CN1355893A - 改善从小弧光灯到更大目标的光的耦合 - Google Patents

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Abstract

一个光导(8)用于将来自一个具有大数值孔径的成像源(1)的光耦合到一个具有相当小的数值孔径的光纤元件(7)。当锥形包覆杆、光纤的锥形熔接束、锥形空心反射管、CPC或凹透镜用作光导时,可以有效将光耦合进入一个光纤元件而不损失光通量密度。这样的系统特别有利于与一个成像源一起使用,该成像源产生一个具有高数值孔径的很小图像光点尺寸,比如:一个像球面离轴反射器的、产生1∶1图像的源。

Description

改善从小弧光灯到更大目标的光的耦合
发明的领域
本发明涉及收集和会聚电磁辐射并耦合该辐射进入一个目标的系统的领域。
发明的背景
在光纤技术领域，长期以来的目标是开发一个系统，以更有效地收集和会聚来自非相干的光源(接近一个点光源)的电磁辐射。通常的系统企图引导来源于一个普通非相干光源的辐射进入一个小光点尺寸，而不会相应地减少辐射通量。
通常是，在开发这类系统中已经采取了两种措施。第一种包括在光源和目标之间采用会聚透镜。这类会聚透镜通常具有几个缺点：它们常常是相当昂贵，占用空间多，本身难于对中，并且它们产生色差和球差。另一种普通措施是采用椭球面反射镜。这些反射系统还是很昂贵，并且它们具有固有的缺点：它们使得图象自然放大，引起到达目标的通量密度减小。
最普通的现有技术系统包括一个与透镜一起使用的抛物面反射器，如图5所示。该抛物面反射器9形成灯1的外罩，其表面用铝或银涂敷。采用一个窗口，该气体被密封进入这个外罩。该灯的弧光置于抛物面的焦点，它产生平行射线组成的输出光束。铝或银的反射涂层反射从UV经可见光到红外线的辐射。结果是，对于类似医疗照明的应用，需要可见光过滤器来过滤掉不希望的UV和红外辐射。通常，采用一个传输过滤器，它不能使波长明显切断。因而，所获得的输出由UV和红外辐射组成，其量多于所希望的数量。当采用反射过滤器时，灯和聚焦透镜之间的距离必须增加，以适应该过滤器。这就减小了该系统的耦合效率。为将光耦合进入一个输出器件7，比如一个光纤束，一个聚焦透镜10通常用来使平行束再聚焦成一个小光点。来自透镜的输出数值孔径与纤维束的数值孔径匹配，以取得最大可能的耦合效率。由于抛物面和聚焦透镜组合的内在性质，弧光在纤维束上的放大在整个孔径上不是常数。结果是，输出光点的尺寸总是大于灯本身的弧光。这种机理导致在聚焦点的最大可能亮度或通量密度的减小。与聚焦透镜产生的像差一起，这类系统产生一种光点的尺寸明显大于弧光间隙(arc gap)的输出，和一种不均匀的分布。
图6表示另一种普通构造，用于将来自弧光灯的输出聚焦进入一个纤维束。在这种情况下，灯的弧光置于带电极的椭球形反射器3的一个焦点上，它沿该椭球的主轴设置。输出纤维7放置在目标6上，它定位于沿主轴的另一焦点。椭球表面的大小和两个焦点之间的距离确定了输出束的数值孔径。由于光从一个焦点到另一个焦点有不同路径，放大对于所有的光线不是常数。结果是，在另一个焦点的输出光点的尺寸通常是比弧光本身大几倍。这固有的放大又减小了弧光的亮度。
授予Cross等人的美国专利4,757,431公开了一种收集和会聚系统，它利用一种离轴球面凹反射系统，以增强在以前的椭球面反射系统中目标点的通量密度的量，该专利文献的说明书在此引用作参考。这种系统的布置如图7所示。由于这一系统允许在目标点因其固有的1∶1图象放大而引起的通量密度增加，因此具有以下缺点：其通量集中效率随目标6和弧光灯1之间的线性离轴距离而减小。任何企图通过使离轴位移最小化来限制这样的通量损失由于照明光源的物理尺寸和形状以及目标或光纤输出器件7而受到限制。授予Baker等人的美国专利5,430,634公开了在美国专利4,757,431中所述的离轴反射系统的一种变化形式，其中，一种凹超环面反射器用在凹球面反射器4的位置，该专利文献的说明书也在此结合作为参考。
