1和2而言，目标的位置可能明显地不同，而且反射镜的有效数值孔径是匹配于目标数值孔径的。系统的实际光轴也可能不同于图4所示的理想化几何布局。
在情况3的系统中，根据源的特性，对于给定的目标可能存在其位置的一段轨迹，该轨迹上的任一点都具有相近的可收集通量密度。对于电弧源等扩展源，强度方向分布图中，光纤目标可收集的那个部分将随着目标尺寸以及目标和离轴反射镜数值孔径的不同而改变。因此源被实际成像或集光到目标上的那个部分也将改变。对于小目标来说，可能在强度方向分布图中存在多于一个的部分能在目标上产生相同的可收集通量密度，使得当目标被放置于一段轨迹的多个点上时都能得到相近的可收集通量密度。所以对于情况3而言，应该说系统是把来自源的通量密度聚集在目标上而不是成像在目标上。对于一个给定目标具有能产生相近通量密度的轨迹的情况，目标的尺寸永远小于源尺寸，并且源在其名义尺寸范围内各点的强度方向分布图是不同的。
在本发明和美国专利No.4,757,431中，源在焦点、像点、或者目标轨迹处的辐射通量损失主要是由离轴布置在y方向产生的像散所造成的。其次，对于电弧灯这样的带有玻璃壳的源来说，像散是由玻璃壳自身的非球面形状造成的。在美国专利No.4,757,431中，球面反射镜的缺点是，y-z平面内投射光线的会聚点比x-z平面内投射光线的会聚点更靠近于反射镜。本发明改进了该专利的教导，即用一个具有较大的沿y轴的曲率半径和较小的沿x轴的轴率半径的超环面来替代球面。曲率半径的差别使y-z平面内光线的会聚点与x-z平面内光线的会聚点重合。这一替代通过减小系统的总像散而减小了焦点尺寸，由此既增大了光学系统的聚光能力又增强了目标可收集的辐射通量。在目标放置在最小模糊圈处的特殊情况下，超环面反射镜明显地减小了像的尺寸。例如，当比较具有相同NA和有效半径的球面反射镜和超环面反射镜从一个放电间隙名义尺寸为1mm的氙弧灯向一个1mm直径的光纤聚光的情况时发现，超环面反射镜能使光纤可得到和收集的最大通量增加40％以上。
超环面反射镜相对于球面反射镜的另一个优点是，当使用非理想点源(例如带有非球面玻璃壳的扩展光源)时，超环面具有减小和补偿离轴布局像差的适应性。通过环绕z轴转动超环面反射镜，有可能补偿其中的任何像差，由此可以按照光学系统中各元件制造公差的实际变化来进行调节。这种转动可以调节由x-z和y-z平面中的曲率半径所定义的有效焦距，从而能在最大程度上聚焦辐射通量密度。超环面反射镜的转动通过调节曲率半径来补系统中的特定像差，从而优化了目标上的通量密度。
本发明对前面所引专利的一个实际改进是有能力对不同尺寸的目标来优化目标上的通量密度。虽然如美国专利No.4,757,431所规定的，为了得到最大的通量，与源有相近尺寸的较大目标被放置在最小模糊圈处或其附近，但较小的目标却可能不是这样。例如，对于用来把最大能量会聚到一个光纤目标上的超环面反射镜(r1x＝50mm，r1y＝51.9mm)这个特定情形，随着光纤直径和NA的不同，光纤的位置将有明显的差别。当光纤直径(1mm)与源的尺寸相近并且其NA匹配于反射镜的NA时，按照美国专利No.4,757,431的教导，光纤应位于最小模糊圈附近，然而当光纤NA明显地较小时，其最大可收集通量密度位置将改变0.5mm。对于两个直径与源尺寸相近但数值孔径相差约1倍的光纤，它们的最大通量密度位置可以相差1.5mm，这是因为最大亮度像点取决于通量密度的角分布，而后者又必然根据反射镜的NA和源的亮度对目标处的数值孔径进行优化。虽然位置的＜50μm的小差别相对于光纤尺寸或源尺寸来说对于目标可收集的通量不会造成可察觉的区别，但显然大的位置差别将会造成可测量的区别。为了找到给定目标的最大可收集通量密度位置，需要调节离轴超环面反射镜。因此，对于不匹配的目标和反射镜光学系统，在辐射源给定的情况下，目标的位置可能与匹配光学系统中的位置不同。
美国专利No.4,757,431的教导说，集光和聚光系统是与数值孔径无关的。本发明的离轴集光系统则要求光纤目标与离轴反射镜的NA互相匹配或优化得能获得最大可收集的通量密度。对于不匹配系统，为了得到光纤目标的最大可收集通量必须让反射镜具有大于目标的NA。对于发射辐射的源来说，目标和反射镜的大NA将提供最大的光学效率和集光效率，使得目标上的通量密度能最大程度地集中。一个优化的系统需要让源的特性匹配于离轴反射镜和目标两者的特性。对于源为电弧灯或气体放电灯的情况，就是要使亮度(也即源的强度角分布情况)匹配于系统的光学特性。对于离轴反射镜和目标的任何一组给定特性，存在着一个最佳的电弧尺寸和一个有效NA来产生可能从源耦合到目标上去的最大亮度。
在图4所示的本发明理想化实施例中，源So和目标T等距地位在超环面反射镜M1光轴(也定义为系统光轴)两侧的焦点位置处。其中假定y-z平面包含了源、目标、和光轴。对于以弧光灯作为源的特殊情况(图5)，假定x轴平行于源的纵轴(由电弧隙的两个电极确定)。包含了光轴的y-z平面可能重合于也可能不重合于包含电弧和光纤目标的平面。如果希望β≠0或γ≠0或β、γ都不等于0，准确的值将取决于电弧、反射镜、任选的透射光学元件、和光纤的特性。在实践中，通过倾斜光轴平面使β≈5°和/或γ≈5°从而做到电弧灯源与光纤特性的光学匹配，或者通过把目标放置在y-z平面上方或下方，都可以使可收集的通量和系统效率提高5％到10％。
本发明的一种更接近于理想状况的实施要求这样来设计例如电弧灯这样的辐射源的结构，即让其外壳能像包含源一样地把离轴反射镜和后向反射镜也包含在同一个外壳内。光纤目标可以放置在该外壳之内，也可以放置在外壳外面。当放置在外壳内部时，光纤将作为源、离轴反射镜和后向反射镜的整个封闭组件的一部分被永久性地固定。当放置在外壳外部时，可以通过在光纤目标的最佳位置附近设置一个窗口(图8)或者利用一个光纤耦合机构来把源的聚焦像耦合到光纤目标上。这种装置的性能将取决于离轴反射镜是超环面的还是球面的，还取决于离轴的程度。对于离轴位移被最小化的情况，球面和超环面反射镜的性能将差别不大。因为这种结构消除了短弧隙灯的非球面玻璃外壳所固有的像差，所以球面镜和轴上的后向镜能与超环面镜一样具有良好的性能。如果设计成不带非球面玻璃外壳的电弧灯结构，例如带有窗口的陶瓷外壳结构，也能避免由外壳造成的像差，从而不需要把源和光学元件设置在同一个外壳内就能模拟接近理想的条件。
美国专利No.4,757,431教导说，使用球面反射镜将导致y0 2/r＜S的限制。这一限制实际上限制了系统的物理设计，因为该系统要求目标实际地放置在具有最小离轴距离的位置处，而该位置却是邻近于外壳的。作为对比，可以把超环面反射镜的半径(r1x和r1y)设计得能大为缓解对y0 2/r值的上述限制。这使得在源/源外壳与目标之间存在额外的空间。这个额外空间消除了外壳对焦点的可能障碍，并允许设置用于衰减、控制和/或过滤入射到目标上的辐射通量密度的光学元件(例如滤光器、校正倾斜平板、透镜等)或机械元件(例如快门、可变光栏等)。在前面所引专利的优选实施例中，为了在r≈50mm的球面反射镜和So≈1mm的条件下获得最大可收集通量，y0被限制得不能大于≈7mm。