锥形杆和锥体通常结合起来进入内窥镜的输入光柱，以使来自大直径光源的光的收集最大化，并将收集到的光变换为一个更小的光点尺寸和一个更大的数值孔径。通常，这些构造是非常的没有效率，因为对在空间和角度上达到最佳变换来说锥体的长度太短了。授予Hemlar等人的美国专利5,729,643公开了采用一种锥形光纤，其输入芯直径变尖到一个更小的输出直径，以便将光聚焦为一个更小的光点尺寸。
如授予Aanderson的美国专利5,680,257所揭示，采用透镜和锥形积分器的光束集成部件，以及用来将光会聚为一个小光点尺寸并且增加角度发散的反射器，在现有技术中都是公知的。然而，所有这些先前的系统，必须增加光的数值孔径。因此，这些系统当用到将光耦合进入一根光纤时是无效率的。在努力减少光点尺寸的过程中所获得的光数值孔径或发散的增加，引起收集的光的大部分超过位于象点的输出光纤的数值孔径。这样，在象点的相当比例的入射光不能通过该纤维传输。在现有技术中需要从光的收集和会聚系统改进光的耦合。
发明的概述
在本发明的领域中，来自弧光灯1的非相干光一般地希望被成像在一个目标6上，比如，一根纤维或纤维束的端部。将来自会聚和收集系统的光耦合进入一根光纤，当反射器或会聚透镜和光纤目标的数值孔径相等时为最佳。通常，来自纤维的光输出的数值孔径将与反射器/透镜系统或纤维的相同，无论哪一个较小。这是因为一根光纤一般能说成具有一个固有数值孔径，它代表一个光束能具有和完全包含在光纤内的最大传播角。通过一根光纤的光在任何时候超过纤维的数值孔径，将发生光的泄漏。这一事实变得很重要，无论何时光纤被弯曲，通常都引起纤维的有效数值孔径的局部减小。这样，就希望高通量密度光通过一根光纤，其数值孔径小于纤维的数值孔径。
另一方面，将来自弧光灯的光通量的最大量再引到目标点上要求采用一个具有尽可能大的数值孔径的主反射镜。通常，来自该反射镜/透镜的高数值孔径光在目标点将比光纤或光纤束的更大。由于上述传输限制，因此，这意味着到达目标的光的大部分将不会通过输出纤维传输，并将损失掉。
本发明改进了将光耦合进入大直径目标的现有技术。它提供一种将高数值孔径的光耦合进入一个中等光变换器件的机构，这样用任何会聚和收集系统所收集的灯光被变换成为一个具有更小的数值孔径和更大光点尺寸的输出，以有效地耦合到与直径和数值孔径匹配的大直径单纤维或纤维束的输入端。最终结果相对于现有技术来说，耦合光进入相同目标的系统是更高的效率和输出。
锥形杆和锥体通常结合在一起进入内窥镜的输入光柱，以使来自大直径光源的光的收集最大化，并变换收集到的光进入一个更小的光点尺寸和一个更大的数值孔径。通常，这些构造是非常低效的，因为对在空间和角度上达到最佳变换来说，锥体的长度太短了。
带反射内表面的锥形空心管通常还用来将来自光源的光“汇集(funnel)”成小光点尺寸。这样的空心锥形管像一个漏斗那样工作，它们在两端各有一个孔径，一个孔径比另一个大。该管在较大孔径处吸收光，并在锥形表面内通过反射平稳地将它会聚成一个小的光点尺寸，并且当它在更小孔径处离开时，形成更大的发散。这些类型的光学装置通常与LCD投影仪，DMD投影仪，和类似物结合起来使用。
对本发明具有特殊适应性的另一种光导是一种锥形空心管的特殊形式，也就是公知的复合抛物面集中器，或“CPC”。CPC就像锥形空心管，但是它们的内反射面是抛物面或曲面。这样的抛物面表面已经被发现在将远处大光源发射的光集中成一个小光点尺寸方面是有效的。因此，CPC在收集太阳光线用于加热或发电方面找到了一般的用途。为了这些用途，CPC的输入端具有比输出端更大的横截面，并且从输出端发射的光具有大得多的数值孔径。
固体玻璃CPC还能构造而产生类似的效果。或者，一个透镜能用作光导。如美国专利5,680,257所述，透镜通常是用于将光会聚成一个小目标光点。还有，这种用途必然导致光的NA增加，或发散。
一个光导，为单锥包覆杆或锥体，锥熔接光纤束，反射锥空心管，复合抛物面集中器，凹透镜，或它们的组合的形式，安置在系统的象点，能使通过光纤目标的光的传输最大化。本发明利用现有技术的器件作光导，通过与它们的通常用途方式相反的方式而加以利用。上述器件被定位，由此从光收集系统引导的入射光，比如从上述现有技术系统的任何一个，光点尺寸增加并且角分布减小，以使最终收集的光量最大化，并能通过一个光纤器件被传输。
附图的简要说明
图1是采用一个离轴(off-axis)超环面凹反射器作为主收集器的本发明的一个实施例的示意图。
图2是采用一个离轴椭球面凹反射器作为主收集器的本发明的一个实施例的示意图。
图3是采用一个同轴扩展椭球面凹反射器作为主收集器的本发明的一个实施例的示意图。
图4是表示一个凹透镜用作光导的本发明的一个实施例的示意图。
图5是采用一个抛物面凹反射器和聚焦透镜的现有技术会聚器和收集器系统的示意图。
图6是采用一个椭球面凹反射器的现有技术会聚器和收集器系统的示意图。
图7是采用一个具有以离轴关系定位的光源和目标的超环面凹反射器的现有技术会聚器和收集器系统的示意图。
发明的详细说明
本发明的实施例通常包括一个短弧光灯1，如图所示。合适的弧光灯包括产生弧光间隙直到大约8毫米的灯，包括但不限于氙，水银，水银—氙，AC金属卤化物，和DC金属卤化物型灯，其功率为100-500瓦。试验已经表明，取得的可接受的结果是：采用100和500瓦氙灯以及250和270瓦金属卤化物弧光灯，1毫米、1.5毫米、2毫米、3毫米、以及直到6毫米的弧光间隙。
弧光灯1用于与任何公知的主收集系统结合。图2表示本发明的一个实施例，其中，一个离轴椭球面凹反射器2用作主收集器。图3表示本发明的另一个实施例，其中，一个同轴椭球面凹反射器3用作主收集器。
图1表示本发明的一个优选实施例，其中，一个离轴球面凹反射器4用作主收集器。在上述实施例的任何一个中，一个后向反射器5可以用来增加到主收集器2，3，或4的光通量，分别如图1，2和3所示。主收集器和后向反射器5对于希望收集特殊波长的光或很希望宽带电磁辐射的场合能有选择地涂敷介电材料，铝，或银。例如，辐射是用于可见光照明的目的的场合，该反射镜能用多层介电涂层涂敷，该涂层只反射可见光，并拒斥(reject)UV和IR辐射。该输出将是只有取决于光源的彩色温度的可见光，比如彩色温度在6000K数量级的氖灯。这样的光输出特别适合可视应用，比如在外科照明中。
来自灯1的光通过主收集器2，3，或4被引导到一个目标光点6。在如图5，6，和7所示的现有技术系统中，一个光传输输出器件7放置在目标光点6处。在本发明中，一个用于变换所收集光的数值孔径和光点尺寸的器件8，或“光导”放置在目标光点，以将光变换到一个与输出器件7的匹配的光点尺寸和数值孔径。例如，图1和7的光导6不同，该光导6使收集的光能更有效地通过光纤7输入和传输，因而，增加在光纤7远端的有用光量。
在本发明的实施例中适合用不同的光学器件作光导8。
在本发明中采用一个锥包覆杆作变换器件是为光的角分布的最佳变换而提供。其空间分布反而不会最佳，因为来自包覆杆的输出通常不是均匀的，并包括光的同心环。然而，假如最终输出器件7是一个随机的纤维束，光在纤维束的输出处就会扩散，在空间分布不均匀的输入没有负面影响。一个锥熔接束能可替换地用作光导，但是一个锥熔接束在传输光到最终目标时，相对于同样长度玻璃作一个锥杆来说效率较低。因此，来自一个起变换器件8，或光导的锥熔接束的光更容易耦合进入一个大直径单纤维，以产生一个来自单纤维的均匀输出。假如采用一个更短的熔接束锥，则整个传输的损失就能最小化。一个熔接束锥为更短的长度提供更好的空间均匀性，因为熔接束锥的单独纤维的小直径，通常小于80微米，在单独纤维的大约30(倍)直径范围内，变换角度和空间分布。