由于为了与y0 2/r＜S0的约束以及离轴距离最小化的条件相容，最大的外壳直径为4y0，于是美国专利No.4,757,431要求灯外壳的最大直径为28mm。实际上这将把光纤放置在邻近于外壳的位置上。如果用一个r1x＝50mm、r1y＝51.9mm的超环面反射镜来替代球面镜。则对于1mm直径的光纤来说最佳位置是y0＝10mm，并且光纤目标所收集的总能量将比美国专利No.4,757,431所教导的50mm直径球面反射镜情况大40％。所以本发明针对于这样的装置，其中离轴距离的平方除以曲率半径是等于或小于电磁辐射源的扩展度的(y0 2/r≤S0)。
由于大多数电弧是不对称的并且在其x和y方向上的尺寸是不相同的，所以可以通过把圆柱形光学纤维的近端面抛磨出一个倾斜角使得其截面形状成为一个椭圆，来把收集的辐射增加10％左右。通过改变光纤近端面相对于光轴法线的角度，可使光纤目标的纵轴转动以优化可收集的通量密度和目标上的辐照度或照度。
这里所描述的基本光学结构可以扩展成包括一个第二凹面反射镜M2(即后向反射镜)。该后向反射镜位于源的后面，用来反射自源发出的通量并把它重新聚焦到源上，使之通过源而照射到超环面反射镜上。该凹面反射镜M2可以是球面的或超环面的。利用这种凹面反射镜对可收集通量的提高程度随着源、源的外壳、离轴超环面反射镜和目标的特性不同而在10％到75％的范围内变化。为了得到一个具有最佳可收集辐射通量和系统效率的系统，后向反射镜应该光学匹配于源、源的玻璃外壳(如果有外壳)、超环面反射镜、和目标。由于超环面能减小由非球面外壳引起的像散，所以对于带有玻璃外壳的源来说采用超环面设计方案将是更为有利的。对这种像散的校正可以使总收集辐射通量比采用球面后向反射镜的情形提高20％。图8示意性地示出的单件系统可以根据目标的情况而采用一个球面或超环面的后向反射镜来进行优化。
这里所描述的光学结构可以推广到包含多个离轴反射镜(如前述美国专利No,4,757,431所讨论的)、多个后向反射镜和多个目标。如果不带后向反射镜M2，图4的光学系统可以扩展成总共有4个离轴反射镜和4个目标。如果带有第二反射镜M2，则系统将减小为含有2个离轴反射镜和两个目标，如图7所示。图8示出把图7中的两个后向反射镜M2合并成了一个接近半球面的后向反射镜的情况。对于有4个离轴反射镜的情况，每个反射镜将汇集源在≈90°立体角的范围内所发射的电磁辐射。对于有2个离轴反射镜的情况，每个反射镜将汇集源在≈90°立体角范围内发射的辐射，而两个反射镜M2或者图9中的单个后向反射镜将分别把源在≈90°或≈180°立体角范围内发射的辐射聚焦回到源上并通过源。图8示出图4光学结构的实际实现，其中组装了2个反射镜和源，基本上制造成为一个完整的单元件。在实际中，离轴反射镜、后向反射镜和一个用于通过窗口或光纤支架把目标耦合到聚焦了的通量密度上的装置这三者的任意结合都可以被制造成为一个完整的单元件。虽然对于需要有多于4个目标的应用情况来说离轴反射镜的数目可以超过4个，但实际上这种光学系统将不能使目标上的可收集通量密度最大化。
Claims (49)
1、一种系统，它包括：
一个高度发散、宽带、非相干的电磁辐射源，上述源具有一定的扩展尺寸。
一个电磁辐射反射镜，它具有一个轴和一个相对于上述源为凹的基本上为超环面形的反射表面，上述超环面反射表面分别在互相正交的第一和第二平面内具有第一和第二曲率半径，并且上述第一曲率径大于上述第二曲率半径，上述源位在接近上述反射镜的曲率中心但相对于上述反射镜的轴横向偏离一个距离的位置处，上述距离的平方除以上述第一曲率半径的比值等于或小于上述扩展尺寸；以及