一个锥空心反射管，或CPC，在本发明的实施例中，也能用作光导。这种更小孔径的管或CPC将放置在目标光点，这样光被变换到一个大约与输出器件相等的NA和输出直径。
这类光导能被涂敷，以只反射一定波长的光，比如采用多层介电涂层。假如所采用的收集和会聚系统不具有过滤不希望的光的能力，则带涂层的锥空心反射管或带涂层CPC将给使用者提供这种能力。来自锥空心反射管和CPC的输出通常具有一个非均匀空间分布。
本发明的光导的另一个实施例如图4所示。一个凹透镜11，用作光导时，使光线r5和r6改变方向进入输出器件7，这样光线更偏离正常的目标光点表面。在该优选实施例中，采用一个带导向平面的透镜。这种偏向由于更小的NA和更大的光点尺寸导致更有效的耦合。用作光导的凹透镜，如锥包覆杆和锥熔接束，能作为过滤器过滤不希望的波长的光。采用一个透镜作为光导时，应当注意：从光导发出的光在空间上将是不均匀的，并可能包含球差。凹透镜与熔接束结合使用将改善空间均匀性。
在本发明的另一个实施例中，一个熔接束或包覆圆柱杆，其NA和直径与输出器件相似，可安置在光导和输出器件之间，这样，来自光导的光通过该杆或束转移到输出器件。一种与上述两种之一结合起来的设计将具有有利的实用特点。即使输入分布是不均匀，光纤熔接束的输出的空间分布也会是均匀的。因此，采用一个产生非均匀空间分布的光导时，比如像一个锥包覆杆，一个凹透镜，或锥空心反射管，这样的熔接束能提供均匀输入给光纤输出器件。用于这种目的的包覆杆，假如光纤输出器件对热特别敏感，并且因而需要去除存在于目标光点的热，那将是特别有利的。
本领域的普通技术人员将会意识到：用在本发明实施例中的特殊类型光导将会根据输出器件和会聚系统的目的和特点而改变，包括：是否希望过滤光，光纤输出器件对热是否特别敏感，均匀空间分布是否必须，以及特殊系统是否有尺寸限制。
在所示的实施例中，为了在目标光点6最大地收集光，两种条件是优选的：(i)目标光点6的输入直径必须是弧光间隙长度的至少两倍，以保证目标光点6所收集的总光超过80％，和(ii)在目标光点6主收集系统的数值孔径(“NA”)应该最大化。后者通过采用一个具有最大可能NA的主收集器而实现。然而，输出器件7，比如单纤维或纤维束，可以具有比主收集器的NA更小的NA。例如，来自主收集器的目标光点的光可以具有0.7-0.8的NA，而输出纤维或纤维束大约是0.5，这是典型的纤维束。这种在NA方面的不匹配，假如光是直接耦合到输出纤维，将导致光的大量损失并产生不希望的热。在下面讨论的本发明的优选实施例中，一种变换器件8，以锥熔接束和锥包覆杆的形式，将主收集器发出的大NA光变换成为一种更小的NA，如图1中的光线r1和r2所示。
从基础光学来看，假如光导的直径随其长度通过玻璃变尖而增加，照明的角度θ将减小，这样数值孔径也将减小。因此，通过变尖一个熔接束或包覆杆从一个较小输入面积成为一个更大输出面积，照明的角度调整到与输出器件7相匹配。依据照明的角度θ，光纤横断面的直径d和数值孔径NA，其内在的关系是：
NA1×d1＝NA2×d2         (1)
其中NAi＝sin(θi/2)        (2)
在本发明中，如图1所述，关系(1)和(2)由光导控制，以使光纤输出器件的NA和直径的光量最佳。
灯1的输出，采用任何公知的方式，比如球面凹，超环面，或椭球面主镜系统，成像到目标光点6。在本发明的优选实施例中，最佳的结果通过具有1∶1成像系统而获得，比如现有技术的离轴构造，如图7所示，由于目标处的通量密度增加。对于不会产生1∶1光源图像，比如弧光灯的光收集和会聚系统，光点必须比目标的尺寸要小，以具有下面描述的本发明的优点。通常，所采用的光收集和成像系统的类型经常是由目标的大小和尺寸，光导的尺寸和类型，或光纤输出期的直径和类型，和所有的它们各自的数值孔径来确定。
在图1所示的光收集和成像系统利用一个离轴结构的凹超环面反射器，并产生大约1∶1，或未放大的弧光图象。然而，由于这种1∶1成像系统的内在光学像差，假如光学变换器件，或光导的输入横截面直径是灯的弧光间隙尺寸的2-3倍时，才能取得最大的收集效率。为了收集尽可能多的总光，离轴反射器的数值孔径作得尽可能地大。例如，在一个如图1所示的离轴反射器中，NA通常设计成大约是0.7，它产生一个具有大约90度立体角(solid angle)的光锥。一个更大的数值孔径系统是可能的，并且只是由元件的机械布置所限制。这种角度在图1中用θ1表示。为了进一步增加输出，一个后向反射器5放置在灯的后面，直接跟主反射镜相对。后向反射器将通过该灯把光反射回来，并通过弧光聚焦，以增加通过主反射镜收集的光度和增加象点、目标光点6处的总输出。为了使最大光耦合进入一根塑料纤维而没有损害，比如热，可将一熔接束放置在锥包覆杆或锥熔接束和塑料纤维的输入之间。假如锥包覆杆是光变换器件，那么熔接束也有利于收集传输方式，这样，为耦合到单塑料纤维或纤维束产生更均匀的输出。
除了采用单个大目标之外，本发明通过多纤维作为目标还有利于更有效的耦合和高强度光的传输。这不仅包括几百或几千小直径纤维的纤维束(直径大约50微米)，而且包括能传输充足光量的更大纤维束，以便用于从外科照明到商业展示照明的范围。与单纤维目标相比，由玻璃，石英或塑料单纤维组成的多纤维目标能直接耦合，或取决于来自所用光导的特殊类型的输出，通过中等熔接束而使得对纤维目标的损害最小化。通常的光纤输出器件可以从纤维束(由小直径光纤，通常其直径小于80微米所组成)到通常用塑料作成的单根大直径光纤。对于一个具有多纤维的目标，每根纤维的截面积为A(f)，纤维束中纤维的总数量必然是小于用A(f)除纤维束输出截面积获得的数。
本发明的其它实施例能针对引导光到数根作为光纤输出器件的纤维，其中，每根纤维的直径通常大于0.1毫米而小于5毫米。本发明的另一实施例为一分布光纤照明系统，其中，通过每根光纤的最大光是通过将光收集系统的数值孔径变换成与单个光纤的数值孔径相匹配而取得的。此外，将锥熔接束或锥包覆杆与熔接束结合，提供了几乎均匀的输出，从而将基本相同的光量耦合到输出束中的每一单独光纤。
从本质上说，锥包覆杆在整个传输中比锥熔接束更有效。另一方面，锥包覆杆，比起锥熔接束来说，要求一个更长的长度，以完全变换NA，并要求一个长得多的长度，以扩散该杆的形式。即是说，为了改变NA和为了扩散方式，以产生一个均匀的输出，所要求的包覆杆的锥长度实质上比仅要求改变NA时更长。在锥熔接束中的单个纤维的小直径，通常小于80微米，在大约单个纤维的30倍直径范围内，变换角度和空间分布。通过对比，锥包覆杆为改变数值孔径和产生空间均匀输出要求一个长得多的长度。
由于相对一个包覆杆来说，熔接束是低效的，在本发明的实施例中应用哪一个作光导将取决于光纤输出器件的尺寸和主收集器系统的布置。至于锥熔接束或锥包覆杆的最终变换数值孔径和总效率将根据简单光学几何确定，并根据锥形在其上产生的锥角和长度而改变。
假定每一实施例的光源具有宽光谱输出，在本发明中，波长的鉴别是通过以下方法实现的，即把介电涂层涂敷到光收集器系统的主反射器和/或光变换器件的输入或输出表面。
实施例1