一个光学纤维目标，其被定位以使其收集由上述源提供并被上述反射镜收集和反射的电磁辐射。
2、一种用于聚集，会聚和收集电磁辐射来提供一个在一个小面积上具有尽可能多的辐射通量的高强度照明源的系统，上述系统包括：
一个第一主电磁辐射反射镜，它具有一个第一主光轴和一个第一基本为超环面的凹反射表面，该表面由一个第一平面内的第一曲率半径和一个正交于上述第一平面的第二平面内的第二曲率半径所定义，上述第一主反射镜的上述第一与第二曲率半径是不相等的；
一个具有一个扩展尺寸的电磁辐射源，它位在上述第一主反射镜的曲率中心附近但相对于第一主光轴在上述第一平面内横向偏离了一个第一离轴距离的位置处，从而在上述第一主反射镜的反射下将在一个第一像点处产生一个基本上被聚焦的上述光源的像，上述第一像点相对于上述第一主光轴在上述第一平面内横向偏离了一个第二离轴距离，其中上述第一离轴距离的平方除以上述第一主反射镜的第一曲率半径的值等于或小于源的扩展尺寸；以及
一个位于一个最大可收集通量密度点附近的目标，上述最大可收集通量密度点的位置是上述第一主反射镜的第一和第二曲率半径的函数。
3、根据权利要求2的系统，其中上述第一主反射镜的第二曲率半径被选择得能使上述源对上述目标产生最大可收集通理密度。
4、根据权利要求2的系统，其中最大可收集通量密度大于一个球面系统的最大可收集通量密度，该球面系统含有一个具有单一曲率半径的球面反射表面，但在其他方面均与权利要求2的系统相同。
5、根据权利要求2的系统，其中上述第一和第二离轴距离被选择为大于一个球面系统的离轴距离，该球面系统含有一个球面反射镜并把与权利要求2的系统相同的通量密度成像在一个最大可收集通量密度点上，但在其他方面均与权利要求2的系统相同。
6、根据权利要求2的系统，其中上述第一主反射镜的第一与第二曲率半径的差值被最小化了，并且其中上述第一主反射镜的第二曲率半径被选择得能为上述目标产生可能达到的最大可收集通量密度。
7、根据权利要求2的系统，其中上述第一主反射镜的上述第二曲率半径根据上述源的尺寸，亮度、数值孔往和光学像差二被选择以在上述目标处产生上述最大可收集通量密度点。
8、根据权利要求7的系统，其中上述第一主反射镜的第二曲率半径被选择以校正因源的外壳造成的源的像差。
9、根据权利要求2的系统，其中上述第一主反射镜的上述第二曲率半径根据上述目标的尺寸、形状和离轴位移量而被选择以在上述目标处产生上述最大可收集通量密点。
10、根据权利要求2的系统，其中上述第一主反射镜的上述第二曲率半径被选择以在上述目标处产生上述源的一个其尺寸近似等于上述源尺寸的像。
11、根据权利要求2的系统，其中上述目标位于上述最大可收集通量密度点处，这个点基本上与第一像点重合。
12、根据权利要求2的系统，其中的目标是一个具有一个靠近于最大可收集通量密度点的收集端的光学纤维目标。
13、根据权利要求2的系统，它还包括一个具有一个辅助光轴的辅助电磁辐射反射镜，该辅助反射镜具有一个由一个第一曲率半径和一个辅助第二曲率半径所定义的反射表面，上述辅助反射镜表面相对于上述第一主反射镜被设置在上述源的后面，用来使来自上述源的电磁辐射反射回并通过上述源，从而为上述目标产生一个最大通量密度点。
14、根据权利要求13的系统，其中上述辅助反射镜的上述第二曲率半径根据上述源的尺寸、亮度、数值孔径和光学像差而被选择以产生上述最大通量密度点。
15、根据权利要求13的系统，其中上述辅助反射镜的第二曲率半径被选择得能产生上述源的一个基本上与上述源相重合的像，上述源的像的尺寸基本上等于上述像的尺寸。