采用一种具有1∶1放大的离轴成像系统，比如图1所示的一种系统，这将影响其余元件的选择。因为主反射镜具有大的收集角，因此，目标图像固有地具有散像现象和其他光学像差，这些将导致图像必然大于弧光间隙的尺寸。在1∶1成像系统中，假如光变换器件8的输入直径是灯的弧光间隙尺寸的2-3倍，则变换器件的输入数值孔径与目标光点的输入光的数值孔径相似，才能获得最大收集效率。在图1中，离轴成像系统的NA大约是0.7，光变换器件的NA是0.66或更大。
假如输出器件是具有0.6NA的12毫米直径单芯塑料光纤，则所产生的聚焦点小于大约6毫米的任何成像系统都是合适的。对于离轴成像系统中存在的1∶1放大，考虑到在系统中污损图像的光学像差，弧光间隙大约是3毫米的灯将是合适的，以保证在目标光点收集至少80％的光。
本实施例的一般参数中，输出光纤器件的直径d3应该大约等于或大于锥光导的输出直径d2，锥光导的输入直径d1，小于d2和d3，必须是弧光间隙长度的大约两倍(或对于某种其它类型的未指定放大特性的成像系统，约等于本身图象光点尺寸与弧光间隙比)。此外，输出光纤NA3的NA应该是大约等于NA2，来自光变换器件8的输出NA，以及输入NA1，大于NA2，应该与光收集系统的相似，以产生最佳的总效率。此外，元件8的锥角和长度由等式1确定。
实施例2
假定本发明的最大收集效率取决于收集和会聚/成像镜片以及光导的结构，那么就有一系列构造或优选实施例将增加所收集的、通过光纤目标传输的光量，所增加的量取决于目标的大小。在一种离轴构造中，获得来自主反射镜的更高收集效率要求主反射镜的有效NA增加。然而，通过增加光在其上反射到目标的立体角，一些光线将放大，一些将缩小，而不是1∶1成像，如图2所示。例如，如图所示，光线r3在比目标光点6更接近灯1的反射镜上具有反射点，这将在目标上给出一个放大图像。光线r4，如图所示，在比灯更接近反射镜的反射镜上具有反射点，将给出一个缩小的图像。整个图像的尺寸，由所有光线的和组成，将从1∶1增加整个光点尺寸。补偿图像尺寸的增加要求锥杆或熔接束的输入直径增加，以使收集效率最大化，通常应该是在光源弧光间隙长度的大约2-3倍之间的某处。因此，非均匀成像离轴光学系统，比如图2所示的系统，具有部分放大直到3∶1，灯弧光间隙为2毫米，假定没有像差，则这种系统将产生大约6毫米的目标光点直径，并要求6毫米的锥杆输入。
实施例3
另一种在较大收集角上收集和会聚光的方法是采用一个扩展的椭球面反射器，如图3所示。采用这种结构，大多数的光通过反射器来收集，但是，放大不是1∶1。通常，这种构造将具有不小于3∶1的放大。在这种情况下，目标的光NA仍然是太大，大约是整体，耦合进入一个大直径目标，比如一个纤维束或一根大单塑料纤维，每一根的NA大约是0.5-0.6。在与椭圆形收集和会聚反射器结合的现有技术系统中，反射器被截平，并不包括图3中反射器3a的突出部分。在现有技术系统中，来自反射器3a突出部分的光不能使用，因为从高NA部分收集的光将具有太高的NA，并将不会耦合进入通常的纤维目标，通常的纤维目标的NA是大约0.6或更小。在本发明的这一实施例中，用锥包覆杆或锥熔接束，比如光导8，将高NA光变换成较低NA，这样就能够附加光通量，从较高变换成较低NA，以便耦合进入光纤目标。再有，锥光导的输入直径必须比光源的弧光间隙更大，对于这种构造，通常是至少三倍大。
实施例4
假如锥光导的输出数值孔径小于光纤输出器件的数值孔径，那么通过目标传输的光将是最佳的。输出光纤的NA与锥光导的输入NA相关，见关系式(1)，锥光导的输入NA通常是等于或小于光收集和成像系统的NA。锥形光变换器件的长度由器件的输入和输出的NA之比以及熔接束或包覆杆是否为锥形来确定。在两种之一的情况下，锥光导的输入NA，为了在目标处的收集效率最大，必须至少等于目标光点处的主收集器的NA。
例如，5英寸长的锥包覆杆可用作光导。锥包覆杆具有大约2.5毫米的输入直径和大约4毫米的输出直径。这种杆用大约0.7的输出NA(比如从主收集系统，如实施例1所述)将光变换到大约0.45的输出NA。该输出光有效地耦合到5毫米直径和0.5NA的输出光纤束。与没有锥的包覆杆相比，通过输出纤维束的输出增加大约15％，并能通过在锥的输入和输出端介电地涂敷抗反射涂层而进一步增加。
实施例5
在另一实施例中，锥熔接束具有大约6毫米的输入端直径和大约10毫米的输出端直径，这种锥熔接束用于耦合来自小弧光灯的光进入大光纤芯，直径大约12毫米。与没有锥的熔接束相比，光纤芯的输出增加了22％。
由此，本发明已经被描述，很明显，对于本领域的普通技术人员来说，本发明的实施例可以在许多方面变化和改进，而不会偏离本发明的精神和范围。因此，任何和所有的这些改进都应该包括在下面的权利要求书的范围内。

Claims (35)

1.一种用于增加光耦合进入光纤器件的系统，包括：
一个提供光的电磁收集和会聚系统，具有一个灯，其弧光间隙尺寸为S和有效数值孔径为NA0；
一个光纤光导元件，它是一个凹透镜，或是一个光导，其输入端接收来自所述收集和会聚系统的光，其输出端输出来自光导的光，该光导的所述输入端具有输入数值孔径NA1和输入直径d1，该光导的所述输出端具有输出数值孔径NA2和输出直径d2，其中，所述NA1小于或等于所述NA0，所述NA2小于所述NA1，所述S小于所述d1，所述d1小于所述d2；和
一个光纤输出器件，接收来自光导的输出端的光，并输出光，所述输出器件具有直径d3和数值孔径NA3，其中，所述NA3大于或等于所述NA2，和所述d3大于或等于所述d2。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤光导包括一个锥包覆杆。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤光导包括一个锥熔接光纤束。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光导包括一个具有反射内表面的空心管。
5.根据权利要求5所述的系统，其中，所述空心管包括一个复合抛物面集中器。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤光导元件是一个凹透镜。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述系统进一步包括一个圆柱包覆杆或熔接束，位于所述凹透镜和所述输出器件之间，以将来自光导的光传输到输出器件。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统进一步包括一个熔接光纤束，位于所述光导和所述输出器件之间，以将来自光导的光传输到输出器件。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电磁收集和会聚系统包括至少一个球面凹反射器。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电磁收集和会聚系统包括至少一个超环面凹反射器。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电磁收集和会聚系统包括一个椭球面凹反射器。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电磁收集和会聚系统包括一个后向反射器。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤输出器件包括一根光纤。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤输出器件包括数根光纤。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述光纤输出器件包括一个所述数根光纤的熔接束。