16、根据权利要求13的系统，其中上述辅助反射镜的上述第一第二曲率半径是相等的，使得辅助反射镜的反射表面是球面形的。
17、根据权利要求14的系统，其中上述辅助反射镜的第二曲率半径被选择以校正由源的外壳造成的源的光学像差。
18、根据权利要求2的系统，其中的电磁辐射源是一个从下述一组光源中选出的光源：交流电弧灯、直流电弧灯、气体放电灯、白炽灯、发光二极管和半导体激光器。
19、根据权利要求2的系统，它还包括一个设置在上述第一主反射镜与上述目标之间的校正光学系统，用来改善上述目标上的上述聚焦像的聚焦情况。
20、根据权利要求2的系统，其中上述目标包括一个其上含有一个邻近于第一像点的收集端的第一光学纤维目标，上述系统还包括：一个具有一第二主光轴和一个带有一个曲率中心的第二基本上为超环面的凹反射表面的第二主电磁辐射反射镜；上述电磁辐射源包括一个光源，上述光源位于第一与第二主光轴的交点附近，但相对于上述交点偏离了一个第三偏离交点距离，从而把上述光源的光聚焦和集中到上述第一像点和一个相对于上述第二主光轴偏离了一个第四离轴距离的第二像点上，相对于上述第一主光轴而言上述第一像点位于上述光源的对侧，并且相对于上述第二主光轴而言上述第二像点位于上述光源的对侧；上述系统还包括一个第二光学纤维目标，该目标含有一个靠近于第二像点的收集端。
21、根据权利要求20的系统，其中的第一和第二主反射镜被制作成为单个反射镜。
22、根据权利要求20的系统，它还包括凹形的第一和第二辅助后向反射镜，分别相对于第一和第二主反射镜而言，它们大体上都位于源的后面，以使把来自源的光反射回到并通过源，进而形成基本上与源重合的第一和第二源像。
23、根据权利要求22的系统，其中的光源、第一和第二主反射镜以及第一和第二辅助后向反射镜被制做和安装在单个外壳内基本上形成一个单元，并被耦合于上述第一和第二光学纤维目标。
24、一种用于聚集、会聚和收集光来提供一个能在一个小面积上产生具有尽可能多辐射通量的用于照明的高强度光源的系统，上述系统包括：
一个主电磁辐射反射镜，它具有一个光轴，和一个由一个第一平面内的第一曲率半径和一个与上述第一平面正交的第二平面内的第二曲率半径所定义的基本为超环面的反射表面的一部分，上述第一与第二曲率半径不相等；
一个光源，它具有一定的扩展尺寸并能提供发散、宽带、非相干光，上述光源被一个外壳包围且位在靠近于上述反射镜的一个曲率中心附近但相对于上述反射镜的光轴在上述第一平面内横向偏离了了一个第一离轴距离的位置处，由此通过上述反射镜的反射，将在一个像点处产生上述光源的一个基本被聚焦的像，该像点相对于上述光轴在上述第一平面内横向偏离了一个第二离轴距离，其中上述第一离轴距离的平方除以上述第一主反射镜的第一曲率半径的比值等于或小于光源的扩展尺寸；以及
一个光学纤维目标，它具有一个纵轴和一个位于一个最大可收集通量密度点附近的收集端，上述最大可收集通量密度点的位置是上述主反射镜的第一和第二曲率半径的函数。
25、根据权利要求24的系统，其中上述主反射镜的上述第一和第二曲率半径被选择以使上述最大可收集通量密度点的位置在上述外壳的外面。
26、根据权利要求24的系统，其中上述主反射镜的上述第二曲率半径被选择以使上述光源对上述光学纤维目标产生可能达到的最大可收集通量密度。
27、根据权利要求24的系统，其中上述主反射镜的上述第一与第二曲率半径之间的差值被最小化了，并且其中上述主反射镜的第二曲率半径被选择以使对上述光学纤维目标产生可能达到的最大可收集通量密度。