16.一种用于增加光耦合进入光纤器件的系统，包括：
一个电磁辐射源，所述源提供辐射，该辐射具有直径为S和数值孔径为NA0的输出光点；
一个光纤输出器件，用于传输直径为d3和数值孔径为NA3的光；和
一个光变换器件，用于减小来自辐射源的输出光点的数值孔径和增加其直径，并引导该辐射进入光纤输出器件，所述变换器件是一个凹透镜，或是一个输入数值孔径为NA1、输入直径为d1、输出数值孔径为NA2和输出直径为d2的器件，其中，所述NA1小于或等于所述NA0，所述NA2小于所述NA1，所述S小于所述d1，以及所述d1小于所述d2，所述NA3大于或等于所述NA2，以及所述d3大于或等于所述d2。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述光变换器件包括一个锥形包覆杆。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述光变换器件包括一个锥形熔接光纤束。
19.根据权利要求16所述的系统，其中，所述光变换器件包括一个具有反射内表面的空心管。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述空心管包括一个复合抛物面集中器。
21.根据权利要求16所述的系统，其中，所述变换器件是一个凹透镜。
22.根据权利要求16所述的系统，其中，所述系统进一步包括一个圆柱包覆杆，位于所述光变换器件和所述输出器件之间，以将来自该变换器件的光传输到该输出器件。
23.根据权利要求16所述的系统，其中，所述系统进一步包括一个熔接光纤束，位于所述光变换器件和所述输出器件之间，以将来自该变换器件的光传输到该输出器件。
24.根据权利要求16所述的系统，其中，所述电磁辐射源进一步包括一个球面凹反射器和弧光灯。
25.根据权利要求16所述的系统，其中，所述电磁辐射源包括一个超环面凹反射器和弧光灯。
26.根据权利要求16所述的系统，其中，所述电磁辐射源包括一个椭球面凹反射器和弧光灯。
27.根据权利要求16所述的系统，其中，所述电磁辐射源包括一个主反射器和一个后向反射器。
28.根据权利要求16所述的系统，其中，所述光纤输出器件包括一根光纤。
29.根据权利要求16所述的系统，其中，所述光纤输出器件包括数根光纤。
30.根据权利要求29所述的系统，其中，所述光纤输出器件包括一个所述数根光纤的熔接束。
31.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光导包括一个立体复合抛物面集中器。
32.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光提供系统包括一个灯，它从由氙，水银，水银—氙，和金属卤化物灯组成的一组中选择。
33.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电磁收集和会聚系统在所述光导元件的所述输入处大约产生所述弧光间隙为S的1∶1图像。
34.根据权利要求16所述的系统，其中，所述光变换器件包括一个立体复合抛物面集中器。
35.根据权利要求16所述的系统，其中，所述电磁辐射源进一步大约包括一个1∶1成像系统。
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