28、根据权利要求24的系统，其中上述主反射镜的第二曲率半径根据上述源的尺寸、亮度、数值孔径和外壳的光学像差而被选择以在上述光学纤维目标处产生上述最大可收集通量密度点。
29、根据权利要求24的系统，其中上述主反射镜的上述第二曲率半径根据上述光学纤维目标的尺寸、形状、数值孔径和离轴位移量而被选择以在上述目标处产生最大可收集通量密度点。
30、根据权利要求24的系统，其中上述光学纤维目标具有一个数值孔径，并且上述光学纤维目标的数值孔径不大于上述源和上述反射镜的有效数值孔径，其中上述光学纤维目标是偏离于上述主反射镜的像点的。
31、根据权利要求24的系统，其中上述光学纤维目标位于基本上重合于像点的上述最大通量密度点处。
32、根据权利要求24的系统，其中上述外壳具有一个纵轴，并且其中为了增大目标处的通量密度，上述外壳的纵轴相对于上第一平面的法线被倾斜。
33、根据权利要求24的系统，其中为了增大目标处的通量密度，上述反射镜相对于上述第一平面被倾斜一个角度。
34、根据权利要求24的系统，其中上述光学纤维目标的收集端被抛磨成一个角度，该角度被选择得能使上述光学纤维目标所收集的光量最大化和能校正由上述外壳和上述主反射镜造成的光学像差。
35、根据权利要求34的系统，其中上述收集端垂直于上述光学纤维目标的纵轴。
36、根据权利要求24的系统，其中上述光学纤维目标由多条集束在一起的光学纤维组成。
37、根据权利要求24的系统，它还包括一个设置在上述主反射镜与上述光学纤维目标之间的校正光学系统，用于改善上述聚集像在上述光学纤维目标上的聚焦情况。
38、根据权利要求24的系统，它还包括一个具有一个辅助光轴的辅助光反射镜，该辅助光反射镜含有一个由一个第一曲率半径和一个第二曲率半径所定义的辅助反射表面，上述辅助反射表面相对于上述主反射镜而言被设置在上述源的后面，用来反射来自上述源的光使之返回到源并通过源，从而为上述光学纤维目标产生一个最大通量密度点。
39、根据权利要求38的系统，其中上述辅助反射镜的第二曲率半径根据上述源的尺寸、亮度、数值孔径和外壳像差而被选择以产生上述最大通量密度点。
40、根据权利要求38的系统，其中上述辅助反射镜的第二曲率半径被选择以产生上述源的一个基本上与上述源重合并与上述源具有基本相同的尺寸的像。
41、根据权利要求38的系统，其中上述辅助反射镜的第一和第二曲率半径相等以使辅助反射表面是球面形的。
42、根据权利要求2的系统，其中上述第二离轴距离与上述第一离轴距离基本相等。
43、根据权利要求24的系统，其中上述第二离轴距离与上述第一离轴距离基本相等。
44、根据权利要求16的系统，其中辅助反射表面的第一和第二曲率半径不相等。
45、根据权利要求38的系统，其中辅助反射表面的第一和第二曲率半径不相等。
46、根据权利要求2的系统，其中最大可收集通量密度大于一个球面系统的最大可收集通量密度，上述球面系统含有一个只有单个曲率半径的球面反射表面，上述球面系统的离轴距离的平方除以用于该球面系统的源的扩展尺寸的比值小于上述球面系统的单个曲率半径。
47、根据权利要求2的系统，其中上述第一主反射镜的第一曲率半径是一个等价于一个球面系统的单个曲率半径的有效半径，上述球面系统包括一个具有球面表面的反射镜。
48、根据权利要求2的系统，其中上述第一主反射镜的第一曲率半径是一个小于一个球面系统的单个曲率半径的有效半径，上述球面系统包括一个具有球面表面的反射镜。
49、根据权利要求2的系统，其中上述第一主反射镜的第一曲率半径大于第一主反射镜的第二曲率半径。
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